KR101409102B1

KR101409102B1 - 냉각 장치 및 그것을 구비한 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR101409102B1
Application number: KR1020110142618A
Authority: KR
Inventors: 스나오 후나꼬시; 요오스께 야스다; 다께시 다나까; 아끼히로 히시다
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-06-17
Also published as: KR20120074245A; JP5560182B2; EP2469996A3; CN102569222A; EP2469996A2; CN102569222B; JP2012138439A

Abstract

전력 변환 장치의 히트 파이프 방식의 냉각 장치에 있어서, 파워 반도체 소자를 설치한 수열 부재의 온도를 균일화함으로써 냉각 장치를 소형·경량화한다. 히트 블록 표면에 설치된 파워 소자로부터 발생한 열을 히트 파이프에 의해 핀에 전달하고, 핀 사이를 흐르는 공기의 자연 대류 또는 강제 대류에 의해 냉각하는 냉각 장치에 있어서, 하류측의 히트 파이프의 핀측에 상승한 부분을 상류보다도 조밀하게 배치하는 구조로 하였다.

Description

냉각 장치 및 그것을 구비한 전력 변환 장치{COOLING APPARATUS AND POWER CONVERTER HAVING THE SAME}

본 발명은, 냉각 장치 및 그것을 구비한 전력 변환 장치에 관한 것이다.

전력 변환 장치는, 전기 철도 차량 등의 차량을 구동하는 전동기를 제어하기 위한 것으로, 차량의 바닥 하부 등에 설치되어 있다. 차량의 바닥 하부 등의 스페이스는 한정되어 있기 때문에, 전력 변환 장치를 소형화하는 것이 요망되고 있다. 또한, 차량의 고속화에 따라, 전력 변환 장치가 갖는 파워 반도체 소자의 발열이 증대되어 오고 있다. 이와 같이, 전력 변환 장치의 소형화나 고출력화에 의해, 파워 반도체 소자의 발열 밀도가 증대하고 있어, 전력 변환 장치에 있어서의 냉각 장치의 성능 향상에 대한 요구가 높아지고 있다. 냉각 장치로서는, 알루미늄 블록 등의 수열(受熱) 부재의 한쪽 면에 파워 반도체 소자를 설치하고, 반대면에 U자 또는 L자형 히트 파이프의 수열부를 매립하여, U자형 히트 파이프의 방열부에 복수의 핀을 설치해서 방열하는 구조가 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 구조의 냉각 장치에 있어서 냉각 장치의 성능을 향상시키기 위해서는, 소자가 설치되는 수열 부재의 온도를 균일화하는 것이 유효하다. 방열부에 공기를 흘려서 냉각을 행할 경우, 일반적으로 하류로 갈 수록 공기의 온도가 높아지기 때문에, 하류측의 수열 부재나 파워 반도체 소자의 온도가 높아지는 경향이 있다. 종래 수열 부재의 온도를 균일화하기 위한 구조로서, 특허 문헌 1에 도시한 바와 같이, 자연 통풍식의 히트 파이프식 냉각기에 있어서, 상류측(하측)의 방열 핀의 간격보다도 하류측(상측)의 방열 핀의 간격 쪽이 작아지도록 핀을 설치한 구조가 알려져 있다.

일본 특허 출원 공개 제2000-161880호 공보

종래의 구조에 있어서는, 핀의 간격이 넓은 상류 부분의 수열 부재의 온도가 높아져 버리는 경우가 있어, 충분히 수열 부재의 온도 상승의 균일화가 되어 있지 않다고 하는 과제가 있었다. 상류측의 수열 부재의 온도를 내리기 위해서 상류 부분의 핀 개수를 증가시키는 것도 생각할 수 있지만, 실제로는 핀 개수에 의한 미묘한 방열 능력의 조정이 어렵고, 또한, 핀의 간격을 좁게 하여 핀 개수를 늘리면 결과적으로 통풍 저항이 커져서 수열 부재의 최대 온도가 높아져 버린다고 하는 과제가 있었다.

