JP2008187014A - トランスの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】盤内に収納されて使用されるトランスの冷却効果を高めた冷却構造を得る。
【解決手段】電源盤を構成する筐体の内部に配置されたダクト４内に、鉄心とその鉄心に巻回されたコイルとを有するトランス２を、そのコイルの軸線を筐体の底面に垂直にして収納し、ダクト４内に冷却風を送風してトランス２を冷却するトランスの冷却構造において、トランス２のコイルの側面に対向させてダクト４の側面に側面冷却ファン１４を設置し、側面冷却ファン１４から見たトランス２の裏側面を筐体の底面に垂直方向に冷却風が流れるように、ダクト４の底面に底面冷却ファン１５を設置して構成した。
【選択図】図４

Description

この発明は、例えば、放電加工機，レーザ加工機など工作機械の電源盤内に収容された発熱機器であるトランスを、空気流により強制空冷する冷却装置に関するものである。

盤内に収容されたトランスを強制冷却する従来のトランスの冷却装置として、例えば、無停電電源装置の筐体内に格納された変圧器を強制空冷する変圧器の空冷構造が開示されており、これによれば、盤内をほぼ垂直な隔壁により前後に区画し、後室に、同軸に巻かれた一次コイルと二次コイルを備えた変圧器を収納し、変圧器コイルの下部側に、コイルの端部外周面からわずかな隙間を空けて包囲した筒体を設け、筒体下部から導入した冷却風をコイルの軸線方向に沿って下方から上方へ流通させ、後室の天井側に設けた冷却ファンで吸引して変圧器を冷却するように構成している。これにより、変圧器を冷却する空気流を、一次コイル・二次コイル間の空隙を軸線方向上方に流れる経路と、筒体内周・コイル外周間の隙間を通りコイル外周面に沿って上方に流れる経路とに分け、両方の流れによってコイルの内外周面を効率よく冷却し、変圧器全体の冷却効率を向上させるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２１３５３２号公報（第２頁、図１）

トランス表面における冷却効果、すなわち空気との熱交換量の大きさを示す熱伝達率は、一般に知られた伝熱工学の文献によれば、トランス表面における空気流速の０．５乗に比例することが知られている。したがって、空気流速が遅くなれば熱伝達率が小さくなり、冷却効果が小さい。
特許文献１に示すような従来のトランスの冷却装置では、トランスを収納する後室が大きな通風ダクトとなっており、その空気流路断面積は、冷却ファン自身の吸排気口面積に比べて大きいため、冷却ファン直近の吐出空気流速と比べると、流路断面積比分、空気流速は遅くなり、熱伝達率が低下して冷却効率が下がるという問題点があった。

従来の冷却構造であっても、通風ダクトの流路断面積を小さくすることにより空気流速を大きくすることも考えられるが、実際にはトランスの入出力ケーブルを通風ダクト外と接続する必要があること、電界の関係でコイル間距離やトランスと通風ダクト壁間距離を一定以上小さくできないことなどの理由により、必然的に通風ダクトの流路断面積は大きくなる。
また、コスト面から、小さな冷却ファンを使って少ない空気流量で最大限に冷却することを考慮すると、通風ダクトの流路断面積を小さくして空気流速を大きくすれば、圧力損失の面から空気流量を小さくすることになり、空気の温度上昇が大きくなってトランスとの温度差が減少し、結果的に冷却効果が減少するため、良い方法とは言えない。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、冷却ファンの配置を工夫することにより、冷却効果を向上させたトランスの冷却装置を得ることを目的とする。

この発明に係わるトランスの冷却装置は、電源盤を構成する筐体の内部にダクトを配置し、鉄芯とその鉄芯に巻回されたコイルとを有するトランスを、筐体の底面に対しコイルの軸線を垂直にしてダクト内に収納し、ダクト内に冷却風を送風することによりトランスを冷却するトランスの冷却装置において、トランスのコイルの側面に対向させてダクトの側面に側面冷却ファンを設置すると共に、側面冷却ファンから見たトランスの裏側面を筐体の底面に対して垂直方向に冷却風が流れるように、ダクトの底面に底面冷却ファンを設置したものである。

