電力変換装置
【課題】発熱性の半導体スイッチング素子に対して、効果的な冷却作用を発揮できる手段を備え、別言すれば、能動的で積極的な空気の流れを形成して、さらに一層効果的に冷却させることができるようにした電力変換装置を提供する。
【解決手段】再生可能エネルギーから得られる直流電力を交流電力に変換して系統へ供給する電力変換装置１において、背面１２上側に吸気口と下面に排気口とを有する筺体１０に収容され、背面１２と平行に配置される制御基板２と背面１２との間に設けられた半導体スイッチング素子（ＩＰＭ）が熱伝達可能に取り付けられたヒートシンク３と、ヒートシンク３の放熱用フィン３Ａを収納し第１の風路Ｗ１を形成する第１のダクト１４と、このダクト１４の吸気口側に設けられた送風ファンと、を備え、送風ファンと吸気口とがほぼ直角の関係に配置され、ダクト１４外部の両側にフィルタを成すリアクトルＬ１〜Ｌ３とコンデンサＣ１〜Ｃ４とをそれぞれ配置する。
【解決手段】再生可能エネルギーから得られる直流電力を交流電力に変換して系統へ供給する電力変換装置１において、背面１２上側に吸気口と下面に排気口とを有する筺体１０に収容され、背面１２と平行に配置される制御基板２と背面１２との間に設けられた半導体スイッチング素子（ＩＰＭ）が熱伝達可能に取り付けられたヒートシンク３と、ヒートシンク３の放熱用フィン３Ａを収納し第１の風路Ｗ１を形成する第１のダクト１４と、このダクト１４の吸気口側に設けられた送風ファンと、を備え、送風ファンと吸気口とがほぼ直角の関係に配置され、ダクト１４外部の両側にフィルタを成すリアクトルＬ１〜Ｌ３とコンデンサＣ１〜Ｃ４とをそれぞれ配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの再生可能エネルギーから得られた直流電力を交流電力に変換させる電力変換装置に係り、特に、この電力変換装置の筺体内部に備えた各種電子部品の発熱部分に対して放熱作用を効果的に発揮できる電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屋内設置式の太陽光発電システム用電力変換装置（パワーコンディショナ）として、放熱特性がよく、かつ、筐体表面が高温にならないものを得るために、筐体を金属筐体とし、その筐体内に、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換する直交変換回路と、この直交変換回路のパワーモジュール、特に発熱性の半導体スイッチング素子を取り付けたヒートシンクなどとを備えたものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１では、電力変換装置の筐体内の放熱が良好に行なえると共に、電力変換装置の筐体に人が触れたときに火傷や感電などを防止できる効果が記載されている。即ち、この電力変換装置では、パワーモジュールを一体に取り付けたヒートシンクによって空冷方式による放熱を行うものであって、ヒートシンクに付設した多数のフィンが有する大きな面積の表面部分を筺体内の空気に触れさせることで、発熱中のパワーモジュールに対する冷却を行うことができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の電力変換装置のように、ヒートシンクを用いることである程度は効果的な放熱が行えるものである。それでも、しかしながら、例えば、筺体内部での空気の流れがスムースでないような場合には、部分的に電力変換装置の回路素子のうち特に半導体スイッチング素子などの発熱の大きな素子から発するジュール熱が筐体内に篭ってしまう虞がある。
【０００６】
つまり、従来のものは、筐体内が素子の動作不良や破壊をもたらすような高温になる事態を効果的に防止できるわけではなかった。換言すれば、筺体内部での空気が効果的に流れるような有効手段を講じないと、これら回路素子のうちのいくつかの素子の耐熱限度を超え、その素子の特性が変化してパワーコンディショナとして所期の動作が得られなくなったり、またはその素子が破壊したりする虞がある。
【０００７】
そこで、上述の電力変換装置では、筺体の内外を貫通し、特にヒートシンクのフィン間を通過する状態にスリット孔を穿設することで、筺体外に抜ける空気の流れを形成するように構成されている。しかしながら、この電力変換装置では、スリット孔を通る空気の流れについては、自然上昇気流を生成させることで冷却する構成であって、原理的には、言わば受動的な作用を利用して冷却させているようなものである。
【０００８】
このように、上述の電力変換装置では、能動的で積極的な空気の流れを形成して冷却させる構成とはなっておらず、十分に効果的な放熱作用を発揮することができない。このような事情から、積極的で能動的な空気の流れを形成して冷却させることができる冷却手段を備えた電力変換装置の開発が切望されている。
【０００９】
従って、本発明の目的は、発熱性の半導体素子に対して、効果的な冷却作用を発揮できる手段を備え、別言すれば、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようにした電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の請求項１に係る電力変換装置は、
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、
少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、
前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、
前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、
少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、
前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、
が備えられているとともに、
第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、
前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとがそれぞれ配置されている、
ことを特徴する。
（２）本発明の請求項２に係る電力変換装置は、請求項１の電力変換装置において、
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側の、前記ヒートシンクの放熱フィンが収納された前記ダクトの内部には、前記放熱フィンが風路に沿って平行になるように設置され、かつ、
前記リアクトルと前記コンデンサとは、前記シャーシ内側の前記制御基板と背面との間に、前記ダクトと平行にかつダクトの外側の側部分に配置されている
ことを特徴する。
（３）本発明の請求項３に係る電力変換装置は、請求項２の電力変換装置において、
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた、上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側には、前記ダクトを第１のダクトとするほかに、これと平行に併設し前記リアクトルが収納された第２のダクトを備え、
前記第２のダクトは、入口に第２の送風ファンを備えるとともに、入口が前記吸気口とほぼ直角の関係となるように配置し、かつ、出口が前記排気口との間にダクト内の空気の一部が前記シャーシ内へ漏出可能な隙間を有するように配置され、
前記シャーシ内部の前記第１及び第２のダクト外に設置されている前記コンデンサは、前記第２のダクトの出口から漏出する空気の一部が、前記隙間から前記シャーシ内部の前記第１のダクト及び第２のダクトの外部へ流入するとともに、第１の送風ファン又は第２の送風ファンのいずれかの送風ファンから再び少なくともいずれかの一方のダクトへ流入する風によって、冷却されている
ことを特徴する。
（４）本発明の請求項４に係る電力変換装置は、請求項２または３の電力変換装置において、
前記シャーシは、一部に一段下がったステップ状の段部を設けるとともに、
前記シャーシ外部の前記段部の表面にブレーカが搭載されている、
ことを特徴する。
【発明の効果】
【００１１】
（１）本発明の請求項１に係る電力変換装置によれば、少なくともヒートシンクの放熱用フィンをダクト内に設置しており、このダクトの入口に設けた送風ファンで強制的にダクト内部へ空気を送り込むように構成してある。従って、特に放熱用フィンを設けたヒートシンクに取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子に対して、効果的な冷却作用を発揮できる。別言すれば、ヒートシンクに取り付けてある発熱性の半導体素子に対して、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようになるわけである。
（２）本発明の請求項２に係る電力装置によれば、シャーシ内側の、ダクト内部に、ヒートシンクの放熱フィンの各フィンが風路に沿って互いに平行になるように設置されている。従って、このように放熱フィンが設置されていることによってダクト内の送風抵抗を低く押させることができ、風路における空気の流量を得ることができてフィンに対する冷却効果を確保することができる。
