JP2005341630A

JP2005341630A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005341630A
Application number: JP2004152823A
Authority: JP
Inventors: Isao Sonoda; 功園田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2005-12-08
Also published as: FR2870667A1; US20050259403A1; FR2870667B1; US7274569B2; DE102005023659A1; DE102005023659B4

Abstract

【課題】電力変換モジュールと制御回路基板を一体の電力変換装置の小型化を図る。
【解決手段】電力変換モジュール１１と、制御回路基板２１と、動作時の発生熱を放散するヒートシンク１２とを備え、電力変換モジュール１１及び制御回路基板２１を収納するケースは、電力変換モジュール１１を収納するモジュールケース１３と、制御回路基板２１を収納する制御回路ケース２３とに分離し、電力変換モジュール１１とヒートシンク１２は、熱的に結合し、放熱フィン１２ａが外部に露出する状態としてモジュールケース１３に収納し、ケースの一方を開口状態とした電力変換モジュール部１０と、制御回路基板２１を制御回路ケース２３に収納し、制御回路ケース２３の一方を開口状態とした制御回路部２０とを構成し、電力変換モジュール部１０と、制御回路部２０とを対向させ、対向部の間に断熱隔壁３０を間挿して結合した構成とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、バッテリ等の直流電源の直流を交流に変換する機能、または交流を直流に変換する機能を備えた交直変換装置や、商用周波交流を異なる周波数の交流に変換するインバータ装置などの電力変換装置に関するものである。

直流を交流に、または交流を直流に変換する交直変換装置や、商用周波交流を異なる周波数の交流に変換するインバータ装置などの電力変換装置は、直流と交流間、または商用周波交流と周波数の異なる交流の間の電力変換する電力変換モジュールと、これを制御する制御回路が組み込まれた制御回路基板とで構成されているが、高性能化、小型化のニーズに対しては、電力変換モジュールと、制御回路基板とを一つのケースに収納して装置の小型化が図られている。
電力変換装置の電力変換モジュールは大きな電流が制御されるので、発生熱による温度上昇が大きく高温になる。また、制御回路を構成する部品には高温に耐えない部品も多く使用されるので、装置としては、制御回路基板が、電力変換モジュールの熱影響を受けないように構成する必要がある。

これらの電力変換装置の電力変換モジュールは、技術の進歩に伴って小型化が進行し、これを使用する装置は小型化のニーズも高くなっており、小型化を実現するために、電力変換モジュールと制御回路基板を一体とした構成となっている。このような構成においては、電力変換モジュールの発生熱が制御回路基板に影響しないように、電力変換モジュールと制御回路基板の間は熱絶縁し、発生した熱は効率よく外部に放出することで小型化が可能となる。

電力変換モジュールの発生熱の制御回路基板への影響を少なくする構成としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。
この構成は、特許文献１の図１に示されているように、電力変換モジュールの外装ケースの片側に放熱フィンを設け、放熱フィンが収納ケースの外部側となるように配置し、放熱フィンの反対側に、間隔を置いて制御回路基板を配置してケースに収納し、電力変換モジュールと制御回路基板の間に断熱隔壁を配置した構成となっている。

このように構成すると、電力変換モジュールの制御回路基板に対する熱影響は、断熱隔壁により熱遮断され、電力変換モジュールと制御回路基板の間隔を大きくしなくても制御回路基板の温度上昇が抑えられ、装置の小型化が実現できるというものである。

特開２０００−０１４１６９号公報

特許文献１に示された電力変換装置では、外装ケース内の電力変換モジュールと制御回路基板の間に断熱隔壁を配置したものであるが、この構成では、輻射熱に対しては熱遮断されるが、断熱隔壁がケース内に収容された状態であり、単なる遮蔽板としての働きである。また収納ケース部からの制御回路基板への熱の侵入も想定され、制御回路基板に対して完全に熱遮断することは困難であり、装置の小型化には限度がある問題点があった。

この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、電力変換モジュールと制御回路基板を一体とし、電力変換モジュールと制御回路の間隔を縮小した電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換モジュールと、この電力変換モジュールを制御する制御回路を構成した制御回路基板と、電力変換モジュールの発生熱を放散するヒートシンクと、電力変換モジュールおよび制御回路基板を収納するケースとを備えた電力変換装置において、ケースは電力変換モジュールを収納するモジュールケースと、制御回路基板を収納する制御回路ケースに分離し、電力変換モジュールとヒートシンクは、熱的に結合し、ヒートシンクの放熱フィンが外部に露出する状態としてモジュールケースに収納し、モジュールケースの一方は開口状態とした電力変換モジュール部と、制御回路基板を制御回路ケースに収納し、制御回路ケースの一方を開口状態とした制御回路部とを構成し、電力変換モジュール部と制御回路部との間に熱遮断する断熱隔壁を間挿して結合した構成である。

