JP2015079773A - 電子部品の冷却装置及び冷凍サイクル装置の熱源機 - Google Patents

Abstract

【課題】
スイッチング素子パッケージよりもわずかに小さいため、本来のヒートシンクとサブヒートシンクとの接触面積が小さく、スイッチング素子パッケージから本来のヒートシンクへの伝熱量が小さくなり、放熱が不十分になるという問題がある。
【解決手段】
電子部品の発熱を放熱する放熱面を備えた直方体形状の素子パッケージと、その側面から延出した端子ピンと、素子パッケージの取り付け側となる平坦な吸熱面を備えたメインヒートシンクと、素子パッケージとメインヒートシンクとの間に設けられ、その断面が上段と下段からなる階段形状をなし、上段の上面が素子パッケージの放熱面に接して固定され、下面がメインヒートシンクの吸熱部に接して固定されるサブヒートシンクを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明の実施の形態は、電子部品の冷却装置と、この冷却装置を備えた冷凍サイクル装置の熱源機に関する。

発熱する電子部品の冷却のため、電子部品をアルミ材等の放熱性の良い材料で作成されたヒートシンクに取付ることが行なわれている。例えば、空気調和機の室外機に収納される圧縮機を駆動するインバータ装置では、発熱するスイッチング素子を１つのパッケージに収納したスイッチング素子パッケージをヒートシンクに取付け、このヒートシンクの放熱部３ａとなる放熱フィンを室外機のファンによる送風で冷却している。
インバータ装置に用いられるスイッチング素子は、一般に三相分の６個のスイッチング素子が１つのパッケージ内に収められている。そして、このパッケージの側方から外側に延出された複数の入力端子ピンがプリント基板に半田付けされ、プリント基板上の制御回路や電源がこの入力端子を介してスイッチング素子に接続されている。なお、スイッチング素子は、通常ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴからなる。

プリント基板上の電流が流れる導電パターン等やプリント基板上に搭載された電機・電子部品と外部の導電部材とは、相互間の電気的な絶縁を保つために物理的に所定の距離を離しておく必要がある。上記のようなヒートシンクを取り付ける構成の電子部品では、ヒートシンクとスイッチング素子パッケージの側方から延出される端子ピンとの間の距離が最も短くなる。そこで、ヒートシンクとスイッチング素子パッケージとの間に、スイッチング素子パッケージと同一形状のアルミ材等の熱伝達性の良い材料からなるサブヒートシンクを介在させて本来のヒートシンクとの距離を離す方法が考えられる。

特開２００８−７１８５４号公報

ところが、サブヒートシンクもスイッチング素子パッケージの端子ピンとの絶縁距離を確保しなければならないため、スイッチング素子パッケージの外形よりも若干小さくしなければならない。また、スイッチング素子パッケージの端子ピンと本来のヒートシンクとの間の絶縁距離を確保するため、サブヒートシンクの厚さは、絶縁距離以上としなければならない。

このため、サブヒートシンクは、かつ絶縁距離以上の厚みが必要で、サブヒートシンクの伝熱性が高くとも、その厚み分だけ伝熱性能が悪化する。
さらに、サブヒートシンクは、スイッチング素子パッケージよりもわずかに小さいため、本来のヒートシンクとサブヒートシンクとの接触面積が小さく、スイッチング素子パッケージから本来のヒートシンクへの伝熱量が小さくなり、スイッチング素子パッケージの放熱が不十分になるという問題がある。

本発明の実施形態によれば、発熱する電子部品を収容し、この電子部品の発熱を放熱する放熱面を備えた直方体形状の素子パッケージと、素子パッケージの側面から延出した端子ピンと、立設した複数の放熱フィンを有する放熱部と、この放熱部と反対側に位置する素子パッケージの取り付け側となる平坦な吸熱面を備えたメインヒートシンクと、素子パッケージとメインヒートシンクとの間に設けられ、熱伝達率の高い材料で一体成型されるとともに、その断面が上段と下段からなる階段形状をなし、上段の上面が素子パッケージの放熱面に接して固定され、下面がメインヒートシンクの吸熱部に接して固定されるサブヒートシンクと、を備える。さらに、サブヒートシンクの上段の上面の端部および階段状の下段の上面は、端子ピンから所定の距離だけ離れたところに位置する形状に形成される。

