JP2009295916A

JP2009295916A - 冷凍装置

Info

Publication number: JP2009295916A
Application number: JP2008150552A
Authority: JP
Inventors: Yoshitsugu Koyama; 義次小山; Koichi Harada; 浩一原田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケットを用いてパワーデバイスを冷却する際に、冷却ジャケットから漏れ出る高周波電流を低減させる。
【解決手段】パワーデバイス（14）を有した電気回路（10）と、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）とを設ける。また、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続する絶縁シート（50）を設ける。そして、冷媒ジャケット（30）を流通する冷媒によってパワーデバイス（14）を冷却する。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置に関するものである。

冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置では、圧縮機の電動機の運転状態を制御するために、インバータ回路などの電気回路が搭載される。一般的にこのインバータ回路には高熱を生ずるパワーデバイスが用いられ、従来の冷凍装置ではこのパワーデバイスが動作可能な温度よりも高温にならないように、パワーデバイスを冷却する手段が設けられている。具体的な冷却手段としては、例えばパワーデバイスにヒートシンクを取り付けて空冷したり、冷凍サイクルに用いる冷媒によってパワーデバイスを冷却するようにしたものがある（例えば特許文献１を参照）。特許文献１の冷凍装置では、冷凍サイクルに用いる冷媒が流れる冷媒通路を冷媒ジャケット（この文献ではヒートシンクと呼んでいる）に設け、この冷媒ジャケットにパワーデバイス（同文献ではジャイアント・トランジスタ）を固定するとともに、冷媒ジャケットを電気部品箱に収めている。
特開昭６２-６９０６６号公報

ところで、パワーデバイスのなかには、図９に示すように、ＩＧＢＴベアチップ（401）（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ヒートスプレッダ（402）、内部電極（403）、絶縁板（404）、金属板（405）が樹脂モールドにより１つのパッケージ（406）に収められているものがある。このような構造のパワーデバイス（400）では、パワーデバイス（400）内部において内部電極（403）と金属板（405）との間にコンデンサが形成される。また、このパワーデバイス（400）に対して、導電体により形成されたヒートシンクや冷媒ジャケットなどの冷却手段（407）を取り付けると、パワーデバイス（400）内部の金属板（405）と、冷却手段（407）との間にコンデンサが形成される。そして、これらのコンデンサ（結合容量）は直列に繋がることになる（図１０を参照）。

上記のパワーデバイス（400）を冷却する際に、例えば冷却手段（407）としてヒートシンクを使用してパワーデバイス（400）を空冷する場合には、図１１のように構成することが考えられる。図１１の例では、プリント基板（408）上に、パワーデバイス（400）、コモンモードコイル（409）、Ｙコン（410）、コンデンサ（411）が配置されて電気回路が形成されている。Ｙコン（410）はＡＣ電源ラインとアース線との間に設けられたコンデンサであり、コモンモードコイル（409）とともにノイズフィルタを構成している。また、コンデンサ（411）は電圧の平滑等に用いるコンデンサである。この構成では、空冷用のヒートシンクは非接地である。

一方、冷却手段（407）として冷媒ジャケットを使用してパワーデバイス（400）を冷媒によって冷却する場合には、図１２の構成が考えられる。この例では、冷媒ジャケットが冷媒配管（412）に接続されているので、冷媒ジャケットは、該冷媒ジャケットやプリント基板（408）が収容された筐体（413）を介して接地させられる。

ここで、パワーデバイス（400）がスイッチング動作を行うと、内部電極（403）の対地間電位変動によって、内部電極（403）と冷却手段（407）との間に形成されたコンデンサに高周波電流（高周波ノイズ）が流れる。その高周波電流は、図１３において矢印で示すように、筐体（413）やアース線を通って装置外部へ流れ出す。すなわち、この冷凍装置におけるノイズの伝達経路を等価回路で示すと図１４のようになる。図１４においても高周波電流が流れる経路を矢印で示している。なお、図１３、図１４において、ＬＩＳＮはノイズ測定用の装置である。

