(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を冷却する垂直配置型ヒートパイプ式冷却器とから構成される複数の半導体スタックを有する電力変換装置において、前記複数の半導体スタックを、中央のものほど下方となるように段差をつけて配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、各半導体スタックにおけるそれぞれの垂直配置型ヒートパイプ式冷却器の受熱部に、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器間の沿面絶縁距離を確保するための絶縁体を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、各半導体スタックにおける複数の垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を、垂直方向に対して、１つずつ交互に、反対方向に傾斜させた状態で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、電力用半導体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、電力用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。
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構成を図１１に示す。同図に示すように、この電力変換装置は、冷却器であるヒートパイプ式冷却器３、電力用半導体素子４、導体などの電気用品２３及びフレーム２４等が主な構成要素である。
図１１のように、ヒートパイプ式冷却器３は、電力用半導体素子４と接触する受熱部１０、ヒートパイプ１９、及び放熱フィン１７を主たる構成要素とする。また放熱フィン１７はヒートパイプ１９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３の放熱フィン１７が水平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。
従って、ヒートパイプ式冷却器３の配置は、図１１のように封入された冷媒の液戻りを考慮し、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。
【０００３】
以上のように構成された電力用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。
【０００４】
【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、前述のようにヒートパイプ式冷却器の放熱フィンの形状による特性からその配置は限定され、図１１のように放熱フィン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の形状寸法に大きく依存する。
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する様な構造を取らなければならないので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、装置形状は更に大型化してしまう。
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。
そこで、これらの問題を解決するために、自然対流により冷却を行う垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を用いることが考えられる。
ところで、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を用いる電力変換装置において、電力用半導体素子と垂直配置型ヒートパイプ式冷却器とから構成される複数の半導体スタックを配置する場合、これらの保守性、作業性を向上させることが必要となる。
【０００５】
また、このような垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を用いる電力変換装置において、装置のより一層の小型化が要望されている。
本発明は、このような点に鑑み為されたもので、保守性、作業性を向上させた電力変換装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、装置の小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為、請求項１に記載の本発明は、電力用半導体素子とこの電力用半導体素子を冷却する垂直配置型ヒートパイプ式冷却器とから構成される複数の半導体スタックを有する電力変換装置において、複数の半導体スタックを、中央のものほど下方となるように段差をつけて配置したことを特徴とする。
