JPH11204952A - 電気機器収納箱 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自冷による電気機器の収納箱は放熱効率が悪
く、電気機器発熱が大きい場合には大形化するなどの問
題があった。 【解決手段】電気機器の収納箱の外気との隔壁を二重と
して、隔壁間に液体冷媒を封入して、液体冷媒を自然対
流させ、該収納箱の外側表面の温度を一様にすることに
よって、放熱効率を上げる。電気機器が液体冷媒に浸漬
可能にものは液体冷媒に浸漬し、収納箱の内壁に密着実
装できる電気機器は収納箱の内壁に密着させて、液体冷
媒から、外気への伝熱の熱抵抗を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、密封状に電気機器
を収納しながら、自然冷却による放熱量を増加できる箱
構造の提供を目的とした電気機器収納箱に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一般に、電気機器を密封状の収納箱に収
納して、自然冷却による収納箱の放熱を行う場合、極く
小さい発熱の電気機器を収納する時には、収納箱内の電
気機器や収納箱内の空気温度上昇はあまり問題にならな
い。しかし、収納する電気機器が電力用機器であると、
一般に電気機器の損失が大きく、発熱による電気機器自
体や収納箱内の空気温度上昇は発熱量に応じて増大し、
電気機器の許容温度上昇の限度を満足しない。そこで、
一般的には収納箱の一部にエァフィルタを設け、ファン
モータ等を内部に設置して、収納箱外の空気を冷媒とし
て導入し、その空気により発熱源となる電気機器を冷却
した後、収納箱の外部へと冷媒(空気)を排出して電気機
器の冷却を行っている。

【０００３】しかしながら、これら従来方法の場合、収
納箱に収納した電気機器の発熱総量が大きく、ファンモ
ータの必要風量も大きくなり、エァフィルタからの吸入
空気量を多く取り入れる必要性も生じる。そのため、エ
ァフィルタの風圧損失も大きくなり、ファンモータ自体
も大形化する。一方、近年の電気機器は電子機器を搭載
したパワーエクトロニクスを駆使した装置で構成される
場合が多く、電子機器の信頼性上、冷却のための冷媒で
ある空気を清浄に保ち、かつ湿気等を吸入しないように
する必要がある。同様にして、高電圧機器に対しても、
電気機器の電気的絶縁上必須の要件となる。ことに屋外
設置の電気機器収納箱の場合には、この注意が特に必要
となる。

【０００４】以下、この従来技術による電気機器の収納
箱の一例について、本願に係わる構成を図６により説明
する。図６は従来の電気機器の収納箱構造の一例を示
し、１１１は電気機器の収納箱、１１３はファンモー
タ、１１４はエァフィルタ、１１６〜１２０は内部に収
納する電気機器群である。この場合、冷媒である空気１
１５は上部のファンモータ１１３の動作により、下部の
エァフィルタ１１４から吸入されて、電気機器群１１６
〜１２０の間隙を通過し、上部に設けた排気口から排出
される。この際、電気機器群１１６〜１２０から熱を奪
うことにより電気機器群を冷却し、収納箱内に生じた発
熱を外部へと排出することで、電気機器群の温度上昇を
防止する目的を達している。

【０００５】これに対し、自冷で電気機器の収納箱を冷
却する場合、一般に、伝熱工学的に与えられる電気機器
の収納箱の自冷放熱特性は周囲温度と収納箱自体の平均
温度との温度差および収納箱の各表面の放熱表面積との
関係に依存する。すなわち、収納箱内の全損失をＰとし
て、周囲温度を絶対温度で与えＴｋとすれば、（１）式
で示される。

