WO2016002016A1

WO2016002016A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2016002016A1
Application number: PCT/JP2014/067593
Authority: WO
Inventors: 忠昭木内
Original assignee: 富士電機株式会社
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-07
Also published as: JPWO2016002016A1; DE112014003657T5; JP6226074B2

Abstract

　後面に後方開口が形成されているとともに内部に半導体素子が収納され、前面に着脱可能な操作パネル３０を保持可能に構成された略直方体状の収納本体２０と、収納本体２０に収納された半導体素子を放熱させるフレーム体１０と、を備えた電力変換装置において、収納本体２０における後面および前面２１以外の４面のうちの、収納本体２０を設置した姿勢状態における右側面２２および左側面２３のうちの一方の側面にのみ、収納本体２０の内部と外部との間で連通する通気口として、側面の下半分の領域に形成された吸気口２２ａと、側面の上半分の領域に形成された排気口２２ｂとが設けられている。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置に関する。

　従来、昇降機や空調機等の制御において電力変換装置が用いられている。この種の電力変換装置には、主要部品であるパワーモジュールが装置本体の制御室内に収納されるとともに、このパワーモジュールを冷却するためのヒートシンクが設けられている。ヒートシンクは、装置本体を形成するフレーム体を備えて構成されている。フレーム体は、ダイカストから製作されており、内部に冷却ファンおよび冷却フィンが装着され、外気を取り込む構成を成しており、一部が外部に開放されている。

　一方、収納本体に収納されているパワーモジュールは発熱部品であるため、この発熱部品により発生した熱を放熱して収納本体内の温度が高温にならないような放熱構造が必要になる。

　特許文献１には、冷却フィンの上方に設置された冷却ファンにより冷却フィンを通して外気が吸引され、この外気が上部カバーの排気孔から排出されるインバータ装置において、箱体の背面カバーおよび側面カバーにも冷却ファンの排気孔をそれぞれ形成する構成が記載されている。

特開２００５－３４８５３４号公報

　しかしながら、上述した特許文献１に記載された従来のインバータ装置などの電力変換装置においては、次のような問題があった。図６は、この問題点を説明するための従来の電力変換装置の収納本体側を示す正面図である。

　図６に示すように、電力変換装置の収納本体１００の前面１０１には、操作パネル１０２が設けられ、前面１０１に対する反対側の後面は、フレーム体（いずれも図示せず）に連結されている。そして、操作パネル１０２が起立した状態での収納本体１００において、下面１０３に吸気口１０３ａが設けられているとともに、上面１０４に排気口１０４ａが設けられている。また、操作パネル１０２が起立した状態での、収納本体１００の前面１０１に対して左側の左側面１０５および右側の右側面１０６にそれぞれ、排気口１０５ａ，１０６ａが設けられている。このような構成により、下面１０３の吸気口１０３ａから吸気された外気は、矢印Ｃ₀に示すように収納本体１００内を下方から上方に供給される。そして、上面１０４、左側面１０５、および右側面１０６のそれぞれの排気口１０４ａ，１０５ａ，１０６ａから、矢印Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃に示すように上方に向けて排気される。

　ところで、図６に示す電力変換装置においては、上面１０４に排気口１０４ａが設けられていることから、電力変換装置の上方から収納本体１００内に粉塵等のゴミが侵入する可能性もあった。パワーモジュールなどが収納された収納本体１００内にゴミが侵入すると、故障の原因になる。そのため、収納本体１００内へのゴミの侵入を抑制可能な技術が求められていた。

　また、図６に示す電力変換装置を壁などに設置する場合、吸気口１０３ａや排気口１０４ａ～１０６ａといった通気口が設けられている側を壁に面して設置させることは困難である。これは、吸気や排気を効率良く行うことができず、収納本体１００内の温度が高くなる可能性があるためである。これにより、従来の電力変換装置においては、設置の自由度が低いという問題があり、その自由度を向上させる技術が求められていた。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、電力変換装置の収納本体内への粉塵等のゴミの侵入を抑制しつつ収納本体内を冷却できるとともに、設置の自由度を向上できる電力変換装置を提供することにある。

　上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、内部に電力変換回路を構成する半導体素子が収納された収納本体と、収納本体の後面に取り付けられて半導体素子の冷却体が収納されたフレーム体と、を備え、収納本体の後面または一方の側面が取付け壁に対向するように設置される電力変換装置であって、収納本体には、他方の側面にのみまたは他方の側面と下面とにのみ、収納本体の内部と外部との間で連通する収納本体側通気口が設けられ、フレーム体には、上面と下面とにフレーム体の内部と外部との間で連通するフレーム体側通気口が設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る電力変換装置は、上記の発明において、収納本体側通気口が、少なくとも１つの吸気口と少なくとも１つの排気口とから構成されていることを特徴とする。

