JP6904082B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、半導体素子を備えた電力変換装置に関する。

配電系統においては、電力変換装置として、高速な無効電力出力制御によって電圧変動を抑制する機能を持つ無効電力補償装置（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ、以下、「ＳＶＣ」とする）が利用されている。かかるＳＶＣを配電系統に接続することで、急激な電圧変動の抑制が期待されている（特許文献１参照）。

ＳＶＣとしては、電力変換を行う半導体素子と、半導体素子周りに閉塞した空間を形成する筐体とを備えた構造のものが知られている。半導体素子は電力変換時に発熱して高温となるため、ヒートシンク等の冷却体に取り付けられて冷却される。

冷却体はベース板の一方の面に複数の放熱フィンを備え、ベース板の他方の面が半導体素子が取り付けられる取付面として形成される。冷却体は、筐体の外部で放熱フィンが露出しつつ、取付面に取り付けられた半導体素子が筐体内に収容されるよう筐体と組み立てられる。これにより、半導体素子の熱はベース板から放熱フィンを伝わって筐体の外部に放出され、半導体素子の性能低下や耐久性低下が抑制される。

特開２０１４−３３４９２号公報

上述した構造のＳＶＣにあっては、半導体素子からの発熱によって熱源となる冷却体の取付面が、筐体内の電子回路等に接近した状態となり、筐体内の電子回路等が高温になり易くなる、という問題がある。また、筐体内の電子回路と半導体素子とを物理的に隔絶した場合、半導体素子にアクセスすることができず、冷却体を取り外すなどの作業が必要となってしまうため、装置据付後のメンテナンスが困難となってしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子が取り付けられる冷却体の取付面からの熱的な影響を抑制しつつ、メンテナンス性を確保することができる電力変換装置を提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子が取り付けられる取付面を備え、前記半導体素子の熱を放出する冷却体と、前記半導体素子を取り囲むように前記取付面に設けられたスペーサと、前記スペーサで囲まれた前記取付面のうち、前記半導体素子が取り付けられていない空間を埋める断熱部材とを有することを特徴とする。

また、本発明における他の一態様の電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子が取り付けられる取付面を備え、前記半導体素子の熱を放出する冷却体と、前記半導体素子を取り囲むように前記取付面に設けられたスペーサと、前記スペーサを介して前記冷却体に取り付けられた熱絶縁隔壁とを有することを特徴とする。

これらの構成によれば、冷却体の取付面にスペーサを設けたので、スペーサの幅や厚み分、熱源となる取付面と取付面側に位置する各種の回路や部品とを離して配置することができる。これにより、半導体素子からの発熱によって取付面が高温となっても、取付面側の各種回路等に伝わる熱量を削減でき、高温となることを回避して熱的な影響を抑制することができる。しかも、断熱部材や熱絶縁隔壁によって取付面から発せられる熱が流れ込むことを阻止することができ、これによっても取付面側からの各種回路等に対する熱的な影響を抑制することができる。

また、本発明における他の一態様の電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子が取り付けられる取付面を備え、前記半導体素子の熱を放出する冷却体と、前記冷却体の前記取付面側に位置する筐体と、前記冷却体と前記筐体との間に設けられ、前記冷却体と前記筐体とを電気的に絶縁しつつ物理的に連結する熱絶縁隔壁とを有し、前記冷却体と前記筐体とは、前記熱絶縁隔壁によって電気的に絶縁されることを特徴とする。この構成によれば、熱絶縁隔壁によって取付面から発せられる熱が筐体内に流れ込むことを阻止することができ、取付面側から筐体内の各種回路等に対する熱的な影響を抑制することができる。

本発明の電力変換装置によれば、半導体素子が取り付けられる冷却体の取付面にスペーサや熱絶縁隔壁を設けたので、冷却体の取付面からの熱的な影響を抑制することができる。さらに、装置取り付け後の半導体素子へのアクセスが容易な構成とすることで、装置据付後もメンテナンス性を確保することができる。

