JP6011735B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換ユニットの冷却器の冷却性能を最大限維持可能とする電力変換装置を提供する。【解決手段】筐体内に設置され頂辺部と脚部とによりＴ字形状にされた風洞２２と、風洞のＴ字脚部を挟んで筐体内に収納される複数の電力変換ユニット２１，２３とから成り、風洞２２は、Ｔ字頂辺端部から空気を吸入する空気吸入口２２ａと、筐体の中央に位置し且つＴ字脚端部に配置される冷却ファン２４と、冷却ファン２４により吸引した空気を外部に排出する空気排出口２２ｂと有し、複数の電力変換ユニット２１，２３は、風洞２２のＴ字頂辺部内に突出する冷却フィン(不図示)をそれぞれ有するようにされている。【選択図】図２

Description

本発明は、風洞の２箇所の空気吸入口から吸入した空気を、Ｔ字形状を成す風洞の中央に設けた空気排出口から排出する構成にしてＴ字形状を成す風洞の左右に設けた電力変換ユニットの冷却器の性能を最大限維持可能とする電力変換装置に関する。

図１２は、下記特許文献１に記載された従来の半導体冷却装置の構成を示す図である。すなわち、図１２において従来の半導体冷却装置は、装置筐体１中に取付けられた風洞２、半導体素子３が取付けられた冷却フィン４、左右(車両の進行方向の前後)に有る電動送風機５、６により構成されている。

そして半導体素子３のスイッチング動作に伴って生じる熱は、風洞２に対して並行に取付けられた冷却フィン４を介し放熱される。
この半導体冷却装置では、例えば、車両が左方向８へ進行したことで前進による走行風１０が発生する。この走行風１０は、電動送風機５が駆動されることにより、装置筐体１の風洞２内に冷却風１２として流入し、風洞２内の冷却フィン４を経て排出される。この冷却風１２により、半導体素子３のスイッチング動作に伴って生じる熱は冷却フィン４、風洞２の排出口を経て大気に放熱される。

特開２００８−２９５１４２号公報（図１）

上記特許文献１に示された従来技術では、進行方向によっては駆動されない冷却ファンが存在することになり、この駆動されない冷却ファンは通風圧力を高める方向に作用するため、冷却風量が減少するという課題があった。

また、特許文献１に示された従来技術では、冷却風を取り入れるために車両の進行方向の冷却ファンのみを動作させる制御を行う必要があるという課題があった。
そこで本発明の目的は、複数の空気吸入口を備える電力変換装置において、電力変換ユニットの冷却器の冷却性能を最大限維持可能とする電力変換装置を提供することにある。

本発明は、筐体内に設置され頂辺部と脚部とによりＴ字形状に形成された風洞と、該風洞のＴ字脚部を挟んで配置される複数の電力変換ユニットとを備える電力変換装置であって、
複数の電力変換ユニットの冷却フィンが前記風洞のＴ字頂辺部内に突出していることを特徴とする。

また、本発明は、
前記風洞に、
前記Ｔ字頂辺部の端部に空気を吸入するための空気吸入口と、
前記Ｔ字脚部の端部に前記空気吸入口から吸入した空気を外部に排出するための空気排出口と、
前記Ｔ字脚部に配置される冷却ファンと、を備えることを特徴とする。

また本発明は、Ｔ字形状にされた風洞の頂辺部と脚部との接合部に、前記空気吸入口から吸入した空気を整流する整流板を備える、
ことを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、電力変換ユニットを、頂辺部と脚部とによりＴ字形状を成す風洞の脚部を挟んで左右に設けるようにしたので、電力変換ユニットの冷却器の性能を最大限維持することが可能となる。

言い換えれば、電力変換装置を収納する筐体を区分けするＴ字形状の風洞を設け、風洞のＴ字脚部を挟んで左右に設けた電力変換ユニットの冷却器の冷却フィンが風洞のＴ字頂辺部内に突出するようにしたので、電力変換ユニットの冷却器から発せられる熱が他の電力変換ユニットの冷却性能に悪影響を与えないようにすることができる。

また本発明の電力変換装置によれば、Ｔ字形状を成す風洞の頂辺部と脚部との接合部に整流板を設けているので、車両に搭載した場合に、走行風が冷却風の邪魔をして電力変換ユニットの冷却器の冷却性能を弱めることが無く、走行中でも電力変換ユニットの冷却器の冷却性能を最大限維持可能となる。

