CN112673228B - 冷却装置及冷却方法 - Google Patents

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Abstract

实施方式的冷却装置具备第一热交换器、第一配管、第二配管、旁通配管、流量变更机构以及控制部。所述控制部监视与电气装置的电力损失和第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从所述第二配管流入所述旁通配管的第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构。

Description

冷却装置及冷却方法
技术领域
本发明的实施方式涉及冷却装置及冷却方法。
背景技术
已知有向热连接有电气装置的散热器供给冷却水的水冷式冷却装置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2017-11852号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明要解决的课题在于，提供能够实现作为冷却对象的电气装置的可靠性提高的冷却装置以及冷却方法。
用于解决课题的手段
实施方式的冷却装置具备第一热交换器、第一配管、第二配管、旁通配管、流量变更机构以及控制部。在所述第一热交换器中，在第一冷却水与第二冷却水之间进行热交换。所述第一配管使所述第一冷却水在热连接有电气装置的散热器与所述第一热交换器之间循环。所述第二配管使所述第二冷却水在第二热交换器与所述第一热交换器之间循环。所述旁通配管从所述第二配管分支，使在所述第二配管中流动的所述第二冷却水的至少一部分不通过所述第一热交换器而返回所述第二配管。所述流量变更机构对从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量进行变更。所述控制部监视与所述电气装置的电力损失和所述第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构。
附图说明
图1是表示第一实施方式的驱动系统的一例的图。
图2是用于说明第一实施方式的第一控制模式的图。
图3是用于说明第一实施方式的第一控制模式的图。
图4是用于说明第一实施方式的第二控制模式的图。
图5是用于说明第一实施方式的第二控制模式的图。
图6是表示第一实施方式的控制部的功能构成的框图。
图7是表示第一实施方式的处理流程的一例的流程图。
图8是表示第二实施方式的驱动系统的一例的图。
图9是用于说明第二实施方式的控制模式的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式的冷却装置以及冷却方法进行说明。另外，在以下的说明中，对具有相同或类似的功能的结构标注相同的附图标记。而且，有时省略这些结构的重复的说明。
本说明书中所说的“基于XX”是指“至少基于XX”，除了XX以外还包括基于其他要素的情况。进而，“基于XX”并不限定于直接使用XX的情况，也包括基于对XX进行运算、加工而得到的结果的情况。“XX”是任意的要素(例如，任意的信息)。本说明书中所说的“YY的中途”并不限定于YY的两端之间的中间点，意思是YY的两端之间的任意位置。
(第一实施方式)
参照图1至图7，对第一实施方式的冷却装置3进行说明。本实施方式是将冷却装置3应用于驱动系统(电动机控制系统)1的例子。但是，冷却装置3也能够广泛用于驱动系统以外的系统。即，后述的“电气装置”并不限定于电力转换装置2的模块，期望冷却的各种电气装置广泛符合。
<1.驱动系统的整体结构>
图1是表示包括冷却装置3的驱动系统1的一例的图。驱动系统1例如包括电力转换装置2、冷却装置3、外部热交换器4和外部泵5。
<2.功率转换装置的结构>
首先，对电力转换装置2进行说明。电力转换装置2例如包括电力转换电路11、变流器(CT：Current Transformer)12、散热器13以及控制部14。
电力转换电路11例如经由第一电力线16与交流电源PS连接，并且经由第二电力线17与负载L(例如电动机)连接。电力转换电路11具有多个开关元件和多个二极管，在交流电力与直流电力之间转换电力。例如，电力转换电路11将从交流电源PS供给的交流电力转换为直流电力，将转换后的直流电力进一步转换为适于负载L的交流电力并供给至负载L。
变流器12设置于第二电力线17。变流器12基于从电力变换装置2输出至第二电力线17的输出电流，生成与该输出电流的大小成比例的检测用电流。变流器12将所生成的检测用电流输出至控制部14。另外，变流器12也可以取代设置于第二电力线17而设置于电力转换电路11。
散热器13安装有构成电力转换电路11的一个以上的模块11a(例如包含上述开关元件的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块)，与该模块11a热连接。在散热器13的内部设置有供后述的第一冷却水流动的流路。散热器13通过第一冷却水在散热器13的内部流动而被冷却，促进模块11a的冷却。安装于散热器13的模块11a是“电气装置”的一例。以下，为了便于说明，将模块11a称为“电气装置11a”。
控制部14例如通过PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)控制来控制电力转换电路11所包含的多个开关元件，进行所希望的电力转换。控制部14包括电流检测部14a。电流检测部14a基于由变流器12生成的检测用电流，计算从电力转换装置2输出至第二电力线17的输出电流的电流值。控制部14基于计算出的输出电流的电流值，进行电力转换电路11的控制以及过电流保护等。在本实施方式中，控制部14将计算出的输出电流的电流值输出至后述的冷却装置3的控制部29。另外，也可以取而代之，将由变流器12生成的检测用电流直接输出至冷却装置3的控制部29，由冷却装置3的控制部29计算输出电流的电流值。
<3.冷却装置的结构>
接着，对冷却装置3进行说明。冷却装置3例如包括热交换器20、第一配管21、泵22、阀23、第二配管24，旁通配管25、电磁阀26、第一温度传感器27A、第二温度传感器27B、存储部28，以及控制部29。
热交换器20具有供第一冷却水流动的流路20a和供第二冷却水流动的流路20b。在热交换器20中，在第一冷却水与第二冷却水之间进行热交换。第一冷却水是在热交换器20与电力转换装置2的散热器13之间循环，对散热器13进行冷却的冷却水。第一冷却水例如是纯水。另一方面，第二冷却水是在后述的外部热交换器4与热交换器20之间循环，利用热交换器20对被散热器13加热后的第一冷却水进行冷却的冷却水。第二冷却水例如是被称为外水的工业用水。热交换器20是“第一热交换器”的一例。