このようにして装置外部へ流れ出た高周波電流が所定の大きさを超えると、雑端（雑音端子電圧）や漏れ電流等のノイズ問題の原因となる可能性がある。そして、装置外部へ漏れ出す高周波電流の大きさは、内部電極（403）と冷却手段（407）の間に形成されたコンデンサの静電容量と電圧の変化率で決まる。すなわち、高周波電流の大きさ（ｉ）は静電容量をＣ、電圧をｖとすると、ｉ＝Ｃ×ｄｖ／ｄｔと表せる。その点、空冷用のヒートシンクは一般的には非接地で用いるので、その静電容量の大きさは然程大きくなく、装置外部へ流れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）は問題になり難いと考えられる。

しかしながら、冷却手段（407）として冷媒ジャケットを使用する場合には、冷媒ジャケットには銅などの導体により形成された冷媒配管が接続され、その冷媒配管が筐体に接続されるので、冷媒ジャケットは接地され、その結果、静電容量が大きくなってノイズが増加する可能性がある。つまり、ヒートシンクによりパワーデバイス（400）を空冷していた場合には問題にならなかったノイズが、発生したノイズのレベルによっては、冷媒ジャケットを使用することにより問題として顕在化する可能性がある。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケットを用いてパワーデバイスを冷却する際に、冷却ジャケットから漏れ出る高周波電流を低減させることを目的としている。

上記の課題を解決するため、第１の発明は、
パワーデバイス（14）を有した電気回路（10）と、該パワーデバイス（14）と熱的に接続されるとともに冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）とを備えて、該冷媒ジャケット（30）を流通する冷媒によって該パワーデバイス（14）を冷却する冷凍装置であって、
前記パワーデバイス（14）と前記冷媒ジャケット（30）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続する絶縁部材（50）を備えていることを特徴とする。

これにより、絶縁部材（50）が、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とを電気的に絶縁するので、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とを直接接続した場合と比べ、パワーデバイス（14）と筐体との間に形成される結合容量が小さくなる。

また、第２の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記絶縁部材（50）は、シート状に形成されて、前記パワーデバイス（14）と前記冷媒ジャケット（30）とによって挟み込まれていることを特徴とする。

これにより、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とが、容易に、電気的に絶縁され且つ熱的に接続される。

また、第３の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、さらに、
前記冷媒が流通する冷媒配管（20）と、
前記冷媒ジャケット（30）と前記冷媒配管（20）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続するジャケット・配管用絶縁部材（90）と、
を備えていることを特徴とする。

これにより、ジャケット・配管用絶縁部材（90）が、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とを電気的に絶縁するので、冷媒ジャケット（30）から冷媒配管（20）に流れる高周波電流に対するインピーダンスが増加する。

また、第４の発明は、
第３の発明の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット（30）は、前記冷媒配管（20）が嵌め込まれる貫通孔（30a）を有し、
前記貫通孔（30a）には、前記ジャケット・配管用絶縁部材（90）として、熱伝導性の樹脂が注入されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、
第３の発明の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット（30）は、前記冷媒配管（20）が嵌め込まれる貫通孔（30a）を有し、
前記貫通孔（30a）には、前記ジャケット・配管用絶縁部材（90）として、熱伝導性のシートが挿入されていることを特徴とする。

これらにより、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とが、容易に、電気的に絶縁され且つ熱的に接続される。

第１の発明によれば、パワーデバイス（14）と筐体との間に形成される結合容量が小さくなるので、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）を用いてパワーデバイス（14）を冷却する際に、冷媒ジャケット（30）から漏れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）を低減させることができる。

また、第２の発明によれば、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とが、容易に、電気的に絶縁され且つ熱的に接続されるので、冷媒ジャケット（30）から漏れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）を容易に低減させることができる。

また、第３の発明によれば、ジャケット・配管用絶縁部材（90）が、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とを電気的に絶縁するので、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）を用いてパワーデバイス（14）を冷却する際に、冷媒ジャケット（30）から漏れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）をより効果的に低減させることができる。

