JP6163835B2 - 冷却フィンおよび該冷却フィンを具備する電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却フィンおよび該冷却フィンを具備する電力変換装置に関する。

一般に電力変換装置は、入力変圧器、該変圧器の二次側に接続してインバータ回路を構成する複数台の単位インバータユニット、および、制御部を個別に分けて独立した閉鎖盤に収納した列盤で構成される。例えば、下記特許文献１に示される電力変換装置は、変圧器盤１には入力変圧器４を、変換器盤２には上下段に並ぶ複数台（図示例は６台）の単位インバータユニット５を、制御・出力盤３には制御部６，出力ケーブル７を個別に収納している。

また、変圧器盤１および変換器盤２は、盤の天井部に冷却ファン８，９を設置しており、変換器盤２については、盤の前面扉２ａに開口したフィルタ付きの吸気口２ａ−１を通じて盤内に取り込んだ外気(冷却空気)を各インバータユニット５に導風し、その排気空気を盤内の後部側に画成した風胴１０から冷却ファン９、該冷却ファン９に接続した排気ダクト（図示せず）を通じて系外に放出するようにしている。

また従来、インバータユニット内に半導体モジュール／素子を空冷するために冷却フィンを設け、該冷却フィンを強制空冷によって冷却する場合、任意の一面から空気を吸気し、冷却フィン内を空気が通過し、暖まった空気をその反対側の面より排出する構造を採用するようにしている。

図８は、市販されている従来の可変速駆動変換機盤の全体構成を示す図である。すなわち図８(ａ)は、変換機盤の全体構成を示す正面図であり、図８(ｂ)は、図８(ａ)に示す変換機盤の全体構成を示すＡ−Ａ部から見た側断面図である。

図８(ａ)及び(ｂ)に示されるように変換機盤２には、通常、棚段(図示せず)が複数設けられ、該棚段に図９に示されるようなユニット３が搭載される。そして変換機盤２の上面には換気ファン１が載置されるとともに、変換機盤２の内部は複数個のユニット３が棚段上に任意に配置されている。

各ユニット３内部には、図９に示すように冷却フィン４、風洞５、半導体モジュール／素子６および(円筒型)コンデンサ７が配置されている。換気ファン１が動作することによって変換機盤２内部において強制的に空気の流れ(図中、空気の流れを矢印で示す)が発生し、図８(ｂ)に示すような冷却フィン４を通り、風洞５を経て換気ファン１に抜ける空気の流れが生じる。強制的な空気の流れは、半導体モジュール／素子６で生じる電力変換時に発生する電力損失による発熱を強制空冷し、外部へ熱を逃がす構造とするためである。

図１０は、ユニット内部における空気流れの概略を示す図であって、図１０(ａ)は、ユニット３の内部を示す平面図であり、図１０(ｂ)は、図１０(ａ)に示すユニットの内部の構成を示すＢ−Ｂ部から見た側断面図である。

図１０(ａ)及び(ｂ)に示されるようにユニット３内部に設けられた冷却フィン４の前面側に設けられている吸気口８を通過した外気がユニット３内部の冷却フィン４および風洞５を通じて排気されるまでの空気の流れを矢印で示したもので、図１０(ｂ)に示したように風下（排気）が風上（吸気）より温度が高くなる。

この場合、換気ファン１が動作することによって、ユニット３内部では吸気口８から外部空気が吸気され、それが冷却フィン４内部を通過し、風洞５に流れ、風洞５から換気ファン１へと排気される。

半導体モジュール／素子６は冷却フィン４上部表面に複数個配置されており、半導体モジュール／素子６から発生した熱は熱伝達によって冷却フィン４内部に伝達され、伝達された熱が強制空冷によって冷却される。

