JP6458131B2 - エアコンディショナ室外機 - Google Patents

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Description

本発明は、エアコンディショナ室外機などに用いられる電源モジュール、特に電源モジュールの放熱構造に関する。
従来、エアコンディショナの室外機においては、熱交換器とファンを配置した熱交換器室と、コンプレッサを配置した機械室とを区画する仕切り板を設け、仕切り板の上方に電源モジュールを配置する。そして、電源モジュールでは、熱交換器室側にパワー半導体を配置し、大型のヒートシンクを取り付けて、ファンからの送風により、パワー半導体等を冷却していた(特許文献1参照)。
また、エアコンディショナに限らず、電源装置では小型化、高効率化が求められており、例えば特許文献2には、「一方の面で電気的に接続する手段をもち、もう一方の面から熱伝導性絶縁材料でもって絶縁しながら熱を伝達する構造をもったパワーデバイスを、電気的に接続する面からプリント基板に実装し、さらに絶縁しながら熱を伝達する面を放熱器に直接接触させることにより、非常に小型で、放熱特性に優れるパワー変換装置を提供できる。」と記載されている(要約参照)。
特開2005−127691号公報 特開2002−325468号公報 特許第3312723号公報
例えば特許文献1に記載のエアコンディショナ室外機の電源モジュールでは、パワー半導体に大型のヒートシンクを取り付けるため、電源モジュールの厚さが厚くなるとともに、電源モジュールの重さが重くなる。また、特許文献2に記載の電源装置では、プリント基板とパワーデバイスとを短距離で接続できるため幾分薄型化はできるが、依然として放熱器を用いているため、さらなる薄型化・軽量化は困難である。
本発明は、これらの課題を解決し、余分な部品(ワイヤーハーネス等)を追加することなく、安価に小型・薄型で、軽量な電源モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電源モジュールの一例を挙げるならば、基板と、当該基板上に配置される電気部品と、パワー半導体を備える電源モジュールであって、前記基板は、前記電気部品が配置される第1の面側と、当該第1の面側とは反対側であって、回路パターンが設けられ前記電気部品の端子と接続が行われる第2の面側とを備え、前記パワー半導体は、前記基板の第2の面側に配置され、前記パワー半導体には、前記基板とは反対側に、熱伝導性絶縁材を介して放熱性金属板が取り付けられ、前記放熱性金属板には、金属製のカバーが密着して取り付けられているものである。
本発明の電源モジュールにおいて、前記パワー半導体と、前記熱伝導性絶縁材と、前記放熱性金属板とが一体化されてパワー半導体モジュールを形成していることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記電気部品および前記基板の第1の面側を収容するケースを備え、前記ケースと前記金属製のカバーとで、密閉構造を形成していることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記ケースは、樹脂製で良い。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記ケースは、金属製でも良く、前記金属製のケースと前記金属製のカバーとは端部において密着していることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記放熱性金属板および前記金属製のカバーは、アルミまたは銅製であることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記放熱性金属板と前記金属製のカバーとの間には、伝熱グリースが塗布されていることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記放熱性金属板には、金属製のカバーが着脱可能に取り付けられていることが好ましい。
また、本発明の電源モジュールにおいて、前記基板と電気部品とパワー半導体とでインバータ回路を構成するものであり、前記パワー半導体は、ダイオードブリッジとスイッチング素子であることが好ましい。
