JP2016058686A - 発熱部品の放熱構造及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部品に比較して大きな放熱器を使用した場合でも、発熱部品の熱を効率的に放熱器に伝導させることができるようにする。【解決手段】パワーモジュール２を、横方向についてパワーモジュール２よりも長い帯状体のヒートパイプ７を介して、放熱器１の前面における所定の範囲の下部に取り付けた。パワーモジュール２の熱は、背面の全面からヒートパイプ７内を横方向に伝導してヒートパイプ７の全体の温度を上昇させた後、ヒートパイプ７の背面の全面から放熱器１の本体１１の前面に伝導し、背面パネル６の背面側で外部に放熱される。【選択図】図３

Description

この発明は、電力変換装置等の電気機器が備えるパワーモジュール等の発熱部品の熱を効率的に放熱するための放熱構造、及びこの放熱構造を備えた電気機器に関する。

太陽光発電システムに用いられる電力変換装置のように屋外に設置される電気機器は、風雨や塵埃の侵入を防ぐべく、密閉構造の筐体の内部に電気部品を収納している。

このため、電気部品のうちで電力供給を受けて発熱する発熱部品による筐体内部の温度上昇を解消するために、外気を導入する強制空冷方式を採用することは難しく、発熱部品の熱を筐体外部に配置された放熱器に伝導させる方式が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。

従来の電気機器では、筐体の外表面の一部を放熱器の外側面で構成し、発熱部品を筐体内部で放熱器の内側面に直接接触させて取り付けたものがある。発熱部品で発生した熱は、放熱器の内側面に伝導し、放熱器の外側面から筐体外部に放熱される。

特開２０１２−１６４８７８号公報

しかし、屋外に設置される電気機器において、強制空冷方式を採用しない場合は、放熱効果を上げるために放熱器を大きくする必要があるが、放熱器を大きくすると、放熱器に比較して発熱部品が極めて小さくなり、放熱器の極めて小さい範囲に発熱部品が接触することになる。このため、発熱部品の熱は、放熱器において発熱部品が接触する部分とその上方の部分との限られた範囲にしか熱を伝導させることができず、放熱器の大きさを十分に活用して放熱することができない問題がある。

この発明の目的は、発熱部品に比較して大きな放熱器を使用した場合でも、発熱部品の熱を効率的に放熱器に伝導させることができる発熱部品の放熱構造及びこの放熱構造を備えた電気機器を提供することにある。

この発明の発熱部品の放熱構造は、放熱器、熱拡散部材を備えている。放熱器は、電力供給を受けて発熱する発熱部品に比較して高さ方向及び幅方向について大きい所定の範囲を有する。熱拡散部材は、放熱器よりも熱伝導率の高い高熱伝導体であって幅方向について発熱部品よりも大きい。発熱部品を、熱拡散部材を介して放熱器における所定の範囲の下部に取り付ける。

放熱器における所定の範囲内の下部に発熱部品を取り付けると、発熱部品で発生した熱は、幅方向について発熱部品よりも大きい熱拡散部材に伝導した後に、放熱器に伝導する。放熱器において、発熱部品が対向する部分とその上方の部分とに限らず、横方向について発熱部品よりも大きい熱拡散部材が接触する部分とその上方の部分とに発熱部品の熱が伝導し、より広い範囲が放熱に活用される。

この構成において、熱拡散部材は、高さ方向について発熱部品以上の大きさにすることが好ましい。発熱部品の熱を全て熱拡散部材に伝導させることができる。

熱拡散部材は、互いに平行な第１面及び第２面を有する平板状を呈し、第１面に発熱部品の背面が対向し、第２面の全面が放熱器に対向するものとすることが好ましい。発熱部品の背面を直接又は熱伝導性を向上させる層を介して熱拡散部材の第１面に面接触させることができ、熱拡散部材の第２面を直接又は熱伝導性を向上させる層を介して放熱器の所定の範囲に面接触させることができる。発熱部品の熱を熱拡散部材に確実に伝導させることができるとともに、熱拡散部材の熱を放熱器に確実に伝導させることができる。

