JP2011258874A - パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能の向上したパワーコンディショナを提供する。
【解決手段】パワーコンディショナは、ケーシングと、ケーシング内に配置された電力変換部と、電力変換部の発熱体Ｐから発せられる熱をケーシングの外側に放熱する放熱器４とを備えている。ケーシングに、ケーシングの内外を通じさせる放熱器設置口を形成する。放熱器４は、放熱器設置口を塞ぐように取り付けられかつ受熱部７および放熱部８を有する放熱基板６と、放熱基板６のケーシング外側を向いた面に固定されたコルゲート状の放熱フィン９とよりなる。放熱基板６に両面側に膨出しかつ放熱基板６の受熱部７から放熱部８に至る膨出状の作動液封入回路11を形成し、作動液封入回路11内に作動液を封入することによりヒートパイプ部12を形成する。放熱フィン12を、ヒートパイプ部12全体を覆うように放熱基板６に固定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、太陽光発電システムに用いられ、太陽電池モジュールが発電する直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナに関する。

太陽光発電用のパワーコンディショナとして、従来、ケーシングと、ケーシング内に配置されかつ直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、電力変換部の発熱体から発せられる熱をケーシングの外側に放熱する放熱器とを備えており、ケーシングに、ケーシングを上下方向に貫通しかつ頂壁から底壁に至る通気路が形成され、ケーシングにおける通気路を囲繞する壁に、ケーシングの内外を通じさせる開口が形成されており、放熱器が、当該開口を塞ぐようにケーシングに取り付けられた放熱基板と、放熱基板における通気路側（ケーシング外側）を向いた面に互いに間隔をおいて一体に形成され、かつ上下方向にのびる複数の放熱フィンとからなるものが知られている（特許文献１参照）。

ところで、最近では、太陽電池モジュールの設置面積が増加して処理電気量が増大し、パワーコンディショナの電力変換部からの発熱量が増える傾向にあるが、特許文献１記載のパワーコンディショナでは、放熱器の放熱性能が不足するおそれがある。また、特許文献１記載のパワーコンディショナの場合、ファンを用いて放熱フィンに送風することが多いが、最近では、耐久性を向上させるためにファンを無くす要求がある。そして、特許文献１記載のパワーコンディショナの場合、ファンを無くすと、放熱器の放熱性能が不足するおそれがある。

特開２００９−２９５９９０号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載のパワーコンディショナに比べて放熱性能の向上したパワーコンディショナを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)ケーシングと、ケーシング内に配置され、かつ発熱体を有するとともに直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、電力変換部の発熱体から発せられる熱をケーシングの外側に放熱する放熱器とを備えたパワーコンディショナであって、
ケーシングに、ケーシングの内外を通じさせる放熱器設置口が形成されており、放熱器が放熱器設置口を塞ぐように取り付けられかつ受熱部および受熱部に連なった放熱部を有する垂直状放熱基板と、放熱基板におけるケーシング外側を向いた面に固定されかつ上下方向にのびる波頂部および波底部を有するコルゲート状の放熱フィンとよりなり、放熱基板に、少なくとも一面側に膨出しかつ放熱基板の受熱部から放熱部に至る膨出状の作動液封入回路が形成されるとともに、作動液封入回路内に作動液が封入されることによりヒートパイプ部が形成され、ヒートパイプ部が、放熱基板の受熱部に存在する第１部分と、同じく放熱部に存在する第２部分とを有し、放熱フィンが、ヒートパイプ部全体を覆うように放熱基板に固定されているパワーコンディショナ。

2)ヒートパイプ部の第１部分における放熱基板の単位投影面積当たりの伝熱面積が、同じく第２部分における放熱基板の単位投影面積当たりの伝熱面積よりも大きくなっている上記1)記載のパワーコンディショナ。

