JPWO2015141305A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
高熱伝導性材料から形成され、かつ装置本体１の内部に収納された半導体素子Ｈを放熱させるヒートシンクが配設されるとともにヒートシンクを構成するフィン３２間に外部の空気を通過させるための開口２５ａ，２６ａが形成されたフレーム２０を有する電力変換装置において、フレーム２０は、フィン３２のそれぞれの先端部を自身に形成された溝部２４ａに進入させることで各フィン３２に熱的に接続した状態でヒートシンクを被覆する被覆部２４を備えたものである。
Description
本発明は、電力変換装置に関するものである。
従来、例えば昇降機や空調機等の制御において電力変換装置が用いられており、この種の電力変換装置は、主要部品である半導体素子が装置本体に収納されるとともに、この半導体素子を冷却するためのヒートシンクが設けられている。ヒートシンクは、熱伝導性能の良好な材料を用いて例えばカシメ等にて作成されており、その周囲をダイカストで製作されたフレームに囲まれている。このフレームは、装置本体の一部を形成するものであり、ヒートシンクを構成するフィン間に外部の空気を通過させるための開口が形成されている。またこのフレームにも半導体素子が熱的に接続されており、該フレームでも放熱を行うことで、放熱面積の拡大化により冷却能力の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、上述したような電力変換装置においては、装置の小型化や半導体素子の発熱量の増大等に対応すべく、ヒートシンクの冷却効率の向上が常に要請されている。
本発明は、上記実情に鑑みて、冷却効率の向上を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、高熱伝導性材料から形成され、かつ装置本体の内部に収納された半導体素子を放熱させるヒートシンクが配設されるとともに該ヒートシンクを構成するフィン間に外部の空気を通過させるための開口が形成されたフレームを有する電力変換装置において、前記フレームは、前記フィンのそれぞれの先端部を自身に形成された溝部に進入させることで各フィンに熱的に接続した状態で前記ヒートシンクを被覆する被覆部を備えたことを特徴とする。
また本発明は、上記電力変換装置において、前記被覆部は、少なくとも互いに隣接する溝部間において前記フィンの基端部側に向かうに連れて前記溝部の長手方向と直交する方向の幅が漸次小さくなる態様で形成され、かつ該溝部の内壁面に連続する傾斜面を有するガイド部を備えたことを特徴とする。
また本発明は、上記電力変換装置において、前記フィンは、先端面に向けて自身の厚みが漸次小さくなることで形成される傾斜ガイド面を備えたことを特徴とする。
また本発明は、上記電力変換装置において、前記フレームは、表面に凹凸が形成されて成ることを特徴とする。
また本発明は、上記電力変換装置において、前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする。
本発明によれば、フレームは、高熱伝導性材料から形成されており、被覆部がフィンのそれぞれの先端部を溝部に進入させることで各フィンに熱的に接続した状態でヒートシンクを被覆するので、フレーム全体も放熱部材としての役割を果たすことになり、これにより放熱面積の増大により冷却効率の向上を図ることができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態である電力変換装置を模式的に示す斜視図であり、図２は、図１に示した電力変換装置の要部を拡大して示す横断面図である。ここで例示する電力変換装置は、装置本体１を備えている。
装置本体１は、収納本体１０とフレーム２０とを備えて構成してある。収納本体１０は、後面が開口した直方状の形態を成す箱体であり、フレーム２０の前方域を覆う態様で該フレーム２０に連結してある。
かかる収納本体１０は、例えば樹脂材から形成されるもので、フレーム２０との間に様々制御機器を収納するための収納空間１１を画成している。