【０００６】

【数１】

【０００７】ただし、Ｓｒは輻射に寄与する収納箱の表
面積、Ｔｋは収納箱の周囲温度を絶対温度で与えてあ
り、Δｔは収納箱の内部平均温度上昇値で、εは放射
率、Ｓｔは収納箱の天井部の表面積（襞部を含む）、Ｓ
ｓは収納箱の側面部の表面積（収納箱の鉛直面で襞部を
含む）、Ｓｂは収納箱の底面の表面積、Ｋ１〜Ｋ４はそ
れぞれの係数である。この（１）式で、第１項は輻射に
よる放熱損失分であり、２項は収納箱の周囲の外気が自
然対流によって、放熱する損失分を示している。つま
り、（１）式の第２項中の（）内の各項は収納箱の外気
に接触し、自然対流により熱交換する表面積に所定の係
数を掛けた式であり、収納箱の表面積を増せば放熱損失
が増すことを示している。また、この式はどちらの項も
収納箱の温度上昇値Δｔの関数であるが、実際問題とし
て電気機器の収納箱内の気相室の内部で空気の自然対流
が起こり、収納箱の上下で空気の温度差が大きく異な
り、上部の放熱は良好であるが下部は放熱効率が悪くな
り、収納箱の外壁に設けた襞の効果もかなり低くなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ファンモー
タは回転機であるため、稼動部分である軸受けや羽根等
の損耗が生じ易く、定期的に修理、交換等が必要とな
る。同様にして、エァフィルタも所定の稼働時間経過後
には汚損したり、目詰まりするため、清掃や交換が必要
となるなどメンテナンス上の手間を要している。また、
特に屋外設置の電気機器の収納箱の場合、外気を吸入す
ることにより、外部の汚損空気や湿気が吸い込まれるの
で、電気機器の電気的絶縁性や信頼性に影響し、電気機
器の寿命を著しく低下させていた。本願発明はこのよう
な欠点を解決し、実用性の高い電気機器収納箱を提供す
るためになされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のその目的を達成
する手段は、 （１）請求項１に示す如く、電気機器の収納箱を電気機
器が収納される気相室と液体の冷媒が密封状に封入され
る液相室に分割し、前記収納箱の外壁には襞を設ける。 （２）請求項２に示す如く、気相室内に密閉室を設け、
密閉室と液相室間を液体の冷媒が循環しうるように連通
する。 （３）請求項３に示す如く、液相室の冷媒中、前記密閉
室の冷媒中、又はその両方に電気機器を浸漬して収納す
る。 （４）請求項４に示す如く、気相室に収納する電気機器
は、液相室の気相室側表面に取り付けた座面又は密閉室
の外壁に取り付けた座面に密着させて設置する。 （５）請求項５に記載の如く、液相室の気相室側表面に
取り付けた座面に対向する冷媒中、密閉室の外壁に取り
付けた座面に対向する冷媒中、又はその両方の座面に対
抗する冷媒中に浸漬伝熱フィンを設ける。 （６）請求項６に示す如く、冷媒を熱伝導性の絶縁油と
して実現する。

【００１０】次に、その作用を説明する。電気機器の収
納箱を電気機器が収納される気相室と液体の冷媒が密封
状に封入される液相室に分割し、さらに収納箱外壁には
襞を設ける。このようにすることにより、外気への放熱
量が大きくできる。更に、液相室に液体の冷媒を密封状
に封入することにより、液体の冷媒が伝熱量に応じて対
流し、液体の冷媒が攪拌されるので冷媒の温度が均一化
される。そのため、収納箱の外壁表面は均一な温度とな
り、外壁からの放熱量が大きくなり、結果として収納箱
内の電気機器の温度上昇を低減できる。

【００１１】気相室内に密閉室を設け、密閉室と液相室
間を液体の冷媒が循環しうるように連通すると気相室内
の密閉室にも液体の冷媒が循環するので、液相室と同様
の作用をし、気相室内の空気が隔て板を介して液体の冷
媒に接する面積が増加するので冷却効果が増す。

【００１２】また、液体の冷媒中に電気機器を浸漬する
ことにより、電気機器表面の全面が冷媒に接触するた
め、冷媒への熱伝達が良好となり、丁度、油冷変圧器と
同様な冷却効果を奏する。

【００１３】収納箱の気相室に収納する電気機器の取り
付け座面を収納箱の内壁に設けた座面に密着させること
により、より効果的に電気機器の発熱を収納箱の内壁へ
と伝熱できる。

【００１４】収納箱の内壁に設けた座面に対抗する冷媒
中に浸漬伝熱フィンを設けることにより、収納箱の内壁
から冷媒までの熱抵抗を低減して、より効果的に液体の
冷媒に伝熱することができる。

