JP2012028714A - 放熱体およびインバータ装置および抵抗器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱的に分離された放熱能力の異なる箇所を有することができる放熱体を提供する。
【解決手段】発熱体を載置して発熱体の放熱を行う放熱体１０において、
複数の放熱部１１、１２、１３、１４が積層されるとともに、断熱部１５を介して放熱部１１と放熱部１２、１３、１４と間に熱的に分離して構成される箇所を備え、放熱能力の異なる第１放熱部２０および第２放熱部２１を構成し、第１放熱部２０および第２放熱部２１上にそれぞれ所望の発熱体を載置する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動機の回生動作における回生電力等を処理するための誘導加熱装置、電力変換回路、および、電力処理装置などの発熱体を放熱するための放熱体およびインバータ装置および抵抗器に関し、特に放熱能力が異なる箇所を有するものである。

従来の放熱体は、載置している素子温度を検出し、中央内部の温度制御手段により素子温度を個別に制御している。この方式の場合、それぞれの面の温度を検出し、冷却体の流量を調整するため、流路を形成している（例えば、特許文献１参照）。

特開平０８−２９８３０４号公報

放熱体に実装するインバータ装置は、主回路電流のスイッチングを行うスイッチング素子（メイン素子）と、そのメイン素子を制御するための素子（制御素子）とを有する。しかし、例えばメイン素子としてワイドバンドギャップ半導体素子（例えば、ＳｉＣ素子）が構成されており、ワイドバンドギャップ半導体素子の特徴である高温動作が可能となる、一方、制御素子はＳｉを主体とした半導体素子で構成されており、ワイドバンドギャップ半導体素子のような高温動作が不可能となる。このようなインバータ装置を従来の一体型の放熱体に実装すると、Ｓｉ素子の耐熱に対応する必要があり、ワイドバンドギャップ半導体素子を使用する場合の利点が十分に生かされないという問題点があった。

また、誘導加熱を用いる電力処理装置とは、入力された電力を誘導加熱の技術を用いて被加熱物（以後、発熱体とする）を加熱し消費する抵抗装置がある。この技術は電力を印加する回路（以後、制御回路とする）と加熱される発熱体を熱的に分離し、かつ発熱体を高温に加熱する構成にすることにより単位体積あたりのエネルギー処理能力を高めることを目的としている。しかしこの場合、放熱体と制御回路とには大きな温度差が生じるため、制御回路と発熱体とを冷却するための放熱容量の大きい放熱体が必要となるという問題点があった。

またこれらのことを、特許文献１のように冷却体により放熱体の温度調整を行う場合、構造が複雑になり高コストになるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱的に分離されて放熱能力の異なる箇所を有する放熱体およびインバータ装置および抵抗器を提供することを目的とする。

この発明は、発熱体を載置して上記発熱体の放熱を行う放熱体において、
複数の放熱部が積層されるとともに、断熱部を介して上記放熱部間に熱的に分離して構成される箇所を備えたものである。

また、この発明は、ワイドバンドギャップ半導体により構成された第１の素子と、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体により構成された第２の素子とを有するインバータ装置であって、上記第１の素子と上記第２の素子とを、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体において熱的に分離されたそれぞれの箇所に載置するものである。

また、この発明は、ワイドバンドギャップ半導体により構成された第１の素子と、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体により構成された第２の素子とを有する抵抗器であって、上記第１の素子と上記第２の素子とを、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体において熱的に分離されたそれぞれの箇所に載置するものである。

この発明の放熱体は、発熱体を載置して上記発熱体の放熱を行う放熱体において、
複数の放熱部が積層されるとともに、断熱部を介して上記放熱部間に熱的に分離して構成される箇所を備えたので、
熱的に分離された放熱能力の異なる箇所を有することができる。

また、この発明は、ワイドバンドギャップ半導体により構成された第１の素子と、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体により構成された第２の素子とを有するインバータ装置であって、上記第１の素子と上記第２の素子とを、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体において熱的に分離されたそれぞれの箇所に載置するので、
熱的に分離された放熱能力の異なる箇所を有することができる。

また、この発明は、ワイドバンドギャップ半導体により構成された第１の素子と、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体により構成された第２の素子とを有する抵抗器であって、上記第１の素子と上記第２の素子とを、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体において熱的に分離されたそれぞれの箇所に載置するので、
熱的に分離された放熱能力の異なる箇所を有することができる。

