JP2012248801A

JP2012248801A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2012248801A
Application number: JP2011121724A
Authority: JP
Inventors: Koji Hamano; 晃嗣濱埜; Satoshi Ibori; 敏井堀; Tadashi Yamazaki; 正山崎; Masayuki Hirota; 雅之広田; Hiroshi Nakamura; 寛志中村
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: JP5659328B2

Abstract

【課題】冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高い電力変換装置を提供する。
【解決手段】入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の高圧流体を接触させて冷却する流体導入部を設けたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体ポンプを駆動する電力変換器（インバータ）の冷却技術に関する。

電力変換器の従来の冷却技術を図１に示す。電力変換器（インバータ）１は、本体カバー２、本体カバー内に実装される主回路基板３、主回路基板３に重ねて実装される半導体（パワーモジュール）基板４、半導体基板４の裏面に密着して配置された放熱フィン６から構成されている。半導体としてＩＧＢＴやＤＭ（ダイオードモジュール）などで、入力された電力を異なる電力に変換し、変換した電力を例えばポンプ駆動用のモータに供給する。

電力変換の際に半導体で発生する損失による熱は、冷却フィン６に伝熱されて自然空冷、または、冷却フィン６に送風する冷却ファン５によって、強制空冷によって冷却される。また、水冷の場合は、別個に設けた水冷装置７等から、冷却フィン６のベースに設けた流路（図示せず）に冷水を流して冷却することで、半導体の熱破壊を防止している。

上記のように冷却フィン等を用いて冷却する方式は、例えば特許文献１に開示される。特許文献１では、主回路ブロックの裏側に半導体基板のフィンを強制空冷するための冷却ファンブロックが設けられている。

特開２０００―２３２２８８号公報

しかし、自然空冷の場合は冷却フィンの十分な放熱面積を確保するために大きなスペースが必要となり、また、強制空冷の場合は冷却ファンの取り付けスペースや、通風のための冷却フィンと冷却ファンとの間に適当な通風路を確保する必要がある。また水冷の場合は、電力変換器１とは別に冷水を流すためのポンプ等の装置７が必要となり、さらには、冷却フィンに冷水の循環流路を設けるなど、冷水を流すための構造が複雑となる。

いずれにしても、半導体の発熱を冷却するための冷却装置が大きくなってしまうのが現状である。また、その冷却装置も冷却性能が固定されるため、容量の異なる電力変換器の機種ごとに、適合した冷却容量のものが必要となり、多種の冷却装置が必要となっていた。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑み、冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高い電力変換装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、
前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の流体を接触させる流体導入部をポンプ内部に設けたことを特徴とする。

また、上記に記載された電力変換装置において、前記流体導入部はポンプ内の圧力により流体をミストに変換する小孔が設けられ、前記放熱部にミストを接触させるように構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載された電力変換装置において、前記流体導入部は、流体の流量もしくはミストの量を調整して冷却性能を可変できるように構成されたことを特徴とする。

また、上記に記載された電力変換装置において、前記インバータの前記放熱部が前記ポンプ内の羽根車の収納部分に臨むように前記ポンプのケーシングに取り付けられたことを特徴とする。

また、上記に記載された電力変換装置において、前記インバータは前記ポンプのケーシングに弾性部材を介して取り付けられたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却フィンの体積を小さくし、従来の冷却ファンや水冷液の循環機構を省略して、冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高いめることができる。

従来の電力変換器の分解図である。本発明の実施例１の電力変換装置の概略図である。図２の一部の拡大図である。本発明の実施例２の電力変換装置の概略図である。図４の一部の拡大図である。

本発明による電力変換装置について、図２〜図５により実施例を説明する。

図２は、電力変換器（インバータ）とポンプによって構成される電力変換装置の断面と側面の概略図を示す。図２（ｂ）は電力変換装置の側面図で、図２（ａ）は同側面図のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本実施例１の電力変換器（インバータ）１は、図１に示す電力変換器と同様に、本体カバー２、主回路基板３、半導体が装着された半導体基板４を備えている。冷却ファン５はなく、半導体の熱を放熱する冷却フィン６の代わりに、板厚の薄い半導体固定ベース（放熱部）８を用いている。半導体固定ベース８は、放熱面積を広くするためのフィン状の突起（図示せず）が形成されている。半導体固定ベース８は、半導体基板４の半導体に密着して発生熱を吸収するように装着され、本体カバー２の端部に固定される。

インバータ１は、商用交流の入力電力を半導体基板４で異なった交流電力に変換して、外部のポンプ９の駆動モータ（図示せず）に供給する。

図２に示すように、インバータ１は、ポンプ９の羽根車９ｂが収納されるポンプケーシング９ａに取り付けられて、ポンプと一体となった構成をしている。インバータ１は、半導体固定ベース（放熱部）８がポンプケーシング９ａを貫通して内部に入り込み、ポンプ内部を流れる流体（水）に臨むように、ケーシング９ａに取り付けられる。

図２（ｂ）において、インバータ１により駆動モータ（図示せず）を介してプーリ９ｅが回転駆動され、羽根車９ｂが回転する。羽根車９ｂの回転により、吸い込み口９ｃから吸い込まれた水は、圧力が高められて吐き出し口９ｄから吐き出される。

