JP2012023799A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置全体の部品配置を考慮して発熱部品の効率的な冷却と、塵埃などからの保護を両立させるようにした電力変換装置を提供する。
【解決手段】自立閉鎖盤を構成する筐体の内部を防塵室４とダクト室３に分割する縦状の仕切り板２と、防塵室４内に実装配置されたスイッチング素子５及びこの冷却フィンベース６並びに制御基板９と、冷却フィンベース６と一体接続して設けられ、仕切り板２を貫通してダクト室３内に突出する複数の縦状の羽根を有する冷却フィン羽根部７と、冷却フィン羽根部７の先端にダクト室３を縦方向に２分するように取り付けられた風仕切り板７Ａと、風仕切り板７Ａの端部とダクト室３の壁面との間に取り付けられた主回路導体１０と、ダクト室３の下部に設けられた吸気口１４と、ダクト室３の上部に設けられた主冷却ファン１１とで構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換のための用品を制御盤等の筐体に収納した電力変換装置に係り、特に改善された冷却構造を有する電力変換装置に関する。

電力変換装置は、スイッチング素子などの数多くの発熱部品を筐体内に実装して使用する。従ってこれらの発熱部品を効率的に冷却する必要がある。一方、これらの発熱部品のうち、例えば制御基板などは極端に水や塵埃を嫌うので、そのための筐体の保護構造も重要である。上記二つのニーズは二律背反となっている。すなわち、発熱部品を効率的に冷却するには筐体外の外気を筐体内に導入する風冷方式が一般的であるが、上記のような防塵性を考慮すると、吸気口に目の粗いフィルターを用いることができないため、所定の冷却風量を確保するのが困難となるという問題がある。

このため、筐体内に外気から遮断された密閉室と、両端が筐体の吸気口と排気口に連接した通気ダクトとを設け、電力用半導体モジュールの表面を上記密閉室内に、裏面の放熱体を通気ダクト内に配置するような提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００１−１２８３２１号公報（全体）

特許文献１に開示された内容は、電力用半導体モジュールについてはその配置方法が述べられているが、主回路導体などを含む電力変換装置全体における部品配置については言及されていない。本発明は、上記課題に鑑みて為されたもので、装置全体の部品配置を考慮して発熱部品の効率的な冷却と、塵埃などからの保護を両立させるようにした電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、自立閉鎖盤を構成する筐体と、この筐体内部を防塵室とダクト室に分割する縦状の仕切り板と、前記防塵室内に実装配置されたスイッチング素子及びこの冷却フィンベース並びに制御基板と、前記冷却フィンベースと一体接続して設けられ、前記仕切り板を貫通して前記ダクト室内に突出する複数の縦状の羽根を有する冷却フィン羽根部と、前記冷却フィン羽根部の先端に前記ダクト室を縦方向に２分するように取り付けられた風仕切り板と、前記風仕切り板の端部と前記ダクト室の壁面との間に取り付けられた主回路導体と、前記ダクト室の下部に設けられた吸気口と、前記ダクト室の上部に設けられた主冷却ファンとを具備し、前記主冷却ファンによる冷却風によって前記冷却フィン羽根部と前記主回路導体とを冷却するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、装置全体の部品配置を考慮して発熱部品の効率的な冷却と、塵埃などからの保護を両立させるようにした電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の実装側面断面図及び回路構成図。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の実装側面断面図における主回路導体モデル図。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の実装側面断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置について図１及び図２を参照して説明する。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る電力変換装置の実装側面断面図、図１（ｂ）はこの実装側面断面図に対応する回路構成図である。

図１（ｂ）に示すように、この実施例１の電力変換装置は、コンバータ部２０を有している。コンバータ部２０は、交流入力を主回路導体１０を介してコンバータ主回路２１に接続し、その直流出力に平滑コンデンサ８が接続されている。コンバータ主回路２１は、ダイオードを逆並列接続した例えばＩＧＢＴのようなスイッチング素子５をブリッジ接続して構成されており、スイッチング素子５のゲートには基板に実装されたゲート回路９から駆動信号が供給されている。

コンバータ部２０の直流出力はインバータ部２２の入力となり、インバータ部２２は交流を出力する。インバータ部２２の内部構成はコンバータ部２０と基本的に同一であるのでその説明は省略する。

図１（ａ）に示すように電力変換装置１を自立閉鎖盤である筐体内に収納する。電力変換装置１は側面断面図で示されており、仕切り板２によって背面側の通風ダクト室３と、前面側の防塵室４に分離される構造となっている。

図１（ａ）のコンバータ部２０において、スイッチング素子５は図示するように防塵室４内の冷却フィンベース６に密接して取り付けられている。そして冷却フィンベース６と一体となっている冷却フィン羽根部７はダクト室３内に突出しており、その先端には風仕切り板７Ａが取り付けられている。冷却フィン羽根部７は、盤下部から上部に向かう冷却風が通過し易いように複数枚の縦方向の羽根から構成されている。

平滑コンデンサ８は、図１（ａ）に示すようにその一部、例えば直流配線を行う端子のある脚部をダクト室に突出させて通風により冷却する。また、ゲート回路９は防塵室４内の適切な位置に実装する。

主回路導体１０は図示したようにダクト室３内の後部に、図示しない適切な絶縁物を介して実装する。主回路導体１０は３相分あるが、この３相分を電力変換装置１の筐体の横方向の平面上に実装する。そして、図示したようにダクト室３の後部スペースを小さくするため、床面に平行ではなく所定の傾斜角をもって傾斜平面上に実装するようにしても良い。

