JP2006245388A

JP2006245388A - モータドライバ冷却構造

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Publication number: JP2006245388A
Application number: JP2005060408A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Murayama; 隆彦村山; Narifumi Tojima; 成文遠嶋; Takashi Majima; 隆司真島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】モータドライバの小型・軽量化を実現しつつ、モータドライバ内の電子デバイスの温度上昇を簡単に低減するモータドライバ冷却構造を提供する。
【解決手段】基板５２，５４に電子デバイス５３，５５を搭載したモータドライバ１１において、電子デバイス５３，５５に、高い面方向熱伝導率を有するグラファイト２を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に発熱体となる電子デバイスを搭載したモータドライバに係り、特に、基板や電子デバイスの放熱能力を高め、温度上昇の低減を図ったモータドライバ冷却構造に関する。

モータドライバは、モータをドライブする場合、モータ回転数を制御するため、モータに印加する電圧周波数を可変できるインバータ回路を有することが一般的である。モータドライバで大容量のモータをドライブする場合、比較的大電流をインバータ回路に流す必要がある。

インバータ回路にはスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタ等）が備えられており、このスイッチング素子による損失（スイッチング損失およびオン時損失）および回路導体通電部のオン抵抗による損失（ジュール損失）は、大電流であるほど増大していく。

さらに、モータドライバの制御回路部には、高速な演算処理が可能であるＣＰＵやマイコンを使用する必要があるため、損失（消費電力）が増大する。また、モータドライバの設置場所環境の制限から、モータドライバ外寸をコンパクトにする必要があるため、電子デバイスの密集や通電部断面積の縮小を行わざるを得ず、結果として更なる損失の増大を招く。

これら損失の増大はモータドライバ内の基板および電子デバイスの温度上昇を招き、さらには破損を引き起こすことがある。

上記背景から、モータドライバの小型化を実現しつつ、モータドライバ内の基板、電子デバイスの温度上昇を低減する手段をいかにして構築するかが論点となる。

モータドライバ内の基板、電子デバイスの温度上昇低減法として、モータドライバ筐体の中心近傍をくり貫いて対流熱伝達を向上させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、基板（プリント基板）上に銅箔を添設して熱伝導を向上させ、絶縁シートを介して熱を外へ逃がす方法がある（例えば、特許文献２参照）。

モータドライバ筐体の外周に水路（水冷穴）を設けて、熱を水路に逃がす方法もある（例えば、特許文献３参照）。

モータドライバの周辺部にハニカム構造の筐体を設けてモータドライバからの発熱を伝達後、近傍に設置したファンにより放熱する方法もある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００１−３３２８８０号公報特開平１１−１６８８６８号公報特開平８−１３６１０５号公報実開平７−４４２３８号公報

しかしながら、特許文献１では、モータドライバ筐体をくり貫く際に別途機械加工作業が必要となる。また、くり貫き場所がモータドライバ内の発熱源と離れている場合、くり貫き部近傍の温度上昇が十分でないため、十分な効果が得られない。

特許文献２では、純銅の密度は９ｇ／ｃｍ³ 程度であり、比較的重い。そのため、基板の全面に銅箔を設置することができず、放熱能力の効果に課題がある。

特許文献３では、水冷構造のため別途機械加工作業が必要となる。また、水路確保のためモータドライバ筐体の厚みを稼がねばならず、モータドライバ寸法および重量の増大を招く。

特許文献４では、別途ハニカム構造の筐体およびファンが必要となる。

そこで、本発明の目的は、モータドライバの小型・軽量化を実現しつつ、モータドライバ内の基板や電子デバイスの温度上昇を簡単に低減するモータドライバ冷却構造を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板に電子デバイスを搭載したモータドライバにおいて、上記電子デバイスに、高い面方向熱伝導率を有するグラファイトを設けたモータドライバ冷却構造である。

請求項２の発明は、上記電子デバイスを搭載した上記基板を筐体内に収納し、上記電子デバイスからの熱を上記グラファイトを伝って上記筐体に放熱するようにした請求項１記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項３の発明は、上記電子デバイスに設けた上記グラファイトを、上記電子デバイスを搭載した上記基板の面に沿うように設けた請求項１または２記載のモータドライバの冷却構造である。

請求項４の発明は、上記電子デバイスを搭載した上記基板の面の反対面に上記グラファイトを設けた請求項３記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項５の発明は、上記グラファイトは、柔軟なグラファイトシートあるいは単結晶シートからなり、これを上記電子デバイスあるいは上記基板に接着した請求項１〜４いずれかに記載のモータドライバの冷却構造である。

