JP5586707B2 - 電力変換回路内蔵モーター、この電力変換回路内蔵モーターを搭載した流体ポンプ、この流体ポンプを搭載した空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを搭載した機器 - Google Patents
電力変換回路内蔵モーター、この電力変換回路内蔵モーターを搭載した流体ポンプ、この流体ポンプを搭載した空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを搭載した機器 Download PDFInfo
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Description
また、第二の目的は、放熱性向上により運転範囲を広げることが可能な電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第三の目的は、主回路素子とプリント基板との機械的結合強度を上げて寿命化を図り、信頼性を向上することが可能な電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第四の目的は、製造コストを低減することができる電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第五の目的は、上記の電力変換回路内蔵モーターを搭載した流体ポンプ、この流体ポンプを搭載した空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを搭載した機器を提供することを目的とする。
また、放熱性が向上するため、モーターの表面積を小さくすることが可能となり、小型軽量なモーターを得ることができる。
また、放熱構造を工夫したことで許容損失を大きくできるため、モーターの高温側の運転限界を上げることができ、運転範囲を大きくすることができる。
また、主回路素子を、そのパッケージ内部の素子チップの両面のうち、プリント基板への実装状態においてプリント基板側となる面にヒートスプレッダを接合した構成とし、ヒートスプレッダにより面でプリント基板と接合するため、主回路素子とプリント基板との機械的結合の強度を向上することができる。
また、放熱フィン不要の構造としたので、製造コストを低減することができる。
図1は、本発明の実施の形態1に係るモーターのブラケットを除くモーターの構造図で、(a)は側面断面図、(b)は上面透視図を示している。以下の各図では、図1(a)の上下左右方向を上下左右方向として説明する。
プリント基板1は、円板状に形成されており、モーター10を駆動するための電力変換回路が実装されている。電力変換回路は従来公知の電力変換回路であり、少なくとも1つ以上のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードとを有する主回路を有している。図1には、電力変換回路のうちモーター10のステーター巻線に電圧を印加する電圧型インバーターの主回路を構成する、スイッチング素子としての主回路素子2を図示している。この主回路素子2は、いわゆるモジュール素子化されたものでもよい。
プリント基板1の両面には、回路配線パターンや、主回路素子2を含む各種電子部品(主回路素子2以外は図示せず)を実装するためのランドが銅箔11により形成されており、ランド上に各種電子部品(図示せず)が半田により電気的・熱的・機械的に結合されている。また、プリント基板1の主回路素子2の実装面(以下、反ステーター面という場合がある)1aと反対側の面(以下、ステーター面という場合がある)1bにおいてカップ8の底面と対向する領域内には放熱用銅箔13が形成され、この放熱用銅箔13に連通するようにプリント基板1に複数のスルーホール12が設けられている。実装面1aには、複数のスルーホール12の開口面を跨ぐようにして銅箔11が設けられており、その銅箔11上に主回路素子2のヒートスプレッダ21が半田により接合されている。この構成により、ヒートスプレッダ21は、銅箔11及び複数のスルーホール12を介してステーター面1bの放熱用銅箔13に電気的・機械的・熱的に結合されている。
主素子チップ20の熱は、ヒートスプレッダ21→銅箔11→スルーホール12→放熱用銅箔13の順に熱伝達され、更に、カップ8へと伝達される。カップ8は放熱用銅箔13に接触又は近接して配置されているため、放熱用銅箔13はカップ8内部の流体と熱的結合をもつ。したがって、放熱用銅箔13に伝達された熱は、カップ8へと伝達された後、カップ8表面からカップ8内部の流体へと放熱される。
まず、プリント基板1の両面にクリーム半田を印刷する。このとき、モーター外部接続リード4やモーター端子6接続用のランドはメタルマスクでカバーし、クリーム半田が塗布されないようにする。そして、メタルマスクを取り外す。続いて、プリント基板1の反ステーター面1aに主回路素子2及び過熱検知素子3を載せ、リフロー半田により銅箔と電気的・機械的に結合する。このリフロー時に、主回路素子2のヒートスプレッダ21は銅箔11と半田付けされ、銅箔11と電気的・機械的・熱的に一度に結合される。このように主素子チップ20を半田にて接着したヒートスプレッダ21を面でプリント基板1に接合するため、通常のリードによる接合に比べて主素子チップ20とプリント基板1との機械的結合強度を飛躍的に高めることができる。よって、振動が発生するモーター内に電力変換回路を内蔵させた構造であっても、高い信頼性を得ることができる。
図4は、本発明の実施の形態2に係る流体ポンプの構造断面図である。図4において、図1と同一部分には同一符号を付す。
実施の形態2の流体ポンプ30は、実施の形態1のモーター10と、モーター10のローター9aに設けられた略円板状のインペラ31とを備え、ローター9aと共に回転するインペラ31によって液体をポンプハウジング32内に吸入すると共にポンプハウジング32外に排出する。
