JP2014090102A - 電装装置の結露防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の複雑化や難しい制御を無しに、プリント基板に結露を生じさせないための電装装置の結露防止構造を提供する。
【解決手段】電装装置１２の結露防止構造１０は、基板１４に設けた発熱部３８、基板１４の結露を検出するセンサ４０ａ，４０ｂ、および発熱部３８を制御する制御部を備える。２つのセンサ４０ａ，４０ｂによって基板１４の表面温度と基板１４の周囲雰囲気の温度が計測される。発熱部３８を中心として、その周囲が加熱される。周囲雰囲気の温度よりも高くして、結露を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パワーデバイスなどの電子部品を実装した電装装置の結露防止構造に関するものである。

従来、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）やダイオードブリッジなどのパワーデバイスをプリント基板に実装し、インバータなどの電装装置を構成している。パワーデバイスは高発熱部品であるため、冷却する必要がある。冷却方法として、冷媒を利用した冷却が挙げられる。冷媒の流れる配管を冷媒ジャケットで覆い、伝熱板を介してパワーデバイスを冷却する。冷媒を利用することによって冷却能力が高くなり、電装装置の小型化および配置の自由度が増す。

冷媒ジャケットから伝熱板を介してパワーデバイスを冷却するが、冷媒温度が空気温度よりも低くなる場合にパワーデバイスのリードを介してプリント基板が周囲空気温度以下に冷却される場合がある。たとえば、パワーデバイスの出力が小さいときや、複数の電装装置やパワーデバイスを有し、その一部を停止させたりする場合がある。プリント基板が結露すると、導体パターン間で絶縁不良が生じたり、プリント基板が腐食したりするなどの問題が生じる。

特許文献１は、空気調和機の電気品箱に対して熱交換できる補助クーラーを設け、補助クーラーを圧縮機に対してバイパス回路を介して接続している。流量調節手段によって補助クーラーへの冷媒の流量を調節し、電気品箱の中の結露を防止する。しかし、冷媒の流量調節のためにアクチュエーターなどが必要であり、装置が大型化するため、好ましくない。

特許文献２は、２つの平行な流路を有する冷媒回路を設け、パワー半導体に対する各流路の熱抵抗が異なるヒートポンプ装置が開示されている。ヒートポンプ装置の運転状態に応じて流路切り換え手段が流路を切り替え、パワー半導体の結露を防止している。しかし、流路を切り換えるための構成が複雑になり、装置が大型化される。

特許文献３は、プリント基板の部品搭載面を樹脂で覆うことで結露を防止する技術を開示している。しかし、樹脂の硬化に時間を要し、製造時間が長くなる。部品が樹脂で覆われるため、部品を交換する修理ができない。

特許文献４は、半導体パッケージを基板に実装し、冷媒冷却によって結露の生じる箇所を気密カバーする構成を開示している。しかし、結露を防止するために完全な気密構造を形成するのは困難である。完全な気密構造を形成できたとしても、かなりのコストアップとなる。

特許文献５は、加熱ヒーターを配管上に配置し、機器内外の露点温度と配管表面温度を用いて、冷却水の加熱をおこなう構成を開示している。しかし、冷却水を加熱するため、多くの熱量が必要になり、エネルギー効率的に好ましくない。

特許文献６は、冷凍サイクルの中間圧力の冷媒が発熱機器から吸熱し、蒸発する構成を開示している。電気膨張弁の開閉度を制御することで、中間圧力を変化させ、発熱機器からの冷却量を調節し、結露を防止する。しかし、発熱機器の動作状態で冷却量が変化するため、制御が難しくなる。

特開平５−１５７３７２号公報 特開２００９−２８１６０２号公報 実開平１−８６２９５号公報 特開２０００−３４９４８４号公報 特開平１−１６９６１５号公報 特開平１１−２３０８１号公報

本発明は、構成の複雑化や難しい制御を無しに、プリント基板に結露を生じさせないための電装装置の結露防止構造を提供することを目的とする。

電装装置は、基板と、前記基板に実装されたパワーデバイスと、冷媒の流れる配管を取り付けた冷却部材と、前記冷却部材に対して基板を取り付ける取り付け具とを備える。

本発明の電装装置の結露防止構造は、前記基板におけるパワーデバイスのリード付近、取り付け具付近、またはその両方に設けた発熱部と、前記基板の結露の可能性を検出するためのセンサと、前記センサで計測された値から、発熱部のオンとオフを切り替える制御部とを備える。

