JP6007714B2 - 変圧器の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、筐体内に配置した変圧器を冷却する変圧器の冷却装置に関する。

半導体電力変換装置では、主回路を構成する半導体ユニットと、主回路変圧器等の発熱機器を冷却する部分と、比較的熱に弱い制御プリント板の電気機器で構成した制御ユニットを冷却する部分とを、それぞれ３つの盤（筐体）に分離して収納するようにしている。

特に、発熱量の多い主回路変圧器を収納する盤（筐体）では、正面に吸気口を設けて天井に設置した冷却ファンで排気する強制換気方式を採用している（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の従来例では、筐体内を上部空間及び下部空間に仕切られた変圧器盤が開示されている。この変圧器盤には、冷却ファンにより発生する冷却風が上部空間及び下部空間の相互に流通するのを阻止する筐体内部空間仕切部材となる変圧器側絶縁板と、筐体側絶縁支持部材と、吸気整流板とが設けられている。さらに、この変圧器盤では、冷却ファンの回転により筐体内に発生する冷却風を変圧器のコイルの外周部を包囲する筒状絶縁物内へ導き、変圧器のコイルを冷却するようにした構成が開示されている。

また、他の冷却方式としては、変圧器のコイル全体が内側に遊嵌する風導筒を箱体の下部の仕切板から立設した変圧器盤が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この変圧器盤では、仕切板の下側の吸気口から内部に吸入された冷却空気を風導筒の内側とコイルの間を上昇させ、一次側のコイルと二次側のコイルを略同一冷却条件で冷却して、温度上昇の差を減らすようにした強制通風形変圧器箱の構成が開示されている。

特開２００９−７６８２５号公報 特開２０００−２３２０２２号公報

ここで、上記特許文献１及び２に記載された従来例にあっては、変圧器を収納する筐体の正面側からのみ空気を取り込み、筐体内に取込んだ冷却風を変圧器の周りを通って上方に配置した冷却ファンで外部に排気する強制換気方式となっている。

しかしながら、上記特許文献１及び２に記載された従来例にあっては、ともに筐体の正面から取込んだ冷却風を変圧器の周りに案内するために、送風ファンと、変圧器のコイルの外周部を包囲する筒状絶縁物及びコイルを遊嵌する風導筒と、これら筒状絶縁部及び風導筒の下部に冷却風を案内する導風機構を必要とする。

そのため、構成が複雑となるほか、筐体が大型化してしまうという未解決の課題があった。
また、上記特許文献１及び２に記載された従来例では、冷却風の通路を変圧器の周囲のみに制限している。そのため、空気抵抗が大きくなり、冷却ファンの風量が低下し、冷却効率が低下してしまうという未解決の課題もあった。

さらに、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、二次コイルの周囲に筒状絶縁物を設けている。そのため、変圧器自体の設計を変更する必要があり、大幅なコストアップとなってしまい、乾式変圧器として好適なものとは言えないという未解決の課題もあった。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、簡易な構成で、変圧器を効率よく冷却することができる変圧器の冷却装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、変圧器を収納した筐体と、該筐体の上面における前記変圧器の上面に対向する位置に配置された排気用天井ファンと、前記筐体の正面における前記変圧器の基部に対向する位置に形成された冷却風吸気口と、前記筐体の正面から前記変圧器の前面までの間に配置され、前記筐体内で前記変圧器の周囲を前後に仕切る仕切板を具備し、該仕切板は、前記変圧器の上面と筐体の上面との間に垂直方向に延長して配設された第１の仕切板と、前記第１の仕切板の下端から前記変圧器の背面側に延長して配設された第２の仕切板と、前記第２の仕切板の両側部から前記変圧器の側面を通って前記筐体の下面側に延長して配設された第３の仕切板とを備えることを特徴とする変圧器の冷却装置とする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記変圧器の基部と前記筐体の後面との間に配設された第４の仕切板と、前記変圧器の上部と前記筐体の後面との間に配設された第５の仕切板とを備えることを特徴とする変圧器の冷却装置とする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記排気用天井ファンが、ファン中心軸線が前記変圧器の巻線部の前後方向の中心位置と略一致するように配置されていることを特徴とする変圧器の冷却装置とする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記排気用天井ファンが、幅方向に複数台並列に設置されていることを特徴とする変圧器の冷却装置とする。

