JP5811609B2 - 変圧器の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、筐体内に配置した変圧器を冷却する変圧器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３つの盤（筐体）に分離して収納するようにしている。特に、発熱量の多い主回路変圧器を収納する盤（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１参照）。この特許文献１に記載の従来例では、筐体内を上部空間及び下部空間に仕切られた変圧器盤が開示されている。この変圧器盤には、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、吸気整流板とが設けられている。さらに、この変圧器盤では、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構成が開示されている。

また、他の冷却方式としては、変圧器のコイル全体が内側に遊嵌する風導筒を箱体の下部の仕切板から立設し、仕切板の下側の吸気口から内部に吸入された冷却空気を風導筒の内側とコイルの間を上昇させて、一次側のコイルと二次側のコイルを略同一冷却条件で冷却して、温度上昇の差を減らすようにした強制通風形変圧器箱が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−７６８２５号公報 特開２０００−２３２０２２号公報

ここで、上記特許文献１及び２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周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１及び２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周りに案内するために、送風ファンと、変圧器のコイルの外周部を包囲する筒状絶縁物及びコイルを遊嵌する風導筒と、これら筒状絶縁部及び風導筒の下部に冷却風を案内する導風機構を必要とする。そのため、構成が複雑となるとともに、筐体が大型化するという未解決の課題がある。また、引用文献１及び２に記載された従来例では、冷却風の通路を変圧器の周囲のみに制限するので、空気抵抗が大きくなり、冷却ファンの風量が低下し、冷却効率が低下するという未解決の課題がある。さらに、引用文献１に記載の従来例にあっては、二次コイルの周囲に筒状絶縁物を設けるので、変圧器自体の設計を変更する必要があって大幅なコストアップとなり、乾式変圧器としては好適なものとは言え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変圧器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、第１の形態に係る変圧器の冷却装置は、変圧器を収納した筐体と、該筐体内に前記変圧器の周囲を前後に仕切って当該変圧器の巻線の後部側を含む第１の通風路を形成する第１の仕切板と、前記第１の通風路に対向して前記筐体の上面に配置された排気用天井ファンと、前記筐体の正面における前記変圧器の基部に対向する位置に形成された冷却風吸気口と、前記冷却風吸気口を上下に分割するとともに、前記変圧器の基部側でその周囲を上下に仕切り、少なくとも前記変圧器の巻線部に対向する開口部を有する第２の仕切板とを備え、前記冷却風吸気口から前記第２の仕切板の下部の第２の通風路を通り、前記変圧器の巻線部を通じ、さらに前記第１の通風路を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路と、前記冷却風吸気口から変圧器の巻線部間の隙間を通って前記第１の通風路に至る冷却風通路とを形成している。

この構成によると、冷却風吸気口から前記第２の仕切板の下部の第２の通風路を通り、前記変圧器の巻線部を通じ、さらに前記第１の通風路を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路と、前記冷却風吸気口から変圧器の巻線部間の隙間を通って前記第１の通風路に至る冷却風通路とを形成することができる。それにより、変圧器の巻線部内及び周囲に冷却風を通すことができ、変圧器の冷却効率を向上させることができる。また、冷却風通路を不必要に狭く制限する必要がないので、冷却ファンの風量低下があっても冷却効率の低下を抑制することができる。

また、第２の形態に係る変圧器の冷却装置は、前記変圧器の上部側でその周囲を上下に仕切り、少なくとも前記変圧器の巻線部に対向する開口部を有する第３の仕切板を備えている。
この構成によると、変圧器の下部側で第２の仕切板で変圧器の巻線部の周囲に冷却風を導入し、変圧器の上部側で第３の仕切板で変圧器の巻線部の周囲から冷却風を吸引することができ、変圧器の周囲に冷却風を効率良く案内することができる。

また、第３の形態に係る変圧器の冷却装置は、前記第１の仕切板は、前記変圧器の上面と筐体の上面との間に当該変圧器の上面と隙間を開けて配設された折曲部を有する上部仕切板部と、該上部仕切板部の両側部から前記変圧器の側面を通って前記筐体の後面側及び下面側に延長する側面仕切板部とで構成されている。
この構成によると、変圧器の前後を仕切る第１の仕切板の上部仕切板部及び側面仕切板部で変圧器の周囲を覆うことにより、筐体を前後に分割して変圧器の背面側に、当該変圧器の幅に対応する幅の第１の通風路を形成することができる。これにより、冷却風吸気口から吸気された冷却風が変圧器の巻線部の隙間を通って通過することになり、変圧器の冷却効率をより向上させることができる。