このような冷却フィン４を採用した強制空冷による冷却方式では、図１０(ｂ)に示されるように複数個配置されている半導体モジュール／素子６から発生した熱が、冷却フィン４内部の空気の流れの下流側（排気側）ほど上流側（吸気側）の熱の影響を受けやすく、同じ冷却フィン４上に配置されていても局所的に温度が高くなる箇所が発生してしまうという問題がある。また主回路によっては半導体モジュール／素子６の電力変換時に発生する電力損失量の偏りが生じ、やはり局所的に高温箇所が発生してしまう。半導体モジュール／素子６の配置、電力変換時に発生する電力損失量の偏りは、外部インターフェースとの接続、製品仕様との関係で制約があり、その制約条件で配置位置が定まってしまう。

半導体モジュール／素子６による温度の偏りの問題は、局所的に温度が高くなることであり、それを解消するには、（イ）変換機盤２の上面に設けている換気ファン１のスペックを上げる(全体の風量を増加させて風速を上げる)、（ロ）冷却フィン４の熱抵抗を下げるために形状を拡大する(空気との接触面積を増やす)、といった対策をとる必要があった。

そのような対策をとると、確かに、局所的に温度が高い箇所に対しては有効となるが、その一方で、局所的には温度が高くならないその他の箇所では、過剰装備となってしまい、変換機盤全体として効率が悪くなり、コストの増加、装置全体の大型化を招いていた。

特開２００７-１７４８５１号公報（図６）

従来の冷却フィンによる強制空冷方式では、冷却フィン内の空気は一定方向に一定風速での空気の流れ(層流)であった。そして半導体モジュール／素子(発熱体)の配置は外部機器とのインターフェースの関係によって制約があり、フィン上の温度分布は局所的に上昇する箇所が発生するのを防ぐ対策が十分にとれているとは言えなかった。すなわち、局所的な温度上昇は結果的に装置全体の熱問題のボトルネックとなり、そこを冷却するために以下のような対策が必要となっていた。
(イ)換気ファンのスペックを上げて冷却フィンが吸気する空気の絶対量を増加させる。
(ロ)冷却フィン形状を拡大し、熱の放熱性を向上させる。
(ハ)冷却フィンの材質を放熱性の高い素材に変更する。
(ニ)乱流効果による熱冷却性を高めるために、フィン形状を複雑にする(フィン内の風流部に突起を追加する)。

上記(イ)〜（ニ）のような対策を講じると、コストが増大し、且つ装置全体が大型化するという問題があった。
そこで本発明の課題は、冷却フィンの特定の箇所の温度低減を可能とする冷却フィンを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、冷却フィンを収納するユニットの前面に設置した吸気口に加えて、上記冷却フィン上の側面に局所的に温度が上昇する箇所の近傍に複数の吸気口を設置したことを特徴とする。

また上記において、冷却フィンを収納するユニットの底面に吸気口を設置したことを特徴とする。
また上記において、冷却フィンに切り欠きを設け、該切り欠き部を介して上記冷却フィン内に新たな風の流入部を形成したことを特徴とする。

さらに上記において、冷却フィンを収納するユニットの底面に吸気量と吸気口位置を調整する調整板を設置したことを特徴とする。

本発明によれば、同じ冷却フィン内でも発熱体の配置位置によって温度を局所的に下げたい箇所を調整することができ、また、冷却フィン内での風速(もしくは風量)を局所的にコントロールすることができる。

さらに風道を新たに設置する必要が無く、既存の装置内に配置される冷却フィンの周辺に吸気口を設置するだけで意図する箇所(発熱体の手前)から冷却フィン内に冷却された空気を取り込むことが可能となる。

また、底面に設けた吸気口調整機能で素子配置、冷却フィンの形状変更に伴い吸気口の形状を変更して対応することが可能となり、製品シリーズ、製品容量ごとでの部品互換性を保つことができる。

