CN102569222A - 冷却装置及具备该冷却装置的电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冷却装置及具备该冷却装置的电力转换装置，该冷却装置为电力转换装置的热管方式的冷却装置，其使安装有功率半导体元件的受热构件的温度均匀化，由此实现冷却装置的小型·轻量化。该冷却装置将从安装在受热块表面的功率元件产生的热量通过热管向散热片传递，且利用在散热片间流动的空气的自然对流或强制对流来进行冷却，其中，该冷却装置形成为如下这样的结构，即，下游侧的热管的向散热片侧立起的部分比上游侧配置得密。

Description

冷却装置及具备该冷却装置的电力转换装置
技术领域
本发明涉及冷却装置及具备该冷却装置的电力转换装置。
背景技术
电力转换装置用于控制对电力铁道车辆等车辆进行驱动的电动机，其设置在车辆的地板下等。由于车辆的地板下等的空间有限，因此希望电力转换装置的小型化。而且，伴随着车辆的高速化，而电力转换装置具有的功率半导体元件的发热增大。这样，由于电力转换装置的小型化、高输出化，而功率半导体元件的发热密度增大，对于电力转换装置的冷却装置的性能提高的要求不断升高。作为冷却装置，通常使用在铝块等受热构件的单面安装功率半导体元件，在相反面埋入U字或L字型热管的受热部，且在U字型热管的散热部安装多个散热片进行散热的结构。在此种结构的冷却装置中，为了提高冷却装置的性能，而使安装有元件的受热构件的温度均匀化是有效的。在使空气向散热部流动而进行冷却时，通常越成为下游而空气的温度越高，因此下游侧的受热构件或功率半导体元件的温度有变高的倾向。作为用于使以往的受热构件的温度均匀化的结构，如专利文献1所示，已知有在自然通风式的热管式冷却器中，以下游侧(上侧)的散热片的间隔小于上游侧(下侧)的散热片的间隔的方式设置散热片的结构。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2000-161880号公报
在以往的结构中，存在散热片的间隔宽的上游部分的受热构件的温度变高，而无法充分地实现受热构件的温度上升的均匀化这一课题。为了降低上游侧的受热构件的温度而考虑有增加上游部分的散热片片数的情况，但实际上难以通过散热片片数进行微妙的散热能力的调整，而且，若缩窄散热片的间隔而增加散热片片数，则结果是通风阻力变大，从而存在受热构件的最大温度变高这一课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以降低受热构件的最大温度的方式使受热构件的温度上升均匀化，由此能够充分地对发热元件进行冷却的冷却装置及具备该冷却装置的小型·高输出的电力转换装置。
为了实现所述目的，在本发明的冷却装置中，具有多个功率半导体元件、受热构件、多个热管以及多个散热片，多个功率半导体元件安装在受热构件的一侧，多个热管的受热部安装在受热构件的另一侧，在从热管的受热部立起的散热部安装多个散热片，并使冷却风吹到散热片上，其中，热管的散热部针对受热构件中的每单位面积的根数在冷却风的下游侧比上游侧多。
【发明效果】
基于热管的根数、配置的散热量的调整与基于散热片的片数的变更的散热量的调整相比，通风阻力的增减少，所以能够进行微妙的调整。因此，能够以上游侧的受热构件的温度不上升的方式适当地调整散热量的平衡，因而能够得到受热构件的温度更均匀，且能够充分地对功率半导体元件进行冷却的冷却装置，从而实现具备该冷却装置的小型·高输出的电力转换装置。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的电力转换装置的铅垂剖视图。
图2是本发明的一实施方式的电力转换装置的水平剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式的热管的配置的图。
图4是表示本发明的一实施方式的热管的另一配置的图。
图5是表示将本发明的电力转换装置搭载于铁道车辆的结构的图。
图6是本发明的另一实施方式的电力转换装置的铅垂剖视图。
图7是表示本发明的另一实施方式的热管的配置的图。
