JP2016201988A - 冷却式電力変換アセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な冷却手段を有する冷却式電力変換アセンブリを提供すること。【解決手段】第1のチャンバ100と、第1のチャンバ100から少なくとも部分的に分離された第2のチャンバ200と、第1のチャンバ100内に配置された少なくとも1つの第1の型のデバイス1と、第2のチャンバ200内に配置された少なくとも1つの第2の型のデバイス2と、第1の冷却素子3及び第2の冷却素子4を備える冷却手段と、を備える冷却式電力変換アセンブリ。第1の冷却素子3は、第1のチャンバ100から外に熱を伝達するように適合され、第2の冷却素子4は、第2のチャンバ200から外に熱を伝達するように適合される。第1の冷却素子3は、少なくとも1つの第1の型のデバイス1と直接接触しており、第2の冷却素子4は、少なくとも1つの第2の型のデバイス2と気体冷却媒体を通して熱伝達的に接続している。【選択図】図1
Description
本発明は、冷却式電力変換アセンブリに関する。
知られている電力変換アセンブリは、ハウジング内の発熱デバイス、及びこのハウジングから外に熱を伝達するように適合された少なくとも1つの熱交換器を備え、この少なくとも1つの熱交換器は、液体冷媒の循環を利用する。
上記の電力変換アセンブリと関連付けられる問題の1つは、その複雑さである。
本発明の目的は、単純な冷却手段を有する冷却式電力変換アセンブリを提供することである。本発明の目的は、独立請求項の記述内容によって特徴付けられる冷却式電力変換アセンブリによって達成される。本発明の好ましい実施例は、従属請求項において開示される。
本発明は、冷却式電力変換アセンブリの高い熱密度のデバイスを冷却するために、基部対空気の冷却素子を使用し、冷却式電力変換アセンブリの低い熱密度のデバイスを冷却するために、空気対空気の冷却素子を使用する、という考えに基づく。
本発明の冷却式電力変換アセンブリは、単純で安価である。
以下では、下記の付属の図面を参照して、好ましい実施例により、本発明についてより詳細に説明する。
図1は、ハウジング6と、第1のチャンバ100と、第2のチャンバ200と、2つの第1の型のデバイス1と、6つの第2の型のデバイス2と、第1のチャンバ及び第2のチャンバを冷却するための冷却手段と、冷却チャネル64と、冷却チャネルのファン手段76と、第2のチャンバのファン手段72と、を備える冷却式電力変換アセンブリの、原理の構造を示す。第1のチャンバ100及び第2のチャンバ200は、ハウジング6の内部に配置される。第1の型のデバイス1は第1のチャンバ100内に配置され、第2の型のデバイス2は第2のチャンバ200内に配置される。
冷却手段は、2つの第1の冷却素子3及び2つの第2の冷却素子4を備える。各第1の冷却素子3は、第1のチャンバ100から外に熱を伝達するように適合される。各第1の冷却素子3は、第1のチャンバ100内に配置された第1の部分31及び第1のチャンバ100の外部に配置された第2の部分32を備える。各第1の冷却素子3の第1の部分31は、対応する第1の型のデバイス1と直接接触している。第1の型のデバイス1と対応する第1の冷却素子3との間の熱伝達は、熱伝導を通して行われるように適合される。
各第2の冷却素子4は、第2のチャンバ200から外に熱を伝達するように適合される。各第2の冷却素子4は、第2のチャンバ200内に配置された第1の部分41及び第2のチャンバ200の外部に配置された第2の部分42を備える。各第2の冷却素子4は、対応する第2の型のデバイス2と、気体冷却媒体を通してのみ熱伝達的に接続している。第2の冷却素子4のいずれの一方も、第2の型のデバイスと直接接触していない。さらに、第2の冷却素子4のいずれの一方も、熱を発生するどのようなデバイスとも直接接触していない。第2の型のデバイス2と対応する第2の冷却素子4との間の熱伝達は、熱対流を通して行われるように適合される。
代替の実施例では、第2の冷却素子のうちの少なくとも一方は、1つに積層された複数の個別の冷却素子を備える。複数の個別の冷却素子の各々は、実質的に同じ冷却媒体流で冷却されるように適合される。
