説明

電子機器冷却構造

【課題】高効率に自冷放熱できる電子機器冷却構造を提供する。
【解決手段】L字状に屈曲したヒートパイプ1と、該ヒートパイプの略水平部1bに取り付けられた複数の放熱フィン2と、複数のヒートパイプの略垂直部1aが取り付けられた受熱板3とを有する放熱器4と、受熱板に取り付けられた複数の電子機器7と、複数の電子機器7が収納される収納容器6とを有する電子機器冷却構造であって、ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を受熱板3の端面上に配設する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子機器の冷却構造に係わるもので、特に放熱性が高い放熱構造を有する変圧器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
発電所から需要家への電力供給は、高圧架線にて送電される電力を、電柱に支持される柱上変圧器により低電圧に変換することで行われる。従来の柱上変圧器は、円筒筐体内に電子機器を収容し、電子機器の発熱を筐体内に注入された油などを熱媒体として筐体壁に伝え、筐体側壁に設けられた放射状の自冷式放熱フィンにて放熱を行う。また、更なる放熱特性改善のために、筐体側壁に設けた放熱フィンの下方にファンを設け、自冷式放熱フィンに向けて送風する柱上変圧器も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】実開平1−157411号公報(第1−4頁、第1図、第2図)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の柱上変圧器にあっては、筐体側壁に設ける自冷式放熱フィンの放熱効率が悪く、放熱量を増やすことが難しい。例えば、円筒筐体の側面に放射状に配置される各放熱フィンの長手方向(空気の通流方向)を長くすると、放熱フィン間の通風圧損が増加するため、放熱効率が悪くなる。また、放熱フィンの短手方向(円筒筐体の径方向)を長くした場合、変圧器としての全体体積の増加量に比して、放熱量の増加は少ない。一方、特許文献1のように放熱フィンの下方にファンを設けた変圧器は、強制空冷式であることから高効率に放熱することができるが、ファンの寿命が短くメンテナンスが必要であり、またファンの信頼性が低いことからライフラインに係わる用途では使用することが難しいという問題がある。
【0005】
一方、近年では、太陽光発電やガス発電など需要家における発電設備の導入に伴い、需要家側の発電設備から高圧架線へ給電(売電)されることによる逆潮流による電圧変動が問題となっている。この対策として、架線に流れる無効電力を調整することにより電圧調整を行うSVC(Static Var Compensator,静止型無効電力補償装置)などの変圧器の導入が進められている。このようなSVCは発熱量が大きく、特にSVCに用いられるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子などのパワーモジュールからの発熱量が大きく、その発熱を効率的に放熱することが必要となっている。
【0006】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、メンテナンスが不要または容易であり、高効率で自然空冷放熱することができ、電子機器をより高密度に実装することが可能な放熱構造を有する電子機器冷却構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る電子機器冷却構造は、L字状に屈曲したヒートパイプと、該ヒートパイプの略水平部に取り付けられた複数の放熱フィンと、複数のヒートパイプの略垂直部が取り付けられた受熱板とを有する放熱器と、受熱板に取り付けられた複数の電子機器と、複数の電子機器が収納される収納容器とを有する電子機器冷却構造であって、
ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を受熱板の端面上に配設したものである。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、メンテナンスが不要または容易であり、高効率で自然空冷放熱することができ、電子機器をより高密度に実装することが可能な電子機器冷却構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の実施の形態1に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図2】実施の形態2に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図3】実施の形態2に係る異なる電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図4】実施の形態3に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図5】本発明の実施の形態4に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図6】本発明の実施の形態5に係る電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は(b)のB−B断面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図7】本発明の実施の形態5に係る異なる電子機器冷却構造の全体構成図で、(a)は(b)のB−B断面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
【図8】図7に続く図面で、(c)は図7(b)のC部の斜視図、(d)は図8(c)のD−D断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
実施の形態1.
