JP4730668B2 - Heat sink and power conversion device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、パワーモジュール等の発熱体を備えると共に、主に高圧電源で動作するインバータなどの電力変換装置に関し、特に電力変換装置の放熱効果を上げるためのヒートシンクおよびそれを用いた電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device such as an inverter that includes a heating element such as a power module and operates mainly with a high-voltage power supply, and more particularly to a heat sink for increasing the heat dissipation effect of the power conversion device and a power conversion device using the same. Is.
従来、主に高圧電源で動作するインバータなどの電力変換装置において、パワーモジュール(PM)、ダイオードモジュール(DM)、IGBT、電解コンデンサなどの半導体素子類は電力変換時の電気的損失により発熱するが、これらの半導体素子類は、一般に放熱フィンを有するヒートシンクと冷却ファンからなる冷却装置により除熱され、温度上昇による素子類の破壊が防止されている。このような冷却装置を備えたインバータ装置については、例えば図5のようになっている(特許文献1および特許文献2を参照)。
図5は従来の電力変換装置を示す全体斜視図である。
図5において、1は発熱体、2はプリント基板、3は電解コンデンサ、10はヒートシンク、11はベースプレート、12は放熱フィン、20は筐体である。
筐体20は電力変換装置の本体を構成する直方体状の箱体で構成され、この筐体20の内部にはパワーモジュールなどの発熱体1が収容されている。この発熱体1はベースプレート11を介してヒートシンク10にねじ締めなどにより連結されている。このヒートシンク10は矩形状のベースプレート11に直交するようにカシメ加工などにより接合された多数の放熱フィン12を備えており、アルミニウム合金などの熱伝導率の高い材料で製作されている。
また、筐体20内には、ヒートシンク10上に電子部品が実装されたプリント基板2、電解コンデンサ3が突き出すように設置されており、さらに、ヒートシンク10と筐体2の上部との間に必要に応じて図示しない冷却ファンが取り付けられている。それから、筐体の底部には外気を吸引するための吸気孔が、側面には排気を行うための排気孔がそれぞれ設けられている。
Conventionally, in a power conversion device such as an inverter that mainly operates with a high-voltage power supply, semiconductor elements such as a power module (PM), a diode module (DM), an IGBT, and an electrolytic capacitor generate heat due to electrical loss during power conversion. These semiconductor elements are generally removed by a cooling device including a heat sink having a heat radiation fin and a cooling fan, and destruction of the elements due to a temperature rise is prevented. An inverter device provided with such a cooling device is, for example, as shown in FIG. 5 (see
FIG. 5 is an overall perspective view showing a conventional power converter.
In FIG. 5, 1 is a heating element, 2 is a printed circuit board, 3 is an electrolytic capacitor, 10 is a heat sink, 11 is a base plate, 12 is a radiation fin, and 20 is a housing.
The
In addition, a printed
次に動作について説明する。
上記のような電力変換装置において、まず、冷却ファン(不図示)を駆動すると、冷却風となる外気が筐体20の底部にある吸気孔(不図示)から吸引された後、複数の電解コンデンサ3の隙間およびヒートシンク10の放熱フィン12間を通過して冷却ファン(不図示)側に向かって強制的に排気される。その場合、一方の電解コンデンサ3から発生した熱は、吸気孔から吸引された直後の冷却風により冷却される。また、他方の発熱体1から発生した熱は、熱伝導によりヒートシンク10のベースプレート11内に拡散した後、放熱フィン12に伝熱し、その表面から強制対流に伴う熱伝達により冷却風に放熱される。
In the power conversion device as described above, first, when a cooling fan (not shown) is driven, outside air as cooling air is sucked from an intake hole (not shown) at the bottom of the
しかしながら、従来の電力変換装置では図5に示すように、発熱体の発した熱はヒートシンクを介して大気中に放熱されると同時に、その一部はヒートシンクのベースプレート表面から筐体内部にも放熱され、筐体内の雰囲気温度を上昇させているため、電子部品を実装したプリント基板、電解コンデンサの動作特性(性能)や寿命(信頼性)に影響を与えるという問題があった。そのため、電力変換装置の性能、信頼性を確保するためにはヒートシンクのベースプレート表面から筐体内への放熱を抑える必要があった。
ここで、図6は従来の電力変換装置であって、(a)はヒートシンクを上面から見た発熱体の配置図、(b)はベースプレート上の温度分布図を示したものである。
図6において、発熱体1に挟まれた領域Aではベースプレート11表面の温度は高いがベースプレート11の端部や発熱体1から離れた領域Bでは該ベースの表面温度は低く、ベースプレート11の長手方向に渡って表面温度分布に不均一が生じることから、ヒートシンク10のベースプレートにおける端部や発熱体から離れた領域Bでは放熱フィンへの放熱を高めることができず、ベースプレート11の表面から筐体20内部への放熱が増えるため、ヒートシンク自体の冷却能力を充分使い切れていなかった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ヒートシンクのベースプレートから筐体20内部への放熱を遮断し、ベースプレートから放熱フィンへの熱伝導を高めることができる、ヒートシンクおよびそれを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
However, in the conventional power converter, as shown in FIG. 5, the heat generated by the heating element is radiated to the atmosphere via the heat sink, and at the same time, part of the heat is also radiated from the surface of the base plate of the heat sink to the inside of the housing. In addition, since the ambient temperature in the housing is raised, there is a problem in that it affects the operating characteristics (performance) and life (reliability) of the printed circuit board on which electronic components are mounted and the electrolytic capacitor. Therefore, in order to ensure the performance and reliability of the power conversion device, it is necessary to suppress heat dissipation from the surface of the base plate of the heat sink into the housing.
