JP2012074440A - 発熱素子の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に組み付けることができ、放熱性にも優れた放熱構造等を提供する。
【解決手段】円筒状の周壁部材１１の内側に配置される基板５と、基板５に接続端子８２を介して取り付けられ、その周辺部に並ぶ複数のＥＦＴ８と、周壁部材１１に嵌め込まれる円環状の放熱用のスペーサ７とを含んで構成される放熱構造である。スペーサ７は、周壁部材１１に中間嵌めか隙間嵌めされる漏出規制部７１と、周壁部材１１に隙間嵌めされる放熱部７２とを有している。ＦＥＴ８は、スペーサ７の内側に取り付けられる。放熱部７２の外周面には、先端から漏出規制部７１に向かって延びる複数の注入溝７７が設けられている。周壁部材１１と放熱部７２との間の隙間７４には、熱伝導性素材１００が注入される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主にモータに用いられる発熱素子の放熱構造に関する。

モータには、制御基板や出力基板を備えた機種がある。これら基板には、発熱量の多いＦＥＴ等の発熱素子が複数設けられている場合が多い。そのため、そのようなモータでは、発熱素子の熱を効果的に放熱できる放熱構造が求められている。

発熱素子は、一般に矩形ブロック形状をしており、基板の表面に寝かした状態で取り付けるタイプ（横置き型）や、基板の表面に立てた状態で取り付けるタイプ（縦置き型）などがある。

モータの場合、スペースの関係上、縦置き型の発熱素子がよく用いられている。通常、モータのケースは円筒形状をしているため、例えば、その内部にブロック状の放熱部を形成したり、別途ヒートシンクを取り付けたりすることによって平坦な支持面が形成されている。そして、そこに絶縁シートを貼り付けた発熱素子が配置され、押さえ板等をねじ止めすることにより発熱素子を押さえ付けている。

縦置き型の発熱素子に関しては、ＡＣアダプタにおいて、クリップを利用してヒートシンクにスイッチングレギュレータ（発熱素子）を取り付けた放熱構造が開示されている（特許文献１）。そのＡＣアダプタでは、金属板を折り曲げて形成したヒートシンク本体に、シリコンシートを介してスイッチングレギュレータが当接されている。そして、そのスイッチングレギュレータとヒートシンク本体を断面コ字状のクリップで挟み付け、密着させている。

横置き型の発熱素子ではあるが、ＩＧＢＴ（発熱素子）等で構成されたパワーモジュールの組み付け構造が開示されている（特許文献２）。そのパワーモジュールは、熱伝導性のグリスを介してインバータケースに組み付けられている。パワーモジュールとインバータケースとの密着性を高めるために、これらの接合面のそれぞれに、互いに交差する一群の凹溝を形成し、これら凹溝を利用してグリスを注入している。

特開２００９−２５２８１０号公報 特開２００５−１０１２５９号公報

上述したように、モータの場合、ケースに平坦面が多くある他の装置と比べて放熱構造が複雑になり易い。加えて、発熱素子が設けられている基板もケースにねじ止めされている場合が多いことから、これらの組み付け作業に時間を要し、面倒な作業となっていた。

そこで、本発明の目的は、容易に組み付けることができ、放熱性にも優れた放熱構造等を提供することにある。

本発明の放熱構造は、内部が円筒状のケース部材と、前記ケース部材の内側に配置される基板と、前記基板上にピンを介して取り付けられ、前記基板の周辺部に並ぶ複数の発熱素子と、前記ケース部材に嵌め込まれる円環状又は円弧状をした放熱用のスペーサとを含んで構成されている。

前記スペーサは、前記ケース部材に中間嵌め又は隙間嵌めされる漏出規制部と、前記漏出規制部に連続して設けられ、前記漏出規制部よりも直径が小さく形成されて前記ケース部材に隙間嵌めされる放熱部とを有している。前記複数の発熱素子のそれぞれは、前記スペーサの内側に取り付けられている。前記放熱部の外周面には、先端から前記漏出規制部に向かって延びる複数の溝が設けられている。そして、前記ケース部材と前記放熱部との間に、熱伝導性素材が注入されている。

