JPH11132678A - 電力変換装置、及び電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器 - Google Patents
電力変換装置、及び電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器Info
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- JPH11132678A JPH11132678A JP9293673A JP29367397A JPH11132678A JP H11132678 A JPH11132678 A JP H11132678A JP 9293673 A JP9293673 A JP 9293673A JP 29367397 A JP29367397 A JP 29367397A JP H11132678 A JPH11132678 A JP H11132678A
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Abstract
並びに電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器を提供す
る。 【解決手段】 電力用半導体素子8及びこの電力用半導
体素子8を冷却する為のヒートパイプ式冷却器5を有す
るスタック6を垂直方向に配置する。ヒートパイプ式冷
却器5には、スタック6を収納したフレーム1Bに設け
たガイドレール2に沿って移動できる可動部3を設け
る。またスタック6の下方に、外部との接続用の導体を
含む電気用品7を配置する。このような配置により、ヒ
ートパイプ式冷却器の配置による影響を受けにくいもの
とし、装置の省スペース化を図ることができる。
Description
素子、素子冷却用のヒートパイプ式冷却器及び導体その
他の電気用品等により構成される電力変換装置、並びに
電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に関する。
の大容量化・高速化に伴い発熱損失の増大が問題となっ
ている。このため電力用半導体素子用冷却装置の冷却効
率の向上を図り発熱損失の増大に対応し、装置の大型化
を避けることが重要な技術課題となっている。
力変換装置の概略構成を図10に示す。同図に示すよう
に、電力変換装置は、冷却器であるヒートパイプ式冷却
器101、電力用半導体素子102、導体などの電気用
品103及びフレーム104等が主な構成要素である。
0のように、電力用半導体素子102と接触する受熱部
105、ヒートパイプ106及び放熱フィン107を主
たる構成要素とする。また放熱フィン107はヒートパ
イプ106に対し垂直に配置されている。この形状のた
めファン等の強制冷却系を持たない、自然対流により冷
却を行う自冷式の電力変換装置の場合、ヒートパイプ式
冷却器101の放熱フィン107が水平になるように、
即ちヒートパイプ106が垂直になるように配置すると
各フィン間で空気が澱んでしまい冷却効率が低下する。
一方放熱フィン107が垂直になるようにヒートパイプ
106を水平に配置すると冷却液の液戻りが行われな
い。従って、ヒートパイプ式冷却器101の配置は図1
0のように冷却液の液戻りを考慮し、ある程度角度を持
たせ横向きに配置するのが一般的である。このように構
成された電力変換装置はインバーターや整流器等の用途
に多く使われており、電力分野では必要不可欠なものと
なっている。
来のヒートパイプ式冷却器を用いた自冷式の電力変換装
置では、前記のようにヒートパイプ式冷却器101の放
熱フィン107の形状による特性から、その配置は限定
され図10のように放熱フィン107をできるだけ垂直
にするように配置しているため、装置の形状寸法がヒー
トパイプ式冷却器101の形状寸法に大きく依存する。
化を考慮し、主回路を構成するスタックを上方向に積上
げた構成を採る場合には装置運転時の温度上昇は各段で
差が生じるので、各段の冷却能力を均一化するような構
造を採るなどの方法をとるため装置の高さ方向の形状が
大型化していた。また、大容量化に対応するためにはヒ