このような構成により、両側の保守面からの目視が可能となる。これにより装置の保守・点検等において作業効率が向上するとともに異常の早期発見にも寄与する。また装置の組立・修理などの作業においても作業効率が向上する。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、各半導体スタックにおけるそれぞれの垂直配置型ヒートパイプ式冷却器の受熱部に、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器間の沿面絶縁距離を確保するための絶縁体を設けたことを特徴とする。
【０００６】
このような構成により、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器間の沿面絶縁距離を確保することができる。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の電力変換装置において、各半導体スタックにおける複数の垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を、垂直方向に対して、１つずつ交互に、反対方向に傾斜させた状態で配置したことを特徴とする。
このような構成により、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器の放熱フィンの干渉をなくすことができるとともに、半導体スタックの小型化が可能となる。
【０００７】
【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、以下の図において、同符号は同一部分または対応部分を示す。
【０００８】
（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及び図２を用いて説明する。
図１は半導体スタックの構成を示す図で、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はその一部の側面図である。また、図２は本実施形態の電力変換装置の構成を示す図で、同図（ａ）は半導体スタックが３列の場合、同図（ｂ）は半導体スタックが４列の場合の配置を示す図である。
本実施形態は、電力変換装置１内部に設置する半導体スタック２を、段差をつけて設置したものである。
半導体スタック２は、図１に示すようにヒートパイプ式冷却器３と電力用半導体素子４の組み合わせにより構成される。ヒートパイプ式冷却器３は、垂直配置型ヒートパイプ式冷却器で、例えば、複数の放熱フィンは、垂直方向に伸びるヒートパイプに対し、放熱フィン全体或いは一部が水平方向から所定の角度をもって斜めになるような状態で取付けられている。
そして、半導体スタック２が３列に渡って配置される場合は、図２（ａ）に示すように、中央の半導体スタック２を下方に配置することで電力変換装置１の両側の保守面からの目視が可能となる。これにより装置の保守・点検等において作業効率が向上するとともに異常の早期発見にも寄与する。また装置の組立・修理などの作業に於いても同様に作業効率が向上する。
【０００９】
また、半導体スタック２が４列に渡って配置される場合は、図２（ｂ）に示すように、中央の２列を下方に配置することで同様の効果が得られる。
尚、半導体スタック２が２列の場合には、特に保守面が片側に限られ保守スペースがないような場合は、上記同様段差をつけて配置することで同様の効果が得られる。
また、半導体スタック２の５列以上の配置については、上記の場合と同様に、中央に行くに従って下方となるように配置することで同様の効果が得られる。
また、この配置方法によれば半導体スタック２と電力変換装置１の上面との距離を長くすることになる。これにより、いわゆる煙突効果が得られ、電力変換装置１としての冷却性能の向上をも実現することができる。
尚、半導体スタック２の設置位置及び設置方法については、主回路構成すなわち半導体スタック２の数により配置が異なるので、上述の構成に限定されるものではない。
【００１０】
（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、図３及び図４を用いて説明する。
図３は本実施形態の電力変換装置の構成を示す斜視図である。また、図４は換気機構の構成を示す図で、同図（ａ）はその一部の正面図、同図（ｂ）はその一部の断面図である。
本実施形態は、例えば第１の実施形態のような電力変換装置に、温度及び湿度により開閉する換気機構を設けたものである。
即ち、図３に示すように、屋外に設置される電力変換装置１に自動開閉を行う換気機構７を設けたものである。
屋外に設置される電力変換装置１は、完全に密閉された構造か、主回路より発生するロスを放熱する冷却器の放熱部分を除き密閉した構造とすることが多い。図３に示すものは、後者の構造としたもので、電力変換装置１の上方の部分が開放部５、そして下方の部分が密閉部６となっている。
これらの密閉構造は、特に主回路の様に電位を持つ部分の電気的絶縁や腐食を防ぐための構造であり、雨水・湿度・塩分・塵などの性能劣化の原因となる要因を未然に防ぐことを目的として実施されている。
この密閉構造における問題は、外気温度の変化や日光の照射による内部の温度上昇などにより、密閉された内部の機器や冷却器の性能が大きく左右されることである。
【００１１】
そこで、本実施形態においては、この密閉部６に対し、温度及び湿度により自動的に開閉する換気機構７を設けることで、密閉された内部の温度上昇を抑制し、また冷却器の性能低下を防ぐことができる。