（３）本発明の請求項３に係る電力装置によれば、シャーシ内側の第１のダクトと平行に、リアクトルが収納された第２のダクトを備えている。従って、シャーシ内側の第１及び第２のダクト外側に設置されているコンデンサに対して、第２のダクトの出口付近の隙間からダクト外部に漏出される空気の一部により、強制的に冷却させることができ、一層効果的な冷却作用を行うことができる。
（４）本発明の請求項４に係る電力装置によれば、シャーシの一部に一段下がったステップ状の段部を設け、この段部の表面にブレーカが搭載されている。このため、通常、一般の電子部品に比べると背高または嵩高のブレーカを搭載させてあっても、段差の分だけ高さ寸法を抑えることができ、その分、シャーシを内部に設けた筺体の薄型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の扉を開けたときの状態を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１に示した電力変換装置の外観を示す斜視図、（Ｂ）は図１に示した電力変換装置の外観を示す背面図である。
【図３】図１に示した電力変換装置の筺体内部を底面側から見たときの状態を示す説明図である。
【図４】図１に示した電力変換装置の筺体内部を表面側から見たときの状態を示す正面図である。
【図５】（Ａ）は図４におけるＶＡ−ＶＡ線矢視断面図、（Ｂ）は図４におけるＶＢ−ＶＢ線矢視断面図である。
【図６】図１に示した電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。
【図７】図１に示した電力変換装置に備える半導体スイッチング素子がパッケージに収容される形態でモジュール化された、ＩＰＭを取付けたヒートシンクを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、が備えられているとともに、第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとが配置されている構成であり、以下にその実施例を図に基づき説明する。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る電力変換装置１は、正面(フロント面)側が全面開口された開口部１０Ｃを有する金属製で略箱状の筺体１０の内部に、高電圧となる電装部品を含み所期の動作をする電気回路部が収容されている。筺体１０は、天面寄りの背面１２にエアーフィルタ（例えばメッシュ状のエアーフィルタ）を備えた吸気口１０Ａが形成されているとともに底面部分に同様のエアーフィルタを備えた排気口１０Ｂが形成されている。吸気口１０Ａは筐体１０の天面寄りの側面に形成してもよく、また背面と側面との両方に形成しても良い。また、筺体１０は、正面側の開口部１０Ｃが扉１１によって開放可能な構成となっている。
【００１５】
筺体１０の内部には、図３乃至図５に示すように、背面１２と背面１２に対面する表面を構成する扉１１との間に、平行な状態で上下が開放された金属製で断面略コ字状のシャーシ１３が設けられているととともに、このシャーシ１３の表面側にシャーシ１３と一定の隙間を保持して制御基板２が設けられている。
【００１６】
また、シャーシ１３には、内側に上下方向に沿って第１のダクト１４と第２のダクト１５とが一体で並設されており、図５に示すように、それぞれ、第１の風路Ｗ１と第２の風路Ｗ２とが形成されている。
【００１７】
また、本実施形態のシャーシ１３は、第１のダクト１４と第２のダクト１５とが設置された部位（以下、これを「ダクト設置部」とよぶことがある）を避けた部分に、ダクト設置部よりも一段高さ（Ｈ）を下げたステップ状の段部１３Ａが形成されており、この段部１３Ａの表面には他の電子部品などよりも背高（若しくは嵩高）寸法を有するブレーカＢＫ１及びＢＫ２などが設置されている。このうち、ブレーカＢＫ１は直流用のものである。また、ブレーカＢＫ２は（３相）交流用のものであって、各相に対応する３つの開閉接片がまとめて１つにパッケージ化されてある。
【００１８】
第１のダクト１４には、上部に送風ファン１６を備えるとともに、ヒートシンク３（図２（Ｂ）、図３〜図５（Ａ）参照）が設置されており、発熱部品、つまり後述するＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）を構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１を、ヒートシンク３を介して効率的に空気冷却（空冷）させるようになっている。
【００１９】
この第１のダクト１４は、図５（Ａ）に示すように、送風ファン１６を取り付ける上端の開口した入口１４Ａが、背面１２に形成されているエアーフィルタを備えた吸気口１０Ａに対して直交する方向に開口しているとともに、下端の開口した出口１４Ｂが下面１２の排気口１０Ｂに当接した状態に形成されている。このため、風路Ｗ１を通過する空気が排気口１０Ｂから直接筐体１０外へ排気され、この空気は第１のダクト１４からシャーシ１２の内部に漏れ込まないようになっている。なお、送風ファンを設置している入口１４Ａと吸気口１０Ａとをほぼ直角の関係に配置させることによって吸気口１０Ａから導入する空気と筐体１０内の上部に溜まった空気との両方を第１のダクト１４へ吸い込みやすくしている。すなわち、後記する第２のダクト１５から筐体１０内の下面側へ供給される空気のうち上部へ上昇してきた空気を吸い込みやすくしているものである。
【００２０】
吸気口１０Ａは第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の入口をカバーするような横長長尺状に形成されており、同様に、排気口１０Ｂは第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の出口をカバーするような固有形状に形成されている。
【００２１】
ヒートシンク３には、放熱用の表面積を稼ぐために多数のフィン３Ａが付設されているとともに、詳細は図６、図７を用いて後述するが、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）やインバータ部（ＩＮＶ）の一部を構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が、熱伝導可能に設置されている。
【００２２】
フィン３Ａは、これが設置されている第１のダクト１４の第１の風路Ｗ１に倣い空気、つまり風の流れる上から下方向に沿って、これに平行に多数のフィンが密な状態で等間隔に設置されている。このようにして、第１のダクト１４内では、空気の流れを損なうことのないスムースな層流状態の風路Ｗ１が形成されることで、風路抵抗の不必要な増加を抑制し各フィン３Ａの間には効率的に多量の風が吹き抜けることができ、効果的な冷却効果がもたらされるようになっている。
【００２３】
ヒートシンク３によって冷却させる半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１は、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の状態で、一つのパッケージ（図ＰＡＣ（図５（Ａ）参照）にまとめられていてもよく又スイッチング素子Ｔ１、ダイオードＤ１を別パッケージとしてもよい。
【００２４】
このＩＰＭは、裏側面（図３の下側面、図５（Ａ）の右側面）が熱電導性の良好なアルミニウム等の金属製の放熱面となっており、この放熱面が、ヒートシンク３のベース３Ｂにおけるフィン３Ａを設置した面とは反対面（図３の上側面、図５（Ａ）の左側面）である発熱部品の搭載面に熱伝導シート又は熱伝導性を有するグリスを介して密着状態で取り付けられている。このような構成のヒートシンク３により、これに搭載されたＩＰＭを構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が風路Ｗ１を通過する空気の流れで効果的に放熱されて冷却されるわけである。
【００２５】
このように、ヒートシンク３によって冷却させるダイオードＤ１も半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５と同様に発熱するが、このほかに、発熱の大きな素子として、インバータ部（ＩＮＶ）、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）に備えたリアクトルＬ１、及びフィルタ部（ローパスフィルター：ＬＰＦ）に備えたリアクトルＬ２、Ｌ３がある。そこで、本発明では特に発熱量の大きなリアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３からの発熱を放散させるための有効な技術的手段についても、次に説明する。
【００２６】
第２のダクト１５も第１のダクト１４と同様に、上部に送風ファン１７を備えるが、この第２のダクト１５には、内部に、発熱部品として昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）及びフィルタ部（ＬＰＦ）の一部を構成する複数のリアクトルＬ１〜Ｌ３が設置されており、これらのリアクトルＬ１〜Ｌ３が効率的に空気冷却（空冷）されるようになっている。この第２のダクト１５でも、送風ファン１７を取り付ける上端の開口した入口１５Ａが、背面１２に形成されているエアーフィルタを備えた吸気口１０Ａに対して直交する方向に開口している。