また、インバータ部２２の構成用品の実装は、図示したようにコンバータ部２０の実装とほぼ同一となるようにコンバータ部の下部に実装配置する。尚、内部配線経路を短くするために、平滑コンデンサが近接するように実装配置する。

ダクト室３の上部には、主冷却ファン１１が取り付けられ、ダクト室内の冷却風を筐体の天井の開口部から筐体外に排出している。筐体前面下部には、吸気口１２が設けられ、筐体前面より外部の空気を吸気する。そしてこの冷却風は筐体下部のチャンネルベース１３の位置にある床下のスペースを通過し、ダクト室３の風吸気口１４を介してダクト室３内に導かれる。

防塵室４内の構成用品は防塵室４の上部に設けられた盤内拡散ファン１５による拡散風で冷却される。この盤内拡散ファン１５のみでは温度上昇を抑えられない場合は、エアフィルタ付きの空調機１６を設け、外部と熱交換を行って防塵室を冷却する。

以上の実施例１の構成によれば、防塵室４は外部との空気の流通が空調機１６のみとなるので、空調機１６内のエアフィルタの仕様を定めることによって適切な防塵を行うことができる。そして、ダクト室の冷却風の流れは、図１（ａ）に太線の破線で示した主通風ルートと破線で示した副通風ルートの２ルートとなる。主通風ルートは、冷却フィン羽根部７とコンデンサ８の脚部を通過してスイッチング素子５とコンデンサ８を冷却し、副通風ルートは主回路導体１０の相間を通過して主回路導体１０を冷却する。

図２は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の実装側面断面図における主回路導体モデル図である。主回路導体１０は、図示したように、同一傾斜平面上に３相分が平行配置され、幅寸法Ａ、相間寸法Ｂである。風仕切り板７Ａと、これと近接する内側の相の導体との間隙は、必要な絶縁距離は確保されているが、実質的にゼロまたは適切な絶縁物を介して実装されているとする。また、外側の相の導体と筐体の壁面間の寸法は相間寸法Ｂと同一とする。

上記モデルにおいて、導体幅寸法Ａを１００ｍｍとし、通常の従来型の風冷盤の条件で相間寸法Ｂを変化させたときの簡易シミュレーションを行ったところ、相間寸法Ｂが５０ｍｍ以下であれば、主通風ルートに必要な風量が確保され、冷却フィン羽根部７のフィン間風速が所定値（例えば３ｍ／ｓ）以上となることが分かった。この結果は、導体幅寸法Ａが変化した場合でもＢ／Ａの比率に関して成立する。すなわち、この構成において必要な条件はＢ／Ａが０．５以下ということである。尚、当然ながら、主回路導体１０の各相間で必要となる絶縁距離は確保されているものとする。

以上示した、図１及び図２においては、コンバータ部及びインバータ部２２の両者によって構成された電力変換装置について説明したが、これらの一方のみで構成される電力変換装置であっても上記説明が成立することは明らかである。また、その場合、主回路導体の実装場所はダクト室の上部であっても、下部であっても良い。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の実装側面断面図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換装置の実装側面断面図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、主回路導体１０Ａの３相分を傾斜平面上に配置とせず、千鳥状に配置した点である。千鳥状の配置とは、主回路導体１０Ａの３相分の各々を交互に所定の間隙を有する異なる平面上に配置することを意味する。

このように主回路導体１０Ａの３相分を千鳥状に配置することによって、各相の絶縁距離を保った状態で筐体の奥行き寸法を短縮させることが可能となる。

１ 電力変換装置
２ 仕切り板
３ ダクト室
４ 防塵室
５ スイッチング素子
６ フィンベース
７ 冷却フィン羽根部
７Ａ 風仕切り板
８ 平滑コンデンサ
９ ゲート回路
１０、１０Ａ 主回路導体
１１ 主冷却ファン
１２ 吸気口
１３ チャンネルベース
１４ 風吸気口
１５ 盤内拡散用ファン
１６ 空調機
２０ コンバータ部
２１ コンバータ主回路
２２ インバータ部

Claims (5)

1. 自立閉鎖盤を構成する筐体と、
   この筐体内部を防塵室とダクト室に分割する縦状の仕切り板と、
   前記防塵室内に実装配置されたスイッチング素子及びこの冷却フィンベース並びに制御基板と、
   前記冷却フィンベースと一体接続して設けられ、前記仕切り板を貫通して前記ダクト室内に突出する複数の縦状の羽根を有する冷却フィン羽根部と、
   前記冷却フィン羽根部の先端に前記ダクト室を縦方向に２分するように取り付けられた風仕切り板と、
   前記風仕切り板の端部と前記ダクト室の壁面との間に取り付けられた主回路導体と、
   前記ダクト室の下部に設けられた吸気口と、
   前記ダクト室の上部に設けられた主冷却ファンと
   を具備し、
   前記主冷却ファンによる冷却風によって前記冷却フィン羽根部と前記主回路導体とを冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記防塵室に取り付けられ、その一部が前記ダクト室に突出した平滑コンデンサを備え、この平滑コンデンサを、前記冷却フィン羽根部を冷却する冷却風によって冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記主回路導体は、前記筐体の床面と所定の傾斜角をもった傾斜平面上に実装するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記主回路導体は、複数の板状の単位導体から成り、この単位導体の幅寸法をＡ、単位導体間の間隙をＢ、前記風仕切り板の端部と内側の前記導体間の間隙をＢ以下とし、外側の導体と筐体の壁面間の寸法をＢとしたとき、Ｂ／Ａが０．５以下となるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記主回路導体は、複数の板状の単位導体から成り、前記単位導体の各々を交互に所定の間隙を有する異なる平面上に千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

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