JPH11332217A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子冷却用の送風機が主原因で発生する
騒音の低減が可能な電力変換装置を提供する。 【解決手段】電力変換装置部と二次電池部からなるＵＰ
Ｓ１は、従来例に対し、冷却空気７９の通流方向長が従
来例より短い吸気風胴３１を用いる送風機部３、仕切板
４４，支持枠４７，仕切枠４８などを有する筐体４と吸
音層５を備える。仕切板４４は、下部に開口４５が形成
され、送風機７１側の側面には遮音層４６と吸音層５と
がトーシンクロス３層材を用いて一体に形成され、反送
風機７１側の側面に部品基板８４を装着する。支持枠４
７は、仕切板４４に隣接する中仕切板６６の上面部に配
設され、仕切枠４８は、送風機部３の下部に配設され上
面部には開口４９を形成する。開口４５と対峙する部位
の前面板４１には、冷却空気７９をＵＰＳ１に吸込むた
めのほぼ矩形状の吸気口４２が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、強制空気冷却式
の電力変換装置に係わり、半導体素子の冷却に用いられ
る送風機が主原因で電力変換装置から発生する騒音の低
減を図った改良されたその構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＧＢＴなどの制御極付きの半導体素子
をスイッチング用素子として用いた電力変換装置では装
置容量に応じて各種の冷却方式が採用されているが、１
０ｋＶＡ以上の電力変換装置には多くの場合に強制空気
冷却式が採用されている。また、強制空気冷却式の電力
変換装置を用いた電源装置として、プラントの計装設備
やコンピュータなどに安定した電源を確保するためのＵ
ＰＳがある。以下にＵＰＳを例に採り、図５，図６を用
いて従来例の強制空気冷却式の電力変換装置を説明す
る。ここで、図５は従来例のＵＰＳの側面断面図であ
り、図６は従来例のＵＰＳに用いられた半導体素子搭載
部の図面で，（ａ）は図５におけるＡ矢視図，（ｂ）は
図６（ａ）のＰ部の詳細図である。

【０００３】図５，図６において、９は、半導体素子搭
載部９１、機器類群８、送風機部７、筐体６、二次電池
ユニット９９，９９を備えたＵＰＳである。このＵＰＳ
９は、大別すると、商用電源を入力して商用電源を整流
することで得た直流をＰＷＭ方式によって商用電源と同
一の周波数を持つ交流に変換する電力変換装置部と、二
次電池ユニット９９，９９で構成して電力を直流の状態
で貯蔵する二次電池部と、制御・保護部を備える。半導
体素子搭載部９１は、前記電力変換装置部用のパワー半
導体素子群および図示しないその周辺部品類と、アルミ
ニウム材製の冷却体９２を備える。ＵＰＳ９が備えるパ
ワー半導体素子群は、周知のモジュール形のＩＧＢＴ９
８Ａ，９８Ｂと、図示しない周知のモジュール形のダイ
オードである。

【０００４】冷却体９２は、ＩＧＢＴ９８Ａ，９８Ｂな
どのパワー半導体素子群が発生した熱を空気を用いて除
去するための部材であり、図６に示すように、パワー半
導体素子群が搭載される基板９３，９３と、多数の冷却
板９４を有する。それぞれの冷却板９４は、平板状の基
部９５と、基部９５の一方の側面に形成された多数の放
熱フィン９６を有する。冷却体９２は、全ての冷却板９
４を図示のように積層し両基板９３で挟んで配置する
が、基板９３と冷却板９４との間、および、冷却板９４
の相互間をろう材を用いて接合し、一体の構成品にして
いる。冷却体９２の基部９５と放熱フィン９６とで囲ま
れた空間は、冷却空気７９が通流する通流路９７であ
り、この通流路９７は、図６において紙面に垂直の方向
に形成されている。

