JP2019165588A - 冷却装置、電力変換装置および蓄電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱量が変化する複数の熱源を効果的に冷却できる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置13は、通気路部材53，66、および送風部61，80を備える。通気路部材53，66は、通気路58，77を有し、それぞれの温度変化が異なる複数の熱源83が通気路58，77内に沿って配置される。送風部61，80は、通気路58，77内に送風するとともに、熱源83毎の温度に応じて通気路58，77内に送風する送風方向を変更可能とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、熱源を冷却する冷却装置、この冷却装置を備えた電力変換装置および蓄電池システムに関する。

従来、例えば太陽光発電モジュールなどを備える発電システムや商用電力を供給する系統電源などと接続される電力変換装置と蓄電池装置とが別体形の蓄電池システムまたは一体形の蓄電池システムがある。この蓄電池システムは、太陽光発電システムの発電電力を蓄電したり、系統電源の料金が安い夜間などの時間帯に電力を蓄電したりして、必要時に蓄電した電力を負荷に供給するように構成されている。

そして、電力変換装置や一体形の蓄電池システムでは、交流電力と直流電力との変換を行う電力変換回路を備えている。この電力変換回路の部品にはリアクトルやスイッチング素子などの発熱量の大きい発熱部品やこの発熱部品に熱的に接続された放熱部品などの複数の熱源が含まれるため、この複数の熱源を冷却するために冷却装置が用いられる。

冷却装置は、複数の熱源に対して一方向から送風し、冷却している。しかし、複数の熱源の熱量が変化するような場合には、複数の熱源に対して一方向から送風するだけでは、複数の熱源の冷却が効果的に行われないことがある。

特開２０１２−２３１６４５号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱量が変化する複数の熱源を効果的に冷却できる冷却装置、電力変換装置および蓄電池システムを提供することである。

実施形態の冷却装置は、通気部、および送風部を備える。通気部は、通気路を有し、それぞれの温度変化が異なる複数の熱源が通気路内に沿って配置される。送風部は、通気路内に送風するとともに、熱源毎の温度に応じて通気路内に送風する送風方向を変更可能とする。

実施形態の冷却装置によれば、熱量が変化する複数の熱源を効果的に冷却することが期待できる。

第１の実施形態を示す冷却装置を用いた電力変換装置の背面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の正面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の背面側から見た断面斜視図である。 同上電力変換装置の背面側から見た斜視図ある。 同上電力変換装置の正面側から見た斜視図である。 第２の実施形態を示す蓄電池システムの正面側から見た断面斜視図である。 同上蓄電池システムの正面側から見た斜視図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図５を参照して説明する。

図１ないし図５に電力変換装置（パワーコンディショナ）10を示す。この電力変換装置10は、蓄電池モジュールを備えた蓄電池装置と組み合わせて、例えば住宅などに設置される別体形の蓄電池システムに用いられる。そして、電力変換装置10は、例えば系統電源の電力を交流から直流に変換して蓄電池装置に蓄電し、必要時に蓄電池装置に蓄電した電力を直流から交流に変換して負荷へと供給するように構成されている。

電力変換装置10は、筐体11、この筐体11内に収納される電力変換部12、およびこの電力変換部12が有する発熱部品を冷却する冷却装置13を備えている。

そして、筐体11は、主ケース15、この主ケース15の前面側に配置される前面カバー16、および主ケース15の背面側に配置される背面ケース17を備えている。

主ケース15は、背面部20、上面部21、下面部22、および左右の側面部23，24を有し、前面側が開口した箱状に形成されている。背面部20の中央領域には、左右方向に沿って横長の開口部25が形成されている。下面部22には、例えば系統電源および負荷が接続される分電盤や蓄電池装置などとの配線が挿通される図示しない配線部が設けられている。

前面カバー16は、主ケース15の前端に図示しないパッキングを介して取り付けられている。

背面ケース17は、背面部26、上面部27、下面部28、および左右の側面部29，30を有し、前面側が開口した箱状に形成されている。背面ケース17の前端側が主ケース15の背部側に固定されて一体化されている。左右の側面部29，30には、前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ複数の通気口31，32が形成されている。下面部28にも、前後方向に長いスリット状で左右方向に並んだ複数の通気口33が形成されている。そして、背面ケース17は、住宅の壁面に取り付けるための壁面取付部材としても機能する。

主ケース15と前面カバー16との間に第１の空間35が形成され、主ケース15と背面ケース17との間に第２の空間36が形成されている。これら第１の空間35と第２の空間36とは、主ケース15の背面部20が仕切板として機能して区画形成されている。

