JP2010004694A - 電動機、圧縮機、及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】パワー素子の設置場所の制約が少なく、しかも放熱性にも優れた電動機、これを備えた圧縮機、及び空気調和機を提供する。
【解決手段】電動機１１は、シャフト１３と、このシャフト１３に支持された回転子１５と、この回転子１５の周囲に配置された固定子１７と、回転子１５の駆動を制御する制御基板１９と、回転子１５、固定子１７及び制御基板１９を収容するケーシング２１とを備えている。ケーシング２１の内部は、回転子１５が配置された回転子室Ｓ１と制御基板１９が配置された制御基板室Ｓ２とに区分されている。制御基板室Ｓ２には、絶縁性液体Ｌが充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワー素子を含む制御基板を内蔵した電動機、圧縮機、及び空気調和機に関するものである。

従来、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのパワー素子を含む制御基板を内蔵した電動機では小型化及び高出力化が求められている。特に、高出力化に伴って制御基板上のパワー素子の発熱が大きくなるので、放熱構造の重要性が高まっている。この放熱構造としては、ケーシング内において、パワー素子を含む制御基板を外扇ファン側に取り付け、ケーシングに切り欠きを設け、この切り欠きを通じて外扇ファンによる冷却風をパワー素子に直接当てる構造が提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−３８４５２号公報

特許文献１に記載の構造では、外扇ファンは電動機のシャフトに取り付けられている。このシャフトの周囲にはシャフトを支持する軸受などの部品が存在することに加え、外扇ファンによる冷却風が届く範囲も限られているので、特許文献１に記載の構造では、切り欠きを設けることができる位置は必然的に制約される。したがって、この切りかき位置の制約に伴ってパワー素子の設置場所も制約されるという問題があった。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パワー素子の設置場所の制約が少なく、しかも放熱性にも優れた電動機、これを備えた圧縮機、及び空気調和機を提供することにある。

本発明の電動機は、回転子（１５）と、固定子（１７）と、回路が形成された基板本体（２３）と前記回路に電気的に接続されたパワー素子（２５）とを含み、前記回転子（１５）の駆動を制御する制御基板（１９）と、前記回転子（１５）、固定子（１７）及び制御基板（１９）を収容するケーシング（２１）とを備え、前記ケーシング（２１）の内面の少なくとも一部と前記パワー素子（２５）の表面の少なくとも一部の間の領域（Ｓ２）に絶縁性液体（Ｌ）が充填されたものである。

この構成では、ケーシング（２１）の内面の少なくとも一部とパワー素子（２５）の表面の少なくとも一部の間の領域（Ｓ２）に絶縁性液体（Ｌ）が充填されているので、絶縁性液体（Ｌ）を熱媒体として、パワー素子（２５）から生じた熱がケーシング（２１）を通じて外部に放熱させる。このようにケーシング（２１）の内面とパワー素子（２５）の表面の間に絶縁性液体（Ｌ）で満たされた領域（Ｓ２）を存在させることによって、基板本体（２３）上のパワー素子（２５）の配置場所に大きく左右されることなくパワー素子（２５）からケーシング（２１）までの伝熱経路を形成することができる。これにより、パワー素子（２５）の設置場所の制約が少なくなり設計の自由度を高めることができる。また、熱媒体が液体であるので、絶縁性液体（Ｌ）とパワー素子（２５）との接触面積を大きくすることができる。これにより、パワー素子（２５）から生じた熱の放熱性を高めることができる。しかも、絶縁性液体（Ｌ）を用いているので、絶縁性液体（Ｌ）をパワー素子（２５）の表面に接触させる構造としても絶縁性が損なわれない。

前記パワー素子（２５）は、接続端子により前記回路に電気的に接続され、前記基板本体（２３）から離隔して配置されているのが好ましい。この構成では、パワー素子（２５）が基板本体（２３）から離隔して配置されているので、パワー素子（２５）が基板本体（２３）に接触して配置されている場合と比較して、絶縁性液体（Ｌ）とパワー素子（２５）との接触面積を大きくすることができる。これにより、放熱性をさらに高めることができる。

