JP6564339B2

JP6564339B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6564339B2
Application number: JP2016065353A
Authority: JP
Inventors: 晃嗣濱埜; 雅之広田; 山崎　正; 正山崎
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2017184359A

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に電力変換装置の冷却構造に関する。

入力電力の変換に用いられるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＤＭ（ダイオードモジュール）などの半導体は、電力変換時に発生する電気的損失により発熱するため、この半導体を冷却する構造が必要になる。

例えば特許文献１には、本体ケースの吸気口から取り入れられた外部の空気が、主回路基板の上部から、切り欠き貫通孔、ケーシング下部の切り欠き通風孔の順に流れた後、冷却フィンを通ってファンにより吸い出されるようにして、装置内部を循環させるようにした電力変換装置が開示されている。

特開２００９−０３３９１０号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、冷却ファンに依存した構造となっているため、必ずしも効率的な冷却構造ではなく、冷却性能が十分ではなかった。

本発明の目的は、半導体からの発熱に対する冷却性能に優れた電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る電力変換装置の好ましい実施形態としては、本体ケース内に、半導体と、該半導体の熱を放熱する冷却フィンブレードと該冷却フィンブレードを支持するフィンベースとから構成される冷却フィンと、前記半導体が発生する熱を冷却するための冷媒を封入する封入部を有する板材と、が設けられている電力変換装置であって、前記板材は、前記冷却フィンブレードの先端と前記板材の表面とが接触した状態で前記本体ケースの裏面側に取付けられ、前記半導体は、前記フィンベースに取付けられ、前記本体ケースは、前面の前面板に前記半導体を挿入するための貫通孔が設けられ、前記前面板と直交する上面板に開口部が設けられ、前記前面板の両側端部からそれぞれ後方に側板が延設されている構造にし、前記上面板の開口部から前記冷却フィンブレードに冷却風の供給が可能になるように前記本体ケースの前記上面板の上部に冷却ファンユニットが取付けられていること、を特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置において、半導体からの発熱に対して優れた冷却性能を実現することができる。

実施例１に係る電力変換装置の内部構成を示す図である。実施例１に係る電力変換装置の分解斜視図である。裏板１の斜視図である。実施例２に係る電力変換装置の内部構成を示す図である。

以下に、実施例１に係る電力変換装置について、図１〜図３を用いて説明する。なお、図１は、電力変換装置の内部構成を示すため、本体ケース３及び本体カバー４の一部を省略して示している。

図１及び図２に示すように、電力変換装置は、入力された交流電力を直流電力に変換し、及び直流電力を交流電力に変換する半導体９と、半導体９の熱を放熱する冷却フィン８と、冷却フィン８を収容する本体ケース３と、を有している。

本体ケース３は、半導体９が挿入される貫通孔３ｂが形成された前面板３ａと、前面板３ａの両側端部からそれぞれ後方に延設された側板３ｃと、前面板３ａの上端部から後方に延設された上面板３ｄと、を有している。前面板３ａと対向する側は開口部３ｅとなっている。

冷却フィン８は、フィンベース１１と、フィンベース１１から立設した複数の冷却フィンブレード１２を有しており、その全体が、本体ケース３の前面板３ａ、側板３ｃ、上面板３ｄで囲まれた空間に収容されている。本体ケース３としては、例えば金属材料や樹脂材料により形成したものを用いることができる。本体ケース３を、例えばアルミダイキャスト等の金属材料により形成することで、本体ケース３自体の強度を十分に確保でき、後述する裏板１が取り外された状態でも、本体ケース３単独で冷却フィン８を保持できるため好ましい。

半導体９は、冷却フィン８の有するフィンベース１１の表面に例えばネジにより取り付けられており、本体ケース３の前面板３ａに形成された貫通孔３ｂに挿入されている。半導体９を駆動する主回路基板１０は、本体ケース３の前面板３ａに隣設されている。主回路基板１０には、半導体９の冷却フィンベース１１への取付け面と反対側の面が半田接続されている。

半導体９及び主回路基板１０を保護する本体カバー４は、本体ケース３の前面板３ａ側に、半導体９及び主回路基板１０の前面を覆うように取り付けられている。

本体カバー４は、本体カバー４の前面板３ａへの設置面と直交する面のうち、下面Ｂが開口されている。また、本体カバー３の前面板３ａへの設置面と直交する面のうち、上面Ａには、複数の開口部４ａが形成されており、空気の流出入が可能に形成されている。本体カバー４には、その正面手前側に、端子台カバー５、表面カバー６、操作パネルユニット７が配置されている。