3)ヒートパイプ部の第２部分の一部が第１部分の上方に存在しており、第２部分における第１部分の上方に存在する部分に、第１部分の上端に連なりかつ第２部分において放熱基板の放熱部から放熱して凝縮した液相作動液を、第１部分に戻す液戻し部が設けられている上記1)または2)記載のパワーコンディショナ。

4)放熱フィンに、上下方向にのびる通気穴が貫通状に形成されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のパワーコンディショナ。

5)放熱基板の作動液封入回路が、少なくともケーシング外方に膨出するとともに膨出頂面が平坦面となるように形成されており、放熱フィンが、放熱基板におけるケーシング外方を向いた面に固定されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載のパワーコンディショナ。

上記1)のパワーコンディショナにおいては、電力変換部のパワーモジュールのような発熱体が、放熱基板の受熱部におけるケーシング内側を向いた面に熱的に接触させられる。発熱体から発せられる熱は、放熱基板のヒートパイプ部の第１部分に伝わり、作動液が蒸発する。蒸発した気相作動液は、ヒートパイプ部の第２部分の全体に行き渡り、気相作動液の有する熱が、放熱基板の放熱部を経て放熱フィンに伝わる。放熱フィンに伝わった気相作動液の熱は、放熱フィンから放熱フィンに沿って上下方向に流れる空気に放熱されることにより、ケーシングの外部に放熱され、気相作動液は凝縮して液相となってヒートパイプ部の第１部分に戻る。このような動作を繰り返して、発熱体から発せられる熱が放熱される。したがって、発熱体から発せられる熱が、放熱基板の広い範囲から放熱フィンに伝わることになり、放熱性能が向上する。その結果、太陽電池モジュールの設置面積が増加して処理電気量が増大することによりパワーコンディショナの電力変換部からの発熱量が増えた場合にも対応することができるとともに、ファンを用いる必要がなくなって耐久性が向上する。

上記2)のパワーコンディショナによれば、発熱体から発せられた熱が、効率良くヒートパイプ部の第１部分に存在する作動液に伝わる。

上記3)のパワーコンディショナによれば、凝縮した液相作動液が、上方からヒートパイプ部の第１部分に流れ込みやすくなるので、第１部分内が作動液で濡れ易くなり、ヒートパイプ部のドライアウトを起こすことがなくなる。

上記4)および5)のパワーコンディショナによれば、放熱フィンに沿って流れる空気の流れが乱され、放熱フィンからの放熱効率が向上する。

この発明のパワーコンディショナの全体構成を示す水平断面図である。 図１のパワーコンディショナの放熱器を前方から見た図である。 図１に示すパワーコンディショナの放熱器、放熱フィンおよび発熱体としてのパワーモジュールを示す分解斜視図である。 図１のパワーコンディショナの放熱フィンを部分的に示す斜視図である。 パワーコンディショナに用いられる放熱器の放熱基板の第１の変形例を示す図２相当の図である。 パワーコンディショナに用いられる放熱器の放熱基板の第２の変形例を示す図１相当の図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１はこの発明のパワーコンディショナの全体構成を示し、図２〜図４はその要部の構成を示す。

以下の説明において、図１の下側を前、上側を後というものとし、図２の上下、左右を上下、左右というものとする。また、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１において、パワーコンディショナ(1)は、ケーシング(2)と、ケーシング(2)内に配置され、かつパワーモジュールのような発熱体(P)を有するとともに直流電力を交流電力に変換する電力変換部(3)と、電力変換部(3)の発熱体(P)から発せられる熱をケーシング(2)の外側に放熱する放熱器(4)とを備えている。なお、電力変換部(3)の詳細な構成の図示は省略する。

ケーシング(2)は頂壁、底壁、前壁および左右両側壁を有しており、後方に開口し、かつケーシング(2)の内外を通じさせる放熱器設置口(5)を有している。

図２および図３に示すように、放熱器(4)は、放熱器設置口(5)を塞ぐように取り付けられかつ受熱部(7)および受熱部(7)に連なった放熱部(8)を有するアルミニウム製の垂直状放熱基板(6)と、放熱基板(6)におけるケーシング(2)外側を向いた面に固定されたコルゲート状のアルミニウム製放熱フィン(9)とよりなる。

