專利名稱：驅(qū)動電路一體型電動壓縮機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)置有電動機且也一體地組裝有該電動機的電動機驅(qū)動電路的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，特別地，涉及一種能高效地對設于電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機。
背景技術(shù)：
在專利文獻1中公開了一種內(nèi)置有壓縮機構(gòu)部驅(qū)動用的電動機且也一體地組裝有該電動機的電動機驅(qū)動電路的驅(qū)動電路一體型渦旋式電動壓縮機。在該電動機驅(qū)動電路中，尤其在其逆變器上組裝有功率半導體元件，由于功率半導體元件會發(fā)熱，因此，為確保其正常工作，一般最好進行冷卻?，F(xiàn)在使用的半導體具有功率半導體元件，通常是將硅(Si) 用作材料。由于這樣的現(xiàn)有功率半導體元件的最高動作溫度約為150°c，因此，最好是進行冷卻以使其不超過該最高動作溫度，在專利文獻1中，利用被吸入至壓縮機的制冷劑來進行這種冷卻。專利文獻1 日本專利特開2000-291557號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題然而，如上所述，在利用吸入制冷劑氣體對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的方式中，可能會出現(xiàn)如下問題。即，由于吸入制冷劑氣體可能會受到功率半導體元件的熱而過熱，因此，可能會使壓縮機的壓縮效率降低。另外，當吸入氣體過熱時，壓縮氣體的溫度也會上升，因此，壓縮機內(nèi)部的各部分可能會出現(xiàn)耐熱性的問題，藉此，可能會使壓縮機的壽命降低。此外，由于吸入氣體流過為冷卻功率半導體元件而形成的熱交換室，因此，會使壓縮機內(nèi)部的制冷劑通路中的壓力損失增加，仍然可能會使壓縮效率降低。本發(fā)明的技術(shù)問題著眼于利用如上所述的吸入制冷劑氣體對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的方式的問題，其目的在于提供一種基本上不會使吸入制冷劑氣體的溫度上升，且能抑制用于冷卻的通路中的壓力損失的增加，并能高效地對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機。解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機一體地組裝有具有功率半導體元件的電動機驅(qū)動電路，其特征是，用排出制冷劑氣體對上述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻。即，不是像以往那樣用吸入制冷劑氣體進行冷卻，而是用流過壓縮機的壓縮機構(gòu)部后的排出制冷劑氣體來對功率半導體元件進行冷卻。S卩，由于將排出制冷劑氣體用于功率半導體元件的冷卻，因此，基本不會發(fā)生使用吸入制冷劑氣體的情況下的問題、即由吸入制冷劑氣體的溫度上升引起的壓縮效率的降低、因壓縮氣體的溫度上升引起的壓縮機的壽命降低、因吸入制冷劑氣體流過用于冷卻的熱交換室引起的壓力損失的增加而使壓縮效率的降低的問題。換言之，由于吸入制冷劑氣體未被用于冷卻，因此，吸入制冷劑氣體在被壓縮、排出之前的氣體溫度不會像現(xiàn)有結(jié)構(gòu)那樣上升，從而能確保較高的壓縮效率，并能有利于壓縮機的性能系數(shù)(COP)的提高。另外， 在壓縮機內(nèi)的制冷劑的通路中，由于能抑制吸入制冷劑氣體在被壓縮、排出之前的氣體溫度的上升，因此，可提高壓縮機的耐久性，并能提高壽命。此外，由于吸入制冷劑氣體也可以不像現(xiàn)有結(jié)構(gòu)那樣流過用于冷卻的熱交換室，因此，可降低壓縮機內(nèi)的制冷劑通路的壓力損失。除此之外，在將釹磁鐵用作轉(zhuǎn)子以作為壓縮機內(nèi)置電動機的情況下，會因溫度上升而使該磁鐵減磁，但在現(xiàn)有的用吸入制冷劑汽體對功率半導體進行冷卻的情況下，吸入制冷劑氣體溫度會因熱交換而上升，然后，可能會因該制冷劑氣體流過電動機而使磁鐵減磁，但在本發(fā)明中，由于用流過電動機后的排出制冷劑氣體進行冷卻，因此，這樣的問題也得到解決。不過，在本發(fā)明中，由于將溫度比吸入制冷劑氣體的溫度高的排出制冷劑氣體用于功率半導體元件的冷卻，因此，功率半導體元件與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比僅能被冷卻至較高的溫度。所以，需使用耐熱性即最高動作溫度更高的元件作為功率半導體元件。