JP2017158413A - 密閉容器および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を、他の構成部品から熱的に隔離して収納する密閉容器において、該密閉容器に収納された構成部品から発せられる熱を外部に効果的に放出する。【解決手段】内部に発熱体を収納する密閉空間を形成する筐体の内側に、該筐体の外壁の一部を形成する板状の面部材に対向させて設けられて、前記面部材の裏面側に前記密閉空間内の空気を吹き付ける内側ファンと、前記面部材を間にして前記内側ファンに対峙する位置に設けられて、前記筐体の外側から前記面部材の表面側に前記筐体の外部の空気を吹き付ける外側ファンとを備える。特に前記面部材を、該面部材に吹き付けられた空気が前記面部材の表裏面に沿って流れる領域を形成する波板形状としたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、高温環境下で用いるに好適な放熱構造を有する密閉容器、およびこの密閉容器を備えて構成される電力変換装置に関する。

インバータ等に代表される電力変換装置は、主として入力電圧をスイッチングして電力変換を実行するＩＧＢＴやＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子をオン・オフ駆動するスイッチング電源制御用ＩＣ等の複数種の電子回路部品を備えて構成される。ちなみに半導体スイッチング素子は、そのスイッチング動作に伴って発熱する。従って電力変換装置の安定動作を図るには、半導体スイッチング素子等の発熱部品（電子回路部品）を効率的に冷却することが必要である。

一方、電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子やスイッチング電源制御用ＩＣ等の電子回路部品の中には、特に制御回路基板に実装される電子回路部品には防塵，防水あるいは防湿（以下単に「防塵」という。）対策が必要なものが多々ある。これ故、電力変換装置本体を構成する複数の電子回路部品（構成部品）中の防塵が必要な構成部品、具体的にはスイッチング電源制御用ＩＣ等を実装した制御回路基板を、発熱量が大きい他の構成部品、例えば上述した半導体スイッチング素子から熱的に隔離して密閉容器内に収納することが行われている。

具体的には、例えば図６に示すように電力変換装置１における発熱量が大きい半導体スイッチング素子２については、一般的には熱伝導率の高いアルミニウム製の放熱器３に装着して用いられる。これに対して発熱量が比較的少ないスイッチング電源制御用ＩＣ等の電子回路部品４やコンデンサ５等については、これらを実装した制御回路基板６を密閉容器７に収納することで防塵対策が施される。ちなみに密閉容器７は非断熱素材、例えば熱伝導率の高いアルミニウム製の箱型の筐体からなる。この密閉容器７は、放熱器３の平板状の基部３ａを箱型の筐体の一部としたもので、基部３ａの一面に突設された複数条の放熱フィン３ｂを筐体の外部に露出させて設けた筐体構造を有する。

尚、図６に示す電力変換装置１においてはコンデンサ５が大型円柱状であることから、密閉容器７はコンデンサ５を放熱フィン３ｂの一側部に並ぶように配置して断面略Ｌ字型の密閉空間（防塵・防水空間）を形成するように構成されている。また図６において放熱器３の奥部に示すように、密閉容器７の外側には複数条の放熱フィン３ｂの一端部に対峙させて強制空冷ファン８が設けられている。この強制空冷ファン８は複数条の放熱フィン３ｂに沿って強制的に外気を通流させることで、半導体スイッチング素子２から発せられて放熱器３に伝えられた熱を密閉容器７の外部に強制的に放出する役割を担う。

しかしながら上記構造の密閉容器７においては、防塵が必要な構成部品を実装した制御回路基板６等から発せられる熱を外部に放出することが困難である。具体的には密閉容器７内の温度上昇を防ぐ上での換気風量を確保することが困難である。

この点、特許文献１には電力変換装置を構成する電子回路部品を収納する筐体を、外気から遮断した防塵室と、両端を吸気口および排気口に連接した通気ダクトとに区画することが開示される。具体的には特許文献１には、発熱量の大きい半導体スイッチング素子を装着した放熱フィンを通気ダクト内に設け、一方、防塵が必要な制御回路基板６等を防塵室内に設けることが開示される。また特許文献１には防塵室内の熱溜まりを防止する為のファンを密閉室内に組み込むことも開示される。

