JPWO2016157534A1

JPWO2016157534A1 - 電子機器

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Publication number: JPWO2016157534A1
Application number: JP2016525118A
Authority: JP
Inventors: 竜一竹澤; 久美青木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: WO2016157534A1; CN106256176A; JP6072985B1; CN106256176B; US20170188488A1; US9795067B2

Abstract

密閉可能な収納部（３）を有する筐体（２）と、収納部（３）の内部に収納された複数の発熱部品と、収納部（３）を構成する筐体（２）の一壁面（２ｄ）における収納部（３）側の一内面に接触して配置された内部側熱交換部（３２）と、一壁面（２ｄ）における収納部（３）の外部側の一外面における内部側熱交換部（３２）に対向する位置に接触して配置された外部側熱交換部（３３）と、発熱部品の熱を収納部（３）の外部の空気と熱交換するための発熱部品用外部側熱交換部と、内部ファン（３１）とを備え、動作時の発熱量が最も大きい高発熱部品（２２）が一内面における発熱部品用外部側熱交換部に対向する位置に接触して配置され、発熱部品用外部側熱交換部を介して、高発熱部品（２２）の熱と収納部（４）の外部の空気とが熱交換され、内部側熱交換部（３２）と外部側熱交換部（３３）とを介して、収納部（３）の内部の空気と収納部（３）の外部の空気とが熱交換される。

Description

本発明は、密閉筐体構造を有する電子機器に関する。

電子機器においては、防水防塵のために密閉筐体構造が採用される場合がある。密閉筐体構造を有する電子機器では、筐体の内部から筐体の外部への排熱効果が低下するため、筐体の内部温度が上昇し、筐体内に収納された各種の部品の温度も上昇する。電子機器においては、筐体内に収納された機器の正常動作および信頼性確保のため、発熱部品については、部品の温度を各発熱部品の許容温度以下に保持する必要がある。

特許文献１に記載の機器収納用筐体は、内部に発熱機器を収納する密閉筐体の少なくとも前後左右の内の一側面と天井に、密閉筐体の内外に複数のフィンが配置されるように熱交換部を設け、密閉筐体内には該筐体内雰囲気を攪拌するファンを設置している。そして、熱交換部が設けられた側面並びに天井を外壁で覆い、側面外壁の下部には外気取込口を、天井外壁には外気排出口をそれぞれ設け、外気取込口から取り入れられた気体が天井外壁に設けられた排出口から排気されるように構成されている。

特開２００１−２６７７７４号公報

しかしながら、特許文献１では、ファンによって筐体内部の空気を循環させることにより筐体内部の空気を外部空気と熱交換することができる。しかしながら、熱交換部が設けられた側面と天井とを外壁で覆う二重筐体の構造が必要であり、筐体が大型化し、且つ費用が増大する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、密閉筐体構造を有し、内部に収納された部品の温度を低く保つことが可能な電子機器を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、密閉可能な収納部を有する筐体と、前記収納部の内部に収納された複数の発熱部品と、前記収納部を構成する前記筐体の一壁面における前記収納部側の一内面に接触して配置された内部側熱交換部と、前記一壁面における前記収納部の外部側の一外面における前記内部側熱交換部に対向する位置に接触して配置された外部側熱交換部と、前記発熱部品の熱を前記収納部の外部の空気と熱交換するための発熱部品用外部側熱交換部と、前記収納部の内部に収納された内部ファンと、を備え、前記複数の発熱部品のうち動作時の発熱量が最も大きい高発熱部品が前記一内面における発熱部品用外部側熱交換部に対向する位置に接触して配置され、前記内部ファンは、前記収納部内の空気を循環させて前記内部側熱交換部に送風し、前記発熱部品用外部側熱交換部を介して、前記高発熱部品の熱と前記収納部の外部の空気とが熱交換され、前記内部側熱交換部と前記外部側熱交換部とを介して、前記収納部の内部の空気と前記収納部の外部の空気とが熱交換されること、を特徴とする。

本発明によれば、密閉筐体構造を有し、内部に収納された部品の温度を低く保つことが可能な電子機器が得られる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置を示す模式図本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の側面図本発明の実施の形態１にかかる電力変換回路の構成を示す回路構成図本発明の実施の形態１にかかる収納部内における各部材の配置の他の例を示す側面図本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の側面図本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置を示す模式図本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の側面図本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置を示す模式図本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置の側面図本発明の実施の形態５にかかる電力変換装置を示す模式図本発明の実施の形態５にかかる電力変換装置の側面図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電子機器である電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１を示す模式図である。図１では、電力変換装置１を構成する電子部品が収納される筐体２の正面図を示しており、筐体２の正面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。図２は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図２は側面図であるが、理解の容易のため、ハッチングを付している。以下の側面図においても同様である。

電力変換装置１は、電力変換装置を構成する電子部品およびその他の部品を収納する筐体２を備える。筐体２は、分割された複数の筐体部品が接続されて構成される。筐体２は、板状形状を呈して前面側に配置される前面部２ａと、内部空間を有する立方体形状を呈して背面側に配置される背面部２ｃと、前面部２ａと背面部２ｃとの間に配置されて四角筒状を呈する本体部２ｂと、により構成される。前面部２ａ、本体部２ｂおよび背面部２ｃは、剛性が強く、風雨等の外部環境に耐候性を有する金属材料または樹脂材料で構成されている。

