JP5114350B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、電源からの交流電力を任意の周波数と電圧の交流電力に変換して、モーターなどに電気を供給するインバータ装置に関する。

図１６は、インバータ装置の代表的な電気回路構成図である。この電気回路には、電源などから端子台１６の端子部１６ａを介して交流電圧が印加される。印加された交流電圧は順変換機５１によって整流され、平滑コンデンサ１２によって平滑される。

インバータ装置の起動時に平滑コンデンサ１２へ突入する電流は、大きいものであるため、減流抵抗器１４とリレー１４ａなどからなる突入電流抑制回路１４ｂが設けられていて、突入電流が大きい場合突入電流抑制回路１４ｂによって抑制される。

平滑された平滑コンデンサ１２の両端電圧は逆変換機５２によって所望の周波数の交流電圧に変換され、端子台１６の端子１６ｂを介して出力される。この逆変換器５２を構成するＩＧＢＴなどは、制御回路５３からの指令に基づいて所望の動作状態に制御され、ドライバ回路５４によって駆動される。ドライバ回路５４内にはスイッチングレギュレータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が搭載されており、直流電圧が生成されて各構成へ供給される。

尚、端子台１６は、電流の入力用端子部と出力用端子部とが絶縁された状態で並んで設けられる。

図１７と図１８はそれぞれ、インバータ装置の代表的な従来の平面構成模式図と横断面構成模式図である。この図１７と図１８において、筐体ケース２０内には、主回路基板１１と電源回路基板５６と制御回路基板５７とパワーモジュール５５が収納されている。

主回路基板１１の部品実装面（表面）には、下方側平滑コンデンサ１２Ａと上方側平滑コンデンサ１２Ｂ，昇圧トランス１３，減流抵抗器１４，端子台１６などが図のように配置されている。

筐体ケース２０には上面に上部開口部２２，下面に下部開口部２１、そして必要に応じて側面に側面開口部２３が設けられている。下部開口部２１と側面開口部２３から冷却空気が主回路基板１１上に流入し、主回路基板１１上の発熱部品で生じた熱により温められた空気が、上部開口部２２より排出される。

主回路基板１１は、主回路基板１１の側方に設けられ裏面側に伸びたモジュール接続部１５でパワーモジュール５５と電気的に接続する。パワーモジュール５５は冷却フィン２４と接続されている。パワーモジュール５５から発熱した熱は熱伝導により冷却フィン２４に伝わり、冷却フィン周囲の空気と熱交換して放熱される。

特許文献１に記載の構造では、電気的な特性を考慮しながら部品のレイアウトを決定しても、対流防止板の取り付けにより、高温に敏感な電気部品の温度上昇を、ある程度能動的に管理することができる。

特開２００８−９２６３２号公報

近年、部品の小型化、および面実装技術の向上によって、部品の高密度実装が可能となり、インバータ装置の小型化が進んでいる。反面、インバータ装置を適用する、モーターや産業用機器においては、その動作を適正に保証し、インバータ装置の出力電圧を高品位に保つ必要がある。このため、インバータ装置の電気回路を流れる電圧の平滑化に用いる平滑コンデンサ１２，減流抵抗器１４，昇圧トランス１３といった高電力部品は、信頼性を確保するため、そして電気容量等の必要仕様を満足する必要があるために必ずしも小型化が出来ない。よって、面実装部品の高密度化によって発熱密度が増加するだけでなく、インバータの電気特性を良好に保つために用いられる大型の高電力部品の存在によって、筐体内部の冷却空気の流れが阻害され、部品温度の上昇による部品の信頼性が低下するという問題がある。特に、平滑コンデンサ１２は、一般に信頼性を確保できる部品温度上限が他の部品より低いため、温度上昇が大きな問題となる。

さらに、平滑コンデンサ１２，減流抵抗器１４，昇圧トランス１３といった部品には、制御等に用いられる弱電部品よりも高電圧・大電流が流れるため、それらの部品が配置される基板上の配線パターンが太くなる。そのため、配線パターンの電気的損失低減や、不要な電磁輻射の低減，主回路基板１１上の他実装部品の配線パターンの確保、などといった電気的な特性を考慮して配置される必要がある。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、対流防止板を設け対流経路を管理した場合は、結果的に通風経路が制限されることによって、内部を流れる冷却空気量が減少する。そのため、部分的に温度上昇を抑制しても、全体的な冷却性能は向上しないという問題がある。特にファンを用いずに、自然対流による空気流によって放熱を行う場合には、浮力によって生じる空気流の圧力が非常に小さいため、空気流路を管理することによって冷却空気量が大幅に減少し、放熱が困難となるという問題がある。

上記したように、近年インバータは、面実装部品の高密度化によって小型化が進み、発熱密度が増加するだけでなく、インバータの電気特性を良好に保つための大型の高電力部品の存在によって、筐体内部の冷却空気の流れが阻害される。

