JP5656554B2 - インバータ一体型電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング外周に設けられたインバータボックスの内部にインバータを設置して構成されるインバータ一体型電動圧縮機に関する。

近年、内燃機関で走行する自動車以外に、電気自動車やハイブリッド自動車、あるいは燃料電池自動車のように、電気の動力を利用して走行する車両の開発及び市場への投入が急速に進んでいる。このような電気を動力とする自動車用の空調装置は、その多くが冷媒を圧縮して送出する圧縮機についても、駆動源として電気を動力とする電動機を用いた電動圧縮機が用いられる。
また、内燃機関で走行する自動車の空調装置においても、走行用の内燃機関により電磁クラッチを介して駆動される圧縮機の代わりに、電磁クラッチの断続に伴うドライバビリティーの低下を改善するため、電動圧縮機を使用したものがある。

こうした電動圧縮機としては、圧縮機構及び電動機をハウジング内に一体的に内蔵した密閉型電動圧縮機が採用され、さらには、電源から入力される電力を、インバータを介して電動機に供給するようにし、空調負荷に応じて圧縮機の回転数を可変制御できるようにしたものが多く採用されている。このような電動圧縮機には、ハウジング外周に設けられたインバータボックスの内部にインバータを設置して構成されるインバータ一体型電動圧縮機（以下、「電動圧縮機」と呼ぶ）がある。

図２及び図３に示す従来の電動圧縮機１は、ステータ部及びロータ部を有する電動機部１０と、電動機部１０を作動させるためのインバータを含む駆動回路部２０と、電動機部１０によって回転駆動されて冷媒（流体）を圧縮する圧縮部３０とを備え、外殻をなすアルミニウム合金製のハウジング２に一体化されている。このハウジング２は、圧縮機側ハウジング３と電動機側ハウジング４とに分割され、両ハウジング３，４の間に軸受ハウジング５を挟み込んだ状態にして、ボルト６を締め付けて一体に固定されている。

圧縮機側ハウジング３内には、公知のスクロール圧縮機構を備えた圧縮部３０が組み込まれている。また、電動機側ハウジング４内には、電動機部１０を構成するステータ１１及びロータ１２が組み込まれている。
圧縮部３０と電動機部１０との間は、主軸１３を介して連結され、電動機部１０を回転させることにより、圧縮部３０が駆動されるように構成されている。なお、図中の符号１４は軸受ハウジング５に保持されたメインベアリング、符号１５は電動機側ハウジング４の端部に保持されたサブベアリングである。

また、電動機側ハウジング４の端部には、図示しない冷媒吸入口が設けられており、該冷媒吸入口には冷凍サイクルの吸入配管が接続され、低圧の冷媒ガスが電動機側ハウジング４内に吸入されるようになっている。この冷媒ガスは、電動機側ハウジング４内を流通して電動機部１０を冷却した後に圧縮部３０のスクロール圧縮機構に吸い込まれ、そこで圧縮されて高温高圧の冷媒ガスとなり、圧縮機側ハウジング３の端部に設けられている図示しない吐出口から冷凍サイクルの吐出配管へと吐出される。

電動機部１０は、駆動回路部２０のインバータを介して駆動され、空調負荷に応じて回転数が可変制御されるものである。インバータを含む駆動回路部２０は、ハウジング２の外周に一体に形成されたインバータボックス２１の内部に収納設置されている。インバータはパワー基板２２やＣＰＵ基板２３を主要な構成部品とし、一方のパワー基板２２は、平滑コンデンサ２４やパワーモジュール２５等の発熱素子を備えており、他方のＣＰＵ基板２３は、ＣＰＵ等の低電圧で動作する素子を備えている。

また、インバータボックス２１の底面は、電動機側ハウジング４の外壁を構成する部分であり、この外壁には、発熱素子を備えたパワー基板２２や蓋部材２６と平行な放熱用平面部２７が形成されている。そして、放熱用平面部２７上には、たとえばアルミニウム合金製等の良熱伝導性材料から形成されたプレート状の熱伝導部材２８が敷設されており、この熱伝導部材２８がアルミニウム合金製の電動機側ハウジング４に当接している。
なお、上述した発熱素子の平滑コンデンサ２４及びパワーモジュール２５は、熱伝導部材２８に接して設置されている。

このような電動圧縮機１には、吸入冷媒によって駆動回路部２０のインバータ及び電動機部１０を冷却するものがある。
すなわち、圧縮部３０へ吸入されて圧縮される前の吸入冷媒を冷却用媒体とし、この冷却用媒体が電動機部１０の内部を主軸１３と略平行に通過して流れるようにするため、たとえば図３に示すように、ステータ１１の外周とハウジング２を構成する電動機側ハウジング４の内周面４ａに設けた溝７とにより形成した複数の媒体流路８を円周方向に配置している。図示の例では、流路断面積を同じにした合計６本の媒体流路８を備えており、放熱用平面部２７の真下に設けた媒体流路８から周方向へ等ピッチに配置されている。

