WO2019187385A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置の小型化ができるとともに、設置場所の省スペース化を実現することを目的とする。　上記目的を達成するために、電力変換装置であって、入力された交流電力を直流に整流する発熱量の小さい複数のパワー半導体と、整流された直流電力を交流電力に変換する発熱量の大きい複数のパワー半導体と、発熱量の小さい複数のパワー半導体を冷却するための第１のヒートシンクと、発熱量の大きい複数のパワー半導体を冷却するための第２のヒートシンクを有し、冷却風の上流側に発熱量の小さい複数のパワー半導体を配置し、冷却風の下流側に発熱量の大きい複数のパワー半導体を配置し、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの間に所定の空間を設けた。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置の冷却構造に関する。

　電力変換装置において、小型化は重要な開発要素の一つである。小型化を実現するにあたって、交流電流を直流に整流するダイオード部や、直流を再び交流に変換するインバータ部などの半導体の冷却部（ヒートシンク）の性能を上げることが重要であり、半導体の配置方法や冷却部（ヒートシンク）の形状などに工夫がされている。例えば特許文献１においては、比較的発熱量の小さい発熱体を冷却風の上流側に配置し、発熱量の大きい発熱体を冷却風の下流側に配置し、発熱量の小さい発熱体を冷却する冷却フィンはフィンピッチを粗くし、発熱の大きい発熱体を冷却する冷却フィンはフィンピッチを細かくする点が開示されている。

特開２００７－２０８１１６号公報

　電力変換装置のパワー半導体は冷却のためにヒートシンクを設けており、自然空冷や、冷却ファンを用いた強制空冷などがある。前記のどちらの冷却方式を採用したとしても、ヒートシンクの羽根の間に風が通らなければ効率の良い冷却はされない。特許文献１に記載の形態では冷却風の吸入口付近に障害物があった場合、比較的発熱量の小さい上流側の発熱体の冷却効率が悪くなるだけでなく、その流路上には途中、風の出入りする開口部が無いため、下流側に配置されている発熱量の大きい発熱体の冷却効率も悪くなるという欠点がある。そのため冷却風の吸入口付近は障害となる物を置いてはならないという設置環境における制約があった。そのため、いくら電力変換装置の冷却部の性能を上げて小型化しても、結局、据付先では大きな設置スペースを確保せざるを得なかった。

　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、電力変換装置であって、入力された交流電力を直流に整流する発熱量の小さい複数のパワー半導体と、整流された直流電力を交流電力に変換する発熱量の大きい複数のパワー半導体と、発熱量の小さい複数のパワー半導体を冷却するための第１のヒートシンクと、発熱量の大きい複数のパワー半導体を冷却するための第２のヒートシンクを有し、冷却風の上流側に発熱量の小さい複数のパワー半導体を配置し、冷却風の下流側に発熱量の大きい複数のパワー半導体を配置し、第１のヒートシンクと第２のヒートシンクの間に所定の空間を設けた。

　本発明によれば、電力変換装置の小型化ができるとともに、設置場所の省スペース化を実現できる。

実施例１における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。 図１の矢視Ａ方向からみた電力変換装置の概略側面図である。 実施例１における電力変換装置のヒートシンク断面図である。 実施例２における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。 図４の矢視Ｂ方向からみた電力変換装置の概略側面図である。 従来の電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。

　以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。

　まず、はじめに、本実施例の前提となる、従来の電力変換装置について説明する。図６は従来の電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。図６において、電力変換装置は、入力された交流電力を直流電力に整流する複数のパワー半導体からなるダイオードモジュールであるダイオード部１と、整流された直流電力を再び交流電力に変換する複数のパワー半導体、例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、からなるインバータ部２と、ダイオード部１とインバータ部２の発熱を冷却するヒートシンク３と、インバータ部２を駆動する回路を有する主回路基板（図示省略）とを有し、これらの部品は本体ケース７に周囲を覆われている。

　ここで、ヒートシンク３について述べる。ヒートシンク３は、原価低減を主目的にダイオード部１とインバータ部２で一体の形状としており、アルミ等の放熱効果の高い材料からなるベース４と羽根（フィン）５から構成されている。冷却について述べると、ヒートシンク３を冷却するための冷却風は、本体ケース７の底面開口部９から吸入され、ヒートシンク３に設けられた複数の羽根５の間を通過することで、ヒートシンク３の羽根５が並設されたベース４の反対の面に配置されたダイオード部１、インバータ部２を冷却する。