図２（ａ）で破線で囲んだ部分を拡大して図３に示す。１０は、箱体に形成され、前記半導体固定ベース８を覆うように、ポンプケーシング９ａの内面に設けられた流体導入部である。流体導入部１０は、ポンプ内部の高圧の水流の一部を、実線矢印方向に流入させ、流入した水流の一部を、半導体固定ベース８に破線矢印方向に流して半導体固定ベース８に接触させる。流体導入部１０は、高圧の水流の一部を流入、流出させる導入出孔１０ａ、１０ｂを上下に備えている。

１３は、インバータ１をポンプケーシング９ａに固定するＬ字型の取付け金具である。取付け金具１３は、ポンプケーシング９ａにねじ止めされるが、取付け金具１３とポンプケーシング９ａとの間には弾性材１３ａが挿入され、駆動モータおよびポンプの振動がインバータ１に伝わらないようにしている。また、ポンプケーシング９ａを貫通する半導体固定ベース８の側壁と、ポンプケーシング９ａの貫通壁との間には、液密性の弾性材８ａが挿入され、両者を液密にシールすると共に、駆動モータおよびポンプの振動のインバータ１への伝達を防止している。このように弾性材８ａ、１３ａにより、振動からインバータ１を保護して電気的障害が起こらないようにしている。

上記構成において、主回路基板３に入力された電力が半導体基板４に供給され、この半導体基板４で異なる電力に変換される。この電力変換に際し、半導体基板４に装着された半導体が発熱し、その熱が半導体の放熱経路である半導体固定ベース８に伝熱される。半導体固定ベース８に伝わった熱は、ポンプ９の内部でポンプ９（羽根車９ｂの回転）によって高圧となった水と接触して冷却される。

流体導入部１０は、箱体に形成され、その一部に導入出孔１０ａを設けることにより、ポンプ内部の高圧水流のごく一部分を流入、流出させることにより、ポンプ内部の水流に乱れが生じないようにして、ポンプ効率の低下を防止している。ポンプ内部の流体導入部１０に流入した水は、一部インバータの１の冷却に寄与しながら、導入出孔１０ａからポンプ内で流れている水流に合流する。

本実施例は、インバータ１の冷却のために生じるポンプ効率の低下を最小限に抑え、電力変換装置の小型化、放熱効果を高めた実施例である。図４に記載のように、実施例１と同様にインバータ１とポンプ９が一体となった電力変換装置を構成している。

図４（ａ）で破線で囲んだ部分を拡大して図５（ｂ）に示す。１１は、ポンプケーシング９ａの内面に設けられた流体導入部である。この流体導入部１１は、前記半導体固定ベースを覆うように箱体に形成され、ポンプ内の高圧となった水（流体）をミスト（霧）１２に変換する小孔１１ａが設けられている。前記小孔１１ａから発生したミスト１２は、半導体固定ベース８に向けて吹き付けられる。吹き付けられたミスト１２は、最終的に流出孔１１ｂを通じて、ポンプ内の流れている水流に合流する。

前記半導体固定ベース８は、吹き付けられたミスト１２で直接冷やされると共に、半導体固定ベース表面に付着したミスト１２の気化熱によっても冷却され、冷却効率が高まる。また、流体をミスト状にすることで、半導体固定ベース８の隅々までミストが行き渡り、半導体固定ベース８を均等に冷却することが可能となり冷却効率が高まる。さらに、液状の水に比べて流体導入部１１の水の使用量が少ないので、ポンプ内部の流れで乱れを発生させることが少ないので、ポンプ効率の低下を最小限に抑えることが可能となる。

上記した各実施例では、発熱量が異なるインバータの場合でも、同じ冷却装置（流体導入部）で流用が可能である。

すなわち、実施例１においては、図２に記載の流体導入部１０の導入出孔１０ａの大きさを変えることにより、流体導入部１０内への水量を変えて、半導体固定ベース８の冷却能力を変えることが出来る。実施例２においては、流体導入部１１の小孔１１ａの個数を変えることで、流体導入部１１内のミスト１２発生量を変えることができる。

したがって、発熱量の異なるインバータが設置された場合でも、同じ冷却構造で流用が可能となり冷却装置の部品数の削減が図れる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…電力変換器（インバータ）、２…本体カバー、３…主回路基板、４…半導体基板（パワーモジュール）、８…半導体固定ベース（放熱部）、８ａ…弾性部材、９…ポンプ、９ａ…ポンプケーシング、９ｂ…ポンプ羽根車、１０、１１…流体導入部、１１ａ…ミストに変換する子孔、１２…ミスト、１３…取付け金具、１３ａ…弾性部材。

Claims

入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、
前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の流体を接触させる流体導入部をポンプ内部に設けたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置において、
前記流体導入部はポンプ内の圧力により流体をミストに変換する小孔が設けられ、前記放熱部にミストを接触させるように構成されたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載された電力変換装置において、
前記流体導入部は、流体の流量もしくはミストの量を調整して冷却性能を可変できるように構成されたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１から３のいずれかに記載された電力変換装置において、
前記インバータの前記放熱部が前記ポンプ内の羽根車の収納部分に臨むように前記ポンプのケーシングに取り付けられたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１から４のいずれかに記載された電力変換装置において、
前記インバータは前記ポンプのケーシングに弾性部材を介して取り付けられたことを特徴とする電力変換装置。