さらに整流板の構造及び取付けを簡単な構造としたことで、組立工数やコストをかけずに電力変換ユニットの冷却器の冷却性能を最大限維持でき、また整流板を設置したことで筐体の剛性を強くできるため、振動・衝撃性能を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する三面図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する断面図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を説明する断面図である。 図３に示したＡ−Ａから見た本発明の実施形態１に係る電力変換装置の平面断面図で、冷却風の流れを示す図である。 図８と同様、Ａ−Ａから見た本発明の実施形態２に係る電力変換装置の平面断面図で、整流板に伴う冷却風の流れを示す図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の平面断面図で、整流板に伴う冷却風及び走行風の流れを示す図である。 本発明の実施形態２に係る電力変換装置の整流板の構成例を示す図である。 特許文献１に示された半導体冷却装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置２０の構成を示す斜視図である。電力変換装置２０は、筐体が３つのパートに区分けされる構成になっている。すなわち、１つのパートは、頂辺部と脚部とによってＴ字形状を成す風洞２２である。さらに、電力変換装置２０の筐体は、風洞２２のＴ字脚部によって、左右の２つのパートに区分けされる。風洞２２のＴ字脚部の左右に区分けされた２つのパートには、それぞれ内部に電力変換ユニット２１，２３が収納されている。詳細は図示しないが、電力変換ユニット２１，２３は、一方の面に半導体素子が装着される受熱板と、この受熱板の他方の面に取り付けられる冷却フィンとからなる冷却器を備えている。電力変換ユニットの冷却フィン２５(後述する)は、風洞２２のＴ字頂辺部内（風洞２２の空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)側）に突出するように設けられている。

なお電力変換ユニットのそれぞれは、筐体内において区画化され、区画内において上述の風洞２２の頂辺部内に突出する冷却フィン２５部分を除いてユニット部品が密閉収納される構造となっているためカバーで表面が覆われている。

また風洞２２のＴ字脚部には、上記した電力変換ユニットの冷却フィン２５を経た空気を外部に排出する機構(後述する)が収納されるようになっている。
風洞２２については、空気吸入口２２ａと空気排出口２２ｂが図示されており、空気吸入口２２ａに対極する位置に存在する空気吸入口２２ｃ(後述する)は図示されていない。

なお、冷却フィン２５は板形状であり、風洞に沿って複数並行配置され、並行配置された冷却フィン２５の間を冷却風が流れるようにされる。
図２は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図２では本発明の実施形態１に係る電力変換装置の風洞の構成を説明するために、図１に示されたカバーを外して示したものである。

図２に示されるように、風洞２２は、２箇所の空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)から吸入された冷却風が、冷却ファン２４により吸引され、電力変換ユニット２１，２３から風洞２２内に突出する冷却フィン２５(不図示)に通風され、風洞２２のＴ字脚端部に配置された空気排出口２２ｂから空気を外部に排出する構造を備えている。外部に排出するための冷却ファン２４は、風洞２２のＴ字脚端部に配置されている。なお、冷却ファン２４の位置は風洞２２のＴ字脚端部に限定されるものではなく、Ｔ字脚部のいずれかの位置に配置されていればよい。

なお電力変換ユニット２１としては、例えばインバータが、また電力変換ユニット２３としては、たとえばコンバータ(チョッパを含む)が想定されている。電力変換ユニット２１，２３としては上記の例に限定されないことは勿論であり、電力変換ユニット２１，２３が同じ種類の変換ユニットであっても良い。

図３は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する三面図である。
図３において、風洞２２に設けた空気吸入口２２ａ，２２ｃから吸入された冷却風が、冷却ファン２４により吸引され、風洞２２のＴ字頂辺部内に突出する冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃに通風し、風洞２２のＴ字脚端部の空気排出口２２ｂから外部に排出される構造になっている。

なお図３の平面図（ａ）では、図１には示されていたカバーが、空気吸入口２２ａ，２２ｃや風洞２２内に突出している冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃが見えるように外されているが、それ以外はカバーが付いた状態にされている。

このように風洞２２に配置された２箇所の空気吸入口２２ａ，２２ｃから吸入された冷却風が、冷却ファン２４により吸引され、電力変換ユニット２１，２３から風洞２２のＴ字頂辺部内に突出する冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃに通風され、風洞２２のＴ字脚端部から空気を外部に排出することで、冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃの冷却性能を最大限維持することが可能となる。

また、電力変換ユニット２１の冷却フィン２５ａと電力変換ユニット２３の冷却フィン２５ｂ，２５ｃとが異なる空気吸入口から吸入された冷却風で冷却される構造を採用することで、電力変換ユニット相互間の熱干渉を防ぐことができる。

