(57)【要約】  小型で放熱性に優れ、電力変換回路の運転範囲を広げることができ、主回路素子とプリント基板との高い機械的結合強度を有し、また製造コストの低減が可能な電力変換回路内蔵モーター等を提供する。  内側が流体通過領域となる有底筒状を成し、底面がプリント基板１と接触又は近接するようにしてステーター９ｂの内側に配置されたカップ８と、プリント基板１の主回路素子２の実装面と反対側の面においてカップ８の底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔１３とを備え、主回路素子２は、パッケージ内部の素子チップ２０の両面のうち、プリント基板１への実装状態においてプリント基板１側となる面にヒートスプレッダ２１が接合されており、ヒートスプレッダ２１が、プリント基板１を貫通するスルーホール１２を介して放熱用銅箔１３に熱的且つ機械的に結合されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ化された面実装タイプの主回路素子を有する電力変換回路が実装されたプリント基板と、
前記プリント基板の前記主回路素子の実装面と反対の面側に配置されたステーターと、
内側が流体通過領域となる有底筒状をなし、底面が前記プリント基板と接触又は近接するようにして前記ステーターの内側に配置されたカップと、
前記プリント基板の前記実装面と反対側の面において前記カップの底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔とを備え、
前記主回路素子は、パッケージ内部の素子チップの両面のうち、前記プリント基板への実装状態において前記プリント基板側となる面にヒートスプレッダが接合されており、前記ヒートスプレッダが、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に熱的且つ機械的に結合されていることを特徴とする電力変換回路内蔵モーター。
【請求項２】
前記ヒートスプレッダと前記プリント基板間の熱的且つ機械的な結合が半田により行われることを特徴とする請求項１記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項３】
前記スルーホール内に半田が充填され、前記ヒートスプレッダが前記スルーホール内の半田を介して前記放熱用銅箔に熱的に結合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項４】
前記主回路素子の前記素子チップをＭＯＳＦＥＴとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項５】
前記主回路素子の前記素子チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項５記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項７】
前記主回路素子の近傍に配置された温度検出手段を有し、前記温度検出手段により前記主回路素子の過熱を検出した場合は、前記主回路素子の動作を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項８】
前記ヒートスプレッダと前記プリント基板との間の銅箔を前記プリント基板上で延長させて前記温度検出手段の周囲を取り囲むように形成すると共に、前記取り囲んだ部分の銅箔を、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に熱的に結合するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項９】
前記主回路素子であるスイッチング素子を複数有し、前記複数の主回路素子を２組に分けたうちの一方の組をＰＷＭでスイッチングを行う構成とし、ＰＷＭでスイッチングを行う組のスイッチング素子と残りの組のスイッチング素子とを１個ずつ交互に前記プリント基板上に配置実装したことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする流体ポンプ。
【請求項１１】
請求項１０記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする空気調和機。
【請求項１２】
冷媒−空気熱交換器を持つ室外機と、水−冷媒熱交換器を持つ流量制御ユニットと、水気−空気熱交換器を持つ室内機とを備え、前記水−冷媒熱交換器と前記水−空気熱交換器との間で水が循環する水回路に前記流体ポンプを搭載したことを特徴とする請求項１１記載の空気調和機。
【請求項１３】
請求項１０記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする給湯器。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換回路を内蔵したモーター、この電力変換回路内蔵モーターを搭載した流体ポンプ、この流体ポンプを搭載した空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを搭載した機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インバーター回路の半導体主素子（以下、主回路素子という）を封止するパッケージについても小型化が進み、表面実装に対応するパッケージも多く使われるようになった。特にモーター内部に実装される主回路素子はディスクリート小型化の要求から前記の表面実装対応のパッケージが使われる例が増えている。モーターで使われる主回路素子には比較的大きな許容消費電力が要求されるため、同時に高い放熱性も要求されており、実装に工夫が必要とされている。そこで、主回路素子を、そのリードがプリント基板の端部よりも外方に位置するようにプリント基板の端部に寄せて配置すると共に、プリント基板の裏面側にリードと対向するように金属製放熱板を設け、リードと金属製放熱板とを半田付けし、主回路素子の熱をリードを介して金属放熱板から放熱するようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
また、従来より、面実装タイプの主回路素子を搭載したプリント基板を、モーターのステーターと共に高放熱樹脂により樹脂封止して一体化し、主回路素子の熱を樹脂を介して外部に放熱するようにした電力変換回路内蔵モーターがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２４９６６６号公報（図１、第２頁）
【特許文献２】特開２０１０−１８３７９７号公報（図４、［００２６］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、プリント基板が、モーターのステーターの外周よりも更に半径方向に突出するように形成され、その突出する部分の端部に主回路素子を配置しており、面実装素子化適用による小型化の効果が充分得られていない配置構造となっていた。【０００６】
また、特許文献２では、主回路素子の熱を樹脂を介して外部の空気中に放熱するようにしているが、樹脂の外部には特に空気の流れがあるわけではない。このため、空気中に放熱しても熱が停滞する可能性があり、更なる放熱性の向上が望まれていた。【０００７】
また、近年、素子チップの熱を効率良く放熱する要求から、素子チップを備えたパッケージ内に金属ヒートスプレッダを組み込んだ面実装パッケージがある。この種の面実装パッケージでは、金属ヒートスプレッダの表面が露出するように部分的に封止された構成を有している。このタイプの主回路素子を電力変換回路内蔵モーターに適用する場合、前記一体化するための高放熱樹脂に金属ヒートスプレッダを直接接触させ、樹脂から空気中に放熱する構造が採用されている。この構造の場合、金属ヒートスプレッダからの放熱や絶縁のため、高放熱樹脂の厚みを厚くする必要があり、小型化が難しいという問題があった。【０００８】
また、面実装素子はパッケージサイズが小さくなるため、同一の発熱量に対し放熱をしない場合、素子の温度上昇が大きくなる。この場合、最大出力を制限しなければならず電力変換回路としての運転範囲が狭くなる。また、特許文献２では、面実装タイプの主回路素子をモーターの発熱により温度が高くなるステーター側に配置しており、更に運転範囲が狭くなるといった課題がある。【０００９】
