JP2005348533A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの吸込み側に半導体素子の放熱フィンが配置されるインバータ装置において、冷却風の圧力損失を低減して半導体素子の冷却効率を高める。
【解決手段】箱体１が隔壁７により前方側の前面室８と後方側の背面室９とに区画され、前面室８に電力変換用の半導体素子１０が収容され、背面室９に半導体素子１０に連結された放熱フィン１６が収容されるとともに、その上方に放熱フィン１６よりも高さの大きい冷却ファン１８が設置され、冷却ファン１８により吸引した外気を放熱フィン１６に通流させて半導体素子１０を冷却するインバータ装置において、隔壁７の放熱フィン１６と冷却ファン１８との間を平坦に形成し、放熱フィン１６の先端と箱体１の背面カバー３との間に、放熱フィン１６と冷却ファン１８との高さの差Ｈを埋める絞り板２３を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、インバータ装置に関し、特に半導体素子を冷却するための構造に関する。

商用電源をこれと異なる電圧、周波数の交流電力に変換するインバータ装置は、ＩＧＢＴやダイオードなどの電力変換用の半導体素子（パワー半導体素子）、平滑コンデンサ、変圧器等からなる主回路部、半導体素子をオン・オフ動作させる制御回路部等から構成される。半導体素子は電力変換時の電気的損失により発熱するが、一般に放熱フィンと冷却ファンとからなる冷却装置により除熱され、温度上昇による素子の破壊が防止されている。このような冷却装置を備えたインバータ装置については、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。

図４は、この発明が適用される従来のインバータ装置を示す縦断面図である。図４において、１はインバータ装置の本体を構成する直方体状の箱体で、前面カバー２、背面カバー３、上部カバー４、下部カバー５及び左右両側の側面カバー６からなっている。この箱体１の内部は隔壁７により、前方側（図２の左側）の前面室８と、後方側（同右側）の背面室９とに区画されている。前面室８には複数の半導体素子（ＩＧＢＴやダイオード）１０、制御回路を構成する電気部品１１、端子台１２等が収容されている。電気部品１１等は、冷却ファン１３により下部カバー５の吸気孔１４から吸引され、上部カバー４の排気孔１５から排出される外気の通風により冷却される。

半導体素子１０には、放熱フィン１６が連結されている。放熱フィン１６は、図５に示すように、方形板状のフィンベース１６ａと、フィンベース１６ａに直交するようにカシメ加工やロー付けにより接合された多数のフィン１６ｂとからなり、通常、アルミニウムやアルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料で製作されている。フィン１６ｂは、図６に示すように、格子状に形成されたものもある。

この放熱フィン１６はフィンベース１６ａを介してねじ締めなどにより半導体素子１０に連結され、隔壁７に取り付け支持されて背面室９に収容されている。１７は平滑コンデンサで、隔壁７に設けられた取付穴を通して背面室９に突き出すように設置されている。

背面室９には放熱フィン１６の上方に冷却ファン１８が設置され、下部カバー５及び上部カバー４には、背面室９に通じる吸気孔１９及び排気孔２０がそれぞれ形成されている。半導体素子１０及び平滑コンデンサ１７は、冷却ファン１８により吸気孔１９から放熱フィン１６及び平滑コンデンサ１７を通して吸引され、排気孔２０から排気される外気により冷却される。その場合、半導体素子１０から発生した熱は、熱伝導により放熱フィン１６のフィンベース１６ａ内に拡散した後、フィン１６ｂに伝熱し、その表面から熱伝達により冷却風に放熱される。
特開平９−２３０７９号公報 特開２０００−２３２２８８号公報

放熱フィン１６は一般に高さ寸法（図５及び図６の上下方向の寸法）の増加に伴いフィン効率が低下し、高さ寸法の増加に見合うだけの放熱量の増加が得られなくなる。それは、フィンベース１６ａから薄肉のフィン１６ｂへの伝熱に熱抵抗が存在するため、フィン１６ｂの高さがある程度以上になると先端部分が放熱部としてほとんど機能しなくなるためである。そのため、インバータ装置に用いられる放熱フィン１６の高さは、通常は例えば120mm程度が上限とされている。