特にファンを用いない自然対流を用いた空冷方式のインバータ装置では冷却空気の風量が少なく、部品温度の上昇による部品の信頼性が低下するという問題がある。

また、平滑コンデンサや、減流抵抗器等の大電力部品は、電気的特性を考慮して配置される必要があり、更に自然対流による空気流と部品の冷却の両立が困難となっている。

本発明の目的は、上記問題点を解決したインバータ装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明のインバータ装置は、電子部品を搭載した回路基板と、該回路基板と電気的に接続する端子台と、前記回路基板と端子台とを内包し、少なくとも上面と下面を含む複数の面に開口部が設けられた筐体と、を有するインバータ装置において、前記回路基板は、前記下面の開口部から前記上面の開口部に向かう空気の流れに沿って設けられ、昇圧トランスと減流抵抗器とに隣接する複数の平滑コンデンサを搭載し、前記上面に近い上方側平滑コンデンサは前記下面に近い下方側平滑コンデンサよりも前記筐体の側壁に近接していることを特徴とするものである。

上記構成に加えて、前記昇圧トランスと前記減流抵抗器に対して、前記複数の平滑コンデンサを前記回路基板上で左右どちらかに一方にまとめて設けてもよい。

同様に、前記下方側平滑コンデンサと隣接する前記昇圧トランスまたは前記減流抵抗器との間隔を、前記上方側平滑コンデンサと隣接する前記昇圧トランスまたは前記減流抵抗器との間隔よりも広げてもよい。

同様に、前記回路基板は、他の回路基板に設けられた電子部品と電子的に接続する一つまたは複数のモジュール接続部を有し、そのうち少なくとも一つのモジュール接続部は、前記下方側平滑コンデンサと前記筐体の側壁との間に設けてもよい。

同様に、前記端子台は、前記筐体の下面側に設けられ、前記下方側平滑コンデンサと隣接する前記減流抵抗器または前記昇圧トランスとの間隙に向かって開口する貫通部または貫通孔を有してもよい。

同様に、前記平滑コンデンサ，昇圧トランス，減流抵抗器の内で前記回路基板からの高さが最小である電子部品に合わせた最小高さ内空間にて、前記回路基板に実装された部品高さにおける前記筐体の上下方向で積分した積分値で定義する前記回路基板に搭載された電子部品の空間占有率を、前記筐体の側壁間における分布で見たときに中央部付近に凹部を有する略二瘤形状であるようにしてもよい。

本発明によれば、電気容量が大きく寸法が大きなコンデンサを用いても電気的信頼性を損なうことが無く、インバータ装置の信頼性向上を可能とする。

本発明のインバータ装置における一実施例を、図１から図４を用いて説明する。図１は、本実施例のインバータ装置の概略を表す図面で、主要な構成を分解した斜視図である。また、図２は同実施例の模式的平面図、図３は同実施例の模式的横断面図であり、図４は、同実施例のインバータ装置における下面側から見た図である。これらの図は、同一部材においては同一の符号を付してその説明を省略する。

図１において、筐体ケース２０は下方に下部開口部２１を有していて、主回路基板１１に設けられた端子台１６が臨めるようになっている。下部開口部には装置外部と内部を隔てるためにスリットを備えた蓋がされ、操作パネル２６側を前面、冷却フィン２４側を裏面と定義すると、端子台１６の前面側には、後述するように、間隔をあけて電子部品搭載部と外部とを隔てる筐体ケース突出部２０Ｂが設けられている。

筐体ケース２０の側面には、側面開口部２３を有していて、この側面開口部２３は筐体ケース２０の側面から内部に冷却空気を流入する入口となる。この側面開口部２３は反対側の筐体ケース２０の側面にも設けられている。尚、後述するが筐体ケース２０の上部には上部開口部２２が設けられている。

筐体ケース２０の前面には操作パネル２６が設けられていて、図示したインバータ装置では、蝶番で一辺が筐体ケース２０の内部が開放されるように保持されている。操作パネル２６は図１の構造とは異なり、嵌め込み式で筐体ケース２０に固定しても良い。

筐体ケース２０の内部には複数の回路基板を有していて、図１では代表させて主回路基板１１を示す。主回路基板１１にはインバータ装置の下方に端子台１６を設けていて、自然対流の空気流れは端子台１６の周りから、即ちインバータ装置の下方から浸入し端子台１６をすり抜けて、筐体ケース２０の内部に導入される。

主回路基板１１には、端子台１６の他に、主たる発熱部品として平滑コンデンサ１２が一方に、減流抵抗器１４と昇圧トランス１３が他方に設けられている。本実施例においては、減流抵抗器１４が端子台１６のあるインバータ装置の下方に、昇圧トランス１３が筐体ケース２０の上方であるインバータ装置の上方に、それぞれ設けられている。

