特許 6123554 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6123554

(24)【登録日】2017年4月14日

(45)【発行日】2017年5月10日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20170424BHJP

   H01L 23/467 20060101ALI20170424BHJP

【ＦＩ】

   H05K7/20 H

   H01L23/46 C

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-161402(P2013-161402)

(22)【出願日】2013年8月2日

(65)【公開番号】特開2015-32695(P2015-32695A)

(43)【公開日】2015年2月16日

【審査請求日】2016年3月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】山澤 航太朗

(72)【発明者】

【氏名】市位 嘉崇

【審査官】 石坂 博明

(56)【参考文献】

【文献】 実開平０６−０７７２９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００５−０４４９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０３３７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１５０６３４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

２３／３４−２３／３６

２３／３７３−２３／４２７

２３／４４

２３／４６７−２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置本体を形成し、かつ内部に搭載された冷却ファンが駆動することにより、外部の空気を内部に導入して内部に装着された冷却フィン間を通過させてから外部に送出することで前記装置本体に収納されたパワーモジュールを放熱させるヒートシンクを構成するフレーム体を備えた電力変換装置において、
前記フレーム体は、少なくとも一つの側面に形成された凹部と、前記凹部に立設された複数の外部フィンとを備えつつ、内部と前記凹部とを連通させるスリットが形成されるとともに該凹部を覆うカバー体が設けられており、
前記冷却ファンの駆動により内部に導入した空気の一部を前記外部フィン間に通過させた後に外部に送出することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

装置本体を形成し、かつ内部に搭載された冷却ファンが駆動することにより、外部の空気を内部に導入して内部に装着された冷却フィン間を通過させてから外部に送出することで前記装置本体に収納されたパワーモジュールを放熱させるヒートシンクを構成するフレーム体を備えた電力変換装置において、
前記フレーム体は、少なくとも一つの側面に形成された凹部と、前記凹部に立設された複数の外部フィンとを備えつつ、内部と前記凹部とを連通させるスリットが形成されており、
前記冷却ファンの駆動により外部の空気を前記外部フィン間に通過させた後に内部に導入することを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば昇降機や空調機等の制御において電力変換装置が用いられており、この種の電力変換装置は、主要部品であるパワーモジュールが装置本体に収納されるとともに、このパワーモジュールを冷却するためのヒートシンクが設けられている。ヒートシンクは、装置本体を形成するフレーム体を備えて構成されている。フレーム体は、ダイカストで製作されており、内部に冷却ファン及び冷却フィンが装着されている。このようなフレーム体は、冷却ファンが駆動することにより、外部の空気を内部に導入して冷却フィン間を通過させ、その後に外部に送出することでパワーモジュールを放熱させている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許４９３６０１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述したような電力変換装置においては、装置の小型化やパワーモジュールの発熱量の増大等に対応すべく、ヒートシンクの冷却効率の向上が常に要請されている。

【0005】

本発明は、上記実情に鑑みて、冷却効率の向上を図ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、装置本体を形成し、かつ内部に搭載された冷却ファンが駆動することにより、外部の空気を内部に導入して内部に装着された冷却フィン間を通過させてから外部に送出することで前記装置本体に収納されたパワーモジュールを放熱させるヒートシンクを構成するフレーム体を備えた電力変換装置において、前記フレーム体は、少なくとも一つの側面に形成された凹部と、前記凹部に立設された複数の外部フィンとを備えつつ、内部と前記凹部とを連通させるスリットが形成されるとともに該凹部を覆うカバー体が設けられており、前記冷却ファンの駆動により内部に導入した空気の一部を前記外部フィン間に通過させた後に外部に送出することを特徴とする。

【0007】

また、本発明に係る電力変換装置は、装置本体を形成し、かつ内部に搭載された冷却ファンが駆動することにより、外部の空気を内部に導入して内部に装着された冷却フィン間を通過させてから外部に送出することで前記装置本体に収納されたパワーモジュールを放熱させるヒートシンクを構成するフレーム体を備えた電力変換装置において、前記フレーム体は、少なくとも一つの側面に形成された凹部と、前記凹部に立設された複数の外部フィンとを備えつつ、内部と前記凹部とを連通させるスリットが形成されており、前記冷却ファンの駆動により外部の空気を前記外部フィン間に通過させた後に内部に導入することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、フレーム体が少なくとも一つの側面に形成された凹部と、凹部に立設された複数の外部フィンとを備え、冷却ファンの駆動により外部フィン間に空気を通過させるようにしたので、外部フィン間にも強制的に空気を通過させて熱交換を行うことで、フレーム体を介してパワーモジュールの放熱を促進させることができる。しかも、凹部を形成して該凹部に外部フィンを並設させているだけなので、フレーム体の外径寸法を拡大させずに伝熱面積を増大させるとともに外部フィン間に強制的に空気を通過させて熱交換を促進させているので、冷却効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施の形態１である電力変換装置を示す斜視図である。

