JP2008082596A - パワーモジュール及びそれを用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を有効に確保しつつ組立作業を容易にしてコストダウン可能なパワーモジュール及び空気調和機を提供する。
【解決手段】電装品ケース体１０３の一部に放熱ケース部１０６を備え、放熱ケース部１０６の内側面を回路基板１０２に接触させ、外側面に凹溝部１０７に冷却用配管１０４を嵌め込み状態で配置する。放熱ケース部１０６を高熱伝導性樹脂または回路基板との接触面に絶縁部を設けたＡｌ板で形成する。冷却用配管１０４として空気調和機の冷媒通路を適用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた空気調和機に関するものである。

ベアチップ等を、サーマルビア付きプリント基板に直接実装（ＣＯＢ；Chip On Board）する場合や、リードフレーム（ＬＦ；Lead Frame）に実装するパワーモジュールの場合には、発熱部品の熱伝達と絶縁を両立する必要があり、発熱部品を実装したプリント基板と、ヒートシンクとの間に熱伝導シートを挟んだり、ヒートシンク側に絶縁膜を形成したりしている。

図４は、パワーモジュールの参考例を示す縦断面図である。図４に示すパワーモジュール４００は、パワーデバイス４０１と、その他の各種電子電気部品４１０と、これらを所定位置に実装するための回路基板４０２と、これらパワーデバイス４０１や電子電気部品４１０等が実装された回路基板４０２を密閉状に収容する電装品ケース体４０３とを備えている。このようなパワーモジュール４００に実装された主たる発熱部品であるパワーデバイス４０１を水冷や冷媒で冷却する場合には、例えば、電装品ケース体４０３の底板部材として採用された、金属板４０４下側のパワーデバイス４０１実装位置対応領域に冷却用配管４０５を配置することが考えられる。

その際には、冷却用配管４０５を所定位置に固定するために、金属板４０４の下面に冷却用配管４０５の位置決め用部材となる上側取付部材４０６を予め取付固定しておき、上側取付部材４０６に冷却用配管４０５を位置決めした状態で下側取付部材４０７を上側取付部材４０６に固定することにより、上側取付部材４０６と下側取付部材４０７とで挟み込んで固定する。また、回路基板４０２と金属板４０４とは絶縁されている必要があるために、回路基板４０２と金属板４０４との間、すなわち金属板４０４の表面に絶縁膜４０８を形成する必要がある。

さらに、電子電気部品４１０にリードを有する部品が含まれる場合には、回路基板４０２の裏側にリード部品４１１が突出するために、金属板４０４の一部を持ち上げるようにして形成している。または、回路基板４０２と金属板４０４との間に絶縁シート（図示省略）を設けて、該絶縁シートを厚くする方法もある。

上述のように、冷却用配管４０５によりパワーデバイス４０１の冷却を行う場合には、パワーデバイス４０１と冷却用配管４０５との熱的接続を行うための追加部材である上側取付部材４０６及び下側取付部材４０７が必要であり、部品点数が増加し、組立作業が煩雑となるという問題がある。また、これら追加部材を加工する必要があるため製造コストが増加するという問題がある。さらに、パワーデバイス４０１とリードを有する電子電気部品４１０とを混在実装する場合には、金属板４０４の一部を持ち上げるかまたは絶縁膜４０８を厚くする等の工夫が必要になるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、放熱性を有効に確保しつつ組立作業を容易にしてコストダウン可能なパワーモジュール及びそれを用いた空気調和機を提供することにある。

上記課題を解決すべく、第１の発明は、パワーデバイス（１０１）が実装された回路基板（１０２）を密閉状に収容する電装品ケース体（１０３）を備え、パワーデバイス（１０１）の実装位置に対応する電装品ケース体（１０３）の外部にパワーデバイス（１０１）を冷却するための冷却用配管（１０４）が配置されるパワーモジュール（１００）において、前記電装品ケース体（１０３）が、樹脂で形成されたケース主体部（１０５）と、前記ケース主体部（１０５）と一体に組付けられ、前記電装品ケース体（１０３）の一部を形成すると共に前記ケース主体部（１０５）の樹脂よりも高い熱伝導性を有する熱伝導性部材からなる放熱ケース部（１０６）とを備え、前記放熱ケース部（１０６）は、前記電装品ケース体（１０３）内に位置する内側面が前記回路基板（１０２）に対応する平面形状とされると共に、回路基板（１０２）に電気的絶縁状態で少なくともパワーデバイス（１０１）の実装位置対応領域で接触され、電装品ケース体（１０３）外に位置する外側面における前記冷却用配管（１０４）の配置位置対応部分に冷却用配管（１０４）に対応する凹み形状の凹溝部（１０７）が設けられ、該凹溝部（１０７）に冷却用配管（１０４）が嵌め込み状態で配置されている。