본 발명의 목적은, 수열 부재의 최대 온도가 낮아지도록 수열 부재의 온도 상승을 균일화함으로써, 발열 소자를 충분히 냉각시킬 수 있는 냉각 장치 및 그것을 구비한 소형·고출력의 전력 변환 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 냉각 장치에서는, 복수의 파워 반도체 소자와 수열 부재와 복수의 히트 파이프와 복수의 방열 핀을 갖고, 복수의 파워 반도체 소자는 수열 부재의 한쪽 측에 설치되고, 복수의 히트 파이프의 수열부는 수열 부재의 다른 쪽 측에 설치되고, 히트 파이프의 수열부로 부터 상승된 방열부에는 복수의 방열 핀이 설치되어, 방열 핀에 냉각풍을 보내도록 한 냉각 장치에 있어서, 히트 파이프 방열부의 수열 부재에 있어서의 단위 면적당의 개수는, 냉각풍의 상류측보다도 하류측 쪽이 많아지는 구조로 하였다.

히트 파이프의 개수, 배치에 의한 방열량의 조정은, 핀 개수의 변경에 의한 방열량의 조정에 비해, 통풍 저항의 증감이 적기 때문에, 미묘한 조정이 가능하다. 따라서, 상류측의 수열 부재의 온도가 상승하지 않도록 적절하게 방열량의 밸런스를 조정할 수 있기 때문에, 수열 부재의 온도가 보다 균일해져, 파워 반도체 소자를 충분히 냉각할 수 있는 냉각 장치가 얻어지고, 그것을 구비한 소형·고출력의 전력 변환 장치가 실현된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 연직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 수평 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 히트 파이프의 다른 배치를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재한 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치의 연직 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시하는 도면이다.
도 8은 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재한 구성을 도시하는 도면이다.

본 발명의 실시 형태를 이하, 도면을 사용해서 설명한다.

<제1 실시예>

도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 냉각 장치의 연직 방향의 단면도를, 도 2에 수평 방향의 단면도를 도시한다. 또한, 도 5에 본 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재했을 때의 구성을 도시한다. 본 발명의 전력 변환 장치는, 철도 차량의 바닥 하부 등에 설치되고, 차량을 구동하는 전동기에 공급하는 전력의 주파수를 바꿈으로써, 전동기의 회전 속도의 제어를 행한다. 도 5에 있어서, 전력 변환 장치(500)는, 차체(501)에 현수된 상태로 고정되어 있다. 도 1, 도 2에 있어서, 알루미늄 합금 등의 금속으로 이루어지는 수열 부재(2)의 한쪽 측에는, 복수의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 FWD(Free Wheel Diode) 소자 등을 포함하는 파워 반도체 모듈(3)이 설치되어 있다. 또한, 복수의 파워 반도체 모듈(3)이 인버터를 구성하고 있다. 파워 반도체 모듈(3)은, 그리스 등의 부재(도시 생략)을 통해서 수열 부재(2)와 나사 등(도시 생략)에 의해 고정된다. 수열 부재(2)는 지지 부재(5)에 고정되고, 수열 부재(2)의 파워 반도체 모듈(3)의 측에는, IGBT 구동 회로 등의 회로 부품(8)이 설치되어 있다. 또한, 전력 변환 장치의 파워 반도체 모듈(3)이 설치된 측은, 케이스(7)에 의해 밀폐되어 있다. 수열 부재(2)의 파워 반도체 모듈(3)의 설치면의 반대측에는, U자 형상의 히트 파이프(1)의 수열부(101)가 매립되고, 납땜 등에 의해 수열 부재(2)와 열적으로 접속되어 있다. U자 형상 히트 파이프(1)의 양단부 부분은, 방열부(102)가 수열 부재(2)로부터 상승되어 있다. 방열부(102)에는, 복수의 핀(4)이 설치되어 있다. 지지 부재(5)의 히트 파이프(1)의 측에는, 커버(6)가 설치되어 있다. 커버(6) 하측의 면에는 개구부(9)가, 상측의 면에는 개구부(10)가 설치되어 있다. 커버(6) 하측의 개구부(9)로부터 도입된 공기는, 자연 대류에 의해 화살표(40)와 같이 하방으로부터 상방을 향해서 흐르고, 커버(6) 상측의 개구부(10)로부터 배출된다.

