JP5720184B2 - 電力変換装置の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器を収納する変圧器盤と電力変換器を収納する変換器盤とを連通させて配置した電力変換装置の冷却装置に関する。

半導体電力変換装置において、主回路を構成する半導体電力変換ユニット、主回路変圧器等の発熱機器を冷却する部分、及び比較的熱に弱い制御プリント板の電機機器で構成した制御ユニットを冷却する部分を、それぞれ個別の盤（筐体）に分離して収納するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載の従来例では、監視盤、制御保護盤、電力変換器盤、連系変圧器盤、補機盤を連通させ、制御保護盤に設けた吸気用ファンで冷風を吸気するとともに、補機盤に設けた排出用ファンで排出することにより、冷風を制御保護盤、電力変換器盤及び連系変圧器盤を通じて補機盤から外部に排出する。

特に、発熱量の多い変圧器を収納する変圧器盤（筐体）は、少なくとも正面に吸気口を設けて天井ファンで排気する強制換気方式を採用している（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に記載の従来例では、変圧器を収納した盤の天井に排気ファンを前後方向の中央部で変圧器に上方から対向するように配置し、盤の正面下部に吸気口を設ける。そして、盤内底部の背面側に送風ファンと組み合わせた導風ダクトを配備し、この導風ダクトに変圧器の背面に向けて開口部を形成し、吸気口を通じて盤内に取り込んだ外気の一部を導風ダクトの送風口から変圧器の背面に向けて分流送風するようにしている。

また、筐体内を上部空間及び下部空間に仕切るとともに、冷却ファンにより発生する冷却風が上部空間及び下部空間相互で流通するのを阻止する筐体内部空間仕切部材となる変圧器側絶縁板と、筐体側絶縁支持部材と、吸気整流板とを設け、さらに冷却ファンの回転により筐体内に発生する冷却風を変圧器のコイルの外周部を包囲する筒状絶縁物内へ導き、変圧器のコイルを冷却するようにした変圧器盤も知られている（例えば、特許文献３参照）。

このような電力変換装置の冷却装置の具体的構成としては、図６〜図９に示すように、構成されている。
すなわち、電力変換装置は、図６及び図７に示すように、変圧器１００を収納する変圧器盤１０１と、複数の半導体電力変換器１０２を収納する変換器盤１０３とを互いに連通させて配置した構成を有する。
変圧器盤１０１には、変圧器１００がその奥行き方向の中央部が変換器盤１０３の奥行き方向の中央部より背面側となるように配置され、この変圧器１００の背面側の上部側に左右に２台の排気用天井ファン１０４ａ及び１０４ｂが配置されている。また、変圧器盤１０１の前面にはその下部側に２つの冷風吸気口１０５ａ及び１０５ｂが配置されている。

このため、変圧器盤１０１では、排気用天井ファン１０４ａ及び１０４ｂを回転駆動することにより、冷風吸気口１０５ａ及び１０５ｂから吸気された冷風が変圧器１００のコイル部の正面側を冷却してから排気用天井ファン１０４ａ及び１０４ｂから排出される。
一方、変換器盤１０３は、図６に示すように、前面に４つの吸気口１０６ａ〜１０６ｄが配置されている。また、変換器盤１０３は、図７に示すように、これら吸気口１０６ａ〜１０６ｄに対向するように左右２列で上下６段の計１２台の半導体電力変換器１０２が配設されている。さらに、変換器盤１０３は、図９に示すように、各半導体電力変換器１０２の背面側に変圧器盤１０１に連通する風洞１０８が形成されている。

このため、変換器盤１０３では、吸気口１０６ａ〜１０６ｄから吸気された冷却風が各半導体電力変換器１０２を通って風洞１０８に達し、風洞１０８を通って変換器盤１０１の変圧器１００の背面側を冷却して排気用天井ファン１０４ａ及び１０４ｂから排出される。

特開２００８−３５６３５号公報 特開２００９−３０３３５４号公報 特開２００９−７６８２５号公報

ここで、上記特許文献１に記載された従来例にあっては、監視盤、制御保護盤、電力変換器盤、連系変圧器盤、補機盤を連通させ、制御保護盤に設けた吸気用ファンによって監視盤に設けた吸気用開口部から吸気した冷風を制御保護盤、電力変換器盤、連系変圧器盤に送り、補機盤に設けた排気用ファンによって外部に排出するようにしており、冷却構造が大型化し、全体の構成も大型化するという未解決の課題がある。

