JP5774946B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インバータ装置に関する。

本体の内部に基板実装型の半導体モジュールを備えたインバータ装置では、半導体モジュールの内部に短絡などの不具合が生じると、熱膨張などによって表面に亀裂が発生し、その亀裂から火花が飛び出ることがある。この火花が他の電子部品に悪影響を与えることを防ぐため、例えば引用文献１では、基板と半導体モジュールとの間に遮蔽物を設けている。これにより、火花が飛び散る方向を制限し、この火花が他の電子部品に与える影響の低減を図っている。

しかし、一般にインバータ装置の本体には通気口など外部と連通する部分が設けられており、半導体モジュールで生じた火花が、この通気口などから本体の外部へ飛び散ることがある。そのため、半導体モジュールを備えるインバータ装置は、半導体モジュールから火花が飛び出た場合であっても、その火花が本体の外部へ飛び散ることがないように構成する必要がある。

特開２０１１−６６９９６号公報

ここで、半導体モジュールから飛び出た火花が本体の外部へ飛び散ることを抑制するために、例えば遮蔽物となる専用の部品を追加することは容易である。しかし、この場合、部品点数が増えることによって組立効率が低下し、ひいては製品のコストが増加する。
そこで、半導体モジュールから飛び出た火花が本体の外部へ飛び散ることを抑制する構成を、部品点数やコストを増加させることなく実現できるインバータ装置を提供する。

本実施形態のインバータ装置は、箱部材および覆い部材を有し内部に空間が形成された本体と、前記覆い部材に形成されて前記本体の内部と外部とを連通する通気口と、前記本体の内部に設けられた放熱器と、前記本体の内部にあって前記放熱器の前記覆い部材側に設けられた半導体モジュールと、前記本体の内部にあって前記半導体モジュールに対し前記覆い部材側に設けられて前記半導体モジュールが実装される基板と、を備え、さらに、第一構成および第二構成のうち、少なくともいずれか一方の構成を備えている。
第一構成は、前記半導体モジュールが前記放熱器に固定部材によって取外し可能に取付けられ、前記基板が前記固定部材に対向する複数の穴を有し、前記覆い部材が前記穴を塞ぐ閉塞部を一体に有している構成である。
第二構成は、前記箱部材が、前記半導体モジュールを通す窓部を有して前記放熱器と前記基板との間を仕切る仕切り壁と、前記窓部と前記箱部材の周壁との間でかつ前記仕切り壁と前記基板との間にあって前記仕切り壁から突出して設けられた遮蔽部と、を一体に有している構成である。

一実施形態によるインバータ装置の外観を示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の本体部分を分解して示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の箱部材を示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の半導体モジュールを示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の基板を示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の覆い部材を下方から示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の本体部分を破断して示す斜視図 一実施形態によるインバータ装置の図７の一部を拡大して示す斜視図

以下、一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、インバータ装置１０は、操作盤１１、蓋体１２、および本体１３などを有して構成されている。以下、本体１３に対し、操作盤１１および蓋体１２側をインバータ装置１０の上側として説明する。

操作盤１１は、ダイヤル１１１、ボタン１１２、および液晶パネル１１３などを有している。使用者は、ダイヤル１１１やボタン１１２を操作することにより、インバータ装置１０の運転内容を決定する。そして、その操作内容やインバータ装置１０の運転状態は、液晶パネル１１３に表示される。この操作盤１１は、蓋体１２の上側に設けられている。蓋体１２は、樹脂などにより下方が開口した矩形の箱状に形成され、本体１３の上側に設けられている。本体１３は、箱部材１４および覆い部材１５から構成されている。本体１３の内部つまり箱部材１４および覆い部材１５の内側には空間が形成されている。本体１３は、その内部に、図２に示す半導体モジュール１６と基板１７とを収容し、さらに図７に示す放熱器１８を収容している。

箱部材１４は、樹脂などにより全体として箱状に形成されている。具体的には、図３に示すように、箱部材１４は、主に周壁１４１および仕切り壁１４２などから構成されている。周壁１４１は、全体として矩形の筒状に形成されて、その矩形の長手方向における一端部が離間している。この周壁１４１の離間部分には、図１に示すように、送風装置１９が設けられる。また、周壁１４１は、図２および図７にも示すように、送風装置１９に対向する部分に排気口１４３が形成されている。

