JP2006032515A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒を用いる冷却構造を有し、少ない検出器、装置で構成した簡単な制御方法により、パワーデバイス素子の温度サイクルに対する寿命やポンプ、バルブ等の寿命を延命することができ、且つ、結露を確実に防止することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 パワーデバイス素子及び冷却器からなる電力変換器１を収納した筐体２内の電力変換器側配管３に、電力変換器１の表面より結露が発生しやすい部位を設け、そこに結露センサー４を取り付け、その信号を制御回路５に取り込む。制御回路５からの指令で熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブ６を調節し、電力変換器側配管３を流れる冷媒温度を上昇させる。これにより、電力変換器１内に流入する冷媒温度は上昇し、電力変換器１表面の結露発生を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒を用いる冷却構造であり、結露発生を確実に防止できる構造を有する電力変換装置に関する。

近年のパワーデバイス素子の大容量化に伴い、パワーデバイス素子の発熱量は増大する傾向にある。これと同時にパワーデバイス素子の小型化も進み、放熱面積は限られ、風冷だけでは冷却性能の限界に達している。そこで、このようなパワーデバイス素子の冷却方法として冷媒を用いた冷却器が使用される。一例として、用いられる冷媒は水、冷却器としては水冷ヒートシンクが挙げられる。水冷ヒートシンクによる冷却は、従来の風冷による冷却と比較して、高効率な冷却性能だけでなく、省スペース化という利点もある。

パワーデバイス素子と、パワーデバイス素子冷却のための冷却器を装着した電力変換器において、パワーデバイス素子の発熱により周囲温度は上昇する。一方、冷却器に供給される冷媒の温度が低いと冷却器の表面温度は低下し、周囲空気温度との間に温度差が生じる。

このような電力変換器が湿度の高い環境下に設置されると、冷却器の表面に結露が生じる。発生した結露は電子回路に悪影響を及ぼし、故障の原因ともなる。また、冷却器表面だけではなく、電力変換器内部、電力変換器に至る配管にも結露を生じる。

図４に、冷却システムを装備した電力変換装置の構成例を示す。１はパワーデバイス素子と冷却器を収納した電力変換器、２は電力変換器１を収納した筐体、３は熱交換器から電力変換器１に冷媒が循環する配管、５は制御回路、６は調節機構であるコントロールバルブ、７はポンプ、８は熱交換器、９は外部冷媒設備から熱交換器８に冷媒が流れる配管、１２は湿度センサー、１３は温度センサー、１４は冷媒吐出部温度センサー、１５は冷媒戻り部温度センサー、１６は演算回路である。

上記の構成では、筐体２内温度の上昇に対し、電力変換器１を循環する配管３を流れる冷媒の温度が低下した場合に、配管３表面や電力変換器１表面に結露が生じる。そこで、次のような結露発生を防止する方法が提案されている。

筐体２内の湿度と温度を湿度センサー１２と温度センサー１３により検出し、これを演算回路１６に取り込む。演算回路１６内では、結露が生じない冷媒供給温度の下限値を求め、それを制御回路５に信号として送る。制御回路５は冷媒温度センサー１４、１５で検出される温度状況と演算回路１６からの信号値を比較し、フィードバック制御信号によりコントロールバルブ６の開度を調節して冷媒温度を演算回路１６からの信号値に制御する。以上の方法により、冷媒温度を結露が発生しない温度に制御し、結露を防止することができる（特許文献１参照）。
特開平６-１６４１７８号公報

結露は湿度、温度差の関係から発生し、湿度に応じて結露発生の温度条件は変化する。湿度が一定であれば周囲温度によって冷媒温度目標値は決定できるが、湿度が変化する環境下では冷媒温度目標値は一様ではない。そこで、上記の特許文献１のように、結露防止のために湿度と周囲温度、冷媒温度を検出する必要がある。

また、冷媒温度を結露防止温度に合わせるために、冷媒温度をセンサーで検出しなければならない。図４によれば、冷媒戻り温度も検出し、そこからバルブの開度を調節している。

以上のように予め冷媒温度目標値を求め設定するには、周囲空気の温度センサー１個、湿度センサー１個、冷媒に対する温度センサー２個と冷媒温度目標値を求める演算回路、コントロールバルブを制御する制御回路と、多数の検出器、装置が必要となる。これは、制御を複雑化し、コストの面でも問題である。また、ポンプ、バルブ等の切換が多用されるため寿命低下を招き、電力変換器のパワーデバイス素子においても温度リップルの繰り返しにより寿命は低下する。