다음에, 파워 반도체 모듈(3)을 냉각하는 동작에 관해서 설명한다. 파워 반도체 모듈(3)의 내부에 설치된 파워 반도체 소자가 동작함으로써 발생한 열은 수열 부재(2)에 전달되어, 히트 파이프(1)의 수열부(101)에 도달한다. 히트 파이프(1)에는 냉매(순수, 하이드로 플루오르 카본 등)가 봉입되어 있다. 수열부(101)에 있어서 가열된 냉매는 증발해서 기체가 되어, 방열부(102)로 이동한다. 방열부(102)에 있어서 공기에 의해 냉각된 냉매는 응축되어 액체로 돌아간다. 도 1에 도시한 바와 같이, 방열부(102)에는 10도 정도의 경사가 형성되어 있어, 방열부(102)에서 응축된 냉매는 중력에 의해 수열부(101)로 돌아간다. 이렇게 증발, 응축을 반복해서 냉매가 이동함으로써, 수열 부재(2)의 열이 공기에 방열된다.

도 3에 수열 부재(2)에 있어서의 히트 파이프의 형상과 배치를 도시한다.

도 3에 도시한 바와 같이 각 히트 파이프는, 길이 방향이 냉각풍의 흐름 방향(40)과는 대략 수직이 되도록 배치되어 있다. 수열 부재(2) 상측 2단에 설치된 히트 파이프(1)의 방열부는, 일단당의 개수가 10개인 것에 대해서, 수열 부재(2)의 하측 5단에 설치된 히트 파이프(12)의 방열부는, 일단당의 개수가 6개로, 수열 부재(2)의 위쪽보다도 방열부의 개수를 적게하고 있다. 수열 부재(2)의 중간 부분(위에서 3 내지 5단째)의 히트 파이프(11)의 방열부의 일단당의 개수는, 그들의 중간인 8개로 하고 있다. 즉, 히트 파이프의 방열부는, 수열 부재(2)에 있어서의 단위 면적당의 개수가, 냉각풍의 상류측보다도 하류측의 쪽이 많아지도록 배치되어 있다.

또, 자연 대류에 의한 냉각에서는, 공기의 온도가 높아진 자연 대류의 하류측에서, 또한 좌우에 모듈이 배치되어 있어서 양측으로 열을 방열하기 어려운 중앙부 상측의 파워 반도체 모듈(3) 부근의 온도가 가장 높아지는 경향이 있기 때문에, 이 모듈의 부분에 많은 방열부를 집중시키는 구성으로 하였다.

또한, 이 부분의 모듈의 핀 부분을 통과하는 냉각 공기의 흐름을 어지럽혀서 냉각 효과를 높이기 위해, 하류측의 히트 파이프에 상류로부터의 냉각풍이 직접 닿도록 하였다. 즉, 일단당의 방열부의 개수가 변화되는 부분에 있어서, 공기의 입구측에서 보아서(냉각풍의 흐름 방향에 있어서) 히트 파이프의 방열부가 서로 겹치지 않도록 히트 파이프를 배치하였다. 또한, 수열 부재(2)에 핀(4)의 측으로의 방열부를 갖지 않는 직관의 균열용의 히트 파이프(13)를 설치함으로써, 온도 분포가 생기기 쉬운 수열 부재(2)의 냉각풍의 흐름 방향에 대한 좌우 방향으로 균열 작용을 갖게 하여, 중앙 부분이 국소적으로 고온이 되는 것을 피하도록 하였다.

도 4는 수열 부재(2)에 있어서의 히트 파이프 배치의 다른 예이다. 이 배치에서는, 히트 파이프의 일단당의 개수가 변화되는 부분에 있어서의 통풍 방향의 약간의 겹치기를 허용하여, 수열 부재(2)의 상측 2단에 설치된 U자형의 히트 파이프(1)를 전부 같은 길이로 하였다. 이 구조에서는, U자형 파이프의 종류를 줄여 제작성을 향상시키면서, 도 3의 구조에 그다지 떨어지지 않는 냉각 성능을 기대할 수 있다.

