説明

電力変換装置

【課題】冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高い電力変換装置を提供する。
【解決手段】入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の高圧流体を接触させて冷却する流体導入部を設けたことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液体ポンプを駆動する電力変換器(インバータ)の冷却技術に関する。
【背景技術】
【0002】
電力変換器の従来の冷却技術を図1に示す。電力変換器(インバータ)1は、本体カバー2、本体カバー内に実装される主回路基板3、主回路基板3に重ねて実装される半導体(パワーモジュール)基板4、半導体基板4の裏面に密着して配置された放熱フィン6から構成されている。半導体としてIGBTやDM(ダイオードモジュール)などで、入力された電力を異なる電力に変換し、変換した電力を例えばポンプ駆動用のモータに供給する。
【0003】
電力変換の際に半導体で発生する損失による熱は、冷却フィン6に伝熱されて自然空冷、または、冷却フィン6に送風する冷却ファン5によって、強制空冷によって冷却される。また、水冷の場合は、別個に設けた水冷装置7等から、冷却フィン6のベースに設けた流路(図示せず)に冷水を流して冷却することで、半導体の熱破壊を防止している。
【0004】
上記のように冷却フィン等を用いて冷却する方式は、例えば特許文献1に開示される。特許文献1では、主回路ブロックの裏側に半導体基板のフィンを強制空冷するための冷却ファンブロックが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2000―232288号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、自然空冷の場合は冷却フィンの十分な放熱面積を確保するために大きなスペースが必要となり、また、強制空冷の場合は冷却ファンの取り付けスペースや、通風のための冷却フィンと冷却ファンとの間に適当な通風路を確保する必要がある。また水冷の場合は、電力変換器1とは別に冷水を流すためのポンプ等の装置7が必要となり、さらには、冷却フィンに冷水の循環流路を設けるなど、冷水を流すための構造が複雑となる。
【0007】
いずれにしても、半導体の発熱を冷却するための冷却装置が大きくなってしまうのが現状である。また、その冷却装置も冷却性能が固定されるため、容量の異なる電力変換器の機種ごとに、適合した冷却容量のものが必要となり、多種の冷却装置が必要となっていた。
【0008】
本発明は上記従来技術の欠点に鑑み、冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高い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】
【0009】
前記課題を解決するため、本発明は、入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、
前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の流体を接触させる流体導入部をポンプ内部に設けたことを特徴とする。
【0010】
また、上記に記載された電力変換装置において、前記流体導入部はポンプ内の圧力により流体をミストに変換する小孔が設けられ、前記放熱部にミストを接触させるように構成されたことを特徴とする。
【0011】
また、上記に記載された電力変換装置において、前記流体導入部は、流体の流量もしくはミストの量を調整して冷却性能を可変できるように構成されたことを特徴とする。
【0012】
また、上記に記載された電力変換装置において、前記インバータの前記放熱部が前記ポンプ内の羽根車の収納部分に臨むように前記ポンプのケーシングに取り付けられたことを特徴とする。
【0013】
また、上記に記載された電力変換装置において、前記インバータは前記ポンプのケーシングに弾性部材を介して取り付けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、冷却フィンの体積を小さくし、従来の冷却ファンや水冷液の循環機構を省略して、冷却のためのスペースを省いて小型化を図り、かつ冷却効率の高いめることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】従来の電力変換器の分解図である。
【図2】本発明の実施例1の電力変換装置の概略図である。
【図3】図2の一部の拡大図である。
【図4】本発明の実施例2の電力変換装置の概略図である。
【図5】図4の一部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明による電力変換装置について、図2〜図5により実施例を説明する。
【実施例1】
【0017】
図2は、電力変換器(インバータ)とポンプによって構成される電力変換装置の断面と側面の概略図を示す。図2(b)は電力変換装置の側面図で、図2(a)は同側面図のA−A線に沿う断面図である。本実施例1の電力変換器(インバータ)1は、図1に示す電力変換器と同様に、本体カバー2、主回路基板3、半導体が装着された半導体基板4を備えている。冷却ファン5はなく、半導体の熱を放熱する冷却フィン6の代わりに、板厚の薄い半導体固定ベース(放熱部)8を用いている。半導体固定ベース8は、放熱面積を広くするためのフィン状の突起(図示せず)が形成されている。半導体固定ベース8は、半導体基板4の半導体に密着して発生熱を吸収するように装着され、本体カバー2の端部に固定される。
【0018】
インバータ1は、商用交流の入力電力を半導体基板4で異なった交流電力に変換して、外部のポンプ9の駆動モータ(図示せず)に供給する。
【0019】
図2に示すように、インバータ1は、ポンプ9の羽根車9bが収納されるポンプケーシング9aに取り付けられて、ポンプと一体となった構成をしている。インバータ1は、半導体固定ベース(放熱部)8がポンプケーシング9aを貫通して内部に入り込み、ポンプ内部を流れる流体(水)に臨むように、ケーシング9aに取り付けられる。
【0020】
図2(b)において、インバータ1により駆動モータ(図示せず)を介してプーリ9eが回転駆動され、羽根車9bが回転する。羽根車9bの回転により、吸い込み口9cから吸い込まれた水は、圧力が高められて吐き出し口9dから吐き出される。
【0021】