また、面実装素子はリフロー半田でプリント基板に半田付けされるが、リフロー半田の場合、ＤＩＰ（フロー）又は手ハンダ付けに比べ、一般的に半田量が少なく半田部の機械強度が弱い。よって、面実装素子の機械的強度の強い半田接合が課題とされている。電力変換回路における主回路素子の場合、マイコン等のデバイスに比べ発熱量が大きく、主回路素子の周囲の温度上昇は大きくなり、熱収縮応力による半田部の歪も大きくなる。このため、主回路素子のリード部周辺の半田が切れやすくなる。このような面実装による半田強度の低下と熱収縮による半田部の電気的接合寿命が、電力変換回路基板の寿命となる。したがって、主回路素子とプリント基板との機械的結合の強度向上が、電力変換回路を内蔵したモーター及びそれを搭載した機器の寿命に直結する重要な課題とされている。【００１０】
また、金属の放熱フィンを用いることで主回路素子の温度を下げようとする場合、放熱フィンの取り付けには通常ねじ締め等の作業を必要とし、加工費のためのコストが上昇する。【００１１】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、第一の目的は、小型で放熱性に優れた電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第二の目的は、放熱性向上により運転範囲を広げることが可能な電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第三の目的は、主回路素子とプリント基板との機械的結合強度を上げて寿命化を図り、信頼性を向上することが可能な電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第四の目的は、製造コストを低減することができる電力変換回路内蔵モーターを提供することを目的とする。
また、第五の目的は、上記の電力変換回路内蔵モーターを搭載した流体ポンプ、この流体ポンプを搭載した空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを搭載した機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
また、本発明に係る電力変換回路内蔵モーターは、パッケージ化された面実装タイプの主回路素子を有する電力変換回路が実装されたプリント基板と、プリント基板の主回路素子の実装面と反対の面側に配置されたステーターと、内側が流体通過領域となる有底筒状を成し、底面がプリント基板と接触又は近接するようにしてステーターの内側に配置されたカップと、プリント基板の実装面と反対側の面においてカップの底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔とを備え、主回路素子は、パッケージ内部の素子チップの両面のうち、プリント基板への実装状態においてプリント基板側となる面にヒートスプレッダが接合されており、ヒートスプレッダが、プリント基板を貫通するスルーホールを介して放熱用銅箔に熱的且つ機械的に結合されているものである。【００１３】
また、本発明に係る流体ポンプは、上記の電力変換回路内蔵モーターを搭載したものである。【００１４】
また、本発明に係る空気調和機は、上記の流体ポンプを搭載したものである。【００１５】
また、本発明に係る給湯器は、上記の流体ポンプを搭載したものである。【００１６】
また、本発明に係る機器は、上記の電力変換回路内蔵モーターを搭載したものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、主回路素子の熱を、カップ内部を通過する流体に放熱するようにしたので、放熱性を向上することができる。
また、放熱性が向上するため、モーターの表面積を小さくすることが可能となり、小型軽量なモーターを得ることができる。
また、放熱構造を工夫したことで許容損失を大きくできるため、モーターの高温側の運転限界を上げることができ、運転範囲を大きくすることができる。
また、主回路素子を、そのパッケージ内部の素子チップの両面のうち、プリント基板への実装状態においてプリント基板側となる面にヒートスプレッダを接合した構成とし、ヒートスプレッダにより面でプリント基板と接合するため、主回路素子とプリント基板との機械的結合の強度を向上することができる。
また、放熱フィン不要の構造としたので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るモーターのブラケットを除くモーターの構造図である。
【図２】図１の主回路素子の内部構造図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るモーターの要部概略断面図である。
【図３Ａ】図３の変形例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る流体ポンプの構造断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る空気調和機の冷媒回路図である。
【図５Ａ】本発明の実施の形態３に係る空気調和機の冷媒回路の具体的な配置例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る給湯器の冷媒回路図である。
【図７】本発明の実施の形態８に係る電力変換回路内蔵モーターの回路図である。
【図８】図７の過熱保護回路及びシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。
【図９】図７の過熱保護回路及びシャント抵抗ＲＳの周辺回路の他の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るモーターのブラケットを除くモーターの構造図で、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は上面透視図を示している。以下の各図では、図１（ａ）の上下左右方向を上下左右方向として説明する。
プリント基板１は、円板状に形成されており、モーター１０を駆動するための電力変換回路が実装されている。電力変換回路は従来公知の電力変換回路であり、少なくとも１つ以上のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードとを有する主回路を有している。図１には、電力変換回路のうちモーター１０のステーター巻線に電圧を印加する電圧型インバーターの主回路を構成する、スイッチング素子としての主回路素子２を図示している。この主回路素子２は、いわゆるモジュール素子化されたものでもよい。
【００２０】
プリント基板１において主回路素子２の実装面１ａには更に温度検出手段としての過熱検知素子３及びモーター外部接続リード４が実装されている。過熱検知素子３は後述のヒートスプレッダ２１の近傍に配置され、後述の主素子チップ２０の過熱状態を検知する。過熱状態が検知された場合、電力変換回路内の保護回路（図示せず）により主回路素子２の動作制限（インバータの出力制限や動作停止等）を行うようにしている。モーター外部接続リード４は、モーター１０の外部の回路と接続するための入出力線（高圧入力線４ａ及び低圧入力線４ｂ）をまとめたものである。また、プリント基板１の主回路素子２の実装面１ａと反対側の面１ｂには、ローター９ａの回転速度又は回転位置をローター９ａが発生する磁束密度変化により検出する面実装のホール素子５が実装されている。
【００２１】
プリント基板１の下方には、ステーターコアに巻き線を巻いたステーター９ｂが設置されており、そのステーター９ｂの巻線とプリント基板１とは、モーター端子６によって電気的に接続されている。モーター端子６は、商用電源を全波整流もしくは倍電圧整流した直流電源に対応した高圧モーターの接続端子である。また、プリント基板１及びステーター９ｂを機械的に結合し且つベアリングハウジングを構成するため、プリント基板１及びステーター９ｂは、空気に比べて熱伝導率が高い（熱抵抗が低い）モールド樹脂７で封止されている。円環状のステーター９ｂの内側空間には、樹脂製で有底筒状のカップ８が、その底面がプリント基板１のステーター側の面（以下、ステーター面１ｂという）に接触又は近接するようにして配置されている。このカップ８により、カップ８の内側の空間と外側の空間とが隔離され、内側空間には、プリント基板１の耐熱温度以下でモーター１０内を循環する流体が流通するようになっている。また、カップ８の内側空間には、インペラ３１（図示せず）と一体化されたローター９ａが設置されている。カップ８は小型化及び放熱性向上の面から、必要な強度が維持できる程度に薄く形成され、且つ熱伝導性の高い樹脂で構成されていることが好ましい。
【００２２】
以上のように、主回路素子２等を実装したプリント基板１がモーター１０のステーター９ｂと電気的且つ機械的に結合されて一体化され、樹脂で封止されて電力変換回路を内蔵した電力変換回路内蔵モーターが構成されている。
【００２３】
