JP2009207310A - 一体型電動圧縮機 - Google Patents

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Abstract


【課題】部品の放熱を考慮したレイアウトとしつつ、制御基板を小型化することのできる一体型電動圧縮機を提供することを目的とする。
【解決手段】U相、V相、W相の各相に対応するダイオード43、IGBT42を各相毎に直列に配列し、ダイオード43、IGBT42には、それぞれ矩形状をなしたチップを用いた。これにより、パワー基板16を大幅に小型化し、発熱部品であるダイオード43、IGBT42、P端子電極パターン40、N端子電極パターン41、シャント抵抗44、出力端子パターン48U、48V、48W、給電パターン50を、ハウジングの外表面に接する範囲内に収めて配置する。
【選択図】図6

Description

本発明は、車載用の空気調和機を構成する一体型電動圧縮機に関する。
車載用空気調和機には、車両のエンジンルーム内に各機器を収容するため、省スペース性が要求されている。このため、近年、車載用空気調和機を構成する圧縮機と、圧縮機を駆動するためのモータと、モータを駆動するための駆動基板とがハウジング内に一体に収められた一体型電動圧縮機が提供されている。
このような一体型電動圧縮機においては、モータに3相交流を供給するため、モータの作動を制御するための基板に、複数のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)によって構成されるスイッチング素子が設けられ、このスイッチング素子に外部の高電圧電源(図示無し)から例えば300Vといった高電圧が供給されるようになっている(例えば特許文献1参照。)。
特許第3760887号公報
従来、上記したようなスイッチング素子には、市販のIGBTのパッケージ品が用いられている。IGBTのパッケージ品は、スイッチング素子を構成するIGBTとダイオードとがモジュール化されたチップである。
このようなチップは、モータを作動させるために3相電流を生成するため、IGBTおよびダイオードが、U相、V相、W相に相当する3組設けられている。
ところで、自動車用の各種補機類は、常に小型化が要求されている。これは電動圧縮機も同様であり、電動圧縮機の小型化を検討する際、モータを駆動するための制御基板の小型化が必須となる。
しかし、従来のようにスイッチング素子にパッケージ品を用いる場合、パッケージ品にはある程度の大きさがある。このため、スイッチング素子を上記のように3組分設けるとなると、スイッチング素子を実装する基板が大きくなってしまい、電動圧縮機の側方に飛び出してしまうこともある。そこで、基板を複数層に分けることで、基板を電動圧縮機の側方に飛び出ないようにすることも考えられるが、これでは制御基板の実質的は厚さが大きくなるため、小型化という観点では、十分な解決方法とは言えない。
また、制御基板には、IGBTをはじめとして発熱する部品があり、これら部品は放熱のため、電動圧縮機のハウジング内を流れる冷媒によって冷却できるよう、内部を冷媒が流れる部分のハウジングに沿って配置するのが好ましい。しかしこれにより、部品の配置は制限を受けるため、この点においても制御基板の小型化は難しい。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、部品の放熱を考慮したレイアウトとしつつ、制御基板を小型化することのできる一体型電動圧縮機を提供することを目的とする。
かかる目的のもとになされた本発明の一体型電動圧縮機は、空気調和機を構成する圧縮機と、圧縮機を駆動するためのモータと、モータの作動を制御する制御基板と、圧縮機、モータ、および制御基板を収容するハウジングと、を備える。制御基板は、第一の基板上に実装され、モータを3相交流により回転駆動させるため、電源からモータへの電圧の印加タイミングをコントロールするスイッチング素子と、第一の基板に対して間隔を隔てて対向するよう配置された第二の基板上に実装され、スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備える。そして、スイッチング素子を構成するIGBTとダイオードとが、ベアチップ実装されていることを特徴とする。
IGBTとダイオードとを第一の基板にベアチップ実装することで、第一の基板の小型化を図ることができる。
スイッチング素子は、モータを駆動する3相交流電流を生成するため、U相、V相、W相のそれぞれに対応した3組が、モータの軸方向に直交する方向に配列されて設けられるとともに、各組において、IGBTとダイオードは、モータの軸方向に沿って配列されるのが好ましい。
IGBTとダイオードは、ハウジング内を流れる冷媒によって冷却されるハウジングの表面に沿った領域に配置される。IGBTとダイオードとをベアチップ実装することによって、IGBTとダイオードとを設ける領域を小さくでき、これらをハウジング内の冷媒が流れることで冷却されるハウジングの表面に沿った領域に配置することが可能となるのである。