センサで結露になるか否かを検出し、結露すると判定した場合、制御部で発熱部を発熱させる。温度上昇によって結露を防止する。結露しない場合、発熱部を発熱させない。

前記センサは、基板および基板の周囲雰囲気の温度、湿度、またはその両方を計測する。温度や湿度によって結露になるか否かを検出する。

前記発熱部は、基板に形成した導体パターンまたは基板に取り付けたヒーターである。発熱部は、基板の導体パターンを使用したり、基板に取り付けたりする。

前記電装装置またはパワーデバイスが複数である。電装装置またはパワーデバイスの中で、停止したり低電力駆動になる場合に、基板が冷やされやすくなるが、発熱部で加熱して、結露を防止する。

前記制御部は、発熱部のオンとオフの切り替えにヒステリシス制御を利用する。発熱部のオンとオフが頻繁に切り替わるのを防止する。

本発明は、センサで結露するか否かを検出し、発熱部をオンまたはオフするだけであり、簡単な構成と制御で結露を防止できる。発熱部が導体パターンで形成された場合、基板の製造過程で発熱部を製造することができ、製造を複雑化させない。

本発明の電装装置の結露防止構造の構成を示す図である。 （ａ）は導体パターンで形成した発熱部を示す図であり、（ｂ）は発熱部を蛇行させた図である。 制御部の構成を示す図である。 取り付け具付近に発熱部を設けた電装装置の結露防止構造の構成を示す図である。 リード付近と取り付け具付近に発熱部を設けた電装装置の結露防止構造の構成を示す図である。 湿度センサを使用した制御部の構成を示す図である。 面状ヒーターの発熱部を示す図である。

本発明の電装装置の結露防止構造について図面を用いて説明する。電装装置は、インバータ回路を始めとして、パワーデバイスなどの高発熱部品を使用するものである。

図１に示すように、電装装置１２は、基板１４、基板１４に実装されたパワーデバイス１６、冷媒の流れる配管１８を備えた冷却部材２０、および冷却部材２０に対して基板１４を取り付ける取り付け具２２を備える。

基板１４は、樹脂基板２４の表面に銅箔などの導体で導体パターン２６を形成したプリント基板である。樹脂基板２４の代わりに金属板の表面に絶縁体を積層した金属基板であっても良い。基板１４の冷却部材側の面を対向面２８、その反対側の面を反対面３０として説明する。図１では基板１４の対向面２８に、導体パターン２６が形成されている。基板１４の反対面３０にも適宜導体パターン２６が形成される。

導体パターン２６にパワーデバイス１６のリード３２が接続される。パワーデバイス１６は、ＩＰＭやダイオードブリッジなどの高発熱の電子部品である。パワーデバイス１６のリード３２が基板１４の導体パターン２６に半田付けなどされて接続される。

パワーデバイス１６が、冷却部材２０によって冷却される。冷却部材２０は、冷媒の流れる配管１８、冷媒ジャケット３４および伝熱板３６を備える。配管１８は直方体形状の冷媒ジャケット３４で覆われ、冷媒ジャケット３４に板状の伝熱板３６が取り付けられる。冷媒は、フロン類、アンモニア、水などである。伝熱板３６とパワーデバイス１６とが接する。基板１４と冷却部材２０とが取り付け具２２で取り付けられる。取り付け具２２は、ネジなどであり、熱膨張しにくい材質のものが好ましい。

図１、２、３に示す本発明の電装装置１２の結露防止構造１０は、基板１４に設けた発熱部３８、基板１４の結露の可能性を検出するためのセンサ４０ａ，４０ｂ、および発熱部３８を制御する制御部４２を備える。

発熱部３８は、基板１４におけるパワーデバイス１６のリード３２の付近に設けられる。パワーデバイス１６のリード３２の付近はパワーデバイス１６が停止したり、低電力駆動になった場合に、リード３２も冷却され、基板１４におけるその付近も冷却される。そのため、冷却されて結露しやすい箇所を発熱部３８で加熱する。

発熱部３８は、導体パターン２６と同じ基板１４の表面の銅箔などの導体を利用する。たとえば図２（ａ）のように、リード３２が接続された導体パターン２６の近くに発熱部３８になる線状の導体パターン２６'を形成する。導体パターン２６'の線幅を細くし、導体パターン２６'で抵抗を形成する。発熱部３８の両端を制御部４２に接続する。発熱部３８となる導体パターン２６'は抵抗であるため、電流を流すと発熱する。

