JP6728667B2 - 冷却装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器における半導体スイッチング素子等の発熱体を少ない風量で効率良く冷却することのできる冷却装置、並びに電力変換器を搭載した複数台の冷却装置を筐体内に収納して構築される電力変換装置に関する。

図４は複数の電力変換器１を箱型の筐体２に収納して構成される従来一般的な電力変換装置３の概略構成例を示す図で、図４(ａ)は前記電力変換装置３の内部構造を前面側から見たときの構成を、また図４(ｂ)は前記電力変換装置３の内部構造を側面側から見たときの構成を示している。尚、図中４は前記筐体２の上部に設けられて前記電力変換器１の動作に伴って暖められた該筐体２の内部の空気を外部に排出する吸気ファンである。このように構成された電力変換装置３については、例えば特許文献１等に詳しく開示される通りである。

ここで前記電力変換器１は、通常、電力変換素子としての半導体スイッチング素子等からなる発熱体を備えており、この発熱体を冷却する為の冷却装置５を一体に備えて構成される。この冷却装置５は、例えば図５にその概略構成を模式的に示すように、一面を前記発熱体の搭載面とし、他面に複数の放熱フィン６を平行に突設した受熱体７と、前記放熱フィン６を覆って設けられた風洞体８とを備えて構成される。

この風洞体８は、前記放熱フィン６の両端部にそれぞれ対峙する端面に開口部を備え、これらの開口部間に空気の通流路を形成したものである。即ち、前記風洞体８は、一方の開口部から導入した空気を、前記放熱フィン６に沿って通流させて他方の開口部に向けて導く空気の通流路を形成する。前記受熱体７および前記放熱フィン６は、前記発熱体から発せられる熱を伝達し、前記通流路を流れる空気との間で熱交換することで前記発熱体を冷却する役割を担う。尚、図中９は、前記風洞体８の前記他方の開口部に連接された補助風洞体である。

ちなみに前記放熱フィン６は、一般的には前記電力変換器１を前記筐体２に収納した状態において該電力変換器１の一端部が対峙する前記筐体２の前面側から、前記電力変換器１の他端部が対峙する前記筐体２の背面側に向けて延びるように設けられている。従って前記冷却装置５は、図６(ａ)(ｂ)に示すように前記放熱フィン６に沿って該冷却装置５の一方の端部（前面側）から他方の端部（背面側）に向う空気流を形成して前記電力変換器１の発熱体を冷却する。尚、図６(ａ)は前記冷却装置５を下面側から見たときの空気の流れを示しており、図６(ｂ)は前記冷却装置５を側面側から見たときの空気の流れを示している。

従って上記構成の冷却装置５をそれぞれ備えた複数台の電力変換器１を上下方向に積み重ねて前記筐体２に収納した前記電力変換装置３においては、図４(ａ)(ｂ)に示すように前記筐体２の前面側から該筐体２内に導入された空気は、前記各冷却装置５の前面側から背面側に向けて前記風洞体８内の前記放熱フィン６に沿ってそれぞれ流れる。そして前記電力変換器１の発熱体からの熱を吸熱して前記冷却装置５の背面側から排出される空気は、前記筐体２の背面側奥部の空間２ａを介して前記吸気ファン４によって吸い込まれて該筐体２の外部に放出される。

特開２０１２−１８６３５２号公報

ところで前記電力変換器１に一体に設けられて前記筐体２に収納される前記冷却装置５の放熱フィン６は、図４〜図６に示したように前記筐体２の前後方向にフィン面が延びるように設けられる。そして前記放熱フィン６を覆って設けられる前記風洞体８は、前記放熱フィン６の全長に亘って一方向に空気が通流するように設けられる。この為、前記風洞体８によって形成される空気の通流路が長くなり、該通流路内における圧力損失の増大を招くことが否めない。しかもこの圧力損失に起因して前記風洞体８内を通流する空気量が低下し、前記放熱フィン６との間での熱交換によって温度上昇する空気流が前記通流路の風上側と風下側とで大きな温度差を生じる。

このような不具合を解消するには、例えば前記吸気ファン４として吸引能力の大きい大型のものを用いたり、或いは圧力損失が小さくなるように前記放熱フィン６の形状を工夫することが必要となる。しかし前記吸気ファン４の吸引能力を高めた場合には、その作動音（羽切り音）が大きくなると共にコストアップの要因となる。また前記放熱フィン６での圧力損失を低減した場合、逆に該放熱フィン６の放熱性能が劣化すると言う問題が生じる。