第一配管21将热交换器20与电力转换装置2的散热器13连接，使第一冷却水在热交换器20与散热器13之间循环。例如，第一配管21具有第一配管部21a和第二配管部21b。第一配管部21a在热交换器20的第一冷却水出口与散热器13的冷却水入口之间延伸，将由热交换器20冷却后的第一冷却水向散热器13引导。另一方面，第二配管部21b在散热器13的冷却水出口与热交换器20的第一冷却水入口之间延伸，将通过散热器13的从而被加热的第一冷却水引导至热交换器20。
泵22和阀23设置于第一配管21。当阀23被打开，泵22被驱动时，第一冷却水在第一配管21内流动。在本实施方式中，泵22的转速为固定值，在第一配管21中流动的第一冷却水的流量始终恒定。此外，在第一配管21中流动的第一冷却水的流量发生变动的情况下，后述的控制部29也可以基于与泵22的转速对应的信号来检测第一冷却水的流量。另外，也可以取而代之，在第一配管21上设置流量传感器，将流量传感器的检测结果输出至控制部29。
第二配管24以将后述的外部热交换器4与热交换器20连接的方式设置，使第二冷却水在外部热交换器4与热交换器20之间循环。例如，第二配管24具有第一配管部24a和第二配管部24b。第一配管部24a在外部热交换器4的冷却水出口与热交换器20的第二冷却水入口之间延伸，将通过外部热交换器4的内部而被冷却的第二冷却水引导至热交换器20。另一方面，第二配管部24b在热交换器20的第二冷却水出口与外部热交换器4的冷却水入口之间延伸，将被热交换器20加热后的第二冷却水引导至外部热交换器4。
旁通配管25从第二配管24分支，使在第二配管24中流动的第二冷却水的至少一部分不通过热交换器20而返回第二配管24。例如，旁通配管25的一端连接于第二配管24的第一配管部24a的中途。旁通配管25的另一端连接于第二配管24的第二配管部24b的中途。
电磁阀26设置于旁通配管25，对从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量进行变更。在本实施方式中，电磁阀26基于来自后述的控制部29的控制指令，在关闭旁通配管25的关闭状态与打开旁通配管25的打开状态之间切换。当电磁阀26被切换到打开状态时，第二冷却水的一部分从第二配管24流入旁通配管25。其结果是，从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量减少。另一方面，当电磁阀26被切换为关闭状态时，第二冷却水不会从第二配管24流入旁通配管25。其结果，从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量增加。即，冷却装置3通过电磁阀26在“第一状态”与“第二状态”之间切换。第二状态是与第一状态相比从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量多的状态。换言之，第二状态是与第一状态相比从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量少的状态。
另外，电磁阀26的结构并不限定于上述例子。例如，电磁阀26也可以控制为多个开度，能够以多个阶段切换从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量。即，上述第一状态并不限定于第二冷却水完全不流过旁通配管25的状态，也可以是相对少量的第二冷却水在旁通配管25中流动的状态。电磁阀26是“流量变更机构”的一例。另外，“流量变更机构”不限定于设置于旁通配管25的电磁阀，也可以是设置于第二配管24与旁通配管25的连接部的三通阀等。
在本实施方式中，旁通配管25及电磁阀26例如为了抑制第一冷却水的冻结而设置。具体而言，后述的控制部29例如从设置于第一配管21的第一温度传感器27A(后述)接收第一温度传感器27A的检测结果。控制部29在第一温度传感器27A的检测结果满足规定的条件的情况下(例如，第一冷却水的温度小于冻结防止用所设定的阈值的情况)下，以打开旁通配管25的方式控制电磁阀26。由此，从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量减少，热交换器20中的第一冷却水与第二冷却水的热交换被抑制。由此，能够抑制在第一冷却水的温度已经低的情况下过度地冷却第一冷却水，抑制第一冷却水的冻结。
冷却装置3例如在设想为冷却装置3在第一冷却水有可能冻结的场所(例如寒冷地区)使用的情况下，具有上述冻结抑制功能。但是，冻结抑制功能对于冷却装置3而言不是必须的功能。即，冷却装置3也可以不具有冻结抑制功能。换言之，旁通配管25及电磁阀26也可以是为了与第一冷却水的冻结抑制不同的目的(例如，仅抑制后述的散热器13的温度变动)而设置的。
第一温度传感器27A设置于第一配管21的第二配管部21b。例如，第一温度传感器27A设置于第二配管部21b中与散热器13的冷却水出口连接的端部。第一温度传感器27A对散热器13的冷却水出口处的第一冷却水的温度(后述的冷却水出口温度Tout)进行检测。另外，第一温度传感器27A也可以取代设置于第一配管21而设置于散热器13。第一温度传感器27A的检测结果被输出至控制部29。
第二温度传感器27B设置于第二配管24的第一配管部24a。第二温度传感器27B对热交换器20的第二冷却水入口处的第二冷却水的温度(后述的外部水温度Ta)进行检测。第二温度传感器27B的检测结果被输出至控制部29。
存储部28存储冷却装置3的控制所需的各种信息。存储部28例如存储有在电力转换装置2的设计时所求出的“电流-损失特性”。电流-损失特性是指电力转换装置2(或电气装置11a)的输出电流的电流值与电力转换装置2(或电气装置11a)的电力损失的值之间的对应关系。
控制部29控制冷却装置3的整体。例如，控制部29控制泵22、阀23以及电磁阀26。另外，关于控制部29，将在后面详细叙述。
<4.外部热交换器和外部泵>
接着，对外部热交换装置4以及外部泵5进行说明。
外部热交换器4例如配置在冷却装置3的外部。外部热交换器4例如是冷却塔，通过使第二冷却水与大气直接或间接地接触来冷却第二冷却水。但是，外部热交换器4的结构并不限定于上述例子，例如也可以是伴有送风机的热交换器。外部热交换器4是“第二热交换器”的一例。
