JP5285258B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機構、を駆動する電動モータ、電動モータを制御するインバータ制御装置が圧縮機構と一体となった電動圧縮機に関するもので、さらに詳しくは、インバータ制御装置がコントロール回路基板及びパワー基板を備えている電動圧縮機に関するものである。

エンジンを搭載しない電気自動車や燃料電池車等における車載空気調和装置は、冷媒を圧縮循環させる動力源として、電動モータを内蔵した圧縮機を有する。この電動モータは、空気調和装置の主制御装置からの命令に応じて所望の回転数で回転させる必要があるから、制御装置が別途必要である。この制御装置は、電気回路や電子回路で構成される。具体的には、中央演算装置やメモリ等といった電子素子をはじめ、いわゆるインバータ回路（スイッチング回路）を構成するためのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のスイッチング素子（パワートランジスタ素子）を備えている。そして、省スペース化の要請から、この制御装置を圧縮機構、電動モータとともに一つのハウジング内に組み込まれた電動圧縮機が存在する。以下、この電動圧縮機を、一体型電動圧縮機ということがある。

一体型電動圧縮機をはじめとする車載部品には常に小型化の要求がなされており、この観点から、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１）。

特許第３７６０８８７号公報

特許文献１は、所定の形状とされた台座にスイッチング素子をネジ止めすることを要旨としている。特許文献１の提案により、耐衝撃性を確保しつつ、小型化が可能な一体型電動圧縮機が提供される。
本発明は、さらに小型化された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、本発明の電動圧縮機は、冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出する圧縮機構と、圧縮機構を駆動する電動モータと、電動モータの駆動を制御するインバータ制御装置と、圧縮機構、電動モータ及びインバータ制御装置とを収容するハウジングと、を備える。そして、本発明は、インバータ制御装置が、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に印加するパワー基板と、電動モータへの交流電流の印加を制御するコントロール回路基板と、を備えており、パワー基板及びコントロール回路基板は、各々、一方の面に他方の面よりも背の高い高背部品が表面実装され、かつ当該一方の面同士が向かい合わされている。さらに、パワー基板の高背部品とコントロール回路基板の高背部品が、その突出方向に干渉することなく対向配置されていることを特徴とする。
本発明の電動圧縮機は、パワー基板の高背部品が存在しない領域にコントロール回路基板の高背部品が位置し、かつコントロール回路基板の高背部品が存在しない領域にパワー基板の高背部品が位置することになるため、各々の高背部品の高さを重ね合わせたときに比べて、パワー基板とコントロール回路基板の間隔を狭くすることができる。そのために、インバータ制御装置として低背化が達成される。

本発明の電動圧縮機は、パワー基板に対して高圧電源から電圧を印加するための電源配線がパワー基板に固定されたバスバーにより形成することができる。このバスバーは、パワー基板及びコントロール回路基板の周縁であって、パワー基板とコントロール回路基板の間に配設される。したがって、パワー基板の高背部品、コントロール回路基板の高背部品および、バスバーは、パワー基板とコントロール回路基板の間隔に配置されることになる。そのために、インバータ制御装置の外径寸法を、ほぼパワー基板、コントロール回路基板の外径寸法まで小型化できる。

より低背化のための構成として、パワー基板に表面実装された高背部品に対応する、コントロール回路基板上の位置に当該高背部品が挿入される凹部を形成し、かつコントロール回路基板に表面実装された高背部品に対応する、パワー基板上の位置に当該高背部品が挿入される凹部を形成する。そして、コントロール回路基板の凹部に、パワー基板に表面実装された高背部品の先端を挿入し、パワー基板の凹部に、コントロール回路基板に表面実装された高背部品の先端を挿入することにより、パワー基板、コントロール回路基板の厚さの一部又は全部に相当する低背化を実現できる。ここで、凹部とは、貫通孔であってもよいし、非貫通孔であってもよい。
本発明において、パワー基板とコントロール回路基板の間に絶縁ゲル剤を充填することが、高背部品の脱落を防止する上で好ましい。