【０００５】機器類群８は、冷却体９２に搭載された部
品を除く電力変換装置部用や、制御・保護部用の周知の
多数の電気・電子部品でなっている。しかし、ＵＰＳ９
には極めて多数の部品が用いられているので、図５に
は、電力変換装置部用の部品群の一部である平滑用リア
クトル８１，絶縁変圧器８２，フィルタ用リアクトル８
３と、制御・保護部用の部品群の一部が搭載された部品
基板８４のみを図示し、多くの部品の図示を省略した。
なお、平滑用リアクトル８１と絶縁変圧器８２は、排気
風胴６５の外側面に装着されている。

【０００６】送風機部７は、２台の軸流式の送風機７
１，７１と、２台の送風機７１が気密に取り付けられる
取付部材７２と、吸気風胴７３を備える。送風機７１
は、図示しないプロペラ状の羽根車を有し，直結された
電動機によって駆動される周知の軸流式の送風機であ
り、羽根車の回転中心軸線が通流路９７における冷却空
気７９の通流方向に平行するようにして装着されてい
る。吸気風胴７３は、冷却体９２の冷却空気７９の流入
端と、取付部材７２との間を気密に接続する。筐体６
は、一般の薄板状鉄材を用いて直方体状に形成されてお
り、中仕切板６６の上部に電力変換装置部および制御・
保護部を収容する上部収容部６１を、中仕切板６６の下
部に二次電池部を収容する電池収容部６９を形成してい
る。

【０００７】筐体６の上部収容部６１には、送風機部７
と対向する部位である前面板に縦に細長い矩形状の吸気
口６２を形成し、冷却空気７９の排出側である背面板に
は冷却体９２に対向させて縦に細長い矩形状の排気口６
４を形成している。２台の送風機７１，７１の冷却空気
７９の吸込側と、吸気口６２との間を気密に接続して接
続フランジ６３を、また、冷却体９２の冷却空気７９の
排出端と、排気口６４との間を気密に接続して排気風胴
６５を、それぞれ配設している。上部収容部６１の上部
には、部品基板８４を収納している。ＵＰＳ９の電池収
容部６９は、中仕切板６６と底板６８との間に形成され
ており、中間支持板６７により上下２段に仕切られ、そ
れぞれに二次電池ユニット９９を、電気絶縁材製の絶縁
レールを介して引出し自在に収納している。それぞれの
二次電池ユニット９９は、複数の二次電池とそれらを収
納した箱体とでなり、箱体の底部で前記絶縁レール上に
引出し自在に載置されている。

【０００８】従来例のＵＰＳ９は前記のごとく構成され
ているので、冷却空気７９は、吸気口６２→接続フラン
ジ６３→送風機７１→吸気風胴７３→冷却体９２（通流
路９７）→排気風胴６５→排気口６４の経路で、ほぼ直
線状にＵＰＳ９内を通流する。これにより、ＩＧＢＴ９
８Ａ，９８Ｂなどのパワー半導体素子群は冷却空気７９
により効果的に冷却されるので、ＵＰＳ９は高い運転信
頼性を得ることができている。また、送風機７１は冷却
空気７９に関して冷却体９２の上流側に配設されていわ
ゆる押込み方式にされており、送風機７１には吸気口６
２から流入した直後でまだ温度上昇前の冷却空気７９が
通流する。このことにより、いわゆる引出し方式とした
場合と対比して送風機７１の電動機の温度上昇を抑制す
ることができ、送風機７１の寿命を二次電池ユニット９
９の寿命と同等レベルに延長することができる。したが
って、ＵＰＳ９全体として長寿命化を達成することがで
きている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るＵＰＳ９においては、高い運転信頼性と長寿命化を得
ることができているが、最近次記するような新たな問題
が見い出されて、その解決が望まれている。すなわち、
ＵＰＳの小型化が進むに従いＵＰＳの採用先が拡大さ
れ、これに伴って、ＵＰＳは、専用のＵＰＳ室ばかりで
なく，ＯＡ事務室などにも設置されるようになってき
た。ＯＡ事務室にＵＰＳを設置する場合には、ＵＰＳか
ら排出される冷却空気７９の影響を避けるために、排気
口６４側を事務室の壁面に沿わせてＵＰＳを設置するこ
とになるので、吸気口６２側が前面側となる。すると、
送風機が主原因でＵＰＳから発生する騒音が、ＯＡ事務
室の環境悪化をもたらすことが新たな問題になるのであ
る。

