JP5924106B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置に関するものであり、特にその冷却構造に関する。

一般に、交流を直流に変換するコンバータや直流を交流に変換するインバータなどの電力変換装置は、交流電動機を駆動する目的で用いられる。特に、近年、このような電力変換装置が大容量化している。そのため、電力変換装置では、発熱増大などに対応するため、冷却方式として水冷方式が採用されている（例えば、特許文献１）。

ここで、図３および図４により、従来の水冷方式の電力変換装置の冷却構造を説明する。
図３は、従来の電力変換装置の正面側斜視図である。図４は、従来の電力変換装置の背面側斜視図である。１０１は半導体スイッチング素子、１０２は冷却体、１０３は主配管（給水側）、１０４は主配管（排水側）、１０５は分岐配管（給水側）、１０６は分岐配管（排水側）、１０７は給水口、１０８は排水口である。

従来の水冷方式の電力変換装置の構成を説明する。
図３において、２つの半導体スイッチング素子１０１が、１つの板状の冷却体１０２に固定されている。冷却体１０２の両側には、主配管（給水側）１０３と主配管（排水側）１０４が配置されている。主配管（給水側）１０３と冷却体１０２とは、分岐配管（給水側）１０５で接続されている。同様に、主配管（排水側）１０４と冷却体１０２とは、分岐配管（排水側）１０６で接続されている。なお、冷却体１０２は、軸方向に直列に複数配置されている。

図４において、冷却体１０２と分岐配管（給水側）１０５とは、冷却体１０２の背面側に設けられた給水口１０７を介して接続されている。同様に、冷却体１０２と分岐配管（排水側）１０６とは、冷却体１０２の背面側に設けられた排水口１０８を介して接続されている。

なお、冷却体２の背面側に配置されている給水口１０７および排水口１０８は、各主配管の近傍であって、軸方向の中央付近に配置されている。
次に、従来の水冷方式の電力変換装置の動作を説明する。

図３および図４において、例えば冷却水が、主配管（給水側）１０３の内部を流れる。そして、冷却水は、分岐配管（給水側）１０５を通り、給水口１０７を介して冷却体１０２の内部に流入する。

このとき、冷却体１０２の内部を冷却水が通過することにより、冷却体１０２に固定された半導体スイッチング素子１０１が冷却される。そして、冷却体１０２の内部を通過した冷却水は、排水口１０８を介して、分岐配管（排水側１０６）を通って、主配管（排水側）１０４へ排出される。

以上が、従来の水冷方式の電力変換装置の冷却構造の説明である。

特開２００５−１１７８２９号公報

このような従来の水冷方式の電力変換装置の冷却構造には、以下のような課題があった。
従来の電力変換装置では、各分岐配管として例えばフレキシブル配管を使用する場合において、主配管（給水側）１０３と給水口１０７との間、そして、主配管（排水側）１０４と排水口１０８との間のそれぞれの距離が短いため、組み立て性がよくないという問題があった。

フレキシブル配管は縮む量が少ない。そのため、配管が短いと、組み立て誤差の吸収が十分にできない。そのため、実際の組み立て時において、短いフレキシブル配管は、過度に縮ませられながら組み立てられることになる。すると、配管系のどこかに無理な力がかかるような事態が生じてしまう。また、このような短いフレキシブル配管を用いた電力変換装置は、組み立ての順序にも制約ができてしまうほか、メンテナンスや分解、交換作業も容易ではない。

さらに、従来の電力変換装置は、冷却体１０２の両側に各主配管が配置されているため、全体の幅寸法が大きくなってしまうという問題もあった。
そこで、本発明は、上記の課題を解決するために、電力変換装置の組み立て性を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電力変換装置は、半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、前記排出用分岐配管の距離が、前記排出口から前記供給用主配管までの距離よりも長く設定され、前記供給用主配管および前記排出用主配管が、前記冷却体の中心位置の近傍に配置されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、前記供給用分岐配管の距離が、前記供給口から前記排出用主配管までの距離よりも長く設定され、前記供給用主配管および前記排出用主配管が、前記冷却体の中心位置の近傍に配置されていることを特徴としている。