外部泵5设置于第二配管24。当外部泵5被驱动时，第二冷却水在第二配管24内流动。另外，外部泵5也可以作为冷却装置3的一部分而设置。
<5.控制单元的功能配置>
接着，对控制部29的功能结构进行说明。本实施方式的控制部29具有抑制散热器13的温度变动的功能。具体而言，控制部29监视与电气装置11a的电力损失和第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值。而且，控制部29在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量的方式控制电磁阀26。由此，减少从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量，抑制散热器13被过度冷却。另一方面，控制部29在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量的方式控制电磁阀26。由此，增加从第二配管24流入热交换器20的第二冷却水的流量(例如恢复为原状)，高效地进行散热器13的冷却。
在本实施方式中，对监视与电气装置11a的电力损失相关的值作为所述检测值的例子进行说明。具体而言，在本实施方式中，基于电力转换装置2(或者电气装置11a)的输出电流的电流值来监视电气装置11a的电力损失本身。另一方面，关于监视与第一冷却水的温度相关的值作为所述检测值的例子，作为第二实施方式在后面叙述。
另外，在本实施方式中，对将上述“第一阈值”和“第二阈值”设定为相同的值(例如后述的阈值Wth)的例子进行说明。即，后述的阈值Wth是“第一阈值”的一例，并且是“第二阈值”的一例。此外，“第一阈值”和“第二阈值”也可以是互不相同的值。
<5.1控制的概要>
在本实施方式中，控制部29判定是否满足后述的规定的第一条件。并且，控制部29在判定为满足第一条件的情况下，以第一控制模式控制冷却装置3。另一方面，控制部29在判定为不满足第一条件的情况下，以第二控制模式控制冷却装置3。在第一控制模式和第二控制模式中，用于切换电磁阀26的开闭状态(在第一状态和第二状态之间切换冷却装置3)的阈值的值不同。以下，分别对第一控制模式以及第二控制模式进行说明。
<5.2第一控制模式>
在此，首先对几个物理量进行定义。
Tin是冷却水入口温度(散热器13的冷却水入口处的第一冷却水的温度)[℃]。
Tout是冷却水出口温度(散热器13的冷却水出口处的第一冷却水的温度)[℃]。
Tout_H是假定为在第一状态下电力转换装置2(电气装置11a)以最大电力损失运转的情况下的冷却水出口温度Tout。以下，有时将Tout_H称为“第三基准温度”。
Tout_L是假定为在第一状态下电力变换装置2(电气装置11a)以最低电力损失运转的情况下的冷却水出口温度Tout。以下，有时将Tout_L称为“第一基准温度”。
Tout_L’是假定为在第二状态下电力变换装置2(电气装置11a)以最低电力损失运转的情况下的冷却水出口温度Tout。以下，有时将Tout_L’称为“第二基准温度”。
ΔT是Tout_H与Tout_L的温度差。
ΔT’是Tout_H与Tout_L’的温度差。
Ta是外水温度(热交换器20的第二冷却水入口处的第二冷却水的温度)[℃]。
W是电气装置11a的电力损失[W]。
Wmax是电气装置11a的运转时最大电力损失[W]。另外，运转时最大电力损失Wmax根据电力转换装置2(电气装置11a)的负载模式而预先求出，并存储于存储部28。
Wmin是电气装置11a的运转时最低电力损失[W]。另外，运转时最低电力损失Wmin根据电力转换装置2(电气装置11a)的负载模式而预先求出，并存储于存储部28。
Wth是在抑制上述散热器13的温度变动的控制中、为了切换电磁阀26的开闭状态而设定的电气装置11a的电力损失W相关的阈值。
C为第一冷却水的比热[J/(g·K)]。比热C存储于存储部28。
ρ是第一冷却水的密度[g/cm2]。密度ρ存储于存储部28中。
Q是第一冷却水的流量[L/min]。流量Q预先求出并存储于存储部28。但是，在流量Q变动的情况下，控制部29也可以基于泵22的转速的控制量或设置于第一配管21的流量传感器的检测结果等来计算流量Q。
ε是热交换器20的温度效率(热交换效率)。
ε1是电磁阀26处于关闭状态时(即冷却装置3处于第一状态时)的热交换器20的温度效率ε。
ε2是电磁阀26处于打开状态时(即冷却装置3处于第二状态时)的热交换器20的温度效率ε。
热交换器20的温度效率ε能够如式(1)那样计算。式(1)是热交换器的温度效率的定义式。
[数学式1]
Figure BDA0002424373680000101
冷却水出口温度Tout能够如式(2)那样计算。式(2)能够通过将式(1)变形而得到。
[数学式2]
Figure BDA0002424373680000102
冷却水出口温度Tout_H能够如式(3)那样计算。
[数学式3]
Figure BDA0002424373680000103
冷却水出口温度Tout_L能够如式(4)那样计算。
[数学式4]
Figure BDA0002424373680000104
温度差ΔT能够如式(5)那样计算。
[数学式5]
Figure BDA0002424373680000105
冷却水出口温度Tout_L’能够如式(6)那样计算。
[数学式6]
Figure BDA0002424373680000106
温度差ΔT’能够如式(7)那样计算。
[数学式7]
Figure BDA0002424373680000111
温度差ΔT与温度差ΔT’的差分能够如式(8)那样计算。
[数学式8]
Figure BDA0002424373680000112
图2是用于说明第一控制模式的图。图2中的直线L1表示假定为在第一状态下电力变换装置2(电气装置11a)运转的情况下的、电气装置11a的电力损失W与冷却水出口温度Tout的关系。另一方面，图2中的直线L2表示假定为在第二状态下电力变换装置2(电气装置11a)运转的情况下的、电气装置11a的电力损失W与冷却水出口温度Tout的关系。
在本实施方式中，为了切换电磁阀26的开闭状态而设定阈值Wth。并且，控制部29通过详细后述的方法监视电气装置11a的电力损失的检测值。而且，控制部29在电力损失的检测值处于阈值Wth以上的区域(区域A1)的情况下，通过将电磁阀26控制为关闭状态，将冷却装置3控制为第一状态。另一方面，控制部29在电力损失的检测值处于不足阈值Wth的区域(区域A2)的情况下，通过将电磁阀26控制为打开状态，将冷却装置3控制为第二状态。即，在该情况下，冷却装置3以图2中粗线所示的特性控制。