また、下記の特許文献１には、ステータ外周面に設けた溝とハウジング内周面とによって形成した通路に圧縮前の冷媒を流す電動圧縮機が開示されている。この従来技術では、駆動回路部が取り付けられた部分に設けられる通路の断面積を、それ以外の部分に設けられるものより大きくしている。

特許第３８１８２１３号公報

ところで、上述した図２及び図３の従来技術によれば、媒体流路８の流路断面積が全て同じであるため、発熱源に近く大きな熱影響を受ける媒体流路８を流れる冷媒の温度が高くなる。このため、電動機側ハウジング４内を流れる冷媒には、周方向の温度分布が生じてしまう。
このような温度分布は、電動機部１０の温度を不均一にするので、電動機効率やステータ保持力を低下させる原因となる。このため、電動機側ハウジング４内を流れる冷媒の周方向温度分布は、電動圧縮機１の信頼性を損なう要因となり、改善が望まれている。

一方、特許文献１に記載された従来技術は、駆動回路部に近い通路の断面積をそれ以外の部分より大きくしている。このため、冷媒の主流は、流路抵抗が小さく断面積の大きい通路を流れ、従って、駆動回路部から遠く断面積の小さい流路では、必要な冷媒流量の確保が困難になる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却媒体となる冷媒の温度分布をなくすことにより、電動機の効率や信頼性を向上させたインバータ一体型電動圧縮機を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機は、ステータ部とロータ部とを有する電動機部と、該電動機部を作動させるためのインバータを含む駆動回路部と、前記電動機部によって回転駆動されて流体を圧縮する圧縮部とがハウジングに一体化されているインバータ一体型電動圧縮機において、前記圧縮部へ吸入されて圧縮される前の流体を冷却用媒体として前記電動機部の内部を前記電動機部の回転軸と略平行に通過して流れるようにするため、前記ステータ部の外周と前記ハウジングの内周面に設けた溝とにより円周方向へ等ピッチに配置された複数の媒体流路を形成し、該媒体流路の流路断面積が、前記駆動回路部に近い位置で最も大きく、かつ、前記駆動回路部に近い位置から１８０度回転させた位置で最も小さくなるように、前記駆動回路部から遠い位置程段階的に小さくなるように設定されていることを特徴とするものである。

このようなインバータ一体型電動圧縮機によれば、圧縮部へ吸入されて圧縮される前の流体を冷却用媒体として電動機部の内部を電動機部の回転軸と略平行に通過して流れるようにするため、ステータ部の外周とハウジングの内周面に設けた溝とにより円周方向へ等ピッチに配置された複数の媒体流路を形成し、該媒体流路の流路断面積が、前記駆動回路部に近い位置で最も大きく、かつ、前記駆動回路部に近い位置から１８０度回転させた位置で最も小さくなるように、前記駆動回路部から遠い位置程段階的に小さくなるように設定されているので、発熱体となる駆動回路部に近い媒体流路の流路断面積を最大にして冷却用媒体の流量配分を増すことができる。このため、ハウジングの円周方向に配置した複数の媒体流路を流れる冷却用媒体は、発熱体に近く流路断面積の大きい媒体流路を流れる冷却用媒体の温度低下により、ハウジング内の周方向に生じていた温度分布が解消されて均一化する。

上記の発明において、前記駆動回路部の設置面下部を通る前記媒体流路の壁面に放熱促進部を設けることが好ましく、これにより、発熱体となる駆動回路部の冷却効率が向上する。この場合に好適な放熱促進部としては、たとえばディンプルやフィン等のように、冷却用媒体と接する表面積を増すものがある。

上記の発明において、前記ハウジングは、前記駆動回路部との接続部にくびれを設けて周方向の肉厚を略一定にすることが好ましく、これにより、周方向のステータ保持力が略一定になる。

上述した本発明のインバータ一体型電動圧縮機によれば、ハウジングの円周方向に配置した複数の媒体流路を流れる冷却用媒体は、発熱体に近く流路断面積の大きい媒体流路の流量配分が増し、冷却用媒体の温度が低下することにより、ハウジングの周方向に生じていた温度分布が解消されて均一化するので、電動圧縮機の効率向上や信頼性向上という顕著な効果が得られる。
また、冷媒温度に周方向の分布がある場合と比較して、発熱体に近い冷却用媒体の温度が低下するので、インバータ温度を低くして運転範囲の拡大が可能になるという効果も得られる。

本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機の一実施形態を示す軸方向と直交する方向の縦断面図である。 インバータ一体型電動圧縮機の従来例を示す軸方向の縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図（軸方向と直交する方向の断面）である。