この発明によれば、電力変換モジュールと制御回路基板とが熱遮断された構成となり、両者の間隔を狭くしても、電力変換モジュール部の発生熱が制御回路基板に熱影響を与えることがなくなり、電力変換装置が小形に構成できる。

実施の形態１．
図１は実施の形態１の電力変換装置の断面図である。この構成は、収納するケースを、電力変換モジュール１１を収納するモジュールケース１３と、制御回路基板２１を収納する制御回路ケース２３とに分離した構成とし、電力変換モジュール１１を収納した電力変換モジュール部１０は、電力変換モジュール１１を放熱フィン１２ａを備えたヒートシンク１２と結合し、放熱フィン１２ａが外部となり、電力変換モジュール１１がモジュールケース１３内に位置するようにしてモジュールケース１３に収納し、モジュールケース１３の一方は開口状態とし、電力変換モジュール１１を制御する制御回路部２０は、制御回路を構成する部品類が基板に装着された制御回路基板２１を制御回路ケース２３に収納し、端面は蓋２４により封止し、一方は開口状態とし、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０のそれぞれの開口側を対向させて熱絶縁材料で形成された断熱隔壁３０を間挿して結合した構成としている。

このように電力変換装置を電力変換モジュール部１０と制御回路部２０に分割して断熱隔壁３０を間挿して結合した構成にすると、電力変換モジュール１１で発生した熱の大半は、ヒートシンク１２の放熱フィン１２ａから放熱され、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０との間には熱絶縁性の断熱隔壁３０が配置されているので、ケース間の熱伝導がなく、モジュールケース１３内と制御回路ケース２３内は独立した空間となって相互間に対流による熱移動もなく、さらに、制御回路部２０は電力変換モジュール１１から輻射される輻射熱を受けることもなく、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０との間は、断熱隔壁３０によってほぼ完全に熱遮断された状態になっている。
したがって、電力変換モジュール１１と制御回路基板２１との間は、熱影響を考慮した距離を確保する必要がなくなり、間隔を狭くできるので、電力変換装置として小型に構成することができる。

また、断熱隔壁３０の電力変換モジュール側の表面に、アルミ板を貼り付けるとか、アルミ蒸着等により輻射熱の反射率の高い光沢面に加工しておくと、電力変換モジュール１１およびヒートシンク１２内面からの輻射熱の吸収が少なくなり、断熱効果がさらによくなる。

実施の形態２．
実施の形態２の構成を図２に示す。実施の形態２は、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０の間の断熱隔壁を、熱伝導板３１ａと熱絶縁板３１ｂを積層した断熱隔壁３１としたものである。電力変換モジュール部１０と制御回路部２０は実施の形態１の図１の構成と同一であり、詳細説明は省略する。

断熱隔壁３１の熱伝導板３１ａは、例えば熱伝導性の良好なアルミ板とし、熱絶縁板３１ｂは耐熱性がある例えばシリコーン樹脂積層板のような材料が適している。
断熱隔壁３１は、熱伝導板３１ａ側を電力変換モジュール側として間挿している。

このように構成すると、熱伝導板３１ａが電力変換モジュール１１からの輻射熱を受け、モジュールケース１３側に伝導してケース部分から放熱するので、制御回路基板２１への熱影響が少なくなる。

この構成において、熱伝導板３１ａの電力変換モジュール１１に対向する表面を、輻射熱の反射率の高い光沢面に加工しておくと、電力変換モジュール１１およびヒートシンク１２内面からの輻射熱の吸収が少なくなり、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０との断熱効果がよくなる。

実施の形態３．
実施の形態３の構成を図３に示す。実施の形態３は、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０の間に、電力変換モジュール部１０側を例えばアルミ板のような熱伝導性の良好なアルミ板で形成した熱伝導板４１ａとし、制御回路部２０側を熱絶縁板４１ｂとし、熱伝導板４１ａと熱絶縁板４１ｂとの間に、薄いアルミ板を波形に成型したスペーサ４１ｃを間挿して空気層を形成するように構成した断熱隔壁４１を間挿した構成である。電力変換モジュール部１０と制御回路部２０は実施の形態１の図１の構成と同一である。

このように構成すると、熱伝導板４１ａが電力変換モジュール１１からの輻射熱を受け、温度上昇するとスペーサ４１ｃの部分に形成された空気層では空気の対流によっても放熱されるようになり、制御回路部２０側への熱影響をほぼ完全になくすることができる。
空気層部分は、垂直方向になるように配置すると空気層の対流がよくなって冷却効果が高まり、制御回路部２０部分への熱影響がさらに小さくなる。