图8是表示将本发明的另一实施方式的电力转换装置搭载于铁道车辆的结构的图。
符号说明：
1 热管
2 受热构件
3 功率半导体模块
4 散热片
具体实施方式
以下，使用附图，说明本发明的实施方式。
【实施例1】
图1表示本发明的一实施方式的冷却装置的铅垂方向的剖视图，图2表示水平方向的剖视图。而且，图5表示将本实施方式的电力转换装置搭载于铁道车辆时的结构。本发明的电力转换装置设置在铁道车辆的地板下等，通过改变向驱动车辆的电动机供给的电力的频率，来进行电动机的旋转速度的控制。在图5中，电力转换装置500以悬挂于车身501的状态固定。在图1、图2中，在由铝合金等金属构成的受热构件2的一侧设置有多个包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)或FWD(Free WheelDiode)元件等在内的功率半导体模块3。而且，多个功率半导体模块3构成逆变器。功率半导体模块3隔着润滑脂等构件(未图示)通过螺钉等(未图示)与受热构件2进行固定。受热构件2固定于支承构件5，在受热构件2的功率半导体模块3侧设有IGBT驱动电路等电路部件8。而且，电力转换装置的设有功率半导体模块3的一侧由壳体7密闭。在受热构件2的功率半导体模块3的设置面的相反侧埋入有U字形状的热管1的受热部101，其通过钎焊等与受热构件2热连接。U字形状热管1的两端部分的散热部102从受热构件2立起。在散热部102上设有多个散热片4。在支承构件5的热管1侧设有罩6。在罩6的下侧的面设有开口部9，在上侧的面设有开口部10。从罩6的下侧的开口部9取入的空气因自然对流而如箭头40那样从下方朝向上方流动，从罩6的上侧的开口部10排出。
接着，说明对功率半导体模块3进行冷却的动作。因在功率半导体模块3的内部设置的功率半导体元件进行动作而产生的热量向受热构件2传递，而到达热管1的受热部101。在热管1中封入有制冷剂(纯水、氢氟碳烃等)。在受热部101被加热的制冷剂蒸发而成为气体，向散热部102移动。在散热部102被空气冷却而制冷剂发生冷凝，返回成液体。如图1所示，在散热部102设有10度左右的倾斜，在散热部102冷凝后的制冷剂因重力而返回受热部101。如此，反复进行蒸发、冷凝而使制冷剂移动，由此将受热构件2的热量散发到空气中。
图3表示受热构件2中的热管的形状和配置。如图3所示，各热管以长度方向成为与冷却风的流动方向40大致垂直的方式配置。在受热构件2的上侧的两层设置的热管1的散热部的每一层的根数为10根，相对于此，在受热构件2的下侧的五层设置的热管12的散热部的每一层的根数为6根，比受热构件2的上方的散热部的根数减少。受热构件2的中间部分(从上开始第3～5层)的热管11的散热部的每一层的根数是上侧根数与下侧根数的中间的8根。即，热管的散热部以针对受热构件2中的每单位面积的根数在冷却风的下游侧比上游侧多的方式配置。
另外，在基于自然对流的冷却中，由于在空气的温度变高的自然对流的下游侧，并且在左右配置有模块而难以向两侧散发热量的中央部上侧的功率半导体模块3的附近的温度存在变得最高的倾向，因此形成为使较多的散热部集中在该模块处的结构。
另外，为了使通过该部分的模块的散热片部分的冷却空气的流动发生紊乱来提高冷却效果，而使来自上游的冷却风直接吹到下游侧的热管上。即，在每一层的散热部的根数发生变化的部分处，从空气的入口侧观察时(在冷却风的流动方向上)，以热管的散热部不重合的方式配置热管。而且，通过在受热构件2上设置不具有向散热片4侧的散热部的直管的均热用的热管13，而使容易带有温度分布的受热构件2的相对于冷却风的流动方向的左右方向上具有均热作用，从而避免中央部分成为局部高温的情况。
图4是受热构件2中的热管配置的另一例。在该配置中，容许热管的每一层的根数发生变化的部分中的通风方向的少许重合，而将在受热构件2的上侧的两层设置的U字型的热管1全部形成为相同的长度。在该结构中，能够减少U字型管的种类而提高制作性，并且对于图3的结构能够期待不那么差的冷却性能。
