JP4402602B2

JP4402602B2 - キャパシタの冷却構造及び電力変換装置

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Publication number: JP4402602B2
Application number: JP2005019392A
Authority: JP
Inventors: 光一八幡; 晴喜浜田; 賢市郎中嶋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2006210561A

Description

本発明は、電力変換装置用平滑キャパシタの冷却構造及び電力変換装置に関する。

電力変換装置の電圧平滑用として使用されるキャパシタには、インバータの出力電流に比例してリップル電流が流れる。キャパシタ内部では、このリップル電流に応じて損失が発生し、その値は、キャパシタリップル電流をＩ、キャパシタの等価直列抵抗値をＲとすると、Ｉ^２Ｒにより求められる。一般に、キャパシタ容量に反比例して抵抗値Ｒは増加するため、小型のキャパシタであるほど、発生する損失も大きくなる。

一般の電力変換装置の場合、キャパシタ内部で発生した熱は、キャパシタ素子→キャパシタケース→スリーブ→キャパシタ固定台→電力変換装置ケースへと放熱される。放熱効率を上げるためにはキャパシタ固定台を金属にし、さらに厚くするなどの改善が必要であった。また、キャパシタを複数搭載する場合、中心部に位置するキャパシタの温度が上昇するといった問題があった。

そこでこの問題を解決するため、特許文献１には、キャパシタケースにフィンを設け、キャパシタ内部で発生する熱を効果的に放熱する構造が提案されている。

特開２００２−１５９５０号公報（全体）

しかし、この構造では、キャパシタ内部の熱を効率よくキャパシタ外部へ放熱することはできるが、電力変換装置内部空間へ放熱することになるため、電力変換装置の内部温度上昇を招き、最終的には、またキャパシタの温度を上昇させてしまう。また、キャパシタの絶縁を考慮していないため、数十［Ｖ］以上の高電圧電力変換装置への用途には使用できない問題がある。

本発明の目的は、電力変換装置に使用されるキャパシタを、比較的小型の構造で効果的に冷却できるキャパシタの冷却構造を提供することである。

本発明の他の目的は、電力変換装置のキャパシタ、電子部品、及び／又は半導体モジュールを効果的に冷却して小型化でき、小型化した電力変換装置を提供することである。

本発明の望ましい一実施態様においては、横倒しのキャパシタを中心部に開口部を有する絶縁板（絶縁体）で支持する。次に、絶縁板の開口部を放熱シートで塞ぎ、絶縁板と放熱シートの下方から、放熱シートを圧縮する凸部を有するヒートシンクを当てがって固定する。

ここで、好ましくは、放熱シートの端部に絶縁板との重なりを設ける。

また、本発明の望ましい他の実施態様においては、ヒートシンクの反キャパシタ側に、電力変換装置の電子部品を搭載し、キャパシタの下方に半導体モジュールを搭載したケース９を備える。

本発明の望ましい実施態様によれば、キャパシタに高放熱構造を提供することが可能となり、キャパシタを小型化することができる。

また、本発明の望ましい他の実施態様によれば、電力変換装置のキャパシタ、電子部品、及び／又は半導体モジュールを効果的に冷却でき、電力変換装置を小型化することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の説明の中で明らかにする。

実施例１：
以下、図１及び図２を用いて、本発明の実施例１によるキャパシタの冷却構造について説明する。

図１は本発明の実施例１による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図であり、図２はその分解組立図である。図において、１は金属ケース剥き出しの偏平型のアルミ電解キャパシタであり、以後略してキャパシタと呼ぶ。キャパシタ１は、横倒し状態で、絶縁板２に支持されている。この絶縁板２は、硬度の高い樹脂材が用いられ、キャパシタ１の荷重を支えるとともに、その中央部、すなわちキャパシタ１の底面部には、開口部２０１を設けている。この開口部２０１を塞ぐように、放熱シート３挟み、その下方からヒートシンク４をあてがい、固定具５とボルト６１，６２で締結する。放熱シート３は、硬度はなく柔軟であるが、絶縁性、熱伝導率の高い素材を用いている。ヒートシンク４は、放熱シート３に当接する部分に凸部４０１を備えており、ボルト６１，６２で締結した図１の状態では、放熱シート３は圧縮されている。ヒートシンク４は、図示しない近辺に冷却水を流すことにより、キャパシタ１の熱を外部へ逃がす役目をしている。

ここで、キャパシタで発生した熱は、キャパシタ素子→放熱シート→ヒートシンクへと効果的に放熱される。

この実施例１によれば、キャパシタ１の底面に熱伝導率の高い放熱シート３を用い、この放熱シート３を、絶縁板２の開口部２０１とヒートシンク４の凸部４０１とにより圧縮し、キャパシタ１からヒートシンク４までの熱伝導率を十分に低減することができる。したがって、キャパシタ１は、効果的に冷却され、その熱は、ヒートシンク４の冷却水等の冷媒を通して外部へ放散させることができる。