主回路基板１１は複数の冷却フィン２４を有する基台４０に取り付けられる。この図面では簡略に構成を示しているが、主回路基板１１と冷却フィン２４を有する基台４０との間の詳細な構成については後述する。

図２に示す平面図のように、本実施例のインバータ装置は制御盤などに取り付けられる。端子台１６は、配線や配線時のネジ締めなどの作業性の向上のため、主回路基板１１の下方に配置するのがよい。

減流抵抗器１４は、端子台１６との主回路基板１１上の配線長さを短くするために、端子台１６の近傍に配置されることが望ましい。平滑コンデンサ１２も端子台１６との配線長さを短くするために端子台１６の近傍に配置されることが望ましい。必要な電気容量を満足するため平滑コンデンサを複数設置する場合には、平滑コンデンサ１２同士の配線長さを短くするためにお互いを近づけて配置することが望ましい。

なぜならば、平滑コンデンサ１２や減流抵抗器１４には高電圧・大電流が流れるが、それらの部品の配線長さを短くすることによって配線パターンの電気的損失や不要な電磁輻射を低減することができる。さらに、平滑コンデンサ１２や減流抵抗器１４には大電流が流れるため、これらの部品に対する配線パターンは太くなるが、お互いを近づけて配置することにより配線パターンが短くなり、基板上の他の実装部品の配線パターンの確保も容易となる。

つまり、このような電気的特性の向上のために、複数の平滑コンデンサ１２と、減流抵抗器１４が、端子台１６の近くに設けられるレイアウトが望ましい。また、減流抵抗器１４は、図２には図示されていないがリレー１４ａと組み合わせて突入電流抑制回路１４ｂを構成するため、減流抵抗器１４と端子台１６の近くにリレー１４ａが設けられるスペースがあることが望ましい。

図３において、本実施例におけるインバータ装置の横断面を示す。筐体ケース２０が取り付けられて、配電盤などへの取り付け部を兼ねた冷却フィン２４がインバータ装置の裏側に、インバータ装置を操作するためのスイッチ（図示せず）等が設けられる操作パネル２６が表側に設けられている。

インバータ装置内には、前面から順に、裏面側制御回路基板５７ａと表面側制御回路基板５７ｂとからなる制御回路基板５７，主回路基板１１，電源回路基板５６が積層されている。図示していないが、制御回路基板５７と電源回路基板５６の表面上にも複数の電子部品が実装されている。

また、冷却フィン２４が設けられた基台４０の表面上には、発熱量が大きいパワーモジュール５５が冷却フィンと熱伝導可能であるよう接着されている。このパワーモジュール５５はモジュール接続部１５によって主回路基板１１と電気的に接続して、モジュール接続部１５を経由して、変換される電流が入出力される。尚、基台４０と冷却フィン２４とはダイキャストで一体成形することにより熱伝導や製造において効率が良い。

主回路基板１１上には比較的大型の部品が表面上に実装されており、図２や図３に示すように主回路基板１１の表面上にそれらの部品は配置される。また、図３及び図４に示すように、端子台１６の前面側には、ドライバなどの異物が主回路基板１１や裏面側制御回路基板５７ａに接触し故障することを防ぐため、筐体ケース突出部２０Ｂが設けられている。

図２と図３において、本実施例におけるインバータ装置の筐体ケース２０に設けられた上部開口部２２と下部開口部２１により、インバータ装置の下方から主回路基板１１表面近傍を通過して、インバータ装置の上方へ流れる空気の対流が発生する。すなわち、本実施例のインバータ装置は、下部開口部２１が設けられた下面側が概略重力方向に取り付けられる。そして筐体ケース２０内部で発熱部品によって温められた空気の自然対流によって、筐体ケース２０の下面側から上面側に向かう空気の対流が生じる。そして、温められた空気は上部開口部２２より排出される。

本実施例におけるインバータ装置は、この自然対流により発熱部品が冷却され、温度上昇が抑制される。このとき、上部開口部２２と下部開口部２１は可能な限り大きいことが望ましい。

図４に示すように、筐体ケース２０の下部において、インバータ装置の下方に配置されている端子台１６と、筐体ケース突出部２０Ｂとの間には隙間２１Ａが設けられており、これによって下部開口部２１から流入した空気が主回路基板１１上へ流入する。また、このとき、筐体ケース突出部２０Ｂにスリット状等の開口部２１Ｂが設けられていることが望ましい。これにより、筐体ケース突出部２０Ｂにおいて異物の侵入を防ぎながら、開口部２１Ｂを通して主回路基板１１上に空気を流入させることが可能となる。尚、筐体ケース２０の内部と外部とを隔てる蓋は、取り外し可能なものとしてよい。

次に図２に戻り、本実施例のインバータ装置内における空気の流れと回路素子の温度上昇について詳細に説明する。この説明では、図２における概略重力方向を下方向とし、上下方向を縦方向，縦方向に直交する方向を横方向と定義する。

