JP5378413B2

JP5378413B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP5378413B2
Application number: JP2010542752A
Authority: JP
Inventors: 利樹龍田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN102257711A; JPWO2010070715A1; CA2746730A1; MX2011006492A; KR101254896B1; KR20110086766A; CN102257711B; WO2010070715A1; CA2746730C

Description

本発明は、筐体内に半導体素子やコンデンサ等の電気部品を備えた電源装置に関する。

従来の電源装置は、床面に対して起立した筐体内に、上下方向に並んで配置された複数の電力変換ユニットを有する。この電力変換ユニットは、床面に水平な基盤上に平面的に実装された複数の半導体素子および複数の電解コンデンサ等の電子部品を有する。

これらの電子部品は電源装置の稼働中には熱を発生するため、筐体に取り付けられたファンにより、電力変換ユニット上に冷却風を平面的に流して、これらの電子部品を冷却する（例えば、特許文献１を参照。）。なお、半導体素子は、放熱性の向上のため、ファンにより生じた冷却風が通過できる冷却孔が形成されたヒートシンクを介して実装されているのが一般的である。
特開平１１−２７９３０号公報

上記の電源装置では、ヒートシンクの冷却孔の流路抵抗が大きいため、ファンにより生じた冷却風は、ヒートシンクの冷却孔を通りにくい。よって、ヒートシンク上に実装された半導体素子の冷却効果が低い。

また、上記の電源装置では、半導体素子および電解コンデンサ等の電子部品は、メンテナンスの必要性が高いが、これらの電子部品が床面に水平な基盤上に平面的に実装されている。よって、メンテナンス時の作業性が低い。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、床面に対して起立した筐体を備えた電源装置であって、前記筐体外の空気を前記筐体内に吸気できる吸気口が形成された前面パネルと、前記前面パネルと対向して配置された背面パネルと、前記前面パネルおよび前記背面パネルとともに筒体を形成している二枚の側面パネルと、前記筐体内の空間を前面側空間と背面側空間とに仕切るように配置され前記前面側空間と前記背面側空間とを連通している前後通気口が形成された前後仕切板と、前記筒体の上端面に配置され、前記背面側空間の上方に排気口が形成された天板とを有する筐体と、前記排気口に配置され前記背面側空間の空気を前記筐体外に排気できる排気装置と、前記前後仕切板の前面側の表面に沿って上下方向に並んで配置された複数のコンデンサと、前記前後仕切板の前面側の表面に沿って前記前後通気口と前記コンデンサとの間に配置され、前記コンデンサと半導体素子が発生する熱を前記コンデンサ側から前記前後通気口側に向かって熱排出するように配置した冷却孔が形成された放熱用のヒートシンクと、前記ヒートシンクの前面側の表面に沿って上下方向に並んで配置された複数の半導体素子と、前記前後通気口と前記冷却孔の前記前後通気口側の開口部とを連通させている誘導部材と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、前面側空間の空気が、ヒートシンクの冷却孔を通過して背面側空間に流入するため、半導体素子を効率良く冷却できる。併せて、メンテナンスの必要性の高い半導体素子および電解コンデンサが、前面側空間に配置されているため、メンテナンス時の作業性を向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る電源装置の前面側の斜視図であって、電気配線を省略し、かつ、前面パネルを取り外した状態を示した図である。図１の背面側の斜視図であって、背面パネルを取り外した状態を示した図である。図１の模式的正面図であって、前面パネルの一部を切り欠き、主たる空気の流れを示した図である。図３のIV−IV矢視図である。本発明の第２の実施形態に係る電源装置の前面側の斜視図であって、電気配線を省略し、かつ、前面パネルを取り外した状態を示した図である。図５の背面側の斜視図であって、背面パネルを取り外した状態を示した図である。図５の模式的正面図であって、前面パネルの一部を切り欠き、主たる空気の流れを示した図である。図７のVIII−VIII矢視図である。本発明の第３の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。本発明の第４の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。本発明の第５の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。

符号の説明

１…電源装置、２…筐体、３…床面、２１…前面パネル、２２…背面パネル、２３，２４…側面パネル、２５…底板、２６…天板、２７…上下仕切板、２８…前後仕切板、２９…下方空間、３０…前面側空間、３１…背面側空間、３２…前後通気口、３３…吸気口、３４…格子、３５…脚部、３６…排気口、３７…脚部、５１…半導体素子、５２…ヒートシンク、５３…冷却孔、５４…冷却孔の電解コンデンサ側の開口部、５５…冷却孔の前後通気口側の開口部、５６…電解コンデンサ、５７…電解コンデンサの本体部、５８…電解コンデンサの端子部、５９…支持部材、６１…交流リアクトル、６２…直流リアクトル、６３…制御トランス、６４…支持板、７１…遮断器、７２…フィルタコンデンサ、７３…主回路接続導線、８１…排気装置、８２…ファン、９１…誘導部材、９２…起立板、９３…端板、９４…平行板