【００１０】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、半導体素子冷却用
の送風機が主原因で発生する騒音の低減が可能な電力変
換装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）半導体素子と、半導体素子で発生した熱を空気で除
去する冷却体と、冷却体に冷却空気を供給する送風機
と、前記の半導体素子，冷却体および送風機を収納する
と共に冷却空気を取り入れる吸気口を有する筐体とを備
える電力変換装置において、送風機は、プロペラ状の羽
根車を持つ軸流式の送風機であり，羽根車の回転中心軸
線を冷却体での冷却空気の通流方向とほぼ合致させて冷
却体の冷却空気の流入側に配置され、筐体は、冷却空気
が前記回転中心軸線に対してほぼ直交する方向で送風機
へ向けて通流するように前記送風機と前記吸気口との間
の冷却空気の通流路が形成されると共に，送風機近傍の
前記通流路の内面に送風機が主原因で発生する騒音を低
減するための遮音層を備える構成とすることまたは、 ２）前記１項に記載の手段において、筐体は、遮音層の
冷却空気の通流側に吸音層を備える構成とすること、さ
らにまたは、 ３）前記１項または２項に記載の手段において、送風機
は、羽根車の回転中心軸線が、送風機と遮音層表面との
間を最短距離で結ぶ直線に対して冷却空気が送風機に流
れ込む側に傾斜されて配置される構成とすること、によ
り達成される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において
は、図５，図６に示した従来例のＵＰＳと同一部分には
同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説
明に用いる図中には、図５，図６で付した符号について
は、極力代表的な符号のみを記すようにしている。ま
ず、図２，図３を用いて、この発明の実施の形態の一例
によるＵＰＳを説明する。ここで、図２はこの発明の実
施の形態の一例によるＵＰＳの側面断面図であり、図３
は図２に示した吸気側仕切板の図面で、（ａ）は側面
図、（ｂ）は前面図である。図２，図３において、２
は、図５，図６に示した従来例によるＵＰＳ９に対し
て、送風機部７および筐体６に替えて、それぞれ、送風
機部３および筐体４を用いるようにしたＵＰＳである。

【００１３】送風機部３は、従来例のＵＰＳ９が備える
送風機部７と対比すると、送風機部７が備える吸気風胴
７３に替えて、冷却空気７９の通流方向の長さが吸気風
胴７３よりも短い吸気風胴３１を用いることのみが異な
る。これにより、ＵＰＳ２では、筐体４の前面板４１
と，軸流式の送風機７１の吸入側端面７１ａとの間の間
隔長Ｌ₃ が、ＵＰＳ９の場合よりも増大されている。筐
体４は、従来例のＵＰＳ９が備える筐体６と同様に一般
の薄板状鉄材を用いて直方体状に形成している。しかし
筐体４は、筐体６と対比すると、仕切板４４，支持枠４
７，仕切枠４８などを上部収容部６１に有すると共に、
ＵＰＳ９では上部に形成されていた部品基板８４を収容
するための空間を形成しないことが異なっている。

【００１４】仕切板４４は、上端が筐体４の天井板４３
に，下端が中仕切板６６に，左右端が筐体４の両側の側
面板に、それぞれ当接されるように形状・寸法が設定さ
れ、下部には開口４５が図示のように形成されている。
この仕切板４４は、左右の端部に形成された複数の座部
４４１により、筐体４の側面板と結合される。仕切板４
４の送風機７１側の，開口４５の形成部を除く側面に
は、遮音層４６が形成されている。ＵＰＳ２では、遮音
層４６には、商品名がトーシンクロス（メーカ；株式会
社 トーシン）の２層材を用いている。このトーシンク
ロス２層材は、表面側の全面に多数の亜鉛引き鉄板（直
径６〔ｍｍ〕，厚さ０．４〔ｍｍ〕）を粘着剤層で貼付
けたガラスクロスシート材（厚さ０．４〔ｍｍ〕）と、
ガラスクロスシート材に粘着剤層で貼付けられた発泡体
シート材（商品名；アスピッチフォーム）（厚さ１０
〔ｍｍ〕）とで構成されており、高い制振および遮音性
能を備えている。