本発明においては、先に述べたSVCを柱上に設ける場合の放熱構造を例にとり説明するが、本発明はこれに限定されるものでなく、その他の電子機器、変圧器にも適用可能である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、参照符号については、図1〜図5において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
【0011】
図1は本発明の実施の形態1に係る放熱構造を有する電子機器冷却構造の概略構成を示す構成図であり、図1(a)はこの電子機器冷却構造の上面図、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。ここでは、不図示の電柱上に当該電子機器冷却構造が支持され、図1(a)における紙面垂直方向および図1(b)における上下方向が電柱の上下方向(鉛直方向)と一致するものとして説明する。
【0012】
本実施の形態1に係る電子機器冷却構造10においては、図1に示すように、SVCに用いられるIGBTやリアクトル等の発熱する電子機器7が受熱板3に取り付けられており、L字状に屈曲したヒートパイプ(以下、「L字型ヒートパイプ」ともいうものとする。)1の一端側(略垂直部)1aが受熱板3に取り付けられ、他端側(略水平部)1bが折曲部1cを介して略水平に曲げられて受熱板3よりも上方に配置されている。そして、複数のL字型ヒートパイプ1が受熱板3の上端面に沿って所定の間隔で配設されており、これらL字型ヒートパイプ1群の各他端側1bには、同一の放熱フィン2が複数、所定の間隔で垂直に設けられ、複数の放熱フィン2の間を空気が下から上方向へ通流できるように、各放熱フィン2は上下方向に伸延している。また、電子機器7は、防水構造のカバー5内に収められる。なお、図1(a)ではカバー5内部の構成を説明するため、当該防水カバー5の上面を取り去った状態を図示している。
【0013】
受熱板3の側面(ここでは、両側面)に複数の電子機器7(7a〜7d)が取り付けられ、上端面の取付穴からL字型ヒートパイプ1の略垂直部1aが挿入され固定されている。複数の電子機器7a〜7dは、発熱量の大きい方の電子機器7a、7cが発熱量の小さい方の電子機器7b、7dよりも上方に位置するように受熱板3へ取り付けられる。電子機器7が許容温度の高いリアクトル等の電子機器である場合には、受熱板3ではなく、カバー5の内面に当該電子機器7を取り付けるようにしてもよい。また、受熱板3の左右両面に電子機器7を取り付けてもよく、受熱板3の左右一方の面にのみ電子機器7を取り付けてもよい。
【0014】
L字型ヒートパイプ1の他端側1bは、折曲部1cを介して略水平方向に伸びており、即ち、L字型ヒートパイプ1が受熱板3の両脇方向に向かって伸びている。このようなL字型ヒートパイプ1が受熱板3の上端面の長手方向(図1(a)の紙面上下方向、図1(b)の紙面垂直方向)に複数並んで設けられており、それら複数のL字型ヒートパイプ1が受熱板3またはL字型ヒートパイプ1の略垂直部1aを中心として、交互に反対方向に折れ曲がっている。
【0015】
本実施の形態1では、受熱板3と、L字型ヒートパイプ1と、放熱フィン2とにより放熱器4が形成され、受熱板3と、電子機器7と、カバー5とにより収納容器6を構成し、それら放熱器4と収納容器6とにより電子機器冷却構造10を構成している。
【0016】
なお、図1では、L字型ヒートパイプ1の折曲部1cがほぼ直角に折れ曲る例を示しているが、それ以上、または、それ以下の角度で折れ曲るようにしてもよい。
【0017】
また、カバー5の側方周囲を覆うように不図示の遮光板を設けることにより、直射日光によるカバー5の温度上昇を抑制するようにしてもよい。また、カバー5の側方に不図示の放熱フィンを更に設けて、放熱量を更に増加させてもよい。
【0018】
次に、上記のように構成された本実施の形態1の電子機器冷却構造10の動作について説明する。SVCの動作に伴い電子機器冷却構造10内に収容された電子機器7が発熱する。電子機器7が発熱することにより、受熱板3は温度上昇し、L字型ヒートパイプ1内の作動流体がヒートパイプ1の管壁を介して受熱板3から受熱し、ヒートパイプ1内の作動流体が潜熱として吸熱すると共に蒸発し、より低温で低圧の放熱フィン2取付部付近、すなわち略水平部1bへヒートパイプ1内を蒸気が移動する。ヒートパイプ1内の放熱フィン2取付部近傍では、放熱フィン2が周囲空気と接することから温度が低く、移動してきた蒸気はヒートパイプ1の管内壁で凝縮し、それにより蒸気が保有していた潜熱を放出し、ヒートパイプ1の管壁を介して、放熱フィン2、さらに周囲空気へ熱を放出する。放熱フィン2より受熱した空気は高温空気となり、その高温空気の密度が周りの空気より小さくなるため、上方へ移動し始め、上昇流が発生し、放熱フィン2周りは自然空冷される。
【0019】
本実施の形態1では、重量物である受熱板3や電子機器7をより中央に配設し、また放熱フィン2を軸対称に配設するため、電子機器冷却構造10の重心がより中央になることから、補強材等を軽減しても所望の構造体としての強度を確保することができ、軽量化することができる。特に、固定し易い受熱板3を中央に設置することから取り付けが容易になる。また、受熱板3を垂直に配置し、その片面または両面に電子機器7を取り付け、カバー5にて覆うため、収納容器6部は任意の設置面積(上部から見た投影面積)が生じるが、収納容器6上部に放熱フィン2を設けるため、上記設置面積と放熱フィン2占有面積とが重なることから、全体の設置面積を小さくしながら放熱フィン2占有面積を大きくすることができ、高効率に放熱することができる。
【0020】
実施の形態2.
