JP3683796B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータや整流器等の用途に用いられる電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にこの種の電力変換装置は、複数の半導体スタックを筐体内に収納設置してなる。
【0003】
半導体スタックは、電力用半導体素子とヒートパイプ式冷却器とを横方向に積層して一体化した構造となっており、このような半導体スタックの複数を筐体内にその前後方向に例えば3列に並列するように配置させている。
【0004】
この場合、筐体内の最前列と最後列の半導体スタックに対しては筐体の前面および背面の開口部を開けて半導体素子の交換等の保守点検作業を行なうことができるが、最前列と最後列との間の中間部に配置する半導体スタックに対してはその前後側に隣接する半導体スタックが邪魔となって保守点検の作業が困難となる。
【0005】
このため、従来においては、筐体の前面の開口部に扉式に回動可能な可動フレームを設け、この可動フレームで最前列の半導体スタックを支持し、保守点検時にその可動フレームを前方に回動して開く動作で、最前列の半導体スタックを筐体の外部に引き出し、これにより筐体内の中間部に配置する半導体スタックの前面側を開放してその保守点検の作業を可能にしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の電力変換装置においては、可動フレームを前方に回動して開くときに、その可動フレームが筐体の前方側に大きく張り出し、このため筐体の前方側にその可動フレームの張り出しを見込んだ広いスペースを予め確保しておかなければならず、この結果、電力変換装置の設置に要する実質的な面積が大きくなり、その設置施設である変電所等の敷地を縮小するときの妨げとなっている。
【0007】
半導体素子を冷却する冷却器のヒートパイプはその内部に冷媒を封入してなる。冷媒としては純水、あるいはジエチレングリコール等の不凍液を純水に添加したものが一般に用いられるが、不凍液入りの冷媒の場合には純水に比べ、熱的な性能が低下し、また廃棄処分時における環境破壊の問題も生じ、したがって純水を用いることが好ましい。
【0008】
ところが、電力変換装置が氷点下以下となるような寒冷地に設置される場合、その冷却器のヒートパイプ内の冷媒が凍結して破損等を招く恐れがあり、このため冷媒として不凍液を用いざるを得ないという問題がある。
【0009】
さらに、冷却器は半導体素子と接触する受熱ブロックと、この受熱ブロックからその上方に延びるヒートパイプと、このヒートパイプに取り付けられた多数の放熱フィンとからなるが、放熱フィンには対流空気の接触に応じて徐々に塵埃等の異物が付着して堆積し、この堆積した異物がその下方の受熱ブロックの上に落下して付着し、この異物の付着で半導体素子に対する冷却性能や絶縁性能が低下する恐れがある。
【0010】
この発明はこのような点に着目してなされたもので、その目的とするところは、実質的な設置面積を小さく抑えることができる電力変換装置を提供することにある。
【0011】
さらに、ヒートパイプ内に封入する冷媒として純水を用いても、その凍結を防止でき、また冷却器の放熱フィンに異物が付着してその下方に落下しても、その異物の受熱ブロックに対する付着を防止することができる電力変装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明はこのような目的を達成するために、半導体素子と、この半導体素子に接設される受熱ブロックおよびこの受熱ブロックに設けられ複数の放熱フィンを有するヒートパイプからなる冷却器と、前記半導体素子と前記冷却器の受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備えた半導体スタックの複数を、筐体内の前後方向の最前列と最後列とその間の中間部とに並列させて収納してなる電力変換装置において、最前列または最後列に配置する半導体スタックを筐体の前後方向に移動可能に支持するようにしたものである。
【0013】
そして請求項2の発明においては、移動可能な半導体スタックが可動フレームに組み付けられて可動ユニットとして構成され、この可動ユニットが筐体内に設けられたガイドレールに車輪を介して支持され、その車輪の転動によりガイドレールに沿って移動可能となっていることを特徴としている。
【0014】
請求項3の発明においては、前記車輪が可動ユニットの重心位置より上方の位置に設けられていることを特徴としている。
【0015】
請求項4の発明においては、可動ユニットにはその移動操作用のハンドルが設けられ、このハンドルが車輪とほぼ同じレベルの高さ位置に設けられていることを特徴としている。