このような構造の放熱構造によれば、スペーサのほとんどがケース部材の内径よりも小さく形成されているので、例えば焼き嵌め等することにより、スペーサに余計な負荷を与えることなくケース部材に容易に入れ込むことができる。

スペーサにケース部材に中間嵌めか隙間嵌めされる漏出規制部が設けられているので、ねじ止め等しなくとも、スペーサをケース部材に嵌め込むだけで容易にケース部材に支持させることができる。

ケース部材に隙間嵌めされ、ケース部材との間に隙間が形成される放熱部の外周面には、先端部から漏出規制部に向かって延びる複数の溝が設けられているので、ケース部材と放熱部との間の隙間に熱伝導性素材を注入する際、溝に注入することで、容易にケース部材と放熱部との間に行き渡らせることができる。漏出規制部により、注入される熱伝導性素材の漏れ出しを防ぐことができる。

スペーサの内側には発熱素子が取り付けられ、そのスペーサは、熱伝導性素材の薄層を介してケース部材と一体化しているので、発熱素子の熱を効果的にケース部材に放熱することができる。しかも、基板は、複数の発熱素子を介してスペーサと一体化されるので、ケース部材にねじ止めしなくてもケース部材に支持することができる。

更には、スペーサの前記溝は、前記発熱素子との密着部位を避けて設けるのが好ましい。

そうすれば、発熱素子とケース部材とが対向する部分では、常に薄い熱伝導性素材の層のみが介在することになるため、発熱素子の熱を効率的に放熱させることができる。

具体的には、前記溝のピッチは２０〜３０ｍｍに設定するのが好ましい。

そうすれば、ケース部材と放熱部との隙間に熱伝導性素材を安定して行き渡らせることができる。

放熱構造は、例えば、クリップを用いて構成することができる。具体的には、前記漏出規制部及び前記放熱部の内側には、平らな放熱面が複数形成されている。前記放熱部の先端部分に連続して支持壁部が設けられている。前記支持壁部の内側には、前記放熱面に連続する支持面が複数形成されている。前記発熱素子は、前記放熱面及び前記支持面に密着するように取り付けられている。そして、互いに前記支持面を介して密着している前記発熱素子の一部と前記支持壁部とが、クリップで挟むことにより固定されている。

そうすれば、よりいっそう容易に放熱構造を形成することができ、生産性に優れる。

特に、この放熱構造はモータに適している。具体的には、上述した放熱構造を備えたモータは、前記ケース部材の内部に固定される円筒状のステータを備える。そして、前記基板が前記ステータに支持されている。

このような構成のモータによれば、ねじ止め等をしなくても基板や発熱素子をステータとともにケース部材に組み付けることができるので、生産性に優れる。

以上説明したように、本発明によれば、容易に組み付けることができ、放熱性にも優れた放熱構造等を提供することができる。

本発明を適用したモータを示す概略図である。一部は断面で表してある。 スペーサの組み付けを説明するための概略斜視図である。 モータの組み付けを説明するための概略図である。 モータの要部を示す概略断面図である。 図４におけるＶ−Ｖ線での概略断面図である。 モータの要部の概略を示す部分拡大図である。 導電性素材の注入過程を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

図１に、本発明を適用したモータの一例を示す。このモータには、シャフト１やモータケース２、ロータ３、ステータ４、出力基板５、制御基板６、スペーサ７などが備えられている。

モータケース２は、内部が円筒状の周壁部材１１（ケース部材）と、周壁部材１１の一方の開口を塞ぐ第１端蓋部材１２と、他方の開口を塞ぐ第２端蓋部材１３とで構成されている。周壁部材１１、第１端蓋部材１２、第２端蓋部材１３は、いずれも金属製である。第１端蓋部材１２の中央には、軸孔１２ａが開口している。第１端蓋部材１２及び第２端蓋部材１３の内側には、それぞれベアリング１４が取り付けられている。これらベアリング１４，１４を介してシャフト１が回転自在に支持されている。そして、シャフト１の先端部分は、軸孔１２ａからモータケース２の外側に突出している。

