JP7202053B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置（１００）は、電気部品を収納する外箱と、外箱の蓋であるベース板（３１２）およびピン状の複数のフィン（３１１）を有し、複数のフィン（３１１）が周囲空間に開放されている冷却器（３１）と、複数のフィン（３１１）の中央部に設置され、周囲に配置された冷却器（３１）の複数のフィン（３１１）に送風する、回転翼（３２３）を有する送風機（３２）と、を備える。複数のフィン（３１１）は、送風機（３２）の回転翼（３２３）の翼根元部（３２３ａ）と翼端部（３２３ｂ）とを結んだ直線の方向（Ｆ）に沿って放射状に配設されている。

Description

本開示は、放熱構造を有する電力変換装置に関する。

インバータ装置、コンバータ装置、または充電装置等の電力変換装置においては、小型化および軽量化のために、冷却水設備を用いない空冷方式の放熱構造が知られている。

特許文献１では、第１の筐体と第２の筐体とが、表面に電気部品が実装される第１の金属基板の底面と第２の金属基板の底面とを対向させるように、上下に隣り合って配設され、第１の金属基板と第２の金属基板とが、第１の放熱フィンおよび第２の放熱フィンを介して、熱的に結合されている。板状の第１の放熱フィンおよび板状の第２の放熱フィンは、先端部が接続されることで、ファンにより通流される空気冷媒の流路を構成している。

特開２０１９－２２２９３号公報

特許文献１では、放熱面積を増やすためにフィンを対向させて空気冷媒が流れる流路を形成しており、フィンが周囲空間に開放されていないために、ファンが停止したり、走行風が通流しない場合に、極端な冷却性能の低下を招く。また、電気部品の発熱量が増加する場合には、フィンを大型化するか、送風機の個数の増加、もしくはファンの風量の増加が必要となるため、放熱系を含めた電力変換装置全体の大型化を招き得る。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、効率の良い高い放熱能力を有したまま小型化、軽量化が可能な電力変換装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示における電力変換装置は、電気部品を収納する外箱と、外箱の蓋であるベース板、およびベース板に立設されたピン状の複数のフィンを有し、複数のフィンが周囲空間に開放されている冷却器と、複数のフィンの中央部に設置され、周囲に配置された冷却器の複数のフィンに送風する、回転翼を有する送風機と、を備える。複数のフィンは、送風機の回転翼の翼根元部と翼端部とを結んだ直線の方向である第１方向に沿って放射状に配設されている。

本開示における電力変換装置によれば、効率の良い高い放熱能力を有したまま小型化、軽量化が可能であるという効果を奏する。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す斜視図 実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す断面図 実施の形態１に係る電力変換装置における送風機とフィンとの位置関係を説明するための断面図 実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す上面図 実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す側面図 実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す上面図 実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す断面図 実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す断面図 実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す断面図

以下に、実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。図２は実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、実施の形態１に係る電力変換装置における送風機とフィンとの位置関係を説明するための断面図である。図４は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す上面図である。図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す側面図である。

電力変換装置１００は、例えば、電動化航空機、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに搭載される電力変換装置である。図１から図３に示すように、電力変換装置１００は、主に、外箱２と、冷却装置３と、発熱する複数の電気部品４と、を有する。

外箱２は、電気部品４を覆うように設けられた筐体である。外箱２は、内部に電気部品４を収納し保護する機器領域を有する。冷却器３１は、機器領域と外気とを仕切る蓋の役割を兼ねている。外箱２と冷却器３１とで密閉構造が構成されている。外箱２はアルミニウム、アルミニウム合金またはステンレスなどの金属の薄板で形成される。外箱２内へ水、塵埃が侵入することを防止するために、Ｏリング、ガスケットまたは摩擦攪拌接合等の手段で、外箱２と冷却器３１とが接合されている。図５に示すように、外箱２の外側は必ずしも平滑面を形成する必要はなく、内部を密閉できれば凹凸構造などの放熱構造２１を備えていても良い。さらに、外箱２には水、塵埃が侵入することを防止していれば、変換した電力を送電するためのコネクタ等を設置しても良い。