第２の発明は、第１または第２の発明のパワーモジュールであって、前記放熱ケース部（１０６）は前記パワーデバイス（１０１）に対応する部分にのみ備える。

第３の発明は、第１または第２の発明のパワーモジュールであって、前記放熱ケース部（１０６）は高熱伝導性樹脂または回路基板（１０２）側の接触面を絶縁処理した金属である。

第４の発明は、第１乃至第３の何れかの発明のパワーモジュールであって、前記放熱ケース部（１０６）は前記ケース主体部（１０５）に一体成型または接着により一体化されている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れかの発明のパワーモジュールを備える、空気調和機である。

第１の発明に因れば、電装品ケース体（１０３）の一部に放熱ケース部（１０６）を備え、放熱ケース部（１０６）内側面を回路基板（１０２）に接触させ、外側面の凹溝部（１０７）に冷却用配管（１０４）を嵌め込み状態で配置する構造であるため、放熱性を有効に確保しつつ、組付け性が向上して製造コストを抑制することが可能となる。また、冷却用配管（１０４）の位置決めが容易になり、部品点数を削減することが可能となる。

第２の発明に因れば、第１の発明であって、放熱ケース部（１０６）はパワーデバイス（１０１）に対応する部分にのみ備えるので、ケース主体部（１０３）を形成する樹脂よりも高価な熱伝導性部材からなる放熱ケース部（１０６）の材料が少なくて済むため、製造コストを抑制することが可能となる。

第３の発明に因れば、第１または第２の発明であって、前記放熱ケース部（１０６）は高熱伝導性樹脂または回路基板（１０２）側の接触面を絶縁処理した金属であるので、熱伝導性を向上させることが可能となる。

第４の発明に因れば、第１乃至第３の何れかの発明であって、前記放熱ケース部（１０６）は前記ケース主体部（１０５）に一体成型または接着により一体化されているので、組付け性を向上し、良好な放熱効果を発揮することが可能となる。

第５の発明に因れば、空気調和機は、第１乃至第４の何れかの発明のパワーモジュールを備えているので、空気調和機の冷媒通路をパワーデバイス（１０１）を冷却するための冷却用配管（１０４）として適用すれば、パワーデバイス（１０１）で生じる熱を効率的にパワーモジュール（１００）の系外に排出することが可能となり、有効利用が図れる。

以下、本発明の実施形態に係るパワーモジュール及び空気調和機について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態においては、パワーデバイス１０１を冷却するための冷却用配管１０４として、空気調和機の冷媒通路を適用し、パワーモジュール１００が空気調和機の電装品の１つとしている場合を例に説明するが、本発明に係るパワーモジュール１００は、必ずしも空気調和機の電装品に限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
＜パワーモジュールの構造＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るパワーモジュール１００の構成の一例を示す縦断面図である。パワーモジュール１００は、例えば、パワーデバイス１０１とその他の各種電子電気部品１１０と、これらを所定位置に実装するための回路基板１０２と、電装品ケース体１０３とを備え、冷却用配管１０４と接触した状態で固定される構造とされている。

パワーデバイス１０１は、例えば、ダイオードやパワートランジスタ等またはこれらを組み合わせたものである。また、各種電子電気部品１１０は、電解コンデンサや抵抗器等である。そして、パワーデバイス１０１や電子電気部品１１０等によって、電力の変換や電力機器の制御、すなわち、空気調和機の制御を行う。

電装品ケース体１０３は、一般的な絶縁性を有する樹脂で形成されたケース主体部１０５と、ケース主体部１０５の樹脂よりも高い熱伝導性を有する熱伝導性部材からなる放熱ケース部１０６とを備え、パワーデバイス１０１等を実装した回路基板１０２を密閉状に収容可能となっている。例えば、電装品ケース体１０３は、底部の底板部材と、周壁を構成する側板部材と、上部の蓋部材とからなり、蓋部材が着脱自在に固定される構造となっている。なお、底板部材も着脱自在に固定する構造としても良い。図１回路基板１０２は、ケース主体部１０５に適宜設けられた取付部（図示省略）にビス（図示省略）等を介して着脱自在に固定されている。そして、回路基板１０２の裏面と向かい合うケース主体部１０５の底板部材の一部、具体的には、パワーデバイス１０１の実装位置対応領域には、孔部１１１が電装品ケース体１０３の幅方向に沿って設けられている。

孔部１１１は、その開口幅が、ケース主体部１０５の内面側で幅が狭い幅狭開口とされると共に、ケース主体部１０５の外面側で、内面側の幅狭開口よりも幅が広い幅広開口とされて、底板部材の厚み方向で階段状の段部１１２が設けられている。