本発明のエアコンディショナ室外機の一例を挙げるならば、室外機シャーシ内に、熱交換器およびファンを配置した熱交換器室とコンプレッサを配置した機械室とを設け、前記熱交換器室と前記機械室とを仕切り板で区切ったエアコンディショナ室外機であって、前記仕切り板の上方に、上記の電源モジュールを、前記基板の第1の面側が下方となるように、かつ、前記金属製のカバーと前記室外機シャーシとが空間を有するように配置したものである。
本発明のエアコンディショナ室外機の他の一例を挙げるならば、室外機シャーシ内に、熱交換器およびファンを配置した熱交換器室とコンプレッサを配置した機械室とを設けたエアコンディショナ室外機であって、前記熱交換器室と前記機械室の間に、上記の電源モジュールを、上下方向に、かつ、金属製のカバーが熱交換器室側に位置するように配置したものである。
本発明によれば、電気部品を配置した第1の面側のヒートシンクを使用せず、パワー半導体を熱伝導性の絶縁材で絶縁した放熱性金属板に接着し、基板の第1の面側とは反対側の第2の面側に実装するので、余分な部品(ワイヤーハーネス等)を追加することなく、安価に小型・薄型で、軽量な電源モジュールを提供することができる。
本発明の実施例1の電源モジュールの分解斜視図である。 本発明の実施例1の電源モジュールの断面図である。 パワー半導体モジュールの熱の流れを示す断面図である。 本発明の実施例2のエアコンディショナ室外機の全体構造を示す図である。 本発明のエアコンディショナ室外機と従来のエアコンディショナ室外機の温度データを示す図である。 本発明の実施例3の電源モジュールの断面図である。 本発明の実施例4のインバータ装置の概略回路図である。 従来の電源モジュールの課題を示す図である。 本発明の電源モジュールの効果を示す図である。 本発明の実施例5のエアコンディショナ室外機の全体構造を示す図である。 実施例5のエアコンディショナ室外機に用いる電源モジュールを示す図である。 従来の電源モジュールを用いたエアコンディショナ室外機の全体構造を示す図である。 従来の電源モジュールの断面図である。
本発明の実施の形態の説明に先立って、従来のエアコンディショナ室外機の電源モジュールを説明する。
図12に、従来のエアコンディショナ室外機の一例の全体構造を示す。室外機シャーシ42内には、熱交換器(図示せず)およびファン44を配置した熱交換器室50とコンプレッサ46を配置した機械室51とが設けられ、両室の間は仕切り板43で区切られている。仕切り板43の上方には、機械室51から熱交換器室50にかけて電源モジュール10が配置されている。
図13に、従来の電源モジュールの一例の断面図を示す。基板(プリント基板)20の電解コンデンサ23,24等の電気部品を配置した第1の面側(部品面側、図の下側)には、一端にパワー半導体14が配置され、パワー半導体14には放熱用に大型ヒートシンク35が取り付けられている。部品面側の他端には、パワー半導体14の熱を避けるように、電源用の電解コンデンサ23,コンプレッサ用の電解コンデンサ24が配置され、ワイヤーハーネス38で接続されている。また、コンプレッサ用の配線、リアクタ用の配線、フェライトコア27を介してAC入力用の配線が取り付けられている。基板20の第1の面側とは反対側であって、回路パターンが設けられ、電気部品の端子と半田付け等の接続が行われる第2の面側(半田面側、図の上側)には、シリコンのコーティング材22が塗布されている。パワー半導体14等の部品が取り付けられた基板20は樹脂製のケース32に入れられ、樹脂製のカバー37で密閉されている。図において、耐熱カバー36は、大型ヒートシンク35の熱から配線を保護するものである。
図12に示すように、電源モジュール10は、パワー半導体14に取り付けた大型ヒートシンク35が熱交換器室50側に位置するように、機械室51にまたがって、配置される。そして、ファン44からの送風によって、パワー半導体14からの熱は大型ヒートシンク35から放熱され、パワー半導体14などが冷却される。
図12,図13に示される従来の電源モジュールにおいては、大型ヒートシンク35を用いてパワー半導体14を冷却するため、電源モジュール10の厚さが厚くなり、また、重量も増加する。大型ヒートシンク35の配置場所がファン44近傍に限定されているため、基板パターンのレイアウトが制約を受け、余分なワイヤーハーネス38等が必要となる。また、熱に弱い電気部品(電解コンデンサ23,24等)を大型ヒートシンク35から遠ざける必要があり、ワイヤーハーネス38を使って離れた場所に配置することが必要となる。さらに、図8に示すように、インバータ装置では、パワー半導体14として少なくともスイッチング素子とダイオードブリッジが必要であるが、大型ヒートシンク35を両者に共通して取り付けるために基板20上の部品配置が制約され、基板配置にデッドスペースができ、基板20が大型化する。
