JP2008229644A

JP2008229644A - 電気機器

Info

Publication number: JP2008229644A
Application number: JP2007070167A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Tabata; 芳行田畑
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-19
Also published as: JP5056093B2

Abstract

【課題】従来の電気機器では、検出回路の複雑化や部品点数の増加やコストの増加なしに、簡単に温度異常時の検出を簡単に行って異常時に構成部品等を保護可能なすることが困難であった。
【解決手段】発熱性の電気素子により熱せられた空気を外部へ排出する放熱ユニットを筐体内に備えた電気機器であって、両端に開口部を有しており内部に空気を流通可能なトンネル形状の放熱ユニットと、前記放熱ユニットの表面に直接的または間接的に設けられた電気素子と、前記放熱ユニットの前記表面に直接的または間接的に設けられた温度センサと、前記放熱ユニット内に風を送る冷却ファンとを備え、前記電気素子と前記温度センサとは前記冷却ファンによる冷却風の風上となる開口部側に設けられ、前記電気素子と前記冷却風の風上となる側の開口部との間に前記温度センサを設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度センサを備えた電気機器に関するものである。

近年、電気機器はデジタル化や筐体の小型化が進んでおり、電気機器の一例であるアーク溶接装置においても同様の傾向がある。

従来のアーク溶接装置は、小型化のためにインバータの高周波化を行う際、インバータを構成する半導体素子の温度上昇が高くなる場合があった。温度上昇によるアーク溶接装置の各部品の損傷を防止するため、高温になる部分に数カ所温度センサを取り付け、温度センサの検出温度が所定の温度を越えると、アーク溶接装置の出力を停止し、これにより各部品の温度が下がり、半導体素子等の各部品の破損を防止する構成としていた。

アーク溶接装置では「使用率」という考えがあることから、アーク溶接装置を使用する際にはこの点に気を付ける必要がある。定格出力で溶接を行う場合、１０分間のうち６分間連続で溶接を行い、４分間溶接を休止させる、これの繰り返しを「使用率６０％」と呼んでいる。また、定格出力で溶接を行う場合に、休止なく連続で溶接する状態を「使用率１００％」と呼んでいる。使用率は、溶接方法や溶接出力などにより異なり、アーク溶接装置各々において個別に設定される。この使用率は、アーク溶接装置の発熱に大きく影響し、使用率が低いほどアーク溶接装置の各部の温度上昇は低く、使用率が高いほどアーク溶接装置の各部の温度上昇は高くなる。

このようなアーク溶接装置では、インバータなどを構成する冷却ユニット（発熱体、放熱ユニット、冷却ファン、温度センサなどの部品のかたまりをこのように呼ぶことにする）において、半導体素子から発生する熱は放熱ユニットに伝わり、それを冷却ファンにより冷却している。冷却ユニットの構造は冷却ユニットを備えるアーク溶接装置によって様々ではあるが、冷却ファンによる風をあてて空冷しているのが一般的である。

図４は上記従来のアーク溶接装置における冷却ユニットの一例を示している。放熱ユニットを構成するトンネル形状のアルミニウム板２の表面に、発熱性の電気素子である半導体素子１が２つ設けられている。なお、トンネル形状のアルミニウム板２には、両端に第１の開口部３と第２の開口部４が設けられている。また、アルミニウム板２の表面には温度センサであるサーマルプロテクタ５が取り付けられている。そして、アルミニウム板２の第２の開口部４の側には冷却ファン７が設けられている。

以上のように構成されたアーク溶接装置について、冷却に関する点を中心に説明する。

アルミニウム板２の外側表面に半導体素子１を配置しており、半導体素子１で生じた熱はアルミニウム板２に伝わり、アルミニウム板２は冷却ファン７により生じる風によって冷却される。なお、半導体素子１の取り付けに関しては、発生した熱を効率よくアルミニウム板２に移動させるため、通常はアルミニウム板２への配置を均等な間隔で行っている。

図４のように、例えば２個の半導体素子１をアルミニウム板２に配置する場合、等間隔に２つの半導体素子１を配置する。このような配置とすることで、半導体素子１の発熱をむらなく均等にアルミニウム板２へ移動している。

