JP4154946B2 - 冷却構造及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートパイプにて冷却を行なう冷却構造及びその冷却構造を用いた電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ヒートパイプは、その内部に有する冷媒の気化熱を利用することで、冷却対象物からの熱量を吸熱し、ヒートパイプの上部に設けられたフィン等の放熱部にて放熱することで、気化された冷媒を液体へ凝縮して、再び吸熱することができるようにする冷却機構を有するものである。ヒートパイプを用いた冷却構造を有するものとしては、例えば、電力変換装置等がある。
【0003】
電力変換装置は、使用目的に合うように、電源と負荷の間で、電圧、電流、周波数、位相、相数等の特性うち、1つ以上を変換する装置である。電力変換には様々な電気部品が用いられており、近年では、制御の高度化に伴い、半導体素子のスイッチ動作等を用いる半導体電力変換装置が多く使用されている。
【0004】
半導体素子等の電気部品は、電力変換を行なう際に損失等により発熱する。通常は、発熱により電気部品が損傷を受けないように、外部から空気を取り込んで冷却を行なっており、効率良く冷却するため、電気部品に放熱用のフィン等を設けて、電気部品を冷却する。特に、電気部品の発熱量が多い場合、ヒートパイプを用いて、より効率良く冷却を行なうようにしている。ヒートパイプを用いた冷却構造を有する従来の電力変換装置を、図4に示して説明する。
【0005】
図4は、従来の電力変換装置の概略を示すもので、図4(a)は外観の正面図、図4(b)は内部の正面図である。
【0006】
図4(a)に示すように、従来の電力変換装置は、筐体が上側盤21aと下側盤21bの2つの部分から構成されており、各々に独立した扉23a、23bを有している。更に、扉23a、23b毎に吸気口24a及び排気口25a、吸気口24b及び排気口25bを有している。
【0007】
図4(b)に示すように、電力変換装置の内部は、筐体を構成する盤枠22が、仕切り28a、28bにより上下に仕切られることで、上側盤21aと下側盤21bとが構成されている。下側盤21bの部分には、電力変換のための半導体素子やその他の電気部品等を実装する電気部品26が配置されており、仕切り28a、28bを鉛直方向に貫通するように、ヒートパイプ29が設けられ、その上部側にフィン等の放熱部27を有している。つまり、ヒートパイプ29は、放熱部27を有する部分が、仕切り28a、28bより上部側の上側盤21a側に配置され、吸熱部となるヒートパイプ29の下部は、仕切り28a、28bより下部側の下側盤21a側に配置されており、更に、その下方側に電気部品26が配置される。
【0008】
上記冷却構造では、半導体素子等を有する電気部品26で発生した熱を、電気部品26に接触する図示していない受熱部を介してヒートパイプ29の下部へ吸熱する。又は、発熱量の多い半導体素子等を、ヒートパイプ29の下部へ直接配設する構成として、発生した熱をヒートパイプ29の下部で直接吸熱する。ヒートパイプ29の下部で吸熱した熱により、ヒートパイプ29内部の冷媒が気化され、気化された冷媒がヒートパイプ29上部の放熱部27で放熱されることで、気化された冷媒が凝縮されて液体へ戻り、再び吸熱可能な状態となる。そのため、放熱部27は冷却する必要が有り、通常は過冷却しないように、外部から導入された空気の自然対流を用いて冷却している(自冷式)。従って、放熱部27の冷却のために、上側盤21aの扉23aには外気を導く吸気口24aと、暖められた空気を排出する排気口25aが設けられている。このように、電気部品26での発熱を、ヒートパイプ29の放熱部27へ伝熱させ、放熱部27を冷却することで、電気部品26の温度上昇を防いでいる。
【0009】