冷却フィン８としては、例えば冷却フィンベース１１に形成された複数の溝部に、平板状の冷却フィンブレード１２が嵌め込まれ、かしめ固定された嵌め込み式の冷却フィンを用いることができる。また、冷却フィン８としては、押出成形により形成された押出しフィンを用いてもよい。また、冷却フィンベース１１に円柱状や角柱状のピンフィンが形成された冷却フィンを用いてもよい。中でも押出しフィンは、各々のブレードの断面積が比較的大きく、裏板１への熱伝導の伝導効率が高いため、好適に用いることができる。

本体ケース３の側板３ｃの端部には、開口部３ｅを覆うように裏板１が設置されている。裏板１は、電力変換装置の壁面取付け時における、本体ケース３の強度を向上させる機能を有するとともに、冷却フィンブレード１２から伝達された熱を冷却する冷却機能を有している。図３に示すように、裏板１には、冷媒の封入部１ａとなる空間が形成されており、この空間内に冷媒が封入される。冷媒としては、例えば、水や油等の液体や、これらの液体を含浸させたシート材を用いることができる。裏板１は、封入部１ａを冷却フィンブレード１２の先端と接触させて設置されている。裏板１は、高い熱伝導率を得る観点から、金属製の板材を好適に用いることができる。但し、裏板１の材質は、必ずしも金属材料には限定されず、例えば樹脂材料であってもよい。

裏板１は、本体ケース３に対して着脱自在に設置されている。具体的には、裏板１を、本体ケース３に爪止めにより装着したりねじ止めにより装着したりすることにより、冷却フィン８に対して着脱自在に設置することができる。

本体ケース３の上面板３ｄには、半導体９の熱を冷却する冷却ファンユニット２が設置されている。冷却ファンユニット２は、本体ケース３に対して着脱自在に設置されている。

図１〜図２に示す例では、半導体９で発生した熱は、冷却フィンベース１１によって四方に拡散された後、冷却フィンブレード１２に伝達され、冷却フィンブレード１２と接触配置されている裏板１に伝導される。裏板１に伝導された熱は、封入部１ａに封入された冷媒により熱交換され、液冷される。例えば冷媒として水を用いた場合には、封入部１ａ内の水は、冷却フィンブレード１２から裏板１に伝達された熱と熱交換して気化する。冷却フィンブレード１２から裏板１への熱伝導が終了した後は、封入部１ａ内で気化した水蒸気が冷却されて液化し、封入部１ａ内に水として貯留される。

なお、裏板１が、冷却フィンブレード１２の先端から隔離して設置されている場合には、半導体９から発生した熱を裏板１により冷却する冷却効率を十分に得られない。このため、裏板１を、冷却フィンブレード１２に隙間無く接触させることが好ましい。

また、冷却フィンブレード１２に伝達された熱の一部は、冷却フィン８の上方に装着された冷却ファンユニット２によって強制空冷される。このように、電力変換装置では、冷却ファンユニット２と併せて、裏板１を用いることで、半導体９の熱を冷却する冷却性能を一層向上させることができる。

電力変換装置が、複数の定格容量に対応する機種である場合には、裏板１や冷却ファンユニット２を本体ケース３から適宜取り外し、それぞれの定格容量の発熱量に見合った冷却性能となるように適宜調整して、電力変換装置を稼働することができる。

即ち、複数の定格容量に対応する機種では、電力変換時の電気的損失により半導体９から発生する熱の発熱量の差が、最大定格容量での稼働時と最小定格容量での稼働時とで大きいことがある。

電力変換装置では、裏板１及び冷却ファンユニット２を、それぞれ、本体ケース３に対して着脱自在に装着しているため、冷却性能の自由度を向上させることができ、各々の定格容量の発熱量に見合った冷却性能に調整することができる。このため、例えば最大定格容量での発熱量に見合った冷却性能が確保されるようにした場合に生じる、無駄な冷却スペースや無駄な消費電力を削減した状態で、電力変換装置を稼働することができる。

