(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉構造の電力変換装置を構成するコンデンサと半導体素子とを備え、前記コンデンサの冷却を行うコンデンサ冷却構造において、
前記電力変換装置内で熱移動させる伝熱部材と、冷却液により前記半導体素子が冷却される、前記電力変換装置内に配される液冷却フィンとを有し、前記液冷却フィンを周囲温度よりも低い温度にし、前記コンデンサに発生した熱を前記伝熱部材により前記液冷却フィンに移動させることにより、前記半導体素子の発熱とともに前記液冷却フィンにおいて前記コンデンサを周囲温度よりも低い温度に冷却することを特徴とするコンデンサ冷却構造。
【請求項２】
前記コンデンサの外装ケースと前記液冷却フィンとを前記伝熱部材で熱的に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ冷却構造。
【請求項３】
前記コンデンサの表面を熱伝導性部材で覆い、前記熱伝導性部材と前記液冷却フィンとを前記伝熱部材で熱的に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ冷却構造。
【請求項４】
前記コンデンサを熱伝導性モールド材でモールドし、モールドした前記熱伝導性モールド材の外皮に前記伝熱部材の片端部を取り付け、前記伝熱部材の他方の端部を前記液冷却フィンと熱的に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ冷却構造。
【請求項５】
複数の前記コンデンサの間に集熱部材を挟み込み、前記複数のコンデンサと前記集熱部材とを熱伝導性モールド材でモールドし、前記集熱部材を前記液冷却フィンと前記伝熱部材で熱的に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンデンサ冷却構造。
【請求項６】
コンデンサと半導体素子とを備え、前記コンデンサの冷却を行う密閉構造の電力変換装置において、
前記電力変換装置内で熱移動させる伝熱部材と、冷却液により前記半導体素子が冷却される、前記電力変換装置内に配される液冷却フィンとを有し、前記液冷却フィンを周囲温度よりも低い温度にし、前記コンデンサに発生した熱を前記伝熱部材により前記液冷却フィンに移動させることにより、前記半導体素子の発熱とともに前記液冷却フィンにおいて前記コンデンサを周囲温度よりも低い温度に冷却するコンデンサ冷却構造を有する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、主に電力変換装置の主回路コンデンサを冷却するためのコンデンサ冷却構造及びこのコンデンサ冷却構造を有する電力変換装置に関し、特に密閉構造の電力変換装置に適したコンデンサ冷却構造及び電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の直流−直流変換、直流−交流変換などを行う電力変換装置においては、直流電力を平滑にするために複数のコンデンサが使用されている。このコンデンサは、小スペースで容量を確保するために電解コンデンサが多く用いられているが、電解コンデンサは内部抵抗が大きく、充放電電流による発熱量が大きい。そして、この電解コンデンサの発熱は最終的に装置内部に放熱されるので、装置内部の温度上昇の要因となっている。また、電解コンデンサはその内部温度が高くなるほど寿命が短くなるため、短期間で交換するか、あるいは長寿命化を図るために必要以上に大きくしなければならない。
【０００３】
そこで、上記のような電力変換装置に使用されるコンデンサを良好に冷却できるとともに、実装密度を向上させたコンデンサ冷却構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このコンデンサ冷却構造は、複数のコンデンサを長辺と短辺を有する断面楕円形に形成するとともに、各コンデンサを長辺側が対向するように配置し、隣り合うコンデンサの長辺側と短辺側との間に取り付け部材を挟み込んだコンデンサ取り付け構造を有するものである。
【０００４】
具体的には、複数のコンデンサの間に高熱伝導率の用品（ヒートパイプなど）からなる取り付け部材を挟み込み、この取り付け部材をヒートシンクに熱的に接続してコンデンサの冷却性能を向上させるものである。ヒートシンクの材料としては銅あるいはアルミニウムが使用され、冷却冷媒としては空気、水、などが用いられる。