この発明のトランスの冷却装置によれば、コイルの側面に対向させてダクトの側面に設置した側面冷却ファンと、ダクトの底面に設置した底面冷却ファンとによりトランスを冷却するようにしたので、側面冷却ファンから得られる最大流速をほぼそのまま直接トランス側面に吹き付けることができ、また、側面冷却ファンから見てトランスの裏側面については、底面冷却ファンからの空気流に側面冷却ファンからの空気流が加わって大きな空気流速で冷却できるので、大きな熱伝達率でトランス全体を効果的に冷却することができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるトランスの冷却装置を備えた電源盤の概略構成を示す正面であり、図２はトランスの側面図、図３はトランスの上面図である。また、図４は、トランスの冷却装置を示す正面図、図５は図４の矢印Ｖ方向から見た側面図である。
本実施の形態では、例えば、放電加工機やレーザ加工機などの工作機械の電源・制御ユニットが、トランスと共に一つの筐体に収納されて構成された電源盤を例に挙げて説明するが、盤を構成する筐体内に強制冷却されるトランスが収納されたものであれば、盤の構造は図１に限定するものではない。

図１において、防塵的に密閉された筐体１内に、トランス２と多数の電子素子を実装した電源基板３、及び図示を省略するが、定電圧直流ユニット、スイッチングユニット、整流器等が収納されて電源盤が構成されている。これら内装機器のうち、高発熱部品であるトランス２は、個別に盤内に区画して設けたダクト４の内部に、コイルの軸線を筐体１の底面に対して垂直方向にして収納し、冷却ファン５ａ，５ｂで冷却する構成を取っている。ダクト４上方には熱交換器６が設けられている。
なお、筐体１の前面には開閉扉が設けられているが、図は扉を開いて中が見える状態を示している。また、トランス２を収納するダクト４の前面及び後面には後述する絶縁板が設けられているが、これもトランス２が見えるように図示を省略している。

トランス２の構造を、図２、図３に基づいて説明する。
トランス２は、鉄芯７に内側コイル８と外側コイル９とが、スペーサ１０により所定の間隔を保って同軸に巻回されて構成されている。ここでは、鉄芯７の一脚とそれに巻回された内側コイル８，外側コイル９とからなる最少単位をトランス１台と呼ぶことにする。このトランス２が２台で１ユニットとなり、所定の間隔を保って支持部材１１により絶縁板１２に保持されている。絶縁板１２には電流導入端子１３ａ，１３ｂが設けられており、各コイル８，９からのリード線は電流導入端子１３ａ，１３ｂを介して入出力ケーブル（図示せず）に接続される。

次に、本実施の形態によるトランス２の冷却装置の詳細を、図４，図５に基づいて説明する。上記のように絶縁板１２と一体に構成されたトランスユニットが２セット（計４台）、トランス２が向かい合うようにして長方体をしたダクト４の内部に収納されている。ダクト４の側面のうち、対向する２面には絶縁板１２を取り付けるための開口部４ａがあり、その開口部４ａに絶縁板１２が取り付けられている（但し、図４ではトランス２が見えるように絶縁板１２の図示を省略している）。絶縁板１２はダクト４の壁面の一部となると共に、外部への入出力ケーブルの接続機能も果たしている。

ダクト４側面の絶縁板１２が取り付かない側の２面には、内部に収納したトランス２の外側コイル９に１対１で対応するように、片面に２台、計４台の側面冷却ファン１４が設置されている。また、側面冷却ファン１４から見たトランス２の裏側面を下方から上方へ垂直方向に冷却風を吹き付けるために、ダクト４底面に、一つのトランスユニットである２台のトランスの中央部近傍に１台の割合で、合計２台の底面冷却ファン１５が設置されている。
なお、図４，図５では図示を省略しているが、図１で説明したように、ダクト４の上方には熱交換器６が設けられている。但し、熱交換器６を設けないで、ダクト４から直接筐体１の外部に冷却風を排気するように構成しても良い。