本発明により、簡易な構成で、効率よく冷却することができる変圧器の冷却装置を実現することができる。

本発明の実施例を示す正面図である。 図１の前面板を取り外した正面図である。 図２のＡ−Ａ線上の断面図である。 図２のＢ−Ｂ線上の断面図である。 図２のＣ−Ｃ線上の断面図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施の一形態について説明する。ただし、以下の記載は、あくまでも本発明の例示であり、これに限定されるものではない。つまり、当分野で通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形実施を行うことが可能である。

〔本発明の実施例の構成〕
図１〜５は、本発明の実施例を示す図である。以下に、図１〜５により、本発明の実施例の構成を説明する。

図１は、本発明の実施例を示す正面図である。図２は、図１の前面板を取り外した正面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線上の断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ線上の断面図である。図５は、図２のＣ−Ｃ線上の断面図である。１は筐体、１ａは前面板、１ｂは後面板、１ｃは上面板、１ｄは底面板、１ｅは左側面板、１ｆは右側面板、２は主回路変圧器、２Ｕは開閉扉、２Ｌは正面カバー、３ａ及び３ｂは冷却風吸気口、４は網状部材、５ａ及び５ｂは排気用天井ファン、６は第１の仕切板、７は第２の仕切板、８ａ〜ｃは第３の仕切板、９は第４の仕切板、１０は第５の仕切板、１１は第１の通風路、１２は第２の通風路である。

筐体１（盤）は、前面板１ａ、後面板１ｂ、上面板１ｃ、底面板１ｄ、左側面板１ｅ及び右側面板１ｆとで直方体形状に形成されている。この筐体１内の略中央部に３相の主回路変圧器２が三相の巻線部Ｌｕ、Ｌｖ及びＬｗを幅方向に並列させた状態で収納されている。

主回路変圧器２は、例えば半導体スイッチング素子を有するインバータ回路等の電力変換装置の３相出力と負荷との間に接続されるものである。この主回路変圧器２の基部２ａの底面は、筐体１の底面板１ｄに固定されている。

筐体１の前面板１ａは上下２段で幅方向に２列の開閉扉２Ｕ及び正面カバー２Ｌを備えている。下段の正面カバー２Ｌの主回路変圧器２の基部２ａに対向する位置に冷却風吸気口３ａ及び３ｂが形成されている。これら冷却風吸気口３ａ及び３ｂのそれぞれは、網状部材４で覆われている。

また、筐体１の内部における主回路変圧器２の前後方向の中央部の周囲を囲むように筐体１の前後を仕切る第１〜３の仕切板６〜８が配置されている。第１〜３の仕切板６〜８は、第１の仕切板６とこれに連接する第２の仕切板７及び第３の仕切板８ａ〜ｃとによって、正面から見て主回路変圧器２を囲むＵ字形状に形成されている。

第１の仕切板６は、筐体１の上部を前後に仕切るように上面板１ｃから下方へ延長して配置されている。さらに、この第１の仕切板６の下端から、後方へ延長するように第２の仕切部７が設けられている。そして、この第２の仕切板７の後端には、さらに下方へ延長し、主回路変圧器２の前面と所定の隙間を空けて対向する第３の仕切板８ａが設けられている。

また、側部仕切板である第３の仕切板８ｂ及び８ｃは、内側面が第３の仕切板８ａの左右両端から主回路変圧器２の左右端部に対して所定の隙間を開けて下方に延長するとともに、左右側面板１ｅ及び１ｆに達する幅に形成されている。

こうして、第１の仕切板６、第２の仕切板７及び第３の仕切板８ａ〜ｃによって、主回路変圧器２の基部２ａから一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の間の隙間ｇ１を通過する第１の通風路１１が形成されている。

さらに、主回路変圧器２の基部２ａの後方には、主回路変圧器２の後面と後面板１ｂとの間に、第４の仕切板９が配設されている。また、主回路変圧器２と後面板１ｂとの間の空間を上方から塞ぐように、主回路変圧器２と所定の隙間を空けて近接した位置から後面板１ｂまで達する第５の仕切板１０が設けられている。この第５の仕切板１０は、図３に示すとおり、平面から見て主回路変圧器２を囲むＵ字形状に形成されている。

こうして、主回路変圧器２の背面側と第４の仕切板９と第５の仕切板１０とによって、主回路変圧器２の背面側を通過する第２の通風路１２が形成されている。
また、上述のとおり、筐体１の上面板１ｃの主回路変圧器２に対向する位置に、２つの排気用天井ファン５ａ，５ｂが配設されている。これら排気用天井ファン５ａ，５ｂのそれぞれは、図５に示すように、ファン中心軸線Ｌｆが主回路変圧器２の前後方向の中央位置と対応するように上面板１ｃに配設されている。