また、電力変換部12は、例えば系統電源の電力を交流から直流に変換して蓄電池装置に蓄電し、必要時に蓄電池装置に蓄電した電力を直流から交流に変換して負荷へと供給する電力変換装置12の主回路である電力変換回路40を備えている。電力変換回路40は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ、および直流電力を交流電力に変換するインバータなどを備えている。これらコンバータおよびインバータは、電力変換を行う電界効果トランジスタなどの複数のスイッチング素子41や、変換する電力の脈流を平滑したり昇圧する複数のリアクトル42a，42b，42cを備えている。これらスイッチング素子41およびリアクトル42a，42b，42cは、電力変換回路40を構成する他の部品よりも発熱量が大きく、冷却することが好ましい発熱部品43である。

電力変換回路40は、交流電力の入出力を行う交流入出力基板、交流電力と直流電力の変換を行う電力変換基板、制御を行う制御基板などを含む複数の基板44を備えている。これら基板44は、複数の基板取付部材45によってそれぞれ支持され、筐体11の第１の空間35に配置されている。そして、電力変換回路40は筐体11の第１の空間35に配置されるが、複数のリアクトル42a，42b，42cは筐体11の第２の空間36に配置されている。

複数の基板44のうち、電力変換を行う基板44aには複数のスイッチング素子41が接続されている。複数のスイッチング素子41は、基板44aの下縁から突出した状態に配置されている。基板44aは、主ケース15の背面部20の開口部25の上側で背面部20に対向して配置されている。この基板44aに接続されている複数のスイッチング素子41が背面部20の開口部25に対向する位置に配置されている。さらに、基板44aと主ケース15の背面部20（基板取付部材45）との間には熱伝導性に優れた放熱シート46が介在されている。放熱シート46は、複数のスイッチング素子41が接続された接続箇所の近傍であって上側に配置されている。

また、図１ないし図３に示すように、冷却装置13は、筐体11の第２の空間36に配置されている。冷却装置13は、リアクトル42a，42b，42c用の冷却ユニット50と、スイッチング素子41用の冷却ユニット51とを備えている。

冷却ユニット50は、通気部としての通気路部材53、およびファン54を備えている。通気路部材53は、背面部55、上面部56、および下面部57を有し、左右方向に長く、前面側および両端面側が開口されている。通気路部材53は、主ケース15の背面部20の背面側に左右方向に沿って取り付けられている。通気路部材53内には左右方向に沿って通気路58が形成されている。通気路58（通気路部材53）の両端には通気口59，60が形成されている。通気口59，60は、全体が開口されていてもよいし、例えば前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ形状でもよい。

通気路58内に沿って複数のリアクトル42a，42b，42cが配置されている。これらリアクトル42a，42b，42cは、通気路部材53の背面部55に取り付けられ、主ケース15からは離反されている。

通気路58の一端側の通気口59には、通気路58内を送風するファン54が配置されている。ファン54は、正逆回転可能で、一端側の通気口59から他端側の通気口60へ向けて空気を通気路58内に送風する第１の送風方向A1と、この第１の送風方向A1とは反対方向であって、他端側の通気口60から一端側の通気口59へ向けて外気を通気路58内に送風する第２の送風方向A2とのいずれにも送風可能とする。したがって、ファン54によって、通気路58内に送風するとともに、熱源であるリアクトル42a，42b，42c毎の温度に応じて通気路58内に送風する送風方向を変更可能とする送風部61が構成されている。この送風部61は、１つのファン54を用い、このファン54の回転方向を送風方向に応じて変更可能とする。

通気路58の一端側の通気口59は、背面ケース17の左側の側面部29に設けられている通気口31のうちの上部領域の通気口31に対向されている。通気路58の他端側の通気口60は、背面ケース17の右側の側面部30に設けられている通気口32のうちの上部領域の通気口32に対向されている。

また、冷却ユニット51は、複数の放熱部品65a，65b、通気部としての通気路部材66およびファン67を備えている。

放熱部品65a，65bは、例えばアルミニウムなどの金属製で、平板状のベース部68、このベース部68の背面側から突設された複数のフィン部69、ベース部68の前面側から突設された突部70を有している。複数のフィン部69は、左右方向に沿って長く、上下方向に並んで設けられている。そして、放熱部品65a，65bは、左右方向に並び、突部70が主ケース15の背面部20の開口部25に嵌合された状態で、ベース部68が背面部20の背面側に固定されている。放熱部品65a，65bの突部70は、背面部20の開口部25から第１の空間35に突出され、複数のスイッチング素子41の背面側に対向配置されている。スイッチング素子41は、熱伝導性に優れた放熱キャップ71が装着され、放熱部品65a，65bにねじ72で締め付け固定される固定板73によって放熱部品65a，65bの突部70に圧接され、熱的に接続されている。したがって、発熱部品43である複数のスイッチング素子41に接続された放熱部品65a，65bが筐体11の第２の空間36に配置されている。