次に、動作及び作用について説明する。
ダクト４の側面に設置した側面冷却ファン１４は、対向する各トランス２のコイル表面に、冷却風を直接吹き付ける。ダクト４の底面に設置した底面冷却ファン１５は、２台のトランス２からなるトランスユニットの中央部近傍下面から上方に向けて冷却風を送風し、主にトランス２の裏面側を冷却する。全ての冷却ファン１４，１５による空気流はトランス２から熱を奪った後、ダクト４の上方出口に設けられている熱交換器６を通って熱を放出して、再び各冷却ファン１４，１５に還流する。

冷却ファンとして、例えば、φ１５０のブラシレスファンを使用した場合、冷却ファン吐出口から１００〜２００ｍｍ程度離れる範囲では、ほとんど空気流速が減速しない。このような冷却ファンの特性を勘案し、ダクト４側壁と外側コイル９側面との離隔距離を空気流速が減速しない範囲に設定すれば、側面冷却ファン１４から得られるほぼ最大流速が直近からコイル側面に当たることになり、大きな熱伝達率を得ることができ、大きな冷却効果を得ることができる。
側面冷却ファン１４から見てトランス２の側面は、側面冷却ファン１４から得られる最大流速とはならないものの、側面冷却ファン１４からあまり離れていないので、最大流速に準ずる流速が保たれ、やはり大きな冷却効果を得ることができる。

また、側面冷却ファン１４から見てトランス２の裏側面では、側面冷却ファン１４による大きな空気流速が期待できないが、ダクト４底面に設置した底面冷却ファン１５からの空気流が下から上に向かって垂直方向にトランス２の裏側面に流れるため、これに側面冷却ファン１４からの空気流が加わって大きな流量と速い流速が得られる。底面冷却ファン１５から吐出された空気流は、ある程度の距離以内で直進性が維持されるため、底面冷却ファン１５からの空気流は高流速を保ったままトランス２裏側面を流れる。したがって、トランス２の裏側面についても、低い温度の空気流がトランス２に当たって熱を奪うため大きな冷却効果を得ることができる。

トランス２を冷却する目的は、コイル部を絶縁する絶縁紙が温度上昇によって焼け焦げて劣化するのを防止することにある。このためには、単にトランス２の温度を下げるだけでなく、トランス２全体を一様に冷却することが求められる。そこで、次に、本発明による冷却装置を採用することにより、トランス２の各所に強い風が当たることを気流解析結果に基づいて説明する。

比較のために、先ず、特許文献１で示したような従来技術の冷却装置を比較例として、その気流解析結果から説明する。図６は比較例の冷却装置によるトランス部の気流解析モデルを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はその正面図である。
（ａ）において、ダクト１６の内部に４個配置した正方形部分は、４台のトランスを模擬するものである。一番内側の正方形は鉄芯とそれに巻回された内側コイルとを示しているが、便宜上、内側コイルで代表して符号８を付している（以下、同様）。その外周の網掛けで示す部分は外側コイル９を示している。（ｂ）に示すように、ダクト１６の底面の全面が冷却風の吸気口１６ａ、上面全面が排気口１６ｂとなっている。
ダクト１６の平面断面を３３８×２７４ｍｍとし、上部の排気口１６ｂから１８ｍ^３／ｍｉｎの空気流量を排気するものとする。図６中のVII−VII切断面の空気流速分布を図７に、またVIII−VIII切断面の空気流速分布を図８に示す。各空気流速分布図において、色の濃い部分ほど流速が遅いことを示している。