本実施例のインバータ装置のように、平滑コンデンサ１２を縦方向に並べて配置した場合、上部開口部２２に近い上方側に配置した平滑コンデンサ１２Ｂは筐体ケース２０内の対流の下流にあるため、平滑コンデンサ１２Ｂの周囲を流れる空気の温度が、下部開口部２１に近い下方側に配置した平滑コンデンサ１２Ａの周囲を流れる空気の温度よりも高い。その結果、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇が大きくなりやすい。

そこで本実施例では、図２に示すように、主回路基板１１の上方側に配置する平滑コンデンサ１２Ｂを、下方側に配置する平滑コンデンサ１２Ａよりも筐体ケース２０の側壁側に近い位置に設けた。

これにより、平滑コンデンサ１２Ｂの横に、より広い上方中央側隙間３５を確保することができる。すると下部開口部２１から主回路基板１１上へ流入した空気は、上方中央側隙間３５で示される平滑コンデンサ１２Ｂ横のスペースに、より効果的に流入して、上方中央側隙間３５を通過する空気の風量を増加させることができる。

そのため、平滑コンデンサ１２Ｂを平滑コンデンサ１２Ａよりも筐体ケース２０の側壁に近い位置に設けることにより、高温となりやすい平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇を効果的に抑制することができた。

なお、図２において、下部開口部２１から流入した空気は、平滑コンデンサ１２Ｂの両側に流れており、平滑コンデンサ１２Ｂの装置中央よりの上方中央側隙間３５を大きくすれば筐体ケース２０側壁側の空間が相対的に小さくなり、この部分を流れる空気の風量は減少する。しかしながら、筐体ケース２０側壁側は主回路基板１１の外周側であり、他の寸法が大きい発熱部品が配置していないが、上方中央側隙間３５で示されるインバータ装置の中央側は、本実施例においては昇圧トランス１３のような発熱部品と隣接している。このように複数の発熱部品に囲まれた上方中央側隙間３５は、周囲からの伝熱により雰囲気温度がより高温となる。

そのため、上方中央側隙間３５を拡大することで、より高温となっている領域に流れる空気の風量を増加させることが出来、総合的に平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇を抑制することが可能となる。

図５を用いて、上方中央側隙間３５の作用について説明する。上述のとおり、平滑コンデンサ１２Ｂと上方中央側隙間３５を拡大させるということは、平滑コンデンサ１２Ｂと筐体ケース２０の側壁との間の距離（上方側壁側隙間３７）を小さくすることである。この上方側壁側隙間３７を平滑コンデンサ１２Ａと筐体ケース２０の側壁との隙間である下方側壁側隙間３８を基準に検討した。

そこで、上方側壁側隙間３７の下方側壁側隙間３８に対する大きさと、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇の関係について１つの例を図５に示す。ここで平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇とは、上方側壁隙間３７と下方側壁隙間３８の大きさが同じときの、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇値に対する割合である。

これは、図２と図３に示すインバータ装置をシミュレーション解析し、上方側壁隙間３７の大きさを変化させ、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇を算出した場合の解析結果である。

図５において、下方側壁隙間３８に対する上方側壁隙間３７の大きさの割合と平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇の割合はほぼ比例関係にあり、下方側壁隙間３８の大きさに対する上方側壁隙間３７の大きさの割合が９０％程度以上のときには温度上昇の抑制の割合は１％未満である。

すなわち、筐体ケース２０の側壁に対する平滑コンデンサ１２Ａと平滑コンデンサ１２Ｂの位置の違いが誤差程度でしかなければ、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇の抑制効果は小さく、平滑コンデンサ１２Ｂを意識的に筐体ケース２０の側壁に近い位置に配置することで、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇をはっきりと抑制することが可能となる。

再び図２に戻って本実施例におけるインバータ装置について更に説明する。本実施例のインバータ装置は、複数の平滑コンデンサ１２を左右どちらかに一方にまとめて配置したものである。

主回路基板１１上に複数の平滑コンデンサ１２を設ける場合、各々の平滑コンデンサ１２を配線で結ぶ必要がある。前述の通り、一般に平滑コンデンサには高電圧・大電流が流れるために、平滑コンデンサ１２と接続する配線パターンも太くなる。そのため、複数の平滑コンデンサ１２を左右どちらか一方にまとめて配置することで平滑コンデンサ１２のお互いの距離を縮め、お互いを結ぶ配線パターンを短くすることで、配線パターンの電気的損失低減や、不要な電磁輻射の低減が可能となる。また、平滑コンデンサ１２と接続する配線パターンが短くなるため、主回路基板１１上の他の実装部品に対する配線パターンの確保も可能となる。

また、本実施例の構成のように、下方側平滑コンデンサ１２Ａと隣接する昇圧トランス１３または減流抵抗器１４との間隔を、上方側平滑コンデンサ１２Ｂと隣接する昇圧トランス１３または減流抵抗器１４との間隔よりも広げるようにするとよい。