放熱基板(6)の受熱部(7)は、放熱基板(6)の下部の左右方向の中央部に設けられており、放熱部(8)は、受熱部(7)の左右両側および上側を囲むように設けられている。詳細な図示は省略したが、放熱基板(6)は互いに圧着された２枚のアルミニウム板からなり、両アルミニウム板を外方に膨出させることによって、両アルミニウム板間に受熱部(7)および放熱部(8)に跨る中空状の格子状作動液封入回路(11)が形成されている。格子状作動液封入回路(11)における受熱部(7)に存在する回路部分(11a)の格子の上下方向および左右方向の間隔は、同じく放熱部(8)に存在する回路部分(11b)の格子の上下方向および左右方向の間隔よりも小さくなっている。また、作動液封入回路(11)の膨出頂面は平坦面となっている。そして、放熱基板(6)の作動液封入回路(11)内に作動液（図示略）が封入されることにより、放熱基板(6)に、受熱部(7)から放熱部(8)に至るヒートパイプ部(12)が形成されている。

放熱基板(6)は、２枚のアルミニウム板の合せ面のうちの少なくともいずれか一方の面に圧着防止剤を所要パターンに印刷し、この状態で２枚のアルミニウム板(7)を圧着して非圧着部を有する合せ板をつくり、合せ板の非圧着部に流体圧を導入することによって作動液封入回路(11)を一挙に形成する、いわゆるロールボンド法によって製造される。合せ板の非圧着部は、作動液封入回路(11)に対応する形状の作動液封入回路用非圧着部と、作動液封入回路用非圧着部から合せ板の周縁に至る流体圧導入用非圧着部とからなる。流体圧導入用非圧着部から流体圧を導入して作動液封入回路(11)を形成すると、流体圧導入用非圧着部は、一端が作動液封入回路(11)に連なるとともに他端が合せ板の周縁に開口した作動液注入部となる。作動液注入部は作動液の注入後封止される。

なお、放熱基板(6)は、作動液封入回路(11)を形成するための外方膨出部を有する２枚のアルミニウム板を、たとえばろう付することにより形成してもよい。

ヒートパイプ部(12)は、放熱基板(6)の受熱部(7)に存在する第１部分(12a)と、同じく放熱部(8)に存在する第２部分(12b)とを有している。そして、ヒートパイプ部(12)の第１部分(12a)における放熱基板(6)の単位投影面積当たり（前方から後方を見た単位面積）の伝熱面積が、同じく第２部分(12b)における放熱基板(6)の単位投影面積当たりの伝熱面積よりも大きくなっている。すなわち、作動液封入回路(11)におけるヒートパイプ部(12)の第１部分(12a)を構成する部分の放熱基板(6)の単位投影面積当たりの内表面積が、同じく第２部分(12b)を構成する部分の放熱基板(6)の単位投影面積当たりの内表面積よりも大きくなっている。

また、ヒートパイプ部(12)の第２部分(12b)に、下端部において第１部分(12a)に通じているとともに、第２部分(12b)において放熱基板(6)の放熱部(8)から放熱して凝縮した液相作動液を、第１部分(12a)に戻す垂直状の液戻し部(13)が複数設けられている。

図３および図４に示すように、放熱フィン(9)は、上下方向にのびる波頂部(9a)、波底部(9b)および波頂部(9a)と波底部(9b)とを連結する連結部(9c)を有しており、波底部(9b)が作動液封入回路(11)の膨出頂面に接触した状態で、ヒートパイプ部(12)全体を覆うように、放熱基板(6)におけるケーシング(2)外側を向いた面に固定されている。放熱フィン(9)の波頂部(9a)および連結部(9c)には、それぞれ上下方向にのびる複数の通気穴(14)(15)が、上下方向に間隔をおいて貫通状に形成されている。

