JP5525934B2 - 自冷式電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は盤内に冷却ファンが設置されず、盤内における空気の対流により盤内の自冷式電力変換器及び変圧器等を自然冷却する自冷式電力変換装置に関する。

従来、風冷式の電力変換装置として特許文献１、２、３に記載されたものがある。特許文献１には、盤内に収められた電力変換器の冷却効果を高めて電力変換器の出力容量を増大させるために、次のように構成した点が記載されている。すなわち、盤内の区画室の上部に電力変換器を設置し、この電力変換器の背面側に電力変換器の冷却フィンを包み天井の排気口へ通じる風洞と天井の排気口へ連通した排気通風路とを設け、さらに区画室上面と電力変換器との間にそれぞれ区画室から吸引し風洞へ送風する電力変換器冷却用冷却ファンと排気通路へ送風するトランス冷却用冷却ファンとを並列して設けると共に、トランス冷却用冷却ファンの送風の一部が風洞へ送られるように風洞の下方の開口をトランス冷却用冷却ファンの一部に被るように拡げるようにしたものである。

特許文献２には、変圧器装置の上に無停電電源装置を積み重ねた配置にする場合でも、装置の信頼性を低下させずに変圧器の寸法が大きくなるのを回避できるようにするため、次のように構成した点が記載されている。すなわち、変圧器冷却ファンを収納した変圧器装置箱の上に、電力変換器冷却ファンを収納した無停電電源装置箱を積み重ね、電力変換器冷却ファンの運転で、変圧器装置箱に収納した各種変圧器を冷却できるように、無停電電源装置箱の底板の吸気孔と変圧器装置箱の天井部の排気孔とを一致した位置に開口させたものである。

特許文献３には、キュービクル内に収納している複数の電力変換器を直列で冷却する際の冷却ファンの寿命を短縮させず、制御回路用冷却ファンを省略できるようにするため、次のように構成した点が記載されている。すなわち、複数組の電力変換器と、該各電力変換器を制御する制御回路とを仕切板で分離して設置し、電力変換器用冷却ファンの吸気側に複数の電力変換器の略半数設置し、残余の電力変換器は電力変換器用冷却ファンの排気側に設置したものである。

特開２００６−８７２６９号公報 特開２０００−２２８５９３号公報 特開２００４−３６４３７２号公報

特許文献１、２、３のいずれも強制空冷方式でファンにより外気を盤内に積極的に引き込むので、塵埃などによる影響がある場合がある。また、この塵埃対策のためにエアフィルタを設けるなどの対応が必要になり、定期的なファンの交換と、エアフィルタの保守点検、清掃作業が必要であった。

本発明は、定期的なファンの交換と、エアフィルタの保守点検、清掃作業が極力省略できる自冷式電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、盤内に、少なくとも自冷式電力変換器の主回路と、変圧器と、リアクトルと、コンデンサと、前記電力変換器の制御回路とを収納し、これらが電気的に接続される自冷式電力変換装置において、前記盤内に上下方向に設置され、内部空間を仕切り、その背面側の底部側に前記変圧器を、その上部側に前記リアクトル、前記電力変換器の主回路を構成する半導体素子を冷却するヒートパイプを収納する第１の用品収納室並びにその内部空間仕切りの正面側に前記自冷式電力変換器の制御回路を収納する第２の用品収納室を形成するものであって、下部に開口部を有する仕切り体と、前記盤を構成する互いに対向する壁面であって、その底部側に形成した外気を内部に取り込む吸気口並びに天井部に形成した前記盤内の空気を自然対流により排気可能な排気口と、を具備し、前記変圧器の発熱により前記第１の用品収納室内に生ずる自然対流による冷却風が前記変圧器及び前記リアクトルを冷却して前記排気口から放出されると共に、前記第２の用品収納室内の空気の自然対流により前記電力変換器の制御回路を冷却するようにしたことを特徴とする冷却ファン及び前記吸気口にフィルタを設けない自冷式電力変換装置である。

本発明によれば、塵埃等の影響を最小限にすることができ、定期的なファンの交換と、エアフィルタの保守点検、清掃作業が極力省略できる自冷式電力変換装置を提供することができる。

本発明の自冷式電力変換装置の概略を説明するための回路図。 図１の自冷式電力変換装置の概略構成を示す斜視図。 図２の自冷式電力変換装置の縦断面図。 図２のヒートパイプを説明するための斜視図。

図１は、本発明の自冷式電力変換装置の概略の回路図ある。自冷式電力変換器の主回路（例えばＩＧＢＴユニットからなるインバータ）１と、変圧器２と、直流側ブレーカ３と、開閉器４と、交流側ブレーカ５と、リアクトル６と、コンデンサ７と、直流電流検出器８と、交流電流検出器９と、位相制御回路２１と電力制御回路２２を含む制御回路２０、その他から成っている。このような自冷式電力変換装置は、入力側例えば太陽電池３０に接続され、出力側は交流電力系統４０に接続される。

図２及び図３は、それぞれ図１の自冷式電力変換装置の概略構成を示す斜視図及び図１の自冷式電力変換装置の縦断面図である。具体的には。密閉された盤１０内に、少なくとも自冷式電力変換器の主回路（図１の１）と、変圧器２と、リアクトル６と、コンデンサ７と、電力変換器の制御回路２０とを収納し、これらが図１のように電気的に接続されたものであって、以下のように構成されている。