図４は、図３の右側面図（ｃ）のＡ−Ａから見た本発明の実施形態１に係る電力変換装置の構成を説明する断面図である。
図４に示す本発明の実施形態１に係る電力変換装置２０では、電力変換ユニット２１，２３が収納される仕切りを除いてそれぞれの仕切りが分かるようにカバーが取り外されている。

図４の平面断面図（ａ）に示されているように、風洞２２の空気吸入口２２ａ，２２ｃから吸入された冷却風が、冷却ファン２４により吸引され、電力変換ユニット２１，２３から突出する冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃに通風し、風洞２２の中央に配置されたＴ字脚端部の空気排出口２２ｂに置かれた冷却ファン２４から外部に排出される。

図８は、図３に示したＡ−Ａから見た本発明の実施形態１に係る電力変換装置の平面断面図で、冷却風の流れを示す図である。
図８において、風洞２２の空気吸入口２２ａ，２２ｃから吸入された右及び左方向の冷却風２８が、冷却ファン２４により吸引され、電力変換ユニット２１，２３から風洞２２内に突出する冷却フィン２５に通風し、風洞２２の中央に配置されたＴ字脚部の空気排出口２２ｂに置かれた冷却ファン２４から外部に排出される様子が分かるであろう。

なお図８に示す冷却風の流れは、本発明の実施形態１に係る電力変換装置が屋内に設置されている場合におけるもので、屋外では、冷却風に加えて天候状態により吹き込む風により変化することもあるがそれにも対応可能である。

図５は、本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を示す斜視図である。図５に示した本発明の実施形態２に係る電力変換装置２０は、上記した図１に示された実施例１と同様に、筐体が３つのパートに区分けされる構成になっている。すなわち、１つのパートは、頂辺部と脚部とによってＴ字形状を成す風洞２２である。さらに、電力変換装置２０の筐体は、風洞２２のＴ字脚部によって、左右の２つのパートに区分けされる。風洞２２のＴ字脚部の左右に区分けされた２つのパートには、それぞれ内部に電力変換ユニット２１，２３が収納されている。電力変換ユニット２１，２３の構成は、実施形態１で説明したとおりである。そして、電力変換ユニットの冷却フィン２５が風洞２２のＴ字頂辺部内に突出するように設けられている。

なお電力変換ユニットのそれぞれは、筐体内において区画化され、区画内において上述の風洞内に突出する冷却フィン２５部分を除いてユニット部品が密閉収納される構造となっているためカバーで表面が覆われている。

また風洞２２のＴ字脚部には、上記した電力変換ユニットの冷却フィンを経た空気を外部に排出させる機構(後述する)が収納されるようになっている。
風洞２２については、空気吸入口２２ａと空気排出口２２ｂが図示されており、空気吸入口２２ａに対極する位置に存在する空気吸入口２２ｃ(後述する)は図示されていない。

なお、冷却フィン２５は、板形状であり、風洞に沿って複数並行配置され、並行配置された冷却フィン２５の間を冷却風が流れるようにされる。
図６は、本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図６では本発明の実施形態２に係る電力変換装置の風洞の構成を説明するために、図５に示されたカバーを外して示したものである。

図６に示されるように、風洞２２は、２箇所の空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)から吸入された冷却風が、冷却ファン２４により吸引され、電力変換ユニット２１，２３から風洞２２内に突出する冷却フィン２５(不図示)に通風され、風洞２２のＴ字脚端部に配置された空気排出口２２ｂから空気を外部に排出する構造を備えている。外部に排出するための冷却ファン２４は、風洞２２のＴ字脚端部に配置されている。なお、冷却ファン２４の位置は風洞２２のＴ字脚端部に限定されるものではなく、Ｔ字脚部のいずれかの位置に配置されていればよい。

なお電力変換ユニット２１としては、例えばインバータが、また電力変換ユニット２３としては、たとえばコンバータ(チョッパを含む)が想定されている。電力変換ユニット２１，２３としては上記の例に限定されないことは勿論であり、電力変換ユニット２１，２３が同じ種類の変換ユニットであっても良い。

そして吸入された空気の流れを整流するため上記Ｔ字形状を成す風洞２２の頂辺部と脚部との接合部に整流板２６を配置している。
なお整流板２６の配置位置はこの例に限定されず、電力変換ユニット２３の冷却フィン２５ｂ側に近づけて配置しても良く、さらには電力変換ユニット２１の冷却フィン２５ａ側に近づけて配置しても良い。つまり、電力変換ユニット２１，２３が放出する熱が偏ってしまい、冷却性能が十分発揮されない場合に配置位置が考慮されることになる。

