JP5024601B2

JP5024601B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5024601B2
Application number: JP2007004694A
Authority: JP
Inventors: 純明永野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: JP2008172950A

Description

本発明は、電力変換装置の冷却構造に関する。

従来の電力変換装置では、筐体に配置されたリアクトルなどの発熱部品に、冷却ファンにより直接、冷却風を当てることにより冷却するものとして、図６に示すものがある（例えば、特許文献１参照）。
図６は第１従来技術の電力変換装置の冷却構造を示す側面図である。図６において、１は筐体、２は冷却ファン、３はダクト、４はリアクトル、５は半導体素子、６はコンデンサである。ダクト３内には、リアクトル４、半導体素子５、コンデンサ６が配置されており、冷却ファン２によって冷却風を直接当てることにより、発熱部品を冷却している。
また、他の従来技術として、電力変換装置において、冷却ファンにより、ダクトに冷却風を流すことによって半導体素子を冷却し、且つ同時に筐体内部の空気を排出することによってリアクトル、コンデンサ等の他の発熱部品を冷却する構成のものが、図７のようになっている（例えば、特許文献２参照）。
図７は第２従来技術の電力変換装置の冷却構造を示す側面図である。図７において、２１は筐体、２２は冷却ファン、２３はダクト、２４ａは直流リアクトル、２４ｂは交流リアクトル、２５は半導体素子、２６はコンデンサ、２７は吸気口、２８は冷却体、２９は通気路入口、３０は通気路出口、３１は通風路入口、３２は通風路出口、３３は排気口、３４は空間部である。
筐体２１内に、直流リアクトル２４ａ、交流リアクトル２４ｂ、半導体素子２５、コンデンサ２６等の電気機器部品を設けた電力変換装置において、筐体２１の吸気口２７に空間部３４を介して冷却体２８の通気路入口２９を設け、冷却体２８の通気路出口３０にダクト２３の通風路入口３１を接続し、ダクト２３の通風路出口３２と筐体２１の排気口３３との間に冷却ファン２２を設け、冷却体２８の外面に半導体素子２５を装着し、かつ、ダクト２３に図示しないスリットを形成し、スリット（不図示）から該スリットの近傍に設けた電気機器部品の廃熱を吸気して排気するようになっている。これにより、１個のファンにより、機器部品の廃熱を筐体内にこもらせることなく円滑に排気する。
特開２０００−１９７３６２公報（第６頁、図１）特開２００２−２１８７３６公報（第４頁、図１）

ところが、従来技術には以下の問題があった。
（１）第１従来技術の電力変換装置の冷却構造では、１つのファンで半導体素子と同時に、リアクトル、コンデンサ等の他の発熱部品を冷却することができるものの、設置領域全体に渡り冷却風を流すため、最も熱負荷の厳しい部品（半導体素子、抵抗）を冷却することのできる風量を確保する必要があった。さらに、上流から下流にかけて冷却風の温度が高くなるため、下流に配置された部品の温度が高くなるといった問題があり、そのため、ファンサイズを大きくしなければならず、設置スペース、コスト的なデメリットとなっていた。
（２）また、第１従来技術および第２従来技術の構造は、部品の配置によって温度分布にムラができたり、リアクトルのコイル相間といった狭い隙間には冷却風が通り難いといった問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、部品の配置により温度分布のムラが生じることなく、抵抗あるいは半導体素子等といった高発熱部品を冷却すると同時に、リアクトルのコイル相間に局所的に冷却風を当てることができる、コンパクト且つ安価な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、筐体内に抵抗あるいは半導体素子等の高発熱部品を備えた電力変換装置において、前記筐体内の前方に、縦方向に通風路を形成するダクトが設けられており、前記ダクトの内部に前記抵抗あるいは前記半導体素子等の高発熱部品が設けられており、前記筐体の底部に前記ダクトの通風路入口に近接して前記高発熱部品を冷却するための冷却ファンが設けられており、前記筐体内の後方に、前記ダクトに近接して縦方向に伸びるように形成した取付ベース板を介してリアクトルが設けられており、前記ダクトと前記取付ベース板との間に第２通風路となるように空間部が形成されてあり、前記取付ベース板における前記リアクトルの直下の位置に開口部が設けられており、前記開口部と前記ダクトの間にはガイド板が設置され、前記冷却ファンによる冷却風の一部は、前記ダクトとは別に形成した通風路である前記空間部を介して前記開口部より送風された冷却風が前記リアクトルのコイル相関の隙間を通るように、前記ガイド板の取り付け位置と前記リアクトルのコイル相間の位置を一致させたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、前記リアクトルは、ＡＣリアクトルで構成したことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の電力変換装置において、前記ＡＣリアクトルは、該リアクトルの鉄心を構成するコアを六角スタッドからなる支柱によって前記取付ベース板に取り付けたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置において、前記筐体のリアクトルの背面に対向する一部に、前記ＡＣリアクトルのコイル相間を通った冷却風を外部に排出するためのスリットを設けたことを特徴とするものである。

