JP4697351B2

JP4697351B2 - 電動圧縮機

Info

Publication number: JP4697351B2
Application number: JP2010225247A
Authority: JP
Inventors: 勝幸森田; 昇一家岡; 竜男小川; 裕人林
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: JP2011007198A

Description

本発明は、電動圧縮機に係り、詳しくは電動モータを駆動するためのパワー半導体モジュールを備えた電動圧縮機に関するものである。

一般に、電動圧縮機の電動モータはインバータ等のパワー半導体モジュールにより駆動制御される。前記パワー半導体モジュールは、前記電動モータが圧縮機構の駆動時に多大な電力を必要とすることに加え、頻繁なスイッチング動作を行うため、大量の熱を発する。このため、前記パワー半導体モジュールの正常な動作を維持するために、該パワー半導体モジュールを冷却する必要がある。

前記パワー半導体モジュールを冷却する方法には、外気を利用したものと、前記電動圧縮機に用いる冷媒を利用したものとがある。前記外気を利用するものでは、前記パワー半導体モジュールの外側に放熱フィンを設けて放熱させたり、空冷ファンを設けて該ファンによる冷却風を前記パワー半導体モジュールに当てたりして冷却していた。一方、前記冷媒を利用するものでは、前記パワー半導体モジュールを前記電動圧縮機のハウジングの外周面において前記圧縮機構と前記電動モータとの間に直接取り付けて前記ハウジングに熱を奪わせていた（特許文献１）。さらに、前記冷媒を利用するものとしては、前記パワー半導体モジュールを、前記電動圧縮機とともに空調回路を構成する外部冷媒回路内のアキュムレータに取り付け、該アキュムレータ内の冷媒に熱を奪わせるものがあった（特許文献２）。

特開平４−８０５５４号公報特開平８−１４７０９号公報

しかしながら、前述の外気利用の場合では、前記パワー半導体モジュールの外側に前記放熱フィンや前記空冷ファンを設けるスペースが必要となるため、該パワー半導体モジュールの大型化や該圧縮機の設置スペース効率の悪化を招く原因となっていた。一方の前記冷媒利用の前者の場合では、前記パワー半導体モジュールが前記ハウジングの外周面に直接取り付けられているに過ぎず、該パワー半導体モジュールを冷却するために前記冷媒の前記ハウジング内への流入位置などの配慮は何らなされていなかった。また、前記冷媒利用の後者の場合では、前記パワー半導体モジュールを前記アキュムレータに取り付けるための取付部材を特段に設ける必要が発生する上に、該パワー半導体モジュールと前記電動圧縮機とを電気的に接続させるためのハーネスが長くなるとともに該ハーネスの取り回しが煩わしくなるという問題があった。

本発明の目的は、パワー半導体モジュールの冷却効果を向上させることができるとともに、圧縮機の小型化及びコストダウンを可能にする電動圧縮機を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する電動モータと、該電動モータを駆動するためのパワー半導体モジュールとを順に並ぶようにハウジング内に備えた電動圧縮機において、前記ハウジングにおける、前記電動モータと前記半導体モジュールとの間に形成される端部に、前記パワー半導体モジュールが取り付けられるヒートシンクを前記電動モータと反対側へ突出するように形成し、前記端部に通過部を貫設し、前記圧縮機に吸入される吸入冷媒を前記ヒートシンクの内部、前記通過部及び前記電動モータを通過させることによって前記ヒートシンクが冷却されるようにしたことを要旨とする。

この発明によれば、パワー半導体モジュールのヒートシンクは冷媒で冷却される。従って、前記パワー半導体モジュールの熱を外気に放熱するためのフィンや、冷却風を発生させるためのファンを設ける必要がなくなる。つまり、前記パワー半導体モジュールの冷却効果を劣化させることなく、圧縮機の小型化が可能になる。また、前記パワー半導体モジュールをハウジングに備えているため、前記パワー半導体モジュールを外部冷媒回路に設けた場合に比較して、パワー半導体モジュールと電動モータとを電気的に接続するハーネスを短くすることができる。