この構成においても、熱伝導板４１ａの電力変換モジュール１１に対向する表面を、輻射熱の反射率の高い光沢面に加工しておくと、電力変換モジュール１１およびヒートシンク１２内面からの輻射熱の吸収が少なくなり、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０との断熱効果がよくなる。

実施の形態４．
実施の形態４の構成を図４に示す。実施の形態４は、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０の間に、実施の形態２の図２と同様に、電力変換モジュール１１側をアルミ板等の熱伝導板３１ａとし、制御回路基板２１側を熱絶縁板３１ｂとした断熱隔壁３１を配置し、熱伝導板３１ａに、放熱フィンを備えた放熱片５１を接続し、放熱フィンが外部になるように配置したものである。電力変換モジュール部１０と制御回路部２０は実施の形態１の図１の構成と同一である。

このように構成すると、熱伝導板３１ａが電力変換モジュール１１からの輻射熱を受け、熱伝導板３１ａに接続された放熱片５１から外部に放熱されるので、制御回路部２０への熱影響がさらに少なくなる。

この構成においても、熱伝導板３１ａの電力変換モジュール１１に対向する表面を、輻射熱の反射率の高い光沢面に加工しておくと、電力変換モジュール１１およびヒートシンク１２内面からの輻射熱の吸収が少なくなり、電力変換モジュール部１０と制御回路部２０との断熱効果がよくなる。

実施の形態５．
上記実施の形態１〜４は、電力変換モジュール部１０および制御回路部２０はそれぞれモジュールケース１３、および制御回路ケース２３に収納して断熱隔壁を間挿して結合した構成であったが、この実施の形態５は、電力変換モジュール部２０の、電力変換モジュール１１と接合するヒートシンク１２とモジュールケース１３とを良熱伝導材料で一体に構成すると、部品点数が少なくなり、放熱面積も大きくとれるようになり、生産性も向上する効果が得られる。

実施の形態１の電力変換装置の断面図である。実施の形態２の電力変換装置の断面図である。実施の形態３の電力変換装置の断面図である。実施の形態４の電力変換装置の断面図である。

符号の説明

１０電力変換モジュール部、１１電力変換モジュール、１２ヒートシンク、
１３モジュールケース、２０制御回路部、２１制御回路基板、
２３制御回路ケース、２４蓋、３０断熱隔壁、３１断熱隔壁、４１断熱隔壁、
５１放熱片。

Claims

電力変換モジュールと、該電力変換モジュールを制御する制御回路が構成された制御回路基板と、上記電力変換モジュールの発生熱を放熱するヒートシンクと、上記電力変換モジュールおよび上記制御回路基板を収納するケースとを備えた電力変換装置において、上記ケースは、上記電力変換モジュールを収納するモジュールケースと、上記制御回路基板を収納する制御回路ケースとに分離し、上記電力変換モジュールと上記ヒートシンクは熱的に結合し、ヒートシンクの放熱フィンが外部に露出するようにして電力変換モジュール部分を上記モジュールケースに収納し、ケースの一方を開口状態とした電力変換モジュール部と、上記制御回路基板を上記制御回路ケースに収納し、上記制御回路ケースの一方を開口状態とした制御回路部とを構成し、上記電力変換モジュール部と、上記制御回路部とをそれぞれの開口側を対向させ、対向部の間に熱遮断する断熱隔壁を間挿して上記電力変換モジュール部と上記制御回路部とを結合したことを特徴とする電力変換装置。
上記断熱隔壁は、熱絶縁性板状材料により形成したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記断熱隔壁は、良熱伝導性の板状材料で形成した熱伝導板と、熱絶縁性板状材料で形成した熱絶縁板との積層構造とし、上記熱伝導板側を電力変換モジュール側としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記断熱隔壁は、良熱伝導性の板状材料で形成した熱伝導板と、熱絶縁性板状材料で形成した熱絶縁板と、上記熱伝導板と上記熱絶縁板との間に、空隙を形成する薄板を波形に形成した空隙形成部材を間挿して積層した積層構造とし、上記熱伝導板側を上記電力変換モジュール側としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記断熱隔壁の電力変換モジュール側の表面は、熱反射率の高い光沢面に仕上げられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
上記断熱隔壁は、良熱伝導性の板状材料で形成した熱伝導板と、熱絶縁性板状材料で形成した熱絶縁板との積層構造とし、上記熱伝導板側を電力変換モジュール側とし、上記電力変換モジュール側の熱伝導板に放熱フィンを有する放熱片を熱接続し、該放熱片の放熱フィンが上記モジュールケースの外部になるように配置したことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
上記電力変換モジュール側のモジュールケースは、熱伝導性の良好な材料で上記ヒートシンクと一体に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の力変換装置。