이상과 같은 구조로함으로써, 자연 대류에 의한 냉각의 상류측에서는 공기의 압력 손실을 최소한으로 억제하고, 하류측에서는 충분한 방열량을 확보할 수 있으므로, 수열 부재(2)의 온도 상승이 보다 균일해져, 수열 부재(2), 또 파워 반도체 모듈(3)의 온도 상승을 작게 할 수 있다. 또한, 히트 파이프의 개수와 맞춰, 상류측의 핀 개수를 적게 하고, 하류측을 많게 해도 된다. 핀 개수와 히트 파이프 개수를 조합함으로써, 수열 부재(2)의 온도 상승을 보다 균일하게 하는 것이 가능하다.

<제2 실시예>

도 6에 본 발명의 다른 일 실시 형태에 있어서의 냉각 장치의 연직 방향의 단면도를, 도 7에 본 실시 형태의 냉각 장치의 수열 부재(2)에 있어서의 히트 파이프의 배치를 도시한다. 또한, 도 8에 본 실시 형태에 있어서의 전력 변환 장치를 철도 차량에 탑재했을 때의 구성을 도시한다. 도 8에 있어서, 전력 변환 장치(1000)는, 차체(501)에 고정되어 있다. 화살표(40)는 냉각풍의 흐름 방향을 도시한다. 냉각풍은, 송풍기(50)에 의해 흡입 그릴(51)로부터 흡입되어, 전력 변환 장치(1000)의 냉각 장치(1001)에 공급된다. 도 6, 도 7에 있어서, 수열 부재(2)의 일측(도 6에 있어서의 하측)에는, 복수의 IGBT 나 FWD 소자 등을 포함하는 파워 반도체 모듈(3)이 설치되어 있다. 또한, 복수의 파워 반도체 모듈(3)이 인버터를 구성하고 있다. 파워 반도체 모듈(3)은, 그리스 등의 부재(도시 생략)를 통해서 수열 부재(2)와 나사 등(도시 생략)에 의해 고정된다. 수열 부재(2)는 덕트의 구조 부재(18)에 고정되고, 수열 부재(2)의 파워 반도체 모듈(3)의 측에는, IGBT 구동 회로 등의 전자 부품(8)이 설치되어 있다. 또한, 전력 변환 장치의 파워 반도체 모듈(3)이 설치된 측은, 케이스(7)에 의해 밀폐되어 있다. 수열 부재(2)의 파워 반도체 모듈(3)의 설치면의 반대측에는, U자 형상의 히트 파이프(15)의 수열부(151)가 매립되고, 납땜 등에 의해 수열 부재(2)와 열적으로 접속되어 있다. U자 형상 히트 파이프(15)의 양단부로부터는, 방열부(152)가 상승되어 있다. 방열부(152)에는, 알루미늄이나 구리 등의 금속으로 이루어진 복수의 핀(4)이 압입 등에 의해 접속되어 있다. 방열부(152)나 핀(4)은, 덕트(19)의 내부에 설치된다. 덕트(19)에는 블로어에 의해 냉각풍이 보내진다. 화살표(40)는 냉각풍의 방향을 나타낸다. 도 7에 도시하는 바와 같이 각 히트 파이프는, 길이 방향이 냉각풍의 흐름 방향(40)과 대략 평행해지도록 배치되어 있다. 하류측의 히트 파이프(16, 17)는, 수열부(161, 171)의 길이가 상류측 히트 파이프(15)의 수열부(151)보다도 짧은 것을 사용하고, 핀측에 상승하는 히트 파이프의 방열부의 수열 부재(2)에 있어서의 단위 면적당의 개수가, 냉각풍의 상류측보다도 하류측의 쪽이 많아지도록 한다. 이러한 구조로 함으로써, 상류측에서는 공기의 압력 손실을 최소한으로 억제하고, 하류측에서는 충분한 방열비를 확보할 수 있기 때문에, 수열 부재(2)의 온도 상승이 더욱 균일해져, 수열 부재(2), 또 파워 반도체 모듈(3)의 온도 상승을 작게 할 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면 파워 반도체 소자를 설치한 수열 부재의 온도를 균일하게 할 수 있고, 파워 반도체 소자의 온도 상승을 작게 억제할 수 있으므로, 냉각 장치를 소형·경량화할 수 있다. 또한, 히트 파이프의 개수와 맞추어, 상류측의 핀 개수를 적게 하고, 하류측을 많게 해도 된다. 핀 개수와 히트 파이프 개수를 조합함으로써, 수열 부재(2)의 온도 상승을 보다 균일하게 하는 것이 가능하다.