前記基板本体（２３）と前記パワー素子（２５）との間には支持部材（３３）が介在しているのが好ましい。この構成では、基板本体（２３）とパワー素子（２５）との間に支持部材（３３）を介在させることで、パワー素子（２５）を基板本体（２３）から離隔した状態で安定して配置することができる。

本発明の電動機は、前記回転子（１５）を支持するシャフト（１３）をさらに備え、前記シャフト（１３）の一端側の少なくとも一部が前記領域（Ｓ２）に配置されているのが好ましい。この構成では、シャフト（１３）の一端側の少なくとも一部が前記領域（Ｓ２）に配置されているので、シャフト（１３）の回転によって前記領域（Ｓ２）内の絶縁性液体（Ｌ）が撹拌される。これにより、熱伝達効率を向上させることができるので、放熱性をより高めることができる。

前記領域（Ｓ２）に配置された前記シャフト（１３）の一端側には撹拌手段（３１）が設けられているのが好ましい。この構成では、シャフト（１３）の一端側に撹拌手段（３１）が設けられているので、シャフト（１３）の回転による絶縁性液体（Ｌ）の撹拌効率をより向上させることができる。これにより、熱伝達効率をさらに向上させることができるので、放熱性をさらに高めることができる。

具体的には、前記撹拌手段（３１）が羽根（３１）である形態を例示できる。

前記絶縁性液体（Ｌ）は磁性を有しているのが好ましい。この構成では、絶縁性液体（Ｌ）が磁性を有しているので、電動機の駆動時に生じる磁力によって絶縁性液体（Ｌ）が撹拌される。これにより、撹拌効率が向上するので放熱性をさらに高めることができる。

前記絶縁性液体（Ｌ）はシリコンオイルであるのが好ましい。シリコンオイルは、絶縁耐力が大きく、粘度が低く、引火点が高く、凝固点が低く、制御基板（１９）に対する影響が少なく、しかも電気的及び化学的に安定である。

本発明の電動機は、前記ケーシング（２１）の外部でかつ前記領域（Ｓ２）の近傍に設けられた放熱部材（２６）をさらに備えているのが好ましい。この構成では、ケーシング（２１）の外部でかつ前記領域（Ｓ２）の近傍に設けられた放熱部材（２６）をさらに備えているので、ケーシング（２１）内の熱を外部に放熱する効率をさらに高めることができる。

本発明の圧縮機は、上記の電動機（１１）を備えたものである。

本発明の空気調和機は、上記の圧縮機を備えたものである。

以上説明したように、本発明によれば、ケーシングの内面の少なくとも一部とパワー素子の表面の少なくとも一部の間の領域に絶縁性液体が充填されているので、絶縁性液体を熱媒体として、パワー素子から生じた熱がケーシングを通じて外部に放熱させる。このようにケーシングの内面とパワー素子の表面の間に絶縁性液体で満たされた領域を存在させることによって、基板本体上のパワー素子の配置場所に大きく左右されることなくパワー素子からケーシングまでの伝熱経路を形成することができる。これにより、パワー素子の設置場所の制約が少なくなり設計の自由度を高めることができる。また、熱媒体が液体であるので、絶縁性液体とパワー素子との接触面積を大きくすることができる。これにより、パワー素子から生じた熱の放熱性を高めることができる。しかも、絶縁性液体を用いているので、絶縁性液体をパワー素子の表面に接触させる構造としても絶縁性が損なわれない。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる電動機１１を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態にかかる電動機１１は、シャフト１３と、このシャフト１３に支持された回転子１５と、この回転子１５の周囲に配置された固定子１７と、回転子１５の駆動を制御する制御基板１９と、ケーシング２１とを備えている。

ケーシング２１は、開口部を有するケーシング本体１８と、前記開口部を開閉可能に塞ぐ蓋体２０とを備えている。このケーシング２１の内部は、隔壁２２によって回転子室Ｓ１と制御基板室Ｓ２とに区分されている。

回転子室Ｓ１には、シャフト１３の一部と、このシャフト１３に支持された回転子１５とが配置されている。制御基板室Ｓ２は、制御基板１９とケーシング本体１８と蓋体２０とにより囲まれた密閉空間である。