図２は、図１のスイッチング素子の内部構造図で、パッケージ化されたＩＣパッケージを示している。図２において、面実装タイプの主回路素子２のＩＣパッケージは、シリコンで構成される主素子チップ２０と、主素子チップ２０よりも板厚が厚い金属製のヒートスプレッダ２１と、高圧電極２１ａと、低圧電極２２ａとを有している。ヒートスプレッダ２１は、主素子チップ２０の両面のうち、プリント基板１への実装状態においてプリント基板１側となる面に半田付けにより接合され、両者が電気的・熱的・機械的に結合されている。このような構成により、主素子チップ２０の発熱のうち過渡的なものはヒートスプレッダ２１上に蓄積され、主素子チップ２０の過渡的な温度上昇が抑制される。
【００２４】
また、主素子チップ２０は、その上面に設けられた金属電極２３と金属リードフレーム２２とがボンディングワイヤ２４により電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２４は、金やアルミの金属線材で構成され、超音波溶融により金属リードフレーム２２や主素子チップ２０との間の電気的接合をとる。近年見られるダイレクトボンディング結合により、金属リードフレーム２２を直接主素子チップ２０と接触させ電気的結合をとるようにしてもよい。そして、ボンディングワイヤ２４と、主素子チップ２０と、金属リードフレーム２２の一部と、ヒートスプレッダ２１の一部とが、高熱伝導性の樹脂２５で封止され、ＩＣパッケージが構成されている。ＩＣパッケージにおいて、封止部分から外方に露出する金属リードフレーム２２部分が低圧電極２２ａとなり、また、封止部分から外方に露出するヒートスプレッダ２１部分が高圧電極２１ａとなっている。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態１に係るモーターの要部概略断面図である。図３において図１及び図２と同一部分には同一符号を付す。また、後述の各図も含め、全図中において同一部分には同一符号を付すものとする。
プリント基板１の両面には、回路配線パターンや、主回路素子２を含む各種電子部品（主回路素子２以外は図示せず）を実装するためのランドが銅箔１１により形成されており、ランド上に各種電子部品（図示せず）が半田により電気的・熱的・機械的に結合されている。また、プリント基板１の主回路素子２の実装面（以下、反ステーター面という場合がある）１ａと反対側の面（以下、ステーター面という場合がある）１ｂにおいてカップ８の底面と対向する領域内には放熱用銅箔１３が形成され、この放熱用銅箔１３に連通するようにプリント基板１に複数のスルーホール１２が設けられている。実装面１ａには、複数のスルーホール１２の開口面を跨ぐようにして銅箔１１が設けられており、その銅箔１１上に主回路素子２のヒートスプレッダ２１が半田により接合されている。この構成により、ヒートスプレッダ２１は、銅箔１１及び複数のスルーホール１２を介してステーター面１ｂの放熱用銅箔１３に電気的・機械的・熱的に結合されている。
【００２６】
次に、主素子チップ２０の熱の放熱経路について説明する。
主素子チップ２０の熱は、ヒートスプレッダ２１→銅箔１１→スルーホール１２→放熱用銅箔１３の順に熱伝達され、更に、カップ８へと伝達される。カップ８は放熱用銅箔１３に接触又は近接して配置されているため、放熱用銅箔１３はカップ８内部の流体と熱的結合をもつ。したがって、放熱用銅箔１３に伝達された熱は、カップ８へと伝達された後、カップ８表面からカップ８内部の流体へと放熱される。
【００２７】
ところで、本例のモーター１０は、例えばポンプ用のモーターとして使用され、カップ８の内側には水などの流体が流通している。主素子チップ２０の動作温度は、シリコンでは１５０℃、炭化シリコンでは２００℃であり、流体は、上述したようにプリント基板１の耐熱温度（例えば１００℃）よりも低温であるため、モーター１０においてカップ８自身及びその内側は他の部分に比べて温度が低い状態となっている。
【００２８】
以上の放熱経路により、主回路素子２の損失に起因する主素子チップ２０の発熱を、流体を介しモーター構造体外部に放熱することができる。この構造により、金属放熱フィンが不要となるため、金属放熱フィンを用いた場合に必要となるねじ締めなどの手工程が不要となる。また従来のモーターの様にモールド樹脂７を介し、その周囲に停滞する空気中に放熱する場合に比べ放熱性が向上する。なお、ここでは本例のモーター１０がポンプ用のモーターとして使用され、流体として水が流通する場合を説明したが、別用途のモーターとして使用され、流体が例えば空気であってもよい。
【００２９】
次に、図１のプリント基板１の作成工程を説明する。
まず、プリント基板１の両面にクリーム半田を印刷する。このとき、モーター外部接続リード４やモーター端子６接続用のランドはメタルマスクでカバーし、クリーム半田が塗布されないようにする。そして、メタルマスクを取り外す。続いて、プリント基板１の反ステーター面１ａに主回路素子２及び過熱検知素子３を載せ、リフロー半田により銅箔と電気的・機械的に結合する。このリフロー時に、主回路素子２のヒートスプレッダ２１は銅箔１１と半田付けされ、銅箔１１と電気的・機械的・熱的に一度に結合される。このように主素子チップ２０を半田にて接着したヒートスプレッダ２１を面でプリント基板１に接合するため、通常のリードによる接合に比べて主素子チップ２０とプリント基板１との機械的結合強度を飛躍的に高めることができる。よって、振動が発生するモーター内に電力変換回路を内蔵させた構造であっても、高い信頼性を得ることができる。
【００３０】
ところで、ヒートスプレッダ２１の下面に設けた複数のスルーホール１２の内周面にはメッキで銅箔が形成されている。よって、前記のリフロー時にプリント基板１とヒートスプレッダ２１との間のクリーム半田がスルーホール１２内にも流れ込み、ヒートスプレッダ２１は、プリント基板１のステーター面１ｂの放熱用銅箔１３とも熱的に結合される。以上のように、リフロー半田によりプリント基板１の反ステーター面に実装される各部品を一度に電気的・機械的に結合できると共に、ヒートスプレッダ２１を放熱用銅箔１３に熱的に結合することができる。
【００３１】
そして、これらの主回路素子２及び過熱検知素子３等の面実装部品が実装されたプリント基板１のステーター面１ｂに、ホール素子５を接着剤で仮止めした後、フロー半田により接合する。そして、電子部品全てが実装されたプリント基板１をステーター９ｂの上部側に組み付け、モーター外部接続リード４のコネクタを半田付けすると共に、スルーホール１２を介してモーター端子６にてステーター９ｂの巻線を接続する。
【００３２】
以上の作成工程によれば、クリーム半田の印刷時に、モーター外部接続リード４やステーター端子接続用のランドをメタルマスクでカバーするため、モーター外部接続リード４のコネクタ等を後付するためのスルーホールやステーター端子を後付するためのスルーホール１４がリフロー時に半田で埋まってしまうことがない。フロー半田の場合には、これらのスルーホールが埋まらないようにマスキングテープを貼り付け、フロー半田後、それを除去するといった工程が必要である。このようなマスキングと除去の工程には人的作業が必要となる。これに対し、本実施の形態１では、クリーム半田の塗布の際にメタルマスクにより必要箇所を保護することで、マスキングテープの貼り付け及びはがしの工程が不要である。よって、プリント基板１の自動化生産が可能となる。また、製造工程が簡単化されマスキングテープも不要となるため、製造に伴う環境負荷低減の効果もある。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態１では、主素子チップ２０の熱をヒートスプレッダ２１及び複数のスルーホール１２を介してプリント基板１のステーター面１ｂ側の放熱用銅箔１３に伝達させ、放熱用銅箔１３からカップ８の底面を介してカップ８内部を通過する流体に放熱するようにした。このように、主素子チップ２０の熱をカップ８内部を通過する流体へと放熱する構造としたため、主素子チップ２０の熱をその周囲のモールド樹脂を介して外部の空気に放熱する構造に比べて放熱性を向上することができる。
【００３４】
また、放熱性が向上するため、モーター１０の表面積を小さくすることが可能となり、小型軽量なモーターを得ることができる。また、放熱構造を工夫したことで許容損失を大きくできるため、外形サイズが同一の他の構造（例えば主素子チップ２０の熱をその周囲のモールド樹脂７を介して外部の空気に放熱する構造）のものと比較してモーター１０の出力を高めることができる。すなわち、モーター１０の運転範囲を大きくすることが可能である。
【００３５】
また、主回路素子２をステーター９ｂの外形よりも内側に配置しているため、ステーター９ｂの外周よりも更に半径方向に突出した位置に配置した従来構造に比べて外形形状の小型化が可能であり、面実装部品を用いたことによる小型化の効果を損なうことがない。
【００３６】
