專利名稱：電力轉換裝置及電力轉換裝置用的導熱管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由多個電功率半導體元件、元件冷卻用的導熱管式冷卻器及導體和其他電氣零件構成的電力轉換裝置以及電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
近年來，電力轉換裝置隨著電功率半導體元件的大容量化和高速化而產(chǎn)生了發(fā)熱損失增大的問題。因此，提高電功率半導體元件用冷卻裝置的冷卻效率以解決發(fā)熱損失的增大的問題、且避免裝置的大型化就成為重要的技術課題。


圖1為使用導熱管式冷卻器的自冷式電力轉換裝置的大致結構，如該圖所示，電力轉換裝置的主要結構要素是作為冷卻器的導熱管式冷卻器101、電功率半導體元件102、導體等電氣零件103及框架104等。
該導熱管式冷卻器101如圖1所示，主要由與電功率半導體元件102接觸的受熱部105、導熱管106以及散熱片107構成。散熱片107垂直于導熱管106配置。在由于形狀的原因不設風扇等強制冷卻系統(tǒng)而利用自然對流進行冷卻的自冷式電力轉換裝置的場合，如果導熱管式冷卻器101的散熱片107配置成水平狀態(tài)，即導熱管106配置成垂直狀態(tài)，則空氣會停滯在各散熱片之間而降低冷卻效率。另一方面，如果為了將散熱片107配置成垂直狀態(tài)而將導熱管106配置成水平狀態(tài)，則不能回收冷卻液。從而，考慮到冷卻液的回收，導熱管式冷卻器101一般是如圖1那樣傾斜一定角度橫向配置。
上述結構的電力轉換裝置多用于變壓器和整流器等，是電力工業(yè)領域不可缺少的設備。
然而，在使用上述傳統(tǒng)導熱管式冷卻器的自冷式電力轉換裝置中，如前所述，由于導熱管式冷卻器101的散熱片107的形狀所導致的特性，其配置受到限制，如圖1所示，要盡量地將散熱片107配置成垂直狀態(tài)，故裝置的形狀尺寸在很大程度上取決于導熱管式冷卻器101的形狀尺寸。
而且，在考慮到主回路的結構及裝置小型化而采用將構成主回路的堆架(stack)向上方堆積的結構時，由于在裝置運轉時各層的溫度上升不同，就要采用使各層的冷卻能力均勻化的結構，這樣就使裝置的高度增大。而且為了適應大容量的要求，要把導熱管式冷卻器與電功率半導體元件交替并聯(lián)連接而構成主回路，這樣就更無法避免裝置的大型化。從以上理由出發(fā)，要使裝置整體小型化，導熱管式冷卻器的配置方法及形狀尺寸就成為一大問題。
另外，電力轉換裝置一般是把導熱管式冷卻器及其他電氣零件等結構要素固定在框架上，為了防止運輸時的振動或地震等引起半導體元件等零件的破損，在設計時要對整個裝置形成復雜的防振系統(tǒng)，故作業(yè)非常困難。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種把利用自然對流進行冷卻的導熱管式冷卻器做成沿垂直方向配置且可獲得充分冷卻效率的結構、裝置主體的形狀不易受導熱管式冷卻器配置的影響而使裝置顯著小型化的電力轉換裝置及電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器；以及，提供一種把半導體元件及導熱管式冷卻器等構成主回路的零件做成不直接固定在框架上的結構、在與裝置主體之間設置彈簧減震系統(tǒng)以抑制主回路構件的振動、而足以承受運輸時及地震時的振動的電力轉換裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下結構的電力轉換裝置及電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。即，本發(fā)明的電力轉換裝置把具有電功率半導體元件及對該電功率半導體元件進行冷卻用的導熱管式冷卻器的堆架沿垂直方向配置，同時在該堆架的下方配置包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件。