【００２７】
リアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、図５（Ｂ）に示すように、その上部及び下部における外面部分が、柔軟性の熱伝導シートと電気絶縁シートを介して、シャーシ１３内側の第２のダクト１５の内部に配置されており、一部コイルが露出している。このような状態で第２のダクト１５に取り付けたリアクトルＬ２、Ｌ３は、露出しているコイル部分が第２の風路Ｗ２を通る風によって効率的に冷却させるように構成されている。なお、ここで、熱伝導シート１８Ａは、例えばシリコンオイルを含浸させたシリコン高分子材で構成され、厚さが略３ｍｍ〜１０ｍｍのシートである。
【００２８】
リアクトルＬ１Ｌ１〜Ｌ３は、発熱量の多いほうから順に、例えば、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順で（但し、Ｌ１、Ｌ２はほぼ同一発熱量であるので、Ｌ２、Ｌ１、Ｌ３の順でもよい）、送風ファン１７を上部に備える入口１５Ａ寄りから出口１５Ｂ寄りに、所定の間隔で、かつ、直列状態で設置されている。
【００２９】
このように、リアクトルＬ１は、送風ファン１７によって強制的に風路Ｗ２に送り込まれる風により、そのコイルの外周面から効果的放熱を得ることができる。そのため、リアクトルＬ１から発するジュール熱によって筐体１内が高温によるなることにより生じる電気回路素子の特性の変化や素子の破壊等の虞がなく、安定動作の電力変換装置１が得られるものとなる。また、リアクトルＬ１、Ｌ２についても、同様に、そのコイル外周面からの効果的放熱を得ることができる。
【００３０】
なお、リアクトルＬ１はその発熱量が少ない場合、発熱量の大きいリアクトルＬ２、Ｌ３を上流側に配置した構成とすることで、効果的な放熱作用を得ることが可能となる。
【００３１】
また、第２のダクト１５では、下端の開口した出口１５Ｂが下面の排気口１０Ｂに当接した直結状態に形成されているのではなく、排気口１０Ｂから若干の隙間Ｓ（図５（Ｂ）参照）を保持して離間した状態に形成されている。このため、風路Ｗ２を通過する空気の一部を，第２のダクト１５から隙間Ｓを介してシャーシ１３の内部の下面側へ漏れ出させることができる。
【００３２】
このように構成することで、風路Ｗ２を通過する空気の一部が、シャーシ１３内部で、かつ、第１のダクト１４と第２のダクト１５の外側領域を下方から上方へ上昇し、筺体１０内の上側に溜まった後、再度、第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の入口若しくはいずれか一方の入口からダクト内へ流入するような外風路Ｗ３も形成される。このように、外風路Ｗ３を構成する、シャーシ１３内であって、かつ、第１のダクト１４及び第２のダクト１５の外部を、空気が流れることによって、この外風路Ｗ３の流路にあるコンデンサＣ１〜Ｃ４を効果的に冷却させることもできるわけである。
【００３３】
なお、本実施形態では、発熱部品として昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）及びフィルタ部（ＬＰＦ）の一部を構成する複数のリアクトルＬ１〜Ｌ３を効果的に空冷させるために、この第２のダクト１５を設置しているが、とくにこの第２のダクト１５は必須とするものではなく、コンデンサＣ１〜Ｃ４と同様に、第１のダクト１４の外側の外風路Ｗ３を流れる空気で冷却させるように構成してもよい。
【００３４】
その場合、第１のダクト１４の出口１４Ｂを、下面の排気口１０Ｂに直結させるのではなく若干の隙間を保持して排気口１０Ｂに対面させればよい。このように構成することで、第１のダクト１４内の第１の風路Ｗ１からの風の一部がシャーシ１３内の第１のダクト１４外側領域へ漏れ出し、シャーシ１３内部の底面部から天面部へ向かう上昇流としてコンデンサＣ１〜Ｃ４とともにリアクトルＬ１〜Ｌ３を効果的に冷却させるようにするのが好ましい。即ち、リアクトルＬ１〜Ｌ３の方へ流れる空気の流量をコンデンサＣ１〜Ｃ４の方へ流れる空気の流量よりも多く（若しくは流速を速く）するような構成とするのが好ましい。
【００３５】
例えば、外風路Ｗ３については、シャーシ１３内部において、第１のダクト１４を境界として左右に分離配置させるともに、シャーシ１３内部でのコンデンサＣ１〜Ｃ４側の風路断面積とリアクトルＬ１〜Ｌ３側の風路断面積との比率を、これらの断面積比に応じた毎秒あたりの空気の流量についてベルヌーイの定理などを用いて流体力学的に算出し、これに基づき適宜に設定するようにしてもよい。
【００３６】
制御基板２には、発熱部品を除く電子部品などが搭載されており、この電気回路部が本発明に係る電力変換装置の主回路（ＭＣ）を構成している。この主回路（ＭＣ）には、太陽電池（ＰＶ）が発電する直流電力の直流電圧を昇圧する昇圧回路を構成する昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、この昇圧部で昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を構成するインバータ部（ＩＮＶ）と、ローパスフィルタ回路を構成するフィルタ部（ＬＰＦ）と、系統への交流電力の出力を開閉制御するリレー部（ＲＹ）と、を備える。
【００３７】
図６に示すように、電力変換装置１の主回路（ＭＣ）は、図１に点線で囲む大枠部分が一つのプリント配線基板に配線されている。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５のそれぞれは、通常、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と称するものである。スイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５は、図７に示すように、単一（一つ）のパッケージに収容される形態でモジュール化されており、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）と称する。なお、製造上のメリットを出すために、スイッチング素子Ｔ１及びダイオードＤ１もスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５と共に単一（一つ）のパッケージに収容される形態でモジュール化することができる。このため、図７に示すものは、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が１つのパッケージに収容された前述のＩＰＭを示している。
【００３８】
ＩＰＭには、上述のように、発熱量の大きい回路素子として、インバータ部（ＩＮＶ）のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５などを設けているが、後述のように、このスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５などを収容したＩＰＭは、裏側面（図２の内側面、図３の下面側）がアルミニウム等の金属製の放熱面となっている。この放熱面が後述のヒートシンク３のベース３Ｂ（図３、図５（Ａ）及び図７参照）の表面に密着するように、ネジによってＩＰＭの取り付けフランジ部がヒートシンク３に固定され、ＩＰＭから発生する熱がヒートシンク３によって放熱される構成である。
【００３９】
図６において、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｔ１、及びダイオードＤ１（さらにコンデンサＣ０）で昇圧回路が構成され、太陽電池（ＰＶ）から供給される直流電圧は、制御部ＣＮＴによる制御によってスイッチング素子Ｔ１がＯＮ（オンという）及びＯＦＦ（オフという）動作して所定電圧に昇圧される。
【００４０】
図６において、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、スイッチング素子Ｔ１がオン（ＯＮとする）状態になるとリアクトルＬ１にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子Ｔ１がオフ（ＯＦＦとする）状態になると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出されてコンデンサＣ０に充電される。この場合、スイッチング素子Ｔ１がＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合を制御することにより、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、太陽電池（ＰＶ）から供給される直流電力の電圧を所定の電圧に昇圧する。ダイオードＤ１は、電流が太陽電池（ＰＶ）側へ逆流しないようにするためであり、スイッチング素子Ｔ１に並列のダイオードは、スイッチング素子Ｔ１の保護のためである。
【００４１】
