JP4687106B2

JP4687106B2 - 空気圧縮機の冷却装置

Info

Publication number: JP4687106B2
Application number: JP2004381677A
Authority: JP
Inventors: 力吉田; 智彦芹田
Original assignee: Max Co Ltd
Current assignee: Max Co Ltd
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: US9528506B2; EP1832749A4; EP1832749A1; EP2390505B1; EP2390505A1; ATE555308T1; JP2006188954A; WO2006070703A1; AU2005322762A1; US20080112823A1; EP1832749B1

Description

本発明は、インバータ制御手段を介して駆動制御される電動モータと、該電動モータによって駆動されて圧縮空気を生成する圧縮機と、該圧縮機によって生成された圧縮空気を貯留する空気タンクとを備えた空気圧縮機に関する。

一般に、空気圧縮機は電力の供給によって回転駆動される電動モータと、該電動モータによって駆動されて外部から吸入した空気を圧縮して吐出する圧縮機と、該圧縮機から吐出される圧縮空気を貯留する空気タンクとにより構成されている。そして、前記圧縮機を駆動する電動モータへの電力の供給を、電動モータのロータの回転位置を検出するとともにこの検出出力に応じて電動モータのステータのコイルに供給する電流、電圧を周波数を可変して制御することによって電動モータを効率的に駆動させて消費電力を低減するようにしたインバータ制御手段を設けるものが使用されている。

上記インバータ制御手段は、電動モータのステータコイルへの電流、電圧を切り替える半導体スイッチング素子やその他の部品によって構成されている電力供給部と、電動モータ内のロータの回転位置検出信号により前記電力供給部を制御する制御部とから構成されており、前記電力供給部を構成している半導体スイッチング素子は駆動中に発熱するため、この半導体スイッチング素子を実装している電力供給部や制御部を含むインバータ制御手段が熱によって破壊してしまい、電動モータの制御ができなくなってしまう恐れが発生する。一般的には回路上に形成されている保護回路によって、これらの部品の温度が所定温度に達したときに回路を遮断して部品の破壊を防止するようにしているが、空気圧縮機では保護回路が作動するたびに圧縮運転が停止してしまうので作業性が損なわれてしまう。そこで、このようなインバータ制御手段を使用している空気圧縮機においてはインバータ制御回路の過熱を防止するために特に電力供給部の半導体スイッチング素子を冷却する必要が生ずる。

前記電力供給部の半導体スイッチング素子はこの部品自体の冷却をし易くするために独立したインバータモジュールとして形成されており、従来のインバータ制御手段を使用している空気圧縮機においては、このインバータモジュールを電力供給部の基板から分離して放熱板に取り付けて、このインバータモジュールを取り付けた放熱板を一対の空気タンクの間で且つ電動モータの下側に配設して、前記電動モータと圧縮機を冷却させるために電動モータの該回転軸の両端に取り付けた冷却ファンによって生起される空気流によって前記インバータモジュールを冷却させるようにしている。
特開２０００−２８３０４６号公報

上記従来技術においては、発熱部品であるインバータモジュールを取り付けた放熱板を一対の空気タンクの間の上部に配置して、圧縮機と電動モータを冷却する冷却風によって前記放熱板を介してインバータモジュールを冷却させるようにしており、インバータモジュールの冷却を良好に行うためには表面積の大きな放熱板を用意する必要があり、この放熱板を設置するためのスペースも確保しなければならないため、空気圧縮機の小型軽量化を阻害する要因となっていた。

また従来技術では、インバータ回路中の発熱部品であるインバータモジュールを除いた他の部品によって構成されている電力供給部の回路基板を前記インバータモジュールから離反させて一対の空気タンクの間の下部に上向きに配置しており、このように、電力供給部の回路基板とインバータモジュールとを分割して配置すると、これらの間の電力供給線や信号線等の配線が必要となり、このため、基板の製造コストが高くなったり圧縮機の組み付け工数が多くなって、圧縮機のコストを上昇させてしまうことがあった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消して、インバータ制御手段を構成しているインバータ回路基板上の発熱部品を効率よく冷却することが可能で、更に小型・軽量且つ低コスト化が可能な空気圧縮機の冷却装置を提供することを課題とする。

