JP2017204901A

JP2017204901A - 屋外盤

Info

Publication number: JP2017204901A
Application number: JP2016093738A
Authority: JP
Inventors: 邦昭長坂; Kuniaki Nagasaka; 伸広高橋; Nobuhiro Takahashi
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: JP6533181B2

Abstract

【課題】電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備え、屋外に設置する屋外盤に関する。【解決手段】電力変換部１２０と冷却部１３０を隔壁１１１によって分離して同一筐体部１１０内に配置した電力変換装置を、筐体部の上部に屋根部１５０、下部に底部１６０を配置し、屋外に設置する屋外盤１００Ｂであって、前記電力変換部は、前記筐体部及び隔壁により密閉構造とし、前記冷却部は、前記筐体部の上部と屋根部との間、及び前記筐体部の下部及び底部との間に通気口１１２〜１１４、１６１〜１６２を配置し、前記電力変換部及び冷却部の上部に前記隔壁を挟んで配置した熱交換器と、前記冷却部の下部に配置した通気口から、当該冷却部内の空気を下方に排気するファンと、を備え、前記熱交換器は、前記電力変換部で発生した熱を吸熱して前記冷却部に放熱し、前記ファンは、前記冷却部に放熱された熱で暖められた空気を前記通気口から下方に排気する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備え、屋外に設置する屋外盤に関する。

従来、屋外設置の電力変換装置は、自然空冷又は強制空冷によって冷却されている。図７は、電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の屋外盤２００の構造を示す側面断面図の一例である。図８は、電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の自然空冷用屋外盤２００Ａの風の流れを示す図である。以下、これらの図を参照して自然空冷用屋外盤２００の構造及び効果を説明する。

屋外盤２００は、筐体部２１０、電力変換部２２０、冷却部２３０、屋根部２５０及び底部２６０などを有して構成される。

筐体部２１０は、電力変換部２２０及び冷却部２３０を収容し、外部の水滴、埃などの進入を防ぐと共に、風雨などの環境の変化に対して十分な強度が確保される。

電力変換部２２０は、当該電力変換部２２０の主要な発熱体であるスイッチング素子としてのＩＧＢＴ２２１、２２２、当該ＩＧＢＴ２２１、２２２を制御する基板及び電源の入出力用バスバー（以下、基板・バスバー２２３と称する。）、及びヒューズ２２４などを有して構成される。

冷却部２３０は、ヒートパイプ２３１及びフィルタ部２３２などを有して構成される。上述した主要な発熱体であるＩＧＢＴ２２１、２２２の裏面（圧接面）は、ヒートパイプ２３１に圧接されており、ＩＧＢＴ２２１、２２２から発生した熱は、当該圧接面からヒートパイプ内の媒体（作動液）に吸収される。媒体が熱を吸収して蒸発し、フィルタ部２３２から流入した外気による自然空冷によって冷却されたパイプ内の低温部に移動して液体に戻る。このようにして、パイプ内の媒体が循環することによりＩＧＢＴ２２１、２２２が冷却される。図示した矢印は、自然空冷の場合の風の流れの方向を示している。図示した自然空冷用屋外盤２００Ａでは、電力変換部２２０内の発熱損失９０ｗ及びヒートパイプ２３１での発熱損失２．５ｋｗを自然空冷によって冷却している。

図９は、電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の強制空冷用屋外盤２００Ｂの風の流れを示す側面断面図である。強制空冷用屋外盤２００Ｂは、上述した図８のフィルタ部２３２にファン２３３を配置して電力変換部２２０及び冷却部２３０内で発生した熱を屋外盤２００Ｂの外に強制的に排出している点が異なる。

強制空冷用屋外盤２００Ｂの場合は、電力変換部２２０及び冷却部２１０内で発生した熱は、ファン２３３を通して、底部２６０に設けられた通気口２６１、２６２から外部に排出される。なお、ヒートパイプ２３１の動作は図８に示す自然空冷の場合と同様である。図示した強制空冷用屋外盤２００Ｂでは、電力変換部２２０内の発熱損失３５０ｗ及びヒートパイプ２３１での発熱損失５．０ｋｗを強制空冷によって冷却している。このように強制空冷することにより、自然空冷に比べてより大きな発熱損失を行う電力変換装置に適用可能である。