第１の実施の形態に係る電力変換装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 第２の実施の形態に係る電力変換装置の平面図である。 筐体を省略した図５のＤ−Ｄ線断面図である。 図６のＥ−Ｅ線断面図である。 第１変形例に係るスペーサを示す図２と同様の断面図である。 第２変形例に係るスペーサを示す図２と同様の断面図である。 第３変形例に係る電力変換装置の平面断面図である。 第４変形例に係るフレーム部材の説明用断面図である。 第５変形例に係るフレーム部材の説明用断面図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る電力変換装置について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下においては、本発明に係る電力変換装置をＳＶＣ（無効電力補償装置）に適用する場合について説明する。しかしながら、本発明に係る電力変換装置の適用対象は、ＳＶＣに限定されるものではなく適宜変更が可能である。例えば、ＳＶＣ以外の電力変換装置や、電圧調整装置、インバータ装置、コンバータ装置をはじめとした半導体を用いた電力変換装置全般に適用することもできる。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る電力変換装置の平面図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、直方体状となる筐体１１と、筐体１１の図１中上側に取り付けられた冷却体１２とを備えている。筐体１１と冷却体１２との間には、板状をなす熱絶縁隔壁１３が介在している。熱絶縁隔壁１３は熱伝導率が低い材質とされ、具体的には、ポリエステル系やエポキシ系の樹脂材を母材としたＦＲＰや、アクリル、ポリカーボネート等の樹脂材が例示できる。また、熱絶縁隔壁１３は、電気的な絶縁性能をも発揮し得る材質とすることが好ましい。

冷却体１２の外周側には、取付補強部材１５が設けられる。取付補強部材１５は、アングル部材によって形成され（図３参照）、熱絶縁隔壁１３にねじ止め等によって固定されるとともに、冷却体１２の外縁に沿って配設されている。なお、取付補強部材１５は、後述するスペーサ１８（図３参照）によって熱絶縁隔壁１３に冷却体１２が取り付けられていれば、一部又は全部を省略してもよい。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図２では、取付補強部材１５の図示を省略している。図２及び図３に示すように、冷却体１２は、方形の板状となるベース板１２ａを備えている。そして、ベース板１２ａの一方の面（図３中上面）には複数の放熱フィン１２ｂ（図２では不図示）が図３の紙面直交方向に延在するように形成されている。冷却体１２は、熱伝導率が高い素材によって形成され、具体的には、アルミニウム等の金属が例示できる。

ベース板１２ａの他方の面（図３中下面）は取付面１２ｃとされ、この取付面１２ｃには、４体の半導体素子１７、２体のスペーサ１８及び６体の断熱部材１９が取り付けられている。

半導体素子１７は、ＳＶＣに用いられて電力変換を行う素子であり、樹脂材によってパッケージされた状態で形成される。半導体素子１７は、取付面１２ｃに対向する面が放熱面として金属等によって形成され、電力変換時に発生した熱が主として放熱面から放出される。そして、半導体素子１７の放熱面は取付面１２ｃに面接触した状態で取り付けられ、半導体素子１７の熱が取付面１２ｃからベース板１２ａ、放熱フィン１２ｂに伝わり、放熱フィン１２ｂが外気に触れて放出される。

図２に示すように、半導体素子１７は、取付面１２ｃに対し、上下左右に並んで４体取り付けられている。また、スペーサ１８は、半導体素子１７を取り囲むように取付面１２ｃに設けられている。具体的には、４体の半導体素子１７について、左側で上下に並ぶ２体の半導体素子１７と、右側で上下に並ぶ２体の半導体素子１７とで、それぞれグループに分割して見た場合、スペーサ１８は、それぞれのグループの四方を囲うように形成されている。従って、スペーサ１８は、図２にて縦長の枠状をなして２体設けられ、各スペーサ１８の内側に２体の半導体素子１７が配設される。スペーサ１８で囲まれて形成される開口１８ａの左右幅は、半導体素子１７の左右幅と概略同一又は若干大きく形成される。一方、半導体素子１７の端子位置が上下両側となり、かかる端子とスペーサ１８との絶縁距離を確保するため、開口１８ａの上下幅は、半導体素子１７から離れる大きさに形成される。なお、スペーサ１８と半導体素子１７との絶縁の制約に応じ、それらの間の上下及び左右方向のスペースを広くしたり狭くした開口１８ａの形状とすることができる。