図２は、放熱ケース部１０６の縦断面図である。放熱ケース部１０６は、絶縁性を有しており、例えば、高熱伝導性樹脂で形成されている。ここで、高熱伝導性樹脂としては、数［Ｗ／ｍ・Ｋ］〜数百［Ｗ／ｍ・Ｋ］、更にはそれ以上の熱伝導率を有しているものがあり、所望の熱伝導率を有する樹脂を採用すれば良い。

放熱ケース部１０６は、平面視で略長方体形状の部材であって、その上面２０１は、回路基板１０２に対応する平面形状となっている。断面における上部は、前記幅狭開口と略同幅の横幅を有する幅狭部とされ、下部は、前記幅広開口と略同幅の横幅を有する幅広部とされ、その側面２０２は、孔部１１１の形状、具体的には段部１１２に対応する階段形状とされている。放熱ケース部１０６における下面２０３は、冷却用配管１０４の配置位置対応部分、すなわち、幅広部下面の幅方向中央部には、円筒状管材よりなる冷却用配管１０４の外径に対応する円弧状の凹み形状に形成された凹溝部１０７が備えられている。そして、放熱ケース部１０６の幅狭部が孔部１１１の幅狭開口に嵌合され、放熱ケース部１０６の幅広部が孔部１１１の幅広開口に嵌合された状態で放熱ケース部１０６がケース主体部１０５に適宜接着剤により接着されている。

この電装品ケース体１０３内に回路基板１０２が組付けられた状態で、放熱ケース部１０６の上面２０１がパワーデバイス１０１の実装位置対応領域で回路基板１０２に接触状態となっている。そして、放熱ケース部１０６の凹溝部１０７に冷却用配管１０４を嵌め込んだ状態で下面側から適宜取付部材（図示省略）を放熱ケース部１０６若しくはケース主体部１０５に取付固定することにより冷却用配管１０４が電装品ケース体１０３に固定されている。

本実施形態は以上のように構成されており、放熱ケース部１０６の上面２０１が回路基板１０２のパワーデバイス１０１実装位置対応領域に接し、下面２０３が冷却用配管１０４に接しているため、放熱性を有効に確保することが可能となる。さらに、冷却用配管１０４は凹溝部１０７に嵌め込み状態で固定されており、冷却用配管１０４の外周面と放熱ケース部１０６の凹溝部１０７内周面との面接触状態が得られると共に、凹溝部１０７によってパワーデバイス１０１と冷却用配管１０４との相互間の距離が縮まり、熱伝導性が良好に得られ、良好な放熱効果を発揮することが可能となる。また、凹溝部１０７の凹みを深くすることにより、パワーデバイス１０１と冷却用配管１０４との距離が更に縮まり、熱伝達を更に効率的に行うことが可能となる。

また、凹溝部１０７に冷却用配管１０４の外径に対応する円弧状の凹み形状となっているので、冷却用配管１０４の位置決めが容易になり、組付け性が向上して製造コストを抑制することが可能となる。

また、放熱ケース部１０６は、従来の電装品ケース体１０３に用いられる一般的な樹脂に比べて高価であるため、パワーデバイス１０１に対応する部分にのみ備えることにより、製造コストを抑制することが可能となる。また、放熱ケース部１０６はケース主体部１０５に予め嵌合及び接着されて一体化しているので、参考例として示した上側取付部材４０６としての機能を備えているので、部品点数を削減することが可能となる。

また、冷却用配管１０４として、空気調和機の冷媒通路を適用すれば、パワーデバイス１０１で生じる熱を効率的にパワーモジュール１００の系外に排出することが可能となり、有効利用が図れる。

さらに、ケース主体部１０５及び放熱ケース部１０６が絶縁性を有しているため、絶縁膜や絶縁シート等の絶縁処理が不要である。また、パワーデバイス１０１とリード部品とを混在実装する場合であっても特別な工夫が不要である。

なお、放熱ケース部１０６は、１［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上の熱伝導率を有する熱伝導性樹脂であっても良い。

＜第２実施形態＞
上記実施形態に於いては、放熱ケース部１０６が高熱伝導性樹脂で形成されている場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。ここでは、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの他の一例として、放熱ケース部１０６の上面が絶縁処理された金属である場合について、図面に基づいて説明する。なお、上記実施形態と互いに対応する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図３は、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの放熱ケース部３０１の縦断面図である。本実施形態の放熱ケース部３０１は、上記実施形態の放熱ケース部１０６と略同様の形状に形成されたＡｌ板３０２と、その側面３０３の一部及び上面３０４表面に設けられた絶縁部３０５とを備えている。なお、放熱ケース部３０１は、必ずしもアルミニウムである必要はなく、それ以外の金属等であっても良いことは勿論である。