前面部２ａと本体部２ｂとの周縁部である互いの当接面には、図示しないシール溝が形成され、このシール溝に図示しないシール部品を嵌め込んだ状態で、前面部２ａと本体部２ｂとの周縁部がネジ部品により固定される。これにより、前面部２ａと本体部２ｂとが固定されるとともに、前面部２ａと本体部２ｂとの間がシール部品によりシールされている。同様に、本体部２ｂと背面部２ｃとの周縁部である互いの当接面には、図示しないシール溝が形成され、このシール溝にシール部品を嵌め込んだ状態で、本体部２ｂと背面部２ｃとの周縁部がネジ部品により固定されている。これにより、本体部２ｂと背面部２ｃとが固定されるとともに、本体部２ｂと背面部２ｃとの間がシール部品によりシールされている。これにより、前面部２ａと本体部２ｂと背面部２ｃとに囲まれ、密閉された収納部３が構成される。すなわち、電力変換装置１は、収納部３について防水構造を有しており、収納部３への外部からの水分の浸入が防止されている。一方、背面部２ｃの内部空間は、収納部内の熱を空気と熱交換する放熱部４とされる。放熱部４は、放熱部４内の空気を外部に排出するために密閉されていない。なお、図１においては、筐体部品間の接続構造は省略している。

シール部品には、パッキンまたはシーリング材が用いられる。なお、ここでは、前面部２ａと本体部２ｂと背面部２ｃとにより筐体２を構成しているが、筐体２の分割方法はこれに限定されず、複数の部材を固定することにより、密閉された収納部３が構成されればよい。

また、ここでは詳細な説明を省略するが、本体部２ｂには作業用の扉が設けられている。この扉の周縁部および本体部２ｂにおける扉の取り付け部の周縁部にもシール溝が設けられ、シール部品を嵌め込んだ状態で周縁部をネジ部品により固定することで、収納部３を密閉している。

また、ここでは、３つに分割された筐体部品である前面部２ａと本体部２ｂと背面部２ｃとにより筐体２が構成されているが、筐体２を構成する筐体部品の数はこれに限定されない。ただし、密閉された収納部３を構成する筐体部品間の固定部には、上述したようにシール溝が設けられてシール部品を嵌め込んだ状態で筐体部品同士が固定される。

電力変換装置１は、交流電源から供給される三相交流電圧を変換して外部の負荷が必要とする電圧を生成する電力変換回路１１と、収納部３内の空気を循環させる内気ファン３１と、収納部３と放熱部４とを分ける背面部２ｃ側の一壁面２ｄにおける収納部３側の一内面に当接して収納部３内に設けられた吸熱用のヒートシンクである内部側熱交換部３２と、を収納部３内に備える。また、電力変換装置１は、収納部３と放熱部４とを分ける背面部２ｃ側の一壁面２ｄにおける収納部３の外部側の一外面に当接する放熱用のヒートシンクである外部側熱交換部３３と、放熱部４内の空気を外部に排出する外気ファン３４と、を放熱部４内に備える。

なお、電力変換装置１は、電子回路基板に搭載された中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）を有するマイクロコンピュータにより構成されて電力変換装置１における各構成部の動作を制御する制御部、電力変換装置１における各種情報を表示する表示装置、各構成部間の接続配線、外部機器との接続用のコネクタおよびケーブル、操作盤等の他の構成部材も備えるが、ここでは説明および図示を省略している。

図３は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換回路１１の構成を示す回路構成図である。電力変換回路１１は、交流電源から供給された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１２と、整流回路１２によって変換された直流電圧を平滑する平滑回路１３と、平滑後の直流電圧をスイッチング制御により三相交流電圧に変換して負荷へ供給するスイッチング回路１４とを備えている。また、整流回路１２と平滑回路１３との間には、コイル２１を用いたＤＣリアクトル１５を備える。

整流回路１２は、電力用半導体素子である整流用のダイオードを含む。スイッチング回路１４は、直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング半導体素子等の電力用半導体素子を含む。そして、これらの電力用半導体素子は、パッケージに納められたパワーモジュール２２として構成される。平滑回路１３は、コンデンサ２３を用いて構成される。

電力変換回路１１を構成するコンデンサ２３は、収納部３内において、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄにおける上半分側の領域に取り付け板２０を介して取り付けられている。電力変換回路１１を構成するパワーモジュール２２は、収納部３内において、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄにおける下半分側の領域であってコンデンサ２３の下部領域に取り付けられている。電力変換回路１１を構成するコイル２１は、収納部３内において、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄにおける下側の領域であってパワーモジュール２２の下部領域に取り付け板２０を介して取り付けられている。

内部側熱交換部３２は、電力変換装置１の奥行き方向における前面部２ａ側において、電力変換装置１の高さ方向における下部領域に配置されている。内部側熱交換部３２は、熱交換部を構成する複数の薄い内部フィン３２ｂが、既定の間隔を開けて平板状のベース板３２ａの主面上に並列配置されて構成される。そして、内部側熱交換部３２は、電力変換装置１の幅方向に内部フィン３２ｂが並列する配置で、すなわち内部フィン３２ｂが電力変換装置１の高さ方向において伸長する配置で一壁面２ｄにベース板３２ａを接触させて取り付けられる。これにより、隣り合う内部フィン３２ｂ間の隙間領域を通って空気が上下方向に流動可能とされる。なお、一壁面２ｄに内部フィン３２ｂを取り付け可能であれば、ベース板３２ａはなくてもよい。また、熱交換部の形状はフィン形状に限定されない。

内部側熱交換部３２の構成材料には、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性の高い金属材料が用いられる。内部側熱交換部３２の寸法は、特に限定されないが、表面積を大きくして収納部３内の空気の熱をより多く吸収するために、収納部３内において許容される範囲で大きくすることが好ましい。隣り合う内部フィン３２ｂ間の隙間は、空気が上下方向に流動でき、収納部３内の内部空気の循環が行えれば特に限定されない。

