CN108022892B

CN108022892B - 功率转换装置

Info

Publication number: CN108022892B
Application number: CN201711025815.5A
Authority: CN
Inventors: 林亮兵; 古屋豪规; 安东耕平
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: JP2018074867A; DE102017218606A1; CN108022892A; US20180132388A1; US10440864B2; JP6279054B1

Abstract

本发明获得能提高散热性的功率转换装置(1)。功率转换装置(1)包括：使用半导体开关元件将直流电流转换为交流电流的功率转换电路部(2)；载置该功率转换电路部(2)、并具有使冷却介质通过的第一通路(31)的散热器(3)；以及收纳功率转换电路部(2)、在与散热器(3)之间密封功率转换电路部(2)、并具有使冷却介质通过的第二通路(41)的壳体(4)，第一通路(31)和第二通路(41)在散热器(3)与壳体(4)的接合面上相连接来构成冷却通路(5)。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明涉及具备散热结构的功率转换装置。

背景技术

以往，在功率转换装置中，主要以对成为发热器件的半导体开关元件等进行冷却为目的而设置有散热器。然而，虽然收纳在壳体内的发热器件从与散热器的接触面进行散热，但在不与散热器相接触的部分中，温度因功率转换装置的动作而上升，并产生从该升温了的部分向壳体内部进行的散热，壳体内部的温度因散出的热量而上升。

作为现有技术，公开了如下功率转换装置，即：利用设置于壳体的风冷式的散热结构，将从发热器件释放到壳体内部的热量散热至壳体外，来抑制壳体内部的温度上升(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开2016-146438号公报

专利文献1所公开的功率转换装置中，利用设置于壳体的风冷式的散热结构从而散热至壳体外部的大气中。因此，在功率转换装置的环境温度、即功率转换装置周围的空气的温度比壳体内部的温度要高的情况下，存在无法从壳体的内部向外部进行散热的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种具备散热结构的功率转换装置，该散热结构能抑制壳体内部的温度因来自收纳在壳体内部的发热器件的散热而上升的情况，而与环境温度无关。

本发明所涉及的功率转换装置的特征在于，包括：功率转换电路部，该功率转换电路部使用半导体开关元件将直流电流转换为交流电流；散热器，该散热器载置所述功率转换电路部，并具有使冷却介质通过的第一通路；以及壳体，该壳体收纳所述功率转换电路部，在与所述散热器之间对所述功率转换电路部进行密封，并具有使冷却介质通过的第二通路，所述第一通路和所述第二通路在所述散热器与所述壳体的接合面相连接来构成冷却通路。

根据本发明的功率转换装置，在收纳发热器件即功率转换电路部的壳体中设置与设置于散热器的使冷却介质通过的第一通路相连的第二通路，因此在散热器冷却的同时也能进行壳体的冷却，即使在高温环境下，也能抑制壳体内部的温度上升。

本发明的上述以及其他目的、特征、方面以及优点将结合附图从以下对本发明的详细描述中变得更加显而易见。

附图说明

图1是本发明实施方式1的功率转换装置的分解立体图。

图2是本发明实施方式1的功率转换装置的俯视图。

图3是图1的A-A线剖视图。

图4是本发明实施方式2的功率转换装置的散热器的俯视图。

图5是本发明实施方式2的功率转换装置的剖视图。

图6是本发明实施方式3的功率转换装置的散热器的俯视图。

图7是本发明实施方式3的功率转换装置的剖视图。

图8是本发明实施方式4的功率转换装置的分解立体图。

图9是本发明实施方式4的功率转换装置的俯视图。

图10是图9的D-D线剖视图。

图11是图9的E-E线剖视图。

图12是本发明实施方式5的功率转换装置的散热器的俯视图。

图13是本发明实施方式5的功率转换装置的剖视图。

图14是本发明实施方式6的功率转换装置的散热器的俯视图。

图15是本发明实施方式6的功率转换装置的剖视图。

具体实施方式

实施方式1.