為了滿足該必要性，在本發(fā)明中，能使用寬帶隙半導體元件作為上述功率半導體元件。即，如上所述，現(xiàn)在所使用的半導體也包括功率半導體，均是將硅(Si)用作材料。近年來，開發(fā)出了寬帶隙(WBG:Wide Band Gap)功率半導體代替硅作為的半導體材料?，F(xiàn)有 Si功率半導體的最高動作溫度約為150°C，而WBG半導體的最高動作溫度則在200°C以上， 因此，一般用100°C 200°C之間的前半段溫度、即排出制冷劑氣體溫度便能充分地冷卻至期望的溫度。此外，通過用排出制冷劑氣體對功率半導體進行冷卻，也一并解決了現(xiàn)有的使用吸入制冷劑氣體的時的問題。作為寬帶隙功率半導體，已知有使用碳化硅(SiC)、氮化鎵 (GaN)、金剛石等的寬帶隙功率半導體，但只要具有上述這樣的最高動作溫度，也能使用任一種類的寬帶隙功率半導體元件。另外，由于這樣的寬帶隙功率半導體元件的導通電阻較小、且開關(guān)損失較小，而使由元件自身產(chǎn)生的熱也較少，因此，可使寬帶隙功率半導體元件的冷卻所需要的熱量比Si 功率半導體元件的冷卻所需要的熱量少。能從這點看，也能通過用排出制冷劑氣體進行冷卻來對寬帶隙功率半導體元件進行足夠高效的冷卻。此外，由于寬帶隙半導體元件的耐熱溫度較高，因此，無需產(chǎn)生不必要的低溫作為冷卻源，由此從冷卻回路系統(tǒng)整體看，也可提高總效率。在上述本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機中，只要用排出制冷劑氣體來對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的結(jié)構(gòu)即可，對具體的冷卻結(jié)構(gòu)而言，能采用各種方式。例如，能采用將上述功率半導體元件設于高熱傳導性的電路基板上，使該電路基板的背面隔著壓縮機的壁(壓縮機內(nèi)的壁)而被排出制冷劑氣體冷卻。通過使用由例如高熱傳導性的陶瓷等高熱傳導性的材料構(gòu)成的電路基板，從而能通過該電路基板高效地對功率半導體元件進行冷卻。另外，在本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機中，能采用用低熱傳導性的樹脂來覆蓋上述功率半導體元件的形式。另外，也能采用在上述功率半導體元件與其他電子元器件之間設有低熱傳導性的熱屏蔽構(gòu)件這樣的形式。通過用這種熱傳導性較低的樹脂、熱傳導性較低的構(gòu)件進行屏蔽，能防止向其他電子元器件的熱輻射，因此，能抑制其他電子元器件的溫度上升，從而能在電動機驅(qū)動電路整體上，進而在壓縮機整體上提高可靠性。
本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電路壓縮機中所使用的制冷劑的種類并不進行特別限定，不僅能使用目前一般使用的制冷劑作為制冷劑，也能使用C02、HFC1234yf作為制冷劑。在使用C02制冷劑的情況下，由于該制冷劑能在更高的高溫、高壓下使用，因此，能足以用于對如上所述的寬帶隙半導體元件進行冷卻。另外，在使用最近公開的新制冷劑即 HFC1234yf的情況下，也能足以用于對功率半導體元件進行冷卻。另外，在本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機中，作為對上述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的排出制冷劑氣體，例如，既能使用依次流過內(nèi)置電動機、壓縮部(壓縮機構(gòu)部)后的排出制冷劑氣體，也能使用依次流過壓縮部、內(nèi)置電動機后的排出制冷劑氣體，還能使用在流過壓縮部后，將要流過內(nèi)置電動機部的排出制冷劑氣體(例如，如后述實施方式那樣，是在使用流過壓縮部后，在形成于內(nèi)置電動機的定子與驅(qū)動電路外殼之間的排出氣體通路流動的排出制冷劑氣體)。此外，本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機特別好的是例如渦旋式壓縮機。也就是說，在使用渦旋式壓縮機，能將電動機驅(qū)動電路容易地配置于排出制冷劑氣體的通路附近，從而能對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件高效地進行冷卻。此外，本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機特別好的是裝設于車輛的壓縮機。能用簡單的結(jié)構(gòu)且不引起重量的實質(zhì)增加，由此實現(xiàn)高效的功率半導體元件的冷卻結(jié)構(gòu)。其中，尤其以設于車用空調(diào)裝置的制冷回路的壓縮機為佳。