JP2008130791A

JP2008130791A - 電力変換装置の冷却システム

Info

Publication number: JP2008130791A
Application number: JP2006313911A
Authority: JP
Inventors: Naoto Yoshinori; 直人義則
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する構成にしたときにこの電力変換装置の冷却システムを適正に動作させる。
【解決手段】ポンプ駆動回路３３では、温度検出器３１の検出値と温度検出器３２の検出値との差を求め、この差と予め設定された温度上昇設定値との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果はポンプ２１を駆動する電動機への回転数指令値とすることにより、前記半導体素子からの発熱量が少ない電力変換装置１の低出力電力時には、ポンプ２１の消費電力を含めた全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する電力変換装置の冷却システムに関する。

図４は、この種の電力変換装置の冷却システムの従来例を示す概念構成図である。

この構成図において、電力変換装置１は、例えば、ダイオードをブリッジ接続してなる順変換回路，該順変換回路が出力する整流電圧を平滑するコンデンサ，トランジスタとダイオードの逆並列回路をブリッジ接続してなる逆変換回路などから形成されるいわゆるインバータ主回路としての電力変換回路１１と、この電力変換回路１１が出力して負荷２に供給する交流電力を所望の値に制御する制御回路１２と、電力変換回路１１を形成する上述の半導体素子を搭載した冷却体１３とから構成されており、また、この電力変換装置１の冷却システムは、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した冷却体１３の内部をポンプ２１によって、例えば純水などの冷媒を、図示の冷媒の流れ２２，２３の方向に循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器２４で放熱する閉ループ系を構成している。
特開平８−３４００６７号公報

図４に示した従来の電力変換装置１の冷却システムでは、電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量が最大の条件で、冷却体１３を介した前記半導体素子が十分に冷却できるように、ポンプ２１を駆動する電動機の回転数を設定し、この回転数での前記電動機への駆動電力をポンプ駆動回路２５から供給するようにしている。

しかしながら、上述の電力変換装置１の冷却システムにおいては、該装置の最大出力電力時に電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量も最大となるが、前記装置の低出力電力時には前記半導体素子からの発熱量も少なくなり、この低出力電力時では冷却体１３を介した前記半導体素子の冷却も過剰になるとともに、ポンプ２１の消費電力を含めた全体のエネルギー効率を阻害する要因になっていた。

この発明の目的は、上記問題点を解消する電力変換装置の冷却システムを提供することにある。

この第１の発明は電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記冷却体に流入する前記冷媒の温度とこの冷却体から流出する前記冷媒の温度との差を求め、この差に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする。

また第２の発明は前記電力変換装置の冷却システムにおいて、前記冷却体に流入する前記冷媒の温度と該冷却体の温度との差を求め、この差に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする。

さらに第３の発明は前記電力変換装置の冷却システムにおいて、前記半導体素子からの発熱量に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする。

この発明によれば、前記電力変換回路を形成する半導体素子からの発熱量に基づいて、該半導体素子の冷却を適正にするために前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することにより、前記ポンプの消費電力を含めた全体のエネルギー効率も向上させることができる。

例えば、無停電電源装置を前記電力変換装置とした場合に、商用電源などの入力交流電源が停電時にバッテリからの給電によりその運転を継続するときに、好適な無停電電源装置の冷却システムを提供することができる。

図１は、この発明の第１の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図であり、この図において、図４に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。

すなわち図１に示した構成が図４に示した構成と異なる点は、図４のポンプ駆動回路２５に代えて、冷却体１３に流入する例えば純水などの冷媒の温度を検出する温度検出器３１と、冷却体１３から流出する前記冷媒の温度を検出する温度検出器３２と、ポンプ駆動回路３３とを備えていることである。

図１に示した電力変換装置１の冷却システムの構成では、前記冷媒の温度上昇値ΔＴｗには、ΔＴｗ＝［前記半導体素子からの発熱量］／［（単位時間当たりの冷媒量）×（前記冷媒の比熱容量）］の関係があることから、前記ΔＴｗを所望の値に制御するためには、前記冷媒が冷却体１３の内部を循環する単位時間当たりの冷媒量すなわちポンプ２１の吐出量を調整すればよく、従って、ポンプ２１を駆動する電動機（図示せず）の回転数をポンプ駆動回路３３により調整すればよいことに着目してなされたものである。

このポンプ駆動回路３３では、温度検出器３１の検出値と温度検出器３２の検出値との差を演算して前記ΔＴｗを求め、このΔＴｗと予め設定された温度上昇設定値との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果を前記電動機への回転数指令値としている。すなわち、前記電動機の回転数は閉ループで制御するようにしている。

このとき前記温度上昇設定値は、電力変換装置１の最大出力電力時での電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量に基づいて設定していることから、前記半導体素子からの発熱量が少ない電力変換装置１の低出力電力時にはポンプ２１を駆動する電動機の回転数をより低くできるので、該電動機への駆動電力もより少なくて済み、従って、ポンプ２１の消費電力を含めた全体のエネルギー効率を向上させることができる。