図２において、平滑コンデンサ１２に隣接して、減流抵抗器１４は昇圧トランス１３の下方に配置されている。そして、インバータ装置内部に流れる空気対流の上流側の経路にあたる減流抵抗器１４と平滑コンデンサ１２Ａとの間の空間（下方中央側隙間３６）を、インバータ装置内部に流れる空気対流の下流側経路にあたる昇圧トランス１３と平滑コンデンサ１２Ｂとの間の空間（上方中央側隙間３５）よりも大きくすることで、空気対流の上流側における空気の流れに対する抵抗を減少させ、下方中央側隙間３６、並びに下流隙間３５における空気の風量を増加することが可能となる。

仮に、下方中央側隙間３６が上方中央側隙間３５より小さいと、下方中央側隙間３６によって本来、上方中央側隙間３５に向かうはずの空気の流れが抑制されてしまう。

従って、下方中央側隙間３６を上方中央側隙間３５よりも大きくすることで、上方中央側隙間３５に向かう流れを阻害することが無くなり、その結果上方中央側隙間３５を大きくした効果を最大限に生かすことが出来る。これにより、平滑コンデンサ１２Ｂなどの高温に敏感な発熱電気部品の温度上昇を抑制することが可能となる。

このとき、減流抵抗器１４は、横方向長さＷが縦方向長さＨより短くなる向きに配置されることが望ましい。これにより、下方中央側隙間３６をより大きくすることが可能となる。

次に、図２と図３を用いて本発明の一実施例を更に説明する。主回路基板１１が有する一つまたは複数のモジュール接続部１５のうち、少なくとも一つを下方側平滑コンデンサ１２Ａと筐体ケース２０の側壁との間に配置した。

図３で示したように、パワーモジュール５５と主回路基板１１は、モジュール接続部１５により電気的に接続する。このモジュール接続部１５を経由して、電力変換されるための電流が端子台１６やパワーモジュール５５，平滑コンデンサ１２に入出力する。よってモジュール接続部１５には高電圧・大電流が流れ、接続する配線も太くなる。したがって、インバータ装置の電気的損失低減や、電磁輻射の低減など電気的特性向上のために、モジュール接続部１５を端子台１６と平滑コンデンサ１２の近傍に設け、モジュール接続部１５と接続する配線パターンを短くすることが望ましい。

さらに、図２のように、モジュール接続部１５を下方に設けた平滑コンデンサ１２Ａと筐体ケース２０の内壁（側壁）との間に配置することで、上方に設けた平滑コンデンサ１２Ｂ横の筐体ケース２０の内壁（側壁）側にスペースを設けることが容易となる。これにより、上方側平滑コンデンサ１２Ｂを筐体ケース２０側壁側により近づけ、上方中央側隙間３５において上方側に配置された平滑コンデンサ１２Ｂ横のスペースをより大きくすることができる。その結果、下部開口部２１から流入して上方中央側隙間３５を通過する空気の風量を増加させることができ、空気温度の上昇を抑制して、平滑コンデンサ１２Ｂなどの高温に敏感な発熱電気部品の温度上昇を抑制できる。

更に、図２と図３を用いて本実施例のインバータ装置について説明する。筐体ケース２０側面に側面開口部２３を有し、平滑コンデンサ１２に隣接する側面開口部２３の寸法を複数の平滑コンデンサ１２に合わせた寸法とした。

図２と図３に示すように、筐体ケース２０の側面に側面開口部２３を設けることで、上方中央側隙間３５を流れる冷却空気に加えて、側面からの冷却空気を流入させて、平滑コンデンサ１２などの発熱電気部品の温度上昇を抑制することが出来る。

しかし、筐体ケース２０内へ流入する空気の概ねの総量は流出口である上部開口部の大きさによって決まる。側面開口部２３を何も考慮しないで設けた場合、側面開口部からの空気の流入が増加する分、下部開口部２１から流入する空気の風量は減少する。

そのため、側面開口部２３の寸法を、温度上昇を意識的に抑制したい平滑コンデンサ１２の寸法に合わせて絞ることで、下部開口部２１から流入する空気風量の減少量を抑えながら、側面開口部２３から集中的に平滑コンデンサ１２に冷却風を突入させ、平滑コンデンサ１２の温度上昇を抑制することが可能となる。

また、側面開口部２３は、インバータ装置の故障の原因となる埃などの異物が筐体ケース内に侵入する経路にもなるため、過大にすることは望ましくない。

側面開口部２３について、上部開口部２２の面積Ａｔに対する側面開口部２３の面積Ａｓの比Ａｓ／Ａｔが０.２５以上になっていることが望ましい。ここで、開口部面積とは、図６に示すような、開口孔２３ｂの集合領域を四角で区切った開口領域の面積の、一面における総和であるとする。