本発明の実施形態１に係る冷却フィンの構造を示す図である。 本発明の実施形態１に係る冷却フィンによる作用を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る冷却フィンを内蔵するユニットの底面図である。 図３Ａに示したユニットの底面に装着して吸気量と吸気口位置を調整する本発明の実施形態に係る調整板の構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る調整板の装着の様子を示す図である。 本発明の実施形態に係る調整板を可変して生じる吸気口のパターン例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る冷却フィンの構造を示す図である。 本発明の実施形態２に係る冷却フィンによる作用を説明する図である。 従来から知られている可変速駆動変換機盤の全体構成を示す図である。 図８に示す変換機盤の内部に搭載されるユニットの構成を示す図である。 図９に示すユニット内部における空気流れの概略を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る冷却フィンの構造を示す図である。また図２は、本発明の実施形態１に係る冷却フィンによる作用を説明する図である。

図１及び図２において、本発明の実施形態１に係る冷却フィンは、フィン前面側の吸気口のみならず新たにフィン前面からフィン後面の途中の任意の側面又は底面に複数の吸気口を設け、全ての吸気口から同時に吸気することができるように構成したものである。

すなわち、図１(ａ)，(ｂ)及び図２(ａ)，(ｂ)では、冷却フィン４に対し、フィン前面側の吸気口８のみならず、新たにフィン前面からフィン後面の途中の任意の側面に複数の吸気口９を設け、さらに、フィン前面からフィン後面の途中の任意の底面に設けた吸気口１０を設けて、吸気口９及び１０から新たに吸気される空気を冷却フィン４の上流側と下流側の間で取り込めるように構成したものである。

そのため、冷却フィン４の前面から後面の途中の任意の側面又は底面に設けた吸気口９及び１０からも吸気できることによって、冷却フィン４内部の任意の箇所から外部の新しい空気を吸気することで、空気の流れ方向の違い、すなわち一方は吸気口８から背面側に向かう空気と、これと直角方向に吸気口９及び１０から吸気される空気とによる二種類の空気流れベクトルによる衝突によって乱流が発生し、吸気口を配置した部分における冷却フィン４内部の風流の上流側からの熱の影響を受けない吸気が可能となる。

このように本実施形態では、冷却フィン４の前面から後面の途中の任意の側面又は底面に吸気口を設けることによって、外気からの吸気された空気の流れベクトルによって乱流を発生させるため、冷却フィン４として標準的に使用されるものを使用可能であり、コスト増大にはつながらないで、従来の冷却フィン内部より遥かに温度を低減させることができる。また吸気口９及び１０の追加は、冷却フィン４の前面から後面の途中の任意の側面又は底面に吸気口を設けてその箇所から新しい空気の流れを作り出すため、風道を設置することなく温度を低減させることできる。

なお乱流を発生させるための従来技術は、空気の流れる面を凹凸にする方法や空気の流れがランダム方向になるように形状を複雑化する方法といった対策をとる必要があり、そのために冷却フィン４を特殊形状にするためにコストが掛かっていた。

図３Ａは、ユニット３を底面から見た底面図であり、ユニット３の底面には、間隔をあけて幅広の吸気口用の孔と幅狭の吸気口用の孔を配置している。また図３Ｂは、図３Ａの底面に配置された吸気口用の孔の大きさを可変することができる調整板１１の構造を示す図であり、調整板１１には複数の調整用の孔(２個の略正方形の孔と２個の長方形の孔)１２と、調整板１１をユニット３内で移動可能にするスリット状のスライド孔１３が設けられている。

図４は、図３Ａに示したユニット３の底面に、図３Ｂに示した調整板１１を装着した様子を示す図である。図４においては、図３Ｂに示した調整板１１を底面側からユニット３にあてがって底面に設けた吸気口１０が所望の大きさになる位置でスライド孔１３が固定するように固定用ネジ１４で締着する。調整板１３の位置を可変して底面に設けた吸気口１０の大きさを可変したければ固定用ネジ１４の締着を緩めて移動し、所望の位置で再び締着する。そうすることで調整板１１を図４に右側に示す太矢印方向に移動させてユニット３の底面に設けた吸気口１０の大きさを可変することができる。ユニット３の底面に設けた吸気口１０の大きさを可変するということは、吸気口１０から吸気する外気の量を可変できることを意味している。