【００１５】液体の冷媒を絶縁油とすることにより、電
気絶縁も良好な状態で伝熱することができる。以下、本
発明の実施例を図面に基ずき詳述する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示す電
気機器の収納箱の正面側断面図であり、電気機器の機器
配置を示している。図１において、１は電気機器の収納
箱、１ａは収納箱の内壁、１ｂは外気への放熱を良好に
するため収納箱外壁に設けた襞部、３は冷媒である絶縁
油、４は電気機器を収納する収納箱内の気相室である。
この気相室４の下部にはコンデンサ７、トランス８が収
納してあり、気相室の中央部にゲートユニット６、制御
ユニット９およびスナバユニット１１を配置して、平形
半導体ユニット１０との接続を考慮した配置としてあ
る。なお、制御ユニット９は内壁１ａに設けたフレーム
１ｄに取り付けられている。５は冷媒中に浸漬したリア
クトルの正面から見た配置を想像線で示している。

【００１７】次に、図２により本願の構造を説明する。
図２において、収納箱の内壁１ａに密着して設けた受熱
座面１ｃにはモジュール形半導体素子１２の底面を密着
して取り付け、モジュール形半導体素子１２の発熱が受
熱座面１ｃ、収納箱の内壁１ａを介して浸漬伝熱フィン
２から冷媒の絶縁油３へと伝熱する機構としている。図
１の部品番号９に示す制御ユニットは、図２中のボード
９ｂ、ボード９ｂの裏面に取り付けた部品群９ａ、ボー
ド９ｂの表面に取り付けた電子部品類９ｃにより構成さ
れている。この制御ユニット９は、図１中の１０に示す
平形半導体ユニット（図２中の１０ｇ、１０ｊ、１０
ｋ、１０ｓで構成）やモジュール形半導体素子１２の制
御を行う装置であり、それらの近隣に配置するととも
に、９ａ〜９ｃに示す部分の発熱が小さいので、気相室
４に収納している。なお、平形半導体ユニット１０は収
納箱の内壁１ａ（液相室との隔て板）に固着したフラン
ジ１ｅに取り付けている。

【００１８】次に、図２の平形半導体ユニット１０とそ
の周辺の構造については図５に示す平形半導体ユニット
１０の説明図と併せて説明する。冷媒中に浸漬する平形
半導体ユニット１０の圧接構造体１０Ｓは平形半導体素
子１０ａと浸漬フィン１０ｂおよび絶縁板１０ｃを一体
に、圧接バネ機構１０ｆ、押え板１０ｅ等によりスタッ
ド１０ｄを用いて圧接組み立ててある。この圧接構造体
１０Ｓは取付足１０ｇにより、取付板１０ｋに取り付け
られ、パッキン１０ｈと図２に示す収納箱の内壁１ａに
固着したフランジ１ｅにより、絶縁油３の封入部との気
密封じを行っている。なお、図中１０ｉは気密端子であ
り、絶縁油３中に電気機器と気相室の電気機器間の主回
路配線接続用である。図５では省略してあるが、平形半
導体素子１０ａのゲート、補助カソードの接続用補助端
子も設けてある。また、用途に応じて、主端子の数量や
補助端子の数は任意に設けることができる。図５中、１
０ｊは気相室４側に設けられる平形半導体素子１０ａの
ゲート回路周辺部品や平形半導体素子１０ａの保護用部
品等の実装状況を簡略化して示している。図２中の他の
部分は図１の記号と同一部分は同一のものを示す。

【００１９】以上の構成において、平形半導体ユニット
１０の圧接構造体１０Ｓ部は図示の通り絶縁油中に浸し
て使用されるため、浸漬フィン１０ｂからの放熱はもち
ろん、平形半導体素子１０ａのケース部や電極表面およ
び圧接バネ機構１０ｆ、押え板１０ｅ、絶縁板１０ｃ、
電気的な接続を目的とした絶縁油３中の配線材料等から
の放熱ができるため、浸漬フィン１０ｂは小さな形状の
フィンで良い。同様にして、図１のＡーＡ’から見た絶
縁油３の封入部に着目した断面を図３に示してあり、モ
ジュール形半導体素子１２付近の取り付け状態とその効
果について説明する。すなわち、気相室４側に設置され
たモジュール形半導体素子１２は受熱座面１ｃから収納
箱の内壁１ａを介して浸漬伝熱フィン２から、絶縁油３
へと伝熱する。浸漬伝熱フィン２は冷媒である絶縁油３
中に設置されるため、小形で、しかも電気的には外箱１
の電位であるから絶縁距離をとる必要がなく、絶縁油３
の量も少なくてよい。また、モジュール形半導体素子１
２は制御ユニット９との電気的な接続が容易であり、距
離的にも近いためにノイズ等の誤動作も生じずらい配置
とすることができる。特に図示していないが、浸漬伝熱
フィン２は収納箱の内壁１ａと収納箱の襞部１ｂと電位
的にも同一であるから、収納箱自体の機械的な強度を考
慮して一体的に結合または成形して構成することもでき
る。

