JP2008312413A - 液冷電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的に冷却する部品が温度差で劣化することなく、しかも必要に応じて適宜冷却することができ、ケース全体も効率的に冷却し得る液冷電力変換装置を提供する。
【解決手段】電気回路１１と、該電気回路１１を収容すると共に発熱を外部から供給される冷却水によって冷却するための水路を有するケース１２と、を備えた液冷電力変換装置１０において、ケース１２は、水路の途中に冷却水を貯水するための貯水部１５を有しており、電気回路１１の所望の部品１８を局所的に冷却すべく、貯水部１５に貯水されている冷却水を２次冷却水として供給するための局所冷却水路と、局所的に冷却する部品１８の温度を検出する温度センサ１９と、温度センサ１９から検出した温度が所定の閾値を超えると駆動を指示する制御部２０と、制御部２０から指示を受けると、２次冷却水の供給を開始するポンプ２１と、を備える構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液冷電力変換装置に関し、特に電力変換するために複数の部品から構成された電気回路と、該電気回路を収容すると共に該電気回路の発熱を水冷却するための水路を有するケースとを備えた液冷電力変換装置に関するものである。

液冷電力変換装置が特許文献１に電子機器用筐体として開示されている。
特許文献１によれば、複数の部品からなる電気回路を収容するケースの底に水路を設けており、該水路に供給される冷却水によって電気回路の動作によって生じる熱を冷却する。

このように冷却液を用いた液冷の技術として、統合冷却システムが特許文献２に開示されている。特許文献２によれば、水路に接続されたポンプによって予め保持する冷却水を強制循環することを開示しており、これを特許文献１の液冷電力変換装置に適用することも考えられる。

すなわち、特許文献１に開示されている電気回路を収容するケースに、特許文献２に開示されているポンプを用いて、貯水している冷却水を強制循環することも考えられる。
特開２００６−２３７５３７ 特開平６−３４２９９０号

しかしながらこのような液冷電力変換装置は、発熱する部品の冷却に用いた冷却水を再利用し続けることとなることから、次第に冷却効率が悪化することが危惧される。

また、特許文献１に開示されている液冷電力変換装置では、ケース全体を一様に冷却することから、電気回路において特に発熱量の大きい部品を局所的に冷却することができない。

これを回避すべく、部品を局所的に冷却するための水路を別に設け、該水路に外部から冷却水を供給することも考えられるが、外部から供給する冷却水の水温と、ケース全体を冷却する冷却水の水温とに極端な温度差が生じる恐れがあり、このような場合、局所的に冷却する部品が温度差によって劣化してしまう恐れがある。

また、温度差による部品の劣化を招くことのない様に、ケース全体を冷却するための冷却水の循環機能と、部品の局所冷却のための冷却水の循環機能とを共用することも考えられるが、このような構成では、ケース全体の冷却が必要であるが局所的に部品を冷却する必要が無い場合であっても、これら２系統の水路に冷却水を循環する必要があり、この無駄が問題となっていた。

従って、本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、局所的に冷却する部品が温度差で劣化することなく、しかも必要に応じて適宜冷却することができ、ケース全体も効率的に冷却し得る液冷電力変換装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、電力変換するために複数の部品から構成された電気回路と、該電気回路を収容すると共に該電気回路の発熱を外部から供給される冷却水によって冷却するための水路を有するケースと、を備えた液冷電力変換装置において、ケースは、水路の途中に冷却水を貯水するための貯水部を有しており、電気回路の所望の部品を局所的に冷却すべく、貯水部に貯水されている冷却水を２次冷却水として供給するための局所冷却水路と、局所的に冷却する部品の温度を検出する温度センサと、温度センサから検出した温度が所定の閾値を超えると駆動を指示する制御部と、制御部から指示を受けると、２次冷却水の供給を開始するポンプと、を備えることを特徴とする。

局所冷却水路の排水口は、水路の入水口より前記水路の排水口に近い場所に設けられていることを特徴とする。

局所冷却部品は載置台に載置されており、該載置台に前記局所冷却水路が配設されていることを特徴とする。

載置台は、貯水部上に該貯水部と一体的に形成されており、局所冷却水路の排水口は、載置台下の貯水部へ接続されていることを特徴とする。

本発明の液冷電力変換装置は、ケースに貯水部を有し、該貯水部に貯水されている冷却水を電気回路の所望の部品を局所的に冷却するための２次冷却水として局所冷却水路に供給する。このとき、制御部により温度センサによって検出した部品の温度が所定の閾値を超えると２次冷却水を局所冷却水路に供給するためのポンプ駆動が開始する。これにより、局所冷却が必要なとき、ポンプ駆動して部品を局所的に冷却することができる。

