JP2019176594A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置の冷却構造に関する。 The present invention relates to a cooling structure for a power converter.
電力変換装置において、小型化は重要な開発要素の一つである。小型化を実現するにあたって、交流電流を直流に整流するダイオード部や、直流を再び交流に変換するインバータ部などの半導体の冷却部(ヒートシンク)の性能を上げることが重要であり、半導体の配置方法や冷却部(ヒートシンク)の形状などに工夫がされている。例えば特許文献1においては、比較的発熱量の小さい発熱体を冷却風の上流側に配置し、発熱量の大きい発熱体を冷却風の下流側に配置し、発熱量の小さい発熱体を冷却する冷却フィンはフィンピッチを粗くし、発熱の大きい発熱体を冷却する冷却フィンはフィンピッチを細かくする点が開示されている。 In power converters, downsizing is one of the important development factors. In order to achieve miniaturization, it is important to improve the performance of semiconductor cooling parts (heat sinks) such as a diode part that rectifies alternating current into direct current and an inverter part that converts direct current back to alternating current. And the shape of the cooling part (heat sink). For example, in Patent Document 1, a heating element having a relatively small amount of heat generation is disposed on the upstream side of the cooling air, a heating element having a large amount of heat generation is disposed on the downstream side of the cooling air, and the heating element having a small heat generation amount is cooled. It is disclosed that the cooling fins have a coarse fin pitch, and the cooling fins that cool a heat generating element generating a large amount of heat have a fine fin pitch.
電力変換装置のパワー半導体は冷却のためにヒートシンクを設けており、自然空冷や、冷却ファンを用いた強制空冷などがある。前記のどちらの冷却方式を採用したとしても、ヒートシンクの羽根の間に風が通らなければ効率の良い冷却はされない。特許文献1に記載の形態では冷却風の吸入口付近に障害物があった場合、比較的発熱量の小さい上流側の発熱体の冷却効率が悪くなるだけでなく、その流路上には途中、風の出入りする開口部が無いため、下流側に配置されている発熱量の大きい発熱体の冷却効率も悪くなるという欠点がある。そのため冷却風の吸入口付近は障害となる物を置いてはならないという設置環境における制約があった。そのため、いくら電力変換装置の冷却部の性能を上げて小型化しても、結局、据付先では大きな設置スペースを確保せざるを得なかった。 The power semiconductor of the power conversion device is provided with a heat sink for cooling, and includes natural air cooling and forced air cooling using a cooling fan. Regardless of which of the above cooling methods is employed, efficient cooling is not achieved unless air flows between the blades of the heat sink. In the form described in Patent Document 1, when there is an obstacle near the cooling air inlet, not only the cooling efficiency of the upstream heating element having a relatively small calorific value is deteriorated, but also on the flow path, Since there is no opening for air to flow in and out, there is a disadvantage that the cooling efficiency of the heating element having a large heat generation amount arranged on the downstream side is also deteriorated. Therefore, there is a restriction in the installation environment that obstructing objects should not be placed near the cooling air inlet. For this reason, no matter how much the cooling unit of the power conversion device is improved in size and reduced in size, a large installation space must be secured at the installation destination.
本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、電力変換装置であって、入力された交流電力を直流に整流する発熱量の小さい複数のパワー半導体と、整流された直流電力を交流電力に変換する発熱量の大きい複数のパワー半導体と、発熱量の小さい複数のパワー半導体を冷却するための第1のヒートシンクと、発熱量の大きい複数のパワー半導体を冷却するための第2のヒートシンクを有し、冷却風の上流側に発熱量の小さい複数のパワー半導体を配置し、冷却風の下流側に発熱量の大きい複数のパワー半導体を配置し、第1のヒートシンクと第2のヒートシンクの間に所定の空間を設けた。 In view of the above-described background art and problems, the present invention is a power conversion device, which is a power conversion device, which includes a plurality of power semiconductors with small calorific values for rectifying input AC power into DC, and rectified DC A plurality of power semiconductors with a large calorific value for converting electric power into AC power, a first heat sink for cooling the plurality of power semiconductors with a small calorific value, and a first heat sink for cooling the power semiconductors with a large calorific value A plurality of power semiconductors with a small amount of heat generation disposed upstream of the cooling air, and a plurality of power semiconductors with a large amount of heat generation disposed downstream of the cooling air. A predetermined space was provided between the heat sinks.