　ここで、電力変換装置において、一般的にはダイオード部１の発熱よりインバータ部２の発熱量が大きいため、インバータ部２の発熱量に適したヒートシンク３の羽根枚数とするため、発熱量が小さいダイオード部１にとっては過剰な冷却性能となる。また、前述のように、ヒートシンク３をダイオード部１とインバータ部２で一体の形状としているため、冷却風の吸入口付近に障害物があった場合、比較的発熱量の小さい上流側のダイオード部１の冷却効率が悪くなるだけでなく、その流路上には途中、風の出入りする開口部が無いため、下流側に配置されている発熱量の大きいインバータ部２の冷却効率も悪くなるという欠点がある。また、冷却風の流れる流路が狭く、長いため管路抵抗が大きい結果、冷却ファン８の性能を上げなければならないという欠点があった。

　そこで、これらの課題を解決するために、本実施例では、比較的発熱量の小さい発熱体を冷却風の上流側に配置し、比較的発熱量の大きい発熱体を冷却風の下流側に配置し、前者の熱量の小さい発熱体のヒートシンクの羽根ピッチを、後者の発熱量の大きい発熱体のヒートシンクの羽根ピッチよりも粗くし、かつ、熱量の小さい発熱体と発熱量の大きい発熱体のヒートシンクの間に所定の空間を設けるように構成した。以下、その詳細について説明する。

　図１は本実施例における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。図１において、図６と同じ機能の構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１において、図６と異なる点は、図６では、ダイオード部１とインバータ部２を冷却するヒートシンク３が一体であったのに対し、図１ではヒートシンクが３Ａと３Ｂで分断されている点である。また、図２に、図１の矢視Ａ方向からみた電力変換装置の概略側面図を示す。

　図１、図２において、冷却風吸入の底面開口部９付近に障害物が置かれたとして、従来では障害物に対面する流路は上流側も下流側も全て塞がれてしまい電力変換装置全体の冷却効率は悪くなるのに対し、本実施例では、例え、底面開口部９付近に障害物が置かれたとしても直近の上流側には発熱量の低いダイオード部１しか配置されていないため、大きな問題は無い。また、下流側への影響は、ダイオード部１とインバータ部２を冷却するヒートシンクを３Ａと３Ｂと分断したことにより生まれた空間１０によって障害物に対面する直線上のヒートシンク３Ｂの流路にも、その空間１０から冷却風が流れ込んでいく効果が得られる。そのため、冷却風の吸入口付近に障害物を置いてはならないという設置環境における制約がなくなり設置場所の省スペース化を実現できる。

　また、図１に示すように、図６の従来の電力変換装置は、ヒートシンク３の羽根ピッチ６は上流側から下流側まで全て同一であることと、また長さも長いため管路抵抗が非常に大きかったのに対し、本実施例では、ヒートシンク３Ａと３Ｂの羽根ピッチ６Ａと６Ｂの幅が異なっている。具体的にはダイオード部１を冷却するヒートシンク３Ａの羽根ピッチ６Ａのほうが、インバータ部２を冷却するヒートシンク３Ｂの羽根ピッチ６Ｂより広くなっている。ここで、ヒートシンク３Ａ、３Ｂにおいて無駄なコストアップを控えるため羽根５Ａ、５Ｂの外形サイズは同じである。

　図３に、本実施例における電力変換装置のヒートシンク断面図を示す。図３においては、分かりやすいように、ヒートシンク３Ａ、３Ｂの冷却風吸入側から見たそれぞれの断面を重ね合わせている。図３において、ヒートシンク３Ａ、３Ｂのベース４Ａ、４Ｂは同一形状である。また先に説明した通り、羽根５Ａ、５Ｂの外形サイズも同じである。図３において、ダイオード部１を冷却するヒートシンク３Ａは羽根ピッチ６Ａに示す羽根５Ａのみを有し、インバータ部２を冷却するヒートシンク３Ｂは羽根ピッチ６Ｂに示す羽根５Ｂを有し、ヒートシンク３Ａの羽根ピッチ６Ａに示す羽根５Ａは、ヒートシンク３Ｂの羽根ピッチ６Ｂに示す羽根５Ｂを１枚飛ばしで間引いた形状となっている。ここでは分かりやすいように１枚飛ばしで間引いた例を示したが、２枚以上（整数）飛ばして間引いても構わない。このように発熱量の小さいダイオード部１のヒートシンク３Ａの羽根ピッチ６Ａを広げたことにより、従来の電力変換装置のような大きな管路抵抗は小さくなり、発熱量の大きいインバータ部２のヒートシンク３Ｂまで冷却風を効率良く届けることができる。すなわち、効率的に冷却を行うことができるので、ヒートシンクの小型化が可能となり、しいては電力変換装置の小型化が可能となる。

