(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筺体に収納された変圧器を冷却風により強制的に冷却する冷却装置において、
前記変圧器を構成する巻線部の軸方向両端部にそれぞれ配置された上部仕切板と下部仕切板とを備え、かつ、前記筺体の上部近傍に排気ファンを配置すると共に、
前記筺体に主吸気口及び副吸気口をそれぞれ形成し、前記上部仕切板及び前記下部仕切板に開口部を設けて前記巻線部の鉄芯との間に上部仕切板内通気口と下部仕切板内通気口とをそれぞれ形成し、
前記排気ファンの運転により、
前記主吸気口から前記巻線部の周囲に流入した冷却風を、前記上部仕切板の端部と前記筺体の内面との間に形成された端部通気口を介して、前記排気ファン方向に通過させる第１の気流と、
前記副吸気口から流入した冷却風を、前記下部仕切板内通気口から前記巻線部の内部と前記上部仕切板内通気口とを介して、前記巻線部の軸方向に沿って前記排気ファン方向に通過させる第２の気流と、
を形成したことを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載した変圧器の冷却装置において、
前記主吸気口を前記筐体の前面に形成し、かつ、前記副吸気口を前記筐体の下端部近傍に形成したことを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載した変圧器の冷却装置において、
前記端部通気口を、前記上部仕切板の後端部と前記筐体の内面との間に形成したことを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、
前記巻線部は、前記鉄芯に対して同心状に巻かれた一次巻線と二次巻線とを備え、前記鉄芯と前記一次巻線との間、及び、前記一次巻線と前記二次巻線との間にそれぞれ保有された隙間に前記第２の気流を通過させることを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載した変圧器の冷却装置において、
前記上部仕切板内通気口及び前記下部仕切板内通気口の面積を変えて前記隙間を通過する前記第２の気流の量を調整することを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、
前記端部通気口の面積を変えて前記端部通気口を通過する前記第１の気流の量を調整することを特徴とする変圧器の冷却装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、
前記下部仕切板に、前記第２の気流を通過させるバイパス通気口を形成したことを特徴とする変圧器の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筺体に収納された変圧器を強制的に空冷するための冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９，図１０は、筺体に変圧器が収納された変圧器盤の従来技術（第１の従来技術）を示しており、図９は筺体内部の構造を示す正面図、図１０は図９のＸ−Ｘ断面図である。
これらの図において、１０１は筐体、１０２は三相の変圧器、１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔは各相の巻線部、１０４は一次巻線、１０５は二次巻線、１０６，１０７はヨークを示す。
【０００３】
この変圧器盤では、筐体１０１の上部に排気ファン１０８が配置され、筐体１０１の前面下方には吸気口１０９が設けられている。また、筐体１０１の内部上方には仕切板１１０が配置されていると共に、巻線部１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔの下端部近傍には、押し出し式の付属ファン１１１がそれぞれ前後に配置されている。
【０００４】
上記の構成により、図１０に示すように、排気ファン１０８を運転して吸気口１０９から流入した冷却風は、巻線部１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔの周囲を上方に移動して排気ファン１０８から排気される。これと同時に、付属ファン１１１を運転して巻線部１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔにそれぞれ送風することにより、変圧器１０２の全体を下方から冷却する冷却風の気流が形成されることとなる。
【０００５】
また、特許文献１には、他の構造の冷却装置が記載されている。
図１１は、特許文献１に記載された第２の従来技術を示し、図１２は、同じく第３の従来技術を示す構成図である。
図１１，図１２において、２０１は変圧器盤の筐体、２０２は変圧器、２０２ａは鉄芯の周囲に一次巻線及び二次巻線が巻かれた巻線部、２０３は吸気口、２０４は排気ファン、２０５，２０６，２０７は気流の方向を制御するための仕切板、２０５ａ，２０７ａは開口部である。