Here, FIG. 6 shows a conventional power converter, in which (a) shows a layout of the heating elements when the heat sink is viewed from above, and (b) shows a temperature distribution diagram on the base plate.
In FIG. 6, the temperature of the surface of the
The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to block heat radiation from the base plate of the heat sink to the inside of the
上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項1に記載の発明は、発熱体を搭載するベースプレートと、前記ベースプレートにおける該発熱体搭載面と反対側に配置された複数の放熱フィンと、を有するヒートシンクにおいて、ベースプレートの発熱体搭載面に沿って前記発熱体が取り付けられる位置の近傍に、平板状の密閉容器を前記ベースプレートの厚さ方向に2室に区切って形成された熱伝導体が設けられており、該熱伝導体は密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、前記ベースプレート側に対向して接触させてなるヒートパイプと、該密閉容器の他方の部屋に非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部と、から構成されたものであることを特徴としている。
請求項2に記載の発明は、前記熱伝導体において、前記発熱体を収容可能なスペース分の断熱部を取り除いて孔部を形成し、その孔部に前記発熱体を設置することにより、前記ヒートパイプに前記発熱体を直接接触させるようにしたことを特徴としている。
請求項3に記載の発明は、前記熱伝導体を前記ヒートシンクのベースプレートと一体化する構成にしたことを特徴としている。
請求項4に記載の発明は、前記熱伝導体と前記ベースプレート間に熱伝達性を向上させるためのサーマルコンパウンドもしくは熱伝導グリースを塗布したことを特徴としている。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載のヒートシンクを備えた電力変換装置であることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
The invention according to
The invention according to
The invention described in
The invention according to claim 4 is characterized in that a thermal compound or thermal conductive grease is applied between the thermal conductor and the base plate to improve heat transferability .
The invention described in claim 5 is a power conversion device including the heat sink according to any one of
本発明によると、ヒートパイプを利用してベースプレートの熱伝導を高め冷却体の放熱性能を高めることができると共に脱気して封止した断熱部を利用して冷却体表面から筐体内部への放熱を遮断することができ、電力変換装置の性能、信頼性を確保することができる。
また、冷却体表面全体を覆うことが容易になり、冷却体全体の放熱性能をより高めることができると共に、筐体内部への放熱もさらに抑えることができる。
また、熱伝導体をヒートシンクのベースプレートに一体化することで、部品点数を削減し、組立作業性を向上させることができる。
また、熱伝導体とベースプレート間にサーマルコンパウンドもしくは熱伝導グリースを塗布することで、熱伝導体とベースプレートの間の熱伝導を向上させることができる。
また、本発明のヒートシンクをインバータ装置などの電力変換装置に適用することで、顕著な冷却効果が得られる。
According to the present invention, the heat conduction of the base plate can be increased by using the heat pipe and the heat dissipation performance of the cooling body can be enhanced, and the heat insulating portion degassed and sealed can be used from the surface of the cooling body to the inside of the housing. Heat dissipation can be cut off, and the performance and reliability of the power converter can be ensured .
Further, it becomes easy to cover the entire surface of the cooling body, the heat dissipation performance of the entire cooling body can be further improved, and heat dissipation into the housing can be further suppressed.
Also, by integrating the heat conductor with the base plate of the heat sink, the number of parts can be reduced and the assembly workability can be improved.