ほぼ直方体状であって縦長の盤１０内に上下方向に設置され、内部空間を仕切り、その背面側の底部側に変圧器２を、その上部側にリアクトル６、電力変換器の主回路１を構成する半導体素子を冷却するヒートパイプ１５を収納する第１の用品収納室（主回路換気エリア）１１並びにその内部空間仕切りの正面側に自冷式電力変換器の主回路１及びその下部側に電力変換器の制御回路２０を収納する第２の用品収納室（制御／基板エリア）１２を形成するものであって、下部に開口部１４１を有する仕切り体１４と、盤１０を構成する互いに対向する壁面であって、その底部側に形成した外気を内部に取り込む吸気口１２、１３並びに天井部に形成した前記盤内の空気を自然対流により排気可能な排気口１４２とを具備したものである。

このような構成において、変圧器２の発熱により第１の用品収納室１１内に生ずる自然対流による冷却風が変圧器２及びリアクトル６を冷却して排気口１４２から放出されると共に、第２の用品収納室１２内の空気の自然対流により電力変換器の制御回路及び前記電力変換器の主回路１を冷却することができ、これにより従来必要としていた冷却ファン及び吸気口のフィルタを設けなくてもすむという効果が得られる。

盤１０内は前述したように仕切り体１４で第２の用品収納室１２と、第１の用品収納室１１に仕切られている。制御回路２０を構成する位相制御回路２１と電力制御回路２２を含む基板、入出力回路等の発熱量が小さく、積極的な冷却を必要としない制御エリヤを盤内比較的熱を出さないが、塵埃による影響を受けやすい用品を扉裏面及び仕切り体１４の正面側の第２の用品収納室１２に設置してある。

一方、ヒートパイプ（変換器用放熱器）１５、変圧器２、リアクトル６などの発熱量が大きく積極的な換気を行い冷却する必要があり、比較的塵埃に強い用品を仕切り体１４の背面側の第１の用品収納室１１に配置し通風経路を分離することで、発熱量が大きく積極的な換気を行い冷却する耐環境性能を向上させることが可能となる。

従来は前述したように冷却ファンによる強制空冷を行っており、通風経路も以上のような分離もないので塵埃の多い環境では装置に悪影響を及ぼしていた。また、頻繁なエアフィルタの交換も必要であり、保守にかかる費用も大きかった。

本発明は、以上述べた構成以外に次のような特徴がある。すなわち、盤１０内であって変圧器２及びリアクトル６からの放熱がヒートパイプ１５に伝わらないようにする仕切りダクト１６を備えている。

図４（ａ）は、カバー１６内にヒートパイプ１５収納した状態を示し、図４（ｂ）はカバー１６を外した状態のヒートパイプ１５と電力変換器の主回路１を示している。電力変換器の主回路１を構成している半導体の内部とヒートパイプ１の内部には、純水が循環できるようになっており、これによって電力変換器の主回路１を構成している半導体自体を冷却している。

また、第１の用品収納室１１内であって用品収納室を構成する壁面と、変圧器２の上下方向の外周面の間を仕切り、変圧器２の放熱により発生する対流空気が変圧器２の外周面に沿って上昇するように、変圧器２の外周面との間に隙間が形成されるようにした風向体１７を備えている。

さらに盤１０は、この内部の空気が煙突効果で対流が可能な構成例えば盤内部高さを１０００ｍｍを超えるようにし、第１の用品収納室１１内はダクトのような作用をするようになっている。

以上述べた構成を基本とし、屋外又は屋内、屋外及び屋内のいずれにも設置できるように、盤の構成にすることもできる。

以上述べた盤構成は、図面に示すように内側配設する枠部材を直方体状に組み合わせた枠体と、この枠体の外側に複数の側板を貼り合わせたものとなっているが、これに限らず複数の側板同士を結合したような構成であってもよい。

１…主回路、２…変圧器、３…直流側ブレーカ、４…開閉器、５…交流側ブレーカ、６…リアクトル、７…コンデンサ、８…直流電流検出器、９…交流電流検出器、１０…盤、１１…第１の用品収納室、１２…第２の用品収納室、１２、１３…吸気口、１４…仕切り体、１５…ヒートパイプ、１６…仕切りダクト、１６…カバー、１７…風向体、２０…制御回路、２１…位相制御回路、２２…電力制御回路、３０…太陽電池、４０…交流電力系統、１４１…開口部、１４２…排気口。

Claims (3)

1. 盤内に、少なくとも自冷式電力変換器の主回路と、変圧器と、リアクトルと、コンデンサと、前記電力変換器の制御回路とを収納し、これらが電気的に接続される自冷式電力変換装置において、
   前記盤内に上下方向に設置され、内部空間を仕切り、その背面側の底部側に前記変圧器を、その上部側に前記リアクトル、前記電力変換器の主回路を構成する半導体素子を冷却するヒートパイプを収納する第１の用品収納室並びにその内部空間仕切りの正面側に前記自冷式電力変換器の制御回路を収納する第２の用品収納室を形成するものであって、下部に開口部を有する仕切り体と、
   前記盤を構成する互いに対向する壁面であって、その底部側に形成した外気を内部に取り込む吸気口並びに天井部に形成した前記盤内の空気を自然対流により排気可能な排気口と、
   を具備し、前記変圧器の発熱により前記第１の用品収納室内に生ずる自然対流による冷却風が前記変圧器及び前記リアクトルを冷却して前記排気口から放出されると共に、前記第２の用品収納室内の空気の自然対流により前記電力変換器の制御回路を冷却するようにしたことを特徴とする自冷式電力変換装置。
2. 前記第１の用品収納室内であって用品収納室を構成する壁面と、前記変圧器の上下方向の外周面の間を仕切り、前記変圧器の放熱により発生する対流空気が前記変圧器の外周面に沿って上昇するように、前記変圧器の外周面との間に隙間が形成されるようにした風向体を備えたことを特徴とする請求項１記載の自冷式電力変換装置。
3. 前記盤は、この内部の空気が煙突効果で対流が可能な構成とした請求項１乃至２のいずれか１項記載の自冷式電力変換装置。

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