JP4969927B2

JP4969927B2 - 直流高圧発生装置

Info

Publication number: JP4969927B2
Application number: JP2006179111A
Authority: JP
Inventors: 光雄川並
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP2008011632A

Description

本発明は、密閉形直流高圧発生装置の冷却方法に関するもので、特に金属容器内部の直流高圧発生器から高圧出力ブッシングを介して、１０〜２００ｋＶの直流高圧を引き出すようにした油浸密閉形の直流高圧発生装置の内部発熱を、効率的に金属容器外に放熱する冷却方法に関するものである。

直流高圧発生装置の一般的な回路図を図６に示す。
商用交流電源をコンバータ１で直流電力に変換後、インバータ２で１０〜１００ｋＨｚの高周波に変換し、高周波変圧器３にて所定の電圧まで昇圧し、直流高圧発生器４に給電している。
直流高圧発生器４に供給される高周波電力は、種々の方式で昇圧整流し、直流高圧に変換されるが、図６の回路はコッククロフト・ウォルトン回路として周知の倍電圧整流回路の一例である。
コッククロフト・ウォルトン回路は、コンデンサ５_１、５_２、…、５_２５からなるコンデンサ群５ａと、コンデンサ５_２６、５_２７、…、５_５０からなるコンデンサ群５ｂと、コンデンサ５_５１、５_５２、…、５_７５からなるコンデンサ群５ｃと、そのコンデンサ間を交互に架橋するダイオード群６ａ、６ｂとからなる。
図６の回路では、低圧側入力端子Ｔ_１−Ｅ、Ｔ_２−Ｅより高周波電力が供給されると、その波高値の５０倍の直流高電圧を発生することができる回路となっている。
その出力電圧は出力電流に応じてリプル成分が含まれ、その軽減のためコンデンサは平滑用コンデンサが使用されるが、電圧降下時の応答を早めるように放電抵抗器９が併設される。
また、負荷側短絡時の電流抑制用に直列抵抗器７ａ、７ｂ、８、および出力電圧の電圧検出抵抗器群１０が同一の金属容器２６内に収容される。
さらに、出力電圧の電圧検出抵抗器群１０の低圧側は、低圧側端子Ｔ_３を介して、金属容器２６外に設置された電圧検出抵抗器１９を通じて接地される。電圧検出抵抗器群１０および電圧検出抵抗器１９により分圧された出力電圧は、設定電圧１７と比較され、２つの入力電圧差がゼロとなるように、誤差増幅器１８を介して、インバータ２に帰還制御され、直流高圧発生器４の出力電圧を安定化させる。

図７は、図６で示す直流高圧発生器４に相当する従来例の内部構造図である。
金属製の密封容器である金属容器２６内に、コンデンサ群５ａ、５ｂ、５ｃおよびダイオード群６ａ、６ｂよりなる倍電圧整流回路とともに、放電抵抗器９（図示せず）、直列抵抗器７、８、電圧検出抵抗器群１０（図示せず）が収納される。
金属容器２６とコンデンサ、ダイオード、抵抗器の電気素子との絶縁を確保するために、金属容器２６と電気素子との距離を長くするとともに、金属容器２６内に絶縁油２５が満たされている。
金属容器の天板２０には、直流高圧発生装置としての低圧側入力端子Ｔ_１、Ｅ、Ｔ_２および電圧検出抵抗器群１０の低圧側端子Ｔ_３とともに、高圧出力ブッシング２３が設置される。前記高圧出力ブッシングは、金属容器の天板２０の貫通孔を通して、前記高圧出力ブッシングを形成している封着金具（１）２１を溶接、ロウ付けなどにより気密接合して、設置される。しかしながら、絶縁油を対流させて冷却するための流路を確保することが必要となるので、金属容器２６と電気素子間の距離が長くなっており、装置の大形化は避けられない。

直流高圧発生器４の発熱は主として、金属容器２６内に収納している抵抗器およびダイオードの損失による。これらの発熱体の冷却の大半が、絶縁油２５の対流に依存しており、油流は金属容器２６内を循環して、金属容器２６の全面に伝熱して大気側の気流および輻射で放熱しているが、出力電流が大きくなると内部の発熱量も増加し、上方にある金属容器の天板２０の近辺は特に温度が高くなる。
また、特許文献１に示すように、内部発熱を金属容器外に放熱する手段として、高圧出力ブッシングを構成する封着金具に放熱フィンを取付けた装置が知られている。
特開平１１−４１９３２号公報

