JP2006339170A - インバータ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の端子にかかるストレスを小さくすることができ、かつ、大型のヒートシンクを用いても支障のないインバータ装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子Ｕがプリント基板６の表側に配置され、各スイッチング素子Ｕの端子Ｔがプリント基板６の裏面側で半田付けされると共に、各スイッチング素子Ｕがヒートシンクに取り付けられるインバータ装置において、ヒートシンクは各スイッチング素子Ｕが取り付けられる第１のヒートシンク９と、この第１のヒートシンク９に結合され、複数の放熱フィン７２〜７９を有する第２のヒートシンク７とを備える。その製造方法は、複数のスイッチング素子を第１のヒートシンク９に装着するステップと、各スイッチング素子Ｕの端子Ｔとプリント基板６とを半田付けするステップと、第１のヒートシンク９に第２のヒートシンク７を結合するステップとを備える。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、空気調和機の圧縮機を駆動するのに好適なインバータ装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スプリット型の空気調和機は、被空調室に設けられる室内ユニットと、建屋外部に据付られる室外ユニットとから構成され、各ユニット間を冷媒配管や電気配線を介して接続される。このうち、室外ユニットには室外側熱交換器、圧縮機、四方弁などの弁類、送風機及びこれらを電気的に制御する電気制御部品を収容する電気部品箱などが設けられている。そして、近時、冷凍サイクル制御として圧縮機の周波数制御が一般的となってきている。そのためにインバータ装置が用いられる。
【０００３】
この種のインバータ装置には、３相交流電動機を駆動するための６個の半導体スイッチング素子を１つのパッケージに組み込んだものが多用されている。バッケージから導出された各スイッチング素子の端子はプリント基板に半田付けされる。その後、パッケージの１つの面、すなわち、各スイッチング素子の放熱面にヒートシンクがねじによって結合される。この場合、スイッチング素子の放熱面は略同一平面上に揃えられるためヒートシンクとの結合は良好で、放熱効率も高い（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、パッケージ組み込み型の半導体スイッチング素子では、個々の素子の変更や回路の変更ができない等、汎用性に劣るという問題があり、インバータ装置を構成する６個の半導体スイッチング素子を個別に使用することが望ましいケースもある。このような６個の半導体スイッチング素子を使用する場合において、各半導体スイッチング素子を個別にプリント基板に半田付けした後、これらの素子の各放熱面にヒートシンクを結合する製造方法を採用した場合、素子間の厚みのばらつきや、半田付け時の素子の移動等によって、全ての素子の放熱面が同一平面上に揃わないことがあり得る。そのため、個々の素子をそれぞれ別個のヒートシンクへねじ止めする方法を採用しなければ、半導体スイッチング素子とヒートシンクとの密着性が不十分になるおそれがあった。一方、ヒートシンクとの密着性を良くするように強くねじ止めすると、半田付けによって固定された素子が位置ずれを起こし、半導体スイッチング素子の端子部分にストレスがかかり続け、半田が破断するなどの問題を生じる。
【０００５】
また、他の製造方法として半導体スイッチング素子をプリント基板のスルーホールに挿入した状態でヒートシンクに固定した後で半田付けを行うことが考えられる。この場合、半導体スイッチング素子の端子はプリント基板の端子板に挿入されているだけのフリーの状態にあるため、半導体スイッチング素子のサイズに製造公差レベルの違いがあったとしても、ヒートシンクと半導体スイッチング素子とを確実に密着させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３２２７７８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、半導体スイッチング素子をヒートシンクに固定した後で半田付けを行う方法を採用した場合、図７に示すように、半田槽４０に一次噴流４１と二次噴流４２とを生じさせ、半導体スイッチング素子１０１、他の電気部品１０２〜１０４…の各端子がスルーホールに差込まれたプリント基板１００をＢ矢印方向に通過させることになる。この結果、プリント基板１００の下面に突出した端子とプリント基板１００のスルーホールとの間で半田付けが行われる。
【０００８】