本発明の実施形態に係る電子部品の冷却装置が用いられた空気調和機の室外機の斜視図。 同冷却装置の組み立て状態を示す斜視図。 同冷却装置に用いられるサブヒートシンクの正面図及びＡ−Ａ断面図。 同冷却装置の上側面図。

本発明の実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。本発明の実施形態に係る電子部品の冷却装置を用いた冷凍サイクル装置の熱源機について、空気調和機の室外機１０を例に説明する。

図１において、室外機１０は、前面側のパネルを取り外した状態を示している。室外機１０内には、圧縮機１１、室外ファン１２及び室外熱交換器１３が収納されている。室外機１０は、その内部が板金で成型された仕切板１４によって圧縮機１１を収納する機械室１５と室外ファン１２及び室外熱交換器１３を収納する熱交換器室１６の２つに仕切られている。

機械室１５には、圧縮機１１の他にこの圧縮機１１を可変速駆動する三相インバータ装置が収納される。インバータ装置は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの発熱する６つのスイッチング素子を略直方体形状の１つのパッケージに収納した電子部品であるスイッチング素子パッケージ１が電気的に接続されたプリント基板２１からなる。プリント基板２１にはスイッチング素子パッケージ１の他に、パッケージ１内のスイッチング素子のオン／オフを制御するマイクロコンピュータ及びその周辺回路からなる制御回路やインバータ装置の電源回路が搭載されている。なお、プリント基板２１は、通常、その周囲を電気部品収納箱に覆われているが、図１は説明のため、電気部品収納箱を省略して表している。

図２に示すように、スイッチング素子パッケージ１は、厚みの薄い直方体形状で、長手方向を垂直方向としてプリント基板２１の裏面側に配置されている。スイッチング素子パッケージ１からは、その短手方向の左右側面から入力／出力端子ピン２が延出されている。この入力／出力端子ピン２は、先端がプリント基板２１側に折り曲げられて、プリント基板２１の穴２２を貫通し、プリント基板２１の表面側で半田付けされている。なお、以下説明では、プリント基板２１及びスイッチング素子パッケージ１について、取り付け状態において圧縮機１１側の面を表側、熱交換器室１６側の面を裏側として説明する。

プリント基板２１の表面側には、インバータ装置の制御回路や電源回路を構成する各種電子素子や電気部品素子が半田付けされている。プリント基板２１の表面側に設けられた各種回路とスイッチング素子パッケージ１の入力／出力端子ピン２がプリント基板２１に設けられた埋め込み配線（銅箔）によって電気的に接続される。スイッチング素子パッケージ１の取付位置と対向するプリント基板２１の位置には、スイッチング素子パッケージ１よりもわずかに小さな大きさの開口２１ａが設けられている。このため、プリント基板２１の表面側から開口２１ａを介してスイッチング素子パッケージ１を見ることができる。

図１に示された仕切板１４の熱交換器室１３側にメインヒートシンク３が、図示しないネジ等で熱交換器室１３側から仕切板１４に取り付け固定されている。ここでも、メインヒートシンク３について、圧縮機室１５側の面を表側、熱交換器室１６側の面を裏側として説明する。

図２に示すようにメインヒートシンク３の表側の中央部に位置する仕切板１４には、開口１４ａが設けられている。メインヒートシンク３の表側の面は、平坦に形成された吸熱面３ｂとなっている。メインヒートシンク３は、その表側の面が開口１４ａを塞ぐように取り付けられている。熱交換器室１４は、室外熱交換器１３を介して雨水が吹き込むが、開口１４ａから雨水が機械室１５に流れ込むことがないようメインヒートシンク３の表側の面と開口１４ａとの間は接着剤等のシール材で密封されている。

