(57)【要約】【課題】装置の熱的制約の回避および実装密度の向上を図ることが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】冷却水を流す給水側の主配管および排水側の主配管を、それぞれ内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板６および排水側の冷却板７で構成する。これらの給水側の冷却板６および排水側の冷却板７と、半導体スイッチング素子、コンデンサ、抵抗、リアクトル、ヒューズ、基板などからなる個々のユニット１とを、それぞれ、給水側の分岐配管および排水側の分岐配管で接続する。このように、給水側の配管および排水側の配管を、それぞれ、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板および排水側の冷却板で構成することにより、内部の用品配置スペースを拡大することができ、装置の熱的制約の回避および実装密度の向上を図ることが可能となる。【選択図】図１
2008161005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子、コンデンサ、抵抗、リアクトル、基板のうちの少なくとも一つの用品を実装した電力変換装置において、前記用品を冷却するための冷却水を流す給水側の配管および排水側の配管を、それぞれ、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板および排水側の冷却板で構成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、前記給水側の冷却板および排水側の冷却板のうちの少なくとも一方の冷却板の表面をフィン形状にし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、前記給水側の冷却板および排水側の冷却板のうちの少なくとも一方の冷却板に、直接、発熱する用品を取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記給水側の冷却板および排水側の冷却板のうちの少なくとも一方の冷却板を、高温となる用品と、低温となる用品の間に配置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電力変換装置において、複数列、複数段に搭載した電力変換装置を構成するユニットを冷却する給水側の冷却板を、前記電力変換器内の水冷できない自冷用品に近い所に配置し、前記給水側の冷却板に排水側の水冷板を隣接させたことを特徴とする請求項１に記載する電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記給水側の冷却板および排水側の冷却板のうちの少なくとも一方の冷却板を、ユニット搭載用の構造部材としたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に関するものであり、特にその冷却実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、近年、大容量化と同時に小型化されてきており、これに伴い、発熱損失の増大および実装密度が向上したため、冷却方式として水冷方式を採る場合がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
冷却が必要な用品は、半導体スイッチング素子や、この半導体スイッチング素子で変換した電流を平滑するコンデンサや、コンデンサの電圧バランスを取るための抵抗や、半導体スイッチング素子のサージ電圧を抑制するためのコンデンサや抵抗などがある。これらの用品は、装置内部に分散されて配置されており、用品まで冷却水を運ぶために、用品間を配管で接続した構造となっている。
【０００４】
配管実装構成は、図７に示すようになっている。半導体スイッチング素子、コンデンサ、抵抗、リアクトル、ヒューズ、基板などからなるユニット１が複数配置されている。これらの用品のうち半導体スイッチング素子を冷却するため、外部より冷却水を給水する給水側の主配管２、個々のユニットに分配するための給水側の分岐配管３、ユニット１の用品を冷却した後、各ユニットから排水する排水側の分岐配管４、これらの配管をまとめる排水側の主配管５があり、外部に排水される構成になっている。
【０００５】
なお、図では、左側に給水側の主配管２、右側に排水側の主配管５が設置されているが、左右逆配置や、上下、前後に配管を配置してもかまわない。また、半導体スイッチング素子、コンデンサ、抵抗、リアクトルなどは、ユニット化せずに個別に実装される場合もある。
【０００６】
前述した半導体スイッチング素子は水で冷却できるが、コンデンサ、ヒューズ、及び半導体スイッチング素子を制御する基板などは一般的には水冷が不可能で自然換気あるいはファンによる強制冷却を行なう。その場合は、ユニット内の用品配置及び構造によっては、装置内部に熱がこもり、熱的な問題が発生することがあり、用品寿命の制約から装置容量を低減させるなどの処置をとっている。
【０００７】
また、用品を実装する上で、高温となる用品と低温の用品があるが、高温の用品は、対流によって上部に暖められた空気が上がるため、低温の用品を高温用品の上部に配置すると、熱にあおられてしまう。これを避けるために、別配置にするなどの処置をとっている。
【０００８】
実装面では、図７のように給水側の主配管２および排水側の主配管５が円筒形のため、前後に出し入れするユニット１の幅方向が制約を受けて、これ以上大型のユニットを収納できない。その上、分岐配管３,４は、冷却水を均等にわける必要があるため、同じ長さにする制約があり、自由な配置ができない。このように、配管の配置には、種々の制約があるため、用品実装密度を向上させる上で問題になっている。