通気路部材66は、背面部74、上面部75、および下面部76を有し、左右方向に長く、前面側および両端面側が開口されている。通気路部材66は、主ケース15の背面部20の背面側に左右方向に沿って取り付けられている。通気路部材66内には、左右方向に沿って通気路77が形成されている。通気路77（通気路部材66）の両端には通気口78，79が形成されている。通気口78，79は、全体が開口されていてもよいし、例えば前後方向に長いスリット状で上下方向に並んだ形状でもよい。

通気路77内に沿って放熱部品65a，65bが配置されている。通気路77の放熱部品65aと放熱部品65bとの間には、ファン67が配置されている。ファン67は、通気路77の両端間の中間位置であって好ましくは中央位置に配置されている。ファン67は、正逆回転可能で、一端側の通気口78から他端側の通気口79へ向けて空気を通気路77内に送風する第１の送風方向B1と、この第１の送風方向B1とは反対方向であって、他端側の通気口79から一端側の通気口78へ向けて外気を通気路77内に送風する第２の送風方向B2とのいずれにも送風可能とする。したがって、ファン67によって、通気路77内に送風するとともに、熱源である放熱部品65a，65b毎の温度に応じて通気路77内に送風する送風方向を変更可能とする送風部80が構成されている。この送風部80は、１つのファン67を用い、このファン67の回転方向を送風方向に応じて変更可能とする。

通気路77の一端側の通気口78は、背面ケース17の左側の側面部29に設けられている通気口31のうちの下部領域の通気口31に対向されている。通気路77の他端側の通気口79は、背面ケース17の右側の側面部30に設けられている通気口32のうちの下部領域の通気口32に対向されている。

冷却装置13は、電力変換装置10の動作時に発熱するリアクトル42a，42b，42c、およびスイッチング素子41からの熱が伝達される放熱部品65a，65bを熱源83とし、これら熱源83を冷却する。

そして、冷却装置13、および通気口31，32，33を有する背面ケース17により、筐体11の第２の空間36と筐体11の外部を通気する通気構造84が構成されている。

また、冷却装置13は、ファン54，67を制御する制御部86を備えている。制御部86は、例えば基板44aに設けられる。制御部86は、ファン54，67の回転方向や回転速度などを制御する。

そして、電力変換装置10の動作時、発熱するリアクトル42a，42b，42cやスイッチング素子41を冷却装置13によって冷却する。

リアクトル42a，42b，42cは、電力変換装置10の充電モード、放電モード、停電モードなどの運転モードや、これら運転モードでの蓄電池装置の蓄電残量などに応じて、それぞれの温度変化が異なっている。例えば、蓄電池装置の蓄電残量が少ない状態での充電モードなどではリアクトル42a，42bの温度がリアクトル42cの温度よりも高くなり、逆に、停電モードではリアクトル42cの温度がリアクトル42a，42bの温度よりも高くなる。

冷却装置13の制御部86は、リアクトル42a，42b，42c毎の温度に応じて通気路58内に送風する送風方向を切り換えるようにファン54を制御する。このとき、制御部86は、運転モードや各運転モードでの蓄電池装置の蓄電残量に応じて、ファン54の回転方向を制御する。

リアクトル42a，42bの温度がリアクトル42cの温度よりも高くなる場合、ファン54は、一端側の通気口59から他端側の通気口60へ向けて空気を通気路58内に送風する第１の送風方向A1に送風する。

これにより、筐体11の外部の外気は、背面ケース17の通気口31および一端側の通気口59から通気路58内に取り込まれ、通気路58内のリアクトル42a，42b，42cの順に流れ、これらリアクトル42a，42b，42cを冷却する。一端側の通気口59から通気路58内に取り込まれた外気により、リアクトル42a，42b，42cのうちの温度が最も高いリアクトル42a，42bを初めに冷却することで、これらリアクトル42a，42bを効果的に冷却できる。

リアクトル42a，42b，42cとの熱交換で暖められた空気は、通気路58の他端側の排気口60および背面ケース17の通気口32を通じて筐体11の外部に排気される。

一方、リアクトル42cの温度がリアクトル42a，42bの温度よりも高くなる場合、ファン54は、第１の送風方向A1とは反対方向であって、他端側の通気口60から一端側の通気口59へ向けて外気を通気路58内に送風する第２の送風方向A2に送風する。