【0016】
請求項5の発明においては、可動ユニットには、この可動ユニットにおける半導体スタックに対する補助回路機器が取り付けられていることを特徴としている。
【0017】
請求項6の発明においては、筐体内に収納された半導体スタックにおける冷却器の受熱ブロックと放熱フィンとの間には仕切板が設けられていることを特徴としている。
【0018】
請求項7の発明においては、前記仕切板が電気絶縁物であることを特徴としている。
【0019】
請求項8の発明においては、半導体スタックを収納した筐体が、その内外で空気を自然対流させるための吸気口および排気口を有し、そのいずれか一方、あるいは両方に温度開閉式シャッターが設けられていることを特徴としている。
【0020】
請求項9の発明においては、筐体内には温度開閉式シャッターの動作に連動して動作する発熱手段が設けられていることを特徴としている。
【0021】
請求項10の発明においては、筐体が上部に防滴屋根を有し、この防滴屋根は内部が対流空気の流通路となっており、この防滴屋根の一部に排気口が設けられ、この排気口の内側に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板が設けられていることを特徴としている。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【0023】
図1ないし図3には半導体スタックの構成を示してあり、この半導体スタック1は、複数の平型ダイオード等の電力用半導体素子2と、この半導体素子2を冷却するための複数のヒートパイプ式冷却器3を備えている。
【0024】
ヒートパイプ式冷却器3は、銅等の電気伝導性および熱伝導性に優れる金属からなる受熱ブロック6と、この受熱ブロック6の上部に取り付けられてその上方に垂直に延びた例えば3本のヒートパイプ7と、これらヒートパイプ7に取り付けられた多数枚の放熱フィン8と、受熱ブロック6の下部に取り付けられた外部端子接続用の端子板9とを備え、ヒートパイプ7内に冷媒として純水が封入されている。
【0025】
そして各半導体素子2の両側に冷却器3の受熱ブロック6が配置して接触し、その一対の受熱ブロック6とその間に挟まれた一つの半導体素子2により一組のユニットが構成され、このようなユニットの複数組が電気導体からなるスペーサ4を介して直列状に接続され、これにより各半導体素子2と冷却器3とが横方向に並ぶ積層体が構成され、その積層状態が圧接手段10により保持されている。
【0026】
圧接手段10は、積層体の両端側に配置する一対の押し板11,12を備え、これら押し板11,12の両端部間に図2に示すようにスタッド13が設けられている。これらスタッド13は、一端部が一方の押え板11に固定され、他端部が他方の押え板12を貫通してその外面側に突出し、その突出部に弾性部材としての皿ばね14が装着されているとともに、その突出部間に跨がってばね押え15が装着され、このばね押え15の外側においてスタッド13の端部のねじ部13aにナット16が螺着されている。
【0027】
各押え板11,12の内側にはそれぞれ球面座17が設けられ、これら球面座17と受熱ブロック6との間に碍子等の絶縁座18が設けられ、前記ナット16を締め付けて押え板11,12を互いに接近する方向に移動させることにより、球面座17を介して積層状態の絶縁座18、受熱ブロック6、半導体素子2を互いに圧接させ、この圧接作用でその積層状態が安定して保持されている。
【0028】
ナット16を締め付けたときには皿ばね14が弾性的に変形し、したがって絶縁座18、受熱ブロック6、半導体素子2は互いに弾性的に圧接し、半導体素子2の発熱に伴う受熱ブロック6等の熱膨張による変位が皿ばね14の弾性的な変形で吸収される。
【0029】
このような半導体スタック1の複数が図4乃至図6に示すように筐体20内に収納されて電力変換装置が構成されている。
【0030】
筐体20は前面および後面にそれぞれ開口部21を有し、これら開口部21にそれぞれ扉体22が例えばボルト23を用いる締着手段により脱着可能に取り付けられている。そしてこの筐体20内に例えばその左右方向に2列、前後方向に3列に整列して並ぶように合計6つの半導体スタック1が収納配置されている。
【0031】
筐体20内には水平に仕切板25が設けられ、この仕切板25により半導体スタック1における冷却器3の受熱ブロック6と放熱フィン8との間が仕切られている。
【0032】
仕切板25には冷却器3の受熱ブロック6およびヒートパイプ7の貫通が可能な穴を加工しておく。ヒートパイプ7が電位を有するときには、その穴の周縁とヒートパイプ7との間に所定の絶縁距離を設ける。そしてこの場合には、仕切板25の材質を電気絶縁物とすることが好ましく、これによりその絶縁距離を小さくして装置の小型化を図ることが可能となる。