絶縁部３０５が設けられる放熱ケース部３０１の側面３０３の一部とは、ケース主体部１０５の孔部１１１に形成された段部１１２よりも上側で接する部位である。なお、絶縁部３０５は、放熱ケース部３０１の表面全体に設けられていても良い。ここで、絶縁部３０５は、一般的な方法により絶縁材料を塗布または貼付することによって形成される。

本実施形態は以上のように構成されており、第１実施形態同様、放熱性が有効に確保できると共に、冷却用配管１０４の位置決めや組付け性が向上し、製造コストを抑制することが可能となる。また、放熱ケース部３０１はケース主体部１０５に嵌合及び接着により一体化されているので、組付け性を向上させることが可能となる。

また、第２実施形態のパワーモジュール１００を備える空気調和機においても、空気調和機の冷媒通路をパワーデバイス１０１を冷却するための冷却用配管１０４として適用すれば、パワーデバイス１０１で生じる熱を効率的にパワーモジュール００の系外に排出することが可能となり、有効利用が図れる。

上記各実施形態において、放熱ケース部１０６が接着により一体化した構造を示しているが、インサート成型や二色成型等により、ケース主体部１０５に放熱ケース部１０６を一体成型する構造であっても良い。この場合、ケース主体部１０５の底板部材の成型と同時に放熱ケース部１０６の一体化が図れ、接着する作業も不要であり、組付け性の更なる向上が図れる。また、一体成型であるため、密閉性も良好に確保することが可能となる。

また、各実施形態においては、底板部材の一部に放熱ケース部１０６，３０１を設ける構成としたが、底板部材全体に亘って放熱ケース部１０６，３０１を設けても良い。また、凹溝部１０７の円弧状の凹みが冷却用配管１０４の外径と同径とされているが、僅かに冷却用配管１０４の外径より大きな円弧状の凹み形状であっても構わない。さらにまた、冷却用配管１０４は、円筒状管材である必要はなく、角筒状管材であっても良い。その場合は、凹溝部１０７の凹み形状を該角筒状管材の外形に応じた凹み形状とすることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。 放熱ケース部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る放熱ケース部の断面図である。 パワーモジュールの参考例を示す縦断面図である。

符号の説明

１００ パワーモジュール
１０１ パワーデバイス
１０２ 回路基板
１０３ 電装品ケース体
１０４ 冷却用配管
１０５ ケース主体部
１０６，３０１ 放熱ケース部
１０７ 凹溝部
２０１，３０４ 上面
２０２，３０３ 側面
２０３ 下面
３０２ Ａｌ板
３０５ 絶縁部

Claims (5)

1. パワーデバイス（１０１）が実装された回路基板（１０２）を密閉状に収容する電装品ケース体（１０３）を備え、パワーデバイス（１０１）の実装位置に対応する電装品ケース体（１０３）の外部にパワーデバイス（１０１）を冷却するための冷却用配管（１０４）が配置されるパワーモジュール（１００）において、
   前記電装品ケース体（１０３）が、樹脂で形成されたケース主体部（１０５）と、前記ケース主体部（１０５）と一体に組付けられ、前記電装品ケース体（１０３）の一部を形成すると共に前記ケース主体部（１０５）の樹脂よりも高い熱伝導性を有する熱伝導性部材からなる放熱ケース部（１０６）とを備え、
   前記放熱ケース部（１０６）は、前記電装品ケース体（１０３）内に位置する内側面が前記回路基板（１０２）に対応する平面形状とされると共に、回路基板（１０２）に電気的絶縁状態で少なくともパワーデバイス（１０１）の実装位置対応領域で接触され、電装品ケース体（１０３）外に位置する外側面における前記冷却用配管（１０４）の配置位置対応部分に冷却用配管（１０４）に対応する凹み形状の凹溝部（１０７）が設けられ、該凹溝部（１０７）に冷却用配管（１０４）が嵌め込み状態で配置されている、パワーモジュール（１００）。
2. 請求項１記載のパワーモジュール（１００）であって、
   前記放熱ケース部（１０６）は前記パワーデバイス（１０１）に対応する部分にのみ備える、パワーモジュール（１００）。
3. 請求項１または請求項２記載のパワーモジュール（１００）であって、
   前記放熱ケース部（１０６）は高熱伝導性樹脂または回路基板（１０２）側の接触面を絶縁処理した金属である、パワーモジュール（１００）。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか記載のパワーモジュール（１００）であって、
   前記放熱ケース部（１０６）は前記ケース主体部（１０５）に一体成型または接着により一体化されている、パワーモジュール（１００）。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか記載のパワーモジュール（１００）を備える、空気調和機。

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