また、主素子チップ２０の熱をヒートスプレッダ２１からモールド樹脂７を介して周囲の空気に放熱する従来構造の場合、主素子チップ２０の両面のうち、プリント基板１と反対側の面にヒートスプレッダ２１を設けることになり、主回路素子２を覆うモールド樹脂７の厚みｗ（図１参照）を厚くする必要があった。これに対し、本例の構造では、主素子チップ２０の両面のうちプリント基板１側の面にヒートスプレッダ２１を設け、ヒートスプレッダ２１の熱をプリント基板１のスルーホール１２を介して放熱用銅箔１３により流体側に放熱する構造としたので、厚みｗを薄くすることができる。よって、モーター１０を小型・軽量化することができる。
【００３７】
また、図３に示されるように、過熱検知素子３は主素子チップ２０と強い熱的結合を持つヒートスプレッダ２１の近傍に配置している。このため、過熱検知素子３は主素子チップ２０と強い熱的結合を持ち、主素子チップ２０の過熱状態を精度良く検知できる。また、主回路素子２の周囲に熱抵抗が低いモールド樹脂７を充填しているため、ヒートスプレッダ２１と過熱検知素子３との熱的結合の強度が高まり、検知精度を高めることができる。その結果、主素子チップ２０の熱限界の直前までモーター１０の運転が可能となり、その面からも最大出力を上昇させることができ、運転範囲を拡大することができる。
【００３８】
また、主回路素子２をヒートスプレッダ２１により面でプリント基板１に接合するため、十分な機械的強度を以て一回のリフロー半田によりプリント基板１上に実装結合することができる。よって、従来の半田切れの問題を解消できる。
【００３９】
また、金属放熱フィン不要の放熱構造としたので、ねじ締め等の手作業が不要となり、製造コスト削減が可能である。
【００４０】
また、過熱検知素子３として、温度による抵抗変化が大きいセラミック製の正特性熱抵抗素子を用いることで、非常に精度良く主素子チップ２０の過熱状態を検知し、過熱時は動作を制限して保護をかけることができる。
【００４１】
また、過熱検知素子３はモーター１０の主軸やカップ８の近傍に配置され熱的に強く結合されるため、冷媒過熱による流体過熱やロータ主軸の摩擦異常による過熱に対しても検知保護をかけることが可能となる。
【００４２】
また、過熱検知素子３の検知精度を上げるため、図３Ａに示すように構成してもよい。すなわち、ヒートスプレッダ２１と強い熱的結合を持つ銅箔１１をプリント基板１上で延長させて過熱検知素子３の周囲を取り囲むように形成する。更に、過熱検知素子３の周囲を取り囲んだ銅箔１１の熱を、主素子チップ２０の熱と同様、スルーホール１２ａを介して放熱用銅箔１３に熱的に結合し、放熱する構成とする。なお図３Ａの放熱用銅箔１３は、図３に比べて過熱検知素子３と対向する領域まで延長された構成となっている。このような構成とした場合、主回路素子２の熱を過熱検知素子３で受熱しやすくなり、検知精度が高まり、検出時間差や検出温度誤差を低減して温度保護がかけられる。
【００４３】
また、カップ８内を通過する流体との熱的結合が強い銅箔１１で過熱検知素子３の周囲を囲み、熱的結合を強める構成としたことで、流体の過熱についても検知保護を精度よく実施することができる。
【００４４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る流体ポンプの構造断面図である。図４において、図１と同一部分には同一符号を付す。
実施の形態２の流体ポンプ３０は、実施の形態１のモーター１０と、モーター１０のローター９ａに設けられた略円板状のインペラ３１とを備え、ローター９ａと共に回転するインペラ３１によって液体をポンプハウジング３２内に吸入すると共にポンプハウジング３２外に排出する。
【００４５】
このように本実施の形態２の流体ポンプは、実施の形態１のモーター１０を備えているため、実施の形態１に記載の効果を有するポンプを得ることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る空気調和機の冷媒回路図である。
本実施の形態３に係る空気調和機４０は、冷凍サイクル部５０と水回路６０とを備えている。冷凍サイクル部５０は、冷媒を圧縮する圧縮機５１と、水−冷媒熱交換器５２と、膨張弁５３と、冷媒−空気熱交換器５４とを備え、これらが順次冷媒配管で環状に接続され、冷媒回路を形成している。水回路６０は、水−冷媒熱交換器５２と、水−空気熱交換器６１と、ポンプ６２とを有している。水−冷媒熱交換器５２に導通している水配管は冷媒回路の冷媒配管とは分離しており、水回路６０は、水−冷媒熱交換器５２と、水−空気熱交換器６１と、ポンプ６２とが順次水配管で環状に接続された構成を有している。ポンプ６２には、上記実施の形態２の流体ポンプ３０が用いられている。水−冷媒熱交換器５２及び冷媒−空気熱交換器５４は屋外に設置される室外機に搭載され、水−空気熱交換器６１は屋内に設置される室内機に搭載される。このように構成された空気調和機４０は、ボイラを屋外に設置し、水回路６０を循環する循環水により屋内に熱移動を行う従来の機器の置き換えとして近年急速に普及しており、暖房が主な用途である。
【００４７】
まず、冷凍サイクル部５０の動作について説明する。
圧縮機５１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器５２へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁５３によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、冷媒−空気熱交換器５４に流入する。この冷媒−空気熱交換器５４において、低圧の冷媒は、外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、再び圧縮機５１に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
【００４８】
次に、水回路６０の基本動作を説明する。
水回路６０を循環する水は、ポンプ６２によって水−冷媒熱交換器５２に送られ、その水−冷媒熱交換器５２において冷凍サイクル部５０からの放熱によって温められる。その温められた水は、水−空気熱交換器６１に送られ、屋内空気に熱を放出して凝縮し、暖房作用を行う。水−空気熱交換器６１で凝縮した水は、再びポンプ６２に送られる。以後、この動作を繰り返す。
【００４９】
ここで、水回路６０内を流れる流体である循環水の温度は最大でも６０℃である。この温度は、主素子チップ２０の動作温度（シリコンでは１５０℃、炭化シリコン２００℃）やコンポジット材のプリント基板１の耐熱温度（１００℃）に対し充分低い。よって、信頼性をキープしつつ多くの熱を主素子チップ２０から流体へと移動可能である。
【００５０】
以上の構成によって、実施の形態１と同様の効果を有するモーター１０を備えた空気調和機４０を得ることができる。また、モーター１０に内蔵された電力変換回路の熱は、水回路６０を循環する暖房用循環水へと放熱されるため、電力変換回路の熱も無駄なく暖房に利用できる。よって、多少の省エネ効果も期待できる。
【００５１】
なお、上記で説明した図４で示されるモーター１０を備えた空気調和機４０の構成は一例であり、図４の構成に限定されるものではない。
【００５２】
上記の説明では、図５の冷媒回路を構成する各機器の具体的な配置構成について説明しなかったが、例えば、図５Ａのようにして配置して水空調システム（空気調和機）を構成することができる。すなわち、ポンプ６２と水−冷媒熱交換器５２と膨張弁５３とを屋内機械室に設置された流量制御ユニットに搭載する。また、水−空気熱交換器６１を居室内にある室内機（複数台）に搭載し、圧縮機５１及び冷媒−空気熱交換器５４を室外機（一台）に搭載する。
【００５３】
流量制御ユニットを屋内に配置した場合、複数台設置される室内機からの温水配管を屋外に比べて周囲温度の高い屋内機械室に配管することができ、循環水の熱漏洩を小さくでき屋外設置に比べ暖房時の効率が高くできる。しかしながらその一方、屋外に比べて周囲温度の高い機械室にポンプ６２を配置しなければならならず、暖房時にポンプ６２の高温運転限界によりシステムの輸送熱量が制約される。したがって、このシステムに適用されるポンプには高温運転限界の高いポンプが要求されるが、本実施の形態３のポンプ６２は上述したようにその要求を満足できる。よって、熱輸送量の大きな水空調システム（空気調和機）を得ることができる。
【００５４】
前記の効果は、循環水温度が６０℃程度の空気調和機だけでなく、８０℃程度の高温水を使用する後述の給湯器においても同様に効果が高いことはいうまでも無い。
【００５５】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る給湯器の冷媒回路図である。本実施の形態４に係る給湯器７０は、冷凍サイクル部８０と給湯回路９０とを備えている。