図2は本発明の実施の形態2に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)はこの電子機器冷却構造の上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
図1に示した実施の形態1では、一つの受熱板3の両側方に放熱フィン2を有するL字型ヒートパイプ1が取り付けられていたが、本実施の形態2では、図2に示すように、それぞれの受熱板3にL字型ヒートパイプ1の略水平部1bが揃えられ放熱フィン2が取付けられ、L字型ヒートパイプ1の略垂直部1aが受熱板3に取り付けられた放熱器4を対称に2ヶ設置したものである。この場合、実施の形態1よりも製造性が向上する。
【0021】
図3は本発明の実施の形態2に係る異なる電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)はこの電子機器冷却構造の上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
図2では、受熱板3に同一形状のL字型ヒートパイプ1が取り付けられていたが、本実施の形態3では、図3に示すように、略垂直部1aの長さが異なる二つ以上のL字型ヒートパイプ1を交互に受熱板3に取付け、略水平部1bが多段になったことを特徴とする。多段になった略水平部1bそれぞれの段毎に放熱フィン2群を設けても良く、それぞれの段をまたがるように一括した放熱フィン2を設けても良い。
このように構成することにより、放熱フィンのフィン効率を低下させること無く、放熱フィン面積を大きくすることができ、放熱特性が向上する。
【0022】
実施の形態3.
図4は本発明の実施の形態3に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)はこの電子機器冷却構造の上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
本実施の形態4では、図4に示すように、上記2ヶの放熱器4の受熱板3間に支柱8を設け、支柱8に受熱板3を固定したものである。
このように構成することにより、より構造物としての安定性または強度が向上する。また、支柱8と受熱板3を熱的に接触させることにより、熱容量が大きくなり、過渡温度変化をより小さくすることができる。
【0023】
実施の形態4.
図5は本発明の実施の形態4に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)はこの電子機器冷却構造の上面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
本実施の形態3では、L字型ヒートパイプ1の一方に放熱フィン2を、もう一方に受熱板3を設けた2ヶの放熱器4からなり、受熱板3間に断熱部9を設けたことを特徴としている。このように構成することにより、受熱板3間の熱干渉を低減することができる。
【0024】
また、高温の許容温度帯に属する電子機器を「高許容温度機器7A」と称し、低温の許容温度帯に属する電子機器を「低許容温度機器7B」と称するものとすると、例えば、図5において、右側の収納容器6内には高許容温度機器7A群を、左側の収納容器6内には低許容温度機器7B群を収納することにより、高許容温度機器7A群を収納する放熱器4は、周囲空気温度とのより大きな温度差を利用して高効率に放熱し、一方、低許容温度機器7B群を収納する放熱器4は、上記より小さな温度差を利用するが、高許容温度機器7A群からの熱干渉が抑制されるため、より高効率に放熱することが可能となる。例えば、素子許容温度が125℃のパワーモジュール(IGBTやDiod)などを高許容温度機器群とし、素子で発生する温度差を考慮して受熱板許容温度を100℃として設計された放熱フィンを有する放熱器、つまり高許容温度機器7A群を収納した収納容器6を右側に設置し、一方、機器許容温度が85℃のコンデンサや基板などを低許容温度機器7B群とし、機器で発生する温度差を考慮して受熱板許容温度を70℃として設計された放熱フィンを有する放熱器、つまり低許容温度機器7B群を収納する収納容器6を左側に設置し、それぞれの受熱板3間に断熱材を装着する。
【0025】
高許容温度機器7A群を収容した放熱器4は、大きな温度差を利用して、より大きな熱量を放熱しても良く、一方大きな温度差を利用して放熱することができることから、より小型の放熱フィンを設けてコンパクトにしても良い。一方、低許容温度機器7B群を収納した放熱器4は、一般に高発熱である高許容温度機器7A群が収納されないことから、総発熱量が小さく、より小さな温度差であっても十分放熱することができる。したがって、電子機器の熱干渉を軽減でき、低許容温度機器7Bの放熱特性を向上させることができる。なお、断熱部9は、一般的なグラスウールなどの断熱材でも良く、風が通る通風路でも良い。ファンにより通風しても良い。
【0026】
実施の形態5.