フレーム２０は、例えばアルミニウム等の良好な熱伝導性を有する高熱伝導性材料を例えば押出成型にて形成されたものである。
このフレーム２０は、収納本体１０の内部を臨むよう該収納本体１０に覆われる前面部２１（図２参照）と、前面部２１の左右両端部より後方に向けて延在する左右一対の側面部２２，２３と、側面部２２，２３のそれぞれの後端縁部を連結する被覆部２４とが一体的に形成されることで、上面２５及び下面２６に外部の空気が通過するための通風開口２５ａ，２６ａが形成された筒状体である。
そして、上面２５の通風開口２５ａは、フレーム２０に支持された複数（図示の例では２つ）の送風ファンＦが配設されることにより閉塞されている。ここで送風ファンＦは、駆動することにより、下面２６に形成された通風開口２６ａより外部の空気をフレーム２０の内部に導入し、フレーム２０の内部を通過した空気を上面２５の通風開口２５ａを通じて外部に送出するものである。また、下面２６の通風開口２６ａは、適宜図示せぬフィルタ等により覆われている。
図２に示すように、フレーム２０には、ヒートシンクであるフィンユニット３０が配設してある。
フィンユニット３０は、例えばアルミニウム等の良好な熱伝導性を有する高熱伝導性材料から形成されるもので、ベース部３１と複数のフィン３２とを備えて構成してある。
ベース部３１は、略平板状の形態を成すものであり、フレーム２０の前面部２１に取り付けられている。このベース部３１の前面には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）、ダイオードのような半導体素子Ｈが熱的に接続される態様で配設してある。ここで、半導体素子Ｈは、Ｓｉ系の半導体素子だけでなく、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。
複数のフィン３２は、それぞれ薄板状の形態を成している。これらフィン３２は、フレーム２０の前面部２１に形成された取付開口２１ａを貫通する態様でベース部３１の後面に左右方向に沿って並ぶよう所定間隔毎に起立姿勢にて配設してある。これらフィン３２は、基端部がベース部３１に形成された図示せぬ凹部に進入した状態でカシメ加工が施されることにより配設してある。
フレーム２０の左側の側面部２２には、外面となる左面及び内面となる右面に凹部２２ａと凸部２２ｂとが交互に形成されることで凹凸が形成してある。また、フレーム２０の右側の側面部２３には、外面となる右面及び内面となる左面に凹部２３ａと凸部２３ｂとが交互に形成されることで凹凸が形成してある。
フレーム２０の被覆部２４は、フレーム２０の後面部を形成するものである。かかる被覆部２４には、前面に複数の溝部２４ａが形成してある。これら溝部２４ａは、被覆部２４の前面において上下方向に沿って延在するものであり、その溝幅、すなわち左右幅は、フィンユニット３０のフィン３２の厚みと同程度の大きさ若しくは僅かに大きいものである。
またこれら溝部２４ａは、図２に示したように、それぞれ対応するフィン３２の先端部の進入を許容するものであり、該溝部２４ａの内壁面が該先端部と接している。つまり、被覆部２４は、フィンユニット３０を構成するフィン３２と熱的に接続した状態でフィンユニット３０を被覆するものである。
上記被覆部２４には、複数のガイド部２４ｂが形成してある。ガイド部２４ｂは、互いに隣接する溝部２４ａ間において前方側（フィン３２の基端部側）に向かうに連れて左右方向（溝部２４ａの長手方向と直交する方向）の幅が漸次小さくなる態様で形成されるものであり、溝部２４ａの内壁面に連続する傾斜面２４ｃを有している。また、本実施の形態においては、最も左方に位置する溝部２４ａの左側、並びに最も右方に位置する溝部２４ａの右側にもガイド部２４ｂが形成してある。
このような構成を有する電力変換装置によれば、ヒートシンクを構成するフィンユニット３０だけでなくフレーム２０も高熱伝導性材料から形成されており、フレーム２０の被覆部２４がフィンユニット３０を構成するフィン３２と熱的に接続した状態でフィンユニット３０を被覆するので、被覆部２４を含むフレーム２０全体も放熱部材としての役割を果たすことになり、これにより放熱面積の増大により冷却効率の向上を図ることができる。