冷却チャネル64は、ハウジング6を通って延在する。冷却チャネル64は、第1の端部641及び第2の端部642を有する。冷却チャネルのファン手段76は、冷却チャネルの第1の端部641と冷却チャネルの第2の端部642との間に冷却チャネル冷却媒体流を提供するように適合される。冷却チャネル冷却媒体流は、冷却チャネルの第1の端部641から冷却チャネルの第2の端部642に向けて方向付けられる。
第2のチャンバ200の内部の気体冷却媒体は、空気である。第1のチャンバ100の内部及び冷却チャネル64の内部にも空気が存在する。冷却チャネルのファン手段76は、ハウジング6の外部から冷却チャネルの第1の端部641へと空気を吸引し、冷却チャネルの第2の端部642からハウジング6の外部へと空気を吹き付ける。冷却チャネル64内に空気が存在するので、各第1の冷却素子3が、基部対空気の冷却素子として機能するように適合され、各第2の冷却素子4が、空気対空気の冷却素子としてのみ機能するように適合されるということができる。
第2のチャンバ200は、分離壁62によって第1のチャンバ100から分離される。第1のチャンバ100と第2のチャンバ200との間には、冷却媒体流は実質的に存在しない。第1のチャンバ100及び第2のチャンバ200の各々は同様に、冷却チャネル64から及びハウジング6の外部から分離される。第1のチャンバ100及び第2のチャンバ200は、侵入防止型のチャンバである。第1のチャンバ100と冷却チャネル64との間、又は第1のチャンバ100とハウジング6の外部との間には、冷却媒体流は実質的に存在しない。同様に、第2のチャンバ200と冷却チャネル64との間、又は第2のチャンバ200とハウジング6の外部との間には、冷却媒体流は実質的に存在しない。冷却チャネル64は、侵入防止型のチャネルではない。代替の実施例では、第2のチャンバは、第1のチャンバから部分的にのみ分離される。
第1の冷却素子3の第2の部分32及び第2の冷却素子4の第2の部分42は、冷却チャネル64内に配置される。第2の冷却素子4の第2の部分42は、第1の冷却素子3の第2の部分32の上流に配置されるが、このことは、第2の冷却素子4の第2の部分42が、第1の冷却素子3の第2の部分32よりも、冷却チャネルの第1の端部641の近くに配置されることを意味する。
第2のチャンバのファン手段72は、第2のチャンバ200の内部で第2のチャンバの冷却媒体流を提供するように適合される。第2のチャンバの冷却媒体流は、第2の型のデバイス2から第2の冷却素子4の第1の部分41への熱伝達を向上させるように適合される。第2のチャンバ200は第1のチャンバ100から分離されているので、第2のチャンバのファン手段72は、第1のチャンバ100内で冷却媒体流を提供するようには適合されない。
図1の冷却式電力変換アセンブリは、冷却式周波数変換器である。左側の第1の型のデバイス1は、整流器ユニットのダイオードモジュール11を備える。ダイオードモジュール11は、整流器ユニットのダイオードを備え、これらのダイオードは、整流器ユニットの入力電流を整流するように適合される。ダイオードモジュール11は、左側の第1の冷却素子3の第1の部分31と直接熱伝達的に接触している。右側の第1の型のデバイス1は、インバータユニットのスイッチモジュール12を備える。スイッチモジュール12は、インバータユニットの制御可能なスイッチを備え、これらの制御可能なスイッチは、インバータユニットの入力電流を反転させるように適合される。制御可能なスイッチは、高い熱密度を有し、したがってこれらは効率的な冷却を必要とする。ある実施例では、制御可能なスイッチは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、すなわちIGBTなどの、知られている半導体スイッチを備える。
代替の実施例では、冷却式電力変換アセンブリは、DC−DC変換器、インバータ、又は電気エネルギーをある形態から別の形態へと変換するように適合された何らかの他のアセンブリである。DC−DC変換器、又は直流変換器は、高い熱密度を有する制御可能なスイッチを備える。一般に、少なくとも1つの第1の型のデバイスの熱密度は、少なくとも1つの第2の型のデバイスの熱密度よりも高い。
第2の型のデバイス2は、保護手段及び接続手段を備える。保護手段は、少なくとも1つの第1の型のデバイス1を保護するように適合され、この目的のためにヒューズを備える。接続手段は、第1の型のデバイス1を、供給源及び負荷に接続するように適合される。接続手段は、ダイオードモジュール11を電力源に接続するための接触器、及びスイッチモジュール12を電動機などの負荷に接続するための別の接触器を備える。保護手段及び接続手段の熱密度は低い。