また前記放熱フィン６の局所的な温度上昇を防ぐには、例えば前記吸気ファン４の風量を大きくして前記通流路内を通流する空気の絶対量を増やしたり、前記放熱フィン６を大型化してその放熱性能を高めることが必要となる。しかしこのような対策を施すと前記冷却装置５のみならず前記電力変換装置３が大型化し、その製造コスト（部品コスト）が増大すると言う問題が生じる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、製造コスト（部品コスト）の増大を招くことなしに放熱フィンでの放熱性能を高めて発熱体を効率的に冷却することのできる冷却装置を提供することにある。

更に本発明は、複数の電力変換器をそれぞれ搭載した上記構成の複数台の冷却装置を上下方向に積み重ねて箱型の筐体内に収納して電力変換装置を構成する場合であっても、前記複数台の電力変換器を効率的に冷却することのできる電力変換装置を提供することを目的としている。

上述した目的を達成するべく本発明に係る冷却装置は、
一面を発熱体の搭載面として該発熱体が発する熱を受熱する、例えば熱伝導率の高い材料からなる矩形平板状の受熱体と、
前記搭載面とは反対側の前記受熱体の他面に該受熱体の一側辺と平行に突設された複数条の放熱フィンと、
前記複数条の放熱フィンの両端部にそれぞれ対向する二つの開口部を有し、前記複数の放熱フィンを一括して覆って設けられて該放熱フィン間に前記二つの開口部からそれぞれ流入する空気の通流路を形成した風洞体と、
前記空気の通流路の略中央に位置して前記風洞体に開口されて前記通流路を通流する空気を前記受熱体とは反対側に向けて排出する排出口と
を備えたことを特徴としている。

また前記冷却装置は、更に前記排出口に連通して設けられて、該排出口から排出される空気を前記放熱フィンの延在方向と直交する向きに変位させて導く補助風洞体を備えて構成されることを特徴としている。

好ましくは前記放熱フィンは、例えば前記受熱体と一体に形成されたプレートフィンからなる。また前記排出口は、好ましくは前記風洞体における前記受熱体の他面に対峙する部位に前記複数の放熱フィンの並び方向の幅に亘って設けられる。尚、前記発熱体は、例えば電力変換器における電力変換素子、具体的には半導体スイッチング素子からなる。また前記風洞体によって形成された通流路に流れる空気は、例えば吸気ファンにより強制的に吸引されて前記放熱フィンを除熱する空気流をなす。

また本発明に係る電力変換装置は、電力変換器をそれぞれ搭載した上述した構成の複数台の冷却装置を上下方向に積み重ねて箱型の筐体内に収納して構成されるものであって、
前記筐体は、該筐体の幅方向の両側面に前記風洞体の開口部を対峙させて前記複数台の冷却装置をそれぞれ収納する構造を有し、
前記筐体の前面部に設けた吸気口と前記各冷却装置の前記開口部との間に形成した第１の空気通流路、並びに前記筐体の上部に設けられた排気口と前記複数の冷却装置の前記各排出口との間に形成した第２の空気通流路とを備えたことを特徴としている。

好ましくは前記第２の空気通流路は、前記筐体内に積み重ねて収納された前記複数台の冷却装置の後側に位置する前記筐体の背面側奥部に形成される。また前記排気口には、例えば前記筐体内の空気を外部に排出する吸気ファンを設けることが好ましい。

上記構成の冷却装置によれば、前記受熱体に平行に突設されて一方向に延びる前記複数の放熱フィンと前記風洞体とによって形成される空気の通流路は、前記風洞体の略中央部に開口された前記排出口を挟んで２つの領域に区分される。そして前記放熱フィンの両端部にそれぞれ対向して設けられた前記開口部から前記風洞体内にそれぞれ流入する空気は前記放熱フィンに沿って通流し、前記排出口から外部に排出される。従って前記複数の放熱フィンと前記風洞体とによって形成される空気の通流路の長さを前記放熱フィンの長さの略半分にすることができる。即ち、前記開口部から前記排出口に至る空気の通流路の長さを、前記放熱フィンの全長に亘って空気の通流路を形成する場合の略半分程度に短くすることができる。