【００１５】この遮音層４６は、発泡体シート材側で粘
着剤によって仕切板４４の側面に貼付けられる。また仕
切板４４は、部品基板８４をその前面板４１側の側面に
装着している。支持枠４７は、中仕切板６６の上面部の
仕切板４４に隣接する部位に配設されて、フィルタ用リ
アクトル８３などを搭載する。また、仕切枠４８は、送
風機部３の下部に配設され，ほぼ逆Ｌ字状の形状を持
ち、下端部は支持枠４７に結合され、上面部には開口４
９が形成され、左右端は筐体４の両側の側面板に当接さ
れている。さらに、開口４５と対峙する部位の前面板４
１には、冷却空気７９をＵＰＳ２に吸込むためのほぼ矩
形状の吸気口４２（高さ方向寸法がＨ₄ ）が形成されて
いる。

【００１６】図２，図３に示すこの発明の実施の形態の
一例によるＵＰＳ２では前述の構成としたので、冷却空
気７９は、吸気口４２→開口４５→開口４９→送風機７
１→吸気風胴３１→冷却体９２→排気風胴６５→排気口
６４の経路でＵＰＳ２内を通流する。したがって、開口
４５から送風機７１の間の冷却空気７９の通流路は、仕
切板４４，支持枠４７，仕切枠４８，送風機７１などの
周辺の筐体４の側面板などで区切られた空間である。こ
の通流路では、冷却空気７９は、図２に矢印付きの太線
で示したように、送風機７１の羽根車の回転中心軸線に
対して、ほぼ直交する方向で送風機７１へ向けて通流す
る。

【００１７】すなわちＵＰＳ２では、送風機７１の吸入
口と対峙する部位に仕切板４４を配設して冷却空気７９
の通流路を屈曲させると共に、冷却空気７９の通流路に
沿わせて前記内容の遮音層４６を形成している。このこ
とにより、冷却空気７９の通流路が延長されると共に、
仕切板４４が遮音壁となりしかも遮音層４６が持つ制振
・遮音性能が働いて、送風機７１で発生した騒音は、Ｕ
ＰＳ２の前面側において低減される。発明者らが測定し
たところでは、ＵＰＳ２の前面側での騒音レベルはＵＰ
Ｓ９の場合よりも約１〔ｄＢ〕低減することが確認され
ている。また、部品基板８４を仕切板４４の前面板４１
側の側面に装着するようにしたことで、ＵＰＳ２はＵＰ
Ｓ９よりも小型化されると共に、部品基板８４に搭載さ
れた制御装置の試験調整や，制御装置・保護装置の保守
点検を、ＵＰＳ９の場合よりも容易にすることができて
いる。

【００１８】ところで、ＵＰＳ２では、その前面側にお
いては前述したところにより騒音レベルは低減されるの
であるが、送風機７１で発生した騒音の音波の一部が遮
音層４６が持つ亜鉛引き鉄板層の表面で反射するので、
ＵＰＳ２の背面側での騒音レベルは、従来例のＵＰＳ９
の場合よりも増大することがある。このことに対処する
構成を備えたものが次記するＵＰＳ１である。

【００１９】次に、図１を用いて、この発明の実施の形
態の異なる例によるＵＰＳを説明する。ここで、図１は
この発明の実施の形態の異なる例によるＵＰＳの主要部
を示す側面断面図である。なお、図１の説明において
は、図２，図３に示したこの発明の実施の形態の一例に
よるＵＰＳと同一部分には同じ符号を付しその説明を省
略すると共に、図１中には、図２，図３で付した符号に
ついては極力代表的な符号のみを記す。

【００２０】図１において、１は、図２，図３に示した
この発明によるＵＰＳ２に対して、筐体４が有する仕切
板４４の側面に形成された遮音層４６の送風機７１側の
表面側に、多孔材を用いて吸音層５が形成されているこ
とのみが異なるＵＰＳである。ＵＰＳ１では、吸音層５
にゴム状発泡体シート材（厚さ１０〔ｍｍ〕）が用いら
れ、遮音層４６の亜鉛引き鉄板層の表面に粘着剤層で貼
付けられている。なお、遮音層４６と吸音層５とを一体
化したシート材として、トーシンクロスの３層材を使用
することもできる。

