(57)【要約】【課題】所定の冷却性能を確保しつつ、流路内の圧力損失が小さく、エネルギー効率に優れた冷却装置を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、冷媒流路１０が、半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く前記冷却フィン部を接続するバッファ部（点線Ｂの周りの部分）とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下である電力変換装置。冷却装置の冷却性能を低下させることなく、流路内の圧力損失を低減させ、冷媒循環のために用いるエネルギーを削減できる。【選択図】        図３
2004335516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、
前記冷媒流路が、前記半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く前記冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、
前記バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、
前記冷媒流路が、前記半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く前記冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、
前記バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であり、
前記バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さが６倍以下である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、
前記冷媒流路が、並べて配置された前記半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く前記冷却フィン部を接続するＵ字状のバッファ部とからなり、
前記バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下である
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、
前記冷媒流路が、並べて配置された前記半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く前記冷却フィン部を接続するＵ字状のバッファ部とからなり、
前記バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であり、
前記バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さが６倍以下である
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、電力変換装置に係り、特に、電力変換装置の冷却装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電力変換装置の冷却装置には、発熱量に応じて冷却装置の流路表面積を変化させ、冷却装置の温度を均一にする技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９４７７号公報
（第４〜５頁、図２，３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記電力変換装置の冷却装置は、電力変換装置内に実装される電気部品の発熱量が大きい場合、フィン等の拡大伝熱面を設けて放熱性能を高め、冷却装置の温度を均一にする。
【０００５】
電力変換装置の冷却装置内を流れる冷媒としては、周囲空気または不凍液を含んだ水を用いることが一般的である。いずれの場合も、冷媒を強制的に供給する手段として、ブロアまたはポンプが必要である。
【０００６】
これらブロアまたはポンプは、流量と吐出圧力とに基づいて選定される。流量は、主に冷却性能に関係しており、吐出圧力は、主に冷媒が流れる個所の圧力損失に関係している。
【０００７】
発熱量に応じて冷却装置の流路表面積を変化させると、流路断面積もそれとともに変化する。このとき、流路が拡大または縮小するので、それに伴って拡大圧力損失または縮小圧力損失が発生する。これらの圧力損失は、冷却性能とは直接の関係がない。
【０００８】
流路内の圧力損失が大きい場合には、大容量のブロアまたはポンプが必要となり、エネルギー効率の点から望ましくない。
【０００９】
本発明の目的は、所定の冷却性能を確保しつつ、流路内の圧力損失が小さく、エネルギー効率に優れた冷却装置を備えた電力変換装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、前記冷媒流路が、半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下である電力変換装置を提案する。
【００１１】
本発明は、また、電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、前記冷媒流路が、半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であり、バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さが６倍以下である電力変換装置を提案する。
【００１２】