【特許文献１】特開２００６−３２５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来の電力変換装置においては、給水側の主配管２および排水側の主配管５が円筒形のため、装置に収納するユニットの幅方向に制約があり、また装置の熱的制約があることから、用品実装密度を向上させる上でも問題になっていた。
【００１０】
そこで、本発明では、配管の形状および実装方法を変えることで、装置の熱的制約の回避および実装密度の向上を図ること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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子、コンデンサ、抵抗、リアクトル、基板のうちの少なくとも一つの用品を実装した電力変換装置において、用品を冷却するための冷却水を流す給水側の配管および排水側の配管を、それぞれ、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板および排水側の冷却板で構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、給水側の配管および排水側の配管を、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板および排水側の冷却板で構成したことにより、内部の用品配置スペースを拡大することができ、装置の熱的制約の回避および実装密度の向上を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
(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の構成を、図１に示す。
【００１５】
この実施形態においては、冷却水を流す給水側の主配管を板状の用品６とする。同様に、排水側の主配管も板状の用品７とする。すなわち、これらの主配管は、その断面を図２に示すように、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体で構成する。このような板状体で構成した給水側の主配管を、以下、給水側の冷却板６と言う。また、このような板状体で構成した排水側の主配管を、以下、排水側の冷却板７と言う。これらの冷却板６，７の材質は、例えばステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム、または銅とする。
【００１６】
そして、図1に示すように、給水側の冷却板６は、装置の左側の内壁に近接して垂直に配置され、図示しないが冷却器からの給水のための配管が任意の位置（例えば下方の位置）で接続される。また、排水側の冷却板７は、装置の右側の内壁に近接して垂直に配置され、図示しないが冷却器への排水のための配管が任意の位置（例えば下方の位置）で接続される。
【００１７】
なお、給水側の冷却板６および排水側の冷却板７をそれぞれ側壁に近接して配置する代わりに、給水側の冷却板６および排水側の冷却板７そのものを、それぞれ筐体の左側側壁および右側側壁としてもよい。
【００１８】
そして、給水側の冷却板６と、半導体スイッチング素子、コンデンサ、抵抗、リアクトル、ヒューズ、基板などからなる個々のユニット１とは、給水側の分岐配管で接続され、また排水側の冷却板７と個々のユニット１とは、排水側の分岐配管で接続される。なお、これらの分岐配管は、例えばフレキシブル管で構成し、各ユニット１または冷却板とは着脱自在になるように接続してもよい。
【００１９】
このように給水側の配管および排水側の配管を、それぞれ、内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体からなる給水側の冷却板および排水側の冷却板で構成すると、筐体の壁を冷却水の配管にしたことと同じであるため、内部の用品配置スペースを拡大することができる。
【００２０】
(第２の実施形態)
本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を、図３に示す。
【００２１】
この実施形態においては、上述の第１の実施形態における給水側の冷却板６および排水側の冷却板７の表面を、図のようにフィン形状にする。
【００２２】
このように、給水側の冷却板６および排水側の冷却板７を、表面をフィン形状にした冷却板８で構成すると、壁面全体の温度が下がるため、装置内部の空気が壁面から冷却される。これに伴い、用品の雰囲気温度を低く抑えることができる。
【００２３】
さらに、内部の空気が暖められることを抑えるため、高温用品の上側に、温度的に厳しい用品を配置することができる（例えば上側に基板、下側にリアクトルを配置することもできる）ようになり、用品配置の自由度があがる。
【００２４】
なお、上述ように、給水側の冷却板６および排水側の冷却板７の両方を、表面をフィン形状にした冷却板８で構成する代わりに、一方の冷却板のみを、表面をフィン形状にした冷却板８で構成することもできる。
【００２５】
(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の構成を、図４に示す。
【００２６】
この実施形態においては、上述の第１の実施形態における給水側の冷却板６と排水側の冷却板７の一方または両方に、例えば装置共通のコンデンサ、抵抗、リアクトル、基板などの発熱する用品９を直接取り付ける。給水側の冷却板６と排水側の冷却板７の一方に用品９を取り付ける場合は、冷却板６、冷却板７のいずれに取り付けてもよいが、給水側の冷却板６に取り付ける方が、より効果的である。なお、図４では、給水側の冷却板６に用品９を取り付けた場合を示している。
【００２７】
このようにすると、用品９の発生した熱を、直接、冷却板で冷やすことができるため、冷却水を運ぶ配管を削減でき、用品実装スペースを増やすことができる。また、装置内部への排熱を抑えることができる。その結果、内部温度を低く抑えることができる。
【００２８】
また、従来は装置内部の空間に置いていた用品を冷却板に取り付けることにより、用品から冷却板へ直接、熱を奪わせるため、装置内部の温度上昇を抑えることができる。