使用图1至图3，对本发明实施方式1的功率转换装置1进行说明。图1是功率转换装置1的分解立体图，图2是功率转换装置1的俯视图。此外，图3是图2的A-A线剖视图，是示出成为设置在构成功率转换装置1的散热器3及壳体4的内部的冷却介质的通路的连续的冷却通路5的图。

该功率转换装置1例如构成为具备使用半导体开关元件将直流电流转换成交流电流的作为发热器件的功率转换电路部2，为了对来自该发热器件的热进行散热，具有不仅将用于使冷却水等冷却介质通过的冷却通路5设置在散热器3侧、还设置在壳体4侧的散热结构。

如图1、图2所示，功率转换装置1包括：具备逆变器电路等的功率转换电路部2；载置该功率转换电路部2的散热器3；以及具有在与散热器3之间密封功率转换电路部2并对功率转换电路部2进行收纳的壳体收纳部42的壳体4。

散热器3中，例如为了使冷却介质通过，而设置有从散热器3的基部向外部突出的连接部30。该连接部30中开设有冷却通路端部3a，该冷却通路端部3a成为贯通散热器3的、用于使冷却介质流入或流出的第一通路31的一个端部。贯通散热器3的第一通路31的另一个端部成为在与壳体4相接合的上表面侧(与载置有功率转换电路部2的面相同)开口的开口部3b。

壳体4中设置有与散热器3的第一通路31相连接、并与第一通路31共同构成连续的冷却通路5的第二通路41。

如上所述，冷却通路5的一个端部是在连接部30开口的冷却通路端部3a，如图2所示，在功率转换装置1的上表面侧开设有成为冷却通路5的另一个端部的冷却通路端部4b。

此处，散热器3例如可以由铝等构成，但也可以由铜等热传导性较好的金属来构成。

此外，壳体4例如可以由铝等构成，但也可以由热传导性较好的金属或树脂来构成。在用金属制作壳体4的情况下，从生产性的观点出发，优选为可以使用能进行压铸加工的热传导性较高的金属，并用铝合金、锌合金等熔点较低的材料来构成。若壳体4的材料是热传导性较高的材质，则也可以使用能进行模塑加工的树脂材料，而不限于金属。

如图3所示，贯通散热器3的第一通路31的与壳体4接合的接合面侧的开口部3b和贯通壳体4的第二通路41的与散热器3接合的接合面侧的开口部4a相连结，得到由第一通路31和第二通路41构成的连续的冷却通路5。该冷却通路5的一个端部设置于散热器3，另一个端部设置于壳体4。

此处，例如，作为通过冷却通路5的冷却介质，能使用冷却水，冷却通路5成为通水部。作为冷却水，可以使用LLC(长寿防冻液)，然而也可以采用油冷，也可以使用ATF(自动传输流体)等。

此外，作为冷却介质，不仅可以使用液体，也可以使用气体即冷却气体等。

通过使用图3所示的冷却通路5，能使用于散热器3的冷却的冷却水也循环至壳体4侧，从而能主动地冷却壳体4。由此，即使在成为高温氛围的环境下，也能使用冷却水来抑制壳体4的内部的温度上升。因此，根据本实施方式1，能确保高温环境下的功率转换装置1的稳定的动作状态。

另外，在本实施方式1中，例如将冷却通路5的散热器3侧的冷却通路端部3a设为通水路径入口，将壳体4侧的冷却通路端部4b设为通水路径出口，然而，当然也可以将冷却介质的输入输出口设为反方向来进行利用。

此外，在具备本结构的冷却通路5的散热结构中，通过使用调温后的水来作为冷却介质，从而抑制了壳体收纳部42的温度上升，并且也能进行将功率转换装置1的温度保持为规定的温度等的调整。

另外，图2及图3中所示的冷却通路5的第一通路31、第二通路41分别由在一个方向上贯通散热器3、壳体4的大致直线状的空洞部构成，然而，例如，也可以使通路弯曲或蜿蜒来将通路的形状变形为获取流路长度的形状。

此外，上述示例中，示出了在1个功率转换装置1内设置有1条冷却通路5的情况，然而也可以在同一装置内并行配置多条冷却通路5等来进行变形，以在装置内设置独立的多条冷却通路。

此外，图2及图3的示例中，示出了第一通路31比第二通路41的通路的截面积要大的情况，然而并不限于此，当然也可以根据所需的散热性能，适当调整通路的截面积来进行设置。

实施方式2.