上記電力変換装置によれば、少なくとも互いに隣接する溝部２４ａ間において該溝部２４ａの内壁面に連続する傾斜面２４ｃを有するガイド部２４ｂが形成されているので、フィンユニット３０のフィン３２を対応する溝部２４ａに進入させる際に、ガイド部２４ｂの傾斜面２４ｃがフィン３２の先端部を溝部２４ａに案内する案内面としての役割を果たすことができ、これにより各フィン３２の先端部を対応する溝部２４ａに良好に進入させることができる。
上記電力変換装置によれば、フレーム２０を構成する側面部２２，２３の表面にも凹凸が形成されているので、側面部２２，２３の表面積を増大させることにより放熱面積を増大させることができ、これによっても冷却効率の向上を図ることができる。
図３は、本発明の実施の形態である電力変換装置の変形例を模式的に示す斜視図であり、図４は、図３に示した電力変換装置の要部を拡大して示す横断面図である。尚、上述した実施の形態である電力変換装置と同一の構成を有するものには、同一の符号を付して重複した説明を適宜省略する。
ここで例示する電力変換装置は、装置本体２を備えている。装置本体２は、収納本体１０とフレーム４０とを備えて構成してある。
フレーム４０は、例えばアルミニウム等の良好な熱伝導性を有する高熱伝導性材料を例えば押出成型にて形成されたものである。このフレーム４０は、収納本体１０の内部を臨むよう該収納本体１０に覆われる前面部４１と、前面部４１の左右両端部より後方に向けて延在する左右一対の側面部４２，４３と、側面部４２，４３のそれぞれの後端縁部を連結する被覆部４４とが一体的に形成されることで、上面４５及び下面４６に外部の空気が通過するための通風開口４５ａ，４６ａが形成された筒状体である。
そして、上面４５の通風開口４５ａは、フレーム４０に支持された複数の送風ファンＦが配設されることにより閉塞されている。ここで送風ファンＦは、駆動することにより、下面４６に形成された通風開口４６ａより外部の空気をフレーム４０の内部に導入し、フレーム４０の内部を通過した空気を上面４５の通風開口４５ａを通じて外部に送出するものである。また、下面４６の通風開口４６ａは、適宜図示せぬフィルタ等により覆われている。
上記フレーム４０には、ヒートシンクであるフィンユニット５０が配設してある。フィンユニット５０は、例えばアルミニウム等の良好な熱伝導性を有する高熱伝導性材料を例えば押出成型にて形成されるもので、ベース部５１と複数のフィン５２とを備えて構成してある。
ベース部５１は、略平板状の形態を成すものであり、フレーム４０の前面部４１に取り付けられている。このベース部５１の前面には、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）、ダイオードのような半導体素子Ｈが熱的に接続される態様で配設してある。ここで、半導体素子Ｈは、Ｓｉ系の半導体だけでなく、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。
複数のフィン５２は、それぞれフレーム４０の前面部４１に形成された取付開口４１ａを貫通する態様でベース部５１の後面から後方に向けて突出するよう形成してあり、かつ左右方向に沿って並ぶよう所定間隔毎に形成してある。
それぞれのフィン５２の先端部には傾斜ガイド面５２ａが形成してある。傾斜ガイド面５２ａは、フィン５２の先端面５２ｂに向けて該フィン５２の厚みが漸次小さくなることで形成されるものである。そして、フィン５２の先端部から基端部にかけての表面には凹部５２ｃと凸部５２ｄとが交互に形成されることにより凹凸が形成してある。
フレーム４０の左側の側面部４２には、外面となる左面及び内面となる右面に凹部４２ａと凸部４２ｂとが交互に形成されることにより凹凸が形成してある。また、フレーム４０の右側の側面部４３には、外面となる右面及び内面となる左面に凹部４３ａと凸部４３ｂとが交互に形成されて凹凸が形成してある。
フレーム４０の被覆部４４は、フレーム４０の後面部を形成するものである。かかる被覆部４４には、前面に複数の溝部４４ａが形成してある。これら溝部４４ａは、被覆部４４の前面において上下方向に沿って延在するものであり、その溝幅、すなわち左右幅は、フィンユニット５０のフィン５２の厚み方向の最大幅と略同程度の大きさを有するものである。
