JP2020045895A - 電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の耐久性を向上させる。【解決手段】一つの基板２１には、スイッチング素子２２及びコンデンサ２３が実装される。基板２１は、インバータ収容部１２に収容され、外周縁のうち予め定めた複数の固定点がネジ止めによって固定される。インバータ収容部１２の底面２５と基板２１との間には、緩衝材２６が挟み込まれ、緩衝材２６は、基板２１のうち固定点よりも内側の領域で均等に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、電動圧縮機に関するものである。

特許文献１では、電動圧縮機のインバータ収容部内において、パワー基板を複数の固定座面にネジ止め固定することを提案している。

特開２００９−１１４９６１号公報

基板のうち、主にスイッチング素子を設けた部位では、基板と筐体との間にシート状の緩衝材を介在させ、放熱性と防振性を高めることが考えられる。しかしながら、緩衝材の配置に偏りがある場合、ネジ止め固定したときに、基板における固定点と緩衝材の部位に応力が集中し、局所的な歪みを招くことで基板、基板上に配置されたデバイス、及びデバイスを固定するための半田の耐久性に影響を与える可能性がある。
本発明の課題は、基板、基板上に配置されたデバイス、及びデバイスを固定するための半田の耐久性を向上させることである。

本発明の一態様に係る電動圧縮機は、
圧縮機に内蔵された電動モータを駆動制御するために設けられ、スイッチング素子及びコンデンサが実装された一つの基板と、
圧縮機と一体的に形成されており、基板が収容されると共に、基板における外周縁のうち予め定めた複数の固定点がネジ止めによって固定される筐体と、
基板と筐体との間に挟み込まれ、基板のうち固定点よりも内側の領域で均等に配置された緩衝材と、を備える。

本発明によれば、基板のうち固定点よりも内側の領域に、緩衝材を均等に配置しているので、ネジ止め固定したときに応力の集中を緩和することができる。したがって、局所的な歪みを抑制し、基板、基板上に配置されたデバイス、及びデバイスを固定するための半田の耐久性を向上させることができる。

圧縮機の外観図である。 基板の外観図である。 緩衝材の配置図である。 基板の断面図である。 基板に生じる歪みを模式的に示す図である。 コンデンサを別の基板に設けた比較例を示す図である。 コンデンサを共通の基板に設けた実施例を示す図である。 コンデンサの外観図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

《一実施形態》
《構成》
図１は、圧縮機の外観図である。
圧縮機１１（電動圧縮機）は、例えばカーエアコンの冷媒回路で用いられる電動型のスクロール圧縮機である。すなわち、車両に搭載され、内蔵した電動モータによって駆動されるときに、冷媒を吸入し、圧縮してから排出する。
軸方向の前側には、インバータ収容部１２（筐体）が一体的に形成されており、フロントカバー１３によって封止されている。インバータ収容部１２の外壁には、低電圧回路のコネクタ１４と、高電圧回路のコネクタ１５と、が設けられている。

図２は、基板の外観図である。
インバータ収容部１２の内部には、電動モータを駆動制御するためのインバータが形成された基板２１が収容されている。基板２１の板厚は、例えば１.６〜１.８ｍｍ程度である。電源は直流であり、電動モータは三相交流である。基板２１には、少なくとも複数のスイッチング素子２２と、複数のコンデンサ２３と、が実装されている。スイッチング素子２２は、直流を交流に変換するインバータ回路を構成し、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。コンデンサ２３は、電源ラインに対して並列に接続された平滑・フィルタ回路を構成し、例えばアルミ固体電解コンデンサである。

基板２１の面方向には、長手方向及び短手方向がある。スイッチング素子２２は、長手方向の一方側に配置されており、上アームと下アームとで二列に分かれた状態で、長手方向に沿って三相分のスイッチング素子２２が並べられている。コンデンサ２３は、長手方向の他方側に配置されている。
基板２１には、外周縁のうち予め定めた複数の位置に、ネジ止め用の穴２４が形成されている。基板２１は、各穴２４がネジ止め固定されることにより、インバータ収容部１２に固定される。

図３は、緩衝材の配置図である。
図中の（ａ）は、インバータ収容部１２の底面２５にネジ止め固定された基板２１を側方から見た図である。底面２５と基板２１との間には、シート状の緩衝材２６ａ〜２６ｃが圧縮された状態で挟み込まれている。ここでは、分かりやすくするために、緩衝材２６ａ〜２６ｃの厚さを便宜的に大きく描いている。緩衝材２６ａ〜２６ｃは、高い熱伝導率を有するゲルによって成形されている。各緩衝材２６ａ〜２６ｃには、挟み込む部位の基板２１の剛性に応じて、反発力の異なるものを選定することが望ましい。なお、各緩衝材２６ａ〜２６ｃを識別する必要がない場合は、単に緩衝材２６として説明する。