また上記の絶縁性、防塵及び防錆等の問題を解決するために、密閉部６に設ける換気機構７の換気口には、図４に示すように、雨水の浸入を防ぐ庇９を設け、内部に配置された可動式スリット部材８により換気量を調整する。即ち、図４に示すように、庇９の通風部分の位置と、可動式スリット部材８の通風部分の位置とが略対向する位置にある場合に換気量が大となり、可動式スリット部材８を上または下に移動させて庇９の通風部分の位置と、可動式スリット部材８の通風部分の位置がずれた場合に換気量が小となるので、可動式スリット部材８を上下に移動させることにより換気量を調整することができる。加えて、可動式スリット部材８の通風部分にはフィルター等を設けることでより一層の効果が得られる。
換気機構７は、温度や湿度に応じて開閉する機構であるが、その構造や方法を限定するものではない。また装置の定格や環境温度により換気量が異なるので、換気口の大きさや形状についても限定されるものではない。
【００１２】
なお、電力変換装置において、筐体を密閉した上、内部絶縁を目的としたガスなどを充填する構造のものには、本実施形態は適用されない。
以下に、本発明の第３乃至第６の実施形態について説明するが、これらの第３乃至第６の実施形態は、例えば上述の第１及び第２の実施形態の電力変換装置に使用するヒートパイプ式冷却器に関するものである。
なお第１及び第２の実施形態の電力変換装置に使用するヒートパイプ式冷却器、及び第３乃至第６の実施形態におけるヒートパイプ式冷却器は、放熱フィン全体或いは一部が傾斜した形状を持つものであり、自然冷却でありながら垂直方向の配置を可能とするものである。
【００１３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器について、図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態のヒートパイプ式冷却器の構成を示すもので、同図（ａ）はその正面図、同図（ｂ）はその平面図である。
本実施形態は、ヒートパイプ式冷却器の受熱部に絶縁部分を設けたものである。
複数の半導体素子とヒートパイプ式冷却器等から構成される半導体スタックの組立においては、これにより複数の電力用半導体素子と複数のヒートパイプ式冷却器等から構成される半導体スタックのヒートパイプ式冷却器間の沿面絶縁距離を確保することができる。
電力変換装置１に用いる大型のヒートパイプ式冷却器３の組立においては、図に示すように作業性の向上を図るために、ガイドレール１２等を用いることにより滑らせて移動させることが有効な手段であるが、この際ガイドレール１２に触れている各ヒートパイプ式冷却器３間の絶縁距離が問題となる。そこで、受熱部１０がガイドレール１２に接触している部分に絶縁部１１を設けることで沿面絶縁距離を確保するものである。
また、絶縁部１１の絶縁物として、機械的な摩擦の少ない滑りやすい材質を選定することで、さらに作業性の向上を図ることができる。
【００１４】
但し、絶縁物の材質や形状については限定するものではない。
更に、ガイドレール１２を絶縁物で構成した場合でも、受熱部１０がガイドレール１２に接触している部分に絶縁部１１を設けることで沿面絶縁距離をより一層確保することができる。
【００１５】
（第４の実施形態）
次に本発明の第４の実施形態について図６及び図７を用いて説明する。
図６は、本実施形態のヒートパイプ式冷却器の構成を示す正面図である。また、図７は半導体スタックの一部を示す側面図である。
本実施形態は、図６に示すようにヒートパイプ式冷却器３の受熱部１０に貫通穴１３を設けたものである。
そして、図７に示すように、半導体スタックは、複数のヒートパイプ式冷却器３及び複数の電力用半導体素子４を、押さえ板１４、ボルト等の棒材１５、及びナット等の締結部品１６等によって締め付ける構造を採る。
このようにして、ヒートパイプ式冷却器３の受熱部１０に設けた貫通穴１３に棒材１５を通して組み立てることで、半導体スタックの各構成要素の配置が固定できるので組み立て作業効率が向上し、落下防止の効果も得られることで安全性も向上する。
なお貫通穴１３の形状等については限定するものではない。
（第５の実施形態）
次に本発明の第５の実施形態について図８を用いて説明する。
図８は本実施形態における半導体スタックの構成を示すもので、同図（ａ）はその正面図、同図（ｂ）はその一部の側面図である。また、同図（ｃ）及び（ｄ）は半導体スタックの構成要素であるヒートパイプ式冷却器のＡの部分の放熱フィンの構成例を説明するための図である。
【００１６】
本実施形態は、半導体スタックの構成要素であるヒートパイプ式冷却器３を傾斜させた上、１つずつ交互に反対側に傾斜させることで、ヒートパイプ式冷却器３の放熱フィンの干渉をなくすとともに、半導体スタックの小型化を可能とする。
電力用半導体素子４及びヒートパイプ式冷却器３を直列に複数枚並べる場合は熱や電気的な絶縁を必要とするので放熱フィン１７を接触させてはならない。従ってヒートパイプ式冷却器３の形状を考慮しても相互の接触を免れない場合はスペーサー１８等を挟み込むことで接触させないようにしなければならないが、これによって半導体スタックは大型化してしまう。