1 : 히트 파이프
2 : 수열 부재
3 : 파워 반도체 모듈
4 : 핀

Claims

복수의 파워 반도체 소자와 수열 부재와 복수의 히트 파이프와 복수의 방열 핀을 갖고, 상기 복수의 파워 반도체 소자는 상기 수열 부재의 한쪽의 측에, 냉각풍의 흐름 방향 및 냉각풍의 흐름 방향과는 수직 방향으로 각각 복수의 열을 이루어 설치되고, 상기 복수의 히트 파이프의 수열부는 상기 수열 부재의 다른 쪽의 측에 설치되고, 상기 히트 파이프의 수열부로부터 상승된 방열부에는 상기 복수의 방열 핀이 설치되어, 방열 핀에 냉각풍을 쏘이도록 한 냉각 장치에 있어서,
상기 방열 핀에는, 자연 대류에 의한 냉각풍이 쏘여지고,
상기 히트 파이프는, 길이 방향이 상기 냉각풍의 흐름 방향과는 수직이 되도록, 상기 냉각풍의 흐름 방향에 복수단으로 나누어서 배치되어 있고,
상기 복수의 파워 반도체 소자는, 상기 냉각풍의 흐름 방향으로 복수단으로 나누어 동수가 배치되고,
상기 히트 파이프는, 상기 길이 방향에 있어서의 히트 파이프 개수가 다른 단의 사이에서, 상기 냉각풍의 흐름 방향으로 상기 방열부가 겹치지 않는 위치에 배치되고,
상기 히트 파이프의 방열부의 상기 수열 부재에 있어서의 단위 면적당의 개수는, 상기 냉각풍의 상류측보다도 하류측의 쪽이 많아지도록 배치한 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
제1항에 있어서, 상기 방열부를 갖지 않는 직관상의 히트 파이프를 상기 수열부에 매립한 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
복수의 파워 반도체 소자와 수열 부재와 복수의 히트 파이프와 복수의 방열 핀을 갖고, 상기 복수의 파워 반도체 소자는 상기 수열 부재의 한쪽의 측에, 냉각풍의 흐름 방향 및 냉각풍의 흐름 방향과는 수직 방향으로 각각 복수의 열을 이루어 설치되고, 상기 복수의 히트 파이프의 수열부는 상기 수열 부재의 다른 쪽의 측에 설치되고, 상기 히트 파이프의 수열부로부터 상승된 방열부에는 상기 복수의 방열 핀이 설치되어, 방열 핀에 냉각풍을 쏘이도록 한 냉각 장치에 있어서,
상기 방열 핀에는, 송풍기에 의해 발생한 냉각풍이 쏘여지고,
상기 히트 파이프는, 길이 방향이 상기 냉각풍의 흐름 방향과 평행해지도록 상기 냉각풍의 흐름 방향과는 수직 방향으로 복수단으로 나누어 배치되어 있고,
상기 복수의 파워 반도체 소자는, 상기 냉각풍의 흐름 방향으로 복수단으로 나누어 동수가 배치되고
상기 히트 파이프의 방열부의 상기 수열 부재에 있어서의 단위 면적당의 개수는, 상기 냉각풍의 상류측보다도 하류측의 쪽이 많아지도록 배치한 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각풍의 상류측의 상기 방열부에 설치된 방열 핀의 개수를 하류측의 상기 방열부에 설치된 방열 핀의 개수보다도 적게 한 것을 특징으로 하는, 냉각 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 냉각 장치를 구비한, 전력 변환 장치.
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