また、スリーブのない金属ケース剥き出しのアルミ電解キャパシタ１を、そのまま放熱シート３に圧接したことにより、さらにその効果的な冷却が期待できる。

なお、この実施例１では、キャパシタ１にアルミ電解タイプを用いているが、フィルムやセラミックなどの他キャパシタにも適用可能である。

また、キャパシタ以外の電子部品、抵抗、インダクタ、トランス等にも適用可能である。

実施例２：
次に、図３及び図４を用いて、本発明の実施例２について説明する。

図３は本発明の実施例２による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図であり、図４はその分解組立図である。図において、図１及び図２の実施例１と同一機能部には同一符号を付けて重複説明は避ける。実施例１と異なる点は、まず、放熱シート３として、図４に示すように、絶縁板２の開口部２０１よりも広いものを用いる。次に、ヒートシンク４には、中央の凸部４０１の外周部に凹部４０２を設けている。これらを実施例１と同様に固定具５とボルト６１，６２により締結すれば、図３に示すように、放熱シート３の端部は、絶縁板２の縁部の下側に重なり開口部２０１を完全に塞ぐことができる。このように、放熱シート３の端部を、絶縁板２の縁部の下に潜り込ませることにより、高い絶縁性能を発揮できる。

この実施例２によれば、絶縁板２と放熱シート３の間の隙間を完全に塞ぎ、高い絶縁性能を発揮できるため、数十［Ｖ］以上の高電圧用の電力変換装置にも、キャパシタに高放熱構造を提供することができる。

実施例３：
次に、図５を用いて、本発明の実施例３について説明する。

図５は、本発明の実施例３による電力変換装置内キャパシタの概略取付構造図である。図において、図１〜４と同一機能部には同一符号を付けて重複説明は避ける。実施例２と異なる点は、絶縁板２の開口部２０１に沿う縁部の下面側に窪み２０２を設け、放熱シート３の端部は、絶縁板２の縁部の下面側の窪み２０２に潜り込むことによって、絶縁板２と重なるように構成したことである。

この実施例３においても、絶縁板２と放熱シート３の間の隙間を完全に塞ぎ、高い絶縁性能を発揮できるため、高電圧用の電力変換装置にも、キャパシタに高放熱構造を提供することができる。また、この実施例３によれば、絶縁板２に窪み２０２を設けることは簡単であり、実施例２のようなヒートシンク４の凹凸部加工が必要なく、実施例１と同様の構造のヒートシンクを用いることができるので、その加工が簡単となる効果がある。

実施例４：
次に、図６を用いて、本発明の実施例４について説明する。

図６は本発明の実施例４による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図である。図において、図１〜５と同一機能部には同一符号を付けて重複説明は避ける。実施例３と異なる点は、絶縁板２の開口部２０１に沿う縁部の上面側に窪み２０３を設け、放熱シート３の端部は、絶縁板２の縁部の上面側の窪み２０３を利用して、絶縁板２に被せるように重ねたことである。

この実施例４においても、絶縁板２と放熱シート３の間の隙間を完全に塞ぎ、高い絶縁性能を発揮できるため、高電圧用の電力変換装置にも、キャパシタに高放熱構造を提供することができる。また、この実施例４においても、絶縁板２に窪み２０３を設けることは簡単であり、実施例２のようなヒートシンク４の凹凸部加工が必要なく、実施例１や３と同様の構造のヒートシンクを用いることができるので、その加工が簡単となる効果がある。

さらに、放熱シート３を絶縁板２の上に被せて締結できるので、組立て時の作業性が向上する。

実施例５：
次に、図７及び図８を用いて、本発明の実施例５について説明する。

図７は本発明の実施例５による電力変換装置内キャパシタの概略取付構造図であり、図８はその樹脂ケース入りキャパシタの斜視図である。図１〜６と同一機能部には同一符号を付けて重複説明は避ける。図３，４の実施例２と異なる点は、キャパシタ１を支持する絶縁板２を省略し、その代わりに、樹脂ケース７でキャパシタを保護する構造を採っている。ここで、樹脂ケース７には、キャパシタ１の底面に開口部７０１を設けていることである。なお、樹脂ケース７は開口部を設けたスリーブでも問題ない。

例えば、３００［Ｖ］以上の高電圧の場合、絶縁及び保護のために、キャパシタ１は剥き出しではなく、樹脂ケース７やスリーブに入れることがある。このような場合に、本実施例のように、樹脂ケース７やスリーブに開口部７０１を設け、この開口部７０１を利用して、これまでの実施例と同様に、キャパシタ１から、放熱シート３を介してヒートシンク４への高放熱構造を提供することができる。

この実施例によれば、これまでの実施例における絶縁板２が不要となるほか、樹脂ケース７が存在するため、固定具５１は、製作が容易な、丸みのない角型で十分である。

実施例６：
次に、図９を用いて、本発明の実施例６について説明する。

図９は、本発明の実施例６による電力変換装置の概略構造を説明する側面図である。図１〜８と同一機能部には同一符号を付けて重複説明は避ける。この実施例６では、電力変換装置のケース９内の下部に、半導体モジュール１０を搭載し、このケース９の底辺には、冷却水１１を導いている。半導体モジュール１０の上方に、キャパシタ１を配置し、さらに、その上方には電力変換器の回路基板、部品等のコントローラ８を搭載している。