また、この発明によれば、吸入冷媒が前記ヒートシンクを冷却する。この吸入冷媒は、圧縮機構による圧縮作用を受ける前の低温状態にあるものであるため、前記ヒートシンクに対する冷却効果が大きい。

各請求項に記載の発明によれば、電動圧縮機において、パワー半導体モジュールの冷却効果を向上させることができるとともに、圧縮機の小型化及びコストダウンを可能にする。

一実施形態の電動圧縮機を含む空調回路の概要を示す模式断面図。同じく電動圧縮機の要部を示す一部破断斜視図。別例の電動圧縮機の要部を示す一部破断正面図。別例の電動圧縮機の要部を示す一部破断模式断面図。

以下、本発明の一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、電動圧縮機Ｃは、密閉構造の軸線方向が長手方向となる略円筒状のハウジング１１を備えている。ハウジング１１内には、冷媒の圧縮作用を行う圧縮機構１２と、圧縮機構１２を駆動する電動モータ１３とが、この駆動力を伝える回転軸１４によって連結された状態で前記長手方向に並ぶようにして設けられている。

電動圧縮機Ｃは、外部冷媒回路１５に接続された吐出経路１６及び吸入経路１７を介して前記冷媒を循環させている。吐出経路１６は、電動圧縮機Ｃの圧縮機構１２側と、外部冷媒回路１５とを接続している。吸入経路１７は、電動圧縮機Ｃの電動モータ１３側と、外部冷媒回路１５とを接続している。

ハウジング１１には、パワー半導体モジュールとしてのインバータ１９を冷却するためのヒートシンク１８が一体形成されている。ヒートシンク１８は略円筒状を呈し、ハウジング１１の電動モータ１３側の端面に設けられている。ヒートシンク１８の外周には、インバータ１９を構成するスイッチング素子１９Ａを取り付けるための平面状の取付面２０が複数（本実施形態では２箇所）形成されている。吸入経路１７は、ヒートシンク１８の内側を介してハウジング１１の内部（電動モータ１３側）に連通している。

図１及び図２に示すように、インバータ１９は、ヒートシンク１８に対して伝熱可能な状態で取付面２０に固定されている。インバータ１９は、複数のスイッチング素子１９Ａによって構成され、電動モータ１３に対して、該電動モータ１３を駆動するための電力を供給するようになっている。

ヒートシンク１８及びインバータ１９は、ハウジング１１の外形内に位置するように設けられている。ここで言うハウジング１１の外形とは、該ハウジング１１の軸線に対して垂直な方向についての外形を意味している。即ち、前記外形内に位置すると言うことは、ハウジング１１の外周面を前記軸線方向に延長した仮想面に囲まれたエリア内に位置すると言うことを意味している。

インバータ１９と電動モータ１３とは、ハーネス２１によって電気的に接続されている。電動モータ１３の駆動に必要な電力は、このハーネス２１を介して供給される。
ヒートシンク１８の一部分及びインバータ１９は保護カバー２２によって覆われている。保護カバー２２は、略有底円筒形状を呈し、外周部２３と底部２４とで構成されている。外周部２３は、該外周部２３の軸線に直交する断面の外形がハウジング１１の軸線に直交する断面の外形にほぼ等しくなるように形成されている。底部２４には、ヒートシンク１８を挿通するための貫通孔が設けられている。該貫通孔の形状は、ヒートシンク１８の軸線に直交する断面の外形にほぼ等しくなるように形成されている。

インバータ１９から電力が供給されると、電動モータ１３が回転し、これにより圧縮機構１２が駆動され、前記冷媒が、空調回路（電動圧縮機Ｃ、外部冷媒回路１５、吐出経路１６及び吸入経路１７によって構成される）内を循環する。インバータ１９は、前述の電力の供給動作によって熱を発する。この熱は、ヒートシンク１８に伝えられ、外気に放熱される。また、前記熱は、熱伝導によってヒートシンク１８からハウジング１１側に伝えられ、ハウジング１１によっても放熱される。更に、インバータ１９からヒートシンク１８に伝熱された熱は、ヒートシンク１８内を通過する前記吸入冷媒に奪われるため、更に放熱が促進される。

