JP2013181728A - 流速制御方法及び流速制御装置 - Google Patents

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康生 藤井
Yutaka Yamada
裕 山田
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Kosuke Sato
浩介 佐藤
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Abstract

【課題】作動流体の凍結時であってもヒートパイプの均熱化を実現して発熱素子の熱暴走を防止することができ、加えてコストを低減することができる流速制御方法を提供する。
【解決手段】流速制御装置1は、冷却装置10の上流側および下流側に配置された一対のダクト3,4と、該一対のダクトを連通するように配置され、冷却装置10を覆うカバー部材5と、上流側のダクト3に冷却流体を送り込むファン6と、下流側のダクト4に取り付けられ、且つ冷却装置10の下流側で冷却流体の温度を検出する温度センサ7と、この温度センサ7からの出力に基づいて上記冷却流体の流速を制御する制御部8とを備える。ダクト4内において、放熱フィン41の幅方向略中央に相当する位置であり且つヒートパイプ30の上端の高さに相当する位置の温度を検出し、検出温度が閾値Aよりも高い場合には、ダクト内風速が第2の風速となるように、ファン6に供給する電力を増大させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換装置等の電子部品を強制空冷する際に、冷却流体の速度や流量を制御する流速制御方法及び流速制御装置に関する。
従来、種々の産業分野において、所定の入力パラメータに基づいて流体の加熱・冷却を制御する技術が提案されている。例えば、車両用暖房装置では、センサにより検出されたヒートパイプ温度が所定値を超えたときにファンを起動することで、即暖性を向上する方法が提案されている(特許文献1)。
半導体電力変換装置では、冷却装置が一定の冷却能力で連続運転されるので、上記半導体電力変換装置の負荷変動に応じて電力半導体素子の温度が上下する。この温度変動がヒートサイクルとなって、電力半導体素子の寿命低下、信頼性の低下を招いていた。そこで、電力半導体素子を冷却する冷媒の出口温度が一定になるように、冷媒流量を送液手段と流量制御手段により連続可変制御する方法が提案されている。また同時に、冷媒の入口温度が一定になるように可変送風機を温度制御装置により連続可変制御している(特許文献2)。
また、上記分野の他の方法として、冷却装置に複数のヒートパイプを設け、冷却ファンの駆動によって放熱フィン間に空気を流入させて冷却を行うとともに、外気温度またはヒートパイプ温度が予め設定された一定値以下になると上記ファンの駆動を停止させるものが提案されている(特許文献3)。
特開平3−518号公報 国際公開第00/17927号パンフレット 特開平7−190655号公報
しかしながら、上記従来技術では以下のような問題がある。
ヒートパイプ作動流体の凍結を防止するために、ヒートパイプ温度や環境温度が設定値以下になるとファンを停止させる方法では、複数あるヒートパイプの温度はそれぞれ異なるため、どのヒートパイプの温度を制御基準とするかを決定するのが難しい。また発熱素子の発熱量は常に一定では無いため、画一的に環境温度を制御基準とすることは適切でない。仮に、環境温度が−20℃であっても発熱素子の発熱量が高いときには作動流体は凍結しないが、発熱量が低くなれば凍結することとなる。低温環境下でヒートパイプの作動流体が凍結すると、熱の移動がなくなり、発熱素子が熱暴走を起こす場合がある。
また、ファンを起動して強制空冷を行う方法では、風上側は風下側に比べてヒートパイプ温度が低くなる。したがって、作動流体が凍結している場合、風上側に配置されたヒートパイプの凍結作動流体は風下側に配置されたヒートパイプに比べて融解しづらい。さらに、発熱素子を複数有する場合、各発熱素子の発熱量が異なることやその取付位置により、ヒートパイプ温度の差が生じるため、各ヒートパイプ内での凍結作動流体の融解に差が生じる。この場合、ヒートパイプと熱的に接続されている受熱ブロック上の発熱素子が熱暴走を起こすという場合がある。