また、第４の形態に係る変圧器の冷却装置は、前記排気用天井ファンは、ファン中心軸線が前記変圧器の巻線部の前後方向の中心位置より背面側で、開口部の前端縁が前記変圧器の前端縁近傍となるように配置されている
この構成によると、排気用天井ファンで変圧器の巻線部を通って背面側に達する冷却風を確実に排気することができる。
また、第５の形態に係る変圧器の冷却装置は、記排気用天井ファンは幅方向に複数台並列に設置されていることを特徴としている。
この構成によると、複数台の排気用天井ファンで変圧器の巻線を通った冷却風を排気することができ、冷却風の風量を高めて変圧器の冷却効率を向上させることができる。

本発明によれば、少なくとも前記変圧器の巻線部に対向する開口部を有する第２の仕切板を設けるだけの簡易な構成により次の効果を得ることができる。本発明の構成によれば、冷却風吸気口から前記第２の仕切板の下部の第２の通風路を通り、前記変圧器の巻線部を通じ、さらに前記第１の通風路を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路と、前記冷却風吸気口から変圧器の巻線部間の隙間を通って前記第１の通風路に至る冷却風通路とを形成することができる。これにより、変圧器の巻線部の内部及び周囲に隈なく冷却風を通すことができ、変圧器の冷却効率を向上させることができるという効果が得られる。しかも、冷却風通路が狭く制限されることがないので、冷却ファンの風量が低下することがなく、変圧器を効率よく冷却することができる。

本発明の一実施形態を示す正面図である。 図１の前面板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。 図４のＣ−Ｃ線上の断面図である。 本発明の変形例を示す図４と同様の断面図である。

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５は本発明の第１の実施形態を示す図である。
図中、１は筐体（盤）であって、この筐体１は、前面板１ａ、後面板１ｂ、上面板１ｃ、底面板１ｄ、左側面板１ｅ及び右側面板１ｆとで直方体形状に形成されている。この筐体１内の略中央部に３相の主回路変圧器２が三相の巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗを幅方向に並列させた状態で収納されている。

主回路変圧器２は、例えば半導体スイッチング素子を有するインバータ回路等の電力変換装置の３相出力と負荷との間に接続されるものである。この主回路変圧器２の基部２ａの底面が筐体１の底面板１ｄに固定されている。ここで、各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗのそれぞれは、図５に示すように、中心側の一次巻線Ｌ１とこの一次巻線Ｌ１の周囲に所定間隔を保って配設された二次巻線Ｌ２とを備えている。

筐体１の前面板１ａは上下２段で幅方向に２列の開閉扉３Ｕ、３Ｌを備えており、下段の開閉扉３Ｌの主回路変圧器２の巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗの中間部に対応する基部２ａに対向する位置に冷却風吸気口４ａ及び４ｂが形成されている。これら冷却風吸気口４ａ及び４ｂのそれぞれは、網状部材５で覆われている。
また、筐体１の内部における主回路変圧器２の前後方向の中央部の周囲を囲むように筐体１の前後を仕切る第１の仕切板６が配置されている。この仕切板６は、上部仕切板部６ａとこれに連接する側部仕切板部６ｂ及び６ｃとで平面から見て主回路変圧器２の前後方向の中央部を囲むＵ字形状に形成されている。

上部仕切板部６ａは、下端が筐体１の前後方向の中間位置における主回路変圧器２の上部と所定の隙間ｇ１を有して対向し、筐体１の左右側面板１ｅ及び１ｆまで延長する中央板部６ｄと、この中央板部６ｄの上方で前方に折曲げ延長する折曲板部６ｅと、この折曲板部６ｅの前端から上方に筐体１の上面板１ｃに達する前板部６ｆとで構成されている。また、側部仕切板部６ｂ及び６ｃは、内側面が上部仕切板部６ａの左右両端から主回路変圧器２の左右端部に対して所定の隙間を開けて下方に延長するとともに、左右側面板１ｅ及び１ｆに達する幅に形成されている。

