JP3970850B2 - 電力変換器用ヒートパイプ式冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は複数の電力用半導体素子を冷却する電力変換装置用ヒートパイプ式冷却装置に
関する。

近年、電力変換装置は電力用半導体素子の大容量化・高速化に伴い発熱損失の増大が問
題となっている。このため電力用半導体素子用冷却装置の冷却効率の向上を図り発熱損失
の増大に対応し、装置の大型化を避けることが重要な技術課題となっている。

ヒートパイプ式冷却器を用いた自冷式の電力変換装置の概略構成を図１０に示す。同図
に示すように、電力変換装置は、冷却器であるヒートパイプ式冷却器１０１、電力用半導
体素子１０２、導体などの電気用品１０３及びフレーム１０４等が主な構成要素である。

ヒートパイプ式冷却器１０１は、図１０のように、電力用半導体素子１０２と接触する
受熱部１０５、ヒートパイプ１０６及び放熱フィン１０７を主たる構成要素とする。また
放熱フィン１０７はヒートパイプ１０６に対し垂直に配置されている。この形状のため、
ファン等の強制冷却系を持たない、自然対流により冷却を行う自冷式の電力変換装置の場
合、ヒートパイプ式冷却器１０１の放熱フィン１０７が水平になるように配置すると各放
熱フィン１０７間で空気が澱んでしまい冷却効率が低下する。

従って、ヒートパイプ式冷却器１０１の配置は図１０のように封入された冷媒の液戻り
を考慮し、ある程度角度を持たせ横向きに配置するのが一般的である。

このように構成された電力変換装置はインバーターや整流器等の用途に多く使われてお
り、電力分野では必要不可欠なものとなっている。
特開昭６２−１３５２７３号公報 特開昭４９−０５７３２４号公報 特開昭５１−１４２６３４号公報

しかしながら、上記従来のヒートパイプ式冷却器を用いた自冷式の電力変換装置では、
前記のようにヒートパイプ式冷却器１０１の放熱フィン１０７の形状による特性から、そ
の配置は限定され図１０のように放熱フィン１０７をできるだけ垂直にするように配置し
ているため、装置の形状寸法がヒートパイプ式冷却器１０１の形状寸法に大きく依存する
。

その上、主回路の構成及び装置の省スペース化を考慮し、主回路を構成するスタックを
上方向に積上げた構成を採る場合には装置運転時の温度上昇は各段で差が生じるので、各
段の冷却能力を均一化するような構造を取らなければならないため装置の高さ方向の形状
が大型化していた。

また、大容量化に対応するためにはヒートパイプ式冷却器１０１と電力用半導体素子１
０２とを交互に並列接続し主回路を構成する為、装置形状は更に大型化してしまう。

以上のような理由から、装置全体の小型化の際にヒートパイプ式冷却器の配置方法及び
形状寸法が大きな問題となっていた。

そこで本発明は、上記問題点を解決する為に、自然対流により冷却を行うヒートパイプ
式冷却器を、垂直方向の配置において十分な冷却効率が得られる構造とし、装置本体の形
状がヒートパイプ式冷却器の配置に影響を受けにくいものとし、装置の省スペース化に優
れた電力変換装置用ヒートパイプ式冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置用ヒートパイプ式冷却装置は、電力用半導体素子を両端から挟む受熱部と、この受熱部から前記電力用半導体素子に対して上方に配置されたヒートパイプとを有する第１及び第２のヒートパイプ式冷却器を備え、ヒートパイプは、電力用半導体素子側から水平方向外側に向かって上方に傾斜して設けられた１又は複数の放熱フィンを有することを特徴とする。このような構成により、空気の流速を増すことができ、またヒートパイプ式冷却器相互の熱の干渉を受けないものとすることができる。