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電源装置について図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の前面側の斜視図であって、電気配線を省略し、かつ、前面パネルを取り外した状態を示した図である。図２は、図１の背面側の斜視図であって、背面パネルを取り外した状態を示した図である。図３は、図１の模式的正面図であって、前面パネルの一部を切り欠き、主たる空気の流れを示した図である。図４は、図３のIV−IV矢視図である。

本発明の第１の実施形態に係る電源装置１は、筐体２内に半導体素子５１や電解コンデンサ５６等の電気部品が実装されることにより構成されている。この実装構造が電源装置１の主たる特徴である。

まず、筐体２の構造について説明する。筐体２は、電源装置１を設置する床面３に対して垂直に起立していて、その内部に電気部品の実装空間が形成されている。筐体２の外形は、互いに対向している前面パネル２１と背面パネル２２、互いに対向している２枚の側面パネル２３，２４、底板２５および天板２６により構成され、床面３に対して垂直に延びる直方体である。筐体２は、その内部に上下仕切板２７および前後仕切板２８を有する。

上下仕切板２７は、筐体２内の空間を上下に仕切るように筐体２内に水平に配置され、筐体２内に上方空間と下方空間２９とを形成している。上下仕切板２７の背面側空間３１（後述する。）に接している範囲には、上下通気口（図示しない。）が形成されていて、下方空間２９と背面側空間３１とは、この上下通気口を介して連通している。

前後仕切板２８は、上方空間を前後に仕切るように上方空間内に垂直に配置され、筐体２内に前面側空間３０と背面側空間３１とを形成している。前後仕切板２８の幅方向の両側部には、上下方向に沿って前後通気口３２が形成されていて、前面側空間３０と背面側空間３１とは、この前後通気口３２を介して連通している。

前面パネル２１は、電気部品を前面側空間３０内に実装する際の利便性を考慮して、筐体２に対して取り外し可能に取り付けられている。前面パネル２１には、前面側空間３０に接している範囲の下部から下方空間２９に接している範囲の上部に渡って開口した吸気口３３が形成されていて、筐体２外の空間と前面側空間３０および筐体２外の空間と下方空間２９とは、この吸気口３３を介して連通している。吸気口３３には、感電防止のための格子３４が取り付けられている。

背面パネル２２は、電気部品を背面側空間３１内に実装する際の利便性を考慮して、筐体２に対して取り外し可能に取り付けられている。背面パネル２２は、放射ノイズが筐体２外に漏洩することを抑制するため、磁性体金属により構成されている。

底板２５の下面には、脚部３５が設けられていて、脚部３５を床面３にボルト締めすることにより、電源装置１は床面３に固定される。

天板２６の背面側空間３１に接している範囲には、排気口３６が形成されていて、背面側空間３１と筐体２外の空間とは、この排気口３６を介して連通している。

次に、電気部品の実装構造について説明する。電源装置１は、筐体２内に半導体素子５１、ヒートシンク５２、電解コンデンサ５６、交流リアクトル６１、直流リアクトル６２、制御トランス６３、遮断器７１、フィルタコンデンサ７２および主回路接続導線７３を有する。

半導体素子５１、ヒートシンク５２および電解コンデンサ５６は、前面側空間３０内に収納されている。複数の電解コンデンサ５６は、前後仕切板２８の前面側の表面の幅方向の中央部に、上下方向に並んで配置されている。図１ないし図４では、例として、２４個の電解コンデンサ５６が、２列に並んで配置されている。各電解コンデンサ５６は、円柱状の本体部５７とその一端面から突出した端子部５８とからなり、本体部５７が前後仕切板２８に対して起立するように、支持部材５９により前後仕切板２８に取り付けられている。

複数のヒートシンク５２は、前後仕切板２８の前面側の表面であって前後通気口３２と複数の電解コンデンサ５６との間に、上下方向に並んで配置されている。図１ないし図４では、例として、８個のヒートシンク５２が、２４個の電解コンデンサ５６と２つの前後通気口３２との間に２列に並んで配置されている。各ヒートシンク５２は、板状体であり、その内部を面方向に貫通する複数の冷却孔５３が形成されている。各ヒートシンク５２は、冷却孔５３が幅方向に延びるように配置されている。

