(57)【要約】【課題】電力変換装置の複数の構成要素を直列に配列して通風冷却を行う場合に、複数の構成要素をほぼ均等に冷却することのできる電力変換装置の冷却装置を提供する。【解決手段】両端に冷却空気の出入り口となる開口を有し、一方端から他方端に向かって冷却空気の強制貫流が可能に構成された筒状の区画室を備え、この区画室内に電力変換装置を構成する複数の構成素子を、前記冷却空気の流れ方向に直線的に直列に並べて配置し、前記区画室内を貫流する冷却空気により前記構成要素を冷却するようし、前記区画室の底壁の下側に隣接してこれと平行して延び、前記冷却空気の通流可能にした通風空間を設け、前記複数の構成要素を前記区画室の底壁上に直線的に適宜の間隔をおいて直列に配置し、この底壁の前記各構成要素の前方に近接してそれぞれ前記通風空間に連通する通風口を設ける。【選択図】図２
2016116328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端に冷却空気の出入り口となる開口を有し、一方端から他方端に向かって冷却空気の強制貫流が可能に構成された冷却風洞となる区画室を備え、この区画室内に電力変換装置を構成する複数の構成素子を、前記冷却空気の流れ方向に直線的に直列に並べて配置し、前記区画室内を貫流する冷却空気により前記構成要素を冷却するものにおいて、前記区画室の底壁の下方に隣接してこれと平行に延び、前記冷却空気の通流する通風空間を設け、前記複数の構成要素を前記区画室の底壁上に直線的に適宜の間隔をおいて直列に配置し、この底壁の前記各構成要素の前方に近接してそれぞれ前記通風空間に連通する通風口を設けたことを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
【請求項２】
前記区画室の底壁に、前記通風口の後端から前記通風空間内に延びた通風案内片を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の冷却装置。
【請求項３】
前記通風案内片は、前記冷却空気貫流方向の上流側に向かって下降するように傾斜させたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置の冷却装置。
【請求項４】
前記各通風案内片は、前記冷却空気の貫流方向の上流から下流に向うほど長さを長くした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の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却空気の貫流可能な構成の区画室とこれに隣接する冷却空気の貫流不能な構成の区画室とを仕切る仕切り壁を絶縁性の仕切り壁で構成し、前記冷却空気の貫流可能な構成の区画室に収容された構成要素の接続端子を、前記絶縁性隔壁を貫通して前記冷却空気の貫流不能な構成の区画室内に露出させ、この冷却空気の貫流不能な構成の区画室内で必要な電気的接続を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電力変換装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータ等の電力変換装置を構成する要素の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置においては、特に、発熱量の大きい構成要素は、温度上昇を抑えるために冷却空気を送風して冷却するのが一般的である。この場合、電力変換装置の直流中間回路の平滑コンデンサに使用される電解コンデンサのように多数個備える構成要素は、例えば、特許文献１に示されるように冷却空気の通風される風洞内に通風方向に１列または複数列に直線的に配列される場合がある。
【０００３】
図６および図７に、特許文献１に示された従来の冷却装置を備えた電力変換装置の例を示す。図６は、電力変換ユニット５０の外観を示し、図７は、このユニット５０を本体容器５ａ内に組み込んで構成した電力変換装置５を示すものである。
【０００４】
電力変換ユニット５０は、図６に示すように、給水管５１ａ，５１ｂから供給される冷却水で冷却される水冷冷却体５１を備える。この冷却体５１に連接して冷却空気を案内する筒状の冷却風洞５５が設けられている。この冷却風洞５５には、これを貫通して電力変換装置の主要構成素子である複数のコンデンサ５６が挿入され、冷却される。冷却風洞５５の一方端には、図７に示すように熱交換器５８と冷却ファン５９とで構成された冷却器５７が結合され、風洞５５内に冷却空気を送る。また、冷却体５１の風洞の結合された面と反対の面には、整流回路やインバータ回路等の電力変換装置の主回路を構成する、半導体整流素子や半導体スイッチ素子をモジュール化して構成した半導体モジュール素子５２が結合される。