冷却装置３は、冷却器３１と、送風機３２と、を有する。冷却器３１は、外箱２の蓋の役割を兼ねている。送風機３２は、冷却器３１に風を流す。冷却器３１は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、鉄等の熱伝導率の良い材料で構成されている。冷却器３１は、外箱２の蓋としてのベース板３１２と、ベース板３１２に立設される複数のフィン３１１と、を有する。複数のフィン３１１の上面、側面は、周囲空間に開放されている。ベース板３１２におけるフィン３１１が配置される面と反対側の面に、複数の電気部品４が設置されている。複数の電気部品４が通電されると、一部が電力損失として熱に変換され、複数の電気部品４が発熱して温度が上昇する。この発熱がベース板３１２を介してフィン３１１へ伝導する。フィン３１１へ伝導した熱は、空気を介して周囲へと放熱される。送風機３２は、矢印Ｅに示すように、軸方向中心部３２１から空気を取り込み、軸に対して直角方向に位置した、送風機３２の出口である側面部３２２から空気を排出する遠心式送風機である。側面部３２２から排出された空気は、冷却器３１の複数のフィン３１１の間を通過する。

フィン３１１は、送風機３２の回転翼３２３の翼根元部３２３ａと翼端部３２３ｂを結んだ直線の方向Ｆ（図４中の破線の矢印の方向）に沿って放射状に立設されたピン状のフィンである。破線の矢印の方向Ｆが第１方向に対応する。フィン３１１は、例えば、アルミダイカストあるいは金属３次元プリンタ等で、ベース板３１２と一体成型されている。また、フィン３１１を別途製作し、ベース板３１２に熱伝導率の良い接着剤等で接合しても良いし、かしめ等の機械的な接合をしても良い。また、フィン３１１は、円断面でもよいが、送風機３２から排出された空気の流れに沿うように、空気の流れ方向が長辺となるような楕円断面のピン状のフィンとしたほうが望ましい。また、フィン３１１に関しては、送風機３２から遠方にある程、フィン３１１同士の周方向および径方向（方向Ｆの方向）の間隔が広くなるように、立設されている。

送風機３２は、ベース板３１２に接着剤、ネジ等の手段を用いて固定されている。送風機３２には、図示していないリード線等によって外部から電力が供給されている。送風機３２が固定されている領域および送風機周辺領域５には、フィン３１１が立設していない。送風機周辺領域５は、送風機３２とフィン３１１との間の領域である。送風機周辺領域５は、送風機３２から一定距離以内に入っている円環状の領域である。送風機周辺領域５が第１空間領域に対応する。送風機３２は、前述のとおり、軸方向中心部３２１から空気を取り込み、軸に対して直角方向に位置した送風機３２の出口である側面部３２２から空気を排出する。側面部３２２から排出された空気は、冷却器３１に設置されたフィン３１１の間を通過する。側面部３２２から排出された空気が十分にフィン３１１の間を通過するために、送風機３２は、図３に示すように、送風機３２の側面部３２２の上下方向（フィン３１１の延在方向）の中心位置Ｃが、フィン３１１の立設方向の上端面の位置Ｋに対して低くなるように固定されている。この固定条件を満足するように、ベース板３１２に送風機３２を固定するために、ベース板３１２と送風機３２との間に、取付台等を設けても良い。

次に、実施の形態１における電力変換装置１００の動作について説明する。例えば、電圧を昇圧したり降圧したり、図示しないモータ等を駆動するため、ベース板３１２に設置された半導体素子、トランス、リアクトルなどの電気部品４と、外箱２の下面などの内側に設置された制御基板等の電気部品４が動作する。これらの電気部品４は、動作状態に応じて発熱する。ベース板３１２に設置された電気部品４は、ベース板３１２を介してフィン３１１へ伝導する。フィン３１１へ伝導した熱は、送風機３２から排出された空気と熱交換することで周囲へと放熱されるため、電気部品４が冷却される。外箱２の内側に設置された電気部品４は、外箱２の壁面へ熱が伝導する。外箱２の壁面へ伝導した熱は、外箱２の外側空気と熱交換することで周囲へと放熱されるため、電気部品４が冷却される。