図７を用いて、側面開口部面積Ａｓと上部開口部面積Ａｔとの比率Ａｓ／Ａｔと、平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇との関係を示す。図２に示すようなインバータ装置の数値シミュレーションを行い、側面開口部面積Ａｓと上部開口部面積Ａｔとの比Ａｓ／Ａｔに対する平滑コンデンサ１２Ｂの温度上昇を算出してグラフにし、図７に示した。ここでは、側面開口部２３が無かった場合の温度上昇値を１００としたときの各条件における温度上昇値の割合を、温度上昇として示している。また、側面開口部２３を全面開口とした際の温度上昇を点線にて示している。

図７に示すように、側面開口部面積Ａｓと上面開口部面積Ａｔとの比Ａｓ／Ａｔを０.２５以上にすることで、主回路基板１１中央部からと側面からの両方の冷却風によって、側面開口部２３を全面開口とした際よりも、発熱部品の温度上昇を抑制することができる。

なお、側面開口部２３を設ける場所は部品の発熱量に応じて、筐体ケース２０の左右片側と両側のどちら側でもよく、側面開口部２３を一側面において分割して設けてもよいことは言うまでもない。

さらに、平滑コンデンサ１２とは反対側の筐体ケース２０の側面においては、側面開口部２３の寸法を、昇圧トランス１３と減流抵抗器１４など隣接する部品の寸法に合わせることも望ましいことは言うまでもない。

図８と図９を用いて本実施例における効果の１例を説明する。図９は、図２と図３に示したインバータ装置をシミュレーション解析した結果の一つである。昇圧トランス１３の半分高さの位置における断面について、図８に示した平滑コンデンサ１２Ｂの中心を通る横線Ａ−Ａ′上の温度分布をシミュレーション結果より算出し、図９のグラフに示した。

平滑コンデンサ１２Ｂの冷却に寄与する空気の流れは、主回路基板１１と平滑コンデンサ１２Ｂとその横に配置された昇圧トランス１３により囲まれた空間における流れであり、その空間における平均的な流れを表すため、前記高さ位置の断面を選択した。

図９において、条件１と名づけられたグラフが、本実施例を適用したインバータをシミュレーション解析した結果であり、条件２と名づけられたグラフが本実施例を適用していないインバータ装置をシミュレーション解析した結果である。条件１と名づけられたグラフが中央付近で小さい値を示しており、本発明により、筐体ケース２０内の温度上昇値が低減されている効果が確認できる。

本実施例の今まで説明していない他の部分について、図２と図１０と図１１を用いて説明する。図１０は端子台１６の斜図である。図１１は図２の内部対流の流れを示した平面図である。

図１０に示すように、ねじ１７により電線を固定する端子台１６には、端子台貫通部２５が設けられている。この端子台貫通部２５は、下方側平滑コンデンサ１２Ａと下方側平滑コンデンサ１２Ａに隣接した減流抵抗器１４との隙間に向かって開口している。

図３において、平滑コンデンサ１２等を冷却する空気は下部開口部２１より流入するが、端子台１６がインバータ装置下方に設けられているため、主回路基板１１の表面近傍における下部開口部２１からの空気の流れは端子台１６により遮断される。

そこで、端子台１６は、下方側平滑コンデンサ１２Ａと下方側平滑コンデンサ１２Ａに隣接する減流抵抗器１４との隙間に向かって開口する位置に、端子台貫通部２５を有することにより、図１１に示されるように、端子台１６を貫通する対流経路が設けられ、上方中央側隙間３５へ流入する空気の風量が増加する。これにより、上方中央側隙間３５における空気温度の上昇を抑制し、周囲にある平滑コンデンサ１２などの高温に敏感な発熱電気部品の温度上昇の抑制が可能となる。

尚、端子台１６について、平滑コンデンサ１２Ａとそれに隣接する減流抵抗器１４との隙間に向かって開口する位置に端子台貫通部２５を設けたとき、端子台１６の横方向長さが大きくなり、筐体ケース２０側壁側における空気風量を減少させる場合もある。しかし、発熱部品が密集している上方中央側隙間３５の風量を増加させることによる発熱部品への冷却効果がより大きいため、総合的に平滑コンデンサ１２など発熱部品の温度上昇を抑制することが可能となる。

また、図１２に示すように、上方中央側隙間３５へ流入する空気の風量を増加させるため、平滑コンデンサ１２と主回路基板１１との接触面に平滑コンデンサを固定支持するスペーサ４１を設け、空気が通過するスペースを設けてもよい。

図１２に示すように、スペーサ４１によって、平滑コンデンサ１２が支持固定されながら、平滑コンデンサ１２と主回路基板１１との間にスペースが設けられることで、主回路基板１１の表面近傍において上方中央側隙間３５へ向かって貫通する空気の対流経路が設けられ、上方中央側隙間３５へ流入する空気の風量を増加させることが可能となる。