本実施の形態４に係る給湯器７０は、冷凍サイクル部８０と給湯回路９０とを備えている。冷凍サイクル部８０は、冷媒を圧縮する圧縮機８１と、水−冷媒熱交換器８２と、膨張弁８３と、冷媒−空気熱交換器８４とを備え、これらが順次冷媒配管で環状に接続されて冷媒回路を形成している。冷凍サイクル部８０は更に、モーター８５によって駆動され、冷媒−空気熱交換器８４に外気を送風するファン８６を備えており、冷凍サイクル部８０は室外に設置される。
【００５６】
給湯回路９０は、水−冷媒熱交換器８２と、温水タンク９１と、ポンプ９２とを有している。水−冷媒熱交換器８２に導通している水配管は、冷媒回路の冷媒配管とは分離しており、給湯回路９０は、水−冷媒熱交換器８２と、温水タンク９１と、ポンプ９２とが順次水配管で環状に接続された構成を有している。ポンプ９２には、上記実施の形態２の流体ポンプ３０が用いられている。
【００５７】
まず、冷凍サイクル部８０の動作について説明する。
圧縮機８１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器８２へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁８３によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、冷媒−空気熱交換器８４に流入する。この空気熱交換器８４において、低圧の冷媒は、外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、再び圧縮機８１に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
【００５８】
次に、給湯回路９０の基本動作を説明する。
給湯回路９０を循環する水は、ポンプ９２によって水−冷媒熱交換器８２に送られ、その水−冷媒熱交換器８２において冷凍サイクル部９０からの放熱によって温められる。その温められた水は温水タンク９１に送られる。温水タンク９１内の温められた水は、再びポンプ９２に送られる。以後、この動作を繰り返す。
【００５９】
ここで、上記実施の形態３の空気調和機における水回路６０内を循環する循環水の温度が６０℃以下であるのに対し、本実施の形態４の給湯回路９０内の循環水の温度は９０℃近くになる。よって、本実施の形態４の給湯器７０の流体ポンプ３０に用いる主素子チップ２０として、２００℃以上で動作保障がされる炭化シリコンを用いると、充分な運転範囲を確保することができる。
【００６０】
以上の構成によって、実施の形態１と同様の効果を有するモーター１０を備えた給湯器７０を得ることができる。また、モーター１０に内蔵された電力変換回路の熱は、給湯回路９０を循環する給湯用循環水へと放熱されるため、電力変換回路の熱も無駄なく給湯水の温めに有効に利用できる。よって、多少の省エネ効果も期待できる。
【００６１】
実施の形態５．
実施の形態１のモーター１０を流体ポンプ３０以外の機器に用いても、実施の形態１に記載の効果を有する機器を得ることができる。例えば、送風機のモーターとして用いても良い。この送風機を空気調和機、換気扇又は給湯器に搭載することにより、実施の形態１に記載の効果を有する機器を得ることができる。
【００６２】
実施の形態６．
実施の形態１〜５では、主素子チップ２０にシリコンとその化合物を用いたが、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＧａＮ（窒化ガリウム系材料）又はＣ（ダイヤモンド）等のその他のワイドバンドギャップ半導体を用いても良く、この場合も同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６３】
実施の形態７．
実施の形態１〜５の主回路素子２の主素子チップ２０にＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは通流抵抗が温度とともに上昇し、損失が増加する特性を有する。本例では、上述したように、主回路素子２の熱を流体に放熱することにより、流れのない空気中に放熱する場合に比べて主回路素子２の温度を低減することが可能である。このように主素子チップ２０のＭＯＳＦＥＴの素子温度の低下により通流抵抗が減少するため、より損失の少ない電力変換回路内蔵モーター、電力変換回路内蔵モーターを備えたポンプ、このポンプを備えた空気調和機、給湯器、電力変換回路内蔵モーターを備えた機器を得ることができる。
【００６４】
実施の形態８．
実施の形態８は、電力変換回路内蔵モーターの具体的な回路構成について説明するものである。
【００６５】
図７は、本発明の実施の形態８に係る電力変換回路内蔵モーターの回路図である。
電力変換回路内蔵モーター１００は、モーター１０と一体化されモールド筐体で構成されている。電力変換回路内蔵モーター１００は、モーター１０の回転を検出するホール素子５、ゲート信号生成回路１０６、ゲートドライブ回路１０９、チャージポンプダイオード１１１及び主回路素子２ａ〜２ｆ（上記実施の形態の主回路素子２）等から構成されている。電力変換回路内蔵モーター１００には、商用交流電源を整流平滑した直流高圧電源１０１と、直流高圧電源１０１を降圧した直流低圧電源１０２と、モーター１０の回転数に比例したパルス信号を出力するＦＧ出力線１０４と、出力電圧又は出力回転数の指令をアナログ電圧で行う指令入力線１０３とが接続されている。主回路素子２ａ〜２ｆは、Ｓｉチップを用いたＭＯＳＦＥＴチップを面実装パッケージ内に内蔵した、面実装ＭＯＳＦＥＴである。なお、主回路素子２ａ〜２ｆはＭＯＳＦＥＴに限られず、ＩＧＢＴとしてもよいし、主回路素子毎にＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを選択してもよい。ゲートドライブ回路１０９及び主回路素子２ａ〜２ｆがインバーターに相当する。なお、主回路素子２ａ〜２ｆには、上記実施の形態１の図３で説明した接続構造が適用されている。
【００６６】
ゲート信号生成回路１０６は、ゲートドライブ回路１０９と同一シリコン（Ｓｉ）ＩＣチップ上に形成される。チャージポンプ回路１１１はチャージポンプダイオードで低圧電源１０２から、インバーターの上側スイッチ素子である主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅのゲートを駆動するための回路を形成している。母線電流ラインには、母線電流ラインの電流を検出するための電流検出抵抗（シャント抵抗）ＲＳが設けられている。シャント抵抗ＲＳは、単数又は複数の抵抗素子（ここでは２つの抵抗素子Ｒ１とＲ２）を並列接続することで形成される。シャント電流による検出電流値は、後述の過熱保護回路１２０を通して、ゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ１０７に伝達され、過電流の制限を行い主回路素子２ａ〜２ｆ及びモーターのロータマグネットの減磁の保護を行う。過熱保護回路１２０は主回路素子２ａ〜２ｆの温度が過熱したとき、過電流の制限レベルを低減させることでモーター１０の出力を低下させ、主回路素子２ａ〜２ｆの温度上昇を抑える回路である。
【００６７】
本実施の形態８では、モーター１０は３相で主回路素子の配置真ん中の相の主回路素子２ｃ、２ｄが他の相の主回路素子２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆに挟まれる形で配置される。また上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅをパルスワイズモジュレーション（ＰＷＭ）することでモーター１０への印加電圧を調整する。詳しくは、指令電圧に比例し、ＰＷＭのＯＮ時間を変化させ、下側のＭＯＳＦＥＴ２ｂ、２ｄ、２ｆは常時ＯＮとすることで、インバーターの出力電圧を調整する。本構成ではＰＷＭする上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅはＰＷＭでスイッチングを行うため、下側の主回路素子２ｂ、２ｄ、２ｆよりスイッチング回数が多く上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅの発熱が大きい。また主回路素子２ｃは他の主回路素子に取り囲まれる構成のため、他の主回路素子に比べ熱集中が大きい。
【００６８】
本実施の形態８では、プリント基板１上の反ステータ面１ａに６個の主回路素子（スイッチ素子）２ａ〜２ｆのうち発熱の大きな上側の素子と下側の素子を１個ずつ交互に隣り合うよう配置する。ＰＷＭを行うためスイッチング損失の大きな上側スイッチ素子同士が隣り合わないよう配置したので、熱集中による素子の破壊耐力が向上する。
【００６９】
また、過熱検知素子３を他の主回路素子に対する距離より主回路素子２ｃに近接配置することで、過熱時に最も温度の高い主回路素子２ｃに対する検知精度を向上でき、保護性能の向上が図れる。