ートパイプ式冷却器と電力用半導体素子を交互に並列接
続し主回路を構成する為、さらに装置形状の大型化が否
めない。以上のような理由から、装置全体の小型化の際
にヒートパイプ式冷却器の配置方法及び形状寸法が大き
な問題となっていた。
素子、ヒートパイプ式冷却器、及びその他電気用品等の
構成要素をフレームに固定する構造を採っているため輸
送時の振動や地震等により発生する振動から半導体素子
等の用品の破損防止を考慮した設計を行うには、装置全
体として複雑な振動系になる為に、非常に困難な作業で
あった。
に、・自然対流により冷却を行うヒートパイプ式冷却器
を、垂直方向の配置において十分な冷却効率が得られる
構造とし、装置本体の形状がヒートパイプ式冷却器の配
置に影響を受けにくいものとし、装置の省スペース化に
優れた電力変換装置並びに電力変換装置用ヒートパイプ
式冷却器を提供すること・半導体素子及びヒートパイプ
式冷却器等の主回路を構成する用品を、フレームに直接
固定しない構造とし、装置本体との間にばね減衰系を設
け主回路構成用品の振動を抑制し、輸送時及び地震等に
対し耐震性の優れた電力変換装置を提供することを目的
とする。
置は、電力用半導体素子及びこの電力用半導体素子を冷
却する為のヒートパイプ式冷却器を有するスタックを垂
直方向に配置するとともに、このスタックの下方に、外
部との接続用の導体を含む電気用品を配置したことを特
徴とする。
行き方向の形状がヒートパイプ式冷却器の形状に依存せ
ず、加えて上方向へ積上げるような構造を必要としない
ので装置全体の小型化及び構造の単純化が可能になる。
また、上方向に積上げる構造を取らないので、良好な冷
却効率を得ることが可能となる。また、外部との接続用
の導体、コンデンサ等の電気用品をスタックの下方に配
置するため、装置全体の小型化及び構造の単純化が可能
になる。
用半導体素子及びこの電力用半導体素子を冷却する為の
ヒートパイプ式冷却器を有するスタックを垂直方向に配
置するとともに、スタックを収納したフレームに設けた
ガイドレールに沿って移動できる可動部をヒートパイプ
式冷却器に設け、スタックの下方に、外部との接続用の
導体を含む電気用品を配置したことを特徴とする。
させるための可動部を設けることにより、電力用半導体
素子とヒートパイプ式冷却器とによりスタックを構成す
る作業の簡略化を図ることができる。
体を含む電気用品を、絶縁ガスを封入した密閉容器に収
納することもできる。このように絶縁ガスを使用するこ
とにより、電界強度を抑制し耐圧を向上することが出来
るので電気用品の省スペース化及び装置全体の小型化が
可能となる。
入方向は下方に、流出方向は上方に傾斜した部分を有す
る放熱フィンを備えたものとすることができる。このよ
うな構成とすることにより、放熱フィン間に澱みが生じ
て冷却効率を低下させるというようなことをなくするこ
とができ、良好な冷却効率を得ることが出来る。
ィンがヒートパイプに対し斜めに配置されているものと
することもできる。このような構成とすることによって
も、放熱フィン間に澱みが生じて冷却効率を低下させる
というようなことをなくすることができ、良好な冷却効
率を得ることが出来る。
の側面に、空気の流れ方向を限定させる側板を設けるこ
ともできる。このような構成とすることにより、側壁に
より放熱フィンを支持するためスタックの構造強度の向
上を実現できる。また、複数のスタックが並んでいる場
合、側壁により空気の流入及び流出の方向が、個々のス
タックに対して為されるように限定されることで冷却効
率の向上も図ることが出来る。
イプが放熱フィンを持たない複数のパイプにより構成さ
れているものであってもよい。このような構成とすれ
ば、放熱フィンを持たないため、配置による冷却効率へ
の影響はなく、どのような配置要求にも対応することが
出来る。
ピン形状のフィンを有するものであってもよい。このよ
うな構成とすれば、フィンがピン形状であるため、配置
による冷却効率の影響はなく、どのような配置要求にも
対応することが出来る。
ンがヒートパイプと同じ方向に配置されたものであって
もよい。このような構成とすることにより、放熱フィン