【0033】
筐体20内に収納された半導体スタック1のうち、筐体20の前方側からみて、例えば最前列およびその次の中間列に配置する半導体スタック1は筐体20内に固定されているが、最後列に配置して左右に並ぶ二つの半導体スタック1は、それぞれ個別に可動フレーム26に支持され、その可動フレーム26と一体的に個別に筐体20の前後方向に対して移動可能となっている。
【0034】
すなわち、筐体20内の上部には、最後列の各半導体スタック1の両側に配置して筐体20の前後方向に延びるようにガイドレール27が設けられている。そして最後列の半導体スタック1を挟んで互いに対向する一対のガイドレール27の内側に可動フレーム26が設けられ、この可動フレーム26内にその最後列の半導体スタック1が取り付けられ、さらにその半導体スタック1に対するスナバCRユニット等の補助回路機器28が可動フレーム26の後部にサポート金具26aを介して取り付けられ、これら可動フレーム26と半導体スタック1と各補助回路機器28とで一体的な可動ユニット29が構成されている。
【0035】
可動フレーム26は、ガイドレール27に隣接する一対の側板30を有し、これら側板30の外側面に滑動手段として複数の車輪31が回転自在に設けられ、これら車輪31がガイドレール27の上に転動自在に載置され、これら車輪31を介して可動ユニット29がガイドレール27に沿って筐体20の前後方向に移動し得るようになっている。
【0036】
そしてガイドレール27には、可動ユニット29を前後方向に移動させたときに、その可動ユニット29をボルト等によりその前方の所定位置と後方の所定位置とに係脱可能に係止して固定する係止手段33a,33bが設けられている。
【0037】
図6に示すGは可動ユニット29の重心位置であり、可動ユニット29を支持した車輪31はその重心位置Gよりも上方の位置に設けられている。そして可動ユニット29の後部には前記重心位置Gとほぼ同じレベルの高さの位置にハンドル32が取り付けられている。
【0038】
筐体20内の下部には導体35が設けられ、この導体35と各半導体スタック1とが可撓性を有する接続体36により接続されている。特に可動ユニット29における半導体スタック1は余裕の長さをもつ接続体36により導体35に接続されている。
【0039】
筐体30の上部には防滴屋根38が設けられ、この防滴屋根38内が通風路39となっている。防滴屋根38で覆われた筐体20の上面には前記通風路39内と筐体20内とを連通させる換気口40が形成されている。
【0040】
防滴屋根38は、筐体20の前後側に突出し、その各突出部の下面が排気口41として開口している。
【0041】
筐体20の前面および後面に設けられた扉体22にはそれぞれ吸気口44が形成され、これら吸気口44に大気温度に応じて開閉動作する温度開閉式シャッター45が設けられている。
【0042】
吸気口44の外面側には温度開閉式シャッター45を覆うようにハンドホールカバー46が設けられ、このハンドホールカバー46は下面に開放部47を有し、この開放部47に防虫網48およびよろいカバー49が設けられている。
【0043】
防滴屋根38の各排気口41には温度開閉式シャッター52および防虫網53が設けられていると共に、これら排気口41と防滴屋根38の中間側の換気口40との間に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板54が取り付けられている。
【0044】
これら吹込み防止板54は筐体20の上面からほぼ垂直に起立して排気口41から換気口40への雨水の吹込みを防止するものであるが、その起立の高さは防滴屋根38内の通風路39を流通する空気の流れを妨げない程度の寸法となっている。
【0045】
また、筐体20内には前記各温度開閉式シャッター45,52と連動して動作する発熱手段としてのスペースヒータ55が設けられている。
【0046】
このように構成された電力変換装置においては、大気温度が所定温度以上のときには、各温度開閉式シャッター45,52が開いており、自然対流により吸気口44から筐体20内に空気が流入すると共に、この空気が換気口40から防滴屋根38内の通風路39を通って各排気口41から順次流出する。
【0047】
このように筐体20の内外において空気が対流し、この空気が筐体20内において各半導体スタック1におけるヒートパイプ7の各放熱フィン8に順次接触し、この接触でヒートパイプ7の放熱が促され、受熱ブロック6を介して被冷却物である半導体素子2が冷却される。
【0048】
ヒートパイプ7の各放熱フィン8には、自然対流時の空気の接触により塵埃等の異物が徐々に付着して堆積し、この異物が放熱フィン8から落下することがあるが、放熱フィン8とその下方の受熱ブロック6との間には仕切板25が設けられており、このため異物が落下してもそれが受熱ブロック6に接触することがなく、したがって冷却効率や電気絶縁の低下を招くような恐れがない。
