特開 2024-155008 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155008

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241024BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H05K7/20 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023069334

(22)【出願日】2023-04-20

(71)【出願人】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 祐生

【テーマコード（参考）】

5E322

5H770

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322BA01

5E322BA03

5E322BA04

5E322BA05

5E322BB03

5E322EA05

5H770AA21

5H770BA15

5H770CA01

5H770CA06

5H770PA02

5H770PA05

5H770PA21

5H770PA42

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA22

5H770QA25

5H770QA28

(57)【要約】

【課題】ヒートシンクによる半導体モジュールの冷却性能をさらに向上させることが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】
電力変換装置は、内部を吸気口側の第１領域と第２領域とに仕切る仕切り板と、第１領域に設置された半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するヒートシンクとを備える。第２領域側に設置されたファンは、吸気口から第１領域に空気を吸い込み、当該空気を第２領域を介して外部へ排出する。ヒートシンクは、半導体モジュールが搭載されるベース部と、ベース部に対して半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有するフィン部とを含む。フィン部は、第１領域に位置する部位と、仕切り板の第１貫通孔を介して第２領域に突出した部位とを有する。第１貫通孔よりもファンから離れた位置に、仕切り板の第２貫通孔が形成されている。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸気口が形成された筐体と、
前記筐体の内部空間を、前記吸気口側の第１の領域と、第２の領域とに仕切る仕切り板と、
前記筐体の前記第２の領域側に設置されたファンと、
前記第１の領域に設置された電力変換用の第１の半導体モジュールと、
前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクとを備え、
前記仕切り板には、前記第１の領域と前記第２の領域とをつなぐ複数の貫通孔が形成されており、
前記ファンは、前記吸気口から前記第１の領域に空気を吸い込み、かつ、吸い込んだ前記空気を前記複数の貫通孔と前記第２の領域とを介して前記筐体の外部へと排出し、
前記第１のヒートシンクは、
前記第１の半導体モジュールが搭載される第１のベース部と、
前記第１のベース部に対して前記第１の半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、前記吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有する第１のフィン部とを含み、
前記第１のフィン部は、前記第１の領域に位置する第１部位と、前記複数の貫通孔のうちの第１の貫通孔を介して前記第２の領域に突出した第２部位とを有し、
前記第１の貫通孔よりも前記ファンから離れた位置に、前記複数の貫通孔のうちの第２の貫通孔が形成されている、電力変換装置。

【請求項2】

前記第１のベース部は、前記第１の領域および前記第２の領域のうちの前記第１の領域のみに位置する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１の領域、かつ、前記筐体の高さ方向において前記第１の半導体モジュールと異なる位置に設置された電力変換用の第２の半導体モジュールと、
前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクとをさらに備え、
前記第２のヒートシンクは、
前記第２の半導体モジュールが搭載される第２のベース部と、
前記第２のベース部に対して前記第２の半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、前記吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有する第２のフィン部とを含み、
前記第２のフィン部は、前記第１の領域に位置する第３部位と、前記第２の貫通孔または前記複数の貫通孔のうち前記第１の貫通孔よりも前記ファンに近い位置に設けられた第３の貫通孔を介して前記第２の領域に突出した第４部位とを有する、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記電力変換装置は、前記第２の領域に巻線をさらに備え、
前記第２の貫通孔は、前記巻線に対向する位置に形成されている、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記第１の領域から前記第２の領域に向かう方向における前記第１のフィン部の前記第２の領域への突出の割合は、１０％以下である、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、無停電電源装置等の電力変換装置が知られている。このような電力変換装置として、強制空冷式の電力変換装置が知られている。強制空冷式の電力変換装置は、コンバータ、インバータ等を含む電力変換ユニットと、リアクトル等の巻物と、ファンとを備える。電力変換ユニットは、半導体モジュール（パワーモジュール）と、当該半導体モジュールを冷却するヒートシンクとを含む。ファンによって電力変換装置の外部から吸引された空気（冷却風）がヒートシンクに当たることによって、半導体モジュールが冷却される。

【0003】

特開２０２２－７６２８５号公報（特許文献１）に開示された無停電電源装置では、冷却ファンによって吸気口から筐体内部に流入した空気（冷却風）は、多段に積まれた電力変換ユニットによって分流される。分流した冷却風は、それぞれ、電力変換ユニットのヒートシンクのフィン部に当たる。その後、分流した冷却風の各々は、電力変換ユニットの後方の背面側流路に吹き出し、かつ合流する。背面側流路において合流した冷却風（合流風）は、リアクトルの冷却に用いられる。このように、吸気口から流入した冷却風は、複数の電力変換ユニットで分流され、その後、背面側流路で合流する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－７６２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