【図2】図２は、図１に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図である。

【図3】図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図4】図４は、図２に示したフレーム体における空気の流れを示す説明図である。

【図5】図５は、本発明の実施の形態２である電力変換装置を構成するフレーム体の側面図である。

【図6】図６は、図５に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図である。

【図7】図７は、図６に示したフレーム体における空気の流れを示す説明図である。

【図8】図８は、本発明の実施の形態３である電力変換装置を構成するフレーム体の側面図である。

【図9】図９は、図８に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図である。

【図10】図１０は、図９に示したフレーム体における空気の流れを示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に添付図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

【0012】

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１である電力変換装置を示す斜視図である。ここで例示する電力変換装置は、装置本体１を備えている。

【0013】

装置本体１は、収納本体１０とフレーム体２０とを備えて構成してある。収納本体１０は、後面が開口した直方状の形態をなしており、フレーム体２０の前方域を覆う態様で該フレーム体２０に連結されている。かかる収納本体１０は、フレーム体２０との間に様々な制御機器を収納するための収納空間を画成している。

【0014】

フレーム体２０は、上面及び下面が開口した直方状を成すものであり、例えばダイカストにより構成してある。

【0015】

図２は、図１に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。これら図２及び図３に示すように、フレーム体２０には、フィンユニット２１と、冷却ファン２２とが配設してある。

【0016】

フィンユニット２１は、ベース部２１ａの後面に上下方向に沿って延在する複数の冷却フィン２１ｂが左右方向に並設されることで構成したものである。このフィンユニット２１のベース部２１ａは、フレーム体２０の前面２０ａの図示せぬ開口を貫通するパワーモジュール１１に熱的に接続してある。このパワーモジュール１１は、公知のものであり、収納本体１０に配設された図示せぬ基板の後面に実装されており、入力を順変換するコン
バータ部とこのコンバータ部の出力を逆変換するインバータ部とを含む回路部を備えるものである。

【0017】

冷却ファン２２は、フレーム体２０の上面開口２０ｂを閉塞する態様で配設されている。この冷却ファン２２は、駆動することによりフレーム体２０の下方、あるいはフレーム体２０の側面に形成された側面開口２０ｃを通じて外部の空気をフレーム体２０の内部に導入し、冷却フィン２１ｂ間に空気を通過させて外部に送出する送風手段である。このように冷却フィン２１ｂ間に空気が通過することで、フィンユニット２１にて熱交換が積極的に行われることとなり、フレーム体２０はパワーモジュール１１等の機器のヒートシンクを構成している。

【0018】

また、フレーム体２０におけるフィンユニット２１の下方域には、図示せぬコンデンサが設けてある。このコンデンサは、図示せぬブスバー（導体）を介してパワーモジュール１１に電気的に接続されることで、コンバータ部の出力を平滑化するものである。

【0019】

上記フレーム体２０においては、左右の両側面に凹部２３が形成してあり、この凹部２３の底部２３ａには、複数の外部フィン２４が前後方向に並設している。ここで外部フィン２４は、フレーム体２０と同様に例えばダイカストにより構成してあり、フレーム体２０の成形時に同時に成形されるものである。従って、外部フィン２４は、フレーム体２０と熱的に接続されている。

【0020】

また、かかる凹部２３の上面及び下面には、それぞれ上面スリット２３ｂ及び下面スリット２３ｃが形成してある。これにより凹部２３は、上面スリット２３ｂ及び下面スリット２３ｃを介してフレーム体２０の内部と連通している。

【0021】

更に、上記凹部２３は、側面の開口が例えば樹脂よりなるカバー体２５により閉塞されている。ここでカバー体２５による閉塞の仕方は、特に限定されるものではないが、カバー体２５に形成される係止片２５ａが凹部２３の図示せぬ係止部に係止することで閉塞するようにしてもよい。