第一の基板上に、電源とスイッチング素子との間にラジオノイズ低減のため、抵抗とコンデンサとから構成されるスナバ回路を設ける場合、抵抗およびコンデンサは、ハウジング内の冷媒が流れることで冷却されるハウジングの表面に沿った領域外に配置するのが好ましい。抵抗およびコンデンサは発熱が小さいため、このように発熱の小さい部品はハウジング内を流れる冷媒による冷却(放熱)を考慮しなくて良いからである。
また、ハウジングは、モータを収容するモータ収容部と、圧縮機を収容する圧縮機収容部とで分割可能とすることができる。その場合、第一の基板において、スイッチング素子で生成された3相交流電流をモータに供給するためのU相、V相、W相の端子が、モータ収容部の圧縮機収容部との合わせ面側に配置されているのが好ましい。U相、V相、W相の端子がモータ収容部の圧縮機収容部との合わせ面側に配置されていれば、組み立て時に、モータのU相、V相、W相のステータと第一の基板のU相、V相、W相の端子とをリード線を介して接続するときに、モータ収容部の、圧縮機収容部側の開口部から作業者が指を入れてその接続作業が行えるからである。
第一の基板において、スイッチング素子に電圧を供給するための電圧印加配線パターン、およびスイッチング素子からモータに電圧を供給するための出力配線パターンと、スイッチング素子を駆動するための制御信号を供給するための信号線パターンとが、スイッチング素子を構成するIGBTおよびダイオードを挟んで対向して配置されているのが好ましい。
電圧印加配線パターンおよび出力配線パターンは、例えば300Vといった高電圧が流れる高電圧系であり、信号線パターンは例えば5Vといった低電圧が流れる低電圧系である。これら高電圧系と低電圧系を、スイッチング素子を挟んで対向配置することにより、高電圧系に起因する電磁ノイズが低電圧系の信号に影響を及ぼすのを防ぐことができる。
また、IGBTの作動温度を検出するための温度センサを備える場合、温度センサは、IGBTおよびダイオードが配列されている領域内に配置するのが好ましい。
本発明によれば、IGBTとダイオードとを第一の基板にベアチップ実装することで、第一の基板の小型化を図ることができる。これにより、IGBTとダイオードとを設ける領域を小さくでき、これらをハウジング内の冷媒が流れることで冷却されるハウジングの表面に沿った領域に配置することが可能となる。その結果、部品の放熱を考慮したレイアウトとしつつ、制御基板を小型化することができる。
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図1、図2は、本実施の形態における電動圧縮機(一体型電動圧縮機)10の構成を示すための図である。
この図1、図2に示すように、電動圧縮機10は、ハウジング11の下部収容室11aにモータ20およびスクロール式の圧縮機21が収容され、上方に開口したハウジング11の上部収容室11bに、インバータユニット12が収容され、上部収容室11bの上方への開口は、カバー17によって覆われている。
図1に示したように、下部収容室11aのモータ20が設けられた側の端部に形成された冷媒導入ポートP1からハウジング11内に冷媒が導入され、圧縮機21が設けられた側の端部に形成された冷媒吐出ポートP2から、圧縮機21によって圧縮された冷媒を吐出する。この冷媒により、ハウジング11は冷却される。
図3、図4に示すように、インバータユニット12は、インバータユニット12に入力される直流電圧の平滑化を図るためのコンデンサ13およびインダクタ14と、モータ20への高圧交流電流の印加を制御するためのコントロール回路基板(第二の基板)15と、高圧電源から供給される直流電流を交流電流に変換してモータ20に印加し、モータ20を回転駆動させるパワー基板(第一の基板)16と、から構成される。
ここで、上部収容室11bは、下部収容室11aの直径寸法よりも大きな幅を有しており、これにより下部収容室11aから側方に突出するように形成されている。これにより、図3に示すように、上部収容室11bは、ハウジング11においてモータ20が収容された部分に対応する領域Aは、ハウジング11内を通る冷媒によって冷却され、この領域Aよりも側方に突出した領域は、冷媒による冷却効果が小さい。
そして、上部収容室11bに収容されたインバータユニット12のうち、コンデンサ13およびインダクタ14は、領域Aよりも側方に突出した位置に配置されている。
コントロール回路基板15には、車両のバッテリから供給される所定電圧(例えば12V)を制御用の低電圧(例えば5V)に変換するトランスや、車両の上位CPUとの間で通信を行うための通信回路、電動圧縮機10の動作制御を司るCPU等が実装されている。
図4に示すように、パワー基板16は、P端子30、N端子31により外部の高電圧電源(図示無し)から例えば300Vといった高電圧の供給を受ける。また、パワー基板16は、U端子32、V端子33、W端子34から外部に3相交流を供給し、モータ20を回転駆動させる。