Further, by applying a thermal compound or thermal conductive grease between the thermal conductor and the base plate, the thermal conduction between the thermal conductor and the base plate can be improved.
Moreover, the remarkable cooling effect is acquired by applying the heat sink of this invention to power converters, such as an inverter apparatus.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施例を示す電力変換装置の斜視図、図2は平板状の熱伝導体30a、30bの側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。また、筐体内に配置される電子部品を実装したプリント基板、電解コンデンサの図示は何れも省略したものとなっている。
図1において、30a、30b、30cは平板状の熱伝導体、31は熱伝導体、32は断熱部、33はヒートパイプ、34は断熱部の孔部である。
本発明が第1実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、ベースプレート11の発熱体搭載面に沿って発熱体1が取り付けられる位置の近傍に、薄型で平板状の密閉容器をベースプレート11の厚さ方向に2室に区切って形成された銅やアルミなどの熱伝導性の良い金属からなる熱伝導体30a、30b、30cが設けられている点、また、該熱伝導体30a、30b、30cは何れも、該密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、ベースプレート11側に対向して接触させてなるヒートパイプ33と、該密閉容器の他方の部屋に加熱追出法や真空ポンプなどを用いて非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部32と、から構成されており、それぞれを一体化したものとなっている。
具体的には、熱伝導体30a、30b、30cは、例えばプレスによる鍛造成形や鋳造、切削による機械加工など適宜の方法で形成したコの字形状の2つの部材と1つの平板とをろう付けもしくは耐熱性の接着剤あるいは溶接などの方法で接合することで密閉容器を形成するようになっている。
また、ヒートパイプ33は該パイプを構成する密閉容器の内表面に細溝加工をしたり多孔質の薄板を挿入することでウイックとして機能する構造を形成しており、フロンガスや水、エタノールなどの凝縮性流体を封入して、ヒートシンク10のベースプレート11に沿った長手方向の熱伝導を高めている。
なお、断熱部32は脱気する替わりに石英やガラス粒といった低熱伝導の無機物を充填したもので構成しても良い。
また、平板状の熱伝導体31とベースプレート11の表面を機械加工や研磨することで平面度、表面粗度を向上させて密着性を高めており、さらに熱伝導体31とベースプレート11間の熱伝達性を向上させる目的で良好なコンパウンド、グリースを塗布するようにしている。
FIG. 1 is a perspective view of a power conversion device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side sectional view of plate-like heat conductors 30a and 30b. Note that the description of the same constituent elements of the present invention as those of the prior art will be omitted, and different points will be described. Also, the illustration of the printed circuit board on which the electronic components arranged in the housing are mounted and the electrolytic capacitor is omitted.
In FIG. 1, 30a, 30b and 30c are flat plate heat conductors, 31 is a heat conductor, 32 is a heat insulating part, 33 is a heat pipe, and 34 is a hole part of the heat insulating part.
The present invention is different from the first embodiment as follows.
That is, near the position where the
Specifically, the
In addition, the
In addition, you may comprise the
Further, the
次に動作について説明する。
例えば、図5に示すインバータなどの電力変換装置において、装置に入力した交流電源をダイオードモジュールで直流に変換し、電解コンデンサ3で平滑したのち、プリント基板2上に形成した電子回路でIGBTを制御し交流に変換出力するように動作するようになっている。図5に示す電力変換装置に図1に示す本発明のヒートシンクを適用すると、上記の半導体素子などで構成される発熱体1から発生した熱は、ベースプレート11に伝達し、ベースプレート11に伝達された熱の一部が平板状の熱伝導体30a、30bのヒートパイプ33に伝達されると、ヒートパイプ33はその内部に温度差が生じることにより動作する。具体的には、図2において、ヒートパイプ33の加熱部(蒸発部)で作動流体が蒸発するとともに、作動流体の蒸気はヒートパイプ33の冷却部に流動して放熱・凝縮し、凝縮した作動液は、密閉容器内のウィックの毛細管作用で加熱部に還流することにより、作動流体の潜熱として加熱部から冷却部へ熱の伝達が行われる。このようにして、ベースプレート11の表面の一部に伝達された熱が、ヒートパイプの熱輸送機能により、ベースプレート11の表面の平面方向に分散される。このため、ベースプレート11の表面の平面方向に分散された熱は、筐体内部へ放熱されることなく、放熱フィン12の長手方向の全体に亘って放熱がおこなわれ、電力変換装置に対するヒートシンク10の実効的な冷却性能が向上する。
Next, the operation will be described.