【０００６】
図１１に示した第２の従来技術では、排気ファン２０４を運転して吸気口２０３から流入した冷却風が、開口部２０７ａ、巻線部２０２ａの周囲、開口部２０５ａ等を介して排気ファン２０４から排気される。
また、図１２に示した第３の従来技術では、図１１における仕切板２０５がないことに起因して、吸気口２０３から流入した冷却風の一部は変圧器２０２の周囲を経て直接的に排気ファン２０４方向に向かう。
上記の第２，第３の従来技術においては、変圧器２０２の周囲に仕切板２０５，２０６，２０７を配置することにより、変圧器２０２に供給される冷却風の風量、風速を最大化する気流の流路を形成して冷却能力を高めるように工夫している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−４５９８号公報（図４，図６等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９，図１０に示した第１の従来技術において、吸気口１０９から筐体１０１の内部に導入された冷却風の流路は、上部の排気ファン１０８の近傍で仕切板１１０により規制されているだけである。従って、筐体１０１の内部では冷却風の流路面積が広いため、変圧器１０２を集中的に冷却することが難しい。
また、変圧器１０２の鉄芯、一次巻線１０４、二次巻線１０５の相互間では、各部を固定、絶縁するために固定部材や絶縁部材が使用されており、これらの部材が冷却風の流路面積を減少させている。このため、変圧器１０２の内部における圧力損失が大きく、十分な冷却効果を得ることが困難である。
【０００９】
そこで、第１の従来技術では、巻線部１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔの下端部近傍に付属ファン１１１をそれぞれ配置して巻線部１０３Ｒ，１０３Ｓ，１０３Ｔを個別に冷却しているが、多数の付属ファンが必要になり、コストの増加や変圧器盤の大型化、組立作業やメンテナンス作業の煩雑化を招くという問題がある。
【００１０】
また、前述したように変圧器１０２内部の圧力損失が大きいと、変圧器１０２の内外を通過する風量に差が生じ、この風量の差によって変圧器１０２の内部温度は外部温度より高くなる。変圧器１０２に対する冷却能力は排気ファンのスペックや吸気口の面積等によって決定されるが、変圧器１０２の内外の温度が不均一であると、高温部の温度に基づいて冷却能力を設計せざるを得ず、結果的に排気ファン等の容量が大きくなってコスト高になるという問題があった。
【００１１】
更に、図１１，図１２に示した第２，第３の従来技術においても、変圧器２０２の内外を通過する冷却風の風量に偏りが生じて変圧器２０２の内外に大幅な温度差が発生することがあり、鉄芯や一次巻線、二次巻線を均一に冷却することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明の解決課題は、変圧器の内外をまんべんなく冷却して温度を均一にすることができ、しかも付属ファン等を不要にして変圧器盤の小型化、コストの低減、組立作業等の容易化を可能にした変圧器の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、筺体に収納された変圧器を冷却風により強制的に冷却する冷却装置において、
前記変圧器を構成する巻線部の軸方向両端部にそれぞれ配置された上部仕切板と下部仕切板とを備え、かつ、前記筺体の上部近傍に排気ファンを配置すると共に、
前記筺体に主吸気口及び副吸気口をそれぞれ形成し、前記上部仕切板及び前記下部仕切板に開口部を設けて前記巻線部の鉄芯との間に上部仕切板内通気口と下部仕切板内通気口とをそれぞれ形成し、
前記排気ファンの運転により、
前記主吸気口から前記巻線部の周囲に流入した冷却風を、前記上部仕切板の端部と前記筺体の内面との間に形成された端部通気口を介して、前記排気ファン方向に通過させる第１の気流と、
前記副吸気口から流入した冷却風を、前記下部仕切板内通気口から前記巻線部の内部と前記上部仕切板内通気口とを介して、前記巻線部の軸方向に沿って前記排気ファン方向に通過させる第２の気流と、を形成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した変圧器の冷却装置において、前記主吸気口を前記筐体の前面に形成し、かつ、前記副吸気口を前記筐体の下端部近傍に形成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載した変圧器の冷却装置において、前記端部通気口を、前記上部仕切板の後端部と前記筐体の内面との間に形成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