間に澱みが生じて冷却効率を低下させるというようなこ
とがなく、良好な冷却効率を得ることが出来る。
熱部分と放熱部分が電気的に絶縁され、水よりも電気的
に絶縁性の高い冷媒を用いた絶縁型ヒートパイプ式冷却
器を用いることもできる。
とヒートパイプ式冷却器との間に絶縁部を介在させる必
要がなくなる。また、ヒートパイプ式冷却器にばね減衰
要素を設けることもできる。
クの振動系を、装置本体の振動系と分けて考えることが
出来るので防振設計が容易になり、防振対象に対する効
果を的確に得ることが出来る。
ともできる。このような構成とすることにより、フレー
ムからスタックに伝わる振動を抑制することができる。
実施形態について詳細に説明する、なお、以下の図面に
おいて、同符号は同一部分又は対応部分を示す。
態に係る電力変換装置について図1を用いて説明する。
同図(a)は第1の実施形態の概略構成を示す正面図、
同図(b)はその側面図である。
部4を介して滑車等の可動部3を設けたヒートパイプ式
冷却器5を、ヒートパイプ式冷却器5配置用の補助フレ
ーム1Bに設けたガイドレール2に滑車等の可動部3を
当接させることにより、垂直に釣り下げられた状態で配
置し、電力用半導体素子8と前記ヒートパイプ式冷却器
5を複数個接続しスタック6を構成する。そして、補助
フレーム1Bの下方に配置された本体フレーム1Aに、
スタック6の下方部分と、導体及びその他の電気用品7
を配置して構成したものである。
却器5を配置することで、装置奥行き方向の形状はヒー
トパイプ式冷却器5の形状に依存せず、加えて上方向へ
積上げるような構造を必要としないので装置全体の小型
化及び構造の単純化が可能になる。なお上方向に積上げ
る構造を取らないので、良好な冷却効率を得ることが可
能であり、熱設計上優れた装置の実現が可能になる。
等の電気用品7もスタック6の下方に一括した形で配置
することが可能なので、装置全体の小型化及び構造の単
純化が可能になる。
を介し滑車等の可動部3が、補助フレーム1Bに設けた
ガイドレール2上を自由に移動することが出来るのでス
タック6を構成するような作業の簡略化が図れる。さら
にヒートパイプ式冷却器5は釣り下げられた状態にある
ので、各ヒートパイプ式冷却器5は自重により垂直な方
向の配置が得られる。これにより電力用半導体素子8を
複数個接続し治具等により圧接しスタック6を構成する
際に均等に面を圧接する為の各要素の中心をあわせる作
業が簡略化されるので省力化が可能になる。なお可動部
分3の形状及び材質、ガイドレール2の形状及び材質に
ついては限定されるものではない。
実施形態に係る電力変換装置について説明する。この実
施形態の概略構成は、図1に示すものと同様でよいが、
スタック6の下方部分(主にヒートパイプ式冷却器5の
受熱部及び電力用半導体素子8からなる部分)及び電気
用品7を内部に収納した本体フレーム1Aを密閉容器と
し、SF6 等の絶縁ガスを充填する。なお、ヒートパイ
プ式冷却器5を配置する補助フレーム1Bは、密閉構造
とする必要はなく、内部にヒートパイプ式冷却器5を配
置することができ、上部にガイドレール2を敷設するこ
とができるものであればよい。
る場合、ヒートパイプ式冷却器5のヒートパイプが本体
フレーム1Aの上面を貫通する箇所では、ヒートパイプ
と本体フレーム1Aの上面との間が絶縁されている。
いる本体フレーム1A内において、各構成要素をSF6
等の絶縁ガスを充填したキュービクル(密閉容器)に封
じ込めた構造としている。絶縁ガスの使用により、電界
強度を抑制し耐圧を向上することが出来るので電気用品
7の省スペース化及び装置全体の小型化が可能となる。
なお絶縁ガスの種類についてはSF6 に限定されるもの
ではない。以下本発明の第3乃至第9の実施形態につい
て説明するが、これらの実施形態は電力変換装置用のヒ
ートパイプ式冷却器に関するものである。
態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器について
図2を用いて説明する。
構成を示す正面図、同図(b)はその側面図である。即
ちこの実施形態のヒートパイプ式冷却器は、可動部3、
絶縁部4、受熱部11、ヒートパイプ12、放熱フィン