【００７０】
また下側ＰＷＭを用いる場合は、下側主回路素子２ｄに対し、他の主回路素子より近くに過熱検知素子３を配置すれば同様の効果が得られることはいうまでも無い。
【００７１】
また上下の主回路素子に対して均等にＰＷＭを行う場合は６個のうち中心付近に主回路素子に近接させて過熱検知素子３を配置すれば同様の効果が得られる。
【００７２】
実施の形態９．
実施の形態９は、図７に示した実施の形態８の過熱保護回路１２０の具体的な回路構成を説明するものである。
【００７３】
図８は、図７の過熱保護回路及びシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。
実施の形態９の過熱保護回路１２０は、図１の過熱検知素子３に相当する面実装タイプの正特性の感温抵抗素子３、分圧抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、抵抗内蔵トランジスタ（ディジタルトランジスタ）Ｑ１、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２を有している。ＶＢは過熱保護回路１２０の基準電圧である。比較回路１３０は主回路素子２に内蔵される。基準電源１３１は図７のゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ１０７に内蔵される。また、図８において１３２は母線電源ラインである。
【００７４】
ここで、過熱検知素子３周囲のプリント基板１上の配置構成を図３Ａとし、更に過熱検知素子３の出力をディジタルトランジスタＱ１を用い増幅することで、検出時間差や検出温度誤差なく温度保護がかけられる。また、パッケージやヒートスプレッダ２１が小さな面実装パッケージを用いた高耐圧主回路素子２を反ステータ側に実装し、流体側に銅箔１１、放熱用銅箔１３及びスルーホール１２、１２ａを用い放熱したことで、従来構成ではなし得なかった広い運転範囲を得ることができる。
【００７５】
また、カップ８内を通過する流体との熱的結合が強い銅箔１１で過熱検知素子３の周囲を囲み、熱的結合を強める構成とした場合、流体の過熱についても検知保護を精度よく実施することができる。
【００７６】
また、本実施の形態９の過熱保護回路１２０を有する電力変換回路内蔵モーター１００では、主回路素子２のヒートスプレッダ２１が他の回路パターンと電気的結合を持たない。このため、次に説明する実施の形態８の過熱保護回路１２０の構成に比べて主回路素子２と低圧回路との絶縁性能が向上する。
【００７７】
実施の形態１０．
実施の形態１０は、図７に示した実施の形態８の過熱保護回路１２０の実施の形態９とは別の具体的な回路構成を説明するものである。
【００７８】
図９は、図７の過熱保護回路及びシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。
実施の形態１０の過熱保護回路１２０は、抵抗Ｒ７と、図１の過熱検知素子３に相当する面実装タイプの正特性の感温抵抗素子３とを備えている。また、シャント抵抗ＲＳは、実施の形態１０では一つの抵抗から構成されている。
【００７９】
本実施の形態１０の過熱保護回路１２０を備えた電力変換回路内蔵モーターでは、主回路素子２のヒートスプレッダ２１が、クリーム半田又はフロー半田を用い（図示せず）、電源ライン１３２と熱的・電気的に強い結合をもつ。
【００８０】
主回路素子２のヒートスプレッダ２１と強い熱的結合を持つ銅箔１１及び放熱用銅箔１３やスルーホール１２、１２ａと、温度特性が対数的な特性をもつ正特性感温抵抗素子を用いた過熱検知素子３を熱的・電気的に直接強く結合することで、検出時間差や検出温度誤差なく温度保護がかけられる。また、パッケージやヒートスプレッダ２１が小さな面実装パッケージを用いた高耐圧主回路素子２を反ステータ側に実装し、流体側に銅箔１１及びスルーホール１２、１２ａを用い放熱したことで、従来構成ではなし得なかった広い運転範囲を得ることができる。
【００８１】
本実施の形態１０では増幅用のトランジスタを省略できる分、実施の形態９より安価に過熱保護回路１２０を構成できる。よって、この過熱保護回路１２０を備えた回路・モータ・機器も安価なものとすることができる。
【００８２】
実施の形態８〜１０ではインバーターの主回路素子２にマルチチップのＭＯＳＦＥＴを６個用いているが、高圧面実装タイプのシングルチップインバータＩＣを用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００８３】
また実施の形態８〜１０において、主回路素子２に耐熱温度の高いＳｉＣやＣ等の高耐熱低損失のワイドバンドギャップ半導体を用いた場合は、検知温度差や検知時間遅れに対し従来のＳｉを用いた主素子に対し余裕ができる。よって、過熱検知素子３に温度抵抗特性変化の小さな負特性感温抵抗素子（サーミスタ）等を用いても良い。また正特性感温抵抗素子を用いる場合は、銅箔１１及び放熱用銅箔１３やスルーホール１２、１２ａによる熱的結合度合いを図示したよりも小さくしても同一の効果がある。
【００８４】
また実施の形態８〜１０において、主回路素子２に通常のＭＯＳＦＥＴに対し定常損失の小さなスーパージャンクション（ＳＪ）構造のＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、検知温度差や検知時間遅れに対し余裕ができる。よって、過熱検知素子３に温度抵抗特性変化の小さな負特性感温抵抗素子（サーミスタ）等を用いても良い。また正特性感温抵抗素子を用いる場合は、銅箔１１及び放熱用銅箔１３やスルーホール１２、１２ａによる熱的結合度合いを図示したよりも小さくしても同一の効果がある。特にリカバリ損失の小さな、内蔵ダイオード順バイアス時の蓄積電荷に対するトラップ層を設けたＭＯＳＦＥＴではその効果が高いことはいうまでもない。
【００８５】
また、ポンプに適用される電力変換回路内蔵モーターの主回路素子２にＳＪ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＦＥＴを用いた場合、ポンプを流れる流体への放熱のための銅箔１１及び放熱用銅箔１３やスルーホール１２、１２ａによる熱的結合の度合いを小さくできる。
【００８６】
これまでの実施の形態において、素子と各金属との熱的・電気的・機械的結合を半田により行ったが、他の金属や導電性樹脂等の素材を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００８７】
これまでの実施の形態では、スルーホールタイプのプリント基板１を使用したことで、同一箔厚の基材を用いたノンスルー基板に比べ、スルーホール時めっきにより銅箔が厚くなる。このため、より熱強い熱結合および金属バリアが得られる。またスルーホールが存在することで、より熱強い熱結合が得られる。また銅箔を厚くするほど、その効果が高いことは言うまでもない。またスルーホールが単数よりも複数、サイズが小さいよりも大きいほうが、効果が高いことはいうまでもない。
【００８８】
これまでの実施の形態において、プリント基板に銅箔を用いた両面スルーホール基板を用いたが、素子と各金属との熱的・電気的・機械的結合を、他金属や絶縁素材で構成された基材やエッチング等により回路を構成しない基板を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００８９】
また、上述したポンプモーターでは、発熱素子の廃熱がポンプ内を通過する流体に伝達される構成であるため、給湯器や循環水による暖房機器では、従来モールド樹脂を介し外部に捨てていた熱を流体に付加してエネルギーを有効に使える。特に従来のＳｉに比べ高温動作可能なＳｉＣ等の主素子を用いる場合、通過流体との温度差が大きいため熱回収の効果が高い。
【００９０】
通過流体が絶縁性の高い物質の場合はカップ８に熱抵抗の小さい金属を用いると特に熱回収の効果が高い。一方通過流体の導電性が高い場合は、カップ８に絶縁性の高い樹脂を用いると、素子と流体の間の絶縁性能が高まる。
【００９１】
また、ポンプ動作前にポンプ内部の流体が低温時凝固している場合に、駆動回路に通電したりスイッチングしたりして主回路素子２に定常損失やスイッチング損失を発生させ発熱させると、主回路素子２と通過流体との熱結合が大きいため、凝縮した流体の融解が短時間に行える。よって、低温時のポンプ動作限界を高めたり、短時間で起動できるといった効果もある。
【００９２】
上記実施の形態１〜９においてそれぞれ別の実施の形態として説明したが、各実施の形態を適宜組み合わせてモーターやポンプ、給湯器等を構成してもよい。
【００９３】
また、上記実施の形態の説明において、ある構成部分について示された変形例は、その変形例が示された実施の形態以外の他の実施の形態の同様の構成部分についても同様に適用される。
【符号の説明】