本発明によれば、パワー基板とコントロール回路基板を組み合わせたインバータ制御装置を低背化することができる。したがって、ハウジングのインバータ制御装置を収容する部分を小さくできるため、ハウジング全体としての小型化、軽量化、さらには低コスト化に寄与する。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を説明する。
図１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の構成を示す分解斜視図である。
この図１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（図示無し）、及び冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出するスクロール式のコンプレッサ（図示無し）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、インバータ制御装置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。

インバータ制御装置１２は、インバータ制御装置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およびリアクタ１４と、モータ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に印加し、モータを回転駆動させるパワー基板１６と、から構成される。コントロール回路基板１５と、パワー基板１６とは、互いに間隔を隔てた状態で対向するように設けられている。

図２は、パワー基板１６の回路構成を示す図である。パワー基板１６には、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。パワー基板１６上には、複数のＩＧＢＴによって構成されるスイッチング素子１８およびゲート回路（いずれも図示無し）が実装されている。コントロール回路基板１５には、このスイッチング素子１８の動作を制御するためのマイクロコンピュータ（以下、マイコン）が設けられている。マイコンの制御信号がコントロール回路基板１５からパワー基板１６に伝達され、ゲート回路が駆動されて、スイッチング素子１８に入力されると、スイッチング素子１８が動作する。これによって、高電圧電源から供給される高電圧が３相交流となって電動圧縮機１０のモータ１９に印加され、モータ１９を回転駆動させる。

スイッチング素子１８は、パワー基板１６に対し、コントロール回路基板１５が配置されている側とは反対側の面に実装されている。このようにすると、パワー基板１６内に設けた電源フレーム、ＧＮＤフレーム、ＧＮＤ層等、導電性材料からなりインピーダンスの低い面（層）により、スイッチング素子１８等で生じるノイズに対するシールド効果が発揮され、コントロール回路基板１５への影響が抑制される。コントロール回路基板１５には、低電圧で駆動されるマイコン等のデジタル回路が存在するため、スイッチング素子１８からのノイズを抑制することで、マイコン等の誤動作を防止することが可能となる。また、パワー基板１６には、図３に示すように、スイッチング素子１８の放熱のための放熱板３０が設けられている。放熱板３０は、パワー基板１６のスイッチング素子１８が実装された面側に、スイッチング素子１８と所定間隔を隔てて接触して設けられる。

上記のような回路構成において、パワー基板１６に対する高圧電源からの電源供給は、入出力端子２０を介して行われるが、図１、図３に示すように、この入出力端子２０は、パワー基板１６上に実装されたピン状のＰＮ端子２０ａ、２０ｂによって構成される。
これらＰＮ端子２０ａ、２０ｂに対しては、高圧電源側からバスバー（パワー基板１６に電圧を印加するための配線）２３が接続されることで、電気的導通がなされている。バスバー２３は、パワー基板１６（コントロール回路基板１５）の周縁に設けられている。この周縁とは、パワー基板１６（コントロール回路基板１５）の投影面内にあることをいう。
また、パワー基板１６の、スイッチング素子１８が設けられている面の反対側の面には、トランス等の高背部品２８が表面実装されている。この高背部品２８は、スイッチング素子１８が設けられている面に表面実装されているいずれの部品（スイッチング素子１８を含む）よりも、背が高い。

ここで、図３および図４に示すように、このバスバー２３には、前記のコンデンサ１３およびリアクタ１４が一体にユニット化されている。すなわち、バスバー２３は、高圧電源側に接続される電源側端子部２３ａおよび２３ｂと、ＰＮ端子２０ａ、２０ｂに接続される基板側端子部２３ｃ、２３ｄと、コンデンサ１３の端子１３ｂに接続されるコンデンサ側端子部２３ｅ、リアクタ１４の端子１４ａに接続されるリアクタ側端子部２３ｆ、コンデンサ１３の端子１３ａおよびリアクタ１４の端子１４ｂを接続するジョイント部２３ｇとを有し、コンデンサ１３およびリアクタ１４がバスバー２３によって図２に示したような回路構成となるように接続する。バスバー２３は、例えば断面寸法が５ｍｍ×１ｍｍ程度の銅製とすることができる。