本発明によると、部品の配置により温度分布のムラが生じることなく、半導体素子あるいは抵抗といった高発熱部品を冷却ファンで冷却すると同時に、冷却ファンを追加することなく、リアクトルを局所的に冷却することができるため、コンパクト且つ安価な電力変換装置を構成することができる。
さらに、冷却ファンを追加することなく、リアクトルのコイル相間に局所的に冷却風をあてることができるため、コンパクト且つ安価な電力変換装置を構成することができる。
そして、筐体におけるリアクトル背面側にスリットを設けることで、リアクトルのコイル相間を通って温度上昇した冷却風を筐体内でこもらせること無く、効率よく、外部に排出することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第1実施例を示す電力変換装置の斜視図、図２は図1のダクト、抵抗を取り除いた電力変換装置の斜視図であり、何れの図も透視してある。また、図３は図１を矢視Ａから見た電力変換装置の正面図、図4は図１を矢視Ｂから見た電力変換装置の側面図である。
図において、１は電力変換装置全体を構成する筐体、２は冷却ファン、３はダクト、４はリアクトル、７は抵抗、８は電力変換回路部を構成するインバータモジュール、９は入力フィルター、１０は開口部、１２は取付ベース板、１５は出力端子、１６は空間部、Ｆは冷却風の流れを示している。

本発明の冷却構造の特徴は以下のとおりである。
図１〜図４に示された電力変換装置において、筐体１内の前方に、縦方向に通風路を形成するダクト３が設けられ、ダクト３の内部に抵抗７あるいは半導体素子等の高発熱部品が設けられ、筐体1の底部にダクト３の通風路入口に近接して該高発熱部品を冷却するための冷却ファン２が設けられている。また、筐体１内の後方に、ダクト３に近接して縦方向に伸びるように形成した取付ベース板１２を介してリアクトル４等の発熱部品が設けられており、ダクト３と取付ベース板１２との間に第２通風路となるように空間部１６が形成されてあり、前記冷却ファン２による冷却風の一部は、ダクト３とは別に形成した通風路である空間部１６により、電力変換装置内のリアクトル４等の別の発熱部品を局所的に冷却するようにしてある。
また、図３および図４に示すように、リアクトル４の取付ベース板１２には、リアクトル直下の位置に開口部１０が設けられている。

次に動作について説明する。
上記の電力変換装置では、図示しない３相入力電源が入力フィルター９に接続され、その後リアクトル４を経由し、インバータモジュール８内で直流に整流された後、図示しない半導体素子によるスイッチングにより交流に変換され、最終的に出力端子１５を通して図示しないモータへと出力される。抵抗７は、電気的にインバータモジュール８と接続されている。この場合、モータ（不図示）を通して、回生エネルギーが電力変換装置に入力された場合、その回生エネルギーは抵抗７で消費される。このとき、抵抗７は回生エネルギーの消費により高温になるため、冷却ファン２による冷却が必要である。また、リアクトル４も、相当量の発熱を行うため、強制空冷による冷却風を必要とする。

冷却ファン２による冷却風は、ダクト３内に導かれてダクト内の抵抗７を冷却し、残りの冷却風の一部は、ダクト３と取付ベース板１２との間に設けられた空間部１６を通り、開口部１０を通じてリアクトル４を冷却する。
このとき、冷却ファン２から空間部１６に送風された冷却風は、開口部１０に達するまでの間、他の発熱部品と熱交換を行わないため、冷却ファン２と近接したダクト３の通風路入口における温度を維持したままである。このため、リアクトル４に、外気温度と同等の冷却風を直接当てることができる。

このように、従来の電力変換装置の冷却構造では、抵抗、半導体素子等の発熱部品と同時に、リアクトル、コンデンサ等の他の発熱部品を冷却するため、ファンサイズが大きくなり、また、上流から下流にかけて冷却風の温度が高くなるため、下流に配置された発熱部品の温度が高くなるといった問題があったが、本発明では、冷却ファンによる冷却風の一部を別の経路となる通風路を通じて、直接、被冷却物に当てることができるため、冷却風の温度上昇もなく、必要最低限の風量で効率的に冷却することができる。