そして、第１の仕切板６の上部仕切板部６ａと側部仕切板部６ｂ及び６ｃと主回路変圧器２の背面側とで第１の通風路７が形成されている。
また、筐体１の上面板１ｃの第１の通風路７に対向する位置に、２つの排気用天井ファン８ａ，８ｂが配設されている。これら排気用天井ファン８ａ，８ｂのそれぞれは、図４に示すように、ファン中心軸線Ｌｆが主回路変圧器２の前後方向の中央位置より僅かに背面側となり、前端縁が主回路変圧器２の前端縁に近接するように上面板１ｃに配設されている。

また、筐体１内における主回路変圧器２の基部２ａ側に、冷却風吸気口４ａ及び４ｂを上下方向に例えば下側が狭い面積となるように分割するとともに、主回路変圧器２の基部２ａを上下に仕切る第２の仕切板１０が配設されている。この第２の仕切板１０は、図３に示すように、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの二次巻線Ｌ２の外周面を透写したときに、この外周面に対して僅かの隙間を介して対向する開口部１１が形成されている。したがって、第２の仕切板１０の下面側に第２の通風路１２が形成されている。

また、筐体１内における主回路変圧器２の上部２ｂ側に、主回路変圧器２の上部２ｂを上下に仕切る第３の仕切板１３が配設されている。この第３の仕切板１３も、図３に示すように、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの二次巻線Ｌ２の外周面を透写したときに、この外周面に対して僅かの隙間を介して対向する開口部１４が形成されている。

次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
排気用天井ファン８ａ及び８ｂが仕切板６で囲まれる主回路変圧器２の背面側の第１の通風路７の上方に配置されている。そして、この第１の通風路７が、第１の仕切板６の上部仕切板部６ａと主回路変圧器２の上端部との間の隙間ｇ１、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの中間部の隙間ｇ２、第２の仕切板１０の主回路変圧器２の基部２ａとの隙間ｇ３、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの内部の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２間の空間ｇ４、第３の仕切板１３の主回路変圧器の上部２ｂとの隙間ｇ５とを介して筐体１の前面板１ａに配設された冷却風吸気口４ａ及び４ｂに連結されている。

このため、排気用天井ファン８ａ及び８ｂを回転駆動することにより、冷却風吸気口４ａ及び４ｂから外気が冷却風として筐体１内に取込まれる。
筐体１内に取り込まれた冷却風は、図４に示すように、第２の仕切板１０によって上下に分流され、下方側の冷却風は、第２の仕切板１０の下方の第２の通風路１２を通って主回路変圧器２の下側の基部２ａ側に向かう。そして、開口部１１から上方に向かって主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の間の空間ｇ４を主に通って上方に向かう。その後、第３の仕切板１３の開口部１４と上部２ｂとの間の隙間ｇ５を通って上方に抜ける。この上方に抜けた冷却風は、第１の仕切板６の前方側では、第１の仕切板６の上部仕切板部６ａと主回路変圧器２の上面との隙間ｇ１を通って第１の通風路７に達する。また、この上方に抜けた冷却風は、第１の仕切板６の後方側では、直接第１の通風路７に達して排気用天井ファン８ａ及び８ｂによって外部に排出される。

一方、冷却風吸気口４ａ及び４ｂの第２の仕切板１０の上面側から吸気された冷却風は、主回路変圧器２の左右側縁と筐体１の左右側面板１ｅ及び１ｆとの間が第１の仕切板６の側部仕切板部６ｂ及び６ｃで閉塞されている。そのため、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの前面を通って各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗ間の隙間ｇ２を経て第１の仕切板６の背面側の第１の通風路７に達し、排気用天井ファン８ａ及び８ｂによって外部に排出される。

このため、主回路変圧器２の各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗは、それらの内部の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２間の空間部を通る冷却風と、各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗの前面側を通るとともに、各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗの間の隙間を通る冷却風とによって、内部及び表面側の双方で冷却される。これにより、主回路変圧器２の発熱部である各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗを効率良く強制冷却することができる。

しかも、冷却風吸気口４ａ及び４ｂと排気用天井ファン８ａ及び８ｂとの間の冷却風通路が複数形成されており、冷却風の通路面積を大きくすることができる。そのため、排気用天井ファン８ａ及び８ｂの風量が低下することがなく、効率良く主回路変圧器２の強制冷却を行うことができる。
さらに、上記作用効果が、筐体１内に第１の仕切板６、第２の仕切板１０及び第３の仕切板１３を設けるだけでよく、全体の構成を簡易化することができ、筐体１が大型化することを抑制することができるとともに、製造コストが嵩むことも抑制することができる。