采用這種結構，裝置縱深方向的形狀不再依賴導熱管式冷卻器的形狀，而且不需要采用向上方堆積的結構，故可實現(xiàn)裝置整體的小型化和結構簡單化。另外由于不采用向上方堆積的結構，可獲得良好的冷卻效率。此外，由于與外部接線用的導體、電容器等電氣零件配置在堆架的下方，可實現(xiàn)裝置整體的小型化和結構簡單化。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供以下結構的電力轉換裝置及電力轉換裝置用導熱管式冷卻器。即，本發(fā)明的電力轉換裝置把具有電功率半導體元件及對該電功率半導體元件進行冷卻用的導熱管式冷卻器的堆架沿垂直方向配置，同時在導熱管式冷卻器上設置可沿在容納堆架的框架上設置的導軌移動的可動部，且在堆架的下方配置包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件。
通過設置使導熱管式冷卻器移動用的可動部，可以簡化用電功率半導體元件和導熱管式冷卻器構成堆架的作業(yè)。
這里，至少也可以把包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件裝入密封有絕緣氣體的密封容器內(nèi)。
通過使用絕緣氣體，可以抑制電場強度，提高耐壓性，故可以實現(xiàn)電氣零件的小型化及裝置整體的小型化。
另外，導熱管式冷卻器可以設置一種具有空氣的流入方向向下方傾斜、流出方向向上方傾斜的部分的散熱片。
采用這種結構，可以避免在散熱片之間發(fā)生滯留現(xiàn)象而使冷卻效率降低，從而得到良好的冷卻效率。
另外，導熱管式冷卻器也可以做成散熱片相對導熱管傾斜配置的結構。
采用這種結構，也可以避免在散熱片之間發(fā)生滯留現(xiàn)象而使冷卻效率降低，從而得到良好的冷卻效率。
另外，還可在導熱管式冷卻器的散熱片側面設置限定空氣流動方向的側壁。
采用這種結構，由于通過側壁來支承散熱片，可提高堆架的結構強度。而且在多個堆架并排設置的場合，由于側壁的作用，空氣的流入及流出方向針對各個堆架而被限定，可以提高冷卻效率。
另外，導熱管式冷卻器也可以采用不設散熱片的多根管子來構成導熱管。
采用這種結構，由于不設散熱片，就沒有配置對冷卻效率的影響問題，可適應任何配置要求。
還有，導熱管式冷卻器也可以是具有多個針狀的散熱片的結構。
采用這種結構，由于散熱片是針狀的，就沒有配置對冷卻效率的影響問題，可適應任何配置要求。
另外，導熱管式冷卻器也可以是散熱片與導熱管同一方向配置的結構。
采用這種結構，可以避免在散熱片之間發(fā)生滯留現(xiàn)象而降低冷卻效率，可獲得良好的冷卻效率。
還有，作為導熱管式冷卻器，還可以使用受熱部分與散熱部分電氣絕緣、且采用電氣絕緣性能高于水的冷卻劑的絕緣式導熱管式冷卻器。
采用這種結構，不必再在可動部與導熱管式冷卻器之間夾裝絕緣部。
另外也可以在導熱管式冷卻器上設置彈簧減震部件。
采用這種結構，由于可以將堆架的振動系統(tǒng)與裝置主體的振動系統(tǒng)分開考慮，防振設計較為容易，對防振對象具有可靠的防振效果。
另外還可以在導軌上使用彈性材料。
采用這種結構可以抑制從框架傳遞到堆架的振動。
以下是對附圖的簡單說明。
圖1是傳統(tǒng)電力轉換裝置的示意主視圖。
圖2是本發(fā)明第1實施例的電力轉換裝置的示意主視圖和側視圖。
圖3是本發(fā)明第3實施例的導熱管式冷卻器的示意主視圖和側視圖。
圖4是本發(fā)明第4實施例的導熱管式冷卻器的示意主視圖和側視圖。
圖5是本發(fā)明第5實施例的導熱管式冷卻器的示意主視圖和側視圖。
圖6是本發(fā)明第6實施例的導熱管式冷卻器的示意俯視圖和主視圖。
圖7是本發(fā)明第7實施例的導熱管式冷卻器的示意主視圖和側視圖。
圖8是本發(fā)明第8實施例的導熱管式冷卻器一例的示意立體圖。
圖9是本發(fā)明第8實施例導熱管式冷卻器又一例的示意俯視圖和主視圖。
圖10是本發(fā)明第10實施例導熱管式冷卻器及電力轉換裝置的示意主視圖。
在附圖中，相同符號表示相同部分或相應部分。
(第1實施例)以下結合圖2說明本發(fā)明第1實施例的電力轉換裝置。
該圖(a)為第1實施例的示意主視圖，(b)為其側視圖。
本實施例的電力轉換裝置10通過使滑輪等可動部3與設在導熱管式冷卻器5配置用輔助框架1B上的導軌2抵接，而把經(jīng)過絕緣部4而設有滑輪等可動部3的導熱管式冷卻器5垂直地懸掛配置，并把電功率半導體元件8與前述導熱管式冷卻器5多個連接而構成堆架6。而且，將堆架6的下側部分和導體及其他電氣零件7配置在輔助框架1B下方的主體框架1A內(nèi)。
