(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子及びこの電力用半導体素子と接触する受熱部とヒートパイプとこのヒートパイプと接する部分は水平で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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の電力用半導体素子、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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力変換装置は電力用半導体素子の大容量化・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。
【０００３】
ヒートパイプ式冷却器を用いた自冷式の電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。
【０００４】
このヒートパイプ式冷却器１０１は、図１０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１０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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従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。
【０００６】
その上主回路の構成及び装置の省スペース化を考慮し、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。
【０００８】
そこで本発明は、上記間題点を解決する為に、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を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る電力変換装置は、電力用半導体素子及びこの電力用半導体素子と接触する受熱部とヒートパイプとこのヒートパイプと接する部分は水平で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。
このような構成とすることにより、装置奥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、加えて上方向に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となる。また、上方向に積上げるような構造を採らないので、良好な冷却効率を得ることが可能となる。さらに、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となる。ここに、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ているので、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できる。
【００１２】
このように、ヒートパイプ式冷却器を移動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。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の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。
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形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。
【００２６】
この実施形態の電力変換装置１０は、絶縁部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。
【００２７】
このように、垂直方向にヒートパイプ式冷却器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。
【００２８】
また、外部との接続用の導体、コンデンサ等の電気用品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。
【００２９】
また、ヒートパイプ式冷却器５は絶縁部４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。
【００３０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の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。
【００３１】
そして本体フレーム１Ａの材質が金属である場合、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。
【００３２】
この実施形態は、電気用品７等を収納している本体フレーム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。
【００３３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の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２を用いて説明する。
【００３４】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図、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。
【００３５】
また、この実施形態においては、図２（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１３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。
【００３６】
また案内部１４の水平方向からの傾き角度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。
【００３７】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の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。
【００３８】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図、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。
【００３９】
放熱フィン１３の水平方向からの傾き角度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。
【００４０】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の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。
【００４１】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図、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。
【００４２】
また、複数のスタックが並んでいる場合、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。
【００４３】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の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。
【００４４】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す平面図、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。
【００４５】
また図示していないが、電力変換装置の構成上、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、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。
【００４６】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の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。
【００４７】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図、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。
【００４８】
また本ヒートパイプ式冷却器を垂直に（即ちピンを水平に）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。
【００４９】
また図示していないが電力変換装置の構成上、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、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。
【００５０】
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の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。
【００５１】
図７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。
【００５２】
この実施形態のヒートパイプ式冷却器は、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。
【００５３】
また図８のように縦放熱フィン１３ａの間に横放熱フィン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。
【００５４】
ここでは図示していないが、電力変換装置の構成上、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。
【００５５】
（第９の実施形態）
次に、本発明の第９の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。
【００５６】
絶縁型のヒートパイプ式冷却器とは、ヒー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。
【００５７】
具体的には、例えばヒートパイプ式冷却器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。
【００５８】
（第１０の実施形態）
次に、本発明の第１０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。
【００５９】
同図（ａ）はヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図、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。
【００６０】
この構造により輸送及び地震等の振動で最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。
【００６１】
また、可動部３及びガイドレール２の材料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。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、自然対流により冷却を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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す正面図及び側面図。
【図２】  本発明の第３の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
【図３】  本発明の第４の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
【図４】  本発明の第５の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
【図５】  本発明の第６の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す平面図及び正面図。
【図６】  本発明の第７の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の概略構成を示す正面図及び側面図。
【図７】  本発明の第８の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の一例の概略構成を示す斜視図。
【図８】  本発明の第８の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の他の例の概略構成を示す平面図及び正面図。
【図９】  本発明の第１０の実施形態におけるヒートパ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１０】  従来の電力変換装置の概略構成を示す正面図。
【符号の説明】
１Ａ…本体フレーム
１Ｂ…補助フレーム
２…ガイドレール
３…可動部
４…絶縁部
５…ヒートパイプ式冷却器
６…スタック
７…電気用品
８…電力用半導体素子
１０…電力変換装置
１１…受熱部
１２…ヒートパイプ
１３…放熱フィン
１３ａ…縦放熱フィン
１３ｂ…横放熱フィン
１４…案内部
１５…ばね減衰要素
１６…平編導体
１０１…ヒートパイプ式冷却器
１０２…電力用半導体素子
１０３…電気用品
１０４…フレーム
１０５…受熱部
１０６…ヒートパイプ
１０７…放熱フィン
【図１】
0003642548.tif 000002
【図２】
0003642548.tif 000003
【図３】
0003642548.tif 000004
【図４】
0003642548.tif 000005
【図５】
0003642548.tif 000006
【図６】
0003642548.tif 000007
【図７】
0003642548.tif 000008
【図８】
0003642548.tif 000009
【図９】
0003642548.tif 000010
【図１０】
0003642548.tif 000011