この結果、前記放熱フィンと前記風洞体とによって形成される通流路の流路断面積を変えることなしに該通流路を通流する空気の圧力損失を抑えることができる。従って前記通流路での圧力損失を抑えることができる分、該通流路を通流する空気の流量を多くすることができるので前記放熱フィンに対する除熱効率を高めることが可能となる。

また前記構成の電力変換装置は、上下方向に積み重ねて箱型の筐体に収納される複数台の冷却装置における前記風洞体の開口部を、それぞれ前記筐体の幅方向の両側面に対峙させて設ける。そして前記筐体の前面部に設けた吸気口と前記各冷却装置の前記開口部との間に第１の空気通流路を形成すると共に、前記筐体の上部に設けられた排気口と前記複数の冷却装置の前記各排出口との間に第２の空気通流路を形成した構造をなす。

上記構成の電力変換装置によれば、前記筐体の前面部に設けた吸気口から該筐体内に導入される空気は、前記筐体の両側面に沿って前記各冷却装置の風洞体内に導かれる。そして各風洞体からそれぞれ排出される空気は、前記複数の冷却装置の後側に位置する前記筐体の背面側奥部を介して前記吸気ファンが設けられた前記筐体内の上部に導かれる。従って前記電力変換装置によれば、前記筐体の内部において、上下方向に積み重ねられた複数台の冷却装置を囲むように前記筐体の前面側から両側面部、更には背面側奥部を介してその上部に至る空気の通流路を形成することができる。

この結果、前記筐体が形成する内部空間を有効に活用して前記複数台の冷却装置をそれぞれ冷却するに必要な空気を供給すると共に、各冷却装置からそれぞれ排出される空気を効率的に外部に排気することができる。従って前記複数台の冷却装置がそれぞれ搭載された電力変換器の発熱体を効率的に冷却することが可能となる。更には前記複数台の冷却装置に対する冷却効率を高め得る分、前記吸気ファンに要求される吸引能力を低く抑え、該吸気ファンの作動音、いわゆる羽切り音を低減することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

本発明の一実施形態に係る冷却装置とこの冷却装置を一体に備えて構成される電力変換器の概略構成を模式的に示す図。 図１に示す冷却装置における空気の流れを示す図。 本発明に係る電力変換装置の概略構成と該電力変換装置における空気の流れを示す図。 従来の電力変換装置の概略構成例と該電力変換装置における空気の流れを示す図。 従来の冷却装置の概略的な構成例を模式的に示す図。 図５に示す冷却装置における空気の流れを示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る冷却装置、並びにこの冷却装置を一体に備えて構成される複数の電力変換器を上下方向に積み重ねて箱型の筐体内に収納して構成される電力変換装置について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る冷却装置１１と、この冷却装置１１を一体に備えて構成される電力変換器１０の概略構成を模式的に示す図である。前記冷却装置１１は、前記電力変換器１０における発熱体（図示せず）を冷却する役割を担うもので、一面を前記発熱体の搭載面とした矩形平板状の受熱体１２を備える。この受熱体１２は、例えばアルミニウム（Ａl）等の熱伝導の高い素材からなり、前記発熱体が発する熱を受熱する。また前記発熱体の搭載面とは反対側の前記受熱体１２の他面には、該受熱体１２の一辺と平行に所定高さの複数条の放熱フィン１３が前記受熱体１２と一体に突設されている。これらの放熱フィン１３は、所定の配列ピッチで前記受熱体１２の他面の全域に亘って平行に並ぶプレートフィンからなる。

また前記受熱体１２には、前記複数条の放熱フィン１３を覆って風洞体１４が設けられている。この風洞体１４は、前記放熱フィン１３が延在する方向の両端部に、該放熱フィン１３の端部に対峙する開口部１４ａを有するもので、その内部に前記複数条の放熱フィン１３に沿う空気の通流路を形成したものである。尚、前記受熱体１２に搭載された前記電力変換器１０を含んで前記放熱フィン１３を覆う該電力変換器１０の箱型の筐体を前記風洞体１４とみなすことも勿論可能である。この場合、前記筐体の両側部に前記開口部１４ａが設けられることになる。