本発明の目的は、作動流体の凍結時であってもヒートパイプの均熱化を実現して発熱素子の熱暴走を防止することができ、加えてコストを低減することができる流速制御方法及び流速制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る流速制御方法は、発熱素子に熱的に接続された受熱ブロックと、前記受熱ブロックに立設されたヒートパイプと、前記受熱ブロックと略平行に配置され且つ該受熱ブロックに前記ヒートパイプを介して熱的に接続されたフィンを複数有する放熱フィン群とを備え、冷却流体の流れ方向が前記受熱ブロックと略平行となるように構成された冷却装置に適用される流速制御方法であって、前記冷却装置に冷却流体を導入出して、前記冷却装置の下流側で、前記フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つ前記ヒートパイプの上端の高さに相当する位置で前記冷却流体の温度を検出し、前記検出された温度に基づいて前記冷却流体の流速を制御することを特徴とする。
好ましくは、本流速制御方法は、前記検出された温度が第1閾値より低い場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が第1の流速となるように制御し、前記検出された温度が第1閾値以上である場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が、前記第1の流速より大きい第2の流速となるように制御する。
また好ましくは、本流速制御方法は、前記検出された温度が、前記第1閾値より大きい第2閾値以上である場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が、前記第2の流速より大きい第3の流速となるように制御することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る流速制御装置は、発熱素子に熱的に接続された受熱ブロックと、前記受熱ブロックに立設されたヒートパイプと、前記受熱ブロックと略平行に配置され且つ該受熱ブロックに前記ヒートパイプを介して熱的に接続されたフィンを複数有する放熱フィン群とを備え、冷却流体の流れ方向が前記受熱ブロックと略平行となるように構成された冷却装置に適用される流速制御装置であって、前記冷却装置に冷却流体を送り込むファンと、前記フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つ前記ヒートパイプの上端の高さに相当する位置で冷却流体の温度を検出する温度センサと、前記温度センサにより検出された温度に基づいて前記冷却流体の流速を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
好ましくは、本流速制御装置は、前記冷却装置の上流側および下流側に配置された一対のダクトと、前記一対のダクトを連通するように配置され、前記冷却装置を覆うカバー部材とを更に備え、前記温度センサは、前記下流側のダクト内を流れる冷却流体の温度を検出することを特徴とする。
また、前記ヒートパイプは、略U字型のヒートパイプであるのが好ましい。
さらに、前記ヒートパイプの複数が前記受熱ブロックに立設され、前記複数のヒートパイプが前記冷却流体の流れ方向に沿って配置されるのが好ましい。
本発明によれば、冷却装置の下流側で、フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つヒートパイプの上端の高さに相当する位置で冷却流体の温度を検出し、検出された温度に基づいて冷却流体の流速を制御するので、作動流体の凍結時であっても発熱素子の熱暴走を防止することが可能となる。また、ファンに供給される電圧や周波数を制御することで冷却流体の速度を変更すれば、作動流体が凍結した場合であってもヒートパイプの均熱化を図ることができるため、ヒートパイプの内部構造を変更することや、フィン形状を変更するような設計変更の必要がなく、コストを低減することができる。