【００２１】図１に示すこの発明の実施の形態の異なる
例によるＵＰＳ１では前述の構成としたので、冷却空気
７９の通流経路はＵＰＳ２の場合と同一である。そうし
て、送風機７１で発生した騒音の音波は、吸音層５にお
いて、音波が多孔材（ガラスウールなども使用可能）に
進入した際に働く周知の消音・吸音作用により減衰さ
れ、かつ遮音層４６からの反射音量も低減される。この
ことにより、ＵＰＳ１では、ＵＰＳ２での前面側におけ
る騒音レベルの低減効果に加えて、背面側での騒音レベ
ルも従来例のＵＰＳ９の場合よりも低減される。発明者
らが測定したところでは、ＵＰＳ１の前面側および背面
側での騒音レベルは、ＵＰＳ９の場合よりも約１〔ｄ
Ｂ〕低減することが確認されている。

【００２２】続いて、図４を用いて、この発明の実施の
形態のさらに異なる例によるＵＰＳを説明する。ここ
で、図４はこの発明の実施の形態のさらに異なる例によ
るＵＰＳの側面断面図である。なお、図４の説明におい
ては、図２，図３に示したこの発明の実施の形態の一例
によるＵＰＳと同一部分には同じ符号を付しその説明を
省略すると共に、図４中には、図２，図３で付した符号
については極力代表的な符号のみを記す。

【００２３】図４において、２Ａは、図２，図３に示し
たこの発明によるＵＰＳ２に対して、取付部材７２を備
えた送風機部３に替えて、取付部材３９を備えた送風機
部３Ａを用いるようにしたＵＰＳである。取付部材３９
は、羽根車の回転中心軸線（一方の軸流式の送風機７１
に関して図４に一点鎖線Ｘ−Ｘで示す）が、送風機７１
と遮音層４６の表面との間を最短距離で結ぶ直線（回転
中心軸線Ｘ−Ｘと関連付けて図４に一点鎖線Ｙ−Ｙで示
す）に対し、冷却空気７９が送風機７１に流れ込む側に
傾斜されるよう、その送風機７１を装着するための取付
面３９ａ，３９ａを形成したことが特長である。すなわ
ち、ＵＰＳ２Ａでは、回転中心軸線Ｘ−Ｘは、直線Ｙ−
Ｙに対して、図４において時計方向にθだけ傾いてい
る。

【００２４】図４に示すこの発明の実施の形態のさらに
異なる例によるＵＰＳ２Ａでは前述の構成としたので、
冷却空気７９の基本的な通流経路は前述ＵＰＳ１，２の
場合と同様である。そうして、開口４９を通過して送風
機７１に流入しようとする冷却空気７９に関する、送風
機７１に流入直前部位における通流断面積が、回転中心
軸線Ｘ−Ｘを傾けていることにより増大される。このこ
とで、送風機７１に流入直前部位における冷却空気７９
の流速は、ＵＰＳ１，２の場合よりも低減される。送風
機７１に流入直前部位における冷却空気７９の流速の低
減は、送風機が一般に持つ性質に従って、送風機７１か
ら発生される騒音量の低減をもたらす。この結果、送風
機７１で発生した騒音は、ＵＰＳ２Ａの前面側および背
面側の両側において低減される。発明者らが測定したと
ころでは、ＵＰＳ２Ａの騒音レベルはＵＰＳ９の場合と
対比して、前面側で約１．５〔ｄＢ〕，背面側ので約１
〔ｄＢ〕低減することが確認されている。