接着，对第一控制模式下的阈值Wth的一例进行说明。
阈值Wth作为与电力损失W相关的值，例如被设定为在假定为在第一状态下电气装置11a运转的情况下的第一冷却水的温度(直线L1上的温度值)与第二基准温度Tout_L’之差D11为第一基准温度Tout_L与第二基准温度Tout_L’之差D的一半以下的范围(图2中所示的范围R)内。即，阈值Wth的一例是范围R内的任意的值。另外，作为前提，ΔT’＜ΔT。
在图2所示的例子中，阈值Wth被设定为在假定为在第一状态下电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L1上的温度值)成为第二基准温度Tout_L’的值WA。
该情况下的阈值Wth通过求解以下的式(9)来求出，如式(10)那样计算。
[数学式9]
Figure BDA0002424373680000121
[数学式10]
Figure BDA0002424373680000122
图3是用于说明第一控制模式的另一图。图3表示第一控制模式下的阈值Wth的另一例。在图3所示的例子中，阈值Wth被设定为在假定为在第二状态下电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L2上的温度值)成为第三基准温度Tout_H的值WB。即，在该情况下，冷却装置3以图3中粗线所示的特性控制。
即，根据1个观点，阈值Wth只要设定在值WA与值WB之间的范围(图3中所示的范围R1)内即可，该值WA是在假定为在第一状态下电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L1上的温度值)成为第二基准温度Tout_L’的值，该值WB是在假定为在第二状态下电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度成为第三基准温度Tout_H的值。
<5.3第二控制模式>
接着，对第二控制模式进行说明。
图4是用于说明第二控制模式的图。在此，在冷却装置3中，由于电气装置11a的运转时最大电力损失Wmax、电气装置11a的运转时最低电力损失Wmin、外水温度Ta、第一冷却水的流量Q等中的一个以上，有时热交换器20的温度效率ε1和ε2大幅偏离。在热交换器20的温度效率ε1和ε2大幅偏离的情况下，如图4中的区域A所示，在电磁阀26为关闭状态和打开状态中的任一状态下，都存在冷却水出口温度Tout不在ΔT’(Tout_H～Tout_L’)的范围内的情况。
发生这样的现象的条件是满足下述的式(11)的情况，变形后成为式(12)。
[数学式11]
Figure BDA0002424373680000131
[数学式12]
Figure BDA0002424373680000132
即，在满足式(12)的条件的情况下，优选不是以上述的第一控制模式，而是以与第一控制模式不同的第二控制模式来控制冷却装置3。
在该情况下，控制部29使用阈值Wth’来代替阈值Wth。阈值Wth’与阈值Wth同样地、是在抑制散热器13的温度变动的控制中，为了切换电磁阀26的开闭状态而设定的电气装置11a的电力损失[W]相关的阈值。阈值Wth’是“第一阈值”的另一例，并且是“第二阈值”的另一例。
在图4所示的例子中，在将假定为在第一状态下使电气装置11a运转的情况下的第一冷却水的温度(直线L1上的温度值)与第二基准温度Tout_L’之差设为第一差D21、将假定为在第二状态下使电气装置11a运转的情况下的第一冷却水的温度(直线L2上的温度值)与第三基准温度Tout＿H之差设为第二差D22的情况下，阈值Wth’被设定为第一差D21与第二差D22彼此相同的值WC。即，在该情况下，冷却装置3以图4中粗线所示的特性控制。第一差D21和第二差D22是从ΔT’的范围偏离的偏离值。在该情况下，Tout的变动幅度为T”(Tout_L”～Tout_H’)。
该情况下的阈值Wth’通过求解以下的式(13)来求出，如式(14)那样计算。
[数学式13]
Figure BDA0002424373680000141
[数学式14]
Figure BDA0002424373680000142
另外，该情况下的预定量的计算式如以下的式(15)～(17)所示，能够降低的Tout的变动幅度如式(18)所示。
[数学式15]
Figure BDA0002424373680000143
[数学式16]
Figure BDA0002424373680000144
[数学式17]
Figure BDA0002424373680000145
[数学式18]
Figure BDA0002424373680000146
在该情况下，为了降低Tout的变动幅度，式(18)的右边分子大于0是条件。在满足该条件的情况下，如以下的式(19)所示。
[数学式19]
Figure BDA0002424373680000147
即，在不满足式(19)的条件的情况下，若在阈值Wth’下将电磁阀26切换为开状态，则Tout的变动幅度反而增大。因此，在不满足式(19)的条件的情况下，不进行电磁阀26的控制。另外，式(19)是在Wth’被设定为图4中的WC的情况下的条件。
图5是用于说明第二控制模式的另一图。图5表示第二控制模式下的阈值Wth’的另一例。在图5所示的例子中，阈值Wth’被设定为在假定为在第二状态下使电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L2上的温度值)成为第三基准温度Tout_H的值WD。即，在该情况下，冷却装置3以图5中粗线所示的特性控制。
即，根据1个观点，阈值Wth’只要设定在WC与值WD之间的范围(图5中所示的范围R2)内即可，该值WC是上述的第一差D21与第二差D22彼此相同的值，该值WD是在假定为在第二状态下使电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L2上的温度值)成为第三基准温度Tout＿H的值。
此外，在Wth’被设定为图5中的WD的情况下，不进行电磁阀26的控制的条件(相当于式(19)的条件)也可以是不满足以下的式(20)的条件。
[数学式20]
Figure BDA0002424373680000151
但是，该式(20)是比式(19)缓和的条件。因此，不需要先定义式(20)，即使在Wth’被设定为WD的情况下，也可以在不满足式(19)的条件的情况下不进行电磁阀26的控制。