しかしながら特許文献１には、単に防塵室内の空気を循環させることが開示されるに過ぎず、しかも防塵室内を換気する為の防塵フィルタを設けることが示唆されている。換言すれば特許文献１には防塵室に対する熱対策が開示されるだけであり、外気から遮断された密閉容器７内の熱対策については何等言及されてなく、またそれを示唆する記載すらない。

特開２０１２−２３７９９号公報

そこで本発明者等は、制御回路基板６を収納した密閉容器７の内部に該密閉容器７内の空気を強制的に循環させる内側ファンを設けると共に、密閉容器７の外側に外気を強制的に吹き付ける外側ファンを設けることで、該密閉容器７の外壁面を形成する筐体部材を介して密閉容器７の内部空間を冷却することを考えた。しかしながら内側ファンおよび外側ファンを設けただけでは、密閉容器７内に溜まる熱を効率良く外部に放出する上で幾つかの課題が残されている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、制御回路基板等の発熱体を収納した密閉容器内の熱を外部に効率的に放出することのできる構成の密閉容器、およびこの密閉容器に電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を収納して構成される熱的安定性の高い電力変換装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る密閉容器は、熱伝導率の高い非断熱素材、例えばアルミニウムからなり、内部に発熱体を収納する密閉空間を形成する筐体と、この筐体の内側において該筐体の外壁の一部を形成する板状の面部材に対向させて設けられて、前記面部材の裏面側に前記密閉空間内の空気を吹き付ける内側ファンと、前記面部材を間にして前記内側ファンに対峙する位置に設けられて、前記筐体の外側から前記面部材の表面側に前記筐体の外部の空気を吹き付ける外側ファンとを備えて構成される。

特に本発明に係る密閉容器は、前記内側ファンおよび前記外側ファンにより吹き付けられた空気が前記面部材の表裏面に沿って流れる領域の前記面部材の断面形状を波形にしたことを特徴としている。

ちなみに前記断面形状が波形の面部材は、表裏面方向に矩形状に凹凸させた波板形状をなすもの、或いは表裏面方向に円弧状に凹凸させた波板形状をなすものである。

また前記筐体は、直方体形状の密閉空間を形成する箱型のものであって、前記面部材は、前記箱型の筐体の一面を形成する板部材からなる。ちなみに前記面部材は、例えばその全域を波板形状とした板部材、或いは前記内側ファンおよび前記外側ファンにそれぞれ対峙するファン対向領域を平板領域とし、前記ファン対向領域を除く領域を波板形状とした板部材からなる。好ましくは前記ファン対向領域を除く領域に設けられる波板形状の部位は、前記ファン対向領域から前記面部材の外縁部に向けて延びる複数条の溝を形成したものである。

また本発明に係る電力変換装置は、電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を、他の構成部品から熱的に隔離して収納した上述した構成の密閉容器を備えて構成されることを特徴としている。

ちなみに前記密閉容器は、例えば前記電力変換装置本体を形成する複数の構成部品中の発熱量の大なる構成部品が発する熱を該密閉容器の外部に放出する放熱フィンを備え、該発熱量の大なる構成部品を前記密閉容器に収納されて前記防塵が必要な構成部品から熱的に隔離した構造であることが好ましい。また前記放熱フィンについては、前記密閉容器の外部において強制空冷されるように設けることが望ましい。

上記構成の密閉容器によれば、直方体形状の密閉空間を形成する箱型の筐体の一面を形成し、内側ファンおよび外側ファンから空気が吹き付けられ面部材が波板形状を有しているので、当該面部材がその表裏面において空気と接触する面積が大きくなる。この結果、箱型の筐体の一面をなす面部材の表裏面において該面部材と空気との間での熱伝達量が増大するので、筐体が形成した密閉空間内に溜まる熱が該筐体を介して外部に効率的に放出される。故に外気により筐体内を換気することができないと言えども、筐体が形成した密閉空間に収納される発熱体が発する熱を、該筐体の外部に効果的に放出することが可能となる。

またこのような構成の密閉容器に、電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を、他の構成部品から熱的に隔離して収納して構成される電力変換装置においては、電力変換装置本体を構成する構成部品の不本意な過熱を防止することが可能となる。従って電力変換装置の熱的安定性を高め、その動作の安定化を図ることが可能となる等の効果が奏せられる。

