(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、この半導体素子に接設される受熱ブロックおよびこの受熱ブロックに設けられ複数の放熱フィンを有するヒートパイプからなる冷却器と、前記半導体素子と前記冷却器の受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備えた半導体スタックの複数を、筐体内の前後方向の最前列と最後列とその間の中間部とに並列させて収納してなる電力変換装置において、
最前列または最後列に配置する半導体スタックを筐体の前後方向に移動可能に支持してなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
移動可能な半導体スタックは可動フレームに組み付けられて可動ユニットとして構成され、この可動ユニットが筐体内に設けられたガイドレールに車輪を介して支持され、その車輪の転動によりガイドレールに沿って移動可能となっ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。
【請求項３】
車輪は可動ユニットの重心位置より上方の位置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。
【請求項４】
可動ユニットにはその移動操作用のハンドルが設けられ、このハンドルが車輪とほぼ同じレベルの高さ位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
可動ユニットには、この可動ユニットにおける半導体スタックに対する補助回路機器が取り付けられていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
筐体内に収納された半導体スタックにおける冷却器の受熱ブロックと放熱フィンとの間には仕切板が設けら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。
【請求項７】
仕切板は電気絶縁物であることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
半導体スタックを収納した筐体は、その内外で空気を自然対流させるための吸気口および排気口を有し、そのいずれか一方、あるいは両方に温度開閉式シャッターが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変装置。
【請求項９】
筐体内には温度開閉式シャッターの動作に連動して動作する発熱手段が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
筐体は上部に防滴屋根を有し、この防滴屋根は内部が対流空気の流通路となっており、この防滴屋根の一部に排気口が設けられ、この排気口の内側に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータや整流器等の用途に用いられる電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にこの種の電力変換装置は、複数の半導体スタックを筐体内に収納設置してなる。
【０００３】
半導体スタックは、電力用半導体素子とヒートパイプ式冷却器とを横方向に積層して一体化した構造となっており、このような半導体スタックの複数を筐体内にその前後方向に例えば３列に並列するように配置させている。
【０００４】
この場合、筐体内の最前列と最後列の半導体スタックに対しては筐体の前面および背面の開口部を開けて半導体素子の交換等の保守点検作業を行なうことができるが、最前列と最後列との間の中間部に配置する半導体スタックに対してはその前後側に隣接する半導体スタックが邪魔となって保守点検の作業が困難となる。
【０００５】
このため、従来においては、筐体の前面の開口部に扉式に回動可能な可動フレームを設け、この可動フレームで最前列の半導体スタックを支持し、保守点検時にその可動フレームを前方に回動して開く動作で、最前列の半導体スタックを筐体の外部に引き出し、これにより筐体内の中間部に配置する半導体スタックの前面側を開放してその保守点検の作業を可能にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の電力変換装置においては、可動フレームを前方に回動して開くときに、その可動フレームが筐体の前方側に大きく張り出し、このため筐体の前方側にその可動フレームの張り出しを見込んだ広いスペースを予め確保しておかなければならず、この結果、電力変換装置の設置に要する実質的な面積が大きくなり、その設置施設である変電所等の敷地を縮小するときの妨げとなっている。
【０００７】