また、インバータ部（ＩＮＶ）は、スイッチング制御のために４個のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５が単相フルブリッジ接続されていると共に、コンデンサＣ１、Ｃ２が接続されている。４個のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５が、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）から供給される直流電力を制御部（ＣＮＴ）によってＯＮ（オンという）及びＯＦＦ（オフという）動作して、商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する所定の周波数の交流電力に変換される。このため、インバータ部（ＩＮＶ）は、ＤＣ／ＡＣ変換部と称することができる。ちなみに、コンデンサＣ１、Ｃ２は平滑用のコンデンサである。また、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続点をＶ結線方式の三相交流のＶ相出力端子としている。
【００４２】
このインバータ部（ＩＮＶ）は、最大値（ＰＷとする）に基づいて算出した電流が商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ出力されるように、制御部（ＣＮＴ）によって商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ重畳される正弦波の交流電圧のピーク値電圧又は実効値電圧を制御する。
【００４３】
フィルタ部（ＬＰＦ）は、リアクトルＬ２、リアクトルＬ３、及びコンデンサＣ３、コンデンサＣ４にて高周波数を遮断するローパスフィルタ回路を構成し、インバータ部（ＩＮＶ）のスイッチング素子Ｔ２とスイッチング素子Ｔ３との接続点がリアクトルＬ２に接続され、スイッチング素子Ｔ４とスイッチング素子Ｔ５との接続点がリアクトルＬ３に接続されている。そして、インバータ部（ＩＮＶ）から出力されるパルス電圧を平滑して（高周波成分を除去して）商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する周波数の正弦波の交流電圧とし、リレー部（ＲＹ）を介して商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ出力される。
【００４４】
このような構成の本実施形態の電力変換装置１では、再生可能エネルギーである太陽電池（ＰＶ）からの直流電力が、チョッパ動作により昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）にて昇圧され、この昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）で昇圧した直流電力が、インバータ部（ＩＮＶ）により交流電力に変換（ＤＣ／ＡＣ変換）された後、ローパスフィルタ回路を構成するフィルタ部（ＬＰＦ）を介して商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する所定の低周波数の正弦波の交流電力として商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ重畳される。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、ヒートシンク３の放熱用フィン３Ａを第１のダクト１４内に設置しており、このダクト１４の入口１４Ａに設けた送風ファン１６で強制的にダクト１４内部へ風を送り込むように構成してある。したがって、特に放熱用フィン３Ａを設けたヒートシンク３に取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５に対して、効果的な冷却作用を発揮できる。別言すれば、ヒートシンク３に取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５に対して、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようになる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、シャーシ１３内側の、ヒートシンク３の多数のものからなるフィン３Ａが収納された第１のダクト１４内部には、各フィン３Ａが風路Ｗ１に沿って互いに平行になるように設置されている。このため、フィン３Ａによって第１のダクト１４内の風路Ｗ１における風の流れが阻害されることがなく、フィン３Ａに対する冷却効果が高まる。
【００４７】
さらに、本実施形態によれば、シャーシ１３内部の第１のダクト１４と平行に、第１のダクト１４と同様の構成で、かつ、リアクトルＬ１〜Ｌ３が収納された第２のダクト１５を備えている。このため、シャーシ１３内部の第１のダクト１４及び第２のダクト１５外に設置されているコンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、第２のダクト１５の出口１５Ｂから排出される空気の一部による風により強制的に冷却させることができ、一層効果的な冷却作用を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、シャーシ１３の一部に一段下がったステップ状の段部１３Ａを設け、この段部１３Ａの表面側にブレーカＢＫ１、ＢＫ２が搭載されている。従って、通常、一般の電子部品に比べると背高または嵩高のブレーカＢＫ１、ＢＫ２を搭載させてあっても、その高さの一部を段部１３Ａの高低差（Ｈ）で稼ぐことができ、その分、シャーシ１３を内部に設けた筺体１０の薄型化が図れる。
【００４９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。
【００５０】
例えば、筺体１０の部分は水密構造にするとともに、筺体１０と扉１１との間から水や湿気が入り込まないようにするために、扉１１には周囲にゴム製のパッキンなどを取り付ける。一方、吸気口１０Ａは筺体１０の外部に露出しない背面１２に形成してあるので雨水が入り込み難い構造であるが、庇などを付設して雨水対策を講じる。
【００５１】
このようにすれば、雨水の入り込み難い構造が得られるので、庇で保護された屋外の壁面またはその付近での設置が可能である。なお、排気口１０Ｂは筺体１０の下面に形成されているので、表面側寄りにダクトから排気される空気の排出を阻害しない状態で小さな庇などを設けることで、効果的に雨水の侵入を回避できる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・・・電力変換装置
１０・・・・・筺体
１０Ａ・・・・・吸気口
１０Ｂ・・・・・排気口
１０Ｃ・・・・・開口部
１１・・・・・扉
１２・・・・・背面
１３・・・・・シャーシ
１３Ａ・・・・・ステップ状の段部
１４・・・・・第１のダクト（ダクト）
１４Ａ・・・・・入口
１４Ｂ・・・・・出口
１５・・・・・第２のダクト
１５Ａ・・・・・入口
１５Ｂ・・・・・出口
２・・・・・制御基板
３・・・・・ヒートシンク
３Ａ・・・・・フィン
３Ｂ・・・・・ベース
ＢＫ１，ＢＫ２・・・・・ブレーカ
Ｃ１〜Ｃ４・・・・・コンデンサ
Ｄ１・・・・ダイオード
ＤＣ／ＤＣ・・・・・昇圧部
ＬＰＦ・・・・・フィルタ部
ＧＲＩＤ・・・・・商用電力系統
ＩＰＭ・・・・・インテリジェントパワーモジュール
ＩＮＶ・・・・・インバータ部
Ｌ１・・・・・昇圧部のリアクトル
Ｌ２、Ｌ３・・・・・フィルタ部のリアクトル
ＭＣ・・・・・電力変換装置の主回路
ＰＶ・・・・・太陽電池
Ｓ・・・・・隙間
Ｔ１〜Ｔ５・・・・・スイッチング素子
Ｗ１・・・・・第１の風路
Ｗ２・・・・・第２の風路
Ｗ３・・・・・外風路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光などの再生可能エネルギーから得られた直流電力を交流電力に変換させる電力変換装置に係り、特に、この電力変換装置の筺体内部に備えた各種電子部品の発熱部分に対して放熱作用を効果的に発揮できる電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
屋内設置式の太陽光発電システム用電力変換装置（パワーコンディショナ）として、放熱特性がよく、かつ、筐体表面が高温にならないものを得るために、筐体を金属筐体とし、その筐体内に、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換する直交変換回路と、この直交変換回路のパワーモジュール、特に発熱性の半導体スイッチング素子を取り付けたヒートシンクなどとを備えたものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１では、電力変換装置の筐体内の放熱が良好に行なえると共に、電力変換装置の筐体に人が触れたときに火傷や感電などを防止できる効果が記載されている。即ち、この電力変換装置では、パワーモジュールを一体に取り付けたヒートシンクによって空冷方式による放熱を行うものであって、ヒートシンクに付設した多数のフィンが有する大きな面積の表面部分を筺体内の空気に触れさせることで、発熱中のパワーモジュールに対する冷却を行うことができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の電力変換装置のように、ヒートシンクを用いることである程度は効果的な放熱が行えるものである。それでも、しかしながら、例えば、筺体内部での空気の流れがスムースでないような場合には、部分的に電力変換装置の回路素子のうち特に半導体スイッチング素子などの発熱の大きな素子から発するジュール熱が筐体内に篭ってしまう虞がある。
【０００６】