本発明の一実施形態に係る密閉容器の概略構成を模式的に示す図。 本発明の他の実施形態に係る密閉容器の概略構成を模式的に示す平面図。 図２に示す密閉容器における面部材の波板形状を概略的に示す断面図。 本発明に係る密閉容器における、筐体の一部を構成する波板形状の面部材の変形例を示す断面図。 本発明に係る密閉容器における、筐体の一部を構成する波板形状の面部材の更なる変形例を示す平面図。 電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を、他の構成部品から熱的に隔離して密閉容器に収納した構成の電力変換装置の概略構成を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る密閉容器７について説明する。

本発明に係る密閉容器７は、例えば図６に示したように電力変換装置１を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品、具体的には電子回路部品４やコンデンサ５を搭載した制御回路基板６において、当該制御回路基板６に搭載された発熱量の大きい半導体スイッチング素子２等を他の構成部品から熱的に隔離して収納するに好適なものである。特に本発明に係る密閉容器７は、例えば７０℃程度の高温環境下で用いられる電力変換装置１に組み込まれ、外気による自然対流だけでは該密閉容器７に収納した制御回路基板６等から発せられる熱を外部に放出することが困難な場合に採用するに好適な構成を有している。

図１は本発明の一実施形態に係る密閉容器７の概略構成を示す図で、(ａ)は密閉容器７の部分断面構造を模式的に示す図、(ｂ)は密閉容器７を構成する筐体の一部をなす波板形状の板部材の平面構成を示す図である。

この密閉容器７は、基本的には制御回路基板６等の発熱体を内部に収納する密閉空間を形成する筐体１１と、この筐体１１の内部に設けられた内側ファン１２と、筐体１１の外側に位置して該筐体１１の外壁面を間にして内側ファン１２に対向させて設けた外側ファン１３とを備えて構成される。ちなみに筐体１１は、熱伝導率の高い非断熱素材、例えばアルミニウム製の部材からなり、直方体形状の密閉空間を形成する箱型の外観形状を有する。

ここで内側ファン１２は、筐体１１の内側において該筐体１１の外壁の一部、例えば上面部を形成する板状の面部材１１ａに所定の間隙を隔てて対向させて設けられており、面部材１１ａの上面部の裏面側（内側面）に密閉空間内の空気を略直角に吹き付ける役割を担う。すると内側ファン１２により面部材１１ａの上面部に強制的に吹き付けられた空気は、面部材１１ａの上面部裏面との衝突によって乱流を形成する。そして乱流を形成した空気は内側ファン１２との間の隙間を介して内側ファン１２との対向領域の外側に流れ出て筐体１１の内側面に沿って流れる。このような空気の流れにより、密閉容器７内の空気が筐体１１内を循環する。

また外側ファン１３は、筐体１１の外側において該筐体１１の上面部を形成する面部材１１ａに所定の間隙を隔てて対向させて設けられている。特に外側ファン１３は、上面部を形成する面部材１１ａを間にして内側ファン１２と対峙するように設けられており、面部材１１ａの表面側に外気を略直角に吹き付ける役割を担う。すると外側ファン１３により面部材１１ａの上面部表面に強制的に吹き付けられた外気は、面部材１１ａの表面との衝突によって乱流を形成する。そして乱流を形成した外気は外側ファン１３との間の隙間を介して該外側ファン１３との対向領域の外側に流れ出て面部材１１ａの表面に沿って流れて筐体１１の外部に導かれる。

即ち、上記構成の密閉容器７においては、該密閉容器７の筐体１１を形成する外壁の一部、例えば筐体１１の上面部を形成する板状の面部材１１ａの裏面側（筐体１１の内部）には内側ファン１２により空気が吹き付けられ、また面部材１１ａの表面側（筐体１１の外部）には外側ファン１３により外気が吹き付けられる。

ここで内側ファン１２により面部材１１ａの上面部裏面に強制的に吹き付けられる空気は制御回路基板６等から発せられた熱により暖められたものである。すると制御回路基板６等が発生した熱を含んだ空気が面部材１１ａの裏面に沿って流れる際、空気と面部材１１ａとの間の熱交換作用が生じるので、空気が有する熱が面部材１１ａに受け渡される。