以上のとおり、実施の形態１における電力変換装置１００は、電気部品４を収納する外箱２と、外箱２の蓋であるベース板３１２、およびベース板３１２に立設された複数のフィン３１１を有する冷却器３１と、複数のフィン３１１の中央部に設置され、周囲に配置された複数のフィン３１１に送風する、回転翼を有する送風機３２と、を備える構造であり、冷却器３１で外箱２に蓋をすることで外部から外箱２の内部に水、塵埃が侵入することを防止している。さらに、フィン３１１が周囲空間に開放されているため、万一送風機３２が停止したとしても自然対流によって効率よく電気部品４を冷却することができる。

また、複数のフィン３１１は、送風機３２の回転翼の翼根元部３２３ａと翼端部３２３ｂとを結んだ直線の方向Ｆに沿って放射状に配設されている。また、送風機３２とフィン３１１との間に、フィン３１１が立設されていない空間である送風機周辺領域５が設けられている。また、フィン３１１の断面形状は、方向Ｆが長辺となる楕円である。このような構成によれば、送風機３２の出口である側面部３２２から排出した空気が、フィン３１１に沿って流れるため圧力損失が低くなり、空気流量を大きくすることができる。このため、フィン３１１から効率よく放熱することが可能となる。したがって、電力変換装置１００の高出力化にともなって、電力変換装置１００の発熱量が増加しても、電力変換装置１００または送風機３２の大型化を抑制しつつ、電力変換装置１００を効果的に冷却することができる。

また、冷却装置３が重力方向の上側に設置されるように電力変換装置１００を、所望のシステムに取り付けることで、外箱２で構成された筐体内で温度上昇した空気が重力方向上側に流れるため、冷却器３１で効果的に冷却することができる。さらに、万一、送風機３２が停止した場合に自然対流による冷却効果を大きくすることができるといった効果も期待できる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す上面図である。図７は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す断面図である。実施の形態２において、実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を付しており、重複する説明は省略する。

図６および図７に示すように、実施の形態２の電力変換装置１０１においては、送風機周辺領域５に蓋をする遮蔽板６を設けている。遮蔽板６は、送風機３２の出口である側面部３２２から排出された空気が、フィン３１１を通過せずに再び送風機３２の軸方向中心部３２１に循環することを防止する。遮蔽板６は、別途製作し、送風機３２およびフィン３１１に機械的に固定されている。また、送風機３２の取付けを阻害せずに成型することが可能であれば、アルミダイカスト、金属３次元プリンタ等を用いて、冷却器３１と一体に遮蔽板６を成型しても良い。

このように実施の形態２によれば、フィン３１１が立設されていない送風機周辺領域５に、遮蔽板６を設置しているので、送風機３２の出口である側面部３２２から排出された空気が、フィン３１１を通過せずに再び送風機３２の軸方向中心部３２１に循環することで、フィン３１１を通過する空気流量が減少することを防止できる。また、循環する過程で空気温度が上昇することで送風機３２の温度が上昇して、送風機３２の寿命が短くなることを抑止することもできる。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す断面図である。実施の形態３において、実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を付しており、重複する説明は省略する。

図８に示すように、実施の形態３における電力変換装置１０２においては、ベース板３１２と、ベース板３１２の裏面における送風機周辺領域５に設置された電気部品４との間に、ベース板３１２の面方向Ｄに熱を拡散させる熱拡散部材７を設置している。

熱拡散部材７は、伝熱グリースまたは伝熱シートとは異なり、平面方向の熱輸送能力が優れている炭素化合物を含有したもの、内部に封入された作動液の蒸発および凝縮に伴う潜熱を利用したもの等である。熱拡散部材７は、フィン３１１が立設されている領域に対向する領域まで設置することが望ましい。また、潜熱を利用した放熱部品であるヒートパイプを熱拡散部材７として利用し、ベース板３１２の内部に一体成型しても良い。