断熱部材１９は、スペーサ１８で囲まれた取付面１２ｃのうち、半導体素子１７が取り付けられていない空間を埋めるように取り付けられる。具体的には、スペーサ１８の開口１８ａの内側にて、半導体素子１７の上下両側に設けられ、図２にて開口１８ａの内側で取付面１２ｃが露出しないように設けられる。断熱部材１９としては、グラスウール等の綿状の素材や、多数の気泡を含ませた発泡体等熱伝導率が極めて低い材料が例示できる。

図３に示すように、スペーサ１８は、断面が主として一定のチャンネル状（コの字状）に形成されて長手方向に延出するフレーム部材２１によって形成される。具体的には、フレーム部材２１は、所定間隔を隔てて配置される一対の平行部２１ａ、２１ｂと、各平行部２１ａ、２１ｂの一端部を連結する連結部２１ｃとを備えている。フレーム部材２１は、連結部２１ｃ側でスペーサ１８の開口１８ａを形成しており、連結部２１ｃと反対側が開放するように形成される。フレーム部材２１は、樹脂材による成形体や、鋼材、板金加工材により構成することが例示できる。

フレーム部材２１の冷却体１２側（図３中上側）の平行部２１ａは、冷却体１２の取付面１２ｃに接触した状態で、ねじ等の取付部材（不図示）で固定される。フレーム部材２１の熱絶縁隔壁１３側（図３中下側）の平行部２１ｂは、熱絶縁隔壁１３の図３中上面に接触した状態で、ねじ等の取付部材（不図示）で固定される。このように固定することで、フレーム部材２１を間に挟んで冷却体１２及び熱絶縁隔壁１３が連結される。言い換えると、フレーム部材２１により形成されるスペーサ１８を介して冷却体１２が熱絶縁隔壁１３に取り付けられ、スペーサ１８を介して熱絶縁隔壁１３が冷却体１２に取り付けられる。

平行部２１ａと冷却体１２の取付面１２ｃとの間で、スペーサ１８の開口１８ａより外側を囲う位置には、閉ループ状をなすパッキン２３が設けられている。また、平行部２１ｂと熱絶縁隔壁１３との間で、スペーサ１８の開口１８ａより外側を囲う位置にも、閉ループ状をなすパッキン２４が設けられている。これらパッキン２３、２４を設けることで、スペーサ１８と、冷却体１２や熱絶縁隔壁１３との間において、気密性や液密性が保たれ、開口１８ａの内側に雨水や埃が侵入することが回避される。なお、気密性や液密性が同様に保たれる限りにおいて、パッキン２３、２４に替えてシール材等の他の部材を設けてもよい。

図３のようにスペーサ１８を介して冷却体１２を熱絶縁隔壁１３に取り付けた状態で、スペーサ１８と、冷却体１２の取付面１２ｃと、熱絶縁隔壁１３とによって囲まれた空間２６が形成される。図３にて、符号２６ａ〜２６ｃで示す空間は、同図の紙面直交方向つまり上下方向に延在している。空間２６ａ〜２６ｃは、上下方向両側が開放しており、筐体１１外の外気が流通可能な流路として構成される。なお、図３の断面図では、空間２６ｂ、２６ｃが取付補強部材１５によって側方の外気から遮断されるように見えるが、取付補強部材１５と冷却体１２及び熱絶縁隔壁１３との間は気密性が担保されるものでない。従って、空間２６ｂ、２６ｃでは、側方からも外気が流れ込むようになり、取付補強部材１５に穴を設けて積極的に外気が流れるようにしてもよい。更に、図３中紙面直交方向（上下方向）両側の取付補強部材１５を省略すれば、空間２６ａ〜２６ｃに対して上下方向からより良く外気が流れるようになる。また、スペーサ１８の図２中上下両側に位置するフレーム部材２１においても、冷却体１２の取付面１２ｃと、熱絶縁隔壁１３（図２では不図示）とによって囲まれた空間が形成され、この空間に筐体１１外の外気が流れるようになる。

図３に示すように、筐体１１は、冷却体１２側の周壁１１ａに開口部１１ｂを形成しており、この開口部１１ｂを閉塞するように熱絶縁隔壁１３が設けられる。このように熱絶縁隔壁１３が開口部１１ｂを閉塞することで、熱絶縁隔壁１３に取り付けられる冷却体１２が筐体１１の外側に位置するようになる。熱絶縁隔壁１３は、周壁１１ａの外面に面接触して設けられ、それらの間での気密性や液密性を保って筐体１１内への雨水や埃の侵入を回避するため不図示のシーリング処理等がなされる。なお、図示省略したが、筐体１１の内部にはＳＶＣを構成するための基板や各種回路、部品が収容されている。