図6は本発明の実施の形態5に係る電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)は(b)のB−B断面図、(b)は(a)のA−A断面図である。
本実施の形態5では、上記電子機器冷却構造10を筐体11に収納したもので、風雨等の影響を軽減し環境耐性を向上したものである。放熱フィン2取付部(放熱部)より上部の上部筐体壁11aに排気口13を設け、放熱フィン2取付部(放熱部)より下部の下部筐体壁11bに吸気口14を設けている。排気口13は放熱部より上方にあれば良く、筐体11の側壁だけでなく筐体11の天井に設けても良い。逆に、吸気口14は放熱部より下方にあれば良く、筐体11の側壁だけでなく筐体11の底面に設けても良い。例えば、筐体11の側壁であれば、よろい窓のように雨や埃など入り難い構造が望まれ、筐体11の天井としては多段の傘状の開口を設けた構造の方が望まれる。また、筐体11としてさらに二重構造の筐体11でも良く、また側壁のみ二重構造にしてもよい。このように構成することにより風雨だけでなく、太陽からの直射日光による影響を小さくすることができ、さらに耐環境性を向上させることができる。
【0027】
また、筐体11内に放熱フィン2取付部(放熱部)の周囲を囲繞する遮蔽板12を設けることにより、通風する空気が放熱フィン2のみを通過することにより、より高効率に放熱することができる。
【0028】
図7は本発明の実施の形態5に係る異なる電子機器冷却構造の概略構成を示す全体構成図で、(a)は(b)のB−B断面図、(b)は(a)のA−A断面図、図8(c)は図7(b)のC部の斜視図、図8(d)は図8(c)のD−D断面図である。
【0029】
図6では、吸気口14および排気口13を有する筐体11内に電子機器冷却構造10を収容した構成であったが、図7では筐体11を上部と下部に仕切り板15により区分けし、筐体11上部の放熱フィン2より上方の上方壁面に排気口13を、筐体11上部の放熱フィン2より下方の下方壁面に吸気口14を設け、仕切り板15より下方の筐体11下部に、電子機器冷却構造10の収納容器6を収容したことを特徴とする。
【0030】
このように構成することにより、風雨により吸気口14または排気口13から流入する雨水が、仕切り板15により筐体11下部の電子機器冷却構造10を収容する部分に流入することを抑制することができ、電子機器の防水耐性が向上する。なお、この場合、筐体11下部は密閉構造となっているため、収納容器6のカバー5は無くても良い。
さらに、筐体11の天井をより開口率の大きな排気口13にしても良く、さらに上記筐体11上部を開放空間にさらしても良い(天井および側壁を除去)。
このように構成することにより、吸気口14および排気口13部の圧力損失が発生せず、放熱フィン2をより通風させることができ、放熱特性が向上する。
【0031】
図8(c)は、ヒートパイプ1周りおよび筐体11壁と仕切り板15の防水構造を示す斜視図で、垂直流路16を伴う接合部構造を示す。二つに分離された仕切り板15、15の端部がヒートパイプ1を挿着する部分において上方へ折れ曲がり、一方の折れ曲がり部17aがもう一方の折れ曲がり部17bを覆うように、さらに下方へ折れ曲がった構成となっている。そして、ヒートパイプ1装着部は、折れ曲がり部17a、17bがヒートパイプ1に沿うように膨らんだ形状(例えば半円弧状)になっており、さらにヒートパイプ1にキャップ18を装着し、このキャップ18により、仕切り板15の当該部分が覆われるように構成する。このように構成することにより、ヒートパイプ1周りの接合部に侵入する雨水は、形成される垂直流路16を通らない限り仕切り板15下方に流入できず、防水することができる。
なお、キャップ18は、ヒートパイプ1外壁に固着(接着、半田付け、ロウ付けなど)させても良く、ヒートパイプ1外壁とキャップ18接触部にOリングを設け、気密を保つ構造でかつキャップ18がスライドできる構成にしても良い。
【0032】
また、仕切り板15と筐体11壁部との、垂直流路16を有する接合部構造は次のようになっている。すなわち、仕切り板15の端部は筐体11壁部で下方へ折れ曲がり、一方この折れ曲がり部17cを収容する受け19が筐体11側壁に設けられている。このように構成することにより、上記同様仕切り板15と筐体11側壁の接合部に侵入する雨水は、形成される垂直流路16を通らない限り仕切り板15下方に流入できず、防水することができる。