なお、上記構成においては、半導体素子１が均等に配置されており、「使用率オーバー時」に半導体素子１を保護するため、サーマルプロテクタ５を設けている。サーマルプロテクタ５は、図４のように半導体素子１が２個の場合は、２個の半導体素子１の間の温度を感知できる部分に配置する。そして、半導体素子１が破壊しない温度で動作するサーマルプロテクタ５を配置して温度を検出すれば、「使用率オーバー時」はアーク溶接装置の出力を停止し、また、異常検出表示を行って溶接作業者に注意を促す。なお、使用率を正しく守っている場合は、溶接作業が可能である。上記のように、アーク溶接装置において異常を検出するためにアーク溶接装置内に温度センサ（サーマルプロテクタ）を取り付けるものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。そして、この温度センサは高温になる箇所に取り付けるのが一般的である。
特開２０００−１１７４３６号公報

従来のアーク溶接装置では、温度センサであるサーマルプロテクタ５は、複数の半導体素子１の中間点付近等高温になる箇所で、アルミニウム板２の表面に配置することが多く、「使用率オーバー時」には温度を感知してアーク溶接装置を停止させていた。

しかしながら、「冷却ファン停止時」（故障もしくは回転部への異物の混入により冷却ファン７が回転しなくなるとき）は、半導体素子１の急激な温度上昇により、半導体素子１が配置されているアルミニウム板２に熱が十分伝達する前に、半導体素子１自体の温度上昇が大きくなり過ぎて半導体素子１の破壊を生じる場合があった。
そこで、その対策としてサーマルプロテクタ５が「冷却ファン停止時」にも働くようにサーマルプロテクタ５の温度設定値を下げてしまうと、通常使用時であっても設定温度を超える場合が生じてしまい、その結果アーク溶接装置の出力を停止させてしまうという不都合が生じる場合もあった。

また、サーマルプロテクタ５の動作は、早すぎても遅すぎても問題となるため、「使用率オーバー時」と「冷却ファン停止時」の各々の異常時に個別に対応できるよう、別々のサーマルプロテクタ５を複数個配置する方法や、ファン停止を感知するための回転検出センサを配置する方法もある。しかし、これについては、検出回路の複雑化や部品点数の増加やコストの増加という課題を有する。

本発明は、温度異常時の検出を簡単に行い、異常時に構成部品等を保護可能な電気機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電気機器は、発熱性の電気素子により熱せられた空気を外部へ排出する放熱ユニットを筐体内に備えた電気機器であって、両端に開口部を有しており内部に空気を流通可能なトンネル形状の放熱ユニットと、前記放熱ユニットの表面に直接的または間接的に設けられた電気素子と、前記放熱ユニットの前記表面に直接的または間接的に設けられた温度センサと、前記放熱ユニット内に風を送る冷却ファンとを備え、前記電気素子と前記温度センサとは前記冷却ファンによる冷却風の風上となる開口部側に設けられ、前記電気素子と前記冷却風の風上となる側の開口部との間に前記温度センサを設けたものである。

また、本発明の電気機器は、温度センサを放熱ユニットの表面でかつ冷却風の風上となる側の開口部近傍に設け、電気素子を前記放熱ユニットの前記表面でかつ前記温度センサの近傍で前記温度センサよりも風下側に設けたものである。

また、本発明の電気機器は、放熱ユニットは四角形の円筒形状であり、少なくとも１つの面の内側には放熱フィンが設けられており、放熱フィンが設けられている面の外側に電気素子および温度センサを設けたものである。

また、本発明の電気機器は、溶接用電極と溶接対象物との間に電力を供給する機能を備えた溶接装置としたものである。

以上のように、本発明によれば、温度異常時の検出を簡単に行い、異常時に構成部品等を保護可能な電気機器を実現することができる。

（実施の形態１）
図１は電気機器の一例であるアーク溶接装置において、冷却に関する部分を記載した模式図であり、この図１を用いてアーク溶接装置の冷却に関する点を中心に説明する。なお、アーク溶接装置は、溶接用電極と溶接対象物との間に電力を供給する機能を備え、溶接対象物を接合するために用いられるものである。