【０００５】
このように構成した従来の電力変換装置における主回路を構成する半導体モジュール素子５２は、水冷された冷却体５１で効果的に冷却される。
【０００６】
そして、コンデンサ５６の挿入された冷却風洞５５には冷却器５７から熱交換器５８で熱交換され低温度となった冷却空気が送風される。この冷却空気は風洞５５内を図７に矢印で示すように貫流し、他方端から容器５ａ内に流出する。流出した冷却空気は、容器５ａ内を、風向案内板６１などに案内されて、再び冷却器５７に戻り、風洞５５内に送られ、容器５ａ内を、風洞５５を通して循環する。冷却空気が風洞内を貫流する過程でコンデンサ５６が冷却される。
【０００７】
このように、従来の電力変換装置においては、発熱量の大きい構成要素である半導体モジュール素子５２やコンデンサ５６は、冷却体５１および冷却風洞５５によって効果的に冷却され、所定温度に保たれる。
【０００８】
しかしながら、複数設けられたコンデンサ５６は、電力変換装置５の全体のスペース等の関係から、風洞５５内に直線的に１列に並べて配置される。このように複数のコンデンサ５６を直列配置すると、風洞５５内の冷却空気の流れに対して最前段に配置されたコンデンサは、冷却ファン５９に直面するため、ほぼ胴部の半周面に冷却空気が当たり、良好に冷却される。しかし、冷却器５７の冷却ファン５９から送られる冷却空気は最前段のコンデンサにより風洞の両側に分れて流れ、各コンデンサの間にはほとんど流れない。そのため、２段目以降の下流側の各コンデンサは、冷却空気と接触する面積が小さくなるので、冷却効果が低下する。このように複数のコンデンサを直線的に直列に配列した場合、全体を均一に冷却することが困難となる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−１０５４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、前記した従来の電力変換装置の問題を解決するため、電力変換装置の複数の構成素子を直列に配列して通風冷却を行う場合に、複数の構成素子をほぼ均等に冷却することのできる電力変換装置の冷却装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決するため、この発明は、両端に冷却空気の出入り口となる開口を有し、一方端から他方端に向かって冷却空気の強制貫流が可能に構成された冷却風洞となる区画室を備え、この区画室内に電力変換装置を構成する複数の構成素子を、前記冷却空気の流れ方向に直線的に直列に並べて配置し、前記区画室内を貫流する冷却空気により前記構成要素を冷却するものにおいて、前記区画室の底壁の下方に隣接してこれと平行に延び、前記冷却空気の通流する通風空間を設け、前記複数の構成要素を前記区画室の底壁上に直線的に適宜の間隔をおいて直列に配置し、この底壁の前記各構成要素の前方に近接してそれぞれ前記通風空間に連通する通風口を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
この発明においては、前記区画室の底壁に、前記通風口の後端から前記通風空間内に延びた通風案内片を設けることができる。また、この通風案内片は、前記冷却空気貫流方向の上流側に向かって下降するように傾斜させるのがよく、そして、前記各通風案内片は、前記冷却空気の貫流方向の上流から下流に向うほど長さを長くするのが、さらによい。
【００１３】
また、この発明においては、前記冷却空気の貫流可能な構成の区画室とこれに隣接する冷却空気の貫流不能な構成の区画室とを仕切る仕切り壁を絶縁性の仕切り壁で構成し、前記冷却空気の貫流可能な構成の区画室に収容された構成要素の接続端子を、前記絶縁性隔壁を貫通して前記冷却空気の貫流不能な構成の区画室内に露出させ、この冷却空気の貫流不能な構成の区画室内で必要な電気的接続を行うようにすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、複数の構成要素が、直線的に直列に並べて配置された通風路の底壁の下方に隣接して通風空間を設け、底壁の前記各構成要素の前方に、それぞれ前記通風空間に連通する通風口を設けている。これにより、通風路の底壁上に配置された各構成要素間の空間に通風空間から冷却空気が流入するようになる。その結果、全構成要素の冷却空気との接触面積が拡大し、全体の冷却効果が高まるとともに、複数の構成要素を配置位置に関係なく均等に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明に使用する電力変換ユニットの実施例の外観を示す斜視図。