図５は、ユニット３の底面に設けた吸気口の大きさを可変したときのパターンを示す図である。すなわち、図５のパターン１では、固定用ネジ１４の一列目がスライド孔１３の上端で締着されたときのもので、図４に示した位置と同じである。この場合は、幅狭の吸気口用の孔が完全に開かれ、また幅広の吸気口用の孔は、調整板１１に設けられた２つの略正方形の孔の上側１／２ほどが開かれる。

図５のパターン２では、固定用ネジ１４の一列目がスライド孔１３の上端より少し下がった位置で締着されたときのもので、この場合は、幅狭の吸気口用の孔は完全に塞がれるが、幅広の吸気口用の孔は調整板１１に設けられた２つの略正方形の孔が全開された状態になる。

図５のパターン３では、固定用ネジ１４の一列目と二列目がスライド孔１３の上端及び下端で略均等位置で締着されたときのもので、この場合は、幅狭の吸気口用の孔は完全に塞がれ、また幅広の吸気口用の孔は、調整板１１に設けられた２つの略正方形の孔の下側１／２ほどが開かれる。

図５のパターン４では、固定用ネジ１４の一列目がスライド孔１３の略中間の位置で締着されたときのもので、この場合は、幅狭の吸気口用の孔は完全に塞がれ、また幅広の吸気口用の孔も完全に塞がれた状態になる。

図５のパターン５では、固定用ネジ１４の一列目がスライド孔１３の略中間より少し下方の位置で締着されたときのもので、この場合は、幅狭の吸気口用の孔は、調整板１１に設けられた２つの略正方形の孔の上側１／２ほど開かれるが、幅広の吸気口用の孔は、調整板１３によって完全に塞がれた状態になる。

図５のパターン６では、固定用ネジ１４の二列目がスライド孔１３の下端で締着されたときのもので、この場合は、幅狭の吸気口用の孔は調整板１１に設けられた２つの略正方形の孔の下側１／２ほど開かれ、幅広の吸気口用の孔は、調整板１１に設けられた２つの長方形の孔の分だけ開かれる。

このように調整板１１の位置を固定用ネジ１４の締着位置をスライド孔１３に沿ってずらすことで、調整板１１に設けられた、２個の略正方形の孔及び２個の長方形の孔と、ユニット３の底面に設けた、幅狭の吸気口用の孔及び幅広の吸気口用の孔の大きさを可変できるので、冷却フィン内部の放熱状況に応じて自由に変化させることができる。つまり、冷却したい部分の位置や吸気したい量によって、底面に設ける吸気口の位置及び形状を上述した各種パターンの中から最適なものを選ぶことが肝要である。例えば、パターン１は調整板１１の位置を前面側に設定することで底面に設ける吸気口の形状が小さくなるため局所的な冷却を行わせるために好適であり、またパターン２は底面に設ける吸気口の形状が大きくなるため吸気量が多くなり広い範囲の冷却を行わせるのに有効である。

なお冷却フィンとしては図示していないが、プレート型、ピン型、中空フィンなどの公知のものを採用することができる。底面側から吸気する場合、板状のフィン(例えば、プレート型、中空フィン)はフィン間から風を流入して吸気を行わせるようにする。
［実施形態２］
図６は、本発明の実施形態２に係る冷却フィンの構造を示す図である。また図７は、本発明の実施形態２に係る冷却フィンによる作用を説明する図である。

図６及び図７において、本発明の実施形態２に係る冷却フィンは、上述した本発明の実施形態１に係る冷却フィンと同様に、フィン前面側の吸気口のみならず新たにフィン前面からフィン後面の途中の任意の側面又は底面に複数の吸気口を設け、全ての吸気口から同時に吸気することができるように構成したものである。