熱拡散部材は、発熱部品の取付用の第１の孔部と、放熱器に対する取付用の第２の孔部と、を備え、第１の孔部及び第２の孔部は、高さ方向について同一の位置に形成することが好ましい。幅方向に沿って熱を伝導させる熱拡散部材において、発熱部品の取付及び放熱器への取付によって損傷を与える範囲を最小にできる。

この発明の電気機器は、上述の発熱部品の放熱構造とともに、筐体、発熱部品、及び発熱部品を除く電気部品を備えている。電気部品は、筐体内で平面視において発熱部品の位置に重複しない位置に配置されている。発熱部品の熱が他の電気部品に与える影響を抑制できる。

電気部品の少なくとも一部を、高さ方向について発熱部品と重複する位置に配置することで、筐体を小型化できる。

筐体は、発熱部品、電気部品及び発熱部品の放熱構造を収納する密閉容器とすることで、屋外に設置される電気機器に適用できる。

この発明によれば、発熱部品に比較して大きな放熱器を使用した場合でも、発熱部品の熱を効率的に放熱器に伝導させることができる。

この発明の実施形態に係る発熱部品の放熱構造が適用される電力変換装置の内部の外観図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、同電力変換装置の側面図及び背面図である。 同電力変換装置の要部の外観図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ熱拡散部材を使用しない場合及び熱拡散部材を使用した場合における同電力変換装置の放熱器の熱伝導状態を示す図である。 この発明の別の実施形態に係る発熱部品の放熱構造を示す図である。

以下に、この発明の実施形態に係る発熱部品の放熱構造を適用した電気機器として電力変換装置について、図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、電力変換装置１０は、図示しない前面パネルを除いた状態で、背面パネル６の一部に放熱器１を備え、放熱器１の前面側にパワーモジュール２、コイル３、コイル４、基板５を配置している。

背面パネル６は、開口部６１及び開口部６２を備えている。開口部６１は、背面パネル６の略中央部に形成されている。開口部６２は、背面パネル６の下部の一隅に形成されている。開口部６２は、電力変換装置１０の内部に外部配線を引き込むための開口であり、使用しないときには図示しない封止板で塞がれている。図示しないコネクタユニットは、周縁部を背面パネル６の前面側における開口部６２の近辺に取り付けられており、コネクタユニットには複数の外線ケーブルが接続される。

放熱器１は、例えばアルミニウムを素材として形成されており、矩形平板状の本体１１の背面に複数の縦方向のフィン１２を互いの間に一定の間隔を設けて背面側に延出させて備えている。本体１１は、開口部６１よりも僅かに大きく形成されており、前面の周縁部を背面パネル６の背面における開口部６１の周囲に密着させて取り付けられている。放熱器１の前面と開口部６１の周囲との間は、例えば防水パッキン等によって密閉性を確保されている。放熱器１の前面における周縁部を除く範囲が、この発明の所定の範囲に相当し、背面パネル６の前面側に露出する。

パワーモジュール２は、電力の供給によって発熱するこの発明の発熱部品であり、放熱器１の前面における下部に取り付けられている。コイル３及びコイル４は、放熱器１の前面の上部に取り付けられている。

基板５は、複数の電気部品を実装している。基板５は、スペーサ５１を介してパワーモジュール２の前面との間に間隔を設けて、背面パネル６に固定される。

一例として、電力変換装置１０は、放熱器１の本体１１の前面が略垂直となるように設置される。この発明の発熱部品は、電力供給によって放熱器１を介して放熱すべき熱を発生することを条件に、パワーモジュール２に限るものではない。

図３に示すように、パワーモジュール２は、この発明の熱拡散部材であるヒートパイプ７を介して放熱器１の本体１１の前面における所定の範囲の下部に取り付けられる。ヒートパイプ７は、横方向についてパワーモジュール２よりも長い帯状体である。ヒートパイプ７の内部には、横方向に連続する空間が上下方向に層状に形成されており、各空間に熱伝導性の高い流体が充填されている。ヒートパイプ７の熱伝動率は、放熱器１の熱伝導率よりも高く、横方向について高温側の熱を低温側に伝導させる。