メインヒートシンク３は、熱伝達率の高いアルミ材の押出し成型で形成されたもので、熱交換器室１４側にて外気との接触面積を増やして放熱性を高めるための複数のフィン３ｆが裏側の面に立設されている。メインヒートシンク３本体とフィン３ｆは一体に、熱伝達率の高いアルミ材で形成されたもので、フィン３ｆの長手方向に押出し成型されている。複数のフィン３ｆが立設された面を放熱部３ａとなり、放熱部３ａの反対側（表側）は平面状の吸熱面３ｂとなる。

空気調和機の運転中には、熱交換器室１４内の室外ファン１２の運転によってこれらのフィン３ｆに風が当たり、メインヒートシンク３の熱を外気に放熱する。フィン３ｆは、水平方向に伸びており、その裏面に取り付けられるスイッチング素子パッケージ１の長手方向と直交している。

発熱する電子部品であるスイッチング素子パッケージ１のプリント基板２１と反対面（裏面）には、放熱性の高い金属板が埋め込まれており、放熱面１ａ（図４参照）が形成されている。スイッチング素子パッケージ１の放熱面１ａとメインヒートシンク３のとの間にはサブヒートシンク５が設けられており、仕切板１４に設けられた開口１４ａを介して機械室１５から熱交換室１６に連通している。サブヒートシンク５は、メインヒートシンク３と同様に熱伝達率の高いアルミ材の一体成型品で形成されている。

図３にサブヒートシンク５の正面図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（ｂ）を示す。
サブヒートシンク５は、左右方向を短手方向とし前後方向を長手方向とする長方形状で、その断面が上段部５ａと下段部５ｂからなる階段形状、すなわち凸形になっている。上段部５ａは、スイッチング素子パッケージ１の放熱面１ａと密着固定される長方形状の平坦な上面５ｄを備えている。一方、下段部５ｂの下面、すなわち、サブヒートシンク５の裏側端面５ｅも平滑な面となっており、この裏側端面５ｅがメインヒートシンク３の吸熱面３ｂに密着固定されるようになっている。

この上段部５ａから所定距離だけ裏側端面５ｅ側に向かった位置から、裏側端面５ｅまでの間に、サブヒートシンク５の短手方向両側面に、短手方向に延出した下段部５ｂ、５ｂが設けられている。この左右のそれぞれの下段部５ｂ、５ｂは、正面視（図３（ａ））で台形形状になっている。 この台形の高さ、すなわち、下段部５ｂ、５ｂの上段部５ａからの延出長さは、上面５ｄと同様の長手方向長さとなっている。このため、サブヒートシンク５の裏側端面５ｅは、長手方向は、ほぼ上段部５ａと同じ長さで、短手方向は上段部５ａの上面５ｄの略３倍の長さを有している。したがって、裏側端面５ｅの面積は、上段部５ａの上面５ｄの略３倍となり、サブヒートシンク５とメインヒートシンク３との接触（伝熱）面積は大幅に拡大している。

上段部５ａの上面５ｄの短手方向長さは、スイッチング素子パッケージ１の短手方向長さよりもわずかに短く形成されており、上面５ｄは、スイッチング素子パッケージ１の内側に入り込んでいる。このため、上段部５ａの上面５ｄが端子ピン１ｂに面することがなく、端子ピン１ｂと上段部５ａの上面５ｄの端部は、図４に示す所定の距離Ｙだけ離れる。したがって、スイッチング素子パッケージ１の入力／出力端子ピン１ａとサブヒートシンク５の上段部５ａの上面５ｄとの、沿面距離Ｙを入力／出力端子ピン１ａに流れる電圧や電流によって定まる所定の絶縁距離だけ離すことで、入力／出力端子ピン１ａとサブヒートシンク５の上段部５ａとの間で放電が生じることを防止できる。