また、上記特許文献２及び３に記載された従来例にあっては、変圧器を収納する筐体の正面側からのみ空気をとりこみ、筐体内に取込んだ冷却風を変圧器の回りを通って上方に配置した冷却ファンで外部に排気する強制換気方式となっている。
しかしながら、上記特許文献２及び３に記載された従来例にあっては、ともに筐体の正面から取込んだ冷却風を変圧器の回りに案内するために、送風ファン及び導風ダクトや変圧器のコイルの外周部を包囲する筒状絶縁物及びこの筒状絶縁部の下部に冷却風を案内する導風機構を必要とし、構成が複雑となるとともに、変圧器盤の筐体が大形化するという未解決の課題がある。

さらに、図６〜９に示す従来例にあっては、変圧器盤１０１に設けた排気用天井ファン１０４ａ及び１０４ｂを駆動することによって、図８に示すように、冷風吸気口１０５ａ及び１０５ｂから吸気された冷風が変圧器１００のコイル部の正面側を冷却する。これと同時に、変換器盤１０３の吸気口１０６ａ〜１０６ｄから吸気された冷風が、図９に示すように、半導体電力変換器１０２を通って背面側の風洞１０８に達し、この風洞１０８から変圧器１００の背面側に達して、変圧器１００の背面側を冷却する。このため、変圧器の冷却効率を向上させることはできるが、変換器盤側から風洞１０８を通って変圧器１００に供給される冷風は、風洞１０８の断面積が広いことにより、変圧器１００に供給する風速が遅くなってしまい大きな冷却効果を発揮できないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、簡易な構成で、変圧器を効率よく冷却することができる電力変換装置の冷却装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電力変換装置の冷却装置は、変圧器を収納し且つ上面に排気用天井ファンを配置した変圧器盤と、該変圧器盤と連通して配置された電力変換器を収納した変換器盤と、少なくとも前記変換器盤の正面に形成された冷却風吸気部と、前記冷却風吸気部で吸気された冷却風が前記電力変換器を介して供給され、当該冷却風を前記変圧器の側面に供給する前記変換器盤に配設された風洞と、該風洞の変圧器側出口を狭める仕切板とを備えている。そして、前記排気用天井ファンは、前記変圧器盤の上面にのみ配置され、前記冷却風吸気部から前記風洞を介し、前記仕切板で狭められた前記変圧器側出口を介し、前記変圧器の巻線部を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路を形成し、前記変圧器盤は、前記排気用天井ファンとは反対側の正面下部に冷却風吸気口が形成されている。

この構成によると、変圧器盤の上面にのみ配置された排気用天井ファンを駆動することにより、変換器盤の冷却風吸気部から吸気された冷風が電力変換器を通って風洞から変圧器盤に供給される。このとき、風洞の変圧器盤側出口が仕切板で狭められているので、冷却風を大きな風速で変圧器の側面に供給することができる。このため、変圧器の冷却効率を向上させることができる。
また、変圧器盤は、排気用天井ファンとは反対側の正面下部に冷却風吸気口が形成されているので、変圧器盤の正面の吸気口からも冷却風を吸気して、変圧器を通じて排気用天井ファンから排気する冷却通路が形成され、変圧器の冷却効率をより向上させることができる。

また、本発明の他の態様に係る電力変換装置の冷却装置は、前記変圧器盤に、前記排気用天井ファンが前記変圧器の背面側における上部に配設されている。また、前記変換器盤に、前記冷却風吸気部を前記排気用天井ファンの設置位置とは反対側の正面に形成するとともに、前記風洞を前記排気用天井ファン側に配設している。そして、前記冷却風吸気部から吸気された冷却風を、前記電力変換器を通じて前記風洞に案内する。さらに、前記仕切板が前記風洞の前記変圧器側出口の上部側を閉塞するように配設されている。

この構成によると、変圧器盤の排気用天井ファンを駆動することにより、変換器盤の前面に配設された冷風吸気部から冷風が各電力変換器を通じて風洞に案内され、この風洞から変圧器盤に収納された変圧器の側面に供給される。このとき、風洞の上部が仕切板で閉塞されているので、冷却風が風洞の下側から大きな風速で変圧器の側面に供給され、最後に排気用天井ファンから外部に排気される。このため、変圧器の側面に下側から風速の大きな冷却風を供給することができ、変圧器の冷却効率を向上させることができる。

