(57)【要約】【課題】外形寸法に影響を与えることなく、設置対象との接触部分の温度上昇を極力抑制する。【解決手段】半導体素子の放熱器は、半導体素子に接触するベース面および設置対象に接触する設置面を外側に有する筒状の枠体と、前記枠体の内側にあって、板状に形成され、前記ベース面の裏側から前記設置面の裏側へ向かって突出して設けられた複数の放熱フィンと、を備える。前記複数の放熱フィンのうち少なくとも前記半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子に接触するベース面および設置対象に接触する設置面を外側に有する筒状の枠体と、
前記枠体の内側にあって、板状に形成され、前記ベース面の裏側から前記設置面の裏側へ向かって突出して設けられた複数の放熱フィンと、を備え、
前記複数の放熱フィンのうち少なくとも前記半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している半導体素子の放熱器。
【請求項２】
前記複数の放熱フィンのうち全ての放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している請求項１記載の半導体素子の放熱器。
【請求項３】
自然空冷方式である請求項１または２記載の半導体素子の放熱器
【請求項４】
半導体素子と、
前記半導体素子が収容される本体と、
前記本体に設けられ前記半導体素子に接触して前記半導体素子の放熱を行う放熱器と、を備え、
前記放熱器は、
前記半導体素子に接触するベース面および設置対象に接触する設置面を外側に有する筒状の枠体と、
前記枠体の内側にあって、板状に形成され、前記ベース面の裏側から前記設置面の裏側へ向かって突出して設けられた複数の放熱フィンと、を有し、
前記複数の放熱フィンのうち少なくとも前記半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している電力変換装置。
【請求項５】
前記放熱器は前記複数の放熱フィンのうち全ての放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している請求項４記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記放熱器は自然空冷式である請求項４または５記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体素子の放熱器および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インバータ装置やコンバータ装置など半導体素子が用いられる電力変換装置は、例えば特許文献１に記載のような放熱器を備えている。放熱器は、半導体素子が接触するベース面と、このベース面の裏側に設けられた複数の放熱フィンとを有して構成されている。半導体素子に生じた熱は、ベース面から放熱フィンに伝わり、放熱フィンと空気との熱交換によって放熱される。
【０００３】
一般に、このような電力変換装置は、放熱器の一部を設置対象となる建屋や設備の壁面に接触させて設けられることが多い。そのため、例えばＵＬ規格（ＵＬ：Underwriters Laboratories）などの安全規格において、電力変換装置の放熱器における設置対象との接触部分の温度上昇の上限が規定されている。
【０００４】
放熱器の設置対象との接触部分の温度上昇を抑制するためには、例えば放熱器の放熱面積つまり放熱フィンの面積を増大させることが考えられる。しかし、単純に放熱フィンの面積を増大させると、放熱器の外形寸法が大きくなり、その結果、電力変換装置全体が大型化する。一方、外形寸法を変えずに放熱フィンの枚数を増やして放熱面積を増大させると、空気抵抗が大きくなって空気の流れが低下し、放熱性能を低下させることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１４４２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、外形寸法に影響を与えることなく、設置対象との接触部分の温度上昇を極力抑制することのできる半導体素子の放熱器および電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態の半導体素子の放熱器は、半導体素子に接触するベース面および設置対象に接触する設置面を外側に有する筒状の枠体と、前記枠体の内側にあって、板状に形成され、前記ベース面の裏側から前記設置面の裏側へ向かって突出して設けられた複数の放熱フィンと、を備える。前記複数の放熱フィンのうち少なくとも前記半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している。