這樣，由于將導熱管式冷卻器5垂直配置，裝置縱深方向的形狀就不再依賴導熱管式冷卻器5的形狀，而且不必采用向上方堆積的結構，故可實現(xiàn)裝置整體的小型化及結構的簡單化。又由于不采用向上方堆積的結構，故可得到良好的冷卻效率，實現(xiàn)熱設計方面優(yōu)秀的裝置。
另外，與外部接線用的導體、電容器等電氣零件7也可以成套地配置在堆架6的下方，故可實現(xiàn)裝置整體的小型化及結構簡單化。
另外，導熱管式冷卻器5的經(jīng)過絕緣部4而設的滑輪等可動部3可以在輔助框架1B上所設的導軌2上自由移動，故可簡化構成堆架6的作業(yè)。而且由于導熱管式冷卻器5處于懸掛狀態(tài)，各個導熱管式冷卻器5可因自重形成垂直方向的配置。因此在把電功率半導體元件8多個連接且用夾具等進行壓接以構成堆架6時，可以簡化為均等地作面壓接而進行的校準各要素中心的作業(yè)，故更加省力。另外可動部分3的形狀及材料、導軌2的形狀及材料不受限制。
(第2實施例)以下說明本發(fā)明第2實施例的電力轉換裝置。
本實施例的大致結構可以與圖2所示的相同，但把在內(nèi)部容納堆架6的下側部分(主要是由導熱管式冷卻器5的受熱部及電功率半導體元件8組成的部分)和電氣零件7的主體框架1A做成密封容器，并充填SF6等絕緣氣體。另外，配置導熱管式冷卻器5的輔助框架1B不必做成密封結構，只要內(nèi)部能配置導熱管式冷卻器5、且上部鋪設導軌2即可。
而且在主體框架1A的材料為金屬的場合，在導熱管式冷卻器5的導熱管貫通主體框架1A上壁面的部位，要將導熱管與主體框架1A上壁面之間絕緣。
本實施例是在容納電氣零件7等的主體框架1A中，把各結構要素密封入充填有SF6等絕緣氣體的密封配電盤(密封容器)內(nèi)。由于使用絕緣氣體，可以抑制電場強度，提高耐壓性，故可實現(xiàn)電氣零件7的小型化及裝置整體的小型化。另外絕緣氣體的種類不限于SF6。
以下說明本發(fā)明第3至第9實施例，這些實施例是關于電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器的。
(第3實施例)
以下結合圖3說明本發(fā)明第3實施例電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意主視圖，(b)是其側視圖。本實施例的導熱管式冷卻器具有可動部3、絕緣部4、受熱部11、導熱管12及散熱片13。
本實施例如圖3(b)所示，具有引導部14，即傳統(tǒng)導熱管式冷卻器散熱片的前部向下、后部向上傾斜的部分。因此如圖3(b)的箭頭所示，空氣從下方流入，吸收具有引導部14的散熱片13的熱量而進行冷卻，從而使導熱管式冷卻器能夠沿垂直方向配置。為了防止熱量積聚在散熱部分，含有引導部14的散熱片13的形狀最好是水平部分盡量小的尺寸。因而把導熱管12的形狀做成薄板狀而不是筒狀，這樣可以減少水平部分。
另外，引導部14從水平方向傾斜的角度越小空間效率越好，但角度過小，對于氣流的阻力就會增大。會在散熱片13之間發(fā)生滯留現(xiàn)象等而降低冷卻效率。因而考慮到空間效率，引導部14從水平方向傾斜的角度最好在20°～35°的范圍內(nèi)，不過對該角度并無限制。
(第4實施例)以下結合圖4說明本發(fā)明第4實施例的電力轉換用導熱管式冷卻器。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意主視圖，圖(b)是其側視圖。
本實施例的導熱管式冷卻器具有可動部3、絕緣部4、受熱部11、導熱管12及散熱片13，如圖(b)所示，導熱管式冷卻器的散熱片13做成傾斜形狀。因此如圖(b)箭頭所示，空氣從下方流入，吸收散熱片13的熱量而進行冷卻。
散熱片13從水平方向傾斜的角度越小空間效率越好，但角度過小，對于氣流的阻力就會增大。會在散熱片之間發(fā)生滯留現(xiàn)象等而降低冷卻效率。因而考慮到空間效率，散熱片13從水平方向傾斜的角度最好在20°～35°的范圍內(nèi)，不過對該角度并無限制。
(第5實施例)以下結合圖5說明本發(fā)明第5實施例電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意主視圖，圖(b)是其側視圖。
本實施例是在圖3或圖4所示的第3或第4實施例的導熱管式冷卻器上設置側壁14。由于電力轉換裝置是把由導熱管式冷卻器及電功率半導體元件等構成的堆架做成從框架上懸掛的結構，故作用在導熱管式冷卻器上的結構性負載很大，但本結構是通過側壁14來支承散熱片，故可提高堆架的結構強度。