図７の空気流速分布図は、平面断面における垂直方向の流速成分の分布を示すものである。図から分かるように、上下に五重ある外側コイル９の対向面は全周に亘ってほとんど空気が流れていない（解析結果の流速：０．８〜１．６ｍ／ｓ）。
また、図８の空気流速分布図は、側面断面における水平方向の流速成分の分布を示すものであり、図から分かるように、外側コイル９上下間全領域に亘り、水平方向にほとんど空気が流れていない（０．０〜１．６ｍ／ｓ）。

次に、本実施の形態による発明のトランスの冷却装置の気流解析について説明する。
図９は本実施の形態の気流解析モデルを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。本モデルのダクト１７及び内部に収納したトランスの大きさは比較例の図６と同じである。冷却ファンを模擬するために、図４で説明した側面冷却ファン１４に対応させてダクト１７の２つの側面に吸気口１７ａを設け、底面冷却ファン１５に対応させてダクト１７の底面に吸気口１７ｂを設けている。上面全体が排気口１７ｃである。本図の側面図の（ｃ）が、本実施の形態の図４に対応する。
これらの吸気口領域はφ１５０のファン２個分の吸気口面積に相当しており、３ヶ所の吸気口１７ａ，１７ｂの合計空気流量は、比較例と同じく１８ｍ^３／ｍｉｎとした。各吸気口の開口面積や空気流量は３ヶ所とも同じである。図９中のX−X切断面の空気流速分布を図１０に、またXI−XI切断面の空気流速分布を図１１に示す。

図１０の平面断面の空気流速分布図から、外側コイル９の上下間にも十分な空気流がある（４．０〜５．６ｍ／ｓ）ことが分かる。また、外側コイル９・内側コイル８の隙間についても、比較例に比べて速い空気流が得られていることが分かる。
図１１の側面断面の空気流速分布図から、一部の外側コイル上下間の空気流速が小さいものの、コイル上下方向の７０％程度の領域では４．０〜５．６ｍ／ｓの空気流速が得られていることが分かる。
また図１０及び図１１から、内側コイル８と外側コイル９の隙間、及び側面の吸気口１７ａから見たトランスの裏側面の空気流速も、図８に比べて大きくなっているのが分かる。

次に、温度効率について説明する。
例えば、図６の比較例のような装置で、ダクト１６にφ１５０の冷却ファンを６台（総風量１８ｍ^３／ｍｉｎ）設置して単純に一方向の空気流とした場合、トランスの総発熱量を１８００Ｗとすると、トランスの出入口で約５．６Ｋの空気温度上昇が発生する。すなわち、トランスに５．６Ｋ以上の温度分布が発生することになるが、本発明による冷却装置では、基本的に各トランス２には１対１の関係でダクト外部の空気が直接当たることになるため、空気の温度上昇をほとんど無視することができ、トランスの最大温度上昇を低く抑えることができる。

なお、以上の説明では、側面冷却ファンはトランス１台につき１台配置した場合について説明したが、トランスの容量が大きくコイル高さが高い場合には、トランス１台に付き複数台の側面冷却ファンを設置しても良い。

以上のように、本実施の形態の発明によれば、コイルの側面に対向させてダクトの側面に側面冷却ファンを設置すると共に、側面冷却ファンから見たトランスの裏側面を筐体の底面に対し垂直方向に冷却風が流れるように、ダクトの底面に底面冷却ファンを設置したので、側面冷却ファンから得られる最大流速をほぼそのまま直接トランス表面に吹き付けることができるため、大きな熱伝達率でトランスを冷却できる。また、側面冷却ファンから見てトランスの裏側面については、底面冷却ファンからの空気流に側面冷却ファンからの空気流が加わって大きな空気流速でトランスを冷却できるので、トランス全体の温度むらを少なくして効果的に冷却することができる。

また、側面冷却ファンの設置台数は、トランス１台につき１台以上としたので、各トランスに対して確実に効率よく冷却風を送風することができ、冷却効率の良いトランスの冷却装置を提供することができる。