つまり、従来のものは、筐体内が素子の動作不良や破壊をもたらすような高温になる事態を効果的に防止できるわけではなかった。換言すれば、筺体内部での空気が効果的に流れるような有効手段を講じないと、これら回路素子のうちのいくつかの素子の耐熱限度を超え、その素子の特性が変化してパワーコンディショナとして所期の動作が得られなくなったり、またはその素子が破壊したりする虞がある。
【０００７】
そこで、上述の電力変換装置では、筺体の内外を貫通し、特にヒートシンクのフィン間を通過する状態にスリット孔を穿設することで、筺体外に抜ける空気の流れを形成するように構成されている。しかしながら、この電力変換装置では、スリット孔を通る空気の流れについては、自然上昇気流を生成させることで冷却する構成であって、原理的には、言わば受動的な作用を利用して冷却させているようなものである。
【０００８】
このように、上述の電力変換装置では、能動的で積極的な空気の流れを形成して冷却させる構成とはなっておらず、十分に効果的な放熱作用を発揮することができない。このような事情から、積極的で能動的な空気の流れを形成して冷却させることができる冷却手段を備えた電力変換装置の開発が切望されている。
【０００９】
従って、本発明の目的は、発熱性の半導体素子に対して、効果的な冷却作用を発揮できる手段を備え、別言すれば、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようにした電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の請求項１に係る電力変換装置は、
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、
少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、
前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、
前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、
少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、
前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、
が備えられているとともに、
第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、
前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとがそれぞれ配置されている、
ことを特徴する。
（２）本発明の請求項２に係る電力変換装置は、請求項１の電力変換装置において、
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側の、前記ヒートシンクの放熱フィンが収納された前記ダクトの内部には、前記放熱フィンが風路に沿って平行になるように設置され、かつ、
前記リアクトルと前記コンデンサとは、前記シャーシ内側の前記制御基板と背面との間に、前記ダクトと平行にかつダクトの外側の側部分に配置されている
ことを特徴する。
（３）本発明の請求項３に係る電力変換装置は、請求項２の電力変換装置において、
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた、上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側には、前記ダクトを第１のダクトとするほかに、これと平行に併設し前記リアクトルが収納された第２のダクトを備え、
前記第２のダクトは、入口に第２の送風ファンを備えるとともに、入口が前記吸気口とほぼ直角の関係となるように配置し、かつ、出口が前記排気口との間にダクト内の空気の一部が前記シャーシ内へ漏出可能な隙間を有するように配置され、
前記シャーシ内部の前記第１及び第２のダクト外に設置されている前記コンデンサは、前記第２のダクトの出口から漏出する空気の一部が、前記隙間から前記シャーシ内部の前記第１のダクト及び第２のダクトの外部へ流入するとともに、第１の送風ファン又は第２の送風ファンのいずれかの送風ファンから再び少なくともいずれかの一方のダクトへ流入する風によって、冷却されている
ことを特徴する。
（４）本発明の請求項４に係る電力変換装置は、請求項２または３の電力変換装置において、
前記シャーシは、一部に一段下がったステップ状の段部を設けるとともに、
前記シャーシ外部の前記段部の表面にブレーカが搭載されている、
ことを特徴する。
【発明の効果】
【００１１】
（１）本発明の請求項１に係る電力変換装置によれば、少なくともヒートシンクの放熱用フィンをダクト内に設置しており、このダクトの入口に設けた送風ファンで強制的にダクト内部へ空気を送り込むように構成してある。従って、特に放熱用フィンを設けたヒートシンクに取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子に対して、効果的な冷却作用を発揮できる。別言すれば、ヒートシンクに取り付けてある発熱性の半導体素子に対して、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようになるわけである。
（２）本発明の請求項２に係る電力装置によれば、シャーシ内側の、ダクト内部に、ヒートシンクの放熱フィンの各フィンが風路に沿って互いに平行になるように設置されている。従って、このように放熱フィンが設置されていることによってダクト内の送風抵抗を低く押させることができ、風路における空気の流量を得ることができてフィンに対する冷却効果を確保することができる。
（３）本発明の請求項３に係る電力装置によれば、シャーシ内側の第１のダクトと平行に、リアクトルが収納された第２のダクトを備えている。従って、シャーシ内側の第１及び第２のダクト外側に設置されているコンデンサに対して、第２のダクトの出口付近の隙間からダクト外部に漏出される空気の一部により、強制的に冷却させることができ、一層効果的な冷却作用を行うことができる。
（４）本発明の請求項４に係る電力装置によれば、シャーシの一部に一段下がったステップ状の段部を設け、この段部の表面にブレーカが搭載されている。このため、通常、一般の電子部品に比べると背高または嵩高のブレーカを搭載させてあっても、段差の分だけ高さ寸法を抑えることができ、その分、シャーシを内部に設けた筺体の薄型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の扉を開けたときの状態を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１に示した電力変換装置の外観を示す斜視図、（Ｂ）は図１に示した電力変換装置の外観を示す背面図である。
【図３】図１に示した電力変換装置の筺体内部を底面側から見たときの状態を示す説明図である。
【図４】図１に示した電力変換装置の筺体内部を表面側から見たときの状態を示す正面図である。
【図５】（Ａ）は図４におけるＶＡ−ＶＡ線矢視断面図、（Ｂ）は図４におけるＶＢ−ＶＢ線矢視断面図である。
【図６】図１に示した電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。
【図７】図１に示した電力変換装置に備える半導体スイッチング素子がパッケージに収容される形態でモジュール化された、ＩＰＭを取付けたヒートシンクを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、が備えられているとともに、第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとが配置されている構成であり、以下にその実施例を図に基づき説明する。
【００１４】
本発明の一実施形態に係る電力変換装置１は、正面(フロント面)側が全面開口された開口部１０Ｃを有する金属製で略箱状の筺体１０の内部に、高電圧となる電装部品を含み所期の動作をする電気回路部が収容されている。筺体１０は、天面寄りの背面１２にエアーフィルタ（例えばメッシュ状のエアーフィルタ）を備えた吸気口１０Ａが形成されているとともに底面部分に同様のエアーフィルタを備えた排気口１０Ｂが形成されている。吸気口１０Ａは筐体１０の天面寄りの側面に形成してもよく、また背面と側面との両方に形成しても良い。また、筺体１０は、正面側の開口部１０Ｃが扉１１によって開放可能な構成となっている。
【００１５】
筺体１０の内部には、図３乃至図５に示すように、背面１２と背面１２に対面する表面を構成する扉１１との間に、平行な状態で上下が開放された金属製で断面略コ字状のシャーシ１３が設けられているととともに、このシャーシ１３の表面側にシャーシ１３と一定の隙間を保持して制御基板２が設けられている。
【００１６】
また、シャーシ１３には、内側に上下方向に沿って第１のダクト１４と第２のダクト１５とが一体で並設されており、図５に示すように、それぞれ、第１の風路Ｗ１と第２の風路Ｗ２とが形成されている。
【００１７】
また、本実施形態のシャーシ１３は、第１のダクト１４と第２のダクト１５とが設置された部位（以下、これを「ダクト設置部」とよぶことがある）を避けた部分に、ダクト設置部よりも一段高さ（Ｈ）を下げたステップ状の段部１３Ａが形成されており、この段部１３Ａの表面には他の電子部品などよりも背高（若しくは嵩高）寸法を有するブレーカＢＫ１及びＢＫ２などが設置されている。このうち、ブレーカＢＫ１は直流用のものである。また、ブレーカＢＫ２は（３相）交流用のものであって、各相に対応する３つの開閉接片がまとめて１つにパッケージ化されてある。