仕切り壁１４２は、図３に示すように、周壁１４１の筒状の内側部分において、周壁１４１の上部寄りに設けられている。この仕切り壁１４２は、板状に形成されて、周壁１４１に対して直角に設けられている。これにより、仕切り壁１４２は、周壁１４１の筒状の内側すなわち箱部材１４の内部を、基板１７が配置される上部の空間と、放熱器１８が配置される下部の空間とに区分けしている。これら周壁１４１および仕切り壁１４２は、樹脂などにより一体に形成されている。

仕切り壁１４２は、窓部１４４を有している。窓部１４４は、箱部材１４の短手方向における中央部分であって、長手方向における送風装置１９とは反対側寄りの部分において、仕切り壁１４２を板厚方向へ貫いて形成されている。この場合、窓部１４４は、箱部材１４の長手方向に長い矩形に形成されている。そして、この窓部１４４によって、箱部材１４の内部における上部の空間と下部の空間とが連通している。箱部材１４の下側には、図１、図２、および図７に示すように、底板２０が設けられる。この底板２０は、例えばアルミやステンレス鋼などの金属板で構成されている。

また、箱部材１４は、図３に示すように、遮蔽部１４５を有している。遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２の上側にあって、窓部１４４に対して送風装置１９とは反対側における周壁１４１と窓部１４４との間に設けられている。この場合、遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２の上側面において窓部１４４の縁部から周壁１４１までの距離が最も短い部分に設けられている。この遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２の上側面に対して直角に配置された板状の部材によって構成されている。

具体的には、遮蔽部１４５は、板状の部材が仕切り壁１４２の上側面から上方へ突出して構成されている。この遮蔽部１４５は、中心部が窓部１４４の短手方向に対して平行に延び、その両側が折れ曲がって窓部１４４側における窓部１４４の短手方向の外側へ広がるように傾斜し、さらにその先が折れ曲がって窓部１４４の長手方向へ延びている。つまり、遮蔽部１４５は、窓部１４４の中心部側へ向かって開口したいわゆる扇状に形成されている。これにより、遮蔽部１４５は、窓部１４４の外側の一部を囲んでいる。つまり、遮蔽部１４５は、窓部１４４の外側において、送風装置１９とは反対側の短手方向の縁部全体を囲んでいる。この遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２に一体に形成されている。すなわち、周壁１４１と仕切り壁１４２と遮蔽部１４５とは一体に形成されている。

放熱器１８は、図７に示すように、本体１３の下部の空間すなわち箱部材１４の内側において仕切り壁１４２よりも下方に設けられている。放熱器１８は、例えばアルミや銅などの熱伝導率の高い材料で構成された、いわゆるヒートシンクである。放熱器１８は、台座部１８１および複数の放熱部１８２を一体にして構成されている。台座部１８１は、仕切り壁１４２に対して平行な板状に形成されている。放熱部１８２は、板状に形成され、台座部１８１に対して直角に設けられている。また、放熱器１８の台座部１８１には、台座部１８１の上側面から下方へ向かって複数この場合四個の雌ねじ１８３が形成されている。この雌ねじ１８３および雌ねじ１８３にねじ込まれる雄ねじ２１によって、半導体モジュール１６は、放熱器１８の台座部１８１に取外し可能に取付けられている。この場合、雄ねじ２１は、固定部材として機能している。

半導体モジュール１６は、ダイオードやトランジスタなど複数の半導体素子を一つのパッケージに集約して収めたものである。本実施形態の場合、半導体モジュール１６は、電源供給用のいわゆるパワー半導体モジュールなどである。半導体モジュール１６は、図４に示すように、モジュール本体１６１および複数のピン１６２などから構成されている。モジュール本体１６１は、矩形の板状に形成されている。複数のピン１６２は、モジュール本体１６１の上側の周縁部から上方へ向かって突出して設けられている。

また、モジュール本体１６１の四隅には取付け穴１６３が形成されている。この取付け穴１６３は、モジュール本体１６１の四隅を円形に板厚方向へ貫いて形成されている。この場合、台座部１８１の雌ねじ１８３は、取付け穴１６３に対向する位置に形成されている。そして、半導体モジュール１６は、四個の雄ねじ２１によって、放熱器１８の台座部１８１に取外し可能に取付けられている。この場合、半導体モジュール１６の下側面は、台座部１８１の上側面に接触している。