図5は、本発明の実施の形態3に係る空気調和機の冷媒回路図である。
本実施の形態3に係る空気調和機40は、冷凍サイクル部50と水回路60とを備えている。冷凍サイクル部50は、冷媒を圧縮する圧縮機51と、水−冷媒熱交換器52と、膨張弁53と、冷媒−空気熱交換器54とを備え、これらが順次冷媒配管で環状に接続され、冷媒回路を形成している。水回路60は、水−冷媒熱交換器52と、水−空気熱交換器61と、ポンプ62とを有している。水−冷媒熱交換器52に導通している水配管は冷媒回路の冷媒配管とは分離しており、水回路60は、水−冷媒熱交換器52と、水−空気熱交換器61と、ポンプ62とが順次水配管で環状に接続された構成を有している。ポンプ62には、上記実施の形態2の流体ポンプ30が用いられている。水−冷媒熱交換器52及び冷媒−空気熱交換器54は屋外に設置される室外機に搭載され、水−空気熱交換器61は屋内に設置される室内機に搭載される。このように構成された空気調和機40は、ボイラを屋外に設置し、水回路60を循環する循環水により屋内に熱移動を行う従来の機器の置き換えとして近年急速に普及しており、暖房が主な用途である。
圧縮機51から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器52へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁53によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、冷媒−空気熱交換器54に流入する。この冷媒−空気熱交換器54において、低圧の冷媒は、外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、再び圧縮機51に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
水回路60を循環する水は、ポンプ62によって水−冷媒熱交換器52に送られ、その水−冷媒熱交換器52において冷凍サイクル部50からの放熱によって温められる。その温められた水は、水−空気熱交換器61に送られ、屋内空気に熱を放出して凝縮し、暖房作用を行う。水−空気熱交換器61で凝縮した水は、再びポンプ62に送られる。以後、この動作を繰り返す。
図6は、本発明の実施の形態4に係る給湯器の冷媒回路図である。
本実施の形態4に係る給湯器70は、冷凍サイクル部80と給湯回路90とを備えている。冷凍サイクル部80は、冷媒を圧縮する圧縮機81と、水−冷媒熱交換器82と、膨張弁83と、冷媒−空気熱交換器84とを備え、これらが順次冷媒配管で環状に接続されて冷媒回路を形成している。冷凍サイクル部80は更に、モーター85によって駆動され、冷媒−空気熱交換器84に外気を送風するファン86を備えており、冷凍サイクル部80は室外に設置される。
圧縮機81から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器82へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁83によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、冷媒−空気熱交換器84に流入する。この冷媒−空気熱交換器84において、低圧の冷媒は、外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、再び圧縮機81に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
給湯回路90を循環する水は、ポンプ92によって水−冷媒熱交換器82に送られ、その水−冷媒熱交換器82において冷凍サイクル部80からの放熱によって温められる。その温められた水は温水タンク91に送られる。温水タンク91内の温められた水は、再びポンプ92に送られる。以後、この動作を繰り返す。
実施の形態1のモーター10を流体ポンプ30以外の機器に用いても、実施の形態1に記載の効果を有する機器を得ることができる。例えば、送風機のモーターとして用いても良い。この送風機を空気調和機、換気扇又は給湯器に搭載することにより、実施の形態1に記載の効果を有する機器を得ることができる。
実施の形態1〜5では、主素子チップ20にシリコンとその化合物を用いたが、SiC(炭化珪素)、GaN(窒化ガリウム系材料)又はC(ダイヤモンド)等のその他のワイドバンドギャップ半導体を用いても良く、この場合も同様の効果が得られることはいうまでもない。
実施の形態1〜5の主回路素子2の主素子チップ20にMOSFETを用いてもよい。MOSFETは通流抵抗が温度とともに上昇し、損失が増加する特性を有する。本例では、上述したように、主回路素子2の熱を流体に放熱することにより、流れのない空気中に放熱する場合に比べて主回路素子2の温度を低減することが可能である。このように主素子チップ20のMOSFETの素子温度の低下により通流抵抗が減少するため、より損失の少ない電力変換回路内蔵モーター、電力変換回路内蔵モーターを備えたポンプ、このポンプを備えた空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを備えた機器を得ることができる。
実施の形態8は、電力変換回路内蔵モーターの具体的な回路構成について説明するものである。