13を有する。
(b)に示すように、従来のヒートパイプ式冷却器の放
熱フィンの前部が下向きにそして後部が上向きに傾斜し
た部分即ち、案内部14を有する形状をしている。これ
により図2(b)に矢印で示すように下方から空気が流
入し、案内部14を有する放熱フィン13の熱を奪い冷
却が行われることでヒートパイプ式冷却器の垂直方向へ
の配置を可能にする。案内部14を含めた放熱フィン1
3の形状は放熱部分に熱が蓄積されるのを防ぐ為に水平
な部分の寸法を極力小さくするのが望ましい。従ってヒ
ートパイプ12の形状は筒状ではなく、薄板状の形状を
している方が水平な部分は少なくなる。
は小さいほうがスペース効率はよいが、角度が小さくな
ると流れに対する抵抗が大きくなる、放熱フィン13間
に澱みが生じる等の問題により冷却効率が低下する。従
ってスペース効率を考慮に入れると、案内部14の水平
方向からの傾き角度は20°〜35°程度の範囲が適当
であるが、この角度については限定するものではない。
実施形態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に
ついて図3を用いて説明する。
構成を示す正面図、同図(b)はその側面図である。即
ち、この実施形態のヒートパイプ式冷却器は、可動部
3、絶縁部4、受熱部11、ヒートパイプ12、放熱フ
ィン13を有するが、同図(b)に示すように、ヒート
パイプ式冷却器の放熱フィン13が傾斜した形状をした
ものである。これにより同図(b)に矢印で示すように
下方から空気が流入し、放熱フィン13の熱を奪い冷却
が行われる。
は小さいほうがスペース効率は良いが角度が小さくなる
と、流れに対する抵抗が大きい、放熱フィン間に澱みが
生じる等の問題により冷却効率が低下する。従ってスペ
ース効率を考慮に入れると、放熱フィン13の水平方向
からの傾き角度は20°〜35°程度の範囲が適当であ
るが、この角度については限定するものではない。
実施形態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に
ついて図4を用いて説明する。
構成を示す正面図、同図(b)はその側面図である。こ
の実施形態は、図2、または図3に示す第3または第4
の実施形態のヒートパイプ式冷却器に、側壁14を設け
たものである。電力変換装置はヒートパイプ式冷却器及
び電力用半導体素子等から構成されるスタックをフレー
ムより釣り下げた構造となる為ヒートパイプ式冷却器に
かかる構造的負担が大きいが、本構造の採用によって、
側壁14により放熱フィンを支持するためスタックの構
造強度の向上を実現できる。
側壁14により空気の流入及び流出の方向が、個々のス
タックに対して為されるように限定されることで冷却効
率の向上も図ることが出来る。
実施形態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に
ついて図5を用いて説明する。
構成を示す平面図、同図(b)はその正面図である。こ
の実施形態のヒートパイプ式冷却器は、受熱部11と、
放熱フィンを持たない複数のヒートパイプ12とにより
構成されるヒートパイプ式冷却器である。本ヒートパイ
プ式冷却器は放熱フィンを持たない形状なので配置によ
る冷却効率への影響はなく、どのような配置要求にも対
応することが出来る。また放熱面積を確保する為ヒート
パイプ12の断面形状は星型にするなどの処置を施すと
より効果的である。なお、ヒートパイプ12の本数やヒ
ートパイプ2の断面形状については限定するものではな
い。また、図5に示すものは1列に複数本のヒートパイ
プ12を配置したものを複数列設けているが、1列のみ
の配列としてもよい。
成上、本ヒートパイプ式冷却器についても、その上部に
可動部3及び絶縁部4を設けて、図2、図3及び図4に
示されるような垂直方向の配置を可能とする構造として
もよい。
実施形態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に
ついて図6を用いて説明する。
構成を示す正面図、同図(b)はその側面図である。こ
の実施形態のヒートパイプ式冷却器は、複数のピン型の