外部側熱交換部３３は、放熱部４内の一壁面２ｄにおいて、電力変換装置１の高さ方向における内部側熱交換部３２と対向する位置からコンデンサ２３と対向する位置までにわたって配置されている。外部側熱交換部３３は、熱交換部を構成する複数の薄い外部フィン３３ｂが、既定の間隔を開けて平板状のベース板３３ａの主面上に並列配置されて構成される。そして、外部側熱交換部３３は、電力変換装置１の幅方向に外部フィン３３ｂが並列する配置で、すなわち外部フィン３３ｂが電力変換装置１の高さ方向において伸長する配置で一壁面２ｄにベース板３３ａを接触させて取り付けられる。これにより、隣り合う外部フィン３３ｂ間の隙間領域を通って空気が上下方向に流動可能とされる。なお、一壁面２ｄに外部フィン３３ｂを取り付け可能であれば、ベース板３３ａはなくてもよい。また、熱交換部の形状はフィン形状に限定されない。

外部側熱交換部３３の構成材料には、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性の高い金属材料が用いられる。外部側熱交換部３３の寸法は、特に限定されないが、表面積を大きくしてより多くの熱を外部フィン３３ｂから放熱部４内の内部空気に放熱するために、放熱部４内において許容される範囲で大きくすることが好ましい。隣り合う外部フィン３３ｂ間の隙間は、空気が上下方向に流動できれば特に限定されない。

外部側熱交換部３３は、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄを介してパワーモジュール２２と熱的に接続している。このため、外部側熱交換部３３は、一壁面２ｄを伝導したパワーモジュール２２の熱を、外部フィン３３ｂから放熱部４内の内部空気に放熱してパワーモジュール２２を冷却する。なお、ここでの熱的に接続しているとは、一壁面２ｄの面内において、外部側熱交換部３３とパワーモジュール２２とが対向して重複しており、且つ外部側熱交換部３３がこの一壁面２ｄに直接接触しており、一壁面２ｄを介して直接パワーモジュール２２から熱が伝熱される状態を意味する。したがって、一壁面２ｄの面内において、外部側熱交換部３３とパワーモジュール２２とが全く重複していない状態は含まない。

また、外部側熱交換部３３は、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄを介して内部側熱交換部３２と熱的に接続している。このため、外部側熱交換部３３は、一壁面２ｄを伝導した内部側熱交換部３２の熱を、外部フィン３３ｂから放熱部４内の内部空気に放熱して内部側熱交換部３２を冷却する。なお、ここでの熱的に接続しているとは、一壁面２ｄの面内において、外部側熱交換部３３と内部側熱交換部３２とが対向して重複しており、且つ外部側熱交換部３３がこの一壁面２ｄに直接接触しており、一壁面２ｄを介して直接内部側熱交換部３２から熱が伝熱される状態を意味する。したがって、一壁面２ｄの面内において、外部側熱交換部３３と内部側熱交換部３２とが全く重複していない状態は含まない。

そして、外部側熱交換部３３の放熱により温められて温度が上昇した放熱部４内の内部空気は、外気ファン３４により吸い出されて放熱部４の上部から外部に排出される。

電力変換装置１の駆動時には、収納部３内に収納された各種の発熱部品からの発熱により、収納部３の内部温度、すなわち空気温度は上昇する。収納部３内に収納された部品のうち、コンデンサ２３およびＩＣチップなどの発熱部品は、発熱が比較的少ない低耐熱性部品である。一方、制御部に用いられる電子回路基板、通電用の導体、コイル２１などの発熱部品は、駆動時に発熱して高温になるとともに、高耐熱性を有する発熱部品である。そして、パワーモジュール２２は、収納部３内に収納された部品のうち駆動時に最も発熱して高温になるとともに、高耐熱性を有する発熱部品である。

電力変換装置１は、密閉筐体構造を有するため、収納部３の内部から収納部３の外部への排熱効果が低く、収納部３内の内部温度がより上昇し、収納部３内に収納された各発熱部品の温度も上昇する。収納部３内に収納された発熱部品を正常動作させ、信頼性を確保するためには、各発熱部品の温度を各発熱部品の許容温度以下に保持する必要がある。

電力変換装置１においては、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄを介してパワーモジュール２２と熱的に接続している外部側熱交換部３３が、この一壁面２ｄを伝導したパワーモジュール２２の熱を外部フィン３３ｂから放熱部４内の内部空気に放熱する。これにより、収納部３内に収納された部品のうち駆動時に最も発熱して高温になるパワーモジュール２２を効率的に冷却して、収納部３内の温度上昇の１番の原因であるパワーモジュール２２の温度を低減させる。これにより、パワーモジュール２２から収納部３内に放熱される熱量を低減して、収納部３内の温度上昇を抑制する。

また、電力変換装置１においては、内部側熱交換部３２が収納部３内に露出されている。内部側熱交換部３２は、収納部３内の内部空気と接触して熱交換を行う。すなわち、内部側熱交換部３２は、収納部３内の内部空気から熱を吸熱して収納部３内の内部空気の温度を低減させる。内部側熱交換部３２は、筐体２において収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄを介して外部側熱交換部３３と熱的に接続している。このため、外部側熱交換部３３は、一壁面２ｄを伝導した内部側熱交換部３２の熱を、外部フィン３３ｂから放熱部４内の内部空気に放熱して内部側熱交換部３２を冷却する。これにより、内部側熱交換部３２による収納部３内の内部空気からの吸熱が促進される。