【０００８】
また、本実施形態の電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子が収容される本体と、前記本体に設けられ前記半導体素子に接触して前記半導体素子の放熱を行う放熱器と、を備える。前記放熱器は、前記半導体素子に接触するベース面および設置対象に接触する設置面を外側に有する筒状の枠体と、前記枠体の内側にあって、板状に形成され、前記ベース面の裏側から前記設置面の裏側へ向かって突出して設けられた複数の放熱フィンと、を有する。前記複数の放熱フィンのうち少なくとも前記半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が前記設置面の裏側から離間している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一実施形態によるインバータ装置を前側上方から見た外観を示す斜視図
【図２】インバータ装置を前側下方から見た外観を示す斜視図
【図３】インバータ装置を設置対象に取り付けた状態を示す側面図
【図４】図３のＨ−Ｈ線に沿う平断面図
【図５】第一放熱器を示す図４相当図
【図６】第二放熱器を示す図４相当図
【図７】放熱器の前側における温度の計測個所を示す図
【図８】放熱器の後側における温度の計測個所を示す図
【図９】各計測個所における温度の計測結果を示す図
【図１０】各計測個所における温度の計測結果を示すグラフ
【図１１】第二実施形態による図４相当図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、複数の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００１１】
（第一実施形態）
まず、第一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１には、電力変換装置の一例としてインバータ装置１０を示している。以下、説明の便宜のため、図１に示す上下、左右、前後方向を、インバータ装置１０の上下、左右、前後方向とする。
【００１２】
インバータ装置１０は、主体となる本体１１と、本体１１の前側に設けられた表示操作部１２と、本体１１の後側に設けられた放熱器１３とを備えて構成されている。本体１１は、合成樹脂などによって上下方向に長い矩形の箱状に構成され、その後側つまり放熱器１３側が開口している。本体１１の内部には、図４に示す半導体素子１４や、この半導体素子１４が取り付けられる図示しない回路基板が収容されている。半導体素子１４は、複数の半導体部品、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子をパッケージングしてモジュール化したもので、詳細は図示しないが回路基板に取り付けられてインバータ主回路を構成する。また、この図示しない回路基板は、インバータ主回路を制御する制御部や、その制御プログラムが格納される記憶手段などを有している。
【００１３】
表示操作部１２は、ボタンなどで構成される操作部１２１と、液晶画面などで構成される表示部１２２とを有し、インバータ主回路の制御部に接続されている。使用者は、操作部１２１を操作することによって、運転の開始や停止などの指示や、運転周波数などの各種パラメータの設定を行う。また、表示部１２２には、運転状態、運転周波数指令値、電圧、電流、入出力端子状態、トリップ履歴など各種情報などが表示される。
【００１４】
本体１１の下部には、図２に示すように、複数の接地用端子１５が本体１１の外部に露出して設けられている。また、接地用端子１５の上部に設けられた端子台カバー１１２の内側には、図示しない複数の入出力端子が設けられている。これら接地用端子１５および入出力端子は、それぞれ図示しない本体１１内部のインバータ主回路に接続されている。この場合、入力端子には、図示しない交流電源装置が接続され、出力端子には例えば図示しない誘導電動機などの負荷が接続される。こうして、インバータ装置１０は、交流電源装置から電源が与えられ、制御プログラムに基づきインバータ主回路が制御されることにより、誘導電動機などの負荷を駆動するようになっている。
【００１５】
また、本体１１の周囲には、本体１１の内部へ連通する複数の隙間で構成されるスリット１１１が形成されている。本体１１内の空気は、このスリット１１１を通して外部の空気と入れ替えられる。これにより、半導体素子１４や、インバータ主回路などで生じる熱の一部が本体１１の外部へ放熱される。