これに対して、図８（ａ）および（ｂ）のように、ヒートパイプ式冷却器３を垂直に対してある角度傾斜させ、かつ、１つずつ交互に反対方向に傾斜させることで放熱フィン１７の接触を防ぎ装置の小型化が可能となる。
さらにヒートパイプ式冷却器３のヒートパイプ１９に取付けられた放熱フィン１７は、図８（ｃ）または（ｄ）に示すように、全体或いはその一部が傾斜した形状を持つことから垂直配置を可能とするものであるが、ヒートパイプ式冷却器３自体を傾斜させることで放熱フィン１７の傾斜角度は大きくなり放熱フィン１７間の流れに対する損失が低減される事で性能が大幅に向上する。
【００１７】
なお、ヒートパイプ式冷却器３の傾斜角度は放熱フィン１７の傾斜角度に依存するため限定するものではない。また放熱フィン１７の形状は垂直配置を可能とするのに必要な形状であり、その形状を限定するものではない。
但し、図８（ａ）に示すようにヒートパイプ式冷却器の傾斜方向と同じ方向に傾斜した放熱フィン１７を持つ場合は有効であるが、直交する方向に傾斜した形状の放熱フィンを持つヒートパイプ式冷却器は、適当ではない。
【００１８】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について図９及び図１０を用いて説明する。
図９は本実施形態のヒートパイプ式冷却器の構成を示すもので、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその正面図、そして同図（ｃ）はそのＡの部分の詳細な構成を示す正面図である。また、図１０は支持構造の詳細を説明するための図で、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその正面図である。
本実施形態は、例えば、第５の実施形態のヒートパイプ式冷却器３を電力変換装置のフレームに固定する支持機構２０に球面形状を有することにより、設置する傾斜角度に自由度を持たせることができ、ヒートパイプ１９に発生する力を抑制することを可能となるようにしたものである。
ヒートパイプ式冷却器３を電力変換装置に設置する場合少なくとも上下の両端で支持することが必要である。従って完全に両端で固定してしまうと、通常の状態でもヒートパイプ１９に対して応力が発生する上、何らかの要因により電力変換装置或いはヒートパイプ式冷却器が振動することで更に大きな力が発生することになる。
これに対し図１０に示すように、断面Ｌ字型の一対のガイドレール（図示せず）で両端が支持された支持板２１に設けられた長穴２２に支持機構２０を貫通させ、支持機構２０が図示矢印の方向に移動可能な機構としたことで、組立時において発生する初期応力値を抑制する効果が得られる。
【００１９】
なお、支持機構２０についてはその形状・材質を限定するものではない。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、自然対流により冷却を行う垂直配置型ヒートパイプ式冷却器を用いる電力変換装置の保守性、作業性が向上するとともに、構成要素の大幅な小型化を可能に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できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態における半導体スタックの構成を示す図。
【図２】  本発明の第１の実施形態に係わる電力変換装置の構成を示す図。
【図３】  本発明の第２の実施形態に係わる電力変換装置の構成を示す図。
【図４】  本発明の第２の実施形態における換気機構の構成を示す図。
【図５】  本発明の第３の実施形態に係わるヒートパイプ式冷却器の構成を示す図。
【図６】  本発明の第４の実施形態に係わるヒートパイプ式冷却器の構成を示す正面図。
【図７】  本発明の第４の実施形態における半導体スタックの一部の構成を示す側面図。
【図８】  本発明の第５の実施形態における半導体スタックの構成を示す図。
【図９】  本発明の第６の実施形態に係わるヒートパイプ式冷却器の構成を示す図。
【図１０】本発明の第６の実施形態における支持構造の詳細な構成を説明するための図。
【図１１】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の構成を示す正面図。
【符号の説明】
１…電力変換装置
２…半導体スタック
３…ヒートパイプ式冷却器
４…電力用半導体素子
５…開放部
６…密閉部
７…換気機構
８…可動式スリット部材
９…庇
１０…受熱部
１１…絶縁部
１２…ガイドレール
１３…貫通穴
１４…押さえ板
１５…棒材
１６…締結部品
１７…放熱フィン
１８…スペーサー
１９…ヒートパイプ
２０…支持機構
２１…支持板
２２…長穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003654496.tif 000009
【図９】
0003654496.tif 000010
【図１０】
0003654496.tif 000011
【図１１】
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