したがって、電力変換装置１においては、内部側熱交換部３２と、筐体２において収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄと、外部側熱交換部３３とを介して、高温化した収納部３内の内部空気と、収納部３内よりも低温の外部空気、すなわち放熱部４内の内部空気との間で熱交換を行う。これにより、収納部３内の内部空気の温度を低減することができ、収納部３内の内部空気の平均温度を低減できる。

空気温度Ｔｉの収納部３内の内部空気に対して、表面積Ａｃの発熱部品の表面から熱伝達率Ｈｃで熱伝導が行われる場合の、収納部３内の発熱部品の発熱により上昇後の発熱部品の温度Ｔｃは、以下の式（１）で表せる。なお、収納部３内の空気温度Ｔｉおよび上昇後の発熱部品の温度Ｔｃは、平均温度である。ΔＴｃは、収納部３内の空気温度Ｔｉから上昇した発熱部品の上昇温度である。Ｑallは、収納部３内における全発熱量である。収納部３の外部の温度を外部温度Ｔａとしたとき、Ｔｉ＞Ｔａである。また、空気温度Ｔｉの収納部３内の内部空気から収納部３の壁面を通して外部温度Ｔａの外部へ、面積Ａａの収納部３表面から熱伝達率Ｈａで自然空冷されるものとする。収納部３内の空気温度Ｔｉは、収納部３内における全発熱量Ｑallが、外部温度Ｔａである収納部３の外部に対して収納部３の面積から自然冷却されるバランスによって決まる値である。

Ｔｃ＝Ｔｉ＋ΔＴｃ
＝Ｔｉ＋Ｑall／（Ｈｃ×Ａｃ）・・・（１）

内部側熱交換部３２を備えない場合には、収納部３内の内部空気の熱は、内部側熱交換部３２のベース板３２ａが筐体２における収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄに当接していた領域から、この一壁面２ｄを伝導して放熱部４内の内部空気に放熱される。この場合は、内部側熱交換部３２を備える場合にベース板３２ａが一壁面２ｄに当接している面積を面積Ａｂとすると、収納部３の空気温度Ｔｉの内部空気から一壁面２ｄを通して外部温度Ｔａの放熱部４の外部空気へ、面積Ａｂの一壁面から熱伝達率Ｈａにて熱が放熱されて自然空冷される。

電力変換装置１においては、内部側熱交換部３２と外部側熱交換部３３とを用いて、収納部３内の内部空気と放熱部４内の内部空気との間で熱交換を行うことにより、収納部３内の空気温度Ｔｉを低減することができる。これにより、上記（１）の関係により、上昇後の発熱部品の温度Ｔｃを低減することができる。したがって、電力変換装置１においては、収納部３内の内部空気の平均温度を低減して、上昇後の発熱部品の温度Ｔｃを下げることができる。

電力変換装置１においては、内部側熱交換部３２が収納部３内の内部空気に露出している。このため、内部側熱交換部３２が収納部３内に露出している面積が面積Ａｂよりも広い面積において収納部３内の空気から吸熱する分だけ、収納部３内の内部空気からの吸熱量が多くなる。

また、内部側熱交換部３２は、外部側熱交換部３３と熱的に接続している。このため、外部側熱交換部３３において、外部側熱交換部３３が放熱部４内の内部空気に露出している面積と面積Ａｂとの差の面積分が、内部側熱交換部３２から伝導した熱の放熱効果の向上に寄与する。これにより、内部側熱交換部３２から伝導した熱を効率的に確実に放熱して、収納部３内の内部空気の温度を低減することができる。

ただし、外部側熱交換部３３は、パワーモジュール２２と熱的に接続しており、パワーモジュール２２の熱を放熱部４内の内部空気に放熱する。このため、外部側熱交換部３３が放熱部４内の内部空気に露出している面積と面積Ａｂとの差の面積の全部が内部側熱交換部３２から伝導した熱の放熱に寄与するものではない。しかしながら、設置する外部側熱交換部３３における外部フィン３３ｂの大きさ、外部フィン３３ｂ間の間隔等の条件に因るが、外部フィン３３ｂが放熱部４内の内部空気に露出している面積は面積Ａｂの１０倍から２０倍程度以上にすることが可能であり、内部側熱交換部３２から伝導した熱を効率的に放熱することができる。したがって、内部側熱交換部３２と外部側熱交換部３３とを用いることにより、収納部３内の内部空気と放熱部４内の内部空気との熱交換により収納部３内の内部空気の温度を確実に低減して、収納部３内の内部空気の平均温度を低減し、発熱部品の温度を低減することができる。

また、内部側熱交換部３２および外部側熱交換部３３の構成材料に、筐体２の一壁面２ｄを構成する材料よりも熱伝達率の高い材料を用いることにより、収納部３内の内部空気の冷却効果をより高めることができる。

また、内気ファン３１により収納部３内の内部空気を循環させて内部側熱交換部３２に流入させ、高温化した収納部３内の内部空気を積極的に内部側熱交換部３２に接触させる。これにより、収納部３内の内部空気からの内部側熱交換部３２による吸熱を促進することができるため、収納部３内の内部空気と放熱部４内の内部空気との熱交換を促進でき、収納部３内の内部空気の温度をより低減することができる。

図２においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向を矢印Ａで示している。図２に矢印Ａで示した方向で収納部３内の内部空気が循環する場合には、収納部３内に上昇した高温の空気を内部側熱交換部３２に送風することができ、収納部３内の内部空気からの内部側熱交換部３２による吸熱を促進することができる。