なお、筐体１内における主回路変圧器２の基部２ａ側には、冷却風吸気口３ａ及び３ｂが配設されている。
〔本発明の実施例の動作〕
次に、図１〜５により、本発明の実施例の動作を説明する。

先ず、第１の通風路１１を通過する冷却風の流れについて説明する。
排気用天井ファン５ａ及び５ｂは、その中心軸線Ｌｆが主回路変圧器２の中央位置と対応する位置であって、第１の通風路１１の上方に配置されている。さらに、主回路変圧器２の左右側縁と筐体１の左右側面板１ｅ及び１ｆとの間は、第３の仕切板（側部仕切板）８ｂ及び８ｃによって閉塞されている。これにより、第１の通風路１１は、一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の間の隙間ｇ１及び基部２ａを介して筐体１の前面板１ａに配設された冷却風吸気口３ａ及び３ｂに連結されている。

ここで、排気用天井ファン５ａ及び５ｂを回転駆動することにより、冷却風吸気口３ａ及び３ｂから外気が冷却風として筐体１内に取り込まれる。
筐体１内に取り込まれた冷却風は、主回路変圧器２の左右縁と筐体１の左右側面板１ｅ及び１ｆとの間が第３の仕切板（側部仕切板）８ｂ及び８ｃによって閉塞されているため、主回路変圧器２の基部２ａに集中して向かう。そして、基部２ａから、主回路変圧器２の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の間の隙間ｇ１、並びに二次巻線Ｌ２と第３の仕切板（側部仕切板）８ｂ及び８ｃとの間の隙間を通って上方に抜ける。

また、基部２ａから主回路変圧器２の前面側を抜ける冷却風は、主回路変圧器２と筐体１の上面板１ｃとの間が第１の仕切板６、第２の仕切板７及び第３の仕切板８ａで前後方向に閉塞されているため、主回路変圧器２の上部付近へ流入して上方に抜ける。

これらの第１の通風路１１を通過して上方へ抜けた冷却風は、排気用天井ファン５ａ及び５ｂによって外部に排出される。
このように、第１の通風路１１は、第１の仕切板６、第２の仕切板７及び第３の仕切板８ａ〜ｃによって冷却風の通路を制約したことにより、冷却風の流れを一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の近傍に集中させることができる。特に、筐体１内に取り込まれた冷却風は、二次巻線Ｌ２の正面に当たり、主回路変圧器２の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の間の隙間ｇ１、並びに二次巻線Ｌ２と第３の仕切板（側部仕切板）８ｂ及び８ｃとの間の隙間を通って上方に抜ける。そのため、冷却風を効率よく主回路変圧器２の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２側面に当てることができる。

次に、第２の通風路１２を通過する冷却風の流れについて説明する。
上述のとおり、冷却風吸気口３ａ及び３ｂから筐体１内に取り込まれた冷却風は、基部２ａに達した後、その一部が、主回路変圧器２の背面側に形成された第２の通風路１２へ流入する。

そして、第２の通風路１２へ流入した冷却風は、主回路変圧器２の基部２ａの後面と後面板１ｂとの間に第４の仕切板９が配設されているため、主回路変圧器２の背面側を通って上方に抜ける。

さらに、主回路変圧器２の背面側を通過した冷却風は、主回路変圧器２の後側縁と筐体１の後面板１ｂとの間が第５の仕切板１０によって閉塞されているため、主回路変圧器２の上部付近で、第１の通風路１１に合流する。

これらの第２の通風路１２を通過して上方へ抜けた冷却風は、排気用天井ファン５ａ及び５ｂによって外部に排出される。
〔本発明の実施例の効果〕
かくして本発明の実施例によれば、主回路変圧器の各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗは、それらの内部の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２間の空間部を通る冷却風と、各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗの前面側を通る冷却風と、各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗの背面側を通る冷却風とによって、内部及び表面側の双方で冷却される。これにより、主回路変圧器２の発熱部である各巻線部Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗを効率良く強制冷却することができる。

しかも、冷却風吸気口３ａ及び３ｂと排気用天井ファン５ａ及び５ｂとの間の冷却風通路が複数形成されているため、冷却風の通路面積を大きくすることができる。
さらに、上記の作用効果は、筐体１内に第１の仕切板６、第２の仕切板７及び第３の仕切板８ａ〜ｃを設けるだけでよく、全体の構成を簡易化することができ、筐体１が大型化することを抑制することができるとともに、製造コストが嵩むことも抑制することができる。