またこれら溝部４４ａは、図３に示したように、それぞれ対応するフィン５２の先端部の進入を許容するものであり、該溝部４４ａの内壁面が該先端部と接している。つまり、被覆部４４は、フィンユニット５０を構成するフィン５２と熱的に接続した状態でフィンユニット５０を被覆するものである。上記被覆部４４には、後面と、溝部４４ａが形成された部位を除く前面とに凹凸が形成してある。
このような構成を有する電力変換装置によれば、ヒートシンクを構成するフィンユニット５０だけでなくフレーム４０も高熱伝導性材料から形成されており、フレーム４０の被覆部４４がフィンユニット５０を構成するフィン５２と熱的に接続した状態でフィンユニット５０を被覆するので、被覆部４４を含むフレーム４０全体も放熱部材としての役割を果たすことになり、これにより放熱面積の増大により冷却効率の向上を図ることができる。
上記電力変換装置によれば、各フィン５２の先端部に傾斜ガイド面５２ａが形成されているので、フィンユニット５０のフィン５２を対応する溝部４４ａに進入させる際に、傾斜ガイド面５２ａが溝部４４ａの前方縁部と摺接することで先端部を溝部４４ａに案内する案内面としての役割を果たすことができ、これにより各フィン５２の先端部を対応する溝部４４ａに良好に進入させることができる。
上記電力変換装置によれば、フレーム４０を構成する側面部４２，４３の表面にも凹凸が形成されているので、側面部４２，４３の表面積を増大させることにより放熱面積を増大させることができ、これによっても冷却効率の向上を図ることができる。
以上、本発明の好適な実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
すなわち、本発明においては、フレームは、フィンの先端部に熱的に接続しつつヒートシンクを被覆する被覆部を備えるものであれば、その形状等は特に限定されない。
１ 装置本体
１０ 収納本体
２０ フレーム
２２ 側面部
２３ 側面部
２４ 被覆部
２４ａ 溝部
２４ｂ ガイド部
２４ｃ 傾斜面
２５ａ 通風開口
２６ａ 通風開口
３０ フィンユニット
３１ ベース部
３２ フィン
Ｈ 半導体素子
１０ 収納本体
２０ フレーム
２２ 側面部
２３ 側面部
２４ 被覆部
２４ａ 溝部
２４ｂ ガイド部
２４ｃ 傾斜面
２５ａ 通風開口
２６ａ 通風開口
３０ フィンユニット
３１ ベース部
３２ フィン
Ｈ 半導体素子
Claims (5)
- 高熱伝導性材料から形成され、かつ装置本体の内部に収納された半導体素子を放熱させるヒートシンクが配設されるとともに該ヒートシンクを構成するフィン間に外部の空気を通過させるための開口が形成されたフレームを有する電力変換装置において、
前記フレームは、前記フィンのそれぞれの先端部を自身に形成された溝部に進入させることで各フィンに熱的に接続した状態で前記ヒートシンクを被覆する被覆部を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記被覆部は、少なくとも互いに隣接する溝部間において前記フィンの基端部側に向かうに連れて前記溝部の長手方向と直交する方向の幅が漸次小さくなる態様で形成され、かつ該溝部の内壁面に連続する傾斜面を有するガイド部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記フィンは、先端面に向けて自身の厚みが漸次小さくなることで形成される傾斜ガイド面を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記フレームは、表面に凹凸が形成されて成ることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウム及びダイアモンドの少なくとも１つを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
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2015
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