JP2013158092A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天井側を排熱スペースとして利用する場合であっても、ＬＣフィルタ回路ユニットや電力変換ユニットなどユニットの冷却効果を十分に高め、他の制御部品に対して熱的影響を与えない電力変換装置を提供する。
【解決手段】筐体２の前面開口部を覆う下側の前面板４に形成された前面側通気口と、筐体の上部開口部を覆う天面板６に形成された天面側通気口と、筐体内部に収納された冷却ファンユニット５４と、冷却ファンユニットの下部に位置して前面側通気口に近接するように筐体内部に収納され、交流電流の高周波成分を抑制するＬＣフィルタ回路ユニット５０と、冷却ファンユニットの上部に位置して筐体内部に収納された電力変換ユニット５２とを備えている。冷却ファンユニットは、前面側通気口から吸い込んだ冷却空気をＬＣフィルタ回路ユニット及び電力変換ユニットに通過させて天面側通気口から排出するようにしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、筐体内に複数のユニットを上下に多段に収納した電力変換装置に係り、特に、ユニットに冷却ファンを搭載したものに関する。

プラントの計測設備やコンピュータなどに安定した電源供給を行う電力変換装置として無停電電源装置が知られている。無停電電源装置は、通常、筐体内に複数の制御部品がユニット化された状態で収納されている。
例えば特許文献１の装置は、筐体内に、制御部品を機能別に搭載した複数のユニットが上下に多段に収納され、筐体の前面板に前面側通気口が形成され、筐体の背面板に背面側通気口が形成されている。そして、各ユニットの前面側に配置した冷却ファンにより前面側通気口から空気を取り込むと、冷却空気がユニット内の前面側から背面側に流れて制御部品を冷却し、装置の背面側を排熱スペースとして背面側通気口から外部に空気が排出される。

ここで、無停電電源装置には、交流電流の高周波成分を抑制するＬＣフィルタ回路を備えたユニットがある。このＬＣフィルタ回路を備えたユニットは、自己発熱量が多いリアクトルを備えており、上述した特許文献１の装置では、コイル巻線の間に設けた隙間が、前面側通気口及び背面側通気口に向かって水平方向に延在するようにリアクトルを配置し、冷却空気を隙間に積極的に通過させてユニットの冷却効果を高めている。

特開２０１０−１４８１９４号公報

ところで、レイアウト等の制約から装置の背面側を排熱スペースとして利用することができず、装置の天井側を排熱スペースとして利用したい場合がある。その場合、特許文献１の装置の天面に通気口を設け、冷却ファンが取り込んだ冷却空気を筐体内部の下部から天井に向けて流れるようにしてユニットを冷却することが考えられる。
しかし、特許文献１の装置は、ＬＣフィルタ回路を備えたユニットのリアクトルが、コイル巻線の間の隙間が水平方向に延在して配置されており、筐体内部を上下方向に流れる冷却空気がリアクトルの隙間を通過しにくい。したがって、特許文献１の装置を使用して天井側を排熱スペースとする場合には、冷却効果の面で問題がある。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、天井側を排熱スペースとして利用する場合であっても、ＬＣフィルタ回路ユニットや電力変換ユニットなどユニットの冷却効果を十分に高め、他の制御部品に対して熱的影響を与えない電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、筐体の前面開口部を覆う下側の前面板に形成された前面側通気口と、前記筐体の上部開口部を覆う天面板に形成された天面側通気口と、前記筐体内部に収納された冷却ファンユニットと、前記冷却ファンユニットの下部に位置して前記前面側通気口に近接するように前記筐体内部に収納され、交流電流の高周波成分を抑制するＬＣフィルタ回路ユニットと、前記冷却ファンユニットの上部に位置して前記筐体内部に収納された電力変換ユニットと、を備え、前記冷却ファンユニットは、前記前面側通気口から吸い込んだ冷却空気を前記ＬＣフィルタ回路ユニット及び電力変換ユニットに通過させて前記天面側通気口から排出するようにした。

この発明によると、ＬＣフィルタ回路ユニット及び電力変換ユニットが離間して筐体内部に収納されているので、ＬＣフィルタ回路ユニットで発生した熱が電力変換ユニットに影響を与えることがない。また、ＬＣフィルタ回路ユニットは、前面側通気口に近い筐体の下部に収納されているので冷却効果を高めることができる。

