WO2020213692A1 - 車載用の電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

本発明に係る車載用の電動圧縮機は、冷媒を圧縮するモータを有する圧縮機本体と、前記モータに電流を供給するパワー素子を有するインバータと、を備える。前記パワー素子は、表面の一部の領域に導電層を有する金属基板と、前記導電層にハンダ固定された金属層を有する発熱素子と、前記金属基板の板厚方向に前記金属基板と並んで配置され、且つ表面に金属パターンがプリントされ、前記金属パターンに電子部品が実装されている樹脂基板と、を備える。前記電子部品と前記発熱素子の端子とは、前記金属パターンによって接続されている。

Description

車載用の電動圧縮機

　本発明は車載用の電動圧縮機に関する。
　本願は、２０１９年４月１８日に、日本に出願された特願２０１９－０７９３３２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　電気自動車や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には、電動圧縮機（車載用の電動圧縮機）が搭載されている。電動圧縮機は、カーエアコン等に使用されている。近年、車両の大型化及びこれに伴うバッテリの冷却を行うため、高い冷却性能を有する電動圧縮機が求められている。

　電動圧縮機は、電動のモータと、モータに電流を供給するインバータと、を備える。インバータは、主に半導体からなる発熱素子を備え、電動圧縮機のハウジングの内部空間に設けられている。例えば、特許文献１には、発熱素子が配置された基板が金属製又は樹脂製の押え片によりハウジングの保持面に固定された電動圧縮機が開示されている。特許文献１に開示されている電動圧縮機では、冷却面となるハウジングの保持面に基板が接することにより、冷却性能の向上が図られている。

日本国特開２０１１－６７０６４号公報

　しかしながら、上述の特許文献１に開示されている電動圧縮機では、押え片により基板をハウジングの保持面に押圧するために厚み公差の小さい発熱素子を用いる必要があり、安価な発熱素子を使用できず、電動圧縮機のコストが高くなってしまう。

　基板を押え片でハウジングの保持面に固定する方法とは別の方法で基板をハウジングに収容する方法として、図７に示すように、ハウジング５０の保持面５２に放熱材５６を介して金属基板６１を配置し、金属基板６１の上に発熱素子７０を配置する方法が提案されている。金属基板６１の素子対向面６２には、絶縁層６５が設けられている。絶縁層６５の素子対向面６６のうち素子設置領域６７には、導電層６８が設けられている。発熱素子７０は金属層７２を有し、金属層７２は導電層６８に接している。

　上述の構成では、導電層６８が素子対向面６６のみに設けられているので、発熱素子７０の高密度化及びインバータの冷却性能には限度がある。そこで、図７に示すインバータには、金属基板６１の板厚方向Ｄｔにおいて金属基板６１と間隔をあけて金属基板６１に略平行な樹脂基板８２が設けられている。樹脂基板８２の素子配置面８３の所定の領域には、金属パターン９２がプリントされている。樹脂基板８２には、金属パターン９２を介して電子部品９４が設けられている。金属基板６１と樹脂基板８２とは、板厚方向Ｄｔに沿って延び且つ導電性を有する基板間端子９０によって接続されている。図７に示す断面とは異なる位置において、導電層６８と基板間端子９０、及び、基板間端子９０と金属パターン９２がそれぞれ接続されている。

　しかしながら、図７に示す構成では、基板間端子９０を設置する手間とコストがかかり、且つ素子設置領域６７や基板間端子９０の設置位置に合わせて導電層６８や信号線のレイアウトが複雑になり、手間とコストがかかる。つまり、図７に示す構成を備える電動圧縮機は、製造し難いという問題があった。