電力変換回路内蔵モーター100は、モーター10と一体化されモールド筐体で構成されている。電力変換回路内蔵モーター100は、モーター10の回転を検出するホール素子5、ゲート信号生成回路106、ゲートドライブ回路109、チャージポンプダイオード111及び主回路素子2a〜2f(上記実施の形態の主回路素子2)等から構成されている。電力変換回路内蔵モーター100には、商用交流電源を整流平滑した直流高圧電源101と、直流高圧電源101を降圧した直流低圧電源102と、モーター10の回転数に比例したパルス信号を出力するFG出力線104と、出力電圧又は出力回転数の指令をアナログ電圧で行う指令入力線103とが接続されている。主回路素子2a〜2fは、Siチップを用いたMOSFETチップを面実装パッケージ内に内蔵した、面実装MOSFETである。なお、主回路素子2a〜2fはMOSFETに限られず、IGBTとしてもよいし、主回路素子毎にMOSFET又はIGBTを選択してもよい。ゲートドライブ回路109及び主回路素子2a〜2fがインバーターに相当する。なお、主回路素子2a〜2fには、上記実施の形態1の図3で説明した接続構造が適用されている。
実施の形態9は、図7に示した実施の形態8の過熱保護回路120の具体的な回路構成を説明するものである。
実施の形態9の過熱保護回路120は、図1の過熱検知素子3に相当する面実装タイプの正特性の感温抵抗素子3、分圧抵抗R3、抵抗R4、抵抗内蔵トランジスタ(ディジタルトランジスタ)Q1、抵抗R5、抵抗R6、コンデンサC1及びコンデンサC2を有している。VBは過熱保護回路120の基準電圧である。比較回路130は主回路素子2に内蔵される。基準電源131は図7のゲート信号生成・ゲートドライブIC107に内蔵される。また、図8において132は母線電流ラインである。
実施の形態10は、図7に示した実施の形態8の過熱保護回路120の実施の形態9とは別の具体的な回路構成を説明するものである。
実施の形態10の過熱保護回路120は、抵抗R7と、図1の過熱検知素子3に相当する面実装タイプの正特性の感温抵抗素子3とを備えている。また、シャント抵抗RSは、実施の形態10では一つの抵抗から構成されている。
Claims (14)
- パッケージ化された面実装タイプの主回路素子を有する電力変換回路が実装されたプリント基板と、
前記プリント基板の前記主回路素子の実装面と反対の面側に配置されたステーターと、
内側が流体通過領域となり、前記プリント基板と接触又は近接するようにして前記ステーターの内側に配置されたカップと、
前記プリント基板の前記実装面と反対側の面において前記カップの底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔とを備え、
前記主回路素子は、パッケージ内部の素子チップの両面のうち、前記プリント基板への実装状態において前記プリント基板側となる面にヒートスプレッダが接合されており、前記ヒートスプレッダが、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に結合されていることを特徴とする電力変換回路内蔵モーター。 - 前記ヒートスプレッダと前記プリント基板間の結合が半田により行われることを特徴とする請求項1記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記スルーホール内に半田が充填され、前記ヒートスプレッダが前記スルーホール内の半田を介して前記放熱用銅箔に結合されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記主回路素子の前記素子チップをMOSFETとしたことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記主回路素子の前記素子チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項5記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記主回路素子の近傍に配置された温度検出手段を有し、前記温度検出手段により前記主回路素子の過熱を検出した場合は、前記主回路素子の動作を制限することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記ヒートスプレッダと前記プリント基板との間の銅箔を前記プリント基板上で延長させて前記温度検出手段の周囲を取り囲むように形成すると共に、前記取り囲んだ部分の銅箔を、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に結合するようにしたことを特徴とする請求項7記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 前記主回路素子であるスイッチング素子を複数有し、前記複数のスイッチング素子を2組に分けたうちの一方の組をPWMでスイッチングを行う構成とし、PWMでスイッチングを行う組のスイッチング素子と残りの組のスイッチング素子とを1個ずつ交互に前記プリント基板上に配置実装したことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
- 請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする流体ポンプ。
- 請求項10記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする空気調和機。
- 冷媒−空気熱交換器を持つ室外機と、水−冷媒熱交換器を持つ流量制御ユニットと、水−空気熱交換器を持つ室内機とを備え、前記水−冷媒熱交換器と前記水−空気熱交換器との間で水が循環する水回路に前記流体ポンプを搭載したことを特徴とする請求項11記載の空気調和機。
- 請求項10記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする給湯器。
- 請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする機器。
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