特開２０１５−１６３００３号公報

しかしながら、上述した自然空冷用屋外盤２００Ａ及び強制空冷用屋外盤２００Ｂの場合には、電力変換部２２０と冷却部２３０との間の隔壁に設けた通気口２２５、２２６、２２７を通した空気の流入、流出があるため、防塵、防滴を十分に行うことができないという課題があった。また、扉などの筐体外部との間に熱交換器を設置すると、強風などの屋外環境の影響を受け、熱交換器の特性が安定しないため、屋外盤として耐環境性の課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、電力変換部を密閉構造とし、熱交換器を筐体部内に配置し、密閉された電力変換部の熱を当該熱交換器で、同じ筐体部内の電力変換部の背面側に設けられた冷却部に放熱し、当該放熱された熱をファンで強制空冷する冷却構造を備えた屋外盤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、本発明の請求項記載の屋外盤は、電力変換部と冷却部を隔壁によって分離して同一筐体部内に配置して構成した電力変換装置を、前記筐体部の上部に屋根部、及び下部に底部を配置し、屋外に設置する屋外盤であって、前記電力変換部は、
前記筐体部及び前記隔壁により密閉構造とし、前記冷却部は、前記筐体部の上部と前記屋根部との間、及び前記筐体部の下部及び前記底部との間に通気口を配置し、前記電力変換部及び冷却部の上部に、前記隔壁を挟んで配置した熱交換器と、前記冷却部の下部に配置した通気口から、当該冷却部内の空気を下方に排気するファンと、を備え、前記熱交換器は、前記電力変換部で発生した熱を吸熱して前記冷却部に放熱し、前記ファンは、前記冷却部に放熱された熱で暖められた空気を前記通気口から下方に排気することを特徴とする。

この発明によれば、電力変換部を密閉構造とし、熱交換器を筐体部内に配置し、密閉された電力変換部の熱を同じ筐体部内の電力変換部の背面に設けられた冷却部に放熱し、当該放熱された熱をファンで強制空冷する冷却構造を備えた屋外盤とすることにより、強風などの屋外環境の影響を受け、熱交換器の特性が安定しないという課題を解決すると共に、電力変換部が密閉されているため、当該電力変換部内の防塵、防滴を十分行うことができないという課題を解決することができる。

実施例１に係る電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備えた屋外盤１００の斜視図。図１に示す屋外盤１００の構造を示す側面断面図。図２に示す屋外盤を自然空冷で使用する場合の自然空冷用屋外盤１００Ａの風の流れを示す側面断面図。実施例１に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｂの構造及び当該屋外盤１００Ｂ内の風の流れを示す斜視図。実施例２に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｂの構造及び風の流れを示す側面断面図。実施例４に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｃの構造及び当該屋外盤１００Ｃ内の風の流れを示す側面断面図。電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の屋外盤２００の構造を示す側面断面図の一例。電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の自然空冷用屋外盤２００Ａの風の流れを示す側面断面図。電力変換装置を屋外に設置する場合の従来の強制空冷用屋外盤２００Ｂの風の流れを示す側面断面図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備えた屋外盤１００の斜視図である。図２は、図１に示す屋外盤１００の構造を示す側面断面図である。

屋外盤１００は、筐体部１１０、隔壁１１１、電力変換部１２０、冷却部１３０、屋根部１５０及び底部１６０などを有して構成される。

なお、ここで言う電力変換装置とは、電力変換部１２０と冷却部１３０を同一筐体部１１０内に配置し、インバータ、コンバータ若しくはこれらを制御する制御部及び冷却手段を組み合わせて構成し、電力変換の機能を有する装置をいう。本実施例では、電力変換装置を筐体部１１０に収納し、当該筐体部１１０の上部に屋根部１５０、下部に底部１６０を配置して屋外に設置可能な屋外盤１００を構成した。

筐体部１１０は、電力変換部１２０及び冷却部１３０を収容し、外部の水滴、埃などの進入を防ぐと共に、風雨などの環境の変化に対して十分な強度が確保される。本実施例では、筐体部１１０と、電力変換部１２０及び冷却部１３０との間に隔壁１１１が設けられており、電力変換部１２０は、密閉構造となる。

また、筐体部１１０と屋根部１５０との間には、通気口１１２、１１３及び１１４が配置され、筐体部１１０と底部１６０との間には通気口１６１、１６２が配置されている。

通気口１１２、１１３は、筐体部１１０の上部側面と屋根部１５０の端部との間の隙間を利用し、その開口部が下方を向くように配置される。このような配置にすることにより、外部の水滴、塵などが直接筐体部１１０内に入り込むのを防止している。

通気口１１４は、筐体部１１０の天井部分に配置され、冷却部１３０でヒートパイプ１３１による熱交換の際に発生した熱を外部に放熱又は外部から冷却風を取り込む際の通気口である。