この発明の実施の形態１の放熱体を備えた抵抗器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の放熱体を備えたインバータ装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の他の放熱体を備えたインバータ装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３の放熱体を備えた抵抗器の構成を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１の放熱体を備えた抵抗器の構成を示す断面図である。図において、放熱体１０は、複数の放熱部１１、１２、１３、１４が積層されて形成されている。各放熱部１１、１２、１３、１４には、フィン１０１が複数個それぞれ形成されて構成されている。放熱部１１には一方の面にのみフィン１０１が形成されている。また、放熱部１２、１３、１４には両方の面にフィン１０１が形成され、各放熱部１２、１３、１４は同型の構造にてなる。そして、断熱部１５を介して放熱部１１と放熱部１２、１３、１４と間に熱的に分離して構成される箇所を備える。よって、放熱体１０は、放熱能力の異なる、１つの放熱部１１にてなる第１放熱部２０と、３つの放熱部１２、１３、１４にてなる第２放熱部２１とにて構成されることとなる。また、放熱部１１、１２、１３、１４のフィン１０１により冷却媒体の放熱路１００が構成されている。ここで冷却媒体とは空気を示す。

放熱体１０に、入力電圧を検出もしくは外部信号により電子抵抗器を制御・駆動するためＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの半導体素子やその他の素子にて構成されている駆動回路部３と、共振スイッチングをするための共振コンデンサ４と、入力された電気的エネルギー（電力）を誘導加熱現象を用いて発熱体６にエネルギーを入力するための加熱コイル５と、加熱コイル５が生成した磁束を受け誘導加熱により加熱される発熱体６とがそれぞれ載置されて構成されている。尚、発熱体４と放熱体１０との間には熱伝導性グリースなどが介在している。第２放熱部２１は、複数の放熱部１２、１３、１４から形成されおり、発熱体６を取り付けるためのガイド（図示せず）が設けられている。また、上記構成素子と放熱部１１、１２、１３、１４もしくは発熱体６間は電気的に絶縁されている。

上記のように構成された実施の形態１によれば、放熱体１０にて、駆動回路部３、共振コンデンサ４、加熱コイル５および発熱体６の熱が放熱されている。

上記のように構成された実施の形態１における放熱体を備えた抵抗器によれば、放熱体は２種類の放熱能力の異なる部分により構成されているため、複数箇所に温度仕様の異なる素子を別々に実装することができるため、高密度実装が可能となり、かつ、装置に応じて効率よく放熱を行うことができる。また、複数の放熱体を積層して構成しているため、放熱能力の調整を容易に行うことができる。
また、第２放熱部は同型の放熱部を組み合わせて構成しているため、コストメリットが生じる。
尚、発熱体の発熱量が駆動回路等の発熱量よりも大きい場合には、発熱体を第１放熱部に、駆動回路を第２放熱部に設置してもよい。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における放熱器を備えたワイドバンドギャップ半導体素子を用いたインバータ装置の構成を示した断面図である。ワイドバンドギャップ半導体は、その他の半導体、例えばＳｉ半導体よりもバンドギャップが大きく、高い耐電圧性、高い許容電流密度耐性、高い耐熱性を有し、その電力損失が少ない。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンカーバイド（以後、ＳｉＣと称す）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドから形成される。本実施の形態では、一例としてワイドバンドギャップ半導体素子として、ＳｉＣ素子を用いたインバータ装置について説明する。

図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。放熱体１０は、複数の放熱部３１、３２、３３、３４が積層されて形成されている。各放熱部３１、３２、３３、３４には、一方の面にのみフィン１０１が形成され、同型の構造にてなる。そして、断熱部１５を介して放熱部３１と放熱部３２、３３、３４と間に熱的に分離して構成される箇所を備える。よって、放熱体１０は、放熱能力の異なる、１つの放熱部３１にてなる第１放熱部４０と、３つの放熱部３２、３３、３４にてなる第２放熱部４１とにて構成されることとなる。

放熱体１０において、第１放熱部４０にはインバータ装置の制御回路部８が載置され、第２放熱部４２にはインバータ装置の主回路の半導体素子、メイン素子７が載置される。この構成のインバータ装置では、第２の素子としてのシリコン半導体素子などで構成される制御回路部８と、第１の素子としてのＳｉＣ半導体素子などで構成されるメイン素子７とで構成されるため、メイン素子７は制御回路部８にくらべ高温動作が可能となる。

上記のように構成された実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、第１放熱部の温度は第２放熱部に接続された制御回路の素子の安全温度以上に上げられるため、インバータ装置を小型、軽量化を図ることができる。

尚、上記実施の形態２は、第２放熱部を３個の放熱部にて形成する例を示したが、これに限られることはなく、例えば図３に示すように、１つの放熱部の厚みを厚く形成することも可能である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。放熱体１０は、複数の放熱部５１、５２、５３が積層されて形成されている。各放熱部５１、５２、５３には、一方の面にのみフィン１０１が形成され、同型の構造にてなる。そして、断熱部１５を介して放熱部５１と放熱部５２、５３と間に熱的に分離して構成される箇所を備える。よって、放熱体１０は、放熱能力の異なる、１つの放熱部５１にてなる第１放熱部６０と、２つの放熱部５２、５３にてなる第２放熱部６１とにて構成されることとなる。