接着，使用图4及图5，对本发明实施方式2的功率转换装置1进行说明。在上述实施方式1的结构的基础上，实施方式2所涉及的功率转换装置1以在散热器3与壳体4的接合中使用了密封件为特征。

图4是散热器3的俯视图，散热器3的上表面是与壳体4的接合面。如图4所示，在壳体4的壳体收纳部42的周围设置有电路部密封件61a，在散热器3的开口部3b的周围设置有冷却通路部密封件61b，电路部密封件61a与冷却通路部密封件61b由连接两者的密封件连接部61c连接从而一体化。此处，将上述一体化后的密封件称为一体型密封件61。

图5中示出相当于图4的B-B截面的功率转换装置1的剖视图，示出成为一体型密封件61的各结构要素的电路部密封件61a、冷却通路部密封件61b以及密封件连接部61c的设置部位。

如图5所示，通过在壳体4与散热器3之间设置一体型密封件61，利用冷却通路部密封件61b确保第一通路31与第二通路41的连接部的水密性并连接两条通路，并且利用电路部密封件61a确保壳体4与散热器3之间的防水、防尘性并对配置在壳体收纳部42内的功率转换电路部2进行密封，从而能保护电路部不受外部的水、异物的影响。由此，能使该功率转换装置1在高温环境下稳定地动作。

根据本实施方式2，密封功率转换电路部2的电路部密封件61a、与连接第一通路31及第二通路41的冷却通路部密封件61b形成互相独立的密封区域。由此，能分别独立地进行以下动作，即：利用电路部密封件61a保护壳体4的壳体收纳部42的内部不受外来物的影响、以及利用冷却通路部密封件61b确保冷却通路5的水密性。

由于将1个一体型密封件61配置在散热器3与壳体4之间即可，因此能得到组装性优异的功率转换装置1。

另外，对于一体型密封件61，例如可以使用由橡胶制作而成的密封件，此外，也可以由金属衬垫或由金属与橡胶的复合材料构成的密封层等来构成。

此处，在一体型密封件61使用O型圈那样的密封件的情况下，例如，在壳体4的接合面侧或散热器3的接合面侧的密封件配置部位设置凹部来进行配置。另一方面，在一体型密封件61是金属衬垫等的情况下，能够将平整表面彼此合在一起来构成密封部。

实施方式3.

接着，使用图6及图7，对本发明实施方式3的功率转换装置1进行说明。上述实施方式2中，对一体型密封件61进行了说明，然而在本实施方式3中，如图6的散热器3的俯视图所示，使用使对收纳于壳体收纳部42的功率转换电路部2进行密封的电路部密封件62a、与对冷却通路5进行密封的冷却通路部密封件62b相互隔开来形成独立的密封区域的分离型密封件62。

图7中示出相当于图6的C-C截面的功率转换装置1的剖视图，示出成为分离型密封件62的各结构要素的电路部密封件62a、以及冷却通路部密封件62b的设置部位。

如图7所示，通过在壳体4与散热器3之间配置构成分离型密封件62的电路部密封件62a与冷却通路部密封件62b，与实施方式2的情况相同地，利用冷却通路部密封件62b确保第一通路31与第二通路41的连接部的水密性，并且利用电路部密封件62a确保壳体4与散热器3之间的防水、防尘性并对配置在壳体收纳部42内的功率转换电路部2进行密封，从而能保护不受外部的水、异物的影响。

此外，根据本实施方式3，由于成为确保冷却通路5的水密性的冷却通路部密封件62b、与保护壳体4的壳体收纳部42的内部不受外来物的影响的电路部密封件62a互相隔开、且密封区域独立的分离型的结构，因此能针对每个密封件选择不同的材质、能独立地进行器件更换等。

因此，即使在例如分离型密封件62的冷却通路部密封件62b产生问题，并产生了冷却水的泄漏的情况下，也能利用电路部密封件62a防止向壳体收纳部42内部的漏水，并能确保功率转换装置1的可靠性。

另外，关于分离型密封件62的材质，可以使用与上述一体型密封件相同的材质。

实施方式4.