また、図４は、本発明の実施の形態１にかかる収納部３内における各部材の配置の他の例を示す側面図である。図４では、収納部３内における各部材の配置が図２とは異なる。図４では、内気ファン３１と内部側熱交換部３２との間にパワーモジュール２２が配置される。内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向は、図４に矢印Ｂで示した方向であり、パワーモジュール２２から内部側熱交換部３２に向かう方向である。この場合には、パワーモジュール２２からの放熱により高温化した熱を直接内部側熱交換部３２に送風することができ、収納部３内の内部空気からの内部側熱交換部３２による吸熱を促進することができる。

また、内部側熱交換部３２の数量は１個に限定されず、複数を設けてもよい。また、収納部３内における内部側熱交換部３２の配置位置は、外部側熱交換部３３と熱的に接続可能であれば、収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄにおいて高さ方向における限定はない。内部側熱交換部３２を収納部３内における上部領域に配置した場合には、収納部３の上部領域に上がってくる高温の内部空気の熱を吸熱して、効率的に放熱部４内の内部空気と熱交換できる。ここで、外部側熱交換部３３からは、パワーモジュール２２から伝導された熱も放熱されるため、内部側熱交換部３２の収納部３の高さ方向における位置は、放熱部４の内部空気の外気ファン３４による排気方向と逆側の位置、すなわち排気方向の上流側とすることが好ましい。

すなわち、放熱部４の内部空気を放熱部４の上部から排気する場合には、内部側熱交換部３２は収納部３の高さ方向における下方に設けることが好ましい。また、放熱部４の内部空気を放熱部４の下部から排気する場合には、内部側熱交換部３２は収納部３の高さ方向における上方に設けることが好ましい。これより、外部側熱交換部３３におけるパワーモジュール２２からの熱の放熱の影響を受けずに内部側熱交換部３２からの熱を効率的に放熱できる。

また、電力変換装置１における収納部３内の内部空気および発熱部材の冷却構造は、収納部３内に内部側熱交換部３２を設けて外部側熱交換部３３と熱的に接続させるだけで構成できるため、構造が簡便であり、且つ安価に実現できる。

上述したように、本実施の形態１によれば、内部側熱交換部３２と外部側熱交換部３３とを用いて、収納部３内の内部空気と放熱部４内の内部空気との間で熱交換を行うことにより、収納部３内の内部空気の温度を低減して、収納部３内の内部空気の平均温度を低減し、発熱部品の温度を低減することができる。また、パワーモジュール２２と外部側熱交換部３３の間で熱交換を行うことにより、パワーモジュール２２の温度を低減して、パワーモジュール２２の発熱に起因した内部空気の温度の上昇を抑制できる。これにより、収納部３内の発熱部品の温度を許容温度以下に低減することが可能となり、収納部３内の発熱部品を正常動作させることができ、電力変換装置１の信頼性を確保することができる。また、本実施の形態１によれば、外部側熱交換部３３は、収納部３の一壁面のみに配置されるため、電力変換装置１の過度の大型化、重量化およびコストの増大が発生せず、また耐震性においても問題の生じない高品質の電力変換装置１が得られる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置４１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図５においては、実施の形態１にかかる電力変換装置１と同じ部材には、同じ符号を付している。また、図２においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向は図２の場合と同じであるため、矢印Ａで示している。本実施の形態２にかかる電力変換装置４１が実施の形態１にかかる電力変換装置１と異なる点は、外部側熱交換部３３が、パワーモジュール２２を冷却するための第１外部側熱交換部４２と、収納部３の内部空気を冷却するための第２外部側熱交換部４３とに分割されている点である。第１外部側熱交換部４２は、収納部３に収納される複数の発熱部品のうち動作時の発熱量が最も大きい高発熱部品であるパワーモジュール２２を冷却するための高発熱部品用外部側熱交換部である。したがって、外部側熱交換部３３では、第１外部側熱交換部４２と第２外部側熱交換部４３とが一体化されている。

そして、第１外部側熱交換部４２は、外部側熱交換部３３と同様にベース板４２ａと外部フィン４２ｂとにより構成される。第１外部側熱交換部４２は、パワーモジュール２２と熱的に接続される。第２外部側熱交換部４３は、外部側熱交換部３３と同様にベース板４３ａと外部フィン４３ｂとにより構成される。第２外部側熱交換部４３は、内部側熱交換部３２と熱的に接続される。第２外部側熱交換部４３は、パワーモジュール２２と熱的に接続してない。このため、パワーモジュール２２から第１外部側熱交換部４２への伝熱量が多い場合でも、第２外部側熱交換部４３から放熱部４内の内部空気への放熱は、パワーモジュール２２からの伝熱量に影響されることなく、放熱部４の内部空気へ効率的に行われる。また、第１外部側熱交換部４２は、内部側熱交換部３２と熱的に接続していない。このため、内部側熱交換部３２から第２外部側熱交換部４３への伝熱量が多い場合でも、第１外部側熱交換部４２から放熱部４内の内部空気への放熱は、内部側熱交換部３２からの伝熱量に影響されることなく、放熱部４の内部空気へ効率的に行われる。

また、第２外部側熱交換部４３の収納部３の高さ方向における位置は、放熱部４の内部空気の外気ファン３４による排気方向において第１外部側熱交換部４２よりも上流側とすることが好ましい。これにより、第１外部側熱交換部４２から放熱された温度の高い放熱部４内の内部空気の影響を受けずに、内部側熱交換部３２から伝導した熱を第２外部側熱交換部４３から効率的に放熱できる。

