(57)【要約】【課題】複数のセルユニット３を単一の冷却ファン２で冷却する電力変換装置において、各セルユニット３の冷却性を均一にする。【解決手段】筐体１は上下に並んだ６個のセル収容区画９を有し、背部の風洞部の上端に冷却ファン２が配置される。セル収容区画９には、それぞれセルユニット３が引き出し状に装填されている。セルユニット３は、内部に半導体モジュールがヒートシンクとともに収容されており、前面板１７に吸気口２１が開口している。６個のセルユニット３は、冷却ファン２に近い上方のものほど後方寄りとなるように筐体１に対する前後位置を調整した上で、ボルト２７によって固定される。後方寄りとすると風洞部１２に流入する際に冷却風の向きが急激に変化するので、圧力損失が大となる。そのため、各セルユニット３を通る風量が均一化する。【選択図】図１
2018137852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面が開口した複数個の区画が上下方向に並んで形成されているとともに、背部に上下方向に連続した風洞部を有する筐体と、
上記風洞部の上端部に配置され、各々の上記区画から上記風洞部を通して外部へと冷却風を通流させる冷却ファンと、
上記区画の各々にそれぞれ装填されており、冷却風を取り入れる吸気口が開口した前面板を備えるとともに、背面が上記風洞部へ向かって開放され、かつ水平方向に沿って上記筐体の前後に位置調整可能な複数個のセルユニットと、
を備えてなる電力変換装置。
【請求項２】
上記セルユニットは、
上記前面板を前端に備えるとともに、背面を除く四面を矩形の筒状に囲むユニットケースと、
上記吸気口から流入した冷却風が前後方向に通流するように構成され、かつ上記ユニットケース内に収容されたヒートシンクと、
このヒートシンクに支持された半導体モジュールと、
を備えている、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】
上記筐体の側面に、各区画に対応して、それぞれ前後方向に沿ったスリットが形成されており、
上記セルユニットの側面には、上記スリットに移動可能に嵌合する軸部を備えたねじ部材が螺合しており、
前後に位置調整したセルユニットが上記ねじ部材の締付により上記筐体に対し固定される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記筐体は、各区画を仕切る水平方向に沿った仕切り板を備えている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
上記セルユニットは、上記前面板に取っ手を備えている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数個のセルユニットが筐体内に上下方向に並んで配置された電力変換装置に関し、特にその冷却構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体スイッチング素子を用いて電力変換を行う電力変換装置にあっては、発熱する半導体スイッチング素子などの冷却を行うために、何らかの冷却装置が必要である。冷却ファンを用いた空冷方式の冷却装置の場合、なるべく少ない個数の冷却ファンでもって効率のよい冷却を実現することが望ましい。
【０００３】
そのため、複数個のセルユニットを備えた電力変換装置では、特許文献１に開示されているように、複数個のセルユニットを盤の筐体内に上下方向に重ねた形に配置するとともに、筐体の最上部に単一の冷却ファンを設けた構成が多く採用されている。このような形式では、冷却ファンの作用により、筐体の前面から各セルユニットを通して外気が冷却風として取り込まれ、筐体背部の上下に連続した風洞部を通して最上部の冷却ファンから外部へと流れる形となる。
【０００４】
しかしながら、このような形式では、各セルユニットを通過する冷却風の風量ないし風速が不均一となりやすい。一般に冷却ファンに近い上方寄りのセルユニットほど多くの冷却風が流れ、冷却ファンから離れた下方のセルユニットを通る冷却風は相対的に少なくなる。
【０００５】