筐体内の背面側流路を流れる冷却風を半導体モジュールの冷却に利用することができれば、冷却性能を向上させることができる。

【0006】

本開示は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ヒートシンクによる半導体モジュールの冷却性能をさらに向上させることが可能な電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示のある局面に従うと、電力変換装置は、吸気口が形成された筐体と、筐体の内部空間を、吸気口側の第１の領域と、第２の領域とに仕切る仕切り板と、筐体の第２の領域側に設置されたファンと、第１の領域に設置された電力変換用の第１の半導体モジュールと、第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクとを備える。仕切り板には、第１の領域と第２の領域とをつなぐ複数の貫通孔が形成されている。ファンは、吸気口から第１の領域に空気を吸い込み、かつ、吸い込んだ空気を複数の貫通孔と第２の領域とを介して筐体の外部へと排出する。第１のヒートシンクは、第１の半導体モジュールが搭載される第１のベース部と、第１のベース部に対して第１の半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有する第１のフィン部とを含む。第１のフィン部は、第１の領域に位置する第１部位と、複数の貫通孔のうちの第１の貫通孔を介して第２の領域に突出した第２部位とを有する。第１の貫通孔よりもファンから離れた位置に、複数の貫通孔のうちの第２の貫通孔が形成されている。

【発明の効果】

【0008】

上記の開示によれば、ヒートシンクによる半導体モジュールの冷却性能をさらに向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】無停電電源装置の外観を説明する図である。

【図2】無停電電源装置の側方断面図である。

【図3】コンバータの斜視図である。

【図4】コンバータを図３の矢印ＩＶの方向から見た側面図である。

【図5】コンバータの平面図である。

【図6】コンバータを図３の矢印ＶＩの方向から見た側面図である。

【図7】筐体内を流れる空気の流れを説明するための図である。

【図8】無停電電源装置の熱流体解析用のモデルを示した図である。

【図9】フィン部の一部が背面領域側に突出していない比較例の装置の熱流体解析用のモデルを示した図である。

【図10】無停電電源装置のモデルにおける、風速解析結果として風速分布を示した図である。

【図11】比較例のモデルにおける、風速解析結果として風速分布を示した図である。

【図12】無停電電源装置のモデルにおけるベクトル付き風速分布を示した図である。

【図13】比較例のモデルにおけるベクトル付き風速分布を示した図である。

【図14】無停電電源装置のモデルにおける、熱解析結果として温度分布を示した図である。

【図15】比較例のモデルにおける、熱解析結果として温度分布を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。詳しくは、電力変換装置の１つである無停電電源装置を例に挙げて説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

【0011】

また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合があるが、本開示の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。さらに、図面においては、実際の寸法の比率に従って図示しておらず、構造の理解を容易にするために、構造が明確となるように比率を変更して図示している箇所がある。

【0012】

以下では、電力変換装置の一例として、強制空冷式の無停電電源装置を例に挙げて説明する。なお、電力変換装置は、無停電電源装置に限定されず、たとえば、太陽光発電システム用パワーコンディショナ、モータドライブ装置、瞬停補償装置、風力蓄電池用変換器、水素製造自励式整流器等であってもよい。

【0013】

図１は、実施形態に基づく無停電電源装置１の外観を説明する図である。なお、図１は、無停電電源装置１の前面カバー２０（図２）を外した状態を示している。

【0014】

無停電電源装置１は、ＣＶＣＦ(Constant Voltage/Constant Frequency)機能を有する機器と、蓄電池盤の充電および放電機能を備えた機器とを金属製の筐体２に収めたものである。通常時（正常時）は、商用電源等から供給される交流電源をＣＶＣＦの機能で安定した電源に変換して、負荷に電力を供給する。不測の事態により交流電源が消失した際は、蓄電池設備から供給される直流電源を交流電源に変換して負荷に電力を供給することにより、系統の復旧や発電機稼働までのバックアップ電源として稼働する。

【0015】

図１に示すように、無停電電源装置１は、筐体２を備える。筐体２の内部には、複数の電力変換ユニットが収容されている。三相回路の向けの無停電電源装置の一例である本図では、筐体２の内部に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電力変換ユニット３～５が設けられている。各電力変換ユニット３～５は、前後方向に挿脱可能に設けられており、保守点検等が容易となるように設けられている。筐体２の上部には、貫通孔が形成され、当該貫通孔に冷却用のファン７がはめ込まれている。なお、Ｚ軸正方向が、筐体２の高さ方向である。

【0016】

図２は、無停電電源装置１の側方断面図である。図２を参照して、無停電電源装置１は、前面カバー２０と、制御ユニット６と、コンデンサユニット８と、遮断器ユニット１０と、仕切り板９と、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３とをさらに備える。