【0022】

以上のような構成を有する本実施の形態１である電力変換装置においては、冷却ファン２２の駆動により、図４に示すように、フレーム体２０の下方、あるいはフレーム体２０の側面開口２０ｃ（図１参照）より外部の空気がフレーム体２０の内部に侵入し、その大部分は上方に向けて流れることで冷却フィン２１ｂ間を通過し、その後に上面開口２０ｂより外部に送出される。また、フレーム体２０の凹部２３は、上面スリット２３ｂ及び下面スリット２３ｃを介してフレーム体２０の内部と連通していることから、図４に示すように、フレーム体２０の内部に侵入した空気の一部が下面スリット２３ｃより凹部２３に侵入し、外部フィン２４間を通過してその後に上面スリット２３ｂよりフレーム体２０の内部に再度侵入して上面開口２０ｂより外部に送出されることとなる。

【0023】

つまり、上記電力変換装置においては、フィンユニット２１を構成する冷却フィン２１ｂでの熱交換だけでなく、外部フィン２４間にも強制的に空気を通過させて熱交換を行うことで、フレーム体２０を介して熱的に接続されるパワーモジュール１１の放熱を促進させることができる。

【0024】

しかも、上記電力変換装置では、凹部２３を形成して該凹部２３に外部フィン２４を並設させてカバー体２５で閉塞しているだけなので、フレーム体２０の外径寸法を拡大させずに伝熱面積を増大させるとともに外部フィン２４間に強制的に空気を通過させて熱交換を促進させているので、ヒートシンクとしての冷却効率の向上を図ることができる。

【0025】

また、上記電力変換装置では、両側面に凹部２３を形成して該凹部２３に外部フィン２４を並設させていることで、フィンユニット２１とフレーム体２０の両側面との間に製造上生じていたデッドスペースを有効に活用することができ、これによっても冷却効率の向上を図ることができる。

【0026】

更に、上記電力変換装置によれば、両側面に凹部２３を形成して該凹部２３に外部フィン２４を並設させているだけなので、特殊な金型を用いることなく製造することができ、製造コストが過大なものとなることを抑制することができる。

【0027】

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２である電力変換装置を構成するフレーム体の側面図である。尚、上述した実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付してその説明を適宜省略する。

【0028】

ここで例示するフレーム体３０は、実施の形態１と同様に、収納本体１０とともに装置本体１を構成するもので、上面及び下面が開口した直方状を成すものであり、例えばダイカストにより構成してある。

【0029】

図６は、図５に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図である。この図６に示すように、フレーム体３０には、フィンユニット２１と、冷却ファン２２とが配設してある。

【0030】

フィンユニット２１は、ベース部２１ａの後面に上下方向に沿って延在する複数の冷却フィン２１ｂが左右方向に並設されることで構成したものである。このフィンユニット２１のベース部２１ａは、フレーム体３０の前面の図示せぬ開口を貫通するパワーモジュール１１（図３参照）に熱的に接続してある。このパワーモジュール１１は、公知のものであり、収納本体１０に配設された図示せぬ基板の後面に実装されており、入力を順変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力を逆変換するインバータ部とを含む回路部を備えるものである。

【0031】

冷却ファン２２は、フレーム体３０の上面開口３０ｂを閉塞する態様で配設されている。この冷却ファン２２は、駆動することによりフレーム体３０の下方、あるいはフレーム体３０の側面開口３０ｃを通じて外部の空気をフレーム体３０の内部に導入し、冷却フィン２１ｂ間に空気を通過させて外部に送出する送風手段である。このように冷却フィン２１ｂ間に空気が通過することで、フィンユニット２１にて熱交換が積極的に行われることとなり、フレーム体３０はパワーモジュール１１等の機器のヒートシンクを構成している。

【0032】

上記フレーム体３０においては、左右の両側面に凹部３３が形成してあり、この凹部３３の底部３３ａ及び下面３３ｃには、複数の外部フィン３４が前後方向に並設している。ここで外部フィン３４は、フレーム体３０と同様に例えばダイカストにより構成してあり、フレーム体３０の成形時に同時に成形されるものである。従って、外部フィン３４は、フレーム体３０と熱的に接続されている。