しかも本発明の液冷電力変換装置は、局所冷却に用いる２次冷却水をケース全体を冷却するために外部供給された冷却水を一旦貯水し、これを利用していることにより、冷却水と２次冷却水との温度差が少なく、温度差によって生じる部品の劣化を防止することができる。

更に本発明の液冷電力変換装置によれば、ケース全体を冷却するための冷却水を外部供給しており、ケース内において閉塞的に循環させないことから、冷却効率が次第に悪化することを防止することができ、ケース全体を効率的に冷却することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の説明では、実施の形態に用いる図面について同一の構成要素は同一の符号を付し、かつ重複する説明は可能な限り省略する。

本発明の液冷電力変換装置１０は、図１に示すように電力変換するための電気回路１１と、該電気回路１１を収容すると共に該電気回路の発熱を外部から供給される冷却水によって冷却するための水路を有するケース１２とを備える。

電気回路１１は、トランスやインダクタと、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴおよびダイオードなどの半導体素子と、コンデンサなどの複数の電子部品から構成されており、従来から知られた電力変換を行なうための回路である。構成する部品は、通電によって発熱を伴うものがあり、その一部は発熱が高い。尚、各部品は電気的に接続されているが、図１においては接続関係が省略されている。

ケース１２は、前記した電気回路１１を収容するために凹所を有している。その凹所内には、電気回路１１が内設され、蓋によって閉蓋されている。尚、この蓋は無くてもよい。

ケース１２は、凹所の裏面側にウォータージャケット１３を有している。ウォータージャケット１３によって、冷却水のための水路が形成されており、冷却水の入水口１４と、冷却水を貯水する貯水部１５と、貯水した冷却水を排水する排水口１６とを有している。

入水口１４から供給された冷却水は貯水部１５に貯水されており、電気回路を構成する部品の発熱によってケース内の温度が上昇するが、ケース１２裏面側の貯水部１５に貯水された冷却水によって、熱交換が図られケース内の放熱が図られている。熱交換が図られた冷却水は、順次供給される冷却水によって貯水部１５から追い出されるように、排水口１６から排水される。尚、排水された冷却水は循環利用されており、必要に応じて冷却されている。

ところでケース１２の凹所の底面には、電気回路１１を構成する発熱が高い発熱部品１８を載置する載置台１７を有している。

載置台１７に載置される発熱部品１８には、温度を計測するための温度センサ１９が隣接されて設けられている。温度センサ１９は、発熱部品１８から発熱される温度を直接的に又は間接的に計測する。

温度センサ１９による計測結果は、制御部２０へ送られる。制御部２０は、測定結果に基づいて後述するポンプの制御を行なう。
制御部２０は、基板に形成した電気回路によって実現されており、その制御内容は後述詳細に説明を行なう。

ところで、載置台１７を用いて水路が配設されており、この水路は前記したウォータジャケット１３による水路と冷却目的が異る。然るに載置台１７を用いた水路と前記したウォータジャケットによる水路との混同を防止すべく、以降の説明において載置台１７を用いて水路を２次冷却水路（局所冷却水路）と称して説明を行なう。

２次冷却水路には、貯水部１５に貯水された冷却水を２次冷却水として取水するためのポンプ２１が設けられている。

２次冷却水路は、貯水部１５と並行に配設されている。２次冷却水路の入水口２２は、貯水部１５に接続されており、より詳細には入水口１４に近い付近に接続されている。また、２次冷却水路の排水口２３も、貯水部１５に接続されており、より詳細には排水口１６に近い付近に接続されている。

ポンプ２１によって取水された２次冷却水は、載置台１７に設けた中空状の２次冷却貯水部２４へ送られる。

２次冷却貯水部２４に貯水された２次冷却水は、載置台１７に載置された発熱部品１８の局所的な冷却に利用され、その後、排水口２３から貯水部１５へ排出される。

ここで、制御部２０の制御内容を詳細に説明する。
制御部２０では、図２に示すように、温度センサ１９から発熱部品１８の温度を取得すると、所定の閾値と比較を行い、温度が閾値以上であるとき、発熱部品１８の局所的な冷却が必要であると判断し、ポンプ２１に対し駆動を指示する。

ところで、ポンプ２１によって取水される２次冷却水は貯水部１５に貯水されている冷却水であり、当該冷却水は別途設けられている冷却系統によって循環供給されており、必要に応じて循環経路中で当該冷却水の放熱が図られている（図２参照）。