【００１８】
第１のダクト１４には、上部に送風ファン１６を備えるとともに、ヒートシンク３（図２（Ｂ）、図３〜図５（Ａ）参照）が設置されており、発熱部品、つまり後述するＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）を構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１を、ヒートシンク３を介して効率的に空気冷却（空冷）させるようになっている。
【００１９】
この第１のダクト１４は、図５（Ａ）に示すように、送風ファン１６を取り付ける上端の開口した入口１４Ａが、背面１２に形成されているエアーフィルタを備えた吸気口１０Ａに対して直交する方向に開口しているとともに、下端の開口した出口１４Ｂが下面１２の排気口１０Ｂに当接した状態に形成されている。このため、風路Ｗ１を通過する空気が排気口１０Ｂから直接筐体１０外へ排気され、この空気は第１のダクト１４からシャーシ１２の内部に漏れ込まないようになっている。なお、送風ファンを設置している入口１４Ａと吸気口１０Ａとをほぼ直角の関係に配置させることによって吸気口１０Ａから導入する空気と筐体１０内の上部に溜まった空気との両方を第１のダクト１４へ吸い込みやすくしている。すなわち、後記する第２のダクト１５から筐体１０内の下面側へ供給される空気のうち上部へ上昇してきた空気を吸い込みやすくしているものである。
【００２０】
吸気口１０Ａは第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の入口をカバーするような横長長尺状に形成されており、同様に、排気口１０Ｂは第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の出口をカバーするような固有形状に形成されている。
【００２１】
ヒートシンク３には、放熱用の表面積を稼ぐために多数のフィン３Ａが付設されているとともに、詳細は図６、図７を用いて後述するが、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）やインバータ部（ＩＮＶ）の一部を構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が、熱伝導可能に設置されている。
【００２２】
フィン３Ａは、これが設置されている第１のダクト１４の第１の風路Ｗ１に倣い空気、つまり風の流れる上から下方向に沿って、これに平行に多数のフィンが密な状態で等間隔に設置されている。このようにして、第１のダクト１４内では、空気の流れを損なうことのないスムースな層流状態の風路Ｗ１が形成されることで、風路抵抗の不必要な増加を抑制し各フィン３Ａの間には効率的に多量の風が吹き抜けることができ、効果的な冷却効果がもたらされるようになっている。
【００２３】
ヒートシンク３によって冷却させる半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１は、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の状態で、一つのパッケージ（図ＰＡＣ（図５（Ａ）参照）にまとめられていてもよく又スイッチング素子Ｔ１、ダイオードＤ１を別パッケージとしてもよい。
【００２４】
このＩＰＭは、裏側面（図３の下側面、図５（Ａ）の右側面）が熱電導性の良好なアルミニウム等の金属製の放熱面となっており、この放熱面が、ヒートシンク３のベース３Ｂにおけるフィン３Ａを設置した面とは反対面（図３の上側面、図５（Ａ）の左側面）である発熱部品の搭載面に熱伝導シート又は熱伝導性を有するグリスを介して密着状態で取り付けられている。このような構成のヒートシンク３により、これに搭載されたＩＰＭを構成する半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が風路Ｗ１を通過する空気の流れで効果的に放熱されて冷却されるわけである。
【００２５】
このように、ヒートシンク３によって冷却させるダイオードＤ１も半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５と同様に発熱するが、このほかに、発熱の大きな素子として、インバータ部（ＩＮＶ）、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）に備えたリアクトルＬ１、及びフィルタ部（ローパスフィルター：ＬＰＦ）に備えたリアクトルＬ２、Ｌ３がある。そこで、本発明では特に発熱量の大きなリアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３からの発熱を放散させるための有効な技術的手段についても、次に説明する。
【００２６】
第２のダクト１５も第１のダクト１４と同様に、上部に送風ファン１７を備えるが、この第２のダクト１５には、内部に、発熱部品として昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）及びフィルタ部（ＬＰＦ）の一部を構成する複数のリアクトルＬ１〜Ｌ３が設置されており、これらのリアクトルＬ１〜Ｌ３が効率的に空気冷却（空冷）されるようになっている。この第２のダクト１５でも、送風ファン１７を取り付ける上端の開口した入口１５Ａが、背面１２に形成されているエアーフィルタを備えた吸気口１０Ａに対して直交する方向に開口している。
【００２７】
リアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３は、図５（Ｂ）に示すように、その上部及び下部における外面部分が、柔軟性の熱伝導シートと電気絶縁シートを介して、シャーシ１３内側の第２のダクト１５の内部に配置されており、一部コイルが露出している。このような状態で第２のダクト１５に取り付けたリアクトルＬ２、Ｌ３は、露出しているコイル部分が第２の風路Ｗ２を通る風によって効率的に冷却させるように構成されている。なお、ここで、熱伝導シート１８Ａは、例えばシリコンオイルを含浸させたシリコン高分子材で構成され、厚さが略３ｍｍ〜１０ｍｍのシートである。
【００２８】
リアクトルＬ１Ｌ１〜Ｌ３は、発熱量の多いほうから順に、例えば、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の順で（但し、Ｌ１、Ｌ２はほぼ同一発熱量であるので、Ｌ２、Ｌ１、Ｌ３の順でもよい）、送風ファン１７を上部に備える入口１５Ａ寄りから出口１５Ｂ寄りに、所定の間隔で、かつ、直列状態で設置されている。
【００２９】
このように、リアクトルＬ１は、送風ファン１７によって強制的に風路Ｗ２に送り込まれる風により、そのコイルの外周面から効果的放熱を得ることができる。そのため、リアクトルＬ１から発するジュール熱によって筐体１内が高温によるなることにより生じる電気回路素子の特性の変化や素子の破壊等の虞がなく、安定動作の電力変換装置１が得られるものとなる。また、リアクトルＬ１、Ｌ２についても、同様に、そのコイル外周面からの効果的放熱を得ることができる。
【００３０】
なお、リアクトルＬ１はその発熱量が少ない場合、発熱量の大きいリアクトルＬ２、Ｌ３を上流側に配置した構成とすることで、効果的な放熱作用を得ることが可能となる。
【００３１】
また、第２のダクト１５では、下端の開口した出口１５Ｂが下面の排気口１０Ｂに当接した直結状態に形成されているのではなく、排気口１０Ｂから若干の隙間Ｓ（図５（Ｂ）参照）を保持して離間した状態に形成されている。このため、風路Ｗ２を通過する空気の一部を，第２のダクト１５から隙間Ｓを介してシャーシ１３の内部の下面側へ漏れ出させることができる。
【００３２】
このように構成することで、風路Ｗ２を通過する空気の一部が、シャーシ１３内部で、かつ、第１のダクト１４と第２のダクト１５の外側領域を下方から上方へ上昇し、筺体１０内の上側に溜まった後、再度、第１のダクト１４と第２のダクト１５の双方の入口若しくはいずれか一方の入口からダクト内へ流入するような外風路Ｗ３も形成される。このように、外風路Ｗ３を構成する、シャーシ１３内であって、かつ、第１のダクト１４及び第２のダクト１５の外部を、空気が流れることによって、この外風路Ｗ３の流路にあるコンデンサＣ１〜Ｃ４を効果的に冷却させることもできるわけである。
【００３３】
なお、本実施形態では、発熱部品として昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）及びフィルタ部（ＬＰＦ）の一部を構成する複数のリアクトルＬ１〜Ｌ３を効果的に空冷させるために、この第２のダクト１５を設置しているが、とくにこの第２のダクト１５は必須とするものではなく、コンデンサＣ１〜Ｃ４と同様に、第１のダクト１４の外側の外風路Ｗ３を流れる空気で冷却させるように構成してもよい。
【００３４】
その場合、第１のダクト１４の出口１４Ｂを、下面の排気口１０Ｂに直結させるのではなく若干の隙間を保持して排気口１０Ｂに対面させればよい。このように構成することで、第１のダクト１４内の第１の風路Ｗ１からの風の一部がシャーシ１３内の第１のダクト１４外側領域へ漏れ出し、シャーシ１３内部の底面部から天面部へ向かう上昇流としてコンデンサＣ１〜Ｃ４とともにリアクトルＬ１〜Ｌ３を効果的に冷却させるようにするのが好ましい。即ち、リアクトルＬ１〜Ｌ３の方へ流れる空気の流量をコンデンサＣ１〜Ｃ４の方へ流れる空気の流量よりも多く（若しくは流速を速く）するような構成とするのが好ましい。