ロータ３は、中心に貫通孔が形成された円筒状の部材であり、シャフト１の第１端蓋部材１２寄りの部分に固定されている。ロータ３の外周部分には、複数の磁石３１が設けられている。ロータ３と僅かな隙間を隔てて円筒状のステータ４が配置されている。

ステータ４は、ステータコア４１やインシュレータ４２、複数のコイル４３などで構成された複合部材である。ステータコア４１は、複数の金属板を積層して形成されており、放射状に配置された複数のティース部（図示せず）を有している。ステータコア４１の外径は周壁部材１１の内径よりも僅かに大きく形成されている。これらティース部のそれぞれは絶縁性のインシュレータ４２で被覆されていて、各ティース部にインシュレータ４２を介して導電線を巻き付けることにより、複数のコイル４３が形成されている。

インシュレータ４２には、複数の支持ピン４４が設けられている。詳しくは、図２に示すように、各支持ピン４４は、ステータ４の一方の端部に露出するインシュレータ４２の外周部分に設けられている。各支持ピン４４は、ステータ４の周方向の複数ヶ所に均等に配置されている。そして、これら支持ピン４４に出力基板５が取り付けられている。支持ピン４４への取り付けにより、出力基板５は位置決めされる。

出力基板５は、中央にシャフト１が挿入される開口５１が形成された円環状の基板であり、周壁部材１１の中心線に略直交して周壁部材１１の内側に配置されている。出力基板５は、モータケース２との間に隙間が形成されるように、周壁部材１１の内径よりもその外径は小さく形成されている。出力基板５には、ＦＥＴ８や電源ＩＣ（発熱素子）等の電子部品が実装されている。本実施形態では、６個のＦＥＴ８と１個の電源ＩＣが実装されていて、これらは出力基板５の周辺部に周方向に並ぶように配置されている（図４参照）。なお、電源ＩＣとＦＥＴ８とでは用途は異なるが、いずれも発熱量の多い素子であり、形状もほぼ同じである（両者を併せてＦＥＴ８等ともいう）。

各ＦＥＴ８は、既存の縦置きタイプのＦＥＴであり、矩形ブロック状の素子本体８１と、素子本体８１の一方の端部から突出する３本の接続端子８２（ピン）とを有している。素子本体８１は、素子ブロック８１ａと放熱板８１ｂとを重ね合わせて形成されている（図５参照）。放熱板８１ｂは素子ブロック８１ａよりも長寸に形成されていて、素子本体８１の他方の端部において放熱板８１ｂが素子ブロック８１ａから相対的に突出している。

各ＦＥＴ８は、接続端子８２を介して出力基板５に対して略直交して延びるように出力基板５に取り付けられている。接続端子８２は出力基板５の所定部位に電気的に接続されている。電源ＩＣもＦＥＴ８と同様である。そして、ＦＥＴ８等は、本実施形態では、クリップ９を用いてスペーサ７と一体に組み付けられている。

スペーサ７は、ＦＥＴ８等で発生する熱をモータケース２に放熱させる機能と、出力基板５等を支持する機能とを有している。すなわち、スペーサ７は、モータケース２等と協働してＦＥＴ８等の熱を放出する放熱構造を構成している。本実施形態のスペーサ７は、熱伝導性に優れたアルミニウム等の金属を用いてダイキャスト製法により円弧（優弧）形状に形成されている。スペーサ７には、漏出規制部７１や、漏出規制部７１に連続して設けられる放熱部７２、放熱部７２の先端部分に連続して設けられる支持壁部７３が備えられている。

漏出規制部７１は、スペーサ７の下側の縁に沿って延びる細長い帯状に形成されている。漏出規制部７１は、周壁部材１１の内径と同一又は僅かに小さな外形を有しており、周壁部材１１に中間嵌め又は隙間嵌めされる。放熱部７２は、漏出規制部７１より小径に形成されており、周壁部材１１との間に小さな隙間７４が形成されるように隙間嵌めされる。放熱部７２の外周面には複数の注入溝７７が設けられているが、これについては別途後述する。