【0049】
また、風雨時においては、排気口41から換気口40への雨水の吹込みを吹込み防止板54により防止して筐体20内への雨水の侵入を抑えることができる。
【0050】
一方、大気温度が所定温度に達しない氷点下以下の低温時には、各温度開閉式シャッター45,52がその温度を感知して閉じ、筐体20の内外での空気の自然対流が停止する。そして温度開閉式シャッター45,52の閉合動作に連動してスペースヒータ55が通電され、このスペースヒータ55により筐体20内が氷点下をやや上回る温度を維持するように制御される。
【0051】
これにより、ヒートパイプ7内の冷媒の凍結を防止することができ、したがってその冷媒として純水を用いることができ、このため寒冷地においても何ら問題なく電力変換装置を稼動させることができ、また冷媒の凍結防止によりヒートパイプ7の破損を防止でき、さらに冷媒として純水を用いることが可能となることから、環境破壊の問題も解消することができる。
【0052】
なお、この場合には、筐体20内は氷点下をやや上回る程度の低温に保たれるから、その低温の空気により半導体スタック1の半導体素子2が適正に冷却される。
【0053】
電力変換装置の保守点検時においては、まず筐体20の前面および後面の扉体22を取り外してその前面および後面の開口部21を開放する。
【0054】
これにより、筐体20内の最前列に配置する半導体スタック1に対する保守点検の作業は筐体20の前面の開口部21を通して容易に行なえ、また最後列に配置する半導体スタック1に対する保守点検の作業は筐体20の後面の開口部21を通して容易に行なうことができる。
【0055】
最前列と最後列との間の中間部に配置する半導体スタック1に対して保守点検の作業を行なうときには、最後列の半導体スタック1を含む可動ユニット29をガイドレール27に沿って後方側に移動させる。後方側に移動させたときの可動ユニット29の位置を図5に鎖線Lで示してある。
【0056】
可動ユニット29は最後列の半導体スタック1と共にその補助回路機器28も一体的に含んでおり、したがって可動ユニット29を移動させるときに、半導体スタック1に対して補助回路機器28の接続を機械的、電気的に切り離すような面倒な手間が不要となる。
【0057】
このように可動ユニット29を後方側に移動させることにより、中間部の半導体スタック1と最後列の半導体スタック1との間に十分な間隔のスペースが生じ、したがってそのスペースを通して中間部の半導体スタック1に対する保守点検の作業を行なうことができる。
【0058】
可動ユニット29は車輪31を介してガイドレール27に支持され、かつその車輪31の位置が可動ユニット29の重心位置Gより上方の位置となっており、したがってその車輪31を介して円滑に可動ユニット29をガイドレール27に沿って移動させることができる。なお、前記車輪31に代えて摩擦抵抗の小さい材質からなる滑り板を用いることも可能である。
【0059】
可動ユニット29を移動させる操作はハンドル32を握って行なうが、このハンドル32が車輪31とほぼ同じレベルの高さの位置に設けられているから、可動ユニット29を大きな揺れや転倒を招くことなく円滑に移動させることができる。
【0060】
このように、筐体20内において最後列の半導体スタック1を後方側に移動させることにより中間部に配置する半導体スタック1に対する保守点検の作業を行なうことができ、したがって筐体の前方に回動する扉式の可動フレームと共に半導体スタックを筐体の外部に引き出すような従来の電力変換装置と異なり、電力変換装置の設置に要する実質的な面積を小さく抑えることができ、このため電力変換装置の設置施設である変電所等の敷地を縮小することが可能となる。
【0061】
なお、前記実施形態においては、筐体内の最後列の半導体スタックを移動可能としたが、最前列の半導体スタックを移動可能とする場合であってもよく、また中間部に配置する半導体スタックを移動可能とすることも可能である。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、筐体内において最後列あるいは最前列の半導体スタックを筐体の前後方向に移動させることにより中間部に配置する半導体スタックに対する保守点検の作業を行なうことができ、したがって電力変換装置の設置に要する実質的な面積を小さく抑えてその設置施設である変電所等の敷地を縮小することが可能となる。
【0063】
そして請求項2乃至4の発明においては、その半導体スタックを筐体の前後方向に円滑に安定して移動させることができる。
【0064】
請求項5の発明においては、半導体スタックを移動させるときに、その半導体スタックに対して補助回路機器を機械的、電気的に切り離すような面倒な手間が不要となる。
