JP2014101823A - ヒートシンクを有する機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電動圧縮機1は、モータ10およびスクロール圧縮機構11と、ハウジング12と、回路部40と、回路部40を収納するとともにハウジング12に一体化される回路収納部30とを備えている。鉛直方向に沿って起立してハウジング12内と回路収納部30とを隔てる隔壁32の回路部40側には、隔壁32に対向するパワー基板41の半導体素子43に接触されるヒートシンク36が突出して形成されている。ヒートシンク36の上端部および下端部の幅が次第に狭められながら先端部Tに到達するよう、ヒートシンク36には円筒面状とされる下面36Lおよび上面36Hが形成されている。
【選択図】図2
Description
特許文献1には、モータおよび圧縮機構の軸線が水平に設定される車両の空気調和機用の電動圧縮機が記載されており、そのハウジングの上面に一体化されるボックス状のインバータ収納部の底面に、半導体素子の配列に応じて分割されたブロック状のヒートシンクが形成されている。インバータ収納部底面に設けられたボスに、半導体素子が設けられた回廊基板と一体化される金属プレートを水平に配置して固定すると、半導体素子がヒートシンクに接触する。半導体素子から発せられる熱は、ヒートシンクを介して、ハウジング内に吸入される低温の冷媒に放熱される。ヒートシンクが分割されていることで、各半導体素子の冷却の均一化が図られる。
さらに、特許文献2では、回路基板の他面側に対向するサーモモジュールが補助冷却装置として設けられている。そのサーモモジュールは、ペルチェ素子と放熱フィンとを備え、ペルチェ素子への通電により吸熱された熱が放熱フィンを介してハウジングの外部に放出される。
しかし、特許文献1の構造では、半導体素子の冷却の均一化を図っているものの、回路基板が水平に配置され、インバータ収納部の開口を覆うカバーに対向するので、半導体素子の発熱により温度が上昇した空気が回路基板の上面とカバーとの間に滞留し易い。そのため、半導体素子の放熱が妨げられるおそれがある。
一方、特許文献2の構造によれば、換気構造を採るため熱気の滞留が抑制されるものの、換気のための開口を通じて水や塵埃等が回路収納部に浸入し易い。しかも、電気を用いる強制冷却手段を採用しているために消費電力が増大するので、電気を動力源とする車両の航続距離の減少を招くおそれがある。
本発明は、鉛直方向または略鉛直方向に沿って起立して本体収納部内と回路収納部内とを隔てる隔壁の回路部側には、隔壁に対向する回路基板の素子に接触されるヒートシンクが形成され、ヒートシンクの上端部および下端部の少なくとも一方は、幅が次第に狭められながら先端部(先端)まで到達することを特徴とする。
本発明において「鉛直方向」は、機器が設置された状態(使用状態)での方向と定義する。ここで、組付公差や、設置対象(例えば車両)の姿勢などに応じて、鉛直方向から若干ずれていても許容される。以下、「鉛直方向」には鉛直方向から若干ずれた略鉛直方向も含まれるものとして説明する。
ここで、ヒートシンク周辺の空気を低温に維持してヒートシンクの放熱を促進するのに、本発明では自然対流を活用している。鉛直方向に沿って起立する隔壁に対向する回路基板も鉛直方向に沿って起立しており、素子の発熱により温度上昇した空気が回路基板に沿って、ヒートシンクの側方を通り、上方に移動する。その上昇気流とそれよりも低温の下降気流との密度差に基づく自然対流により、ヒートシンク周辺の空気を低温に維持したい。
それを避けるため、ヒートシンクの上端部および下端部の少なくとも一方の幅が次第に狭められながら先端部に到達する構成としている。このようにヒートシンクに高さの勾配を付けることにより、密度差に基づく自然対流をヒートシンクの上端部または下端部においても確保できる。これにより、自然対流によるヒートシンクと周辺空気との間の熱伝達率がヒートシンクの上下端部で低下するのを避け、ヒートシンクの上下全体に亘り自然対流による冷却効果を発揮させて、ヒートシンク周辺の空気を低温に維持することができる。したがって、ヒートシンク周辺の低温空気にヒートシンクの熱を移行させながら素子の熱をヒートシンクに効率良く放熱させることができる。