請求項６の発明は、上記グラファイトシートあるいは上記単結晶シートの片面に絶縁層を設け、その絶縁層を上記電子デバイスあるいは上記基板に接着した請求項５記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項７の発明は、上記絶縁層は、シリコン系、アクリル系、ポリイミド、ＰＥＴ等の絶縁体からなる請求項６記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項８の発明は、上記絶縁層は、接着テープあるいは接着剤からなる接着層である請求項６または７記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項９の発明は、上記グラファイトは、上記グラファイトシートあるいは上記単結晶シートを積層して形成される請求項５〜８いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項１０の発明は、上記基板は、銅、アルミ等の金属基板、あるいはガラスエポキシ製を始めとするプリント基板である請求項１〜９いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項１１の発明は、上記電子デバイスは、ダイオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、コイル、スイッチング素子等の電子素子、あるいはマイコン、ＩＰＭ、コンバータ、ＣＰＵ等の電子複合体である請求項１〜１０いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項１２の発明は、上記モータドライバの運転時圧力条件は、１０^-5Ｐａの高真空条件から１０ＭＰａの高圧条件の範囲である請求項１〜１１いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項１３の発明は、上記モータドライバの運転時温度条件は、−１００℃の低温条件から３００℃の高温条件の範囲である請求項１〜１２いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

請求項１４の発明は、上記モータドライバは、インバータ能力を有する請求項１〜１３いずれかに記載のモータドライバ冷却構造である。

本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。

（１）電子デバイスの放熱能力を高めることができる。

（２）モータドライバ重量の増大を抑えることができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、図５で一般的なモータドライバを説明する。

図５に示すように、モータをドライブするためのモータドライバ（インバータ装置）５１は、金属基板（インバータ基板）５２の上面に発熱体となる電子デバイスとしてのインバータ回路を構成するスイッチング素子５３を搭載し、プリント基板（制御基板）５４の上面に電子デバイスとしての制御回路を構成するマイコン５５を搭載し、これら金属基板５２とプリント基板５４とをモータドライバ筐体５６内に収納したものであり、インバータ機能を有する。

金属基板５２は、銅、アルミ等の金属で形成される。プリント基板５４は、ガラスエポキシ製を始めとする一般的なプリント基板である。

金属基板５２やプリント基板５４には、スイッチング素子５３やマイコン５５の他に、電子デバイスが多数搭載される。このような電子デバイスとしては、スイッチング素子５３の他、ダイオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、コイル等の電子素子、あるいはマイコン５５の他、ＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）、コンバータ、ＣＰＵ等の電子複合体がある。

モータドライバ筐体５６は、熱伝導率が高い材料で形成される。本実施の形態では、モータドライバ筐体５６として、ＳＵＳ、アルミ等の金属で形成した金属製のモータドライバ筐体を用いた。モータドライバ筐体５６は、箱状の筐体本体５７と、フタ５８とで主に構成される。筐体本体５７の内底面には底上げ体５９が取り付けられ、その底上げ体５９上に金属基板５２が取り付けられる。プリント基板５４は、金属基板５２やフタ５８と所定距離だけ離されるように、金属基板５２に支持棒６０で支持される。

さて、図１は、本発明の好適な実施の形態であるモータドライバ冷却構造を示す概略断面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るモータドライバ冷却構造１は、図５で説明したモータドライバ５１の構成を有するモータドライバ１１内に備えられる。

このモータドライバ冷却構造１は、スイッチング素子５３の上面に高い面方向熱伝導率を有するグラファイト２を設けると共に、そのグラファイト２を金属基板５２の上面の全面に沿うように設け、金属基板５２の底面の全面にグラファイト２を設け、さらに、マイコン５５の上面にグラファイト２を設けると共に、そのグラファイト２をプリント基板５４の上面の全面に沿うように設け、プリント基板５４の底面の全面にグラファイト２を設けたものである。

図１では、電子デバイスとしてスイッチング素子５３やマイコン５５を例に挙げて説明するが、上述したその他の電子デバイスの上面にもグラファイト２が設けられる。各グラファイト２は、端部が筐体本体５７の内側面にも沿うように設けられる。

グラファイト２としては、結晶方位には特に限定されず、面方向熱伝導率が４００Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは６００〜８００Ｗ／ｍＫと高い熱伝導を有するものを用いる。