本発明は、さらに、電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、前記冷媒流路が、並べて配置された半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するＵ字状のバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下である電力変換装置を提案する。
【００１３】
本発明は、電力変換用半導体素子が実装された複数の半導体モジュールと当該半導体モジュールを冷却する冷媒の冷媒流路を形成した冷却装置とを有する電力変換装置において、前記冷媒流路が、並べて配置された半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するＵ字状のバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であり、バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さが６倍以下である電力変換装置を提案する。
【００１４】
本発明においては、冷媒流路が、半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であるので、冷媒の流速変化に起因する圧力損失が低減され、エネルギー効率の高い電力変換装置の冷却装置が得られる。
【００１５】
また、冷媒流路が、半導体モジュールの冷却フィン部とフィンが無く冷却フィン部を接続するバッファ部とからなり、バッファ部の流路断面積の最小値に対する最大値が２倍以下であり、バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さが６倍以下であるようにした場合は、バッファ部における圧力損失がより一層低減され、エネルギー効率の高い電力変換装置の冷却装置が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜図１２を参照して、本発明による電力変換装置の実施形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の適用対象となる電力変換装置の回路構成の一例を示す図である。
【００１８】
電力変換装置１１０は、平滑コンデンサ１１１と半導体素子１１３〜１１８とを内部に実装してあり、直流電源１００が供給する直流電力を三相交流電力に変換し、負荷１２０に供給する。
【００１９】
なお、図１では、半導体素子１１３〜１１８の一例としてＩＧＢＴ素子を示した。しかし、本発明の適用対象となる半導体素子の種類は、このＩＧＢＴ素子には限定されない。
【００２０】
【実施形態１】
図２は、本発明による電力変換装置の実施形態１の構造を示す斜視図である。
【００２１】
図２において、半導体モジュール１は、ボルト３により、冷却装置２に固定されている。冷媒は、冷媒流入口２ａから冷却装置２内に流し込まれ、反対側の冷媒流出口２ｂから排出される。半導体モジュール１で発生した熱は、冷却装置２に伝導し、冷却装置２の内部を流れる冷媒との間で熱を交換し、放熱される。
【００２２】
図３は、実施形態１の冷媒流路の形状を示す斜視図である。
【００２３】
図３において、電力変換装置の冷却装置には、冷媒流路１０が形成されている。半導体モジュール１が搭載される近傍は、冷却性能を高めるためにフィンが設けられるので、冷媒流路１０は、多数の細い流路から構成される。
【００２４】
しかし、細い流路部分は等価直径が小さく、流速も速いために、摩擦圧力損失が大きくなる。そこで、本発明においては、特段の冷却性能を必要としない部分については、細い流路を集約してバッファ部を構成する。
【００２５】
図４は、図３のＡ−Ａ断面図であり、実施形態１の冷媒流路の形状を示す図である。
【００２６】
フィン部は、冷却性能を高めるために、冷媒の流速を上げるように細くなっている。これに対して、細い流路を集約したバッファ部は、流路断面積の変化を抑えるため、図３に示すように、流路幅は狭めてある。
【００２７】
本実施形態１によれば、電力変換装置の冷却装置２は、バッファ部で流路断面積変化が小さいので、冷媒の流速変化に起因する圧力損失が低減され、エネルギー効率の高い電力変換装置の冷却装置が得られる。
【００２８】
【実施形態２】
実施形態２における電力変換装置の全体構造は、実施形態１の図２と同様であり、冷媒流路の概略の形状も実施形態１の図３と同様である。
【００２９】
図５は、図３のＡ−Ａ断面図であり、実施形態２の冷媒流路の形状を示す図である。図６は、図３のＢ−Ｂ断面図であり、実施形態２のバッファ部の冷媒流路の形状を示す図である。
【００３０】
本実施形態２のバッファ部は、流路断面積の変化を抑えるため、図３に示すように、流路幅は狭め、さらに、図５および図６に示すように、高さ方向に厚くしてある。
【００３１】
圧力損失を低減するには、断面形状を正方形，円形，楕円形などにすることが有効である。そこで、本実施形態２では、図６に示すように、冷却性能に直接影響を与えないバッファ部の断面形状を略正方形にする。
【００３２】
本実施形態２によれば、電力変換装置の冷却装置２は、バッファ部における圧力損失がより一層低減され、エネルギー効率の高い電力変換装置の冷却装置が得られる。
【００３３】
【実施形態３】
図７は、本発明による電力変換装置の実施形態３の構造を示す斜視図である。
【００３４】
図７において、半導体モジュール１は、ボルト３により、冷却装置２に固定されている。冷媒は、冷媒流入口４ａから冷却装置４内に流し込まれ、冷媒流出口４ｂから排出される。半導体モジュール１で発生した熱は、冷却装置４に伝導し、冷却装置４の内部を流れる冷媒との間で熱を交換し、放熱される。
【００３５】
本実施形態３のように、半導体モジュール１の長辺を向かい合わせるように複数の半導体モジュールを配置すると、半導体モジュール１に接続する電線の配索作業が容易になり、実装性に優れた電力変換装置となる。
【００３６】