上述实施方式1至3中，将成为使冷却水通过的冷却通路5的一个端部的入口(或者出口)设置于散热器3，将成为冷却通路5的另一个端部的出口(或入口)设置于壳体4，然而也可以通过在散热器3与壳体4之间设置多个冷却通路5的连接部来构成使冷却水进行U形转弯的流路，从而使出入口(两个端部)汇集于散热器3或壳体4。

本实施方式4中，使用图8至图11，对使冷却通路5的两个端部汇集于散热器3、并使冷却通路5的一部分也通过壳体4侧的功率转换装置1进行例示、说明。

图8是实施方式4所涉及的功率转换装置1的分解立体图。如该图8所示，在散热器3侧设置有成为冷却通路的一端侧的第一连接部30a、与成为冷却通路的另一端侧的第二连接部30b，与壳体4侧的冷却通路相连接的散热器侧第一开口部32a、散热器侧第二开口部32b开设在散热器3的与壳体4接合的接合面上。

此处，第一连接部30a中设置有成为冷却介质的入口(或出口)的冷却通路端部3a，例如，经由散热器3内的冷却通路5即第一通路33a与散热器侧第一开口部32a相连接。此外，第二连接部30b中设置有成为冷却介质的出口(或入口)的冷却通路端部3aa，例如，经由散热器3内的其他冷却通路与散热器侧第二开口部32b相连接。

图9是图8的功率转换装置1的俯视图，示出了以下情况，即：在散热器3内设置有平行地沿载置有功率转换电路部2的面延伸的、两根并行配置的第一通路33a、33b，并在壳体4内设置有U字形第二通路46。散热器3内的第一通路33a、33b作为冷却介质的去路(或回路)、回路(或去路)而设置。

即，散热器3侧的第一通路33a经由散热器侧第一开口部32a连接至壳体4的在与散热器3接合的接合面上具有多个开口部的U字形第二通路46的一个开口部。散热器3侧的第一通路33b经由散热器侧第二开口部32b连接至U字形第二通路46的另一个开口部。

图10是图9的D-D线剖视图。在上述实施方式1至3中，壳体4侧的第二通路41以贯通了壳体4的厚度方向(从与散热器3的接合面到上表面的厚度的方向)的状态来设置，然而设置于本实施方式4的壳体4的U字形第二通路46的两端部在同一面(与散热器3的接合面)开口，且流路呈U形转弯的形状。因此，该U字形第二通路46没有贯通到壳体4的上表面侧。如图10所例示的那样，U字形第二通路46的一个端部即壳体侧第一开口部45a与散热器3侧的第一通路33a的散热器侧第一开口部32a相连接。

图11是图9的E-E线剖视图。对于U字形第二通路46，以朝向与散热器3接合的接合面的方式向下对壳体侧第一开口部45a、壳体侧第二开口部45b进行开口，并转弯成U字形来进行设置，以使得壳体4内部的冷却介质路径获取得较长。

另外，图9及图10的示例中，示出了散热器3侧的第一通路33a与33b构成为直线状地延伸的情况，然而可以使各通路变形为蜿蜒、弯曲的形状来进行使用，并能适当调整通路的截面积来进行使用。