　なお、上記で、ダイオード部１とインバータ部２を冷却するヒートシンクを３Ａと３Ｂに分断したとして説明したが、ヒートシンクを３Ａと３Ｂと分断したことにより生まれた空間１０によって、その空間１０から冷却風が流れ込んでいく効果が得られればよいので、ヒートシンク３Ａと３Ｂのベース４Ａ、４Ｂを一体として、ヒートシンク３Ａと３Ｂの羽根５Ａ、５Ｂの間にのみ空間があるようにしてもよい。

　また、ヒートシンクはベースと羽根から構成されているとして説明したが、羽根の代わりにピンを設け、ピンをベースに２次元的に配置することで放熱するようにしてもよい。その際には、上記説明で、羽根ピッチをピンピッチに置き換えることで、同様の効果を得ることができる。

　以上のように、本実施例によれば、電力変換装置の小型化が可能となるとともに、設置場所の省スペース化を実現できる。

　本実施例では、冷却ファンを重力方向の下側に配置した例について説明する。

　図４は、本実施例における電力変換装置を底面左側面より見た概略斜視図である。また、図５は、図４の矢視Ｂ方向からみた電力変換装置の概略側面図である。

　図４、図５において、図１と同じ機能の構成要件は同じ符号を付し、その説明は省略する。図４において、図１と異なる点は、冷却ファン８を、本体ケース７の下端面に配置し、その冷却ファン８は外気を吸い込み、ヒートシンク３Ａに吹き付ける流れの向きとする点である。

　ここで一般的に冷却ファンを対象物に吹き付ける形態で使用する場合、その風にはファン特有の旋回成分が含まれる、また冷却ファンの回転軸の近傍は風が弱く、よって冷却ファンの直近に冷却対象物を配置しても思うように冷却されない。そのため冷却対象物に風を吹き付ける場合、冷却ファンから冷却対象物までの距離を確保しないと十分に冷却することができなかった。しかし、本実施例では発熱量の小さいダイオード部１を冷却風の上流側に配置したことにより、冷却能力が多少低くても問題ないため、ヒートシンク３Ａを冷却ファン８近傍に配置することができる。

　また、ヒートシンク３Ａの広い羽根ピッチ６Ａ、及び、ヒートシンク３Ａと３Ｂの間に設けられた空間１０によって旋回成分の含まれた冷却風の流れを効率よく整流できる。そのためヒートシンク３Ｂには整流された冷却風を届けることができる。

　以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：ダイオード部、２：インバータ部、３，３Ａ，３Ｂ：ヒートシンク、４，４Ａ，４Ｂ：ベース、５，５Ａ，５Ｂ：羽根、６，６Ａ，６Ｂ：羽根ピッチ、７：本体ケース、８：冷却ファン、９：底面開口部、１０：空間

Claims (7)

1. 入力された交流電力を直流に整流する発熱量の小さい複数のパワー半導体と、整流された直流電力を交流電力に変換する発熱量の大きい複数のパワー半導体と、前記発熱量の小さい複数のパワー半導体を冷却するための第１のヒートシンクと、前記発熱量の大きい複数のパワー半導体を冷却するための第２のヒートシンクを有し、冷却風の上流側に前記発熱量の小さい複数のパワー半導体を配置し、冷却風の下流側に前記発熱量の大きい複数のパワー半導体を配置し、前記第１のヒートシンクと前記第２のヒートシンクの間に所定の空間を設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   強制空冷用の冷却ファンを前記冷却風の下流側に配置したことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   強制空冷用の冷却ファンを前記冷却風の上流側に配置したことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記第１のヒートシンクおよび前記第２のヒートシンクは、ベースと羽根で形成されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   前記第１のヒートシンクの羽根枚数は、前記第２のヒートシンクの羽根枚数よりも少なく、羽根ピッチが広いことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４または５に記載の電力変換装置であって、
   前記第１のヒートシンクおよび前記第２のヒートシンクのベースと羽根のサイズは同じであることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項４または５に記載の電力変換装置であって、
   前記第１のヒートシンクのベースと前記第２のヒートシンクのベースが一体で構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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