指示を受けたポンプは、駆動を開始し、貯水部１５に貯水されている冷却水を２次冷却水として２次冷却水路へ供給すべく、取水を行なう。

取水された２次冷却水は載置台１７に設けた２次冷却貯水部２４に貯水される。貯水された２次冷却水によって、熱交換が図られ発熱部品１８の放熱が図られる。熱交換が図られた冷却水は、順次供給される２次冷却水によって２次冷却貯水部２４から追い出されるように、排水口２３から排水される。尚、排水口２３から排水された２次冷却水の一部は、貯水部１５において対流し、２次冷却水として循環利用されている。

ところで、２次冷却水は、貯水部１５に貯水された冷却水が用いられている。この冷却水は、先に述べたようにケースの放熱に用いられている為、放熱による熱交換によって入水口１４から入水された水温より、水温が上昇している。この上昇した水温が発熱部品１８に急峻な温度差を与えることなく、該発熱部品１８を局所的に冷却することができる。

すなわち、発熱部品１８は、急激な温度差による熱ストレスを受けることがない。これにより、本発明によれば、発熱部品１８破壊や劣化を招くことなく発熱部品１８を局所的に冷却できるとともに、ケース１２の熱を放熱することもできる。

ここで、発明者が行なった本発明の液冷電力変換装置の検証結果を説明する。
この検証では、従来の液冷電力変換装置と本発明の電力変換装置との放熱性を比較しており、例えば図４に示す検証モデルを用いて行なわれている。

本発明の構造の検証モデルでは、図４に示すようにケース１２内に、電気回路を収容しており、該電気回路を構成するＩＧＢＴ、トランスおよびチョークコイルなどの発熱部品が実装されている。これらの部品は、３．０Ｗ／ｍＫで示される高熱伝導率のモールド樹脂によって被覆される。尚、図４においては、モールド樹脂およびケースの外周（ケースの側壁）が図示省略されている。

また、図４には主たる発熱部品としてＩＧＢＴ、トランスおよびチョークコイルと、２次冷却水を供給するためのポンプ２１とが模式的に示されている。このＩＧＢＴは、載置台１７に配置された状態で図示されており、該載置台１７の内部には２次冷却水路が配設され、図４の断面図に示すようにケース１２底の内部に設けた貯水部１５に接続されている。
また、発明構造の検証モデルにおいては、図４に示すように温度センサ１９や制御部２０などの構成が便宜的に省略されている。

ところで、前記した本発明の構造の検証モデルに対し、比較対象となる従来構造の検証モデルでは、ポンプ２１や２次冷却水路などの構成が適宜省略されている。

次に、従来構造の検証モデルの放熱効果と、発明構造の検証モデルの放熱効果との差異を説明する。

ケース１２の底に設けられた水路には冷却水が、１６Ｌ／ｍｉｎの流量で供給されており、その水温は４８℃である。

また、２次冷却水路には、貯水部１５に貯水された冷却水が２次冷却水として８Ｌ／ｍｉｎ（検証例１）の流量で供給されており、その水温は７０℃である。この７０℃の水温は、貯水部１５へ供給された当初４８℃の水温がケース内の発熱を熱交換することで上昇したものである。すなわち貯水部１５には、２次冷却水路へ供給する際の冷却水が７０℃となる状態で貯水されている。

尚、本検証では２次冷却水の８Ｌ／ｍｉｎ（検証例１）の流量に代えて、４Ｌ／ｍｉｎ（検証例２）の流量で２次冷却水を供給した場合における検証も行っている。

以上のような条件で求めた放熱効果が、図５のサーモグラフィおよび図６の表に纏められている。

図５に示すサーモグラフィでは、局所的に高温となるＩＧＢＴの放熱が図られていると共に、トランスやチョークコイルなどの部品の放熱も図られており、ケース内の熱が全体的に放熱されていることも明らかになっている。

更に図６に示す表では、２次冷却水によって局所的に冷却されるＩＧＢＴの最高温度は、検証例１において１１０．８℃から１０４．９℃へ低減し、検証例２において１０５．７℃へ低減することが確認されている。またトランスの最高温度は、検証例１において１１３．７℃から１０５．７℃へ低減し、検証例２において１０６．４℃へ低下することが確認されている。このように、本発明の液冷電力変換装置１０によれば、従来の２次冷却水路を有していない液冷電力変換装置と比較して、効率の良い放熱効果を得ることができる。

