CN100387106C

CN100387106C - 电力转换装置及电力转换装置用的导热管

Info

Publication number: CN100387106C
Application number: CNB981215270A
Authority: CN
Inventors: 高桥伸广
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2008-05-07
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP3642548B2; TW390111B; CN100550358C; KR19990037381A; CN1215974A; CN101150100A; BR9804506A; CN100550357C; BR9804506B1; HK1018160A1; JPH11132678A; KR100443446B1; CN101150099A

Abstract

一种电力转换装置，把具有电功率半导体元件及对该元件进行冷却用的导热管式冷却器的堆架沿垂直方向配置。导热管式冷却器上设有可动部，该可动部可沿容纳堆架的框架上所设的轨道移动。在堆架的下方配置包含与外部接线用的导体在内的电气零件。采用这样的配置，就不易受导热管式冷却器配置的影响，可以节省空间，实现装置的小型化。

Description

电力转换装置及电力转换装置用的导热管

技术领域

本发明涉及由多个电功率半导体元件、元件冷却用的导热管式冷却器及导体和其他电气零件构成的电力转换装置以及电力转换装置用的导热管式冷却器。

背景技术

近年来，电力转换装置随着电功率半导体元件的大容量化和高速化而产生了发热损失增大的问题。因此，提高电功率半导体元件用冷却装置的冷却效率以解决发热损失的增大的问题、且避免装置的大型化就成为重要的技术课题。

图1为使用导热管式冷却器的自冷式电力转换装置的大致结构，如该图所示，电力转换装置的主要结构要素是作为冷却器的导热管式冷却器101、电功率半导体元件102、导体等电气零件103及框架104等。

该导热管式冷却器101如图1所示，主要由与电功率半导体元件102接触的受热部105、导热管106以及散热片107构成。散热片107垂直于导热管106配置。在由于形状的原因不设风扇等强制冷却系统而利用自然对流进行冷却的自冷式电力转换装置的场合，如果导热管式冷却器101的散热片107配置成水平状态，即导热管106配置成垂直状态，则空气会停滞在各散热片之间而降低冷却效率。另一方面，如果为了将散热片107配置成垂直状态而将导热管106配置成水平状态，则不能回收冷却液。从而，考虑到冷却液的回收，导热管式冷却器101一般是如图1那样倾斜一定角度横向配置。

上述结构的电力转换装置多用于变压器和整流器等，是电力工业领域不可缺少的设备。

然而，在使用上述传统导热管式冷却器的自冷式电力转换装置中，如前所述，由于导热管式冷却器101的散热片107的形状所导致的特性，其配置受到限制，如图1所示，要尽量地将散热片107配置成垂直状态，故装置的形状尺寸在很大程度上取决于导热管式冷却器101的形状尺寸。

而且，在考虑到主回路的结构及装置小型化而采用将构成主回路的堆架(stack)向上方堆积的结构时，由于在装置运转时各层的温度上升不同，就要采用使各层的冷却能力均匀化的结构，这样就使装置的高度增大。而且为了适应大容量的要求，要把导热管式冷却器与电功率半导体元件交替并联连接而构成主回路，这样就更无法避免装置的大型化。从以上理由出发，要使装置整体小型化，导热管式冷却器的配置方法及形状尺寸就成为一大问题。

另外，电力转换装置一般是把导热管式冷却器及其他电气零件等结构要素固定在框架上，为了防止运输时的振动或地震等引起半导体元件等零件的破损，在设计时要对整个装置形成复杂的防振系统，故作业非常困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种把利用自然对流进行冷却的导热管式冷却器做成沿垂直方向配置且可获得充分冷却效率的结构、装置主体的形状不易受导热管式冷却器配置的影响而使装置显著小型化的电力转换装置及电力转换装置用的导热管式冷却器；以及，

提供一种把半导体元件及导热管式冷却器等构成主回路的零件做成不直接固定在框架上的结构、在与装置主体之间设置弹簧减震系统以抑制主回路构件的振动、而足以承受运输时及地震时的振动的电力转换装置。