一方、半導体素子１０の発熱量が大きいインバータ装置では、冷却に必要な風量を確保するために、図４に示すように、放熱フィン１６よりも高さ寸法の大きい冷却ファン１８が搭載されている。なお、冷却ファン１８は正方形の枠体内にモータ直結の羽根車が組み込み支持され、冷却ファン１８の型格は一般に枠体の一辺の寸法で呼称されている。放熱フィン１６と冷却ファン１８との間に高さの差がある場合、従来は図４に示す通り隔壁７に段差部２１を設け、放熱フィン１６及び冷却ファン１８に通風するダクトとしての背面室９の高さを調整している。

図４において、隔壁７に段差部２１が存在すると、図７に流線を矢印で示す冷却風の風速は、冷却ファン１８の背面カバー３側で高く隔壁７側で低くなる。それは、図７から分かるように、冷却ファン１８から吸い込まれる冷却風は、隔壁７側では段差部２１の分だけ曲がり込まなくてはならないため流体抵抗が増え、それだけ吸込みが悪くなるからである。その結果、放熱フィン１６を通流する冷却風の風速もフィン１６ｂの先端側が高く、ベース１６ａに近い付け根側が低くなり、図７に破線示した部分２２に空気の淀みが生じる。そのため、発熱源である半導体素子１０に近く高温のフィン１６ｂの付け根側が低風速域となり、放熱フィン１６としての放熱効率が低下する。

そこで、この発明の課題は、放熱フィンと冷却ファンとの間に高さの差があるインバータ装置において、放熱フィンの放熱効率を高めることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、隔壁により前方側の前面室と後方側の背面室とに区画された直方体状の箱体を備え、この箱体の前記前面室に電力変換用の半導体素子が収容され、前記背面室に前記半導体素子に連結された放熱フィンが前記隔壁に取り付け支持されて収容されるとともに、前記背面室の前記放熱フィンの上方に前記放熱フィンよりも高さの大きい冷却ファンが設置され、この冷却ファンにより前記背面室の下部から吸引し上部から排出する外気を前記放熱フィンに通流させて前記半導体素子を冷却するインバータ装置において、前記隔壁の前記放熱フィンと冷却ファンとの間を平坦に形成するとともに、前記放熱フィンの先端と前記箱体の背面カバーとの間に、前記放熱フィンと冷却ファンとの高さの差を埋める絞り板を設けるものとする（請求項１）。

請求項１の発明は、隔壁の放熱フィンと冷却ファンとの間を平坦に形成し、放熱フィンのフィン付け根側に隔壁の段差部が生じないようにするものである。そして、放熱フィンの先端と箱体の背面カバーとの間に絞り板を設け、放熱フィンと冷却ファンとの高さの差を埋めるようにする。これにより、放熱フィンのフィン付け根側で冷却風の風速が高くなり放熱効率が向上する。

請求項１の発明において、前記放熱フィンと冷却ファンとの間に、前記放熱フィンのフィンベースと前記隔壁との間の段差部を解消する導風板を設けるとよい（請求項２）。これにより、流速が大きいファン直前でフィンベースの高さ分から生じる流路断面積の急拡大が緩和され、冷却風の圧力損失が減少して冷却効率が一層向上する。

この発明によれば、半導体素子の発熱量が大きいインバータ装置において、冷却に必要な風量を確保するために放熱フィンよりも高さの大きい冷却ファンを搭載した場合にも高い放熱効率が得られ、結果として放熱フィンの小型化や冷却ファンの個数の低減が可能となり、インバータ装置の小型化、低コスト化が図れる。

以下、図１〜図３に基づいて、従来技術に示したインバータ装置にこの発明を適用した場合の実施の形態について説明する。なお、従来例と対応する部分には同一の符号を用いるものとする。