バスバー２３は端子部分を除いて樹脂体２４によって被覆されている。樹脂体２４には、リアクタ１４の端子１４ａ、１４ｂとバスバー２３のリアクタ側端子部２３ｆおよびジョイント部２３ｇとの接続部において、この接続部を補強するように略Ｔ字状のサポート部２４ａが形成されている。
樹脂体２４は、バスバー２３同士の短絡を防ぐための絶縁材として機能するだけでなく、バスバー２３の補強材としても機能するようになっている。これによって、バスバー２３とコンデンサ１３およびリアクタ１４とが一体化されたバスバーユニット４０として取り扱うことが可能となっている。

このバスバー２３のコンデンサ側端子部２３ｅ、リアクタ側端子部２３ｆ、ジョイント部２３ｇには、コンデンサ１３およびリアクタ１４が予め溶接されている。そして、バスバー２３の基板側端子部２３ｃ、２３ｄとＰＮ端子２０ａ、２０ｂは、インバータ制御装置１２の組み立て時に溶接される。

また、パワー基板１６において、前記のＰＮ端子２０ａ、２０ｂは、バスバー２３によって形成されている。パワー基板１６には、スイッチング素子１８とモータ１９とを接続するためのＵＶＷ端子（多相モータの各相に電流を供給するための配線）２５ａ、２５ｂ、２５ｃとが設けられており、これらＵＶＷ端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃもバスバー２３によって形成されている。そして、図５に示すように、これらＰＮ端子２０ａ、２０ｂ、ＵＶＷ端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃは、樹脂体（絶縁体）２６によって互いに絶縁しつつ一体化されている。

樹脂体２６は、パワー基板１６に対し、バスバー２３が位置する側とは反対側の面に設けられている。樹脂体２６に基端部が保持されたＰＮ端子２０ａ、２０ｂは、図３に示したように、パワー基板１６に形成された開口部を通してバスバー２３が位置された側に先端部が突出するように設けられている。
また、樹脂体２６には、ＵＶＷ端子２５ａ、２５ｂ、２５ｃの近傍に突起（位置決め手段）２７ａ、２７ｂが形成されている。パワー基板１６には、これら突起２７ａ、２７ｂに対応した位置に孔が形成されており、突起２７ａ、２７ｂはこれらの孔に挿入されるようになっている。これらの突起２７ａ、２７ｂによって、バスバーユニット４０のパワー基板１６に対する位置決めが容易かつ確実にできるようになっている。

図６はコントロール回路基板１５の一方の面側から視た斜視図、図７はコントロール回路基板１５の他方の面側から視た斜視図である。なお、図６及び図７は、表面実装されている部品の中で、サイズが比較的大きいもののみを示している。
図６に示すように、前記一方の面側には、マイコンを構成するＣＰＵ（Central Processing Unit）５１が表面実装されている。なお、ＣＰＵ５１が表面実装されている面を第１の面といい、第１の面の裏側の面を第２の面という。ＣＰＵ５１は、第１の面に表面実装されている他の部品よりも背が高い。また、図７に示すように、第２の面には、複数のトランス、電界コンデンサ等の高背部品５２が表面実装されている。図６及び図７を比較するとわかるように、ＣＰＵ５１よりも、高背部品５２の背が高い。

前述したように、コントロール回路基板１５は、パワー基板１６と対向して配設される。
本実施の形態では、図８に示すように、コントロール回路基板１５とパワー基板１６とは、コントロール回路基板１５の第２の面とパワー基板１６の第１の面が向かい合わせて配設される。つまり、コントロール回路基板１５とパワー基板１６とは、高背部品５２、高背部品２８が表面実装された面同士が向かい合っている。ここで、コントロール回路基板１５に表面実装された高背部品５２とパワー基板１６に表面実装された高背部品２８とは干渉しない。干渉しない、とは、コントロール回路基板１５又はパワー基板１６の平面方向に対して垂直な方向であって、高背部品５２、高背部品２８が突出する方向である。したがって、コントロール回路基板１５とパワー基板１６とを対向して配設した高さを低くすることができる。これに対して、コントロール回路基板１５の第２の面をパワー基板１６の第１の面に向かい合わせて配設すると、図９に示すように、コントロール回路基板１５とパワー基板１６とを対向して配設した高さが図８の場合に比べて高くなる。つまり、本実施の形態におけるパワー基板１６の下面からコントロール回路基板１５の上面に突出するＣＰＵ５１の頂面までの高さをｈ１とし、従来例におけるパワー基板１６の下面からコントロール回路基板１５の上面に突出するＣＰＵ５１の頂面までの高さをｈ２とすると、ｈ１＜ｈ２となる。