図１において、アーク溶接装置内には、例えば溶接出力の制御を行うための電気素子である半導体素子１と、半導体素子１の熱を放熱するための四角形の筒状のアルミニウム板２と、アルミニウム板２の表面温度を検出するための温度センサであるサーマルプロテクタ５が設けられている。なお、筒状のアルミニウム板２の一端側には第１の開口部３が設けられており、他端側には第２の開口部４が設けられている。

アルミニウム板２の４つの面の内１つの面の表面には、箱形形状の半導体素子１が２個、近付いた状態で配置されている。この２つの半導体素子１は、アルミニウム板２の第１の開口部３あるいは第２の開口部４に対して、どちらか一方へ偏るように配置される。図１の構成では、第２の開口部４の方へ偏る配置の例を示している。このように、アルミニウム板２の表面には半導体素子１が均等にならないよう配置している。
そして、アーク溶接装置を動作させるために半導体素子１が動作し、これにより半導体素子１が発熱し、この熱がアルミニウム板２へ伝達される。

半導体素子１が配置されているアルミニウム板２の表面にはサーマルプロテクタ５も配置しているが、図１に示す構成では、第２の開放部４側であり半導体素子１と第２の開放部４との間に配置した例を示している。

また、アルミニウム板２の内部を冷却するように冷却ファン７を第２の開口部４側に設けている。なお、冷却ファン７は、アルミニウム板２の内部を第２の開口部４側から第１の開口部３側に風が流れるように、すなわち、第２の開口部４側が風上となるように配置している。

通常、アーク溶接装置を使用する場合、使用率の制限により連続で溶接できる時間が異なる。アーク溶接装置を連続使用することによって設定された使用率をオーバーした場合、アーク溶接装置の使用率オーバーを作業者に表示し、アーク溶接装置の出力を停止して半導体素子１等を温度上昇による破壊から守らなければならない。

本実施の形態では、アーク溶接装置の通常運転時、冷却ファン７を回転駆動することにより第２の開口部４から外部の冷えた冷却風をアルミニウム板２内に流入させている。従って、冷却ファン７が回転している場合は、アルミニウム板２の第２の開口部４側が最も冷却される。冷却風は半導体素子１から放出された熱をアルミニウム板２を介して受け取り、その熱を含みながら移動する。従って、第１の開口部３から冷却風が排出されるときには、温度が上昇した熱風となる。排出側になるほど温度が高くなる熱風が半導体素子１の温度に影響を及ぼし、第１の開口部３に近い側（冷却風の排出側）の半導体素子１は第２の開放部３に近い側の半導体素子１よりも温度が上がることとなる。

また、アーク溶接装置の稼動中で冷却ファン７が動作していたが、何らかの異常で冷却ファン７が停止した場合、アーク溶接装置の通常運転時とは異なり、アルミニウム板２の内部を冷却風が流れない。アルミニウム板２において、第２の開放部４側に設けられた半導体素子１よりも第２の開放部４側のアルミニウム板２の部分の面積が少ない、すなわち、この部分の放熱面積が少ないため、この部分の温度が上昇し易い。そして、この温度上昇し易い箇所にサーマルプロテクタ５を配置しているので、このサーマルプロテクタ５によって温度上昇をすばやく感知し、アーク溶接装置の出力を停止して半導体素子１等の破壊を防ぐことができる。

以上のように、本実施の形態では、アルミニウム２の表面に取り付けられた半導体素子１からの距離が短くかつ冷却ファン７による冷却風の風上となる開口部側のアルミニウム２の表面にサーマルプロテクタ５を１つ配置している。このような構成とすることで、冷却ファン７が正常に動作している運転状態において使用率オーバーになった場合にはサーマルプロテクタ５により温度上昇を検出してアーク溶接装置の出力を停止することができ、また、冷却ファン７が何らかの異常で回転しなくなった非常時においてもサーマルプロテクタ５によりすばやく温度上昇を検出してアーク溶接装置の出力を停止することができる。すなわち、１つのサーマルプロテクタ５により、使用率オーバーや冷却ファン７の停止による温度上昇を検出できる。従って、様々な温度異常を検出するために検出回路の複雑化や部品点数の増加やコストの増加を招くことなく、１つのサーマルプロテクタ５により様々な温度異常に対応可能となる。