すなわち、平滑コンデンサ１２Ａ，１２Ｂは、通常は、その底面が主回路基板１１と概略接するように実装されているが、スペーサ４１を設け、平滑コンデンサ１２Ａ，１２Ｂと主回路基板１１との間にスペースを設けることにより、下方中央側隙間３６や上方中央側隙間３５の大きさを増加させることと同様の放熱促進効果がある。

尚、端子台貫通部２５は、端子台１６を貫通しており空気の通過経路となるならば、矩形や円形などの端子台貫通部２５の形状・大きさは問わないことは言うまでもない。

次に、本発明の一実施例におけるインバータ装置について、図１３と図１４を用いて説明する。主回路基板１１上の予め定められた空間において、主回路基板１１に実装された部品高さの上下方向積分値で定義される部品の空間占有率を占積率と定義する。図１４に示したように、端子台１６より上方の主回路基板１１の実装表面上における、平滑コンデンサ１２，昇圧トランス１３，減流抵抗器１４の中のいずれかの部品の最小高さまでをその空間の厚みとして定義した空間を、対象として定めた。これは、主回路基板１１の実装表面近傍において、発熱部品に接して流れる空気が、発熱部品の温度上昇抑制に大きく寄与するからである。

図１３は、筐体ケース２０の側壁間、つまり主回路基板１１の左右方向についての占積率の分布を示すグラフである。占有率の算出方法は、まず、図１４に示すような対象空間の中から、検査空間４３を抽出する。

そして、その検査空間４３の中で基板部品が占有する体積を算出し、検査空間４３の体積に対する部品占有体積の比率を検査空間４３の抽出位置における占有率として算出する。

図１３に示したグラフにおいて、平滑コンデンサ１２など発熱部品が密集している位置では占積率が大きくなり、スペースが空いている位置では占積率が小さくなる。よって、図９のグラフ中央付近での占積率の極小点を含む凹部が、下方中央側隙間３６や上方中央側隙間３５の周辺スペースの大きさに対応している。

前述の通り、上方中央側隙間３５の領域は冷却空気が流れるため、この領域が大きいほど空気の風量が多くなり、密集している平滑コンデンサ１２などの温度上昇が抑制される。すなわち、図１３に示されるような占積率分布形状の中央付近における凹部は、上方中央側隙間３５の周辺において冷却空気が流れるスペースの存在を示す。すなわち、上記によって定義された占積率の左右分布形状が、中央部付近に凹部を有する概略二瘤形状となるように平滑コンデンサ１２，昇圧トランス１３，減流抵抗器１４を配置することにより、上方中央側隙間３５へ流入する空気の風量を増加させ、平滑コンデンサ１２を効果的に冷却し、温度上昇を抑制することが出来る。

さらに、図１３において、占積率分布形状の中央付近凹部（Ａ）の面積が、上方中央側隙間３５において空気が流れるスペースの大きさを表すパラメータとなり、対して、左右の凹部形状（Ｂ）（Ｃ）の面積の大きさは、主回路基板１１の筐体ケース２０側壁側の空気が流れる領域の大きさを表すパラメータとなる。

この凹形状（Ａ）の面積が、凹形状（Ｂ）（Ｃ）の面積以上になるよう平滑コンデンサ１２などの部品が電気回路１１の表面上に設けられていることが望ましく、この場合は、上方中央側隙間３５へ流入する空気の風量を更に増加させ、平滑コンデンサ１２を効果的に冷却して温度上昇を抑制することが出来る。

なぜならば、前述の通り、主回路基板１１上では、平滑コンデンサ１２などの発熱部品が密集することで、筐体ケース２０側壁側よりも中央部において温度上昇が大きくなる。そのため、主回路基板１１の中央部に集中的に空気を流入させた方が温度上昇の抑制に効果的であり、筐体ケース２０側壁側の主回路基板１１上スペースを大きくするよりも、上方中央側隙間３５のスペースを大きくして流入空気を集中させた方が温度上昇の抑制に効果的である。

上記構成を達成するためには、占積率分布形状において、凹形状（Ａ）の面積を、凹形状（Ｂ）と（Ｃ）それぞれの面積よりも大きくすれば良い。

本実施例におけるインバータ装置を、図１４を用いて説明する。複数台のインバータ装置１を側面方向にインバータ装置１間を狭くして取り付けたものである。

図１５には、インバータ装置１が横略密着取り付け（サイド・バイ・サイド設置）された据付方式の模式図を示している。このサイド・バイ・サイド設置方式においては、複数台のインバータ装置１の総設置スペースを小さくするために、インバータ装置１のお互いの間隔距離を小さく設けており、その狭い空間に隣接する側面開口部２３からの冷却空気の流入が困難となる。