本発明によれば、電力変換装置の小型化ができるとともに、設置場所の省スペース化を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to miniaturize a power converter device, space saving of an installation place is realizable.
以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、はじめに、本実施例の前提となる、従来の電力変換装置について説明する。図6は従来の電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。図6において、電力変換装置は、入力された交流電力を直流電力に整流する複数のパワー半導体からなるダイオードモジュールであるダイオード部1と、整流された直流電力を再び交流電力に変換する複数のパワー半導体、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、からなるインバータ部2と、ダイオード部1とインバータ部2の発熱を冷却するヒートシンク3と、インバータ部2を駆動する回路を有する主回路基板(図示省略)とを有し、これらの部品は本体ケース7に周囲を覆われている。
First, a conventional power conversion device that is a premise of the present embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic perspective view of a conventional power converter as viewed from the bottom left side. In FIG. 6, the power converter includes a diode unit 1 that is a diode module made of a plurality of power semiconductors that rectifies input AC power into DC power, and a plurality of powers that convert the rectified DC power back into AC power. A main circuit board (not shown) having an
ここで、ヒートシンク3について述べる。ヒートシンク3は、原価低減を主目的にダイオード部1とインバータ部2で一体の形状としており、アルミ等の放熱効果の高い材料からなるベース4と羽根(フィン)5から構成されている。冷却について述べると、ヒートシンク3を冷却するための冷却風は、本体ケース7の底面開口部9から吸入され、ヒートシンク3に設けられた複数の羽根5の間を通過することで、ヒートシンク3の羽根5が並設されたベース4の反対の面に配置されたダイオード部1、インバータ部2を冷却する。
Here, the heat sink 3 will be described. The heat sink 3 is formed integrally with the diode portion 1 and the
ここで、電力変換装置において、一般的にはダイオード部1の発熱よりインバータ部2の発熱量が大きいため、インバータ部2の発熱量に適したヒートシンク3の羽根枚数とするため、発熱量が小さいダイオード部1にとっては過剰な冷却性能となる。また、前述のように、ヒートシンク3をダイオード部1とインバータ部2で一体の形状としているため、冷却風の吸入口付近に障害物があった場合、比較的発熱量の小さい上流側のダイオード部1の冷却効率が悪くなるだけでなく、その流路上には途中、風の出入りする開口部が無いため、下流側に配置されている発熱量の大きいインバータ部2の冷却効率も悪くなるという欠点がある。また、冷却風の流れる流路が狭く、長いため管路抵抗が大きい結果、冷却ファン8の性能を上げなければならないという欠点があった。
Here, in the power converter, since the heat generation amount of the
そこで、これらの課題を解決するために、本実施例では、比較的発熱量の小さい発熱体を冷却風の上流側に配置し、比較的発熱量の大きい発熱体を冷却風の下流側に配置し、前者の熱量の小さい発熱体のヒートシンクの羽根ピッチを、後者の発熱量の大きい発熱体のヒートシンクの羽根ピッチよりも粗くし、かつ、熱量の小さい発熱体と発熱量の大きい発熱体のヒートシンクの間に所定の空間を設けるように構成した。以下、その詳細について説明する。 Therefore, in order to solve these problems, in the present embodiment, a heating element having a relatively small amount of heat generation is disposed on the upstream side of the cooling air, and a heating element having a relatively large amount of heat generation is disposed on the downstream side of the cooling air. The heat sink of the heat sink of the former heat generating element with a small amount of heat is made coarser than the blade pitch of the heat sink of the heat generating element of the latter with a large amount of heat generation, and the heat sink of the heat generating element with a small amount of heat and a heat generating element with a large amount of heat generation A predetermined space is provided between the two. The details will be described below.