図２は、この発明の第２の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図であり、この図において、図１に示した実施例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。

すなわち図２に示した構成が図１に示した構成と異なる点は、図１の温度検出器３２に代えて、冷却体１３の温度を検出する温度検出器３４を備え、また、ポンプ駆動回路３３をポンプ駆動回路３３ａにしていることである。

図２に示した電力変換装置１の冷却システムの構成では、冷却体１３の温度上昇値ΔＴｆには、ΔＴｆ＝［前記半導体素子からの発熱量］／［（前記冷媒の流路断面積）×（前記冷媒の熱伝達率）］＋［（前記発熱量×冷却体の伝熱距離）］／［（冷却体の伝熱面積）×（冷却体の熱伝導率）］の関係があり、通常は上式の右辺第２項の影響は小さく、また、前記冷媒の熱伝達率は該冷媒の流速の関数で表されることから、前記ΔＴｆを所望の値に制御するためには、前記冷媒が冷却体１３の内部を循環する単位時間当たりの冷媒量すなわちポンプ２１の吐出量を調整すればよく、従って、ポンプ２１を駆動する電動機の回転数をポンプ駆動回路３３ａにより調整すればよいことに着目してなされたものである。

このポンプ駆動回路３３ａでは、温度検出器３１の検出値と温度検出器３４の検出値との差すなわち前記ΔＴｆを求め、このΔＴｆと予め設定された温度上昇設定値との偏差を零にする調節演算を行い、この演算結果を前記電動機への回転数指令値としている。すなわち、前記電動機の回転数は閉ループで制御するようにしている。

このとき前記温度上昇設定値は、電力変換装置１の最大出力電力時での電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量に基づいて設定していることから、前記半導体素子からの発熱量が少ない電力変換装置１の低出力電力時にはポンプ２１を駆動する電動機の回転数をより低くできるので、該電動機への駆動電力の供給もより少なくて済み、従って、ポンプ２１の消費電力を含めた全体のエネルギー効率を向上させることができる。

図３は、この発明の第３の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図であり、この図において、図４に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付して、ここではその説明を省略する。

すなわち図３に示した構成が図４に示した構成と異なる点は、図４のポンプ駆動回路３３に代えて、ポンプ駆動回路４１を備えていることである。

図３に示した電力変換装置１の冷却システムの構成では、この種の電力変換装置１の電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量は電力変換回路１１から負荷２への出力電流にほぼ比例することから、この出力電流に基づいて前記発熱量を演算により求め、この演算に求めた発熱量の値により前記ΔＴｗまたはΔＴｆを所望の値に保つためには上述のようにポンプ２１の吐出量を調整すればよく、従って、ポンプ２１を駆動する電動機の回転数をポンプ駆動回路３３ａにより調整すればよいことに着目してなされたものである。

このポンプ駆動回路４１では、電力変換回路１１を形成する前記半導体素子からの発熱量の予め測定した実測値のテーブルなどにより、制御回路１２からの出力電流情報に対応した前記半導体素子の発熱量を演算により求め、この演算により求めた発熱量に基づいて回転数指令値を前記電動機へ与えている。すなわち、前記電動機の回転数は開ループで制御するようにしている。

従って、図３に示した電力変換装置１の冷却システムでは、前記半導体素子からの発熱量が少ない電力変換装置１の低出力電力時にはポンプ２１を駆動する電動機の回転数をより低くできるので該電動機への駆動電力もより少なくて済み、その結果、ポンプ２１の消費電力を含めた全体のエネルギー効率を向上させることができ、さらに、温度検出器を必要としないので、低コストで構築することができる。

この発明の第１の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図この発明の第２の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図この発明の第３の実施例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図従来例を示す電力変換装置の冷却システムの概念構成図

符号の説明

１‥電力変換装置、２‥負荷、１１‥電力変換回路、１２‥制御回路、１３‥冷却体、２１‥ポンプ、２２，２３‥冷媒の流れ、２４‥放熱器、２５‥ポンプ駆動回路、３１，３２‥温度検出器、３３，３３ａ‥ポンプ駆動回路、３４‥温度検出器、４１‥ポンプ駆動回路。

Claims

電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記冷却体に流入する前記冷媒の温度とこの冷却体から流出する前記冷媒の温度との差を求め、この差に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする電力変換装置の冷却システム。
電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記冷却体に流入する前記冷媒の温度と該冷却体の温度との差を求め、この差に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする電力変換装置の冷却システム。
電力変換回路と、この電力変換回路からの出力電力を所望の値に制御する制御回路と、前記電力変換回路を形成する半導体素子を搭載した冷却体とから構成される電力変換装置に対し、前記半導体素子からの発熱により温度上昇した前記冷却体をポンプによって冷媒を循環させて冷却し、このときに前記冷媒が吸収した熱を放熱器で放熱する電力変換装置の冷却システムにおいて、
前記半導体素子からの発熱量に応じて前記ポンプを駆動する電動機の回転数を制御することを特徴とする電力変換装置の冷却システム。