また、本発明によれば、自然対流による冷却効果が十分に発揮されることで回路収納部の内外の換気や強制冷却手段などの他の冷却手段がなくても十分な冷却効果が得られるので、素子の冷却に要するコストを抑えられる。
それにより、自然対流により熱伝達率が高い鉛直方向に沿った区間の長さに対して、それよりも熱伝達率が劣る区間を短く抑えることができるので、自然対流による冷却効果をより向上させることができる。
素子が配列される領域を複数のヒートシンクで分担するように、ヒートシンクが分割されていると、周辺空気と接触する伝熱面積増大によってヒートシンクの放熱性が向上する。それに加えて、分割の方向が鉛直方向であることにより、隣り合うヒートシンクの間で対流がスムーズに行われるので、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。
鉛直方向に沿って分割された個々のヒートシンクは、一体のヒートシンクよりも幅が狭くなるので、縦横比が大となる。それにより、縦方向(鉛直方向)の区間の長さに対して熱伝達率が劣る区間を上記構成よりも一層短く抑えることができる点でも、ヒートシンクの放熱性向上に寄与できる。
そうすると、ヒートシンクに沿って上昇する気流に突出部が対向するため、上昇気流が突出部により冷却されて下降に転じる。このように下降する気流が促進されることで対流も促進される。したがって、ヒートシンクおよび素子の放熱性をより向上させることができる。
凹部内に流入する本体収納部内の流体によって突出部が冷却されることにより、突出部を隔壁と同等の温度に維持できる。その突出部により、下降気流をより多く生じさせて、対流を促進させることができる。
また、凹部内には、回路基板と機器本体とを接続する端子を収納することもできる。このように凹部が端子収納用の開口を兼ねることで、回路収納部の内部を占有する部材が減るので、回路収納部内を空気がスムーズに循環する。それにより、冷却効果を高めることができる。
それにより、回路収納部の内部を占める部材をより減らせる。その上、固定部がヒートシンクや突出部に熱的に結合されて熱容量が増すので、ヒートシンクや突出部の放熱性が向上する。さらに、固定部を通じた回路基板からの熱移動が期待できるので、素子の放熱性向上に寄与できる。
本体収納部内に吸入される低温低圧の冷媒ガスにより、隔壁が冷却されて低温に維持される。その隔壁により冷却される低温空気との対流に基づいて、ヒートシンクおよび素子が放熱されるので、冷却効果を高めることができる。
〔第1実施形態〕
図1に示す電動圧縮機1は、車両に搭載される空気調和機を構成する。電動圧縮機1は、モータ10と、モータ10の出力により回転されるスクロール圧縮機構11と、それらを収容するハウジング(本体収納部)12と、モータ10を駆動制御する回路部40を収納するとともにハウジング12に一体化される回路収納部30とを備えている。
電動圧縮機1は、モータ10により回転される回転軸15を水平方向に向けて、車両に設置されている。
スクロール圧縮機構11は、ハウジング12に固定される固定スクロール16と、回転軸15に固着された偏心ピン18にブッシュ19を介して設けられる旋回スクロール17とを備えている。回転軸15の回転に伴って旋回スクロール17が固定スクロール16に対して公転旋回運動される。
モータ10が位置するハウジング12の一端側には、空気調和機の冷媒回路からハウジング12内に冷媒を吸入するための吸入管21が設けられている。ハウジング12の一端側に設けられてハウジング12内と回路収納部30内とを隔てる隔壁32と、ハウジング12の他端側に設けられるカバー部材22により、ハウジング12の内部が封止されている。
隔壁32は、回転軸15に対して垂直に設けられている。電動圧縮機1が車両に設置されると、隔壁32は鉛直方向に沿って起立する。この隔壁32は、モータ10に対向する面(裏面32B)から突出する円環状の嵌合部321がシールリング322を介してハウジング12の端部内周に嵌合されている。
隔壁32は、嵌合部321の外周部に沿って概略で円形に形成されるが、その一部が嵌合部321よりも外周側に突出している。
また、隔壁32の裏面32B側の中央部には、回転軸15の端部を支持する軸受323が設けられている。
側壁33は、回路部40を構成する複数の回路基板を収納可能な高さに形成されている。側壁33には、回路部40を覆う回路カバー34がボルトで固定される。