ここで、半導体素子１７の全体は、筐体１１の開口部１１ｂより外方（図３中上方）に配置されている。言い換えると、冷却体１２に取り付けられた半導体素子１７の図３中下部領域が、開口部１１ｂに達しないように、スペーサ１８及び熱絶縁隔壁１３の厚さが設定されている。

図４は、図１のＣ−Ｃ線断面図である。図４に示すように、熱絶縁隔壁１３は、４箇所の開口１３ａを備えた形状に形成されている。各開口１３ａは、４体の半導体素子１７に対応する領域に形成され、取付面１２ｃに直交する方向すなわち図４の紙面直交方向から見たときに、各開口１３ａで半導体素子１７の全体が見える位置、大きさ、形状に形成されている。このとき、断熱部材１９は、熱絶縁隔壁１３によって隠れて見えない若しくは殆ど見えなくなり、熱絶縁隔壁１３と冷却体１２の取付面１２ｃとで挟まれるようになる。なお、開口１３ａの形状は、図４の状態で断熱部材１９が見えるように形成してもよく、例えば、図４中上下に並ぶ開口１３ａを繋ぐように拡大して形成した形状に変更してもよい。要するに、熱絶縁隔壁１３では、少なくとも半導体素子１７に対応する領域に開口１３ａが形成されていればよい。

ここで、スペーサ１８は、冷却体１２の構成部材より熱伝導率が低い材料によって形成されるとよい。一例としては、冷却体１２がアルミニウムによって形成される場合、スペーサ１８がアルミニウムより熱伝導率が低い樹脂材や、鉄、ステンレスによって形成される。このような熱伝導率の関係とすることで、半導体素子１７の発熱で高温となる冷却体１２からスペーサ１８を伝わって筐体１１側に伝播する熱の熱量を低減することができる。

以上の構成において、各半導体素子１７にて電力変換が行われて半導体素子１７自体が発熱すると、その熱が冷却体１２のベース板１２ａから放熱フィン１２ｂを伝わり、放熱フィン１２ｂと外気との熱交換によって、筐体１１の外部に熱が放出される。このとき、ベース板１２ａへの熱の伝播によってベース板１２ａが高温となるため、ベース板１２ａからの熱の放射によって筐体１１内が温度上昇し、筐体１１内の部品等も高温に曝されるおそれがある。

この点について、本実施の形態では、冷却体１２の取付面１２ｃと筐体１１との間に、スペーサ１８及び熱絶縁隔壁１３を介在させている。これにより、筐体１１の内部空間に対し、冷却体１２の取付面１２ｃがスペーサ１８及び熱絶縁隔壁１３の厚み分図３中上方に離れて配置され、取付面１２ｃと筐体１１内の部品を遠ざけることができる。これにより、ベース板１２ａからの放熱によって、筐体１１内の部品における熱的な影響を緩和することができ、かかる部品の性能や耐久性が低下することを回避することができる。

また、冷却体１２の取付面１２ｃと筐体１１の開口部１１ｂとの間には、上述のように断熱部材１９及び熱絶縁隔壁１３が設けられ、これらの厚さ方向の断熱作用によっても、ベース板１２ａから筐体１１内へ放射する熱を遮ることができる。更に、取付面１２ｃと熱絶縁隔壁１３との間の空間２６が空気層として断熱作用を発揮するようになり、これによってもベース板１２ａから筐体１１内への放熱を抑えることができる。

また、空間２６は外気が流通可能な流路として形成されるので、スペーサ１８と外気とにおいて熱交換が行われ、スペーサ１８の開口１８ａの内側にて筐体１１の内部に通じる空間を冷却することができる。特に、上下方向に延在する通路においては、図２の点線矢印で示すように、温度上昇によって下方から上方へ外気の流れが促進され、冷却作用をより良好に得ることができる。しかも、半導体素子１７をスペーサ１８が取り囲んで配置されるので、半導体素子１７とスペーサ１８が隣接する領域を広くでき、熱源となる半導体素子１７から近い位置で冷却作用を得ることができる。