【特許文献１】特開２００６−１２９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来のコンデンサ冷却構造では、コンデンサに発生した熱の伝導部材としてコンデンサの取り付け部材を利用しているので、コンデンサの形状及び取り付け構造に制限があるとともに、密閉構造の電力変換装置に用いた場合には装置内部に放熱された熱が外部に伝達されにくく、内部温度が上昇し、効率的な冷却ができないという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、コンデンサの形状及び取り付け構造の自由度が高く、密閉構造の電力変換装置でも装置内部の温度の上昇を抑制でき、安価かつ簡易な構成で効率的なコンデンサの冷却を行うことができるコンデンサ冷却構造及び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】
【０００７】
本発明では上記課題を解決するために、密閉構造の電力変換装置を構成するコンデンサと半導体素子とを備え、前記コンデンサの冷却を行うコンデンサ冷却構造において、前記電力変換装置内で熱移動させる伝熱部材と、冷却液により前記半導体素子が冷却される、前記電力変換装置内に配される液冷却フィンとを有し、前記液冷却フィンを周囲温度よりも低い温度にし、前記コンデンサに発生した熱を前記伝熱部材により前記液冷却フィンに移動させることにより、前記半導体素子の発熱とともに前記液冷却フィンにおいて前記コンデンサを周囲温度よりも低い温度に冷却することを特徴とするコンデンサ冷却構造が提供される。
【０００８】
このようなコンデンサ冷却構造によれば、コンデンサの取り付けに関係のない伝熱部材を用いてコンデンサに発生した熱を液冷却フィンに熱移動させているので、コンデンサの形状及び取り付け構造の自由度が高く、密閉構造の電力変換装置に用いた場合でも装置内部の温度の上昇を抑制でき、安価かつ簡易な構成で効率的なコンデンサの冷却を行うことができる。
【０００９】
また、本発明では上記課題を解決するために、コンデンサと半導体素子とを備え、前記コンデンサの冷却を行う密閉構造の電力変換装置において、前記電力変換装置内で熱移動させる伝熱部材と、冷却液により前記半導体素子が冷却される、前記電力変換装置内に配される液冷却フィンとを有し、前記液冷却フィンを周囲温度よりも低い温度にし、前記コンデンサに発生した熱を前記伝熱部材により前記液冷却フィンに移動させることにより、前記半導体素子の発熱とともに前記液冷却フィンにおいて前記コンデンサを周囲温度よりも低い温度に冷却するコンデンサ冷却構造を有することを特徴とする電力変換装置が提供される。
【００１０】
このような電力変換装置によれば、コンデンサの取り付けに関係のない伝熱部材を用いてコンデンサに発生した熱を液冷却フィンに熱移動させているので、コンデンサの形状及び取り付け構造の自由度が高く、装置内部の温度の上昇を抑制でき、安価かつ簡易な構成で効率的なコンデンサの冷却を行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のコンデンサ冷却構造及び電力変換装置は、コンデンサの取り付けに関係のない伝熱部材を用いてコンデンサに発生した熱を液冷却フィンに熱移動させているので、コンデンサの形状及び取り付け構造の自由度が高く、密閉構造の電力変換装置でも装置内部の温度の上昇を抑制でき、安価かつ簡易な構成で効率的なコンデンサの冷却を行うことができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態のコンデンサ冷却構造を図面を参照して説明する。実施の形態では、コンバータやインバータなどの密閉構造の電力変換装置における電解コンデンサの冷却構造を示し、また各図で同一構成要素には同一符号を付して説明する。
【００１３】
図１は本発明の第１の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。電力変換用の半導体素子１は液冷却フィン２に接続され、液冷却フィン２には冷却液が通る配管３が貫通している。また、熱移動させる伝熱部材としてヒートパイプ４を有しており、平滑用のコンデンサ５の外装ケースがこのヒートパイプ４で液冷却フィン２と熱的に接続されている。