【００１６】
放熱器１３は、本体１１の後側の図示しない開口を覆うように設けられている。この放熱器１３は、送風機などによる強制送風を要さずに放熱するいわゆる自然空冷式のヒートシンクで構成されている。放熱器１３には、図４に示すように、半導体素子１４が接触して設けられている。これにより、半導体素子１４に生じる熱の大部分は、放熱器１３によって本体１１の外部へ放熱される。
【００１７】
この放熱器１３は、図４にも示すように、枠体１６、および複数この場合八枚の放熱フィン１７を有して構成されている。放熱器１３は、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導性すなわち放熱性に優れた金属材料を押出成形または引抜成形することによって、枠体１６および複数の放熱フィン１７が一体に成形されている。なお、放熱器１３は、金属材料に限られず、熱伝導性および耐熱性に優れるその他の材料、例えば樹脂やガラスを主体とした複合材料などで構成することもできる。
【００１８】
枠体１６は、上下方向に長く前後方向に扁平した矩形であって、長手方向つまり上下方向の両端部が開口した筒状に形成されている。具体的には、枠体１６は、それぞれ矩形の板状に形成された前壁部１６１と後壁部１６２と左右の側壁部１６３とが一体に組み合わされて構成されている。この場合、枠体１６は、前壁部１６１と後壁部１６２とが平行に配置され、前壁部１６１と後壁部１６２との両縁部を、左右の側壁部１６３によって繋がれて構成されている。
【００１９】
この枠体１６は、外側にベース面１６４および設置面１６５を有している。具体的には、ベース面１６４は、前壁部１６１の本体１１側つまり前側にあって、ほぼ平坦面に形成されている。ベース面１６４は、本体１１の内側に収容されて半導体素子１４に接触して設けられる。また、設置面１６５は、後壁部１６２の後側にあって、ほぼ平坦面に形成されている。設置面１６５は、図３および図４に示すように、建屋や設備の壁面などの設置対象１８に接触されて設けられる。なお、ベース面１６４は、必ずしも平坦面である必要はない。すなわち、ベース面１６４は、半導体素子１４のベース面１６４側の形状に沿って形成されていればよく、例えば湾曲していてもよい。同様に、設置面１６５も、必ずしも平坦面である必要はない。すなわち、設置面１６５は、設置対象１８の設置面１６５側の形状に沿って形成されていればよく、例えば湾曲していてもよい。
【００２０】
また、前壁部１６１には、図１に示すように、左上角部に後壁部１６２を前後方向へ貫く穴１６６が形成され、図２に示すように、この穴１６６の対角の位置つまり右下角部に、切欠き１６７が形成されている。放熱器１３は、図３に示すように、穴１６６および切欠き１６７にねじ１９が通されて、設置面１６５が設置対象１８に接触した状態で固定される。
【００２１】
八枚の放熱フィン１７は、矩形の板状に形成され、その上下方向の寸法は、枠体１６の左右側壁部１６３の上下方向の寸法とほぼ同じ寸法に設定されている。これら八枚の放熱フィン１７は、それぞれ枠体１６の内側に設けられている。放熱フィン１７は、前壁部１６１および後壁部１６２の厚さよりも薄く、左右の側壁部１６３とほぼ同じ厚さに設定されている。放熱フィン１７は、前壁部１６１の内側面つまりベース面１６４の裏側の面からほぼ直角に突出し、後壁部１６２側における内側の面つまり設置面１６５の裏側の面へ向かって伸びている。
【００２２】
そして、この放熱フィン１７の先端部１７１は、後壁部１６２つまり設置面１６５の裏側の面から離間している。この場合、半導体素子１４と重なる位置に設けられた放熱フィン１７、つまり左右方向の中央寄りの六枚の放熱フィン１７の先端部１７１が、それぞれ後壁部１６２から離間していることが望ましい。本実施形態では、八枚の放熱フィン１７のうち、全ての放熱フィン１７において、その先端部１７１が後壁部１６２から離間して設けられている。
【００２３】
また、これら八枚の放熱フィン１７は、それぞれ左右の側壁部１６３に対して平行であって、左右方向へ等間隔に離間して設けられている。この場合、先端部１７１と設置面１６５の裏側の面との離間距離は、隣接する２枚の放熱フィン１７の離間距離に比べて同じかやや短くなるように設定されている。これにより、枠体１６の内側は、図４に示すように、隣接する２枚の放熱フィン１７の間または放熱フィン１７と側壁部１６３との間に形成される複数この場合九箇所の第一空間２０と、八枚の放熱フィン１７の先端部１７１と後壁部１６２と左右の側壁部１６３とに囲まれて形成される第二空間２１との二種類の空間によって区分されている。この第一空間２０および第二空間２１は、それぞれ枠体１６の上下両端部の開口を繋ぐように構成されている。また、図４に示すように、第二空間２１の水平方向の断面積は、一箇所における第一空間２０の水平方向の断面積よりも大きいが、枠体１６の内側に形成される全てこの場合九箇所の第一空間２０の水平方向の断面積の合計よりは小さい。