また、第４、第５のそれぞれの発明によれば、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とが、容易に、電気的に絶縁され且つ熱的に接続されるので、冷媒ジャケット（30）から漏れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）を容易に低減させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍装置（1）の一部分を抜粋した図である。この冷凍装置（1）は、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにより冷房運転や暖房運転を行う空気調和機などに適用できる。図１では、冷凍サイクルに使用する冷媒を圧縮する圧縮機（図示省略）の電動機（M）の回転数の制御などを行う電気回路（10）の周辺を主に図示している。同図に示すように、電気回路（10）の周辺には、冷媒配管（20）、冷媒ジャケット（30）、絶縁シート（50）が配置され、これらは、鉄などの金属（導体）により箱状に構成された筐体（70）に収められている。

冷媒配管（20）は、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する配管であり、例えば銅管などにより構成される。この冷媒配管（20）は、金属のブラケット（71）によって、筐体（70）に固定され、筐体（70）に取り付けられたアース線等を介して接地されている。

冷媒ジャケット（30）は、例えばアルミニウムなどの金属を扁平な直方体状に形成したものであり、冷媒配管（20）の一部を覆って、冷媒配管（20）と熱的に接続されている。詳しくは、この冷媒ジャケット（30）には、図２に示すように冷媒配管（20）を嵌めこむ２つの貫通孔（30a）が設けられ、冷媒配管（20）は、一方の貫通孔（30a）を通り抜けた後にＵ字状に折り返して、もう一方の貫通孔（30a）を通り抜けている。つまり、この冷媒ジャケット（30）は、冷媒配管（20）によって、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通しているとみなすことができる。また、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とは、電気的にも接続されている。そして、既述の通り、冷媒配管（20）は筐体（70）等を介して接地されているので、この冷媒ジャケット（30）も接地されることになる。

図３は、電気回路（10）の主要部分を示すブロック図である。図３に示した例では、電気回路（10）は、ノイズフィルタ（11）、ＤＣリンク（12）、インバータ回路（13）を備え、これらがプリント基板（15）上に配置されている。なお、図３におけるＬＩＳＮ（100）は、ノイズ測定用の装置であり、電気回路（10）の構成要素ではない。このＬＩＳＮ（100）は抵抗成分として５０Ωを有し、ノイズを電圧として測定するようになっている。

ノイズフィルタ（11）は、商用交流電源（例えばＡＣ１００Ｖ）に接続され、交流の入力側においてノイズを低減させる。このノイズフィルタ（11）は、図３に示すように、ＡＣ電源ラインとアース線（16）との間に設けられたコンデンサであるＹコン（11a）、コモンモードコイル（11b）、ＡＣ電源ライン同士を繋ぐコンデンサであるＸコン（11c）を備えている。なお、ノイズフィルタ（11）には、さらにノーマルモードコイルを設けてもよい。

また、ＤＣリンク（12）は、整流器（12a）、リアクトル（12b）、及び平滑コンデンサ（12c）を備え、ノイズフィルタ（11）を介して入力された交流を整流して直流電力を出力する。

インバータ回路（13）は、ＤＣリンク（12）から直流電力の供給を受けて、電動機（M）に所定の電圧の交流電力を供給する。このインバータ回路（13）は、スイッチング素子としてパワーデバイス（14）を備えている。本実施形態のパワーデバイス（14）は、図４に示すように、ＩＧＢＴベアチップ（14a）、ヒートスプレッダ（14b）、内部電極（14c）、絶縁板（14d）、及び金属板（14e）を備え、これらが樹脂モールドにより１つのパッケージ（14f）に収められている。このパワーデバイス（14）の内部においては、図５に示すように、内部電極（14c）、絶縁板（14d）、及び金属板（14e）によってコンデンサ（C1）が形成される。

上記のパワーデバイス（14）は、電動機（M）の運転時には発熱し、パワーデバイス（14）を冷却しておかないと、パワーデバイス（14）が動作可能な温度（例えば９０℃）を超える可能性がある。そのため、冷凍装置（1）では、冷媒ジャケット（30）を流通する冷媒によってパワーデバイス（14）を冷却するようになっている。

より具体的には、図６に示すように、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とによって、絶縁部材としての絶縁シート（50）を挟み込む構造になっている。この絶縁シート（50）には、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とを、電気的に絶縁し且つ熱的に接続することができる材質を選択する。例えば、セラミックスやシリコーン樹脂を材料としてパワーデバイスなどの発熱素子の冷却用として用いられる冷却用放熱シート等を絶縁シート（50）として採用できる。なお、この絶縁シート（50）は、パワーデバイス（14）の放熱面よりも少し大きめに加工しておくと組み付け時の作業性がよい。

