JP4200850B2

JP4200850B2 - 電動圧縮機

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Publication number: JP4200850B2
Application number: JP2003276198A
Authority: JP
Inventors: 祐輔進藤; 健治入山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: DE102004033978A1; JP2005036753A; DE102004033978B4; US7021075B2; US20050011213A1

Description

本発明は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構、圧縮機構を駆動する電動式のモータ、およびモータを駆動するインバータ回路等のモータ駆動回路を有する電動圧縮機に関するもので、車両用の蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用して有効である。

従来の電動圧縮機として、例えば特許文献１に示されるように、圧縮機構とモータとを一体化して、モータを駆動する駆動回路を圧縮機構の冷媒ガス吸入側に取付けたものが知られている。更に具体的には、モータが収容されるハウジングに冷媒の吸入ポートが設けられ、駆動回路内のインバータがモータのハウジングに密着して取付けされるようにしている。

これにより、インバータにおける半導体スイッチング素子は、モータの運転中において低温の冷媒によって冷却されるので、空冷式の放熱器やファンあるいは水冷式の水冷放熱器や水配管等を不要として、電動圧縮機を小型、低コストにすることができるとしている。

しかしながら、上記技術においては駆動回路中の半導体スイッチング素子の作動を制御する制御回路については、積極的に冷却する思想は見受けられない。一般に制御回路自身の発熱は半導体スイッチング素子に比べて少ないものであるが、自身の耐熱性は低いため、モータ非作動時において、電動圧縮機が配設される温度環境によっては信頼性が充分に確保できないという問題があった。
特開２０００−２９１５５７号公報

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであって、モータが非作動時においてもモータ駆動回路中の制御回路の信頼性を向上可能とする電動圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（１１０）および圧縮機構（１１０）を駆動する電動式のモータ（１２０）が一体的に形成され、圧縮機構（１１０）の冷媒吸入側部（１２１）にモータ（１２０）を駆動するモータ駆動回路（１３０）が設けられた電動圧縮機において、モータ駆動回路（１３０）に設けられ、モータ（１２０）へ供給する電力を調整するスイッチング素子（１３１）の作動を制御する制御回路（１３２）の少なくとも一部は、支持部材（１３４）に固定される回路基板（１３２Ａ）を介して冷媒吸入側部（１２１）の表面から離れて配置されるとともに、冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）に当接して取付けられることを特徴としている。

これにより、モータ（１２０）作動時において低温の冷媒によって、モータ駆動回路（１３０）中のスイッチング素子（１３１）および制御回路（１３２）を冷却できるので、信頼性を向上することができる。

更には、モータ（１２０）非作動時においては、制御回路（１３２）の少なくとも一部を、モータ（１２０）作動時の冷媒によって他の部位よりも低温に保持される冷媒吸入側部（１２１）の表面あるいはこの表面から延びる伝熱経路（１２４）から積極的に冷却できるので、制御回路（１３２）の信頼性を向上することができる。

請求項２に記載の発明では、冷媒吸入側部（１２１）は、圧縮機構（１１０）およびモータ（１２０）を収納すると共に、内部に圧縮機構（１１０）が吸入する吸入冷媒を流通するハウジング（ｌ２１）であることを特徴としている。

これにより、コンパクトなモータ駆動回路一体型の電動圧縮機（１００）とすることができる。

上記のモータ駆動回路（１３０）としては、請求項３に記載の発明のように、インバータ回路（１３０）に用いて好適である。

また、請求項４に記載の発明のように、冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）に当接して取付けられる制御回路（１３２）の部位は、回路基板（１３２Ａ）に設けられる電子回路素子（１３２Ｂ）としてやれば良く、制御回路（１３２）を効果的に冷却することができる。

更には、請求項５に記載の発明のように、電子回路素子（１３２Ｂ）としては、一般的に耐熱性に劣るフォトカプラー（１３２ｂ）に適用してやれば良い。更に、請求項６に記載の発明のように、フォトカプラー（１３２ｂ）はスイッチング素子（１３１）よりも、冷媒吸入側部（１２１）の内部を流れる冷媒流の上流側に配置されていることが好ましい。

請求項７に記載の発明では、制御回路（１３２）の少なくとも一部と冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）との間には絶縁部材が介在されたことを特徴としている。