　本発明は、冷却性能に優れ、製造し易い車載用の電動圧縮機を提供する。

　本発明の第１の態様によれば、冷媒を圧縮するモータを有する圧縮機本体と、前記モータに電流を供給するパワー素子を有するインバータと、を備える。前記パワー素子は、表面の一部の領域に導電層を有する金属基板と、前記導電層にハンダ固定された金属層を有する発熱素子と、前記金属基板の板厚方向に前記金属基板と並んで配置され、表面に金属パターンがプリントされ、前記金属パターンに電子部品が実装されている樹脂基板と、を備える。前記電子部品と前記発熱素子の端子とは、前記金属パターンによって接続されている。

　上述の態様では、前記発熱素子の発熱温度を検知可能な温度センサを備えてもよい。

　上述の態様において、前記パワー素子は、前記金属基板と前記樹脂基板とを固定するスペーサを備えてもよい。

　本発明によれば、冷却性能を高めつつ、製造し易い車載用の電動圧縮機が提供される。

図１は、本発明の一実施形態における電動圧縮機の構成を示す概略断面図である。 図２は、図１に示す電動圧縮機におけるインバータの構成を示す概略断面図である。 図３は、図２に示すインバータのパワー素子の金属基板の平面図である。 図４は、図２に示すインバータのパワー素子の発熱素子の平面図である。 図５は、従来の電動圧縮機におけるインバータの要部の構成を示す概略断面図である。 図６は、図２及び図３に示すＸ方向から見たパワー素子の要部の構成を示す概略断面図である。 図７は、従来の電動圧縮機におけるインバータの要部の構成を示す概略断面図である。

　以下、本発明の電動圧縮機の一実施形態について、図面を参照して説明する。

　図１は、本発明に係る一実施形態の電動圧縮機（車載用の電動圧縮機）１の構成を示す概略断面図である。電動圧縮機１は、自動車等の車両のカーエアコンに用いられる比較的小型の電動圧縮機である。

　図１に示すように、電動圧縮機１は、少なくとも圧縮機本体４５と、インバータ３３と、温度センサ１０３と、を備える。圧縮機本体４５は、外郭をなすハウジング２と、ハウジング２の内部空間に設けられた電動機（モータ）７と、ハウジング２の内部空間に設けられた圧縮機２２と、を備える。なお、温度センサ１０３は、図１で省略され、図２で図示されている。

　電動圧縮機１は、不図示の冷媒回路に接続されている。即ち、電動圧縮機１は、凝縮器、膨張弁、蒸発器等を有する冷媒回路に組み込まれており、冷媒回路の配管内を流れる冷媒（図示略）を圧縮する機械である。

　以下の説明において、電動機７の回転軸８の軸線Ａが延びている方向を軸線方向Ｄ１とする。また、軸線Ａに直交する方向を径方向Ｄ２とし、径方向Ｄ２で軸線Ａから遠ざかる側を径方向外側といい、径方向Ｄ２で軸線Ａに近づく側を径方向内側という。また、軸線方向Ｄ１において、圧縮機２２に近い側を軸線方向の第１側Ｄ１－１、電動機７に近い側を軸線方向の第２側Ｄ１－２という。

　インバータ３３は、電動圧縮機１の外部の蓄電池から供給される直流電流を三相交流電流（電流）に変換して電動機７に供給する。また、インバータ３３は、電動機７への電流供給を制御することによって、電動機７の動作を制御する。

　ハウジング２は、アルミニウム（Ａｌ）を主体とするアルミニウム合金等の金属によって形成されている。ハウジング２は、メインハウジング３と、第１端部ハウジング４と、第２端部ハウジング５と、を有する。メインハウジング３は、軸線方向Ｄ１に延在して略円筒形状に形成されている。第１端部ハウジング４は、メインハウジング３の軸線方向の第１側Ｄ１－１に結合されている。第２端部ハウジング５は、メインハウジング３の軸線方向の第２側Ｄ１－２に結合されている。第１端部ハウジング４と第２端部ハウジング５とは、ボルト６によってメインハウジング３に固定されている。