ある実施例では、少なくとも1つの第1の型のデバイスは、光電池手段から電気ネットワークに電力を供給するように適合されたインバータユニットのスイッチモジュールを備える。この実施例では、接続手段は、インバータユニットを光電池手段に及び電気ネットワークに接続するように適合される。光電池手段は、インバータユニットにとって供給源として働き、電気ネットワークは、インバータユニットにとって負荷として働く。接続手段は、以下、すなわち接触器、スイッチ、コネクタ、及びブレーカのうちの、少なくとも1つを備える。
第1の冷却素子3の各々、及び第2の冷却素子4の各々は、自体の第2の部分が冷却チャネル64内に配置された冷却フィンを備える。冷却フィンは、冷却チャネル冷却媒体流内へと熱を伝達するように適合される。代替の実施例では、第1の冷却素子及び第2の冷却素子のうちの少なくとも1つは、小型熱サイフォン又はcothexなどの、熱サイフォンを備える。別の型の熱パイプを使用することも可能である。
図1の実施例では、冷却チャネル64は、第1のチャンバ100及び第2のチャンバ200にとって共通である。図2は、本発明の別の実施例による冷却式電力変換アセンブリを示す。図2の冷却式電力変換アセンブリは、2つの冷却チャネル、すなわち、第1のチャンバ100’用の第1の冷却チャネル65’と、第2のチャンバ200’用の第2の冷却チャネル66’とを備える。第1の冷却チャネル65’は、第2の冷却チャネル66’から分離される。冷却チャネルに関連する違いを除き、図2の冷却式電力変換アセンブリは、図1の冷却式電力変換アセンブリと相似する。
第1の冷却チャネル65’は、第1の端部651’及び第2の端部652’を有する。第1の端部651’と第2の端部652’との間に冷却媒体流を提供するように適合された、第1の冷却チャネルのファン手段77’が存在する。第1の冷却チャネル65’の内部の冷却媒体流は、第1の端部651’から第2の端部652’に向けて方向付けられる。
第2の冷却チャネル66’は、第1の端部661’及び第2の端部662’を有する。第1の端部661’と第2の端部662’との間に冷却媒体流を提供するように適合された、第2の冷却チャネルのファン手段78’が存在する。第2の冷却チャネル66’の内部の冷却媒体流は、第1の端部661’から第2の端部662’に向けて方向付けられる。
図3は、本発明のさらに別の実施例による冷却式電力変換アセンブリを備える、電力変換器キャビネットを示す。図3では、電力変換器キャビネットが、冷却チャネルの第1の端部641’’の方向から描かれている。図3は、ハウジング6’’が、第2の型のデバイスの区域702’’、制御構成要素区域703’’、ACケーブル敷設区域704’’、DC構成要素区域705’’、DCケーブル敷設区域706’’、及び冷却チャネル区域764’’を備えることを示す。第2の型のデバイスの区域702’’及びDC構成要素区域705’’は、第2のチャンバ200’’を備える。冷却チャネル区域764’’は、冷却チャネルを備える。
図4では、図3の電力変換器キャビネットが、冷却チャネルの第2の端部642’’の方向から描かれている。図4は、ハウジング6’’が、第1のチャンバの区域701’’及びフィルタ手段区域707’’を備えることを示す。第1のチャンバの区域701’’は、第1のチャンバを備える。
図3の電力変換器キャビネットは、拡張性のあるキャビネットである。制御構成要素区域703’’及びACケーブル敷設区域704’’を備える端部部分は、キャビネットの共通部位であり、一方、キャビネットの残りの部分は、二重化又は多重化可能な複製部位を形成する。電力変換器キャビネットが1つの共通の部位及び複数の複製部位を備える実施例では、バスバーは、ある複製部位から別の複製部位まで延在する。
図5は、図3の電力変換器キャビネットの単純化した内部構造を示す。電力変換器キャビネットは、ハウジング6’’、第1のチャンバ100’’、第2のチャンバ200’’、第3のチャンバ300’’、1つの第1の型のデバイス1’’、2つの第2の型のデバイス2’’、フィルタ手段、バスバー手段、第1のチャンバ及び第2のチャンバを冷却するための冷却手段、冷却チャネル64’’、並びに冷却チャネルのファン手段76’’を備える。第1のチャンバ100’’及び第2のチャンバ200’’は、ハウジング6’’の内部に配置される。第1の型のデバイス1’’は、第1のチャンバ100’’内に配置され、第2の型のデバイス2’’は、第2のチャンバ200’’内に配置される。