　本発明に係る電力変換装置は、上記の発明において、吸気口が、収納本体の下面および収納本体を設置した姿勢状態で収納本体の他方の側面における下半分の領域の少なくとも一方に設けられているとともに、排気口が、収納本体を設置した姿勢状態で収納本体の他方の側面における上半分の領域に設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る電力変換装置は、上記の発明において、収納本体の内部における吸気口の近傍に、収納本体の内部に外気を導入するための吸気手段が設けられていることを特徴とする。または、本発明に係る電力変換装置は、上記の発明において、収納本体の内部における排気口の近傍に、収納本体の内部から内気を放出するための排気手段が設けられていることを特徴とする。

　本発明に係る電力変換装置によれば、電力変換装置の収納本体内への粉塵等のゴミの侵入を抑制しつつ収納本体内を冷却できるとともに、設置の自由度を向上することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態による電力変換装置を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による電力変換装置を壁に設置した場合の略線図である。図３は、本発明の一実施形態による電力変換装置の内部を通過する空気の流れを説明するための略線図である。図４は、本発明の一実施形態による電力変換装置を壁に設置した場合の設置状態を説明するための斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による電力変換装置を壁に設置する場合の設置方法の一例を説明するための斜視図である。図６は、従来技術の問題点を説明するための電力変換装置の収納本体を示す正面図である。

　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する一実施形態によって限定されるものではない。

　まず、本発明の一実施形態による電力変換装置について説明する。図１は、この一実施形態による電力変換装置を示す斜視図である。図２は、この電力変換装置を壁に設置した場合の前面略線図であり、図３は、電力変換装置の内部を通過する空気の流れを説明するための前面略線図である。図４は、電力変換装置を壁に設置した場合の状態を示す斜視図である。ここで例示する電力変換装置は、装置本体１を備えている。なお、以下の説明における前後上下左右はそれぞれ、図２に示すようにして装置本体１が設置される際の起立した姿勢状態において操作パネルと正対した場合の、手前側、奥側、上側、下側、左側、および右側である。

　図１に示すように、装置本体１は、フレーム体１０と収納本体２０とを備えて構成されている。フレーム体１０は、上面および下面に開口部を有する直方状を成し、例えばダイカストから構成されている。また、フレーム体１０内の上面および下面のいずれか一方には、冷却ファン（図示せず）が設けられている。そして、この冷却ファンによって、矢印Ａ₀に示すようにフレーム体１０の下面から外気が吸気され、この吸気された外気が矢印Ａに示すように上面に排気される。このフレーム体１０に吸気された外気によって、フレーム体１０内に収納されている冷却フィン等（図示せず）の冷却が行われる。フレーム体１０の冷却においては、冷却ファンによる風力が強いことにより、フレーム体１０の上面からの粉塵等のゴミの浸入が少なく、仮にゴミが入ったとしても冷却フィン等は故障が生じる機器ではないため問題はない。また、図４に示すように、フレーム体１０には、上面２５側に電力変換装置を盤などの壁４０に設置するための取付穴４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂが形成されているとともに、下面２４側に切欠き４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂが形成されている。

　図１に示すように、収納本体２０は、後面に後方開口が形成されているとともに、内部に電力変換回路を構成する半導体素子およびその半導体素子を制御する制御機器が収納された略直方状の形態を成している。そして、収納本体２０は、フレーム体１０の前方域を覆うようにしてフレーム体１０に連結して併設されている。この収納本体２０は、フレーム体１０との間において、様々な制御機器を収納する制御室としての収納空間を成している。また、フレーム体１０には、半導体素子を冷却するための冷却フィン等の冷却体（図示せず）が収納されているが、フレーム体１０と冷却体とは一体であっても別体であってもよい。

　また、収納本体２０は、フレーム体１０と連結された後面以外において面が規定される。すなわち、収納本体２０は、フレーム体１０と連結された後面以外に、前面２１、右側面２２、左側面２３、下面２４、および上面２５の５面を備える。

　前面２１にはホルダ部２０ａが形成されている。収納本体２０のホルダ部２０ａは、操作手段としての操作パネル３０を着脱可能に構成されている。また、操作パネル３０を保持する保持部としてのホルダ部２０ａは、前面２１において操作パネル３０を収納可能な凹形状を有する。操作パネル３０およびホルダ部２０ａにはそれぞれ、操作パネル３０と収納本体２０内部の制御機器との間で相互に信号を伝送可能とするコネクタ（図示せず）が設けられている。そして、操作パネル３０をホルダ部２０ａに嵌め込むことによって、相互のコネクタが連結されて操作パネル３０と収納本体２０内部の制御機器との間において信号を転送可能な状態となる。これにより、作業者が操作パネル３０を操作することによって、電力変換装置の装置本体１に対する操作が可能になる。