そのため、特許文献１では、各セルユニットの背面（つまり風洞部との間）に、風速を調整するためのスリット板をそれぞれ設けることが提案されている。例えば、上段に位置するものほど開口率が小さいスリット板とすることで、各段のセルユニットを通過する冷却風の均一化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように開口率が異なるスリット板を各セルユニットの背面に取り付ける構成では、開口率の最適化やスリット板の取付作業などに手間が掛かる、という問題がある。また、実際の装置の設置後に何らかの要因で各セルユニットの冷却にばらつきがあったような場合に、容易に対応することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電力変換装置は、
前面が開口した複数個の区画が上下方向に並んで形成されているとともに、背部に上下方向に連続した風洞部を有する筐体と、
上記風洞部の上端部に配置され、各々の上記区画から上記風洞部を通して外部へと冷却風を通流させる冷却ファンと、
上記区画の各々にそれぞれ装填されており、冷却風を取り入れる吸気口が開口した前面板を備えるとともに、背面が上記風洞部へ向かって開放され、かつ水平方向に沿って上記筐体の前後に位置調整可能な複数個のセルユニットと、
を備えて構成されている。
【０００９】
このような構成では、冷却ファンの作用により、各セルユニットの吸気口から冷却風が取り込まれ、セルユニットを通過する。セルユニットをほぼ水平方向に流れた冷却風は、風洞部において上方へ向きを変えつつ上端の冷却ファンへと流れ、該冷却ファンによって外部へ放出される。
【００１０】
ここで、各セルユニットは、筐体の各区画において前後に位置調整が可能である。吸気口を前面に備えたセルユニットが筐体の後方寄りに位置していると、風洞部に近いことから冷却風の流れが９０°に近い角度で急激に曲がることとなり、圧力損失が大となって風量が低下する。逆にセルユニットが筐体の前方寄りに位置していると、斜めに風洞部へ流れ込むため、圧力損失が小さくなって風量が増大する。従って、上下の各段に位置するセルユニットの前後位置を適宜に調整することで、各セルユニットを流れる冷却風の風量を均一化することができる。
【００１１】
上記セルユニットは、例えば、
上記前面板を前端に備えるとともに、背面を除く四面を矩形の筒状に囲むユニットケースと、
上記吸気口から流入した冷却風が前後方向に通流するように構成され、かつ上記ユニットケース内に収容されたヒートシンクと、
このヒートシンクに支持された半導体モジュールと、
を備えている。
【００１２】
従って、半導体モジュールの熱はヒートシンクに放熱される。そして、冷却風がヒートシンクを前後方向に流れることによって、半導体モジュールが冷却される。
【００１３】
本発明の好ましい一つの態様では、
上記筐体の側面に、各区画に対応して、それぞれ前後方向に沿ったスリットが形成されており、
上記セルユニットの側面には、上記スリットに移動可能に嵌合する軸部を備えたねじ部材が螺合しており、
前後に位置調整したセルユニットが上記ねじ部材の締付により上記筐体に対し固定される。
【００１４】
このような構成では、ねじ部材を緩めることでセルユニットの前後位置の調整が可能であり、調整後にねじ部材を締め付けることによって、調整した位置を確実に保持することができる。
【００１５】
また、上記筐体は、各区画を仕切る水平方向に沿った仕切り板を備えていてもよい。但し、この仕切り板が過度に長いとヒートシンクの前後位置調整による風量変化が得られなくなってしまうので、風量変化を損なわない範囲に設けることが望ましい。
【００１６】
また、本発明の好ましい一つの態様では、上記セルユニットは、上記前面板に取っ手を備えている。このように取っ手を設けることで、作業者は取っ手を掴んでセルユニットを容易に前後に動かすことができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、上下各段のセルユニットを前後に位置調整することで各々のセルユニットを通過する冷却風の風量を増減変化させることができ、これにより、各セルユニットの風量の均一化が極めて容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係る電力変換装置の一実施例を示す斜視図。
【図２】この実施例の電力変換装置の分解斜視図。
【図３】セルユニットの斜視図。