【００１４】
上記液冷却フィン２は、内部を貫通する配管３に冷却液（冷媒）を通流させて、表面に実装した半導体素子を冷却するものであり、コンデンサ５の温度よりも低くなるように設計されている。そして、その温度差によりコンデンサ５の熱を安価なヒートパイプ４を介して効率良く液冷却フィン２に伝熱することができる。
【００１５】
本実施の形態では、液冷却フィン２の下側にコンデンサ５を設置し、このコンデンサ５と半導体素子１の液冷却フィン２とを棒状のヒートパイプ４により熱的に接続している。このため、コンデンサ５に発生した熱はヒートパイプ４により効率良く液冷却フィン２に移動し、これによりコンデンサ５が冷却される。
【００１６】
すなわち、コンデンサ５では内部抵抗とリップル電流により損失が発生するが、この損失による発熱は外装ケースに取り付けたヒートパイプ４で受熱され、このときヒートパイプ４内部の冷媒が気化する。この気化した冷媒はヒートパイプ４の上部に移動し、その熱を液冷却フィン２内の配管３を通る冷却液に放熱することで冷却されて再び液化する。この液化したヒートパイプ４内部の冷媒は下部のコンデンサ５側に戻り、再度コンデンサ５の熱により気化し、液冷却フィン２に熱を移動させる。この熱移動の繰り返しにより、コンデンサ５が冷却される。
【００１７】
ここで、コンデンサ５の温度は、液冷却フィン２の温度にヒートパイプ４の受熱部と放熱部の温度勾配を加えた温度となる。したがって、配管３内の冷却液の通流により液冷却フィン２の温度を周囲温度よりも十分に低くすれば、コンデンサ５の温度も周囲温度より低くすることができ、コンデンサ５の外装ケース表面から周囲空間に放熱される熱量を低減させることができる。
【００１８】
また、一般に電力変換用の半導体素子１の損失が数１００Ｗ程度であるのに対し、コンデンサ５の損失は数Ｗから数１０Ｗ程度である。このため、コンデンサ５の熱を液冷却フィン２に放熱しても、液冷却フィン２の冷却性能に影響を与えることはない。
【００１９】
このように、本実施の形態のコンデンサ冷却構造では、コンデンサ５内部で発生した熱をヒートパイプ４により効率良く液冷却フィン２に移動させて放熱させることができ、コンデンサ５の放熱量の低減及びコンデンサ５の温度上昇を抑制することができる。液冷却フィン２は半導体素子１を冷却するためのものであり、コンデンサ５の温度よりも低くなるように冷却設計することができ、その温度差によりコンデンサ５の熱を液冷却フィン２に移動させることができる。
【００２０】
また、コンデンサ５の取り付けに関係のない安価なヒートパイプ４を用いてコンデンサ５に発生した熱を液冷却フィン２に熱移動させているので、コンデンサ５の形状及び取り付け構造の自由度が高く、安価かつ簡易な構成で効率的なコンデンサ５の冷却を行うことができる。さらに、密閉構造の電力変換装置に用いた場合でも、装置外部から液冷却フィン２の内部の配管３に冷却液を供給できるので、装置内部の温度の上昇を抑制することができる。
【００２１】
なお、液冷却フィン２側のヒートパイプ４の取り付け位置は、冷却液の配管３を挟んで半導体素子１の反対側にするのが好ましい。また、ヒートパイプ４は図示のようにコの字型にする必要はなく、棒状であってもＬ字型であっても良い。
【００２２】
図２は本発明の第２の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。本実施の形態では、液冷却フィン２の横側にコンデンサ５を設置している。他は、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００２３】
このような構成のコンデンサ冷却構造において、ヒートパイプ４の放熱部を受熱部よりも高い位置にすることができれば、液冷却フィン２とコンデンサ５の実装位置についての制限は排除することができる。
【００２４】
図３は本発明の第３の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。本実施の形態では、コンデンサ５の表面を銅あるいはアルミニウムなどの高熱伝導率の熱伝導性部材６で覆い、この熱伝導性部材６と液冷却フィン２とをヒートパイプ４で熱的に接続している。