更に、本発明の液冷電力変換装置１０によれば、例えば１１０．８℃のＩＧＢＴが４８℃の冷却水でもって急峻に冷却されることなく、当該冷却水の水温が上昇した７０℃の水温でもってＩＧＢＴを冷却する。これにより、本発明の液冷電力変換装置によれば、局所冷却する発熱部品が急激な温度変化で破壊又は劣化することを防止することができる。

前記した実施例では、載置台１７を用いて２次冷却水路を形成した液冷電力変換装置１０を説明したが、実施例２では載置台１７を用いることなく２次冷却水路が形成された液冷電力変換装置を説明する。

実施例２の液冷電極変換装置３０は、図３に示すように、載置台を用いることなく、発熱部品としてのコンデンサ２５を冷却するための２次冷却水路を備えている。

実施例２では、実施例１で設けられていた載置台は取除かれており、その場所に部品が配置されている。配置される部品の下には貯水部１５が位置している。これにより、部品からの発熱を貯水部１５に供給される冷却水によって効率的に放熱することができる。

ところで、コンデンサ２５の周囲には冷却ケース２６が設けられており、該冷却ケース２６に２次冷却水路の一部が配設されている。
冷却ケース２６とコンデンサ２５との間には、温度センサ１９が設けられており、該温度センサ１９によって発熱部品１８からの発熱が計測される。

温度センサ１９による計測結果は、前記した実施例１と同様に制御部２０へ送られ、該制御部２０は計測した温度が閾値以上であるとき、ポンプ２１に駆動を指示する。

従って、実施例２の液冷電力変換装置３０によれば、コンデンサ２５の温度が閾値以上に上昇すると、貯水部１５に貯水されている冷却水を２次冷却水として、コンデンサ２５周囲の冷却ケース２６に配設した２次冷却水路に供給することから、前記した実施例１と同様に供貯水部１５に供給される冷却水の水温がケースからの熱を放熱する際の熱交換によって上昇し、水温が上がった冷却水を２次冷却水としてコンデンサ２５の局所冷却に用いることができる。これにより、実施例２の液冷電力変換装置３０によれば、局所冷却されるコンデンサ２５が急峻な温度変化を受けることがなく、コンデンサ２５が破壊したり劣化したりすることを防止することができる。

前記した実施例では、２次冷却水路の排水口が水路の排水口１６付近に隣接する例で説明を行なったが、例えば図７に示すように、載置台に設けた２次冷却貯水部２４と、該２次冷却貯水部２４下の貯水部１５に、２次冷却水路の排水口を設けるようにしてもよい。また２次冷却水路の取り回しは、例示した以外にも本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、適宜変更してもよい。

実施例１の液冷電力変換装置の構造を示す断面図である。 制御部の制御内容を示す図である。 実施例２の液冷電力変換装置の構造を示す断面図である。 本発明の効果を示すサーモグラフィ図である。 本発明の効果を示す表である。 本発明の液冷電力変換装置の検証内容（検証条件）を示す図である。 ２次冷却水路の排水口の位置を変更した液冷電力変換装置の断面図である。

符号の説明

１０、３０ 液冷電力変換装置
１１ 電気回路
１２ ケース
１３ ウォータージャケット
１４、２２ 入水口
１５ 貯水部
１６、２３ 排水口
１７ 載置台
１８ 発熱部品
１９ 温度センサ
２０ 制御部
２１ ポンプ
２４ ２次冷却貯水部
２５ コンデンサ
２６ 冷却ケース

Claims (4)

1. 電力変換するために複数の部品から構成された電気回路と、該電気回路を収容すると共に該電気回路の発熱を外部から供給される冷却水によって冷却するための水路を有するケースと、を備えた液冷電力変換装置において、
   前記ケースは、前記水路の途中に前記冷却水を貯水するための貯水部を有しており、
   前記電気回路の所望の部品を局所的に冷却すべく、前記貯水部に貯水されている前記冷却水を２次冷却水として供給するための局所冷却水路と、
   局所的に冷却する部品の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサから検出した温度が所定の閾値を超えると駆動を指示する制御部と、
   前記制御部から指示を受けると、前記２次冷却水の供給を開始するポンプと、を備えることを特徴とする液冷電力変換装置。
2. 前記局所冷却水路の排水口は、前記水路の入水口より前記水路の排水口に近い場所に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液冷電力変換装置。
3. 前記局所冷却部品は載置台に載置されており、該載置台に前記局所冷却水路が配設されていることを特徴とする請求項１および請求項２記載の液冷電力変換装置。
4. 前記載置台は、前記貯水部上に該貯水部と一体的に形成されており、
   前記局所冷却水路の排水口は、前記載置台下の前記貯水部へ接続されていることを特徴とする請求項３記載の液冷電力変換装置。