又、従来の電力変換装置では、放熱部27のための吸排気口24a、25aのみならず、電気部品26のための吸排気口24b、25bも別途設けられている。これは、電力変換のための半導体素子等の発熱量が大きく、ヒートパイプ29を設け、放熱部27で放熱したとしても、下側盤21bの電気部品26での放熱量が、依然として全体の放熱量の約40%もあるため、電気部品26が設けられた下側盤21bにも吸気口24b、排気口25bを設けることが、効率的に冷却できるためである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
図4に示す従来の電力変換装置では、半導体素子やその他の電気部品を収納している下側盤21bに、吸気口24b、排気口25bがあるため、以下の問題点がある。
(1)吸気口24b等から埃が入りやすくなるため、電気部品等に埃が堆積する。
(2)屋外に設置された場合、吸気口24b等から雨水が入りやすくなるため、電気部品等が濡れる。
(3)屋外に設置された場合、吸気口24b、排気口25bが、積雪によって塞がり、下側盤21bの冷却ができず、内部の電気部品の温度が上がるおそれがある。
【0011】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、冷却能力を落とすことなく、埃、雨水等の侵入を低減する冷却構造及びそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る冷却構造は、筐体と、前記筐体を水平に仕切る仕切りと、前記仕切りを貫通し、前記仕切りより上方側に放熱部を有するヒートパイプと、前記仕切りより下方側に配設された発熱部とを有し、前記発熱部の発熱を、前記ヒートパイプの下部で吸熱し、その上部の前記放熱部にて放熱することで、前記発熱部の冷却を行い、外部と直接連通する吸気口及び排気口を、前記仕切りより上方側における前記筐体に設け、前記放熱部が設けられた部分と前記発熱部が設けられた部分とを連通する複数の連通口を前記仕切りに設けると共に吸気側となる連通口を前記仕切りの両端に配置し、吸気側となる前記連通口の前記仕切りより下方側に各々ガイド板を設け、当該2つのガイド板の間に前記発熱部を配置したことを特徴とする。
【0013】
上記課題を解決する本発明に係る冷却構造は、前記ガイド板を、前記連通口に対して垂直に設けたことを特徴とする。
【0014】
上記課題を解決する本発明に係る電力変換装置は、電力の特性を変換し、発熱部となる電気部品を、上記いずれかの冷却構造を用いて冷却することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態の一例を示す電力変換装置の概略であり、図1(a)は外観の正面図、図1(b)は内部の正面図である。
又、図2(a)は電力変換装置の内部の側面図、図2(b)は、図1(b)のA−A線矢視図である。
【0016】
図1(a)に示すように、本発明に係る電力変換装置は、上側盤1aと下側盤1bの2つの部分から構成されており、各々の部分に独立した扉3a、3bを有している。更に、後述する仕切り8a、8bより上方側の上側盤1aの扉3aのみに吸気口4及び排気口5を設けた。
【0017】
図1(b)に示すように、本発明に係る電力変換装置の内部は、筐体を構成する盤枠2が、仕切り8a、8bにより上下に仕切られることで上側盤1aと下側盤1bとが構成されている。下側盤1bの部分には、半導体素子やその他の電気部品等を実装する電気部品6が配置されており、仕切り8a、8bを鉛直方向に貫通するように、ヒートパイプ9が設けられ、その上部側にフィン等の放熱部7を有している。つまり、ヒートパイプ9は、放熱部7を有する部分が、仕切り8a、8bより上部側の上側盤1a側に配置され、吸熱部となるヒートパイプ9の下部は、仕切り8a、8bより下部側の下側盤1a側に配置されており、更に、その下方側に発熱部となる電気部品6が配置される。
【0018】