導体パターン２６'が細くなりすぎると発熱する領域が小さくなり、基板１４を加熱できない場合がある。そのため、図２（ｂ）のように、発熱部３８となる線状の導体パターン２６'を蛇行させ、発熱される領域を大きくしても良い。発熱部３８の熱量が大きくなり、基板１４を加熱しやすくなる。

基板１４の導体パターン２６をエッチングなどで形成するときに、同時に発熱部３８になる導体パターン２６'も形成できる。そのため、発熱部３８を形成するための特別な製造工程を追加することがない。

図１では、基板１４における冷却部材２０の対向面２８が反対面３０よりも冷却され易いため、基板１４の対向面２８に発熱部３８を設けている。基板１４の反対面３０も冷却される場合、その反対面３０にも発熱部３８を設けても良い。発熱部３８の数は限定されず、冷却される箇所に適宜形成する。

センサ４０ａ，４０ｂは、基板１４および基板１４の周囲雰囲気の温度を計測する温度センサを使用する。センサ４０ａ，４０ｂとしては、白銀測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、ＩＣ温度センサなどが挙げられる。センサ４０ａ，４０ｂは、基板１４の温度を計測する第１センサ４０ａと、基板１４の周囲雰囲気中の温度を計測する第２センサ４０ｂとを備える。

センサ４０ａ，４０ｂで測定した値は、基板１２の結露の可能性を判定するために使用される。第１センサ４０ａは、基板１４におけるパワーデバイス１６のリード３２の付近に取り付けられる。結露の起きやすい部分の温度を測定する。第２センサ４０ｂは、基板１４に取り付けられて周囲雰囲気の温度を計測しても良いし、他の部材によって基板１４の周囲に配置されて温度を計測しても良い。図１では基板１２の反対面３０側の空間に第２センサ４０ｂが配置されているが、基板１２の対向面２８側の空間に配置されても良い。

図３の制御部４２は、センサ４０ａ，４０ｂで計測された値から、発熱部３８のオンとオフの切り替えをおこなう回路やプログラムである。たとえば制御部４２は、発熱部３８に電流を流すための電源４４、発熱部３８と電源４４を接続または切断するための制御リレー４６、２つのセンサ４０ａ，４０ｂの値を比較して制御リレー４６にオンまたはオフの信号を出力する比較回路４８を備える。電装装置１２がインバータ回路などの場合、インバータ回路などに使用されるマイコンに制御部４２を組み込んでも良い。

２つのセンサ４０ａ，４０ｂによって基板１４の表面温度と基板１４の周囲雰囲気の温度が計測される。比較回路４８で２つの値が比較され、第１センサ４０ａの値が高ければ結露する可能性が無く、制御リレー４６はオフになって、電源４４と発熱部３８は切断される。発熱部３８に電流が流れず、発熱しない。

第２センサ４０ｂの値が第１センサ４０ａの値より高ければ、基板１４が周囲雰囲気より冷えており、結露する可能性がある。制御リレー４６をオンにして、電源４４と発熱部３８とを接続する。発熱部３８に電流が流れ、発熱する。発熱部３８を中心として、その周囲が加熱される。発熱部３８はパワーデバイス１６のリード３２の付近などに設けられているため、結露の起きやすい場所が加熱される。基板１４の温度を周囲雰囲気の温度よりも高くして、結露を防止する。

上記のように、本発明は簡単な構成であり、従来技術に示したような装置の大型化などはない。発熱部３８の形成は、基板１４と同時におこなうことができ、製造が複雑化しない。２つのセンサ４０ａ，４０ｂの値を比較するだけであり、制御が簡単である。

取り付け具２２を介して基板１４が冷却され、結露する場合がある。図４のように、基板１４における取り付け具２２の付近に発熱部３８および第１センサ４０ａを配置しても良い。第１センサ４０ａと第２センサ４０ｂは各発熱部３８ごとに設けても良いし、いずれかの発熱部３８にのみ第１センサ４０ａと第２センサ４０ｂを設けても良い。第１センサ４０ａまたは第２センサ４０ｂが複数になる場合、各センサ４０ａ，４０ｂの計測した値の平均値を使用してもよい。

また、図５のように、基板１４におけるパワーデバイス１６のリード３２の付近および取り付け具２２の付近の両方に発熱部３８および第１センサ４０ａを配置しても良い。図１、４、５のように、電装装置１２ごとに結露の生じやすいところに発熱部３８を設け、さらに結露を検出するための各センサ４０ａ，４０ｂを配置する。