本発明の目的は、冷媒を用いる冷却構造を有し、少ない検出器、装置で構成した簡単な制御方法により、パワーデバイス素子の温度サイクルに対する寿命やポンプ、バルブ等の寿命を延命することができ、且つ、結露を確実に防止することができる電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電源又は交流電源から所望の直流電源又は交流電源を得るためのパワーデバイス素子およびこのパワーデバイス素子の発熱損失を放熱する手段として冷媒を用いる冷却器を実装した電力変換器と、冷媒が循環する配管と、冷却器または配管または配管に付加した部材の、結露しやすい部位に取付けられた結露センサーと、この結露センサーからの信号に基づいて冷媒を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、冷媒を用いる冷却構造を有する電力変換装置において、少ない検出器、装置で構成した簡単な制御方法により、パワーデバイス素子の温度サイクルに対する寿命やポンプ、バルブ等の寿命を延命することができ、且つ、結露を確実に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る、結露防止構造を有する電力変換装置の構成を示す図である。１は直流電源又は交流電源から所望の直流電源又は交流電源を得るためのパワーデバイス素子とこのパワーデバイス素子の発熱損失を放熱する手段として冷媒を用いる冷却器（例えば水冷ヒートシンク）を収納した電力変換器、２は電力変換器１を収納した筐体、３は電力変換器１を循環する配管（電力変換器側配管）、４は結露センサー、５は制御回路、６は調節機構であるコントロールバルブ、７はポンプ、８は熱交換器、９は外部冷媒設備からの配管（外部冷媒設備側配管）を示す。

電力変換器１の表面には、筐体２内の湿度、周囲温度、電力変換器１表面温度の関係によって結露が発生する。本実施形態では、例えば筐体２内の電力変換器側配管３に、電力変換器１の表面より結露が発生しやすい部位を設け、電力変換器１表面に結露が発生する前にそれを察知できる構成とする。このような結露が発生しやすい部位に結露センサー４を取り付け、その信号を制御回路５に取り込む。信号を受けた制御回路５からの指令で、熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブ６を調節し、熱交換器８の熱交換能力を下げ電力変換器側配管３を流れる冷媒温度を上昇させる。これにより、電力変換器１内に流入する冷媒温度は上昇し、電力変換器１表面の結露発生を防止することができる。

筐体２に収納された電力変換器側配管３の構造において、結露が発生しやすい部位の構造例の詳細を図２に示す。図２の構造により、電力変換器１表面に結露が発生するより早く、結露センサー４を取付けた配管の部位に結露が生じる。このため、結露センサー４からの信号により制御回路５、コントロールバルブ６を経て冷媒温度を上昇させ、電力変換器１内の結露を事前に防止できる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、電力変換器側配管３は金属で構成され、結露センサー４を取付ける部位のみ金属の肉厚を薄くした構造である。なお、図２（Ｂ）は同図（Ａ）のＸ−Ｘ断面を示したものである。配管３の表面温度は内部の冷媒温度が配管に伝熱し冷却される。この伝熱性は配管の肉厚が薄いほうが良好であり、肉厚が厚い部分３−ａよりも冷媒の温度を配管表面に伝える。これより、結露センサー４を取付けた配管の肉厚を薄くした部位３−ｂは、他の配管よりも早く結露が発生することになり、電力変換器１内の結露を事前に防止できる。

電力変換器側配管３は電力変換器１に装着されるため、電気的な絶縁を要求されることがある。絶縁物で構成された配管は金属製の配管と比べて熱伝導性が悪化するため、冷却効率が落ちるが、結露しにくいという特徴を持つ。そこで配管を図２（Ｃ）のように構成する。電力変換器１に装着される配管３−ｃは絶縁物で構成するが、それ以外の部位３−ａは金属製とし、その部位３−ａに結露センサー４を取付ける。尚、金属と絶縁物の接着はメタライズ技術で可能である。これにより、電力変換器１内の絶縁物で構成された配管３−ｃの表面に結露が発生する前に、金属製の配管の部位３−ａに結露が生じる。

