JP5793551B2

JP5793551B2 - 水冷却フィン及び高電圧装置

Info

Publication number: JP5793551B2
Application number: JP2013253841A
Authority: JP
Inventors: 左右田　学; 学左右田; 冨永　勇; 勇冨永
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: JP2014064029A

Description

本発明は、水冷却フィン及び水冷却フィンを備えた高電圧装置に関する。

従来における水冷式半導体素子スタックの一例として特許文献1に示すように、複数個の電力用平形半導体素子と、各半導体素子の両側に配した電極板と、電極板の間に介挿してその内部に冷却水を流す板状のヒートシンクと、ヒートシンクと電極板との間に介在させた絶縁物とを積み重ね、かつ半導体素子の相互間を直列に導電接続して構成した水冷式半導体素子スタックにおいて、前記ヒートシンクと、ヒートシンクの両側に高伝熱性の絶縁物を介して重ね合わせた一対の電極板と、ヒートシンクを包囲して電極板の周縁相互間に架け渡した配線部材兼用の連結板とで一体物の合体部品を組立て、該合体部品と平形半導体素子とを交互に積み重ねてスタックを構成したものが記載されている。

特許文献1にあっては、半導体素子の間を接続する渡り配線がなく、スタック全体を小型、コンパクトに構成でき、特に小型化が要求される電気鉄道車両に搭載する電源用の電力変換装置として有利であるという効果が得られる。

特開平９−２６０５５９号公報

しかしながら、特許文献1は、半導体素子1個に対して、内部に冷却水を流す構成のヒートシンクを一枚設けた構成が多数組み合わされ、各ヒートシンクには冷却水を供給する配管を各々設けるか、又は各配管をカスケード接続する必要があることから、配管の構成が複雑で、全体が大形化するという問題がある。

本発明は、全体がコンパクトで、冷却水を通すための配管の構成を単純にすることができ、高電圧回路に使用可能な水冷却フィン及び高電圧装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、その内部に冷却水を通す通水路部と、その表面及び裏面に有する電子部品取付面部とを備え、前記通水路部における前記冷却水が接触する部分又はこの部分を含む全体は、前記冷却水と反応せず、かつ絶縁性及び熱伝導性の酸化アルミニュームの粉末を型に入れて焼いたものであって、前記電子部品取付面部及び前記通水路部と連通する壁面に雌ねじ部を含む全体を形成してなる水冷却フィンと、前記水冷却フィンの電子部品取付面部にそれぞれ接合され、各々の電位が異なり必要な沿面絶縁距離を確保し、且つ前記各々が接合している接合面を介してそれ自身の発熱を伝熱可能な複数個のモジュール型電子部品と、前記各電子部品を電気的に接続して所望の電子回路を構成するブスバーと、前記通水路部に冷却水を供給する冷却水供給装置と、前記水冷却フィンにおける電子部品取付面部に配設する前記電子部品をそれぞれ取付けると共に、前記冷却フィンの表面の電子部品及び前記冷却フィンの裏面の電子部品を接続するブスバーを兼ねる導電性ねじとを具備した高電圧装置である。

本発明の高電圧装置の第１の実施形態である高電圧整流装置の主回路を示す図。本発明の水冷却フィンの第1実施形態を説明するための図。図1の整流装置を説明するための斜視図。図1の整流装置を説明するための斜視図。図３及び図４のモジュール型整流素子を説明するための図。図１の整流装置の継手を説明するための斜視図。図１の整流装置の継手にＯリングを装着した状態を示す斜視図。図３の整流装置に使用している第１のブスバーを説明するための図。図３の整流装置に使用している第２のブスバーを説明するための図。図３の整流装置に使用している第３のブスバーを説明するための図。本発明の高電圧装置の第２の実施形態を説明するための図。本発明の高電圧装置の第２の実施形態を説明するための図。

図１は本発明の高電圧装置の第１の実施形態である高電圧整流装置の主回路を示すもので、第1の整流素子群２０と、第２の整流素子群３０とが直列に接続され、また第３の整流素子群４０と、第４の整流素子群５０とが直列に接続され、それぞれ直列接続された第1、第２と第３、第4の整流素子群が並列に接続され、各整流素子群２０〜５０にはそれぞれ１０個のモジュール型整流素子２が直列に接続され、各整流素子２には、各素子の過渡及び直流電圧の分担を均等化する電圧分担回路１０が並列に接続されている。各電圧分担回路１０は、抵抗８とコンデンサ９が並列接続された並列回路である。