以下、本発明に係るインバータ一体型電動圧縮機（以下、「電動圧縮機」と呼ぶ）の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の電動圧縮機１Ａは、図２に示した電動圧縮機１の軸方向と直交する方向の縦断面図である。なお、図１の縦断面図は、図２のＡ−Ａ断面を示す従来構造の図３に対応しており、従って、図２及び図３と同様の部分には同じ符号を付す。

電動圧縮機１Ａは、図１及び図３に示すように、ステータ（ステータ部）１１及びロータ（ロータ部）１２を有する電動機部１０Ａと、電動機部１０Ａを作動させるためのインバータを含む駆動回路部２０と、電動機部１０Ａによって回転駆動されて流体を圧縮する圧縮部３０とを備え、電動機部１０Ａ、駆動回路部２０及び圧縮部３０がハウジング２に一体化された構成となっている。

この電動圧縮機１Ａは、たとえば電気自動車やハイブリット自動車等のように、電気を動力として走行する車両の空調装置に使用され、低圧の冷媒ガスを吸い込んで圧縮した高温高圧の冷媒ガスを冷凍サイクルに供給する。
電動圧縮機１Ａの外殻をなすハウジング２は、圧縮機側ハウジング３と電動機側ハウジング４とに分割されたルミニウム合金製である。なお、ハウジング２は、圧縮機側ハウジング３と電動機側ハウジング４との間に軸受ハウジング５を挟み込み、ボルト６を締め付けて一体に固定されている。

一方の圧縮機側ハウジング３内には、スクロール圧縮機構を備えた圧縮部３０が組み込まれ、他方の電動機側ハウジング４内には、電動機部１０Ａを構成するステータ１１及びロータ１２が組み込まれている。そして、圧縮部３０と電動機部１０Ａとの間は、主軸１３を介して連結されており、従って、電動機部１０を回転させると圧縮部３０が駆動されて回転する。
電動機部１０Ａは、駆動回路部２０のインバータを介して駆動され、空調負荷に応じて回転数が可変制御される。インバータを含む駆動回路部２０は、ハウジング２の外周に一体に形成されたインバータボックス２１の内部に収納設置されている。

インバータは、たとえば図２に示すように、パワー基板２２やＣＰＵ基板２３を主要な構成部品とし、一方のパワー基板２２は、平滑コンデンサ２４やパワーモジュール２５等の発熱素子を備えており、他方のＣＰＵ基板２３は、ＣＰＵ等の低電圧で動作する素子を備えている。
上述したインバータボックス２１の底面は、電動機側ハウジング４の外壁と共通の部分であり、この外壁には、発熱素子の平滑コンデンサ２４及びパワーモジュール２５が接する放熱用平面部２７が設けられている。なお、放熱用平面部２７と平滑コンデンサ２４及びパワーモジュール２５との間には、たとえばアルミニウム合金製等のように、良熱伝導性材料から形成されたプレート状の熱伝導部材２８を介在させている。

そして、本実施形態では、圧縮部３０へ吸入されて圧縮される前の流体（低圧の冷媒ガス）を冷却用媒体とし、この冷却用媒体が電動機部１０Ａの内部を流れるように、ステータ１１の外周とハウジング２の内周面に設けた溝７とにより、円周方向へ配置された複数の媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを形成している。すなわち、冷却用媒体が電動機部１０Ａの回転軸である主軸１３と略平行に通過して流れるようにするため、ステータ１１の外周面と電動機側ハウジング４の内周面４ａに設けた溝７とにより、円周方向へ配置された複数の媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを形成している。
本実施形態の媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは、その流路断面積が発熱体である平滑コンデンサ２４及びパワーモジュール２５を有する駆動回路部２０から遠い程小さくなるように設定されている。

以下、媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄの流路断面積について具体的に説明する。
図示の例では、流路断面積が異なる合計６本の媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを備えており、放熱用平面部２７の真下に設けた媒体流路８Ａから周方向へ等ピッチ（放射状の中心線位置で６０度ピッチ）に配置されている。
また、媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄの流路断面積は、放熱用平面部２７の真下で最も発熱体に近い媒体流路８Ａが最も大きくなり、この媒体流路８Ａから時計回り及び反時計回りの両方向へ６０度回転させた位置にある一対の媒体流路８Ｂ、媒体流路８Ａから時計回り及び反時計回りの両方向へ１２０度回転させた位置にある一対の媒体流路８Ｃ、及び媒体流路８Ａから１８０度回転させた位置にある媒体流路８Ｄの順に小さく（８Ａ＞８Ｂ＞８Ｃ＞８Ｄ）なっている。