これにより、主回路変圧器２は強制空冷を前提とした設定を行うことができ、小型化が可能となる。
また、冷却風を筐体１の正面側に設けた冷却風吸気口３ａ及び３ｂからのみ吸気するので、筐体１の背面側に吸気口を設ける必要がない。さらに、冷却風を筐体１の正面側に設けた冷却風吸気口３ａ及び３ｂからのみ吸気するので、筐体１の背面側に吸気用スペースを設ける必要がないことから、筐体１の背面側を壁等に接触させて配置することが可能となる。

以上により、主回路変圧器２を収納した筐体１の小型化及び設置スペースの縮小化が可能となる。
そのほか、第３の仕切板８ａは、主回路変圧器２の前面に近接して配置されている。そのため、製作過程において、主回路変圧器２を配置した後に、第３の仕切板８ａの長さを調整することができる。主回路変圧器２に対して第３の仕切板８ａの長さが足りない場合には長さを延ばし、長さが超過している場合には、第３の仕切板８ａの長さを短縮化することができる。このとき、第３の仕切板８ａのみの長さを調整するだけでよいため、簡易に第３の仕切板８ａ〜ｃと主回路変圧器２との配置関係を調整することができる。

このため、どのようなサイズの主回路変圧器であっても、簡易に筐体１内の強制空冷構造を形成することができる。
なお、上記実施例では、第１の通風路１１及び第２の通風路１２を備えた場合について説明したが、これに限定されるものではない。第４の仕切板９及び第５の仕切板１０を省略し、第１の通風路１１のみを備えた構成とすることもできる。この場合であっても、筐体１内に導かれる冷却風は、第１の通風路１１を通過することにより、主回路変圧器２の前面、並びに内部の一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２間の空間部を冷却することができるため、全体としても冷却効率を向上させることができる。

また、上記実施例では、筐体１の正面側に２つの冷却吸気口３ａ及び３ｂを形成した場合について説明したが、これに限定されるものではない。横長の１つ又は３つ以上の冷却風吸気口を形成するようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、変圧器として主回路変圧器を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではない。筐体１に任意の変圧器を収納する場合に本発明を適用することができる。

そのほか、上記実施例では、筐体の正面部を開閉扉２Ｕ及び正面カバー２Ｌにより上下２段で構成した場合について説明したが、これに限定されるものではない。正面カバー２Ｌの代わりに開閉扉を使用するようにしてもよい。

１ 筐体
１ａ 前面板
１ｂ 後面板
１ｃ 上面板
１ｄ 底面板
１ｅ 左側面板
１ｆ 右側面板
２ 主回路変圧器
２Ｕ 開閉扉
２Ｌ 正面カバー
３ａ及び３ｂ 冷却風吸気口
４ 網状部材
５ａ及び５ｂ 排気用天井ファン
６ 第１の仕切板
７ 第２の仕切板
８ａ〜ｃ 第３の仕切板
９ 第４の仕切板
１０ 第５の仕切板
１１ 第１の通風路
１２ 第２の通風路

Claims (4)

1. 変圧器を収納した筐体と、
   該筐体の上面における前記変圧器の上面に対向する位置に配置された排気用天井ファンと、
   前記筐体の正面における前記変圧器の基部に対向する位置に形成された冷却風吸気口と、
   前記筐体の正面から前記変圧器の前面までの間に配置され、前記筐体内で前記変圧器の周囲を前後に仕切る仕切板を具備し、
   該仕切板は、前記変圧器の上面と筐体の上面との間に垂直方向に延長して配設された第１の仕切板と、
   前記第１の仕切板の下端から前記変圧器の背面側に延長して配設された第２の仕切板と、
   前記第２の仕切板の両側部から前記変圧器の側面を通って前記筐体の下面側に延長して配設された第３の仕切板とを備えることを特徴とする変圧器の冷却装置。
2. 請求項１に記載の変圧器の冷却装置において、
   前記変圧器の基部と前記筐体の後面との間に配設された第４の仕切板と、
   前記変圧器の上部と前記筐体の後面との間に配設された第５の仕切板とを備えることを特徴とする変圧器の冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の変圧器の冷却装置において、
   前記排気用天井ファンが、ファン中心軸線が前記変圧器の巻線部の前後方向の中心位置と略一致するように配置されていることを特徴とする変圧器の冷却装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変圧器の冷却装置において、
   前記排気用天井ファンが、幅方向に複数台並列に設置されていることを特徴とする変圧器の冷却装置。
   

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