複数の半導体素子５１は、複数のヒートシンク５２の前面側の表面に、上下方向に並んで配置されている。図１ないし図４では、例として、１６個の半導体素子５１が、８個のヒートシンク５２上に２列に並んで配置されている。半導体素子５１から生じた熱は、主にヒートシンク５２を介して放熱される。

交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３は、背面側空間３１内に収納されている。複数の交流リアクトル６１は、上下仕切板２７上に設置されている。また、複数の交流リアクトル６１の上方には、支持板６４が設けられている。この支持板６４は、床面３に対して水平になるように側面パネル２３，２４に取り付けられている。複数の直流リアクトル６２および複数の制御トランス６３は、支持板６４上に配置されている。

遮断器７１、フィルタコンデンサ７２および主回路接続導線７３は、下方空間２９内に収納されている。遮断器７１は、底板２５の前後方向の中央部に設置されている。また、フィルタコンデンサ７２は、底板２５の背面側に設置され、主回路接続導線７３は、底板２５の前面側に設置されている。

次に、排気装置８１および誘導部材９１について説明する。排気装置８１は、天板２６の排気口３６を塞ぐように天板２６に取り付けられている。排気装置８１は、背面側空間３１の空気を筐体２外に排気可能なファン８２を有している。すなわち、ファン８２が回転すると、筐体２内が負圧となるため、筐体２外の空気が吸気口３３から筐体２内に流入して、筐体２内の空気は排気口３６から排出される。

誘導部材９１は、前面側空間３０の空気がヒートシンク５２の冷却孔５３を通過後に背面側空間３１に流入するように、前面側空間３０の空気を背面側空間３１に誘導する部材である。

具体的には、誘導部材９１は、起立板９２、端板９３および平行板９４から構成され、前後仕切板２８に取り付けられている。起立板９２は、前後通気口３２のヒートシンク５２から遠い方の縁部から前面側にヒートシンク５２の厚さ分だけ延びた板状部材である。端板９３は、前後通気口３２の上下方向の両縁部から前面側にヒートシンク５２の厚さ分だけ延びた板状部材である。平行板９４は、起立板９２および端板９３の終端縁からヒートシンク５２の半導体素子５１側の表面まで前後仕切板２８に対して水平に広がった板状部材である。

すなわち、誘導部材９１は、前後通気口３２と冷却孔５３の前後通気口３２に近い方の開口部５５とを一体的に覆い、前後通気口３２と冷却孔５３とを連通させている。この誘導部材９１の存在により、前面側空間３０の空気が背面側空間３１に流入する場合には、冷却孔５３を通過することとなる。

ファン８２を回転させたときの筐体２内の空気の流れについて説明する。筐体２外の空気は、吸気口３３が前面側空間３０の下部から下方空間２９の上部に渡って開口しているため、吸気口３３を通過して、前面側空間３０および下方空間２９に同時に流入する。

前面側空間３０の空気は、背面側空間３１が負圧となっているため、前後通気口３２を通って、背面側空間３１に移動する。ここで、誘導部材９１の存在により、前面側空間３０の空気は、ヒートシンク５２の冷却孔５３を通過した後、背面側空間３１に流入する。冷却孔５３を通過する際には、電解コンデンサ５６側の開口部（電解コンデンサ５６に近い方の開口部）５４から冷却孔５３内に入り、前後通気口３２側の開口部（前後通気口３２から近い方の開口部）５５から冷却孔５３外に出る。

すなわち、前面側空間３０の空気は、電解コンデンサ５６側の開口部５４に集まり、その際、隣接した電解コンデンサ５６を冷却する（図３を参照。）。また、背面側空間３１に向かう空気は、ヒートシンク５２の冷却孔５３内を通過することにより、ヒートシンク５２を介して半導体素子５１を冷却する。

前面側空間３０から背面側空間３１に流入した空気は、背面側空間３１内を回転しながら上昇し、筐体２外に排気される。ここで、例えば、ファン８２の回転が反時計回りの場合には、背面側空間３１の空気は反時計回りに回転しながら上昇する（図４を参照。）。この際、背面側空間３１の空気は、背面側空間３１内に配置された交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３を冷却する。

一方、下方空間２９の空気は、背面側空間３１が負圧となっているため、上下通気口を通って、背面側空間３１に移動する。この際、下方空間２９の空気は、下方空間２９内に配置された遮断器７１およびフィルタコンデンサ７２を冷却する。

下方空間２９から背面側空間３１に流入した空気は、上述の通り、背面側空間３１内を回転しながら上昇し、交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３を冷却し、筐体２外に排気される。