図2(a)で破線で囲んだ部分を拡大して図3に示す。10は、箱体に形成され、前記半導体固定ベース8を覆うように、ポンプケーシング9aの内面に設けられた流体導入部である。流体導入部10は、ポンプ内部の高圧の水流の一部を、実線矢印方向に流入させ、流入した水流の一部を、半導体固定ベース8に破線矢印方向に流して半導体固定ベース8に接触させる。流体導入部10は、高圧の水流の一部を流入、流出させる導入出孔10a、10bを上下に備えている。
【0022】
13は、インバータ1をポンプケーシング9aに固定するL字型の取付け金具である。取付け金具13は、ポンプケーシング9aにねじ止めされるが、取付け金具13とポンプケーシング9aとの間には弾性材13aが挿入され、駆動モータおよびポンプの振動がインバータ1に伝わらないようにしている。また、ポンプケーシング9aを貫通する半導体固定ベース8の側壁と、ポンプケーシング9aの貫通壁との間には、液密性の弾性材8aが挿入され、両者を液密にシールすると共に、駆動モータおよびポンプの振動のインバータ1への伝達を防止している。このように弾性材8a、13aにより、振動からインバータ1を保護して電気的障害が起こらないようにしている。
【0023】
上記構成において、主回路基板3に入力された電力が半導体基板4に供給され、この半導体基板4で異なる電力に変換される。この電力変換に際し、半導体基板4に装着された半導体が発熱し、その熱が半導体の放熱経路である半導体固定ベース8に伝熱される。半導体固定ベース8に伝わった熱は、ポンプ9の内部でポンプ9(羽根車9bの回転)によって高圧となった水と接触して冷却される。
【0024】
流体導入部10は、箱体に形成され、その一部に導入出孔10aを設けることにより、ポンプ内部の高圧水流のごく一部分を流入、流出させることにより、ポンプ内部の水流に乱れが生じないようにして、ポンプ効率の低下を防止している。ポンプ内部の流体導入部10に流入した水は、一部インバータの1の冷却に寄与しながら、導入出孔10aからポンプ内で流れている水流に合流する。
【実施例2】
【0025】
本実施例は、インバータ1の冷却のために生じるポンプ効率の低下を最小限に抑え、電力変換装置の小型化、放熱効果を高めた実施例である。図4に記載のように、実施例1と同様にインバータ1とポンプ9が一体となった電力変換装置を構成している。
【0026】
図4(a)で破線で囲んだ部分を拡大して図5(b)に示す。11は、ポンプケーシング9aの内面に設けられた流体導入部である。この流体導入部11は、前記半導体固定ベースを覆うように箱体に形成され、ポンプ内の高圧となった水(流体)をミスト(霧)12に変換する小孔11aが設けられている。前記小孔11aから発生したミスト12は、半導体固定ベース8に向けて吹き付けられる。吹き付けられたミスト12は、最終的に流出孔11bを通じて、ポンプ内の流れている水流に合流する。
【0027】
前記半導体固定ベース8は、吹き付けられたミスト12で直接冷やされると共に、半導体固定ベース表面に付着したミスト12の気化熱によっても冷却され、冷却効率が高まる。また、流体をミスト状にすることで、半導体固定ベース8の隅々までミストが行き渡り、半導体固定ベース8を均等に冷却することが可能となり冷却効率が高まる。さらに、液状の水に比べて流体導入部11の水の使用量が少ないので、ポンプ内部の流れで乱れを発生させることが少ないので、ポンプ効率の低下を最小限に抑えることが可能となる。
【0028】
上記した各実施例では、発熱量が異なるインバータの場合でも、同じ冷却装置(流体導入部)で流用が可能である。
【0029】
すなわち、実施例1においては、図2に記載の流体導入部10の導入出孔10aの大きさを変えることにより、流体導入部10内への水量を変えて、半導体固定ベース8の冷却能力を変えることが出来る。実施例2においては、流体導入部11の小孔11aの個数を変えることで、流体導入部11内のミスト12発生量を変えることができる。
【0030】
したがって、発熱量の異なるインバータが設置された場合でも、同じ冷却構造で流用が可能となり冷却装置の部品数の削減が図れる。
【0031】
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0032】
1…電力変換器(インバータ)、2…本体カバー、3…主回路基板、4…半導体基板(パワーモジュール)、8…半導体固定ベース(放熱部)、8a…弾性部材、9…ポンプ、9a…ポンプケーシング、9b…ポンプ羽根車、10、11…流体導入部、11a…ミストに変換する子孔、12…ミスト、13…取付け金具、13a…弾性部材。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力電力を変換して外部に供給する半導体基板と、この半導体基板を内蔵する筐体と、筺体に固定され半導体基板の熱を放熱する放熱部を備えたインバータを、ポンプのケーシングに取り付けて構成された電力変換装置において、
前記インバータを前記放熱部が前記ポンプ内部の流体に臨むようにポンプのケーシングに取り付け、前記放熱部にポンプ内部の流体を接触させる流体導入部をポンプ内部に設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
請求項1に記載された電力変換装置において、
前記流体導入部はポンプ内の圧力により流体をミストに変換する小孔が設けられ、前記放熱部にミストを接触させるように構成されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載された電力変換装置において、
前記流体導入部は、流体の流量もしくはミストの量を調整して冷却性能を可変できるように構成されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載された電力変換装置において、
前記インバータの前記放熱部が前記ポンプ内の羽根車の収納部分に臨むように前記ポンプのケーシングに取り付けられたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項1から4のいずれかに記載された電力変換装置において、
前記インバータは前記ポンプのケーシングに弾性部材を介して取り付けられたことを特徴とする電力変換装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−248801(P2012−248801A)
【公開日】平成24年12月13日(2012.12.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−121724(P2011−121724)
【出願日】平成23年5月31日(2011.5.31)
【出願人】(502129933)株式会社日立産機システム (1,140)
【Fターム(参考)】