【００２５】前述の説明では、ＵＰＳ２Ａでは吸音層５
を備えていないとしてきたが、これに限定されるもので
はなく、ＵＰＳ１の場合と同様にして吸音層５を備えて
もよいものである。これによって、ＵＰＳ２Ａの周囲に
おける騒音レベルを一層低減することができる。また、
前述の説明では、ＵＰＳ１，２，２Ａが備える遮音層４
６および／または吸音層５は、仕切板４４のみに形成さ
れるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例
えば、仕切枠４８や筐体４の側面板などにも形成するこ
とで、ＵＰＳ１，２，２Ａの周囲における騒音レベルの
さらなる低減を図ることができる。

【００２６】さらにまた、前述の説明では、この発明が
適用される対象はＵＰＳであるとしてきたが、これに限
定されるものではなく、例えば、強制空気冷却式が採用
された電力変換装置の全てに適用して、その騒音レベル
の低減を図ることができる。

【００２７】

【発明の効果】この発明になる電力変換装置において
は、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成と
することにより、次記する効果を奏する。 前記課題を解決するための手段の項の第（１）項によ
る構成とすることにより、仕切板４４が遮音壁となりし
かも遮音層４６が持つ制振・遮音性能が働くことで、Ｕ
ＰＳの前面側の騒音レベルを従来例よりも１〔ｄＢ〕程
度低減することが可能となる。また、 前記課題を解決するための手段の項の第（２）項によ
る構成とすることにより、吸音層５の消音・吸音作用が
働いて遮音層４６からの反射音量が低減されることで、
前記項の効果に加えて、ＵＰＳの背面側での騒音レベ
ルを従来例よりも１〔ｄＢ〕程度低減することが可能と
なる。さらにまた、 前記課題を解決するための手段の項の第（３）項によ
る構成とすることにより、送風機７１に流入直前の部位
における冷却空気７９の流速が低減し、送風機７１から
発生する騒音量が低減されることで、前記項，項の
場合と対比して、ＵＰＳの前面側および背面側の騒音レ
ベルを、さらに０．５〔ｄＢ〕〜１〔ｄＢ〕程度低減す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の異なる例によるＵＰＳ
の主要部を示す側面断面図

【図２】この発明の実施の形態の一例によるＵＰＳの側
面断面図

【図３】図２に示した吸気側仕切板の図面で、（ａ）は
側面図、（ｂ）は前面図

【図４】この発明の実施の形態のさらに異なる例による
ＵＰＳの側面断面図

【図５】従来例のＵＰＳの側面断面図

【図６】従来例のＵＰＳに用いられた半導体素子搭載部
の図面で，（ａ）は図５におけるＡ矢視図，（ｂ）は図
６（ａ）のＰ部の詳細図

【符号の説明】

１ ＵＰＳ ３ 送風機部 ３１ 吸気風胴 ４ 筐体 ４１ 前面板 ４２ 吸気口 ４４ 仕切板 ４５ 開口 ４６ 遮音層 ４７ 支持枠 ４８ 仕切枠 ４９ 開口 ５ 吸音層 ６６ 中仕切板 ７１ 送風機 ７９ 冷却空気 ８４ 部品基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子と、半導体素子で発生した熱を
   空気で除去する冷却体と、冷却体に冷却空気を供給する
   送風機と、前記の半導体素子，冷却体および送風機を収
   納すると共に冷却空気を取り入れる吸気口を有する筐体
   とを備える電力変換装置において、 送風機は、プロペラ状の羽根車を持つ軸流式の送風機で
   あり，羽根車の回転中心軸線を冷却体での冷却空気の通
   流方向とほぼ合致させて冷却体の冷却空気の流入側に配
   置され、筐体は、冷却空気が前記回転中心軸線に対して
   ほぼ直交する方向で送風機へ向けて通流するように前記
   送風機と前記吸気口との間の冷却空気の通流路が形成さ
   れると共に，送風機近傍の前記通流路の内面に送風機が
   主原因で発生する騒音を低減するための遮音層を備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電力変換装置において、
   筐体は、遮音層の冷却空気の通流側に吸音層を備えるこ
   とを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の電力変換装置に
   おいて、送風機は、羽根車の回転中心軸線が、送風機と
   遮音層表面との間を最短距離で結ぶ直線に対して冷却空
   気が送風機に流れ込む側に傾斜されて配置されることを
   特徴とする電力変換装置。