【００３５】
例えば、外風路Ｗ３については、シャーシ１３内部において、第１のダクト１４を境界として左右に分離配置させるともに、シャーシ１３内部でのコンデンサＣ１〜Ｃ４側の風路断面積とリアクトルＬ１〜Ｌ３側の風路断面積との比率を、これらの断面積比に応じた毎秒あたりの空気の流量についてベルヌーイの定理などを用いて流体力学的に算出し、これに基づき適宜に設定するようにしてもよい。
【００３６】
制御基板２には、発熱部品を除く電子部品などが搭載されており、この電気回路部が本発明に係る電力変換装置の主回路（ＭＣ）を構成している。この主回路（ＭＣ）には、太陽電池（ＰＶ）が発電する直流電力の直流電圧を昇圧する昇圧回路を構成する昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、この昇圧部で昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を構成するインバータ部（ＩＮＶ）と、ローパスフィルタ回路を構成するフィルタ部（ＬＰＦ）と、系統への交流電力の出力を開閉制御するリレー部（ＲＹ）と、を備える。
【００３７】
図６に示すように、電力変換装置１の主回路（ＭＣ）は、図１に点線で囲む大枠部分が一つのプリント配線基板に配線されている。スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５のそれぞれは、通常、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と称するものである。スイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５は、図７に示すように、単一（一つ）のパッケージに収容される形態でモジュール化されており、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）と称する。なお、製造上のメリットを出すために、スイッチング素子Ｔ１及びダイオードＤ１もスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５と共に単一（一つ）のパッケージに収容される形態でモジュール化することができる。このため、図７に示すものは、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５及びダイオードＤ１が１つのパッケージに収容された前述のＩＰＭを示している。
【００３８】
ＩＰＭには、上述のように、発熱量の大きい回路素子として、インバータ部（ＩＮＶ）のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５などを設けているが、後述のように、このスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５などを収容したＩＰＭは、裏側面（図２の内側面、図３の下面側）がアルミニウム等の金属製の放熱面となっている。この放熱面が後述のヒートシンク３のベース３Ｂ（図３、図５（Ａ）及び図７参照）の表面に密着するように、ネジによってＩＰＭの取り付けフランジ部がヒートシンク３に固定され、ＩＰＭから発生する熱がヒートシンク３によって放熱される構成である。
【００３９】
図６において、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、リアクトルＬ１、スイッチング素子Ｔ１、及びダイオードＤ１（さらにコンデンサＣ０）で昇圧回路が構成され、太陽電池（ＰＶ）から供給される直流電圧は、制御部ＣＮＴによる制御によってスイッチング素子Ｔ１がＯＮ（オンという）及びＯＦＦ（オフという）動作して所定電圧に昇圧される。
【００４０】
図６において、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、スイッチング素子Ｔ１がオン（ＯＮとする）状態になるとリアクトルＬ１にエネルギーが蓄積され、スイッチング素子Ｔ１がオフ（ＯＦＦとする）状態になると、リアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出されてコンデンサＣ０に充電される。この場合、スイッチング素子Ｔ１がＯＮ時間とＯＦＦ時間の割合を制御することにより、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、太陽電池（ＰＶ）から供給される直流電力の電圧を所定の電圧に昇圧する。ダイオードＤ１は、電流が太陽電池（ＰＶ）側へ逆流しないようにするためであり、スイッチング素子Ｔ１に並列のダイオードは、スイッチング素子Ｔ１の保護のためである。
【００４１】
また、インバータ部（ＩＮＶ）は、スイッチング制御のために４個のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５が単相フルブリッジ接続されていると共に、コンデンサＣ１、Ｃ２が接続されている。４個のスイッチング素子Ｔ２〜Ｔ５が、昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）から供給される直流電力を制御部（ＣＮＴ）によってＯＮ（オンという）及びＯＦＦ（オフという）動作して、商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する所定の周波数の交流電力に変換される。このため、インバータ部（ＩＮＶ）は、ＤＣ／ＡＣ変換部と称することができる。ちなみに、コンデンサＣ１、Ｃ２は平滑用のコンデンサである。また、コンデンサＣ１、Ｃ２の接続点をＶ結線方式の三相交流のＶ相出力端子としている。
【００４２】
このインバータ部（ＩＮＶ）は、最大値（ＰＷとする）に基づいて算出した電流が商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ出力されるように、制御部（ＣＮＴ）によって商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ重畳される正弦波の交流電圧のピーク値電圧又は実効値電圧を制御する。
【００４３】
フィルタ部（ＬＰＦ）は、リアクトルＬ２、リアクトルＬ３、及びコンデンサＣ３、コンデンサＣ４にて高周波数を遮断するローパスフィルタ回路を構成し、インバータ部（ＩＮＶ）のスイッチング素子Ｔ２とスイッチング素子Ｔ３との接続点がリアクトルＬ２に接続され、スイッチング素子Ｔ４とスイッチング素子Ｔ５との接続点がリアクトルＬ３に接続されている。そして、インバータ部（ＩＮＶ）から出力されるパルス電圧を平滑して（高周波成分を除去して）商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する周波数の正弦波の交流電圧とし、リレー部（ＲＹ）を介して商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ出力される。
【００４４】
このような構成の本実施形態の電力変換装置１では、再生可能エネルギーである太陽電池（ＰＶ）からの直流電力が、チョッパ動作により昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）にて昇圧され、この昇圧部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）で昇圧した直流電力が、インバータ部（ＩＮＶ）により交流電力に変換（ＤＣ／ＡＣ変換）された後、ローパスフィルタ回路を構成するフィルタ部（ＬＰＦ）を介して商用電力系統（ＧＲＩＤ）の周波数に相当する所定の低周波数の正弦波の交流電力として商用電力系統（ＧＲＩＤ）へ重畳される。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、ヒートシンク３の放熱用フィン３Ａを第１のダクト１４内に設置しており、このダクト１４の入口１４Ａに設けた送風ファン１６で強制的にダクト１４内部へ風を送り込むように構成してある。したがって、特に放熱用フィン３Ａを設けたヒートシンク３に取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５に対して、効果的な冷却作用を発揮できる。別言すれば、ヒートシンク３に取り付けてある発熱性の半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ５に対して、能動的で積極的な空気の流れを形成して、効果的に冷却させることができるようになる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、シャーシ１３内側の、ヒートシンク３の多数のものからなるフィン３Ａが収納された第１のダクト１４内部には、各フィン３Ａが風路Ｗ１に沿って互いに平行になるように設置されている。このため、フィン３Ａによって第１のダクト１４内の風路Ｗ１における風の流れが阻害されることがなく、フィン３Ａに対する冷却効果が高まる。
【００４７】