また、サブヒートシンク１の短手方向中央部には、上段部５ａから下段部５ｂを貫通した４つの貫通穴５ｃが長手方向に並んで設けられている。この貫通穴５ｃは前後左右（短手方向及び長手方向）対称に配置されている。これにより、組付け作業時に上下を確認するだけで、前後左右方向の確認を必要としないため、作業効率を高くすることができる。

図４に示すように、スイッチング素子パッケージ１とサブヒートシンク５とメインヒートシンク３を重ね合わせて固定すると、下段部５ｂの上面５ｆはスイッチング素子パッケージ１入力／出力端子ピン２に対向する。
上段部５ａは、下段部５ｂから所定の高さだけ突出しているため、スイッチング素子パッケージ１の入力／出力端子ピン１ａと、サブヒートシンク５の下段部５ｂの上面５ｆとの間は、図４に示すように空間距離Ｘが保たれる。
したがって、スイッチング素子パッケージ１の入力／出力端子ピン１ａとサブヒートシンク５の下段部５ｂの上面５ｆとの、空間距離Ｘを入力／出力端子ピン１ａに流れる電圧や電流によって定まる所定の絶縁距離だけ離すことで、入力／出力端子ピン１ａと下段部５ｂとの間で放電が生じることを防止できる。

スイッチング素子パッケージ１には、サブヒートシンク５の貫通穴５ｃに対応する位置に複数の貫通穴１ｃが設けられており、さらにメインヒートシンク３にも同様にサブヒートシンク５の貫通穴５ｃに対応する位置にネジ止め穴３ｃが設けられている。
スイッチング素子パッケージ１の貫通穴１ｃ、サブヒートシンク５の貫通穴５ｃ及びメインヒートシンク３のネジ止め穴３ｃを一直線上に位置させ、図２、４に示すように、この２つの貫通穴１ｃ、５ｃを貫通してネジ止め穴３ｃにネジ７を締めることでスイッチング素子パッケージ１、サブヒートシンク５及びメインヒートシンク３が一体に強固に固定される。
なお、サブヒートシンク５の裏側端面５ｅの大きさは、仕切板１４に設けられている開口１４ａよりも小さく形成されており、開口１４ａの内側部分で、サブヒートシンク５とメインヒートシンク３は固定される。

また、ネジ止めを行なう前に、サブヒートシンク５の上段部５ａの上面５ｄ及び裏側端面５ｅに熱伝導グリスを塗布しておくことで、スイッチング素子パッケージ１の放熱面とサブヒートシンク５の上段部５ａの上面５ｄ間及びサブヒートシンク５の裏側端面５ｅとメインヒートシンク３の吸熱面３ｂとの間の熱伝導性はさらに良好となる。

上述のように、サブヒートシンク５に裏側端面５ｅの面積は、側面左右方向に延出した下段部下段部５ｂだけ、上段部５ａの上面５ｄの面積よりも拡大される。このため、サブヒートシンク５とメインヒートシンク３との間の伝熱面積が拡大され、さらにサブヒートシンク５が一体形成されていることで、サブヒートシンク５の内部は滑らかな熱流束分布となり、下段部５ｂの下部に位置する裏側端面５ｅにもスイッチング素子パッケージ１からの熱が十分に伝わる。この結果、運転に伴うスイッチング素子パッケージ１の発する熱を、サブヒートシンク５を介してメインヒートシンク３に効率よく伝達し、十分な放熱を行なうことができる。したがって、高い冷却性能を得る電子部品の冷却装置を得ることができる。

また、スイッチング素子パッケージ１の側面に設けられた入力／出力端子ピン２と下段部５ｂは所定の空間距離Ｘを有しており、入力／出力端子ピン２と上段部５ａは所定の沿面距離Ｙを有して配置されることで、スイッチング素子が通電状態の場合でもサブヒートシンク５に対して放電することがなく、安全性が高く、かつ故障の発生が防止できる。
なお、空間距離Ｘ、沿面距離Ｙの設定は、入力／出力端子ピン２の内で、最も高い電圧が印加される入力／出力端子ピン２ピン２を基準に設定される。