図1は本実施例における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。図1において、図6と同じ機能の構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図1において、図6と異なる点は、図6では、ダイオード部1とインバータ部2を冷却するヒートシンク3が一体であったのに対し、図1ではヒートシンクが3Aと3Bで分断されている点である。また、図2に、図1の矢視A方向からみた電力変換装置の概略側面図を示す。
FIG. 1 is a schematic perspective view of the power conversion device according to the present embodiment as viewed from the bottom left side surface. 1, constituent elements having the same functions as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. 1 differs from FIG. 6 in that the heat sink 3 for cooling the diode portion 1 and the
図1、図2において、冷却風吸入の底面開口部9付近に障害物が置かれたとして、従来では障害物に対面する流路は上流側も下流側も全て塞がれてしまい電力変換装置全体の冷却効率は悪くなるのに対し、本実施例では、例え、底面開口部9付近に障害物が置かれたとしても直近の上流側には発熱量の低いダイオード部1しか配置されていないため、大きな問題は無い。また、下流側への影響は、ダイオード部1とインバータ部2を冷却するヒートシンクを3Aと3Bと分断したことにより生まれた空間10によって障害物に対面する直線上のヒートシンク3Bの流路にも、その空間10から冷却風が流れ込んでいく効果が得られる。そのため、冷却風の吸入口付近に障害物を置いてはならないという設置環境における制約がなくなり設置場所の省スペース化を実現できる。
In FIG. 1 and FIG. 2, assuming that an obstacle is placed near the bottom opening 9 for cooling air intake, conventionally, the flow path facing the obstacle is completely blocked on both the upstream side and the downstream side. While the overall cooling efficiency is deteriorated, in this embodiment, even if an obstacle is placed near the bottom opening 9, only the diode part 1 having a low heating value is disposed on the immediate upstream side. Therefore, there is no big problem. In addition, the effect on the downstream side is also the flow path of the
また、図1に示すように、図6の従来の電力変換装置は、ヒートシンク3の羽根ピッチ6は上流側から下流側まで全て同一であることと、また長さも長いため管路抵抗が非常に大きかったのに対し、本実施例では、ヒートシンク3Aと3Bの羽根ピッチ6Aと6Bの幅が異なっている。具体的にはダイオード部1を冷却するヒートシンク3Aの羽根ピッチ6Aのほうが、インバータ部2を冷却するヒートシンク3Bの羽根ピッチ6Bより広くなっている。ここで、ヒートシンク3A、3Bにおいて無駄なコストアップを控えるため羽根5A、5Bの外形サイズは同じである。
Further, as shown in FIG. 1, in the conventional power converter shown in FIG. 6, since the
図3に、本実施例における電力変換装置のヒートシンク断面図を示す。図3においては、分かりやすいように、ヒートシンク3A、3Bの冷却風吸入側から見たそれぞれの断面を重ね合わせている。図3において、ヒートシンク3A、3Bのベース4A、4Bは同一形状である。また先に説明した通り、羽根5A、5Bの外形サイズも同じである。図3において、ダイオード部1を冷却するヒートシンク3Aは羽根ピッチ6Aに示す羽根5Aのみを有し、インバータ部2を冷却するヒートシンク3Bは羽根ピッチ6Bに示す羽根5Bを有し、ヒートシンク3Aの羽根ピッチ6Aに示す羽根5Aは、ヒートシンク3Bの羽根ピッチ6Bに示す羽根5Bを1枚飛ばしで間引いた形状となっている。ここでは分かりやすいように1枚飛ばしで間引いた例を示したが、2枚以上(整数)飛ばして間引いても構わない。このように発熱量の小さいダイオード部1のヒートシンク3Aの羽根ピッチ6Aを広げたことにより、従来の電力変換装置のような大きな管路抵抗は小さくなり、発熱量の大きいインバータ部2のヒートシンク3Bまで冷却風を効率良く届けることができる。すなわち、効率的に冷却を行うことができるので、ヒートシンクの小型化が可能となり、しいては電力変換装置の小型化が可能となる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat sink of the power conversion device according to this embodiment. In FIG. 3, for easy understanding, the respective cross sections viewed from the cooling air suction side of the
なお、上記で、ダイオード部1とインバータ部2を冷却するヒートシンクを3Aと3Bに分断したとして説明したが、ヒートシンクを3Aと3Bと分断したことにより生まれた空間10によって、その空間10から冷却風が流れ込んでいく効果が得られればよいので、ヒートシンク3Aと3Bのベース4A、4Bを一体として、ヒートシンク3Aと3Bの羽根5A、5Bの間にのみ空間があるようにしてもよい。
In the above description, the heat sink that cools the diode unit 1 and the
また、ヒートシンクはベースと羽根から構成されているとして説明したが、羽根の代わりにピンを設け、ピンをベースに2次元的に配置することで放熱するようにしてもよい。その際には、上記説明で、羽根ピッチをピンピッチに置き換えることで、同様の効果を得ることができる。 Although the heat sink has been described as being composed of a base and blades, heat may be radiated by providing pins instead of the blades and arranging the pins two-dimensionally on the base. In that case, the same effect can be obtained by replacing the blade pitch with the pin pitch in the above description.