上述したインバータ装置では、半導体スイッチング素子１０１からの大きな発熱を外部に十分に放熱し得るようにかなり大型のヒートシンク１１０が使用される。このため、半田付け時には、大型のヒートシンク１１０の重量が各素子の端子部にかかり、端子が曲がってしまい、正常な半田付けができなくなるという問題がある。また、図７中に一点鎖線で示すように、ヒートシンク１１０の放熱端がプリント基板１００よりも下方に延出する形状になることがある。従って、半田付けの際には、ヒートシンク１１０が噴流半田に触れてしまい、ヒートシンク１１０の下端部分に半田が付着し、放熱性能を低下させることがある。
【０００９】
また、ヒートシンク１１０は通常アルミニウム製であるため、その下端部が噴流半田に触れると、この部分から熱交換が行われ、ヒートシンク１１０を介して、半田槽４０の熱が奪われてしまい、半田槽４０内の半田の温度が低下し、半田付け性能が低下してしまうという問題もあった。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、半導体スイッチング素子の放熱のために大きなヒートシンクが必要な場合でも半田付け工程において、半導体スイッチング素子の端子にかかるストレスをつ小さくすることができるインバータ装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、複数の半導体スイッチング素子を冷却するために、プリント基板の下面にまで放熱端が延出する大型のヒートシンクを用いることがあっても、半田付け工程で半田が付着することを防ぐと共に、ヒートシンクの放熱性能を維持することのできるインバータ装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のもう一つ他の目的は、大型のヒートシンクを用いる場合でも、半田槽内の半田の温度低下を未然に防止することのできるインバータ装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子がプリント基板の表側に配置され、各スイッチング素子の端子がプリント基板の裏面側で半田付けされると共に、各スイッチング素子がヒートシンクに取り付けられるインバータ装置において、
ヒートシンクは各スイッチング素子が取り付けられる第１のヒートシンクと、この第１のヒートシンクに結合され、複数の放熱フィンを有する第２のヒートシンクとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のインバータ装置において、第１のヒートシンクは、プリント基板の表面側に収まる大きさを有し、第２のヒートシンクは少なくとも一部がプリント基板の裏面側に延出していることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２記載のインバータ装置の製造方法において、
複数のスイッチング素子を第１のヒートシンクに装着するステップと、
各スイッチング素子の端子とプリント基板とを半田付けするステップと、
第１のヒートシンクに第２のヒートシンクを結合するステップと、
を備え、各ステップの処理を順次に実行することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るインバータ装置の主回路の概略構成を、これに接続される関連要素と併せて示した回路図である。同図において、３相交流電源１に全波整流型の整流器２が接続され、この整流器２から全波整流された脈流が出力される。この脈流が平滑コンデンサ３によって平滑され、直流がインバータ主回路４に供給される。インバータ主回路４はそれぞれがＩＧＢＴである６個のスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚが３相ブリッジ接続されている。このうち、スイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺが直列接続され、これらの直列接続回路が並列接続され、その両端に直流電圧が印加される。また、スイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺの各相互接続点が電動機５の入力端子に接続されている。
【００１７】
本実施形態はインバータ主回路４を構成するスイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺをそれぞれ対にして単一のサブヒートシンクに締め付け固定するものである。図２はプリント基板６に実装されるスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚを固定板で保持すると同時に、ヒートシンクに密着させる状態を、整流器２の実装状態と併せて示した斜視図であり、図３は図２中に一点鎖線で示したＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１８】
