JP7485855B1 - 電力変換ユニット - Google Patents

Abstract

電力変換ユニットは、筐体と、複数のファンと、ヒートシンクと、複数の半導体素子とを備える。ファンは、筐体の内部で空気の流れを生じさせる。ヒートシンクは、筐体の内部での空気の流通経路の上流側で空気の流路を形成する。複数の半導体素子は、ヒートシンクの素子配置面でヒートシンクでの空気の流通方向に交差する方向に沿って並んで配置される。

Description

本発明の実施形態は、電力変換ユニットに関する。

従来、発熱源であるスイッチング素子が実装されるヒートシンクを備える電力変換装置がある。
しかしながら、複数のスイッチング素子が実装されるヒートシンクでは、冷却風の通風路が長くなることによって、冷却風の圧力損失が増大するとともに、通風路に沿った温度勾配が増大することによって、冷却効率が低下する可能性があった。

日本国特開２００３－４５６３２号公報 国際公開第２０１１／００１５６８号

本発明が解決しようとする課題は、冷却効率を向上させることができる電力変換ユニットを提供することである。

実施形態の電力変換ユニットは、筐体と、流体機械と、複数の第１素子と、複数の第２素子と、筐体と、を備える。流体機械は、筐体の内部で冷媒の流れを生じさせる。放熱部材は、筐体の内部での冷媒の流通経路の上流側で冷媒の流路を形成する。複数の第１素子は、放熱部材の素子配置面で放熱部材での冷媒の流通方向に交差する方向に沿って並んで配置される。複数の第２素子は、流通経路で複数の第１素子よりも下流側に配置される。筐体は、隣り合う第２素子同士の間に冷媒を流通させるように複数の第２素子を支持する。筐体は、板状の上部と、板状の支持部材と、を備える。上部は、複数の第２素子がそれぞれ別々に挿入される挿入孔を有する。支持部材は、複数の第２素子が載置される。上部における挿入孔の間には、冷媒が通過する複数の上部開口が形成されている。支持部材の第２素子を避けた位置には、冷媒が通過する複数の支持部開口が形成されている。

実施形態の電力変換ユニットの構成を示す斜視図。 実施形態の電力変換ユニットでの素子ユニット及び駆動ユニットの構成を示す斜視図。 実施形態の電力変換ユニットでのキャパシタユニットの構成を示す斜視図。 実施形態の電力変換ユニットでの冷却風の流れを示す断面図。 図４に示す素子ユニット及びキャパシタユニットでの冷却風の流れを示す拡大断面図。

以下、実施形態の電力変換ユニットを、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の電力変換ユニット１０の構成を示す斜視図である。
以下、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば図１に示すように、Ｘ軸方向は電力変換ユニット１０の左右方向に平行である。Ｙ軸方向は電力変換ユニット１０の前後方向に平行である。Ｚ軸方向は電力変換ユニット１０の上下方向に平行である。

実施形態の電力変換ユニット１０は、例えば、電気設備等に備えられる盤である。盤は、電源装置及びモータ駆動装置等を構成する配電盤、分電盤及び制御盤等である。電力変換ユニット１０は、例えば、半導体素子、導体、ヒューズ、キャパシタ（コンデンサ）、トランス、開閉器、遮断器及び計測機器等の各種の回路構成要素を備える。

図１に示すように、電力変換ユニット１０は、例えば、操作部１０ａ及び電力制御部１０ｂを備える。操作部１０ａは、例えば、電力制御部１０ｂの動作に関する操作者の入力操作を受け付ける。操作部１０ａは、操作者の入力操作に応じて電力制御部１０ｂの動作を指示する信号を出力する。操作部１０ａは、例えば、操作ボタン等の入力機器及び液晶ディスプレイ等の表示器を備える。