【００２９】
(第４の実施形態)
本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を、図５に示す。
【００３０】
この実施形態においては、上述の第１の実施形態における給水側の冷却板６を、装置内部の高温となる部分と低温となる部分の間に配置する。このようにすると、高温用品からの排熱を低温用品への伝熱を遮断できる。
【００３１】
すなわち、図４に示すように、給水側の冷却板６を、装置内の上下方向の中央部に水平に配置する。また、排水側の冷却板７を、装置の天井の内壁に近接して水平に配置する。
【００３２】
このように給水側の冷却板６を中央部に配置したことにより、冷却板６の下側に高温用品を配置し、上側に低温用品を配置しても、下側の排熱にあおられて上側の用品が高温にならずに済む。図４では、下側に高温用品であるリアクトルを配置し、その上に、給水側の冷却板６を配置し、さらに上側に、ユニット４を配置しており、この構成では、リアクトルからの排熱を、冷却板６で遮断できるために、ユニットが暖められることを防げる。
【００３３】
なお、給水側の冷却板６を、装置内の上下方向の中央部に水平に配置する代わりに、給装置内の幅方向の中央部に垂直に配置してもよい。給水側の冷却板６をこのように配置する場合、排水側の冷却板７を、装置の左側の内壁に近接して垂直に配置する。そして、給水側の冷却板６の右側の空間に高温用品であるリアクトルを配置し、冷却板６の左側の空間にユニットを配置すればよい。
【００３４】
(第５の実施形態)
本発明の第５の実施形態に係る電力変換装置の構成を、図６に示す。
【００３５】
図６は、複数列、複数段に搭載した電力変換装置を構成するユニット１があり、容量を拡張するためにそのユニット１を並列または直列に構成、あるいは、各種主回路に応じた単位（例えば１相単位)に構成するときの実装構造を示している。
【００３６】
すなわち、この実施形態においては、第１の実施形態のように内部に冷却水を流通させる空間を設けた板状体で構成した給水側の冷却板６と排水側の冷却板７とを平行に並べて対とする。そして、水冷板６、７の対は、各ユニット１の列と列との間に配置して、冷却装置（図示省略）から給水される給水側の冷却板６は、ユニット１に近い側に配置し、排水側の冷却板７は遠い側に配置する。
【００３７】
すなわち、図６に示すように、装置の左側の内壁に近接して排水側の冷却板７を垂直に配置し、その右側に給水側の冷却板６を垂直に配置する。そして、この水冷板６、７の対の右側（すなわち給水側の冷却板６の右側）にユニット１の列を配置する。このユニット１の列の右側に、所定の間隔をおいて、排水側の冷却板７を垂直に配置し、その右側に給水側の冷却板６を垂直に配置する。そして、この水冷板６、７の対の右側（すなわち給水側の冷却板６の右側）にユニット１の列を配置する。
【００３８】
また、ユニット１の内部用品配置は、給水側の冷却板６に近い側、すなわちユニット１の左側には、水冷できない自冷用品である基板１１、ヒューズ１２等の用品を近接して配置している。
【００３９】
このように配置した本実施形態の冷却方法について以下に記載する。
【００４０】
ユニット１内の基板１１、ヒューズ１２からの発熱は、隣設した給水側の冷却板６に伝達されて冷却水に放熱される。その冷却水は、水冷用品である半導体スイッチング素子を冷却する水冷フィン１３に流れ、その発熱を冷却水に伝導して給水側の冷却板６に隣接配置した排水側の冷却板７に流れ、冷却装置（図示省略）にかえり、熱交換され再びユニット１内へ給水循環される。
【００４１】
なお、基板１１、ヒューズ１２からの発熱量は、半導体スイッチン素子に比べ、数十分の１程度であり、水温を大幅に上昇させるほどの影響はない。
【００４２】
このような構成にすることにより、ユニット１内の半導体スイッチング素子以外の電気用品の発熱を冷却水に放熱することができるため、ユニット１および電力装置内の熱のこもりは解消でき、さらに、外部への放熱も抑制できる。
【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について説明する。この実施形態は、上述の各実施形態において、給水側の冷却板６または排水側の冷却板７を、ユニット１を搭載するための構造部材としたものである。
【００４４】
例えば、図６に示すように、断面がＬ字形の固定板１４を給水側の冷却板６に取り付け、この固定板１４でユニット１を搭載固定する。図６は、下部からの固定であるが、ユニット１、冷却板６または冷却板７の側面にプレートを介して固定することも可能である。例えばユニット１の左側側面に、左側側面より上下方向がやや大きいプレートを取り付けた後、プレートの上下の部分をねじなどにより冷却板６に固定することも可能である。
【００４５】
このように冷却配管と構造部材を兼ねる冷却板６、７の構成であると、ユニット１間の実装スペースを最小限にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態における主要部の構成を示す断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図６】本発明の第５及び第６の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図７】従来の電力変換装置の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１…ユニット
２…給水側の主配管
３…給水側の分岐配管
４…排水側の分岐配管
５…排水側の主配管
６…給水側の冷却板
７…排水側の冷却板
８…表面をフィン状にした冷却板
９…用品
１０…リアクトル
１１…基板
１２…ヒューズ
１３…冷却フィン
１４…固定板
【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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