図２（Ｄ）は筐体２内の配管３に例えばヒートパイプのような良熱伝導体１０の一端を挿入し、他方（反対側）に結露センサー４を取付けた構造である。ヒートパイプのような良熱伝導体１０は熱伝導性に優れているため冷媒温度を外気中に出された良熱伝導体１０の他方（反対側）に伝え、配管３表面に結露が発生する前に良熱伝導体１０表面に結露が発生する。なお、良熱伝導体１０としては、配管よりも熱伝導性の良好な材質のものを使用すればよい。

図２（Ｅ）は筐体２内の配管３に例えばヒートパイプのような良熱伝導体１０の一端を挿入し、他方（反対側）を内部湿度を所定の値に保った密閉容器１１に接続する（または他方（反対側）を内部湿度を所定の値に保った密閉容器１１内に挿入する）とともに、密閉容器１１内に結露センサー４を取り付け、配管３内の冷媒温度を密閉容器１１に伝熱させることで密閉容器１１の内部に結露を発生させる仕組みである。密閉容器１１は、設定環境仕様の湿度に対して、高めの任意設定湿度とした容器である。密閉容器１１内の湿度が設備環境仕様の湿度より高ければ、電力変換器１表面には結露が発生しない環境下でも内部に結露が発生する。なお、良熱伝導体１０及び密閉容器１１は、配管と同等またはそれ以上の熱伝導性を有する材質の部材で構成すればよい。

なお、上述の説明では、コントロールバルブ６を電力変換器側配管３に設け、制御回路５からの指令で、熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブ６を調節したが、コントロールバルブ６を電力変換器側配管３に設ける代わりに、外部冷媒設備側配管９に設け、制御回路５からの指令で、外部冷媒設備から熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブを調節してもよい。

また、結露センサー４は、上述のように電力変換器側配管３（またはこれに付加した部材）における結露が発生しやすい部位に取付ける代わりに、電力変換器１の冷却器における結露が発生しやすい部位に取付けることもできる。例えば、放熱板の表面にパワーデバイス素子が取付けられ、放熱板の内部を冷媒用配管が貫通している冷却器において、放熱板の、冷媒用配管が貫通している位置に対応する表面の一部を窪ませて結露が発生しやすい部位とし、この結露が発生しやすい部位に結露センサー４を取付けてもよい。

上記のように電力変換装置の冷却構造を構成すれば、検出器は結露センサーのみ使用し、結露が発生しやすい部位からの信号に応じて制御するだけで、電力変換器に発生する結露を確実に防止できる。また、制御方法の簡略化により、パワーデバイス素子の温度サイクルに対する寿命やポンプ、バルブ等の寿命を延命することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る、結露防止構造を有する電力変換装置の構成を示す図である。１はパワーデバイス素子と冷却器（例えば水冷ヒートシンク）を収納した電力変換器、２は電力変換器１を収納した筐体、３は電力変換器側配管、４は結露センサー、５は制御回路、６は調節機構であるコントロールバルブ、７はポンプ、８は熱交換器、９は外部冷媒設備からの配管（外部冷媒設備側配管）を示す。

上記第１の実施の形態は、電力変換器側配管３に結露センサー４を取り付け、電力変換器１内での結露発生を防止していた。これに対し、図３に示す第２の実施の形態は、外部冷媒設備側配管９に結露センサー４を取付ける。これは、電力変換器側配管３に結露センサー４を取付けられない場合に有効であり、または、電力変換器１に結露を発生させないより確実な手段として用いることができる。

結露センサー４からの信号を制御回路５に取り込み、外部冷媒設備側配管９に結露が発生した場合は制御回路５からの指令でコントロールバルブ６を調節し、熱交換器８へ流れる外部冷媒設備からの冷媒の流量を減らす。これにより、電力変換装置側配管３内の冷媒温度を上昇させ、電力変換装置１内での結露発生を未然に防止できる。なお、外部冷媒設備側配管９内の冷媒の温度は電力変換装置側配管３内の冷媒の温度より低い。従って、外部冷媒設備側配管９が特に金属製の場合、外部冷媒設備側配管９の表面は、通常は、電力変換器１内より結露が発生しやすい部位であるため、外部冷媒設備側配管９の表面にそのまま結露センサー４を取付ければよいが、外部冷媒設備側配管９が金属製の場合でも、また外部冷媒設備側配管９が絶縁物で構成されている場合においても、それぞれ、図２に示すような構成として結露が発生しやすい部位を設け、そこに結露センサー４を取付けることで、より確実に電力変換器１内での結露発生を防止できる。