このように実施の形態３によれば、熱拡散部材７を設置しているので、送風機３２および送風機周辺領域５に設置された電気部品４の熱を効果的にフィン３１１に輸送することができる。このため、電気部品４を効率よく冷却できるとともに、送風機３２で発生した熱もフィン３１１で冷却することができる。また、電気部品４の温度上昇を抑制するために、フィン３１１を立設方向に大きくしたり、フィン３１１の立設本数を増やしたり、送風機３２を大型化する必要がなくなるため、電力変換装置１０２の大型化を防ぐことができる。さらに、熱拡散部材７によってベース板３１２の温度分布を均一化することができれば、フィン３１１の立設本数を減らしたり、送風機３２を小型化したりといった冷却器３１の小型化および軽量化を実現することができる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示す断面図である。実施の形態４において、実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を付しており、重複する説明は省略する。

図９に示すように、実施の形態４における電力変換装置１０３においては、ベース板３１２の上面３１２ａは、送風機３２が設置される中央位置から周囲に遠ざかるほど下がる傾斜面を有する。すなわち、ベース板３１２は、送風機３２が設置されている位置で厚みが大きくなっており、ベース板３１２の上面３１２ａは、フィン３１１が立設されている方向に行くほど厚みが小さくなるように傾斜している。

ベース板３１２の上面３１２ａが傾斜を有しているため、フィン３１１の立設方向における頂点高さは等しいが、フィン長さは均一ではない。また、ベース板３１２の傾斜は直線でなくてもよく、円弧状になっていてもよい。

このように実施の形態４によれば、ベース板３１２の上面３１２ａは、送風機３２が設置される中央位置から周囲に遠ざかるほど下がる傾斜面を有しているので、送風機３２から排出される空気に含まれる塵埃が、ベース板３１２に滞留することを抑制できる。このため、塵埃が滞留することによる冷却性能の低下を防ぐことができる。

また、フィン３１１およびベース板３１２に撥水作用を付与するコーティングを施すことで、ベース板３１２に水が滞留することを抑制できるため、腐食によりベース板３１２が劣化して孔が開いて密閉状態が確保できなくなることを防ぐことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

２ 外箱、３ 冷却装置、４ 電気部品、５ 送風機周辺領域、６ 遮蔽板、７ 熱拡散部材、２１ 放熱構造、３１ 冷却器、３２ 送風機、１００，１０１，１０２，１０３ 電力変換装置、３１１ フィン、３１２ ベース板、３１２ａ 上面、３２１ 軸方向中心部、３２２ 側面部、３２３ 回転翼、３２３ａ 翼根元部、３２３ｂ 翼端部。

Claims (9)

1. 電気部品を収納する外箱と、
   前記外箱の蓋であるベース板、および前記ベース板に立設されたピン状の複数のフィンを有し、複数の前記フィンが周囲空間に開放されている冷却器と、
   複数の前記フィンの中央部に設置され、周囲に配置された前記冷却器の複数の前記フィンに送風する、回転翼を有する送風機と、
   を備え、
   複数の前記フィンは、前記送風機の前記回転翼の翼根元部と翼端部とを結んだ直線の方向である第１方向に沿って放射状に配設されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 複数の前記フィンの各々の断面は、前記第１方向が長辺となる楕円である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記送風機と複数の前記フィンとの間に、前記フィンが配置されていない第１空間領域が存在する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１空間領域に蓋をする遮蔽板を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記ベース板と、前記ベース板の裏面に配置された前記電気部品との間に、前記ベース板の面方向に熱を拡散させる熱拡散部材を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記外箱の外側面に、前記フィンの延在方向に延びる凹凸を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記送風機の上下方向の中心位置は、前記フィンの上端面より低い位置にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記送風機から遠方にある程、前記フィン同士の間隔が広くなるように、前記フィンを立設する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
9. 前記ベース板の上面は、前記送風機が設置される中央位置から周囲に遠ざかるほど下がる傾斜面を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

Images