一方、外側ファン１３により面部材１１ａの上面部表面に強制的に吹き付けられる外気は、電力変換装置１の設置環境が高温であると言えども、一般的には密閉容器７内の温度よりも低い。そして外気が面部材１１ａの表面に沿って流れる際、外気と面部材１１ａとの間の熱交換作用が生じる。すると制御回路基板６等から発せられ、筐体１１内を循環する空気を介して面部材１１ａに伝えられた熱は、面部材１１ａの表面に沿って流れる外気との間の熱交換作用により外気に受け渡され、外気と共に筐体１１の外部に放出される。この結果、制御回路基板６等から発せられた熱が外気に放出されて密閉容器７内の過度な温度上昇が抑制される。

ここで本発明が特徴とするところは、内側ファン１２および外側ファン１３により表裏面に空気が吹き付けられる板状の面部材１１ａの断面形状を、例えば面部材１１ａの表裏面方向に矩形状に段差を形成した凹凸状の波板を形成するように構成した点にある。ちなみに面部材１１ａは、その全域に亘って複数条の溝を平行に形成するように山部と谷部とからなる凹凸を矩形状に交互に形成した波板部材として実現される。

このような矩形状の凹凸を形成した波板部材からなる面部材１１ａは、平板に比較して表裏面の表面積を拡げ、これによってその表裏面にそれぞれ吹き付けられる空気との接触面積を拡大する役割を担う。また矩形状の凹凸によって面部材１１ａの表裏面にそれぞれ形成される複数の溝（谷部）は、その表裏面にそれぞれ吹き付けられる空気を内側ファン１２および外側ファン１３にそれぞれ対峙する領域から外側に向けてガイドする役目も担う。

このような波板形状をなす面部材１１ａを備えて構成される密閉容器７によれば、内側ファン１２により面部材１１ａの裏面側に強制的に吹き付けられる空気が持つ熱は、面部材１１ａの裏面側との接触面積が広いことから該面部材１１ａに効率的に伝達される。そして面部材１１ａの表面側には外側ファン１３により強制的に外気が吹き付けられており、外気と面部材１１ａの表面側との接触面積が広いことから面部材１１ａに伝わった熱が外気に効率的に放出される。この結果、図６に示した装置のように平板状の面部材を備えて構成される密閉容器７に比較して、密閉容器７内の空気に蓄積される熱を面部材１１ａを介して外気に効率的に放出することが可能となる。

従って本発明に係る密閉容器７を備えて構成される電力変換装置１が高温環境下で用いられて外気の温度が高い場合であっても、電子回路部品４やコンデンサ５を搭載して密閉容器７に収納される制御回路基板６から発せられる熱を効率的に外気に放出することができる。この結果、密閉容器７内の過度な温度上昇を防ぐことが可能となり、電子回路部品４やコンデンサ５等の安定な動作を保証することが可能となる。

ところで上述した実施形態においては、密閉容器７を構成する筐体１１の外壁の一部、例えば上面部を形成する板状の面部材１１ａの全域を波板状に形成したが、例えば図２および図３に示すように上面部を形成する板状の面部材１１ａの一部だけを波板状に形成することも可能である。尚、図２は密閉容器７における筐体１１の上面部の平面構成を示しており、図３は図２に示す密閉容器７を構成する筐体１１の上面部における矢視Ａ-Ａの断面構造を模式的に示している。

この実施形態は、密閉容器７を構成する筐体１１の上面部を形成する板状の面部材１１ａの内側ファン１２および外側ファン１３がそれぞれ対峙する領域１５を平板状とし、この平板状の領域１５の外側の領域１６を波板形状にしたものである。

このような面部材１１ａを筐体１１の一部として構成される密閉容器７によれば、内側ファン１２および外側ファン１３により面部材１１ａの表裏面にそれぞれ吹き付けられて乱流を形成する空気（外気）は、平板状の領域１５に沿って波板形状の領域１６に抵抗なく円滑に導かれた後、領域１６に形成された波板形状の板表面に沿って流れる。従って表面積の広い波板形状の領域１６の全域に亘って空気（外気）を効率良く導くことが可能となり、該波板形状の領域１６における熱交換を促進することが可能となる。