この構成において、送風装置１９が駆動されると、送風装置１９の送風作用によって、送風装置１９から箱部材１４の内部へ外気が吸い込まれる。そして、送風装置１９から箱部材１４の内部に入った空気は、複数の放熱部１８２の間を通り、排気口１４３から箱部材１４の外部へ排出される。このとき、放熱部１８２と空気との間で熱交換が行われ、放熱部１８２が冷却される。つまり、半導体モジュール１６で生じた熱は、放熱器１８の放熱部１８２から放熱される。これにより、半導体モジュール１６は冷却される。

また、図２および図７に示すように、半導体モジュール１６の上側には、基板１７が設けられている。基板１７は、例えばプリント配線基板などで構成されており、図５にも示すように、矩形の板状に形成されている。基板１７の上側面には、例えばリレーやコンデンサなどの電子部品が設けられるとともに図示しない回路パターンが形成されている。また、基板１７は、複数のピン用穴１７１を有している。ピン用穴１７１は、半導体モジュール１６のピン１６２にそれぞれ対応し、基板１７を板厚方向へ貫いて形成されている。

半導体モジュール１６は、図７に示すように、複数のピン１６２を基板１７のピン用穴１７１に通して設けられている。この場合、ピン１６２と、基板１７に形成された回路パターンとはハンダなどにより電気的に接続されている。このように、半導体モジュール１６は、基板１７に実装されている。そして、遮蔽部１４５の上端部は、基板１７の下側面に接触している。これにより、遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２と基板１７との間を塞いでいる。

また、図５に示すように、基板１７には、複数この場合四個の穴１７２、１７３が形成されている。この四個の穴１７２、１７３は、図２に示すように、半導体モジュール１６の取付け穴１６３に対向して、基板１７を板厚方向へ円形に貫いて形成されている。この場合、四個の穴１７２、１７３のうち、二個の穴１７２は、基板１７の長手方向において送風装置１９とは反対側寄りに形成されている。一方、残り二個の穴１７３は、基板１７の長手方向において送風装置１９側寄りに形成されている。そして、これら四個の穴１７２、１７３は、それぞれ雄ねじ２１に対向している。

穴１７２、１７３の内径は、雄ねじ２１の頭部の外径よりも大きく形成されている。この場合、雄ねじ２１の頭部は、穴１７２、１７３から基板１７の上方を臨んでいる。そのため、半導体モジュール１６は、基板１７に実装された状態であっても、雄ねじ２１を基板１７の穴１７２、１７３に通すことで、放熱器１８に取付けることができ、また、放熱器１８から取外すことができる。

覆い部材１５は、図２にも示すように、箱部材１４の上側に設けられて、基板１７の上方を覆っている。この覆い部材１５は、図６に示すように、全体として下方が開口した浅い矩形の箱状に形成されている。具体的には、覆い部材１５は、主体部１５１と、複数組この場合二組の大径円筒部１５２および小径円筒部１５３とを有して構成されている。これら主体部１５１、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は、樹脂などにより一体に形成されている。つまり、覆い部材１５は、主体部１５１と、大径円筒部１５２と、小径円筒部１５３とを一体にして構成されている。

この主体部１５１には、通気口１５４、１５５が形成されている。通気口１５４は、主体部１５１における短手の周壁のうち、送風装置１９とは反対側の周壁を貫いて形成されている。また、通気口１５５は、主体部１５１における長手の両側の周壁を貫いて形成されている。これら通気口１５４、１５５は、本体１３の内部であって仕切り壁１４２の上側の空間と外部とを連通している。この場合、基板１７に形成された穴１７２、１７３について、穴１７２から通気口１５４までの距離は、穴１７３から通気口１５５までの距離に比べて短い。つまり、四個の穴１７２、１７３のうち、二個の穴１７２は、通気口１５４を介して、本体１３の外部に最も近い位置に形成されている。

二組の大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は、基板１７に形成された四個の穴１７２、１７３のうち、通気口１５４に近い二個の穴１７２に対向して設けられている。具体的には、図６に示すように、大径円筒部１５２は、円筒に形成されて、主体部１５１から下方へ垂直に突出して設けられている。そして、大径円筒部１５２は、基板１７の上側面近傍まで延びている。大径円筒部１５２は、その外径が基板１７の穴１７２の内径よりも大きい寸法に設定されて、穴１７２の上方を覆っている。また、大径円筒部１５２は、図８に示すように、上端側は主体部１５１の接続部分において上方へ向かって開口しているが、下端側は閉塞している。