支持壁部７３は、スペーサ７の外郭線に内接する断面多角形状に形成されており、本実施形態では、スペーサ７の周方向に屈曲して連なる５つの矩形の要素壁部７３ａを有している。支持壁部７３に対応して、スペーサ７の半径方向内側は断面多角形状に形成されている。具体的には、漏出規制部７１や放熱部７２の半径方向内側には平らな放熱面７５が形成さている。そして、これら放熱面７５と面一に連続して、各要素壁部７３ａの半径方向内側にも平らな支持面７６が形成されている。

クリップ９は、鋼板をプレス加工して形成された断面略Ｕ字状の弾性部材である。クリップ９は、基部９１と、基部９１に連続して設けられ、互いに対向する一対の挟持片９２，９２とを有している。

ＦＥＴ８等は、クリップ９の挟持片９２で挟み込むことによってスペーサ７に取り付けられている（図５参照）。具体的には、各放熱板８１ｂは、絶縁性の薄膜部材８３（絶縁フィルム）を介して各要素壁部７３ａの放熱面７５及び支持面７６と間接的に密着するように取り付けられている。そして、互いに支持面７６を介して密着しているＦＥＴ８等の一部（突出する放熱板８１ｂの部分）と要素壁部７３ａとが、クリップ９で挟むことにより固定されている。クリップ９が邪魔にならないように、周壁部材１１と要素壁部７３ａとの間には空間（受入空間８４）が設けられている。

ＦＥＴ８等をクリップ９で挟み込むことで、簡単にＦＥＴ８等をスペーサ７に取り付けることができ、簡単に出力基板５とスペーサ７とを一体化できる。更に、出力基板５はステータ４と一体化されているので、図３に示すように、ステータ４、スペーサ７、出力基板５は一体化することができる。

一体化されたステータ４等は、同図に示すように、まとめて周壁部材１１に嵌め込まれる。具体的には、周壁部材１１を高温にして膨張させ、ステータコア４１の外径よりも十分に内径を大きくした状態で、ステータ４等を周壁部材１１に嵌め入れる（焼き嵌め）。周壁部材１１が冷えて元の状態に戻ると、ステータコア４１は周壁部材１１に圧着して締まり嵌めされる。一方、スペーサ７は、その漏出規制部７１が中間嵌めか隙間嵌めされ、その放熱部７２が隙間嵌めされる。

出力基板５は、ステータ４とスペーサ７とを介して周壁部材１１に支持されるので、ねじ止め等することなくモータケース２にしっかりと固定できる。ステータコア４１の外径はスペーサ７の外径よりも大きいので、嵌め入れる際にはスペーサ７と周壁部材１１との接触を防ぐことができる。なお、ステータ４等の上から周壁部材１１を嵌め入れてもよい。

モータケース２内に装着されたスペーサ７の放熱部７２と周壁部材１１との間には、小さな隙間７４が存在する。ＦＥＴ８等の放熱性を高めるために、この隙間７４に熱伝導性素材１００が注入され、薄膜状の伝熱層が形成されている。

本実施形態では、熱伝導性素材１００にシリコン系の接着材が用いられている。熱伝導性素材１００は、少なくとも注入時に流動性を有する素材であればよく、例えば、硬化性の液状又はゲル状の樹脂や、グリースなどであってもよい。特に、硬化前は液状を呈する接着材が好適である。注入時には、安定して隙間７４に充填することができ、硬化後には、モータケース２に対するスペーサ７の固定を強化できるからである。

更に、スペーサ７には、隙間７４に接着材１００が行き渡るように複数の注入溝７７が設けられている。

図２や図６に示すように、注入溝７７は、放熱部７２の外周面に設けられていて、放熱部７２の先端から漏出規制部７１に向かって延びている。注入溝７７の漏出規制部７１側の一方の端部は塞がれていて、他方の端部及び外周面側は開放されている。

各注入溝７７は、ＦＥＴ８等との密着部位を避けた部位、具体的には、互いに隣接する２つの要素壁部７３ａの接続部分の近傍に設けられている。従って、対向するＦＥＴ８等と周壁部材１１との間には、常に薄膜状の伝熱層が形成されることとなるため、ＦＥＴ８等の熱を効率的に放熱させることができる。