半導体素子を冷却する冷却器のヒートパイプはその内部に冷媒を封入してなる。冷媒としては純水、あるいはジエチレングリコール等の不凍液を純水に添加したものが一般に用いられるが、不凍液入りの冷媒の場合には純水に比べ、熱的な性能が低下し、また廃棄処分時における環境破壊の問題も生じ、したがって純水を用いることが好ましい。
【０００８】
ところが、電力変換装置が氷点下以下となるような寒冷地に設置される場合、その冷却器のヒートパイプ内の冷媒が凍結して破損等を招く恐れがあり、このため冷媒として不凍液を用いざるを得ないという問題がある。
【０００９】
さらに、冷却器は半導体素子と接触する受熱ブロックと、この受熱ブロックからその上方に延びるヒートパイプと、このヒートパイプに取り付けられた多数の放熱フィンとからなるが、放熱フィンには対流空気の接触に応じて徐々に塵埃等の異物が付着して堆積し、この堆積した異物がその下方の受熱ブロックの上に落下して付着し、この異物の付着で半導体素子に対する冷却性能や絶縁性能が低下する恐れがある。
【００１０】
この発明はこのような点に着目してなされたもので、その目的とするところは、実質的な設置面積を小さく抑えることができる電力変換装置を提供することにある。
【００１１】
さらに、ヒートパイプ内に封入する冷媒として純水を用いても、その凍結を防止でき、また冷却器の放熱フィンに異物が付着してその下方に落下しても、その異物の受熱ブロックに対する付着を防止することができる電力変装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明はこのような目的を達成するために、半導体素子と、この半導体素子に接設される受熱ブロックおよびこの受熱ブロックに設けられ複数の放熱フィンを有するヒートパイプからなる冷却器と、前記半導体素子と前記冷却器の受熱ブロックとを圧接させる圧接手段とを備えた半導体スタックの複数を、筐体内の前後方向の最前列と最後列とその間の中間部とに並列させて収納してなる電力変換装置において、最前列または最後列に配置する半導体スタックを筐体の前後方向に移動可能に支持するようにしたものである。
【００１３】
そして請求項２の発明においては、移動可能な半導体スタックが可動フレームに組み付けられて可動ユニットとして構成され、この可動ユニットが筐体内に設けられたガイドレールに車輪を介して支持され、その車輪の転動によりガイドレールに沿って移動可能となっていることを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明においては、前記車輪が可動ユニットの重心位置より上方の位置に設けられていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明においては、可動ユニットにはその移動操作用のハンドルが設けられ、このハンドルが車輪とほぼ同じレベルの高さ位置に設けられていることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明においては、可動ユニットには、この可動ユニットにおける半導体スタックに対する補助回路機器が取り付けられていることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明においては、筐体内に収納された半導体スタックにおける冷却器の受熱ブロックと放熱フィンとの間には仕切板が設けられていることを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明においては、前記仕切板が電気絶縁物であることを特徴としている。
【００１９】
請求項８の発明においては、半導体スタックを収納した筐体が、その内外で空気を自然対流させるための吸気口および排気口を有し、そのいずれか一方、あるいは両方に温度開閉式シャッターが設けられていることを特徴としている。
【００２０】
請求項９の発明においては、筐体内には温度開閉式シャッターの動作に連動して動作する発熱手段が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
請求項１０の発明においては、筐体が上部に防滴屋根を有し、この防滴屋根は内部が対流空気の流通路となっており、この防滴屋根の一部に排気口が設けられ、この排気口の内側に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板が設けられていることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１ないし図３には半導体スタックの構成を示してあり、この半導体スタック１は、複数の平型ダイオード等の電力用半導体素子２と、この半導体素子２を冷却するための複数のヒートパイプ式冷却器３を備えている。
【００２４】