【図４】ヒートシンクおよび半導体モジュールの斜視図。
【図５】筐体本体の斜視図。
【図６】前後位置調整機構を示す要部の拡大斜視図。
【図７】実施例の電力変換装置の全体の冷却風の流れを示した説明図。
【図８】（ａ）セルユニットを後方寄りとしたときと（ｂ）セルユニットを前方寄りとしたときの冷却風の流れを対比して示した説明図。
【図９】各セルユニットの調整位置の一例および各々の冷却風の流れを示した説明図。
【図１０】セルユニットに取っ手を設けた第２実施例の電力変換装置の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、この発明に係る電力変換装置の一実施例を示す斜視図、図２は、その分解斜視図、である。この電力変換装置は、縦長の直方体形状をなす盤の筐体１と、この筐体１の上端面に配置された冷却ファン２と、６個のセルユニット３と、から大略構成されている。
【００２１】
筐体１は、図２に示すように、背面が開口した筐体本体５と、この筐体本体５の背面を覆うように取り付けられるリアカバー６と、から構成されている。換言すれば、分割面７から前方の筐体本体５と、分割面７から後方のリアカバー６と、に分割されており、両者を組み付けることで、直方体形状をなす筐体１が構成されている。筐体本体５は、一対の左右の側壁５ａと、底壁５ｂと、天井壁５ｃと、を備えている。リアカバー６は、筐体１の背面となる背面壁６ｄを有するほか、一対の左右の側壁６ａと、底壁６ｂと、天井壁６ｃと、を備えており、筐体本体５に組み付けた状態では、左右の側壁６ａ、底壁６ｂ、天井壁６ｃが、それぞれ、筐体本体５の側壁５ａ、底壁５ｂ、天井壁５ｃに連続して、平坦な一つの面を構成する。筐体本体５の前面（つまり筐体１の前面）は、ほぼ全面が開口しており、この開口面を上下方向に並んだ６個のセル収容区画９に仕切るように、筐体本体５の内側に、水平方向に沿った５つの仕切り板１０が設けられている。なお、最下部のセル収容区画９は、筐体本体５の底壁５ｂと最下部の仕切り板１０との間に構成され、最上部のセル収容区画９は、筐体本体５の天井壁５ｃと最上部の仕切り板１０との間に構成される。
【００２２】
仕切り板１０は、筐体本体５の前面から分割面７付近まで延びている。従って、リアカバー６を組み付けた状態では、各仕切り板１０の後端縁と背面壁６ｄとの間に、上下方向に連続した空間つまり風洞部１２（図７，図９参照）が構成されている。風洞部１２の上端は、天井壁５ｃ，６ｃの切欠部５ｅ，６ｅにより両者に跨って形成される矩形の開口部に連通しており、この矩形の開口部を覆うように冷却ファン２が取り付けられている。なお、冷却ファン２は、詳細には図示していないが、回転軸が垂直方向に沿った軸流ファンを構成するインペラおよび電動モータを有し、これらが矩形のケース内に収容されている。この冷却ファン２によって風洞部１２から上方へ向けて送風がなされる。
【００２３】
セル収容区画９の各々は、左右の側壁５ａと上下の仕切り板１０（あるいは底壁５ｂ、天井壁５ｃ）とによって四方が囲まれた直方体形状の空間として構成され、前面および背面はそれぞれ開口している。つまり、直方体形状の空間からなるセル収容区画９は、その後端において、それぞれ風洞部１２に向かって開放されている。
【００２４】
６個のセルユニット３は、この実施例では、電力変換装置における給電側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応した第１〜第３セルユニット３Ａ〜３Ｃと、負荷側のＲ相、Ｓ相、Ｔ相にそれぞれ対応した第４〜第６セルユニット３Ｄ〜３Ｆと、を含んでいる。各々のセルユニット３は、対応するセル収容区画９に引き出し状に装填されるものであって、図３に示すように、高さの低い直方体形状をなすユニットケース１５と、このユニットケース１５内に収容されたヒートシンク１６と、を備えている。ユニットケース１５は、セル収容区画９の前面開口を実質的に覆いうる大きさの矩形の前面板１７と、仕切り板１０（最下部では底壁５ｂ）の上に重なる底板１８と、一対の側壁１９ａおよび天井壁１９ｂを構成するように金属板を折り曲げてなるカバー１９と、から構成されている。ユニットケース１５の背面は開放されており、従って、底板１８とカバー１９とによって、四面が矩形の筒状に囲まれている。なお、ユニットケース１５の前後方向の長さは、仕切り板１０の前後方向の長さよりも短い。