これにより、筐体11の外部の外気は、背面ケース17の通気口32および他端側の通気口60から通気路58内に取り込まれ、通気路58内のリアクトル42c，42b，42aの順に流れ、これらリアクトル42c，42b，42aを冷却する。他端側の通気口60から通気路58内に取り込まれた外気により、リアクトル42a，42b，42cのうちの温度が最も高いリアクトル42cを初めに冷却することで、このリアクトル42cを効果的に冷却できる。

リアクトル42c，42b，42aとの熱交換で暖められた空気は、通気路58の一端側の排気口59および背面ケース17の通気口31を通じて筐体11の外部に排気される。

また、複数のスイッチング素子41についても、上述した各運転モードやこれら各運転モードでの蓄電池装置の蓄電残量などに応じて、それぞれの温度変化が異なることがある。そのため、複数のスイッチング素子41の熱が伝達される２つの放熱部品65a，65bのうち、一方の放熱部品65aが他方の放熱部品65bよりも温度が高くなる場合や、他方の放熱部品65bが一方の放熱部品65aよりも温度が高くなる場合がある。

冷却装置13の制御部86は、複数のスイッチング素子41の熱が伝達される放熱部品65a，65b毎の温度に応じて通気路58内に送風する送風方向を切り換えるようにファン67を制御する。このとき、制御部86は、運転モードや各運転モードでの蓄電池装置の蓄電残量に応じて、ファン67の回転方向を制御する。

一方の放熱部品65aが他方の放熱部品65bよりも温度が高くなる場合、ファン67は、一端側の通気口78から他端側の通気口79へ向けて空気を通気路77内に送風する第１の送風方向B1に送風する。

これにより、筐体11の外部の外気は、背面ケース17の通気口31および一端側の通気口78から通気路77内に取り込まれ、通気路77内の放熱部品65a，65bの順に流れ、これら放熱部品65a，65bを冷却する。一端側の通気口78から通気路77内に取り込まれた外気により、放熱部品65a，65bのうちの温度が最も高い放熱部品65aを初めに冷却することで、この放熱部品65aを効果的に冷却できる。

放熱部品65a，65bとの熱交換で暖められた空気は、通気路77の他端側の排気口79および背面ケース17の通気口32を通じて筐体11の外部に排気される。

一方、他方の放熱部品65bが一方の放熱部品65aよりも温度が高くなる場合、ファン67は、第１の送風方向B1とは反対方向であって、他端側の通気口79から一端側の通気口78へ向けて外気を通気路77内に送風する第２の送風方向B2に送風する。

これにより、筐体11の外部の外気は、背面ケース17の通気口32および他端側の通気口79から通気路77内に取り込まれ、通気路77内の放熱部品65b，65aの順に流れ、これら放熱部品65b，65aを冷却する。他端側の通気口79から通気路77内に取り込まれた外気により、放熱部品65a，65bのうちの温度が最も高い放熱部品65bを初めに冷却することで、この放熱部品65bを効果的に冷却できる。

放熱部品65a，65bとの熱交換で暖められた空気は、通気路77の一端側の排気口78および背面ケース17の通気口31を通じて筐体11の外部に排気される。

そして、第１の実施形態の電力変換装置10によれば、筐体11の内部に第１の空間35と第２の空間36とを区画形成し、第１の空間35に電力変換回路40を配置し、第２の空間36に発熱部品43であるリアクトル42a，42b，42cや、発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65a，65bを配置しているため、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響を低減することができる。

さらに、第２の空間36に冷却装置13を配置することにより、発熱部品43であるリアクトル42a，42b，42cや発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65a，65bを効果的に冷却でき、発熱部品43から電力変換回路40の他の部品への熱的影響をより確実に低減することができる。

そして、冷却装置13では、通気路58，77内に送風するとともに、熱源83（リアクトル42a，42b，42cおよび放熱部品65a，65b）毎の温度に応じて通気路58，77内に送風する送風方向を変更可能とする送風部61，80を備えることにより、通気路58，77内に取り込まれる外気で温度の高い熱源83を効果的に冷却することができる。

送風部61，80は、１つのファン54，67を用い、このファン54，67の回転方向を送風方向に応じて変更可能とすることにより、部品点数を削減し、簡素化できる。

また、冷却装置13の冷却ユニット51においては、ファン67が熱源83である放熱部品65a，65bの間に配置され、つまり、通気路77の両端の通気口78，79からそれぞれ離れた位置に配置されるため、雨水などがファン67に到達するのを防止できる。そのため、冷却装置13は、冷却性能および防水性能を維持することができる。

