JP2014207845A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子の冷却構造を有する電力変換装置を提供する。【解決手段】筺体１０内側面にスイッチ素子を取り付けると共に、交流リアクトルを収納する第１窪み１１を成形し、スイッチ素子に対応する筐体１０の外側面の第１フィンＦ１と、第１窪み１１に対応する筐体１０の外側面の第２フィンＦ２と、第１フィンＦ１と第２フィンＦ２との間から延在する第１壁１３と、この第１壁１３の第１フィンＦ１側に設けられ第１フィンＦ１へ空気を送風するファンＦＡＮとを有し、第１壁１３の第１フィンＦ１側に設けられたファンＦＡＮで第１フィンへ空気の送風を導く第１風路Ａ及び、第１壁１３の第２フィンＦ２側へ空気が自然対流する第２風路Ｂを設ける成形ことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来より、太陽電池や風力発電などの再生可能エネルギー、蓄電池、或いは燃料電池等
からの直流電力を交流電力に変換して負荷もしくは系統へ供給する電力変換装置が提供さ
れている。電力変換装置は、直流リアクトルを有する昇圧回路を備え、昇圧後の直流電力
をスイッチング素子を有するインバータ回路で交流電力に変換している。この交流電力は
高周波成分を含み、この高周波成分は交流リアクトルを有するフィルタ回路で減衰させて
いる。

これらの直流リアクトル、交流リアクトル、スイッチ素子は発熱するため、冷却フィン
や送風ファン等を利用して冷却する必要がある。特許文献１、特許文献２にはこの冷却構
造について記載されている。

特許文献１では、上下方向に空気の流れる放熱フィンを有するケースに複数のスイッチ
素子を配置し、このケースの複数のスイッチ素子の右隣にコンデンサ配置用の孔を設けて
いる。コンデンサはこの孔を貫通して配置されるため放熱フィンと並んで空気の流れ内に
配置されている。また、放熱フィン及びコンデンサに向かって空気を送風する共通の送風
ファンが設けられている。これにより、送風された空気が放熱フィンに沿って放熱フィン
の下方から上方へ流れて放熱フィンが冷やされて複数のスイッチ素子が冷却されると共に
、コンデンサに直接空気が送風されてコンデンサが冷却される。このように、特に発熱の
高い複数のスイッチ素子については、冷却フィンと送風ファンとによる冷却が行われ、次
いで発熱の高い発熱部品（コンデンサ）は送風ファンにより冷却が行われる。

特許文献２では、筐体の背面に放熱フィンを設け、さらにこの放熱フィンを３つの風路
に分けて夫々筐体の内側に設けた対応する発熱部品を冷却するように構成していた。

特開平１０−２９５０８７号公報 米国特許第７７１５１９５号明細書

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、送風した空気がコンデンサに当たり乱気
流を起こし、放熱フィンへ流れる空気の流れを妨げてスイッチ素子の冷却を阻害する問題
があった。 また、特許文献２に記載のものでは、夫々の風路による冷却能力は風路の断
面積に依存し、発熱部品の夫々の発熱量毎に最適に対応しにくい問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みて成されたものであり、スイッチ素子の冷却作用を確
保できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置はスイッチ素子を用いて直流電力を
交流電力に変換するインバータ回路と、第１リアクトルを通して交流電力の高周波成分を
減衰させるフィルタ回路と、インバータ回路及びフィルタ回路を収容する単一の筺体と、
を備えたものであり、筺体内面に、前記スイッチ素子を取り付けると共に、第１リアクト
ルを収納する第１窪みを成形し、スイッチ素子の取り付け位置に対応する筐体の外側面の
第１フィンと、第１窪みに対応する筐体の外側面の第２フィンと、第１フィンと第２フィ
ンとの間から延在する第１壁と、この第１壁の第１フィン側に設けられ第１フィンへ空気
を送風するファンとを有し、このファンから第１フィンへの送風をガイドする第１風路及
び、第１壁の第２フィン側へ空気を自然対流させる第２風路を設けることを特徴とするも
のである。

また、本発明の電力変換装置はダイキャスト成形された筐体の背面に空気が下から上へ
向かって自然対流しかつ放熱フィンを有する風路を少なくとも第１壁及び第２壁を用いて
第１風路乃至第３風路を設け、第１風路はファンから空気が送風されると共にこの風路に
対応する筐体の内面に第１発熱部品を取り付け、第２風路に対応する筺体の内面に第１発
熱部品より発熱量の少ない第２発熱部品を取り付け、第３風路に対応する筺体の内面に第
２発熱部品より発熱量の少ない第３発熱部品を取り付けることを特徴とするものである。