また、本発明に係る電力変換装置において、前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する全てのリアクトルは、コイル巻線の間に設けた隙間が上下方向に延在するように配置されている。
この発明によると、筐体内部を流れる冷却空気は、各リアクトルの隙間をスムーズに通過して上方に流れていくので、リアクトルの冷却効果を高めることができる。

また、本発明に係る電力変換装置は、前記冷却ファンユニットが、前記筐体内の水平方向断面の略全域が冷却空気流れ領域となるように配置されているとともに、前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のリアクトルを、前記冷却空気流れ領域に広がるように配置した。
この発明によると、筐体内部に、温度が局部的に高い領域を無くすことができ、ＬＣフィルタ回路ユニット及び電力変換ユニットを効率良く冷却することができる。

また、本発明に係る電力変換装置は、前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のコンデンサと複数のリアクトルとを、互いに離間して配置した。
この発明によると、自己発熱量が多いコンデンサの熱をリアクトルに伝達してリアクトルの冷却効率を低下させるおそれがない。
さらに、本発明に係る電力変換装置は、前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のコンデンサを、前記前面側通気口に近い前記前面板側に配置した。
この発明によると、自己発熱量が多いコンデンサを前面側通気口から入り込んだ冷却空気で効率的に冷却することで、筐体内部の他の制御部品に対してコンデンサの熱による影響を与えない。

本発明に係る電力変換装置によれば、天井側を排熱スペースとして利用する場合に、ＬＣフィルタ回路ユニットや電力変換ユニットなどユニットの冷却効果を十分に高め、他の制御部品に対して熱的影響を与えない電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る無停電電源装置を前面側及び天面側から示した斜視図である。 本発明に係る無停電電源装置内の結線図である。 本発明に係る無停電電源装置を側面側から示し、筐体内部の冷却空気の流れ方向を示した図である。 本発明に係る無停電電源装置の前面カバーを外し、内扉を開けて装置内部を正面から示した図である。 本発明に係る無停電電源装置の側面カバーを外し、装置内部を側面から示した図である。 図５のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明に係る無停電電源装置の裏面カバーを外し、装置内部を裏面から示した図である。 比較例の無停電電源装置の裏面カバーを外し、装置内部を裏面から示した図である。 本発明に係る無停電電源装置と、比較例の無停電電源装置との異なるリアクトル配置による発熱量の変化を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の電力変換装置に係る一実施形態の無停電電源装置は、図１（ａ）に示すように、筐体２の前面開口部の上部を、制御部のプリント基板を取付けた内扉５が覆い、図１（ｂ）に示すように、開閉扉４が、内扉５とともに筐体２の前面開口部の全域を覆っている。また、図１（ｃ）に示すように、筐体２の上部開口部を天面カバー６が覆い、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、筐体２の側面開口部を側面カバー８が覆っている。

図１（ｂ）に示すように、開閉扉４の下部には、冷気を筐体２内部に吸い込む吸気スリット１０が形成されている。また、開閉扉４の上部には、筐体２内部の空気を外部に排出する排気スリット１２が形成されている。
さらに、図１（ｃ）に示すように、天面カバー６にも、筐体２内部の空気を外部に排出する排気スリット１４が形成されている。
なお、本発明の前面板が開閉扉４に対応し、本発明の前面側通気口が吸気スリット１０に対応し、本発明の天面板が天面カバー６に対応し、本発明の天面側通気口が排気スリット１４に対応している。

図２は、無停電電源装置の回路構成を示すものであり、Ｕ，Ｖ，Ｗは交流入力用外線端子部、ｕ，ｖ，ｗは交流出力用外線端子部、Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃは直送入力用外線端子部、＋，−は直流入力用外線端子部である。交流入力用外線端子部Ｕ，Ｖ，Ｗ及び直送入力用外線端子部Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃは商用電源と接続し、直流入力用外線端子部＋，−は蓄電池に接続している。

交流入力用外線端子部Ｕ，Ｖ，Ｗと交流出力用外線端子部ｕ，ｖ，ｗとの間には、主回路遮断器であるＭＣＣＢ１６、交流入力用電磁接触器１８、第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、交流入力用コンデンサ２２ａ〜２２ｆ、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄ、第１電力変換部２６、第２電力変換部２８、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ、交流出力用コンデンサ３２ａ〜３２ｌ及び交流出力用電磁接触器３４が直列に接続されている。