<5.4控制单元的功能配置>
图6是表示控制部29的功能结构的框图。控制部29例如包括控制模式判定部31、阈值设定部32、电流值取得部33、电力损失计算部34、比较部(监视部)35、开闭决定部36以及电磁阀操作电路37。另外，在以下的说明中设为，电磁阀26在冷却装置3的运转开始时处于关闭状态。
控制模式判定部31例如基于存储于存储部28的第一冷却水的流量Q、存储于存储部28的第一冷却水的比热C、存储于存储部28的第一冷却水的密度ρ、由第一温度传感器27A检测出的冷却水出口温度Tout、由第二温度传感器27B检测出的外水温度Ta、以及由电力损失计算部34检测出的电力损失W，来计算热交换器20的温度效率ε1和ε2。例如，这些温度效率ε1和ε2是在驱动系统1的预备运转中预先在第一状态和第二状态的每个状态下运转冷却装置3、并在此时基于检测出的冷却水出口温度Tout、外水温度Ta以及电力损失W预先计算出的。
接着，控制模式判定部31基于计算出的热交换器20的温度效率ε1和ε2、存储于存储部28的运转时最大电力损失Wmax以及运转时最低电力损失Wmin，判定是否满足以下的式(21)即第一条件。
[数学式21]
Figure BDA0002424373680000161
控制模式判定部31在判定为满足上述第一条件的情况下，决定为以第一控制模式控制冷却装置3，并将以第一控制模式进行控制这一情况通知给阈值设定部32。
另一方面，控制模式判定部31在判定为不满足上述第一条件的情况下，基于计算出的热交换器20的温度效率ε1和ε2、存储于存储部28的运转时最大电力损失Wmax以及运转时最低电力损失Wmin，判定是否满足以下的式(22)即第二条件。
[数学式22]
Figure BDA0002424373680000162
控制模式判定部31在判定为满足上述第二条件的情况下，决定为以第二控制模式控制冷却装置3，并将以第二控制模式进行控制这一情况通知给阈值设定部32。另一方面，控制部29在判定为不满足上述第二条件的情况下，将电磁阀26维持为关闭状态。
阈值设定部32在由控制模式判定部31决定为以第一控制模式控制冷却装置3的情况下，将阈值Wth设定为切换电磁阀26的开闭状态的切换点。关于阈值Wth的值，参照图3预先选定上述范围R1内的任意的值，例如，设定在假定为在第一状态下电气装置11a运转的情况下第一冷却水的温度(直线L1上的温度值)成为第二基准温度Tout_L’的值WA。
另一方面，阈值设定部32在由控制模式判定部31决定为以第二控制模式控制冷却装置3的情况下，将阈值Wth’设定为切换电磁阀26的开闭状态的切换点。关于阈值Wth’的值，参照图5预先选定上述的范围R2内的任意的值，例如，设定上述的第一差D21与第二差D22彼此相同的值WB。阈值设定部32将设定的阈值Wth或阈值Wth’输出至比较部35。
电流值获取部33从电力转换装置2的控制部29接收由电力转换装置2的控制部29检测出的电力转换装置2的输出电流的电流值。电流值获取部33将接收到的输出电流的电流值输出至电力损失计算部34。
电力损失计算部34基于从电流值取得部33接收的电流值和存储于存储部28的电流-损失特性，计算电气装置11a的电力损失W。电力损失计算部34将计算出的电气装置11a的电力损失W输出至比较部35。电气装置11a的电力损失W是作为监视对象而使用的“检测值”的一例。
比较部(监视部)35监视由电力损失计算部34计算出的电力损失W。在本实施方式中，比较部35以规定的周期对由阈值设定部32设定的阈值Wth(或者阈值Wth’)和由电力损失计算部34计算出的电力损失W进行比较。比较部35将电力损失W与阈值Wth(或者阈值Wth’)的比较结果输出至开闭决定部36。
开闭决定部36基于比较部35的比较结果，在电力损失W减少、电力损失W从阈值Wth(或者阈值Wth’)以上的状态降低到小于阈值Wth(或者阈值Wth’)的情况下，决定打开电磁阀26。开闭决定部36在决定了打开电磁阀26的情况下，向电磁阀操作电路37输出用于打开电磁阀26的指令。
另一方面，开闭决定部36基于比较部35的比较结果，在电力损失W增加、电力损失W从小于阈值Wth(或者阈值Wth’)的状态增加到阈值Wth(或者阈值Wth’)以上的情况下，决定关闭电磁阀26。开闭决定部36在决定了关闭电磁阀26的情况下，向电磁阀操作电路37输出用于关闭电磁阀26的指令。
电磁阀操作电路37在从开闭决定部36接收到用于打开电磁阀26的指令的情况下，将与开状态对应的控制信号输出至电磁阀26，使电磁阀26从关闭状态转移到打开状态。另一方面，电磁阀操作电路37在从开闭决定部36接收到用于关闭电磁阀26的指令的情况下，将与关闭状态对应的控制信号输出至电磁阀26，使电磁阀26从打开状态转移到关闭状态。
＜5.4处理流程＞
接着，对控制部29的处理流程进行说明。
图7是表示控制部29的处理流程的一例的流程图。控制部29首先基于冷却水出口温度Tout、外水温度Ta、第一冷却水的流量Q、以及电力损失W来计算热交换器20的温度效率ε1、ε2(S101)。如上所述，该S101的处理通过在驱动系统1的预备运转中预先在第一状态和第二状态下运转冷却装置3而预先进行。
接着，控制部29基于热交换器20的温度效率ε1和ε2、运转时最大电力损失Wmax以及运转时最低电力损失Wmin，判定是否满足上述第一条件(S102)。
控制部29在判定为满足上述第一条件的情况下(S102：是)，设定阈值Wth作为切换电磁阀26的开闭状态的阈值(S103)。然后，控制部29进入S107的处理。
另一方面，控制部29在判定为不满足上述第一条件的情况下(S102：否)，基于热交换器20的温度效率ε1和ε2、运转时最大电力损失Wmax以及运转时最低电力损失Wmin，判定是否满足上述第二条件(步骤104)。
控制部29在判定为满足上述第二条件的情况下(S104：是)，设定阈值Wth’作为切换电磁阀26的状态的阈值(S105)。
另一方面，控制部29在判定为不满足上述第二条件的情况下(S104：否)，不进行本方式中的温度变动的抑制控制(S106)，而结束本流程。
上述S102至S106的计算是基于在S101中求出的温度效率ε1和ε2预先进行的。另外，上述S101至S106的计算在计算式的参数(例如第一冷却水的流量Q、运转时最大电力损失Wmax、运转时最低电力损失Wmin等)被更新的时刻再次计算。然后，控制部29在冷却装置3的实际运转时(使用了冷却装置3的冷却时)进行从S107到S110的处理。