本発明の空気圧縮機の冷却装置は、インバータ制御手段を介して回転制御される電動モータと、該電動モータのモータハウジングの一端側に一体に取り付けられるとともに該電動モータによって駆動されて圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機によって生成された圧縮空気を貯留するように長胴型に形成されるとともに間隔を隔てて平行に配置された一対の空気タンクとからなり、前記電動モータを前記一対の空気タンクの上方に配置するとともに、前記電動モータの回転軸に電動モータの軸方向に沿って流れる冷却風を発生させる冷却ファンを設け、この冷却風によって前記圧縮機と電動モータとを冷却するようにした空気圧縮機において、前記インバータ制御手段を構成している発熱部品を基板の裏面側に実装したインバータ基板を、熱伝導性の良好な材料により構成されたケース内に前記発熱部品が前記ケースの底面と密着するように収容し、該ケースを前記底面が上方となるように下向きに配設し、前記冷却ファンによる空気流を前記ケースの底面の反対側の外表面に沿って誘導することによって前記ケースを介してインバータ制御手段の発熱部品を冷却させるようにしたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、前記インバータ基板を収容しているケースの底面には、少なくとも前記発熱部品が密着されている部分と反対側の外表面に、前記電動モータの回転軸と略平行に延びた複数のフィンからなる放熱板が設けられていることを特徴とする。

また、請求項３の発明は、前記放熱板が前記ケースの底面に密着して取り付けられていることを特徴とする。

更に、請求項４の発明は、前記放熱板が前記ケースと一体に形成されて前記ケースの底面に設けられていることを特徴とする。

本発明の空気圧縮機の冷却装置によれば、インバータ制御手段を介して回転制御される電動モータを介して駆動するようにした空気圧縮機において、前記インバータ制御手段を構成している発熱部品を基板の裏面側に実装したインバータ基板を、熱伝導性の良好な材料により構成されたケース内に前記発熱部品が前記ケースの底面と密着するように収容し、該ケースを前記底面が上方となるように下向きに配設し、前記冷却ファンによる空気流を前記ケースの底面の反対側の外表面に沿って誘導することによって前記ケースを介してインバータ制御手段の発熱部品を冷却させるようにしているので、発熱部品が熱伝導率が大きくかつ面積の大きなケースに密着され、このケースを冷却ファンによって冷却させるようにしているので圧縮機と電動モータとを冷却する冷却ファンによって、インバータ制御手段の発熱部品を効率よく冷却することができる。また、インバータ制御手段を構成している発熱部品とほかの部品を一体のインバータ基板上に配置することができるため、インバータ基板の発熱部品と他の部品間の配線が不要となりコストの低減が可能となる。更に、インバータ制御手段を形成している電子回路基板をケース内に逆さ向きに取り付けることによって、ケースが電子回路基板に覆い被さる状態となり基板上に堆積した埃やゴミ等によって絶縁不良が発生して誤動作や作動不良を発生させてしまうことがない。また、雨水等の水分が基板上へ滴下することによる絶縁不良も回避できる。

また、請求項２の発明によれば、前記インバータ基板を収容しているケースの底面には、少なくとも前記発熱部品が密着されている部分の外表面に、前記電動モータの回転軸と略平行に延びた複数のフィンからなる放熱板が設けられているので、更に、冷却ファンによるインバータ制御手段の発熱部品の冷却を効率よく行うことが可能となる。

また、請求項３の発明によれば、放熱板を前記ケースの底面に密着させて取り付けるようにしているので、放熱板を発熱部品と対応させたケースの底面の任意の位置に容易に設けることができ、発熱部品の冷却を効果的に行うことができる。

また、請求項４の発明によれば、前記放熱板が前記ケースと一体に形成されて前記ケースの底面に設けられているので、ケースから放熱板への熱伝導性を損なうことなく放熱板とケースを介しての発熱部品の冷却を効果的に行うことができる。