直流高圧発生器の発熱体は、抵抗器、ダイオードであり、その発熱は絶縁油の対流により金属容器の全面に伝熱して放熱している。装置の小形化を図るには、金属容器２６と直流高圧発生器４との間の距離を短くする必要があるが、距離を短くするための絶縁バリア（絶縁紙）が存在すると、金属容器側面への伝熱が効果的に行われず、側板に冷却フィンを設けても十分な放熱効果が得られず、金属容器の天板２０のみ異常に温度上昇して、内部の冷却効果が阻害されるという課題があった。
また、金属容器の放熱のため、上記の高圧出力ブッシングを構成する封着金属に放熱フィンを取付けた事例では、放熱フィンは熱損失が比較的小さい直流高圧発生装置には有用であるが、内部発熱が大きい直流高圧発生装置の場合は、放熱フィンを大きくする必要があり、装置が大形化するという問題があった。

上記のような問題があったため、小形で、放熱効果の良い油浸密閉形の直流高圧発生装置が求められていた。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、絶縁油を充填した金属容器内に、発熱体である電気素子が取り付けられた複数の回路基板を収納した直流高圧発生装置において、前記絶縁油が流れるように貫通孔が設けられるとともに、前記複数の回路基板が間隔を隔てて垂直に取り付けられた取付板と、前記金属容器内側の上部に前記絶縁油が当接可能な位置に配置された放熱吸収用板とを備え、前記放熱吸収用板には冷媒を流通させる冷却パイプが取り付けられ、前記電気素子の発熱により前記貫通孔および前記複数の回路基板の間を通って対流する絶縁油が前記放熱吸収用板に当接して、当該絶縁油と前記冷却パイプを流通する冷媒との間で熱交換が行われることを特徴とする直流高圧発生装置である。
さらに、前記金属容器内側の側面および下面に、絶縁紙を設置したことを特徴とする直流高圧発生装置である。

本発明は、コンデンサ、ダイオード、抵抗器等の電気素子からなる直流高圧発生器の回路基板を間隔を隔てて垂直に、貫通孔を設けた取付板に取付けるとともに、前記金属容器内側の上面に冷却パイプを設けた放熱吸収用板を配置することで、貫通孔から上昇した絶縁油が回路基板上の電気素子を冷却しながら上昇し、冷媒を通した冷却パイプを通じて冷却される放熱吸収用板で絶縁油を冷却することができるので、発熱する電気素子を効率的に冷却し、直流高圧発生器の発熱を抑制することができる。
また、金属容器内側の側面と下面に絶縁紙を配置することにより直流高圧発生装置の小形化を図ることができる。

本発明の一実施形態を図１〜５を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明による直流高圧発生装置の外観斜視図、図２は図１の内部構造図、図３は図２上部の放熱吸収用板と冷却パイプ部の平面図、図４は、図２の直列抵抗器設置箇所の下部断面図、図５（ａ）は図２上部の外観斜視図、図５（ｂ）は図２の中央部のダイオード、コンデンサの配置を示す概略斜視図である。
図２において、金属容器２６の天板２０の下部に長方形状の銅またはアルミニウム等からなる放熱吸収用板１２が設置される。この放熱吸収用板１２に図３および図５（ａ）に示すＳ字形の金属の冷却パイプ１３がロウ付けされる。冷却パイプの先端は天板２０を貫通し、気密保持のために天板２０にロウ付けされる。
図４は、金属容器２６の下部位置に、発熱体である直列抵抗器７ａ、７ｂが取付板２７〜３０に支持されて組立てられている。また、電圧検出抵抗器群１０も組み立てられている。
図５（ｂ）は、金属容器２６内にコンデンサ群５ａ、５ｂ、５ｃおよび発熱体であるダイオード群６ａ、６ｂの各電気素子が回路基板３４に取付けられ、各回路基板３４はその間を冷却用の絶縁油２５が流れるように隙間を空けて垂直に、取付板３２に取り付けられている。取付板３２には絶縁油が流れるように貫通孔Ｚ、切欠部Ｚ’が設けられている。
なお、回路基板３４は、電力変圧器に使用される電気絶縁紙を薄板状に成形したプレスボードであり、取付板２７〜３３は、ガラス繊維やカーボン繊維に樹脂を浸透させて成形し薄板状にした繊維強化プラスチック板（ＦＲＰ製）である。
各電気素子は絶縁油が流れるように回路基板３４に配置されている。本実施例では電気素子間の配線のしやすさから部品を水平方向に配置しているが、絶縁油の循環を考慮して部品を垂直方向に取り付けてもよい。
直流高圧発生器４の発熱は金属容器２６内の抵抗器およびダイオードの損失によるため、絶縁油流は図５（ｂ）の貫通孔Ｚ、切欠部Ｚ’および回路基板３４間を循環して銅製の放熱吸収用板１２に当たる。放熱吸収用板１２にはＳ字形の冷却パイプ１３がロウ付けされており、この冷却パイプ内に外部より冷却水を通し、熱交換を行い、金属容器内の上昇した温度を効果的に下げる。