また整流板２６の構造もこの例に限定されない。別の構造例については後述する。
整流板２６は、風洞２２のＴ字頂辺部から脚部側に突出する部分を備えるように構成して配置されている。

このように構成・配置することにより、本発明の実施形態２に係る電力変換装置２０を車両(不図示)に搭載した場合に車両の進行方向の空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)から流入される走行風(後述する)が、空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)から吸引される冷却風を阻害しないようになる。これにより、電力変換ユニット２１，２３の冷却フィン２５ａ〜２５ｃの冷却性能を最大限維持することができる。

なお、車両(不図示)に本発明の実施形態２に係る電力変換装置を取付ける場合、風洞２２のＴ字頂辺部を車両の進行する方向に並行に取付けることが常套と考えられるが、これのみに限定されず、風洞２２のＴ字頂辺部を車両の進行する方向に直交する方向に取付けるようにしても良い。

また車両(不図示)を鉄道車両とした場合は、電力変換装置を車両の床下部に取付けることが望ましい。
また、Ｔ字形状を成す風洞２２の頂辺部は、風洞２２の空気吸入口２２ａ，２２ｃ(不図示)から脚部との結合部に向かって傾斜させるようにしても良い。また、Ｔ字形状を成す風洞２２の脚部は、頂辺部との結合部から空気排出口２２ｂに向かって下方に傾斜させるもしくは垂直とするようにしても良い。このように構成することにより、風洞２２の頂辺部や底辺部に雨水等が滞留するのを防止することができる。

また、風洞２２の空気排出口２２ｂは、車両の進行方向に対して逆方向に取付けるようにしても良い。 図７は、図５に示した本発明の実施形態２に係る電力変換装置の構成を示す三面図である。

図７に示す本発明の実施形態２に係る電力変換装置２０では、図５には示されていたカバーが、空気吸入口２２ａ，２２ｃや電力変換ユニット２１，２３から突出する冷却フィン２５ａ、２５ｂ，２５ｃが見えるように外されているが、それ以外はカバーが付いた状態にされている。

図７の平面断面図（ａ）に示されているように、風洞２２の空気吸入口２２ａ，２２ｃの断面幅よりも、冷却ファン２４側に突出する部分を備える整流板２６が配置されている。

また電力変換ユニット２１の冷却フィン２５ａが、風洞２２に突き出されている。さらに電力変換ユニット２３には、冷却フィン２５ｂ、２５ｃが設けられている。
風洞２２のＴ字頂辺部から脚部側に突出する部分を備えるように整流板２６が配置されている。

図９は、図８と同様、Ａ−Ａから見た本発明の実施形態２に係る電力変換装置の平面断面図で、整流板に伴う冷却風の流れを示す図である。
空気吸入口２２ａ、２２ｃから吸入された冷却風２８は、互いに相手の冷却風に阻害されることなく、整流板２６から風洞２２のＴ字脚部に流入し、冷却ファン２４に吸引されて空気排出口２２ｂから排出される。この過程で、電力変換ユニット２１，２３の冷却フィン２５が冷却されるため、電力変換ユニット２１，２３の冷却フィンの冷却性能が最大限維持されるものである。

整流板２６の配置位置の変更は、上述したように、電力変換ユニット２１，２３が放出する熱が偏って冷却性能が十分発揮されない場合に考慮されるもので、例えば、電力変換ユニット２１の放出する熱が、電力変換ユニット２３が放出する熱よりも多い場合には、整流板２６を電力変換ユニット２３側に寄せて配置する。これにより、空気吸入口２２ａ側から風洞２２に吸入される冷却風を増やすことができる。

図１０は、本発明の実施形態２に係る電力変換装置の平面断面図で、整流板に伴う冷却風及び走行風の流れを示す図である。
図１０では、図５に示した電力変換装置の筐体が車両に搭載されて車両走行することを念頭にしている。

いま、進行方向２９（図１０の上部矢視方向参照）に車両が走行した場合、風洞２２の空気吸入口２２ａから吸入された冷却風２８とともに走行風２７が流入する。
走行風２７は、冷却風２８とともに電力変換ユニット２１の冷却フィン２５を通風し、整流板２６から風洞２２のＴ字脚部に流入し、冷却ファン２４に吸引されて、空気排出口２２ｂから排出される。