本発明によれば、自然対流により冷却を行うヒートパイプ式冷却器を、垂直方向の配置
において十分な冷却効率が得られる構造とし、装置本体の形状がヒートパイプ式冷却器の
配置に影響を受けにくいものとし、また、各ヒートパイプ式冷却器を流れる空気の流速を
増すことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の図にお
いて、同符号は同一部分または対応部分を示す。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置について、図１を用いて説明する。

図１（ａ）は第１の実施形態の構成を示す正面図、同図（ｂ）はその側面図である。

この実施形態の電力変換装置１０は、絶縁部４を介して滑車等の可動部３を設けたヒー
トパイプ式冷却器５を、ヒートパイプ式冷却器５配置用の補助フレーム１Ｂに設けたガイ
ドレール２に滑車等の可動部３を当接させることにより、垂直に釣り下げられた状態で配
置し、電力用半導体素子８とヒートパイプ式冷却器５を複数個接続しスタック６を構成す
る。各スタック６の前後或いは少なくとも後方に遮蔽板９を配置するとともに、スタック
６を構成する各ヒートパイプ式冷却器５間に遮蔽板１０を設けたものである。そして、補
助フレーム１Ｂの下方に配置された本体フレーム１Ａに、スタック６の下方部分と、導体
及びその他の電気用品７を配置し構成したものである。なお、ヒートパイプ式冷却器５は
、その放熱フィンの少なくとも一部を水平方向から所定角度傾斜させた構成のものとし、
例えば後述の実施形態で説明するような構成のものを用いることとする。

このように、垂直方向にヒートパイプ式冷却器５を配置することで、装置奥行き方向の
形状はヒートパイプ式冷却器５の形状に依存せず、加えて上方向へ積上げるような構造を
必要としないので装置全体の小型化及び構造の単純化が可能になる。なお上方向に積上げ
る構造を取らないことで、良好な冷却効率を得ることが可能であり、熱設計上優れた装置
の実現が可能になる。

また、外部との接続用の導体などの電気用品もスタック６の下方に一括した形で配置す
ることが可能なので、装置全体の小型化及び構造の単純化が可能になる
また、ヒートパイブ式冷却器５は絶縁部４を介し滑車等の可動部３が、補助フレーム１
Ｂに設けたガイドレール２上を自由に移動することが出来るのでスタック６を構成するよ
うな作業の簡略化が図れる。さらにヒートパイプ式冷却器５は釣り下げられた状態にある
ので、各ヒートパイプ式冷却器５は自重により垂直な方向の配置が得られる。

これにより電力用半導体素子８を複数個接続し治具等により圧接しスタック６を構成す
る際に均等に面を圧接する為の各要素の中心をあわせる作業が簡略化されるので省力化が
可能になる。なお可動部分の形状及び材質、ガイドレールの形状及び材質については限定
されるものではない。

またスタック６の前後或いは少なくとも後方に配置された温度絶縁性の高い遮蔽板９に
よってスタック６相互間の熱的な干渉を防ぐだけでなく、放熱フィンにより流出した空気
の拡散をすなわち熱の拡散を防ぐ為放熱フィン間を通過したことにより温度の上昇した空
気は十分な浮力を得て流速が増しヒートパイプ式冷却器及び装置としての冷却性能を向上
させることが出来る。

但し、遮蔽板９の配置は、放熱フインを冷却する空気の流れに対し直交する方向とし、
スタック６の前後或いは少なくとも後方に配置されている。また遮蔽板９の配置は、スタ
ック６の発熱量すなわち装置の定格によって最適な位置は異なるので、スタック６との配
置寸法や形状寸法は限定されるものではない。また遮蔽板９の材質としては温度絶縁性の
高いものを用いると有効であるが、材質を限定するものではない。

更に、スタック６を構成する各ヒートパイプ式冷却器５間に遮蔽板１０を設けている。
遮蔽板１０を設けることで、放熱フィン間を流れる空気の流れの方向を限定するように側
面を塞いだ形状を持たないヒートパイプ式冷却器に対して各ヒートパイプ式冷却器相互の
熱の干渉を防ぐことが出来る。