、前記巻線部は、前記鉄芯に対して同心状に巻かれた一次巻線と二次巻線とを備え、前記鉄芯と前記一次巻線との間、及び、前記一次巻線と前記二次巻線との間にそれぞれ保有された隙間に前記第２の気流を通過させることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載した変圧器の冷却装置において、前記上部仕切板内通気口及び前記下部仕切板内通気口の面積を変えて前記隙間を通過する前記第２の気流の量を調整することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、前記端部通気口の面積を変えて前記端部通気口を通過する前記第１の気流の量を調整することを特徴とする。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか１項に記載した変圧器の冷却装置において、前記下部仕切板に、前記第２の気流を通過させるバイパス通気口を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、筺体内部の上下に上部仕切板及び下部仕切板を配置し、これらの仕切板に仕切板内通気口や端部通気口を形成すると共に、変圧器の周囲及び変圧器の内部に第１の気流と第２の気流とをそれぞれ通過させるようにした。
これにより、上部仕切板及び下部仕切板によって区画された空間内で変圧器を内外から均等に冷却することが可能になり、筺体内温度の均一化、小型化、低コスト化、組立作業等の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態が適用される変圧器盤の内部構造等を示す図である。
【図２】本発明の実施形態における第１，第２の気流の説明図である。
【図３】本発明の実施形態における巻線部の横断面図及び縦断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態における巻線部の縦断面図である。
【図５】図１（ａ），（ｂ）における上部仕切板方向から見た主要部の平面図である。
【図６】本発明の実施形態における下部仕切板にバイパス通気口を形成した場合の、主要部の底面図である。
【図７】本発明の他の実施形態における上部仕切板方向から見た主要部の平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態における上部仕切板方向から見た主要部の平面図である。
【図９】第１の従来技術を示す正面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】特許文献１に記載された第２の従来技術を示す構成図である。
【図１２】特許文献１に記載された第３の従来技術を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は筺体内部に三相の変圧器が配置された変圧器盤を説明するための図であり、図１（ａ）は筺体内部の構造を示す正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は後述する上部仕切板４の上方から見た平面図、図１（ｄ）は後述する第１の気流の説明図である。
【００２４】
図１（ａ），（ｂ）において、筐体１の内部には変圧器２を構成する各相の巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔが並設され、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの軸方向両端部には、上部仕切板４、下部仕切板５がそれぞれ配置されている。なお、６，７はヨーク、８は鉄芯１０（図１（ｄ）参照）の外側に巻かれた一次巻線、９は一次巻線８の外側に巻かれた二次巻線である。
筺体１の上部には、排気ファン２１が配置されている。また、図１（ｂ）に示すごとく、筺体１の前面には主吸気口としての第１吸気口２２が配置され、筺体１の下端部近傍には、前面に副吸気口としての第２吸気口２３が、背面に副吸気口としての第３吸気口２４がそれぞれ配置されている。
図示されていないが、図１（ａ）における筺体１の下端部近傍の左右に、副吸気口としての第４，第５吸気口を更に配置（つまり、筺体１の下端部近傍の四方に副吸気口を配置）しても良い。
【００２５】
図１（ｂ），（ｃ）に示すように、上部仕切板４、下部仕切板５の内部には、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの鉄芯１０との間に仕切板内通気口４ａ，５ａが形成されるように、ほぼ円形の開口部４ｂ，５ｂがそれぞれ設けられている。また、上部仕切板４の後端部と筺体１の内面との間には、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの周囲から排気ファン２１方向に向かう第１の気流（白抜き矢印にて示す）Ｓ１を通過させる端部通気口４ｃが形成されている。