グラファイト２は、上述した電子デバイスや基板、あるいは筐体本体５７の内側面に、シート状のグラファイトを接着剤などで接着、あるいは粉状のグラファイトをＣＶＤ法などで蒸着して設けられる。シート状のグラファイトとしては、柔軟なグラファイトシートあるいは単結晶シートからなるものがある。

単結晶シートは、層状の結晶構造を有する単結晶グラファイトを厚さ方向に成長させてシート状に形成したものであり、その構造上、面方向と垂直な方向の熱伝導率（５Ｗ／ｍＫ程度）に対し、面方向の熱伝導率が８０倍以上も大きい。本実施の形態では、グラファイト２として、単結晶シートに近い構造を有する柔軟なグラファイトシートを用いた。

ここで、柔軟なグラファイトシートを説明する。

柔軟なグラファイトシートは、結晶性のあるポリイミドフィルムなどの高分子フィルムを熱処理、圧延処理することで得られる。まず、原料として、グラファイト化反応が可能である縮合系芳香族高分子フィルムの中でも芳香族系ポリイミド高分子フィルムなどの芳香族イミドフィルムを選択する。延伸した芳香族イミドフィルムを窒素やＡｒなどの不活性ガス雰囲気中で予備熱処理（例えば、４００〜７００℃）を行うことで、イミド結合の分解、再結合が起こり、窒素を含むグラファイト類似の前駆体が得られる。その後、さらに同じく不活性ガス雰囲気中で、ある昇温速度で高温熱処理（例えば、１８００℃以上）を行うことで、脱水素、脱水素反応による炭化、前駆体同士の結合が起こり、より大きな平面が得られる。

このときの予備熱処理と高温熱処理時の昇温速度などの焼成条件を制御することによって、焼成後の厚さを制御したグラファイトシートを作製することができ、焼成後の厚さが原料の芳香族イミドフィルムよりも厚いことにより、折れ曲げに強く柔軟性に富むグラファイトシートとなる。

このグラファイトシートは、単結晶シートとほぼ同じ面方向熱伝導率を有し、かつ作製時のガス放出によると思われる層間の隙間のため、密度が１ｇ／ｃｍ³ 程度と軽量で、柔軟性に優れ、はさみやカッターでの加工も可能である。

グラファイト２として用いるグラファイトシートは、厚さが５０μｍ以上であればよい。一般のグラファイトシートは、厚さ５０〜１５０μｍだが、厚い方が放熱能力が高いので、これよりも厚いグラファイトシートを用いてもよい。また、グラファイト２としては、グラファイトシートを２層以上積層したものも有効である。

本実施の形態の作用を説明する。

モータドライバ１１の起動時には、スイッチング素子５３やマイコン５５などの電子デバイスより発熱が生じている。モータドライバ冷却構造１は、電子デバイスに銅やアルミ等の各種金属よりも高い面方向熱伝導率を有するグラファイト２を設けているので、電子デバイスからの熱をグラファイト２を伝ってモータドライバ筐体５６に放熱することができる。

特に、金属基板５２やプリント基板５４の上面（電子デバイスの搭載面）の全面に沿うようにグラファイト２を設けることで、基板や電子デバイスからの熱を、主にグラファイト２を伝って基板外部となるモータドライバ筐体５６の側部に迅速に逃がすことができる。つまり、グラファイト２で放熱経路を形成し、基板や電子デバイスからの熱をモータドライバ筐体５６の側部に流すことで、基板や電子デバイスからグラファイト２への大きな熱伝導効果を得ている。また、グラファイト２の表面からも、基板や電子デバイスからの熱が若干放熱される。

さらに、グラファイト２は、端部が筐体本体５７の内側面にも沿うように設けられるので、グラファイト２とモータドライバ筐体５６の接触面積が増え、基板や電子デバイスからの熱をモータドライバ筐体５６に効率的に放熱することができる。

このため、基板や電子デバイスの放熱能力を高めることができ、電子デバイスのスイッチング時、オン時抵抗時に発生する損失、導体通電時におけるオン抵抗による損失（ジュール損失）等による基板や電子デバイスの温度上昇を低減することができる。

グラファイト２は、少なくとも電子デバイスの上面に設ける必要がある。また、電子デバイスに設けたグラファイト２を必ずしも基板に沿うように設ける必要はなく、グラファイト２の端部がモータドライバ筐体５６に接触していればよい。