上述したように、本実施の形態２によれば、外部側熱交換部３３を、パワーモジュール２２を冷却するための第１外部側熱交換部４２と、収納部３内の内部空気を冷却するための第２外部側熱交換部４３とに分割して設ける。そして、パワーモジュール２２から伝導した熱の放熱部４内の内部空気への放熱と、内部側熱交換部３２から伝導した熱の放熱部４内の内部空気への放熱と、が独立して行われる。このため、パワーモジュール２２から第１外部側熱交換部４２に伝導する熱量が多い場合でも、内部側熱交換部３２から伝導する熱の放熱部４内の内部空気への放熱を効率的に行うことができ、収納部３内の内部空気の温度をより低減できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置５１を示す模式図である。図６では、電力変換装置５１を構成する電子部品が収納される筐体２の正面図を示しており、筐体２の正面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。図７は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置５１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図６および図７においては、実施の形態２にかかる電力変換装置４１と同じ部材には、同じ符号を付している。

本実施の形態３にかかる電力変換装置５１が実施の形態２にかかる電力変換装置４１と異なる点は、内気ファン３１が前面部２ａ側ではなく一壁面２ｄ側に配置されること、パワーモジュール２２が正面から見た場合の左側によって内気ファン３１の下方に配置されること、熱交換部を構成する複数の円柱状の突起５２ｂが既定の間隔を開けてベース板５２ａの主面上に格子状に配列されて構成された内部側熱交換部５２を備えることである。また、この円柱状の突起５２ｂのベース板５２ａの主面からの高さは、実施の形態２における内部フィン３２ｂのベース板３２ａの主面からの高さと比べて大幅に低くされている。

図６および図７においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向を矢印Ｃで示している。図６および図７に矢印Ｃ示した方向で収納部３内の内部空気が循環する場合には、収納部３内に上昇した高温の内部空気を内部側熱交換部５２に送風することができ、また、パワーモジュール２２から熱が放熱された高温の内部空気を内部側熱交換部３２に送風することができ、収納部３内の内部空気からの内部側熱交換部３２による吸熱を促進することができる。

そして、複数の円柱の突起５２ｂを一壁面２ｄの面方向において格子状に配置することにより、内気ファン３１により収納部３内における内部空気を循環させる際に、循環する内部空気の流れを内部側熱交換部５２が妨げることを抑制することができる。これにより、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部５２を通過する際の風路損失を抑制することができるため、循環する内部空気の風量を増加させることができ、収納部３内における内部空気の温度を効率良く均一化できるとともに、内部側熱交換部５２に送風できる。

また、円柱の突起５２ｂのベース板５２ａの主面からの高さを低くすることにより、内気ファン３１により収納部３内における内部空気を循環させる際に、循環する内部空気の流れを内部側熱交換部５２が妨げることを抑制できる。これにより、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部５２を通過する際の風路損失を抑制することができるため、循環する内部空気の風量を増加させることができ、収納部３内における内部空気の温度を効率良く均一化できるとともに、内部側熱交換部５２に効率良く送風できる。したがって、内部側熱交換部５２による収納部３内における内部空気からの吸熱を効率良く行うことができる。

なお、円柱の突起５２ｂの直径および高さは、収納部３の容積、収納部３に収容される発熱部品の種類および数量、上述した風路損失の抑制効果、第２外部側熱交換部４３と内部側熱交換部５２との交換による収納部３内の内部空気の内部温度の低減効果、および収納部３内の発熱部品の温度の低減効果等の条件により、適宜設定されればよい。

上述したように、実施の形態３によれば、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部５２を通過する際の風路損失を抑制して、収納部３内を循環する内部空気の風量を増加させることができる。これにより、内部側熱交換部５２による収納部３内における内部空気からの吸熱を効率良く行うことができる。

実施の形態４．
つぎに、電力変換装置５１の変形例について説明する。図８は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置６１を示す模式図である。図８では、電力変換装置６１を構成する電子部品が収納される筐体２の正面図を示しており、筐体２の正面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。図９は、本発明の実施の形態４にかかる電力変換装置６１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図８および図９においては、実施の形態２にかかる電力変換装置４１と同じ部材には、同じ符号を付している。

本実施の形態４にかかる電力変換装置６１が実施の形態３にかかる電力変換装置５１と異なる点は、内部側熱交換部５２の代わりに、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部に流入する方向に沿って伸長する細長形状の突起６２ｂが既定の間隔を開けてベース板６２ａの主面上に格子状に配列されて構成された内部側熱交換部６２を備えることである。また、この細長形状の突起６２ｂのベース板６２ａの主面からの高さは、実施の形態２における内部フィン３２ｂのベース板３２ａの主面からの高さと比べて大幅に低くされている。

図８および図９においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向を矢印Ｄで示している。矢印Ｄで示す収納部３内の内部空気の循環方向は、実施の形態３において矢印Ｃで示す収納部３内の内部空気の循環方向と同様である。

突起の形状を、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部に流入する方向に沿って伸長する細長形状とすることにより、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部６２を通過する際の風路損失を抑制できる。また、内部側熱交換部６２に流入した内部空気を誘導して、内部空気の流れる方向が乱れることを抑制することができる。これにより、収納部３内を循環する内部空気の風量をより増加させることができ、収納部３内における内部空気の温度を効率良く均一化できるとともに、内部側熱交換部６２に効率良く送風できる。

なお、突起の外形寸法および高さは、収納部３の容積、収納部３に収容される発熱部品の種類および数量、上述した風路損失の抑制効果、外部側熱交換部と内部側熱交換部との熱交換による収納部３内の内部空気の内部温度の低減効果、および収納部３内の発熱部品の温度の低減効果等の条件により、適宜設定されればよい。