各整流素子群２０、３０の中間点を交流入力端子として交流電源１００が接続され、各整流素子群２０、３０の両端部の接続点である直流出力端子に直流負荷２００が接続されている。このように各整流素子群２０、３０毎に、整流素子２を例えば２０個直列接続し、さらに整流素子群２０、３０を並列接続することで、例えば１３ＫＶと高電圧化を図っている。また、各整流素子２に、それぞれ電圧変動を抑制するための抵抗８とコンデンサ９を並列してなる電圧分担回路１０を並列に接続している。

以上述べた整流装置は、以下に述べる水冷却フィン1と、モジュール型整流素子2と、
第１のブスバー３と、第２のブスバー４と、第３のブスバー５と、冷却水供給装置６とを備えている。

水冷却フィン1は、図２(a)の平面図、図２(b)の側面図、図２(c)の正面図に示すように、その内部に冷却水を通す例えば断面円形の通水路部１１と、対向する表面及び裏面に有し、後述するモジュール型整流素子２を取り付ける整流素子取付面部１２を備えている。水冷却フィン1は、通水路部１１及び整流素子取付面部１２を含む全体が、冷却水と反応せず、かつ絶縁性及び熱伝導性の材質からなり、表面及び裏面が対向する板状部材で形成されている。冷却水は高電圧回路に使用されるため、イオン交換樹脂等により不要なイオンを取り除き、電気伝導率を極力小さくしている。

ここで、前記冷却水と反応せず、かつ絶縁性及び熱伝導性の材質としては、酸化アルミニューム(Al₂O₃:通称アルミナと言う)を使用し、酸化アルミニュームの粉末を型に入れて焼いて固める方法によって製造したものである。

モジュール型整流素子２は、図２及び図５に示すようにベース２１と、素子本体２２と、電極２３、２４を備え、以下のように構成されている。ベース２１は、平板状であって両端部近くに水冷却フィン1にねじ等により取り付ける取付孔２１１及び取付溝２１２を有している。

ベース２１の上面には、ほぼ平板状の２個の素子本体２２が独立して固着され、各素子本体２２の上面にはそれぞれ陽極２３及び陰極２４が固着され、各素子本体２２の上面にはひだを形成することで必要な沿面絶縁距離を確保している。各ベース２１の下面は水冷却フィン1の整流素子取付面部１２と接合されるようになっており、これによって素子本体２２自身の発熱を伝熱可能になっている。

第１のブスバー３は、図３及び図８に示すように水冷却フィン１の同一面側(表面側又は裏面側)の整流素子取付面部１２にそれぞれ設けた複数の整流素子２のうち隣接の整流素子２同士を直列接続するものである。第１のブスバー３は、帯状導体の両端部をそれぞれＬ字形に折曲した折曲部３１を備え、その両方の折曲部３１はそれぞれ折曲方向が逆となるようになっており、両折曲部３１の両端部にそれぞれ各折曲部３１と直交する方向に整流素子２の電極とねじ３３により接続する電極接続部３２を備えている。

第２のブスバー４は、図３及び図９(a)の平面図、図９(b)の正面図に示すように水冷却フィン１における表面側の整流素子取付面部１２及び水冷却フィン１における裏面側の整流素子取付面部１２であって同一位置における整流素子同士を直列接続するものである。第２のブスバー４は、帯状導体をほぼＵ字形に折曲し、その折曲部４１とは離れた対向片の端部に、整流素子２の電極とねじ３３により接続する電極接続部４２を備えたものである。

第３のブスバー５は、図３及び図１０(a)の平面図、図１０(b)の正面図に示すように水冷却フィン１における表面側の整流素子取付面部１２及び水冷却フィン１における裏面側の整流素子取付面部１２であって異なる位置における整流素子２同士を直列接続するものである。第３のブスバー５は、帯状導体の両端部をほぼＵ字形に折曲すると共に、この両折曲部５１の両端部にそれぞれ整流素子２の電極とねじ３３により接続する電極接続部５２を備え、且つこの両電極接続部５２と５２を連結している連結部は傾斜部５３となっている。具体的には、第３のブスバー５の両端部は、図１０(a)のように、電極接続部５２をそれぞれ含む端部が互いに平行状態のとき前記連結部は所定の傾斜が形成された状態となっている。