換言すれば図１に示した波板形状の面部材１１ａにおいては、面部材１１ａが波打つ向きへの空気の流れが、その波板形状により阻害される虞がある。しかし図２および図３に示す形状の面部材１１ａにすれば、平板状の領域１５に沿って空気（外気）を波板形状の領域１６の全体に円滑に導くことが可能となる。この結果、面部材１１ａに表裏面における空気（外気）との熱交換効率を更に高めることが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば図４(ａ)に示すように面部材１１ａを断面円弧状の凹凸が交互に繰り返し形成された波板状として形成することも可能である。また図４(ｂ)に示すように断面三角形状をなす凹凸を交互に繰り返し形成した波板状として形成することも勿論可能である。更には変形例として、例えば図４(ｃ)に示すように面部材１１ａの内側面に複数条のフランジ１６を平行に突出形成し、面部材１１ａの外側面をフラット（平面）に形成した形状とすることも可能である。即ち、面部材１１ａを介する密閉容器７内の放熱は、密閉容器７内を循環する空気と面部材１１ａとの熱交換が支配的となり、面部材１１ａと外気との熱交換は密閉容器７内から面部材１１ａに伝わった熱だけが対象となる。従って面部材１１ａの片面だけを波型にしてその表面積を広げる場合には、密閉容器７内に溜まった熱を、より効率的に面部材１１ａに伝達し得るように、図４(ｃ)に示すように密閉容器７の裏面側（内側）を波形にすることが好ましい。

また図５に示すように、面部材１１ａの表裏面に放射状に溝を形成するように面部材１１ａの波板形状を工夫することも有用である。また上述した電力変換装置１は、ワイドギャップ半導体材料を使用した半導体素子を用いることができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 電力変換装置
２ 半導体スイッチング素子
３ 放熱器
４ 電子回路部品
５ コンデンサ
６ 制御回路基板（発熱体）
７ 密閉容器
１１ 筐体
１１ａ 面部材
１２ 内側ファン
１３ 外側ファン

Claims (12)

1. 内部に発熱体を収納する密閉空間を形成する筐体と、
   この筐体の内側において該筐体の外壁の一部を形成する板状の面部材に対向させて設けられて、前記面部材の裏面側に前記密閉空間内の空気を吹き付ける内側ファンと、
   前記面部材を間にして前記内側ファンに対峙する位置に設けられて、前記筐体の外側から前記面部材の表面側に前記筐体の外部の空気を吹き付ける外側ファンとを備え、
   前記内側ファンおよび前記外側ファンにより吹き付けられた空気が前記面部材の表裏面に沿って流れる領域の前記面部材の断面形状を波形にしたことを特徴とする密閉容器。
2. 前記筐体は、熱伝導率の高い非断熱素材からなる請求項１に記載の密閉容器。
3. 前記断面形状が波形の面部材は、表裏面方向に矩形状に凹凸させた波板形状をなすものである請求項１に記載の密閉容器。
4. 前記断面形状が波形の面部材は、表裏面方向に円弧状に凹凸させた波板形状をなすものである請求項１に記載の密閉容器。
5. 前記筐体は、直方体形状の密閉空間を形成する箱型のものであって、
   前記面部材は、前記箱型の筐体の一面を形成する板部材である請求項１に記載の密閉容器。
6. 前記箱型の筐体の一面を形成する前記面部材は、その全域を波板形状とした板部材からなる請求項５に記載の密閉容器。
7. 前記箱型の筐体の一面を形成する前記面部材は、前記内側ファンおよび前記外側ファンにそれぞれ対峙するファン対向領域を平板領域とし、前記ファン対向領域を除く領域を波板形状とした板部材からなる請求項５に記載の密閉容器。
8. 前記ファン対向領域を除く領域に設けられる波板形状の部位は、前記ファン対向領域から前記面部材の外縁部に向けて延びる複数条の溝を形成したものである請求項７に記載の密閉容器。
9. 電力変換装置本体を構成する複数の構成部品中の防塵が必要な構成部品を、他の構成部品から熱的に隔離して収納した請求項１〜８のいずれかに記載の密閉容器を備えたことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項９に記載の電力変換装置において、
    前記密閉容器は、前記電力変換装置本体を形成する複数の構成部品中の発熱量の大なる構成部品が発する熱を該密閉容器の外部に放出する放熱フィンを備え、該発熱量の大なる構成部品を前記密閉容器に収納されて前記防塵が必要な構成部品から熱的に隔離した構造を有することを特徴とする電力変換装置。
11. 前記放熱フィンは、前記密閉容器の外部において強制空冷されるものである請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記電力変換装置は、ワイドギャップ半導体材料を使用した半導体素子が使われていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の電力変換装置。

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