すなわち、図６(ａ)，(ｂ)及び図７(ａ)，(ｂ)では、フィン前面からフィン後面の途中の任意の側面に複数の吸気口９を設け、さらに、冷却フィン４の風の流入部に切り欠きを設けてその箇所から外気を内部に吸気するよう構成したものである。なお、フィン前面からフィン後面の途中の任意の底面に設けた吸気口１０を設けている。吸気口１０から吸気された外気は、上述した冷却フィン４に設けた切り欠き部を介して外気を内部に吸気することとなる。

こうすることで上述した本発明の実施形態１に係る冷却フィンと同様に、冷却フィン４の前面から後面の途中の任意の側面又は底面に設けた吸気口９及び１０からも吸気できることによって、冷却フィン４内部の任意の箇所から外部の新しい空気を吸気することで、空気の流れ方向の違いによって空気間の衝突が発生して、結果として乱流が起こり、吸気口を配置した部分における冷却フィン４内部の風流の上流側からの熱の影響を受けない吸気が可能となる。結果、従来の冷却フィン内部より遥かに温度を低減させることができる。また吸気口９及び１０の追加は、冷却フィン４の前面から後面の途中の任意の側面又は底面に吸気口を設けてその箇所から新しい空気の流れを作り出すため、風道を設置することなく温度を低減させることできる。

なお冷却フィンとしては、上述した本発明の実施形態１に係る冷却フィンと同様に、プレート型、ピン型、中空フィンなどの公知のものを採用することができる。冷却フィンとしてピン型フィン(フィンが板状で無く、複数の円柱又は角柱から構成されるタイプ)は、上記した切り欠きを設ける必要はなく、単にフィン前面からフィン後面の途中の任意の側面に複数の吸気口９を設けるのみで対応が可能である。

３ ユニット
４ 冷却フィン
５ 風洞
６ 半導体モジュール／素子
８ 吸気口（フィン前面側）
９ 吸気口（フィン側面側）
１０ 吸気口（フィン底面側）
１１ 調整板
１２ 調整板内に設けた孔
１３ スライド孔
１４ 固定用ネジ

Claims (8)

1. 冷却フィンを収納するユニットの前面に設置した吸気口に加えて、前記ユニットの側面および底面に局所的に温度が上昇する箇所の近傍に複数の吸気口を設置し、前記ユニットの底面に吸気量と吸気口位置を調整する調整板を設置したことを特徴とする冷却フィン。
2. 前記冷却フィンに切り欠き部を設け、該切り欠き部を介して前記冷却フィン内に新たな風の流入部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の冷却フィン。
3. 前記調整板は、前記ユニットの長辺と平行に設けたスリット上を移動可能にして、前記冷却フィンの底面に設けた複数の吸気口の開口を可変することを特徴とする請求項１に記載の冷却フィン。
4. 前記調整板を前記スリット上で移動させて前記ユニットの底面に設けた複数の吸気口の開口が可変するパターンを複数備えることを特徴とする請求項３に記載の冷却フィン。
5. 前記調整板は、前記冷却フィンの形状に沿う前記スリットの内側で、間隔を空けて形成された複数の孔をセットで有し、該孔の形状を異ならせたことを特徴とする請求項３または４に記載の冷却フィン。
6. 前記調整板は、前記スリットの所定位置で仮止めする仮止め部材によって仮止めされることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一項に記載の冷却フィン。
7. 前記仮止め部材は、前記ユニットに圧接して位置を固定する複数個のネジで構成され、該ネジは２個一組で複数セット備えていることを特徴とする請求項６に記載の冷却フィン。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷却フィンと、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の冷却フィンをユニットに収納して変換機盤の複数の棚段に載置するとともに該変換機盤の上面に換気ファンが載置される変換機盤を有して成る電力変換装置。