上記冷却構造では、半導体素子等を有する電気部品6で発生した熱を、電気部品6に接触する図示していない受熱部を介してヒートパイプ9の下部へ吸熱する。又は、発熱量の多い半導体素子等を、ヒートパイプ9の下部へ直接配設する構成として、発生した熱をヒートパイプ9の下部で直接吸熱する。ヒートパイプ9の下部で吸熱した熱により、ヒートパイプ9内部の冷媒が気化され、気化された冷媒がヒートパイプ9上部の放熱部7で放熱されることで、気化された冷媒が凝縮されて液体へ戻り、再び吸熱可能な状態となる。そのため、放熱部7は冷却する必要が有り、通常は過冷却しないように、外部から導入された空気の自然対流を用いて冷却している(自冷式)。従って、放熱部7の冷却のために、上側盤1aの扉3aには外気を導く吸気口4と、暖められた空気を排出する排気口5が設けられている。このように、電気部品6等での発熱を、ヒートパイプ9の放熱部7へ伝熱させ、放熱部7を自然冷却することで、電気部品6の温度上昇を防いでいる。
【0019】
又、詳細は後述する図2において説明するが、仕切り8a、8bには、複数の貫通口が設けられており、吸気側となる貫通口の下側盤1b側には、空気の流れを適切な方向に導くためのガイド板10が設けられている。これは電気部品6が配置されている下側盤1bへ、埃や雨水等が入らないように、外気と連通する吸排気口4、5を上側盤1a側のみに設け、下側盤1b側に外気と連通する吸排気口を設けない替わりに、上側盤1aと下側盤1bとを仕切る仕切り8a、8bに貫通口を複数設けて、吸気口4から上側盤1aへ入ってきた空気を、貫通口及びガイド板10を用いて、下側盤1b側の電気部品6へ導くようにするものである。
【0020】
図2(a)の本発明に係る電力変換装置の側面図に示すように、仕切り8a、8bには、放熱部7のある上側盤1a側から電気部品6のある下側盤1bへ貫通する貫通口11、12が複数設けられており、これが装置内部での吸気口、排気口の役割を果たす。つまり、装置内部の仕切り8a、8bに下側盤1b用の吸排気口を設けることで、直接外気と連通する下側盤1bでの吸気口、排気口は不要とした。又、ガイド板10を吸気側となる貫通口11の下側に垂直に設けることで、外部から入ってきた空気の流れを、電気部品6側へ導くようにすることができる。
【0021】
例えば、本実施例の場合、自然対流により、図2(a)の矢印に示すような空気の流れになり、外部から吸気口4を通して入る空気は、温度が低く、重いため、貫通口11、更に扉3bとガイド板10の間を通って下方に移動し、電気部品6の熱を奪い(下側盤1b内を冷却して)、その後、空気の温度の上昇とともに、貫通口12を通って上側盤1aに移動し、放熱部7で更に熱を奪って、装置全体を冷却して、最後は排気口5から外部へ出ていく。このように、下側盤1bに、吸気口、排気口を設けなくても、下側盤1bに配設された電気部品6を冷却することができることとなる。又、吸気口4、排気口5は、上側盤1aに設けられ、高い位置に配置されるため、積雪等により出入口が塞がれることもなく、冷却能力が落ちるおそれがない。
【0022】
図2(b)に示すように、吸気側となる2つの矩形状の貫通口11は、仕切り8a(及び8b)の平面上の両端部側に、複数配置されたヒートパイプ9の全幅より長く設けられ、又、排気側となる2つの矩形状の貫通口12は、仕切り8a(及び8b)の平面上の中心側寄りに、貫通口11と略同じ幅で設けられている。貫通口11、12の位置、大きさ、数、形状等は、電気部品6、ヒートパイプ9等の大きさ、形状に応じて適切なものを選択する。例えば、本実施例では、貫通口11、12に対して、ヒートパイプ9が垂直な位置関係になるように設けたが、平行な位置関係になるように設けてもよい。図2(b)では、貫通口11、12とヒートパイプ9との位置関係を示すために、ヒートパイプ9を点線で示した。
【0023】
図3は、本発明の実施形態の他の一例を示す電力変換装置の概略を示すもので、電力変換装置の内部の側面図である。
【0024】
図3に示す本発明に係る電力変換装置の構造は、図1、図2に示した電力変換装置と略同等である。しかしながら、図3に示す実施例においては、下側盤1b内の電気部品6が大きく、仕切り8a、8bに設けた吸気側となる貫通口11がより内側にある場合、装置内部の空気の流れを適切に制御するため、ガイド板13の形状を、図3に示すように、屈曲部を有し、その一部に斜面を有するものとした。このように、装置内部の部品等の設置状況に応じて、ガイド板13の形状を適切なものとすることで、装置内の空気の流れを、装置内部の全体に行き渡るようにすることができる。
【0025】