本実施の形態がこのように低背化を実現するためには、コントロール回路基板１５に高背部品５２を表面実装する位置、及びパワー基板１６に高背部品２８を表面実装する位置を調整する必要がある。つまり、コントロール回路基板１５に高背部品５２を表面実装する領域を、パワー基板１６と対向させた状態で、パワー基板１６の中で高背部品２８が表面実装されていない領域とする。逆に、パワー基板１６に高背部品２８を表面実装する領域を、コントロール回路基板１５と対向させた状態で、コントロール回路基板１５の中で高背部品５２が表面実装されていない領域とする。このような高背部品２８、５２の配置領域をデザインすることにより、インバータ制御装置１２の低背化を実現することができる。

本実施の形態によれば、低背化に加えて、ＣＰＵ５１が受けるノイズを低減する効果を奏する。図８と図９とを比較すれば明らかなように、コントロール回路基板１５の第１の面側に表面実装されているＣＰＵ５１が、パワー基板１６からより離れたい位置に配設されることになるからである。
本実施の形態によれば、バスバー２３は、パワー基板１６とコントロール回路基板１５との間）の周縁であって、パワー基板１６とコントロール回路基板１５の間に配設される。つまり、バスバー２３は、パワー基板１６とコントロール回路基板１５の平面方向の外側に突出しないため、インバータ制御装置１２の外径寸法を、ほぼパワー基板１６、コントロール回路基板１５の外径寸法まで小型化できる。

車載される電動圧縮機１０には、コンプレッサの運転に伴い相当の振動が発生する。この振動は、インバータ制御装置１２にも当然に及ぶ。本実施の形態のように、コントロール回路基板１５に表面実装されている高背部品５２を下向きとした場合、振動による高背部品５２の脱落を防止する構成とすることが好ましい。そこで、本実施の形態では、図１０に示すように、コントロール回路基板１５とパワー基板１６との間に絶縁ゲル剤５３が充填される。絶縁ゲル剤５３は、コントロール回路基板１５とパワー基板１６との間のみならず、ハウジング１１の上部収容室１１ｂの内部を完全に埋め尽くすように充填してもよい。使用する絶縁ゲル剤５３としては、たとえばシリコーン系の熱硬化ゴムなどが好適である。

このようにコントロール回路基板１５とパワー基板１６との間に絶縁ゲル剤５３を充填することにより、この絶縁ゲル剤５３が振動を吸収し、コントロール回路基板１５に加わる振動を抑制して、コントロール回路基板１５から高背部品５２が脱落するのを防止する。
絶縁ゲル剤５３を充填することにより、高背部品５２も含めて電装部品の絶縁がなされる。また、絶縁ゲル剤５３の充填は、防湿にも有効である。特に、電動圧縮機１０が設置されるエンジンルーム内は温度変化が大きい環境であるため、高湿度状態で温度低下すると結露により水滴が発生する。このような結露水等の水滴は、電装部品を短絡させるなどトラブルの原因となる。しかし、電装部品を絶縁ゲル剤５３で覆うことにより、水滴が電装部品まで到達しないよう防水される。

次に、インバータ制御装置１２をより低背化できる形態を図１１にて説明する。
図１１に示すように、コントロール回路基板１５に貫通孔Ｈ１５を形成した。この貫通孔Ｈ１５は、パワー基板１６に表面実装された高背部品２８に対応する位置に形成されている。この貫通孔Ｈ１５はまた、パワー基板１６上であって、電子部品、配線等の回路を構成する要素が存在しない部位に形成されている。
また、パワー基板１６に貫通孔Ｈ１６を形成した。この貫通孔Ｈ１６は、コントロール回路基板１５に表面実装された高背部品５２に対応する位置に形成されている。この貫通孔Ｈ１６はまた、パワー基板１６上であって、電子部品、配線等の回路を構成する要素が存在しない部位に形成されている。