第2のチャンバ200’’は、第2のチャンバ200’’を第2の型のデバイスの区域702’’及びDC構成要素区域705’’へと分割する隔壁を備える。図5は、第2のチャンバ200’’の第2の型のデバイスの区域を示す。隔壁は図5には描かれていない。隔壁は、図5の画像平面と平行な平面内に延在する。
冷却手段は、第1の冷却素子3’’及び第2の冷却素子4’’を備える。第1の冷却素子3’’は、第1の型のデバイス1’’から外に熱を伝達するように適合される。第1の冷却素子3’’は、第1のチャンバ100’’内に配置された第1の部分31’’及び冷却チャネル64’’内に配置された第2の部分32’’を備える。第1の冷却素子3’’の第1の部分31’’は、第1の型のデバイス1’’と直接接触している。
第2の冷却素子4’’は、第2のチャンバ200’’から外に熱を伝達するように適合される。第2の冷却素子4’’は、第2のチャンバ200’’内に配置された第1の部分41’’及び冷却チャネル64’’内に配置された第2の部分42’’を備える。第1の部分41’’は、第1のチャンバ100’’と第2のチャンバ200’’との間に配置される。第2の冷却素子4’’は、第2の型のデバイス2’’と、気体冷却媒体を通してのみ熱伝達的に接続している。
冷却チャネル64’’は、ハウジング6’’を通って延在する。冷却チャネル64’’は、第1の端部641’’及び第2の端部642’’を有する。冷却チャネルのファン手段76’’は、冷却チャネルの第1の端部641’’と冷却チャネルの第2の端部642’’との間に冷却チャネル冷却媒体流を提供するように適合される。
ハウジング6’’の内部の気体冷却媒体は、空気である。冷却チャネルのファン手段76’’は、ハウジング6’’の外部から冷却チャネルの第1の端部641’’へと空気を吸引し、冷却チャネルの第2の端部642’’からハウジング6’’の外部へと空気を吹き付ける。第1の冷却素子3’’は、基部対空気の冷却素子として機能するように適合され、第2の冷却素子4’’は、空気対空気の冷却素子として機能するように適合される。
バスバー手段は、DCバスバー86’’及びACバスバー88’’を備える。DCバスバー86’’及びACバスバー88’’はいずれも、第1のチャンバ100’’において、第1のチャンバ100’’によって形成される空気循環チャネル内に配置される。
第2のチャンバ200’’は、分離壁62’’によって第1のチャンバ100’’から部分的に分離される。第2の冷却素子4’’の第1の部分41’’も、第2のチャンバ200’’からの第1のチャンバ100’の分離に関与する。冷却媒体は、第2のチャンバ200’’の上側部分から第1のチャンバ100’’内へと、及び第1のチャンバ100’’の下側部分から第2のチャンバ200’’内へと流れる。冷却媒体は、この冷却媒体を冷却する第2の冷却素子4’’の第1の部分41’’を通って、第1のチャンバ100’’内へと流れる。
第1のチャンバ100’’及び第2のチャンバ200’’の各々は、冷却チャネル64’’から及びハウジング6’’の外部から、分離される。第1のチャンバ100’’及び第2のチャンバ200’’は、侵入防止型のチャンバである。冷却チャネル64’’は、侵入防止型のチャネルではない。
第1の冷却素子3’’の第2の部分32’’及び第2の冷却素子4’’の第2の部分42’’は、冷却チャネル64’’内に配置される。第2の冷却素子4’’の第2の部分42’’は、第1の冷却素子3’’の第2の部分32’’の上流に配置される。
第3のチャンバ300’’は、第1のチャンバ100’’から分離される。第3のチャンバ300’’は、第1のサブチャンバ301’’、及び第1のサブチャンバ301’’から分離された第2のサブチャンバ302’’を備える。第3のチャンバ300’’は、第2のサブチャンバ302’’から第1のサブチャンバ301’’へと熱を伝達するように適合された、第3の冷却素子303’’を備える。第3の冷却素子303’’は、空気対空気の冷却素子である。