即，控制部29在冷却装置3运转时，基于电力转换装置2(或电气装置11a)的输出电流的电压值和电流-损失特性，计算电气装置11a的电力损失W(S107)。接着，控制部29判定计算出的电力损失W是否为阈值Wth(或者阈值Wth’)以上(S108)。
控制部29在电力损失W为阈值Wth(或者阈值Wth’)以上的情况下(S108：是)，将电磁阀26控制为打开状态(S109)。另一方面，在电力损失W小于阈值Wth(或者阈值Wth’)的情况下(S108：否)，控制部29将电磁阀26控制为关闭状态(S110)。
接着，控制部29判定是否有冷却装置3的运转停止的指令(S111)。在没有冷却装置3的运转停止的指令的情况下(S111：否)，控制部29以规定的周期反复进行S107至S110的处理。另一方面，在有冷却装置3的运转停止的指令的情况下(S111：是)，控制部29停止冷却装置3的运转。由此，本流程的处理结束。
(作用)
作为比较例，考虑不进行如上述那样的温度变动抑制的控制的情况。在该情况下，散热器13的温度以图2中的ΔT的幅度变动。在散热器13的温度变动大的情况下，例如由于散热器13与电气装置11a的热膨胀率的不同，有时设置于散热器13与电气装置11a之间的润滑脂向外部流出，散热器13与电气装置11a的热连接性降低。其结果是，有时电气装置11a容易变为高温，电气装置11a的可靠性降低。
另一方面，在本实施方式中，控制部29监视与电气装置11a的电力损失相关的检测值，并在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量的方式控制电磁阀26，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量的方式控制电磁阀26。根据这样的结构，能够将散热器13的温度变动抑制为ΔT’的幅度。由此，能够减小散热器13的温度变动。若能够减小散热器13的温度变动，则能够通过电气装置11a的热循环耐量的增加而实现电气装置11a的可靠性提高。
在本实施方式中，冷却装置3具有旁通配管25，该旁通配管25从第二配管24分支，使在第二配管24中流动的第二冷却水的至少一部分不通过热交换器20而返回第二配管24。电磁阀26变更从第二配管24流入旁通配管25的第二冷却水的流量。根据这样的结构，即使是没有变换器功能的冷却装置(无法调整流量的冷却装置)，也能够减小散热器13的温度变动，实现电气装置11a的可靠性提高。
在本实施方式中，作为所述检测值，监视与电气装置11a的电力损失相关的值。根据这样的结构，在阈值与检测值的比较中，不需要测定冷却水的水温。另外，在通过水温检测进行控制的情况下，水温的变化存在时间常数，因此无论如何控制响应都延迟，但由于电流值瞬时变化，所以能够进行迅速的控制响应。
(第二实施方式)
接着，对第二实施方式进行说明。在本实施方式中，在直接监视第一冷却水的温度作为检测值这一点上与第一实施方式不同。另外，以下说明的以外的结构与第一实施方式相同。
图8是表示第二实施方式的驱动系统1的一例的图。图9是表示第二实施方式的控制模式的图。在本实施方式中，在第一控制模式中，代替与电力损失相关的阈值Wth，而设定第一阈值Tout_thL和第二阈值Tout_thH作为与第一冷却水的温度相关的阈值(参照图9)。
控制部29的比较部35例如周期性地对由第一温度传感器27A检测出的冷却水出口温度Tout与第一阈值Tout_thL以及第二阈值Tout_thH进行比较。而且，控制部29在电磁阀26关闭的状态下冷却水出口温度Tout降低至小于Tout_thL的情况下，进行控制以打开电磁阀26。另一方面，控制部29在电磁阀26打开的状态下冷却水出口温度Tout增加至Tout_thH以上的情况下，进行控制，以关闭电磁阀26。
另外，在本实施方式中，在第二控制模式中，代替与电力损失相关的阈值Wth’，而设定第一阈值Tout_thL’和第二阈值Tout_thH’作为与第一冷却水的温度相关的阈值。另外，第一阈值Tout_thL’和第二阈值Tout_thH’的使用方法与第一阈值Tout_thL及第二阈值Tout_thH相同。
通过这样的结构，也能够抑制散热器13的温度变动，实现作为冷却对象的电气装置的可靠性提高。另外，第一阈值Tout_thL及第二阈值Tout_thH例如是彼此不同的值，但也可以是彼此相同的值。同样地，第一阈值Tout_thL’和第二阈值Tout_thH’例如是彼此不同的值，但也可以是彼此相同的值。
(变形例)
接下来，对第一以及第二实施方式的变形例进行说明。例如在外水温度Ta、第一冷却水的流量Q实质上恒定的情况下，冷却装置3也可以设计为始终满足上述第一条件。在该情况下，控制部29也可以无需进行第一控制模式与第二控制模式的判定，而始终设定阈值Wth(或者第一阈值Tout_thL以及第二阈值Tout_thH)作为阈值。
同样地，冷却装置3也可以设计成不满足上述第一条件，且始终满足上述第二条件。在该情况下，控制部29也可以无需进行第一控制模式与第二控制模式的判定，而始终设定阈值Wth’(或者第一阈值Tout_thL’和第二阈值Tout_thH’)作为阈值。
在上述的实施方式以及变形例中，控制部29的全部或一部分例如由LSI(LargeScale Integration：大规模集成电路)、ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、PLD(Programmable Logic Device：可编程逻辑器件)或FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等硬件(电路部；包含电路)实现。此外，控制部29的全部或一部分例如既可以是通过CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)这样的硬件处理器执行存储在未图示的存储器中的计算机程序(软件)而实现的软件功能部，也可以通过硬件与软件功能部的协作来实现。
以上，对几个实施方式以及变形例进行了说明。但是，实施方式并不限定于上述例子。例如，安装于散热器13的电气装置11a并不限定于IGBT模块，也可以是其他种类的电气装置。
在上述实施方式中，冷却装置3具有旁通配管25及电磁阀26。另外，冷却装置3也可以不具有旁通配管25。在该情况下，冷却装置3也可以具有泵，该泵设置于第二配管24，转速等可变且能够变更在第二配管24中流动的第二冷却水的流量。在该情况下，泵是“流量变更机构”的一例。