直送入力用外線端子部Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃと交流出力用外線端子部ｕ，ｖ，ｗとの間には、直送入力用電磁接触器３６及びＡＣスイッチ３８ａ〜３８ｃが並列に接続されている。
直流入力用外線端子部＋，−と第１電力変換部２６との間には、直流入力用電磁接触器４０、ヒューズ４２、直流入力用コンデンサ４４ａ，４４ｂ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄが接続されている。

第２電力変換部２８にはバランサ用リアクトル４８が接続されている。
ここで、第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、交流入力用コンデンサ２２ａ〜２２ｆ及び第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄは、商用電源から入力された交流電流の高周波成分を抑制する交流入力用ＬＣフィルタ回路である。
また、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び交流出力用コンデンサ３２ａ〜３２ｌは、第２電力変換部２８から出力された交流電流の高周波成分を抑制する交流出力用ＬＣフィルタ回路である。

また、直流入力用コンデンサ４４ａ，４４ｂ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄを合わせて、直流入力用ＬＣフィルタ回路部と称する。
そして、交流入力用ＬＣフィルタ回路、交流出力用ＬＣフィルタ回路及び直流入力用ＬＣフィルタ回路を合わせて、ＬＣフィルタ回路ユニット５０と称する。
さらに、第１電力変換部２６及び第２電力変換部２８を合わせて、電力変換ユニット５２と称する。

次に、図３は、無停電電源装置内部に上下に多段に収納されたユニットを示したものであり、筐体２内部の下部にＬＣフィルタ回路ユニット５０が収納されている。このＬＣフィルタ回路ユニット５０の上部には、冷却ファンユニット５４が収納され、この冷却ファンユニット５４の上部には、電力変換ユニット５２が収納されている。
冷却ファンユニット５４は、図４に示すように、ＬＣフィルタ回路ユニット５０の上部に幅方向に並んで配置した第１冷却ファン５４Ａ及び第２冷却ファン５４Ｂで構成されている。

電力変換ユニット５２を構成する第１電力変換部２６及び第２電力変換部２８は、図４に示すように、冷却ファンユニット５４の上部に幅方向に並んで配置されており、第１電力変換部２６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子、パワー半導体素子冷却体、電解コンデンサ等を備えた装置であり、商用電源から交流入力用ＬＣフィルタ回路を介して入力した商用電力を交流から直流に変換するコンバータ装置である。また、第２電力変換部２８も、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子、パワー半導体素子冷却体、電解コンデンサ等を備えた装置であり、第１電力変換部２６から入力した直流の電力、或いは蓄電池（図２参照）から入力した直流の電力を交流に変換するインバータ装置である。

次に、ＬＣフィルタ回路ユニット５０を構成する制御部品の配置について、図４から図７を参照して説明する。
ＬＣフィルタ回路ユニット５０の交流入力用ＬＣフィルタ回路を構成する第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄは、図５及び図７に示すように、筐体２内部の最下部、且つ背面側に幅方向（水平方向）に並んで収納されている。
直流入力用ＬＣフィルタ回路部を構成する直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄは、筐体２内部の第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄの上部位置、且つ背面側に幅方向に並んで収納されている。

交流出力用ＬＣフィルタ回路部を構成する交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄは、筐体２内部の直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄの上部位置、且つ背面側に幅方向に並んで収納されている。
さらに、交流入力用ＬＣフィルタ回路を構成する第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄは、筐体２内部の交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄの上部位置、且つ背面側に幅方向に並んで収納されている。
このように、最下段に収納した第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄから、電力変換ユニット５２（第１電力変換部２６及び第２電力変換部２８）に向かう上方に向けて、直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄ、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄの順で収納されている。

ここで、第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄ、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄは、コイル巻線（不図示）の間の隙間（不図示）が上下方向に延在し、即ち、筐体２内部の冷風の流れに沿う方向にコイル巻線の隙間が延在するように配置されている。

また、図４に示すように、ＬＣフィルタ回路ユニット５０の直流入力用ＬＣフィルタ回路部を構成する直流入力用コンデンサ４４ａ，４４ｂは、直流入力用ＬＣフィルタ回路部のリアクトル（第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄ、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄ）から離間した筐体２の前面側に収納されている。
また、図５及び図６に示すように、ＬＣフィルタ回路ユニット５０の交流入力用ＬＣフィルタ回路を構成する交流入力用コンデンサ２２ａ〜２２ｆ及び交流出力用ＬＣフィルタ回路を構成する交流出力用コンデンサ３２ａ〜３２ｌは、筐体２内部の下部位置であって前面側に収納されている。