これら各図において、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの被冷却面が同一平面上に位置するように、それぞれの端子を挿入するスルーホールがプリント基板６に形成されている。整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚは、第１のヒートシンクとしての板状のサブヒートシンク９と固定板１０とに挟まれてねじ３０により一体的に組立てられ、さらに、それぞれの端子Ｔがプリント基板６のスルーホールに半田付けされる。なお、サブヒートシンク９は、プリント基板の表面側の上部に位置し、裏面側に延出する部分はなく、プリント基板の表面側に収まる大きさとなっている。そして、固定板１０がねじ３１によってプリント基板６に固定され、サブヒートシンク９の背面に第２のヒートシンクとしてのメインヒートシンク７がねじ３３によって結合される。
【００１９】
ここで、固定板１０は、素子の配列方向に細長く形成された基部１１と、この基部１１をその長手方向の両端で、プリント基板６上に橋架する一対の脚部１２と、この脚部１２のプリント基板６の素子取付面に当接する足部１３と、基部１１の一側方（下方）に互いに離隔して延設され、連結部を介して、基部に連結された３個の素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７とを備え、これらが１枚の金属板で一体的に折り曲げ成形加工されたものでなっており、足部１３にはプリント基板６の裏面から挿入されるねじ３１により固定するためのねじ孔が形成されている。また、素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７はそれぞれねじ用貫通孔を備え、ここにねじ３０を通してサブヒートシンク９のねじ孔にねじ込みされる。
【００２０】
一方、メインヒートシンク７はサブヒートシンク９に連結されるもので、サブヒートシンク９に密着させる取付胴部７１と、その裏側の放熱フィン７２〜７９とを備え、このうち放熱フイン７７，７８，７９はプリント基板６の裏面側、すなわち、プリント基板６の下部に延出するような外形々状を有している。
【００２１】
図４は固定板１０の詳細な構成を示す斜視図であり、（ａ）はスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２が取り付けられ、メインヒートシンク７と対向する背面側を示し、（ｂ）はメインヒートシンク７が位置する側とは反対の正面側を示している。ここで、固定板１０は上側部に補強のための折り曲げ部１１ａを有する基部１１の両端に脚部１２が一体的に形成され、さらに、基部１１の下側部に３個の素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７が一体的に形成されている。このうち、脚部１２はその下端に足部１３を備え、この足部１３にはプリント基板６に固定するためのねじ孔１３ａが設けられている。素子押さえ部１５は２つのスイッチング素子、例えば、Ｗ，Ｚを所定の間隔を持って同時に押さえ得るように幅広に、すなわち、横幅Ａに形成され、その上端部が横幅の狭い、すなわち、横幅がＢ（<<Ａ）に形成された連結部１４を介して、基部１１に連結されている。
【００２２】
この場合、連結部１４は基部１１から斜め下方に傾斜して延出し、かつ、その先端部が略鉛直に下方に折り曲げられた形状を有し、素子押さえ部１５は基部１１と平行にして、素子の表面の形状に合わせて段差を付けて折り曲げ加工されている。また、連結部１４の近傍で、横幅方向の中心部にねじ用貫通孔１６が設けられている。このねじ用貫通孔１６は、素子押さえ部１５によって固定される一対のスイッチング素子の間の隙間に位置している。ここで、連結部１４の横幅Ｂを狭くした理由は、一対のスイッチング素子、例えば、Ｗ，Ｚの厚みが異なる場合でも、これらのスイッチング素子Ｗ，Ｚの両方に、ねじによる締め付け力が作用するような捻れを起こさせ、スイッチング素子Ｗ，Ｚの両方の厚さが他より厚かったり、薄かったりしたときに曲がりを生じさせることにある。
【００２３】
さらに、素子押さえ部１５の下端部はスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの形名表示部Ｎの見分けができるように、この形名表示部Ｎを避けて押さえる端部形状を有している。整流器２を押さえるための整流器押さえ部１７も、素子押さえ部１５と略同様に形成され、整流器２は、その中央上部に設けられている固定用孔を貫通するねじによって、整流器押さえ部１７を介して固定される。