【００９４】
１  プリント基板、１ａ  反ステータ面、１ｂ  ステーター面、２  主回路素子、３  過熱検知素子、４  モーター外部接続リード、４ａ  高圧入力線、４ｂ  低圧入力線、５  ホール素子、６  モーター端子、７  モールド樹脂、８  カップ、９ａ  ローター、９ｂ  ステーター、１０  モーター、１１  銅箔、１２  スルーホール、１２ａ  スルーホール、１３  放熱用銅箔、１４  スルーホール、２０  主素子チップ、２１  ヒートスプレッダ、２１ａ  高圧電極、２２  金属リードフレーム、２２ａ  低圧電極、２３  金属電極、２４  ボンディングワイヤ、２５  樹脂、３０  流体ポンプ、３１  インペラ、３２  ポンプハウジング、４０  空気調和機、５０  冷凍サイクル部、５１  圧縮機、５２  水−冷媒熱交換器、５３  膨張弁、５４  冷媒−空気熱交換器、６０  水回路、６１  水−空気熱交換器、６２  ポンプ、７０  給湯器、８０  冷凍サイクル部、８１  圧縮機、８２  水−冷媒熱交換器、８３  膨張弁、８４  冷媒−空気熱交換器、８５  モーター、８６  ファン、８０  冷凍サイクル部、９０  給湯回路、９１  温水タンク、９２  ポンプ、１００  電力変換回路内蔵モーター、１０１  直流高圧電源、１０２  直流低圧電源、１０３  指令入力線、１０３  指令電圧、１０４  出力線、１０６  ゲート信号生成回路、１０７  ゲートドライブＩＣ、１０９  ゲートドライブ回路、１１１  チャージポンプダイオード、１１１  チャージポンプ回路、１２０  過熱保護回路、１３０  比較回路、１３１  基準電源、１３２  母線電源ライン。
【図１】
2012077246.tif 000003
【図２】
2012077246.tif 000004
【図３】
2012077246.tif 000005
【図３Ａ】
2012077246.tif 000006
【図４】
2012077246.tif 000007
【図５】
2012077246.tif 000008
【図５Ａ】
2012077246.tif 000009
【図６】
2012077246.tif 000010
【図７】
2012077246.tif 000011
【図８】
2012077246.tif 000012
【図９】
2012077246.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明に係る電力変換回路内蔵モーターは、パッケージ化された面実装タイプの主回路素子を有する電力変換回路が実装されたプリント基板と、プリント基板の主回路素子の実装面と反対の面側に配置されたステーターと、内側が流体通過領域となり、プリント基板と接触又は近接するようにしてステーターの内側に配置されたカップと、プリント基板の実装面と反対側の面においてカップの底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔とを備え、主回路素子は、パッケージ内部の素子チップの両面のうち、プリント基板への実装状態においてプリント基板側となる面にヒートスプレッダが接合されており、ヒートスプレッダが、プリント基板を貫通するスルーホールを介して放熱用銅箔に結合されているものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
ところで、ヒートスプレッダ２１の下面に設けた複数のスルーホール１２の内周面にはメッキで銅箔が形成されている。よって、前記のリフロー時にプリント基板１とヒートスプレッダ２１との間のクリーム半田がスルーホール１２内にも流れ込み、ヒートスプレッダ２１は、プリント基板１のステーター面１ｂの放熱用銅箔１３とも熱的に結合される。以上のように、リフロー半田によりプリント基板１の反ステーター面１ａに実装される各部品を一度に電気的・機械的に結合できると共に、ヒートスプレッダ２１を放熱用銅箔１３に熱的に結合することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
また、過熱検知素子３の検知精度を上げるため、図３Ａに示すように構成してもよい。すなわち、ヒートスプレッダ２１と強い熱的結合を持つ銅箔１１をプリント基板１上で延長させて過熱検知素子３の周囲を取り囲むように形成する。更に、過熱検知素子３の周囲を取り囲んだ銅箔１１（１１ａ）の熱を、主素子チップ２０の熱と同様、スルーホール６２を介して放熱用銅箔１３に熱的に結合し、放熱する構成とする。なお図３Ａの放熱用銅箔１３は、図３に比べて過熱検知素子３と対向する領域まで延長された構成となっている。このような構成とした場合、主回路素子２の熱を過熱検知素子３で受熱しやすくなり、検知精度が高まり、検出時間差や検出温度誤差を低減して温度保護がかけられる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
また、カップ８内を通過する流体との熱的結合が強い銅箔１１（１１ａ）で過熱検知素子３の周囲を囲み、熱的結合を強める構成としたことで、流体の過熱についても検知保護を精度よく実施することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
なお、上記で説明した図５で示されるモーター１０を備えた空気調和機４０の構成は一例であり、図５の構成に限定されるものではない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
流量制御ユニットを屋内に配置した場合、複数台設置される室内機からの温水配管を屋外に比べて周囲温度の高い屋内機械室に配管することができ、循環水の熱漏洩を小さくでき屋外設置に比べ暖房時の効率が高くできる。しかしながらその一方、屋外に比べて周囲温度の高い機械室にポンプ６２を配置しなければならず、暖房時にポンプ６２の高温運転限界によりシステムの輸送熱量が制約される。したがって、このシステムに適用されるポンプには高温運転限界の高いポンプが要求されるが、本実施の形態３のポンプ６２は上述したようにその要求を満足できる。よって、熱輸送量の大きな水空調システム（空気調和機）を得ることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る給湯器の冷媒回路図である。
本実施の形態４に係る給湯器７０は、冷凍サイクル部８０と給湯回路９０とを備えている。冷凍サイクル部８０は、冷媒を圧縮する圧縮機８１と、水−冷媒熱交換器８２と、膨張弁８３と、冷媒−空気熱交換器８４とを備え、これらが順次冷媒配管で環状に接続されて冷媒回路を形成している。冷凍サイクル部８０は更に、モーター８５によって駆動され、冷媒−空気熱交換器８４に外気を送風するファン８６を備えており、冷凍サイクル部８０は室外に設置される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
まず、冷凍サイクル部８０の動作について説明する。
圧縮機８１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器８２へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁８３によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、冷媒−空気熱交換器８４に流入する。この冷媒−空気熱交換器８４において、低圧の冷媒は、外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、再び圧縮機８１に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
次に、給湯回路９０の基本動作を説明する。
給湯回路９０を循環する水は、ポンプ９２によって水−冷媒熱交換器８２に送られ、その水−冷媒熱交換器８２において冷凍サイクル部８０からの放熱によって温められる。その温められた水は温水タンク９１に送られる。温水タンク９１内の温められた水は、再びポンプ９２に送られる。以後、この動作を繰り返す。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