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，由于利用排出制冷劑氣體來冷卻功率半導體元件，因此，不會像現(xiàn)有方式那樣使得吸入制冷劑氣體在被壓縮、排出之前的氣體溫度的上升，從而能實現(xiàn)較高的壓縮效率，并能提高壓縮機的性能系數(shù)(COP)。尤其在使用寬帶隙功率半導體元件作為功率半導體元件的情況下，能利用排出制冷劑氣體來高效地對該功率半導體元件進行冷卻。另外，由于不會使得吸入制冷劑氣體在被壓縮、排出之前的氣體溫度上升，因此， 能提高壓縮機的耐久性和壽命。此外，由于吸入制冷劑氣體也可不流過現(xiàn)有結(jié)構(gòu)那樣的用于進行冷卻的熱交換室，因此，能減少壓力損失。


圖1是本發(fā)明第一實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機的示意縱剖視圖。圖2是圖1的壓縮機的電動機驅(qū)動電路及控制電路的電路圖。圖3是本發(fā)明第二實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機的示意縱剖視圖。圖4是本發(fā)明第三實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機的示意縱剖視圖。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的理想的實施方式進行說明。圖1表示本發(fā)明第一實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機100。在圖1中，符號 1表示驅(qū)動電路外殼，符號2表示壓縮部外殼，符號3表示吸入外殼，在本實施方式中，在吸入外殼3內(nèi)設置有由定子4、轉(zhuǎn)子5、電動機繞組6構(gòu)成的電動機13。利用該電動機13來驅(qū)動被軸承23支承成能自由旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸7旋轉(zhuǎn)，從而使壓縮部8 (壓縮機構(gòu)部)工作。壓縮部8例如構(gòu)成為渦旋式。在壓縮機100內(nèi)形成有如箭頭所示的制冷劑氣體的通路，制冷劑氣體從形成于吸入外殼3的吸入口 9被吸入，并流過電動機部，當在壓縮機8中被壓縮后，該制冷劑氣體從形成于驅(qū)動電路外殼1的排出口 10排出至外部回路。符號11表示密封端子A，符號12表示密封端子B，它們與導線M —起將來自電動機驅(qū)動電路30的電能供給至電動機13，電動機驅(qū)動電路30具有功率半導體元件15，功率半導體元件15設于功率電路基板14上。在本實施方式中，使用寬帶隙功率半導體元件作為該功率半導體元件15。功率電路基板14隔著絕緣材16固定于供排出制冷劑氣體流過的部位的驅(qū)動電路外殼1內(nèi)的壁 26上，利用流過排出室25的排出制冷劑氣體，可使功率電路基板14上的功率半導體元件 15得到冷卻。為了提高冷卻效率，功率電路基板14和絕緣材16由高熱傳導性的陶瓷等構(gòu)成。符號17表示用于對電動機驅(qū)動電路30進行控制的控制電路用的基板，在該控制電路基板17上設有構(gòu)成控制電路的微控制器18。通過連接器22從外部電源供電，接著經(jīng)由噪聲濾波器20、平滑電容器19供電至電動機驅(qū)動電路30。這些電路部被蓋21覆蓋，與外部隔離。此外，在本實施方式中，在功率電路基板14上配置有低熱傳導性的絕緣樹脂27， 并用該樹脂27覆蓋功率半導體元件15，從而能防止從功率半導體元件15向其他電子元器件的熱輻射。圖1中的符號觀表示用于將各外殼彼此連結(jié)的螺栓。電動機驅(qū)動電路30及其控制電路例如是如圖2所示構(gòu)成的。在圖2中，在電動壓縮機100中設有如上所述的電動機驅(qū)動電路30，通過密封端子11將電動機驅(qū)動電路30的輸出供電至內(nèi)置電動機13的各電動機繞組6，從而能驅(qū)動電動機13旋轉(zhuǎn)，由此進行壓縮部 8的壓縮。在該電動機驅(qū)動電路30中，通過高壓用連接器22供給來自外部電源42 (例如， 電池)的電能，該電能經(jīng)由內(nèi)置有線圈及電容的噪聲濾波器20、平滑電容19而供給至逆變器41，并在逆變器41中將來自電源42的直流電變換成近似三相交流電(日語疑似三相交流)后，將其供給至電動機13。例如，將對壓縮機進行控制的信號從車輛的空調(diào)控制裝置 44經(jīng)由控制信號用連接器43供給至電動機控制電路45。在上述逆變器41中設有三組總計六個功率半導體元件15，這些功率半導體元件15由寬帶隙半導體即肖特基勢壘二極管 SiC-SBD47和SiC-M0SFET46構(gòu)成。