なお、上記実施例における、下側盤1b内に設けたガイド板10、13の材質は、鋼板、絶縁物を問わず用いることができる。又、上記実施例では、本発明に係る冷却構造を用いたものとして、電力変換装置を例に挙げて説明を行なったが、本発明に係る冷却構造を用いるものとして、電力変換装置に限定するものではなく、ヒートパイプを用いる冷却構造を有するものであれば、他の装置に適用してもよい。
【0026】
【発明の効果】
請求項1又は請求項2に係る発明によれば、筐体と、前記筐体を水平に仕切る仕切りと、前記仕切りを貫通し、前記仕切りより上方側に放熱部を有するヒートパイプと、前記仕切りより下方側に配設された発熱部とを有し、前記発熱部の発熱を、前記ヒートパイプの下部で吸熱し、その上部の前記放熱部にて放熱することで、前記発熱部の冷却を行なう冷却構造において、外部と直接連通する吸気口及び排気口を、前記仕切りより上方側における前記筐体に設け、前記放熱部が設けられた部分と前記発熱部が設けられた部分とを連通する複数の連通口を前記仕切りに設けると共に吸気側となる連通口を前記仕切りの両端に配置し、吸気側となる前記連通口の前記仕切りより下方側に各々ガイド板を設け、当該2つのガイド板の間に前記発熱部を配置したので、下側盤の吸気口、排気口を不要とすることができ、埃や雨水等が直接侵入することを低減できる。又、下側盤の吸気口、排気口を不要とすることにより、積雪により、吸気口、排気口が塞がれることを防止でき、冷却能力を落とすことがない。更に、下側盤の吸気口、排気口が不要となるので、コストダウンすることができる。
【0027】
請求項3に係る発明によれば、電気部品により電力の特性を変換する電力変換装置において、発熱部となる前記電気部品を、上記いずれかの冷却構造を用いて冷却するので、下側盤の吸気口、排気口を不要とすることができ、埃や雨水等が直接侵入することを低減でき、電気部品の電気絶縁上の対策となる。又、下側盤の吸気口、排気口を不要とすることにより、積雪により、吸気口、排気口が塞がれることを防止でき、冷却能力を落とすことがない。更に、下側盤の吸気口、排気口が不要となるので、コストダウンすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の一例を示す電力変換装置の概略であり、(a)は外観の正面図、(b)は内部の正面図である。
【図2】図2(a)は電力変換装置の内部の側面図、(b)は、図1(b)のA−A線矢視図である。
【図3】本発明の実施形態の他の一例を示す電力変換装置の概略を示すもので、電力変換装置の内部の側面図である。
【図4】従来の電力変換装置の概略を示すもので、(a)は外観の正面図、(b)は内部の正面図である。
【符号の説明】
1a 上側盤
1b 下側盤
2 盤枠
3a 扉
3b 扉
4 吸気口
5 排気口
6 電気部品等
7 放熱部
8a 仕切り
8b 仕切り
9 ヒートパイプ
10 ガイド板
11 吸気口
12 排気口
13 ガイド板
Claims (3)
- 筐体と、前記筐体を水平に仕切る仕切りと、前記仕切りを貫通し、前記仕切りより上方側に放熱部を有するヒートパイプと、前記仕切りより下方側に配設された発熱部とを有し、前記発熱部の発熱を、前記ヒートパイプの下部で吸熱し、その上部の前記放熱部にて放熱することで、前記発熱部の冷却を行なう冷却構造において、
外部と直接連通する吸気口及び排気口を、前記仕切りより上方側における前記筐体に設け、前記放熱部が設けられた部分と前記発熱部が設けられた部分とを連通する複数の連通口を前記仕切りに設けると共に吸気側となる連通口を前記仕切りの両端に配置し、吸気側となる前記連通口の前記仕切りより下方側に各々ガイド板を設け、当該2つのガイド板の間に前記発熱部を配置したことを特徴とする冷却構造。 - 請求項1記載の冷却構造において、
前記ガイド板を、前記連通口に対して垂直に設けたことを特徴とする冷却構造。 - 電気部品により電力の特性を変換する電力変換装置において、
発熱部となる前記電気部品を、請求項1又は請求項2記載の冷却構造を用いて冷却することを特徴とする電力変換装置。
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