【００２５】
このような構成のコンデンサ冷却構造においては、熱伝導性部材６によりコンデンサ５の熱を集熱して液冷却フィン２に移動させることができる。また、コンデンサ５と液冷却フィン２とを電気的に絶縁する必要がある場合は、コンデンサ５の表面に電気的絶縁シートを巻き、その上に熱伝導性部材６を巻けば良い。
【００２６】
図４は本発明の第４の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す斜視図である。本実施の形態は特に複数のコンデンサを冷却する場合に適したコンデンサ冷却構造であり、複数のコンデンサ５を高熱伝導率の樹脂からなる熱伝導性モールド材７でモールドし、モールドした熱伝導性モールド材７の外皮にヒートパイプ４の片端部を取り付け、ヒートパイプ４の他方の端部を液冷却フィン２と熱的に接続している。
【００２７】
このような構成のコンデンサ冷却構造においては、複数のコンデンサ５を効率良く冷却することができ、またコンデンサ５の設置スペースも小さくすることができる。なお、図示していないが図１〜図３に示す実施の形態と同様、ヒートパイプ４は内部を通る冷却液により冷却される構造となっている。
【００２８】
図５は本発明の第５の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す斜視図である。本実施の形態も図４に示す第４の実施の形態と同様、複数のコンデンサを冷却する場合に適したコンデンサ冷却構造であり、図５に示すように、複数のコンデンサ５の間に銅あるいはアルミニウムなどの高熱伝導率の集熱部材８を挟み込み、複数のコンデンサ５とこの集熱部材８とを熱伝導性モールド材７でモールドし、集熱部材８を液冷却フィン２とヒートパイプ４で熱的に接続している。
【００２９】
このような構成のコンデンサ冷却構造においては、集熱部材８により複数のコンデンサ５を効率良く冷却することができ、コンデンサ５の設置スペースも小さくすることができるとともに、熱伝導性モールド材７に絶縁性材料を用いることで、コンデンサ５とヒートパイプ４の絶縁を確保することができる。なお、本実施の形態においても図１〜図３に示す実施の形態と同様、ヒートパイプ４は内部を通る冷却液により冷却される構造となっている。
【００３０】
図６は図５に示す第５の実施の形態のコンデンサ冷却構造における集熱部材８の構成例を示す斜視図である。同図の（Ａ）はコンデンサ５の間に挟みこまれた平板状の集熱板８ａを有するものを示し、また（Ｂ），（Ｃ）は断面楕円形の筒状の集熱板８ｂ，８ｃを有するものを示しており、（Ｂ）の集熱板８ｂは一端側が開口した形状となっている。集熱部材８はこれらの構成に限定されることなく、他の形状であっても良い。
【００３１】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、上述の各実施の形態のコンデンサ冷却構造を有するコンバータなどの電力変換装置においては、コンデンサ５の熱が電力変換用の半導体素子（スイッチング素子）を冷却するための液冷却フィン２内部を通る冷却液に放熱され、コンデンサ５の表面からの放熱を低減することができ、装置内部の温度上昇を抑制することができる。
【００３２】
なお、上述の各実施の形態におけるコンデンサ５は、電解コンデンサだけでなく、金属ケースに収容されたフィルムコンデンサ、もしくは樹脂モールドされたコンデンサであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す側面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態のコンデンサ冷却構造を示す斜視図である。
【図６】図５に示す第５の実施の形態のコンデンサ冷却構造における集熱部材の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  半導体素子
２  液冷却フィン
３  配管
４  ヒートパイプ
５  コンデンサ
６  熱伝導性部材
７  熱伝導性モールド材
８  集熱部材
【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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