本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
（１）インバータ１９に装着したヒートシンク１８を冷媒で冷却させて該ヒートシンク１８の熱を奪うようにしたため、インバータ１９の冷却効果が向上する。また、ヒートシンク１８は、インバータ１９の発する熱の放熱面積を増大させることができるため、インバータ１９の冷却効果は更に向上する。

（２）ヒートシンク１８を筒状に形成し、その内部を冷媒が流れるようにして、吸入経路１７からハウジング１１内への冷媒の導入部として兼用させたため、インバータ１９に冷媒が当たらないようにする構成を特段に設ける必要がなくなる。

（３）ヒートシンク１８をハウジング１１に一体形成したため、インバータ１９からヒートシンク１８に伝えられた熱を更にハウジング１１に伝導させることができる。つまり、インバータ１９の発した熱がハウジング１１からも放熱されるため、インバータ１９の冷却効果が更に向上する。

（４）ヒートシンク１８の内部を通過する冷媒を、圧縮機構１２による圧縮作用を受ける前の低温状態にある吸入冷媒としたため、インバータ１９の冷却効果が更に向上する。

（５）インバータ１９を、電動圧縮機Ｃとは別体の外部冷媒回路１５にではなく、ハウジング１１に設けたため、インバータ１９と電動モータ１３とを繋ぐハーネス２１を短くすることができる。また、インバータ１９を外部冷媒回路１５に取り付けるための部材を特段に設ける必要がなくなる。従って、ハーネス２１の取り回しも容易になることも加わって、コストダウンを図ることができる。

（６）インバータ１９をハウジング１１の電動モータ１３側に設けたため、更にハーネス２１を短くすることができる。即ち、（５）に記載のコストダウン効果を更に向上させる。

（７）インバータ１９及びヒートシンク１８をハウジング１１の端部においてその外形内に位置するように配設したため、ハウジング１１の長手方向に直交する方向に電動圧縮機Ｃの体格が大型化することを防止できる。電動圧縮機Ｃを設置するスペースにおいて、ハウジング１１の長手方向に直交する方向に余裕がない場合には特に有用である。

（８）インバータ１９を、保護カバー２２で覆うようにしたため、埃や水などからインバータ１９を守ることができる。また、インバータ１９が他の部材に触れたりぶつかったりすることを防ぐことができる。

実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、以下の様態としてもよい。
○ ヒートシンク１８を、該ヒートシンク１８の円筒部内部に放熱フィンを有する形状とし、冷媒が該放熱フィンに対して平行に流れるようにしてもよい。例えば、図３に示すように、ヒートシンク１８の円筒部内部にハニカム状の放熱フィン２５を設ける。外部冷媒回路１５からの吸入冷媒は、ヒートシンク１８内を放熱フィン２５に対して平行に流れる。図３は、前記実施形態におけるヒートシンク１８を、保護カバー２２を取り外した状態で冷媒の導入側から見た図である。

○ 電動圧縮機Ｃのハウジングを、圧縮機構１２及び電動モータ１３を内蔵する第１のハウジングと、ヒートシンク１８及びインバータ１９を有する第２のハウジングとで構成するようにしてもよい。例えば、図４に示すように、熱伝導率の高い金属製の第２のハウジング１１Ｂを形成し、この第２のハウジング１１Ｂにヒートシンク２６を設ける。ヒートシンク２６の内部を冷媒が通過できるようにする。ヒートシンク２６の外面にインバータ１９を伝熱可能に装着する。前記実施形態のハウジング１１からヒートシンク１８を除いた構造の第１のハウジング１１Ａと、吸入経路１７との間の部分に第２のハウジング１１Ｂを配置する。

このようにして、吸入経路１７からの吸入冷媒が、ヒートシンク２６の内部を通過して第１のハウジング１１Ａ内に導入されるようにする。これによれば、前記実施形態における（１）〜（８）に記載の効果に加え、インバータ１９を含む第２のハウジング１１Ｂ側のユニットを、第１のハウジング１１Ａ側のユニットとは別の工程で組み立てることが可能になる。例えば、電装部品であるインバータ１９を含む第２のハウジング１１Ｂ側のユニットを社外工場で生産するなどの工程調整が可能になる。

