JP3735165B2

JP3735165B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3735165B2
Application number: JP24129696A
Authority: JP
Inventors: 浩司奥田; 修治三宅
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2016-08-23
Also published as: JPH1066342A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油冷式のインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置の電気的な構成として、主に変圧器本体と半導体素子とがあり、変圧器本体は入力用変圧器本体と出力用変圧器本体とからなる。これらは使用時に発熱を伴うために、冷却する必要がある。また、高電圧で使用する場合、電気的に絶縁する必要がある。図５は、従来の電力変換装置を示す縦断面図である。同図において、１はタンク、２はタンク１の側壁に設けた放熱器、３はタンク１に充填された絶縁油、４ａは入力用変圧器本体、４ｂは出力用変圧器本体、５は半導体素子、６１は半導体素子５を着脱自在に取付けられる素子用放熱器である。なお、制御装置及び電気的接続は省略している。
【０００３】
この従来例においては、入力用変圧器本体４ａ，出力用変圧器本体４ｂ，半導体素子５及び素子用放熱器６１を絶縁油３に侵漬させているので、入力用変圧器本体４ａ，出力用変圧器本体４ｂ及び半導体素子５は、絶縁油３の自然対流により冷却される。
【０００４】
図６は、従来の電力変換装置の他の例を示す縦断面図である。同図において、１はタンク、２は放熱器、３は絶縁油、４ａは入力用変圧器本体、４ｂは出力用変圧器本体、５半導体素子、６１は素子用放熱器である。７はタンク１の側壁外部に取付けられ、半導体素子５及び素子用放熱器６１をタンク１の外部で収容するための箱体のカバー、７ｃ，７ｄはそれぞれ箱体７の下部及び上部に設けられた吸込口及び吐出口、８は箱体７内の上部に設けられた冷却ファンである。なお、制御装置及び電気的接続は省略している。
【０００５】
この従来例においては、入力用変圧器本体４ａ及び出力用変圧器本体４ｂは絶縁油３の自然対流により冷却され、他方、半導体素子５は、冷却用ファン８で吸引される冷却風が吸込口７ｃ、素子用放熱器６１、吐出口７ｄを経て外部へ排出されることにより冷却される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した従来の油冷式の電力変換装置では、半導体素子５が故障した場合、または定期的な点検を行う場合、タンク１の上部にネジ止めして取付けた図示しないカバーを取り外し、半導体素子５を油中から取り出さなければならないために、作業性が悪いという問題があった。
【０００７】
そこで、従来の他の例として図６に示したように、変圧器本体に対して油冷式、半導体素子に対して強制風冷式の２つの方式を採用した電力変換装置が考えられるが、それぞれが別々に構成され、かつ冷却機能を有するようにしているために、冷却ファン８が必要となると共に、これを設置するための適当な大きさの空間容積が必要となり、装置が大型化し、かつ高価となる問題がある。さらに、冷却ファン８の寿命は入力用変圧器本体４ａ及び出力用変圧器本体４ｂと比べて著しく小さく、通常３〜５年であるために、定期的に取り替える必要があり、故障する前に点検しなければならないという問題がある。特に、屋外に設置した場合、冷却ファンの寿命がさらに短くなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、半導体素子の故障時または点検時の繁雑な作業をなくし、しかも冷却ファンを用いなくても半導体素子の冷却を低下させることのない電力変換装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力用変圧器本体と出力用変圧器本体と半導体素子とを具備し、半導体素子を素子用放熱器に装着した電力変換装置に係わるものである。
【００１０】
請求項１に記載の発明は、入力用変圧器本体と出力用変圧器本体とが絶縁油を充填したタンクに収容され、素子用放熱器をタンク外に配置すると共に、素子用放熱器に油道を設け、タンクの上部及び下部と油道とをそれぞれ接続する上部通油管及び下部通油管を配設し、タンクの側壁外部に取付けられ、素子用放熱器を収容すると共に、半導体素子の故障時または点検時に開閉される扉を有するカバーを設けたものである。
【００１１】