前記冷却水供給装置6は、図２に示すように水冷却フィン１の通水路部１１に冷却水を供給するものである。

水冷却フィン１に有する通水路部１１を形成している端部壁面に、図２に示すように雌ねじ部１３を形成し、この雌ねじ部１３に図６及び図７に示すような構成の継手７に形成されている雄ねじ部７１を螺合することにより、図２の前述した冷却水供給装置６と接続し、水冷却フィン１の通水路部１１に冷却水を供給するようになっている。

この場合の継手７は、図６に示すように平行な雄ねじを形成すると共に、継手７の先端部であって水冷却フィン１の通水路部１１と当接する端部に、Ｏリング装着溝７２を形成し、Ｏリング装着溝７１にＯリング７３を装着した状態で、継手７を通水路部１１の雌ねじ部１３に螺合させる。

以上述べた本発明の実施形態の水冷却フィン１によれば、内部に冷却水を供給する通水路部１１及び少なくとも一面に複数の電子部品例えば整流素子を取り付ける電子部品取付面部１２を備えているので、簡単な構成でコンパクトにでき、水冷却フィン１を使用する高電圧装置全体のコンパクト化が可能となる。

また、以上述べた本発明の実施形態の高電圧装置によれば、全体がコンパクトで、冷却水供給装置６からの冷却水を水冷却フィン1の通水路部１１に供給するための配管の構成を単純にすることができる。これに対して前述した特許文献1の発明では、半導体素子1素子に1枚の金属性のヒートシンクを設け、その間を空間及び沿面絶縁距離を確保し、かつ冷却配管を絶縁パイプでカスケードに接続することで、高電圧に適用していたため、半導体素子と同数のヒートシンクを必要とし、ヒートシンクの個数だけの冷却水配管が必要になり、構成が複雑となるという、問題点を改善できる。

また、本発明の開発の段階で考えられた高電圧装置あっては、モジュール型整流素子1素子に1枚の金属製水冷フィンを設け、その整流素子間を空間および沿面絶縁距離を確保し、かつ冷却配管を絶縁パイプでカスケードに接続する案では、非常に多数の金属製フィンと、冷却配管並びに配管同士を接続する継手が必要になり、全体が大型化し、これに伴いコストがかかるという問題点があった。本発明は、このような問題点を改善できる。

本発明の実施形態の高電圧装置は、整流素子群を冷却水にて間接的に冷却する必要がある用途、例えば絶縁油に浸漬できない用途には最適である。

さらに、水冷却フィン1の材質として酸化アルミニュームを用いたので、これに冷却水が反応することがなく、通水路部１１の内面に冷却水が常時接触しても安定した状態で長期間使用できる。また、酸化アルミニュームの粉末を型に入れて焼いて固める方法により水冷却フィン1全体を製造したので、通水路部１１の端部内面に形成され、継手７の雄ねじ部７１と螺合する雌ねじ部１３の加工が容易である。

水冷却フィン1の表面側の電子部品取付面部１２及び裏面側の電子部品取付面部１２にそれぞれ複数個のモジュール型整流素子２を接合し、各整流素子２を第１、第２、第３のブスバー３、４、５により直列接続したので、さらに全体がコンパクトで、構成も前述の従来例等に比べて単純となる。

図１１は本発明の第２の実施形態の冷却フィン及びこれを含む高圧整流装置を説明するための図であり、冷却フィン１は２分割形式の水冷却フィン本体１５、１６と、水冷却フィン本体１５、１６に形成されている通水路部材挿通溝１７、１８に挿通させる通水路を構成する通水パイプ１９を備えたものである。

水冷却フィン本体１５、１６は、絶縁性及び熱伝導性の材質例えば窒化アルミニュームから構成されている。通水パイプ１９は、冷却水と反応せず、熱伝導性の材質例えば銅パイプ又はアルミニュームパイプで構成されている。