突起形状のフィン13を有するヒートパイプ式冷却器で
ある。複数のピン型のフィン13の形状により、配置に
よる冷却効率の影響はなくどのような配置要求にも対応
することが出来る。
ちピンを水平に)配置する際には空気の抵抗による損失
を考慮しピンの断面形状を上下方向に長い楕円状にする
と冷却の面で効果的である。なおピン型フィン13の本
数及び断面形状については限定するものではない。
上、本ヒートパイプ式冷却器についても、その上部に可
動部3及び絶縁部4を設けて、図2、図3及び図4に示
されるような垂直方向の配置を可能とする構造としても
よい。
実施形態に係る電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器に
ついて図7及び図8を用いて説明する。
却器の一例の概略構成を示す斜視図、図8(a)は第8
の実施形態のヒートパイプ式冷却器の一例の概略構成を
示すは平面図、同図(b)はその正面図である。
ヒートパイプと同じ方向に配置された放熱フィン13を
有するヒートパイプ式冷却器である。例えば、図7のよ
うに放熱フィン13がヒートパイプと同じ方向で、縦方
向に配置されているので、垂直方向への配置の際に、放
熱フィン13間に澱みが生じて冷却効率を低下させると
いうようなことがなく、良好な冷却効率を得ることが出
来る。
に横放熱フィン13bを設置し放熱面積を増やすと更に
冷却効率を向上させることが可能になる。なお放熱フィ
ンの配置についてはこれらに限定するものではない。
の構成上、本ヒートパイプ式冷却器についても、その上
部に可動部3及び絶縁部4を設けて、図2、3及び4に
示されるような垂直方向の配置を可能とする構造として
もよい。
実施形態について説明する。この実施形態は、図1及び
図2で説明される電力変換装置の冷却装置であるヒート
パイプ式冷却器として、図示しない絶縁型ヒートパイプ
式冷却器を用いたものである。
トパイプ式冷却器の受熱部分と放熱部分が電気的に絶縁
され、水よりも電気的に絶縁性の高い冷媒を用いたもの
である。
の受熱部分と放熱部分との間を、中を冷媒が通過できる
ように構成した碍子で接続し、冷媒としてはフロロカー
ボン類を使用する。絶縁型のヒートパイプ式冷却器を用
いることで、前記絶縁部4を削減することが出来る。ま
た組立等による当該装置の寸法誤差も削減することが出
来る。
0の実施形態に係る電力変換装置について図9を用いて
説明する。
構成を示す正面図、同図(b)はそのヒートパイプ式冷
却器を用いた電力変換装置の概略構成を示す側面図であ
る。この実施の形態は、図9に示すように、ヒートパイ
プ式冷却器5にばね減衰要素15を設け、ヒートパイプ
式冷却器5及び電力用半導体素子からなるスタックと導
体(外部との接続用の導体)との間の接続は、平編導体
16を用いてフレーム1に直接固定しないように構成し
たものである。
も破損する可能性の高い半導体素子を含むスタックの振
動系を、装置本体の振動系と分けて考えることが出来
る。従来のように装置全体として防振設計を行う場合は
全ての構成要素によって構成される複雑な振動系を考慮
に入れて設計を行わなければならないが、これに比べて
前記構造を採用すると防振設計の対象が比較的単純な振
動系になるので防振設計が容易になり、防振対象に対す
る効果を的確に得ることが出来る。
として防振ゴム等の弾性材料を用いることにより、ある
いは、可動部3及びガイドレール2に弾性材料を貼付す
ることにより、フレーム1からスタックに伝わる振動を
抑制することができる。なお、ばね減衰要素の材質及び
形状は限定するものではない。
行う方式の電力変換装置において、ヒートパイプ式冷却
器を垂直方向に配置することを可能にし、かつ導体等の
電気用品を一括して配置することを可能とし、装置本体
の構造の簡略化を可能とすることから、装置規模の縮小
化を実現する電力変換装置を提供することが出来る。
器等の主回路を構成するスタックをフレームに直接固定
しない構造とし、装置本体との間にばね減衰系を設け主
回路構成用品の振動を抑制することにより、輸送時及び
地震等に対し耐震性の優れた電力変換装置を提供するこ
とができる。
の概略構成を示す正面図及び側面図。
