JP4848209B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばモータ等に電力を供給する電力変換装置を提供する技術に関する。

電力変換装置の冷却に関して、特許文献１に開示がある。

特許文献１では、冷却フィンのフィン長さを周辺部と内部とで変えることによって、冷却性を従来に比較して、さらに改善しようとするものである。
電力変換装置では、ダイオードブリッジと逆変換素子であるトランジスタモジュールやＩＧＢＴモジュールに変換ロスが生じ、発熱する。この変換ロスにて発生した熱を冷却フィンから、冷却ファンを用いて発生させた風により、放熱し、これらダイオードやトランジスタといった半導体を熱破壊させないようにしている。一般的には、半導体は、１５０℃を超えると半導体を組成しているシリコンが破壊されると言われており、それ以下の温度になるように冷却を行っている。

特開平６−３８５４６号（図１、第２頁）

上記従来技術にも記載のあるように、電力変換装置において、内部の素子などで発生する熱の放熱、冷却を図ることが必要であり、いろんな工夫、方法が提案されている。

電力変換装置では、図２に示すように、商用電源からの供給電力が端子ＲＳＴを介して入力され、ダイオード３相ブリッジ回路３で直流に変換した後、その直流電流を平滑化するための平滑部であるコンデンサ６を用い、その後、スイッチング素子であるトランジスタモジュールやＩＧＢＴモジュールを用いた逆変換回路２によって、逆変換し周波数変換を行っている。

電力変換装置では、このダイオードブリッジと逆変換素子であるトランジスタモジュールやＩＧＢＴモジュールに変換ロスが生じ、発熱する。この熱を冷却フィンから、冷却ファンを用いて発生させた風により、放熱し、これらダイオードやトランジスタといった半導体を熱破壊させないようにしている。

なお、上述の放熱については、一般的には、空冷用の冷却フィンの上に、上記半導体素子を配置するようにされている。

この冷却を効率良く行うことにより、製品の小形化が図れる。

このため、ファンによりフィン部を強制空冷することにより冷却フィンの冷却効率を高めることが、一般的には行われている。
また、冷却フィンのフィン（羽根）枚数を変えたり、空気が流れる隙間を変えたりすることで小形化を図ることも可能である。
また、この冷却フィンについては、表面積を増やし、冷却フィンのフィン枚数を増やすことにより、冷却促進を行うことも可能である。

このように、冷却フィンを工夫することによる冷却効率の改善は、いろいろと考えられ、また、その結果、製品の大きさや、性能にも影響を与える場合もあるので、製品化には、これらが課題となる。

本発明では、この冷却効率の改善を課題とするものである。

本発明は、上記課題を以下のようにして、解決するものである。
電力変換装置の冷却フィンにおいて、フィン効率の良い冷却フィンのベース面とフィンの接続部付近に多くの空気を流すために、上記ベース面とは反対側のフィンの先端部で、空気、雰囲気が流入する側に空気、雰囲気の流れを制限する制限部材を設けることとする。

この制限部材を設けることによって、流入してきた空気、雰囲気が上記ベース面の近くのフィンに流れるようにする。

また、上記制限部材を設けたことで、空気、雰囲気が流入される部分の面積も制限されることとなり、空気、雰囲気の流れの速さも速くなる。これらの働き等から、冷却フィンの冷却効率を従来よりも高めることが出来るようにするものである。

また、上記制限部材は、上記ベース面に垂直とすることも出来るが、傾斜させることによって、上記ベース面に向かって、より多くの空気、雰囲気が流れるように向かわせるようにする。

また、上記制限部材とは、別に第２の制限部材を、空気、雰囲気が流入する側であって、上記ベース面の側に設けるようにもする。

上記構成とすることで、必ずしも特殊な冷却フィンやファンを用いることなく、半導体素子等の温度が下げられることを可能とする。これらにより、例えば、電力変換装置の冷却フィンの簡略化や小形化が図れることが予想される。

上記本発明によれが、従来よりも、より信頼性を向上させた電力変換装置を供給することが可能となる。

以下、本発明による冷却構造について、図示の実施例により詳細に説明する。

図１に、本発明による電力変換装置の一実施例を説明する。この図において、１は、冷却フィン、２は、ＩＧＢＴモジュール、３は、ダイオードモジュール、４は、フィンへの風の流れを制限する制限板である。４は、冷却フィンの底部（ベース側の反対側）を塞ぐ板の下側を折り曲げて製作されている。

図３に電力変換装置の主回路部の実体配置を示す。
５は、突入防止抵抗器、６は、平滑コンデンサ、７は、冷却ファンを示す。
２のＩＧＢＴモジュール、３のダイオードモジュールで発生した損失は、１の冷却フィンに熱伝導する。１の冷却フィン部は、強制空冷するために７の冷却ファンにて、風を引き抜く構成となっている。この結果、２のＩＧＢＴモジュール、３のダイオードモジュールで発生した熱は、ここで、周囲雰囲気空気に放熱される。