本発明の実施形態に係る流速制御方法が適用される流速制御装置の構成を概略的に示す側面図である。 図1における冷却装置の構成を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は側面図である。 図1の制御部で実行される流速制御処理の一例を示すフローチャートである。 図1の制御部で実行される流速制御処理の一例を示すフローチャートである。 図1の流速制御装置にて熱測定を行う際のレイアウトを示す側面図である。 従来の流速制御方法を実行した場合における発熱素子の温度変化を示すグラフである。 図3の流速制御処理の具体例を示すブロック図である。 図7の流速制御処理を実行した場合における発熱素子の温度変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る流速制御方法が適用される流速制御装置の構成を概略的に示す側面図である。
図1に示すように、流速制御装置1は、冷却装置10の上流側および下流側に配置された一対のダクト3,4と、この一対のダクト3,4を連通するように配置され、冷却装置10を覆うカバー部材5と、ダクト3に所定速度で冷却流体を導入出するファン6と、下流側のダクト4に取り付けられ、且つ冷却装置10の下流側で冷却流体の温度を検出する温度センサ7と、この温度センサ7からの出力に基づいて上記冷却流体の流速を制御する制御部8とを備えている。本実施形態では、ダクト内を流れる冷却流体として空気が使用される。
冷却装置10は、図2(a)及び図2(b)に示すように、発熱素子2−1,2−2,2−3に熱的に接続された受熱ブロック20と、受熱ブロック20に立設されたヒートパイプ30と、受熱ブロック20と略平行に配置され且つ該受熱ブロックにヒートパイプ30を介して熱的に接続されたフィンを複数有する放熱フィン群40とを備えている。
受熱ブロック20は、熱伝導性に優れる銅材やアルミニウム材等で形成されている。また受熱ブロック20は、発熱素子2と接触する接触面21aと、該接触面に対向して配置され、ヒートパイプ30が取り付けられる取付面21bとを有している。この取付面21bには、ヒートパイプ30の後述する蒸発部が嵌り込む溝部22が形成されている(図2(a))。この溝部22にヒートパイプ30を熱伝導可能に取り付けることにより、発熱素子2の熱がヒートパイプ30に伝熱されることになる。
ヒートパイプ30は、略U字型の形状を有しているもので、湾曲した底部を構成する蒸発部31aと、この蒸発部31aの両端から上方に延出する凝縮部31bとで構成されている(図2(b))。
放熱フィン群40を構成するフィン41は、外形が長方形をなす平板状に形成されており、その平面が略水平になるように取り付けられている。このフィン41には、複数の取付孔42が形成されており、この取付孔42にヒートパイプ30の凝縮部31bが挿通されている。この取付孔42とヒートパイプ30との嵌合部は、例えばろう付けや圧入などの方法によって、熱伝導可能に固定されている。これにより、ヒートパイプ30の熱はフィン41に伝達される。このフィン41は、複数枚が所定間隔をあけてそれぞれ略平行に取り付けられている。
ダクト3は、冷却流体の流れ方向に関して上流側に配置されており、ダクト4は冷却装置10の下流側に配置されている。ダクト3,4の寸法は、例えば、長さ1800mm×高さ200mm×幅490mmである。
カバー5は、ダクト3,4とほぼ同じ外寸である断面略コの字型の部材である。このカバー5が一対のダクト3,4を連通することにより、ダクト3を通って送り込まれた冷却流体がダクト4に送り出される。
ファン6は制御部8と電気的に接続されており、制御部8からの出力に応じた回転数で駆動する構成となっている。ファン6の駆動によって生じた送風が複数のフィン41の間を通過することで、フィン41が冷却流体により冷却されることになる。これにより、冷却装置10の熱が外部へ放出される。
温度センサ7は、ダクト4の上壁4aに取り付けられており、フィン41の幅方向略中央に相当する位置であり且つヒートパイプ30の上端の高さに相当する位置(以下、単に「ダクトの上部中央」という)で冷却流体の温度を検出する。好ましくは、ダクト上端部より、受熱ブロック20の側へ80〜200mmの位置に配置する。
この温度センサ7は、冷却装置10あるいは発熱素子2から下流側に所定距離だけ隔てた位置に配置されている。本実施形態では、冷却装置10の端部から100mm隔てた位置に配置されている。好ましくは、受熱ブロック20の端部から下流側に20〜200mmの位置に配置する。