また、本発明の他の形態に係る電力変換装置の冷却装置は、前記仕切板が前記風洞の前記変圧器側出口の上部側であって前記変圧器の巻線の上部に対向する位置までを閉塞するように配設されている。
また、本発明の他の態様に係る電力変換装置の冷却装置は、前記仕切板には、前記変圧器の上端部に対向する位置に、その上端部近傍まで延長する突出板が形成されている。
更に、本発明の他の態様に係る電力変換装置の冷却装置は、前記変圧器盤の冷却風吸気口の面積が、前記変換器盤の冷却風吸気部の面積より小さい。

本発明によれば、変圧器を収納する変圧器盤の変圧器の背面側に排気用天井ファンを配設し、変圧器盤に連通する電力変換器を収納した変換器盤の排気用天井ファンとは反対側の側面に冷風吸気部を形成するとともに、冷風吸気部とは電力変換器を介して反対側に風洞を形成し、この風洞の変換器盤側出口を仕切板で狭めるようにしている。
このため、排気用天井ファンを駆動することにより、変換器盤の冷風吸気部から吸気された冷却風が電力変換器を介して風洞に供給され、この風洞の仕切板で狭められた変圧器盤側出口から変圧器の側面を通って排気用天井ファンから排気される冷却風通路が形成される。したがって、風洞の変圧器盤側出口が仕切板で狭められていることにより、冷却風が高い風速で変圧器の側面に供給されて冷却効率を向上させることができる。
このとき、風洞の変圧器盤側出口の上部側を仕切板で閉塞することにより、変圧器の側面の下側から冷却風を高い風速で供給することができ、より冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示す正面図である。 図１の正面板部を取り外した正面図である。 図２のＡ−Ａ線上の断面図である。 図２のＢ−Ｂ線上の断面図である。 本発明の他の実施形態を示す正面板部を取り外した正面図である。 従来例を示す正面図である。 図６の正面板部を取り外した正面図である。 図７のＣ−Ｃ線上の断面図である。 図７のＤ−Ｄ線上の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図４は本発明の一実施形態を示す図である。
図中、１は電力変換装置であって、この電力変換装置１は、主回路変圧器２を収納する主回路変圧器盤３と、この主回路変圧器盤３と連通して配設された半導体電力変換ユニット４を収納する主回路変換器盤５とで構成されている。
変圧器盤３は、直方体状の筐体６を有し、この筐体６の底面板部６ａにおける前後方向の中央部よりやや後方側に幅方向の中央部が位置するように主回路変圧器２が固定されている。ここで、主回路変圧器２は、図２に示すように、三相の巻線Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗを幅方向に並列させた状態で筐体６内に収納されている。

また、筐体６の正面に２列２段の計４つの開閉扉７ａ〜７ｄが配設され、これら開閉扉７ａ〜７ｄのうち下側の開閉扉７ｃ及び７ｄの下部側にそれぞれ冷風吸気口８ａ及び８ｂが形成されている。これら冷風吸気口８ａ及び８ｂの合計面積が主回路変換器盤５の後述する冷風吸気部１５ａ〜１５ｄの合計面積よりも十分に小さい面積（１／６程度）に設定されている。
さらに、筐体６の上面板部６ｂにおける変圧器２の背面側に、左右方向に所定距離だけ離間した左右一対の排気用天井ファン９ａ及び９ｂが配設されている。

一方、変換器盤５は、変圧器盤３と同様に直方体状の筐体１１を有し、この筐体１１内に左右２列で上下６段の計１２個の半導体電力変換ユニット４が背面板部１１ａとの間に左右方向に延長する風洞１２を形成するように整列配置されている。ここで、半導体電力変換ユニット４は、インバータ、コンバータ等の半導体電力変換器を内装しており、半導体電力変換器を冷却する冷風通路１３が前後方向に貫通形成されている。
また、筐体１１の前面側には２列２段の開閉扉１４ａ〜１４ｄが配設され、これら開閉扉１４ａ〜１４ｄのそれぞれに比較的大きな面積（前述した主回路変圧器盤３の吸気口８ａ〜８ｂの合計面積の６倍程度の合計面積を有する冷風吸気部１５ａ〜１５ｄが形成されている。

