JP4639648B2 - インバータ装置 - Google Patents

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２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２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、方形板状のベース１６ａと、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。放熱フィン１６はベース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、背面カバー３、下部カバー５及び側面カバー６に背面室９に通じる吸気孔１９、２０及び２１がそれぞれ形成されるとともに、上部カバー４に背面室９に通じる排気孔２２が形成されている。半導体素子１０は及び平滑コンデンサ１７は、冷却ファン１８により吸気孔１９〜２１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２２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

図２において、冷却ファン１８は背面室９の上部に設置され、通風される放熱フィン１６や平滑コンデンサ１７は冷却ファン１８の吸込み側に配置されている。従来、冷却ファンが箱体の下部に設置され、放熱フィンや平滑コンデンサなどの被冷却体は冷却ファンの吐出し側に配置されたインバータ装置が知られているが、その場合には平滑コンデンサや端子台などに接続される配線ケーブルが冷却ファンに接近し、冷却ファンの保守作業がそれらの配線ケーブルに妨げられて面倒になる。ちなみに、冷却ファンは寿命部品で、例えば数年ごとに交換する必要がある。

そこで、図２のインバータ装置においては、冷却ファン１８は上記した配線ケーブルを避けて、図示の通り背面室９の上部に設置されている。ところが、冷却ファン１８を最上部に設置すると、上部カバー４と冷却ファン１８とが図示の通り接近し、排気孔２２が冷却ファン１８の直上に対面するようになる。なお、上部カバー４と冷却ファン１８との間を広げると箱体１の高さ寸法が大きくなり、それだけインバータ装置の設置スペースが拡大する。従って、上部カバー４と冷却ファン１８との間の隙間は、従来、冷却ファン１８の保守点検に必要な最小限に限られている。

一方、冷却ファン１８は一般に正方形の枠体中にモータ直結の羽根車が組み込まれて構成されているが、羽根車前方の円筒空間は周辺の枠体前方より風速が大きく、また前記円筒空間内でもモータが位置する中心部よりも羽根外周側の方が風速が大きい。従って、冷却ファン１８から吐出された直後の軸方向の風速は、羽根車の半径方向に一定の分布を有し、吐出断面内で局部的に集中する。この風速の集中は冷却ファン１８から下流側にある程度離れた地点ではほぼ平均化されるが、吐出直後では甚だしい。

そのため、図２の従来技術におけるように、上部カバー４の排気孔２２が冷却ファン１８に接近していると、冷却ファン１８から吐出された直後の局部的に大きな風速が排気孔２２を通過する際に大きな圧力損失を発生し、結果として放熱フィン１６を通流する冷却風の流量を減少させる主要因となる。この点に関し、従来は排気孔２２が冷却ファン１８の直後に開口すると、むしろ風が通り抜けやすいと考えられ、また冷却ファン１８の下流側における背面カバー３や側面カバー６の面積が小さいこともあって、排気孔は上部カバー４にしか設けられていない。しかしながら、その後の仔細な観察によれば、冷却ファン１８が上部カバー４に接近することによる圧力損失は上述の通り大きい。

この発明の課題は、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、半導体素子の冷却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枠体内にモータ直結の羽根車が組み込まれて構成された冷却ファンが設置され、この冷却ファンにより前記放熱フィンを通して吸引し、前記背面室の上部の上部カバーに形成した排気孔から排出する冷却風で前記半導体素子を冷却するインバータ装置において、
前記冷却ファンから吐出される前記冷却風の中の旋回成分を排出する排気孔を前記箱体の側面カバー及び背面カバーの一方又は双方に形成し、前記箱体の側面カバー及び背面カバーに形成した排気孔は前記冷却ファンの直後に近接して設けるものである。

一般に軸流ファンからなる冷却ファンの送風は、軸方向の速度成分の他に、羽根車の回転に伴う旋回成分を有している。この旋回成分が上部カバーと冷却ファンとの間の狭い空間内で上記した軸方向の風速の局部的な集中に加わる冷却ファン直後においては、高速かつ旋回成分を持つ冷却風が複雑に流れ、この流れが上部カバーの排気孔周縁に衝突すると大きな圧力損失を生じる。

そこで、この発明においては、上部カバーの排気孔に加え、背面カバー及び側面カバーの一方又は双方にも排気孔を形成するものである。これにより、単に排気孔面積が拡大するだけではなく、回転する羽根車の遠心力によりファン外周方向へ拡散しながら流れる冷却風が、冷却ファンの側方に位置する背面カバーあるいは側面カバーの排気孔から率先して排出されるため、軸方向へ流れる冷却風の風速が低下するとともに流れが円滑となり、冷却風が上部カバーの排気孔を通過する際の圧力損失が減少する。

この発明によれば、冷却ファンの吐出し側においても、上部カバーのみならず背面カバーあるいは側面カバーに排気孔を形成することにより、冷却風の旋回成分が背面カバーあるいは側面カバーの排気孔から排出される結果、全体として圧力損失が大幅に低減する。

以下、図２の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、図１に基づき説明する。図１において、従来例と相違するのは、半導体素子１０に連結された放熱フィン１６に通風する冷却ファン１８の排気孔が、背面カバー３及び側面カバー６にも形成されている点である。すなわち、上部カバー４と冷却ファン１８との間において、背面カバー３には長方形のスリットからなる排気孔２３が横並びに多数打ち抜き形成され、左右両側の側面カバー６（図１には左側にみ示す。）には同様の排気孔２４が多数打ち抜き形成されている。上部カバー４には従来と同様に、長方形のスリットからなる排気孔２２が２列に多数打ち抜き形成されている。

図１における上部カバー４と冷却ファン２２との間隔は従来例と同じであり、必要最小限に留められている。そして、背面カバー３の排気孔２３及び側面カバー６の排気孔２４は、狭い上下幅に渡るように一杯に形成されている。これらの排気孔２３,２４は冷却ファン１８の直後に近接して、その側方に位置しているため、冷却ファン１８から吐出された冷却風の中の旋回成分はいち早く排気孔２３,２４から外部に排出される。従って、軸方向成分の冷却風は、旋回成分に乱されることなく、また風速（風量）が減じられて上部カバー４の排気孔２２から排出される。その結果、排気孔２２における圧力損失が低減され、放熱フィン１６を通過する風量が増えて半導体素子１０の冷却効率が向上する。

上述の通り、図示実施の形態によれば、上部カバー４と冷却ファン２２との間隔が狭いことを利用して、冷却ファン２２の直後に側方に開口する排気孔２３,２４を設けたことにより、冷却風の旋回成分を冷却ファン２２の側方から積極的に排出し、冷却ファン１８の吐出し側の空間を拡大することなく圧力損失を低減することができる。なお、図示実施の形態では背面カバー３及び側面カバー６の双方に排気孔２３及び２４をそれぞれ形成した例を示したが、必要に応じていずれか一方でもよい。

この発明の実施の形態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。

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
１８ 冷却ファン
２２ 排気孔
２３ 排気孔
２４ 排気孔

Claims (1)

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枠体内にモータ直結の羽根車が組み込まれて構成された冷却ファンが設置され、この冷却ファンにより前記放熱フィンを通して吸引し、前記背面室の上部の上部カバーに形成した排気孔から排出する冷却風で前記半導体素子を冷却するインバータ装置において、
   前記冷却ファンから吐出される前記冷却風の中の旋回成分を排出する排気孔を前記箱体の側面カバー及び背面カバーの一方又は双方に形成し、前記箱体の側面カバー及び背面カバーに形成した排気孔は前記冷却ファンの直後に近接して設けることを特徴とするインバータ装置。

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