以下、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の効果について説明する。本実施形態によれば、前面側空間３０の空気は、ヒートシンク５２の冷却孔５３を通過して背面側空間３１に流入する。よって、冷却の必要性が高い半導体素子５１を効率良く冷却できる。また、前面側空間３０の空気は、冷却孔５３の電解コンデンサ５６に近い方の開口部５４に集まるため、この開口部５４に隣接した電解コンデンサ５６を効率良く冷却できる。

また、前面側空間３０に流入した主たる空気は、電解コンデンサ５６、半導体素子５１、交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３を冷却するように流れるため、電源装置全体としての冷却効率を向上できる。

また、筐体２外の空気が前面側空間３０と下方空間２９とに同時に流入し、それぞれが独立した流路を形成しているため、半導体素子５１および電解コンデンサ５６と、遮断器７１およびフィルタコンデンサ７２とを独立に冷却できる。よって、遮断器７１およびフィルタコンデンサ７２の冷却後の空気により、半導体素子５１および電解コンデンサ５６を冷却しないため、半導体素子５１および電解コンデンサ５６を効率良く冷却できる。あるいは、半導体素子５１および電解コンデンサ５６の冷却後の空気により、遮断器７１およびフィルタコンデンサ７２を冷却しないため、遮断器７１およびフィルタコンデンサ７２を効率良く冷却できる。

また、背面側空間３１の空気は、回転しながら上昇するため、交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３を効率良く冷却できる。

本実施形態によれば、メンテナンスの必要性が非常に高い半導体素子５１および電解コンデンサ５６が、前面側空間３０に配置されているため、メンテナンス時の作業性が良い。同様の理由から、電源装置１の組立て時の作業性も良い。

また、放射ノイズを発生する交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３が、背面側空間３１に配置されているため、電源装置１の前面側への放射ノイズの漏洩を抑制できる。さらに、背面パネル２２が磁性体金属により構成されているため、電源装置１の背面側への放射ノイズの漏洩も抑制できる。

さらに、吸気口３３を前面パネルに設け、排気口３６が天板２６に設けられているため、吸排気のためのスペースを必要とせず、電源装置１を他の機器や壁と隣接して設置できる。また、筐体２が上下方向に延びた直方体であるため、電源装置１の設置スペースを削減できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態に係る電源装置について図５ないし図８を用いて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置の前面側の斜視図であって、電気配線を省略し、かつ、前面パネルを取り外した状態を示した図である。図６は、図５の背面側の斜視図であって、背面パネルを取り外した状態を示した図である。図７は、図５の模式的正面図であって、前面パネルの一部を切り欠き、主たる空気の流れを示した図である。図８は、図７のVIII−VIII矢視図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本発明の第２の実施形態に係る電源装置１では、前後仕切板２８の幅方向の一方の側部（図５および図７において右端部）には、上下方向に沿って前後通気口３２が形成されている。

複数の電解コンデンサ５６は、前後仕切板２８の前面側の表面であって幅方向の前後通気口３２が形成されていない側部（図５および図７において左端部）に、上下方向に並んで配置されている。図５ないし図７では、例として、８個の電解コンデンサ５６が、１列に並んで配置されている。

複数のヒートシンク５２は、前後仕切板２８の前面側の表面であって前後通気口３２と複数の電解コンデンサ５６との間（前後仕切板２８の前面側の表面であって幅方向の中央）に、上下方向に並んで配置されている。図５ないし図８では、例として、４個のヒートシンク５２が、８個の電解コンデンサ５６と１つの前後通気口３２との間に１列に並んで配置されている。また、例として、８個の半導体素子５１が、４個のヒートシンク５２上に１列に並んで配置されている。

排気装置８１のファン８２の回転方向は、前後通気口３２を通過直後の空気が、背面側空間３１内を前後仕切板２８に対して略垂直に（背面方向に）移動するような向きとなっている。図８を用いて説明すると、前後通気口３２は前後仕切板２８の幅方向の右端部に形成されているため、ファン８２は、反時計回りに回転する。そうすると、前後通気口３２を通過直後の空気は、背面側空間３１内を前後仕切板２８に対して略垂直に（背面方向に）移動し、その後、反時計回りに回転しながら上昇する。

本実施形態によれば、背面側空間３１の空気がスムーズに回転するため、交流リアクトル６１、直流リアクトル６２および制御トランス６３を効率良く冷却できる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態に係る電源装置について図９を用いて説明する。図９は、本発明の第３の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本発明の第３の実施形態に係る電源装置１では、前後仕切板２８の幅方向の両側部には、上下方向に沿って切欠部が形成されていて、この切欠部と側面パネル２３，２４との隙間が前後通気口３２となっている。