本発明によれば、スイッチ素子の冷却を確保できる電力変換装置を提供することを目的
とする。

本実施形態の電力変換装置の前面図である。 本実施形態の電力変換装置の背面の斜視図である。 本実施形態の電力変換装置の電気回路図である。

電力変換装置は、図３に示すように例えば太陽電池や燃料電池などの直流出力（風力発
電などの再生可能エネルギーによる出力を直流電力に変換したものでもよい）を、直流リ
アクトルＤＣＬ（第２リアクトル）を用いて昇圧する昇圧回路３１と、昇圧回路３１の出
力する直流電力を複数のスイッチ素子ＩＰＭを用いて交流電力に変換して出力するインバ
ータ回路３２と、インバータ回路３２の出力する交流電力から高周波成分を交流リアクト
ルＡＣＬ（第１リアクトル）とコンデンサとを用いて除去するフィルタ回路３３と、これ
らの昇圧回路３１、インバータ回路３２、及びフィルタ回路３３とを収容する筺体１０と
を備えている。

図３に示すように、太陽電池（ストリング）３４ａ乃至３４ｅは複数（ここでは最大５
つのストリングに対応可能になっているが、接続するストリングの数は変更可能である）
設けられ、この５つの太陽電池３４の出力を夫々昇圧する昇圧回路３１ａ乃至３１ｅを設
けている。このため、直流リアクトルＤＣＬ（又は昇圧回路）も太陽電池（ストリング）
の数分ＤＣＬａ乃至ＤＣＬｅ（図示せず）が必要となる。昇圧回路３１、インバータ回路
３２、及びフィルタ回路３３の回路構成については既存のＤＣ／ＤＣのスイッチング型の
昇圧回路、ＤＣ／ＡＣのＰＷＭに基づく変換回路や５０Ｈｚ／６０Ｈｚを境界とするロー
パスフィルタの構成を用いることができるため詳細については省略する。図１に示すよう
に太陽電池３４ａ乃至３４ｅから出力される直流電力は夫々配線Ｌ１〜Ｌ５で、筺体１０
の配線蓋１５の配線孔（不図示）を経て内部へ引き込まれ、夫々開閉器Ｓ１〜Ｓ５に接続
されている。開閉器Ｓ１〜Ｓ５は、手動操作により、メンテナンス等を行う際には作業者
によって開かれ、太陽電池の出力を電力変換装置２に取り入れる際には作業者によって閉
じられる。

筺体１０は、アルミ合金をダイカスト加工して得られる前面部分に開口を有する略立方
体形状を有している。筺体１０の内側（筺体１０の内面）には、交流リアクトルＡＣＬ（
第２発熱部品）と直流リアクトルＤＣＬａ乃至ＤＣＬｅ（第３発熱部品）とを夫々配置す
る第１窪み１１、及び第２窪み１２が左右に一体成型されている。第１窪み１１と第２窪
み１２はリアクトルの配置後に熱伝導性が高くかつ電気絶縁性がある樹脂が流し込まれて
、これらのリアクトルが窪み１１、１２に固定される。窪み１１は直流リアクトルＤＣＬ
ａを先頭に筐体１０の下側から上側に向かって末広がり状に順に直流リアクトルＤＣＬｂ
、直流リアクトルＤＣＬｃが配置され次いで直流リアクトルＤＣＬｄ、直流リアクトルＤ
ＣＬeが配置される。太陽電池（ストリング）の接続される数が減少する際は逆順に直流
リアクトルＤＣＬeから直流リアクトルＤＣＬｄ側へ削減され、直流リアクトルＤＣＬａ
は最後に残るものである。

第１窪み１１と第２窪み１２との間の筐体１０の内面には複数のスイッチ素子ＩＰＭ（
第１発熱部品）が配置される。第１発熱部品乃至第３発熱部品の通常動作時の発熱量には
第１発熱部品＞第２発熱部品＞第３発熱部品の関係がある。また、複数のスイッチ素子Ｉ
ＰＭ、直流リアクトルＤＣＬａ乃至ＤＣＬｅ、及び交流リアクトルＡＣＬの開口側には、
昇圧回路３１、インバータ回路３２、及びフィルタ回路３３を成す電装基板１７が配置さ
れる（図１の点線参照）。また、交流リアクトルＡＣＬの下方には端子台１６が設けられ
、端子台１６から延びる配線が配線蓋１５の配線孔を介して外部に配線され交流電力を供
給する。電力変換装置１は、図示しない蓋により前面部分の開口を閉じ、家屋の壁面等に
取り付けて利用される。