本発明は、これらの課題を解決し、余分な部品(ワイヤーハーネス38等)を追加することなく、安価に小型・薄型で、軽量な電源モジュールを提供する。
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。
図1に、本実施例の電源モジュールの分解斜視図を示す。電源モジュール10は、電解コンデンサ23,24等の部品を取り付けた基板20と、基板20の回路パターンが設けられ電気部品の端子と半田付け等の接続が行われる第2の面側(半田面側、図の下側)に取り付けられるパワー半導体モジュール12と、パワー半導体モジュール12にネジ31で取り付けられる金属製のカバー30と、基板20を収納する樹脂製のケース32とで構成されている。図の例では、パワー半導体モジュール12として、パワー半導体モジュール1とパワー半導体モジュール2の2つのモジュールが設けられている。
図2に、本実施例の電源モジュール10の断面図を示す。基板20の電気部品を配置した第1の面側(部品面側、図の下側)には、電源用の電解コンデンサ23,コンプレッサ用の電解コンデンサ24などの電気部品が配置されている。また、コンプレッサ用の配線、リアクタ用の配線、フェライトコア27を介してAC入力コネクタ28を取り付けたAC入力用の配線が取り付けられている。
基板20の、第1の面側とは反対の第2の面側(半田面側、図の上側)には、スペーサ26を介してパワー半導体モジュール12が取り付けられている。パワー半導体モジュール12は、パワー半導体14と高熱伝導絶縁材16とアルミ製等の放熱性金属板18とを接着等で一体化したモジュールである。パワー半導体14としては、DB(Diode Bridge)、IGBT(Insulated―Gate Bipolar Transistors)、FRD(Fast Recovery Diode)、IPM(Intelligent Power Module)、その他パワー素子が用いられる。高熱伝導絶縁材16としては、例えば特許文献3(特許第3312723号公報)に記載された、無機質フィラーと樹脂組成物からなる樹脂を用いることができる。放熱性金属板18としては、熱伝導性の良いアルミ,銅等の金属を用いることができる。基板20にアイレット25を取り付け、パワー半導体14の足(端子)を半田付けすることにより、パワー半導体モジュール12を強度を保って確実に固定することができる。
図3に、パワー半導体モジュール12の熱の流れを示す。パワー半導体14で発生した熱は、高熱伝導絶縁材16を介して放熱性金属板18に伝達され、放熱性金属板18から放熱される。
図2において、基板20の半田面側には、シリコンのコーティング材22が塗布されている。パワー半導体等の部品が取り付けられた基板20は、樹脂製のケース32に入れられる。パワー半導体モジュール12の放熱性金属板18には、金属製のカバー30がネジ31止めなどにより取り付けられ、熱は金属製のカバー30から放熱される。金属製のカバー30の材料としては、熱伝導性の良いアルミ,銅等が好ましい。放熱性金属板18と金属製のカバー30との間に伝熱グリースを塗布することにより、放熱性をさらに改善することができる。基板20などは、樹脂製のケース32と金属製のカバー30とで密封されている。
なお、図において、金属製のカバー30はパワー半導体モジュール12の放熱性金属板18にネジ31止めで取り付けられているが、密着して取り付けられれば良く、嵌合などの着脱可能に取り付けることにより、コーティング材22のコーティング作業が容易になるとともに、パワー半導体モジュール12の半田付けが可能となる。また、図においては、電解コンデンサ23,24等の部品が取り付けられた基板20は、樹脂製のケース32に入れられているが、クリーンな雰囲気中で使用する場合など密封の必要がなければ、樹脂製のケース32を設けなくても良い。また、パワー半導体14と高熱伝導絶縁材16と放熱性金属板18とを一体化したパワー半導体モジュール12を用いたが、一体化したモジュールではなく、パワー半導体14と高熱伝導絶縁材16と放熱性金属板18を順次取り付けてもよい。