小径円筒部１５３は、大径円筒部１５２よりも小径の円筒に形成されて、大径円筒部１５２の下端側に設けられている。小径円筒部１５３の中心軸は大径円筒部１５２の中心軸に一致している。この小径円筒部１５３は、その外径が基板１７の穴１７２の内径よりもやや小さい寸法に設定され、基板１７の穴１７２に差し込まれている。また、小径円筒部１５３は、下端側は下方へ向かって開口しているが、上端側は大径円筒部１５２との接続部分において閉塞している。そのため、大径円筒部１５２の内側と小径円筒部１５３の内側とは連通していない。この場合、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は、その外径が異なるので、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３の境界に段が形成された、いわゆる段付き支柱を構成している。

このように、大径円筒部１５２は、その下端部が、基板１７の四個の穴１７２、１７３のうち通気口１５４に近い二個の穴１７２の上方を覆っている。そして、小径円筒部１５３は、それぞれ穴１７２に差し込まれて穴１７２の内側を塞いでいる。つまり、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は、基板１７に形成された四個の穴１７２、１７３のうち、通気口１５４に近い二個の穴１７２を閉塞している。この場合、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は閉塞部を構成している。

これによれば、インバータ装置１０は、第一構成として次の構成を備えている。すなわち、半導体モジュール１６は、放熱器１８の台座部１８１に、雄ねじ２１によって取外し可能に取付けられている。基板１７には、雄ねじ２１に対向する複数この場合二個の穴１７２が形成されている。覆い部材１５は、二組の大径円筒部１５２および小径円筒部１５３を一体に有している。この二組の大径円筒部１５２および小径円筒部１５３は、穴１７２を塞いでいる。

この構成によれば、基板１７に形成された穴１７２、１７３のうち、インバータ装置１０の内部側ではなく外縁側に存在する二個の穴１７２は、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３によって塞がれている。そのため、例え半導体モジュール１６に不具合が生じて、半導体モジュール１６の表面から火花が飛び出たとしても、火花が穴１７２を通って基板１７の上方へ回り込み通気口１５４などから本体１３の外部へ飛び散ることを抑制することができる。また、この場合、小径円筒部１５３が穴１７２の内側に差し込まれているため、火花の勢いを効果的に低減することができる。その結果、インバータ装置１０の安全性の向上が図られる。

また、インバータ装置１０は、第二構成として次の構成を備えている。すなわち、箱部材１４は、仕切り壁１４２および遮蔽部１４５を一体に有している。仕切り壁１４２は、半導体モジュール１６を通す窓部１４４が形成されている。仕切り壁１４２は、放熱器１８の台座部１８１の上側面と基板１７の下側面との間を仕切っている。遮蔽部１４５は、半導体モジュール１６の外側にあって仕切り壁１４２の上側面と基板１７の下側面との間を塞いでいる。

この構成によれば、半導体モジュール１６と仕切り壁１４２との間は、遮蔽部１４５によって塞がれている。そのため、仮に半導体モジュール１６に不具合が生じて、半導体モジュール１６の表面から火花が飛び出たとしても、火花が基板１７の周囲の隙間すなわち基板１７の周縁部と箱部材１４の周壁１４１との間を通って基板１７の上方へ回り込み、通気口１５４などから本体１３の外部へ飛び散ることを抑制することができる。その結果、インバータ装置１０の安全性の向上が図られる。

さらに、第一構成によれば、覆い部材１５は、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３を一体に有している。また、第二構成によれば、箱部材１４は、仕切り壁１４２および遮蔽部１４５を一体に有している。これによれば、半導体モジュール１６から飛び出た火花が本体１３の外部へ飛び散ることを抑制できる第一構成および第二構成を、部品点数を増加させることなく採用することができる。これにより、組立性への影響を低減することができ、ひいてはコスト増加の抑制を図ることができる。

ここで、半導体モジュール１６から飛び出た火花による熱エネルギーが、基板１７の下方の空間すなわち仕切り壁１４２と基板１７との間の狭い空間に集中すると、半導体モジュール１６の周辺が高温状態となる。そのため、本実施形態では、基板１７に形成された四個の穴１７２、１７３のうち、外部に連通する通気口１５４に最も近い二個の穴１７２を、大径円筒部１５２および小径円筒部１５３によって塞いでいる。そして、外部から遠い二個の穴１７３を開放している。これによれば、四個の穴１７２、１７３のうち、外部から遠い二個の穴１７３を通して熱エネルギーを基板１７の上方へ分散させることができる。そのため、火花が通気口１５４から外部へ飛び散ることを抑制しつつ、基板１７の下方の狭い空間に熱エネルギーが蓄積されることを抑制することができる。その結果、インバータ装置１０のさらなる安全性の向上を図ることができる。