○ インバータ１９に取り付けたヒートシンク１８を、ハウジング１１の圧縮機構１２側の端面上に設け、吸入経路１７からの冷媒がヒートシンク１８の内部を流れるようにしてもよい。これによれば、前記冷媒は電動モータ１３によって昇温される前に圧縮機構１２に導入される。従って、ハウジング１１の電動モータ１３側の端面上に設けたヒートシンク１８の内部を前記冷媒が流れるようにした場合に比較して、前記冷媒の比体積の増大が抑えられ、圧縮機構１２による圧縮効率の低下を抑えることができる。

○ ヒートシンク１８を冷却する冷媒を、圧縮機構１２での圧縮作用を受けた後の吐出冷媒としてもよい。これによれば、ヒートシンク１８の内部を前記吸入冷媒が流れるようにした構成に比較して、前記吸入冷媒の比体積の増大による圧縮効率の低下を抑えることができる。

○ インバータ１９をハウジング１１の端面と対向する位置に代えて外周面と対向する位置に設けてもよい。例えば、インバータ１９を、筒状のヒートシンクを介してハウジング１１の外周面に取り付け、該ヒートシンクを介して冷媒をハウジング１１内に導入する。また、インバータ１９をハウジング１１の外周面に固定し、ヒートシンクをハウジング１１内に突出するように設けてもよい。この場合、該ヒートシンクを、ハウジング１１内において冷媒が流れている部分に配設する。

○ ヒートシンク１８の軸線に直交する該ヒートシンク１８の断面の外形は、略円形でなく、例えば、三角形、四角形、六角形などの多角形でもよい。
○ インバータ１９を構成するスイッチング素子１９Ａは、２ブロックにする構成に限らず、３ブロックや６ブロックに分割してもよい。

○ ヒートシンク１８をブロック状に形成し、冷媒の流れる方向に沿った多数の孔を設け、各孔を冷媒が流れるようにしてもよい。
○ ヒートシンク１８を、インバータ１９の周囲を覆うように形成してもよい。

○ 保護カバー２２は、合成樹脂製でも金属製でもよい。合成樹脂製とした場合には、軽量化が容易になる。一方、金属製とした場合には、保護カバー２２の強度の向上、コストダウン、及び、電気的シールド効果が期待できる。

次に、前記実施形態から把握できる技術的思想について、その効果とともに以下に記載する。
（１）ヒートシンクをハウジングに一体形成し、パワー半導体モジュールを覆う保護カバーを設ける。この場合、ヒートシンクからハウジング側へ熱を伝達しやすくなり、パワー半導体モジュールの冷却効果が向上するとともに、保護カバーがパワー半導体モジュールへの異物（例えば、埃や水、あるいは、衝撃を与えうる物）の接触を防止する。

（２）ヒートシンクを、多数の放熱フィンを有する形状とし、冷媒が前記放熱フィンに対して平行に流れるようにする。この場合、ヒートシンクの冷却効果が向上する。

１１…ハウジング、１２…圧縮機構、１３…電動モータ、１８…ヒートシンク、１９…パワー半導体モジュールとしてのインバータ、２２…保護カバー、２５…放熱フィン。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機構と、該圧縮機構を駆動する電動モータと、該電動モータを駆動するためのパワー半導体モジュールとを順に並ぶようにハウジング内に備えた電動圧縮機において、
前記ハウジングにおける、前記電動モータと前記半導体モジュールとの間に形成される端部に、前記パワー半導体モジュールが取り付けられるヒートシンクを前記電動モータと反対側へ突出するように形成し、前記端部に通過部を貫設し、前記圧縮機に吸入される吸入冷媒を前記ヒートシンクの内部、前記通過部及び前記電動モータを通過させることによって前記ヒートシンクが冷却されるようにしたことを特徴とする電動圧縮機。