JP2007221908A

JP2007221908A - 電動機制御装置

Info

Publication number: JP2007221908A
Application number: JP2006039115A
Authority: JP
Inventors: Sumiaki Nagano; 純明永野; Toshihiro Mori; 俊弘森; Eiji Yamamoto; 栄治山本; Hidenori Hara; 英則原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】冷却用ファンによって、ヒートシンクに設置されている半導体素子を冷却する電子機器において、ファン停止時の半導体素子の温度上昇をより早い段階で検出できるようにする。
【解決手段】温度センサ５をファンの風向き方向に対して、半導体素子１の側面方向に設置する。これにより、ファン４停止時の温度上昇追従性が高くなり、早い段階で電子機器を停止することができる。また、ファンの風下側に別の温度センサを設置し、２つの温度センサの温度差を検出すれば、さらに早期段階でのファン４の停止検出を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンによって冷却される電動機制御装置に関するものである。

従来の電力変換装置等の電動機制御装置に代表される発熱体の冷却装置では、サーミスタ等の温度センサをヒートシンク等の冷却装置上の、ファンの風向き方向に対して風下側のスペースに設置し、温度検出を行っている。（例えば、特許文献１参照）。

図８において、１は半導体素子等の電子部品に代表される発熱体（特許文献１の場合は、マグネトロン）、３はヒートシンク、５は温度センサ、４はヒートシンク冷却用ファンである。半導体素子１（あるいはマグネトロン）はヒートシンク３上に設置され、ヒートシンク３にファン４の冷却風を当てることにより、半導体素子１（あるいはマグネトロン）を冷却している。温度センサ５はファン４の風下側に設置され、半導体素子１（あるいはマグネトロン）の発熱による温度上昇を検出している。

また、図９に示す従来技術においては、半導体素子１、２を取り付けているヒートシンク３の裏側に温度検出用の温度センサ５を取り付けている。（例えば、特許文献２参照）。
このように、従来の電力変換装置の温度検出方法では、温度センサによって検出された温度を監視することによって、ファンの故障停止時、あるいは半導体素子の異常発熱時の故障を検知している。
特開２００４−２６５８１９号公報（第７頁、図２）特開２０００−２９４７０５号公報（第５頁、図１）

しかしながら、図８のような、温度センサをファンの風下方向に設置した従来技術においては、電力変換装置正常運転時には、半導体素子と温度センサの温度追従性は高いものの、ファン停止時においては、半導体素子の温度上昇に対して温度センサの温度追従性が悪く、異常検出のタイミングが遅れるといった問題があった。また、異常検出のタイミングを早くするために異常検出温度を低く設定すると、温度センサ自体の検出精度誤差により、正常運転時に異常を誤検出してしまうといった問題もあった。

また、図９に示すような従来技術においては、半導体素子取付面の裏側に温度センサを取り付けるため、ファン稼働時、ファン停止時ともに温度追従性は良いものの、取付スペースを確保するためにフィン間スペースを大きくしなければならず、冷却効率が悪くなるといった問題があった。また、温度異常検出時に、その異常原因がファンの故障停止によるものであるのか、半導体素子の異常発熱によるものであるのかを判別することを判別することはできなかった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電子部品取付面の裏側に温度センサを取り付けずに、（１）誤検出することなく半導体素子の高温破壊、寿命劣化を未然に防止することができ、（２）半導体素子高温発熱異常時の原因を容易に特定し、故障原因特定、部品交換に要する時間を大幅に短縮することができる電動機制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、略長方形の電子部品と、前記電子部品を冷却するためのヒートシンクと、前記ヒートシンクに対して冷却風を送風するためのファンと、前記電子部品の温度を検出するための温度センサと、を備え、前記温度センサの検出値に基づいて前記ファンの故障を検出する電動機制御装置において、前記電子部品は、その長辺と前記ファンの送風方向が一致するように配置され、前記長辺の中央近傍に前記温度センサを設けたことを特徴としたものである。
請求項２に記載の発明は、前記温度センサが所定温度を検出したとき、前記ファンが異常であると判断することを特徴としたものである。
請求項３に記載の発明は、略長方形の電子部品と、前記電子部品を冷却するためのヒートシンクと、前記ヒートシンクに対して冷却風を送風するためのファンと、前記電子部品の温度を検出するための温度センサと、を備え、前記温度センサの検出値に基づいて前記ファンの故障を検出する電動機制御装置において、前記電子部品は、長辺と前記ファンの送風方向が一致するように配置され、前記長辺の中央近傍に第１の温度センサを設け、前記電子部品の風下側となる短辺に第２の温度センサを設けたことを特徴としたものである。
請求項４に記載の発明は、前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの温度差に基づいて、前記ファン故障停止の検知を行うことを特徴としたものである。
請求項５に記載の発明は、前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの温度差に基づいて、前記ファンの故障停止および前記電子部品の異常発熱を判別することを特徴としたものである。
請求項６に記載の発明は、前記電動機制御装置は、電力変換装置であり、前記半導体は、電力変換用半導体素子であることを特徴としたものである。