根据以上说明的至少一个实施方式，冷却装置的控制部监视与电气装置的电力损失和第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从第二配管流入旁通配管的第二冷却水的流量的方式控制流量变更机构，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构。根据这样的结构，能够实现作为冷却对象的电气装置的可靠性提高。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，无意限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨中，同样地包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
符号说明
1…驱动装置，2…电力转换装置，3…冷却装置，4…外部热交换器(第二热交换器)，11…电力转换电路、11a…模块(电气装置)、13…散热器、20…热交换器(第一热交换器)，21…第一配管、24…第二配管、25…旁路配管、26…电磁阀(流量变更机构)，29…控制部。

Claims (9)

1.一种冷却装置，具备：
第一热交换器，在第一冷却水与第二冷却水之间进行热交换；
第一配管，使所述第一冷却水在与电气装置热连接的散热器与所述第一热交换器之间循环；
第二配管，使所述第二冷却水在第二热交换器与所述第一热交换器之间循环；
旁通配管，从所述第二配管分支，使在所述第二配管中流动的所述第二冷却水的至少一部分不通过所述第一热交换器而返回所述第二配管；
流量变更机构，变更从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量；以及
控制部，监视与所述电气装置的电力损失和所述第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，在所述检测值小于第一阈值的情况下，以增加从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以减少从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，
所述冷却装置通过所述流量变更机构，在第一状态和第二状态之间进行切换，该第二状态与所述第一状态相比从所述第二配管流入所述旁通配管的所述第二冷却水的流量多，
将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第一基准温度，将假定为在所述第二状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第二基准温度的情况下，
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是假定为在所述第一状态下所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第二基准温度之差为所述第一基准温度与所述第二基准温度之差的一半以下的范围。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，
所述控制部监视与所述电气装置的电力损失相关的值作为所述检测值。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，
在将所述第一状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε1，将所述第二状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε2，将所述电气装置的运转时最大电力损失设为Wmax，将所述电气装置的运转时最低电力损失设为Wmin，将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最大电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第三基准温度的情况下，
所述控制部判定是否满足第一条件，该第一条件是式(1)，
[数学式1]
Figure FDA0003695695290000021
所述控制部在判定为满足所述第一条件的情况下，以第一控制模式控制所述冷却装置，
在所述第一控制模式中，
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是假定为在所述第一状态下所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第二基准温度的值、与假定为在所述第二状态下所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第三基准温度的值之间的范围。
4.根据权利要求3所述的冷却装置，其中，
所述控制部在判定为不满足所述第一条件的情况下，以第二控制模式控制所述冷却装置，
在所述第二控制模式中，
在将假定为在所述第一状态下使所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第二基准温度之差设为第一差，将假定为在所述第二状态下使所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第三基准温度之差设为第二差的情况下，
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是所述第一差与所述第二差成为彼此相同的值、与假定为在所述第二状态下使所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第三基准温度的值之间的范围。
5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，
在以第二控制模式控制所述流量变更机构的情况下，所述控制部判定是否满足第二条件，该第二条件是式(2)，
[数学式2]
Figure FDA0003695695290000031
在不满足所述第二条件的情况下，所述控制部不进行从所述第一状态向所述第二状态的切换。
6.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，