これにより、半導体素子が素子用放熱器に装着されたままで、共に気中に露出した状態となり、また素子用放熱器の油道をタンク内の油が流通することになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す縦断面図であり、素子用放熱器を１つのタンク内の油を用いて冷却する例を示している。同図において、１はタンク、２は放熱器、３は絶縁油、４ａは入力用変圧器本体、４ｂは出力用変圧器本体、５は半導体素子で、従来例を示す図５及び図６と同様である。６は例えば内部に油道６ｃを形成した素子用放熱器、１０は上部通油管、１１は下部通油管、１４はタンク１の側壁外部に取付けられ、半導体素子５を装着した素子用放熱器６を収容する箱体状のカバーであり、図示しない扉を有している。この扉は、半導体素子５の故障時または点検時に開閉される。
【００１３】
本実施形態は、カバー１４内のタンク１の側壁の上部及び下部にそれぞれ穴１c1，１c2を設けて、この穴にそれぞれ上部通油管１０及び下部通油管１１を溶接等により取付ける。上部通油管１０及び下部通油管１１の他端には、図示しないフランジ取付けられており、上部通油管１０及び下部通油管１１は、それぞれ素子用放熱器６の油道出口６c1及び油道入口６c2にフランジ結合され、タンク１と素子用放熱器６とが連結される。
【００１４】
図２は本発明に適用する素子用放熱器の概略構成図である。素子用放熱器６はアルミまたは銅等からなり、半導体素子５を搭載して吸熱する吸熱部６ｅが形成され、また放熱部となる油道６ｃが例えば上下方向に貫通するように形成されており、油道６ｃは油道出口６c1及び油道入口６c2を有している。
【００１５】
本実施形態においては、半導体素子５が素子用放熱器６に装着されたままで、共に気中に露出した状態となるので、半導体素子５の故障時または点検時の繁雑な作業が不要となり、半導体素子５を着脱する作業のみとなる。また、半導体素子５で発生した熱は、素子用放熱器６を介して油道６内の油に伝わり、暖められた油は油道出口６c1を出て上部通油管１０内を上昇し、タンク１の上部に設けた穴１c1を通してタンク１に流れ込む。半導体素子５で暖められた油は、入力用変圧器本体４ａ及び出力用変圧器本体４ｂで発生した熱により暖められた油と共に放熱器２で冷却されながら放熱器２内を下方へ移動し、タンク１の下部からタンク１内に流れ込む。冷却された油の一部は、タンク１の下部に設けた穴１c2を出て、下部通油管１１内を上昇し、油道入口６c2から油道６に流れ込む。このように油が自然対流するので、半導体素子５は従来と同様に冷却される。
【００１６】
図３は本発明に係る電力変換装置の他の実施形態を示す縦断面図であり、素子用放熱器を２つのタンク内の油を用いて冷却する例を示している。同図において、２は放熱器、３は絶縁油、５は半導体素子で、従来例を示す図５及び図６と同様である。１ａは第１のタンク、１ｂは第２のタンク、４ａは第１のタンク１ａに収容された入力用変圧器本体、４ｂは第２のタンク１ｂに収容された出力用変圧器本体、６は例えば内部に油道６ｃ，６ｄを形成した素子用放熱器、１０，１２は上部通油管、１１，１３は下部通油管、１４は両タンク１ａ，１ｂ間の側壁外部に取付けられ、半導体素子５を装着した素子用放熱器６を収容する箱体状の共通カバーであり、図示しない扉を有している。この扉は、半導体素子５の故障時または点検時に開閉される。
【００１７】
本実施形態は、カバー１４内の第１のタンク１ａの側壁の上部及び下部にそれぞれ穴１c1，１c2を設けて、この穴にそれぞれ上部通油管１０及び下部通油管１１を溶接等により取付ける。上部通油管１０及び下部通油管１１の他端には、図示しないフランジ取付けられており、上部通油管１０及び下部通油管１１は、それぞれ素子用放熱器６の油道出口６c1及び油道入口６c2にフランジ結合され、第１のタンク１ａと素子用放熱器６とが連結される。
【００１８】
また同様に、カバー１４内の第２のタンク１ｂの側壁の上部及び下部にそれぞれ穴１d1，１d2を設けて、この穴にそれぞれ上部通油管１２及び下部通油管１３を溶接等により取付ける。上部通油管１２及び下部通油管１３の他端には、図示しないフランジ取付けられており、上部通油管１２及び下部通油管１３は、それぞれ素子用放熱器６の油道出口６d1及び油道入口６d2にフランジ結合され、第２のタンク１ｂと素子用放熱器６とが連結される。
【００１９】
図４は本発明に適用する他の素子用放熱器の概略構成図である。半導体素子５を搭載して吸熱する吸熱部６ｅが形成され、また放熱部となる油道６ｃ，６ｄが例えば上下方向に貫通するように形成されており、油道６ｃは油道出口６c1及び油道入口６c2を、油道６ｄは油道出口６d1及び油道入口６d2を有している。