【００２４】
次に、図５を用いて整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚをプリント基板へ装着する手順、すなわち、製造方法を説明する。先ず、（ａ）に示すように、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚが所定の位置に位置決めされ、かつ、垂直に揃えられるように、図６に斜視図で示すような位置合わせ冶具２０を用いる。この位置合わせ冶具２０は両端部に位置決め突起２２が、その中間部に複数の位置決め突起２３がそれぞれ形成され、これらの位置決め突起間が、整流器嵌挿部２Ｓ、素子嵌挿部ＵＳ，ＸＳ，ＶＳ，ＹＳ，ＷＳ，ＺＳになっている。この状態でサブヒートシンク９を位置合わせ冶具２０に嵌め込んで、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚとサブヒートシンク９とが各素子の放熱面がサブヒートシンク９の平坦面に向かい合わせとなるように位置合わせが行われる。
【００２５】
次に、（ｂ）に示すように、固定板１０を所定の位置に位置決めし、サブヒートシンク９と固定板１０の素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７とで挟み込んだ状態で、固定板１０側からねじ３０を通してサブヒートシンク９にねじ止めする。これによって、サブヒートシンク９、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び固定板１０の一体化が図られる。この状態で位置合わせ冶具２０を取り外す。なお、位置合わせ冶具２０は（ｂ）の状態から下方斜めに引き抜くことができる形状になっている。その後、図５（ｃ）に示すように、ねじ止めにより一体化された固定板１０、サブヒートシンク９、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚは、サブヒートシンク９が外側を向く方向で整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ（ここではスイッチング素子Ｘのみを示す）の各端子をプリント基板６に形成された所定のスルーホールの表面側から挿入する。この際、各素子の端子Ｔの先端はスルーホールを通ってプリント基板６の裏面側に突出する。すなわち、プリント基板６の表面に各種電気部品が配置され、プリント基板６の裏面に各電気部品の端子がスルーホールを介して突出し、この裏面が半田取付け面となる。
【００２６】
次に、（ｄ）に示すように、プリント基板６のスルーホールに整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの各端子が差し込まれ、固定板１０がプリント基板６の表面に搭載されたままで、一次噴流と二次噴流とを生じさせた半田槽４０上をＢ矢印方向に通過させる。この結果、プリント基板６の下面に突出した端子とプリント基板６のスルーホールとの間で半田付けがなされる。次に、（ｅ）に示すように、ねじ３１をプリント基板６の下面から表面に向けて通し、固定板１０の足部１３のねじ孔１３ａにねじ込んで、固定板１０をプリント基板６に固定する。従って、半田付けする際には小さなサブヒートシンク９を取り付けた状態にあるため、各素子や素子の端子に大きなストレスがかかることなく半田付けできる。
【００２７】
なお、固定板１０の足部１３とプリント基板６とを固定するねじ３１を半田付けの後に行うのは、ねじ３１の頭部分に半田が付着し、ねじ溝に半田が入り込み、修理の際に取り外しが困難になることを防止するためである。しかしながら、予めねじ３１の頭部のねじ溝部分に半田付着防止塗料（フラックス）を塗布しておき、半田が付着しないようにしておけば、固定板１０とプリント基板６とねじ３１にて固定した後でも半田付けが可能となる。この場合、プリント基板６とサブヒートシンク９、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚのすべての位置が固定された状態で半田付けが行われることとなり、すべての部品を確実に所定位置に固定することができる。
【００２８】