キャパシタ１の下部からの冷却構造は基本的に図７の実施例５と同じであり、樹脂ケース７の開口部７０１を利用して、放熱シート３１、ヒートシンク４１へと放熱する。

相違点は、樹脂ケース７には、キャパシタ１の上方にも開口部７０２を設け、その上に放熱シート３２とヒートシンク４２を搭載し、キャパシタ１の熱を上下へ放散可能としたものである。また、上部ヒートシンク４２の上側に回路基板、部品等のコントローラ８を搭載することにより、キャパシタ１とコントローラ８の両方の冷却を可能としている。

キャパシタ１で発生した熱は、ヒートシンク４１及び４２から電力変換装置のケース９を通り、冷却水１１へと放熱され、電力変換装置の外部へ放散される。

本発明の実施例１による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図。図１の分解組立図。本発明の実施例２による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図。図３の分解組立図。本発明の実施例３による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図。本発明の実施例４による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図。本発明の実施例５による電力変換装置内のキャパシタの概略取付構造図。図７における樹脂ケース入りキャパシタの斜視図。本発明の実施例６による電力変換装置の概略構造を説明する側面図。

符号の説明

１…キャパシタ、２…絶縁板、２０１…絶縁板の開口部、２０２，２０３…絶縁板の窪み、３，３１，３２…放熱シート、４，４１，４２…ヒートシンク、４０１…ヒートシンクの凸部、４０２…ヒートシンクの凹部、５…固定手段（固定具）、６１，６２…ボルト、７…樹脂ケース、７０１，７０２…樹脂ケースの開口部、８…コントローラ、９…電力変換装置のケース、１０…電力変換器の半導体モジュール、１１…冷却水。

Claims

横倒しのキャパシタと、このキャパシタを支持するとともに、前記キャパシタの底面の中心部に開口部を有する絶縁板と、前記絶縁板の開口部を塞ぐ放熱シートと、前記絶縁板と前記放熱シートの下部に位置するとともに、前記放熱シートを圧縮する凸部を有するヒートシンクと、前記キャパシタを前記ヒートシンクに固定する固定手段とを備えたことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項１において、前記キャパシタは、金属ケース剥き出しの偏平型のアルミ電解キャパシタであることを特徴とするキャパシタの冷却構造。
横倒しのキャパシタと、このキャパシタを支持するとともに、前記キャパシタの底面の中心部に開口部を有する絶縁板と、前記絶縁板の縁部と重なりをもって前記開口部を塞ぐ高熱伝導性絶縁材料からなる放熱シートと、前記絶縁板と前記放熱シートの下部に位置するとともに、前記放熱シートを圧縮する凸部を有するヒートシンクと、前記キャパシタを前記ヒートシンクに固定する固定手段とを備えたことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項３において、前記放熱シートは、前記絶縁板の縁部の下側に重なり前記開口部を塞ぐように構成したことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項４において、前記絶縁板は、その開口縁部の下面側に窪みを備え、前記放熱シートは、前記絶縁板の縁部の前記下面側の窪みで前記絶縁板に重なるように構成したことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項３において、前記放熱シートは、前記絶縁板の縁部の上側に重なり前記開口部を塞ぐように構成したことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項６において、前記絶縁板は、その開口縁部の上面側に窪みを備え、前記放熱シートは、前記絶縁板の縁部の前記上面側の窪みで絶縁板に重なるように構成したことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
請求項１〜７のいずれかにおいて、前記固定手段によって、前記キャパシタを前記ヒートシンクに固定した状態において、前記放熱シートは、キャパシタに接触する部分が、他の部分よりも薄く圧縮された高熱伝導性絶縁材料を備えたことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
横倒しのキャパシタと、このキャパシタの上下面を包み込むとともに、前記キャパシタの底面の中心部に開口部を有する絶縁樹脂ケースと、この絶縁樹脂ケースの開口部を塞ぐ放熱シートと、前記絶縁樹脂ケースと前記放熱シートに下方から当接するとともに、前記放熱シートを圧縮する凸部を有するヒートシンクと、前記キャパシタを前記ヒートシンクに固定する固定手段とを備えたことを特徴とするキャパシタの冷却構造。
横倒しのキャパシタと、このキャパシタの上面及び／又は下面に当接するとともに、前記キャパシタの上面及び／又は下面の中心部に開口部を有する絶縁板と、この絶縁板の開口部を塞ぐ放熱シートと、前記絶縁板と前記放熱シートに反キャパシタ側から当接するとともに、前記放熱シートを圧縮する凸部を有するヒートシンクと、前記キャパシタを前記ヒートシンクに固定する固定手段と、前記ヒートシンクの反キャパシタ側に搭載した電力変換器の電子部品とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１０において、前記キャパシタの下方に半導体モジュールを搭載したケースを備えたことを特徴とする電力変換装置。