【0017】

電力変換ユニット３は、コンバータ５１と、複数の電解コンデンサ１４とを有する。さらに、電力変換ユニット３は、図２の側面視において、コンバータ５１の奥側（Ｘ軸負方向側）に、インバータ６１（図７）をさらに有する。筐体２内において、無停電電源装置１の前面側に複数の電解コンデンサ１４が配置される。複数の電解コンデンサ１４の背面に、コンバータ５１とインバータ６１とが配置される。

【0018】

同様に、電力変換ユニット４は、コンバータ５２と、複数の電解コンデンサ１４とを有する。さらに、電力変換ユニット４は、図２の側面視において、コンバータ５２の奥側（Ｘ軸負方向側）に、インバータ６２（図７）をさらに有する。複数の電解コンデンサ１４の背面に、コンバータ５２とインバータ６２とが配置される。

【0019】

電力変換ユニット５は、コンバータ５３と、複数の電解コンデンサ１４とを有する。さらに、電力変換ユニット５は、図２の側面視において、コンバータ５３の奥側（Ｘ軸負方向側）に、インバータ６３（図７）をさらに有する。複数の電解コンデンサ１４の背面に、コンバータ５３とインバータ６３とが配置される。

【0020】

電力変換ユニット３～５は、全てほぼ同形状であり、奥行きおよび幅に比べて高さが短い（低い）直方体形状である。電力変換ユニット３～５は、無停電電源装置１の前面側で下側の空間に設けられている。

【0021】

電力変換ユニット３～５は、多段積みされるように垂直方向（Ｚ軸方向）に配置されており、各電力変換ユニット３～５間には、少し隙間がある。電力変換ユニット３は、無停電電源装置１の底部に設置されている。電力変換ユニット４は、電力変換ユニット３の上に設置されている。電力変換ユニット５は、電力変換ユニット４の上に設置されている。

【0022】

コンデンサユニット８は、図示しない、入力側コンデンサおよび出力側コンデンサが収納されたユニットである。遮断器ユニット１０は、図示しない２つの遮断器が収納されたユニットである。遮断器ユニット１０は、コンデンサユニット８の上の前面側に設置されている。制御ユニット６は、無停電電源装置１の制御を行う基板等が実装されたユニットである。制御ユニット６は、遮断器ユニット１０の上に設置されている。

【0023】

リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、長手方向が垂直方向の直方体形状又は円柱形状である。リアクトルＬ１，Ｌ２、Ｌ３は、垂直方向に積み重なるように配置されている。本例では、リアクトルＬ１の上にリアクトルＬ２が積み重ねられ、リアクトルＬ２の上にリアクトルＬ３が積み重ねられている。

【0024】

前面カバー２０は、筐体２の一部を構成する。前面カバー２０は、筐体２の本体部に対して着脱可能に構成されている。前面カバー２０には、吸気口２１が形成されている。このように、筐体２には、吸気口２１が形成されている。

【0025】

仕切り板９は、筐体２の内部空間を、吸気口２１側の領域Ｒ１と、背面側の領域Ｒ２とに仕切る。領域Ｒ１には、制御ユニット６と、遮断器ユニット１０と、コンデンサユニット８とが収容されている。領域Ｒ２には、リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３が収容されている。ファン７は、領域Ｒ２側に設置されている。領域Ｒ１は、冷却風の前面側流路としての役割を果たす。領域Ｒ２は、冷却風の背面側流路としての機能を果たす。

【0026】

仕切り板９には、各々が領域Ｒ１と領域Ｒ２とをつなぐ複数の貫通孔９１，９２，９３が形成されている。貫通孔９１は、貫通孔９２よりもファン７から離れた位置に形成されている。貫通孔９１は、貫通孔９２の下側（Ｚ軸負方向側）に形成されている。貫通孔９１は、リアクトルＬ１に対向する位置に形成されている。貫通孔９２は、貫通孔９３よりもファン７から離れた位置に形成されている。貫通孔９２は、貫通孔９３の下側に形成されている。貫通孔９１，９２，９３の開口の形状は、典型的には、矩形である。

【0027】

ファン７は、吸気口２１から領域Ｒ１に空気を吸い込み、かつ、吸い込んだ前記空気を複数の貫通孔９１，９２，９３と領域Ｒ２とを介して筐体２の外部へと排出する。なお、筐体２内での空気の流れについては、後述する。