如上所述，本实施方式4所涉及的功率转换装置1的第一通路33a、33b设置有冷却通路，以经由U字形第二通路46连续。设置于壳体4侧的U字形第二通路46构成为其截面形状形成为U字形状，从在散热器3与壳体4的接合面开口的壳体侧第一开口部45a或壳体侧第二开口部45b导入冷却介质，并从壳体侧第二开口部45b或壳体侧第一开口部45a排出冷却介质。散热器3中设置有两根第一通路33a、33b，并分别连接至位于与壳体4接合的接合面部的壳体侧第一开口部45a、壳体侧第二开口部45b，并且冷却通路的两个端部设置于散热器3。由此，能采用使冷却介质的输入输出口汇集在散热器3侧的结构。

此外，也能使冷却介质的输入输出口汇集在壳体4侧，该情况下，包括并行地贯通壳体4的两根第二通路、以及设置在散热器3内且冷却通路的两端在与壳体4接合的接合面上开口的U字形的第一通路，并成为U字形的第一通路的一端与一个第二通路相连接、U字形的第一通路的另一端与另一个第二通路相连接的状态。

由此，通过在散热器3与壳体4之间设置多个通水路径连接部，从而能构成使冷却介质从散热器3侧的冷却通路端部3a(入口)经由散热器3的内部(包含发热器件正下方的部分)通过壳体4，之后再次通过散热器3的冷却通路端部3aa(出口)的路径较为复杂的冷却通路。

实施方式5.

上述实施方式1至4的功率转换装置1中，使冷却介质通过散热器3及壳体4的冷却通路是连续的，是跟随1条路径的结构。然而，可以采用在散热器3或壳体4的内部使1根冷却通路分岔为多根的形状，或者在反过来观察制冷剂的流动的情况下，也可以采用使多根冷却通路合流为1根的形状。

本实施方式5中，使用图12及图13，对具有冷却通路的分岔结构的功率转换装置1的示例进行说明。

图12是实施方式5所涉及的功率转换装置1的散热器3的俯视图，在散热器3侧设置有成为冷却通路的一个端侧的连接部30，与壳体4侧的冷却通路相连接的散热器侧第一开口部36a、散热器侧第二开口部36b在散热器3的与壳体4接合的接合面开口。在散热器3内，与冷却通路端部3a相连的1根冷却通路在分岔部35处分岔为第一通路35a、35b这两根，第一通路35a、35b分别连接至在与壳体4接合的接合面开口的散热器侧第一开口部36a、散热器侧第二开口部36b。

接着，图13中示出相当于图12的F-F截面的功率转换装置1的剖视图，并对壳体4侧的多根冷却通路的合流进行说明。如图13所示，散热器侧第一开口部36a与壳体4侧的第二通路48a相连接，散热器侧第二开口部36b与壳体4侧的第二通路48b相连接。在壳体4内，与第一开口部47a相连的第二通路48a、以及与第二开口部47b相连的第二通路48b并行延伸，但在合流部48处汇集，该路径成为1根，并与在壳体4的上表面侧开口的冷却通路端部4b相连。

由此，通过采用冷却通路的分岔、合流结构，从而也能设为获取想要使散热效率提高的部分的流路长度的结构。

另外，图12及图13的示例中，示出了设置于散热器3或壳体4的制冷剂输入输出口分别为一个、且在流路的中途分岔为两根的形状的冷却通路，然而也可以使路径分岔为3根、4根等更多根。

此外，上述示例中，示出了使分岔为2根的冷却通路合流为1根并连接至外部的情况，然而也可以采用不使多根流路合流而直接以分岔的状态连接至外部的方式。

实施方式6.

在上述实施方式1至5的功率转换装置1中，具有在载置有功率转换电路部2的区域中散热器3的升温较为显著的趋势。由此，为了提高散热性，优选在散热器3的功率转换电路部2的正下方区域中提高散热性。因此，本实施方式6中，使用图14及图15，对散热器3的功率转换电路部2的正下方区域等升温较为显著的区域中的提高散热性的变形例进行说明。

图14是用于本实施方式6的功率转换装置1的散热器3的俯视图。该散热器3具备从冷却介质流过的第一通路31的载置有功率转换电路部2的一侧的壁面部向通路内突出的翅片7。