なお、受け19を設けた筐体11壁に排水口20を設けた方が良い。排水口20を設けることにより、受け19部に溜まった雨水を筐体11外に排出することができる。なお、受け19下部に排水流路を設けても同様の効果がある。
【0033】
なお、折れ曲がり部17a、17b、17cおよび受け19または筐体11壁から構成される通路内に防水シール(ゴムパッキンなど)を設けた方が、より防水効果が向上する。
また、図8(d)に示すように、放熱フィン2はヒートパイプ1を基準に、下方の放熱フィン2が短く、上方の放熱フィン2が長い方が、放熱効果が向上する。
【符号の説明】
【0034】
1 ヒートパイプ、2 放熱フィン、3 受熱板、4 放熱器、5 カバー、6 収納容器、7 電子機器、8 支柱、9 断熱部、10 電子機器冷却構造、11 筐体、12 遮蔽板、13 排気口、14 吸気口、15 仕切り板、16 垂直流路、17a、17b、17c 折れ曲がり部、18 キャップ、19 受け、20 排水口。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
L字状に屈曲したヒートパイプと、該ヒートパイプの略水平部に取り付けられた複数の放熱フィンと、複数のヒートパイプの略垂直部が取り付けられた受熱板とを有する放熱器と、
前記受熱板に取り付けられた複数の電子機器と、
前記複数の電子機器が収納される収納容器とを有する電子機器冷却構造であって、
ヒートパイプ群の略垂直部の中央を中心として、略水平部が両側または放射状になるように、ヒートパイプ群を前記受熱板の端面上に配設したことを特徴とする電子機器冷却構造。
【請求項2】
ヒートパイプ群の略水平部が多段に配設されたことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項3】
複数の受熱板の間に支柱を設けたことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項4】
許容温度帯別に複数の電子機器を分けて、複数の収納容器にそれぞれ収納したことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項5】
前記受熱板の両面に複数の電子機器を取り付けたことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項6】
高温の許容温度帯に属する電子機器を、低温の許容温度帯に属する電子機器より上方になるように、前記受熱板に取り付けたことを特徴とする請求項5記載の電子機器冷却構造。
【請求項7】
複数の収納容器間に断熱部を設けたことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項8】
電子機器冷却構造を収容する筐体を備え、放熱部より上部の筐体壁に排気口を、放熱部より下部の筐体壁に吸気口を設けたことを特徴とする請求項1記載の電子機器冷却構造。
【請求項9】
前記放熱器の放熱部の周囲を囲繞するように、前記筐体内に遮蔽部を設けたことを特徴とする請求項8記載の電子機器冷却構造。
【請求項10】
電子機器冷却構造を収容する筐体を備え、筐体を上部と下部とに区画する仕切り板を設け、放熱部より上部の筐体壁に排気口を、放熱部より下部で、前記仕切り板より上部の筐体壁に吸気口を設け、前記仕切り板より下部の筐体内部に収納容器を設けたことを特徴とする請求項8記載の電子機器冷却構造。
【請求項11】
前記仕切り板は二つ以上に分離され、分離された仕切り板と仕切り板、および、分離された仕切り板と筐体側壁とは、該仕切り板の端部を折れ曲げることにより垂直流路を伴う接合構造となっていることを特徴とする請求項10記載の電子機器冷却構造。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−59952(P2012−59952A)
【公開日】平成24年3月22日(2012.3.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−202254(P2010−202254)
【出願日】平成22年9月9日(2010.9.9)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】