請求項１、２、３、４、６に記載の発明によると、ファン停止時には、半導体素子の温度上昇に対して温度センサの追従性が高く、また、ファン正常運転時には、温度センサ検出温度が低いため、温度センサの検出誤差範囲を広く設定することができ、且つ異常検出温度を低く設定できるため、いち早く電力変換装置を停止することができる。
請求項５、６に記載の発明によると、ファン動作時、ファン停止時に、第１、第２の温度センサの温度差が異なることを利用し、異常温度の原因がファンの故障停止によるものであるのか、半導体素子の異常発熱によるものであるのかを識別することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第一の発明形態を示す電力変換装置（電動機制御装置）の外観図、図２は第一の発明形態を示す電力変換装置（電動機制御装置）の正面図である。
図において、発熱体である半導体素子（電子部品）１はヒートシンク３上に取り付けられ、ヒートシンク３は、ファン４によって図示の風向き方向に風を当てることによって冷却されている。
ここで、半導体素子は略長方形であり、その長辺方向と風向き方向は一致している。
５はサーミスタ等の温度センサであり、ファン４の風向き方向に対して、風上側を下、風下側を上とした場合の半導体素子の左側近傍のスペース（長辺の中央近傍）に取り付けられている。

次にファン稼働時、ファン故障停止時の温度分布の違いを図を使って説明する。
図６はファン稼働時のヒートシンク３の等温線図、図７はファン停止時のヒートシンク３の等温線図を表す。図から分かるように、ファン稼働時には、半導体素子の風下側のスペースは高温になるが、半導体素子の左側のスペースは、風下側と比較すると温度上昇は比較的小さい。
一方、ファンが故障停止した場合には、ファンの風向き方向の影響がなくなるため、半導体の左側のスペースはいち早く高温となり、風上側の温度上昇と同等か、もしくは、それ以上となる（左側の方が半導体素子の中心温度により近くなる）。この場合、ファン稼働時とファン停止時の温度センサの検出温度の差が大きくなるため、温度センサの検出誤差範囲を大きく設定することができる。あるいは、温度センサの異常検出温度を低く設定できるため、いち早く電力変換装置の停止を行うことができるようになる。
また、温度センサは半導体素子の右側に取り付けてもよく、同様の効果が期待できる。

図３は第２実施例の部品配置を示す。図において、６は第１の温度センサＡ、７は第２の温度センサＢを示す。図からわかるように、温度センサＡ６はファン４の風向き方向に対して、半導体素子１（電子部品）の風下側近傍（短辺の中央近傍）に設置されており、温度センサＢ７は半導体素子１の左側近傍（短辺の中央近傍）に設置されている。