　ハウジング２には、冷媒の導入口である冷媒入口４０と、冷媒の排出口である冷媒出口４１が形成されている。冷媒入口４０は、ハウジング２の軸線方向の第２側Ｄ１－２の端部近傍に設けられている。冷媒入口４０は、電動機７の軸線方向の第２側Ｄ１－２より冷媒を導入するように形成されている。冷媒出口４１は、ハウジング２の軸線方向の第１側Ｄ１－１の端部近傍に設けられている。

　電動機７は、ステータ９と、ロータ２７と、を有する。ロータ２７は、円筒状に形成され、ステータ９の内部に所定の間隔を介して回転自在に配置されている。ステータ９は、円筒状に形成され、メインハウジング３の内周面３ａとの間に所定の隙間を有する。

　電動機７は、インバータ３３からの電力（電流）を受けて回転力を生成する。電動機７は、圧縮機２２の旋回スクロール２４と回転軸８で接続されており、生成した回転力で軸線Ａを中心として旋回スクロール２４を回転駆動する。圧縮機２２は、固定スクロール２３と、旋回スクロール２４と、を有する。

　回転軸８は、軸受３４ａ，３４ｂを介してハウジング２に回転自在に支持されている。回転軸８の軸線方向の第１側Ｄ１－１の端部は、圧縮機２２の旋回スクロール２４の軸部２５に結合され、旋回スクロール２４を回転駆動する。圧縮機２２は、固定スクロール２３と旋回スクロール２４とが互いに偏心しつつ公転運動することにより、冷媒入口４０から吸入した冷媒を圧縮する。

　ステータ９は、ステータコア１０と、第１コイルエンドボビン１５と、第２コイルエンドボビン１６と、コイル１３と、を有する。ステータコア１０は、環状に形成されている。
　第１コイルエンドボビン１５は、ステータコア１０の軸線方向の第１側Ｄ１－１に配置されている。第２コイルエンドボビン１６は、ステータコア１０の軸線方向の第２側Ｄ１－２に配置されている。コイル１３は、ステータコア１０のティースと第１コイルエンドボビン１５及び第２コイルエンドボビン１６とに巻き付けられている。

　ロータ２７は、打抜き成形された所要枚数の薄い電磁鋼板（薄板鋼板）を積層して構成される円筒状のロータコア２８を有する。

　ステータコア１０は、環状に打抜き成形された所要枚数の電磁鋼板を積層して構成されている積層体である。ステータコア１０は、ステータコア本体１１を有する。ステータコア１０には、大凹部３５と小凹部（図示略）が形成されている。ステータコア本体１１は、円筒状に形成されている。複数の大凹部３５は、ステータコア本体１１の外周面１１ａに軸線方向Ｄ１に延在するように形成され、冷媒の流路である。複数の小凹部は、大凹部３５の外面及びステータコア本体１１の外周面１１ａに形成されている。

　第１コイルエンドボビン１５は、円筒状のリング部１７と、複数のフック部１８と、を有する。フック部１８は、リング部１７の内周側に、周方向に略等間隔に設けられている。
　第１コイルエンドボビン１５の外径は、ステータコア１０の外径よりもやや小さい。第１コイルエンドボビン１５の内径は、ステータコア１０の内径よりもやや大きい。第１コイルエンドボビン１５は、例えばポリブチレンテレフタレート樹脂等の絶縁性を有する材料で形成されている。

　フック部１８は、板状をなし、フック本体部１９と、コイル保持部２０と、を有する。フック本体部１９は、リング部１７の軸線方向の第２側Ｄ１－２の端部から径方向の内周側に突出している。コイル保持部２０は、フック本体部１９の径方向の内側の端部よりも軸線方向の第１側Ｄ１－１に突出している。

　リング部１７には、径方向Ｄ２に貫通する複数の貫通溝３７が形成されている。第２コイルエンドボビン１６は、貫通溝３７が形成されていないこと以外、第１コイルエンドボビン１５と同様の形状で形成されている。