図１２は、水冷却フィン本体１５、１６と、通水パイプ１９と、複数のモジュール型整流素子２をねじ１４により整流装置を組み立てた状態を示す。具体的には、水冷却フィン本体１５の通水路部材挿通溝１７と、水冷却フィン本体１６の通水路部材挿通溝１８を向かい合わせて、通水路部材挿通溝１７、１８内に通水パイプ１９を挿通させ、水冷却フィン本体１５に整流素子２を接合させた状態で、予め形成されている整流素子２のねじ挿通孔２６と、水冷却フィン本体１５のねじ孔１５１と、水冷却フィン本体１６のねじ孔１６１にねじ１４を順次挿入し、ねじ孔１５１、１６１に螺合させることで、整流装置を組み立てたものである。

このように構成された整流装置においても、各素子２の相互間を接続するブスバー並びに各素子２に並列に接続する電圧分担回路も前述の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

なお、熱伝導性とは、物質内に温度差があるとき、熱は温度の高い方から低い方へ移動する際に、この熱の移動の起こりやすさを表す。この場合、熱電導性が大きいほど熱が伝わりやすいということで、同じ材料であれば、厚みが小さいほど放熱効果は高まるということを意味している。

本発明は、前述の実施形態では１３Ｋｖの整流装置を例に挙げて説明したが、電子部品としては整流素子以外に抵抗、コンデンサ等であって水冷却フィンに面接合されかつ素子自身の発熱が伝熱可能なモジュール型電子部品なら何でもよく、電圧も５Ｋｖを越える高電圧装置なら何でも良い。

前述の実施形態において、水冷却フィン１における整流素子取付面部の表面側及び裏面側に配設するモジュール型整流素子を導電性ねじによりそれぞれ取付け、導電性ねじにより前記表面の整流素子及び裏面の整流素子を接続するブスバーを兼ねるようにしてもよい。

前述の実施形態において、水冷却フィン１を全体を、冷却水と反応せず、かつ絶縁性及び熱伝導性の材質例えば酸化アルミニュームで構成したが、水冷却フィン１の通水路部における冷却水が接触する部分だけを酸化アルミニューム等で形成してもよい。

１…冷却フィン、２…モジュール型整流素子、３…第１のブスバー、４…第２のブスバー、５…第３のブスバー、６…冷却水供給装置、７…継手、８…抵抗、９…コンデンサ、１０…電圧分担回路、１１…通水路部、１２…整流素子取付面部、１３…雌ねじ部、１５…水冷却フィン本体、１６…水冷却フィン本体、１７…通水路部材挿通溝、１８…通水路部材挿通溝、１９…通水パイプ、２０…第１の整流素子群、２１…ベース、２２…素子本体、２３…陽極、２４…陰極、２６…挿通孔、３０…第２の整流素子群、３１…折曲部、３２…電極接続部、４１…折曲部、４２…電極接続部、５１…折曲部、５２…電極接続部、５３…傾斜部、７１…雄ねじ部、７２…Ｏリング装着溝、７３…Ｏリング、１００…交流電源、２００…直流負荷、２１１…取付孔、２１２…取付溝。

Claims

その内部に冷却水を通す通水路部と、その表面及び裏面に有する電子部品取付面部とを備え、前記通水路部における前記冷却水が接触する部分又はこの部分を含む全体は、前記冷却水と反応せず、かつ絶縁性及び熱伝導性の酸化アルミニュームの粉末を型に入れて焼いたものであって、前記電子部品取付面部及び前記通水路部と連通する壁面に雌ねじ部を含む全体を形成してなる水冷却フィンと、
前記水冷却フィンの電子部品取付面部にそれぞれ接合され、各々の電位が異なり必要な沿面絶縁距離を確保し、且つ前記各々が接合している接合面を介してそれ自身の発熱を伝熱可能な複数個のモジュール型電子部品と、
前記各電子部品を電気的に接続して所望の電子回路を構成するブスバーと、
前記通水路部に冷却水を供給する冷却水供給装置と、
前記水冷却フィンにおける電子部品取付面部に配設する前記電子部品をそれぞれ取付けると共に、前記冷却フィンの表面の電子部品及び前記冷却フィンの裏面の電子部品を接続するブスバーを兼ねる導電性ねじと、
を具備した高電圧装置。