ヒートパイプ式冷却器３は、銅等の電気伝導性および熱伝導性に優れる金属からなる受熱ブロック６と、この受熱ブロック６の上部に取り付けられてその上方に垂直に延びた例えば３本のヒートパイプ７と、これらヒートパイプ７に取り付けられた多数枚の放熱フィン８と、受熱ブロック６の下部に取り付けられた外部端子接続用の端子板９とを備え、ヒートパイプ７内に冷媒として純水が封入されている。
【００２５】
そして各半導体素子２の両側に冷却器３の受熱ブロック６が配置して接触し、その一対の受熱ブロック６とその間に挟まれた一つの半導体素子２により一組のユニットが構成され、このようなユニットの複数組が電気導体からなるスペーサ４を介して直列状に接続され、これにより各半導体素子２と冷却器３とが横方向に並ぶ積層体が構成され、その積層状態が圧接手段１０により保持されている。
【００２６】
圧接手段１０は、積層体の両端側に配置する一対の押し板１１，１２を備え、これら押し板１１，１２の両端部間に図２に示すようにスタッド１３が設けられている。これらスタッド１３は、一端部が一方の押え板１１に固定され、他端部が他方の押え板１２を貫通してその外面側に突出し、その突出部に弾性部材としての皿ばね１４が装着されているとともに、その突出部間に跨がってばね押え１５が装着され、このばね押え１５の外側においてスタッド１３の端部のねじ部１３ａにナット１６が螺着されている。
【００２７】
各押え板１１，１２の内側にはそれぞれ球面座１７が設けられ、これら球面座１７と受熱ブロック６との間に碍子等の絶縁座１８が設けられ、前記ナット１６を締め付けて押え板１１，１２を互いに接近する方向に移動させることにより、球面座１７を介して積層状態の絶縁座１８、受熱ブロック６、半導体素子２を互いに圧接させ、この圧接作用でその積層状態が安定して保持されている。
【００２８】
ナット１６を締め付けたときには皿ばね１４が弾性的に変形し、したがって絶縁座１８、受熱ブロック６、半導体素子２は互いに弾性的に圧接し、半導体素子２の発熱に伴う受熱ブロック６等の熱膨張による変位が皿ばね１４の弾性的な変形で吸収される。
【００２９】
このような半導体スタック１の複数が図４乃至図６に示すように筐体２０内に収納されて電力変換装置が構成されている。
【００３０】
筐体２０は前面および後面にそれぞれ開口部２１を有し、これら開口部２１にそれぞれ扉体２２が例えばボルト２３を用いる締着手段により脱着可能に取り付けられている。そしてこの筐体２０内に例えばその左右方向に２列、前後方向に３列に整列して並ぶように合計６つの半導体スタック１が収納配置されている。
【００３１】
筐体２０内には水平に仕切板２５が設けられ、この仕切板２５により半導体スタック１における冷却器３の受熱ブロック６と放熱フィン８との間が仕切られている。
【００３２】
仕切板２５には冷却器３の受熱ブロック６およびヒートパイプ７の貫通が可能な穴を加工しておく。ヒートパイプ７が電位を有するときには、その穴の周縁とヒートパイプ７との間に所定の絶縁距離を設ける。そしてこの場合には、仕切板２５の材質を電気絶縁物とすることが好ましく、これによりその絶縁距離を小さくして装置の小型化を図ることが可能となる。
【００３３】
筐体２０内に収納された半導体スタック１のうち、筐体２０の前方側からみて、例えば最前列およびその次の中間列に配置する半導体スタック１は筐体２０内に固定されているが、最後列に配置して左右に並ぶ二つの半導体スタック１は、それぞれ個別に可動フレーム２６に支持され、その可動フレーム２６と一体的に個別に筐体２０の前後方向に対して移動可能となっている。
【００３４】
すなわち、筐体２０内の上部には、最後列の各半導体スタック１の両側に配置して筐体２０の前後方向に延びるようにガイドレール２７が設けられている。そして最後列の半導体スタック１を挟んで互いに対向する一対のガイドレール２７の内側に可動フレーム２６が設けられ、この可動フレーム２６内にその最後列の半導体スタック１が取り付けられ、さらにその半導体スタック１に対するスナバＣＲユニット等の補助回路機器２８が可動フレーム２６の後部にサポート金具２６ａを介して取り付けられ、これら可動フレーム２６と半導体スタック１と各補助回路機器２８とで一体的な可動ユニット２９が構成されている。
【００３５】
可動フレーム２６は、ガイドレール２７に隣接する一対の側板３０を有し、これら側板３０の外側面に滑動手段として複数の車輪３１が回転自在に設けられ、これら車輪３１がガイドレール２７の上に転動自在に載置され、これら車輪３１を介して可動ユニット２９がガイドレール２７に沿って筐体２０の前後方向に移動し得るようになっている。
【００３６】
そしてガイドレール２７には、可動ユニット２９を前後方向に移動させたときに、その可動ユニット２９をボルト等によりその前方の所定位置と後方の所定位置とに係脱可能に係止して固定する係止手段３３ａ，３３ｂが設けられている。
【００３７】