固定子１７は、ケーシング２１に支持された図略の固定子巻線および固定子コアを有し、回転子１５は、界磁磁石を有している。

制御基板１９は、図略の回路が形成され、中心部に貫通口２３ｃを有する円板状の基板本体２３と、接続端子２４により前記回路に電気的に接続されたパワー素子２５とを有している。基板本体２３は、その裏面２３ｂが隔壁２２に対面するように配置されている。パワー素子２５は、その一方の主面２５ａが基板本体２３の表面２３ａに対面するように配置され、他方の主面２５ｂおよび側面が制御基板室Ｓ２の空間に露出している。

この制御基板室Ｓ２には、絶縁性液体Ｌが充填されている。この絶縁性液体Ｌは、パワー素子２５の主面２５ｂおよび側面と接している。これにより、パワー素子２５から生じた熱が絶縁性液体Ｌ中を伝わってケーシング２１に達し、このケーシング２１から外部に放熱される熱伝導の経路が形成されている。絶縁性液体Ｌは、蓋体２０を開けることで制御基板室Ｓ２に注入または制御基板室Ｓ２から排出できる。

シャフト１３は、このシャフト１３の第１の端部１３ａ側に設けられた軸受け２７と第２の端部１３ｂ側に設けられた軸受け２９とにより回転可能に支持されている。軸受け２７は、ケーシング本体１８に支持され、軸受け２９は隔壁２２に支持されている。シャフト１３の第１の端部１３ａはケーシング２１の外部まで延設されている。第２の端部１３ｂは制御基板室Ｓ２内に配置されている。

図２は、シャフト１３の第２の端部１３ｂ側を示す斜視図である。図２に示すように、この第２の端部１３ｂには、絶縁性液体Ｌを撹拌するための羽根（撹拌手段）３１が取り付けられている。この羽根３１は、シャフト１３の回転軸を中心にして半径方向にそれぞれ伸びる矩形状の４枚の板部材からなる。電動機１１が駆動してシャフト１３が回転すると、羽根３１がシャフト１３の回転軸を中心に回転する。これにより、絶縁性液体Ｌは羽根３１により撹拌されて制御基板室Ｓ２内で流動する。

パワー素子２５が配設される場所は、制御基板室Ｓ２内であれば特に限定されるものではない。例えば、羽根３１の近傍は絶縁性液体Ｌの流速が他の部位よりも比較的高いので、パワー素子２５を羽根３１の近傍に配置することで、パワー素子２５の放熱効果をより高めることができる。また、図１に示す本実施形態の場合には、パワー素子２５がその一方の主面２５ａを基板本体２３の表面に接触させて配置されているので、後述する変形例（図３，４）と比較して、制御基板室Ｓ２の容積を小さくすることができる。

図３に示す変形例では、パワー素子２５は、接続端子２４により回路に電気的に接続され、パワー素子２５の主面２５ａ，２５ｂが基板本体２３に対して略垂直になるように配置されている。このようにパワー素子２５が基板本体２３から離隔して配置されているので、図１に示す構成と比較して、絶縁性液体Ｌと接触するパワー素子２５の表面積が大きくなる。これにより、パワー素子２５を冷却する効率がより高められる。

また、図３に示す変形例の場合、パワー素子２５の長手方向をシャフト１３の半径方向と略垂直に配置しているので、パワー素子２５が絶縁性液体Ｌの流れを乱す役割を果たす。その結果、絶縁性液体Ｌを撹拌する効果が高められる。他の部位については図１，２と同じ符号を付して説明を省略する。

図４に示す他の変形例では、パワー素子２５は、接続端子２４により回路に電気的に接続され、パワー素子２５の主面２５ａ，２５ｂが基板本体２３に対して略平行になるように配置されている。基板本体２３とパワー素子２５との間には支持部材３３を介在させ、パワー素子２５を基板本体２３から離隔している。このようにパワー素子２５が基板本体２３から離隔して配置されているので、図１に示す構成と比較して、絶縁性液体Ｌと接触するパワー素子２５の表面積が大きくなる。これにより、パワー素子２５を冷却する効率がより高められる。

また、本変形例では、パワー素子２５の主面２５ａ，２５ｂを基板本体２３に対して略平行にし、接続端子２４と支持部材２４によりパワー素子２５を支持しているので、図３に示す構成と比較してパワー素子２５の配置状態が安定する。支持部材３３は、パワー素子２５の表面の露出面積を大きくするために、パワー素子２５の主面２５ｂと接する部分の面積を小さくするのが好ましい。他の部位については図１，２と同じ符号を付して説明を省略する。