通気口１６０、１６１は、筐体部１１０と底部１６０との間に配置され、冷却部１３０でヒートパイプ（冷却手段）１３１による熱交換の際に発生した熱を外部に放熱又は外部から冷却風を取り込む際の通気口である。

フィルタ部１３２は、通気口１６１、１６２と冷却部１３０との間に配置された防塵用フィルタで、当該通気口１６１、１６２から冷却部１３０へ流れる塵の進入を防止する。なお、このフィルタ部１３２に、ファンを配置して当該冷却部１３０内で発生した熱を外部に放熱することも可能である。

電力変換部１２０は、当該電力変換部１２０の主要な発熱体であるスイッチング素子としてのＩＧＢＴ１２１、１２２、当該ＩＧＢＴ１２１、１２２を制御する基板及び電源の入出力用バスバー（以下、基板・バスバー１２３と称する。）、及びヒューズ１２４などを有して構成される。

冷却部１３０は、熱交換器１２７、ヒートパイプ１３１及びフィルタ部１３２（またはファン１３３）などを有して構成される。

熱交換器１２７は、温度の高い物体から低い物体へ効率的に熱を移動させることで、物体の加熱や冷却を行う目的で使用される。ここでは、密閉構造になっている電力変換部１２０内（高温側）の熱を吸収し、隔壁の背面側である冷却部１３０（低温側）に放熱する。

また、上述した主要な発熱体であるＩＧＢＴ１２１、１２２の裏面は、ヒートパイプ１３１に圧接されており、ＩＧＢＴ１２１、１２２から発生した熱は、当該圧接面からヒートパイプ１３１内の媒体（作動液）に吸収される。媒体は、熱を吸収して蒸発し、フィルタ部１３２から流入した冷風（またはファン１３３）によって冷却されたパイプ内の低温部に移動して液体に戻る。このようにして、ヒートパイプ１３１内の媒体が循環することによりＩＧＢＴ１２１、１２２が冷却される。

この結果、電力変換部１２０が密閉構造であるにも関わらず、電力変換部１２０内で発生した熱は熱交換器１２７及びヒートパイプ１３１によって冷却部１３０に放熱される。

図３は、図２に示す屋外盤を自然空冷で使用する場合の自然空冷用屋外盤１００Ａの風の流れを示す図である。自然空冷用屋外盤１００Ａでは、フィルタ部１３２にはファンを配置しないか若しくは配置したファンを動作させない状態で使用される。

（１）電力変換部１２０が密閉構造であり、電力変換部１２０内で加熱された空気は図示矢印ａ１方向に上昇する。

（２）熱交換器１２７及びヒートパイプ１３１からの放熱で温められた空気は、図示矢印ａ４方向に上昇し、通気口１１４を通り、通気口１１２、１１３から排出される。

（３）上記（２）で、温められた空気が、上記通気口１１２、１１３から排気されるのに伴い、通気口１６１、１６２から冷気が図示矢印ａ２の方向に取り込まれ、フィルタ部１３２を介して冷却部１３０に流入する。

（４）上述した空気の流れにより、ＩＧＢＴ１２１、１２２による発熱損失が比較的少ない場合には（図示した場合は発熱損失２．５ｋｗ）、上記自然空冷による空気循環により、電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備えた自然空冷用屋外盤１００Aを提供することができる。なお、実施例１における自然空冷の冷却効果は、電力変換部１２０及び冷却部１３０内の冷却効果が低いため、発熱損失が強制空冷に比べて小さい場合に好適である。

図４は、実施例１に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｂの構造及び当該屋外盤１００Ｂ内の風の流れを示す斜視図である。図５は、実施例２に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｂの構造及び風の流れを示す側面断面図である。実施例２では、フィルタ部１３２に、ファン１３３を、通風方向を下向きに配置する。通風方向を下向きに配置することにより、筐体部１１０内に熱交換器１２７を配置しても電力変換部１２０から排出される熱を冷却することが可能になる。上記ファン１３３以外の部分は、実施例１と同様であるため、同一部分は同一符号を使用し、実施例１と異なる部分の説明を行う。

以下、実施例２の空気の流れの詳細を説明する。

（１）電力変換部１２０が密閉構造であり、電力変換部１２０内で加熱された空気は、図示矢印ｂ１１方向に上昇し、熱交換器１２７によって冷却され、図示矢印ｂ１１、ｂ１２で示す対流により密閉されている電力変換部１２０内部が冷却される。