パワーモジュール２は、背面の全面が対向する状態でこの発明の第１面であるヒートパイプ７の前面に固定される。ヒートパイプ７は、この発明の第２面である背面の全面が対向する状態で放熱器１の本体１１の前面に固定される。パワーモジュール２の背面は、平面に形成されており、帯状体のヒートパイプ７の第１面に面接触させることができる。放熱器１の本体１１の前面は、平面に形成されており、帯状体のヒートパイプ７の第２面が面接触することができる。

パワーモジュール２で発生した熱の殆どが、ヒートパイプ７の第１面からヒートパイプ７内を横方向に伝導し、ヒートパイプ７の全体を温度上昇させた後に、ヒートパイプ７の第２面から放熱器１の本体１１の前面に伝導し、フィン１２によって背面パネル６の背面側に放熱される。また、図２（Ａ）に示すように、基板５はパワーモジュール２と平面視において重複しないように配置されているので、基板５に実装された電気部品はパワーモジュール２で発生した熱による影響を受け難い。また、基板５は高さ方向について一部がパワーモジュール２の位置に重複する状態で配置されているので、電力変換機器１０を小型に構成できる。

ここで、「平面視において重複しない」とは図２（Ａ）の矢印Ｘ方向から見た時に両者が重複しないことを意味し、「高さ方向について重複する」とは図２（Ａ）の矢印Ｙ方向から見た時に両者が重複することを意味する。

なお、コイル３及びコイル４も電力の供給によって発熱するが、コイル３及びコイル４で発生した熱を放熱器１の本体１１の上部に伝導させることで、他の部品（パワーモジュール２や基板５等）への影響を少なくしている。また、この発明の熱拡散部材は、熱伝導率が放熱器１の熱伝導率よりも高いことを条件として、ヒートパイプ７に限るものではない。

放熱器１内では、上方向の熱伝導が支配的であり、横方向に伝導する熱量は上方向に伝導する熱量に比較して少ない。このため、図４（Ａ）に示すように、パワーモジュール２の横方向の長さに比較して十分に広い幅の放熱器１の本体１１の下部にパワーモジュール２を直接固定した場合、本体１１の横方向における広い部分が放熱に寄与せず、パワーモジュール２の熱を十分に放熱できない。

これに対して、図４（Ｂ）に示すように、横方向についてパワーモジュール２よりも長いヒートパイプ７を介してパワーモジュール２を本体１１の下部に固定すると、パワーモジュール２の熱を横方向に拡げた状態で本体１１に伝導させることができる。これによって本体１１の横方向の広い範囲を使ってパワーモジュール２の熱を効率的に放熱できる。また、放熱効率が向上することにより、放熱器１を小さくすることができる。

ヒートパイプ７の高さがパワーモジュール２の高さよりも低い場合には、高さ方向についてパワーモジュール２が背面の一部でのみヒートパイプ７に接触することになる。ヒートパイプ７の高さがパワーモジュール２の高さよりも高い場合には、高さ方向についてヒートパイプ７においてパワーモジュール２の背面が接触しない部分が無駄になる。ヒートパイプ７の高さを、パワーモジュール２の高さに略等しくすることで、パワーモジュール２の熱をヒートパイプ７に最も効率的に伝導させることができる。横方向についてヒートパイプ７の長さを放熱器１の本体１１の長さに等しくすることで、パワーモジュール２の熱をヒートパイプ７を介してより効率的に放熱器１に伝導させることができる。

図５（Ａ）に示すように、放熱器１の本体１１の前面へのパワーモジュール２及びヒートパイプ７の取付に際して、ヒートパイプ７に孔部を形成する場合には、高さ方向についてパワーモジュール２のヒートパイプ７への取付用孔（第１の孔部）とヒートパイプ７の放熱器１への取付用孔（第２の孔部）とを同じ位置とすべきである。