電力制御部１０ｂは、例えば、筐体１１と、複数のファン（請求項における流体機械の一例）１３と、複数の電力制御ユニット１５と、を備える。
筐体１１のＺ軸方向での上部１１ａは、複数のファン１３を支持する。上部１１ａに形成された排気口１１Ａ（後述の図４参照）は、例えばＺ軸方向に沿って各ファン１３に臨んで通じている。筐体１１のＹ軸方向での前部１１ｂに形成された複数の吸気口１１Ｂは、例えばＹ軸方向に沿って適宜の電力制御ユニット１５に対向して臨んでいる。各吸気口１１Ｂは、例えば矩形の開口である。
筐体１１は、内部に配置される複数の電力制御ユニット１５を支持する。

複数のファン１３は、例えば２つのファン１３である。各ファン１３は、筐体１１の前部１１ｂの各吸気口１１Ｂから筐体１１の外部の空気を内部に吸入する。各ファン１３は、筐体１１の上部１１ａの排気口１１Ａから筐体１１の内部の空気を外部に排出する。各ファン１３は、筐体１１の内部を流れる空気により形成される冷却風Ｆによって複数の電力制御ユニット１５を冷却する。

複数の電力制御ユニット１５は、例えば１２個の電力制御ユニット１５である。複数の電力制御ユニット１５は、例えばＺ軸方向に６段及びＸ軸方向に２列に並んで筐体１１の内部に配置されている。複数の電力制御ユニット１５のうち、最上段の２列の電力制御ユニット１５以外の各々は、例えばＹ軸方向に沿って筐体１１の各吸気口１１Ｂに対向して臨むように配置されている。
各電力制御ユニット１５は、例えば、素子ユニット２１と、駆動ユニット２３と、キャパシタユニット２５とを備える。

図２は、実施形態の電力変換ユニット１０での素子ユニット２１及び駆動ユニット２３の構成を示す斜視図である。
図２に示すように、素子ユニット２１と駆動ユニット２３とは、例えばＺ軸方向に沿って積層されるように配置されている。

素子ユニット２１は、第１ユニット筐体３１と、複数の半導体素子（第１素子）３３と、ヒートシンク（請求項における放熱部材の一例）３５と、を備える。第１ユニット筐体３１は、複数の半導体素子（請求項における素子、第１素子の一例）３３及びヒートシンク３５を内部で支持する。第１ユニット筐体３１のＹ軸方向での前部３１ａ及び後部３１ｂには、例えばＹ軸方向に沿ってヒートシンク３５に臨んで通じる前部開口３１Ａ及び後部開口３１Ｂ（後述する図５参照）が形成されている。

複数の半導体素子３３は、例えば、ブリッジ接続されることによってブリッジ回路を形成する複数のスイッチング素子及び整流素子等である。スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタである。整流素子は、各トランジスタに並列に接続されるダイオードである。

複数の半導体素子３３は、ヒートシンク３５の素子配置面３５Ａに配置されている。ヒートシンク３５の素子配置面３５Ａは、例えばヒートシンク３５のＺ軸方向での上部３５ａの上端面である。複数の半導体素子３３は、例えば素子配置面３５Ａ上でＸ軸方向に沿って一列に並んで配置されている。

ヒートシンク３５の外形は、例えば直方体状である。ヒートシンク３５のＹ軸方向に沿った長さは、例えば素子配置面３５Ａに配置される各半導体素子３３のＹ軸方向の長さよりも所定長さだけ大きく形成されている。所定長さは、例えば各半導体素子３３を素子配置面３５Ａに固定するために必要な長さ程度等である。

ヒートシンク３５は、複数のフィン部材３５ｂを備える。各フィン部材３５ｂの外形は、例えばＹ－Ｚ平面に平行な板状である。複数のフィン部材３５ｂは、上部３５ａからＺ軸方向の下方に向かって延び、後述する駆動ユニット２３の仕切り部材３７ａに接している。複数のフィン部材３５ｂは、Ｘ軸方向に沿って所定間隔をあけて並んで配置されている。
ヒートシンク３５の複数のフィン部材３５ｂは、筐体１１の内部を流れる空気の流路３５ｃを形成する。ヒートシンク３５での空気の流通方向は、複数のフィン部材３５ｂによってＹ－Ｚ平面に平行に設定されている。