【００２５】
前面板１７の下部中央には、冷却風を取り入れる吸気口２１が左右に細長い矩形状に開口形成されている。この吸気口２１は、ユニットケース１５内に収容されたヒートシンク１６の前端面に対応した大きさを有しており、この吸気口２１のすぐ後方に隣接してヒートシンク１６が配置されている。
【００２６】
図４は、ヒートシンク１６の一構成例を示している。ヒートシンク１６は、アルミニウム等の熱伝導に優れた金属材料を用いて一体に形成されているものであって、ほぼ正方形の板状をなす基台１６ａと、この基台１６ａの下面から下方へ延びるように設けられた複数の板状フィン１６ｂと、を有している。複数の板状フィン１６ｂは、ヒートシンク１６の前端面１６ｃから後端面１６ｄに亘って延びており、かつ互いに平行に形成されている。従って、各板状フィン１６ｂの間に形成される流路を通して前端面１６ｃから後端面１６ｄへと冷却風の通流が可能である。上述した前面板１７の吸気口２１は、ヒートシンク１６の前端面１６ｃ（特に板状フィン１６ｂが配列されている領域）の周囲を囲むように構成されている。
【００２７】
ヒートシンク１６の基台１６ａの中央部には、発熱体となるＩＧＢＴモジュール等の半導体モジュール２３が取り付けられている。なお、セルユニット３として構成された状態では、ヒートシンク１６に支持された半導体モジュール２３とカバー１９の天井壁１９ｂとの間に、比較的大きな間隔が確保されている。また、ヒートシンク１６とカバー１９との間にも、比較的大きな間隔が与えられている。
【００２８】
図３に示すように、前面板１７の左右両端部は、カバー１９の側壁１９ａから僅かに離れた形で該側壁１９ａと平行に折り曲げられた折曲部１７ａを備えている。そして、この折曲部１７ａの上下に離れた２箇所に、内周に雌ねじを有するねじ孔２５が形成されている。このねじ孔２５には、図６に示すように、ねじ部材としてボルト２７がそれぞれ螺合する。
【００２９】
セル収容区画９を構成している筐体本体５の左右の側壁５ａには、図５に示すように、各段のセルユニット３のボルト２７にそれぞれ対応する高さ位置において、前後方向に沿って延びたスリット２９が形成されている。このスリット２９の開口幅は、ボルト２７の軸部の径よりも僅かに大きく設定されている。また側壁５ａには、各々のスリット２９に沿って、ボルト２７の頭部を収容する凹溝部２９ａが形成されている。
【００３０】
図６は、セル収容区画９にセルユニット３が収容された状態を示しており、各々のセルユニット３のねじ孔２５には、筐体１のスリット２９を通してボルト２７が螺合している。詳しくは、ボルト２７の軸部がスリット２９を貫通しており、かつ頭部が凹溝部２９ａ内に収容されている。従って、ボルト２７を緩めた状態では、セルユニット３は、対応するセル収容区画９内で水平方向に沿って前後に位置調整が可能である。なお、セルユニット３は、仕切り板１０（最下部では底壁５ｂ）の上をスライドする。そして、位置調整した状態においてボルト２７を締め付けることで、セルユニット３が筐体１に対し固定される。このようなセルユニット３の前後方向に沿った位置調整により、各セルユニット３を通過する冷却風の風量が調節される。
【００３１】
図７は、上記実施例の電力変換装置における全体の冷却風の流れを模式的に示した説明図である。風洞部１２の上端部に位置する冷却ファン２が駆動されると、６個のセルユニット３を通して、矢印で示すように冷却風が流れる。詳しくは、各セルユニット３の前面板１７の吸気口２１から外気が取り込まれ、冷却風として、セルユニット３のヒートシンク１６を前後方向に流れて風洞部１２へ至り、該風洞部１２を上方へと流れる。
【００３２】
ここで、図７では、各セルユニット３の前後方向位置が等しいものとして示してあるが、このような場合には、前述したように、一般に冷却ファン２に近い上方寄りのセルユニット３ほど多くの冷却風が流れ、冷却ファン２から離れた下方のセルユニット３を通る冷却風は相対的に少なくなる。
【００３３】
このような風量の差異を相殺するために、上記実施例の電力変換装置では、６個のセルユニット３を通過する冷却風の風量が均一となるように、各々の前後位置が調整される。
【００３４】