【００２４】
次に、図５に示す第一放熱器３０および図６に示す第二放熱器４０を比較対象として、上記構成の作用を放熱器３０、４０と比較しながら説明する。
まず、図５に示す第一放熱器３０は、枠体３１、および複数この場合八枚の放熱フィン３２を備えている。枠体３１は、枠体１６と同様に、前壁部３１１と、後壁部３１２と、左右の側壁部３１３とから構成され、ベース面３１４および設置面３１５を有している。八枚の放熱フィン３２は、それぞれ前壁部３１１と後壁部３１２とを繋ぐように設けられている。この第一放熱器３０は、放熱フィン３２の先端部が後壁部３１２から離間していない点で本実施形態の放熱器１３と異なっている。この場合、八枚の放熱フィン３２のうち、全ての放熱フィン３２が後壁部３１２に繋がっている。
【００２５】
また、図６に示す第二放熱器４０は、次の点で本実施形態の放熱器１３と異なっている。すなわち、第二放熱器４０は、枠体４１と、二種類の放熱フィンこの場合六枚の中央側放熱フィン４２および二枚の外側放熱フィン４３とを備えている。枠体４１は、前壁部４１１と、後壁部４１２と、左右の側壁部４１３とから構成され、ベース面４１４および設置面４１５を有している。この枠体４１は、左右の側壁部４１３の一部がそれぞれ前壁部４１１に平行に折り曲げられた形状に形成されている。そして、左右の側壁部４１３を曲げた部分を後壁部４１２とし、この後壁部４１２の後側の面を設置面４１５としている。つまり、枠体４１は、後壁部４１２の一部が離間したいわゆるリップ溝形状に形成され、その離間した後壁部４１２の間に、後壁部４１２よりも大きい範囲を占める開口部４１６が形成されている。
【００２６】
また、中央側放熱フィン４２は、枠体４１の内側において左右方向の中央寄りに配置されている。そして、この中央側放熱フィン４２は、その先端部４２１が後側の開口部４１６から外方を臨み、設置対象１８に接触するように設けられている。また、外側放熱フィン４３は、中央側放熱フィン４２の左右方向の両外側に設けられ、その先端部４３１が後壁部４１２から離間して設けられている。
【００２７】
これらの放熱器１３、３０、４０において、半導体素子１４を駆動させた状態での放熱性能の比較を行った。各放熱器１３、３０、４０において、図７および図８に示す計測箇所Ａ〜Ｇの温度を計測し、その計測結果を図９および図１０に示している。ここで、図７および図８を参照し、計測箇所Ａ〜Ｇについて放熱器１３を代表させて説明する。なお、第一放熱器３０および第二放熱器４０についての計測箇所Ａ〜Ｇは、本実施形態の放熱器１３に相当する箇所とする。
【００２８】
まず、図７に示すように、半導体素子１４の上部を計測箇所Ａとし、半導体素子１４の上部における放熱器１３側を計測箇所Ｂとし、放熱器１３のベース面１６４の上部を計測箇所Ｃとしている。また、図８に示すように、放熱器１３の設置面１６５において、中央上部を計測箇所Ｄとし、左上部を計測箇所Ｅとし、右上部を計測箇所Ｆとし、中央部を計測箇所Ｇとしている。なお、図６に示すように、第二放熱器４０の設置面４１５は、中央部までは設けられていない。そのため、第二放熱器４０における計測箇所Ｇは、左右方向の中央寄りの二枚の中央側放熱フィン４２のうちいずれか一方の先端部４２１としている。また、計測箇所Ｄ〜Ｇにおける温度計測は、放熱器１３を木板などに取り付けた状態で木板の計測箇所Ｄ〜Ｇに対応する位置に穴を開け、その穴から計測機を差し込むことで行われた。
【００２９】
図９および図１０に示す計測結果を見ると、本実施形態の放熱器１３は、計測箇所Ａ〜Ｇにおいて、第二放熱器４０の計測箇所Ｇを除き、第一放熱器３０および第二放熱器４０に比べていずれも低い温度となることが分かった。特に、第一放熱器３０の計測箇所Ｄ〜Ｇに対して２．５〜３．８℃も低く、また、第二放熱器４０の計測箇所Ｄ〜Ｆに対して１．０〜２．９℃も低くなっている。このように、本実施形態の放熱器１３は、設置面１６５周辺の温度すなわち計測個所Ｄ〜Ｇの温度が、第一放熱器３０および第二放熱器４０に比べて低くなる傾向があることが分かった。これは、放熱器１３の構成では、放熱フィン１７の先端部１７１が後壁部１６２に直接接触していないので、放熱フィン１７から後壁部１６２に伝わる熱が抑制されるからと考えられる。