また、スペーサ１８のフレーム部材２１は、断面がチャンネル状となるので、開口１８ａの内側空間と外側となる空間２６とが連結部２１ｃで仕切られ、この仕切られた部分の薄厚化を図ることができる。これにより、取付面１２ｃからフレーム部材２１を伝導する熱量を抑制できる上、スペーサ１８と外気との熱交換をより効率的に行うことができる。

また、図３において、取付面１２ｃの外縁より内側にスペーサ１８が取り付けられるので、取付面１２ｃは外縁とスペーサ１８との間の領域にて外気に露出した状態となる。言い換えると、筐体１１の外部にて取付面１２ｃが外気と直接熱交換できるようになり、取付面１２ｃの冷却効果を高めることができる。

また、ＳＶＣとした電力変換装置１０は電柱上に設けられる等、設置位置などの関係上メンテナンスが容易でなく、放熱用に製品寿命が短いファンを用いることは望ましくない。しかも、電力変換装置１０は屋外に配置され、筐体１１の密閉構造が求められるため、上述のように熱的な影響の緩和や、放熱、冷却作用を奏するということは、特に顕著な課題を解決できると言えるものである。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。

図５は、第２の実施の形態に係る電力変換装置の平面図である。第２の実施の形態における電力変換装置１０では、第１の実施の形態における電力変換装置１０での取付補強部材１５、スペーサ１８及び断熱部材１９（図３参照）をなくしている。図５に示すように、第２の実施の形態においては、冷却体１２の取付面１２ｃに熱絶縁隔壁１３が接触した状態で設けられている。従って、第２の実施の形態では、冷却体１２と筐体１１との間に熱絶縁隔壁１３が介在された状態で、冷却体１２の取付面１２ｃ側に熱絶縁隔壁１３が取り付けられる。また、筐体１１の開口部１１ｂ（図７参照）側に熱絶縁隔壁１３が取り付けられる。

熱絶縁隔壁１３は、上述のように、熱伝導率が低い材質とされ、且つ、電気的な絶縁性能を発揮し得る材質とされる。従って、筐体１１と冷却体１２とは、それらの間に挟まれた熱絶縁隔壁１３によって熱的にも電気的にも絶縁される。

図６は、筐体を省略した図５のＤ−Ｄ線断面図である。図７は、図６のＥ−Ｅ線断面図である。図６及び図７に示すように、第２の実施の形態の熱絶縁隔壁１３においても、第１の実施の形態と同様に、４体の半導体素子１７に対応する領域に開口１３ａが形成されている。また、取付面１２ｃと熱絶縁隔壁１３との間で、開口１３ａより外側を囲う位置に閉ループ状をなすパッキン２４（図６では図示省略）が設けられ、冷却体１２と熱絶縁隔壁１３との間での気密性や液密性が保たれる。なお、気密性や液密性が同様に保たれる限りにおいて、パッキン２４に替えて冷却体１２と熱絶縁隔壁１３との接触部周囲にシール材等の他の部材を設けてもよい。開口１３ａの形状及び大きさは、加工精度や組付精度等で許容できる範囲にて、筐体１１内への放熱抑制の観点から、開口１３ａと半導体素子１７の外縁との間の隙間が小さくなるように設定することが好ましい。

熱絶縁隔壁１３における冷却体１２と反対側に位置する面（図７中下面）には、断熱カバー４０が設けられている。断熱カバー４０は、上述した熱絶縁隔壁１３や断熱部材１９と同様の熱伝導率が低い材料、材質によって構成され、板状、シート状或いは蓋状として形成することができる。断熱カバー４０は、本実施の形態では、単一とされて４つ全ての開口１３ａを覆う大きさ及び形状に設けられている。なお、図７で図示した状態では、半導体素子１７が熱絶縁隔壁１３の厚さ内に収まる厚さとしたが、熱絶縁隔壁１３の厚さより大きい厚さとなる場合もあり、この場合には、断熱カバー４０は半導体素子１７を含む部分で図７中下方に膨出するよう形成すればよい。また、断熱カバー４０は、図示省略したが、半導体素子１７に接続される配線を通す穴等が形成される。