また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、前記排出用分岐配管の距離が、前記排出口から前記供給用主配管までの距離よりも長く設定されており、前記供給用分岐配管の距離が、前記供給口から前記排出用主配管までの距離よりも長く設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、電力変換装置の組み立て性を向上させることができる。

本発明の実施例の電力変換装置の正面側の斜視図である。 本発明の実施例の電力変換装置の背面側の斜視図である。 従来の電力変換装置の正面側斜視図である。 従来の電力変換装置の背面側斜視図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下の記載は、あくまでも本発明の例示であり、これに限定されるものではない。つまり、当分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形実施を行うことが可能である。

最初に、図１および図２により、本発明の実施例の電力変換装置の冷却構造の構成を説明する。
図１は、本発明の実施例の電力変換装置の正面側の斜視図である。図２は、その背面側の斜視図である。１は半導体スイッチング素子、２は冷却体、３は主配管（給水側）、４は主配管（排水側）、５は分岐配管（給水側）、６は分岐配管（排水側）、７は給水口、８は排水口である。

図１により、電力変換装置の冷却構造の正面側を説明する。
図１では、２つの半導体スイッチング素子１が、１つの板状の冷却体２に固定されている。冷却体２の背面側の中央付近には、主配管（給水側）３と主配管（排水側）４が、冷却体２とは離隔して配置されている。主配管（給水側）３および主配管（排水側）４と冷却体２とは、背面側で分岐配管により接続されているが、この点は後述する。また、冷却体２は、軸方向に直列に複数配置されている。それぞれの冷却体２は、同様に、背面側で分岐配管により冷却体２に接続されている。

冷却体２としては、例えば水冷冷却体を使用することができる。この場合、冷却体２の内部には、冷却水を流通させる空間（冷媒流路）が形成されている。
全体構成としては、冷却水の給水が向かう方向が下方、排水が向かう方向が上方となるように設置されている。そして、上方側にはポンプ（図示しない）が設置されている。ポンプは、主配管（給水側）３および主配管（排水側）４と接続されている。このポンプの働きにより、冷却水が、各主配管の内部を上述した方向に循環させられる。

また、主配管（給水側）３および主配管（排水側）４のそれぞれの配管上（例えば下方側）には、メンテナンス時等に水抜きを行うことのできる水抜き栓（図示しない）が設けられている。

図２により、電力変換装置の冷却構造の背面側を説明する。
図２では、冷却体２と主配管（給水側）３とは、給水口７を介して、分岐配管（給水側）５により接続されている。同様に、冷却体２と主配管（排水側）４とは、排水口８を介して、分岐配管（排水側）６により接続されている。

給水口７は、冷却体２の背面側の下側の角部の近傍に配置されている。排水口は、冷却体２の背面側の上側の角部の近傍に配置されている。
さらに、給水口７は、主配管（排水側）４を挟むようにして、主配管（給水側）３と接続されている。この接続には、分岐配管（給水側）５が用いられている。なお、分岐配管（給水側）５は、主配管（排水側）４の裏側を通って、給水口７に接続している。

一方、排水口８は、主配管（給水側）３を挟むようにして、主配管（排水側）４と接続されている。この接続には、分岐配管（排水側）６が用いられている。なお、分岐配管（排水側）６は、主配管（給水側）の裏側を通って、排水口８に接続している。

分岐配管（給水側）５および分岐配管（排水側）６としては、例えばフレキシブル配管を用いることができる。なお、フレキシブル配管の材質としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム、銅、ゴムなどを用いることができる。

ここで、主配管（給水側）３および主配管（排水側）４は、冷却体２の中心位置の近傍に並列して配置されている。
なお、給水口７と主配管（給水側）３とは、主配管（排水側）４を挟むようにして接続されている。すなわち、給水口７から距離が遠い方の主配管を、主配管（給水側）３として給水口７と接続している。そのため、この接続に使用される分岐配管（給水側）５の長さは、従来例と比較すると長くなっている。