図８は、セルユニット３の前後位置調整に伴う風量変化を説明するための説明図である。図（ａ）に示すように、吸気口２１を前面に備えたセルユニット３が筐体１の後方寄りに位置していると、セルユニット３のユニットケース１５の出口開口が風洞部１２に近いことから冷却風の流れが９０°に近い角度で急激に曲がることとなり、圧力損失が大となって風量が低下する。逆に、図（ｂ）に示すように、セルユニット３が筐体１の前方寄りに位置していると、ユニットケース１５の出口開口から斜めに風洞部１２へ冷却風が流れ込むため、圧力損失が小さくなって風量が増大する。
【００３５】
風洞部１２へ合流する箇所での圧力損失（ΔＰ）は、次式（１）のように、局部損失係数ζと、空気の密度ρと、風速ｖと、で定まる。
【００３６】
ΔＰ＝ζρｖ2／２・・・（１）
ここで、局部損失係数ζは、流れの方向が急激に変わるほど大きなものとなることが知られており、従って、セルユニット３の前後位置が後方寄りであるほど圧力損失が大となって風量が少なくなる。
【００３７】
このような原理により、上記実施例の電力変換装置では、６個のセルユニット３の前後位置の調整により、各々のセルユニット３を通る冷却風の風量を均一化することができる。図９は、６個のセルユニット３の前後位置の一例を示しており、最上段に位置する第１セルユニット３Ａが最も後方寄りに位置し、最下段に位置する第６セルユニット３Ｆが最も前方寄りに位置する。そして、第２セルユニット３Ｂ〜第５セルユニット３Ｅは、下方のものほど徐々に前方に位置している。例えば、各々のセルユニット３を通過する冷却風の風量（例えば吸気口２１における風速）や各セルユニット３における半導体モジュール２３の温度等を測定してこれらが均一となるように各セルユニット３の最適位置を決定することができる。あるいは、風量や温度をシミュレーションにより求めて各セルユニット３の最適位置を決定するようにしてもよい。
【００３８】
なお、一実施例の電力変換装置においては、５０ｍｍ程度の前後移動によって顕著な風量変化が得られる。換言すれば、第１セルユニット３Ａと第６セルユニット３Ｆの前後位置の差は、５０ｍｍ程度で十分である。スリット２９の長さは、これよりも多少長く形成される。
【００３９】
このように上記実施例の電力変換装置においては、単一の冷却ファン２でもって複数個のセルユニット３（換言すれば複数個の半導体モジュール２３）を均一に冷却することが可能となる。そして、従来のような種々の開口率のスリット板を選択的に取り付ける構成に比較して、各セルユニット３に対する風量調整が容易である。さらには、電力変換装置を設置した現地での再調整なども簡単に行うことができる。
【００４０】
次に、図１０は、各セルユニット３の前面板１７に、略Ｕ字形をなす取っ手３１を取り付けた第２実施例を示している。この取っ手３１は、作業者が片手で把持できる大きさおよび形状を有している。従って、各セルユニット３の前後位置調整の作業の際に、作業者は取っ手３１を掴んでセルユニット３を容易に前後に動かすことができる。特に、セルユニット３を前側へ引き出すときの作業性が向上する。
【００４１】
なお、上記の各実施例にあっては、セルユニット３が仕切り板１０（最下部では底壁５ｂ）に支持されて水平方向に移動可能な構成となっているが、他の機構により水平方向に移動可能に支持するようにしてもよく、仕切り板１０は必ずしも必須なものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１…筐体
２…冷却ファン
３（３Ａ〜３Ｆ）…セルユニット
５…筐体本体
６…リアカバー
９…セル収容区画
１０…仕切り板
１２…風洞部
１５…ユニットケース
１６…ヒートシンク
１７…前面板
２１…吸気口
２３…半導体モジュール
２７…ボルト
２９…スリット
３１…取っ手
【図１】
2018137852.tif 000003
【図２】
2018137852.tif 000004
【図３】
2018137852.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018137852.tif 000007
【図６】
2018137852.tif 000008
【図７】
2018137852.tif 000009
【図８】
2018137852.tif 000010
【図９】
2018137852.tif 000011
【図１０】
2018137852.tif 000012