上述したように、実施の形態４によれば、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部６２を通過する際の風路損失を抑制するとともに内部側熱交換部６２に流入した内部空気を誘導して、収納部３内を循環する内部空気の風量を増加させることができる。これにより、内部側熱交換部６２による収納部３内における内部空気からの吸熱を効率良く行うことができる。

実施の形態５．
つぎに、電力変換装置６１の変形例について説明する。図１０は、本発明の実施の形態５にかかる電力変換装置７１を示す模式図である。図１０では、電力変換装置７１を構成する電子部品が収納される筐体２の正面図を示しており、筐体２の正面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。図１１は、本発明の実施の形態５にかかる電力変換装置７１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図１０および図１１においては、実施の形態２にかかる電力変換装置４１と同じ部材には、同じ符号を付している。

本実施の形態５にかかる電力変換装置７１が実施の形態４にかかる電力変換装置６１と異なる点は、内部側熱交換部６２の代わりに、内部側熱交換部に流入する収納部３内を循環する内部空気を既定の循環方向に誘導する方向に沿って伸長する細長形状の突起７２ｂが既定の間隔を開けてベース板７２ａの主面上に格子状に配列されて構成された内部側熱交換部７２を備えることである。細長形状の突起７２ｂは、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部に流入する方向に対して、内部空気を循環方向に誘導する方向に傾斜して配置されたものである。また、この細長形状の突起７２ｂのベース板７２ａの主面からの高さは、実施の形態２における内部フィン３２ｂのベース板３２ａの主面からの高さと比べて大幅に低くされている。

図１０および図１１においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方を矢印Ｅで示している。矢印Ｅで示す収納部３内の内部空気の循環方向は、実施の形態４において矢印Ｄで示す収納部３内の内部空気の循環方向と似ている。ただし、内部側熱交換部７２に進入した空気の風路は、収納部３の内底面に達する前から細長形状の突起７２ｂの側面に誘導されて緩やかなカーブを描いて収納部３の上方に戻る方向に変更される。

細長形状の突起を、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部７２に流入する方向に対して、内部空気を循環方向に誘導する方向に傾斜して配置することにより、内部側熱交換部７２に流入した内部空気を緩やかなカーブを描く風路で誘導して収納部３の上方に戻すことができるため、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部７２を通過する際の風路損失をより抑制できる。

なお、上述した実施の形態２〜５の内部側熱交換部の構成を実施の形態１にかかる電力変換装置１に適用してもよい。この場合においても、上記と同様に、収納部３内を循環する内部空気の風量を増加させることができる。これにより、内部側熱交換部による収納部３内における内部空気からの吸熱を効率良く行うことができる。

上述したように、実施の形態５によれば、収納部３内を循環する内部空気が内部側熱交換部７２を通過する際の風路損失を抑制するとともに内部側熱交換部７２に流入した内部空気を緩やかなカーブを描く風路で誘導して、収納部３内を循環する内部空気の風量をより増加させることができる。これにより、内部側熱交換部７２による収納部３内における内部空気からの吸熱をより効率良く行うことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，４１，５１，６１，７１電力変換装置、２筐体、２ａ前面部、２ｂ本体部、２ｃ背面部、２ｄ一壁面、３収納部、４放熱部、１１電力変換回路、１２整流回路、１３平滑回路、１４スイッチング回路、１５ＤＣリアクトル、２０取り付け板、２１コイル、２２パワーモジュール、２３コンデンサ、３１内気ファン、３２，５２，６２，７２内部側熱交換部、３２ａ，５２ａ，６２ａベース板、３２ｂ内部フィン、３３，４２第１外部側熱交換部、４３第２外部側熱交換部、３３ａ，４２ａ，４３ａ，７２ａベース板、３３ｂ，４２ｂ，４３ｂ外部フィン、３４外気ファン、５２ｂ円柱状の突起、６２ｂ細長形状の突起、７２ｂ細長形状の突起。

特許文献１に記載の機器収納用筐体は、内部に発熱機器を収納する密閉筐体の少なくとも前後左右の内の一側面と天井に、密閉筐体の内外に複数のフィンが配置されるように熱交換部を設け、密閉筐体内には該筐体内雰囲気を攪拌するファンを設置している。そして、熱交換部が設けられた側面並びに天井を外壁で覆い、側面外壁の下部には外気取込口を、天井外壁には外気排出口をそれぞれ設け、外気取込口から取り入れられた気体が天井外壁に設けられた外気排出口から排気されるように構成されている。

内部側熱交換部３２を備えない場合には、収納部３内の内部空気の熱は、内部側熱交換部３２のベース板３２ａが筐体２における収納部３と放熱部４とを分ける一壁面２ｄに当接していた領域から、この一壁面２ｄを伝導して放熱部４内の内部空気に放熱される。この場合は、内部側熱交換部３２を備える場合にベース板３２ａが一壁面２ｄに当接している面積を面積Ａｂとすると、収納部３の空気温度Ｔｉの内部空気から一壁面２ｄを通して外部温度Ｔａの放熱部４の外部空気へ、面積Ａｂの一壁面２ｄから熱伝達率Ｈａにて熱が放熱されて自然空冷される。

電力変換装置１においては、内部側熱交換部３２と外部側熱交換部３３とを用いて、収納部３内の内部空気と放熱部４内の内部空気との間で熱交換を行うことにより、収納部３内の空気温度Ｔｉを低減することができる。これにより、上記式（１）の関係により、上昇後の発熱部品の温度Ｔｃを低減することができる。したがって、電力変換装置１においては、収納部３内の内部空気の平均温度を低減して、上昇後の発熱部品の温度Ｔｃを下げることができる。