なお、冷却ユニット50においても、ファン54を熱源83であるリアクトル42a，42b，42cの間に配置することにより、冷却性能および防水性能を維持することができる。

次に、図６および図７に第２の実施形態を示す。

図６および図７に蓄電池システム90を示す。この蓄電池システム90は、上述した電力変換装置（パワーコンディショナ）10の構成・機能および蓄電池装置の構成・機能を一体に備えるものである。なお、第１の実施形態で説明した電力変換装置10が備える構成と同じ構成については同じ符号を用いて、その構成・機能についての説明を省略する。

蓄電池システム90は、筐体91、この筐体91の下部領域に収納される複数の蓄電池モジュール92、筐体91の上部領域に収納される電力変換部12および冷却装置13を備える。

そして、筐体91は、前面部93、上面部94、底面部95、左右の側面部96，97、および背面部98を有し、底面部95の両端側に設置用の台座99が取り付けられている。右側の側面部97には、例えば系統電源および負荷が接続される分電盤などとの配線が挿通される配線挿通部100が設けられている。

筐体91内の上部領域には、前側に第１の空間35が形成されているとともに、後側に第２の空間36が形成されている。これら第１の空間35と第２の空間36とは区画部材103によって区画形成されている。

また、蓄電池モジュール92は、上下方向に長い直方体形状に形成された蓄電池本体105、およびこの蓄電池本体105の上部に設けられた端子台106などを備えている。蓄電池本体105には、例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池が用いられている。そして、蓄電池モジュール92は、筐体91の下部領域に収納され、端子台106に接続される配線によって電力変換部12に電気的に接続されている。

また、電力変換部12および冷却装置13は、上述した電力変換装置10と同様の構成を有している。

すなわち、電力変換部12は、電力変換を行う電力変換回路40、この電力変換回路40に接続され電力変換に伴って発熱する発熱部品43であるスイッチング素子41およびリアクトル42a，42b，42cなどを備えている。電力変換回路40は第１の空間35に配置され、発熱部品43であるリアクトル42a，42b，42cや発熱部品43であるスイッチング素子41に熱的に接続された放熱部品65a，65bは第２の空間36に配置される。

冷却装置13は、冷却ユニット50，51を備えている。そして、蓄電池システム90の動作時、発熱するスイッチング素子41やリアクトル42a，42b，42cを冷却装置13によって冷却する。

そして、第２の実施形態の蓄電池システム90によれば、冷却装置13を備えるため、上述した冷却装置13の作用効果を得ることができる。

なお、冷却装置13の送風部61，80は、例えば、第１の送風方向A1，B1用の一方向のみに回転する第１のファンと、第２の送風方向A2，B2用の一方向のみに回転する第２のファンとをそれぞれ用い、送風方向に応じたファンのみを回転させるようにしてもよい。

また、制御部86は、運転モードや各運転モードでの蓄電池装置の蓄電残量に応じて、ファン54の回転方向を制御する他、通気路58，77内または熱源83の温度を検知する複数の温度センサを用い、これら温度センサによって検知される通気路58，77内または熱源83の温度分布に応じて、ファン54の回転方向を制御するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 電力変換装置
12 電力変換部
13 冷却装置
43 発熱部品
53，66 通気部としての通気路部材
54，67 ファン
58，77 通気路
61，80 送風部
65a，65b 放熱部品
83 熱源
90 蓄電池システム
92 蓄電池モジュール

Claims (5)

1. 通気路を有し、それぞれの温度変化が異なる複数の熱源が前記通気路内に沿って配置される通気部と；
   前記通気路内に送風するとともに、前記熱源毎の温度に応じて前記通気路内に送風する送風方向を変更可能とする送風部と；
   を具備することを特徴とする冷却装置。
2. 前記送風部は、１つのファンを有し、このファンの回転方向を送風方向に応じて変更可能とする
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記ファンは、前記通気路内で複数の前記熱源の間に配置されている
   ことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 請求項１ないし３いずれか一記載の冷却装置と；
   前記熱源として発熱部品またはこの発熱部品に熱的に接続された放熱部品を有する電力変換部と；
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
5. 蓄電池モジュールと；
   請求項１ないし３いずれか一記載の冷却装置と；
   前記熱源として発熱部品または発熱部品に熱的に接続された放熱部品を有する電力変換部と；
   を具備することを特徴とする蓄電池システム。

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