風洞１２は、図４に示すように、筐体１１の背面板部１１ａと半導体電力変換ユニット４の背面との間に所定の奥行き（筐体１１の奥行きの１／４．５程度）で且つ筐体１１の上面板部１１ｂ及び底面板部１１ｃ間に延長する上下方向に細長い断面形状に形成されている。そして、この風洞１２の主回路変圧器盤３及び主回路変換器盤４との連通部となる筐体６及び１１の隣接する側壁６ｃ及び１１ｄの背面側に貫通形成した変圧器盤側出口１６に、筐体１１の上面板部１１ｂ側から下方に延長する仕切板１７が開口面積を例えば４割程度狭めるように配設されている（図２及び図４参照）。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
主回路変圧器盤３に設けられた排気用天井ファン９ａ及び９ｂを回転駆動することにより、主回路変圧器盤３の筐体６内が負圧となり、これによって、開閉扉７ｃ及び７ｄに形成された吸気口８ａ及び８ｂから冷却風が吸気され、この冷却風が図３に示すように、主回路変圧器２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗの正面側の下部側から放物線状に上昇して巻線Ｌｕ〜Ｌｗの正面側半部を冷却して排気用天井ファン９ａ及び９ｂに至る冷却通路が形成される。

これと同時に、主回路変圧器盤３に連通する主回路変換器盤５の風洞１２も負圧となることから、主回路変換器盤５の正面に配置された開閉扉１４ａ〜１４ｄに形成された冷風吸気部１５ａ〜１５ｄから冷却風が図４に示すように吸気される。吸気された冷却風は、半導体電力変換ユニット４の周囲及び冷風通路１３を通ることにより、半導体電力変換ユニット４に内装された半導体電力変換器を冷却して背面側の風洞１２に至る。

風洞１２に達した冷却風は、排気用天井ファン９ａ及び９ｂに吸引されて主回路変圧器盤３側に移動することになる。このとき、風洞１２の主回路変圧器側出口１６の上部側が仕切板１７によって主回路変圧器２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗの上部に対向する位置まで閉塞されて、この主回路変圧器側出口１６の開口面積が４割程度狭められている。
このため、風洞１２に入った冷却風は、図２に示すように、仕切板１７の下方側の開口部を通って主回路変圧器盤３の筐体６内に供給される。このとき、主回路変圧器側出口１６が仕切板１７によって絞られているので、主回路変圧器側出口１６が全開されている場合に比較して十分に速い風速で且つ少なくとも上部側が乱流状態で主回路変圧器盤３の筐体６内に流入される。

したがって、この主回路変圧器側出口１６から供給される速い風速の冷却風が主回路変圧器２の背面側を通って排気用天井ファン９ａ及び９ｂの双方に吸引されることになり、主回路変圧器２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗの背面側を効率良く冷却することができる。このため、主回路変圧器２の冷却効率を向上させることができる。
因みに、前述した図６〜図９に示す従来例のように風洞１０８を全開状態とした場合に、変圧器盤１０１内に流入する冷却風は層流状態となるので、風洞の上部側の冷却風は、そのまま変圧器盤１０１側の排気用天井ファン１０４ａ，１０４ｂで吸引されて、変圧器１００を冷却することなく外部に排気されることになり、変圧器の冷却効率が大幅に低下する。

しかしなから、本実施形態によれば、上述したように、風洞１２の主回路変圧器盤側出口１６の上部側が仕切板１７によって閉塞されているので、風洞１２内の冷却風が全て主回路変圧器２の背面側を通ることになり、主回路変圧器２の冷却効率を格段に向上させることができる。
しかも、上記実施形態では、冷却機構として、吸気用ファンを設ける必要がなく、排気用冷却ファン９ａ及び９ｂのみを設けるだけでよいので、全体の構成を簡易小型化することができる。

また、主回路変圧器盤３側の冷風吸気口８ａ及び８ｂの合計面積に対して主回路変換器盤５側の冷風吸気部１５ａ〜１５ｄの合計面積が大きく設定されているので、主回路変換器盤５側での冷風吸気量を主回路変圧器盤３側での冷風吸気量より多くして、半導体電力変換ユニット及びこれに内蔵された半導体電力変換器の冷却を効率良く行うことができる。