グラファイト２は、基板や電子デバイスにシート状のグラファイトを接着剤などで接着、あるいは粉状のグラファイトをＣＶＤ法などで蒸着して設けられるので、方法が非常に簡易であり、高度な技術を必要とせず、モータドライバ寸法を増大させることもない。

また、グラファイト２は、密度が銅やアルミ等の各種金属に比して小さく（柔軟なグラファイトシートの場合は１ｇ／ｃｍ³ ）、軽量であるため、モータドライバ重量の増大を簡単に抑えることができる。

したがって、モータドライバ冷却構造１は、基板や電子デバイスの放熱能力を高めつつ、モータドライバ１１の重量をほとんど増大させることなく、モータドライバ１１の軽量化を実現できる。

モータドライバ筐体５６の側部近傍に、モータドライバ筐体５６を冷却するためのファンや水冷機構を設ければ、基板や電子デバイスの放熱能力をより高めることができる。

また、図１ではモータドライバ筐体５６にグラファイト２の端部を直接接続する例で説明したが、モータドライバ筐体５６の外部に水冷あるいは空冷用のヒートシンクを設け、このヒートシンクにグラファイト２の端部を直接接続することで、基板や電子デバイスからの熱を放熱するようにしてもよい。この場合、モータドライバ筐体５６に引き出し穴を形成し、その引き出し穴を通してグラファイト２の端部をモータドライバ筐体５６の内部から外部に引き出す。

本実施の形態に係るモータドライバ冷却構造１は、モータドライバ１１の運転時圧力条件が１０^-5Ｐａの高真空条件から１０ＭＰａの高圧条件の範囲であっても、モータドライバ１１の運転時温度条件が−１００℃の低温条件から３００℃の高温条件の範囲であっても、上述した作用効果を発揮する。

本実施の形態では、基板の上面および底面にグラファイト２を設けた例で説明したが、基板の上面のみにグラファイト２を設けてもよい。

図２に示すように、グラファイト２としては、グラファイトシート２１の片面に絶縁層２２を設け、その絶縁層２２を上述した基板（図２ではプリント基板５４）あるいは電子デバイスに接着剤などで接着してもよい。絶縁層２２としては、シリコン系、アクリル系、ポリイミド、ＰＥＴ等の絶縁体からなるものを用いる。絶縁層２２の厚さは数十μｍである。

絶縁層２２により、基板あるいは電子デバイスの通電部が剥き出しの場合でも、グラファイトシート２１と基板、あるいはグラファイトシート２１と電子デバイス間の絶縁を保持することができる。

絶縁層２２として絶縁性を有する接着テープ（例えば、アクリル系両面テープ）あるいは接着剤（例えば、アクリル系接着剤）からなる接着層を用いてもよい。この場合、基板あるいは電子デバイスに接着剤を塗布する手間が省けるという利点がある。

また、図３に示すように、グラファイト２として、絶縁層２２付きのグラファイトシート２１を２層以上積層して形成されるものを用いてもよい。グラファイト２としては、単にグラファイトシート２１を２層以上積層して形成されるものを用いてもよい。

グラファイトシート２１の全厚さと長さとの比が、面方向と垂直な方向の熱伝導率と面方向の熱伝導率との比よりも大きければ、基板や電子デバイスからの熱が全てのグラファイトシート２１を伝って流れるので、１層のグラファイトシート２１よりも基板や電子デバイスの放熱能力をより高めることができる。図２や図３のグラファイトシート２１の代わりに、単結晶シートを用いてもよい。

図１のモータドライバ冷却構造１の変形例として、図４に示すモータドライバ冷却構造４１のように、筐体本体４７の内側面に凹部４２を複数個形成し、これら凹部４２に嵌るように、グラファイト２の端面に凸部４３を複数個形成してもよい。

図４では、プリント基板５４やマイコン５５などの電子デバイスに凸部４３付きのグラファイト２を設けた例で描いているが、図１の金属基板５２やスイッチング素子５３などの電子デバイスにも凸部４３付きのグラファイト２を設けてもよい。

この場合、筐体本体４７の凹部４２にグラファイト２の凸部４３が嵌ることで、グラファイト２とモータドライバ筐体４６の接触面積が増え、基板や電子デバイスからの熱をモータドライバ筐体４６に効率的に放熱することができる。

本実施の形態に係るモータドライバ冷却構造は、例えば、家庭用室外機などに備えられる一般のコンプレッサ、ターボチャージャなどの電動過給機、補助セルモータなどをドライブするモータドライバ内に備えられる。