　右側面２２には、外気と連通した通気口が少なくとも１つ設けられている。図１および図２に示すように、この一実施形態においては、吸気口２２ａと排気口２２ｂとの２つの通気口が設けられている。吸気口２２ａは、外気を収納本体２０内部に給気する通気口である。排気口２２ｂは、収納本体２０内部の内気を外部に排気する通気口である。ここで、吸気口２２ａは、装置本体１が設置された姿勢状態において、右側面２２の下半分の領域に設けるのが好ましく、排気口２２ｂは、装置本体１が設置された姿勢状態において、右側面２２の上半分の領域に設けるのが好ましい。

　また、吸気口２２ａおよび排気口２２ｂはそれぞれ、１つに限定されるものではなく、複数の吸気口２２ａを設けたり、複数の排気口２２ｂを設けたりすることが可能である。この場合、右側面２２において、少なくとも１つの吸気口２２ａを下半分の領域に設け、少なくとも１つの排気口２２ｂを上半分の領域に設けるのが望ましい。これにより、収納本体２０の内部において、熱対流を生じさせて制御機器を放熱させ、冷却効果をより一層向上できる。さらに、これらの吸気口の機能と排気口の機能とを１つの通気口によって行うことも可能であり、例えば上下方向のスリットを設けることで構成可能である。この場合、収納本体２０における吸気および排気は、内部と外部とで連通した１つの通気口を通じて行われる。なお、吸気口は収納本体２０の下面２４に設けてもよく、吸気口は収納本体２０の右側面２２の下半分の領域および下面２４の少なくとも一方、または両方に設けられていればよい。

　収納本体２０内部の吸気口２２ａの近傍には、吸気を行う吸気手段としての吸気ファン２６が設けられている。そして、この吸気ファン２６の回転によって、外気を強制的に給気して収納本体２０内部に導入することができる。また、吸気ファン２６を吸気口２２ａの近傍に設けることにより、収納本体２０内部の温度より低い温度の外気が吸気ファン２６を通過するので、吸気ファン２６の構成部品が熱に曝されて熱の影響を受けるのを抑制でき、吸気ファン２６の長寿命化を実現できる。

　なお、吸気ファン２６を設けることなく吸気口２２ａから自然吸気することも可能である。この場合、収納本体２０内部に生じる熱対流によって、昇温した空気が排気口２２ｂから排気される。また、吸気口２２ａの近傍に吸気ファン２６を設ける代わりに、排気口２２ｂの近傍に、収納本体２０内部の排気を行うための排気ファンを設けることも可能である。

　左側面２３には通気口が設けられておらず、閉塞状態の面を構成している。これにより、この一実施形態においては、図４に示すように、一方の側面としての左側面２３が壁４０に対向するように、装置本体１を設置することが可能になる。具体的に、取付ネジ（図示せず）をフレーム体１０の取付穴４３ａ，４３ｂおよび切欠き４１ａ，４１ｂに貫通させて壁４０に螺合させることによって、左側面２３が壁４０に対向するように装置本体１を設置できる。

　また、左側面２３に通気口が設けられていないため、装置本体１の左側面２３を壁４０に面するように設置する場合に、収納本体２０自体の吸排気が阻害されないので、収納本体２０内部の冷却効果の低下を抑制できる。これにより、所定の設置空間における奥行きＤが浅い場合であっても、装置本体１の左側面２３を壁４０に面するように設置できるので、設置の自由度が従来に比して向上する。さらに、収納本体２０の内部の吸排気は、図中矢印Ｂ₀および矢印Ｂに示すように、矢印Ａに示すフレーム体１０の上面からの排気とは別方向になるため、フレーム体１０の上面から排気される高温の空気が収納本体２０の内部に逆流することを防止できる。

　この一実施形態においては、下面２４および上面２５にはそれぞれ、収納本体２０内部の制御機器と外部との間で信号を通信するための外部配線を連結するコネクタ、電力変換回路に電力を入力する入力用コネクタ，および電力変換インバータ回路で変換された交流電力を出力する出力用コネクタが設けられている反面、通気口が設けられていない。すなわち、下面２４および上面２５はいずれも、閉塞状態の面を構成している。これにより、外部配線を連結するためのコネクタを配置する領域が確保できるので、設計自由度を向上させることができる。