【0028】

なお、以下では、説明の便宜上、コンバータ５１とコンバータ５２とコンバータ５３とのうちの任意の一つのコンバータを、「コンバータ５０」と称する。同様に、インバータ６１とインバータ６２とインバータ６３とのうちの任意の一つのインバータを、「インバータ６０」と称する。貫通孔９１と貫通孔９２と貫通孔９３とのうちの任意の一つの貫通孔を、「貫通孔９０」と称する。

【0029】

図３は、コンバータ５０の斜視図である。図４は、コンバータ５０を図３の矢印ＩＶの方向から見た側面図である。図５は、コンバータ５０の平面図（上面図）である。図６は、コンバータ５０を図３の矢印ＶＩの方向から見た側面図である。

【0030】

図３～図６に示すように、コンバータ５０は、複数の半導体モジュール（パワーモジュール）２００と、ヒートシンク１００とを備える。各半導体モジュール２００は、正極端子２０１と、中性点端子２０２と、負極端子２０３とを有する。ヒートシンク１００は、ベース部１１０と、フィン部１２０とを有する。

【0031】

各半導体モジュール２００は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を含む。図２に示されるように、各半導体モジュール２００は、領域Ｒ１に位置する。

【0032】

図２～図６に示すように、ベース部１１０には、複数の半導体モジュール２００が搭載される。本例では、９個の半導体モジュール２００が２列でベース部１１０の一方の面上に配置されている。図２に示されるように、ベース部１１０は、領域Ｒ１に位置する。詳しくは、ベース部１１０は、領域Ｒ１および領域Ｒ２のうち領域Ｒ１のみに位置する。なお、ベース部１１０は、仕切り板９の直下迄延びていてもよい。

【0033】

図２～図６に示すように、フィン部１２０は、ベース部１１０に対して複数の半導体モジュール２００とは反対側に設けられている。フィン部１２０は、上記一方の面とは反対側の面に設けられている。図４および図５に示すように、フィン部１２０は、吸気口２１（図２参照）側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板１２９を有する。

【0034】

詳しくは、ヒートシンク１００には、冷却風を吸気口２１側の側面から受けて反対側の側面に排出することが可能な櫛状の空隙が設けられている。より詳しくは、ヒートシンク１００では、ベース部１１０に対するフィン部１２０の付け根からフィン部１２０の下部まで気流が循環可能に構成されている。

【0035】

ヒートシンク１００は、ベース部１１０で半導体モジュール２００の熱量を受熱し、個体の熱伝導によりフィン部１２０に熱を伝える。ヒートシンク１００は、フィン部１２０の表面から熱伝達にて気中に熱輸送する機構を備えている。詳しくは、ファン７によって外部から筐体２内に送り込まれた風を各放熱板１２９にあてることにより、半導体モジュール２００の熱が放熱される。

【0036】

図５および図６に示すように、フィン部１２０は、部位１２１と、部位１２２とを有する。部位１２１は、ベース部１１０の直下の部位である。部位１２２は、ベース部１１０からはみ出した部位である。部位１２２は、ベース部１１０とは接続されていない。詳しくは、各放熱板１２９のＹ軸正方向側の端部が、ベース部１１０からはみ出している。

【0037】

詳しくは、図２に示すように、部位１２１は、領域Ｒ１に位置する。図２および図６に示すように、部位１２２は、部位１２１側の部位１２２１と、部位１２１とは反対側の部位１２２２とを有する。フィン部１２０では、吸気口２１側から順に、部位１２１と、部位１２２１と、部位１２２２とを有する。

【0038】

図２に示すように、部位１２２１は、仕切り板９の直下の部位である。部位１２２１は、貫通孔９０に位置する部位である。部位１２２１は、周囲が貫通孔９０に囲まれる部位である。部位１２２２は、貫通孔９０を介して領域Ｒ２に突出した部位である。

【0039】

このように、フィン部１２０は、少なくとも、領域Ｒ１に位置する部位１２１と、複数の貫通孔９１～９３のうちの１つの貫通孔９０を介して領域Ｒ２に突出した部位１２２２とを有する。

【0040】

領域Ｒ１から領域Ｒ２に向かう方向におけるフィン部１２０の領域Ｒ２への突出の割合は、１０％以下である。すなわち、フィン部１２０のＹ軸方向の長さに対する、部位１２２２のＹ軸方向の長さの比率は、１０％以下である。このように、部位１２２２の寸法（領域Ｒ２に突出した部位の寸法）は、盤背面用品スペースに影響を及ぼさないように、僅かであることが望ましい。