本実施の形態８では、モーター１０は３相で主回路素子の配置真ん中の相の主回路素子２ｃ、２ｄが他の相の主回路素子２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆに挟まれる形で配置される。また上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅをパルスワイズモジュレーション（ＰＷＭ）することでモーター１０への印加電圧を調整する。詳しくは、指令電圧に比例し、ＰＷＭのＯＮ時間を変化させ、下側の主回路素子２ｂ、２ｄ、２ｆは常時ＯＮとすることで、インバーターの出力電圧を調整する。本構成ではＰＷＭする上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅはＰＷＭでスイッチングを行うため、下側の主回路素子２ｂ、２ｄ、２ｆよりスイッチング回数が多く上側の主回路素子２ａ、２ｃ、２ｅの発熱が大きい。また主回路素子２ｃは他の主回路素子に取り囲まれる構成のため、他の主回路素子に比べ熱集中が大きい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
図８は、図７の過熱保護回路及びシャント抵抗ＲＳの周辺回路図である。
実施の形態９の過熱保護回路１２０は、図１の過熱検知素子３に相当する面実装タイプの正特性の感温抵抗素子３、分圧抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、抵抗内蔵トランジスタ（ディジタルトランジスタ）Ｑ１、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２を有している。ＶＢは過熱保護回路１２０の基準電圧である。比較回路１３０は主回路素子２に内蔵される。基準電源１３１は図７のゲート信号生成・ゲートドライブＩＣ１０７に内蔵される。また、図８において１３２は母線電流ラインである。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
本実施の形態１０の過熱保護回路１２０を備えた電力変換回路内蔵モーターでは、主回路素子２のヒートスプレッダ２１が、クリーム半田又はフロー半田を用い（図示せず）、母線電流ライン１３２と熱的・電気的に強い結合をもつ。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
主回路素子２のヒートスプレッダ２１と強い熱的結合を持つ銅箔１１及び放熱用銅箔１３やスルーホール１２、１２ａと、温度特性が対数的な特性をもつ正特性感温抵抗素子を用いた過熱検知素子３を熱的・電気的に直接強く結合することで、検出時間差や検出温度誤差なく温度保護がかけられる。また、パッケージやヒートスプレッダ２１が小さな面実装パッケージを用いた高耐圧主回路素子２を反ステータ側に実装し、流体側に銅箔１１、放熱用銅箔１３及びスルーホール１２、１２ａを用い放熱したことで、従来構成ではなし得なかった広い運転範囲を得ることができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
１  プリント基板、１ａ  反ステータ面、１ｂ  ステーター面、２  主回路素子、３  過熱検知素子、４  モーター外部接続リード、４ａ  高圧入力線、４ｂ  低圧入力線、５  ホール素子、６  モーター端子、７  モールド樹脂、８  カップ、９ａ  ローター、９ｂ  ステーター、１０  モーター、１１  銅箔、１１ａ  銅箔、１２  スルーホール、１２ａ  スルーホール、１３  放熱用銅箔、１４  スルーホール、２０  主素子チップ、２１  ヒートスプレッダ、２１ａ  高圧電極、２２  金属リードフレーム、２２ａ  低圧電極、２３  金属電極、２４  ボンディングワイヤ、２５  樹脂、３０  流体ポンプ、３１  インペラ、３２  ポンプハウジング、４０  空気調和機、５０  冷凍サイクル部、５１  圧縮機、５２  水−冷媒熱交換器、５３  膨張弁、５４  冷媒−空気熱交換器、６０  水回路、６１  水−空気熱交換器、６２  ポンプ、７０  給湯器、８０  冷凍サイクル部、８１  圧縮機、８２  水−冷媒熱交換器、８３  膨張弁、８４  冷媒−空気熱交換器、８５  モーター、８６  ファン、８０  冷凍サイクル部、９０  給湯回路、９１  温水タンク、９２  ポンプ、１００  電力変換回路内蔵モーター、１０１  直流高圧電源、１０２  直流低圧電源、１０３  指令入力線、１０３  指令電圧、１０４  出力線、１０６  ゲート信号生成回路、１０７  ゲートドライブＩＣ、１０９  ゲートドライブ回路、１１１  チャージポンプダイオード、１１１  チャージポンプ回路、１２０  過熱保護回路、１３０  比較回路、１３１  基準電源、１３２  母線電流ライン。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ化された面実装タイプの主回路素子を有する電力変換回路が実装されたプリント基板と、
前記プリント基板の前記主回路素子の実装面と反対の面側に配置されたステーターと、
内側が流体通過領域となり、前記プリント基板と接触又は近接するようにして前記ステーターの内側に配置されたカップと、
前記プリント基板の前記実装面と反対側の面において前記カップの底面と対向する領域内に形成された放熱用銅箔とを備え、
前記主回路素子は、パッケージ内部の素子チップの両面のうち、前記プリント基板への実装状態において前記プリント基板側となる面にヒートスプレッダが接合されており、前記ヒートスプレッダが、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に結合されていることを特徴とする電力変換回路内蔵モーター。
【請求項２】
前記ヒートスプレッダと前記プリント基板間の結合が半田により行われることを特徴とする請求項１記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項３】
前記スルーホール内に半田が充填され、前記ヒートスプレッダが前記スルーホール内の半田を介して前記放熱用銅箔に結合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項４】
前記主回路素子の前記素子チップをＭＯＳＦＥＴとしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項５】
前記主回路素子の前記素子チップはワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項６】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項５記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項７】
前記主回路素子の近傍に配置された温度検出手段を有し、前記温度検出手段により前記主回路素子の過熱を検出した場合は、前記主回路素子の動作を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項８】
前記ヒートスプレッダと前記プリント基板との間の銅箔を前記プリント基板上で延長させて前記温度検出手段の周囲を取り囲むように形成すると共に、前記取り囲んだ部分の銅箔を、前記プリント基板を貫通するスルーホールを介して前記放熱用銅箔に結合するようにしたことを特徴とする請求項７記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項９】
前記主回路素子であるスイッチング素子を複数有し、前記複数のスイッチング素子を２組に分けたうちの一方の組をＰＷＭでスイッチングを行う構成とし、ＰＷＭでスイッチングを行う組のスイッチング素子と残りの組のスイッチング素子とを１個ずつ交互に前記プリント基板上に配置実装したことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーター。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする流体ポンプ。
【請求項１１】
請求項１０記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする空気調和機。
【請求項１２】
冷媒−空気熱交換器を持つ室外機と、水−冷媒熱交換器を持つ流量制御ユニットと、水−空気熱交換器を持つ室内機とを備え、前記水−冷媒熱交換器と前記水−空気熱交換器との間で水が循環する水回路に前記流体ポンプを搭載したことを特徴とする請求項１１記載の空気調和機。
【請求項１３】
請求項１０記載の流体ポンプを搭載したことを特徴とする給湯器。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の電力変換回路内蔵モーターを搭載したことを特徴とする機器。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2012077246.tif 000014
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2012077246.tif 000015
【国際調査報告】
2012077246.tif 000016
2012077246.tif 000017