なお、回路部40が、一つの回路基板だけ、あるいは3つ以上の回路基板を備えていてもよい。回路部40の回路基板の構成は任意とされる。
パワー基板41の回路は、モータ10に供給される駆動電流の波形を出力する回路を構成している。その回路が制御基板42からの指令に基づいて半導体素子43のオンオフを切替えることにより、電源端子を通じて供給される直流から三相交流が生成される。生成された三相交流は、モータ10のコイルに供給される。
インバータ回路は、U相、V相、およびW相の相毎に一対が設けられる合計6個の半導体素子43を必要とし、それらの半導体素子43は、2列で、三相に対応する3行に配列されている。半導体素子43が配列されるパワー基板41の領域410は、列の方向(パワー基板41上で水平方向)の寸法よりも行の方向(鉛直方向)の寸法が長い矩形状に形成されている。
ヒートシンク36は、上述のように、鉛直方向に沿って起立する隔壁32の表面32Aから水平方向に突出して形成されている。
隔壁32のボス37にパワー基板41(二点鎖線で図示)の四隅を固定すると、パワー基板41も鉛直方向に沿って起立する。このときヒートシンク36は、6個の半導体素子43が配列された領域410の全体と重なる。ヒートシンク36は、パワー基板41が固定されるボス37の高さと同じだけ隔壁32から突出しているので、半導体素子43の各々の放熱部材43Bが、ヒートシンク36の表面に熱伝導可能に接触される。
制御基板42も、ボス37に固定されると鉛直方向に沿って起立し、パワー基板41に対向する。
ヒートシンク36は、平面視で長円のブロック状に形成されており、ヒートシンク36の側方に位置する一対の側面361および側面362と、側面361と側面362とをヒートシンク36の下端で繋ぐ下面36Lと、側面361と側面362とをヒートシンク36の上端で繋ぐ上面36Hとを有している。
下面36Lは、それよりも下方に向けて円弧状に突出しており、円筒面とされている。上面36Hは、より上方に向けて円弧状に突出し、円筒面とされている。これらの下面36Lおよび上面36Hは各々、ヒートシンク36の幅中心に位置する先端部Tに向けてヒートシンク36の幅Dが次第に狭くなるように形成されている。
素子本体43Aから発せられる熱は、放熱部材43Bを介してヒートシンク36に伝導されることで放熱される。
ここで、ヒートシンク36周辺の空気を低温に維持してヒートシンク36の放熱を促進するのに、自然対流を活用している。
本実施形態ではパワー基板41が鉛直方向に沿って起立しており、パワー基板41に沿って自然対流が生じる。その自然対流に基づいて、パワー基板41と隔壁32との間においてヒートシンク36の一方の側面361に沿って上昇する気流F1と、ヒートシンク36の他方の側面362に沿って上昇する気流F2が形成される。また、パワー基板41と制御基板42との間にも、上昇する気流F3が形成される。
そして、パワー基板41の周囲には、下降する気流が形成される。
気流F1〜F3と、下降する気流とによって回路収納部30内の空気が循環することにより、ヒートシンク36および半導体素子43が放熱される。
したがって、ヒートシンク36に円弧状の下面36Lおよび上面36Hを形成することにより、ヒートシンク36の上下両端に高さの勾配を付けている。そうすると、ヒートシンク36の下面36Lおよび上面36Hでも自然対流が行われる。
以上のように半導体素子43が効率的に冷却されるので、半導体素子43や他の回路素子をより高密度で配置することもできる。それによる回路収納部30の小型化によって電動圧縮機1の小型化にも繋げることができる。
例えば、図3(a)に示すように、ヒートシンク36の下端部363および上端部364をクサビ状とすることができる。下端部363および上端部364は各々、側面361に交差する平面と、側面362に交差する平面とによって形成され、先端部Tに向けて山形に突出している。
あるいは、図3(b)に示すように、幅方向のいずれか一端側に位置する先端部Tに向けて幅が次第に狭まるように、下端部363および上端部364を形成することもできる。
以上で示した先端部Tは、互いに交差する2つの平面がなす角部を構成するが、その角は、平面的または曲面的に面取りされていてもよい。