また、遮蔽部１４５は、仕切り壁１４２の上側面において窓部１４４の縁部から周壁１４１までの距離が最も短い部分に設けられている。そして、この遮蔽部１４５は、半導体モジュール１６の中心部へ向かって開口した、いわゆる扇状に形成されている。これによれば、半導体モジュール１６から飛び出た火花を、基板１７と箱部材１４の周壁１４１との間に形成される隙間に向かう方向ではなく、その方向とは反対側である半導体モジュール１６の中心部側へ向かわせることができる。したがって、火花が基板１７の上方へ回り込み本体１３の外部へ飛び散ることをより確実に抑制することができる。さらに、火花を半導体モジュール１６の中心部へ向かわせることで、火花が他の電子部品に与える影響を低減することができる。その結果、インバータ装置１０のさらなる安全性の向上を図ることができる。

なお、遮蔽部１４５は、半導体モジュール１６から外部に連通する通気口１５４、１５５に最も近い部分に少なくとも一個設ければよいが、複数個設けてもよい。
また、基板１７に形成される穴１７２の数や位置は上記構成に限定されず、例えば四個以上あってもよい。
さらに、固定部材は、雄ねじ２１に代えて、例えばボルトなどでもよい。つまり、固定部材は、穴１７２を通して半導体モジュール１６を放熱器１８に取付けおよび取外しできるものであればよい。
また、本実施形態では、蓋体１２と覆い部材１５とは別体に構成されているが、これら蓋体１２および覆い部材１５を一体に形成してもよい。
さらに、本実施形態では、送風装置１９は、排出口１４３側へ送風する構成としたが、送風装置１９の送風方向を逆にしてもよい。つまり、送風装置１９は、箱部材１４内の空気を、送風装置１９から外部へ排出する方向へ送風する構成にしてもよい。この場合、排気口１４３は、箱部材１４内へ外気を取り込む給気口として機能する。
インバータ装置１０は、第一構成および第二構成のうち、少なくともいずれか一方を備える構成としてもよい。

以上説明した実施形態によれば、半導体モジュールから飛び出た火花が本体の外部へ飛び散ることを抑制することのできる構成を、部品点数を増加させることなく実現することができる。その結果、組立性への影響の低減を図ることができ、ひいてはコスト増加の抑制を図ることができる。
本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変更は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１０はインバータ装置、１３は本体、１４は箱部材、１４２は仕切り壁、１４４は窓部、１４５は遮蔽部、１５は覆い部材、１５２は大径円筒部（閉塞部）、１５３は小径円筒部（閉塞部）、１５４、１５５は通気口、１６は半導体モジュール、１７は基板、１７２、１７３は穴、１８は放熱器、２１は雄ねじ（固定部材）を示す。

Claims (3)

1. 箱部材および覆い部材を有し内部に空間が形成された本体と、
   前記覆い部材に形成されて前記本体の内部と外部とを連通する通気口と、
   前記本体の内部に設けられた放熱器と、
   前記本体の内部にあって前記放熱器の前記覆い部材側に設けられた半導体モジュールと、
   前記本体の内部にあって前記半導体モジュールに対し前記覆い部材側に設けられて前記半導体モジュールが実装される基板と、
   を備え、さらに、
   前記半導体モジュールが前記放熱器に固定部材によって取外し可能に取付けられ、前記基板が前記固定部材に対向する複数の穴を有し、前記覆い部材が前記穴を塞ぐ閉塞部を一体に有している第一構成、
   および、
   前記箱部材が、前記半導体モジュールを通す窓部を有して前記放熱器と前記基板との間を仕切る仕切り壁と、前記窓部と前記箱部材の周壁との間でかつ前記仕切り壁と前記基板との間にあって前記仕切り壁から突出して設けられた遮蔽部と、を一体に有している第二構成、
   のうち少なくともいずれか一方の構成を備えていることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記閉塞部は、前記複数の穴のうち前記通気口に近い穴を塞ぐことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
3. 前記遮蔽部は、前記半導体モジュールの中心部へ向かって開口していることを特徴とする請求項１または２記載のインバータ装置。

Images