誘導部材９１は、端板９３および平行板９４から構成されている。平行板９４は、側面パネル２３，２４の内面からヒートシンク５２の半導体素子５１側の面に向かって延びている。また、端板９３は、前後通気口３２の上下方向の両縁部から平行板９４の上下方向の両端部まで延びている。

本実施形態によっても、本発明の第１の実施形態に係る電源装置１と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態に係る電源装置について図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第４の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本発明の第４の実施形態に係る電源装置１では、前後通気口３２は、前後仕切板２８の幅方向の中央部に、上下方向に沿って形成されている。

複数の電解コンデンサ５６は、前後仕切板２８の前面側の表面の幅方向の両端部に、上下方向に２列に並んで配置されている。また、複数のヒートシンク５２は、前後仕切板２８の前面側の表面であって前後通気口３２と複数の電解コンデンサ５６との間に、上下方向に２列に並んで配置されている。

誘導部材９１は、端板９３および平行板９４から構成されている。平行板９４は、２列の複数のヒートシンク５２の半導体素子５１側の表面間に渡って広がっている。また、端板９３は、前後通気口３２の上下方向の両縁部から平行板９４の上下方向の両端部まで延びている。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施形態に係る電源装置について図１１を用いて説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態に係る電源装置を示した図であって、図４と同様の断面を示した図である。なお、本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本発明の第５の実施形態に係る電源装置１では、誘導部材９１が、ヒートシンク５２と一体に形成されている。具体的には、ヒートシンク５２の半導体素子５１側の表面が側面方向に延長されていることにより、平行板９４が形成されている。

本実施形態によれば、放熱をヒートシンク５２だけでなく誘導部材９１においても行うことができるため、半導体素子５１の放熱効果を向上できる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、半導体素子５１や電解コンデンサ５７等の電気要素の個数は、上記実施形態に限定されない。また、各実施形態の特徴を組み合わせても良い。

Claims

床面に対して起立した筐体を備えた電源装置であって、
前記筐体外の空気を前記筐体内に吸気できる吸気口が形成された前面パネルと、
前記前面パネルと対向して配置された背面パネルと、
前記前面パネルおよび前記背面パネルとともに筒体を形成している二枚の側面パネルと、
前記筐体内の空間を前面側空間と背面側空間とに仕切るように配置され、前記前面側空間と前記背面側空間とを連通している前後通気口が形成された前後仕切板と、
前記筒体の上端面に配置され、前記背面側空間の上方に排気口が形成された天板と
を有する筐体と、
前記排気口に配置され、前記背面側空間の空気を前記筐体外に排気できる排気装置と、
前記前後仕切板の前面側の表面に沿って上下方向に並んで配置された複数のコンデンサと、
前記前後仕切板の前面側の表面に沿って前記前後通気口と前記コンデンサとの間に配置され、前記コンデンサと半導体素子が発生する熱を前記コンデンサ側から前記前後通気口側に向かって熱排出するように配置した冷却孔が形成された放熱用のヒートシンクと、
前記ヒートシンクの前面側の表面に沿って上下方向に並んで配置された複数の半導体素子と、
前記前後通気口と前記冷却孔の前記前後通気口側の開口部とを連通させている誘導部材と、
を具備することを特徴とする電源装置。
前記前面側空間の空気は前記冷却孔および前記前後通気口を通過後に前記背面側空間に流入すること
を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記背面側空間には直流リアクトル、交流リアクトルおよび制御トランスが配置されていること
を特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記背面パネルの少なくとも一部が磁性体金属からなること
を特徴とする請求項３に記載の電源装置。
前記筐体は、前記筐体内の空間を上方空間と下方空間とに仕切るように配置され、前記背面側空間と前記下方空間とを連通している上下通気口が形成された上下仕切板を有し、
前記前後仕切板は、前記上方空間を前面側空間と背面側空間とに仕切るように配置され、
前記下方空間の空気は前記上下通気口を通過して前記背面側空間に流入すること
を特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記下方空間には遮断器およびフィルタコンデンサが配置されていること
を特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記排気装置は、前記背面側空間内の空気を回転させながら上昇させることができるファンを有すること
を特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記前後通気口は、前記前後仕切板の幅方向の一方の端部にのみ形成され、
前記ファンは、前記背面側空間内において前記前後通気口を通過直後の空気が背面方向に移動するように回転すること
を特徴とする請求項７に記載の電源装置。