図７に示すように、注入溝７７のピッチＰは２０〜３０ｍｍに設定するのが好ましい。そうすれば、隙間７４に隈無く接着材１００を行き渡らせることができる。

漏出規制部７１を下側にして、各注入溝７７から接着材１００を注入する。そうすると、接着材１００は注入溝７７の奥底に入り込む。接着材１００の漏れ出しは漏出規制部７１によって規制される。接着材１００は、同図に矢印や仮想線で示すように、注入溝７７の両側から毛細管作用等により隙間７４に吸い込まれて漏出規制部７１側から次第に拡がっていく。従って、隙間７４に接着材１００を広く行き渡らせることができる。

このように構成された放熱構造によれば、ＦＥＴ８等の熱は、放熱板８１ｂから薄膜部材８３を介してスペーサ７の放熱部７２や支持壁部７３、漏出規制部７１に伝わり、更に、接着材１００を通じてモータケース２に伝わって外気に放熱される。

なお、本発明にかかる放熱構造等は、前記の実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、上述した実施形態のモータでは、１つのモータケース２内にステータ４と出力基板５とが配置されているが、ステータ４を収容する部分と出力基板５を収容する部分とが別々に構成されていてもよい。基板は出力基板５に限らない。スペーサ７の形状は円環形状であってもよい。

例えば、スペーサ７やＦＥＴ８等が絶縁性を有する場合などは、薄膜部材８３を介さずにＦＥＴ８等をスペーサ７に直接取り付けてあってもよい。スペーサ７へのＦＥＴ８等の取り付けは、クリップ９に限らず、両面テープなどで接着してもよい。モータケースは樹脂製であってもよい。

ステータに対する基板の支持は支持ピンに限らない。例えば、インシュレータに基板を支持する支持構造（基板の嵌め込みが可能な凹部など）を一体に形成したり、ステータに支持具を装着して、その支持具で基板を支持してもよい。

１ シャフト
２ モータケース
３ ロータ
４ ステータ
５ 出力基板
７ スペーサ
８ ＦＥＴ、電源ＩＣ（発熱素子）
９ クリップ
１１ 周壁部材（ケース部材）
４４ 支持ピン
７１ 漏出規制部
７２ 放熱部
７３ 支持壁部
７４ 隙間
７５ 放熱面
７６ 支持面
７７ 注入溝
８１ 素子本体
８２ 接続端子
８３ 薄膜部材
８４ 受入空間
１００ 接着材（熱伝導性素材）

Claims (5)

1. 内部が円筒状のケース部材と、
   前記ケース部材の内側に配置される基板と、
   前記基板上にピンを介して取り付けられ、前記基板の周辺部に並ぶ複数の発熱素子と、
   前記ケース部材に嵌め込まれる円環状又は円弧状をした放熱用のスペーサと、
   を含んで構成される放熱構造であって、
   前記スペーサは、
   前記ケース部材に中間嵌め又は隙間嵌めされる漏出規制部と、
   前記漏出規制部に連続して設けられ、前記漏出規制部よりも直径が小さく形成されて前記ケース部材に隙間嵌めされる放熱部と、
   を有し、
   前記複数の発熱素子のそれぞれは、前記スペーサの内側に取り付けられ、
   前記放熱部の外周面には、先端から前記漏出規制部に向かって延びる複数の溝が設けられ、
   前記ケース部材と前記放熱部との間に、熱伝導性素材が注入されている放熱構造。
2. 請求項１に記載の放熱構造において、
   前記溝は、前記発熱素子との密着部位を避けて設けられている放熱構造。
3. 請求項２に記載の放熱構造において、
   前記溝のピッチが２０〜３０ｍｍに設定されている放熱構造。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の放熱構造において、
   前記漏出規制部及び前記放熱部の内側には、平らな放熱面が複数形成され、
   前記放熱部の先端部分に連続して支持壁部が設けられ、
   前記支持壁部の内側には、前記放熱面に連続する支持面が複数形成され、
   前記発熱素子は、前記放熱面及び前記支持面に密着するように取り付けられ、
   互いに前記支持面を介して密着している前記発熱素子の一部と前記支持壁部とが、クリップで挟むことにより固定されている放熱構造。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の放熱構造を備えたモータであって、
   前記ケース部材の内部に固定される円筒状のステータを備え、
   前記基板が前記ステータに支持されているモータ。

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