ヒートシンク36の上下端部共に、先端部Tに向けて幅が次第に狭められているのがより好ましいが、本発明は、下端部および上端部の一方だけが先端部Tに向けて次第に幅が狭められ、他方が側面361,362に交差する方向に沿って直線状に形成されている構成をも許容する。
ヒートシンク36は、半導体素子43に重ねられる任意の形状とすることができる。ヒートシンク36の鉛直方向の寸法は、必ずしも幅より長くなくてもよく、本発明は、鉛直方向の寸法が幅よりも短いヒートシンクをも許容する。
また、本実施形態では半導体素子43の素子本体43Aが放熱部材43Bを介してヒートシンク36に接触されているが、放熱部材43Bが設けられていない半導体素子43は、ヒートシンク36に直接接触される。
なお、本実施形態ではスクロール圧縮機構11を例示したが、ロータリ式などの他の種類の圧縮機構も採用することができる。
次に、本発明の第2実施形態の圧縮機について説明する。
なお、以下の説明では、第1実施形態と相違する構成を中心に説明し、既に説明した構成と同様の構成には同じ符号を付して説明を省略する。
図4(a)に示すように、第2実施形態では2つのヒートシンク51,52が用いられている。ヒートシンク51,52は、大略、第1実施形態のヒートシンク36を鉛直方向に沿って二等分して形成されている。それにより、ヒートシンク51,52は、半導体素子43の放熱を1列ずつ受け持つ、ヒートシンク51は、一方の列をなす半導体素子43が配置される区画に対応し、ヒートシンク52には、他方の列をなす半導体素子43が配置される区画に対応する。
上述した下面36Lおよび上面36Hによる作用により、ヒートシンク51,52の間の流路の全体に亘り自然対流が行われる。
しかも、分割の方向が鉛直方向であることにより、隣り合うヒートシンク51,52の間で対流がスムーズに行われるので、ヒートシンクの放熱性をより向上させることができる。
鉛直方向に沿って分割された個々のヒートシンク51,52は、一体のヒートシンク36よりも幅Dが狭くなるので、縦横比が大となる。それにより、縦方向(鉛直方向)の区間の長さに対して熱伝達率が劣る区間を一体のヒートシンク36よりも一層短く抑えることができる点でも、ヒートシンクの放熱性向上に寄与できる。
なお、ヒートシンク51,52の各々が受け持つ半導体素子43の幅と同等にヒートシンク51,52の幅Dを狭くすれば、熱伝達率が劣る区間を最小限に抑えられる。
なお、図4(b)は、ヒートシンク51,52を平面視矩形状とした例を示している。ヒートシンク51,52の各々は、側面361,362に対して直交する下面365および上面366を有している。下面365および上面366は、隔壁32上の水平方向に沿って直線状に形成されている。この構成によれば、隔壁32およびパワー基板41が鉛直方向に沿って起立するために側面361,362に沿って自然対流が行われて回路収納部30内の空気が循環するのと、ヒートシンクの分割による放熱性向上により、半導体素子43を効率良く冷却できる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図5に示すように、第3実施形態では、ヒートシンク51,52よりも上方に、隔壁32から突出する突出部61を設置している。
突出部61は、図5(a)に示すように、隔壁32の表面32A上で水平方向に延在している。突出部61の水平方向の寸法は、概ね、ヒートシンク51の先端部Tからヒートシンク52の先端部Tまでとされている。
突出部61の高さは、本実施形態ではパワー基板41が固定されるボス37と同等の高さとされている。
突出部61は、図5(b)に示すように、隔壁32の裏面32Bから掘り込まれた形態とされる凹部610を内包している。ハウジング12内に連通する凹部610に流入する吸入冷媒により、突出部61は隔壁32と同等に低温に維持される。
その上、突出部61がその内部空間である凹部610内に取り込まれる吸入冷媒によって冷却されるので、下降気流をより多く生じさせて、空気の循環をより促進させることができる。
以上により、ヒートシンク51,52および半導体素子43の放熱性をより一層向上させることができる。
なお、突出部61と同様に、ヒートシンク51,52を隔壁32の裏面32Bから掘り込まれた形態とすることもできる。それにより、ヒートシンク51,52がハウジング12内の吸入冷媒によって冷却されるので、半導体素子43をより効率的に冷却できる。