【0033】

また、かかる凹部３３の上面には、上面スリット３３ｂが形成してある。これにより凹部３３は、上面スリット３３ｂを介してフレーム体３０の内部と連通している。更に、上記凹部３３の下面３３ｃは、下方に向かうに連れて漸次外方に傾斜する傾斜面となっている。

【0034】

以上のような構成を有する本実施の形態２である電力変換装置においては、冷却ファン２２の駆動により、図７に示すように、フレーム体３０の下方、あるいはフレーム体３０の側面開口３０ｃより外部の空気がフレーム体３０の内部に侵入し、上方に向けて流れることで冷却フィン２１ｂ間を通過し、その後に上面開口３０ｂより外部に送出される。また、フレーム体３０の凹部３３は、上面スリット３３ｂを介してフレーム体３０の内部と連通していることから、冷却ファン２２の駆動により外部の空気が凹部３３に侵入し、外部フィン３４間を通過してその後に上面スリット３３ｂよりフレーム体３０の内部に侵入して上面開口３０ｂより外部に送出されることとなる。

【0035】

つまり、上記電力変換装置においては、フィンユニット２１を構成する冷却フィン２１ｂでの熱交換だけでなく、外部フィン３４間にも強制的に空気を通過させて熱交換を行うことで、フレーム体３０を介して熱的に接続されるパワーモジュール１１の放熱を促進させることができる。

【0036】

しかも、上記電力変換装置では、凹部３３を形成して該凹部３３に外部フィン３４を並設させているだけなので、フレーム体３０の外径寸法を拡大させずに伝熱面積を増大させるとともに外部フィン３４間に強制的に空気を通過させて熱交換を促進させているので、ヒートシンクとしての冷却効率の向上を図ることができる。

【0037】

また、上記電力変換装置では、両側面に凹部３３を形成して該凹部３３に外部フィン３４を並設させていることで、フィンユニット２１とフレーム体３０の両側面との間に製造上生じていたデッドスペースを有効に活用することができ、これによっても冷却効率の向上を図ることができる。

【0038】

更に、上記電力変換装置によれば、両側面に凹部３３を形成して該凹部３３に外部フィン３４を並設させているだけなので、特殊な金型を用いることなく製造することができ、製造コストが過大なものとなることを抑制することができる。

【0039】

＜実施の形態３＞
図８は、本発明の実施の形態３である電力変換装置を構成するフレーム体の側面図である。尚、上述した実施の形態１及び２と同一の構成には同一の符号を付してその説明を適宜省略する。

【0040】

ここで例示するフレーム体４０は、実施の形態１及び２と同様に、収納本体１０とともに装置本体１を構成するもので、上面及び下面が開口した直方状を成すものであり、例えばダイカストにより構成してある。

【0041】

図９は、図８に示したフレーム体の内部構造を模式的に示す縦断面図である。この図９に示すように、フレーム体４０には、フィンユニット２１と、冷却ファン２２とが配設してある。

【0042】

フィンユニット２１は、ベース部２１ａの後面に上下方向に沿って延在する複数の冷却フィン２１ｂが左右方向に並設されることで構成したものである。このフィンユニット２１のベース部２１ａは、フレーム体４０の前面の図示せぬ開口を貫通するパワーモジュール１１（図３参照）に熱的に接続してある。このパワーモジュール１１は、公知のものであり、収納本体１０に配設された図示せぬ基板の後面に実装されており、入力を順変換するコンバータ部とこのコンバータ部の出力を逆変換するインバータ部とを含む回路部を備えるものである。

【0043】

冷却ファン２２は、フレーム体４０の上面開口４０ｂを閉塞する態様で配設されている。この冷却ファン２２は、駆動することによりフレーム体４０の下方、あるいはフレーム体４０の側面開口４０ｃを通じて外部の空気をフレーム体４０の内部に導入し、冷却フィン２１ｂ間に空気を通過させて外部に送出する送風手段である。このように冷却フィン２１ｂ間に空気が通過することで、フィンユニット２１にて熱交換が積極的に行われることとなり、フレーム体４０はパワーモジュール１１等の機器のヒートシンクを構成している。