更に、底面冷却ファンの設置台数は、トランスの台数より少ない台数としたので、複数台のトランス間の中央近傍に底面冷却ファンを設置することにより、少ない冷却ファン台数で、効率よくトランスを冷却することができる。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２によるトランスの冷却装置を示す側面図である。トランスを収納する電源盤の概略構成は実施の形態１の図１と、また、トランスは図２及び図３と同等なので、同等部分については図示及び説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。

図１２は、実施の形態１の図５に対応する部分を示しているが、図５と異なり、図２，３で説明したような２台のトランス２で構成するトランスユニットが１セットの場合である。２台のトランス２を、図の紙面に垂直方向に並べてダクト１８に収納している。トランスユニットの絶縁板１２をダクト１８の側面の一方に取り付け、対向する他方の側面に、２台のトランス２のコイル側面に１対１で対向させて、側面冷却ファン１４を２台設置している。また、２台のトランス２の中央近傍に位置するダクト１８の底面に底面冷却ファン１５を配置し、側面冷却ファン１４から見たトランス２の裏側面に垂直方向に冷却風を流すようにしている。

このように構成したトランスの冷却装置によれば、実施の形態１と同様に、側面冷却ファン１４から得られる最大流速をほぼそのまま直接トランス２のコイル表面に吹き付けることができ、また、底面冷却ファン１５からの空気流に側面冷却ファン１４からの空気流が加わって、大きな熱伝達率でトランス２全体を効果的に冷却することができる。

なお、上記はトランスが２台の場合としたが、トランスが１台であっても、同様に構成することにより同等の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１によるトランスの冷却装置を備えた電源盤の概略構成を示す正面である。 図１のトランス部の側面図である。 図１のトランス部の上面図である。 本発明の実施の形態１によるトランスの冷却装置を示す正面図である。 本発明の実施の形態１によるトランスの冷却装置を示す側面図である。 比較例として、従来技術のトランスの冷却装置例による気流解析モデルを示す図である。 図６のVII−VII断面における空気流速分布図である。 図６のVIII−VIII断面における空気流速分布図である。 本発明の実施の形態１によるトランスの冷却装置による気流解析モデルを示す図である。 図９のX−X断面における空気流速分布図である。 図９のXI−XI断面における空気流速分布図である。 本発明の実施の形態２によるトランスの冷却装置を示す側面図である。

符号の説明

１ 筐体 ２ トランス
３ 電源基板 ４ ダクト
４ａ 開口部 ５ａ 側面冷却ファン
５ｂ 底面冷却ファン ６ 熱交換器
７鉄芯 ８ 内側コイル
９ 外側コイル １０ スペーサ
１１ 支持部材 １２ 絶縁板
１３ａ，１３ｂ 電流導入端子 １４ 側面冷却ファン
１５ 底面冷却ファン １６ ダクト
１６ａ 吸気口 １６ｂ 排気口
１７ ダクト １７ａ，１７ｂ 吸気口
１７ｃ 排気口 １８ ダクト。

Claims (3)

1. 電源盤を構成する筐体の内部にダクトを配置し、鉄芯とその鉄芯に巻回されたコイルとを有するトランスを、前記筐体の底面に対し前記コイルの軸線を垂直にして前記ダクト内に収納し、前記ダクト内に冷却風を送風することにより前記トランスを冷却するトランスの冷却装置において、
   前記トランスの前記コイルの側面に対向させて前記ダクトの側面に側面冷却ファンを設置すると共に、前記側面冷却ファンから見た前記トランスの裏側面を前記筐体の底面に対し垂直方向に冷却風が流れるように、前記ダクトの底面に底面冷却ファンを設置したことを特徴とするトランスの冷却装置。
2. 請求項１記載のトランスの冷却装置において、前記側面冷却ファンの設置台数は、前記トランス１台につき１台以上とすることを特徴とするトランスの冷却装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のトランスの冷却装置において、前記底面冷却ファンの設置台数は、前記トランスの台数より少ない台数とすることを特徴とするトランスの冷却装置。