図中の（ｂ）は基板２１の裏面を示している。緩衝材２６ａ〜２６ｃは、基板２１のうち固定点となる各穴２４よりも内側の領域で均等に配置されている。まず、スイッチング素子２２が実装された領域の裏面に、緩衝材２６ａが配置されている。緩衝材２６ａは、二列分のスイッチング素子２２に対応して二枚分ある。また、コンデンサ２３が実装された領域の裏面に、緩衝材２６ｂが配置されている。緩衝材２６ｃは、スイッチング素子２２及びコンデンサ２３が実装されていない領域の裏面に配置されている。具体的には、スイッチング素子２２が実装された領域とコンデンサ２３が実装された領域との間である長手方向の中央に配置されている。

図４は、基板の断面図である。
基板２１には、スイッチング素子２２が実装された領域とコンデンサ２３が実装された領域との間に、電源ラインのパターン２７が形成されている。パターン２７は、銅箔等の導電体によって形成されており、露出することがないように、両面が絶縁体やソルダーレジストによって覆われている。パターン２７は、モータ駆動時に大電流が流れるため、発熱する。緩衝材２６ｃは、パターン２７が形成された領域に配置されており、放熱シートとしても機能する。

《作用》
次に、一実施形態の主要な作用効果について説明する。
緩衝材２６の配置に偏りがある場合、ネジ止め固定したときに、基板２１における固定点と緩衝材２６の部位に応力が集中し、局所的な歪みを招くことで基板２１、基板２１上に配置されたデバイス、及びデバイスを固定するための半田の耐久性に影響を与える可能性がある。
そこで、基板２１のうち固定点よりも内側の領域に、緩衝材２６を均等に配置した。これにより、ネジ止め固定したときに応力の集中を緩和することができる。したがって、局所的な歪みを抑制し、基板２１、基板２１上に配置されたデバイス、及びデバイスを固定するための半田の耐久性を向上させることができる。

図５は、基板に生じる歪みを模式的に示す図である。
図中の（ａ）は緩衝材２６の配置に偏りがある場合を示す。緩衝材２６の配置に偏りがある場合、基板２１のうち緩衝材２６が配置された部位だけが盛り上がり、局所的な歪みが生じてしまう。特に、基板２１は板厚を薄くしてあり、しかも一枚の基板２１に、スイッチング素子２２とコンデンサ２３とを集約した分、表面積が大きくなっている。そのため、基板２１の剛性が低下し、局所的な歪みが生じやすい。
図中の（ｂ）は緩衝材２６の配置に偏りがない場合を示す。緩衝材２６を均等に配置した場合、局所的な歪みが抑制され、変形をなだらかにすることができる。

圧縮機１１を駆動すると、電源ラインのパターン２７に大電流が流れ、基板２１が発熱するため、この温度上昇を抑制するために、従来は厚銅基板が採用されてきた。例えば厚銅６層基板は、パターン材料も高価であり、生産できるサプライヤも限られているため、コストの増大を招いていた。そこで、電源ラインのパターン２７を薄くした。この場合、断面積が減少することで発熱しやすくなるが、パターン２７が形成された領域には、緩衝材２６ｃを設けている。緩衝材２６ｃは、放熱シートとして機能するので、筐体であるインバータ収容部１２の底面２５から熱を逃がし、冷却することができる。

また、パターン２７自体の発熱だけではなく、スイッチング素子２２やコンデンサ２３からの熱も吸熱し、放熱することができる。したがって、基板２１全体の発熱を抑制し、耐久性を向上させることができる。また、パターン２７を薄くしたことで、コストの増大を抑制できる。また、基板２１の板厚も縮小できるので、レイアウトの汎用性が向上し、小型化にもつながる。従来の厚銅基板は板厚が３.７ｍｍであったが、本実施形態の基板２１は板厚が１.６〜１.８ｍｍ程度である。また、基板２１の板厚を縮小できることで、厚さ方向のサーマルビアの熱抵抗も抑制でき、実装部品の熱を効果的に逃がすことができる。