同様に、排水口８と主配管（排水側）４とは、主配管（給水側）３を挟むようにして接続されている。すなわち、排水口８から距離が遠い方の主配管を、主配管（排水側）４として排水口８と接続している。そのため、この接続に使用される分岐配管（排水側）６の長さは、従来例と比較すると長くなっている。

続いて、同じく図１および図２により、本発明の実施例の電力変換装置の動作を説明する。
図１および図２では、図示しないポンプから、冷却水が主配管（給水側）３の内部を通って強制的に送られてくる。そして、送られてきた冷却水は、分岐配管（給水側）５から、給水口７を介して、冷却体２の内部に流入する。

冷却体２の内部に流入した冷却水は、その内部の流路を通ることにより、冷却体２の内部を通過する。このとき、冷却体２の外部に固定された半導体スイッチング素子１より発生する熱損失は、冷却体２の表面を介して、冷却体２の内部の流路を強制的に流れる冷却水に熱伝達される。これにより、半導体スイッチング素子１を冷却して、その温度上昇を抑制することができる。

そして、冷却体２の内部を通過した冷却水は、排水口８を介して、分岐配管（排水側）６を通って、主配管（排水側）４へ排出される。
以上が、本発明の実施例の電力変換装置の構成および動作の説明である。

かくして、本発明の実施例によれば、給水口７と主配管（給水側）３との間の距離（＝分岐配管（給水側）５の長さ）を、給水口７から主配管（排水側）４までの距離よりも長く設定することができる。また、排水口８と主配管（排水側）４との間の距離（＝分岐配管（排水側）６の長さ）を、排水口８から主配管（給水側）３までの距離よりも長く設定することができる。そのため、分岐配管５および６として、例えばフレキシブル配管を使用する場合において、その組み立て性を向上させることができる。

詳しくは次のとおりである。
フレキシブル配管は縮む量が少ない。しかし、本発明の第１の実施例では、給水口７と主配管（給水側）３との間の距離、そして、排水口８と主配管（排水側）４との間の距離を、それぞれ従来構造よりも長く設定している。そのため、フレキシブル配管が、組み立て時の誤差を十分に吸収することが可能となっている。

従って、電力変換装置の冷却構造にフレキシブル配管を使用した場合でも、例えば、組み立て時における２点間への後付けなどを容易に行うことができる。そのため、電力変換装置の冷却構造の組み立て性を向上させることができる。

また、電力変換装置の冷却構造を組み立てる際して、フレキシブル配管を過度に縮ませながら組み立てる必要もなくなる。そのため、電力変換装置の冷却構造の組み立て性を向上させるとともに、配管系に無理な力がかかる事態も防止できる。

さらに、電力変換装置の冷却構造を組み立てる際に、その組み立て順序に制約を受けることもない。
そのほか、電力変換装置の冷却構造のメンテナンスや分解、交換作業も容易に行うことができる。

また、本発明の実施例では、冷却体２の背面側の中央付近（つまり、冷却体２の中心位置の近傍）に、主配管（給水側）３および主配管（排水側）４が配置されている。そのため、電力変換装置の冷却構造の幅寸法を小さくすることができる。従って、電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

以上が、本発明の実施例の効果である。
なお、上記の実施例では、給水口７から主配管（給水側）３までの距離と、排水口８から主配管（排水側）４までの距離が、ともに長く設定されている。しかし、どちらか一方の距離だけを長く設定した場合であっても、その分、組み立て性を向上させることができる。

また、上記の実施例では、主配管（給水側）３と主配管（排水側）４を、冷却体２の中央付近に配置している。しかし、従来構造と同様に、主配管（給水側）３と主配管（排水側）４を冷却体２の両側に配置して、給水口７と排水口８の位置を従来例と反対に設置してもよい。

つまり、主配管（給水側）３から遠い位置に給水口７を設置し、主配管（排水側）４から遠い位置に排水口８を設置する。これにより、主配管（給水側）３から給水口７までの距離を長くすることができる。また、主配管（排水側）４から排水口８までの距離も長くすることができる。