次に、ファン停止時の各部の温度上昇を、図４を使って説明する。
図４は第２実施例におけるファン停止時の各部温度上昇を示すグラフである。図において、正常運転時（ファン稼働時）は温度センサＡの方が温度センサＢより温度が高い状態で温度的に平衡状態に達している。
一方、ファンが故障停止すると温度センサＡ，温度センサＢともにその検出温度が上昇していくが、正常運転時（ファン稼働状態）と比較するとファンの風向きの影響がなく、且つ、温度センサＢは導体素子の発熱中心に近いため、温度センサＡよりも温度上昇の傾きは大きく、その結果、双方の温度差は次第に小さくなっていき、ある温度でその温度は逆転する。この現象を利用して、温度センサＡと温度センサＢの温度差を検出し、ある予め設定された値を超えたか否かを回路によって識別し、その時点で回路によって装置を停止することができる。

このように、半導体素子の上限温度から温度センサの異常温度検出値を設定しなくとも、
温度センサＡと温度センサＢの温度差を検出すれば、ファンの稼働、停止状態の有無を判別することができ、より早く電力変換装置の異常停止を行うことができ、半導体素子の高温破壊、寿命劣化を未然に防止することができる。

次に、第２実施例における半導体異常発熱時の各部の温度上昇を図５を使って説明する。図５は第２の実施例における半導体素子の異常発熱時の各部温度上昇を示すグラフである。図において、正常運転時は、温度センサＡの方が温度センサＢより温度が高い状態で温度的に平衡状態に達している。その後、回路側の故障または半導体素子自体の故障により半導体素子が異常発熱したとき、図４の場合とは異なり、温度センサＡと温度センサＢは温度差を保ったまま高温状態に移行する。
この現象を利用し、温度センサＡと温度センサＢの温度差を検出し、その値が予め試験等で決定されたある値以下、あるいは、以上であるかを回路上で識別することによって、温度異常検出時に、その異常原因がファンの故障停止によるものであるのか、半導体素子の異常発熱によるものであるのかを判別することができる。

このように、半導体素子高温発熱異常時の原因を容易に特定できるため、故障原因特定、部品交換に要する時間を大幅に短縮することができる。

本発明の第１実施例を示す電力変換装置の外観図本発明の第１実施例を示す電力変換装置の正面図第２実施例を示す電力変換装置の正面図第２実施例におけるファン停止時の各部温度上昇を示すグラフ第２実施例における半導体素子異常発熱時の各部温度上昇を示すグラフ第１実施例におけるファン稼働時のヒートシンク等温線図第１実施例におけるファン停止時のヒートシンク等温線図従来の電力変換装置の温度検出方法の外観図従来の電力変換装置の温度検出方法の外観図

符号の説明

１半導体素子（電子部品）
２半導体素子（電子部品）
３ヒートシンク
４ファン
５温度センサ
６温度センサＡ
７温度センサＢ

Claims

略長方形の電子部品と、前記電子部品を冷却するためのヒートシンクと、前記ヒートシンクに対して冷却風を送風するためのファンと、前記電子部品の温度を検出するための温度センサと、を備え、前記温度センサの検出値に基づいて前記ファンの故障を検出する電動機制御装置において、
前記電子部品は、その長辺と前記ファンの送風方向が一致するように配置され、
前記長辺の中央近傍に前記温度センサを設けたことを特徴とする電動機制御装置。
前記温度センサが所定温度を検出したとき、
前記ファンが異常であると判断することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
略長方形の電子部品と、前記電子部品を冷却するためのヒートシンクと、前記ヒートシンクに対して冷却風を送風するためのファンと、前記電子部品の温度を検出するための温度センサと、を備え、前記温度センサの検出値に基づいて前記ファンの故障を検出する電動機制御装置において、
前記電子部品は、長辺と前記ファンの送風方向が一致するように配置され、
前記長辺の中央近傍に第１の温度センサを設け、
前記電子部品の風下側となる短辺に第２の温度センサを設けたことを特徴とする電動機制御装置。
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの温度差に基づいて、
前記ファン故障停止の検知を行うことを特徴とする請求項３記載の電動機制御装置。
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサとの温度差に基づいて、
前記ファンの故障停止および前記電子部品の異常発熱を判別することを特徴とする請求項４記載の電動機制御装置。
前記電動機制御装置は、電力変換装置であり、
前記半導体は、電力変換用半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の電動機制御装置。