これにより、主回路変圧器２は強制空冷を前提とした設定を行うことができ、小型化が可能となる。また、冷却風を筐体１の正面側に設けた冷却風吸気口４ａ及び４ｂからのみ吸気するので、筐体１の背面側に吸気口を設ける必要がない。さらに、冷却風を筐体１の正面側に設けた冷却風吸気口４ａ及び４ｂからのみ吸気するので、筐体１の背面側に吸気用スペースを設ける必要がないことから筐体１の背面側を壁等に接触させて配置することが可能となる。
したがって、主回路変圧器２を収納した筐体１の小型化及び設置スペースの縮小化が可能となる。

なお、上記第１の実施形態においては、第３の仕切板１３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い。すなわち、図６に示すように、第３の仕切板１３を省略した構成とすることもできる。すなわち、第２の仕切板１０によって主回路変圧器２の内部における一次巻線Ｌ１及びＬ２間の空間部に導入される冷却風は、多少主回路変圧器２の背面側の第１の通風路７に流れるが大きく減少することはない。さらに、その冷却風は、主回路変換器２の内部からの冷却に大きな影響を与えるものではないとともに、主回路変圧器２の背面側の第１の通風路７に流れる冷却風によって各巻線部Ｌｕ〜Ｌｗの背面側が冷却されることになる。そのため、全体での冷却効率に大きな変動を生じることはない。

また、上記実施形態においては、筐体１の正面側に２つの冷却風吸気口４ａ及び４ｂを形成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、横長の１つ又は３つ以上の冷却風吸気口を形成す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。

１…筐体、１ａ…前面板、１ｂ…後面板、１ｃ…上面板、１ｄ…底面板、１ｅ…左側面板、１ｆ…右側面板、２…主回路変圧器、２ａ…基部、２ｂ…上部、３…開閉扉、４ａ，４ｂ…冷却風吸気口、６…第１の仕切板、６ａ…上部仕切板部、６ｂ〜６ｅ…側部仕切板部、７…第１の通風路、８ａ，８ｂ…排気用天井ファン、１０…第２の仕切板、１１…開口部、１２…第２の通風路、１３…第３の仕切板、１４…開口部

Claims (5)

1. 変圧器を収納した筐体と、
   該筐体内に前記変圧器の周囲を前後に仕切って当該変圧器の巻線の後部側を含む第１の通風路を形成する第１の仕切板と、
   前記第１の通風路に対向して前記筐体の上面に配置された排気用天井ファンと、
   前記筐体の正面における前記変圧器の基部に対向する位置に形成された冷却風吸気口と、
   前記冷却風吸気口を上下に分割するとともに、前記変圧器の基部側でその周囲を上下に仕切り、少なくとも前記変圧器の巻線部に対向する開口部を有する第２の仕切板と
   を備え、前記冷却風吸気口から前記第２の仕切板の下部の第２の通風路を通り、前記変圧器の巻線部を通じ、さらに前記第１の通風路を通じて前記排気用天井ファンに至る冷却風通路と、前記冷却風吸気口から変圧器の巻線部間の隙間を通って前記第１の通風路に至る冷却風通路とを形成したことを特徴とする変圧器の冷却装置。
2. 前記変圧器の上部側でその周囲を上下に仕切り、少なくとも前記変圧器の巻線部に対向する開口部を有する第３の仕切板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の変圧器の冷却装置。
3. 前記第１の仕切板は、前記変圧器の上面と筐体の上面との間に当該変圧器の上面と隙間を開けて配設された折曲部を有する上部仕切板部と、該上部仕切板部の両側部から前記変圧器の側面を通って前記筐体の後面側及び下面側に延長する側面仕切板部とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の変圧器の冷却装置。
4. 前記排気用天井ファンは、ファン中心軸線が前記変圧器の巻線部の前後方向の中心位置より背面側で、開口部の前端縁が前記変圧器の前端縁近傍となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の変圧器の冷却装置。
5. 前記排気用天井ファンは幅方向に複数台並列に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の変圧器の冷却装置。

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