図６に示すＧは可動ユニット２９の重心位置であり、可動ユニット２９を支持した車輪３１はその重心位置Ｇよりも上方の位置に設けられている。そして可動ユニット２９の後部には前記重心位置Ｇとほぼ同じレベルの高さの位置にハンドル３２が取り付けられている。
【００３８】
筐体２０内の下部には導体３５が設けられ、この導体３５と各半導体スタック１とが可撓性を有する接続体３６により接続されている。特に可動ユニット２９における半導体スタック１は余裕の長さをもつ接続体３６により導体３５に接続されている。
【００３９】
筐体３０の上部には防滴屋根３８が設けられ、この防滴屋根３８内が通風路３９となっている。防滴屋根３８で覆われた筐体２０の上面には前記通風路３９内と筐体２０内とを連通させる換気口４０が形成されている。
【００４０】
防滴屋根３８は、筐体２０の前後側に突出し、その各突出部の下面が排気口４１として開口している。
【００４１】
筐体２０の前面および後面に設けられた扉体２２にはそれぞれ吸気口４４が形成され、これら吸気口４４に大気温度に応じて開閉動作する温度開閉式シャッター４５が設けられている。
【００４２】
吸気口４４の外面側には温度開閉式シャッター４５を覆うようにハンドホールカバー４６が設けられ、このハンドホールカバー４６は下面に開放部４７を有し、この開放部４７に防虫網４８およびよろいカバー４９が設けられている。
【００４３】
防滴屋根３８の各排気口４１には温度開閉式シャッター５２および防虫網５３が設けられていると共に、これら排気口４１と防滴屋根３８の中間側の換気口４０との間に雨水の吹込みを防止する吹込み防止板５４が取り付けられている。
【００４４】
これら吹込み防止板５４は筐体２０の上面からほぼ垂直に起立して排気口４１から換気口４０への雨水の吹込みを防止するものであるが、その起立の高さは防滴屋根３８内の通風路３９を流通する空気の流れを妨げない程度の寸法となっている。
【００４５】
また、筐体２０内には前記各温度開閉式シャッター４５，５２と連動して動作する発熱手段としてのスペースヒータ５５が設けられている。
【００４６】
このように構成された電力変換装置においては、大気温度が所定温度以上のときには、各温度開閉式シャッター４５，５２が開いており、自然対流により吸気口４４から筐体２０内に空気が流入すると共に、この空気が換気口４０から防滴屋根３８内の通風路３９を通って各排気口４１から順次流出する。
【００４７】
このように筐体２０の内外において空気が対流し、この空気が筐体２０内において各半導体スタック１におけるヒートパイプ７の各放熱フィン８に順次接触し、この接触でヒートパイプ７の放熱が促され、受熱ブロック６を介して被冷却物である半導体素子２が冷却される。
【００４８】
ヒートパイプ７の各放熱フィン８には、自然対流時の空気の接触により塵埃等の異物が徐々に付着して堆積し、この異物が放熱フィン８から落下することがあるが、放熱フィン８とその下方の受熱ブロック６との間には仕切板２５が設けられており、このため異物が落下してもそれが受熱ブロック６に接触することがなく、したがって冷却効率や電気絶縁の低下を招くような恐れがない。
【００４９】
また、風雨時においては、排気口４１から換気口４０への雨水の吹込みを吹込み防止板５４により防止して筐体２０内への雨水の侵入を抑えることができる。
【００５０】
一方、大気温度が所定温度に達しない氷点下以下の低温時には、各温度開閉式シャッター４５，５２がその温度を感知して閉じ、筐体２０の内外での空気の自然対流が停止する。そして温度開閉式シャッター４５，５２の閉合動作に連動してスペースヒータ５５が通電され、このスペースヒータ５５により筐体２０内が氷点下をやや上回る温度を維持するように制御される。
【００５１】
これにより、ヒートパイプ７内の冷媒の凍結を防止することができ、したがってその冷媒として純水を用いることができ、このため寒冷地においても何ら問題なく電力変換装置を稼動させることができ、また冷媒の凍結防止によりヒートパイプ７の破損を防止でき、さらに冷媒として純水を用いることが可能となることから、環境破壊の問題も解消することができる。
【００５２】
なお、この場合には、筐体２０内は氷点下をやや上回る程度の低温に保たれるから、その低温の空気により半導体スタック１の半導体素子２が適正に冷却される。
【００５３】
電力変換装置の保守点検時においては、まず筐体２０の前面および後面の扉体２２を取り外してその前面および後面の開口部２１を開放する。
【００５４】
これにより、筐体２０内の最前列に配置する半導体スタック１に対する保守点検の作業は筐体２０の前面の開口部２１を通して容易に行なえ、また最後列に配置する半導体スタック１に対する保守点検の作業は筐体２０の後面の開口部２１を通して容易に行なうことができる。
【００５５】
最前列と最後列との間の中間部に配置する半導体スタック１に対して保守点検の作業を行なうときには、最後列の半導体スタック１を含む可動ユニット２９をガイドレール２７に沿って後方側に移動させる。後方側に移動させたときの可動ユニット２９の位置を図５に鎖線Ｌで示してある。