図１１に示すように、コントロール回路基板１５の貫通孔Ｈ１５には、パワー基板１６に表面実装されている高背部品２８の先端部分が挿入される。また、パワー基板１６の貫通孔Ｈ１６には、コントロール回路基板１５に表面実装されている高背部品５２の先端部分が挿入される。したがって、高背部品２８の先端部分が挿入された長さ、又は高背部品５２の先端部分が挿入された長さの分だけ、さらに低背化することができる。

本実施の形態における電動圧縮機の全体構成を示す図である。 パワー基板の回路構成を示す図である。 パワー基板上に抵抗素子とコンデンサ素子とを表面実装した状態を示す図である。 コンデンサおよびリアクタとバスバーとからなるユニットを示す図である。 パワー基板に対し、電源からの電源供給をバスバーにより行う構成を示す図である。 コントロール回路基板の一方の面側から視た斜視図である。 コントロール回路基板の他方の面側から視た斜視図である。 コントロール回路基板とパワー基板の配置関係を示す図である。 コントロール回路基板とパワー基板の他の配置関係を示す図である。 コントロール回路基板とパワー基板の間に、絶縁ゲル剤を充填した例を示す図である。 コントロール回路基板とパワー基板の配置関係を示す図であり、図８よりさらに低背化された例を示す図である。

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…インバータ制御装置、１３…コンデンサ、１４…リアクタ、１５…コントロール回路基板、１６…パワー基板、１８…スイッチング素子、１９…モータ、２０…入出力端子、２３…バスバー、２８，５２…高背部品、１５Ｈ，１６Ｈ…貫通孔

Claims (4)

1. 冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出する圧縮機構と、
   前記圧縮機構を駆動する電動モータと、
   前記電動モータの駆動を制御するインバータ制御装置と、
   前記圧縮機構、前記電動モータ及び前記インバータ制御装置とを収容するハウジングと、を備え、
   前記インバータ制御装置は、
   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に印加するパワー基板と、
   前記電動モータへの前記交流電流の印加を制御するコントロール回路基板と、を備え、
   前記パワー基板及び前記コントロール回路基板は、
   各々一方の面に他方の面よりも背の高い高背部品が表面実装され、かつ当該一方の面同士が向かい合わされ、
   さらに、前記パワー基板の前記高背部品と前記コントロール回路基板の前記高背部品が、その突出方向に干渉することなく対向配置されていることを特徴とする電動圧縮機。
2. 冷媒を吸入し、かつ圧縮して吐出する圧縮機構と、
   前記圧縮機構を駆動する電動モータと、
   前記電動モータの駆動を制御するインバータ制御装置と、
   前記圧縮機構、前記電動モータ及び前記インバータ制御装置とを収容するハウジングと、を備え、
   前記インバータ制御装置は、
   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に印加するパワー基板と、
   前記電動モータへの前記交流電流の印加を制御するコントロール回路基板と、を備え、
   前記パワー基板及び前記コントロール回路基板は、
   各々一方の面に他方の面よりも背の高い高背部品が表面実装され、かつ当該一方の面同士が向かい合わされ、
   さらに、前記パワー基板の前記高背部品と前記コントロール回路基板の前記高背部品が、その突出方向に干渉することなく対向配置され、
   前記パワー基板に対して前記高圧電源から電圧を印加するための電源配線が前記パワー基板に固定されたバスバーにより形成され、
   前記バスバーは、前記パワー基板及び前記コントロール回路基板の周縁であって、前記パワー基板と前記コントロール回路基板の間に配設されることを特徴とする電動圧縮機。
3. 前記パワー基板に表面実装された前記高背部品に対応する、前記コントロール回路基板上の位置に当該高背部品が挿入される凹部を備え、
   かつ前記コントロール回路基板に表面実装された前記高背部品に対応する、前記パワー基板上の位置に当該高背部品が挿入される凹部を備え、
   前記コントロール回路基板の前記凹部に前記パワー基板に表面実装された前記高背部品の先端が挿入され、
   前記パワー基板の前記凹部に前記コントロール回路基板に表面実装された前記高背部品の先端が挿入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動圧縮機。
4. 前記パワー基板と前記コントロール回路基板の間に絶縁ゲル剤が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動圧縮機。

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