通常は、サイド・バイ・サイド設置方式を採用して複数のインバータ装置１を側面方向に密着させて設置した場合、側面開口部２３からの冷却空気の流入が困難になる。

しかし、本実施例によれば、下部開口部２１から上方中央側隙間３５へ向かって流れる空気の風量を増加させることができるので、効率的に平滑コンデンサ１２などの発熱電気部品の温度上昇を抑制することが可能となる。

本発明の一実施例にかかるインバータ装置の分解斜視図。 図１におけるインバータ装置の平面模式図。 図１におけるインバータ装置の横断面模式図。 図１におけるインバータ装置の下面側から見た図。 上方側平滑コンデンサと筐体ケース側壁側との距離と上方側平滑コンデンサの温度上昇の関係を示した図。 図１におけるインバータ装置の側面開口部面積の計算領域を説明する図。 側面開口部と上部開口部との比と、平滑コンデンサの温度上昇との関係を説明する図。 平滑コンデンサ１２Ｂを冷却する空気の流れをシミュレーションした部分を示す図。 図８におけるシミュレーション解析した結果である温度上昇分布を説明する図。 端子台を説明する斜視図。 インバータ装置内の対流の経路を説明する図。 回路基板に搭載された電子部品に取り付けたスペーサを説明する図。 占積率の分布状態を説明する図。 占積率の定義空間を説明する図。 サイド・バイ・サイド設置状態を説明する模式図。 インバータ装置の回路構成図。 従来のインバータ装置の平面模式図。 従来のインバータ装置の横断面模式図。

符号の説明

１ インバータ装置
１１ 主回路基板
１２，１２Ａ，１２Ｂ 平滑コンデンサ
１３ 昇圧トランス
１４ 減流抵抗器
１４ａ リレー
１４ｂ 突入電流抑制回路
１５ モジュール接続部
１６ 端子台
１７ ねじ
２０ 筐体ケース
２０Ｂ 筐体ケース突出部
２１ 下部開口部
２２ 上部開口部
２３ 側面開口部
２４ 冷却フィン
２５ 端子台貫通部
２６ 操作パネル
３１ 下部流入空気
３２ 流出空気
３３ 側面流入空気
３４ 対流経路
３５ 上方中央側隙間
３６ 下方中央側隙間
３７ 上方側壁側隙間
３８ 平滑コンデンサ１２Ａと筐体ケース２０側壁側との隙間
４１ スペーサ
４２ 部品占積空間
５１ 順変換器
５２ 逆変換器
５３ 制御回路
５４ ドライバ回路
５５ パワーモジュール
５６ 電源回路基板
５７ａ 裏面側制御回路基板
５７ｂ 表面側制御回路基板

Claims (6)

1. 電子部品を搭載した回路基板と、該回路基板と電気的に接続する端子台と、前記回路基板と端子台とを内包し、少なくとも上面と下面を含む複数の面に開口部が設けられた筐体と、を有するインバータ装置において、
   前記回路基板は、前記下面の開口部から前記上面の開口部に向かう空気の流れに沿って設けられ、昇圧トランスと減流抵抗器とに隣接する複数の平滑コンデンサを搭載し、前記上面に近い上方側平滑コンデンサは前記下面に近い下方側平滑コンデンサよりも前記筐体の側壁に近接し、
   前記上方側平滑コンデンサと隣接する前記昇圧トランスまたは前記減流抵抗器との間隔を、前記上方側平滑コンデンサと前記筐体の側壁との間隔よりも広げることを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１記載のインバータ装置において、前記昇圧トランスと前記減流抵抗器に対して、前記複数の平滑コンデンサを前記回路基板上で左右どちらかに一方にまとめて設けられたことを特徴とするインバータ装置。
3. 請求項１記載のインバータ装置において、前記回路基板は、他の回路基板に設けられた電子部品と電子的に接続する一つまたは複数のモジュール接続部を有し、そのうち少なくとも一つのモジュール接続部は、前記下方側平滑コンデンサと前記筐体の側壁との間に設けられたことを特徴とするインバータ装置。
4. 請求項２記載のインバータ装置において、前記筐体は側面に側面開口部を有し、この側面開口部は前記複数の平滑コンデンサに対向して開口したことを特徴とするインバータ装置。
5. 請求項１記載のインバータ装置において、前記端子台は、前記筐体の下面側に設けられ、前記下方側平滑コンデンサと隣接する前記減流抵抗器または前記昇圧トランスとの間隙に向かって開口する貫通部または貫通孔を有することを特徴とするインバータ装置。
6. 請求項１記載のインバータ装置において、前記平滑コンデンサ，昇圧トランス，減流抵抗器の内で前記回路基板からの高さが最小である電子部品に合わせた最小高さ内空間にて、前記回路基板に実装された部品高さにおける前記筐体の上下方向で積分した積分値で定義する前記回路基板に搭載された電子部品の空間占有率を、前記筐体の側壁間における分布で見たときに中央部付近に凹部を有する略二瘤形状であることを特徴とするインバータ装置。

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