ここで、発熱体(P)の発熱量を１７０〜４５０Ｗ、作動液封入回路(11)内への作動液の封入量を作動液封入回路(11)の内容積の２０〜６０％という条件で、放熱フィン(9)の上下方向の寸法：Ｈを１３０〜４３０ｍｍ、放熱フィン(9)の前後方向の寸法：Ｌを３０ｍｍ未満とした場合、放熱フィン(9)の肉厚が０．２〜０．４ｍｍであれば、隣り合う波頂部(9a)間の間隔または波底部(9b)間の間隔であるフィンピッチ：Ｓは４．５〜７．５ｍｍであることが好ましく、同じく放熱フィン(9)の肉厚が０．４〜０．８ｍｍであれば、フィンピッチ：Ｓは５〜９ｍｍであることが好ましく、同じく放熱フィン(9)の肉厚が０．８ｍｍを超えると、フィンピッチ：Ｓは５〜１０ｍｍであることが好ましい。

また、発熱体(P)の発熱量を１７０〜４５０Ｗ、作動液封入回路(11)内への作動液の封入量を作動液封入回路(11)の内容積の２０〜６０％という条件で、放熱フィン(9)の上下方向の寸法：Ｈを１３０〜４３０ｍｍ、放熱フィン(9)の前後方向の寸法：Ｌを３０ｍｍ以上とした場合、放熱フィン(9)の肉厚が０．２〜０．４ｍｍであれば、隣り合う波頂部(9a)間の間隔または波底部(9b)間の間隔であるフィンピッチ：Ｓは４．５〜８．５ｍｍであることが好ましく、同じく放熱フィン(9)の肉厚が０．４〜０．８ｍｍであれば、フィンピッチ：Ｓは５〜１０ｍｍであることが好ましく、同じく放熱フィン(9)の肉厚が０．８ｍｍを超えると、フィンピッチ：Ｓは５〜１２ｍｍであることが好ましい。

上述したパワーコンディショナ(1)において、放熱基板(6)の受熱部(7)におけるケーシング(2)内側を向いた面にアルミニウム製の受熱板(17)が固定され、電力変換部(3)のパワーモジュールのような発熱体(P)が、受熱板(17)に熱的に接触させられる。発熱体(P)から発せられる熱は、受熱板(17)を経て放熱基板(6)のヒートパイプ部(12)の第１部分(12a)に伝わり、作動液が蒸発する。蒸発した気相作動液は、ヒートパイプ部(12)の第２部分(12b)の全体に行き渡り、気相作動液の有する熱が、放熱基板(6)の放熱部(8)を経て放熱フィン(9)に伝わる。放熱フィン(9)に伝わった気相作動液の熱は、放熱フィン(9)から隣り合う連結部(9c)間を上下方向に流れる空気に放熱されることにより、ケーシング(2)の外部に放熱され、気相作動液は凝縮して液相となってヒートパイプ部(12)の第１部分(12a)に戻る。このような動作を繰り返して、発熱体(P)から発せられる熱が放熱される。したがって、発熱体(P)から発せられる熱が、放熱基板(6)の広い範囲から放熱フィン(9)に伝わり、放熱性能が向上する。熱が放熱フィン(9)から放熱される際に、放熱フィン(9)の波底部(9b)と放熱基板(6)におけるケーシング(2)外側を向いた面の外方膨出部が形成されていない部分との間の隙間、および通気穴(14)(15)によって、放熱フィン(9)に沿って流れる空気の流れが乱され、放熱フィン(9)からの放熱効率が向上する。

上記において、受熱板(17)は次の働きをする。すなわち、通常、放熱基板(6)の厚みは薄いので、高い平面度を得られないことがある。また、発熱体(P)を放熱基板(6)における作動液封入回路(11)が膨出している側に取り付ける場合には、発熱体(P)に放熱基板(6)に接していない部分が生じることになり、当該部分では局所的に温度上昇する。受熱板(17)は、発熱体(P)が接触する部分の平面度を高める働きをするとともに、発熱体(P)から発せられる熱を受熱板(17)全体に広げてから放熱基板(6)に伝えることにより発熱体(P)の局所的な温度上昇を抑制する働きをする。

