JP2006200756A

JP2006200756A - 水冷式冷却装置

Info

Publication number: JP2006200756A
Application number: JP2005009833A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sawamura; 信雄澤村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】半導体変換装置盤などに用いられる水冷式冷却装置における被冷却体の結露防止手段を提供する。
【解決手段】水冷式冷却装置４０をリザーブタンク３１，ポンプ３２，熱交換器３３，三方弁４１，盤内温度計４２，盤内湿度計４３，冷却水温度計４４，制御回路４５で形成し、半導体変換装置盤２０の内部の温度，湿度を盤内温度計４２と盤内湿度計４３とで計測し、これらの計測値と湿り空気線図とから露点温度を演算し、この露点温度と冷却水温度計４４の計測値に基づく制御回路４５から操作信号により、三方弁４１による半導体変換装置盤２０内の被冷却体としての半導体スタックからの冷却水のリザーブタンク３１へのバイパス量を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、純水などの冷却水を電子機器等の被冷却体に循環供給して冷却を行うようにした水冷式冷却装置に関し、特に前記被冷却体の結露を防止する機能を備えた水冷式冷却装置に関する。

図３（ａ，ｂ）はこの種の被冷却体として、３レベルコンバータまたは３レベルインバータの１相分を構成する半導体スタックの組立構造を示し、１は加圧接触型の平形パワー半導体素子（以下、単に半導体素子とも称し、１ａはＩＧＢＴ素子，１ｂはクランプダイオード素子である）、２は半導体素子１を挟んでその両側に積み重ねた水冷式の冷却体、３は金属スペーサ、４は絶縁座、５はサラバネ、６は調芯用の鋼球、７はスタックの押さえ板、８は締付ボルトであり、これらの部品の組立体で半導体スタックを構成している。また、図３（ｂ）に示すように、冷却体２の内部にはＵ字状の流水通路１０が形成されており、この流水通路１０の開口端に絶縁性を有するホース９を接続して非導電性の冷却水を流し、通電に伴う半導体素子１の発熱を系外に除熱するようにしており、このホース９は図３（ａ）の矢印に示すように半導体スタックを介挿した各冷却体２の間を直列に連ねて配管し、図示されていない熱交換器などを経由して循環送水するようにしている。

図４は、図３に示した半導体スタックなどを収納した半導体変換装置盤２０とこの半導体スタックを冷却する従来の水冷式冷却装置３０とを示す構成図であり、この水冷式冷却装置３０において、３１は純水，清水などの冷却水（以下、一次冷却水とも称する）を貯留するリザーブタンク、３２は一次冷却水を前記半導体スタックに供給するポンプ、３３は通電に伴って発熱している前記半導体スタックを冷却して加熱された一次冷却水と外部から供給されるマイナス温度状態のときもある海水，工業用水，水道水などの二次冷却水との間で熱交換を行う熱交換器、３４は例えば下記特許文献１に開示されている方法を用いて前記半導体スタックの結露を防止するために、リザーブタンク３１内の一次冷却水を必要に応じて加熱するウォータヒーターである。
特公平６−１２２０９号公報

図３，図４に示した従来の水冷式冷却装置３０において、前記一次冷却水の温度と半導体変換装置盤２０内の雰囲気温度，湿度との関係によっては、周知の如く、冷却体２とホース９の表面から結露が始まり、やがて、半導体素子１や絶縁座４の表面も結露し、その結果、見かけ上の電気絶縁距離が縮まって絶縁耐力が低くなり最悪の場合には短絡事故に至る恐れがあることから、この結露を防止するために、リザーブタンク３１内の一次冷却水を必要に応じて加熱するウォータヒーター３４を備えている。

しかしながら、前記一次冷却水を加熱するためのウォータヒーター３４は大形であり、比較的大きな加熱電力を必要とし、従って、この水冷式冷却装置３０の価格および運転コストの上昇を招くという問題点があった。

この発明の目的は、上記問題点を解決する水冷式冷却装置を提供することにある。

この第１の発明はリザーブタンクに貯留した冷却水をポンプにより被冷却体に供給し、この被冷却体を冷却して加熱された冷却水を熱交換器により冷却してリザーブタンクに還流させる水冷式冷却装置において、
前記被冷却体の結露を防止するために、この被冷却体から熱交換器への経路の冷却水をリザーブタンクへバイパスさせる冷却水温度調整手段を挿設したことを特徴とする。

また第２の発明は前記第１の発明の水冷式冷却装置において、
前記冷却水温度調整手段には冷却水をリザーブタンクへバイパスさせる三方弁と、冷却水の温度を検出する第１の温度計と、被冷却体近傍の温度を検出する第２の温度計と、この近傍の湿度を検出する湿度計と、前記それぞれの計測値に基づいて前記三方弁を操作する制御回路とを備えたことを特徴とする。

さらに第３の発明は前記第２の発明の水冷式冷却装置において、
前記制御回路は、前記第２の温度計および湿度計それぞれの計測値と湿り空気線図とに基づき導出される露点温度と、前記第１の温度計により計測された冷却水温度との間に、前記露点温度＜冷却水温度の関係があるときにはこの冷却水全量を前記三方弁により熱交換器を通過させ、また、前記露点温度≧冷却水温度の関係があるときにはその差分値に基づいて、前記三方弁により冷却水をリザーブタンクにパイパスさせる水量を調整し、この状態中に前記冷却水温度が所定の上限温度に達したときには、この時点より冷却水全量を前記三方弁により熱交換器を通過させるように制御することを特徴とする。

この発明によれば、被冷却体を冷却することで加熱された一次冷却水を熱交換器にて二次冷却水により冷却するときに、この二次冷却水としてマイナス温度状態のときもある海水を用いる場合に好適な前記被冷却体の結露防止手段を提供することができる。