为了实现上述目的，本发明提供以下结构的电力转换装置及电力转换装置用的导热管式冷却器。即，

本发明的电力转换装置把具有电功率半导体元件及对该电功率半导体元件进行冷却用的导热管式冷却器的堆架沿垂直方向配置，同时在该堆架的下方配置包含与外部接线用的导体在内的电气零件，该导热管式冷却器设置具有空气的流入方向向下方倾斜、流出方向向上方倾斜的部分的散热片。

采用这种结构，装置纵深方向的形状不再依赖导热管式冷却器的形状，而且不需要采用向上方堆积的结构，故可实现装置整体的小型化和结构简单化。另外由于不采用向上方堆积的结构，可获得良好的冷却效率。此外，由于与外部接线用的导体、电容器等电气零件配置在堆架的下方，可实现装置整体的小型化和结构简单化，还可以避免在散热片之间发生滞留现象而使冷却效率降低，从而得到良好的冷却效率。

为了实现上述目的，本发明还提供以下结构的电力转换装置及电力转换装置用导热管式冷却器。即，

本发明的电力转换装置把具有电功率半导体元件及对该电功率半导体元件进行冷却用的导热管式冷却器的堆架沿垂直方向配置，同时在导热管式冷却器上设置可沿在容纳堆架的框架上设置的导轨移动的可动部，且在堆架的下方配置包含与外部接线用的导体在内的电气零件，该导热管式冷却器的散热片相对导热管倾斜配置。

通过设置使导热管式冷却器移动用的可动部，可以简化用电功率半导体元件和导热管式冷却器构成堆架的作业，还可以避免在散热片之间发生滞留现象而使冷却效率降低，从而得到良好的冷却效率。

这里，至少也可以把包含与外部接线用的导体在内的电气零件装入密封有绝缘气体的密封容器内。

通过使用绝缘气体，可以抑制电场强度，提高耐压性，故可以实现电气零件的小型化及装置整体的小型化。

另外，还可在导热管式冷却器的散热片侧面设置限定空气流动方向的侧壁。

采用这种结构，由于通过侧壁来支承散热片，可提高堆架的结构强度。而且在多个堆架并排设置的场合，由于侧壁的作用，空气的流入及流出方向针对各个堆架而被限定，可以提高冷却效率。

另外，导热管式冷却器也可以采用不设散热片的多根管子来构成导热管。

采用这种结构，由于不设散热片，就没有配置对冷却效率的影响问题，可适应任何配置要求。

还有，导热管式冷却器也可以是具有多个针状的散热片的结构。

采用这种结构，由于散热片是针状的，就没有配置对冷却效率的影响问题，可适应任何配置要求。

另外，导热管式冷却器也可以是散热片与导热管同一方向配置的结构。

采用这种结构，可以避免在散热片之间发生滞留现象而降低冷却效率，可获得良好的冷却效率。

还有，作为导热管式冷却器，还可以使用受热部分与散热部分电气绝缘、且采用电气绝缘性能高于水的冷却剂的绝缘式导热管式冷却器。

采用这种结构，不必再在可动部与导热管式冷却器之间夹装绝缘部。

另外也可以在导热管式冷却器上设置弹簧减震部件。

采用这种结构，由于可以将堆架的振动系统与装置主体的振动系统分开考虑，防振设计较为容易，对防振对象具有可靠的防振效果。

另外还可以在导轨上使用弹性材料。

采用这种结构可以抑制从框架传递到堆架的振动。

附图说明

以下是对附图的简单说明。

图1是传统电力转换装置的示意主视图。

图2是本发明第1实施例的电力转换装置的示意主视图和侧视图。

图3是本发明第3实施例的导热管式冷却器的示意主视图和侧视图。

图4是本发明第4实施例的导热管式冷却器的示意主视图和侧视图。

图5是本发明第5实施例的导热管式冷却器的示意主视图和侧视图。

图6是本发明第6实施例的导热管式冷却器的示意俯视图和主视图。

图7是本发明第7实施例的导热管式冷却器的示意主视图和侧视图。

图8是本发明第8实施例的导热管式冷却器一例的示意立体图。

图9是本发明第8实施例导热管式冷却器又一例的示意俯视图和主视图。

图10是本发明第10实施例导热管式冷却器及电力转换装置的示意主视图。

在附图中，相同符号表示相同部分或相应部分。

具体实施方式

(第1实施例)