図１は実施例１を示すインバータ装置の縦断面図、図２はその冷却風の流れを説明する図である。図１において、従来例と相違するのは、隔壁７は段差部２４が放熱フィン１６の下側に設けられ、放熱フィン１６と冷却ファン１８との間が平坦に形成されるとともに、放熱フィン１６の先端と箱体１の背面カバー３との間に絞り板２３が設けられている点で、その他の構成は図４の従来例と実質的に同じである。絞り板２３は放熱フィン１６と冷却ファン１８との高さの差Ｈを埋めて、高さＨの空間を冷却風がバイパスすることを防止し、放熱フィン１６を通過する冷却風の風速が上昇させるものである。この絞り板２３は鋼板から山形に折り曲げ形成され、例えば溶接により背面カバー３に固定されている。

実施例１において、冷却ファン１８により放熱フィン１６を通して通風される冷却風の流線は、図２に矢印で示すようになる。図２から分かるように、放熱フィン１６と冷却ファン１８との間で隔壁７が平坦に形成された実施例１においては、冷却ファン１８で冷却風を吸い込む際のフィンベース１６ａ側の流体抵抗が減少し、フィン１６ｂの付け根付近の流速が上昇する。その結果、高温のフィン付け根側が有効に除熱され、放熱フィン１６の放熱効率が向上する。

なお、図１において、フィン１６ｂの先端側は風速が低下するが、フィン１６ｂの先端部分は熱抵抗により放熱量の少ない部分なので風速の低下の影響は小さい。また、隔壁７の段差部２４により放熱フィン１６の下側（上流側）で流体抵抗が生じるが、この部分は絞り板２３により風向が放熱フィン１６に誘導されるので、従来の段差部２１に比べて影響ははるかに小さい。

図３は、実施例２を示すインバータ装置の縦断面図である。実施例１の実施例２との相違は、図３において、放熱フィン１６と冷却ファン１８との間に、フィンベース１６ａと隔壁７との間の段差部ｈを解消する導風板２５が設けられている点である。鋼板から図示断面形状に折り曲げ形成された導風板２５は、フィンベース１６ａのフィン接合面から冷却ファン１８の手前まで緩やかに下降し、段差部ｈによる冷却ファン直後の流路断面積の急拡大を解消している。これにより、段差部ｈによる圧力損失が低減され、冷却風量が増加して冷却効率が向上する。

この発明の実施例１を示すインバータ装置の縦断面図である。 図１における冷却風の流れを説明する図である。 この発明の実施例２を示すインバータ装置の縦断面図である。 従来例を示すインバータ装置の縦断面図である。 図４における放熱フィンの一例を示す正面図である。 図４における放熱フィンの他の例を示す正面図である。 図４における冷却風の流れを説明する図である。

符号の説明

１ 箱体
２ 前面カバー
３ 背面カバー
４ 上部カバー
５ 下部カバー
６ 側面カバー
７ 隔壁
８ 前面室
９ 背面室
１０ 半導体素子
１６ 放熱フィン
１６ａ フィンベース
１６ｂ フィン
１８ 冷却ファン
２３ 絞り板
２５ 導風板

Claims (2)

1. 隔壁により前方側の前面室と後方側の背面室とに区画された直方体状の箱体を備え、この箱体の前記前面室に電力変換用の半導体素子が収容され、前記背面室に前記半導体素子に連結された放熱フィンが前記隔壁に取り付け支持されて収容されるとともに、前記背面室の前記放熱フィンの上方に前記放熱フィンよりも高さの大きい冷却ファンが設置され、この冷却ファンにより前記背面室の下部から吸引し上部から排出する外気を前記放熱フィンに通流させて前記半導体素子を冷却するインバータ装置において、
   前記隔壁の前記放熱フィンと冷却ファンとの間を平坦に形成するとともに、前記放熱フィンの先端と前記箱体の背面カバーとの間に、前記放熱フィンと冷却ファンとの高さの差を埋める絞り板を設けたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記放熱フィンと冷却ファンとの間に、前記放熱フィンのフィンベースと前記隔壁との間の段差部を解消する導風板を設けたことを特徴とする請求項１記載のインバータ装置。
   
   

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