図５は本発明の第２実施例を示す電力変換装置であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）のリアクトル部分の冷却構造を拡大した側面図である。
図５において、１１はガイド板、１３はコイル相間、１４はスリット、１７はコア、１８は六角スタッドである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、図５（ａ）において、取付ベース板１２における開口部１０の直前、すなわち、開口部１０とダクト３の間にはガイド板１１が設けられており、ガイド板１１によって、リアクトル４に対して冷却風が垂直に送風される構成になっている点である。また、リアクトル４はＡＣリアクトルで構成されており、開口部１０より送風された冷却風がＡＣリアクトルのコイル相間１３の隙間を通るように、ガイド板１１の取付位置とリアクトル４のコイル相間の位置を一致させたものとなっている。さらに、図５（ｂ）に示すように筐体1におけるリアクトル４の背面に対向する一部に、該リアクトルのコイル相間１３を通った冷却風を外部に排出するためのスリット１４を設けてある。ここで、ＡＣリアクトルは、該リアクトルの鉄心を構成するコア１７が六角スタッド１８等の支柱によって取付ベース板１２に取り付けられている。

次に動作について説明する。
図５に示す冷却風の流れＦから分かるように、冷却ファン２によって生成された冷却風の一部はダクト３と取付ベース板１２との間の空間部１６を通り、開口部１０に達する。このとき、開口部１０に設けられたガイド板１１によって、冷却風Ｆは方向を替え、開口部１０に対して垂直方向（リアクトル４に対しても垂直方向）に、リアクトル４に向かって噴出する。その後、冷却風はコイル相間１３を通り、コイルを冷却しながら筐体１のスリット１４から外部に放出される。

通常、リアクトルはコイル表面温度がコイル相間において最も高くなるが（コイル相間は空気がよどむため）、本実施例では、ガイド板を介してコイル相間の方向に局所的に冷却風を当てることによって、必要最低限の風量でリアクトル表面温度を許容値に収めることができる。このとき、ガイド板の取付位置とリアクトルのコイル相間の位置を一致させる構成にすると、コイル相間へ流れ込む冷却風量が増大し、リアクトルの温度上昇を大幅に抑制することができる。
また、リアクトルを六角スタッド等によりを直接、取付ベース板に固定したので、余分な取り付け部材を必要とせず、冷却風に対しても十分な通風スペースを確保できる。これにより、省スペース且つ安価なリアクトルの取り付け、冷却構造を提供することができる。
また、筐体におけるリアクトル背面側にスリットを設けたので、リアクトルのコイル相間を通って温度上昇した冷却風を筐体内でこもらせること無く、効率よく、外部に排出することができる。

本発明は、リアクトル取付ベースに開口部を設け、半導体素子あるいは抵抗を冷却するための冷却風の一部を別の経路により、開口部に導入することによって、リアクトルを冷却する電力変換装置に関するものであり、発熱部品の配置により生じる温度分布ムラの問題を解決する手段として有用である。

本発明の第1実施例を示す電力変換装置の斜視図、図1のダクト、抵抗を取り除いた電力変換装置の斜視図、図１を矢視Ａから見た電力変換装置の正面図、図１を矢視Ｂから見た電力変換装置の側面図、本発明の第２実施例を示す電力変換装置であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）のリアクトル部分の冷却構造を拡大した側面図、第１従来技術を示す電力変換装置の側面図、第２従来技術を示す電力変換装置の側面図

符号の説明

１筐体
２冷却ファン
３ダクト
４リアクトル
５半導体素子
６コンデンサ
７抵抗
８インバータモジュール
９入力フィルター
１０開口部
１１ガイド板
１２取付ベース板
１３コイル相間
１４スリット
１５出力端子
１６空間部
１７コア、
１８六角スタッド
Ｆ冷却風の流れ

Claims

筐体内に抵抗あるいは半導体素子等の高発熱部品を備えた電力変換装置において、
前記筐体内の前方に、縦方向に通風路を形成するダクトが設けられており、
前記ダクトの内部に前記抵抗あるいは前記半導体素子等の高発熱部品が設けられており、
前記筐体の底部に前記ダクトの通風路入口に近接して前記高発熱部品を冷却するための冷却ファンが設けられており、
前記筐体内の後方に、前記ダクトに近接して縦方向に伸びるように形成した取付ベース板を介してリアクトルが設けられており、
前記ダクトと前記取付ベース板との間に第２通風路となるように空間部が形成されてあり、
前記取付ベース板における前記リアクトルの直下の位置に開口部が設けられており、
前記開口部と前記ダクトの間にはガイド板が設置され、
前記冷却ファンによる冷却風の一部は、前記ダクトとは別に形成した通風路である前記空間部を介して前記開口部より送風された冷却風が前記リアクトルのコイル相関の隙間を通るように、前記ガイド板の取り付け位置と前記リアクトルのコイル相間の位置を一致させたことを特徴とする電力変換装置。
前記リアクトルは、ＡＣリアクトルで構成したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記ＡＣリアクトルは、該リアクトルの鉄心を構成するコアを六角スタッドからなる支
柱によって前記取付ベース板に取り付けたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記筐体のリアクトルの背面に対向する一部に、前記ＡＣリアクトルのコイル相間を通った冷却風を外部に排出するためのスリットを設けたことを特徴とした請求項１に記載の電力変換装置。