図5に示すものは、パワー基板16の回路構成図である。この図5に示すように、パワー基板16には、P端子30、N端子31が設けられるP端子電極パターン40およびN端子電極パターン41と、複数組のIGBT42とダイオード43とによって構成されるスイッチング素子群18と、U相、V相、W相のそれぞれに流れる電流検出のためのシャント抵抗44と、IGBT42の作動中の温度を検出するための温度センサ45と、スナバ回路を構成するコンデンサ46および抵抗47と、U端子32、V端子33、W端子34が設けられる出力端子パターン(出力配線パターン)48U、48V、48Wと、が備えられている。
コンデンサ46および抵抗47からなるスナバ回路は、P端子電極パターン40、N端子電極パターン41とスイッチング素子群18との間に設けられている。スナバ回路は、そもそもは過電圧からIGBT42、ダイオード43を保護するものであり、電源オフ時に、コントロール回路基板15からスイッチング素子群18に入力される駆動信号の周波数が高くなるにともなって生じるサージを消費させる。
このようにして、スナバ回路において、サージ時の電流を消費させることで、結果的に、コントロール回路基板15からスイッチング素子群18に入力される駆動信号に高周波成分が載らないようにすることができる。その結果、モータ20とハウジング11との間に生じる漏れ電流を抑えることができ、ラジオノイズを低減できる。
コントロール回路基板15においては、コントロール回路基板15のCPUで実行される制御によって図示しないゲート回路が制御され、その駆動信号がコントロール回路基板15からパワー基板16のIGBTゲート信号線(信号線パターン)52に伝達されてスイッチング素子群18に入力される。スイッチング素子群18の動作により、高電圧電源からP端子電極パターン40、N端子電極パターン41を介して供給される高電圧の供給タイミングがコントロールされることで、3相交流電流が、出力端子パターン48U、48V、48WからU端子32、V端子33、W端子34を経てモータ20に印加され、モータ20を回転駆動させる。
図6は、これらP端子電極パターン40、N端子電極パターン41、IGBT42、ダイオード43、シャント抵抗44、IGBTゲート信号線52、温度センサ45、コンデンサ46および抵抗47の、パワー基板16上における実装レイアウトの例を示す図である。
この図6(a)に示すように、パワー基板16は全体として矩形状をなしており、その一つの辺16aに沿って、出力端子パターン48U、48V、48Wが配置されている。
そして、出力端子パターン48U、48V、48Wから、辺16aに直交する方向に沿って、U相、V相、W相の各相に対応する3組のダイオード43、IGBT42が直列に配列されている。各相において、これらダイオード43、IGBT42は、それぞれ2個ずつが並列して設けられている。ここで、ダイオード43、IGBT42は、それぞれ矩形状をなしたチップであり、金属製の放熱板(図示なし)を介してパワー基板16上に実装されている。この図6(a)に示したレイアウト例においては、IGBT42は長方形状であり、その短辺方向をダイオード43、IGBT42の配列方向に合致させて設けられている。
合計6個のダイオード43は、出力端子パターン48U、48V、48Wと平行に配列されている。そして、これらダイオード43と出力端子パターン48U、48V、48Wとの間には、出力端子パターン48U、48V、48Wに給電するための給電パターン(電圧印加配線パターン)50が形成され、給電パターン50には、パワー基板16の辺16aに直交する側辺16bに沿う位置にP端子電極パターン40が形成されている。
パワー基板16において、辺16aと平行な辺16cに沿って、シャント抵抗44の取り出し線51、IGBT42を駆動するためゲート信号を送るためのIGBTゲート信号線52が、U相、V相、W相の各相に対応して配列されている。これら取り出し線51、IGBTゲート信号線52は、パワー基板16上に平行して配置されるコントロール回路基板15に図示しないコネクタを介して接続される。
これら取り出し線51、IGBTゲート信号線52と、前記の合計6個のIGBT42との間には、グランドパターン53が形成され、このグランドパターン53には、パワー基板16の側辺16bに沿う位置に、N端子電極パターン41が形成されている。
また、グランドパターン53の隙間に、U相、V相、W相の各相に対応するシャント抵抗44が配置されている。
さらに、グランドパターン53のIGBT42に面する側には、IGBT42の近傍に温度センサ45が設けられている。
スナバ回路を構成するコンデンサ46および抵抗47は、U端子32、V端子33、W端子34が設けられる出力端子パターン48U、48V、48Wと、パワー基板16の側辺16bに沿う位置に、P端子電極パターン40とN端子電極パターン41との間に介在するように配置されている。
図6(b)に示すものは、図6(a)に示した実装レイアウトの変形例である。
この図6(b)に示すパワー基板16のレイアウト例においては、基本的なレイアウトは図6(a)に示したレイアウト例と共通している。相違点は、まず、長方形上のIGBT42を、その長辺方向をダイオード43、IGBT42の配列方向に合致させて設けた点にある。