【0041】

なお、インバータ６０もコンバータ５０と同様の構成を有するため、ここでは、インバータ６０の具体的構成についての説明は、繰り返さない。

【0042】

図７は、筐体２内を流れる空気の流れを説明するための図である。図７に示すように、ファン７によって、筐体２の前面カバー２０に形成された吸気口２１から、筐体２内の領域Ｒ１に空気（以下、「冷却風」とも称する）が流れ込む。冷却風は、３つのコンバータ５１～５３および３つのインバータ６１～６３の各々のフィン部１２０を通過し、領域Ｒ２に流入する。領域Ｒ２に流入した冷却風は、３つのリアクトルＬ１～Ｌ３を冷却する。特に、最下段の貫通孔９１を介して領域Ｒ２に流れ込んだ冷却風によって、最下段のリアクトルＬ１を冷却できる。なお、インバータ６１，６２，６３は、それぞれ、コンバータ５１、５２，５３の隣（Ｘ軸負方向側）に設置されている。

【0043】

図５および図６等に示したように、コンバータ５１のフィン部１２０の部位１２２２の上側にはベース部１１０が存在しない。加えて、ベース部１１０は、領域Ｒ１および領域Ｒ２のうちの領域Ｒ１のみに位置する。このため、コンバータ５１のフィン部１２０を通過した冷却風の一部は、図７に示すように、コンバータ５１よりも１つ上段のコンバータ５２のフィン部１２０の部位１２２２の方向（上方）に進む。その後、当該冷却風の一部は、コンバータ５２のフィン部１２０の部位１２２２に当たる。詳しくは、当該冷却風の一部は、コンバータ５２のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を通過する。より詳しくは、コンバータ５２のフィン部１２０の部位１２２２の上側にはベース部１１０が存在しないため、当該冷却風の一部は、コンバータ５２のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を上方（Ｚ軸正方向）に通過する。

【0044】

さらにその後、当該冷却風の一部は、コンバータ５２よりも１つ上段のコンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の方向（上方）に進み、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２に当たる。当該冷却風の一部は、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を通過する。より詳しくは、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の上側にはベース部１１０が存在しないため、当該冷却風の一部は、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を上方（Ｚ軸正方向）に通過する。その後、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を上方に通過した冷却風は、ファン７によって筐体２の外部へ排気される。

【0045】

同様に、コンバータ５２のフィン部１２０（部位１２１および部位１２２）を通過した冷却風の一部は、コンバータ５２よりも１つ上段のコンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の方向（上方）に進む。その後、当該冷却風の一部は、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２に当たる。詳しくは、当該冷却風の一部は、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を上方に通過する。さらにその後、コンバータ５３のフィン部１２０の部位１２２２の隙間を上方に通過した冷却風は、ファン７によって排気される。

【0046】

以上のように、無停電電源装置１では、コンバータ５１の冷却に用いられた冷却風は、少なくとも、コンバータ５１よりも上段のコンバータ５２，５３の冷却に再利用される。同様に、コンバータ５２の冷却に用いられた冷却風は、少なくとも、コンバータ５２よりも上段のコンバータ５３の冷却に再利用される。

【0047】

同様に、無停電電源装置１では、インバータ６１の冷却に用いられた冷却風は、少なくとも、インバータ６１よりも上段のインバータ６２，６３の冷却に再利用される。同様に、インバータ６２の冷却に用いられた冷却風は、少なくとも、インバータ６２よりも上段のインバータ６３の冷却に再利用される。

【0048】

それゆえ、無停電電源装置１によれば、背面側流路としての領域Ｒ２を流れる冷却風を半導体モジュール２００の冷却に利用することができる。したがって、無停電電源装置１によれば、フィン部１２０の一部が領域Ｒ２側に突出していない構成に比べて、ヒートシンク１００による半導体モジュール２００の冷却性能を向上させることができる。

【0049】

以下では、熱流体解析（シミュレーション）結果を用いて、フィン部１２０の部位１２２２による効果を説明する。

【0050】

図８は、無停電電源装置１の熱流体解析用のモデルを示した図である。図９は、フィン部１２０の一部が領域Ｒ２側に突出していない無停電電源装置（比較例としての装置）の熱流体解析用のモデルを示した図である。このように、図８および図９は、シミュレーション用の３次元簡易解析モデルを示している。

【0051】

図８に示すように、モデルＭ１は、無停電電源装置１の一部の流路とコンバータ５０とを模擬したものである。モデルＭ１は、領域Ｒ１側の流路を模擬した流路モデル８０１Ｍと、領域Ｒ２側の流路を模擬した流路モデル８０２Ｍと、コンバータ５０を模擬したコンバータモデル５０Ｍとを備える。コンバータモデル５０Ｍは、半導体モジュール２００を模擬した半導体モジュールモデル２００Ｍと、ヒートシンク１００を模擬したヒートシンクモデル１００Ｍとを含む。