本発明は、インバータ制御手段を構成しているインバータ回路基板上の発熱部品を効率よく冷却することが可能で、更に小型・軽量且つ低コスト化を可能とするという目的を、前記インバータ制御手段を構成している発熱部品を基板の裏面側に実装したインバータ基板を、熱伝導性の良好な材料により構成されたケース内に前記発熱部品が前記ケースの底面と密着するように収容し、該ケースを前記一対の空気タンクの間で且つ電動モータと圧縮機との少なくとも何れか一方の下方側において前記底面が上方となるように下向きに配設し、前記冷却ファンによる空気流を前記ケースの底面に沿って誘導することによって前記ケースを介してインバータ制御手段の発熱部品を冷却させることによって実現したものであり、更に具体的な実施例を以下に説明する。

図１は本発明の冷却装置を実施している空気圧縮機を示すもので、図面上で一点鎖線で表しているカバーを取り外して空気圧縮機の内部の主要構成の配置状態を示している。空気圧縮機１は、電力が供給されることによって回転駆動される電動モータ２と、該電動モータ２の回転によって駆動されて大気を吸入・圧縮して圧縮空気を生成する２つの圧縮機３、４と、前記圧縮機３、４で生成した圧縮空気を貯留するため長胴型に形成された一対の空気タンク５、６と、前記空気タンク５、６内に蓄えた圧縮空気を所定の圧力に減圧して空気作動工具等へ供給するための圧縮空気取出部７、８、及び、前記電動モータ２を回転制御するインバータ制御手段９（図２に示す）を備えている。

前記一対の空気タンク５、６は、該空気タンク５、６の長手方向軸が互いに略並行となるように間隔を隔てて平面上に並べて配置され、これらの空気タンク５、６間に溶接されているフレーム１０によって互いに連結されており、各空気タンク５、６の下面に取り付けた設置脚１１によって床面等に載置できるようにしている。更に、この一対の空気タンク５、６の上方には、前記電動モータ２が該電動モータ２の回転軸が前記空気タンク５、６の長手方向軸線と略平行となるように配置されている。この電動モータ２のモータハウジングの一端側にはクランクケース１２が一体に形成されており、更に、このクランクケース１２には大気を吸入して高圧の圧縮空気を生成する２つの圧縮機３、４が取り付けられている。

前記２つの圧縮機３、４は２段圧縮機を構成しており、１段目の圧縮機３と２段目の圧縮機４がそれぞれ前記クランクケース１２の両側面に略水平方向に対向するように取り付けられている。１段目の圧縮機３は前記クランクケース１２内を経由して吸入した大気を中間圧まで圧縮して一次吐出管１３を経て２段目の圧縮機４へ供給している。２段目の圧縮機４は前記一次吐出管１３を経て１段目の圧縮機３から供給される中間圧力の圧縮空気を高圧域まで圧縮して二次吐出管１４を経由させて一方の空気タンク５へ供給するようにしている。２つの空気タンク５、６は連通管１５を介して空気タンク５、６内が連通されており、一方の空気タンク５内に供給された圧縮空気が前記連通管１５を流動することによって他方の空気タンク６内へ流通することによって両空気タンク５、６内の圧力は同一に維持されている。

前記空気タンク５、６から空気工具等へ圧縮空気を取り出すための圧縮空気取出部７、８は前記各空気タンク５、６毎にそれぞれ設けられている。圧縮空気取出部７、８は空気タンク５、６内に溜められている圧縮空気の圧力を空気工具等で使用する任意の圧力まで減圧する減圧弁１６と、この減圧弁１６で減圧された圧縮空気の圧力を表示する２次圧力計１７、及び、一端側が空気工具等に連結されたエアホースの他端側に取り付けられているプラグを接続するためのソケット部１８によって構成されている。なお、この実施例では一つの圧縮空気取出部７、８から２つの工具等へ圧縮空気を同時に供給できるように各圧縮空気取出部７、８には各々２つのソケット部１８が形成されている。また、一方の圧縮空気取出部８には前記圧縮機３、４で生成されて空気タンク５、６内に溜められている圧縮空気の圧力値を表示する１次圧力計１９が設けられている。