表１は、主にインバータ基板（金属基板５２）および制御基板（プリント基板５４）で構成されているモータドライバ１１，５１において、インバータ出力電流１００Ａｒｍｓ、ブラシレスＤＣモータを１０００ｒｐｍ一定で２ｍｉｎドライブした場合、金属基板５２上に搭載したスイッチング素子５３としてのＩＧＢＴ上面の温度上昇を、グラファイト２の有無条件で比較した結果である。モータドライバ寸法は１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍとした。

実施例１は金属基板５２の上面にグラファイト２としてグラファイトシートを接着し、実施例２は金属基板５２の上面および底面にグラファイトシートを接着し、従来例１はグラファイト無しとした。

表１に示すように、従来例１では、インバータＯＮ前とＯＮ１２０秒後のＩＧＢＴ上面の温度上昇度（温度差）が８７℃であるのに対し、実施例１では上昇度が７２℃と大幅に低減されている。また、実施例２では上昇度が６２℃と最も低減されている。

さらに表２は、同試験条件において、プリント基板５４上に搭載したマイコン５５上面の温度上昇を、グラファイト２の有無条件で比較した結果である。

実施例１１はプリント基板５４の上面にグラファイト２としてグラファイトシートを接着し、実施例１２はプリント基板５４の上面および底面にグラファイトシートを接着し、従来例１１はグラファイト無しとした。

表２に示すように、従来例１１では、インバータＯＮ前とＯＮ１２０秒後のマイコン５５上面の温度上昇度（温度差）が７０℃であるのに対し、実施例１１では上昇度が５９℃と大幅に低減されている。また、実施例１２では上昇度が５１℃と最も低減されている。

本発明の好適実施の形態であるモータドライバ冷却構造を示す概略断面図である。グラファイトの一例を示す断面図である。グラファイトの一例を示す断面図である。図１のモータドライバ冷却構造の変形例を示す概略平面図である。一般的なモータドライバの構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１モータドライバ冷却構造
２グラファイト
１１モータドライバ
５２金属基板
５４プリント基板
５３スイッチング素子（電子デバイス）
５５マイコン（電子デバイス）

Claims

基板に電子デバイスを搭載したモータドライバにおいて、上記電子デバイスに、高い面方向熱伝導率を有するグラファイトを設けたことを特徴とするモータドライバ冷却構造。
上記電子デバイスを搭載した上記基板を筐体内に収納し、上記電子デバイスからの熱を上記グラファイトを伝って上記筐体に放熱するようにした請求項１記載のモータドライバ冷却構造。
上記電子デバイスに設けた上記グラファイトを、上記電子デバイスを搭載した上記基板の面に沿うように設けた請求項１または２記載のモータドライバの冷却構造。
上記電子デバイスを搭載した上記基板の面の反対面に上記グラファイトを設けた請求項３記載のモータドライバ冷却構造。
上記グラファイトは、柔軟なグラファイトシートあるいは単結晶シートからなり、これを上記電子デバイスあるいは上記基板に接着した請求項１〜４いずれかに記載のモータドライバの冷却構造。
上記グラファイトシートあるいは上記単結晶シートの片面に絶縁層を設け、その絶縁層を上記電子デバイスあるいは上記基板に接着した請求項５記載のモータドライバ冷却構造。
上記絶縁層は、シリコン系、アクリル系、ポリイミド、ＰＥＴ等の絶縁体からなる請求項６記載のモータドライバ冷却構造。
上記絶縁層は、接着テープあるいは接着剤からなる接着層である請求項６または７記載のモータドライバ冷却構造。
上記グラファイトは、上記グラファイトシートあるいは上記単結晶シートを積層して形成される請求項５〜８いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。
上記基板は、銅、アルミ等の金属基板、あるいはガラスエポキシ製を始めとするプリント基板である請求項１〜９いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。
上記電子デバイスは、ダイオード、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、コイル、スイッチング素子等の電子素子、あるいはマイコン、ＩＰＭ、コンバータ、ＣＰＵ等の電子複合体である請求項１〜１０いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。
上記モータドライバの運転時圧力条件は、１０^-5Ｐａの高真空条件から１０ＭＰａの高圧条件の範囲である請求項１〜１１いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。
上記モータドライバの運転時温度条件は、−１００℃の低温条件から３００℃の高温条件の範囲である請求項１〜１２いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。
上記モータドライバは、インバータ能力を有する請求項１〜１３いずれかに記載のモータドライバ冷却構造。