JP2004274959A

JP2004274959A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2004274959A
Application number: JP2003065942A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sato; 和弘佐藤
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有する電力変換装置を提供する。
【解決手段】筐体１と、この筐体１に収納されたスイッチング素子４と、このスイッチング素子４を制御するための制御部８と、前記スイッチング素子４を冷却するための第１の冷却手段と、筐体１内の前記制御部８等の発熱要素を冷却するための第２の冷却手段とを備え、前記第１の冷却手段は、前記スイッチング素子４に密着配置され、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えたヒートシンク２により熱交換するようにし、前記第２の冷却手段は、前記筐体１の天井板内面及び側面板内面の少なくとも一方の面に固着配置され、前記第１の冷却手段と共通の液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えた配管９により熱交換するように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置に係り、特に改良した冷却構造を有する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から電動機可変速駆動用の電力変換装置は省エネルギー用などに多く用いられてきたが、最近では、益々その用途は拡大し、車や船舶の動力源としても急速に使われ始めてきた。
【０００３】
車においては、特にＣＯ_２による地球温暖化対策が重要視され、ＣＯ_２の排出量の少ないディーゼル車が見直されつつあるが、ＮＯｘと黒煙排出が当面の課題である。その対策として、エンジンと発電電動機を組みあわせ排ガス量を抑制する低公害自動車が注目されてきている。この電動機を駆動する電源として半導体素子及び電子部品を搭載した電力変換装置が適用されている。
【０００４】
低公害自動車に適用される電力変換装置は、発進及び加速時にはモータでエンジンの動力補助を行い、排出ガスや黒煙の低減を可能としている。また、車の減速エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリーにチャージすることもできるので、燃費向上、ＮＯｘ削減にも効果がある。
【０００５】
船舶分野においても、従来のディーゼルエンジンによる推進から電力変換装置を使用した電気推進方式が増加している。
【０００６】
これらに使用される電力変換装置は自動車あるいは船舶に搭載するために、外気に晒される。従って、小型軽量のニーズに加え、腐食性ガス、塩害及び高温等の過酷な条件に耐えられる耐環境性に優れた密閉構造にすることが要求される。
【０００７】
図６にこのような電力変換装置の典型的な回路構成を示す。直流電源から供給される直流を平滑にする役目の平滑コンデンサ、この直流を交流に変換するためにブリッジ接続されたスイッチング素子、これらのスイッチング素子にゲート信号を与えるための制御部、及びスイッチング素子を保護するヒューズ等から構成される電力変換装置が、負荷であるモータに交流電力を供給している。
【０００８】
この電力変換装置は、小型化を目的として主発熱体であるスイッチング素子を水冷ヒートシンクに密着して実装し、この水冷ヒートシンク内部には冷却水を循環させて外部と熱交換するような構造を採用することが多い。また、水冷ヒートシンクから離れた位置にあるスイッチング素子以外の発熱する部品（発熱要素）も同時に冷却する必要があるため、一方の面を筐体に固定した冷却板を設け、この冷却板を発熱要素に面接触させることにより、熱を冷却板に吸収させ、筐体経由外部に逃がすような構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−８６７６９号公報（第２−３頁、図３）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１に記載された冷却板による冷却方式では、冷却板が限られた放熱面しか有しておらず、また、冷却板から筐体に至る経路の熱抵抗が大きく、十分な冷却能力を発揮できない場合があった。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有する電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、筐体と、この筐体に収納され、直流を交流に変換するためにブリッジ接続されたスイッチング素子と、前記筐体に収納され、前記スイッチング素子を制御するための制御部と、前記筐体に収納された発熱要素と、前記スイッチング素子を冷却するための第１の冷却手段と、前記筐体内に配置され、筐体内の前記制御部及び発熱要素の熱を冷却するための第２の冷却手段とを備え、前記第１の冷却手段は、前記スイッチング素子に密着配置され、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えたヒートシンクにより熱交換するようにし、前記第２の冷却手段は、前記筐体の天井板内面及び側面板内面の少なくとも一方の面に固着配置され、前記第１の冷却手段と共通の液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えた配管により熱交換するようにしたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の発明は、筐体と、この筐体に収納され、直流を交流に変換するためにブリッジ接続されたスイッチング素子と、前記筐体に収納され、前記スイッチング素子を制御するための制御部と、前記筐体に収納された発熱要素と、前記スイッチング素子を冷却するための第１の冷却手段と、前記筐体内に配置され、筐体内の前記制御部及び発熱要素の熱を冷却するための第２の冷却手段とを備え、前記第１の冷却手段は、前記スイッチング素子に密着配置され、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えたヒートシンクにより熱交換するようにし、