本実施例によれば、パワー半導体の冷却に大型ヒートシンクを用いないので、電源モジュールを薄型化することができる。また、従来、大型ヒートシンクにより部品配置に制約があったが、本実施例によれば、図9に示すように複数のパワー半導体モジュール12を自由にレイアウトすることができ、デッドスペースを減らすことができるので、電源モジュールを小型化することができる。また、大型ヒートシンクやワイヤーハーネス等が不要となり、また基板を小型化することができるので、電源モジュールの軽量化を図ることができる。さらに、部品のレイアウトが自由になるので、回路に沿った部品配置ができ、基板の構成が簡素になる。
本発明の実施例2は、実施例1の電源モジュールをエアコンディショナの室外機に用いたものである。
図4に、実施例2のエアコンディショナ室外機の全体構造を示す。図12と同様に、室外機シャーシ42内には、熱交換器(図示せず)およびファン44を配置した熱交換器室50とコンプレッサ46を配置した機械室51とが設けられ、両室の間は仕切り板43で区切られている。仕切り板43の上方には、機械室51から熱交換器室50にかけて実施例1の電源モジュール10が配置され、電源モジュール10からの配線がコネクタにより、リアクタ40やコンプレッサ46などに電気的に接続される。
電源モジュール10を構成する金属製のカバー30は、熱交換器室50まで延びており、また、金属製のカバー30と室外機シャーシ42との間に空間を設ける。ファン44により送られる風が、金属製のカバー30と室外機シャーシ42との間の空間を流れることにより、電源モジュール10、特にパワー半導体14を良好に冷却することができる。
図5に、図12に示される従来品のエアコンディショナ室外機と図4に示される実施例2のエアコンディショナ室外機の温度測定データのグラフを示す。図において、IPMは、スイッチング素子とその駆動回路とが一つのパッケージとなった半導体モジュールで、コンプレッサを回転させるものである。また、DB101は、AC入力部に使用しているダイオードブリッジである(図7の概略回路図を参照)。図1の分解図でいうと、IPMはパワー半導体モジュール1に対応し、DB101はパワー半導体モジュール2の内、IPM側の素子に対応する。グラフは、IPMおよびDB101に熱電対の温度計を取り付けて測定した、電源ONからの半導体モジュールの温度の時間変化を表したものである。グラフに示されるように、本実施例では、IPMについては従来品と同様の冷却効果があり、DB101では従来品以上の冷却効果がある。
本実施例によれば、エアコンディショナ室外機の電源モジュールを軽量・小型・薄型化することができるので、電源モジュールのレイアウトが容易になり、また、エアコンディショナ室外機の軽量・小型化を図ることができる。
本発明の実施例3は、実施例1の電源モジュールにおいてケースを改良したものである。図6に実施例3の電源モジュールの断面図を示す。
実施例1では、パワー半導体14等の部品が取り付けられた基板20は、樹脂製のケース32に入れられているが、本実施例では、基板20は金属製のケース33に収納されている。そして、金属製のケース33と金属製のカバー30とは端部で密着している。金属製のケース33の材料としては、放熱性の点ではアルミ等の熱伝導性の良いものが好ましいが、強度が要求される場合はステンレスや鉄などでも良い。
本実施例によれば、パワー半導体14等の部品が取り付けられた基板20を、金属製のケース33に収納し、金属製のケース33と金属製のカバー30とを密着させたので、電源モジュールの放熱性をさらに改善することができる。
本発明の実施例4は、エアコンディショナ室外機のインバータ装置に本発明の電源モジュールを用いたものである。図7に、インバータ装置の一例の概略回路図を示す。
図において、AC入力はラインフィルタ61を介してダイオードブリッジ62に加えられ、直流に変換される。変換された直流は、リアクタ40,スイッチング手段であるIGBT63,逆流防止ダイオード64,電解コンデンサ23から構成される平滑回路で滑らかな直流とされる。平滑化された直流はIPM65に加えられ、IPM内のスイッチング素子でコンプレッサ46駆動用の交流に変換される。IGBT63およびIPM65内のスイッチング素子のスイッチングは制御マイコン66によって制御される。制御マイコン66からの制御信号によりスイッチング素子のスイッチングを制御し、交流の周波数を変化させることにより、コンプレッサ46の回転数を調整する。