【００２６】
図１（ｄ）は、巻線部の断面構造を示している。なお、この断面構造は全ての巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔに共通している。
図１（ｄ）において、鉄芯１０と一次巻線８との間の隙間１１には絶縁筒１２が配置され、一次巻線８と二次巻線９との間の隙間１３には絶縁筒１４が配置されている。図示するように、図１（ｂ）の第１の吸気口２２から流入した冷却風は、第１の気流Ｓ１となって、主に二次巻線９の外周面を回り込み、前記端部通気口４ｃを介して排気ファン２１方向に流れる。
一方、図１（ｂ）の第２，第３の吸気口２３，２４から流入した冷却風は、第２の気流Ｓ２となって仕切板内通気口５ａから主に巻線部内の隙間１１，１３を通過し、仕切板内通気口４ａを介して排気ファン２１方向に流れる。
【００２７】
ここで、図２は、第１，第２の気流Ｓ１，Ｓ２の作用を説明するための概念図である。
第１，第２の気流Ｓ１，Ｓ２を明確に分離することは難しいが、第１の気流Ｓ１は、二次巻線９の外周面や一次巻線８の外周面、二次巻線９同士の隙間等に沿って流れるため、主に、各巻線８，９を外側から冷却する作用を果たす。これに対して、第２の気流Ｓ２は、その大部分が前記隙間１１，１３を通過するので、主に、鉄芯１０の外周面、一次巻線８の内外周面、二次巻線９の内周面等を効率良く冷却する作用を果たす。
これら第１，第２の気流Ｓ１，Ｓ２は、図１（ｂ）の排気ファン２１の手前で合流し、気流Ｓとして外部に排気されることになる。
【００２８】
図３（ａ）は巻線部の横断面図であり、図３（ｂ）は縦断面図である。
前述した上部仕切板４の開口部４ｂ及び下部仕切板５の開口部５ｂの直径を調整することにより、第２の気流Ｓ２が通過する隙間１１，１３の断面積を調整することができる。
図３（ｂ）は、開口部４ｂ，５ｂの直径を絶縁筒１４の内径に等しくした例である。この例によれば、ヨーク６，７によって遮られる部分を除けば、隙間１１の全部と隙間１３の一部とが第２の気流Ｓ２の流路となり、主として鉄芯１０及び一次巻線８を冷却することができる。
【００２９】
また、図４（ａ）は、開口部４ｂ，５ｂの直径を二次巻線９の内径に等しくした例である。この例によれば、ヨーク６，７によって遮られる部分を除けば、隙間１１，１３の全部が第２の気流Ｓ２の流路となり、主として鉄芯１０及び一次巻線８、並びに二次巻線９の内周面を冷却することができる。
図４（ｂ）は、開口部４ｂ，５ｂの直径を一次巻線８の内径に等しくした例である。この場合、ヨーク６，７によって遮られる部分を除けば、隙間１１の全部が第２の気流Ｓ２の流路となる反面、隙間１３は気流Ｓ２の流路とならない。この例によれば、主として鉄芯１０と、一次巻線８の内周面とを冷却することができる。
図４（ｃ）は、開口部４ｂ，５ｂの直径を絶縁筒１２の内径に等しくした例である。この場合、ヨーク６，７によって遮られる部分を除けば、隙間１１の一部が第２の気流Ｓ２の流路となる反面、隙間１３は気流Ｓ２の流路とならない。この例によれば、主として鉄芯１０の冷却に効果的である。
【００３０】
次に、図５は、図１（ａ），（ｂ）における上部仕切板方向から見た主要部の平面図である。前述したように、上部仕切板４の後端部と筺体１の内面との間に、第２の気流Ｓ２の通路となる端部通気口４ｃが形成されている。なお、図示されていないが、下部仕切板５には端部通気口４ｃに相当する空間は形成されていない。図５では、端部通気口４ｃを巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの並設方向に連続して形成してあるが、後述するバイパス通気口５ｃのごとく、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔにそれぞれ対応させて個別に形成しても良い。
【００３１】
また、図６（ａ），（ｂ）は、図１（ａ），（ｂ）における下部仕切板５にバイパス通気口を形成した場合の、主要部の底面図である。
図１（ａ），（ｂ）に示した構造によると、第２吸気口２３及び第３吸気口２４から流入した冷却風による第２の気流Ｓ２が巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの隙間１１，１３を通過しやすくなるので、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔを内側から冷却する効果が大きい。しかし、第２の気流Ｓ２を利用して二次巻線９を一層集中的に冷却したい場合には、以下に説明するように、下部仕切板５にバイパス通気口を形成することが有効である。
【００３２】