但し、遮蔽板１０の配置は放熱フィンを冷却する空気の流れと平行に配置するものであ
る。また遮蔽板１０の材質としては温度絶縁性の高いものを用いると有効であるが、材質
を限定するものではない。また遮蔽板１０の形状も装置の発熱量やヒートパイプ式冷却器
５の形状によって決まるものであり、大きさや形状については限定されるものではない。

なお、上述の説明では、図１に示すように、遮蔽板９と遮蔽板１０とを設けたが、いず
れか一方を設けるだけでもよい。この場合、遮蔽板９または遮蔽板１０は、ヒートパイプ
式冷却器５の放熱フィンを冷却する空気の流れの後方、即ち流出する側に設ければよい。
図２は、この場合の、放熱フィンを冷却する空気の流れの方向と遮蔽板９または遮蔽板１
０との関係を説明するための平面図である。図２（ａ）に示すように、ヒートパイプ式冷
却器５の放熱フィンを冷却する空気の流れが前のスタック６から後ろのスタック６の方向
に矢印で示すように流れる場合は、各スタック６の後方即ち流出側に遮蔽板９を配置すれ
ばよい。また、図２（ｂ）に示すように、ヒートパイプ式冷却器５の放熱フィンを冷却す
る空気の流れが隣のヒートパイプ式冷却器５の方向に矢印で示すように流れる場合は、各
ヒートパイプ式冷却器５の流出側に遮蔽板１０を配置すればよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について、図３を用いて説明する。
図３（ａ）は第２の実施形態の構成を示す正面図、同図（ｂ）はその側面図である。

この実施形態は、電力変換装置を構成するキュービクル１の上部に、上部が開口したダ
クト１１を設けたものである。通電により電力半導体素子或いはスタック６が発熱するが
、電力変換装置を構成するキュービクル１により熱の拡散が押さえられるので温められた
空気は十分な浮力を得て流速を増すことで冷却性能が向上するという効果がダクト１１に
より更に助長される。ダクト１１は大きい方が流れのロスが少ないが、装置の大型化を防
ぐためキュービクル１と同程度の大きさが望ましい。同様にダクト１１は高い方がその効
果は増加するが、装置の大型化を防ぐため装置の高さ以下にすべきである。ダクト１１の
形状は装置および装置の定格によって最適な形状が異なるのでダクト１１の形状寸法は限
定されるものではない。またダクト１１の材質についても限定されるものではない。

以下、第３乃至第８の実施形態は、上記第１及び第２の実施形態に使用するヒートパイ
プ式冷却器またはヒートパイプ式冷却装置に関するものである。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器について、図４を用いて説明する
。

図４（ａ）は第３の実施形態の構成を示す正面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は
、その主要部の平面図である。図４において、１２は放熱フィン、１３は通気孔、１４は
ヒートパイプ、１５は受熱部である。

この実施形態は、図４（ｂ）に示すように、従来のヒートパイプ式冷却器の放熱フィン
１２に傾斜した部分を有する形状をしている。即ち、放熱フィン１２の前部が下向きに、
そして後部が上向きに傾斜した部分を有する形状をしている。

これにより放熱フィン１２の前部下方から空気が流入し、後部上方から流出して、放熱
フィン１２の熱を奪い冷却が行われることで、ヒートパイプ式冷却器の垂直方向への配置
を可能にする。

放熱フィン１２の形状は、放熱フィン１２の水平な部分に空気が澱み熱が蓄積されるの
を防ぐ為に、水平な部分の寸法を極力小さくするのが望ましいが、それが不可能な場合に
は、同一な形状を持った放熱フィン１２に、図４（ｃ）に示すように孔或いは切り欠きの
様な上下の流れを可能にするもの（以下通気孔と呼ぶ）１３を有するものと、通気孔１３
を持たない放熱フィン１２とを用意し、通気孔１３を有する放熱フィン１２を複数個配置
した中に、通気孔１３を持たない放熱フィン１２を数個おきに配置する。