金属容器２６の発熱体の冷却は、絶縁油２５の自然対流に依存するので、自然対流を良好にするために各電気素子の部品配置および回路基板３４の配置間隔を確保し、取付板の貫通孔Ｚ、切欠部Ｚ’を設けて上・下の対流が起こりやすい構造としている。

直流高圧発生装置の小形化を図るためには、金属容器２６と各電気素子との距離を短くする必要がある。コンデンサ、ダイオード、抵抗器の電気素子で構成された直流高圧発生器４の側面を絶縁紙２４で巻回し、絶縁紙２４の下部を直流高圧発生器４の下面に折り曲げるか、絶縁紙２４を適切な大きさの長方形状に切断し、必要枚数を重ねて直流高圧発生器４の下面に置き、重ねた絶縁紙２４の周辺を直流高圧発生器４の側面に折り曲げることにより、絶縁紙２４にて側面および下面を包囲して絶縁壁とし、金属容器２６に挿入する。金属容器２６と天板２０とは気密溶接を行った後、真空にて乾燥後、絶縁油を含浸して密閉する。

以上の実施形態によれば、本発明の直流高圧発生装置は金属容器内天板の下面に、放熱吸収用板と冷却パイプを設けたことにより、伝熱効果が上がり、効率的に放熱ができるようになり、直流高圧発生器の金属容器の天板の温度上昇を下げ、かつ内部温度を効果的に下げることができた。
また、金属容器と高電圧となる電気素子との絶縁には、電気素子を絶縁紙で側面および下面を包囲し、真空にて乾燥し、油含浸したことにより、絶縁性維持のための空間を縮小でき、金属容器の小形化を図ることができる。

本発明の一実施形態を示す外観斜視図図１の内部構造図図２上部の放熱吸収銅板と水冷パイプ部の平面図図２の直列抵抗器設置箇所の下部断面図（ａ）図２上部の外観斜視図、（ｂ）図２中央部の電気素子の配置を示す概略斜視図本発明の構成の回路図従来例による内部構造図

符号の説明

１コンバータ
２インバータ
３高周波変圧器
４直流高圧発生器
５ａ、５ｂ、５ｃコンデンサ群
６ａ、６ｂダイオード群
７、７ａ、７ｂ、８直列抵抗器
９放電抵抗器
１０電圧検出抵抗器群
１１コンデンサ群
１２放熱吸収用板
１３冷却パイプ
１４高圧端子
１５接地端子
１６分圧用抵抗器
１７設定電圧
１８誤差増幅器
１９電圧検出抵抗器
２０天板
２１封着金具（１）
２２封着金具（２）
２３高圧出力ブッシング
２４絶縁紙
２５絶縁油
２６金属容器
２７〜３３取付板（ＦＲＰ板）
３４回路基板（プレスボード）
Ｔ_１低圧側入力端子
Ｔ_２低圧側入力端子
Ｔ_３低圧側端子
Ｅ低圧側入力端子（アース）
Ｚ貫通孔
Ｚ’切欠部

Claims

絶縁油を充填した金属容器内に、発熱体である電気素子が取り付けられた複数の回路基板を収納した直流高圧発生装置において、
前記絶縁油が流れるように貫通孔が設けられるとともに、前記複数の回路基板が間隔を隔てて垂直に取り付けられた取付板と、
前記金属容器内側の上部に前記絶縁油が当接可能な位置に配置された放熱吸収用板と
を備え、
前記放熱吸収用板には冷媒を流通させる冷却パイプが取り付けられ、前記電気素子の発熱により前記貫通孔および前記複数の回路基板の間を通って対流する絶縁油が前記放熱吸収用板に当接して、当該絶縁油と前記冷却パイプを流通する冷媒との間で熱交換が行われることを特徴とする直流高圧発生装置。
前記金属容器内側の側面および下面に、絶縁紙を設置したことを特徴とする請求項１に記載の直流高圧発生装置。