これにより、図6(a)に示したレイアウト例に比較し、ダイオード43、IGBT42が直列に配列された方向に直交する方向、つまり各相のダイオード43、IGBT42が並列した方向におけるパワー基板16の幅を抑えることができる。
また、温度センサ45を、複数のダイオード43、IGBT42が配列された群の中に配置した点も、図6(a)の例とは異なる。このように、温度センサ45を、発熱の大きなダイオード43、IGBT42が配列された群の中に配置することで、図6(a)の例に比較して、温度検出対象であるIGBT42の温度を、より精度よく検出することが可能となる。
図2に示したように、ハウジング11の下部収容室11aは、モータ20を収容するモータケース(モータ収容部)60と、圧縮機21を収容する圧縮機ケース(圧縮機収容部)61とが、合わせ面Gにおいて互いの開口部どうしを合わせた状態で、ボルト62によって一体に連結されている。
ここで、図7(a)に示すように、モータ20のU相、V相、W相は、前記のU端子32、V端子33、W端子34に固定されたガラス端子63U、63V、63Wに対し、リード線64U、64V、64Wを介して連結されている。
図7(b)に示すように、電動圧縮機10の組み立て時において、リード線64U、64V、64Wは、モータ20のステータ20Sに取り付けられる。そして、このモータ20をモータケース60に収容するとともに、モータケース60の上面に位置する上部収容室11bにインバータユニット12を収容する。このとき、圧縮機ケース61を取り付けない状態において、モータケース60の開口部60aから、リード線64U、64V、64Wが露出しているので、この状態で、作業者が開口部60aに指を入れ、図7(a)に示したように、リード線64U、64V、64Wの端子をガラス端子63U、63V、63Wと嵌合させる。
上記したような組み立て作業上の理由から、図2に示したように、インバータユニット12のパワー基板16は、U端子32、V端子33、W端子34がモータケース60の開口部60a側に位置するように設けられる。すなわち、パワー基板16において、辺16aと辺16cとを結ぶ方向が、モータ20の軸方向と合致するようにパワー基板16が配置されている。
このような構成においては、U相、V相、W相の各相に対応するダイオード43、IGBT42が各相毎に直列に配列されており、ダイオード43、IGBT42は、それぞれ矩形状をなしたチップが用いられている。これにより、従来のようにIGBTにパッケージ品を用いた場合に比較して、パワー基板16を大幅に小型化することができ、特に、ダイオード43、IGBT42が直列に配列された方向に直交する方向、つまり各相のダイオード43、IGBT42が並列した方向の幅を抑えることができる。その結果、発熱部品であるダイオード43、IGBT42、P端子電極パターン40、N端子電極パターン41、シャント抵抗44、出力端子パターン48U、48V、48W、給電パターン50を、内部を冷媒が通ることで冷却されるハウジング11の外表面の領域Aに対応する範囲内に収めて配置することが可能となる。このとき、特に冷却の必要のないコンデンサ46および抵抗47は、ハウジング11から側方に突出した位置(図3(a)において二点鎖線Bで示した範囲)に配置することもできる。このようにして、インバータユニット12の構成部品の冷却機能を確保しつつ小型化を図ることができ、電動圧縮機10の小型化に寄与する。
上記の効果は、図6(b)に示したように、長方形上のIGBT42を、その長辺方向をダイオード43、IGBT42の配列方向に合致させて設けることで、一層顕著なものとなる。
また、パワー基板16においては、高電圧となるP端子電極パターン40、出力端子パターン48U、48V、48W、給電パターン50と、低電圧となるN端子電極パターン41、シャント抵抗44、取り出し線51、IGBTゲート信号線52、グランドパターン53とが、ダイオード43、IGBT42を間に挟んで対向するように配置されている。このように高電圧系と低電圧系を、スイッチング素子群18を挟んで対向配置することにより、高電圧系に起因する電磁ノイズが低電圧系の信号に影響を及ぼすのを防ぐことができる。
さらに、図6(b)に示したように、温度センサ45を、複数のダイオード43、IGBT42が配列された群の中に配置することで、温度検出対象であるIGBT42の温度を、精度よく検出することが可能となる。このような温度センサ45の配置は、上記したようなパワー基板16上におけるダイオード43、IGBT42のレイアウトによって、パワー基板16の小型化が図れ、発熱部品をハウジング11の外表面に接する範囲内に収めて配置することが可能となったからこそ実現したものである。