【００２０】次に、本発明の他の実施例について図４を
用いて説明する。図の如く気相室４内に設けた密閉室１
ｆに連通管１ｇを接続し、液相室の絶縁油３が密閉室１
ｆにも循環するように構成することにより、液相室と同
様に作用する。本例では密閉室１ｆの気相室側の表面に
は受熱座面１ｃ（図４中に３カ所を図示）を設け、それ
ぞれモジュール形半導体素子１２を取付けている。この
結果、各モジュール形半導体素子１２が発生する熱は受
熱座面１ｃを介して密閉室１ｆの各面から絶縁油３へと
容易に伝熱することができる。この例では密閉室１ｆを
一つ設けた例であるが、分散して複数個備えることは勿
論可能である。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、以上のような構成であるか
ら、電子機器と電力用の損失の大きな電気機器をスペー
ス効率よく実装しながら放熱効率が上げられるため、小
形な電気機器の収納箱を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電気機器の収納箱の正
面側断面図であり、電気機器の機器配置を説明する断面
図である。

【図２】図１に示す本発明の側面から見た断面機器配置
図である。

【図３】本発明の図１に示す断面Ａ−Ａ′の内、冷媒封
入付近の断面と機器配置を説明するための断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施例を示す電気機器収納箱の正
面側断面図である。

【図５】本発明において、冷媒中に浸漬する平形半導体
ユニットを上部から見た圧接構造体の説明図である。

【図６】従来の電気機器の収納箱の箱構造を説明するた
めの断面機器配置図である。

【符号の説明】

１ 電気機器の収納箱 １ａ 収納箱の内壁 １ｂ 収納箱の襞部 １ｃ 受熱座面 １ｄ フレーム １ｅ フランジ １ｆ 密閉室 １ｇ 連通管 ２ 浸漬伝熱フィン ３ 絶縁油 ４ 気相室 ５ リアクトル ６ ゲートユニット ７ コンデンサ ８ トランス ９ 制御ユニット １０ 平形半導体ユニット １１ スナバユニット １２ 樹脂モールド形半導体素子 ２１ａ 排気口 ２２ 電気機器群 ２３ ファンモータ ２４ エァフィルタ ２５ 冷媒（空気）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機器の収納箱を電気機器が収納され
   る気相室と液体の冷媒が密封状に封入される液相室に分
   割し、前記収納箱の外壁には襞を設けたことを特徴とす
   る電気機器収納箱。
2. 【請求項２】 前記気相室内に密閉室を設け、該密閉室
   と前記液相室間を液体の冷媒が循環しうるように連通し
   たことを特徴とする請求項１記載の電気機器収納箱。
3. 【請求項３】 前記液相室の冷媒中、前記密閉室の冷媒
   中、又はその両方に電気機器を浸漬して収納したことを
   特徴とする請求項１又は２記載の電気機器収納箱。
4. 【請求項４】 前記気相室に収納する電気機器は、前記
   液相室の気相室側表面に取り付けた座面又は前記密閉室
   の外壁に取り付けた座面に密着させて設置することを特
   徴とする請求項１、２又は３記載の電気機器の収納箱。
5. 【請求項５】 前記液相室の気相室側表面に取り付けた
   座面に対向する冷媒中、前記密閉室の外壁に取り付けた
   座面に対向する冷媒中、又はその両方の座面に対抗する
   冷媒中に浸漬伝熱フィンを設けたことを特徴とする請求
   項３又は４記載の電気機器の収納箱。
6. 【請求項６】 冷媒を熱伝導性の絶縁油としたことを特
   徴とする１乃至５記載の電力用電気機器の収納箱。