上述の突出部61および突出部62の高さは任意であり、パワー基板41を超える位置までそれらが突出していてもよい。また、突出部61および突出部62の水平方向の寸法や鉛直方向の寸法も任意に決められる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
第4実施形態では、回路収納部30の内部に設けられる部材の配置を工夫している。
図7に示す構成では、上述した突出部61の凹部610に、モータ用端子38を収納している。モータ用端子38のリードピン381は突出部61の上面を貫通する孔から取り出されている。
この凹部610が端子収納開口39を兼ねることで、回路収納部30の内部を占有する部材が減るので、回路収納部30内を気流がスムーズに循環する。それにより、冷却効果を高めることができる。
なお、ボス37およびボス部37´の一方のみを設けることもできる。
上記のようにヒートシンク51,52または突出部61にボス37およびボス部37´が一体化されることにより、回路収納部30の内部を占める部材をより減らせる。その上、ボス37やボス部37´がヒートシンク51,52や突出部61に熱的に結合されて熱容量が増すので、ヒートシンク51,52や突出部61の放熱性が向上する。さらに、ボス37およびボス部37´を通じてパワー基板41からの熱移動が期待できるので、半導体素子43の放熱性向上に寄与できる。
本発明の主旨を逸脱しない限り、上記で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
10 モータ
11 スクロール圧縮機構
12 ハウジング
13 ロータ
14 ステータ
15 回転軸
16 固定スクロール
17 旋回スクロール
18 偏心ピン
19 ブッシュ
21 吸入管
22 カバー部材
23 吐出管
30 回路収納部
32 隔壁
32A 表面
32B 裏面
33 側壁
34 回路カバー
36 ヒートシンク
36H 上面
36L 下面
37 ボス
38 モータ用端子
39 端子収納開口
40 回路部
41 パワー基板
42 制御基板
43 半導体素子
43A 素子本体
43B 放熱部材
51,52 ヒートシンク
61,62 突出部
361,362 側面
363 下端部
364 上端部
410 領域
610 凹部
F1〜F4 気流
D 幅
T 先端部
Claims (8)
- 機器本体と、
機器本体を収納する本体収納部と、
前記機器本体を駆動制御する回路基板を含む回路部と、
前記回路部を収納するとともに前記本体収納部に一体化される回路収納部と、を備え、
鉛直方向または略鉛直方向に沿って起立して前記本体収納部内と前記回路収納部内とを隔てる隔壁の前記回路部側には、前記隔壁に対向する前記回路基板の素子に接触されるヒートシンクが形成され、
前記ヒートシンクの上端部および下端部の少なくとも一方は、幅が次第に狭められながら先端部まで到達する、
ことを特徴とする機器。 - 前記ヒートシンクは、鉛直方向の寸法が、鉛直方向に交差する方向の寸法よりも長い、
請求項1に記載の機器。 - 前記素子は、前記回路基板上で複数が少なくとも水平方向に配列され、
前記素子が配列される領域が鉛直方向に沿って区切られた区画毎に、前記ヒートシンクが設けられている、
請求項1または2に記載の機器。 - 前記隔壁には、前記ヒートシンクよりも上方で前記回路部側に突出する突出部が形成されている、
請求項1から3のいずれか一項に記載の機器。 - 前記突出部は、前記本体収納部内に連通する凹部を内包する、
請求項4に記載の機器。 - 前記凹部内には、前記回路基板と前記機器本体とを接続する端子が収納されている、
請求項5に記載の機器。 - 前記ヒートシンクおよび前記突出部の少なくとも一方には、前記回路基板を前記隔壁に固定するための固定部が一体に形成されている、
請求項1から6のいずれか一項に記載の機器。 - 前記機器本体は、
モータと、
前記モータを介して駆動制御されるとともに、前記本体収納部内に吸入される冷媒を圧縮する圧縮機構と、を備える、
請求項1から7のいずれか一項に記載の機器。
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