また、上段部５ａの短手方向長さがスイッチング素子パッケージ１の短手方向長さ以下とすることで、上段部５ａの表側端面５ｄが入力／出力端子ピン２に対面することが無く、スイッチング素子が通電状態の場合でもサブヒートシンク５の表側端面５ｄに放電することが無く、電気的に高い信頼性を得ることができる。

上述したサブヒートシンク５を介して、スイッチング素子パッケージ１とメインヒートシンク３を重ね合わせて固定することにより、スイッチング素子パッケージ１からメインヒートシンク３への伝熱量を十分確保することができる。また、入力／出力端子ピン２とメインヒートシンク及びサブヒートシンク５が必要な距離だけ離間しているため、入力／出力端子ピン２から放電することがない。これにより、熱伝導性がよく、信頼性の高い電気部品の冷却装置とすることができる。
また、この電気部品の冷却装置を備えることにより、信頼性の高い冷凍サイクル装置の熱源機を提供することができる。

なお、本実施の形態において、サブヒートシンク５の下段部５ｂは上段部５ａの短手方向に延出して形成したが、長手方向に延出しても良い。
また、上述した実施形態では、一つのサブヒートシンク５に、単体の発熱する電子部品であるスイッチング素子パッケージ１を１つ配置したが、複数の素子パッケージを一つのサブヒートシンクに固定して良い。
また、図３からも分かるように本実施形態のサブヒートシンク５の断面形状は二段の平面で構成されているが、これに限らず、下段部５ｂの上面５ｆは、入力／出力端子ピン２に対して必要な沿面距離及び空間距離が確保されていれば、傾斜面や曲面で形成されてもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…スイッチング素子パッケージ、１ａ…放熱面、１ｃ…貫通穴、２…入力／出力端子ピン、３…メインヒートシンク、３ａ…放熱部、３ｂ…吸熱面、３ｃ…ネジ止め穴、３ｆ…フィン、５…サブヒートシンク、５ａ…上段部、５ｂ…下段部、５ｃ…穴、７…ネジ、１０…冷凍サイクル装置、１１…圧縮機、１２…室外ファン、１３…熱交換器、１４…仕切板、１４ａ…開口部、１５…機械室、１６…熱交換器室、２１…プリント基板

Claims (3)

1. 発熱する電子部品を収容し、前記電子部品の発熱を放熱する放熱面を備えた直方体形状の素子パッケージと、
   前記素子パッケージの側面から延出した端子ピンと、
   立設した複数の放熱フィンを有する放熱部と、前記放熱部と反対側に位置する前記素子パッケージの取り付け側となる平坦な吸熱面を備えたメインヒートシンクと、
   前記素子パッケージと前記メインヒートシンクとの間に設けられ、その断面が上段と下段からなる階段形状に一体形成された形状をなし、前記上段の上面が前記素子パッケージの前記放熱面に接して固定され、前記下面が前記メインヒートシンクの前記吸熱部に接して固定されるサブヒートシンクとを備え、
   前記サブヒートシンクの前記上段の前記上面の端部および階段状の前記下段の前記上面は、前記端子ピンから所定の距離だけ離れたところに位置する形状に形成されている
   ことを特徴とする電子部品の冷却装置。
2. 圧縮機が配置された機械室と、
   熱交換器と、熱交換器に送風するファンが配置された熱交換室と、
   機械室と熱交換室を仕切る仕切板とを備えた冷凍サイクル装置の熱源機において、
   前記仕切板には開口部が設けられ、
   前記素子パッケージは、前記機械室に設けられ、
   前記メインヒートシンクは、前記仕切板の前記開口部を塞ぐ位置の前記熱交換室側に取り付けられ、
   前記サブヒートシンクは、前記機械室側から前記仕切板に設けられた前記開口部を介して前記メインヒートシンクに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の冷却装置を備えた冷凍サイクル装置の熱源機。
3. 前記電子部品は、前記圧縮機を駆動するインバータ装置に用いられる半導体であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍サイクル装置の熱源機。

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