另外，在多個堆架并排設置的場合，通過側壁14而針對各個堆架限定空氣的流入及流出方向，可以提高冷卻效率。
(第6實施例)以下結合圖6說明本發(fā)明第6實施例電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意俯視圖，圖(b)是其主視圖。
本實施例的導熱管式冷卻器是由受熱部11和不設散熱片的多個導熱管12構成的導熱管式冷卻器。本導熱管式冷卻器由于不設散熱片，故沒有配置對冷卻效率的影響問題，可以適應任何配置要求。而且為確保散熱面積，導熱管12的截面形狀做成星形等，效果顯著。不過對導熱管12的根數(shù)和導熱管12的截面形狀并無限制。圖6所示的是1排配置多根導熱管12，并且設置多排，當然也可以只設置1排。
另外，圖中雖未示出，但在電力轉換裝置的結構上，本導熱管式冷卻器也可在其上部設置可動部3及絕緣部4，做成圖3、圖4和圖5所示的可沿垂直方向配置的結構。
(第7實施例)以下結合圖7說明本發(fā)明第7實施例電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意主視圖，圖(b)是其側視圖。
本實施例的導熱管式冷卻器是具有多個針型凸起狀散熱片13的導熱管式冷卻器。由于做成多個針型散熱片13的形狀，沒有配置對冷卻效率的影響問題，可適應任何配置要求。
另外在把本導熱管式冷卻器垂直地(即把針型散熱片水平地)配置時，考慮到空氣阻力造成的損失，如果把針的截面形狀做成上下方向的長橢圓形，則冷卻效果更佳。不過對針型散熱片13的根數(shù)及截面形狀并無限制。
另外，圖中雖未示出，但在電力轉換裝置的結構上，本導熱管式冷卻器也可在其上部設置可動部3及絕緣部4，做成圖3、圖4和圖5所示的可沿垂直方向配置的結構。
(第8實施例)以下結合圖8和圖9說明本發(fā)明第8實施例的電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器。
圖8是第8實施例的導熱管式冷卻器之一例的示意立體圖。
圖9(a)是第8實施例的導熱管式冷卻器又一例的示意俯視圖，圖(b)是其主視圖。
本實施例的導熱管式冷卻器是具有與導熱管相同方向配置的散熱片13的導熱管式冷卻器。
譬如圖8所示，散熱片13在與導熱管式冷卻器相同的方向縱向配置，故當向垂直方向配置時，不會在散熱片13之間發(fā)生滯留現(xiàn)象而降低冷卻效率，可得到良好的冷卻效率。
另外，如果象圖9那樣，在縱向散熱片13a之間設置橫向散熱片13b來增加散熱面積，則可進一步提高冷卻效率。
不過散熱片的配置不受以上所限。
另外，圖中雖未示出，但在電力轉換裝置的結構，本導熱管式冷卻器也可在其上部設置可動部3及絕緣部4，做成圖3、圖4和圖5所示的可沿垂直方向配置的結構。
(第9實施例)以下說明本發(fā)明第9實施例。
本實施例是使用圖中未示的絕緣型導熱管式冷卻器作為圖2和圖3所示的電力轉換裝置的冷卻裝置、即導熱管式冷卻器。
所謂絕緣型導熱管式冷卻器，是將導熱管式冷卻器的受熱部分與散熱部分電氣性絕緣，并使用電氣絕緣性高于水的冷卻劑。
具體地說，譬如用其中可供冷卻劑通過的絕緣子將導熱管式冷卻器的受熱部分與散熱部分之間連接，并使用碳氟化合物作為冷卻劑。
使用絕緣型導熱管式冷卻器，可以削減前述的絕緣部4。而且可以減少組裝等造成的裝置尺寸誤差。
(第10實施例)以下結合圖10說明本發(fā)明第10實施例的電力轉換裝置。
圖(a)是導熱管式冷卻器的示意主視圖，圖(b)是使用該導熱管式冷卻器的電力轉換裝置的示意側視圖。
本實施例如圖10所示，在導熱管式冷卻器5中設置彈簧減震部件15，由導熱管式冷卻器5及電功率半導體元件組成的堆架與導體(與外部接線用的導體)之間的連接利用平編導體16，不是直接固定在框架1上。
采用這種結構，可以將含有運輸及地震中最容易破損的半導體元件的堆架的振動系統(tǒng)與裝置主體的振動系統(tǒng)分開考慮。采用傳統(tǒng)結構，在對裝置整體進行防振設計時必須考慮到由全部結構要素構成的復雜振動系統(tǒng)來進行設計，而如果采用上述結構，則防振設計的對象是比較單純的振動系統(tǒng)，故防振設計較為容易，且對于防振對象具有可靠的效果。