なお、上記実施の形態では、パワー基板16のレイアウトを中心として電動圧縮機10の構成を説明したが、他の部分については適宜他の構成を採用することが可能である。また、パワー基板16についても、小型化、部品の冷却という本願の主旨を達することができるのであれば、上記した以外の構成を適宜採用することが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本実施の形態における一体型電動圧縮機の外観を示す斜視図である。 一体型電動圧縮機のモータの軸方向に沿った断面図である。 (a)はモータケースの平面図、(b)は側断面図である。 インバータユニットの斜視図である。 パワー基板の回路構成を示す図である。 (a)はパワー基板の実装レイアウトの一例を示す図であり、(b)は(a)に示した実装レイアウトの変形例を示す図である。 (a)はモータケースの正面図、(b)は組み立て時におけるモータケースの正面図である。
符号の説明
10…電動圧縮機(一体型電動圧縮機)、11…ハウジング、12…インバータユニット、13…コンデンサ、14…インダクタ、15…コントロール回路基板(第二の基板)、16…パワー基板(第一の基板)、16a…辺、16b…側辺、16c…辺、18…スイッチング素子群、20…モータ、21…圧縮機、30…P端子、31…N端子、32…U端子、33…V端子、34…W端子、40…P端子電極パターン、41…N端子電極パターン、42…IGBT、43…ダイオード、44…シャント抵抗、45…温度センサ、46…コンデンサ、47…抵抗、48U、48V、48W…出力端子パターン(出力配線パターン)、50…給電パターン(電圧印加配線パターン)、52…IGBTゲート信号線(信号線パターン)、53…グランドパターン、60…モータケース(モータ収容部)、61…圧縮機ケース(圧縮機収容部)

Claims (7)

  1. 空気調和機を構成する圧縮機と、
    前記圧縮機を駆動するためのモータと、
    前記モータの作動を制御する制御基板と、
    前記圧縮機、前記モータ、および前記制御基板を収容するハウジングと、を備えた一体型電動圧縮機であって、
    前記制御基板は、第一の基板上に実装され、前記モータを3相交流により回転駆動させるため、電源から前記モータへの電圧の印加タイミングをコントロールするスイッチング素子と、
    前記第一の基板に対して間隔を隔てて対向するよう配置された第二の基板上に実装され、前記スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備え、
    前記スイッチング素子を構成するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とダイオードとが、ベアチップ実装されていることを特徴とする一体型電動圧縮機。
  2. 前記スイッチング素子は、前記モータを駆動する3相交流電流を生成するため、U相、V相、W相のそれぞれに対応した3組が、前記モータの軸方向に直交する方向に配列されて設けられるとともに、各組において、前記IGBTと前記ダイオードは、前記モータの軸方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項1に記載の一体型電動圧縮機。
  3. 前記IGBTと前記ダイオードは、前記ハウジング内を流れる冷媒によって冷却される前記ハウジングの表面に沿った領域に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の一体型電動圧縮機。
  4. 前記第一の基板上に、前記電源と前記スイッチング素子との間にラジオノイズ低減のため、抵抗とコンデンサとから構成されるスナバ回路が設けられ、
    前記抵抗および前記コンデンサは、前記ハウジング内の冷媒が流れることで冷却される前記ハウジングの表面に沿った領域外に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の一体型電動圧縮機。
  5. 前記ハウジングは、前記モータを収容するモータ収容部と、前記圧縮機を収容する圧縮機収容部とで分割可能とされ、前記第一の基板において、前記スイッチング素子で生成された3相交流電流を前記モータに供給するためのU相、V相、W相の端子が、前記モータ収容部の前記圧縮機収容部との合わせ面側に配置されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の一体型電動圧縮機。
  6. 前記第一の基板において、
    前記スイッチング素子に電圧を供給するための電圧印加配線パターン、および前記スイッチング素子から前記モータに電圧を印加するための出力配線パターンと、
    前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を供給するための信号線パターンとが、
    前記スイッチング素子を構成する前記IGBTおよび前記ダイオードを挟んで対向して配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の一体型電動圧縮機。
  7. 前記IGBTの作動温度を検出するための温度センサが、前記IGBTおよび前記ダイオードが配列されている領域内に配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の一体型電動圧縮機。
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