前記第２の冷却手段は、前記第１の冷却手段と共通の液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えた配管により熱交換するようにし、前記液体冷媒を、前記第２の冷却手段側から注入し、前記第１の冷却手段側に排出するように冷媒通路を直列構成したことを特徴としている。
【００１４】
本発明によれば、腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有する電力変換装置を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下に、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を図１及び図２を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の電力変換装置の構造図であり、図１（ａ）は外観斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、また図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００１７】
図１（ａ）に示すように、電力変換装置は金属製の筐体１で覆われた密閉構造となっており、この筐体１内の下部には、破線で示したように水冷ヒートシンク２が取り付けられている。水冷ヒートシンク２の内部は、給水口３ａから注入された冷却水が循環し、排水口３ｂから排出される構造となっている。筐体１には、電力変換装置の主回路の入出力ケーブル及び制御回路用の信号ケーブルが接続される防水コネクタ等の端子が設けられているが、図示を省略している。この筐体１は放熱効果等を考慮し、通常アルミ等が使用される。以下、筐体１の内部構造の詳細について、図１（ｂ）を中心に参照しながら説明する。
【００１８】
水冷ヒートシンク２の上面に密接して、ＩＧＢＴに代表されるスイッチング素子４が取り付けられている。このスイッチング素子４の発熱は、水冷ヒートシンク２の内部の冷却配管３に流れる冷却水を介して筐体１の外部と熱交換される構造となっている。
【００１９】
水冷ヒートシンク２の材料としては、銅またはアルミが使用され、冷媒の種類及び必要とする熱抵抗特性等により使い分けする。すなわち、銅の場合には、通常の水を使用できる上、熱伝導率にも優れる点から、熱抵抗特性も優れる。アルミの場合は、軽量化、低コスト化にはなるが銅に比べ熱抵抗も劣る。また、通常の水を冷媒として使用すると腐食の問題があるので、冷媒として腐食抑制効果のあるエチレングリコール等が使用される。
【００２０】
筐体１の内部には、平滑コンデンサ６、ヒューズ７及び制御部８等のスイッチング素子１４以外の発熱要素が収納される。平滑コンデンサ６はヒューズ７を介しブリッジ接続されたスイッチング素子４へ直流を給電している。この部分の配線は主回路導体５に依っているが、この主回路導体５も発熱要素となる。
【００２１】
主回路導体５の上方には、ブリッジ接続されたスイッチング素子４をインバータとして動作させるための制御部８が取り付けられている。制御部８は、筐体の側面あるいは底面に取り付けけられた図示していない支柱にネジ等で固定されている。
【００２２】
筐体１の天井板内面には配管９が溶接またはロー付けにより取り付けられている。このように溶接またはロー付けによって固定すれば、比較的簡単に取り付け強度を満足でき、また筐体１との間の熱抵抗も低く抑えることができる。尚、配管９の材質は、例えばＳＵＳが使用される。
【００２３】
この配管９には、給水口３ａ側の冷却配管３から給水配管１０ａを介して冷却水が注入され、配管９からは、排水配管１０ｂを介して排水口３ｂ側の冷却配管３へ冷却水が排出される構成になっている。この給水配管１０ａ及び排水配管１０ｂには、可とう性のあるテフロン（登録商標）チューブ等を用いることができる。
【００２４】
上述の配管構成を水冷配管系統図として示したのが図２である。すなわち、給水口３ａから導入された冷却水は、一方では冷却配管３を経由して水冷ヒートシンク２の内部を循環して排水口３ｂに至り、他方では、給水口３ａ側の冷却配管３から分岐して給水配管１０ａを経由して配管９を循環し、排水配管１０ｂを経由して排水口３ｂ側の冷却配管３に合流して排水口３ｂに至る。
【００２５】
このように配管９を筐体１の天井板内面に設けることにより、筐体１内におけるスイッチング素子４以外の発熱部品の熱を、自然対流による熱伝播効果を生かして吸収することが可能となる。また、配管９は配管自体の持つ凸形状により、通常の冷却板等の平板に比べ、放熱面積を増やしているので、筐体１内にこもった熱を効果的に冷却水に伝えることができる。更に、配管９を熱伝導性の良い筐体１の天井板内面に密着実装することにより、配管９が吸収した熱を筐体１を介して外気に放熱することが可能となり、更に冷却効率の向上を計ることができる。
【００２６】
以上説明したように本発明によれば、腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有する電力変換装置を提供することができる。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置に使用される水冷配管の系統図である。この第２の実施の形態に係る電力変換装置に使用される水冷配管の系統図が図２に示した第１の実施の形態に係る電力変換装置に使用される水冷配管の系統図と異なる点は、図２では配管９への冷却水通路と水冷ヒートシンク２用の冷却水通路とが並列になるように接続構成していたのに対し、図３ではこれを直列接続構成とするようにした点である。
【００２８】
図３に示した様に、給水口３ａから先に配管９に冷却水を通し、その後に水冷ヒートシンク２用の冷却配管３に冷却水を導き、排水口３ｂから排水する。
【００２９】
このような直列接続構成を採用すれば、スイッチング素子４の損失より大幅に損失の少ない平滑コンデンサ６、ヒューズ７、主回路導体５及び制御部８等の発熱要素からの発熱を先に吸収することにより、筐体１内の温度上昇を最小限に抑えることができる。
【００３０】
これは、ヒートシンク２の冷却配管３へ流れ込む冷却水の温度上昇が、例えば、流量２ｌ／ｍｉｎで２℃程度にすぎないことに依る。この程度の温度上昇はスイッチング素子１４のジャンクション温度（通常は１２５℃）にはほとんど影響を及ぼすことはない。このように、先に発熱の少ない発熱要素を冷却するようにすれば、バランスの良い冷却系を構成することができる。また、上記直列接続構成を採用すれば、冷媒の流量を確保する冷却系の設計を容易に行うことができる。
【００３１】