另外，通過用防振橡膠等彈性材料作為可動部3及導軌2的材料，或者在可動部3及導軌2上粘貼彈性材料，可以抑制從框架1向堆架傳遞的振動。
不過對彈簧減震部件的材料及形狀并無限制。
采用本發(fā)明，可以在利用自然對流進行冷卻的電力轉換裝置中，將導熱管式冷卻器沿垂直方向配置，且可以將導體等電氣零件成套配置，可簡化裝置主體的結構，可以提供裝置規(guī)?？s小的電力轉換裝置。
另外，由于半導體元件及導熱管式冷卻器等構成主回路的堆架不是直接固定在框架上，且在與裝置主體之間設置彈簧減震系統(tǒng)來抑制主回路構成零件的振動，可以提供能充分承受運輸時及地震時振動的電力轉換裝置。
顯然，如上所述，本發(fā)明還可作多種修改和變形。除了上述實施例外，在權利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明還可以有其他的實施例。
權利要求
1．一種電力轉換裝置，其特征在于，設有具有電功率半導體元件及為對所述電功率半導體元件進行冷卻而沿垂直方向配置的導熱管式冷卻器的堆架；以及，配置在所述堆架的下方、包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件。
2．一種電力轉換裝置，其特征在于，設有具有電功率半導體元件及為對所述電功率半導體元件進行冷卻而沿垂直方向配置的導熱管式冷卻器的堆架；設置在所述導熱管式冷卻器上、可沿在容納所述堆架的框架上設置的導軌移動的可動部；以及，配置在所述堆架的下方、包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，至少把包含與外部接線用的導體在內(nèi)的所述電氣零件裝入密封有絕緣氣體的密封容器內(nèi)。
4．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器設置具有空氣的流入方向向下方傾斜、流出方向向上方傾斜的部分的散熱片。
5．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器的散熱片相對導熱管傾斜配置。
6．根據(jù)權利要求4或5所述的電力轉換裝置，其特征在于，在所述導熱管式冷卻器的散熱片側面設置限定空氣流動方向的側壁。
7．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器采用不設散熱片的多根管子來構成導熱管。
8．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器具有多個針狀的散熱片。
9．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器的散熱片沿垂直方向配置。
10．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，所述導熱管式冷卻器是將受熱部分與散熱部分電氣絕緣、且采用電氣絕緣性高于水的冷卻劑的絕緣式導熱管式冷卻器。
11．根據(jù)權利要求1或2所述的電力轉換裝置，其特征在于，在所述導熱管式冷卻器上設置彈簧減震部件。
12．根據(jù)權利要求2所述的電力轉換裝置，其特征在于，在所述導軌上設有彈性材料。
13．一種電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器，其特征在于，所述導熱管由不設散熱片的多根管子構成。
14．一種電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器，其特征在于，所述散熱片具有多個針形散熱片。
15．一種電力轉換裝置用的導熱管式冷卻器，其特征在于，所述散熱片配置在與導熱管相同的方向。
全文摘要
一種電力轉換裝置,把具有電功率半導體元件及對該元件進行冷卻用的導熱管式冷卻器的堆架沿垂直方向配置。導熱管式冷卻器上設有可動部,該可動部可沿容納堆架的框架上所設的軌道移動。在堆架的下方配置包含與外部接線用的導體在內(nèi)的電氣零件。采用這樣的配置,就不易受導熱管式冷卻器配置的影響,可以節(jié)省空間,實現(xiàn)裝置的小型化。
文檔編號F28D15/02GK1215974SQ9812152
公開日1999年5月5日 申請日期1998年10月20日 優(yōu)先權日1997年10月27日
發(fā)明者高橋伸廣 申請人:東芝株式會社