これにより、制御回路（１３２）を導通する電流が冷媒吸入側部（１２１）に漏れるのを防止できる。

また、請求項８に記載の発明では、圧縮機構（１１０）は、車両用冷凍サイクル内の冷媒を圧縮することを特徴としており、車両（１）のように電動圧縮機（１００）が配設される温度環境が厳しい場合に用いて好適である。

尚、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係るモータ駆動回路一体型の電動圧縮機１００を用いた車両用の蒸気圧縮式冷凍サイクルを示す模式図である。図２は、電動圧縮機１００の車両１のエンジンルーム１ａ内における搭載位置を示す模式図である。図３は、本実施形態における電動圧縮機１００を示す部分断面図である。そして、図４は、インバータ回路１３０の構成を示す回路図である。

図１に示すように、２００は電動圧縮機１００から吐出される冷媒を冷却する凝縮器であり、３００は凝縮器２００から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出すると共に、冷凍サイクル中の余剰冷媒を蓄えるレシーバ（気液分離器）である。

また、４００はレシーバ３００から流出した液相冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁であり、５００は膨張弁４００にて減圧された冷媒を蒸発させる蒸発器である。尚、本実施形態では減圧手段として膨張弁４００を採用したが、これに限定されるものではなく、減圧手段として固定絞り等を採用してもよい。

図２に示すように、電動圧縮機１００は車両１のエンジンルーム１ａ内において、電動ファン６１０が備えられた凝縮器２００およびラジエータ６００と、エンジン１０との間に配設され、凝縮器２００、ラジエータ６００およびエンジン１０のエキゾーストマニホールド１０ａからの排熱（輻射熱）を受ける位置となっている。因みに、車両１の走行時における電動圧縮機１００の雰囲気温度は、１００〜１２０℃レベルである。

ここで、電動圧縮機１００の構造について説明する。図１に示すように、電動圧縮機１００は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構１１０（本例ではスクロール型圧縮機構）と、この圧縮機構１１０を駆動する電動式のモータ１２０（本例では３相ブラシレスＤＣモータ）と、このモータ１２０を駆動するモータ駆動回路としてのインバータ回路１３０とを備えている。

１１１は、圧縮機構１１０を収納するアルミニウム合金製の圧縮機構ハウジングであり、１２１は、モータ１２０を収納するアルミニウム合金製のモータハウジングである。圧縮機構ハウジング１１１とモータハウジング１２１は、本発明のハウジングを成すものであり、内部には冷媒が流通するようにしている。

モータハウジング１２１には、蒸発器５００の冷媒出口側に接続される吸入口１２３が形成されており、圧縮機構ハウジング１１１には、凝縮器２００の冷媒入口側に接続される吐出口１１２が形成されている。

因みに、スクロール型の圧縮機構１１０は、固定スクロールに対して旋回スクロールを旋回稼働させることにより作動室の体積を拡大縮小させて冷媒を吸入圧縮するもので、固定スクロールは圧縮機構ハウジング１１１の一部を兼ねている。

図３、図４に示すように、モータハウジング１２１の側壁１２２（図３中の上方側）には、ケーシング１３３が配設されており、このケーシング１３３内には、モータ駆動回路としてのインバータ回路１３０が設けられている。

インバータ回路１３０は、スイッチング素子１３１と制御回路１３２とから成る。スイッチング素子１３１は、複数（ここでは６つ）のスイッチ部を有しており、そのＯＮ−ＯＦＦ作動によって、モータ用電源（２００ボルトバッテリ）２０から印加される直流電圧を３相の交流に変換して（電力を調整して）モータ１２０へ駆動電流として供給するものである。スッチング素子１３１は、電力ロスによって発熱する発熱源となり得るもので、モータハウジング１２１の側壁１２２に当接するように、固定されている。

また、制御回路１３２は、上記のスイッチング素子１３１の作動を制御するものであり、車両１および図示しない空調制御部との間において制御用の通信信号を授受する通信回路１３２ａ、入出力信号を以下のＣＰＵ１３２ｄ側に光学的に結合するフォトカプラー１３２ｂ、その他内部電源回路１３２ｃ、ゲートドライバ回路１３２ｅ等から構成されている。尚、制御回路１３２は、モータ１２０の作動、停止に関わらず、エンジン１０がＯＮ状態にあれば作動状態となり、各種演算を行う。