【図２】この発明に使用する電力変換ユニットの実施例の縦断面図。
【図３】この発明に使用する電力変換ユニットの実施例の横断面図。
【図４】この発明による電力変換ユニットの通風路の底壁部分を示す部分斜視図。
【図５】この発明による電力変換ユニットを組み込んで構成した電力変換装置の実施例を示す縦断面図。
【図６】従来の電力変換ユニットの外観を示す斜視図。
【図７】従来の電力変換ユニットを組み込んだ電力変換装置の横断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。
【実施例】
【００１７】
図１〜図５にこの発明の電力変換装置の実施例を示す。
【００１８】
図１において、１０は、電力変換ユニットである。このユニット１０の本体を構成する容器１１の前面側に、交流電源に接続するための入力端子１２と負荷へ接続するための流出力端子１３が設けられている。容器１１内には、電力変換装置を構成する多くの構成要素が収納される。
【００１９】
また、容器１１の内部は、図２に示すように仕切り壁１８，１９によって３段に仕切られている。仕切り壁１８，１９によって３段に仕切られた上、下段は、区画室１４および１６である。区画室１４および１６は、冷却空気が貫流可能となるように両端に冷却空気の出入り口となる開口１４ａ、１４ｂおよび１６ａ、１６ｂを備えた冷却風洞として形成されている。中段の区画室１５は、少なくとも一方端が閉じられ、冷却空気の貫流が不能に構成されている。
【００２０】
冷却空気の貫流可能な風洞を形成した区画室１４には、図３に示すように、構成要素として９個の平滑用電解コンデンサ１７が収納され、相互に適宜の間隔を置いて直線的に３段、３列に配置されている。これらのコンデンサ１７は取付具１７ｂを介して区画室１４の底壁１４ｃ上に取付けられ、固定される。そして、コンデンサ１７の上端に設けた接続端子１７ａは、区画室１４と区画室１５とを仕切る仕切り壁１８を貫通して、区画室１５内に露出する。
【００２１】
容器１１は、全体が、鋼板等の金属板で構成され、導電性を有するが、仕切り壁１８は、導電性を有しない絶縁性合成樹脂薄板等の絶縁性薄板よって構成されている。このため、仕切り壁１８を貫通するコンデンサの接続端子１７ａと仕切り壁１８との絶縁距離はほとんど考慮する必要がない。そして、コンデンサ１７の接続端子１７ａの突出する上端面を仕切り壁面に接触して取付けることができるので、コンデンサ１７の胴部全体を冷却空気の貫流可能な区画室１４に収めることが可能となる。
【００２２】
電力変換器の主回路を構成する半導体整流素子や、半導体スイッチ素子をモジュール化した半導体モジュール素子２１は、その接続端子２１ａを含めて、冷却空気の貫流不能な構成の区画室１５に収容される。これらを冷却するために結合された冷却フィン付の冷却体２２は、仕切り壁１９を貫通して、冷却空気の貫流可能に風洞となる区画室１６内に収容される。
【００２３】
区画室１５内において、モジュール素子２１の端子２１ａとコンデンサ１７の端子１７ａとがバー導体で構成された主回路接続導体２３で相互に電気的に接続される。これにより、電力変換回路が構成される。容器１１の前面に設けた入力端子１２と出力端子１３は、保護開閉器２４を適宜に介して接続導体２５により、区画室１５内に引き込まれ、電力変換回路の入出力端に接続される。区画室１５には、さらに、バイパスユニット２６が収容され、接続導体２７により電力変換回路の出力端に接続される。バイパスユニット２６は、電力変換ユニットに故障が生じた場合にこの電力変換ユニットをバイパス（短絡）して他の正常なユニットだけで運転を継続するためのものである。
【００２４】
さらに、本体を構成する容器１１は、下端にベースフレーム２８を結合している。このベースフレーム２８は、両端が解放され、コンデンサ１７の収容された区画室１４の下方に冷却空気の通流可能な通風空間２９を形成する。そして、区画室１４のコンデンサ１７を支持する底壁１４ｃには、各コンデンサ１７の冷却空気の貫流する方向に対して前方にそれぞれ通風空間２９に連通する通風口１４ｄを設けている。そして、底壁１４ｃをベースフレーム側から見た構成を示す図４を参照するとより明確になるが、各通風口１４ｄの先端側（冷却空気の貫流方向の下流側端）に底壁板１４ｃを通風空間２９側へ切り起こして通風案内片１４ｅを形成している。通風案内片１４ｅは、通風空間２９を通流する冷却空気を上方の区画室１４へ案内するものであり、冷却空気の貫流方向に対して上昇するように傾斜している。また、通風空間２９から各通風口１４ｄを通して区画室１４へ案内される冷却空気の流量を均等にするために各通風案内片１４ｅの長さは、冷却空気の貫流方向の下流側に位置するほど長くなっている。
【００２５】