　この一実施形態のように、左側面２３、下面２４および上面２５に通気口が設けていないことにより、図３に示すように、右側面２２の吸気口２２ａから吸気された外気は、矢印Ｂ₀に示すようにして収納本体２０の内部に吸気される。そして、吸気された外気が、熱対流によって収納本体２０の内部をまんべんなく通過することによって、収納本体２０内の制御機器を放熱して冷却し、矢印Ｂに示すようにして同じ右側面２２の排気口２２ｂから排気される。さらに、収納本体２０の下面２４に通気口を設けていないことにより、吸気ファン２６により吸気された外気が制御機器を放熱することなく下方に抜けてしまって、収納本体２０の内部が冷却されなくなるという問題の発生も防止できる。また、上面２５に通気口が設けられていないことにより、収納本体２０の上方から収納本体２０内部に粉塵等のゴミが侵入することを防止することができるので、ゴミによる収納本体２０の制御機器における故障の発生を抑制できる。

　また、収納本体２０の右側面２２の下半分の領域と下面２４とに吸気口を設ける場合においては、排気口２２ｂの近傍に、収納本体２０の内部の排気を行うための排気ファン（図示せず）を設けることにより、吸気された外気が制御機器を放熱することなく下方に抜けてしまうという問題の発生を防止できる。

　以上説明した本発明の一実施形態によれば、電力変換装置の制御室を構成する収納本体２０内への粉塵等のゴミの侵入を抑制するとともに、収納本体２０内の制御機器を効率良く冷却することができ、さらに、電力変換装置の設置の自由度や外部配線と接続するためのコネクタの配置に関する設計自由度を向上させることが可能になる。

　次に、上述した一実施形態の変形例について説明する。図５は、上述した一実施形態による電力変換装置を壁に設置する場合の設置方法の変形例を示す斜視図である。

　図５に示すように、変形例においては、フレーム体１０における収納本体２０との連結側とは反対側の後面１１が壁４０に対向するように、すなわち取付ネジ（図示せず）をフレーム体１０の取付穴４４ａ，４４ｂおよび切欠き４２ａ，４２ｂに貫通させて壁４０に螺合させることによって、装置本体１を収納本体２０の後面が壁４０に対向するように設置できる。この場合、所定の設置空間における幅Ｗが狭い場合であっても装置本体１を設置できる可能性が向上するので、設置の自由度をより一層向上させることができる。

　また、この変形例においては、右側面２２に通気口を設けずに、左側面２３にのみ通気口としての吸気口２３ａおよび排気口２３ｂを設けることができる。このように、左側面２３にのみ通気口を設けることも可能であることから、装置本体１の設置場所に応じて、吸気口および排気口の設置位置を決定することによって、従来設置困難であった場所にも設置できるとともに、省スペース化を図ることができる。

　以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の一実施形態において挙げた収納本体２０およびフレーム体１０の構造はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる収納本体およびフレーム体の構造としてもよい。

　具体的に、上述の一実施形態においては、通気口が設けられていない左側面２３を壁に面するように設置しているが、右側面２２と左側面２３の機能を反転させることも可能である。すなわち、変形例において説明したように、左側面２３に吸気口２３ａおよび排気口２３ｂを設けて、右側面２２を壁４０に対向するように設置することも可能である。

　１　装置本体
　１０　フレーム体
　１１　後面
　２０　収納本体
　２０ａ　ホルダ部
　２１　前面
　２２　右側面
　２２ａ，２３ａ　吸気口
　２２ｂ，２３ｂ　排気口
　２３　左側面
　２４　下面
　２５　上面
　２６　吸気ファン
　３０　操作パネル
　４０　壁
　４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ　切欠き
　４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ　取付穴

Claims

　内部に電力変換回路を構成する半導体素子が収納された収納本体と、
　前記収納本体の後面に取り付けられて前記半導体素子の冷却体が収納されたフレーム体と、を備え、
　前記収納本体の後面または一方の側面が取付け壁に対向するように設置される電力変換装置であって、
　前記収納本体には、他方の側面にのみまたは前記他方の側面と下面とにのみ、前記収納本体の内部と外部との間で連通する収納本体側通気口が設けられ、
　前記フレーム体には、上面と下面とに前記フレーム体の内部と外部との間で連通するフレーム体側通気口が設けられている
　ことを特徴とする電力変換装置。
　前記収納本体側通気口が、少なくとも１つの吸気口と少なくとも１つの排気口とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記吸気口が、前記収納本体の下面および前記収納本体を設置した姿勢状態で前記収納本体の他方の側面における下半分の領域の少なくとも一方に設けられているとともに、前記排気口が、前記収納本体を設置した姿勢状態で前記収納本体の他方の側面における上半分の領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
　前記収納本体の内部における前記吸気口の近傍に、前記収納本体の内部に外気を導入するための吸気手段が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
　前記収納本体の内部における前記排気口の近傍に、前記収納本体の内部から内気を放出するための排気手段が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。