実施例１ではセンサ４０ａ，４０ｂとして温度センサを使用したが、湿度センサを使用してもよい。湿度センサとしては、多孔質のセラミックスまたは吸湿性の高分子膜を利用した容量性のセンサが挙げられる。湿度センサも基板１４に取り付けたり、基板１４の周囲雰囲気中に配置する。湿度センサであるので、センサ４０ａ，４０ｂの数は１つであっても良い。

図６に示すように、湿度センサ４０ｃを使用した場合、制御部４２'は、発熱部３８に電流を流すための電源４４、発熱部３８と電源４４を接続または切断するための制御リレー４６を備える。制御リレー４６は、湿度センサ４０ｃの値によってオンまたはオフになる。湿度が１００％になると結露が生じているので、湿度が１００％になる前の所定値で制御リレー４６をオンにするようにする。

また、結露を検出するためのセンサとして、温度センサ４０ａ，４０ｂと湿度センサ４０ｃの両方を使用してもよい。温度センサは実施例１のように第１センサ４０ａと第２センサ４０ｂを使用する。たとえば、第２センサ４０ｂの値が第１センサ４０ｃよりも高く、かつ湿度センサ４０ｃが所定値以上になれば、制御部４２が発熱部３８をオンにする。

基板１４を加熱するための構成として、導体パターンで形成された発熱部３８に限定されない。たとえば図７のように、面状ヒーターの発熱部３８'が挙げられる。面状ヒーターの発熱部３８'として、ラバーヒーターやリボンヒーターが挙げられる。面状ヒーターは導体パターン２６に取り付けても良い。面状ヒーターと導体パターン２６とは絶縁する。

図７では導体パターン２６の上に発熱部３８'を設けたが、この態様に限定されない。実施例１などのように樹脂基板２４の上に面状ヒーターの発熱部３８'を設けても良い。

パワーデバイス１６が複数であっても良い。一部のパワーデバイス１６が停止している場合、停止しているパワーデバイス１６は、冷却されやすく、リード３２を介して基板１４が冷却され、その部分が結露しやすい。発熱部３８によって結露を防止する。

また、複数のインバータを備える空気調和機など、電装装置１２が複数であってもよい。一部の電装装置１２が停止している場合、その電装装置１２のパワーデバイス１６が冷却され、リード３２を介して基板１４が冷却されやすい。冷却されやすい場所を発熱部３８によって加熱し、結露を防止する。

制御リレー４６のオンとオフを切り替えるとき、ヒステリシス制御を利用しても良い。温度や湿度が細かに変動し、センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃで計測された値が一定でなければ、オンとオフが頻繁に切り替わる場合がある。制御リレー４６にヒステリシス制御をおこなう回路を組み込み、頻繁にオンとオフが切り替わらないようにする。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。各実施例は独立的または排他的なものではなく、適宜組み合わせて実施しても良い。

１０：電装装置の結露防止構造
１２：電装装置
１４：基板
１６：パワーデバイス
１８：配管
２０：冷却部材
２２：取り付け具
２４：絶縁基板
２６：導体パターン
２８：対向面
３０：反対面
３２：リード
３４：冷媒ジャケット
３６：伝熱板
３８：発熱部
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ：センサ
４２、４２'：制御部
４４：電源
４６：制御リレー
４８：比較回路

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板に実装されたパワーデバイスと、
   冷媒の流れる配管を備えた冷却部材と、
   前記冷却部材に対して基板を取り付ける取り付け具と、
   を備えた電装装置の結露防止構造であって、
   前記基板におけるパワーデバイスのリード付近、取り付け具付近、またはその両方に設けた発熱部と、
   前記基板の結露の可能性を検出するためのセンサと、
   前記センサで計測された値から、発熱部のオンとオフを切り替える制御部と、
   を備えた電装装置の結露防止構造。
2. 前記センサが、基板および基板の周囲雰囲気の温度、湿度、またはその両方を計測する請求項１の電装装置の結露防止構造。
3. 前記発熱部が、基板に形成した導体パターンまたは基板に取り付けたヒーターである請求項１または２の電装装置の結露防止構造。
4. 前記電装装置またはパワーデバイスが複数である請求項１から３のいずれかの電装装置の結露防止構造。
5. 前記制御部が、発熱部のオンとオフの切り替えにヒステリシス制御を利用する請求項１から４のいずれかの電装装置の結露防止構造。

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