在后述的第二實施方式、第三實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機中，也能使用相同的電動機驅(qū)動電路及控制電路。在這樣構(gòu)成的本實施方式中，功率半導體元件15如下所述那樣地被有效地冷卻。 如上所述，由于現(xiàn)有Si功率半導體的最高動作溫度約為150°C，而寬帶隙功率半導體的最高動作溫度則在200°C以上，因此，不利用吸入制冷劑氣體，一般在100°C 200°C之間的前半段溫度、即排出制冷劑氣體溫度便能充分冷卻。所以，能防止因現(xiàn)有冷卻方式而引起的吸入制冷劑氣體溫度上升，從而能實現(xiàn)壓縮效率的提高。另外，能通過抑制吸入制冷劑氣體溫度上升來實現(xiàn)壓縮機內(nèi)各部分的壽命的提高。此外，由于不必特別地形成用于供吸入制冷劑氣體進行功率半導體元件冷卻的氣體通路，因此，也能實現(xiàn)壓力損失的降低。另外，如上所述，由于在寬帶隙功率半導體中元件的導通電阻較小且開關(guān)損失較小，而使由元件自身產(chǎn)生的熱也較少，因此，也可使寬帶隙功率半導體的冷卻用的熱量比Si 功率半導體的冷卻用的熱量少。因此，即使用排出制冷劑氣體也能充分地進行冷卻。另外，如本實施方式這樣，通過用熱傳導性較低的樹脂27來覆蓋功率半導體元件15，從而不會對例如安裝于控制電路基板17上的電子元器件、平滑電容19、噪聲濾波器20 帶來熱輻射，由此來防止溫度上升，并能確保這些電子元器件的正確工作。此外，雖未圖示， 但在功率半導體元件15與控制電路基板17之間用熱屏蔽板隔開的方法也是有效的。另外，在本實施方式的結(jié)構(gòu)中，無需考慮吸入制冷劑氣體的通路，由于吸入口 9的位置不受限制，因此，能提高設計的自由度，從而也能容易地安裝到車輛。此外，如上所述，由于寬帶隙半導體元件的耐熱溫度較高，因而，無需產(chǎn)生不必要的低溫作為冷卻源，從而可提高冷卻回路系統(tǒng)的總效率。另外，當電動機13中使用釹磁鐵作為轉(zhuǎn)子時，磁鐵會因溫度上升而減磁，但在用現(xiàn)有的吸入制冷劑氣體對功率半導體元件進行冷卻時，吸入制冷劑氣體溫度因熱交換而上升，然后，可能會因流過電動機而使磁鐵減磁，但該問題也被解決了。圖3表示本發(fā)明第二實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機200。在本實施方式中，從吸入口 9被吸入的制冷劑氣體經(jīng)由吸入氣體室31而被直接導入壓縮部8中，并流過電動機13，對功率半導體元件15進行冷卻，再從排出口 10被排出。由于電動機13的磁體暴露于排出制冷劑氣體中，因而，較為理想的是，不使用具有高溫減磁特性的釹磁鐵，而是使用具有低溫減磁特性的鐵氧體磁體等。另外，使用不包括無需擔心減磁的磁鐵的電動機 (感應電動機、開關(guān)磁阻電動機(switched reluctance motor)等)也是較為理想的。其他的結(jié)構(gòu)與上述第一實施方式的結(jié)構(gòu)一致。在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于吸入制冷劑氣體在流過電動機13之前直接進入壓縮部8 中，因而，沒有被加熱。因此，能進一步提高壓縮效率。另外，由于吸入制冷劑氣體不流過電動機13而是直接進入壓縮部8，因此，不會實質(zhì)產(chǎn)生這期間的壓力損失。圖4表示本發(fā)明第三實施方式的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機300。在本實施方式中，在電動機13的徑向上裝設有驅(qū)動電路，從壓縮部8排出的排出制冷劑氣體流過形成于電動機13的定子4與驅(qū)動電路外殼32之間的排出氣體通路33，從而能對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件15進行冷卻。在驅(qū)動電路外殼32上組裝有驅(qū)動電路，在驅(qū)動電路外殼 32內(nèi)組裝有電動機13。在吸入外殼3內(nèi)組裝有壓縮部8，吸入制冷劑氣體進入吸入氣體室沈，并被送至壓縮部8。其他的結(jié)構(gòu)與上述第一實施方式的結(jié)構(gòu)一致。在這樣的結(jié)構(gòu)中，不僅能獲得對功率半導體元件15的優(yōu)異的冷卻效果，而且能使電動壓縮機300的軸向長度變短，從而可提高裝設于車輛的裝設性。在圖1、圖3、圖4中均表示了功率半導體元件裝設于高熱傳導性的電路基板上的結(jié)構(gòu)，不過，雖未圖示，但即便將離散型寬帶隙功率半導體元件直接安裝于壓縮機的壁上， 不用說也能獲得相同的效果。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機的結(jié)構(gòu)能適用于組裝有功率半導體元件的所有電動壓縮機，尤其適用于裝設于車輛的壓縮機，其中，優(yōu)選地適用于車輛空調(diào)裝置用壓縮機。符號說明1驅(qū)動電路外殼2壓縮部外殼3吸入外殼