駆動ユニット２３は、第２ユニット筐体３７と、基板３９とを備える。第２ユニット筐体３７は、内部に配置される基板３９を支持する。第２ユニット筐体３７は、仕切り部材３７ａを備える。仕切り部材３７ａは、基板３９が配置される第２ユニット筐体３７の内部と、ヒートシンク３５によって形成される空気の流路３５ｃと、を隔てる。

仕切り部材３７ａの外形は、例えばＸ－Ｙ平面に平行な板状である。仕切り部材３７ａは、ヒートシンク３５での流路３５ｃを流れる空気（冷却風Ｆ）が第２ユニット筐体３７の内部に流れ込むことを禁止する。
基板３９は、例えば複数の半導体素子３３のうちのスイッチング素子等を駆動制御する駆動基板等を備える。

図３は、実施形態の電力変換ユニット１０でのキャパシタユニット２５の構成を示す斜視図である。
キャパシタユニット２５は、例えば素子ユニット２１及び駆動ユニット２３とは分離された状態でＹ軸方向に沿って素子ユニット２１及び駆動ユニット２３に隣接するように配置されている。
図３に示すように、キャパシタユニット２５は、第３ユニット筐体（請求項における支持部材の一例）４１と、複数のキャパシタ（コンデンサ：請求項における素子、第２素子の一例）４３と、を備える。第３ユニット筐体４１は、内部に配置される複数のキャパシタ４３を支持する。

第３ユニット筐体４１は、例えば、Ｘ軸方向での左側部４１ａ及び右側部４１ｂと、Ｚ軸方向での上部４１ｃ及び下部４１ｄと、上部４１ｃと下部４１ｄとの間の支持部材４１ｅと、を備える。
左側部４１ａ及び右側部４１ｂの各々の外形は、例えばＹ－Ｚ平面に平行な板状である。左側部４１ａ及び右側部４１ｂの各々には、空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための複数の側部開口（請求項における貫通孔の一例）４５ａが形成されている。各側部開口４５ａは、例えば円形状に貫通する開口である。

上部４１ｃ、下部４１ｄ及び支持部材４１ｅの各々の外形は、例えばＸ－Ｙ平面に平行な板状である。上部４１ｃには、複数のキャパシタ４３が挿入される複数の挿入孔４５ｂ及び空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための複数の上部開口（請求項における貫通孔の一例）４５ｃ（後述する図５参照）が形成されている。各上部開口４５ｃは、例えば円形状に貫通する開口である。

下部４１ｄには、空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための複数の下部開口（請求項における貫通孔の一例）４５ｄが形成されている。各下部開口４５ｄは、例えば角丸長方形状に貫通する開口である。
複数のキャパシタ４３が配置される支持部材４１ｅには、空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための複数の支持部開口４５ｅ（後述する図５参照、請求項における貫通孔の一例）が形成されている。各支持部開口４５ｅは、例えば円形状に貫通する開口である。

Ｚ軸方向に沿って所定間隔をあけて配置されている上部４１ｃと支持部材４１ｅとの間には、Ｙ軸方向に沿って空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための一対の対向する開口４５ｆが形成されている。各開口４５ｆは、例えば長方形状の開口である。

Ｚ軸方向に沿って所定間隔をあけて配置されている下部４１ｄと支持部材４１ｅとの間のうち、Ｙ軸方向での前部４１ｆには空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための開口４５ｇが形成されている。開口４５ｇは、例えば台形状の開口である。
下部４１ｄと支持部材４１ｅとの間のうち、Ｙ軸方向での後部４１ｇには空気（冷却風Ｆ）が通り抜けるための複数の開口４５ｈが形成されている。複数の開口４５ｈは、例えば円形状に貫通する開口である。

各キャパシタ４３は、例えば複数の半導体素子３３のうちのスイッチング素子のオン及びオフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化するキャパシタ等を備える。