すなわち、放熱部４の内部空気を放熱部４の上部から排気する場合には、内部側熱交換部３２は収納部３の高さ方向における下方に設けることが好ましい。また、放熱部４の内部空気を放熱部４の下部から排気する場合には、内部側熱交換部３２は収納部３の高さ方向における上方に設けることが好ましい。これにより、外部側熱交換部３３におけるパワーモジュール２２からの熱の放熱の影響を受けずに内部側熱交換部３２からの熱を効率的に放熱できる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置４１の側面図であり、筐体２を構成する側面部分を透視した場合に見える主要な部品の概観を示している。なお、図５においては、実施の形態１にかかる電力変換装置１と同じ部材には、同じ符号を付している。また、図５においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向は図２の場合と同じであるため、矢印Ａで示している。本実施の形態２にかかる電力変換装置４１が実施の形態１にかかる電力変換装置１と異なる点は、外部側熱交換部３３が、パワーモジュール２２を冷却するための第１外部側熱交換部４２と、収納部３の内部空気を冷却するための第２外部側熱交換部４３とに分割されている点である。第１外部側熱交換部４２は、収納部３に収納される複数の発熱部品のうち動作時の発熱量が最も大きい高発熱部品であるパワーモジュール２２を冷却するための高発熱部品用外部側熱交換部である。したがって、外部側熱交換部３３では、第１外部側熱交換部４２と第２外部側熱交換部４３とが一体化されている。

図６および図７においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向を矢印Ｃで示している。図６および図７に矢印Ｃで示した方向で収納部３内の内部空気が循環する場合には、収納部３内において上昇した高温の内部空気を内部側熱交換部５２に送風することができ、また、パワーモジュール２２から熱が放熱された高温の内部空気を内部側熱交換部５２に送風することができ、収納部３内の内部空気からの内部側熱交換部５２による吸熱を促進することができる。

図１０および図１１においては、内気ファン３１による収納部３内の内部空気の循環方向を矢印Ｅで示している。矢印Ｅで示す収納部３内の内部空気の循環方向は、実施の形態４において矢印Ｄで示す収納部３内の内部空気の循環方向と似ている。ただし、内部側熱交換部７２に進入した空気の風路は、収納部３の内底面に達する前から細長形状の突起７２ｂの側面に誘導されて緩やかなカーブを描いて収納部３の上方に戻る方向に変更される。

１，４１，５１，６１，７１電力変換装置、２筐体、２ａ前面部、２ｂ本体部、２ｃ背面部、２ｄ一壁面、３収納部、４放熱部、１１電力変換回路、１２整流回路、１３平滑回路、１４スイッチング回路、１５ＤＣリアクトル、２０取り付け板、２１コイル、２２パワーモジュール、２３コンデンサ、３１内気ファン、３２，５２，６２，７２内部側熱交換部、３２ａ，５２ａ，６２ａベース板、３２ｂ内部フィン、３３外部側熱交換部、４２第１外部側熱交換部、４３第２外部側熱交換部、３３ａ，４２ａ，４３ａ，７２ａベース板、３３ｂ，４２ｂ，４３ｂ外部フィン、３４外気ファン、５２ｂ円柱状の突起、６２ｂ細長形状の突起、７２ｂ細長形状の突起。

Claims

密閉可能な収納部を有する筐体と、
前記収納部の内部に収納された複数の発熱部品と、
前記収納部を構成する前記筐体の一壁面における前記収納部側の一内面に接触して配置された内部側熱交換部と、
前記一壁面における前記収納部の外部側の一外面における前記内部側熱交換部に対向する位置に接触して配置された外部側熱交換部と、
前記発熱部品の熱を前記収納部の外部の空気と熱交換するための発熱部品用外部側熱交換部と、
前記収納部の内部に収納された内部ファンと、
を備え、
前記複数の発熱部品のうち動作時の発熱量が最も大きい高発熱部品が前記一内面における発熱部品用外部側熱交換部に対向する位置に接触して配置され、
前記内部ファンは、前記収納部内の空気を循環させて前記内部側熱交換部に送風し、
前記発熱部品用外部側熱交換部を介して、前記高発熱部品の熱と前記収納部の外部の空気とが熱交換され、
前記内部側熱交換部と前記外部側熱交換部とを介して、前記収納部の内部の空気と前記収納部の外部の空気とが熱交換されること、
を特徴とする電子機器。
前記内部側熱交換部は、前記一内面上に複数の突起が格子状に配列されてなること、
を特徴とする請求項１に記載の電子機器。
前記複数の突起は、前記収納部内を循環する前記収納部内の空気が前記内部側熱交換部に流入する方向に沿って伸長する細長形状を有すること、
を特徴とする請求項２に記載の電子機器。
前記複数の突起は、前記内部側熱交換部に流入した前記収納部内の空気を既定の循環方向に誘導する方向に沿って伸長する細長形状を有すること、
を特徴とする請求項２に記載の電子機器。
前記外部側熱交換部と前記発熱部品用外部側熱交換部とが一体化されていること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電子機器。
前記外部側熱交換部と前記発熱部品用外部側熱交換部とは、前記一外面を一つの構成面に用いて構成される放熱部の内部に配置され、
前記放熱部は、前記放熱部の内部の空気を排気する外気ファンを有し、
前記内部側熱交換部の前記筐体の高さ方向における位置は、前記放熱部の内部の空気の前記外気ファンによる排気方向において前記高発熱部品よりも上流側であること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電子機器。
前記高発熱部品が、直流電力をスイッチングして交流電力に変換するスイッチング半導体素子を含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の電子機器。