以下结合图2说明本发明第1实施例的电力转换装置。

该图(a)为第1实施例的示意主视图，(b)为其侧视图。

本实施例的电力转换装置10通过使滑轮等可动部3与设在导热管式冷却器5配置用辅助框架1B上的导轨2抵接，而把经过绝缘部4而设有滑轮等可动部3的导热管式冷却器5垂直地悬挂配置，并把电功率半导体元件8与前述导热管式冷却器5多个连接而构成堆架6。而且，将堆架6的下侧部分和导体及其他电气零件7配置在辅助框架1B下方的主体框架1A内。

这样，由于将导热管式冷却器5垂直配置，装置纵深方向的形状就不再依赖导热管式冷却器5的形状，而且不必采用向上方堆积的结构，故可实现装置整体的小型化及结构的简单化。又由于不采用向上方堆积的结构，故可得到良好的冷却效率，实现热设计方面优秀的装置。

另外，与外部接线用的导体、电容器等电气零件7也可以成套地配置在堆架6的下方，故可实现装置整体的小型化及结构简单化。

另外，导热管式冷却器5的经过绝缘部4而设的滑轮等可动部3可以在辅助框架1B上所设的导轨2上自由移动，故可简化构成堆架6的作业。而且由于导热管式冷却器5处于悬挂状态，各个导热管式冷却器5可因自重形成垂直方向的配置。因此在把电功率半导体元件8多个连接且用夹具等进行压接以构成堆架6时，可以简化为均等地作面压接而进行的校准各要素中心的作业，故更加省力。另外可动部分3的形状及材料、导轨2的形状及材料不受限制。

(第2实施例)

以下说明本发明第2实施例的电力转换装置。

本实施例的大致结构可以与图2所示的相同，但把在内部容纳堆架6的下侧部分(主要是由导热管式冷却器5的受热部及电功率半导体元件8组成的部分)和电气零件7的主体框架1A做成密封容器，并充填SF₆等绝缘气体。另外，配置导热管式冷却器5的辅助框架1B不必做成密封结构，只要内部能配置导热管式冷却器5、且上部铺设导轨2即可。

而且在主体框架1A的材料为金属的场合，在导热管式冷却器5的导热管贯通主体框架1A上壁面的部位，要将导热管与主体框架1A上壁面之间绝缘。

本实施例是在容纳电气零件7等的主体框架1A中，把各结构要素密封入充填有SF₆等绝缘气体的密封配电盘(密封容器)内。由于使用绝缘气体，可以抑制电场强度，提高耐压性，故可实现电气零件7的小型化及装置整体的小型化。另外绝缘气体的种类不限于SF₆。

以下说明本发明第3至第9实施例，这些实施例是关于电力转换装置用的导热管式冷却器的。

(第3实施例)

以下结合图3说明本发明第3实施例电力转换装置用的导热管式冷却器。

图(a)是导热管式冷却器的示意主视图，(b)是其侧视图。本实施例的导热管式冷却器具有可动部3、绝缘部4、受热部11、导热管12及散热片13。

本实施例如图3(b)所示，具有引导部14，即传统导热管式冷却器散热片的前部向下、后部向上倾斜的部分。因此如图3(b)的箭头所示，空气从下方流入，吸收具有引导部14的散热片13的热量而进行冷却，从而使导热管式冷却器能够沿垂直方向配置。为了防止热量积聚在散热部分，含有引导部14的散热片13的形状最好是水平部分尽量小的尺寸。因而把导热管12的形状做成薄板状而不是筒状，这样可以减少水平部分。