【0052】

本例では、コンバータモデル５０Ｍは、下から２段目のコンバータ５２または最上段のコンバータ５３に対応する。コンバータモデル５０Ｍの半導体モジュールモデル２００Ｍは、流路モデル８０１Ｍを介して前面側流れてくる冷却風によって冷却される。コンバータモデル５０Ｍのヒートシンクモデル１００Ｍを通過した冷却風は、流路モデル８０２Ｍの上方に進む。

【0053】

さらに、半導体モジュールモデル２００Ｍは、流路モデル８０２Ｍを介して下方から流れてくる冷却風によって冷却される。詳しくは、ヒートシンクモデル１００Ｍの流路モデル８０２Ｍ側に突出した部分（フィン部１２０の部位１２２２に対応する部分）が流路モデル８０２Ｍを介して下方から流れてくる冷却風によって冷却される。

【0054】

図９に示すように、比較例であるモデルＭ９は、ヒートシンクモデル１００Ｍの代わりにヒートシンクモデル９００Ｍを備える点のみがモデルＭ１とは異なる。モデルＭ９では、ヒートシンクモデル１００Ｍとは異なり、ヒートシンクモデル９００Ｍは、流路モデル８０２Ｍ側に突出した部分を有していない。

【0055】

このように、ヒートシンクモデル１００Ｍ，９００Ｍの前面側と、背面側の流路モデル８０２Ｍの下部とから冷却風が流路モデル８０２Ｍ内に流入し、かつ、流路モデル８０２Ｍの上部で流路モデル８０２Ｍから吐き出されるような風の流れを作り、発熱体である半導体モジュールモデル２００Ｍを冷却する熱流体解析を実施した。

【0056】

なお、当該熱流体解析では、ヒートシンク前面の風速として、所定の値を用いた。背面側の流路モデル８０２Ｍの下部の風速は、装置条件により様々であるため、例として、ヒートシンク前面と同じ風速値とした。さらに、半導体モジュールモデル２００Ｍの発熱量として、所定のデータを用いた。

【0057】

図１０は、モデルＭ１における、風速解析結果として風速分布を示した図である。図１１は、モデルＭ９における、風速解析結果として風速分布を示した図である。図１２は、モデルＭ１におけるベクトル付き風速分布を示した図である。図１３は、モデルＭ９におけるベクトル付き風速分布を示した図である。図１４は、モデルＭ１における、熱解析結果として温度分布を示した図である。図１５は、モデルＭ９における、熱解析結果として温度分布を示した図である。

【0058】

図１０，図１２，図１４に示した各解析結果Ｇ１０１，Ｇ１０２，Ｇ１０３は、ＹＺ平面に平行なモデルＭ１の中央縦断面の分布である。図１１，図１３，図１５に示した各解析結果Ｇ９０１，Ｇ９０２，Ｇ９０３は、ＹＺ平面に平行なモデルＭ９の中央縦断面の分布である。

【0059】

図１０および図１１を参照して、モデルＭ１では、放熱板（フィン）が背面側流路（領域Ｒ２に対応）側に突出している領域、フィンの後方側の風速分布は、モデルＭ９より高くなっている。逆に、モデルＭ１では、上部右側の風速分布が落ちている傾向がある。それゆえ、モデルＭ１は、背面側の流路の後方側に熱が拡散しやすい条件となっている。

【0060】

また、モデルＭ１では、フィン部の放熱面が拡大しているため、放熱面により気体と固体との境界面での摩擦が増えて風が失速し、熱伝達の減少が発生する虞もある。しかしながら、モデルＭ１程度の放熱板の拡大では風速低減は現れておらず、モデルＭ１にて十分な風速発達が得られているが確認できた。

【0061】

図１２および図１３を参照して、モデルＭ１では、モデルＭ９で現れたヒートシンクの上部でわずかに見られる逆流のベクトルが改善されている。モデルＭ１では、背面側の流路に突出した放熱板が風の整流化したことにより、逆流分の風の運動量ロスと、空気で運搬される熱量の空間の停滞とが改善されたと考えられる。

【0062】

図１４および図１５を参照して、モデルＭ１では、冷却対象のヒートシンクのベース部の上部の半導体モジュール周り分布がモデルＭ９と比べて、大きく改善されている。この理由は、先に述べた放熱面の拡大と、空間熱量停滞や熱輸送する風のロスの改善とによるものと考えられる。

【0063】

上記の熱流体解析により、フィン部の一部が背面側の領域Ｒ２に突出していないヒートシンクに比べて、無停電電源装置１のヒートシンク１００が冷却面で優位性が高いことが確認された。また、フィン部１２０の領域Ｒ２側への僅かな突出量で十分放熱が改善されていることが確認された。