本実施例では、図7の概略回路図で示されるインバータ装置を本発明の電源モジュールで構成する。基板の部品面側にラインフィルタ61や電解コンデンサ23等の電気部品を配置し、基板の半田面側に、パワー半導体モジュールとしてダイオードブリッジ62やIPM65を取り付ける。図1の分解図でいうと、IPM65はパワー半導体モジュール1に対応し、ダイオードブリッジ62はパワー半導体モジュール2の内、IPM側の素子に対応する。
本実施例によれば、エアコンディショナ室外機のインバータ装置を軽量・小型・薄型化することができ、エアコンディショナ室外機の軽量・小型化を図ることができる。
図10に、本発明の実施例5のエアコンディショナ室外機の全体構造を示し、図11に、電源モジュール部分を取り出して示す。図10において、室外機シャーシ42内には、熱交換器(図示せず)およびファン44を配置した熱交換器室50とコンプレッサ46を配置した機械室51とが設けられている。熱交換器室50と機械室51の間には、仕切り板を設けることなく、電源モジュール10が上下方向に配置されている。
図11に示す電源モジュール10において、基板(プリント基板)20の電気部品を配置した第1の面側(部品面側、図の右側)には、電源用の電解コンデンサ23,コンプレッサ用の電解コンデンサ24,リアクタ40などの電気部品が配置されている。また、コンプレッサ用の配線、フェライトコアを介してAC入力コネクタ28を取り付けたAC入力用の配線が取り付けられている。基板20の第2の面側(半田面側、図の左側)には、スペーサ26を介してパワー半導体モジュール12が取り付けられている。パワー半導体モジュール12は、パワー半導体14と高熱伝導絶縁材16とアルミ製等の放熱性金属板18とを一体化して構成されている。パワー半導体モジュール12の放熱性金属板18には、金属製のカバー30がネジ31止めなどにより取り付けられ、パワー半導体14からの熱は金属製のカバー30から放熱される。金属製のカバー30の反対側には樹脂製のケース32が取り付けられ、基板20は金属製のカバー30と樹脂製のケース32とで密封されている。
図10に示すように、電源モジュール10は、エアコンディショナ室外機の上下方向で、かつ、金属製のカバー30が熱交換器室50側、すなわちファン44側に来るように配置される。そして、ファン44からの風が金属製のカバー30の表面を通る。
本実施例によれば、従来の仕切り板43を設けた位置に電源モジュール10を設けるので、仕切り板43が不要となる。また、パワー半導体モジュール12に接続した金属製のカバー30をファン44側に配置したので、ファン44からの風が金属製のカバー30を通過し、冷却効果が向上する。さらに、金属製のカバー30を室外機シャーシ42の上下に渡って配置することにより、室外機シャーシ42の上部から応力が加わっても、室外機の強度を保つことができる。
10 電源モジュール
12 パワー半導体モジュール
14 パワー半導体
16 高熱伝導絶縁材
18 放熱性金属板
20 基板(プリント基板)
22 コーティング材(シリコン)
23 電解コンデンサ(電源用)
24 電解コンデンサ(コンプレッサ用)
25 アイレット
26 スペーサ
27 フェライトコア
28 AC入力コネクタ
30 金属製のカバー
31 ネジ
32 樹脂製のケース
33 金属製のケース
35 大型ヒートシンク
36 耐熱カバー
37 樹脂製のカバー
38 ワイヤーハーネス
40 リアクタ
42 室外機シャーシ
43 仕切り板
44 ファン
46 コンプレッサ
50 熱交換器室
51 機械室
61 ラインフィルタ
62 ダイオードブリッジ
63 IGBT
64 逆流防止ダイオード
65 IPM
66 制御マイコン

Claims (10)

  1. 室外機シャーシ内に、熱交換器およびファンを配置した熱交換器室とコンプレッサを配置した機械室とを設け、前記熱交換器室と前記機械室とを仕切り板で区切り、前記仕切り板の上方に電源モジュールを配置したエアコンディショナ室外機であって、
    前記電源モジュールは、
    基板と、当該基板上に配置される電気部品と、パワー半導体を備え、
    前記基板は、前記電気部品が配置される第1の面側と、当該第1の面側とは反対側であって、回路パターンが設けられ前記電気部品の端子と接続が行われる第2の面側とを備え、
    前記パワー半導体は、前記基板の第2の面側に配置され、
    前記パワー半導体には、前記基板とは反対側に、熱伝導性絶縁材を介して放熱性金属板が取り付けられ、