7
4 定子5 轉(zhuǎn)子6電動機繞組7驅(qū)動軸8壓縮部9 吸入口10 排出口11、12密封端子13電動機14功率電路基板15功率半導體元件16絕緣材17控制電路基板18微控制器19平滑電容20噪聲濾波器21 蓋22連接器23 軸承24 導線25排出室26 壁27 樹脂28 螺栓30電動機驅(qū)動電路31吸入氣體室32驅(qū)動電路外殼33排出氣體通路41逆變器42外部電源43控制信號用連接器44空調(diào)控制裝置45電動機控制電路46 SiC-MOSFET47 SiC-SBD100、200、300驅(qū)動電路一體型電動壓縮機
權(quán)利要求
1.一種驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，一體地組裝有具有功率半導體元件的電動機驅(qū)動電路，其特征在于，用排出制冷劑氣體對所述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 所述功率半導體元件是寬帶隙半導體元件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于，所述功率半導體元件設于高熱傳導性的電路基板上，該電路基板的背面隔著壓縮機的壁而被排出制冷劑氣體冷卻。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 用低熱傳導性的樹脂來覆蓋所述功率半導體元件。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 在所述功率半導體元件與其他電子元器件之間設有低熱傳導性的熱屏蔽構(gòu)件。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 所使用的制冷劑是C02。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 所使用的制冷劑是HFC1234yf。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 對所述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的排出制冷劑氣體是依次流過內(nèi)置電動機、壓縮部后的排出制冷劑氣體。
9.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 對所述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的排出制冷劑氣體是依次流過壓縮部、內(nèi)置電動機后的排出制冷劑氣體。
10.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于，對所述驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻的排出制冷劑氣體是在流過壓縮部后，將要流過內(nèi)置電動機部的排出制冷劑氣體。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 所述驅(qū)動電路一體型電動壓縮機是渦旋式壓縮機。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 驅(qū)動電路一體型電動壓縮機是裝設于車輛的壓縮機。
13.如權(quán)利要求1至12中任一項所述的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，其特征在于， 驅(qū)動電路一體型電動壓縮機是設于車用空調(diào)裝置的制冷回路的壓縮機。
全文摘要
一種驅(qū)動電路一體型電動壓縮機，不會使吸入制冷劑氣體的溫度上升，且能抑制用于冷卻的通路的壓力損失的增加，并能高效地對電動機驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻。在一體地組裝有具有功率半導體元件的電動機驅(qū)動電路的驅(qū)動電路一體型電動壓縮機中，用排出制冷劑氣體對驅(qū)動電路的功率半導體元件進行冷卻。
文檔編號F04C18/02GK102245899SQ20098015158
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者池田英夫 申請人:三電有限公司