このように、通気孔１３により、上下方向の空気の流れを発生させ放熱フィン１２間の
熱の蓄積を防ぎヒートパイプ式冷却器の冷却性能を向上させることが出来る。

この際全ての放熱フィン１２に対して通気孔１３を設けずに、数個おきに通気孔１３を
持たない放熱フィン１２を設けることで下方の熱が上部に蓄積されるのを防ぐことができ
る。

但し、通気孔１３の形状によっては放熱フィン１２の放熱面積の減少に伴うヒートパイ
プ式冷却器の性能低下が生じるので、その面積は出来るだけ小さい方がよいが通気孔１３
の大きさは、装置の発熱量により異なるためその大きさは限定されるものではない。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器について、図５を用いて説
明する。

図５（ａ）は第４の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す平面図
、同図（ｂ）はその正面図である。

この実施形態は、図５に示すように、各放熱フィン１２が、ヒートパイプ１４が貫通す
る水平部１６とその水平部１６の両端が折り曲げられて形成された直角三角形状の垂直部
１７と、垂直部１７における三角形の斜辺の部分が更に折り曲げられて形成された傾斜部
１８とから構成されている。この傾斜部１８により、下方から上方へ空気が流れることに
よってヒートパイプ式冷却器の垂直配置を可能にする。傾斜部１８は連続的に傾斜してい
るので、流れの澱みが生じにくいことから損失が少なく良好な冷却性能が得られる。傾斜
部１８の水平方向からの傾斜角度は小さいほうがスペース効率は良いが、傾斜角度が小さ
くなると、流れに対する抵抗が大きくなり放熱フィン間に澱みが生じる等の問題により冷
却効率が低下する。放熱フィンの配置間隔や放熱フィンの面積によって、傾斜角度は決ま
るものなのでこの傾斜角度については限定するものではない。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器について、図６を用いて説
明する。

図６（ａ）は第５の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す平面図
、同図（ｂ）はその正面図である。

この実施形態は、第４の実施形態における放熱フィン１２の水平部１６に、図６（ａ）
に示すように孔或いは切り欠きの様な上下の流れを可能にするもの（以下通気孔と呼ぶ）
１３を有するものと、通気孔１３を持たない放熱フィン１２とを用意し、通気孔１３を有
する放熱フィン１２を複数個配置した中に、通気孔１３を持たない放熱フィン１２を数個
おきに配置することによって、上下方向の空気の流れを発生させ放熱フィン１２間の熱の
蓄積を防ぎヒートパイプ式冷却器の冷却性能の向上させることが出来る。

但し通気孔１３の形状によっては放熱フィン１２の放熱面積の減少に伴うヒートパイプ
式冷却器の性能低下が生じるので、その面積は出来るだけ小さい方がよいが通気孔１３の
大きさは装置の発熱量によるためその大きさは限定されるものではない。

（第６の実施形態）
次に、本発明に係るヒートパイプ式冷却器の第６の実施形態について、図７を用いて説
明する。

図７（ａ）は第６の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の構成を示す平面図、（ｂ）
はその正面図、（ｃ）はその側面図を示す。

この実施形態は、放熱フィン取付体１９に取付けられ、垂直方向に配置された放熱フィ
ン１２を形成する上部フィン１２Ａと下部フィン１２Ｂとの間に遮蔽板２０を有するヒー
トパイプ式冷却器である。図７のように上部フィン１２Ａと下部フィン１２Ｂが縦方向に
配置されているので垂直方向への配置の際に、放熱フィン間に澱みが生じ冷却効率を低下
させることなく、良好な冷却効率を得ることが出来る。また上部フィン１２Ａと下部フィ
ン１２Ｂとの間に設けられた遮蔽板２０により上部での熱の蓄積を抑制し最高温度上昇を
大幅に抑制することが出来る。