    前記放熱性金属板には、金属製のカバーが密着して取り付けられており、
    前記電源モジュールを、前記仕切り板の上方に、前記基板の第1の面側が下方となるように、かつ、前記金属製のカバーと前記室外機シャーシとが空間を有するように配置したエアコンディショナ室外機。
  2. 室外機シャーシ内に、熱交換器およびファンを配置した熱交換器室とコンプレッサを配置した機械室とを設け、前記熱交換器室と前記機械室の間に電源モジュールを配置したエアコンディショナ室外機であって、
    前記電源モジュールは、
    基板と、当該基板上に配置される電気部品と、パワー半導体を備え、
    前記基板は、前記電気部品が配置される第1の面側と、当該第1の面側とは反対側であって、回路パターンが設けられ前記電気部品の端子と接続が行われる第2の面側とを備え、
    前記パワー半導体は、前記基板の第2の面側に配置され、
    前記パワー半導体には、前記基板とは反対側に、熱伝導性絶縁材を介して放熱性金属板が取り付けられ、
    前記放熱性金属板には、金属製のカバーが密着して取り付けられており、
    前記電源モジュールを、前記熱交換器室と前記機械室の間に、上下方向で、かつ、金属製のカバーが熱交換器室側に位置するように配置したエアコンディショナ室外機。
  3. 請求項1または請求項2に記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記パワー半導体と、前記熱伝導性絶縁材と、前記放熱性金属板とが一体化されてパワー半導体モジュールを形成していることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  4. 請求項1または請求項2に記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記電気部品および前記基板の第1の面側を収容するケースを備え、
    前記ケースと前記金属製のカバーとで、密閉構造を形成していることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  5. 請求項4に記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記ケースは、樹脂製であることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  6. 請求項4に記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記ケースは、金属製であり、
    前記金属製のケースと前記金属製のカバーとは端部において密着していることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  7. 請求項1乃至請求項6の何れか一つに記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記放熱性金属板および前記金属製のカバーは、アルミまたは銅製であることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  8. 請求項1乃至請求項7の何れか一つに記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記放熱性金属板と前記金属製のカバーとの間には、伝熱グリースが塗布されていることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  9. 請求項1乃至請求項8の何れか一つに記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記放熱性金属板には、金属製のカバーが着脱可能に取り付けられていることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
  10. 請求項1乃至請求項9の何れか一つに記載のエアコンディショナ室外機において、
    前記基板と電気部品とパワー半導体とでインバータ装置を構成するものであり、
    前記パワー半導体は、ダイオードブリッジとスイッチング素子であることを特徴とするエアコンディショナ室外機。
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