従来、スイッチング素子２２を実装した基板と、コンデンサ２３を実装した基板とを分離し、双方をバスバーによって接続したものがあった。
図６は、コンデンサを別の基板に設けた比較例を示す図である。
図中の（ａ）はインバータ３１の斜視図であり、図中の（ｂ）はインバータ３１の側面図である。インバータ３１は、スイッチング素子が実装された基板３２と、コンデンサが実装された基板３３と、バスバー３４と、を備える。バスバー３４を用いることで、大電流によってコンデンサが発熱することを抑制できるが、コストの増大を招いていた。
本実施形態では、一枚の基板２１にスイッチング素子２２及びコンデンサ２３の双方を集約したことで、バスバー３４を廃止できる。これにより、コストの増大を抑制でき、部品点数も削減できる。緩衝材２６ｂは、放熱シートして機能するので、筐体であるインバータ収容部１２の底面２５から熱を逃がし、コンデンサ２３を冷却することができる。

図６の（ｂ）では、電流経路を太い実線矢印で示している。スイッチング素子が実装された基板３２と、コンデンサが実装された基板３３とを分離した場合、電流経路が長くなることでインダクタンスが増加してしまう。そのため、ＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility）対策として、コモンモードコイル３５を設ける必要があった。
図７は、コンデンサを共通の基板に設けた実施例を示す図である。
図中の（ａ）はインバータ４１の斜視図であり、図中の（ｂ）はインバータ４１の側面図である。図中の（ｂ）では、電流経路を太い実線矢印で示している。一枚の基板２１にスイッチング素子２２及びコンデンサ２３の双方を実装した場合、電流経路が短くなり、インダクタンスが低下するので、ＥＭＣ性能が向上する。そのため、コモンモードコイル３５を省略でき、部品点数を削減できる。

図８は、コンデンサの外観図である。
図中の（ａ）は比較例のコンデンサ３６を示す。コンデンサ３６は、例えばアルミ電解コンデンサであり、高さは２６ｍｍ程度である。高さをＬとし、加振力Ｆが入力された場合、モーメントＭは、下記の式で表される。
Ｍ＝Ｆ×Ｌ
図中の（ｂ）は実施例のコンデンサ２３を示す。コンデンサ２３は、例えばアルミ固体電解コンデンサであり、高さは１０.８ｍｍ程度である。したがって、高さはＬ／２.４となるため、加振力Ｆが入力された場合、モーメントＭは、下記の式で表される。
Ｍ＝Ｆ×Ｌ／２.４

上記の式から明らかなように、比較例となるコンデンサ３６を採用した場合、加振力Ｆの入力に対して大きなモーメントＭが作用する。図６では、コンデンサ３６（図示省略）を収容すると共に、樹脂を注型したフィルタケース３７を基板３３に設け、耐振対策を施している。
一方、本実施形態では、コンデンサ２３として、アルミ固体電解コンデンサを採用している。これにより、高さはＬ／２.４まで低くなり、加振力に対する耐振性が大幅に向上する。したがって、樹脂を注型するようなフィルタケース３７を省略でき、部品点数を削減できる。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１１…圧縮機、１２…インバータ収容部、１３…フロントカバー、１４…コネクタ、１５…コネクタ、２１…基板、２２…スイッチング素子、２３…コンデンサ、２４…穴、２５…底面、２６…緩衝材、２６ａ〜２６ｃ…緩衝材、２７…パターン、３１…インバータ、３２…基板、３３…基板、３４…バスバー、３５…コモンモードコイル、３６…コンデンサ、３７…フィルタケース、４１…インバータ

Claims (4)

1. 圧縮機に内蔵された電動モータを駆動制御するために設けられ、スイッチング素子及びコンデンサが実装された一つの基板と、
   前記圧縮機と一体的に形成されており、前記基板が収容されると共に、前記基板における外周縁のうち予め定めた複数の固定点がネジ止めによって固定される筐体と、
   前記基板と前記筐体との間に挟み込まれ、前記基板のうち前記固定点よりも内側の領域で均等に配置された緩衝材と、を備えることを特徴とする電動圧縮機。
2. 前記緩衝材は、前記スイッチング素子が実装された領域、及び前記コンデンサが実装された領域に配置され、且つ前記スイッチング素子及び前記コンデンサが実装されていない領域にも配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機。
3. 前記基板には、前記スイッチング素子が実装された領域と前記コンデンサが実装された領域との間に、電源ラインのパターンが形成された領域があり、前記パターンが形成された領域にも前記緩衝材が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電動圧縮機。
4. 前記コンデンサは、アルミ固体電解コンデンサであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電動圧縮機。
   

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