図４は、実施形態の電力変換ユニット１０での冷却風Ｆの流れを示す断面図である。図５は、図４に示す素子ユニット２１及びキャパシタユニット２５での冷却風Ｆの流れを示す拡大断面図である。
図４及び図５に示すように、複数のファン１３の駆動によって、筐体１１の外部の空気は複数の吸気口１１Ｂを介して筐体１１の内部に吸い込まれる。筐体１１の内部を通過した空気は各排気口１１Ａ及び各ファン１３を介して筐体１１の外部に排出される。筐体１１の内部を通過する空気は、各吸気口１１Ｂから各排気口１１Ａに至る流通経路で冷却風Ｆとして作用することによって複数の電力制御ユニット１５を冷却する。

先ず、各吸気口１１Ｂから筐体１１の内部に吸い込まれる冷却風Ｆは、Ｙ軸方向に沿って各電力制御ユニット１５の素子ユニット２１及び駆動ユニット２３に向かって流れる。
各電力制御ユニット１５に到達した冷却風Ｆは、素子ユニット２１の第１ユニット筐体３１の前部開口３１Ａからヒートシンク３５に向かって流れる。ヒートシンク３５によって形成された流路３５ｃを通過する冷却風Ｆはヒートシンク３５に配置された複数の半導体素子３３を冷却する。

ヒートシンク３５及び第１ユニット筐体３１の後部開口３１Ｂを通過した冷却風Ｆは、キャパシタユニット２５の第３ユニット筐体４１の内部を流れる。第３ユニット筐体４１の内部のうち、上部４１ｃと支持部材４１ｅとの間を流れる冷却風Ｆは、複数のキャパシタ４３同士の間を流れることによって各キャパシタ４３を冷却する。
第３ユニット筐体４１の内部を通過した冷却風Ｆは、各排気口１１Ａ及び各ファン１３に向かって流れ、筐体１１の外部に排出される。

キャパシタユニット２５では、Ｙ軸方向での一対の開口４５ｆ、開口４５ｇ及び複数の開口４５ｈに加えて、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の各々での複数の側部開口４５ａ、複数の上部開口４５ｃ、複数の下部開口４５ｄ及び複数の支持部開口４５ｅを冷却風Ｆが通過する。Ｚ軸方向に並んで配置される複数のキャパシタユニット２５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に沿って内部を通過する冷却風Ｆに対して、いわゆる風洞として機能する。

このように、上述の電力変換ユニット１０は、冷却風Ｆの流通方向に直交する方向に沿って一列に並んで配置される複数の半導体素子３３を備える。このため、ヒートシンク３５による冷却効率を向上させることができる。例えば、複数の半導体素子３３が冷却風Ｆの流通方向に沿って複数列に並んで配置される場合等に比べて、各半導体素子３３を積極的に冷却することができるとともに、冷却風Ｆの流通方向でのヒートシンク３５の長さを小さくすることができる。

例えば冷却風Ｆの流通方向に沿って複数の半導体素子３３が並ぶ場合等のように、上流側の半導体素子３３が下流側の半導体素子３３に熱的に作用すること及び上流側の半導体素子３３と下流側の半導体素子３３との温度の不均一性が生じることを防ぐことができる。
ヒートシンク３５での冷却風Ｆの流通経路が長くなることを抑制することによって、ヒートシンク３５の温度勾配の増大を抑制することができるとともに、冷却風Ｆの圧力損失の増大を抑制することができる。冷却風Ｆの圧力損失を低減することによって、冷却風Ｆの風速を増大させ、複数の半導体素子３３及び複数のキャパシタ４３の冷却効率を向上させることができる。冷却風Ｆの流通方向でのヒートシンク３５の長さが小さくなること、及び、冷却風Ｆの圧力損失が低減されることによって、冷却風Ｆの下流側に配置される他の電機機器の冷却効率を向上させることができる。