図１及び図２に示すように、前記電動モータ２の回転軸の両端には冷却ファン２０、２１が取り付けられており、電動モータ２が回転駆動することによってこれらの冷却ファン２０、２１によって冷却風を生成させて前記圧縮機３、４と電動モータ２を冷却するようにしている。前記圧縮機３、４が取り付けられているクランクケース１２の端部から突き出されている一側の回転軸の端部に取り付けられている冷却ファン２０は軸流ファンによって形成されており、カバー２２に形成された開口２３からカバー２２内に大気を吸入してこの空気を、前記圧縮機３、４と電動モータ２のモータハウジングの外周面に沿わせて流動させるようにしており、この冷却風によって圧縮機３、４と電動モータ２のモータハウジングを冷却するようにている。また、電動モータ２の他側の回転軸の端部に取り付けられている冷却ファン２１はシロッコファンによって構成されており、モータハウジングの端部からモータハウジング内の空気を吸い出してカバー２２に形成されている開口２４を介してカバー２２の外側へ排出させることによってモータハウジング内に空気流を生じさせて電動モータ２の巻線部を冷却させるようにしている。

前記電動モータ２は、ホール素子等の検出手段によって電動モータ２のローターの回転位置を検出して、この検出出力によって電動モータ２のステータコイルへの電力の供給をインバータ制御することによって回転制御されるようにされている。前記電動モータ２は前記インバータ制御手段９を介して外部の電源に接続されており、このインバータ制御手段９を介してステータコイルへ供給される電力によって回転制御されるようにされている。図２及び図３に示すように、インバータ制御手段９は、前記電動モータ２のステータコイルへ電力を供給する半導体スイッチング素子等によって構成されているインバータモジュール２６と、前記インバータモジュール２６を制御するためのコンデンサ等の前記インバータモジュール２６以外の回路部品２７、及びこれらのインバータモジュール２６と回路部品２７を実装しているインバータ基板２８と、前記電動モータ２のロータの回転位置を検出するホール素子等の検出信号に基づいて前記インバータ基板２８を制御する為の部品を実装して構成されている制御基板２９によって構成されている。

前記インバータ制御手段９を構成している部品中のインバータモジュール２６は最も発熱量が大きい発熱部品であり、該インバータモジュール２６は図４に示すように、インバータモジュール２６以外のコンデンサ等の回路部品２７が実装されているインバータ基板２８の裏面側に、これらのインバータモジュール２６の表面に露出させて形成されている金属面が図上で上面を向くように実装されている。なお、この実施例においてはインバータ制御基板２８を制御する為の制御基板２９をインバータ基板２８と別に形成しているが、制御基板２９とインバータ基板２８を一体に構成しても良い。このように２つの基板を一体に形成することによって両基板２８、２９間の配線が必要なくなり更にコストの低減が可能となる。

図２及び図３に示すように、前記一対の空気タンク５、６の間の隙間には、熱伝導性の高い例えばアルミニウム等によって箱形に形成された前記インバータ基板２８と制御基板２９を収容するケース３０が開口部を下向きにして底面が上方となるように取り付けられている。このケース３０は前記空気タンク５、６の間の隙間にほぼ水平に配置されており、前記冷却ファン２０、２１によって生成される冷却風がこのケース３０の底面の外表面に沿って流動するようにしている。そして、前記インバータ制御手段９を形成しているインバータ基板２８のインバータモジュール２６を実装している面が前記ケース３０の底面と対向するように収容され、インバータモジュール２６の表面の金属面がケース３０の底面と密着されて取り付けられている。更に、図２、図３及び図５に示すようにインバータ基板２８の下側にはカバー３１が装着されて、基板の下面側を保護するようにしている。

上記のように、インバータ制御手段９を構成している部品中で最も発熱の大きいインバータモジュール２６を基板の裏面側に実装して、このインバータモジュール２６を熱伝導率の高い金属で形成された広い面積のケース３０に密着させて取り付けているので、この広い面積のケース３０の外表面に沿って流動する冷却風によってケース３０を介してインバータモジュール２６が効率よく冷却されてインバータモジュール２６や他の部品の熱による破壊等を防止できる。