ハウジング6’’の外部と第1のサブチャンバ301’’との間に、強制的な冷却媒体流が存在する。さらに、第2のサブチャンバ302’’の内部に、別個の強制的な冷却媒体流が存在する。
フィルタ手段は、電力変換アセンブリのスイッチング周波数をフィルタリングすることによって、電力変換アセンブリから供給される電力の品質を改善するように適合される。フィルタ手段は、当技術分野で知られているLCLフィルタを備える。フィルタ手段のコンデンサアセンブリ84’’は、第1のチャンバ100’’内に配置され、第1のチャンバ100’’と第2のチャンバ200’’との間を循環する強制的な冷却媒体流によって冷却されるように適合される。フィルタ手段のインダクタアセンブリ82’’は、第3のチャンバ300’’の第2のサブチャンバ302’’内に配置される。
第1のチャンバ100’’と第2のチャンバ200’’との間を循環する強制的な冷却媒体流は、第2の型のデバイス2’’及びバスバー手段を冷却するようにも適合される。強制的な冷却媒体流は、ある程度まで、第1の型のデバイス1’’の冷却にも関与する。強制的な冷却媒体流を提供するための手段は、図5には描かれていない。
この進歩性を有する概念を様々な方法で実施できることが、当業者には明らかとなろう。本発明及びその実施例は、上記の実例に限定されず、特許請求の範囲の範囲内で変化し得る。
Claims (13)
- 第1のチャンバ(100)と、
前記第1のチャンバ(100)から少なくとも部分的に分離された第2のチャンバ(200)と、
前記第1のチャンバ(100)内に配置された少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)と、
前記第2のチャンバ(200)内に配置された少なくとも1つの第2の型のデバイス(2)と、
第1の冷却素子(3)及び第2の冷却素子(4)を備える冷却手段であって、前記第1の冷却素子(3)が、前記第1のチャンバ(100)から外に熱を伝達するように適合され且つ前記第1のチャンバ(100)内に配置された第1の部分(31)及び前記第1のチャンバ(100)の外部に配置された第2の部分(32)を備え、前記第2の冷却素子(4)が、前記第2のチャンバ(200)から外に熱を伝達するように適合され且つ前記第2のチャンバ(200)内に配置された第1の部分(41)及び前記第2のチャンバ(200)の外部に配置された第2の部分(42)を備える、前記冷却手段と、を備える冷却式電力変換アセンブリにおいて、
前記第1の冷却素子(3)が前記少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)と直接接触しており、前記第2の冷却素子(4)が前記少なくとも1つの第2の型のデバイス(2)と気体冷却媒体を通して熱伝達的に接続していることを特徴とする、
冷却式電力変換アセンブリ。 - 前記冷却式電力変換アセンブリが、前記第1のチャンバ(100)及び前記第2のチャンバ(200)が内部に配置されるハウジング(6)を備えることを特徴とする、請求項1に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記第1のチャンバ(100)及び前記第2のチャンバ(200)が、互いに隣接して配置され且つ分離壁(62)によって互いから少なくとも部分的に分離されることを特徴とする、請求項2に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記冷却式電力変換アセンブリが、前記ハウジング(6)を通って延在する冷却チャネル(64)と、前記冷却チャネルの第1の端部(641)と前記冷却チャネルの第2の端部(642)との間に冷却チャネル冷却媒体流を提供するための冷却チャネルのファン手段(76)と、を備え、前記第1の冷却素子(3)の前記第2の部分(32)が前記冷却チャネル(64)内の第1の場所に配置され、前記第2の冷却素子(4)の前記第2の部分(42)が前記冷却チャネル(64)内の前記第1の場所の上流の第2の場所に配置されることを特徴とする、請求項2又は3に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記冷却式電力変換アセンブリが、前記第2のチャンバ(200)の内部で第2のチャンバの冷却媒体流を提供するための第2のチャンバのファン手段(72)を備え、前記第2のチャンバの冷却媒体流が、前記少なくとも1つの第2