さらに、本実施形態によれば、シャーシ１３内部の第１のダクト１４と平行に、第１のダクト１４と同様の構成で、かつ、リアクトルＬ１〜Ｌ３が収納された第２のダクト１５を備えている。このため、シャーシ１３内部の第１のダクト１４及び第２のダクト１５外に設置されているコンデンサＣ１〜Ｃ４に対して、第２のダクト１５の出口１５Ｂから排出される空気の一部による風により強制的に冷却させることができ、一層効果的な冷却作用を行うことができる。
【００４８】
また、本実施形態によれば、シャーシ１３の一部に一段下がったステップ状の段部１３Ａを設け、この段部１３Ａの表面側にブレーカＢＫ１、ＢＫ２が搭載されている。従って、通常、一般の電子部品に比べると背高または嵩高のブレーカＢＫ１、ＢＫ２を搭載させてあっても、その高さの一部を段部１３Ａの高低差（Ｈ）で稼ぐことができ、その分、シャーシ１３を内部に設けた筺体１０の薄型化が図れる。
【００４９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨を逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。
【００５０】
例えば、筺体１０の部分は水密構造にするとともに、筺体１０と扉１１との間から水や湿気が入り込まないようにするために、扉１１には周囲にゴム製のパッキンなどを取り付ける。一方、吸気口１０Ａは筺体１０の外部に露出しない背面１２に形成してあるので雨水が入り込み難い構造であるが、庇などを付設して雨水対策を講じる。
【００５１】
このようにすれば、雨水の入り込み難い構造が得られるので、庇で保護された屋外の壁面またはその付近での設置が可能である。なお、排気口１０Ｂは筺体１０の下面に形成されているので、表面側寄りにダクトから排気される空気の排出を阻害しない状態で小さな庇などを設けることで、効果的に雨水の侵入を回避できる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・・・電力変換装置
１０・・・・・筺体
１０Ａ・・・・・吸気口
１０Ｂ・・・・・排気口
１０Ｃ・・・・・開口部
１１・・・・・扉
１２・・・・・背面
１３・・・・・シャーシ
１３Ａ・・・・・ステップ状の段部
１４・・・・・第１のダクト（ダクト）
１４Ａ・・・・・入口
１４Ｂ・・・・・出口
１５・・・・・第２のダクト
１５Ａ・・・・・入口
１５Ｂ・・・・・出口
２・・・・・制御基板
３・・・・・ヒートシンク
３Ａ・・・・・フィン
３Ｂ・・・・・ベース
ＢＫ１，ＢＫ２・・・・・ブレーカ
Ｃ１〜Ｃ４・・・・・コンデンサ
Ｄ１・・・・ダイオード
ＤＣ／ＤＣ・・・・・昇圧部
ＬＰＦ・・・・・フィルタ部
ＧＲＩＤ・・・・・商用電力系統
ＩＰＭ・・・・・インテリジェントパワーモジュール
ＩＮＶ・・・・・インバータ部
Ｌ１・・・・・昇圧部のリアクトル
Ｌ２、Ｌ３・・・・・フィルタ部のリアクトル
ＭＣ・・・・・電力変換装置の主回路
ＰＶ・・・・・太陽電池
Ｓ・・・・・隙間
Ｔ１〜Ｔ５・・・・・スイッチング素子
Ｗ１・・・・・第１の風路
Ｗ２・・・・・第２の風路
Ｗ３・・・・・外風路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、
少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、
前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、
前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、
少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、
前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、
が備えられているとともに、
第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、
前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとが配置されている、
ことを特徴する電力変換装置。
【請求項２】
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側の、前記ヒートシンクの放熱フィンが収納された前記ダクトの内部には、前記放熱フィンが風路に沿って平行になるように設置され、かつ、
前記リアクトルと前記コンデンサとは、前記シャーシ内側の前記制御基板と背面との間に、前記ダクトと平行にかつダクトの外側の側部分に配置されている、
ことを特徴する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた、上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側には、前記ダクトを第１のダクトとするほかに、これと平行に併設し前記リアクトルが収納された第２のダクトを備え、
前記第２のダクトは、入口に第２の送風ファンを備えるとともに、入口が前記吸気口とほぼ直角の関係となるように配置し、かつ、出口が前記排気口との間にダクト内の空気の一部が前記シャーシ内へ漏出可能な隙間を有するように配置され、
前記シャーシ内部の前記第１及び第２のダクト外に設置されている前記コンデンサは、前記第２のダクトの出口から漏出する空気の一部が、前記隙間から前記シャーシ内部の前記第１のダクト及び第２のダクトの外部へ流入するとともに、第１の送風ファン又は第２の送風ファンのいずれかの送風ファンから再び少なくともいずれかの一方のダクトへ流入する風によって、冷却されている
ことを特徴する請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記シャーシは、一部に一段下がったステップ状の段部を設けるとともに、
前記シャーシ外部の前記段部の表面にブレーカが搭載されている
ことを特徴する請求項２または３に記載の電力変換装置。
【請求項１】
再生可能エネルギーから得られる直流電力を系統と同期した単相または三相の交流電力に変換して前記系統へ重畳可能に成した電力変換装置において、
少なくとも背面又は側面のいずれか一方の上側に設けられる吸気口と、下面に設けられる排気口と、を有する箱型の筺体と、
前記筺体内に収容され、その筺体内の背面と平行に配置される制御基板と、
前記制御基板と背面との間に設けられた発熱性の半導体素子が熱伝導可能に取り付けられたヒートシンクと、
少なくとも前記ヒートシンクの放熱用フィンを収納し前記吸気口から排気口へ向けて空気が流れる風路を形成するダクトと、
前記ダクトの入口から前記排気口に接続された出口に向かって、ダクト内を強制的に送風する第１の送風ファンと、
が備えられているとともに、
第１の送風ファンを設置したダクトの前記入口と、前記吸気口とは、ほぼ直角の関係に配置され、かつ、
前記制御基板と背面との間の、前記ダクト外部の側部分に、リアクトルとコンデンサとが配置されている、
ことを特徴する電力変換装置。
【請求項２】
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側の、前記ヒートシンクの放熱フィンが収納された前記ダクトの内部には、前記放熱フィンが風路に沿って平行になるように設置され、かつ、
前記リアクトルと前記コンデンサとは、前記シャーシ内側の前記制御基板と背面との間に、前記ダクトと平行にかつダクトの外側の側部分に配置されている、
ことを特徴する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御基板は、筺体内の背面と背面に対面する表面を構成する扉との間に平行に設けた、上下が開放された略コ字状のシャーシに、一定の隙間を保持して設けられ、
前記シャーシ内側には、前記ダクトを第１のダクトとするほかに、これと平行に併設し前記リアクトルが収納された第２のダクトを備え、
前記第２のダクトは、入口に第２の送風ファンを備えるとともに、入口が前記吸気口とほぼ直角の関係となるように配置し、かつ、出口が前記排気口との間にダクト内の空気の一部が前記シャーシ内へ漏出可能な隙間を有するように配置され、
前記シャーシ内部の前記第１及び第２のダクト外に設置されている前記コンデンサは、前記第２のダクトの出口から漏出する空気の一部が、前記隙間から前記シャーシ内部の前記第１のダクト及び第２のダクトの外部へ流入するとともに、第１の送風ファン又は第２の送風ファンのいずれかの送風ファンから再び少なくともいずれかの一方のダクトへ流入する風によって、冷却されている
ことを特徴する請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記シャーシは、一部に一段下がったステップ状の段部を設けるとともに、
前記シャーシ外部の前記段部の表面にブレーカが搭載されている
ことを特徴する請求項２または３に記載の電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７８２１６（Ｐ２０１３−７８２１６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７０８０（Ｐ２０１１−２１７０８０）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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