もう一方の空気吸入口２２ｃから吸入された冷却風２８は、進行方向から吹いてくる走行風２７に阻害されずに、整流板２６から風洞２２のＴ字脚部に流入し、冷却ファン２４に吸引されて、空気排出口２２ｂから排出される。

このように本発明の実施形態２に係る電力変換装置は、整流板２６を設けることによって、走行風によって他方から流入する冷却風が阻害されることなく、電力変換ユニット２１の冷却フィン２５および電力変換ユニット２３の冷却フィン２５の冷却性能を最大限維持可能とするものである。

図１１は、本発明の実施形態２に係る電力変換装置の整流板の構成例を示す図で、上面から見た図である。
上述したように整流板２６は、風洞２２のＴ字頂辺部と脚部との接合部に配置されることを基本としている。

図１１（ａ）に示される整流板は、上記した平板状のもので構成され、風洞２２のＴ字頂辺部から脚部側に突出する部分を備えるように配置される。
図１１（ｂ）に示される整流板は、平板状のものに代えて三角形状で構成され、図１１（ａ）と同様に、風洞２２のＴ字頂辺部から脚部側に突出する部分を備えるように配置される。なお、三角形状としては図示例のように頂点が先鋭化されているものが望ましい。

図１１（ｃ）に示される整流板は、平板状のものに代えて逆Ｌ字形状のもので構成され、図１１（ａ）と同様に、風洞２２のＴ字頂辺部から脚部側に突出する部分を備えるように配置される。

そして整流板２６は、風洞部材に溶接、蝋付け、または、カシメ（リベット）等の方法により固着されることが望ましい。

本発明の電力変換装置は、屋内，屋外を問わず、適所に設置することが可能である。例えば、屋外では、鉄道車両、陸上車両(トレーラ、保冷車)、太陽光発電装置におけるＰＣＳ(Power Conditioning System)等に設置可能である。

２０ 電力変換装置
２１ 電力変換ユニット
２２ 風洞
２３ 電力変換ユニット
２４ 冷却ファン
２５、２５ａ〜２５ｃ 冷却フィン
２６ 整流板
２７ 走行風
２８ 冷却風
２９ 車両の進行方向

Claims (16)

1. 筐体内に設置され、頂辺部と脚部とによりＴ字形状に形成された風洞と、
   前記風洞の前記Ｔ字脚部を挟んで配置された複数の電力変換ユニットと、
   を備え、
   前記複数の電力変換ユニットの冷却フィンが、前記風洞のＴ字頂辺部内に突出していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記風洞は、
   前記Ｔ字頂辺部の両端部に空気を吸入するための空気吸入口と、
   前記Ｔ字脚部の端部に、前記空気吸入口から吸入した空気を外部に排出するための空気排出口と、
   前記風洞の前記Ｔ字脚部に配置される冷却ファンと、を備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記筐体内はＴ字形状をなす前記風洞部と、前記風洞の前記Ｔ字脚部の左右に位置する少なくとも２つの電力変換部とに区画され、
   前記電力変換ユニットのそれぞれは、区画された前記電力変換部内において前記風洞の前記Ｔ字頂辺部内に突出する冷却フィン部分を除いてユニット部品が密閉収納されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記冷却フィンは、板状に形成されており、前記風洞の前記Ｔ字頂辺部内を流れる冷却風と直交する方向に複数並行配置されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記電力変換ユニットは、コンバータおよびまたはインバータであることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記風洞は、さらに、
   前記Ｔ字形状を成す風洞の頂辺部と脚部との接合部に、前記空気吸入口から吸入した空気を整流するための整流板を備える、ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記整流板は、前記風洞の前記Ｔ字頂辺部から前記Ｔ字脚部側に突出していることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
   前記整流板は、平板状であることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
   前記整流板は、三角形状であることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
    前記整流板は、逆Ｌ字状であることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字頂辺部が進行方向と平行になるように車両の床下に搭載されることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字頂辺部が進行方向と直交するように車両の床下に搭載されることを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字頂辺部は、前記風洞の前記空気吸入口から前記Ｔ字脚部との結合部に向かって傾斜していることを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字脚部は、前記風洞の前記Ｔ字頂辺部との結合部から前記空気排出口に向かって下方に傾斜していることを特徴とする電力変換装置。
15. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字脚部は、前記風洞の前記Ｔ字頂辺部との結合部から垂直下方に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
16. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記風洞の前記Ｔ字頂辺部が進行方向の前方となり、前記Ｔ字脚部の前記空気排出口が進行方向の後方となるように車両の床下に搭載されることを特徴とする電力変換装置。