遮蔽板２０の水平方向からの傾斜角度は大きい方が流れの損失は少ないが、放熱フィン
１２の取りつけ面積が減少しヒートパイプ式冷却器が大型化することになる。なお、この
傾斜角度は限定されるものではない。また遮蔽板２０の材質や形状などについても限定さ
れるものではない。

（第７の実施形態）
次に、本発明に係るヒートパイプ式冷却器の第７の実施形態について、図８を用いて説
明する。図８は第７の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す斜視図
である。

この実施形態は、図８に示すように、ヒートパイプ式冷却器の受熱部１５に凍結防止用
のヒーター２１を設けたものである。ヒートパイプ式冷却器の冷媒として純水を用いた場
合、装置停止時の周囲温度による内部の純水の凍結を防止し装置の故障を防ぐことができ
る。但しヒーター２１の取りつけ位置は図８のようにヒーター２１を受熱部１５に内蔵す
るということに限定されない。またヒーター２１は電気的に主回路の電位に対し十分な耐
圧を持つか或いは絶縁された回路に接続されたものとする。

（第８の実施形態）
次に、本発明に係るヒートパイプ式冷却装置の第８の実施形態について、図９を用いて
説明する。図９は第８の実施形態に係るヒートパイプ式冷却装置の構成を示す側面図であ
る。

この実施形態は、図９（ａ）に示すように、一対のヒートパイプ式冷却器、即ち第１の
ヒートパイプ式冷却器５ａと第２のヒートパイプ式冷却器５ｂとを、その放熱フィン間を
流れる空気の流入する側が内側に、そして、その放熱フィン間を流れる空気の流出する側
が外側になるように配置したものヒートパイプ式冷却装置である。なお、これら第１及び
第２のヒートパイプ式冷却器５ａ、５ｂの受熱部の間に、電力用半導体素子８が配置され
ている。

このように、一対のヒートパイプ式冷却器５ａ、５ｂを、その放熱フィン間を流れる空
気の流出する側が外側になるように配置することにより、相互作用により空気の流速を増
すことができ、またヒートパイプ式冷却器相互の熱の干渉を防ぐことが出来る。

なお、図９（ｂ）に示すように、ヒートパイプ式冷却器の放熱フィン間を流れる空気が
排出される側が外側になるように配置されたヒートパイプ式冷却器対を複数対配置してヒ
ートパイプ式冷却装置を構成することもできる。この場合は各対間に、即ちヒートパイプ
式冷却器５ｂ、５ｃのそれぞれの放熱フィン間を流れる空気の流出する側であるヒートパ
イプ式冷却器５ｂとヒートパイプ式冷却器５ｃとの間に、遮蔽板１０を配置することによ
り、ヒートパイプ式冷却器相互の熱の干渉を防ぐことが出来る。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す正面図及び側面図。 本発明の第１の実施形態における空気の流れと遮蔽板との関係を説明するための平面図。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す正面図及び側面図。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す正面図、側面図、及び平面図。 本発明の第４の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す平面図及び正面図。 本発明の第５の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す平面図及び正面図。 本発明の第６の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の構成を示す平面図、正面図、及び側面図。 本発明の第７の実施形態に係るヒートパイプ式冷却器の主要部の構成を示す斜視図。 本発明の第８の実施形態に係るヒートパイプ式冷却装置の構成を示す側面図。 従来の電力変換装置の構成を示す正面図。

符号の説明

５ａ、５ｂ…ヒートパイプ式冷却器
８…電力用半導体素子
１０…遮蔽板
１２…放熱フィン

Claims (1)

1. 電力用半導体素子を両端から挟む受熱部と、この受熱部から前記電力用半導体素子に対して上方に配置されたヒートパイプとを有する第１及び第２のヒートパイプ式冷却器を備えた電力変換装置用ヒートパイプ式冷却装置であって、
   前記ヒートパイプは、
   前記電力用半導体素子側から水平方向外側に向かって上方に傾斜して設けられた１又は複数の放熱フィンを有する
   ことを特徴とする電力変換装置用ヒートパイプ式冷却装置。

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