　上述の構成において、冷媒入口４０より吸引された冷媒は、電動機７を冷却しながら圧縮機２２に到達し、圧縮機２２で圧縮されて冷媒出口４１から吐出される。つまり、電動機７は、自身の回転力により冷媒を圧縮する。なお、冷媒の多くは、電動機７を通過する際、大凹部３５を流れる。複数の小凹部によって、ステータコア１０の伝熱面積が大きくなり、冷媒によるステータ９の冷却効率を向上させる。このことによって、ステータ９の温度上昇が抑えられる。

　インバータ３３は、ハウジング２の収容凹部１４に収容されている。収容凹部１４は、インバータカバー１０１で覆われ、外部の埃等から保護されている。なお、図１では、インバータ３３の形状は省略されている。

　図２は、図１に示す電動圧縮機１におけるインバータ３３の要部の構成を示す概略断面図である。インバータ３３は、電動機７に前述の電力（電流）を供給するパワー素子４４を有する。図２に示すように、パワー素子４４は、金属基板６１と、発熱素子７０と、樹脂基板８２と、スペーサ１２０と、を備える。

　金属基板６１は、放熱グリス等の放熱材５６を介して、収容凹部１４の軸線方向の第１側Ｄ１－１の保持面５２に保持されている。金属基板６１において放熱材５６に接する表面とは反対側、即ち軸線方向の第１側Ｄ１－２の表面に、素子対向面６２が設けられている。素子対向面６２には、絶縁層６５が設けられている。

　図３は、金属基板６１の平面図であり、軸線方向の第２側Ｄ１－２から軸線方向Ｄ１に沿って軸線方向の第１側Ｄ１－１を見たときの図である。図３に示すように、絶縁層６５の素子対向面（表面）６６のうち素子設置領域（領域）６７には、導電層６８が設けられている。素子設置領域６７及び導電層６８は、後述する金属層７２と略同様の平面視形状を有する。軸線方向Ｄ１及び板厚方向Ｄｔに直交する面内において、素子設置領域６７及び導電層６８同士の間隔Ｇは、導電層６８間の沿面距離と略同等である。金属基板６１の角部には、金属基板６１を軸線方向Ｄ１及び板厚方向Ｄｔに貫通する貫通孔１２２が形成されている。

　金属基板６１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）で形成されている。絶縁層６５は、例えば任意の種類の絶縁樹脂で形成されている。金属層７２は、例えば銅（Ｃｕ）で形成されている。

　発熱素子７０は、ディスクリートタイプの半導体であり、例えばＭＯＳ－ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子である。発熱素子７０は、前述のように外部の蓄電池から入力された直流電力を３相交流の何れか１相の電力に変換する。発熱素子７０は、自らを流れる電流により発熱する。

　本実施形態では、発熱素子７０は、ＭＯＳ－ＦＥＴであると想定する。図４は、発熱素子７０の平面図であり、軸線方向の第２側Ｄ１－２から軸線方向Ｄ１に沿って軸線方向の第１側Ｄ１－１を見たときの図である。発熱素子７０は、３つの端子７５，７６，７７を有する。端子７５は、ＭＯＳ－ＦＥＴにおけるゲート用の端子である。端子７６は、ＭＯＳ－ＦＥＴにおけるドレイン用の端子である。端子７７は、ＭＯＳ－ＦＥＴにおけるソース用の端子である。端子７５，７６，７７は、各長手方向における途中で板厚方向Ｄｔに沿って樹脂基板８２に向けて曲がっている。なお、図２では、端子７５，７６は省略されている。

　発熱素子７０は、金属層７２を有する。金属層７２は、発熱素子７０において金属基板６１に対向する表面に設けられ、発熱素子７０の放熱部としての役割を担っている。金属層７２の形状は、発熱素子７０の全体形状に合わせて適宜決められている。図２に示すように、金属層７２は、導電層６８に接しており、導電層６８にハンダ固定されている。