また前記風洞体１４には、前記空気の通流路の略中央に位置して前記通流路を通流する空気を排出する為の排出口１４ｂが開口されている。そしてこの実施形態においては、更に前記風洞体１４の前記排出口１４ｂに連通して補助風洞体１５が設けられている。この補助風洞体１５は、図１において背面側となる一面に排気口を備えたもので、前記風洞体１４内を通流し、前記排出口１４ｂから排出された空気を前記電力変換器１０の背面側に導く役割を担う。

ちなみに上述した如く構成された冷却装置１１を備えて構成される複数台の前記電力変換器１０は、例えば図３(ａ)(ｂ)に示すように上下方向に積み重ねて箱型の筐体２１に収納されて電力変換装置２０を構成する。特に前記複数台の電力変換器１０は、前記各冷却装置１１における前記放熱フィン１３が延在する向きが前記筐体２１の幅方向となる向きに、換言すれば前記風洞体１４の両側部に設けられた開口部１４ａが前記筐体２１の側壁面に所定の間隙を隔ててそれぞれ対峙するようにして前記筐体２１に収納される。

そして前記筐体２１は、該筐体２１の前面側に設けた吸気口（図示せず）からその両側面に向けて、前記冷却装置１１の両端部に設けられた前記開口部１４ａに至る第１の空気通流路を形成している。

また前記筐体２１の上面部には、該筐体２１内の空気を吸引して該筐体２１の外部に排気する吸気ファン２２が設けられている。また前記筐体２１の背面側奥部には、前記複数の冷却装置１１の背面と前記吸気ファン２２との間を結ぶ第２の空気通流路が形成されている。そして前記吸気ファン２２は、前記複数台の電力変換器１０を収納した前記筐体２１の背面側奥部に形成される空間部（第２の空気通流路）２１ａを介して該筐体２１内の空気を外部に強制的に排気するものとなっている。

尚、図３(ａ)は前記電力変換装置２０を前面側から見たときの概略構成と、該電力変換装置２０における空気の流れ模式的に示している。また図３(ｂ)は前記電力変換装置２０を側面側から見たときの概略構成と、該電力変換装置２０における空気の流れを模式的に示している。

このように構成された前記電力変換装置２０によれば前記吸気ファン２２による前記筐体２１内の空気の吸引作用により、図３(ａ)(ｂ)に示すように、例えば前記筐体２１の前面側から該筐体２１の内部に外気（空気）が導入される。そして前記筐体２１の内部に導入された空気は、前記第１の空気通流路を介して前記冷却装置１１にそれぞれ導かれ、該冷却装置１１を介して前記筐体２１の背面側奥部に導かれる。具体的には前記冷却装置１１に導かれた空気は、前記風洞体１４内において前記放熱フィン１３に沿って流れた後、前記補助風洞体１５を通って前記筐体２１の背面側奥部に排出される。その後、前記筐体２１の背面側奥部に導かれた空気は、前記吸気ファン２２により吸引されて外部に排出される。

特に前記冷却装置１１においては、図２(ａ)(ｂ)に示すように前記風洞体１４の両端の前記開口部１４ａから該風洞体１４に流入した空気は前記複数条の放熱フィン１３に沿って該風洞体１４の中央部に向かって通流する。そして前記風洞体１４を通流する空気は前記冷却装置１１の下面側の略中央部に設けられた前記排出口１４ｂから排出された後、前記補助風洞体１５を介して前記電力変換器１０の背面側に導かれる。尚、図２(ａ)は前記冷却装置１１を前面側から見たときの空気の流れを模式的に示しており、また図２(ｂ)は前記冷却装置１１を側面側から見たときの空気の流れを模式的に示している。

従って上述した如く構成された前記冷却装置１１によれば、前記放熱フィン１３に沿って流れる空気の流路長は該放熱フィン１３の伸延する長さの略半分となる。従って前記空気流が前記放熱フィン１３が形成した空気の通流路での空気抵抗が減り、該通流路での圧力損失を抑えることができる。この結果、前記放熱フィン１３に沿って流れる空気流を、その風量を低減させることなく通流させることが可能となり、該放熱フィン１３における冷却効率を維持することが可能となる。

従って前記構成の冷却装置１１によれば、前記吸気ファン２２を大型化して吸引能力を高めたり、或いは前記吸気ファン２２の風量を大きくする必要がない。また前記放熱フィン１３の形状を工夫して空気抵抗を減らしたり、大型化して放熱面積を拡大する等の対策も不要となる。故に前記冷却装置１１の大型化を招来することなしに前記電力変換器１０に対する必要な冷却能力を確保することが可能となる。