なお、上述の説明では、コントロールバルブ６を外部冷媒設備側配管９に設け、制御回路５からの指令で、外部冷媒設備から熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブ６を調節したが、コントロールバルブ６を外部冷媒設備側配管９に設ける代わりに、電力変換器側配管３に設け、制御回路５からの指令で、熱交換器８に流れる冷媒の流量を減らすようにコントロールバルブを調節してもよい。

上記のように電力変換装置の冷却構造を構成すれば、検出器は結露センサーのみ使用し、結露センサーの信号に応じて制御するだけで、電力変換器に発生する結露を確実に防止できる。また、制御方法の簡略化により、パワーデバイス素子の温度サイクルに対する寿命やポンプ、バルブ等の寿命を延命することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 結露が発生しやすい配管の構成例を示す図で、（Ａ）は金属製の配管と肉厚の薄い部位から構成した配管の斜視図、（Ｂ）は図（Ａ）の配管の断面Ｘ−Ｘでの断面図、（Ｃ）は絶縁物で構成された配管と金属製の部位から構成した配管の断面図、（Ｄ）は一部にヒートパイプを挿入した配管の断面図、（Ｅ）は内部を所定の湿度に保った密閉容器を取付けた配管の断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図。 従来例の構成を示す図。

符号の説明

１…電力変換器
２…筐体
３…電力変換器側配管
３−ａ…金属製の配管
３−ｂ…金属製の肉厚の薄い配管
３−ｃ…絶縁物で形成された配管
４…結露センサー
５…制御回路
６…調節機構（コントロールバルブ）
７…ポンプ
８…熱交換器
９…外部冷媒設備側配管
１０…良熱伝導体
１１…密閉容器
１２…湿度センサー
１３…温度センサー
１４…冷媒吐出部温度センサー
１５…冷媒戻り部温度センサー
１６…演算回路

Claims (7)

1. 直流電源又は交流電源から所望の直流電源又は交流電源を得るためのパワーデバイス素子およびこのパワーデバイス素子の発熱損失を放熱する手段として冷媒を用いる冷却器を実装した電力変換器と、前記冷媒が循環する配管と、前記冷却器または前記配管または前記配管に付加した部材における、結露しやすい部位に取付けられた結露センサーと、この結露センサーからの信号に基づいて前記冷媒を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電源又は交流電源から所望の直流電源又は交流電源を得るためのパワーデバイス素子およびこのパワーデバイス素子の発熱損失を放熱する手段として冷媒を用いる冷却器を実装した電力変換器と、この電力変換器を循環する冷媒と外部冷媒設備からの冷媒を熱交換する熱交換器と、この熱交換器から前記電力変換器に冷媒が循環する配管またはこの配管に付加した部材における、結露しやすい部位に取付けられた結露センサーと、この結露センサーからの信号に基づいて前記熱交換器から前記電力変換器に流れる冷媒または前記外部冷媒設備から前記熱交換器に流れる冷媒を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 直流電源又は交流電源から所望の直流電源又は交流電源を得るためのパワーデバイス素子およびこのパワーデバイス素子の発熱損失を放熱する手段として冷媒を用いる冷却器を実装した電力変換器と、この電力変換器を循環する冷媒と外部冷媒設備からの冷媒を熱交換する熱交換器と、前記外部冷媒設備から前記熱交換器に冷媒が循環する配管またはこの配管に付加した部材における、結露しやすい部位に取付けられた結露センサーと、この結露センサーからの信号に基づいて前記熱交換器から前記電力変換器に流れる冷媒または前記外部冷媒設備から前記熱交換器に流れる冷媒を調節する調節手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記配管は金属で構成し、配管の一部の肉厚を薄くすることにより結露しやすい部位としたことを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記配管は絶縁物で構成し、絶縁物の配管の一部を金属製とすることにより結露しやすい部位としたことを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記配管の一部に良熱伝導体の一端を挿入し、前記良熱伝導体の他方を外気に出すことにより結露しやすい部位としたことを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
7. 前記配管の一部に良熱伝導体の一端を挿入し、前記良熱伝導体の他方を、内部が所定の湿度である密閉容器に接続するかまたはその内部に挿入し、前記密閉容器内を結露しやすい部位としたことを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
   
   

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