（２）熱交換器１２７及びヒートパイプ１３１からの放熱で冷却部１３０内の空気は温められる。

（３）上記（２）で温められた空気は、ファン１３３により、図示矢印ｂ３の方向に吸引され、通気口１６１、１６２から図示矢印ｂ２の方向に排気される。

（４）上記（３）の排気に伴い、通気口１１２、１１３から図示矢印ｂ５の方向に外気が取り込まれ、通気口１１４から図示矢印ｂ４の方向に冷気が流入する。

上述した空気の流れにより、ＩＧＢＴ１２１、１２２による発熱損失が比較的大きい場合であっても（図示した場合は発熱損失５．０ｋｗ）、ファンの排気方向を下向きとすることにより、筐体部１１０内部に熱交換器を配置しても当該電力変換部１２０の冷却が可能である。

実施例２に示す電力変換装置の密閉収納可能な冷却構造を備えた強制空冷用屋外盤と同一構成において、本実施例では、ファン１３３及び熱交換器１２７を必要に応じて制御する。

例えば、太陽光発電用電力変換装置として当該実施例２を適用する場合、
（１）太陽光発電用電力変換装置は、環境の依存度が高く、出力の安定が期待できない。そのような場合は、当該強制空冷用屋外盤１００Ｂのファン１３３（若しくは熱交換器１２７）は常時運転するのではなく、出力電流が大きくなる場合のみ運転するように制御する。従って、出力が小さいときには、ファン１３３は止まり、当該強制空冷用屋外盤１００Ｂは、自然空冷用屋外盤１００Ａとして機能する。また、この場合は、筐体部１１０内上方の空気温度が高くなり、熱交換器１２７も機能しないため、熱交換器１２７も停止する。

（２）上記（１）の状態で、出力が大きくなったときには、熱交換器１２７とファン１３３を同時にオンし、放熱する制御を行う。

上述したように、実施例３によれば、強制空冷用屋外盤１００Ｂの熱交換器１２７及びファン１３３を、電力変換装置の出力の大きさにより制御することができ、当該電力変換装置を効率的に冷却することが可能になる。

図６は、実施例４に係る屋外盤を強制空冷で使用する場合の強制空冷用屋外盤１００Ｃ及び当該屋外盤１００Ｃ内の風の流れを示す図である。実施例４では、熱交換器１２７を電力変換部１２０と屋根部１５０との間に配置する。上記熱交換器１２７以外の部分は、実施例２と同様であるため、同一部分は同一符号を使用し、実施例２と異なる部分の説明を行う。

本実施例では、熱交換器１２７は、電力変換部１２０の天井部と屋根部１５０との間に配置されている。このような配置であっても、屋外盤の扉など筐体外部との間に熱交換器を設置した場合と異なり、強風などの屋外環境の影響を受け、熱交換器の特性が安定しないという課題を解決することができ、実施例２と同様の効果を得ることができる。

１００屋外盤
１１０筐体部
１１１隔壁
１１２〜１１４通気口
１２０電力変換部
１２１、１２２ IGBT
１２３基板、バスバー
１２４ヒューズ
１２５、１２６通気口
１２７熱交換器
１３０冷却部
１３１ヒートパイプ
１３２フィルタ部
１３３ファン
１５０屋根部
１６０底部
１６１,１６２通気口

Claims

電力変換部と冷却部を隔壁によって分離して同一筐体部内に配置して構成した電力変換装置を、前記筐体部の上部に屋根部、及び下部に底部を配置し、屋外に設置する屋外盤であって、
前記電力変換部は、
前記筐体部及び前記隔壁により密閉構造とし、
前記冷却部は、
前記筐体部の上部と前記屋根部との間、及び前記筐体部の下部及び前記底部との間に通気口を配置し、
前記電力変換部及び冷却部の上部に、前記隔壁を挟んで配置した熱交換器と、
前記冷却部の下部に配置した通気口から、当該冷却部内の空気を下方に排気するファンと、を備え、
前記熱交換器は、
前記電力変換部で発生した熱を吸熱して前記冷却部に放熱し、
前記ファンは、前記冷却部に放熱された熱で暖められた空気を前記通気口から下方に排気することを特徴とする屋外盤。
前記電力変換部には、発熱量大きいＩＧＢＴ、基板、バスバーを配置し、
前記冷却部には、前記ＩＧＢＴの圧接面に密着配置した冷却手段を配置したことを特徴とする請求項１記載の屋外盤。
前記ＩＧＢＴの冷却手段は、ヒートパイプであることを特徴とする請求項２記載の屋外盤。
前記電力変換装置の出力電流の大きさに応じて、前記熱交換機若しくは前記ファンの駆動をオン／オフ制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の屋外盤。
前記熱交換器を前記電力変換部の天井部と前記屋根部との間に配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の屋外盤。