前述のごとく、ヒートパイプ７の内部には、横方向に連続する空間が上下方向に層状に形成されており、各空間に熱伝導性の高い流体が充填されている。このため、ヒートパイプ７に孔部を形成する場合は、その孔部から流体が漏れてしまい、流体が漏れた層については熱伝導の機能が失われる。ここで、パワーモジュール２及びヒートパイプ７をヒートパイプ７を貫通するピン又はネジ等の固定部材を介して放熱器１に固定する場合、ヒートパイプ７における固定部材の貫通位置を高さ方向（上下方向）について一致させておけば、流体の漏れを一部の層のみに限定することができ、ヒートパイプ７において熱伝導に機能しない空間を最小にすることができる。

また、パワーモジュール２とヒートパイプ７との間、及びヒートパイプ７と本体１１との間の一方又は両方に、放熱シート又は放熱グリスによって熱伝導性を向上させる熱伝導向上層２１及び熱伝導向上層７１を形成することもできる。パワーモジュール２の背面は熱伝導向上層２１を介して全面がヒートパイプ１１の第１面に面接触し、ヒートパイプ７の第２面は、熱伝導向上層７１を介して全面が本体１１の前面に面接触する。パワーモジュール２の背面、ヒートパイプ７の第１面及び第２面、並びに本体１１の前面には、微視的には凹凸が存在するが、柔軟性を有する熱伝導向上層２１及び熱伝導向上層７１によって凹凸を解消し、パワーモジュール２、ヒートパイプ７及び本体１１の接触面積を最大にして熱伝導性を向上させることができる。

図５（Ｂ）に示すように、放熱器１の本体１１の板厚が十分に厚い場合、ヒートパイプ７を本体１１の前面から左右側面に連続して接触するように配置することで、ヒートパイプ７から放熱器１により大量の熱を伝導することができる。パワーモジュール２の熱をヒートパイプ７を介して放熱器１からより効率的に放熱できる。

以上の説明では、電力変換装置を例に挙げて説明したが、この発明の発熱部品の放熱構造を他の電気機器に同様に適用することができる。

また、この発明は、本体１１が平板状の放熱器１を略垂直に配置した場合に限らず、幅方向について発熱部品より大きい所定の範囲を備え、発熱部品の熱を主に上方に伝導させる放熱器であれば、所定の範囲が傾斜面、屈曲面又は湾曲面で構成された放熱器にも同様に適用できる。

１０−電力変換装置（電気機器）
１−放熱器
２−パワーモジュール（発熱部品）
５−基板
７−ヒートパイプ（熱拡散部材）

Claims (7)

1. 電力供給を受けて発熱する発熱部品に比較して高さ方向及び幅方向について大きい所定の範囲を有する放熱器と、
   前記放熱器よりも熱伝導率の高い高熱伝導体であって幅方向について前記発熱部品よりも大きい熱拡散部材と、を備え、
   前記発熱部品を、前記熱拡散部材を介して前記放熱器における前記所定の範囲の下部に取り付ける発熱部品の放熱構造。
2. 前記熱拡散部材は、高さ方向について前記発熱部品以上の大きさにされている請求項１に記載の発熱部品の放熱構造。
3. 前記熱拡散部材は、互いに平行な第１面及び第２面を有する平板状を呈し、前記第１面に前記発熱部品の背面が対向し、前記第２面の全面が前記放熱器に対向する請求項１又は２に記載の発熱部品の放熱構造。
4. 前記熱拡散部材は、前記発熱部品の取付用の第１の孔部と、前記放熱器に対する取付用の第２の孔部と、を備え、前記第１の孔部及び前記第２の孔部は、高さ方向について同一の位置に形成した請求項３に記載の発熱部品の放熱構造。
5. 筐体と、
   電力供給を受けて発熱する発熱部品と、
   前記発熱部品を除く電気部品と、
   請求項１乃至４の何れかに記載の発熱部品の放熱構造と、を備え、
   前記筐体内で、前記電気部品を平面視において前記発熱部品の位置に重複しない位置に配置した電気機器。
6. 前記筐体における高さ方向について、前記電気部品の少なくとも一部を前記発熱部品の位置に重複する位置に配置した請求項５に記載の電気機器。
7. 前記筐体は、前記発熱部品、前記電気部品及び前記発熱部品の放熱構造を収納する密閉容器である請求項５又は６に記載の電気機器。

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