上記制御回路１３２の各回路１３２ａ〜１３２ｅは、具体的にはプリント基板（本発明の回路基板に対応）１３２Ａに電子回路素子１３２Ｂが実装されて形成されている。そして、各回路１３２ａ〜１３２ｅのうち、ここでは特に耐熱性が充分に確保できないフォトカプラー１３２ｂについて、その電子回路素子１３２Ｂがモータハウジング１２１の側壁（本発明の冷媒吸入側部に対応）１２２に当接するようにしている。

尚、残りの通信回路１３２ａ、内部電源回路１３２ｃ、ＣＰＵ１３２ｄ、ゲートドライバ回路１３２ｅについては、そのプリント基板１３２Ａが側壁１２２から突出する支持部材１３４に固定されて側壁１２２に近接されるように配置されている。

そして、フォトカプラー１３２ｂ、スイッチング素子１３１と側壁１２２との間には図示しない絶縁部材が介在されるようにしている。絶縁部材は、非導電性無機フィラーが充填されたシリコーンゴムシートであり、熱伝導性を有すると共に、フォトカプラー１３２ｂ、スイッチング素子１３１と側壁１２２とを電気的に絶縁する。

次に、上記構成に基づく電動圧縮機１００の作動について説明する。車両１および空調制御部からの信号に基づき、制御回路１３２によってスイッチング素子１３１が作動され、モータ用電源２０からの給電によりモータ１２０が駆動する。すると、モータ１２０はモータ１２０に連結された圧縮機構１１０を駆動し、圧縮機構１１０に冷媒を吸入する。これに伴い、吸入口１２３からガス状の低温冷媒（吸入冷媒）が流入する。吸入口１２３から流入した冷媒は、モータハウジング１２１内を流れながらモータ１２０を冷却した後、圧縮機構１１０で圧縮され、高温のガス状冷媒となって吐出口１１２から吐出されるようになっている。

吸入口１２３から圧縮機構１１０に向かう吸入冷媒の一部は、モータハウジング１２１内の図中上方を流れる。この吸入冷媒は、モータハウジング１２１の側壁１２２において受熱したスイッチング素子１３１や制御回路１３２からの熱、特にインバータ回路１３０の主な発熱源であるスイッチング素子１３１からの熱を吸熱し、インバータ回路１３０を冷却する。

更に、モータ１２０が停止状態の時においても、スイッチング素子１３１および制御回路１３２、特にここでは、フォトカプラー１３２ｂは、モータ１２０作動時における低温冷媒によって低温（１０〜３０℃レベル）に保持されたモータハウジング１２１の側壁１２２によって冷却される。

このように、モータ１２０作動時において低温の冷媒によって、インバータ回路１３０中のスイッチング素子１３１および制御回路１３２を冷却できるので、信頼性を向上することができる。

更に、モータ１２０非作動時においては、制御回路１３２の少なくとも一部、即ちここでは一般的に耐熱性の劣るフォトカプラー１３２ｂをモータ１２０作動時の冷媒によって他の部位よりも低温に保持されるモータハウジング１２１の側壁１２２によって積極的に冷却できるので、制御回路１３２の信頼性を向上することができる。

また、制御回路１３２を当接させて設ける面をモータハウジング１２１の側壁１２２としているので、コンパクトなモータ駆動回路一体型の電動圧縮機１００とすることができる。

また、制御回路１３２が側壁１２２に当接される部位は、プリント基板１３２Ａに実装された電子回路素子１３２Ｂとしているので、制御回路１３２を効果的に冷却することができる。

更に、スイッチング素子１３１、フォトカプラー１３２ｂと側壁１２２との間に絶縁部材が介在されるようにしているので、スイッチング素子１３１、制御回路１３２を導通する電流がモータハウジング１２１に漏れるのを防止できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。図５は、第２実施形態における電動圧縮機１００を示す部分断面図である。

ここでは、制御回路１３２の電子回路素子１３２Ｂを１つのプリント基板１３２Ａに設け、このプリント基板１３２Ａを支持部材１３４に固定されるようにしている。そして、制御回路１３２中の特に耐熱性に劣る回路の電子回路素子１３２Ｂ（上記第１実施形態のようにフォトカプラー１３２ｂ等）を側壁１２２から一体で突出する伝熱経路１２４の先端部と当接するようにしている。