なお、サーマルプロテクタ５は、半導体素子１が破壊しない温度で動作し、かつ使用率以下で動作しないものを用いる。

また、放熱ユニットであるアルミニウム２は、放熱効率の良い金属であればどのような材質でもかまわない。また、金属でない放熱効率の良い他の材質を使用することも可能である。

さらに、アルミニウム板２の断面形状は、正方形や長方形や円形等どのようなものでもよく、適宜選択すればよい。

また、冷却ファン７は冷却風が流れる方向が変わらなければ、第１の開口部３側の排出側に配置して冷却風を外部に引き出すようにしてもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態において実施の形態１と同様の構成については同一の番号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、図２に示すように、アルミニウム板２の内側に冷却フィン８を設ける構成とした点である。

アルミニウム板２の１つの面の内面には、ひだ状の放熱部を備えた冷却フィン８を配置しており、その冷却フィン８を設けたアルミニウム２の外面には箱形形状の半導体素子１が２個設けられている。そして、半導体素子１が発した熱は、アルミニウム板２から冷却フィン８へ伝達され、この熱は冷却ファン７の冷却風により冷却される。

本実施の形態によれば、冷却フィン８を設けたことにより冷却性が向上する。そして、使用率内で使用し冷却ファン７で冷却している場合の各部の温度は、冷却フィン８がない場合と比べて低くなる。従って、サーマルプロテクタ５の動作設定温度を低く設定することができる。そして、冷却ファン７が何らかの異常で回転しなくなり各部の温度が上昇する場合、上述のように冷却フィン８を設けない場合に比べてサーマルプロテクタ５の動作設定温度を低く設定することができるので、冷却フィン８を設けない場合に比べて早期に異常を検出することができる。

なお、冷却フィン８は放熱効率の良い金属であればどういう材質でもかまわない。また金属でない放熱効率の良い他の材質の使用も可能である。

本発明の電気機器によれば、温度異常時の検出を簡単に行い、異常時に構成部品等を保護可能な電気機器を実現することができるので、温度を検出して動作を制御する電気機器等として産業上有用である。

本発明の実施の形態１における冷却に関する部分を記載した模式図本発明の実施の形態２における冷却に関する部分を記載した模式図従来のアーク溶接装置における冷却に関する部分を記載した模式図

符号の説明

１半導体素子
２アルミニウム板
３第１の開口部
４第２の開口部
５サーマルプロテクタ
７冷却ファン
８冷却フィン

Claims

発熱性の電気素子により熱せられた空気を外部へ排出する放熱ユニットを筐体内に備えた電気機器であって、
両端に開口部を有しており内部に空気を流通可能なトンネル形状の放熱ユニットと、
前記放熱ユニットの表面に直接的または間接的に設けられた電気素子と、
前記放熱ユニットの前記表面に直接的または間接的に設けられた温度センサと、
前記放熱ユニット内に風を送る冷却ファンとを備え、
前記電気素子と前記温度センサとは前記冷却ファンによる冷却風の風上となる開口部側に設けられ、前記電気素子と前記冷却風の風上となる側の開口部との間に前記温度センサを設けた電気機器。
温度センサを放熱ユニットの表面でかつ冷却風の風上となる側の開口部近傍に設け、
電気素子を前記放熱ユニットの前記表面でかつ前記温度センサの近傍で前記温度センサよりも風下側に設けた請求項１記載の電気機器。
放熱ユニットは四角形の円筒形状であり、少なくとも１つの面の内側には放熱フィンが設けられており、放熱フィンが設けられている面の外側に電気素子および温度センサを設けた請求項１または２記載の電気機器。
電気機器は、溶接用電極と溶接対象物との間に電力を供給する機能を備えた溶接装置である請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機器。