上述の電力変換ユニット１０は、冷却風Ｆの流通方向の上流側に配置されるヒートシンク３５を備える。このため、ヒートシンク３５に配置される複数の半導体素子３３を積極的に冷却することができる。例えば相対的に発熱が大きい半導体素子３３を他の回路要素よりも冷却風Ｆの流通方向の下流側に配置する場合等に比べて、複数の半導体素子３３を効率よく冷却することができる。

上述の電力変換ユニット１０は、複数の側部開口４５ａ、複数の上部開口４５ｃ、複数の下部開口４５ｄ及び複数の支持部開口４５ｅが形成された第３ユニット筐体４１を備える。このため、冷却風Ｆが第３ユニット筐体４１の内部を通過することを促すことができる。複数の第３ユニット筐体４１を風洞として機能させることによって、筐体１１の内部での圧力損失の増大を抑制することができる。

筐体１１の内部に冷却風Ｆの通風路を別途に設ける必要が生じることを防ぎ、筐体１１が大型になることを防ぐことができる。筐体１１の内部の圧力損失を低減することによって、筐体１１の内部での冷却風Ｆによる冷却能力を向上させ、筐体１１の内部の容量を増大させることができる。冷却風Ｆの冷却能力の増大により、各ファン１３の消費電力の増大を抑制し、各ファン１３を小型化することができる。

上述の電力変換ユニット１０は、第２ユニット筐体３７の内部と、ヒートシンク３５によって形成される空気の流路３５ｃと、を隔てる仕切り部材３７ａを備える。このため、ヒートシンク３５の排熱が第２ユニット筐体３７の内部の基板３９に熱的に作用することを抑制することができる。
素子ユニット２１及び駆動ユニット２３と、キャパシタユニット２５とは分離されることによって、保守容易性を向上させることができる。

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、素子ユニット２１と、駆動ユニット２３と、キャパシタユニット２５とは、互いに分離されてもよいし、適宜の組み合わせで一体的に形成されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、冷却風Ｆの流通方向に直交する方向に沿って一列に並んで配置される複数の半導体素子３３を備えることにより、ヒートシンク３５による冷却効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…電力変換ユニット、１１…筐体、１３…ファン（流体機械）、１５…電力制御ユニット、２１…素子ユニット、２３…駆動ユニット、２５…キャパシタユニット、３１…第１ユニット筐体、３３…半導体素子（素子、第1素子）、３５…ヒートシンク（放熱部材）、３５Ａ…素子配置面、３５ｃ…流路、３７…第２ユニット筐体、３７ａ…仕切り部材、３９…基板、４１…第３ユニット筐体（支持部材）、４３…キャパシタ（コンデンサ、素子、第２素子）、４５ａ…側部開口（貫通孔）、４５ｃ…上部開口（貫通孔）、４５ｄ…下部開口（貫通孔）、４５ｅ…支持部開口（貫通孔）

Claims (3)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部で冷媒の流れを生じさせる流体機械と、
   前記筐体の内部での前記冷媒の流通経路の上流側で前記冷媒の流路を形成する放熱部材と、
   前記放熱部材の素子配置面で前記放熱部材での前記冷媒の流通方向に交差する方向に沿って並んで配置される複数の第１素子と、
   前記流通経路で前記複数の第１素子よりも下流側に配置される複数の第２素子と、
   隣り合う前記第２素子同士の間に前記冷媒を流通させるように前記複数の第２素子を支持する筐体と、
   を備え、
   前記筐体は、
   前記複数の第２素子がそれぞれ別々に挿入される挿入孔を有する板状の上部と、
   前記複数の第２素子が載置される板状の支持部材と、
   を備え、
   前記上部における前記挿入孔の間には、前記冷媒が通過する複数の上部開口が形成されており、
   前記支持部材の前記第２素子を避けた位置には、前記冷媒が通過する複数の支持部開口が形成されている
   電力変換ユニット。
2. （削除）
3. 前記流路から隔てられる領域を形成する仕切り部材と、
   前記領域に配置されるとともに、前記複数の第１素子の駆動を制御する基板と、
   を備える
   請求項１に記載の電力変換ユニット。

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