すなわち、図６（ａ）に示すように、巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔにそれぞれ対応させてバイパス通気口５ｃを形成し、底面から見て、各バイパス通気口５ｃが二次巻線９の一部に重なるような位置関係とする。これにより、バイパス通気口５ｃを通過した冷却風が二次巻線９に直接当たるようになり、二次巻線９の冷却を促進することができる。
図６（ｂ）は、図６（ａ）の三つのバイパス通気口５ｃを連続させて単一のバイパス通気口５ｄとした例である。図６（ｂ）によれば、図６（ａ）に比べてバイパス通気口の加工が容易になる。
【００３３】
次に、図７，図８は、本発明の他の実施形態における上部仕切板方向から見た主要部の平面図である。これらの図では、上部仕切板４と筺体１内面との間に形成される端部通気口４ｃにハッチングを付してある。
端部通気口４ｃの面積を変更すれば、第２の気流Ｓ２の風量、風速を調整することができ、これにより、主として巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの背面側の冷却能力を調整することができる。図７，図８は、この端部通気口４ｃの面積を調整するための構造を示したものである。
【００３４】
すなわち、端部通気口４ｃの面積の調整方法としては、図７に示すように、風量調整板１５を筺体１の前後方向にスライドさせて所望の位置に固定可能としたり、あるいは、図８に示すように、一対の風量調整板１６を筺体１の左右方向にスライドさせて、所望の位置に固定可能とする方法がある。
何れにしても、第２の気流Ｓ２に偏りを生じさせないためには、風量調整板１５，１６をスライドさせた後に形成される端部通気口４ｃの平面形状が、中央の巻線部３Ｓを中心として線対称であることが望ましい。
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る冷却装置は、筺体１に収納された変圧器２の上下を上部仕切板４及び下部仕切板５によって区画すると共に、筺体１の内部にその前面下方から流入して巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの周囲を通り、上部仕切板４の後端部の端部通気口４ｃを介して排気ファン２１方向へ流れる第１の気流Ｓ１と、筺体１の下方から流入して仕切板内通気口５ａ，４ａ及び巻線部３Ｒ，３Ｓ，３Ｔの内部を軸方向に通過して排気ファン２１方向へ流れる第２の気流Ｓ２とを発生させ、これら第１，第２の気流Ｓ１，Ｓ２の相乗効果により変圧器２を冷却するものである。
【００３６】
このため、一次巻線８及び二次巻線９の外周面や、各巻線８，９の隙間、鉄芯１０の外周面等をまんべんなく冷却することができ、筺体内部温度の均一化を図ることができる。よって、内部温度が不均一な場合に高温部に合わせて冷却能力や冷却設備を設計する必要がなくなり、オーバースペックの冷却設備に起因するコスト高を招く心配がない。
また、上部仕切板４及び下部仕切板５によって冷却風の拡散を防止できるため、冷却風を無駄なく利用して変圧器２を高効率で冷却することができる。
更に、第２の気流Ｓ２によって二次巻線９を下方から集中的に冷却できるため、従来技術のように多数の付属ファンを配置する必要がなく、低コスト化や変圧器盤の小型化に寄与すると共に、組立作業やメンテナンス作業の容易化が可能である。
【００３７】
加えて、図４〜図８に示したように、巻線部における第２の気流Ｓ２が通過する流路の断面積（仕切板内通気口４ａ，５ａの内径）、上部仕切板４の後端部に形成される端部通気口４ｃの面積、及び、下部仕切板５に形成されるバイパス通気口５ｃ，５ｄの面積等を適宜調整することにより、筺体１の形状や容積、巻線部の数（相数）、排気ファン２１の冷却能力等に応じて、最適かつ効率的な冷却装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、変圧器盤単体だけでなく、変圧器盤と半導体電力ユニット及びその制御装置等を一体化した電力変換装置にも利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１：筐体 
２：変圧器
３Ｒ，３Ｓ，３Ｔ：巻線部 
４：上部仕切板
４ａ：仕切板内通気口
４ｂ：開口部
４ｃ：端部通気口
５：下部仕切板
５ａ：仕切板内通気口
５ｂ：開口部
５ｃ，５ｄ：バイパス通気口
６，７：ヨーク 
８：一次巻線
９：二次巻線
１０：鉄芯
１１，１３：隙間
１２，１４：絶縁筒
１５，１６：風量調整板
２１：排気ファン
２２：第１吸気口（主吸気口）
２３：第２吸気口（副吸気口）
２４：第３吸気口（副吸気口）
Ｓ１：第１の気流
Ｓ２：第２の気流
Ｓ：気流
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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