なお、上記実施形態においては、主回路変換器盤５の風洞１２の上部側のみを仕切板１７で閉塞した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図５に示すように、主回路変圧器側出口１６の下部側の主回路変圧器２の脚部に対向する位置に第２の仕切板２１を設けて、主回路変圧器２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗに対向する開口部を形成するようにしてもよい。この場合には主回路変圧器２の巻線Ｌｕ〜Ｌｗの冷却効率をより向上させることができる。

また、図５に示すように、仕切板１７の主回路変圧器２側における主回路変圧器２の上端部に対向する位置に、その上端部近傍まで延長する突出板部２２を邪魔板として形成するようにしてもよく、この場合にも主回路変圧器側出口１６を通る冷却風を全量主回路変圧器２側に確実に案内することができ、冷却効率をより向上させることができる。
さらに、上記実施形態においては、正面側に冷風吸気口８ａ，８ｂ及び冷風吸気部１５ａ〜１５ｄを形成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、主回路変圧器盤３の前面側に排気用天井ファン９ａ，９ｂを設ける場合には、冷風吸気口８ａ，８ｂ及び冷風吸気部１５ａ〜１５ｄを背面側に設けるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態においては、主回路変圧器盤３に２つの排気用天井ファン９ａ，９ｂを設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、主回路変圧器盤３に１つ又は３つ以上の排気用天井ファンを設けるようにしてもよい。
また、上記実施形態においては、変圧器として主回路変圧器を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、筐体１に任意の変圧器を収納する場合に本発明を適用することができる。
さらに、冷風吸気口８ａ，８ｂと冷風吸気部１５ａ〜１５ｄとの面積比は上記に限定されるものではなく、任意に設定することができる。同様に、仕切板１７による風洞１２の主回路変圧器側出口１６の閉塞面積も上記に限定されるものではなく任意に設定することができる。

１…電力変換装置、２…主回路変圧器、３…主回路変圧器盤、４…半導体電力変換ユニット、５…主回路変換器盤、６…筐体、８ａ，８ｂ…冷風吸気口、９ａ，９ｂ…排気用天井ファン、１１…筐体、１２…風洞、１３…冷風通路、１５ａ〜１５ｄ…冷風吸気部、１６…主回路変圧器側出口、１７…仕切板

Claims (6)

1. 変圧器を収納し且つ上面に排気用天井ファンを配置した変圧器盤と、
   該変圧器盤と連通して配置された電力変換器を収納した変換器盤と、
   少なくとも前記変換器盤の正面に形成された冷却風吸気部と、
   前記冷却風吸気部で吸気された冷却風が前記電力変換器を介して供給され、当該冷却風を前記変圧器の側面に供給する前記変換器盤に配設された風洞と、
   該風洞の変圧器側出口を狭める仕切板とを備え、
   前記排気用天井ファンは、前記変圧器盤の上面にのみ配置され、
   前記冷却風吸気部から前記風洞を介し、前記仕切板で狭められた前記変圧器側出口を介し、前記変圧器の巻線部を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路を形成し、
   前記変圧器盤は、前記排気用天井ファンとは反対側の正面下部に冷却風吸気口が形成されていることを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
2. 前記変圧器盤は、前記排気用天井ファンを前記変圧器の背面側における上部に配設し、
   前記変換器盤は、前記冷却風吸気部を前記排気用天井ファンの設置位置とは反対側の正面に形成するとともに、前記風洞を前記排気用天井ファン側に配設し、前記冷却風吸気部から吸気された冷却風を、前記電力変換器を通じて前記風洞に案内するように構成され、
   前記仕切板は前記風洞の前記変圧器側出口の上部側を閉塞するように配設さ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の冷却装置。
3. 前記仕切板は前記風洞の前記変圧器側出口の上部側であって前記変圧器の巻線の上部に対向する位置までを閉塞するように配設さ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の冷却装置。
4. 前記風洞の前記変圧器側出口の下部側に第２の仕切板が配設され、前記仕切板と前記第２の仕切板とにより、前記風洞の前記変圧器側出口に前記変圧器の巻線部に対向する開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電力変換装置の冷却装置。
5. 前記仕切板には、前記変圧器の上端部に対向する位置に、その上端部近傍まで延長する突出板が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置の冷却装置。
6. 前記変圧器盤の冷却風吸気口の面積は、前記変換器盤の冷却風吸気部の面積より小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置の冷却装置。

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