この構造では、パワーデバイス（14）の熱は、絶縁シート（50）を介して冷媒ジャケット（30）に伝導し、冷媒ジャケット（30）を流通する冷媒に放熱することになる。また、パワーデバイス（14）と冷媒ジャケット（30）とが、絶縁体である絶縁シート（50）を挟み込むことによって、図５に示すように、金属板（14e）と冷媒ジャケット（30）とを電極とし、パッケージ（14f）と絶縁シート（50）とを誘電体としたコンデンサ（C2）が形成され、このコンデンサ（C2）は上記のコンデンサ（C1）と直列に接続される。

-冷凍装置（1）におけるコモンモードノイズの伝播-
冷凍装置（1）においてパワーデバイス（14）がスイッチング動作を行うと、内部電極（14c）の対地間電位変動によって、コンデンサ（C1）に高周波電流が流れ、この高周波電流は電動機（M）と、コンデンサ（C2）に伝播する。冷凍装置（1）の構造によっては、電動機（M）と筐体（70）との間には、コンデンサ（C3）（寄生容量）が形成され、電動機（M）に伝播した高周波電流はコモンモードノイズとしてコンデンサ（C3）を介して装置外部へ流れ出す。一方、コンデンサ（C2）に伝播した高周波電流は、冷媒ジャケット（30）や冷媒配管（20）を経由し、さらに筐体（70）やアース線（16）を通ってコモンモードノイズとして装置外部へ流れ出す。

しかしながら、この冷凍装置（1）では、パワーデバイス（14）を冷媒ジャケット（30）に直接取り付けた場合と比べ、冷媒ジャケット（30）等を経由して装置外部へ流れ出すコモンモードノイズの大きさは小さくなる。これは、パワーデバイス（14）のパッケージ（14f）と冷媒ジャケット（30）との間に絶縁シート（50）を介在させことによって、パワーデバイス（14）を冷媒ジャケット（30）に直接取り付けた場合に比べて、パワーデバイス（14）と筐体（70）との間に形成される結合容量、より詳しくは、金属板（14e）と冷媒ジャケット（30）とを電極として形成されるコンデンサの静電容量（冷凍装置（1）においてはコンデンサ（C2））が小さくなるからである。

コンデンサ（C2）の静電容量は、絶縁シート（50）厚みによって変更することができる。図７は、絶縁シート（50）の厚みと１ＭＨｚにおけるコンデンサ（C2）のインピーダンスとの関係、及び絶縁シート（50）の厚みとコンデンサ（C2）の静電容量との関係を例示した図である。図７に例示するように、絶縁シート（50）の厚みを増加させると、コンデンサ（C2）の静電容量は低下し、インピーダンスは増加する。つまり、絶縁シート（50）の厚みが大きいほど、コンデンサ（C2）を通過する高周波電流は小さくなり、その結果、コモンモードノイズをより効果的に低減させることができる。ただし、絶縁シート（50）の厚みをあまり厚くしすぎると、冷媒ジャケット（30）によるパワーデバイス（14）の冷却の効率が低下する。そのため、絶縁シート（50）の厚みは、所望のコモンモードノイズのレベルを達成できて、且つ必要な冷却効率が得られるように定めるのが好ましい。

以上のように、本実施形態によれば、冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）を用いてパワーデバイス（14）を冷却する際に、冷媒ジャケット（30）から漏れ出る高周波電流（コモンモードノイズ）を低減させることができる。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２に係る冷凍装置は、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）の接続構造が実施形態１の冷凍装置（1）と異なっている。図８は、本実施形態に係る、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）の接続構造を示す図である。この冷凍装置は、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続する絶縁部材（90）を備えている。