絶縁性液体Ｌとしては、絶縁油、不活性液体などを用いることができる。絶縁油は、絶縁耐力が大きい、粘度が低い、引火点が高い、凝固点が低い、機器を侵食しにくい、電気的、化学的に安定しているなどの特性を有しているのが好ましい。このような絶縁油としては例えばシリコンオイルなどを挙げることができる。不活性液体は、電気絶縁性に優れる、高温域から低温域にわたって多くの溶剤に溶解しにくい、 熱的化学的に安定である、金属、プラスチック、ゴムなどの構成材料が侵されにくい、不燃性、無毒、無臭で安全性が高い等の特徴を有しているのが好ましい。このような不活性液体としては例えばフッ素系液体が挙げられる。

絶縁性液体Ｌは磁性を有しているのが好ましい。回転子１５の界磁磁石が回転するとその磁石の磁力により絶縁性液体Ｌが撹拌される。絶縁性液体Ｌに磁性を付与するには、上記した絶縁性液体Ｌに磁性を有する金属微粒子を混合する方法が挙げられる。絶縁性液体Ｌには、液中で金属微粒子が凝集したり沈降したりすることなく安定した分散状態を保つために、必要に応じて界面活性剤を添加してもよい。磁性を有する金属としては、例えばマグネタイト、マンガン亜鉛フェライトなどの強磁性微粒子が挙げられる。

蓋体２０にはフィン（放熱部材）２６が形成されている。このフィン２６は、制御基板室Ｓ２の近傍に設けられているので、パワー素子２５から生じる熱は、絶縁性液体Ｌおよびケーシング２１を経由し、フィン２６に伝わって、そこから効率よく放熱される。また、制御基板室Ｓ２を囲むケーシング本体１８の内面１８ａおよび蓋体２０の内面２０ａに図略の凹凸が形成されていてもよい。具体的には、例えば蓋体２０の内面２０ａにフィンなどを設けてもよく、また、ケーシング本体１８の内面１８ａおよび蓋体２０の内面２０ａをブラスト処理するなどして粗面化してもよい。これにより、ケーシング本体１８および蓋体２０と絶縁性液体Ｌとの接触面積が大きくなるので熱伝導の効率がさらに高まる。

図５は本発明の一実施形態にかかる圧縮機１００を示す概略図である。この圧縮機１００は、冷媒などの流体を圧縮するための圧縮機構１０１と、この圧縮機構１０１を駆動する電動機１１とを備えている。この圧縮機１００において、図略の冷媒吸入口から圧縮機１００の内部に吸入された流体は、圧縮機構１０１によって圧縮され、図略の冷媒排出口から吐出される。

圧縮機構１０１としては、例えばスクロールタイプ、スイングタイプ、ロータリータイプ、往復動タイプなどの種々のタイプが挙げられる。圧縮機構１０１は電動機１１のシャフト１３によって駆動する。

この圧縮機１００は、例えば空気調和機用の室外機（図示省略）などに搭載される。この室外機と室内機で空気調和機が構成される。

以上説明したように、電動機１１の駆動中にパワー素子２５から生じる熱は、パワー素子２５の表面から絶縁性液体Ｌに伝導し、さらにケーシング２１を通じて外部に放散される。特に、上記実施形態では、電動機１１の駆動中は、シャフト１３に取り付けられた羽根３１によって絶縁性液体Ｌが撹拌され、しかも回転子１５の磁力によって絶縁性液体Ｌが撹拌されるので、パワー素子２５から生じる熱を外部に放熱する効果が高められている。

また、上記実施形態では、基板本体２３に配設された回路、パワー素子２５などの電子部品が絶縁性液体Ｌで覆われた状態になっているので、これらの回路や電子部品が短絡したり、腐食したりするのを抑制できる。

なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、パワー素子だけでなく基板本体も絶縁性液体と接触している形態を例に挙げて説明したが、本発明の電動機では、ケーシングの内面の少なくとも一部とパワー素子の表面の少なくとも一部の間の領域に絶縁性液体が充填されたものであればよい。したがって、例えば基板本体が樹脂などで被覆されて制御基板室に基板本体の表面が露出しておらず、制御基板室にはパワー素子の表面のみが露出しているような形態であってもよい。

また、制御基板室を囲むケーシングの内面およびパワー素子の表面は、制御基板室に必ずしも露出していなくてもよい。具体的には、例えばケーシングの内面やパワー素子の表面にめっきなどが施されていてもよい。

上記実施形態では、絶縁性液体を撹拌するための羽根がシャフトの一端に設けられた形態を例に挙げて説明したが、羽根はシャフトの側面に取り付けられていてもよい。また、シャフトの一端には必ずしも羽根が設けられていなくてもよい。すなわち、シャフトの一端が制御基板室に配置されていれば、シャフトの回転によって絶縁性液体を撹拌する効果が得られる。

また、上記実施形態では、撹拌手段として、シャフトの回転軸を中心にして半径方向にそれぞれ伸びる矩形状の４枚の板部材からなる羽根を用いた場合を例に挙げて説明したが、撹拌手段の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、絶縁性液体を撹拌できるものであれば種々の形態を採用可能である。具体的には、例えば撹拌手段としては、シャフトの先端や側面に取り付けられたＬ字状の板部材、シャフトの先端や側面から突出した突起、シャフトの先端面や側面に形成された溝などが例示できる。

上記実施形態では、フィンがケーシングの蓋体と一体である場合を例に挙げて説明したが、フィンは、ケーシングとは別体であってもよい。

本発明の一実施形態にかかる電動機を示す断面図である。 図１に示す電動機におけるシャフトの一端側を拡大した斜視図である。 制御基板室におけるパワー素子の配置の変形例を示す断面図である。 制御基板室におけるパワー素子の配置の他の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかる圧縮機を示す概略図である。

符号の説明

１１ 電動機
１３ シャフト
１５ 回転子
１７ 固定子
１８ ケーシング本体
１９ 制御基板
２０ 蓋体
２１ ケーシング
２２ 隔壁
２３ 基板本体
２４ 接続端子
２５ パワー素子
２７，２９ 軸受け
３１ 羽根
３３ 支持部材
Ｌ 絶縁性液体
Ｓ１ 回転子室
Ｓ２ 制御基板室

Claims (11)

1. 回転子（１５）と、
   固定子（１７）と、
   回路が形成された基板本体（２３）と前記回路に電気的に接続されたパワー素子（２５）とを含み、前記回転子（１５）の駆動を制御する制御基板（１９）と、
   前記回転子（１５）、固定子（１７）及び制御基板（１９）を収容するケーシング（２１）と、を備え、
   前記ケーシング（２１）の内面の少なくとも一部と前記パワー素子（２５）の表面の少なくとも一部の間の領域（Ｓ２）に絶縁性液体（Ｌ）が充填された電動機。
2. 前記パワー素子（２５）は、接続端子により前記回路に電気的に接続され、前記基板本体（２３）から離隔して配置されている、請求項１に記載の電動機。
3. 前記基板本体（２３）と前記パワー素子（２５）との間には支持部材（３３）が介在している、請求項２に記載の電動機。
4. 前記回転子（１５）を支持するシャフト（１３）をさらに備え、前記シャフト（１３）の一端側の少なくとも一部が前記領域（Ｓ２）に配置されている、請求項１に記載の電動機。
5. 前記領域（Ｓ２）に配置された前記シャフト（１３）の一端側には撹拌手段（３１）が設けられている、請求項４に記載の電動機。
6. 前記撹拌手段（３１）が羽根（３１）である、請求項５に記載の電動機。
7. 前記絶縁性液体（Ｌ）が磁性を有している、請求項１に記載の電動機。
8. 前記絶縁性液体（Ｌ）がシリコンオイルである、請求項１に記載の電動機。
9. 前記ケーシング（２１）の外部でかつ前記領域（Ｓ２）の近傍に設けられた放熱部材（２６）をさらに備える、請求項１に記載の電動機。
10. 請求項１に記載の電動機（１１）を備えた圧縮機。
11. 請求項１０に記載の圧縮機を備えた空気調和機。

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