尚、この第２の実施の形態においては、平滑コンデンサ６、ヒューズ７、主回路導体５及び制御部８の冷却効率が大幅に向上するので、必ずしも配管９を筐体１に密着して配置する必要はなく、また筐体１には熱伝導性の良い材料を用いる必要はない。
【００３２】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の構造図である。この図４に示した構造図は、図１（ｂ）に示した第１の実施の形態に係る電力変換装置を９０°向きを変えた断面図である。ここで、配管９だけは、自然対流による熱伝播効果を考慮して前記実施の形態と同様に筐体１の天井板内面に取り付けている。
【００３３】
このように、筐体１及び実装部品である発熱要素と、配管９の相対位置を変更しても、配管９による冷却効果は本質的に変わらないので、十分な冷却効果が期待できる。この第３の実施の形態に係る電力変換装置は、限られた条件のスペースに筐体１を収納しなければならないような場合に特に有効である。
【００３４】
尚、図１（ｂ）及び図４における配管９の位置は、自然対流による熱伝播効果を考慮して、筐体１の天井板内面に設けているが、これは、筐体１の側面板内面に設けても類似の効果が期待できる。また、配管９を天井板あるいは側面板のいずれか１つの面に設けることに限定されるものではなく、天井部と側面部、あるいは複数の側面部というように筐体１の複数の面に配置しても良い。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置の構造図である。この第４の実施の形態の各部について、図１（ｂ）の第１の実施の形態に係る電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第４の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、図１（ｂ）の制御部８と配管９の間隙に、熱伝導性絶縁物１１を充填した点である。
【００３６】
熱伝導性絶縁物１１は、例えば、（株）ジェルテック製のラムダゲルシートを用いることができる。この絶縁物は、熱伝導率が１．０Ｗ／ｍＫ以上と高く、且つその可とう性のため、制御部８上に配置された電子部品を隙間なく覆うように充填することが可能で、放熱効果を飛躍的に向上することができる。
【００３７】
このように本発明の第４の実施の形態によれば、スイッチング素子４以外の発熱要素からの発熱を効率良く吸収でき、所望の温度に抑制することができる。
【００３８】
尚、以上第１乃至第４の実施の形態の説明では水冷方式として説明していたが、本発明に係る電力変換装置においては、水以外の冷却媒体を使用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有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の実施の形態に係る電力変換装置の構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置に使用される水冷配管の系統図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置に使用される水冷配管の系統図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の構造図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る電力変換装置の構造図。
【図６】電力変換装置の構成図。
【符号の説明】
１筐体
２水冷ヒートシンク
３水冷配管
３ａ給水口
３ｂ排水口
４スイッチング素子
５主回路導体
６平滑コンデンサ
７ヒューズ
８制御部
９配管
１０ａ給水配管
１０ｂ排水配管
１１熱伝導性絶縁物

Claims

筐体と、
この筐体に収納され、直流を交流に変換するためにブリッジ接続されたスイッチング素子と、
前記筐体に収納され、前記スイッチング素子を制御するための制御部と、
前記筐体に収納された発熱要素と、
前記スイッチング素子を冷却するための第１の冷却手段と、
前記筐体内に配置され、筐体内の前記制御部及び発熱要素の熱を冷却するための第２の冷却手段と
を備え、
前記第１の冷却手段は、前記スイッチング素子に密着配置され、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えたヒートシンクにより熱交換するようにし、
前記第２の冷却手段は、前記筐体の天井板内面及び側面板内面の少なくとも一方の面に固着配置され、前記第１の冷却手段と共通の液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えた配管により熱交換するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
前記液体冷媒を、前記第２の冷却手段側から注入し、前記第１の冷却手段側に排出するように冷媒通路を直列構成したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記第２の冷却手段の配管を、筐体の内面に溶接またはロー付けにより取り付けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
筐体と、
この筐体に収納され、直流を交流に変換するためにブリッジ接続されたスイッチング素子と、
前記筐体に収納され、前記スイッチング素子を制御するための制御部と、
前記筐体に収納された発熱要素と、
前記スイッチング素子を冷却するための第１の冷却手段と、
前記筐体内に配置され、筐体内の前記制御部及び発熱要素の熱を冷却するための第２の冷却手段と
を備え、
前記第１の冷却手段は、前記スイッチング素子に密着配置され、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えたヒートシンクにより熱交換するようにし、
前記第２の冷却手段は、前記第１の冷却手段と共通の液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を備えた配管により熱交換するようにし、
前記液体冷媒を、前記第２の冷却手段側から注入し、前記第１の冷却手段側に排出するように冷媒通路を直列構成したことを特徴とする電力変換装置。
前記第２の冷却手段の配管と、前記制御部及び発熱要素のうち少なくとも一つとの間に熱伝導性の絶縁物を挟んだことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。