　樹脂基板８２は、板厚方向Ｄｔにおいて金属基板６１に対して所定の間隔をあけて、金属基板６１と並んで配置されている。樹脂基板８２の素子配置面８３には、金属パターン９２がプリントされている。樹脂基板８２の平面視角部には、樹脂基板８２を軸線方向Ｄ１及び板厚方向Ｄｔに貫通する貫通孔（図示略）が形成されている。

　樹脂基板８２は、所謂プリント基板である。樹脂基板８２を構成する樹脂は、公知のプリント基板を構成する樹脂と同様である。金属パターン９２は、公知のプリント基板にレイアウトされている金属パターンを構成する金属で形成され、例えば銅で形成されている。

　金属パターン９２には、任意の電子部品９４が実装されている。電子部品９４は、発熱素子７０以外の、インバータ３３の駆動や、金属基板６１及び樹脂基板８２の電気的な制御に必要な電子部品等である。

　電子部品９４と端子７５，７６，７７のそれぞれとは、金属パターン９２によって物理的又は電気的に接続されている。本実施形態では、前述のように発熱素子７０から径方向Ｄ２に沿って延びる端子７５，７６，７７が板厚方向Ｄｔに沿って樹脂基板８２に向けて曲がり、曲がった後の端子７５，７６，７７が樹脂基板８２を軸線方向の第１側Ｄ１－１から軸線方向Ｄ１に沿って軸線方向の第２側Ｄ１－２に貫通している。端子７５，７６，７７の各先端は、図２に示す断面とは異なる位置において、金属パターン９２に接続している。

　温度センサ１０３は、樹脂基板８２の任意の位置に、発熱素子７０の温度を検知可能に実装されている。即ち、前述の任意の位置とは、樹脂基板８２において発熱素子７０の温度を検知可能な位置を意味する。図２では、温度センサ１０３は素子配置面８３に設けられているが、温度センサ１０３は樹脂基板８２の素子配置面８３とは反対側の発熱素子対向面８５に設けられてもよい。なお、図２には１つの温度センサ１０３のみが図示されているが、後述する発熱素子７０の数や発熱素子７０との相対位置に応じて複数の温度センサ１０３が設けられればよく、例えば発熱素子７０と同数の温度センサ１０３が設けられてもよい。

　スペーサ１２０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）で形成された円柱状の部材である。スペーサ１２０は、軸線方向Ｄ１に沿って延びている。スペーサ１２０の両端部は、第２側Ｄ１－２から軸線方向Ｄ１に沿って第１側Ｄ１－１を見たときに、互いに重なる貫通孔１２２及び樹脂基板８２に形成されている貫通孔に挿入されている。このことによって、金属基板６１と樹脂基板８２とがスペーサ１２０によって接続されている。

　以上説明した本実施形態の電動圧縮機１は、圧縮機本体４５と、インバータ３３と、を備える。インバータ３３のパワー素子４４は、素子対向面６６の一部の素子設置領域６７に導電層６８を有する金属基板６１と、導電層６８にハンダ固定された金属層７２を有する発熱素子７０と、板厚方向Ｄｔに金属基板６１と並んで配置され、素子配置面８３に金属パターン９２がプリントされ、金属パターン９２に電子部品９４が実装されている樹脂基板８２と、を備える。電子部品９４と発熱素子７０の端子７７とは、金属パターン９２によって接続されている。このような構成を備える電動圧縮機１によれば、従来の電動圧縮機（図７参照）のように、基板間端子９０を設置する手間やコストがかからず、且つ素子設置領域６７や基板間端子９０の設置位置に合わせて導電層６８や信号線を複雑にレイアウトする手間とコストもかからず、容易に製造できる。また、発熱素子７０を素子設置領域６７内に間隔Ｇで高密度に配置し、発熱素子７０以外の電子部品９４を樹脂基板８２の金属パターン９２上に配置することによって、インバータ３３の冷却性能の向上又は高い冷却性能の維持を図ることができる。