【0044】

上記フレーム体４０においては、左右の両側面に上方凹部４３及び下方凹部４５がそれぞれ形成してあり、これら上方凹部４３及び下方凹部４５の底部４３ａ，４５ａ及び下面４３ｃ，４５ｃには、複数の外部フィン４４，４６が前後方向に並設している。ここで外部フィン４４，４６は、フレーム体４０と同様に例えばダイカストにより構成してあり、フレーム体４０の成形時に同時に成形されるものである。従って、外部フィン４４，４６は、フレーム体４０と熱的に接続されている。

【0045】

また、かかる上方凹部４３及び下方凹部４５のそれぞれの上面には、上面スリット４３ｂ，４５ｂが形成してある。これにより上方凹部４３及び下方凹部４５は、それぞれ上面スリット４３ｂ，４５ｂを介してフレーム体４０の内部と連通している。更に、上記上方凹部４３及び下方凹部４５のそれぞれの下面４３ｃ，４５ｃは、下方に向かうに連れて漸次外方に傾斜する傾斜面となっている。

【0046】

以上のような構成を有する本実施の形態３である電力変換装置においては、冷却ファン２２の駆動により、図１０に示すように、フレーム体４０の下方、あるいはフレーム体４０の側面開口４０ｃより外部の空気がフレーム体４０の内部に侵入し、上方に向けて流れることで冷却フィン２１ｂ間を通過し、その後に上面開口４０ｂより外部に送出される。また、フレーム体４０の上方凹部４３及び下方凹部４５は、それぞれ上面スリット４３ｂ，４５ｂを介してフレーム体４０の内部と連通していることから、冷却ファン２２の駆動により外部の空気が上方凹部４３及び下方凹部４５のそれぞれに侵入し、外部フィン４４，４６間を通過してその後に上面スリット４３ｂ，４５ｂよりフレーム体４０の内部に侵入して上面開口４０ｂより外部に送出されることとなる。

【0047】

つまり、上記電力変換装置においては、フィンユニット２１を構成する冷却フィン２１ｂでの熱交換だけでなく、外部フィン４４，４６間にも強制的に空気を通過させて熱交換を行うことで、フレーム体４０を介して熱的に接続されるパワーモジュール１１の放熱を促進させることができる。

【0048】

しかも、上記電力変換装置では、上方凹部４３及び下方凹部４５を形成してこれら凹部４３，４５に外部フィン４４，４６を並設させているだけなので、フレーム体４０の外径寸法を拡大させずに伝熱面積を増大させるとともに外部フィン４４，４６間に強制的に空気を通過させて熱交換を促進させているので、ヒートシンクとしての冷却効率の向上を図ることができる。

【0049】

特に、上方凹部４３及び下方凹部４５を設けることで、フレーム体４０の上下方向の寸法が大きい場合にも、それぞれの凹部４３，４５における上面スリット４３ｂ，４５ｂと、外部フィン４４，４６の下端部との距離を所定の大きさに保つことができ、各凹部４３，４５に良好に外部の空気を強制的に通過させることができる。

【0050】

また、上記電力変換装置では、両側面に上方凹部４３及び下方凹部４５を形成してこれら凹部４３，４５に外部フィン４４，４６を並設させていることで、フィンユニット２１とフレーム体４０の両側面との間に製造上生じていたデッドスペースを有効に活用することができ、これによっても冷却効率の向上を図ることができる。

【0051】

更に、上記電力変換装置によれば、両側面に上方凹部４３及び下方凹部４５を形成してこれら凹部４３，４５に外部フィン４４，４６を並設させているだけなので、特殊な金型を用いることなく製造することができ、製造コストが過大なものとなることを抑制することができる。

【0052】

以上、本発明の好適な実施の形態１〜３について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。

【0053】

上述した実施の形態１では、凹部２３を閉塞するカバー体２５が設けられていたが、かかるカバー体２５の下方部に複数のスリットを形成してもよい。

【0054】

上述した実施の形態３では、フレーム体４０の側面に上方凹部４３及び下方凹部４５を設けられていたが、フレーム体の上下方向の寸法が大きい場合には、３つ以上の凹部を所定間隔毎に形成するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0055】

１ 装置本体
１０ 収納本体
１１ パワーモジュール
２０ フレーム体
２０ｂ 上面開口
２１ フィンユニット
２１ａ ベース部
２１ｂ 冷却フィン
２２ 冷却ファン
２３ 凹部
２３ａ 底部
２３ｂ 上面スリット
２３ｃ 下面スリット
２４ 外部フィン
２５ カバー体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】