図２に示すように、筺体１０の外側（筺体１０の背面）には、ダイカスト加工の際に、
複数のスイッチ素子ＩＰＭの配置箇所に対応して設けられる複数の第１フィンＦ１と、第
１窪み１１に対応して設けられる複数の第２フィンＦ２と、第２窪み１２に対応して設け
られる複数の第３フィンＦ３とが一体成形されている。第１〜第３ファンＦ１〜Ｆ３は上
下方向に渡って成形される。また、筺体１０の背面の両側方には第１フィンＦ１〜第３フ
ィンＦ３へユーザ等が容易に触れられないように制限する壁１９Ａ、１９Ｂが設けられて
いる。

筺体１０の外側には、第１フィンＦ１へ空気を送風するファンＦＡＮが配置され、第１
フィンＦ１と第２フィンＦ２との間からファンＦＡＮまで延在して設けられる第１壁１３
がある。ファンＦＡＮは、筺体１０の交流リアクトルＡＣＬ側の第１窪み１１の下（配線
蓋１５上）の位置であり筺体１０の側方側に配置される。このため、第１壁１３は、第１
窪み側に折れ曲がっている。壁１９ＡがファンＦＡＮの少し上方まで設けられ筺体１０の
側方に吸入口を構成しており、ファンＦＡＮは、この吸入口１７から空気を取り入れるこ
とができる。吸入口１７から取り入れられファンＦＡＮから送風された空気は、第１壁に
よって構成される第１壁１３の第１フィンＦ１側の第１風路Ａを通って第１フィンＦ１へ
と導かれる。また、第１壁１３の第２フィンＦ２側には、第１窪み１１の熱により自然対
流する空気を第２フィンへと導く第２風路Ｂが第１壁によって構成されている。ファンＦ
ＡＮの第１壁１３を挟んで第２風路側には、吸入口１７から流入する空気の一部を第２風
路Ｂ内へ導く開口１８が構成されている。吸入口１７にはユーザがフィンＦ１〜Ｆ３へ触
れないようにメッシュ部材等を設けると良い。

第１フィンＦ１と第３フィンＦ３との間にこれらのフィンＦ１、Ｆ３と平行して設けら
れる第２壁１４が筺体１０に設けられ、この第２壁１４は、ファンＦＡＮの配置箇所より
も下方まで延びている。第１フィンＦ１は第１窪み１１と第２窪み１２との間の筐体１０
の背面から突出したものであり、第２フィンは第１窪みに対応する筐体１０の背面から突
出したものであり、第３フィンは第２窪みに対応する筐体１０の背面から突出したもので
あり、夫々のフィンの先端は実質的に同一の仮想平面（電力変換装置を壁面に取り付けた
際にこの壁面から一定の距離を持つ平面）に接するように構成されている。従って、筐体
１０の背面からのフィンの高さは窪みの深さによって異なり、各フィンの高さは第１フィ
ン＞第２フィン＞第３フィンに構成されている。

以上のように、本実施形態の電力変換装置１によれば、第１壁１３によって、第１壁１
３の第１フィンＦ１側に、ファンＦＡＮから送風される空気を第１フィンＦ１へと導く第
１風路Ａと、第１壁１３の第２フィンＦ２側に、自然対流する空気を第２フィンＦ２へと
導く第２風路Ｂが構成される。このため、第１壁１３によって第１風路Ａと第２風路Ｂと
が区切られているので、第２フィンＦ２や第３フィンＦ３に送風が干渉してファンＦＡＮ
からの第１フィンＦ１への送風が妨げられることがなくなり、複数のスイッチ素子ＩＰＭ
の冷却が確保できる。

また、交流リアクトルＡＣＬは、複数のスイッチ素子ＩＰＭよりも発熱量が少ないため
、第１窪み１１に設けられる第２フィンＦ２による冷却でも（ファンＦＡＮからの送風が
無くとも）十分に冷却することができる。

また、本実施形態の電力変換装置１によれば、第１壁１３は、第１窪み１１側に曲がっ
ているため、開口１８から流入する空気が短い距離で第１窪み１１まで到達することがで
きる。これにより、より冷たい空気を第１窪み１１まで送ることができるので冷却効果が
向上する。第２風路Ｂを流れる空気は、第１風路Ａを通る空気よりも流速が遅いため、第
１壁１３を第１フィンＦ１側に曲げるよりも、第１壁１３を、第１窪み１１側（第２フィ
ン側）に曲げる方が冷却効果の向上が期待できる。

また、本実施形態の電力変換装置１によれば、第１フィンＦ１と第３フィンＦ３との間
にこれらのフィンＦ１、Ｆ３と平行して設けられる第２壁１４を設け、この第２壁１４を
、ファンＦＡＮの配置箇所よりも下方まで延ばしている。このため、第２壁１４に、ファ
ンＦＡＮから送風される空気が当たって第１フィンへと導くため冷却効果が向上する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、第１壁１３を第１窪み１３側（第２フィン側）に曲げて、第１窪み１３の下に
ファンＦＡＮを設けたが、第２壁１４を第２窪み１２側（第３フィン側）に曲げて第２窪
み１４の下にファンＦＡＮを設けても良い。この場合、第２壁１４によって、第２壁１４
の第１フィンＦ１側に、ファンＦＡＮから送風される空気を第１フィンＦ１へと導く第１
風路Ａと、第２壁１４の第３フィンＦ３側に、対流する空気を第３フィンＦ３（第２窪み
１４）へと導く第３風路とが構成されることになる。