具体的には、本実施形態の冷媒ジャケット（30）は、図８に示すように、冷媒配管（20）の外形よりも直径が大きな貫通孔（30a）が２つ設けられている。そして、冷媒配管（20）は、一方の貫通孔（30a）を通り抜けた後にＵ字状に折り返して、もう一方の貫通孔（30a）を通り抜けている。この際、貫通孔（30a）の内面と冷媒配管（20）との間には隙間ができるが、本実施形態では、この隙間に、絶縁部材（90）として熱伝導性の樹脂（例えば熱伝導性の接着剤）を注入している。なお、図８の例は、冷媒配管（20）が貫通孔（30a）に対して偏心していて、冷媒配管（20）が貫通孔（30a）に接触しているようにも見えるが、この部分にも絶縁部材（90）が充填されており、電気的な絶縁が担保されている。

このように、絶縁部材（90）を設けることで、冷媒ジャケット（30）から冷媒配管（20）に流れる高周波電流に対するインピーダンスが増加し、コモンモードノイズを低減することが可能になる。

なお、絶縁部材（90）としては、シート状の熱伝導性の部材を、貫通孔（30a）の内面と冷媒配管（20）との間に挟み込むことも可能である。このようなシート状の部材としては、例えば、セラミックスやシリコーン樹脂を材料としてパワーデバイスなどの発熱素子の冷却用として用いられる冷却用放熱シート等を採用できる。

本発明に係る冷凍装置は、冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う冷凍装置として有用である。

本発明の実施形態１に係る冷凍装置（1）の一部分を抜粋した図である。冷媒ジャケット（30）への冷媒配管（20）の取り付け状態を説明する図である。電気回路（10）の主要部分を示すブロック図である。パワーデバイス（14）の構造例を示す図である。パワーデバイス（14）に形成される寄生容量を説明する図である。パワーデバイス（14）、冷媒ジャケット（30）、及び絶縁シート（50）の取り付け関係を示す図である。絶縁シート（50）の厚みと１ＭＨｚにおけるコンデンサ（C2）のインピーダンスとの関係、及び絶縁シート（50）の厚みとコンデンサ（C2）の静電容量との関係を例示した図である。本発明の実施形態２に係る、冷媒ジャケット（30）と冷媒配管（20）の接続構造を示す図である。パワーデバイスの構造の一例を示す図である。パワーデバイスに形成される寄生容量を説明する図である。パワーデバイスをヒートシンクで空冷する場合の構成例を説明する図である。冷媒ジャケットを流れる冷媒でパワーデバイスを冷却する場合の構成例を説明する図である。コモンモードノイズの伝播経路を説明する図である。図１３に示したコモンモードノイズの伝播経路と等価な回路を示す図である。

符号の説明

１冷凍装置
１０電気回路
１４パワーデバイス
２０冷媒配管
３０冷媒ジャケット
３０ａ貫通孔
５０絶縁シート（絶縁部材）
９０絶縁部材（ジャケット・配管用絶縁部材）

Claims

パワーデバイス（14）を有した電気回路（10）と、該パワーデバイス（14）と熱的に接続されるとともに冷凍サイクルに使用する冷媒が内部に流通する冷媒ジャケット（30）とを備えて、該冷媒ジャケット（30）を流通する冷媒によって該パワーデバイス（14）を冷却する冷凍装置であって、
前記パワーデバイス（14）と前記冷媒ジャケット（30）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続する絶縁部材（50）を備えていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１の冷凍装置において、
前記絶縁部材（50）は、シート状に形成されて、前記パワーデバイス（14）と前記冷媒ジャケット（30）とによって挟み込まれていることを特徴とする冷凍装置。
請求項１の冷凍装置において、さらに、
前記冷媒が流通する冷媒配管（20）と、
前記冷媒ジャケット（30）と前記冷媒配管（20）とを、電気的に絶縁し、且つ熱的に接続するジャケット・配管用絶縁部材（90）と、
を備えていることを特徴とする冷凍装置。
請求項３の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット（30）は、前記冷媒配管（20）が嵌め込まれる貫通孔（30a）を有し、
前記貫通孔（30a）には、前記ジャケット・配管用絶縁部材（90）として、熱伝導性の樹脂が注入されていることを特徴とする冷凍装置。
請求項３の冷凍装置において、
前記冷媒ジャケット（30）は、前記冷媒配管（20）が嵌め込まれる貫通孔（30a）を有し、
前記貫通孔（30a）には、前記ジャケット・配管用絶縁部材（90）として、熱伝導性のシートが挿入されていることを特徴とする冷凍装置。