断熱カバー４０は、ボルト等からなるねじ部材（着脱部材）４０ａによって熱絶縁隔壁１３に装着されている。ねじ部材４０ａは、断熱カバー４０を貫通して熱絶縁隔壁１３にねじ込まれ、また、軸回りの回転操作により熱絶縁隔壁１３に着脱自在となる。従って、断熱カバー４０は、ねじ部材４０ａを介して熱絶縁隔壁１３に着脱可能に設けられる。

冷却体１２と熱絶縁隔壁１３とは第１ねじ部材（第１固定部材）４１によってねじ止め固定され、熱絶縁隔壁１３と筐体１１とは第２ねじ部材（第２固定部材）４２によってねじ止め固定される。各ねじ部材４１、４２は、ボルトや各種のねじを用いることができる。第１ねじ部材４１は、熱絶縁隔壁１３を図７中下方から貫通して冷却体１２の取付面１２ｃ側にねじ込まれる。第２ねじ部材４２は、熱絶縁隔壁１３の図７中上方から熱絶縁隔壁１３及び筐体１１の開口部１１ｂ周りにおける周壁１１ａを貫通し、周壁１１ａの内面側のナット（雌ねじ部材）４３に螺合している。これにより、第２ねじ部材４２とナット４３とで周壁１１ａ及び熱絶縁隔壁１３を締結して筐体１１に熱絶縁隔壁１３を固定している。各ねじ部材４１、４２においては、軸回りの回転操作でねじ込んだ部材に対して着脱自在となり、この着脱によって冷却体１２及び熱絶縁隔壁１３、熱絶縁隔壁１３及び筐体１１が相互に着脱自在に取り付けられた状態とされる。

第１ねじ部材４１は熱絶縁隔壁１３の外周に沿う位置にて、第２ねじ部材４２は冷却体１２における取付面１２ｃの外周に沿う位置にて、所定ピッチで設けられる。第１ねじ部材４１と第２ねじ部材４２とは、熱絶縁隔壁１３の厚さ方向に直交する面方向つまり図６の紙面と平行な方向にて異なる位置に配設されている。言い換えると、一のねじ部材４１、４２によって筐体１１と冷却体１２との両方を接続しないようになっている。

以上の構成では、冷却体１２の取付面１２ｃにおける半導体素子１７が取り付けられていない領域が熱絶縁隔壁１３で覆われた状態となっている。これにより、半導体素子１７が高温となって冷却体１２のベース板１２ａが発熱しても、熱絶縁隔壁１３の断熱作用によってベース板１２ａから筐体１１内への放熱が遮られ、筐体１１内の部品に熱的な影響が及ぼされることを抑制することができる。

しかも、熱絶縁隔壁１３が電気的な絶縁性能を有するので、冷却体１２と筐体１１とで電位差を生じさせることができ、冷却体１２に半導体素子１７での回路の電位を持たせることができる。しかも、第１ねじ部材４１と第２ねじ部材４２とが上述のように異なる位置に設けられるので、冷却体１２と筐体１１とを架け渡して接続するようにねじ部材等を設けることを回避できる。従って、筐体１１に対し冷却体１２や熱絶縁隔壁１３を取り付ける部材によって、冷却体１２と筐体１１とが通電しなくなり、熱絶縁隔壁１３の絶縁性能と併せて冷却体１２と筐体１１との絶縁状態を担保することができる。

ここで、電力変換装置１０に用いられる半導体素子１７においては、高電圧が印加される一方、回路として成立すべく電位差を生じさせるため、半導体素子１７の内外何れか一方で絶縁を確保する必要がある。かかる絶縁は、電力変換装置１０のように極めて高電圧になり、また、半導体素子１７が薄厚となると、半導体素子１７内の狭い領域で絶縁を確保するには設計や製造上の負担が大きくなる。従って、半導体素子１７の外部で絶縁できれば、半導体素子１７を回路として成立させつつ設計、製造上の負担を軽減することができる。

この点について、本実施の形態では、半導体素子１７の外部となる冷却体１２と筐体１１との間にて上記のように絶縁が担保されるので、半導体素子１７内での絶縁を不要にすることができる。従って、半導体素子１７を回路として成立させつつ半導体素子１７の設計、製造上の負担を軽減することができる。