そのほか、上記の実施例では、冷却体２として、水冷冷却体を使用したが、これに限定されるものではない。その他の冷媒を冷却液として使用する冷却体を使用することができる。

さらに、上記の実施例では、各分岐配管として、フレキシブル配管を使用したが、これに限定されるものではない。フレキシブル配管のように伸縮が可能な材質を有するものであれば使用することができる。

そのほか、上記の実施例において、冷却体２は矩形状である。しかし、冷却体２の形状は矩形状に限定される必要はない。正方形状でも略円柱などの形状であってもよい。
また、半導体スイッチング素子１を相ごとに分けて別々の冷却体２に取り付け、各主配管は各冷却体２の相ごとに接続し、各冷却体２を直列に接続することもできる。具体的には、冷却体２に取り付けられた半導体スイッチング素子１を、上方から下方へ順番に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とする。この場合には、各主配管を相ごとに直列に接続することができるため、配管の簡素化を図ることができる。

なお、上記の実施例において、冷却対象は半導体スイッチング素子１であるが、これに限定されるものではない。半導体スイッチング素子以外でも、半導体スイッチング素子で変換した電流を平滑するコンデンサや、コンデンサの電圧バランスを取るための抵抗、半導体スイッチング素子のサージ電圧を抑制するためのコンデンサや抵抗や、その他リアクトル、基板などを冷却対象とすることもできる。

そのほか、上記の実施例において、給水口７および排水口８は、半導体スイッチング素子１が取り付けられた外面（正面）とは反対側の面（背面）に設けられているが、これに限定されるものではない。可能であれば、給水口７および排水口８は、正面に設けられていてもよい。

さらに、上記の第１および第２の実施例において、主配管（給水側）３、主配管（排水側）４、分岐配管（給水側）５、分岐配管（排水側）６は筒状の配管であるが、この形状に限定されるものではない。これらの配管の形状は、板状などの筒状以外の形状であってもよい。

１ 半導体スイッチング素子
２ 冷却体
３ 主配管（給水側）
４ 主配管（排水側）
５ 分岐配管（給水側）
６ 分岐配管（排水側）
７ 給水口
８ 排水口

Claims (6)

1. 半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、
   該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、
   前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、
   前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、
   前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、
   前記排出用分岐配管の距離が、前記排出口から前記供給用主配管までの距離よりも長く設定され、
   前記供給用主配管および前記排出用主配管が、前記冷却体の中心位置の近傍に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、
   該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、
   前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、
   前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、
   前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、
   前記供給用分岐配管の距離が、前記供給口から前記排出用主配管までの距離よりも長く設定され、
   前記供給用主配管および前記排出用主配管が、前記冷却体の中心位置の近傍に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 半導体素子が取り付けられて内部に冷却液の流れる流路が形成された冷却体と、
   該冷却体の外面に設けられた供給口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の内部へ供給する供給配管と、
   前記冷却体の外面に設けられた排出口を介して前記冷却体に接続し、前記冷却液を前記冷却体の外部へ排出する排出配管とを備え、
   前記供給配管が、前記冷却体に離隔して設けられた供給用主配管と、該供給用主配管から前記供給口までを接続する供給用分岐配管とから構成され、
   前記排出配管が、前記冷却体に離隔して設けられた排出用主配管と、該排出用主配管から前記排出口までを接続する排出用分岐配管とから構成され、
   前記排出用分岐配管の距離が、前記排出口から前記供給用主配管までの距離よりも長く設定されており、
   前記供給用分岐配管の距離が、前記供給口から前記排出用主配管までの距離よりも長く設定されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記供給用主配管および前記排出用主配管が、前記冷却体の中心位置の近傍に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記供給用分岐配管または前記排出用分岐配管の少なくとも１つが、フレキシブル配管であることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記電力変換装置が多相の電力変換装置であり、
   前記半導体素子が相ごとに分かれて複数の前記冷却体にそれぞれ取り付けられ、
   異なる相の前記半導体素子を取り付けた複数の前記冷却体が、直列に配管接続されていることを特徴とする電力変換装置。

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