另外，引导部14从水平方向倾斜的角度越小空间效率越好，但角度过小，对于气流的阻力就会增大。会在散热片13之间发生滞留现象等而降低冷却效率。因而考虑到空间效率，引导部14从水平方向倾斜的角度最好在20°～35°的范围内，不过对该角度并无限制。

(第4实施例)

以下结合图4说明本发明第4实施例的电力转换用导热管式冷却器。

图(a)是导热管式冷却器的示意主视图，图(b)是其侧视图。

本实施例的导热管式冷却器具有可动部3、绝缘部4、受热部11、导热管12及散热片13，如图(b)所示，导热管式冷却器的散热片13做成倾斜形状。因此如图(b)箭头所示，空气从下方流入，吸收散热片13的热量而进行冷却。

散热片13从水平方向倾斜的角度越小空间效率越好，但角度过小，对于气流的阻力就会增大。会在散热片之间发生滞留现象等而降低冷却效率。因而考虑到空间效率，散热片13从水平方向倾斜的角度最好在20°～35°的范围内，不过对该角度并无限制。

(第5实施例)

以下结合图5说明本发明第5实施例电力转换装置用的导热管式冷却器。

图(a)是导热管式冷却器的示意主视图，图(b)是其侧视图。

本实施例是在图3或图4所示的第3或第4实施例的导热管式冷却器上设置侧壁14。由于电力转换装置是把由导热管式冷却器及电功率半导体元件等构成的堆架做成从框架上悬挂的结构，故作用在导热管式冷却器上的结构性负载很大，但本结构是通过侧壁14来支承散热片，故可提高堆架的结构强度。

另外，在多个堆架并排设置的场合，通过侧壁14而针对各个堆架限定空气的流入及流出方向，可以提高冷却效率。

(第6实施例)

以下结合图6说明本发明第6实施例电力转换装置用的导热管式冷却器。

图(a)是导热管式冷却器的示意俯视图，图(b)是其主视图。

本实施例的导热管式冷却器是由受热部11和不设散热片的多个导热管12构成的导热管式冷却器。本导热管式冷却器由于不设散热片，故没有配置对冷却效率的影响问题，可以适应任何配置要求。而且为确保散热面积，导热管12的截面形状做成星形等，效果显著。不过对导热管12的根数和导热管12的截面形状并无限制。图6所示的是1排配置多根导热管12，并且设置多排，当然也可以只设置1排。

另外，图中虽未示出，但在电力转换装置的结构上，本导热管式冷却器也可在其上部设置可动部3及绝缘部4，做成图3、图4和图5所示的可沿垂直方向配置的结构。

(第7实施例)

以下结合图7说明本发明第7实施例电力转换装置用的导热管式冷却器。

图(a)是导热管式冷却器的示意主视图，图(b)是其侧视图。

本实施例的导热管式冷却器是具有多个针型凸起状散热片13的导热管式冷却器。由于做成多个针型散热片13的形状，没有配置对冷却效率的影响问题，可适应任何配置要求。

另外在把本导热管式冷却器垂直地(即把针型散热片水平地)配置时，考虑到空气阻力造成的损失，如果把针的截面形状做成上下方向的长椭圆形，则冷却效果更佳。不过对针型散热片13的根数及截面形状并无限制。

(第8实施例)

以下结合图8和图9说明本发明第8实施例的电力转换装置用的导热管式冷却器。

图8是第8实施例的导热管式冷却器之一例的示意立体图。

图9(a)是第8实施例的导热管式冷却器又一例的示意俯视图，图(b)是其主视图。

本实施例的导热管式冷却器是具有与导热管相同方向配置的散热片13的导热管式冷却器。

譬如图8所示，散热片13在与导热管式冷却器相同的方向纵向配置，故当向垂直方向配置时，不会在散热片13之间发生滞留现象而降低冷却效率，可得到良好的冷却效率。

另外，如果象图9那样，在纵向散热片13a之间设置横向散热片13b来增加散热面积，则可进一步提高冷却效率。

不过散热片的配置不受以上所限。

另外，图中虽未示出，但在电力转换装置的结构，本导热管式冷却器也可在其上部设置可动部3及绝缘部4，做成图3、图4和图5所示的可沿垂直方向配置的结构。

(第9实施例)