また、断熱カバー４０を設けたので、熱絶縁隔壁１３の開口１３ａと半導体素子１７との隙間における取付面１２ｃから筐体１１内への放熱を抑えることができる。更に、断熱カバー４０が熱絶縁隔壁１３に着脱自在に設けられるので、筐体１１から熱絶縁隔壁１３を取り外したり、熱絶縁隔壁１３から冷却体１２を取り外したりしなくても、半導体素子１７にアクセスしてメンテナンス等を行えるようになる。従って、筐体１１と熱絶縁隔壁１３との間や、熱絶縁隔壁１３と冷却体１２との間のパッキン２４やシール材等の液密及び気密を確保する部材を維持したまま半導体素子１７にアクセス可能となる。これにより、半導体素子１７にアクセスする度に、パッキン２４を交換したりシール材を再形成する作業を省略することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、方向などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

また、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記各実施の形態を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

上記第１の実施の形態におけるスペーサ１８の形状は、種々の変更が可能であり、例えば、４体の半導体素子１７について、図２にて上側で左右に並ぶ２体の半導体素子１７と、下側で左右に並ぶ２体の半導体素子１７とで、それぞれグループに分割して見たときに、スペーサ１８が、それぞれのグループの四方を囲うように形成してもよい。更に、スペーサ１８の形状は、図８及び図９に示す形状に変更することができる。図８は、第１変形例に係るスペーサを示す図２と同様の断面図であり、図９は、第２変形例に係るスペーサを示す図２と同様の断面図である。図８の第１変形例では、４体の半導体素子１７全てが、１体のスペーサ１８の開口１８内に収まって囲われている。そして、左右に隣り合う半導体素子１７の間のスペースにも断熱部材１９が設けられ、開口１８ａ内において取付面１２ｃが露出しないようになっている。この構成では、スペーサ１８の設置数や、フレーム部材２１の本数を削減する等、構成の簡略化、製作負担の軽減を図ることができる。

図９の第２変形例では、４体の半導体素子１７の周囲をそれぞれ囲うようにスペーサ１８が４体設けられている。本変形例では、方形状の半導体素子１７の四辺に隣接してスペーサ１８が配置され、断熱部材を省略した構成となっている。この構成では、半導体素子１７におけるスペーサ１８を通じた放熱にて、スペーサ１８による熱交換の効率をより良く高めることができる。

また、冷却体１２は、上述の構成に限られるものでなく、取付面１２ｃに取り付けられた半導体素子１７の熱を放出する限りにおいて変更してもよく、例としては、図１０のように変更することができる。図１０は、第３変形例に係る電力変換装置の平面断面図である。図１０の第３変形例では、冷却体１２は複数（本変形例では左右に２体）に分割されている。分割された冷却体１２はそれぞれスペーサ１８を介して１枚の熱絶縁隔壁１３に取り付けられ、一体化された状態となる。また、分割された冷却体１２は、それらに跨る連結板３０を介して連結した状態としてもよい。なお、第３変形例にて、スペーサ１８を省略して各冷却体１２と熱絶縁隔壁１３とが相互に取り付けた状態としてもよい。

また、スペーサ１８におけるフレーム部材２１の断面形状は、種々の変更が可能であり、例えば、図１１及び図１２に示す形状に変更することができる。図１１は、第４変形例に係るフレーム部材の説明用断面図であり、図１２は、第５変形例に係るフレーム部材の説明用断面図である。図１１の第４変形例において、フレーム部材３２は、断面が方形となる筒状に形成され、フレーム部材３２自体の強度を高めつつ、内部に空間３２ａを備えて外気が流通する流路を形成している。図１２の第５変形例において、フレーム部材３３は、中実となる四角柱状に形成されている。

また、第１の実施の形態の電力変換装置１０では、熱絶縁隔壁１３を省略し、スペーサ１８を筐体１１に直接取り付けて筐体１１と冷却体１２とを一体化した構成としてもよい。

また、冷却体１２の取付面１２ｃに対する半導体素子１７の設置数は、単数としたり３体以上としたりしてもよく、その設置レイアウトについても、スペーサ１８で取り囲める限りにおいて種々の形状を採用してもよい。

また、第１の実施の形態にて、断熱部材１９は、スペーサ１８で囲まれた冷却体１２の取付面１２ｃのうち、半導体素子１７が取り付けられていない空間の全てでなく一部を埋めるように設けてもよい。但し、断熱部材１９で埋める空間が広い方が断熱作用がより良く得られる点で有利となる。