図１はこの発明の水冷式冷却装置の実施例を示す構成図であり、この図において、図４に示した水冷式冷却装置３０と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図１に示した水冷式冷却装置４０にはリザーブタンク３１，ポンプ３２，熱交換器３３の他に、図示の半導体変換装置盤２０と熱交換器３３との間の位置に挿設された三方弁４１と、被冷却体として図３に示した半導体スタックなどを収納した半導体変換装置盤２０内部の温度を検出する前記第２の温度計としての盤内温度計４２と、前記内部の湿度を検出する湿度計としての盤内湿度計４３と、前記一次冷却水の温度を検出する前記第１の温度計としての冷却水温度計４４と、盤内温度計４２，盤内湿度計４３，冷却水温度計４４それぞれの計測値に基づいて三方弁４１への操作信号を送出する制御回路４５とを備えている。すなわち、この水冷式冷却装置４０では、従来の水冷式冷却装置３０における前記被冷却体の結露を防止するためのウォータヒーター３４が省略されている。

また、図２に示した特性図は湿り空気線図と称され、その横軸は空気温度（°Ｃ）を示し、縦軸はこの空気中に含まれる水蒸気の重さ（ｇ）を示し、図中のそれぞれの特性曲線はそれぞれの空気温度（°Ｃ）における湿度（％）一定値を結んだ線を示している。

以下に、図１に示した水冷器冷却装置４０における制御回路４５の動作を、上述の図２に示した特性図を参照しつつ、説明する。

純水を前記一次冷却水として用いた動作例として、先ず、盤内温度計４２の計測値と、盤内湿度計４３の計測値とから図２に示した特性曲線上の位置を求め、この位置から図２に示す方向に平行移動させた湿度１００％の位置での温度を求め、この温度以下では前記被冷却体が結露することから露点温度として記憶する。

次に、冷却水温度計４４により計測された冷却水温度と前記露点温度との大小関係を求める。この際、盤内温度計４２，盤内湿度計４３，冷却水温度計４４それぞれの計測誤差を考慮して、露点温度＋余裕（１°Ｃ程度）＜冷却水温度の関係にあるときには、三方弁４１により半導体変換装置盤２０からの一次冷却水の全量を熱交換器３３へ通過させ、また、露点温度＋余裕≧冷却水温度の関係にあるときには、その差分値に基づいて、三方弁４１により前記一次冷却水をリザーブタンク３１にパイパスさせる水量を調整する。

なお、上述の露点温度＋余裕≧冷却水温度の状態中に、前記冷却水温度が所定の上限温度、例えば、図３に示した半導体スタックの半導体素子１の許容温度に達した時点より前記一次冷却水全量を三方弁４１により熱交換器３３を通過させるようにする。

すなわち、制御回路４５では上述のそれぞれの動作をサイクリックに繰り返すことで、前記被冷却体の結露を防止することができる。

また、図１に示した水冷式冷却装置４０の構成図では盤内温度計４１と盤内湿度計とにより、半導体変換装置盤２０の内部の温度，湿度を検出するようにしているが、前記半導体スタックが容器に覆われた構造などのときには、この容器内の温度と湿度とを検出し、これらの計測値により上述の制御回路４５を動作させた方が、前記被冷却体の結露を防止することに対してより好適である。

この発明の実施例を示す水冷式冷却装置の構成図図１の動作を説明する特性図半導体スタックの構成図従来例を示す水冷式冷却装置の構成図

符号の説明

１…半導体素子、２…冷却体、３…金属スペーサ、４…絶縁座、５…サラバネ、６…鋼球、７…押さえ板、８…締付ボルト、９…ホース、１０…流水通路、２０…半導体変換装置盤、３０…水冷式冷却装置、３１…リザーブタンク、３２…ポンプ、３３…熱交換器、３４…ウォータヒーター、４０…水冷式冷却装置、４１…三方弁、４２…盤内温度計、４３…盤内湿度計、４４…冷却水温度計、４５…制御回路。

Claims

リザーブタンクに貯留した冷却水をポンプにより被冷却体に供給し、この被冷却体を冷却して加熱された冷却水を熱交換器により冷却してリザーブタンクに還流させる水冷式冷却装置において、
前記被冷却体の結露を防止するために、この被冷却体から熱交換器への経路の冷却水をリザーブタンクへバイパスさせる冷却水温度調整手段を挿設したことを特徴とする水冷式冷却装置。
請求項１に記載の水冷式冷却装置において、
前記冷却水温度調整手段には冷却水をリザーブタンクへバイパスさせる三方弁と、冷却水の温度を検出する第１の温度計と、被冷却体近傍の温度を検出する第２の温度計と、この近傍の湿度を検出する湿度計と、前記それぞれの計測値に基づいて前記三方弁を操作する制御回路とを備えたことを特徴とする水冷式冷却装置。
請求項２に記載の水冷式冷却装置において、
前記制御回路は、
前記第２の温度計および湿度計それぞれの計測値と湿り空気線図とに基づき導出される露点温度と、前記第１の温度計により計測された冷却水温度との間に、
前記露点温度＜冷却水温度の関係があるときにはこの冷却水全量を前記三方弁により熱交換器を通過させ、
また、前記露点温度≧冷却水温度の関係があるときにはその差分値に基づいて、前記三方弁により冷却水をリザーブタンクにパイパスさせる水量を調整し、この状態中に前記冷却水温度が所定の上限温度に達したときには、この時点より冷却水全量を前記三方弁により熱交換器を通過させるように制御することを特徴とする水冷式冷却装置。