このような電動圧縮機１Ａによれば、圧縮部３０へ吸入されて圧縮される前の冷媒を冷却用媒体とし、この冷却媒体が電動機部１０の内部に形成された媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを通って主軸１３と略平行に流れるようにするとともに、媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄの流路断面積が発熱源を有する駆動回路部２０から遠い程小さくなるように設定したので、発熱体を有する駆動回路部２０に近い媒体流路８Ａの流路断面積を最大にして冷却用媒体の流量配分を増すことができる。
そして、媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを流れる冷却用媒体の流量は、流路断面積が段階的に小さくなるにつれて、流路断面積に略比例して段階的に減少する。

このため、電動起側ハウジング４の円周方向に配置した複数の媒体流路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄを流れる冷却用媒体は、発熱体に近く流路断面積の大きい媒体流路を流れるものほど流量が増加するので、吸熱する熱容量も増大する。この結果、媒体流路通過後の媒体温度は、熱容量の増大に応じて低下するので、電動機側ハウジング４内の周方向に生じていた温度分布を解消して略均一化することができる。
すなわち、発熱体に近い位置の媒体流路を流れる冷却用媒体程流量が多く、吸熱する熱容量も大となるので、発熱体からの距離に応じて媒体流路の流路断面積を調整すれば、周方向の温度分布を略均一にすることができる。

このような温度分布の均一化は、電動機１０Ａに生じる温度の不均一を解消して電動機効率やステータ保持力の低下を防止するので、電動圧縮機１Ａの効率や信頼性を向上させることができる。
また、冷却媒体の温度に周方向の分布がある場合と比較すれば、発熱体に近い冷却用媒体の温度が低下することにより、駆動回路部位２０のインバータ温度を低くし、電動圧縮機１Ａの運転可能範囲を拡大することができる。

ところで、上述した実施形態において、駆動回路部２０の設置面下部を通る媒体流路８Ａの壁面には、たとえばディンプルやフィン等のような放熱促進部（不図示）を設けることが望ましい。このような放熱促進部は、特に発熱源に最も近いため高い冷却能力が求められる媒体流路８Ａにおいて、媒体流路８Ａ内を流れる冷却媒体と接する表面積を増すことにより、発熱体となる駆動回路部２０の冷却効率が向上する。

また、上述した実施形態のハウジング２は、駆動回路部２０との接続部にくびれ９が設けられている。すなわち、ハウジング２は、駆動回路部２０との接続部にくびれ９を設けたことにより、略全周にわたる円筒形状となるため、周方向の肉厚を略一定にすることができる。
このようなハウジング２の形状は、たとえば特許文献１のように接続部が幅広のものとは異なり、周方向のステータ保持力が略一定になるので、この点でも信頼性の向上に貢献する。

このように、本実施形態は、電動機側ハウジング４の形状に着目し、より合理的に発熱源であるインバータの冷却促進を達成するため、従来は全て等しかった冷媒流路の流路断面積を、発熱源であるパワーモジュール２５等の設置面である放熱用平面部２７からの距離に比例して段階的に小さくしたものである。なお、この場合の流路断面積は、鋳造品である電動機側ハウジング４について、鋳型の抜き勾配して定めることが望ましい。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１，１Ａ インバータ一体型電動圧縮機（電動圧縮機）
２ ハウジング
３ 圧縮機側ハウジング
４ 電動機側ハウジング
４ａ 内周面
７ 溝
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 媒体流路
９ くびれ
１０，１０Ａ 電動機部
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ 主軸
２０ 駆動回路部
２１ インバータボックス
２２ パワー基板
２３ ＣＰＵ基板
２４ 平滑コンデンサ
２５ パワーモジュール
２７ 放熱用平面部
３０ 圧縮部

Claims (3)

1. ステータ部とロータ部とを有する電動機部と、該電動機部を作動させるためのインバータを含む駆動回路部と、前記電動機部によって回転駆動されて流体を圧縮する圧縮部とがハウジングに一体化されているインバータ一体型電動圧縮機において、
   前記圧縮部へ吸入されて圧縮される前の流体を冷却用媒体として前記電動機部の内部を前記電動機部の回転軸と略平行に通過して流れるようにするため、前記ステータ部の外周と前記ハウジングの内周面に設けた溝とにより円周方向へ等ピッチに配置された複数の媒体流路を形成し、該媒体流路の流路断面積が、前記駆動回路部に近い位置で最も大きく、かつ、前記駆動回路部に近い位置から１８０度回転させた位置で最も小さくなるように、前記駆動回路部から遠い位置程段階的に小さくなるように設定されていることを特徴とするインバータ一体型電動圧縮機。
2. 前記駆動回路部の設置面下部を通る前記媒体流路の壁面に放熱促進部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ一体型電動圧縮機。
3. 前記ハウジングは、前記駆動回路部との接続部にくびれを設けて周方向の肉厚を略一定にしたことを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ一体型電動圧縮機。

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