式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
式冷却器の概略構成を示す平面図及び正面図。
式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
式冷却器の一例の概略構成を示す斜視図。
式冷却器の他の例の概略構成を示す平面図及び正面図。
イプ式冷却器及び電力変換装置の概略構成を示す正面
図。
図。
Claims (15)
- 【請求項1】電力用半導体素子及びこの電力用半導体素
子を冷却する為のヒートパイプ式冷却器を有するスタッ
クを垂直方向に配置するとともに、このスタックの下方
に、外部との接続用の導体を含む電気用品を配置したこ
とを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項2】電力用半導体素子及びこの電力用半導体素
子を冷却する為のヒートパイプ式冷却器を有するスタッ
クを垂直方向に配置するとともに、前記スタックを収納
したフレームに設けたガイドレールに沿って移動できる
可動部を前記ヒートパイプ式冷却器に設け、前記スタッ
クの下方に、外部との接続用の導体を含む電気用品を配
置したことを特徴とする電力変換装置。 - 【請求項3】少なくとも、外部との接続用の導体を含む
電気用品を、絶縁ガスを封入した密閉容器に収納したこ
とを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変
換装置。 - 【請求項4】前記ヒートパイプ式冷却器は、空気の流入
方向は下方に、流出方向は上方に傾斜した部分を有する
放熱フィンを備えたものであることを特徴とする請求項
1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 【請求項5】前記ヒートパイプ式冷却器は、放熱フィン
がヒートパイプに対し斜めに配置されているものである
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力
変換装置。 - 【請求項6】前記ヒートパイプ式冷却器の放熱フィンの
側面に空気の流れ方向を限定させる側板を設けたことを
特徴とする請求項4または請求項5に記載の電力変換装
置。 - 【請求項7】前記ヒートパイプ式冷却器は、ヒートパイ
プが放熱フィンを持たない複数のパイプにより構成され
ているものであることを特徴とする請求項1または請求
項2に記載の電力変換装置。 - 【請求項8】前記ヒートパイプ式冷却器は、複数のピン
形状のフィンを有するものであることを特徴とする請求
項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 【請求項9】前記ヒートパイプ式冷却器は、放熱フィン
が垂直方向に配置されたものであることを特徴とする請
求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 【請求項10】前記ヒートパイプ式冷却器が、受熱部分
と放熱部分が電気的に絶縁され、水よりも電気的に絶縁
性の高い冷媒を用いた絶縁型ヒートパイプ式冷却器であ
ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電
力変換装置。 - 【請求項11】前記ヒートパイプ式冷却器にばね減衰要
素を設けたことを特徴とする請求項1または請求項2に
記載の電力変換装置。 - 【請求項12】前記ガイドレールに弾性材を設けたこと
を特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 【請求項13】ヒートパイプが放熱フィンを持たない複
数のパイプにより構成されていることを特徴とする電力
変換装置用ヒートパイプ式冷却器。 - 【請求項14】複数のピン形状のフィンを有することを
特徴とする電力変換装置用ヒートパイプ式冷却器。 - 【請求項15】放熱フィンがヒートパイプと同じ方向に
配置されていることを特徴とする電力変換装置用ヒート
パイプ式冷却器。
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