１ 電力変換装置１０ 筐体１１ 第１窪み１２ 第２窪み１３ 第１壁１
４ 第２壁１５ 配線孔１６ 端子台１７ 吸入口１８ 開口１９ 壁Ａ
第１風路Ｂ 第２風路ＡＣＬ 交流リアクトル（第１リアクトル）ＤＣＬａ乃至
ｅ 直流リアクトル（第２リアクトル）ＩＰＭ 複数のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ５ 開閉器
Ｌ１〜Ｌ５ 配線ＦＡＮ ファンＦ１ 第１フィンＦ２ 第２フィンＦ３ 第３フ
ィン

Claims (13)

1. スイッチ素子を用いて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、第１リアクトル
   を通して前記交流電力の高周波成分を減衰させるフィルタ回路と、前記インバータ回路及
   び前記フィルタ回路を収容する単一の筺体と、を備えた電力変換装置において、 前記筺
   体内面に、前記スイッチ素子を取り付けると共に、第１リアクトルを収納する第１窪みを
   成形し、前記スイッチ素子の取り付け位置に対応する前記筐体の外側面の第１フィンと、
   第１窪みに対応する前記筐体の外側面の第２フィンと、第１フィンと第２フィンとの間か
   ら延在する第１壁と、この第１壁の第１フィン側に設けられ第１フィンへ空気を送風する
   ファンとを有し、前記ファンから第１フィンへの送風をガイドする第１風路及び、第１壁
   の第２フィン側へ空気を自然対流させる第２風路を設けることを特徴とする電力変換装置
   。
2. 第１風路と第２風路とに繋がる開口を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換
   装置。
3. 第１壁は、第１窪み側に曲がっていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記筺体内面に前記直流電力の昇圧回路を成す第２リアクトルを収納する第２窪みを成形
   し、第１窪みと第２窪みとの間の前記筐体内面に前記スイッチ素子が取り付けられるよう
   に構成し、第２窪みに対応する前記筐体の外側の第３フィンと、第１フィンと第３フィン
   との間から延在する第２壁を有し、第２壁は、前記ファンから送風される空気を前記第１
   フィンへ導くことを特徴とする電力変換装置。
5. 前記筐体はダイキャストによって成形されていることを特徴とする請求項４に記載の電力
   変換装置。
6. ダイキャスト成形された筐体の背面に空気が下から上へ向かって自然対流しかつ放熱フィ
   ンを有する風路を少なくとも第１壁及び第２壁を用いて第１風路乃至第３風路を設け、第
   １風路はファンから空気が送風されると共にこの風路に対応する前記筐体の内面に第１発
   熱部品を取り付け、第２風路に対応する前記筺体の内面に第１発熱部品より発熱量の少な
   い第２発熱部品を取り付け、第３風路に対応する前記筺体の内面に第２発熱部品より発熱
   量の少ない第３発熱部品を取り付けることを特徴とする電力変換装置。
7. 少なくとも第１発熱部品又は第３発熱部品の何れか一方は前記筐体の内面の窪みに設けら
   れることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 第１風路の放熱フィンの前記筐体の外側面からの高さは第２風路の放熱フィンのその高さ
   及び第３風路の放熱フィンのその高さより高いことを特徴とする請求項７に記載の電力変
   換装置。
9. 第１発熱部品は直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を成すスイッチ素子であり
   、第２発熱部品は高周波成分を減衰させるフィルタ回路を成す第１リアクトルであり、第
   ３発熱部品は直流電力を昇圧する回路を成す第２リアクトルであることを特徴とする請求
   項８に記載の電力変換装置。
10. 前記直流電力を昇圧する回路は複数の直流電力の入力に対応する複数の昇圧回路から構成
    され、夫々の昇圧回路は第２リアクトルを有することを特徴とする請求項９に記載の電力
    変換装置。
11. 第２リアクトルは３個以上の数を有し前記窪みの中で前記筐体の下側から上側に向かって
    下側を末広がり状に取り付けることを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 第２発熱部品及び第３発熱部品は夫々の窪みの中において熱伝導性を有しかつ電気絶縁性
    を有する部材でモールドされていることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記昇圧回路の入力する直流電力は太陽電池の発電電力であることを特徴とする請求項１
    ２に記載の電力変換装置。
    

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