For example, in the power conversion device such as an inverter shown in FIG. 5, the AC power input to the device is converted into DC by a diode module, smoothed by the
したがって、本発明の第1実施例は、平板状の密閉容器を厚さ方向で2室に区切ってヒートパイプと断熱部とより構成した熱伝導体をベースプレート上の発熱体の近傍に設けたので、ヒートパイプを利用してベースプレートから放熱フィンへの熱伝達、放熱性能を高め、断熱部を利用して筐体内部への放熱を遮断することができ、電力変換装置の性能、信頼性を確保することができる。
また、断熱部を脱気する替わりに石英やガラス粒といった低熱伝導の無機物を充填することで、断熱性能の維持を容易にすると共に充填する材料を適宜選択することで断熱性能と材料コストを最適化することができる。
Therefore, in the first embodiment of the present invention, the heat conductor composed of the heat pipe and the heat insulating portion is provided in the vicinity of the heating element on the base plate by dividing the flat airtight container into two chambers in the thickness direction. , Heat transfer from the base plate to the heat radiating fins using heat pipes, heat radiation performance can be improved, and heat radiation to the inside of the housing can be blocked using heat insulation parts, ensuring the performance and reliability of the power converter can do.
Also, instead of degassing the heat insulation part, filling with low thermal conductivity inorganic materials such as quartz and glass particles makes it easy to maintain the heat insulation performance and optimizes the heat insulation performance and material cost by selecting the material to be filled appropriately Can be
図3は本発明の第2実施例の構成を示す全体斜視図である。
第2実施例が第1実施例と異なる点は。平板状の熱伝導体30cの断熱部側には発熱体1よりも少し大きな孔部34を設けてヒートパイプ31を露出させている。平板状の熱伝導体30cがヒートパイプ31側をベースプレート11に接触させて取り付けてある。発熱体1を断熱部の孔部34から平板状の熱伝導体30cのヒートパイプに接触させて取り付ける。こうすることで、ベースプレート11の表面全体を隙間なく覆うことが容易になり、冷却体全体の放熱性能をより高めることができると共に、筐体内部への放熱もさらに抑えることができる。
図4は第2実施例示すヒートシンクの要部を拡大した側断面図である。
発熱体1は断熱部の孔部34から平板状の熱伝導体30cのヒートパイプ11に接触している。平板状の熱伝導体30cはヒートパイプ側をベースプレート11に接触させて取り付けてあり、ベースプレート11には放熱フィン12が取り付けてある。
なお、断熱部とヒートパイプを備える熱伝導体31を冷却体であるヒートシンクのベースプレート11に接着、ろう付け等の方法で接合したり、あるいは埋め込んで一体化する構成にしても良く、これにより部品点数を削減し、組立作業性を向上させることができる。
FIG. 3 is an overall perspective view showing the configuration of the second embodiment of the present invention.
What is different between the second embodiment and the first embodiment. A
FIG. 4 is an enlarged side sectional view of a main part of the heat sink according to the second embodiment.
The
The
1 発熱体
2 プリント基板
3 電解コンデンサ
10 ヒートシンク
11 ベースプレート
12 放熱フィン
20 筐体
30a、30b、30c 平板状の熱伝導体
31 熱伝導体
32 断熱部
33 ヒートパイプ
34 孔部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
ベースプレートの発熱体搭載面に沿って前記発熱体が取り付けられる位置の近傍に、平板状の密閉容器を前記ベースプレートの厚さ方向に2室に区切って形成された熱伝導体が設けられており、該熱伝導体は密閉容器の一方の部屋に蒸発潜熱として熱を輸送する凝縮性の作動流体を封入し、かつ、前記ベースプレート側に対向して接触させてなるヒートパイプと、該密閉容器の他方の部屋に非凝縮性の流体を脱気した状態で封止してなる断熱部と、から構成されたものであることを特徴とするヒートシンク。 In a heat sink having a base plate for mounting a heating element, and a plurality of heat dissipating fins disposed on the side opposite to the heating element mounting surface of the base plate,
A heat conductor formed by dividing a flat airtight container into two chambers in the thickness direction of the base plate is provided in the vicinity of the position where the heating element is attached along the heating element mounting surface of the base plate, The heat conductor encloses a condensable working fluid that transports heat as latent heat of vaporization in one chamber of the sealed container, and is in contact with the base plate side, and the other of the sealed container A heat sink comprising: a heat insulating portion formed by sealing a non-condensable fluid in a deaerated state in the room.
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