の型のデバイス(2)から前記第2の冷却素子(4)の前記第1の部分(41)への熱伝達を向上させるように適合されることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一項に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記冷却式電力変換アセンブリが、電気エネルギーをある形態から別の形態へと変換するように適合され、前記少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)の熱密度が、前記少なくとも1つの第2の型のデバイス(2)の熱密度よりも高いことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一項に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)が、整流器ユニットのダイオードモジュール(11)及び/又はインバータユニットのスイッチモジュール(12)を備えることを特徴とする、請求項6に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記少なくとも1つの第2の型のデバイス(2)が、保護手段及び/又は接続手段を備え、前記保護手段が前記少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)を保護するように適合され、前記接続手段が前記少なくとも1つの第1の型のデバイス(1)を供給源及び/又は負荷に接続するように適合されることを特徴とする、請求項6又は7に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記第1のチャンバ(100)及び前記第2のチャンバ(200)が侵入防止型のチャンバであることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか一項に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記第1の冷却素子(3)が熱パイプ又は冷却フィンを備え、前記第2の冷却素子(4)が熱パイプ又は冷却フィンを備えることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか一項に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記第1の冷却素子(3)が熱サイフォンを備え、且つ/又は、前記第2の冷却素子(4)が熱サイフォンを備えることを特徴とする、請求項10に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記冷却式電力変換アセンブリが、フィルタ手段と、第1のサブチャンバ(301’’)、前記第1のサブチャンバ(301’’)から分離された第2のサブチャンバ(302’’)、前記第2のサブチャンバ(302’’)から前記第1のサブチャンバ(301’’)へと熱を伝達するように適合された第3の冷却素子(303’’)、及びハウジング(6’’)の外部と前記第1のサブチャンバ(301’’)との間に強制的な冷却媒体流を提供するための手段を備える第3のチャンバ(300’’)と、を備え、前記フィルタ手段のインダクタアセンブリ(82’’)が前記第2のサブチャンバ(302’’)内に配置され、前記第3の冷却素子(303’’)が空気対空気の冷却素子であることを特徴とする、請求項1から11までのいずれか一項に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
- 前記冷却式電力変換アセンブリが、前記第1のチャンバ(100’’)と前記第2のチャンバ(200’’)との間を循環する強制的な冷却媒体流を提供するための手段を備え、前記フィルタ手段のコンデンサアセンブリ(84’’)が、前記第1のチャンバ(100’’)内に配置され、且つ前記第1のチャンバ(100’’)と前記第2のチャンバ(200’’)との間を循環する前記強制的な冷却媒体流によって冷却されるように適合されることを特徴とする、請求項12に記載の冷却式電力変換アセンブリ。
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