具体的には、例えば産業用インバータ等の、３つ乃至４つの定格容量に対応する機種において、最大の定格容量では、冷却ファンユニット２と裏板１の双方を装着した状態で電力変換装置を稼働することができる。この場合、半導体９からの発熱は、冷却ファンユニット２による強制空冷と裏板１による液冷の双方により冷却される。このため、半導体９からの発熱量が多い場合でも、十分に冷却することができる。また、中程度の定格容量で稼働する場合には、冷却ファンユニット２又は裏板１を、本体ケース３から外した状態で、電力変換装置を稼働することができる。

また、最小の定格容量では、冷却ファンユニット２と裏板１の双方を本体ケース３から取り外して、電力変換装置を稼働することができる。この場合、半導体９からの発熱は、冷却フィン８による自然空冷により冷却される。このため、冷却に要する無駄なスペースや無駄な消費電力を削減した状態で、電力変換装置を稼働することができる。

以上説明した実施例１の電力変換装置によれば、冷媒の封入部１ａを有する裏板１を、半導体９から発生する熱の冷却に用いることができるため、装置全体のサイズを増大させることなく、冷却機能を向上させることができる。このため、例えば同サイズの電力変換装置において設定可能な複数の定格容量のうち、最大定格容量の仕様の装置でも、十分な冷却性能を得ることができる。

また、裏板１は、電力変換装置に対して着脱自在とすることが可能である。このため、例えば本体ケース３に対して着脱自在に設置した裏板１の封入部１ａに冷媒を封入することで、冷却性能の自由度を向上させることができ、各定格容量における発熱量に見合った、適切な冷却性能を実現することができる。

なお、実施例１では、裏板１を、本体ケース３に対して着脱自在に設置した例を示したが、裏板１は、冷却フィンブレード１２の先端に接触させた状態で、本体ケース３に固定して設置してもよい。また、実施例１では、冷却ファンユニット２を、本体ケース３に対して着脱自在に設置した例を示したが、冷却ファンユニット２は、本体ケース３に固定して設置してもよい。

実施例２は、実施例１の電力変換装置よりも定格容量の小さい電力変換装置についての実施例である。実施例２の電力変換装置は、図４に示すように、冷却ファンユニット２（図１参照）を装着していない点が、実施例１の電力変換装置と異なっており、その他の構成は、実施例１の電力変換装置と同じである。このため、以下の説明では、実施例１の電力変換装置と共通する構成についての説明は省略する。

実施例２の電力変換装置によれば、冷媒を封入した裏板１を、冷却フィンブレード１２の先端と接触させて配置することで、冷却ファンユニット２を装着しなくても十分な冷却性能を得ることができる。また、実施例２の電力変換装置によれば、発熱量に見合った適切な冷却性能で稼働することができるため、無駄な冷却スペースや無駄な消費電力が削減され、かつ低コストな電力変換装置を実現することができる。

１…裏板、１ａ…冷媒の封入部、２…冷却ファンユニット、３…本体ケース、３ａ…前面板、３ｂ…貫通孔、３ｃ…側板、３ｄ…上面板、３ｅ…本体ケースの開口部、４…本体カバー、４ａ…本体カバーの開口部、５…端子台カバー、６…表面カバー、７…操作パネルユニット、８…冷却フィン、９…半導体、１０…主回路基板、１１…冷却フィンベース、１２…冷却フィンブレード、Ａ…上面、Ｂ…下面

Claims

本体ケース内に、半導体と、該半導体の熱を放熱する冷却フィンブレードと該冷却フィンブレードを支持するフィンベースとから構成される冷却フィンと、前記半導体が発生する熱を冷却するための冷媒を封入する封入部を有する板材と、が設けられている電力変換装置であって、
前記板材は、前記冷却フィンブレードの先端と前記板材の表面とが接触した状態で前記本体ケースの裏面側に取付けられ、
前記半導体は、前記フィンベースに取付けられ、
前記本体ケースは、前面の前面板に前記半導体を挿入するための貫通孔が設けられ、前記前面板と直交する上面板に開口部が設けられ、前記前面板の両側端部からそれぞれ後方に側板が延設されている構造にし、
前記上面板の開口部から前記冷却フィンブレードに冷却風の供給が可能になるように前記本体ケースの前記上面板の上部に冷却ファンユニットが取付けられていること、
を特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置において、前記板材および前記冷却ファンユニットは、前記本体ケースに対して着脱自在に装着されていることを特徴とする電力変換装置。