図８は、実施形態３の冷媒流路の形状を示す斜視図である。
【００３７】
図８において、電力変換装置の冷却装置４には、冷媒流路１０が形成されている。半導体モジュール１が搭載される近傍は、冷却性能を高めるためにフィンが設けられるので、冷媒流路１０は、多数の細い流路から構成される。
【００３８】
しかし、細い流路部分は等価直径が小さく、流速も速いために、摩擦圧力損失が大きくなる。そこで、本発明においては、特段の冷却性能を必要としない部分については、細い流路を集約してＵ字状のバッファ部を構成する。
【００３９】
図９は、図８のＡ−Ａ断面図であり、実施形態３の冷媒流路の形状を示す図である。
【００４０】
フィン部は、冷却性能を高めるために、冷媒の流速を上げるように細くなっている。これに対して、細い流路を集約したバッファ部は、流路断面積の変化を抑えるため、図８に示すように、流路幅は狭めてある。
【００４１】
図１０は、図８のＢ−Ｂ断面図であり、実施形態３のバッファ部の冷媒流路の形状を示す図である。
【００４２】
本実施形態３のバッファ部は、流路断面積の変化を抑えるため、図８に示すように、流路幅は狭め、さらに、図９および図１０に示すように、高さ方向に厚くしてある。
【００４３】
圧力損失を低減するには、断面形状を正方形，円形，楕円形などにすることが有効である。そこで、本実施形態３では、図１０に示すように、冷却性能に直接影響を与えないバッファ部の断面形状を台形にする。
【００４４】
本実施形態３によれば、電力変換装置の冷却装置４は、冷媒流速の変化に起因する圧力損失が低減され、また、バッファ部における圧力損失も低減されるので、エネルギー効率が高く、実装性に優れた電力変換装置の冷却装置が得られる。
【００４５】
図１１は、バッファ部における流路断面積の最小値に対する最大値の比率と圧力損失との関係を示す図である。
【００４６】
バッファ部の最小流路断面積部分と比較して流路断面積を拡げすぎると、壁面からの流線剥離の影響が大きくなる。そこで、本発明においては、面積拡大による圧力損失を抑制するために、図１１の特性から、バッファ部における流路断面積の最小値に対する最大値の比率を２倍以下に規制することにした。
【００４７】
図１２は、バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さの比率と圧力損失との関係を示す図である。
【００４８】
水力直径に対する内のり長さの比の増加につれて、理想形すなわち円形断面に対する圧力損失も増加する。実用上、圧力損失を理想形断面の１．５倍程度に抑えるという条件を設定すると、図１２の特性から、バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さの比率は、約６倍以下に規制しなければならないことになる。
【００４９】
なお、上記実施形態は、電力変換用半導体モジュールが２個の構造を例示したが、３個以上の電力変換用半導体モジュールがある構造でも、本発明は有効である。
【００５０】
また、向かい合わせられる半導体モジュールの長辺は平行である必要はない。その場合、バッファ部の形状は、Ｉ字形状やＵ字形状に限らず、電力変換装置が設置されるスペースの形状などに応じて、頂部が滑らかな曲線で規定されたＶ字形状やＪ字形状などに変更してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却性能を保持しつつ圧力損失が低下し、エネルギー効率が高い電力変換装置の冷却装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象となる電力変換装置の回路構成の一例を示す図である。
【図２】本発明による電力変換装置の実施形態１の構造を示す斜視図である。
【図３】実施形態１の冷媒流路の形状を示す斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図であり、実施形態１の冷媒流路の形状を示す図である。
【図５】図３のＡ−Ａ断面図であり、実施形態２の冷媒流路の形状を示す図である。
【図６】図３のＢ−Ｂ断面図であり、実施形態２のバッファ部の冷媒流路の形状を示す図である。
【図７】本発明による電力変換装置の実施形態３の構造を示す斜視図である。
【図８】実施形態３の冷媒流路の形状を示す斜視図である。
【図９】図８のＡ−Ａ断面図であり、実施形態３の冷媒流路の形状を示す図である。
【図１０】図８のＢ−Ｂ断面図であり、実施形態３のバッファ部の冷媒流路の形状を示す図である。
【図１１】バッファ部における流路断面積の最小値に対する最大値の比率と圧力損失との関係を示す図である。
【図１２】バッファ部断面の水力直径に対する内のり長さの比率と圧力損失との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  電力変換用半導体モジュール
２  冷却装置
２ａ  冷媒流入口
２ｂ  冷媒流出口
３  ボルト
４  冷却装置
４ａ  冷媒流入口
４ｂ  冷媒流出口
１０  冷媒流路
１００  直流電源
１１０  電力変換装置
１１１  平滑コンデンサ
１１３〜１１８  半導体素子
１２０  負荷
【図１】
2004335516.tif 000003
【図２】
2004335516.tif 000004
【図３】
2004335516.tif 000005
【図４】
2004335516.tif 000006
【図５】
2004335516.tif 000007
【図６】
2004335516.tif 000008
【図７】
2004335516.tif 000009
【図８】
2004335516.tif 000010
【図９】
2004335516.tif 000011
【図１０】
2004335516.tif 000012
【図１１】
2004335516.tif 000013
【図１２】
2004335516.tif 000014