このように、制御回路１３２が一体的に設けられて、支持部材１３４に固定されるような場合でも、伝熱経路１２４によって電子回路素子１３２Ｂからの熱を側壁１２２に放熱できるので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、制御回路１３２をモータハウジング１２１の側壁１２２に設けるようにしたが、図３、図５中の右方側の底面に形成されるものであっても良い。更に、蒸発器５００と吸入口１２３とを接続する冷媒配管の表面に設けるようにしても良い。

また、モータ駆動回路としてインバータ回路１３０を例にして説明してが、これに限らず、例えばチョッパ方式を用いて直流モータを駆動するものに適用しても良い。

また、制御回路１３２のうち、フォトカプラー１３２ｂをモータハウジング１２１の側壁１２２あるいは伝熱経路１２４に当接させるようにしたが、耐熱性に応じてその他の回路（自己発熱を伴うＣＰＵ１３２ｄ等）について対応するようにしても良い。

また、上記第１、第２実施形態において、絶縁部材として熱伝導シートを採用したが、シリコーンゲル等を採用してもかまわない。

また、上記第１、第２実施形態において、圧縮機構１１０は、スクロール型であったが、これに限らず、ベーン型や斜板式可変容量型等としても良い。また、吐出口１１２、吸入口１２３の位置は、吸入冷媒がモータハウジング１２１内を流れる構造であるならば上記第１、第２実施形態の位置に限定されるものではない。また、モータ１２０は、３相ブラシレスＤＣモータであったが、これに限らず、他の交流モータ等でも良い。

本発明の第１実施形態における電動圧縮機を用いた蒸気圧縮式冷凍サイクルを示す模式図である。電動圧縮機の車両エンジンルーム内における搭載位置を示す模式図である。本発明の第１実施形態における電動圧縮機を示す部分断面図である。インバータ回路の構成を示す回路図である。本発明の第２実施形態における電動圧縮機を示す部分断面図である。

符号の説明

１００電動圧縮機
１１０圧縮機構
１２０モータ
１２１モータハウジング（冷媒吸入側部、ハウジング）
１２４伝熱経路
１３０インバータ回路（モータ駆動回路）
１３１スイッチング素子
１３２制御回路
１３２Ａプリント基板（回路基板）
１３２Ｂ電子回路素子
１３２ｂフォトカプラー

Claims

冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（１１０）および前記圧縮機構（１１０）を駆動する電動式のモータ（１２０）が一体的に形成され、
前記圧縮機構（１１０）の冷媒吸入側部（１２１）に前記モータ（１２０）を駆動するモータ駆動回路（１３０）が設けられた電動圧縮機において、
前記モータ駆動回路（１３０）に設けられ、前記モータ（１２０）へ供給する電力を調整するスイッチング素子（１３１）の作動を制御する制御回路（１３２）の少なくとも一部は、
支持部材（１３４）に固定される回路基板（１３２Ａ）を介して前記冷媒吸入側部（１２１）の表面から離れて配置されるとともに、
前記冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）に当接して取付けられることを特徴とする電動圧縮機。
前記冷媒吸入側部（１２１）は、前記圧縮機構（１１０）および前記モータ（１２０）を収納すると共に、内部に前記圧縮機構（１１０）が吸入する吸入冷媒を流通するハウジング（ｌ２１）であることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
前記モータ駆動回路（１３０）は、インバータ回路（１３０）であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電動圧縮機。
前記冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）に当接して取付けられる前記制御回路（１３２）の部位は、回路基板（１３２Ａ）に設けられる電子回路素子（１３２Ｂ）であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電動圧縮機。
前記電子回路素子（１３２Ｂ）は、入出力信号を光学的に結合するフォトカプラー（１３２ｂ）であることを特徴とする請求項４に記載の電動圧縮機。
前記フォトカプラー（１３２ｂ）は前記スイッチング素子（１３１）よりも、前記冷媒吸入側部（１２１）の内部を流れる冷媒流の上流側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の電動圧縮機。
前記制御回路（１３２）の少なくとも一部と前記冷媒吸入側部（１２１）の表面から一体で柱状に突出する伝熱経路（１２４）との間には絶縁部材が介在されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の電動圧縮機。
前記圧縮機構（１１０）は、車両用冷凍サイクル内の冷媒を圧縮することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の電動圧縮機。