【００２０】
本実施形態においては、半導体素子５で発生した熱は、素子用放熱器６を介して油道６ｃ内の油に伝わり、暖められた油は油道出口６c1を出て上部通油管１０内を上昇し、タンク１ａの上部に設けた穴１c1を通してタンク１に流れ込む。半導体素子５で暖められた油は、入力用変圧器本体４ａで発生した熱により暖められた油と共に放熱器２で冷却されながら放熱器２内を下方へ移動し、タンク１ａの下部からタンク１ａ内に流れ込む。冷却された油の一部は、タンク１ａの下部に設けた穴１c2を出て、下部通油管１１内を上昇し、油道入口６c2から油道６ｃに流れ込む。このように油が自然対流するので、半導体素子５は冷却される。
【００２１】
また同様に、半導体素子５で発生した熱は、素子用放熱器６を介して油道６ｄ内の油に伝わり、暖められた油は油道出口６d1を出て上部通油管１２内を上昇し、タンク１ｂの上部に設けた穴１d1を通してタンク１ｂに流れ込む。半導体素子５で暖められた油は、出力用変圧器本体４ｂで発生した熱により暖められた油と共に放熱器２で冷却されながら放熱器２内を下方へ移動し、タンク１ｂの下部からタンク１ｂ内に流れ込む。冷却された油の一部は、タンク１ｂの下部に設けた穴１d2を出て、下部通油管１３内を上昇し、油道入口６d2から油道６ｄに流れ込む。
【００２２】
上記の素子用放熱器６は両タンク１ａ，１ｂ間に設けたが、両タンクを近接させて、両タンクの側壁に亘るようにカバー１４を取付け、このカバー内に素子用放熱器を設けてもよく、この場合、小形化がより図られる。
【００２３】
上記の各実施形態で用いる素子用放熱器６は、外部にフィンを設けてもよく、油道６ｃ，６ｄにフィンを設けてもよく、また油道６ｃをハニカム状にしてもよい。さらに、内部に油道を形成する代わりに、アルミまたは銅等からなる通油管状の油道を外部に取付けてもよい。また、油道の数を多くしてもよく、この場合、一対の上部通油管及び下部通油管の数は、油道の数に対応させる。このようにすると、冷却効率を高めることができる。また、放熱器２の構造、寸法、数は、冷却程度に応じて最適に設計されている。さらに、従来例で用いた冷却ファンよりも寿命が遥かに長い送油ポンプを用いて強制冷却してもよい。
【００２４】
上記の各実施形態で用いる半導体素子５は、ＩＧＢＴと称されるもので、その内部と金属製の放熱部とは電気的に絶縁されるように、モジュール化されている。この半導体素子５を、タンク１または１ａ，１ｂと導通状態にある素子用放熱器６の吸熱部６ｅに直接取付けても、何ら問題は生じない。
【００２５】
上記の半導体素子５は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、内部と電気的に絶縁されていない素子を用いてもよく、この場合は、上部通油管及び下部通油管１０，１１，１２，１３を絶縁性のものにすればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、半導体素子の故障時または点検時の繁雑な作業が不要となり、また装置の大型化が防止でき、かつ高価となることが防止できる。さらに、半導体素子の冷却を低下させることなく、冷却ファンを不要にすることができる。また、冷却ファンを用いないので、冷却ファンの点検作業が不要となり、しかも屋外に設置しても長寿命化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に適用する素子用放熱器の概略構成図である。
【図３】本発明に係る電力変換装置の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】本発明に適用する他の素子用放熱器の概略構成図である。
【図５】従来の電力変換装置を示す縦断面図である。
【図６】従来の電力変換装置の他の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂタンク
３絶縁油
４ａ入力用変圧器本体
４ｂ出力用変圧器本体
５半導体素子
６素子用放熱器
６ｃ，６ｄ油道
１０，１２上部通油管
１１，１３下部通油管

Claims

入力用変圧器本体と出力用変圧器本体と半導体素子とを具備し、前記半導体素子を素子用放熱器に装着した電力変換装置において、
前記入力用変圧器本体と出力用変圧器本体とが絶縁油を充填したタンクに収容され、
前記素子用放熱器を前記タンク外に配置すると共に、前記素子用放熱器に油道を設け、前記タンクの上部及び下部と前記油道とをそれぞれ接続する上部通油管及び下部通油管を配設し、
前記タンクの側壁外部に取付けられ、前記素子用放熱器を収容すると共に、前記半導体素子の故障時または点検時に開閉される扉を有するカバーを設けた電力変換装置。