１の冷却フィンは、１ａのベース面の裏側や、１ａのベース面に近い1ｂのフィンの部分がフィン効率が高く、１ｂのフィンの先端（１ａのベース面の反対側）に行くほど効率が低くなることは、一般的に知られている。

また、例えば１の冷却フィンをひとつの流管と見た場合、流管の中に空気が湧き出しているところや吸い込まれているところがなければ、流管の各断面積Ｓを単位時間当たりに通る流体の質量は同じであり、流体の速度をｖとし、流体の密度をρとすると、(数１)が連続の方程式と呼ばれ一般的に知られている。
ρｖＳ＝一定 (数１)

ここで、断面積Ｓ1の流体の速度をｖ1とし、断面積Ｓ2の流体の速度をｖ2とすると、上記(数１)から、次の(数２)が導かれる。

ｖ2＝ｖ1*（Ｓ1／Ｓ2） (数２)

(数２)は、断面積Ｓ2が小さくなれば、流体の速度ｖ2が大きくなることを示している。

このことより、フィン７への風を制限する制限板４をフィン先端側1ｂに設置し、フィン効率の低いフィンの先端部の入り口の流路の面積を制限することにより、上記(数２)のＳ2に相当する断面積が小さくなる。

その結果、制限板４にて制限をしていない冷却フィンの効率が高いベース面１ａやベース面１ａに近い１ｂのフィンの部分の風速を速くすることとなり、これらの箇所の単位時間当たりに流れる風量を増やすことにより、冷却を従来よりも促進することが出来る。

上述の実施例について、制限板４を設けたことによる風の流れ、風速などについて、シミュレーションによる、解析結果を図４に示す。図４から、制限板４を設けたことで、冷却フィン１のベース面１ａに近いフィンの部分の風速が速くなっていることが判る。

図４では、矢印は、風の流れを示し、矢印の向きが風の向きであり、矢印の長さは、風の速さを示すものとする。従って、矢印の長さが長いほど、風の速さが速いこととなる。

図４で、制限板４を設けたことによって、図にてＡ、Ｂ、Ｃで示す丸印の部分が風の流れに変化を生じている。

先ず、丸印Ａは、冷却フィン１のベース面１ａに沿った部分では、右側からの風の流れが、速くなっている。これは、制限板４を設けなかった場合のシミュレーション(図示していない)よりも、図４のシミュレーションでの矢印の方が長くなっているという結果から裏付けられる。

この丸印Ａによる図面右から左のファンに向かう風の流れによって、従来よりも冷却フィン１のベース面１ａに沿った部分での冷却効率を向上させることを可能としていることが判る。

次に、丸印Ｂも右側からの風の流れが、速くなっている。これは、丸印Ａと同様に、制限板４を設けなかった場合のシミュレーションよりも、矢印の長さが長くなっていることから判る。

この丸印Ｂによる図面右から左のファンに向かう風の流れによって、従来よりも冷却フィン１の中程の部分での冷却効率を向上させることを可能としていることが判る。

一方、丸印Ｃでは、図面右から左のファンに向かう風の流れというよりは、風向きが不規則な方向に変化しており、冷却効率について、上記丸印Ａ、丸印Ｂよりも低下しているように見える。

実は、上述の制限板４を設けない場合であっても、冷却フィン１の冷却については、この丸印Ｃの部分の寄与率が、上記丸印Ａ、丸印Ｂよりも低いことが、シミュレーションでも確認されている。従って、上述の制限板４を設けたことによる影響は、小さいと考える。そして、図５の制限板４の長さｈを変えた場合におけるフィン１の温度上昇分の変化について、シミュレーションによって求めた結果を図６に示す。なお、図５では、冷却フィン１のベース面１ａにフィンを取り付ける位置からフィンの先端までをＨとし、制限板４の長さｈとの比を図６の横軸のパラメータとする。

図６の結果から、制限板４の長さは、フィン長さＨを基準として、ｈを大きくしてゆくと、それに従って、温度上昇を低減する効果があることがシミュレーションにて算出されている。

そして、ｈ／Ｈが約８０％で、温度上昇を低減する効果が大きくなることが、図６から読み取れる。

図６の結果より、制限板４の長さｈは、フィン長さＨの８０％までに効果があり、大きくなることが予想される。

なお、図６では、８０％にて冷却効率が大きく得られているが、冷却フィンへの異物の付着、目詰まりなどを考慮すると、８０％よりは、小さくすることも考えられる。これは、冷却フィン１の吸込み側(ファンの反対側)での空気、雰囲気の吸込み時の風の音の発生、音の大きさを低減する意味でも８０％よりは小さくすることが好ましいと予想される。