【0065】
請求項6及び7の発明においては、放熱フィンに堆積した塵埃等の異物が落下しても受熱ブロックに接触するようなことがなく、したがって冷却効率や電気絶縁の低下を招くような恐れがない。
【0066】
請求項8及び9の発明においては、ヒートパイプ内の冷媒の凍結を防止することができ、したがってその冷媒として純水を用いることができ、このため寒冷地においても何ら問題なく電力変換装置を稼動させることができ、また冷媒の凍結防止によりヒートパイプの破損を防止でき、さらに冷媒として純水を用いることが可能となることから、環境破壊の問題も解消することができる。
【0067】
請求項10の発明においては、風雨時における筐体内への雨水の侵入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態に係る電力変換装置に用いる半導体スタックを示す正面図。
【図2】その半導体スタックの平面図。
【図3】その半導体スタックの側面図。
【図4】その半導体スタックを筐体内に収納して構成した電力変換装置の側面図。
【図5】その電力変換装置の内部構造を示す正面図。
【図6】その電力変換装置の内部構造を示す側面図。
【符号の説明】
1…半導体スタック
2…半導体素子
3…ヒートパイプ式冷却器
6…受熱ブロック
7…ヒートパイプ
8…放熱フィン
10…圧接手段
20…筐体
21…開口部
22…扉体
25…仕切板
26…可動フレーム
27…ガイドレール
28…補助回路機器
29…可動ユニット
30…側板
31…車輪
32…ハンドル
38…防滴屋根
40…換気口
41…排気口
44…吸気口
45,52…温度開閉式シャッター
54…吹込み防止板
55…スペースヒータ
Claims (10)
- 半導体素子と、この半導体素子に接設される受熱ブロックおよびこの受熱ブロックに設けられ複数の放熱フィンを有するヒートパイプからなる冷却器と、前記半導体素子と前記冷却器の受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備えた半導体スタックの複数を、筐体内の前後方向の最前列と最後列とその間の中間部とに並列させて収納してなる電力変換装置において、
最前列または最後列に配置する半導体スタックを筐体の前後方向に移動可能に支持してなることを特徴とする電力変換装置。 - 移動可能な半導体スタックは可動フレームに組み付けられて可動ユニットとして構成され、この可動ユニットが筐体内に設けられたガイドレールに車輪を介して支持され、その車輪の転動によりガイドレールに沿って移動可能となっていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 車輪は可動ユニットの重心位置より上方の位置に設けられていることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 可動ユニットにはその移動操作用のハンドルが設けられ、このハンドルが車輪とほぼ同じレベルの高さ位置に設けられていることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 可動ユニットには、この可動ユニットにおける半導体スタックに対する補助回路機器が取り付けられていることを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の電力変換装置。
- 筐体内に収納された半導体スタックにおける冷却器の受熱ブロックと放熱フィンとの間には仕切板が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 仕切板は電気絶縁物であることを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
- 半導体スタックを収納した筐体は、その内外で空気を自然対流させるための吸気口および排気口を有し、そのいずれか一方、あるいは両方に温度開閉式シャッターが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の電力変装置。
- 筐体内には温度開閉式シャッターの動作に連動して動作する発熱手段が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 筐体は上部に防滴屋根を有し、この防滴屋根は内部が対流空気の流通路となっており、この防滴屋根の一部に排気口が設けられ、この排気口の内側に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
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