以下说明本发明第9实施例。

本实施例是使用图中未示的绝缘型导热管式冷却器作为图2和图3所示的电力转换装置的冷却装置、即导热管式冷却器。

所谓绝缘型导热管式冷却器，是将导热管式冷却器的受热部分与散热部分电气性绝缘，并使用电气绝缘性高于水的冷却剂。

具体地说，譬如用其中可供冷却剂通过的绝缘子将导热管式冷却器的受热部分与散热部分之间连接，并使用碳氟化合物作为冷却剂。

使用绝缘型导热管式冷却器，可以削减前述的绝缘部4。而且可以减少组装等造成的装置尺寸误差。

(第10实施例)

以下结合图10说明本发明第10实施例的电力转换装置。

图(a)是导热管式冷却器的示意主视图，图(b)是使用该导热管式冷却器的电力转换装置的示意侧视图。

本实施例如图10所示，在导热管式冷却器5中设置弹簧减震部件15，由导热管式冷却器5及电功率半导体元件组成的堆架与导体(与外部接线用的导体)之间的连接利用平编导体16，不是直接固定在框架1上。

采用这种结构，可以将含有运输及地震中最容易破损的半导体元件的堆架的振动系统与装置主体的振动系统分开考虑。采用传统结构，在对装置整体进行防振设计时必须考虑到由全部结构要素构成的复杂振动系统来进行设计，而如果采用上述结构，则防振设计的对象是比较单纯的振动系统，故防振设计较为容易，且对于防振对象具有可靠的效果。

另外，通过用防振橡胶等弹性材料作为可动部3及导轨2的材料，或者在可动部3及导轨2上粘贴弹性材料，可以抑制从框架1向堆架传递的振动。

不过对弹簧减震部件的材料及形状并无限制。

采用本发明，可以在利用自然对流进行冷却的电力转换装置中，将导热管式冷却器沿垂直方向配置，且可以将导体等电气零件成套配置，可简化装置主体的结构，可以提供装置规模缩小的电力转换装置。

另外，由于半导体元件及导热管式冷却器等构成主回路的堆架不是直接固定在框架上，且在与装置主体之间设置弹簧减震系统来抑制主回路构成零件的振动，可以提供能充分承受运输时及地震时振动的电力转换装置。

显然，如上所述，本发明还可作多种修改和变形。除了上述实施例外，在权利要求范围内，本发明还可以有其他的实施例。

Claims

1.一种电力转换装置，其特征在于，设有：

具有电功率半导体元件及为对所述电功率半导体元件进行冷却而沿垂直方向配置的导热管式冷却器的堆架；以及

配置在所述堆架的下方、包含与外部接线用的导体在内的电气零件，

所述导热管式冷却器设置具有空气的流入方向向靠近堆架侧倾斜、流出方向向远离堆架侧倾斜的部分的散热片。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，至少把包含与外部接线用的导体在内的所述电气零件装入密封有绝缘气体的密封容器内。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，在所述导热管式冷却器的散热片侧面设置限定空气流动方向的侧壁。

4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热管式冷却器采用不设散热片的多根管子来构成导热管。

5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热管式冷却器具有多个针状的散热片。

6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热管式冷却器的散热片沿垂直方向配置。

7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述导热管式冷却器是将受热部分与散热部分电气绝缘、且采用电气绝缘性高于水的冷却剂的绝缘式导热管式冷却器。

8.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，在所述导热管式冷却器上设置弹簧减震部件。