特に前記電力変換器１,１０が直方体形状を有し、前記冷却装置５,１１における放熱フィン６,１３が前記電力変換器１,１０の長手方向に沿って設けられるような場合、従来の電力変換装置３においては前記放熱フィン６が延在する方向が前記筐体２の前後方向となる向きに前記電力変換器１が設けられる。この点、この実施形態においては前記放熱フィン１３の長さが前記電力変換器１における前記放熱フィン６と同じであっても、該放熱フィン１３が延在する方向が前記筐体２１の幅方向となる向きに前記電力変換器１０が設けられる。

従って前記放熱フィン１３に沿って流れる空気の流路長を、実質的に従来の冷却装置５において前記放熱フィン６に沿って流れる空気の流路長の半分にすることができる。この結果、本発明によれば前記放熱フィン１３に沿って形成される流路の流路長に依存する空気摩擦損失を低減し、該放熱フィン１３の放熱性能を十分に引き出すことができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば矩形状の平板体からなる前記受熱体１２の大きさは前記電力変換器１０の大きさ、具体的には前記電力変換器１０の平面的な大きさに適合した形状・大きさものであれば十分である。また前記放熱フィン１３については前記受熱体１２の全面に亘って設けるようにすれば良く、その高さについても前記電力変換器１０から発せられる熱量に応じて定めれば十分である。更には実施形態においては、前記電力変換器１０の下面側に前記冷却装置１１を一体に設けた例について示したが、前記電力変換器１０の上面側に設けることも勿論可能である。

また前記風洞体１４に設ける排出口１４ｂの位置については、例えば前記電力変換器１０における発熱体のレイアウト位置によって変化する前記受熱体１２の温度分布を考慮した上で設定するようにしても良い。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１０ 電力変換器
１１ 冷却装置
１２ 受熱体
１３ 放熱フィン
１４ 風洞体
１４ａ 開口部
１４ｂ 排出口
１５ 補助風洞体
２０ 電力変換装置
２１ 筐体
２２ 吸気ファン

Claims (8)

1. 一面を発熱体の搭載面として該発熱体が発する熱を受熱する矩形平板状の受熱体と、
   この受熱体の他面に該受熱体の一側辺と平行に突設された複数条の放熱フィンと、
   前記複数条の放熱フィンの両端部にそれぞれ対向する二つの開口部を有し、前記放熱フィンを覆って設けられて前記二つの開口部からそれぞれ流入する空気の通流路を形成した風洞体と、
   前記空気の通流路の略中央に位置して前記風洞体に開口されて前記通流路を通流する空気を排出する排出口と
   を具備したことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   更に前記排出口に連通して設けられて、該排出口から排出される空気を前記放熱フィンの延在方向と直交する向きに変位させて導く補助風洞体を備えることを特徴とする冷却装置。
3. 前記放熱フィンは、前記受熱体と一体に形成されたプレートフィンである請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記排出口は、前記受熱体の他面に対峙する部位に前記複数の放熱フィンの並び方向の幅に亘って設けられるものである請求項１または２に記載の冷却装置。
5. 前記発熱体は、電力変換器における電力変換素子であって、
   前記風洞体によって形成された通流路に流れる空気は、吸気ファンにより強制的に吸引されるものである請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 電力変換器を搭載した請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置を複数台、上下方向に積み重ねて箱型の筐体内に収納して構成される電力変換装置であって、
   前記筐体は、該筐体の幅方向の両側面に前記風洞体の開口部を対峙させて前記複数台の冷却装置をそれぞれ収納する構造を有し、
   前記筐体の前面部に設けた吸気口と前記各冷却装置の前記開口部との間に形成した第１の空気通流路と、
   前記筐体の上部に設けられた排気口と前記複数の冷却装置の前記各排出口との間に形成した第２の空気通流路とを具備したことを特徴とする電力変換装置。
7. 前記第２の空気通流路は、前記筐体内に積み重ねて収納された前記複数台の冷却装置の後側に位置する前記筐体の背面側奥部に形成されるものである請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記排気口には、前記筐体内の空気を外部に排出する吸気ファンが設けられる請求項６に記載の電力変換装置。

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