　また、本実施形態の電動圧縮機１では、軸線方向Ｄ１及び板厚方向Ｄｔに直交する面内において、間隔Ｇが導電層６８間の沿面距離と略同等のパターンで複数の素子設置領域６７及び複数の導電層６８が形成されている金属基板６１を用いることができる。例えば、図５は、従来の電動圧縮機におけるインバータの要部の構成を示す概略断面図である。従来では、図５に示すように、複数の裏面電極１５０を有する発熱素子１６０が絶縁シート１５２を介してハウジング５０の保持面５２にねじ止めされる場合があった。しかしながら、このような従来構成では、径方向Ｄ２における金属製のねじ１５５の軸部１５６と裏面電極１５０との最短距離Ｌが裏面電極１５０で必要とされる沿面距離以下になる虞があった。このことによって、パワー素子やインバータの動作不良を招く虞があった。

　図６は、図２及び図３に示すＸ方向から見たパワー素子４４の要部の構成を示す概略断面図である。本実施形態の電動圧縮機１によれば、図６に示すように、間隔Ｇが導電層６８間の沿面距離と略同等に確保されているので、導電層６８に金属層７２が接するように発熱素子７０を配置すれば、パワー素子４４やインバータ３３の動作不良を防止できる。

　また、前述の特許文献１に開示されているように基板を押え片でハウジングの保持面に固定する方法や上述のようにねじ止めする方法では、長期的な振動が加わる等により、押え片やねじの締結力が緩み、パワー素子が破損する虞があった。しかしながら、本実施形態の電動圧縮機１によれば、金属層７２が導電層６８にハンダ固定されているので、発熱素子７０が金属基板６１に対して強固に固定され、パワー素子４４の破損を防止できる。

　また、本実施形態の電動圧縮機１によれば、発熱素子７０の発熱温度を検知可能な温度センサ１０３をさらに備えるので、発熱素子７０の発熱温度から発熱素子７０の温度、放熱特性を計測し、金属層７２と導電層６８とを固定しているハンダへの影響を推測し、対処できる。このような対処をするために、樹脂基板８２に温度調節素子が設けられてもよい。また、本実施形態の電動圧縮機１によれば、発熱素子７０の発熱温度から発熱素子７０の温度、放熱特性を計測し、パワー素子４４の故障前に不具合等を検知できる。

　また、本実施形態の電動圧縮機１によれば、パワー素子４４が金属基板６１と樹脂基板８２とを固定するスペーサ１２０をさらに備えるので、樹脂基板８２を金属基板６１に対して安定して支持し、端子７７への負荷を減らすとともに端子７７の破損を防止できる。

　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されない。本発明では、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変更が可能である。

　３３　　インバータ
　４４　　パワー素子
　４５　　圧縮機本体
　６１　　金属基板
　６８　　導電層
　７２　　金属層
　７７　　端子
　８２　　樹脂基板

Claims (3)

1. 　冷媒を圧縮するモータを有する圧縮機本体と、
   　前記モータに電流を供給するパワー素子を有するインバータと、
   　を備え、
   　前記パワー素子は、
   　　表面の一部の領域に導電層を有する金属基板と、
   　　前記導電層にハンダ固定された金属層を有する発熱素子と、
   　　前記金属基板の板厚方向に前記金属基板と並んで配置され、表面に金属パターンがプリントされ、前記金属パターンに電子部品が実装されている樹脂基板と、
   　を備え、
   　前記電子部品と前記発熱素子の端子とは前記金属パターンによって接続されている、
   　車載用の電動圧縮機。
2. 　前記発熱素子の発熱温度を検知可能な温度センサをさらに備える、
   　請求項１に記載の車載用の電動圧縮機。
3. 　前記パワー素子は、
   　　前記金属基板と前記樹脂基板とを固定するスペーサをさらに備える、
   　請求項１又は２に記載の車載用の電動圧縮機。

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