【００５６】
可動ユニット２９は最後列の半導体スタック１と共にその補助回路機器２８も一体的に含んでおり、したがって可動ユニット２９を移動させるときに、半導体スタック１に対して補助回路機器２８の接続を機械的、電気的に切り離すような面倒な手間が不要となる。
【００５７】
このように可動ユニット２９を後方側に移動させることにより、中間部の半導体スタック１と最後列の半導体スタック１との間に十分な間隔のスペースが生じ、したがってそのスペースを通して中間部の半導体スタック１に対する保守点検の作業を行なうことができる。
【００５８】
可動ユニット２９は車輪３１を介してガイドレール２７に支持され、かつその車輪３１の位置が可動ユニット２９の重心位置Ｇより上方の位置となっており、したがってその車輪３１を介して円滑に可動ユニット２９をガイドレール２７に沿って移動させることができる。なお、前記車輪３１に代えて摩擦抵抗の小さい材質からなる滑り板を用いることも可能である。
【００５９】
可動ユニット２９を移動させる操作はハンドル３２を握って行なうが、このハンドル３２が車輪３１とほぼ同じレベルの高さの位置に設けられているから、可動ユニット２９を大きな揺れや転倒を招くことなく円滑に移動させることができる。
【００６０】
このように、筐体２０内において最後列の半導体スタック１を後方側に移動させることにより中間部に配置する半導体スタック１に対する保守点検の作業を行なうことができ、したがって筐体の前方に回動する扉式の可動フレームと共に半導体スタックを筐体の外部に引き出すような従来の電力変換装置と異なり、電力変換装置の設置に要する実質的な面積を小さく抑えることができ、このため電力変換装置の設置施設である変電所等の敷地を縮小することが可能となる。
【００６１】
なお、前記実施形態においては、筐体内の最後列の半導体スタックを移動可能としたが、最前列の半導体スタックを移動可能とする場合であってもよく、また中間部に配置する半導体スタックを移動可能とすることも可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、筐体内において最後列あるいは最前列の半導体スタックを筐体の前後方向に移動させることにより中間部に配置する半導体スタックに対する保守点検の作業を行なうことができ、したがって電力変換装置の設置に要する実質的な面積を小さく抑えてその設置施設である変電所等の敷地を縮小することが可能となる。
【００６３】
そして請求項２乃至４の発明においては、その半導体スタックを筐体の前後方向に円滑に安定して移動させることができる。
【００６４】
請求項５の発明においては、半導体スタックを移動させるときに、その半導体スタックに対して補助回路機器を機械的、電気的に切り離すような面倒な手間が不要となる。
【００６５】
請求項６及び７の発明においては、放熱フィンに堆積した塵埃等の異物が落下しても受熱ブロックに接触するようなことがなく、したがって冷却効率や電気絶縁の低下を招くような恐れがない。
【００６６】
請求項８及び９の発明においては、ヒートパイプ内の冷媒の凍結を防止することができ、したがってその冷媒として純水を用いることができ、このため寒冷地においても何ら問題なく電力変換装置を稼動させることができ、また冷媒の凍結防止によりヒートパイプの破損を防止でき、さらに冷媒として純水を用いることが可能となることから、環境破壊の問題も解消することができる。
【００６７】
請求項１０の発明においては、風雨時における筐体内への雨水の侵入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る電力変換装置に用いる半導体スタックを示す正面図。
【図２】その半導体スタックの平面図。
【図３】その半導体スタックの側面図。
【図４】その半導体スタックを筐体内に収納して構成した電力変換装置の側面図。
【図５】その電力変換装置の内部構造を示す正面図。
【図６】その電力変換装置の内部構造を示す側面図。
【符号の説明】
１…半導体スタック
２…半導体素子
３…ヒートパイプ式冷却器
６…受熱ブロック
７…ヒートパイプ
８…放熱フィン
１０…圧接手段
２０…筐体
２１…開口部
２２…扉体
２５…仕切板
２６…可動フレーム
２７…ガイドレール
２８…補助回路機器
２９…可動ユニット
３０…側板
３１…車輪
３２…ハンドル
３８…防滴屋根
４０…換気口
４１…排気口
４４…吸気口
４５，５２…温度開閉式シャッター
５４…吹込み防止板
５５…スペースヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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