在将所述第一状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε1，将所述第二状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε2，将所述电气装置的运转时最大电力损失设为Wmax，将所述电气装置的运转时最低电力损失设为Wmin，将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最大电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第三基准温度的情况下，
所述冷却装置构成为满足式(3)的条件，
[数学式3]
Figure FDA0003695695290000032
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是假定为在所述第一状态下使所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第二基准温度的值、与假定为在所述第二状态下使所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第三基准温度的值之间的范围。
7.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，
在将所述第一状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε1，将所述第二状态下的所述第一热交换器的热交换效率设为ε2，将所述电气装置的运转时最大电力损失设为Wmax，将所述电气装置的运转时最低电力损失设为Wmin，将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最大电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第三基准温度，将假定为在所述第一状态下使所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第二基准温度之差设为第一差，将假定为在所述第二状态下使所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第三基准温度之差设为第二差的情况下，
所述冷却装置构成为满足式(4)的条件和式(5)的条件，
[数学式4]
Figure FDA0003695695290000041
[数学式5]
Figure FDA0003695695290000042
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是所述第一差与所述第二差成为彼此相同的值、与假定为在所述第二状态下使所述电气装置运转的情况下所述第一冷却水的温度成为所述第三基准温度的值之间的范围。
8.一种冷却装置，具备：
第一热交换器，在第一冷却水与第二冷却水之间进行热交换；
第一配管，使所述第一冷却水在与电气装置热连接的散热器与所述第一热交换器之间循环；
第二配管，使所述第二冷却水在第二热交换器与所述第一热交换器之间循环；
流量变更机构，能够变更从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量；以及
控制部，监视与所述电气装置的电力损失和所述第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，在所述检测值小于第一阈值的情况下，以减少从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以增加从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，
所述冷却装置通过所述流量变更机构，在第一状态和第二状态之间进行切换，该第二状态与所述第一状态相比从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量少，
将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第一基准温度，将假定为在所述第二状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第二基准温度的情况下，
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是假定为在所述第一状态下所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第二基准温度之差为所述第一基准温度与所述第二基准温度之差的一半以下的范围。
9.一种冷却方法，使用冷却装置对电气装置进行冷却，
所述冷却装置具备：
第一热交换器，在第一冷却水与第二冷却水之间进行热交换；
第一配管，使所述第一冷却水在与电气装置热连接的散热器与所述第一热交换器之间循环；
第二配管，使所述第二冷却水在第二热交换器与所述第一热交换器之间循环；以及
流量变更机构，变更从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量，
所述冷却装置通过所述流量变更机构，在第一状态和第二状态之间进行切换，该第二状态与所述第一状态相比从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量少，
所述冷却方法包括，
监视与所述电气装置的电力损失和所述第一冷却水的温度中的至少一方相关的检测值，
在所述检测值小于第一阈值的情况下，以减少从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，
在所述检测值为第二阈值以上的情况下，以增加从所述第二配管流入所述第一热交换器的所述第二冷却水的流量的方式控制所述流量变更机构，
将假定为在所述第一状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第一基准温度，将假定为在所述第二状态下所述电气装置以最低电力损失运转的情况下的所述第一冷却水的温度设为第二基准温度的情况下，
所述第一阈值被设定在如下范围内，该范围是假定为在所述第一状态下所述电气装置运转的情况下的所述第一冷却水的温度与所述第二基准温度之差为所述第一基准温度与所述第二基准温度之差的一半以下的范围。
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