通过形成为以上的结构，能够在基于自然对流进行冷却的上游侧将空气的压力损失抑制成最小限度，且在下游侧能够确保充分的散热量，因此受热构件2的温度上升更均匀，能够减小受热构件2、以及功率半导体模块3的温度上升。需要说明的是，可以与热管的根数对应来减少上游侧的散热片片数，并增多下游侧的散热片片数。通过将散热片片数和热管根数组合，能够使受热构件2的温度上升更均匀。
【实施例2】
图6表示本发明的另一实施方式的冷却装置的铅垂方向的剖视图，图7表示本实施方式的冷却装置的受热构件2中的热管的配置。另外，图8表示将本实施方式中的电力转换装置搭载于铁道车辆时的结构。在图8中，电力转换装置1000固定于车身501。箭头40表示冷却风的流动方向。冷却风由鼓风机50从吸入格栅51吸入，向电力转换装置1000的冷却装置1001供给。在图6、图7中，在受热构件2的一侧(图6中的下侧)设有包括多个IGBT或FWD元件等在内的功率半导体模块3。而且，多个功率半导体模块3构成逆变器。功率半导体模块3隔着润滑脂等构件(未图示)通过螺钉等(未图示)与受热构件2进行固定。受热构件2固定于通道的结构构件18，在受热构件2的功率半导体模块3侧设有IGBT驱动电路等电子部件8。而且，电力转换装置的设有功率半导体模块3的一侧由壳体7密闭。在受热构件2的功率半导体模块3的设置面的相反侧埋入U字形状的热管15的受热部151，其通过钎焊等与受热构件2热连接。散热部152从U字形状热管15的两端立起。在散热部152通过压入等而连接有由铝或铜等金属形成的多个散热片4。散热部152和散热片4设置在通道19的内部。通过吹风机向通道19输送冷却风。箭头40表示冷却风的方向。如图7所示，各热管以长度方向成为与冷却风的流动方向40大致平行的方式配置。下游侧的热管16、17使用受热部161、171的长度比上游侧热管15的受热部151的长度短的结构，且向散热片侧立起的热管的散热部针对受热构件2中的每单位面积的根数在冷却风的下游侧比上游侧多。通过形成为此种结构，在上游侧能够将空气的压力损失抑制成最小限度，且在下游侧能够确保充分的散热量，因此受热构件2的温度上升更均匀，从而能够减小受热构件2、以及功率半导体模块3的温度上升。
如以上说明所示，根据本实施方式，能够使安装有功率半导体元件的受热构件的温度均匀，且将功率半导体元件的温度上升抑制得较小，因此能够使冷却装置小型·轻量化。需要说明的是，可以与热管的根数对应而减少上游侧的散热片片数，并增多下游侧的散热片片数。通过将散热片片数和热管根数组合，能够使受热构件2的温度上升更均匀。

Claims (6)

1.一种冷却装置，其具有多个功率半导体元件、受热构件、多个热管以及多个散热片，所述多个功率半导体元件安装在所述受热构件的一侧，所述多个热管的受热部安装在所述受热构件的另一侧，在从所述热管的受热部立起的散热部安装所述多个散热片，并使冷却风吹到散热片上，所述冷却装置的特征在于，
所述热管的散热部针对所述受热构件中的每单位面积的根数配置成在冷却风的下游侧比上游侧多。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
由自然对流产生的冷却风吹到所述散热片上，
所述热管以长度方向成为与冷却风的流动方向大致垂直的方式分成多层配置，
在长度方向上的热管根数不同的层之间，在冷却风的流动方向上所述散热部不重合位置配置所述热管。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，
不具有所述散热部的直管状的热管埋入所述受热构件。
4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，
通过鼓风机产生的冷却风吹到所述散热片上，
所述热管以长度方向成为与冷却风的流动方向大致平行的方式配置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷却装置，其特征在于，
在冷却风的上游侧的所述散热部安装的散热片的片数比在下游侧的所述散热部安装的散热片的片数少。
6.一种电力转换装置，其具备权利要求1至5中任一项所述的冷却装置。
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