次に、本実施形態の作用効果について述べる。
先ず、筐体２内部の冷却ファンユニット５４（第１冷却ファン５４Ａ及び第２冷却ファン５４Ｂ）の上部に電力変換ユニット５２（第１電力変換部２６及び第２電力変換部２８）が収納され、冷却ファンユニット５４の下部にＬＣフィルタ回路ユニット５０が収納されており、ＬＣフィルタ回路ユニット５０及び電力変換ユニット５２が離間して筐体２内部に収納されているので、ＬＣフィルタ回路ユニット５０で発生した熱が電力変換ユニット５２に直接影響を与えることがない。

冷却ファンユニット５４を構成する第１冷却ファン５４Ａ及び第２冷却ファン５４Ｂは、前面カバー５の吸気スリット１０から筐体２内部に取り込んだ空気を下方から上方に向けて移動させ（図３の筐体２内部の矢印で示す方向）、各ユニット５０，５２に冷却空気を接触させる。ここで、第１冷却ファン５４Ａ及び第２冷却ファン５４Ｂは、筐体２内の幅方向に並んで収納され、筐体２内の水平方向断面の略全域が冷却空気流れ領域となるように配置されている。そして、電力変換ユニット５２を通過した冷却空気は、天面カバー６の排気スリット１４から外部に排出される。なお、上方に移動した冷却空気の一部は開閉扉４の排気スリット１２からも外部に排出される。
ここで、筐体２内部のＬＣフィルタ回路ユニット５０は、吸気スリット１０に近い筐体２の下部に収納されているので冷却効果を高めることができる。

また、ＬＣフィルタ回路ユニット５０を構成する第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄ、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄのコイル巻線の間の隙間は上下方向に延在して設けられおり、筐体２内部の冷却空気は、各リアクトルの隙間をスムーズに通過して上方に流れていくので、各リアクトルの冷却効果を高めることができる。
したがって、本発明は、天井側を排熱スペースとして利用する場合であっても、筐体２内部のユニットの冷却効果を十分に高め、他の制御部品に対して熱的影響を与えない電力変換装置を提供することができる。

また、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄは、他のリアクトルと比較して自己発熱量が多いが、上方に向けて流れる冷却空気に対して直交する位置、すなわち冷却空気流れ領域に広がって筐体２内に収納されており、各リアクトルに冷却空気が均等に接触するので、第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄの冷却効果をさらに高めることができる。また、同様に、第１交流入力用リアクトル２０ａ〜２０ｄ、交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄ及び直流入力用リアクトル４６ａ〜４６ｄも、上方に向けて流れる冷却空気に対して直交する位置、すなわち冷却空気流れ領域に広がって筐体２内に収納されており、各リアクトルに冷却空気が均等に接触し、冷却効果をさらに高めることができる。

ここで、図８は、本実施形態の作用効果を明確にするために、他の制御部品に熱的影響を与えやすいリアクトル配置とした比較例を示すものである。すなわち、図８では、自己発熱量が多い第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄを上下に２段に配置し、比較的自己発熱量が少ない交流出力用リアクトル３０ａ〜３０ｄを第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄに幅方向に並べて上下に２段配置している。

図８に示すリアクトルの配置にすると、上下に２段配置され、自己発熱量が多い第２交流入力用リアクトル２４ａ〜２４ｄを通過した冷却空気は高温となり、この高温の冷却空気が流れる第１冷却ファン５４Ａ及び第１電力変換部２６も、第２冷却ファン５４Ｂ及び第２電力変換部２８と比較して高温となる。このため、第１冷却ファン５４Ａの駆動部や第１電力変換部２６の電解コンデンサに対して、寿命短縮などの影響を与えてしまう。

しかし、本実施形態のリアクトルの配置では、冷却空気が高温となるようなリアクトルの配置を行っておらず、第１及び第２冷却ファン５４Ａ，５４Ｂの駆動部や第１及び第２電力変換部２６，２８の電解コンデンサに対して寿命短縮などの影響を与えることがない。
また、ＬＣフィルタ回路ユニット５０を構成する交流入力用コンデンサ２２ａ〜２２ｆ、交流出力用コンデンサ３２ａ〜３２ｌ及び直流入力用コンデンサ４４ａ，４４ｂは自己発熱量が多い部品である。この自己発熱量が多いコンデンサは、吸気スリット１０に近い前面側に収納されており、吸気スリット１０から取り入れた空気が直接接触するので効率良く冷却することができ、コンデンサの発熱を他の部品に影響させないようにしている。