【0064】

このため、冷却性能を担保するための、装置容量、ヒートシンクサイズ、ファン容量、ヒートシンクの材質、冷媒等の見直し作業を低減することが可能となった。ヒートシンク１００を用いることにより、効率的に空冷できる可能性が広がった。

【0065】

＜小括＞
コンバータ５１～５３に着目して無停電電源装置１の構成を小括すると、以下のとおりである。

【0066】

（１）無停電電源装置１は、筐体２の内部空間を、吸気口２１側の領域Ｒ１（第１の領域）と、領域Ｒ２（第２の領域）とに仕切る仕切り板９と、筐体２の領域Ｒ２側に設置されたファン７と、コンバータ５１～５３とを備える。仕切り板９には、領域Ｒ１と領域Ｒ２とをつなぐ複数の貫通孔９１～９３が形成されている。ファン７は、吸気口２１から領域Ｒ１に空気を吸い込み、かつ、吸い込んだ空気を複数の貫通孔９１～９３と領域Ｒ２とを介して筐体２の外部へと排出する。

【0067】

（２）コンバータ５２のヒートシンク１００は、半導体モジュール２００（第１の半導体モジュール）が搭載されるベース部１１０（第１のベース部）と、ベース部１１０に対して半導体モジュール２００とは反対側に設けられ、かつ、吸気口２１側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有するフィン部１２０（第１のフィン部）とを含む。フィン部１２０は、領域Ｒ１に位置する部位１２１（第１部位）と、貫通孔９２（第１の貫通孔）を介して領域Ｒ２に突出した部位１２２２（第２部位）とを有する。貫通孔９２よりもファン７から離れた位置に、貫通孔９１（第２の貫通孔）が形成されている。

【0068】

（３）コンバータ５３のヒートシンク１００も、コンバータ５２のヒートシンク１００と同様に、ベース部１１０（第２のベース部）と、フィン部１２０（第２のフィン部）とを含む。コンバータ５３のフィン部１２０は、コンバータ５２のフィン部１２０と同様に、領域Ｒ１に位置する部位１２１（第３部位）と、貫通孔９２よりもファン７に近い位置に設けられた貫通孔９３（第３の貫通孔）を介して領域Ｒ２に突出した部位１２２２（第４部位）とを有する。

【0069】

（４）コンバータ５１のヒートシンク１００も、コンバータ５２のヒートシンク１００と同様に、ベース部１１０（第２のベース部）と、フィン部１２０（第２のフィン部）とを含む。コンバータ５１のフィン部１２０は、コンバータ５２のフィン部１２０と同様に、領域Ｒ１に位置する部位１２１（第３部位）と、貫通孔９１（第２の貫通孔）を介して領域Ｒ２に突出した部位１２２２（第４部位）とを有する。

【0070】

なお、上記の内容は、インバータ６１～６３でも同様であるため、ここでは、その説明を繰り返さない。

【0071】

＜変形例＞
（１）上記においては、無停電電源装置１が、３つのコンバータ５１～５３と、３つのインバータ６１～６３とを備える構成を例に挙げて説明した。しかしながら、これに限定されない。たとえば、２つのコンバータ５２，５３と、２つのインバータ６２，６３とを備える構成であってもよい。この場合、リアクトルＬ１は、貫通孔９１を介して、コンバータ５１およびインバータ６１と対向しない。したがって、吸気口２１から吸気された空気の一部は、コンバータ５１およびインバータ６１の各々のフィン部１２０に当たることなく、直接、リアクトルＬ１に当たる。

【0072】

（２）無停電電源装置１は、少なくとも１つの電力変換ユニットを有してればよい。無停電電源装置１の仕切り板９には、電力変換ユニットの段数よりも多くの貫通孔が形成されていればよい。１または複数の電力変換ユニットの下方に、少なくとも１つの貫通孔が形成されていればよい。

【0073】

（３）上記においては、各電力変換ユニット３～５が、コンバータとインバータとを有する構成を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、電力変換装置に含まれる電力変換ユニットは、コンバータとインバータとの両方を備えている必要は必ずしもない。たとえば、１つの電力変換ユニットが、コンバータおよびインバータのいずれか一方のみを含んでいてもよい。電力変換ユニット（電力変換装置）が、コンバータおよびインバータの代わりに、入力周波数より低い周波数の交流を得るためのサイクロコンバータ、あるいは、直流チョッパ等を含んでいてもよい。

【0074】

少なくとも、電力変換装置は、電力変換用の半導体モジュールと、当該半導体モジュールを冷却するヒートシンクとを有している構成であればよい。なお、電力変換は、直流から交流への変換、交流から直流への変換、直流から直流への変換、交流から交流への返還を含む。