図５は、放熱器の放熱基板の第１の変形例を示す。

図５に示す放熱基板(20)の場合、受熱部(7)は、放熱基板(20)の下部の左側部分に設けられており、放熱部(8)は、受熱部(7)の右側および上側を囲むように設けられている。

その他の構成は、図２および図３に示す放熱基板(6)と同様である。

図６は、放熱器の放熱基板の変形例を示す。

図６に示す放熱基板(25)の場合、互いに圧着された２枚のアルミニウム板(7)のうちのケーシング(2)外側のアルミニウム板のみを外方に膨出させることによって、両アルミニウム板間に受熱部(7)および放熱部(8)に跨る中空状の格子状作動液封入回路(11)が形成されている。作動液封入回路(11)の膨出頂面は平坦面となっている。

その他の構成は、図２および図３に示す放熱基板(6)と同様である。

なお、図６に示す放熱基板(25)の場合にも、放熱基板(25)に、図１に示す受熱板を固定し、発熱体(P)を受熱板に接触させてもよい。

この発明によるパワーコンディショナは、大規模な太陽光発電システムに好適に用いられる。太陽電池モジュールが発電する直流電力を交流電力に変換する。

(1)：パワーコンディショナ
(2)：ケーシング
(3)：電力変換部
(4)：放熱器
(5)：放熱器設置口
(6)(20)(25)：放熱基板
(7)：受熱部
(8)：放熱部
(9)：放熱フィン
(11)：作動液封入回路
(12)：ヒートパイプ部
(12a)：第１部分
(12b)：第２部分
(13)：液戻し部
(14)(15)：通気穴

Claims (5)

1. ケーシングと、ケーシング内に配置されかつ直流電力を交流電力に変換する電力変換部と、電力変換部の発熱体から発せられる熱をケーシングの外側に放熱する放熱器とを備えたパワーコンディショナであって、
   ケーシングの壁に、ケーシングの内外を通じさせる放熱器設置口が形成されており、放熱器が当該放熱器設置口を塞ぐように取り付けられかつ受熱部および受熱部に連なった放熱部を有する垂直状放熱基板と、放熱基板におけるケーシング外側を向いた面に固定されかつ上下方向にのびる波頂部および波底部を有するコルゲート状の放熱フィンとよりなり、放熱基板に、少なくとも一面側に膨出しかつ放熱基板の受熱部から放熱部に至る膨出状の作動液封入回路が形成されるとともに、作動液封入回路内に作動液が封入されることによりヒートパイプ部が形成され、ヒートパイプ部が、放熱基板の受熱部に存在する第１部分と、同じく放熱部に存在する第２部分とを有し、放熱フィンが、ヒートパイプ部全体を覆うように放熱基板に固定されているパワーコンディショナ。
2. ヒートパイプ部の第１部分における放熱基板の単位投影面積当たりの伝熱面積が、同じく第２部分における放熱基板の単位投影面積当たりの伝熱面積よりも大きくなっている請求項１記載のパワーコンディショナ。
3. ヒートパイプ部の第２部分の一部が第１部分の上方に存在しており、第２部分における第１部分の上方に存在する部分に、第１部分の上端に連なりかつ第２部分において放熱基板の放熱部から放熱して凝縮した液相作動液を、第１部分に戻す液戻し部が設けられている請求項１または２記載のパワーコンディショナ。
4. 放熱フィンに、上下方向にのびる通気穴が貫通状に形成されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載のパワーコンディショナ。
5. 放熱基板の作動液封入回路が、少なくともケーシング外方に膨出するとともに膨出頂面が平坦面となるように形成されており、放熱フィンが、放熱基板におけるケーシング外方を向いた面に固定されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載のパワーコンディショナ。

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