このように放熱部の厚みを厚くすることにより、フィンの熱容量を大きくおよびフィン長さ方向への熱抵抗を小さく調整することにより、フィンの温度が均一になり、フィンの長さが長くなっても放熱能力が高めることができる。これにより、第１放熱部にくらべ、第２放熱部の放熱能力を向上することができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における放熱器を備えた抵抗器の構成を示した断面図である。図において、上記実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。放熱体１０は、複数の放熱部７１、７２、７３、７４が積層されて形成されている。放熱部７１には、一方の面にのみフィン１０１が形成されている。また、各放熱部７２、７３、７４には両方の面に互い違いの位置にフィン１０１が形成され、各放熱部７２、７３、７４は同型の構造にてなる。そして、断熱部１５を介して放熱部７１と放熱部７２、７３、７４と間に熱的に分離して構成される箇所を備える。よって、放熱体１０は、放熱能力の異なる、１つの放熱部７１にてなる第１放熱部８０と、３つの放熱部７２、７３、７４にてなる第２放熱部８１とにて構成されることとなる。また、放熱部７２、７３、７４は加熱コイル５の発熱体として機能するように形成されている。

上記のように構成された実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、放熱体の第２放熱部は、互い違いに上記放熱フィンの凹凸を複数にすることにより複数の放熱路を放熱体内部に形成することができる。そしてこれらを例えば、温度の低い空気を加熱コイルに近い外側の放熱路を通し（行き）、温められた空気を戻すための放熱路を中央（帰り）にとることができる。また、放熱体を発熱体の機能を備えるように形成しているため、発熱体を直接冷却する形状にて形成することができ、発熱体の温度上昇を抑制でき、放熱効率を向上することができる。また、このことにより、発熱体と放熱体とに間に介在していたグリースなどをなくすことができ、放熱体と空気などの冷媒間の熱抵抗を小さくすることができる。

尚、上記各実施の形態においてはフィンについて特に示さなかったが、マイクロフィンにて形成することが可能である。これは放熱部を複数個積層して構成にすることにより、放熱部内側にマイクロチャネルの複雑なフィン構造を作ることが可能となるためである。よって、放熱体の冷却能力を高めることができる。
また、上記放熱体の放熱は自然空冷にて放熱する例を示したが、これに限られることはなく、ファンを形成して冷却媒体として強制空冷にて放熱したり、冷却媒体として水による水冷方式にて放熱したりしてもよい。
また、放熱部の個数は、上記各実施の形態に示したものに限られることはなく、載置する発熱体に応じて適宜変更することができる。

また、断熱材にて分離する放熱能力の大きい側を１つの放熱部にて構成する例を示したが、これに限られることはなく、複数の放熱部にて構成することも可能である。
また、断熱部が放熱部の端部のみにて設置する例を示したが、これに限られることはなく、２つの放熱部のフィン間に断熱材を設置して熱伝導を防ぐ形状としてもよい。
また、第１放熱部と第２放熱部との熱伝導を低減するために、第１放熱部または第２放熱部の少なくともいずれか一方にふく射を受けにくい色を塗る、または、対面する面を研磨して熱伝導を低減するなどし、第１放熱部と第２放熱部との熱伝導をより一層小さくすることができる。

３ 駆動回路部、４ 共振コンデンサ、５ 加熱コイル、６ 発熱体、
７ メイン素子、８ 制御回路部、
１１，１２，１３，１４，３１，３２，３３，３４，５１，５２，５３，７１，７２，７３，７４ 放熱部、
１５ 断熱部、１００，１０１ａ，１０１ｂ 放熱路、１０１ フィン。

Claims (6)

1. 発熱体を載置して上記発熱体の放熱を行う放熱体において、
   複数の放熱部が積層されるとともに、断熱部を介して上記放熱部間に熱的に分離して構成される箇所を備えたことを特徴とする放熱体。
2. 上記各放熱部は、複数のフィンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の放熱体。
3. 上記フィンにより冷却媒体の放熱路を構成することを特徴とする請求項２に記載の放熱体。
4. 上記放熱部は、上記発熱体を載置するためのガイドを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の放熱体。
5. ワイドバンドギャップ半導体により構成された第１の素子と、ワイドバンドギャップ半導体以外の半導体により構成された第２の素子とを有するインバータ装置であって、上記第１の素子と上記第２の素子とを、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体において熱的に分離されたそれぞれの箇所に載置することを特徴とするインバータ装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の上記放熱体を用いた抵抗器。

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