以上のように、本実施例によれば、電力変換装置の小型化が可能となるとともに、設置場所の省スペース化を実現できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to reduce the size of the power conversion device and realize space saving of the installation place.
本実施例では、冷却ファンを重力方向の下側に配置した例について説明する。 In this embodiment, an example in which the cooling fan is arranged on the lower side in the gravity direction will be described.
図4は、本実施例における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。また、図5は、図4の矢視B方向からみた電力変換装置の概略側面図である。 FIG. 4 is a schematic perspective view of the power conversion device according to the present embodiment as viewed from the bottom left side. FIG. 5 is a schematic side view of the power converter as viewed from the direction of arrow B in FIG.
図4、図5において、図1と同じ機能の構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図4において、図1と異なる点は、冷却ファン8を、本体ケース7の下端面に配置し、その冷却ファン8は外気を吸い込み、ヒートシンク3Aに吹き付ける流れの向きとする点である。
4 and 5, constituent elements having the same functions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. 4 is different from FIG. 1 in that the cooling fan 8 is arranged on the lower end surface of the
ここで一般的に冷却ファンを対象物に吹き付ける形態で使用する場合、その風にはファン特有の旋回成分が含まれる、また冷却ファンの回転軸の近傍は風が弱く、よって冷却ファンの直近に冷却対象物を配置しても思うように冷却されない。そのため冷却対象物に風を吹き付ける場合、冷却ファンから冷却対象物までの距離を確保しないと十分に冷却することができなかった。しかし、本実施例では発熱量の小さいダイオード部1を冷却風の上流側に配置したことにより、冷却能力が多少低くても問題ないため、ヒートシンク3Aを冷却ファン8近傍に配置することができる。 Here, when the cooling fan is generally used in the form of blowing on the object, the wind includes a swirling component peculiar to the fan, and the wind is weak in the vicinity of the rotation axis of the cooling fan. Even if an object to be cooled is placed, it is not cooled as expected. Therefore, when blowing air on the cooling object, the cooling fan cannot be sufficiently cooled unless the distance from the cooling fan to the cooling object is secured. However, in the present embodiment, since the diode section 1 having a small heat generation amount is arranged on the upstream side of the cooling air, there is no problem even if the cooling capacity is somewhat low, so the heat sink 3A can be arranged in the vicinity of the cooling fan 8.
また、ヒートシンク3Aの広い羽根ピッチ6A、及び、ヒートシンク3Aと3Bの間に設けられた空間10によって旋回成分の含まれた冷却風の流れを効率よく整流できる。そのためヒートシンク3Bには整流された冷却風を届けることができる。
Further, the flow of the cooling air containing the swirl component can be efficiently rectified by the
以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. The above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
1:ダイオード部、2:インバータ部、3,3A,3B:ヒートシンク、4,4A,4B:ベース、5,5A,5B:羽根、6,6A,6B:羽根ピッチ、7:本体ケース、8:冷却ファン、9:底面開口部、10:空間 1: Diode part, 2: Inverter part, 3, 3A, 3B: Heat sink, 4, 4A, 4B: Base, 5, 5A, 5B: Blade, 6, 6A, 6B: Blade pitch, 7: Body case, 8: Cooling fan, 9: bottom opening, 10: space
Claims (7)
強制空冷用の冷却ファンを前記冷却風の下流側に配置したことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device, wherein a cooling fan for forced air cooling is arranged downstream of the cooling air.
強制空冷用の冷却ファンを前記冷却風の上流側に配置したことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device, wherein a cooling fan for forced air cooling is disposed upstream of the cooling air.
前記第1のヒートシンクおよび前記第2のヒートシンクは、ベースと羽根で形成されていることを特徴とする電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 3,
The power converter according to claim 1, wherein the first heat sink and the second heat sink are formed of a base and a blade.
前記第1のヒートシンクの羽根枚数は、前記第2のヒートシンクの羽根枚数よりも少なく、羽根ピッチが広いことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
The number of blades of the first heat sink is smaller than the number of blades of the second heat sink, and the blade pitch is wide.
前記第1のヒートシンクおよび前記第2のヒートシンクのベースと羽根のサイズは同じであることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4 or 5,
The power converter according to claim 1, wherein the first heat sink and the second heat sink have the same base and blade sizes.
前記第1のヒートシンクのベースと前記第2のヒートシンクのベースが一体で構成されていることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4 or 5,
The power converter according to claim 1, wherein the base of the first heat sink and the base of the second heat sink are integrally formed.
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