JP5252781B2 - コンデンサ冷却構造及び電力変換装置 - Google Patents

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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。
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。
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。
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。
特開2006−12948号公報
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 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
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

Claims (6)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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