【００３０】
さらに、本実施形態の放熱器１３によれば、枠体１６の内側に形成された第二空間２１によって煙突効果が得られる。つまり、第二空間２１によって先端部１７１周辺からの放熱が促進され、この放熱によって暖められた空気が上昇すると、その流れによって下部には負圧が働き枠体１６外部から枠体１６の内側へ空気が流入する。すると、枠体１６の内側にはさらなる空気の流れが生じ、これにより放熱フィン１７おける放熱が促進されるとともに後壁部１６２の温度上昇が抑制されると考えられる。
【００３１】
この実施形態の構成によれば、放熱フィン１７の枚数を増やしたり大きくしたりせずに、後壁部１６２の温度上昇を抑制することができる。したがって、放熱器１３の外形寸法に影響を与えることなく、設置対象１８に接触する設置面１６５の温度上昇を極力抑制することができる。その結果、放熱器１３およびインターバ装置１０を、より安全性の高いものとすることができる。
【００３２】
また、放熱器１３は、自然空冷式であるため、送風機などを設ける必要がない。そして、放熱器１３は、第一放熱器３０および第二放熱器４０などと比べても放熱フィン１７の枚数を増やすことなく、設置面１６５側の温度上昇を抑制することができる。したがって、部品点数を増加させることなく温度上昇を極力抑制することができ、その結果、コスト面においても有利となる。
【００３３】
（第二実施形態）
次に、第二実施形態について、図１１を参照して説明する。
この第二実施形態において、放熱器１３は、左右方向における中央寄りに設けられた二枚の第一放熱フィン２２と、第一放熱フィン２２の両外側にそれぞれ三枚ずつ設けられた第二放熱フィン２３と、の合計八枚の放熱フィンを備えている。この場合、第一放熱フィン２２は、前壁部１６１と後壁部１６２とを繋ぐようにして設けられている。一方、第二放熱フィン２３は、第一実施形態の放熱フィン１７と同様の構成であり、その先端部２３１が後壁部１６２から離間している。そして、ベース面１６４には、第一放熱フィン２２の左右方向における両側に、それぞれ半導体素子１４が接して設けられている。この場合、二個の半導体素子１４は、それぞれ第一放熱フィン２２と重ならない位置であって、かつ、第二放熱フィン２３と重なる位置に設けられている。
【００３４】
この構成によれば、放熱器１３に二個の半導体素子１４を設ける場合であっても、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、この第二実施形態によれば、前壁部１６１と後壁部１６２との間を二枚の第一放熱フィン２２が繋いでいるため、枠体１６の強度を向上させることができる。
【００３５】
なお、上記各実施形態において、枠体１６は、厳密な筒状である必要はない。例えば後壁部１６２が離間していても、その離間距離が隣接する二枚の放熱フィンの配置間隔よりも小さい場合などのように、実質的に筒状であると認められればよい。
また、上記各実施形態の構成は、強制送風するための送風機を設けた放熱器についても適用することができる。
さらに、上記構成は、インバータ装置１０に限らず、コンバータ装置などの電力変換装置に適用することができる。
【００３６】
以上説明した半導体素子の放熱器および電力変換装置によれば、複数の放熱フィンのうち少なくとも半導体素子と重なる位置に設けられた放熱フィンの先端部が設置面の裏側から離間している。これによれば、放熱器の外形寸法に影響を与えることなく、設置対象との接触部分の温度上昇を極力抑制することができる。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変更は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
図面中、１０はインバータ装置（電力変換装置）、１１は本体、１３は放熱器、１４は半導体素子、１６は枠体、１６４はベース面、１６５は設置面、１７、２２、２３は放熱フィン、１７１、２２１は先端部、１８は設置対象を示す。
【図１】
2013168550.tif 000003
【図２】
2013168550.tif 000004
【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】
2013168550.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013168550.tif 000011
【図１０】
2013168550.tif 000012
【図１１】
2013168550.tif 000013