なお、図９に示すものは、本実施形態の無停電電源装置（図９の（ａ））と、図８で示した他の制御部品に熱的影響を与えやすいリアクトル配置とした比較例（図９（ｂ））とを、同一のＡＣ／ＡＣ運転（１００ｋＶＡ、交流入力電圧ＡＣ１８０Ｖ、交流出力電圧ＡＣ２００Ｖ、負荷率１００％）を行ったときに、リアクトルの発熱量の変化を示したものである。

両者を比較すると、図９（ａ）の本実施形態の装置は、幅方向の右半分のＳ１領域の総発熱量と、左半分のＳ２領域の総発熱量とには差が発生せず、第１及び第２冷却ファン５４Ａ，５４Ｂや第１及び第２電力変換部２６，２８に寿命短縮などの影響を与えることがない。これに対して、図９（ｂ）の比較例では、幅方向の右半分のＳ１領域の総発熱量が１３７４［Ｗ］、左半分のＳ２領域の総発熱量が９２６［Ｗ］となり、Ｓ１領域とＳ２領域との総発熱量に４４８［Ｗ］の差が発生してしまう（Ｓ１領域の総発熱量がＳ２領域の総発熱量に対して高くなる）。このため、第１電力変換部２６が高温となり、第１電力変換部２６の電解コンデンサに対して寿命短縮などの影響を与えてしまうおそれがある。

２…筐体、４…開閉扉、５…内扉、６…天面カバー、８…側面カバー、１０…吸気スリット、１２…排気スリット、１４…排気スリット、１８…交流入力用電磁接触器、２０ａ〜２０ｄ…第１交流入力用リアクトル、２２ａ〜２２ｆ…交流入力用コンデンサ、２４ａ〜２４ｄ…第２交流入力用リアクトル、２６…第１電力変換部、２８…第２電力変換部、３０ａ〜３０ｄ…交流出力用リアクトル、３２ａ〜３２ｌ…交流出力用コンデンサ、３４…交流出力用電磁接触器、３６…直送入力用電磁接触器、３８ａ〜３８ｃ…ＡＣスイッチ、４０…直流入力用電磁接触器、４２…ヒューズ、４４ａ，４４ｂ…直流入力用コンデンサ、４６ａ〜４６ｄ…直流入力用リアクトル、４８…バランサ用リアクトル、５０…ＬＣファルタ回路ユニット、５２…電力変換ユニット、５４…冷却ファンユニット、ｕ，ｖ，ｗ…交流出力用外線端子部、Ｕ，Ｖ，Ｗ…交流入力用外線端子部、Ｕｃ，Ｖｃ，Ｗｃ…直送入力用外線端子部

Claims (5)

1. 筐体の前面開口部を覆う下側の前面板に形成された前面側通気口と、
   前記筐体の上部開口部を覆う天面板に形成された天面側通気口と、
   前記筐体内部に収納された冷却ファンユニットと、
   前記冷却ファンユニットの下部に位置して前記前面側通気口に近接するように前記筐体内部に収納され、交流電流の高周波成分を抑制するＬＣフィルタ回路ユニットと、
   前記冷却ファンユニットの上部に位置して前記筐体内部に収納された電力変換ユニットと、を備え、
   前記冷却ファンユニットは、前記前面側通気口から吸い込んだ冷却空気を前記ＬＣフィルタ回路ユニット及び電力変換ユニットに通過させて前記天面側通気口から排出するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する全てのリアクトルは、コイル巻線の間に設けた隙間が上下方向に延在するように配置されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記冷却ファンユニットは、前記筐体内の水平方向断面の略全域が冷却空気流れ領域となるように配置されているとともに、前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のリアクトルを、前記冷却空気流れ領域に広がるように配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のコンデンサと複数のリアクトルとを、互いに離間して配置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ＬＣフィルタ回路ユニットを構成する自己発熱量が多い複数のコンデンサを、前記側通気口に近い前記前面板側の配置したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電力変換装置。

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