上記図４の丸印Ｃでも説明しており、繰り返しとなるが、制限板４のｈが約３０％にて、制限される部分は、冷却フィンの冷却の寄与率が小さいことが、シミュレーションと、そのシミュレーションに基づく実機確認にて判明した。従って、３０％程度にて、制限板４のｈを定め、実施するとしても、そもそも当該３０％程度の部分は、冷却の寄与率が小さいことから、冷却フィン全体としての冷却効率への影響等で問題が小さいと予想される。

また、上述の冷却フィンへの異物の付着、目詰まりなどを考慮すると、３０％〜６０％程度にて実施することが好ましいと言える。この程度の範囲であれば、冷却フィン１の吸込み側での空気、雰囲気の吸込み時の風の音の発生、音の大きさを低減、問題無いレベルとすることが可能となる。
実機の試作品でも、約３５％として、従来と比較して、良好な冷却効果が得られること、そして、吸込み時の風の音も問題の無いこと等が確認された。

次に、図７に、本発明の他の実施例を示す。

図７は、制限板４を傾斜させて設けたものである。図７のようにすることで、冷却フィン１のベース面１ａに近いフィンの部分に風の流れを向かわせるようにし、より風速が速くすることを狙うものである。

また、図８に、本発明の更に他の実施例を示す。

図８では、風の流れを制限する制限板８を冷却フィン１のベース面１ａ側にも設けるものである。

この制限板８を設けたことで、風の流れに変化を持たせ、冷却フィン１のベース面１ａに近いフィンの冷却効率の向上を狙うものである。ここで、風の流れの変化とは、流体の各小部分が不規則にまじりあい、乱れを含むような流れと言われる乱流や、不規則な流れなどのことを意味するものとする。

上述の制限板４は、冷却フィン１等を支持する筐体の一部を折り曲げることによって、設けるようにするものであっても良い。そうすることで、新たに制限板４を取り付けたりする工程を設けなくても良くなり、部品点数の削減を図ることも可能となる。

図９は、折り曲げて制限板４を設けた場合の実施例を図示している。なお、制限板４の中程の一部が折り曲げないようにして、筐体部の強度をある程度保つことを狙っている。折り曲げられなった部分は、制限板４が無いことになるが、冷却効率においては、影響が小さくすることが可能で、問題ないと考える
なお、上記実施例の形態にのみ、本発明の実施形態を制限するものではなく、適宜変更するものであっても良い。例えば、図９のように折り曲げて制限板４を設けるのではなく、制限板４が筐体部によって、支持されるようにして、制限板４を設けるものであってよい。

符号の説明

１：冷却フィン、１ａ：冷却フィンベース、１ｂ：冷却フィンのフィン、２：ＩＧＢＴモジュール、３：ダイオードモジュール、４：フィンへの風を制限する制限板、５：突入防止用抵抗器、６：平滑コンデンサ、７：冷却ファン、８：フィンへの風を制限する制限板。

本発明の実施例の構造図 電力変換装置の電気配線図 本発明の実施例の電力変換装置の実体配置図 本発明の実施例によるシミュレーション結果 本発明の実施例の構造図 本発明品の実施例のシミュレーション結果 本発明の他の実施例 本発明の更に他の実施例 本発明の更に他の実施例

Claims (1)

1. 供給された交流電力を直流電力に変換する順変換部と、
   前記順変換部からの出力を平滑する平滑部と、
   前記平滑部の出力を交流電力に変換する逆変換部と、
   前記逆変換部を制御する制御部と、
   熱を放熱する平板状のフィンと前記フィンの一端が支持されるベースとを有し、少なくとも前記逆変換部で発生する熱を冷却する冷却部と、
   前記順変換部、前記平滑部、前記逆変換部、前記制御部、及び前記冷却部を支持する筐体と、を有する電力変換装置において、
   前記フィンには、雰囲気が流入する第１の開口部と、雰囲気が流出する第２の開口部が形成されており、前記フィンが前記ベースに支持された端部と反対側の端部には、平板上の雰囲気制限部が取り付けれているとともに、前記雰囲気制限部の一端は前記第１の開口部の一部を塞ぐようにして、前記第１の開口部からの雰囲気の流入を制限する雰囲気制限板が設けられ、前記第１の開口部から流入した雰囲気が前記ベース付近での風量が前記雰囲気制限板付近の風量よりも多くなるようになっているとともに、
   前記第２の開口部には、前記第１の開口部から雰囲気を吸引するファンが取り付けられていることを特徴とする電力変換装置。

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