最後に、（ｆ）に示すように、メインヒートシンク７の胴部をサブヒートシンク９の板面に押し当て、メインヒートシンク７に設けたねじ用貫通孔に、その外側からねじ３３を通して、サブヒートシンク９に形成されたねじ孔にねじ込んでメインヒートシンク７をサブヒートシンク９に連結する。サブヒートシンク９とメインヒートシンク７の各々の結合面は略同一寸法で、平面に形成されている。なお、メインヒートシンク７は幅方向の複数箇所でねじ３３によるねじ止めが行われる。この際、サブヒートシンク９とメインヒートシンク７はそれぞれアルミニウムなどの放熱性の高い金属板材で形成されているため、各ヒートシンクの結合面は極めて高い平面度を持たせることができる。したがって、ねじ３３による連結によって両者間では高い熱伝達性能を得ることができ、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚはサブヒートシンク９を介してメインヒートシンク７で良好に放熱することができる。なお、サブヒートシンク９はメインヒートシンク７よりも大きさが小さく、その重量も軽くなっている。
【００２９】
このように、図５（ａ）〜（ｆ）を用いて説明した方法によって、図３に断面図で示したインバータ装置が製造される。この場合、メインヒートシンク７の放熱端がプリント基板６の裏面まで延出するような大型の形状であっても、半田付けの工程で半田が付着することを防ぐことにより、ヒートシンクの放熱性能を維持することができ、しかも、延出部が半田槽内の噴流に接触することがないので、半田槽内の半田の温度低下させることもなくなる。なお、サブヒートシンク９は平板状にしているが、プリント基板６の表面の範囲にフィンを設けてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、複数の半導体スイッチング素子を冷却するために、大型のヒートシンクが必要な装置においても、ヒートシンクを第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの２つに分けることで、半田付け時に素子にストレスがかかったり、ヒートシンクとの密着性を低下させたりすることがなく放熱性のよいインバータ装置を得ることができる。また、プリント基板の下面にまで放熱端が延出する大型のヒートシンクを用いることがあっても、半田付けの工程で半田が付着することを防ぐと共に、ヒートシンクの放熱性能を維持することができ、さらに、半田槽内の半田の温度低下を未然に防止することができるという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインバータ装置の主回路の概略構成を、これに接続される関連要素と併せて示した回路図。
【図２】プリント基板に実装されるスイッチング素子を固定板で保持すると同時に、ヒートシンクに密着させる状態を、整流器の実装状態と併せて示した斜視図。
【図３】図２中に一点鎖線で示したＡ−Ａ矢視断面図。
【図４】図２に示した固定板の詳細な構成を示す斜視図。
【図５】図２に示した整流器及びスイッチング素子をプリント基板へ装着する手順を説明するための工程図。
【図６】図２に示した整流器及びスイッチング素子をプリント基板へ装着する際に使用する位置合わせ冶具の構成を示す斜視図。
【図７】プリント基板のスルーホールとこれにに挿入した端子とを半田付けする半田槽の一般的な構成を説明するための説明図。
【符号の説明】
４ インバータ主回路
６ プリント基板
７ メインヒートシンク
９ サブヒートシンク
１０ 固定板
１１ 基部
１２ 脚部
１３ 足部
３０，３１，３３ ねじ
７２〜７９ 放熱フィン
Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ スイッチング素子

Claims (3)

1. インバータ回路を構成する複数のスイッチング素子がプリント基板の表側に配置され、前記各スイッチング素子の端子が前記プリント基板の裏面側で半田付けされると共に、前記各スイッチング素子がヒートシンクに取り付けられるインバータ装置において、
   前記ヒートシンクは前記各スイッチング素子が取り付けられる第１のヒートシンクと、この第１のヒートシンクに結合され、複数の放熱フィンを有する第２のヒートシンクとを備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記第１のヒートシンクは、前記プリント基板の表面側に収まる大きさを有し、前記第２のヒートシンクは少なくとも一部が前記プリント基板の裏面側に延出していることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 請求項１又は２記載のインバータ装置の製造方法において、
   前記複数のスイッチング素子を前記第１のヒートシンクに装着するステップと、
   前記各スイッチング素子の端子と前記プリント基板とを半田付けするステップと、
   前記第１のヒートシンクに前記第２のヒートシンクを結合するステップと、
   を備え、前記各ステップの処理を順次に実行することを特徴とするインバータ装置の製造方法。

Images