如图15中相当于图14的G-G截面的功率转换装置1的剖视图所示，该翅片7呈沿冷却介质的流动延伸的形状，并形成为不妨碍冷却介质的流动的形状。

通过将该翅片7设置于功率转换装置1的散热器3侧的冷却通路，使其从接近功率转换电路部2一侧的壁面(内壁上表面)向通路的下侧突出，从而即使在液体的冷却介质处于没有充满至第一通路31的上表面的状态下，也能确保翅片7与冷却介质的接触面积，并能提高散热性。

像本实施方式6的功率转换装置1那样，采用在位于发热较大的开关元件的下部的散热器3的冷却通路中设置翅片7、而不在冷却通路的其他部分(升温不显著的部分)设置翅片7的结构，从而能降低设备整体的压力损耗。

另外，在着眼于壳体4的散热结构的情况下，第二通路41中，在接近功率转换电路部2一侧的内壁部中升温最显著。因此，通过采用在第二通路41的接近发热器件一侧的内壁部中限定性地设置翅片的结构，从而能抑制设备整体的压力损耗，并能进一步提高壳体4侧的散热性。

另外，本发明在其发明的范围内，可将各实施方式自由地进行组合，或将各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

功率转换电路部，该功率转换电路部使用半导体开关元件将直流电流转换为交流电流；

散热器，该散热器载置所述功率转换电路部，并具有使冷却介质通过的第一通路；以及

壳体，该壳体收纳所述功率转换电路部，在与所述散热器之间对所述功率转换电路部进行密封，并具有使冷却介质通过的第二通路，

所述第一通路和所述第二通路在所述散热器与所述壳体的接合面上相连接来构成冷却通路，

所述功率转换电路部在所述散热器与所述壳体之间经由密封件被密封，

所述第一通路与所述第二通路在所述散热器与所述壳体的所述接合面处经由密封件相连接，

密封所述功率转换电路部的所述密封件与连接所述第一、第二通路的所述密封件形成互相独立的密封区域，并设置为一体。

2.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

密封所述功率转换电路部的所述密封件与连接所述第一、第二通路的所述密封件互相隔开，形成独立的密封区域。

3.如权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，

由所述第一通路与所述第二通路构成的所述冷却通路以成为连续的方式进行设置，所述冷却通路的一个端部设置于所述散热器，另一个端部设置于所述壳体。

4.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

由所述第一通路与所述第二通路构成的所述冷却通路以成为连续的方式进行设置，设置于所述壳体的所述第二通路形成为U字形状，从在所述接合面开口的第一、第二开口部的一方导入冷却介质，并从另一方排出冷却介质，在所述散热器中设置有两根所述第一通路，并与所述第一、第二开口部分别相连接，并且所述冷却通路的两个端部设置于所述散热器。

5.一种功率转换装置，其特征在于，包括：

由所述第一通路与所述第二通路构成的所述冷却通路以成为连续的方式进行设置，设置于所述散热器的所述第一通路形成为U字形状，从在所述接合面开口的第一、第二开口部的一方导入冷却介质，并从另一方排出冷却介质，在所述壳体中设置有两根所述第二通路，并与所述第一、第二开口部分别相连接，并且所述冷却通路的两个端部设置于所述壳体。

6.如权利要求4或5所述的功率转换装置，其特征在于，

所述功率转换电路部在所述散热器与所述壳体之间经由密封件被密封。

7.如权利要求4或5所述的功率转换装置，其特征在于，

所述第一通路与所述第二通路在所述散热器与所述壳体的所述接合面处经由密封件相连接。

8.如权利要求1、2、4、5的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

由所述第一通路与所述第二通路构成的所述冷却通路具有在中途分岔的结构。

9.如权利要求8所述的功率转换装置，其特征在于，

分岔后的所述冷却通路具有在所述散热器或所述壳体处合流的结构。

10.如权利要求1、2、4、5的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述散热器具备翅片，该翅片从载置有所述功率转换电路部一侧的所述第一通路的壁面部向通路内突出。

11.如权利要求1、2、4、5的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述冷却介质是液体。