また、熱絶縁隔壁１３の開口１３ａは、種々の変更が可能であり、例えば、４体の半導体素子１７について、図２及び図６にて上側で左右に並ぶ２体の半導体素子１７と、下側で左右に並ぶ２体の半導体素子１７とで、それぞれグループに分割して見たときに、それぞれのグループを囲うように開口１３ａを形成してもよい。更に、４体の半導体素子１７全てが、１つの開口１３ａ内に収まるように形成してもよい。

また、第２の実施の形態にて、断熱カバー４０は、熱絶縁隔壁１３の開口１３ａの少なくとも一部を覆う限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、１つの開口１３ａにて断熱カバー４０で覆われた領域と覆われていない領域があったりしてもよい。また、開口１３ａが複数形成される場合、開口１３ａ毎に断熱カバー４０を設けてもよく、この場合、一部の開口１３ａへの断熱カバー４０を省略してもよい。

また、第２の実施の形態にて、各ねじ部材４０〜４２は、上記と同様に各構成を着脱自在とする限りにおいて、フックや嵌合構造を備えた構成にする等、種々の構成を採用することができる。

また、第１の実施の形態は、スペーサ１８を冷却体１２及び熱絶縁隔壁１３に取り付けるねじ部材と、熱絶縁隔壁１３を筐体１１に取り付けるねじ部材とは異なる位置に設けられ、また、熱絶縁隔壁１３が電気的な絶縁性能を備えている。従って、第１の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様にして冷却体１２と筐体１１との絶縁状態を担保することができる。

１０ 電力変換装置
１１ 筐体
１１ｂ 開口部
１２ 冷却体
１２ｃ 取付面
１３ 熱絶縁隔壁
１３ａ 開口
１７ 半導体素子
１８ スペーサ
１９ 断熱部材
２６ 空間
４０ 断熱カバー
４１ 第１ねじ部材（第１固定部材）
４２ 第２ねじ部材（第２固定部材）

Claims (14)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子が取り付けられる取付面を備え、前記半導体素子の熱を放出する冷却体と、
   前記半導体素子を取り囲むように前記取付面に設けられたスペーサと、
   前記スペーサで囲まれた前記取付面のうち、前記半導体素子が取り付けられていない空間を埋める断熱部材とを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記冷却体は、前記スペーサを介して熱絶縁隔壁に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 筐体をさらに備え、
   前記熱絶縁隔壁は、前記冷却体が前記筐体の外側に位置するように、前記筐体に設けられた開口部を閉塞することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記冷却体と前記熱絶縁隔壁とは第１固定部材で固定され、前記熱絶縁隔壁と前記筐体とは第２固定部材で固定され、
   前記第１固定部材と前記第２固定部材とは、前記熱絶縁隔壁の厚さ方向に直交する面方向にて異なる位置に配設されることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記熱絶縁隔壁は、少なくとも前記半導体素子に対応する領域に開口が形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記開口の少なくとも一部を覆う断熱カバーをさらに備え、
   前記断熱カバーは、前記熱絶縁隔壁に着脱可能に設けられることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記スペーサは、前記冷却体の構成部材より熱伝導率が低いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記スペーサと前記取付面と前記熱絶縁隔壁とに囲まれた空間を有することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記スペーサと前記取付面と前記熱絶縁隔壁とに囲まれた空間を有し、
   前記空間は、前記筐体外の外気が流通可能な流路を構成することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
10. 前記取付面に複数の前記半導体素子が取り付けられ、
    前記スペーサは、前記半導体素子の周囲をそれぞれ囲うように形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記取付面に複数の前記半導体素子が取り付けられ、
    前記スペーサは、前記複数の半導体素子を分割したグループ毎に囲うように形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 前記取付面に複数の前記半導体素子が取り付けられ、
    前記スペーサは、前記複数の半導体素子を囲うように形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
13. 前記冷却体は、前記スペーサを介して熱絶縁隔壁に取り付けられ、
    前記冷却体は複数に分割されており、分割された前記冷却体はそれぞれ前記スペーサを介して１枚の前記熱絶縁隔壁に取り付けられることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
14. 前記半導体素子は全体が前記筐体の前記開口部よりも外方に配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。

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