このように構成した電力変換ユニット１０は、三相の各相毎に複数台を一組として、図７に示すように高圧盤１０に多段に重ねて収容される。例えば、電力変換ユニット１０の電圧定格が１ｋＶである場合、各相毎に５台の電力変換ユニット１０の出力端子を互いに直列接続して使用すると、６ｋＶの電圧を出力することが可能となる。
【００２６】
電力変換装置１の筐体１ａには、前面側にフィルタ１ｂで覆われた吸気口１ｃを設け、背面側に３個の電力変換ユニット１０に共通に通風路１ｄを設ける。そして、通風路１ｄの天井壁に排気口１ｅを開口し、ここに吸引型の冷却ファン１ｆを設ける。
【００２７】
冷却ファン１ｆを駆動することにより、前面の吸気口１ｃからフィルタ１ｂを通して外気が筐体１ａ内に吸気される。フィルタ１ｂを通過する過程で外気に含まれる塵埃の大部分は除かれるが、完全に除くことはできないので吸気された外気に微細な塵埃が僅かに残る。
【００２８】
筐体１ａに吸気された外気は冷却空気として筐体１ａ内を実線矢印で示すように貫流して排気口１ｅから排出される。
【００２９】
各電力変換ユニット１０においては、図２にも示すように、本体容器１１の上、下に設けられた冷却空気の貫流が可能な風洞となる区画室１４、１６が筐体１ａの通風路１ｄと連通している。冷却空気は、この区画室１４、１６を貫流する。この区画室を貫流する冷却空気によりここに収容された構成要素であるコンデンサ１７、および半導体モジュール素子２１の冷却体２２が強制冷却される。
【００３０】
しかし、区画室１４、１６に収容された構成機器には絶縁処理が施されているので、これらの表面に微細粉塵が付着しても絶縁障害は発生しない。
【００３１】
主回路を構成する接続導体２３、２５、２７は中段の区画室１５に収容されている。区画室１５は後端側が閉塞され、冷却空気の貫流が不能に構成されているため、冷却空気は貫流しない。このため、主回路を構成する接続導体には、冷却空気中に含まれる微細塵埃が付着することがほとんどなく、塵埃堆積による絶縁障害の発生が抑えられる。したがって、この区画室１５は、電気的絶縁性能を維持するために必要な最小の空間とすることができる。
【００３２】
この結果、この発明の電力変換ユニットにおいては、外気を取り入れた冷却空気を貫流して強制冷却を行っても、絶縁障害なしに長期間安定して運転することができる。
【００３３】
このように電力変換装置１において強制通風冷却が行われた場合、各電力変換ユニット１０内には、図２および図３に実線矢印および点線矢印で示すように冷却空気が貫流する。特に、コンデンサ１７を収容した区画室１４には、その外に隣接する通風空間２９から、底壁１４ｃの各コンデンサ１７の間に設けた通風口１４ｄを通してコンデンサ１７相互間の空間に点線矢印で示す冷却空気が流入する。この冷却空気は、図２、図３に点線矢印で示すように各コンデンサ１７間の空間を流れるので、この冷却空気により前後に並ぶコンデンサ１７の前後面および側面を冷却することができる。これにより、区画室内１４の２段目以降に配列されたコンデンサ１７の冷却が良好に、かつ均等に行われるようになる。
【００３４】
この通風空間２９からの冷却空気による冷却がより効果的になるように、底壁板１４ｃに通風口１４ｄから通風空間２９側への斜めに延びた通風案内片１４ｅを設ける。この通風案内片１４ｅにより、各コンデンサの間の空間に流入する冷却空気の量を増大することができる。そして、各通風案内片１４ｅの長さを、冷却空気の貫流方向の上流側より下流側が長くなるようにするのがよい。このようにすると、各コンデンサの間に流入する冷却空気の量が均等化され、全コンデンサの冷却がより均等に行われるようになる。
【００３５】
なお、この発明おいては、電力変換ユニットを単体で使用することもできる。その場合は、本体容器の排気口の設けられている側に吸引型の冷却ファンを直接取り付けて、容器内部に冷却空気を強制貫流して冷却を行う。
【符号の説明】
【００３６】
１０：電力変換ユニット
１１：本体容器
１２：入力端子
１３：出力端子
１４、１６：冷却空気の貫流可能な区画室
１５：冷却空気の貫流不能な区画室
１７：コンデンサ
１８：絶縁性の仕切り壁
１９：仕切り壁
２１：半導体モジュール素子
２２：冷却体
２３、２５、２７：接続導体
２４：保護開閉器
２６：バイパスユニット
２８：ベースフレーム
２９：通風空間
【図１】
2016116328.tif 000003
【図２】
2016116328.tif 000004
【図３】
2016116328.tif 000005
【図４】
2016116328.tif 000006
【図５】
2016116328.tif 000007
【図６】
2016116328.tif 000008
【図７】
2016116328.tif 000009