【0075】

＜付記＞
〔項目１〕
吸気口が形成された筐体と、
前記筐体の内部空間を、前記吸気口側の第１の領域と、第２の領域とに仕切る仕切り板と、
前記筐体の前記第２の領域側に設置されたファンと、
前記第１の領域に設置された電力変換用の第１の半導体モジュールと、
前記第１の半導体モジュールを冷却する第１のヒートシンクとを備え、
前記仕切り板には、前記第１の領域と前記第２の領域とをつなぐ複数の貫通孔が形成されており、
前記ファンは、前記吸気口から前記第１の領域に空気を吸い込み、かつ、吸い込んだ前記空気を前記複数の貫通孔と前記第２の領域とを介して前記筐体の外部へと排出し、
前記第１のヒートシンクは、
前記第１の半導体モジュールが搭載される第１のベース部と、
前記第１のベース部に対して前記第１の半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、前記吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有する第１のフィン部とを含み、
前記第１のフィン部は、前記第１の領域に位置する第１部位と、前記複数の貫通孔のうちの第１の貫通孔を介して前記第２の領域に突出した第２部位とを有し、
前記第１の貫通孔よりも前記ファンから離れた位置に、前記複数の貫通孔のうちの第２の貫通孔が形成されている、電力変換装置。

【0076】

〔項目２〕
前記第１のベース部は、前記第１の領域および前記第２の領域のうちの前記第１の領域のみに位置する、項目１に記載の電力変換装置。

【0077】

〔項目３〕
前記第１の領域、かつ、前記筐体の高さ方向において前記第１の半導体モジュールと異なる位置に設置された電力変換用の第２の半導体モジュールと、
前記第２の半導体モジュールを冷却する第２のヒートシンクとをさらに備え、
前記第２のヒートシンクは、
前記第２の半導体モジュールが搭載される第２のベース部と、
前記第２のベース部に対して前記第２の半導体モジュールとは反対側に設けられ、かつ、前記吸気口側から視て、各々が隙間を空けて並んだ複数の放熱板を有する第２のフィン部とを含み、
前記第２のフィン部は、前記第１の領域に位置する第３部位と、前記第２の貫通孔または前記複数の貫通孔のうち前記第１の貫通孔よりも前記ファンに近い位置に設けられた第３の貫通孔を介して前記第２の領域に突出した第４部位とを有する、項目１または２に記載の電力変換装置。

【0078】

〔項目４〕
前記電力変換装置は、前記第２の領域に巻線をさらに備え、
前記第２の貫通孔は、前記巻線に対向する位置に形成されている、項目１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【0079】

〔項目５〕
前記第１の領域から前記第２の領域に向かう方向における前記第１のフィン部の前記第２の領域への突出の割合は、１０％以下である、項目１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【0080】

〔項目６〕
第１の電力変換ユニットと、第２の電力変換ユニットとを備え、
前記第１の電力変換ユニットは、前記第１の半導体モジュールと、前記第１のヒートシンクとを含み、
前記第２の電力変換ユニットは、前記第２の半導体モジュールと、前記第２のヒートシンクとを含む、項目３に記載の電力変換装置。

【0081】

〔項目７〕
前記第１の電力変換ユニットおよび前記第２の電力変換ユニットの各々は、少なくとも、コンバータおよびインバータのいずれか一方を含む、項目３に記載の電力変換装置。

【0082】

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに制限されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0083】

１ 無停電電源装置、２ 筐体、３，４，５ 電力変換ユニット、６ 制御ユニット、７ ファン、８ コンデンサユニット、９ 仕切り板、１０ 遮断器ユニット、１４ 電解コンデンサ、２０ 前面カバー、２１ 吸気口、５１，５２，５３ コンバータ、５０Ｍ コンバータモデル、６１，６２，６３ インバータ、９１，９２，９３ 貫通孔、１００ ヒートシンク、１００Ｍ，９００Ｍ ヒートシンクモデル、１１０ ベース部、１２０ フィン部、１２１，１２２，１２２１，１２２２ 部位、１２９ 放熱板、２００ 半導体モジュール、２００Ｍ 半導体モジュールモデル、２０１ 正極端子、２０２ 中性点端子、２０３ 負極端子、８０１Ｍ，８０２Ｍ 流路モデル、Ｇ１０１，Ｇ１０２，Ｇ１０３，Ｇ９０１，Ｇ９０２，Ｇ９０３ 画像、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ リアクトル、Ｍ１，Ｍ９ モデル、Ｒ１，Ｒ２ 領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】