更に、前記ケース３０の底面の外表面には電動モータ２の回転軸と略平行に延びた多数のフィン３３が形成されて成る放熱板３２を、該放熱板３２の裏面を前記ケース３０の底面の外表面と密着させて取り付けており、前記冷却ファン２０、２１で生成した冷却風によって前記ケース３０を介してのインバータモジュール２６の冷却効率を更に向上させている。

また、インバータモジュール２６を前記インバータ基板２８の裏面側に実装するとともに、該インバータ基板２８をインバータモジュール２６以外の部品が実装されている面を下向きにして前記ケース３０内に収容することによって、ケース３０の隙間から侵入する埃等が基板上に堆積して、これらの塵埃によって部品間の絶縁不良等が発生して作動不良や誤動作が発生することが防止できる。さらに、雨水等の水分が基板上へ滴下して絶縁不良を生じさせることを回避できる。加えて、基板上に設けられた図示しない各種のコネクタへ接続される電線類が、基板の下方側から基板へ向かって延びるように設けられることになるため、水分が電線類を伝わって各種のコネクタ部へ導かれてしまうことが防止できる。

上記実施例の説明では、電動モータ２の一端側に一体に形成されているクランクケースから２つの圧縮機３、４を水平方向に対向させて設けて、高圧域の圧縮空気を生成するようにした２段圧縮式の空気圧縮機の実施例により説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、１段圧縮または３段以上の圧縮を行うようにした圧縮機を設置した空気圧縮機として構成しても良い。更に、圧縮機の３、４配列形態も水平方向に対向させて配置する態様に限らず、複数の圧縮機を平行に配列させたり又はＶ字型等の配列形態としてもよい。また、発熱部品の例としてインバータモジュール２６について説明したが、これに限らず、整流ダイオード素子や、モータ駆動電源用モジュール等の各種の発熱部品に於いても本発明を適用することが可能である。

本発明の冷却装置を実施した空気圧縮機のカバーを取り外した平面図図１と同じ空気圧縮機の一部を断面して示す側面図図１と同じ空気圧縮機のカバーを取り外して示す正面図インバータ基板と、これを収容するケース及び放熱板を示す斜視図インバータ基板を収容したケースとカバーを空気圧縮機へ組み付けする状態を示す斜視図

符号の説明

１空気圧縮機
２電動モータ
３、４圧縮機
５、６空気タンク
９インバータ制御手段
２０、２１冷却ファン
２６インバータモジュール（発熱部品）
２８インバータ基板
３０ケース
３２放熱板
３３フィン

Claims

インバータ制御手段を介して回転制御される電動モータと、該電動モータのモータハウジングの一端側に一体に取り付けられるとともに該電動モータによって駆動されて圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮機によって生成された圧縮空気を貯留するように長胴型に形成されるとともに間隔を隔てて平行に配置された一対の空気タンクとからなり、前記電動モータを前記一対の空気タンクの上方に配置するとともに、前記電動モータの回転軸に電動モータの軸方向に沿って流れる冷却風を発生させる冷却ファンを設け、この冷却風によって前記圧縮機と電動モータとを冷却するようにした空気圧縮機において、前記インバータ制御手段を構成している発熱部品を基板の裏面側に実装したインバータ基板を、熱伝導性の良好な材料により構成されたケース内に前記発熱部品が前記ケースの底面と密着するように収容し、該ケースを前記底面が上方となるように下向きに配設し、前記冷却ファンによる空気流を前記ケースの前記底面の反対側の外表面に沿って誘導することによって前記ケースを介してインバータ制御手段の発熱部品を冷却させるようにしたことを特徴とする空気圧縮機の冷却装置。
前記インバータ基板を収容しているケースの底面には、少なくとも前記発熱部品が密着されている部分と反対側の外表面に、前記電動モータの回転軸と略平行に延びた複数のフィンからなる放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の空気圧縮機の冷却装置。
前記放熱板は、前記ケースの前記底面の反対側の外表面に密着して取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載の空気圧縮機の冷却装置。
前記放熱板は、前記ケースと一体に形成されて前記ケースの前記底面の反対側の外表面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の空気圧縮機の冷却装置。