また、この温度センサ7は、ダクトの幅方向における略中央に相当する位置(以下、単に「ダクトの中央部)という)で冷却流体の温度を検出する。好ましくは、ダクトの中央部から、幅方向に+−200mmの位置に配置する。
制御部8は、温度センサ7からの出力を実測値として、当該実測値と設定値との比較を行い、この比較結果に基づいて、ファン6に供給する電力を可変制御する。これにより、ファン6の回転数が冷却流体の温度に応じて変更され、上記一対のダクト3,4内における冷却流体の流速が変化することとなる。
この制御部8では、具体的には以下に示すような流速制御処理が実行される。
図3に示すように、先ず、ダクト3の上流側のファン6を初期供給電力にて駆動する(ステップS31)。このとき、ダクト内風速は予め設定された第1の風速となっている。次に、上部中央に取り付けられた温度センサ7を用いて、下流側冷却流体の温度を検出する(ステップS32)。そして、温度センサ7にて検出された温度が閾値A(第1閾値)以上であるか否かを判定する(ステップS33)。この検出温度が閾値Aよりも低い場合には、ダクト内風速を第1の風速に維持して(ステップS34)、本処理を終了する。
検出温度が閾値A以上である場合には、さらに、検出温度が閾値B(B>A)(第2閾値)以上であるか否かを判定し(ステップS35)、検出温度が閾値Bよりも低い場合には、ダクト内風速が第2の風速(第2の風速>第1の風速)となるように、ファン6に供給する電力を増大させる(ステップS36)。検出温度が閾値B以上である場合には、ダクト内風速が第3の風速(第3の風速>第2の風速)となるように、ファン6に供給する電力を増大させ(ステップS37)、その後本処理を終了する。
尚、図3では、ダクト内風速を増大させる処理を説明したが、図4に示すように、ダクト内風速を減少させる処理を実行してもよい。
図4において、ダクト3の上流側のファン6を初期供給電力にて駆動し(ステップS41)、次に、上部中央に取り付けられた温度センサ7を用いて、下流側冷却流体の温度を検出する(ステップS42)。そして、温度センサ7にて検出された温度が閾値A’(第1閾値)以下であるか否かを判定する(ステップS43)。この検出温度が閾値A’より高い場合には、ダクト内風速を第1の風速に維持する(ステップS44)。
検出温度が閾値A’以下である場合には、さらに、検出温度が閾値B’(B’<A’)(第2閾値)以下であるか否かを判定し(ステップS45)、検出温度が閾値B’より高い場合には、ダクト内風速が第2の風速(第2の風速<第1の風速)となるように、ファン6に供給する電力を減少させる(ステップS46)。検出温度が閾値B’以下である場合には、ダクト内風速が第3の風速(第3の風速<第2の風速)となるように、ファン6に供給する電力を減少させる(ステップS47)。
次に、本発明者は、図5に示すような熱測定レイアウトを用いて、本制御処理の検証を行った。
この熱測定レイアウトでは、発熱素子として6つのヒータ1〜6を受熱ブロックに取り付け、これらヒータ(1)〜(6)に所定電圧を印加する構成とした。そして、冷却装置の上流側・下流側に配置されたダクトの略中央に風速測定点を設け(いずれも受熱ブロックから約200mm)、ダクト内の風速を一定として、各計測ポイントの温度変化を観測した。温度計測ポイントは、ヒータ(1)〜(6)、上流側、中央部及び下流側にそれぞれ配置された3つのヒートパイプ、並びに下流側ダクト上部中央とした。環境温度は−40℃であり、スタート時にはヒートパイプ内の作動流体が凍結している状態である。この熱測定レイアウトを用いて計測した結果を図6のグラフに示す。
冷却装置が複数の発熱素子(ヒータ(1)〜(6))を有している場合、上流側ヒートパイプと下流側ヒートパイプとで温度差が生じ、ヒートパイプ内の凍結作動流体が融解するまでに要する時間が異なることなる。具体的には、上流側ヒートパイプの溶解時間が約24分であるのに対し、下流側ヒートパイプの溶解時間は約20分と、約4分間の時間差が生じている。この結果、発熱素子の表面温度の降下時間が異なり、発熱素子が熱暴走を起こしていることが分かる。なお、発熱素子が単数の場合も、上流側ヒートパイプと下流側ヒートパイプで温度差が生じるため、図6に示す場合と同様の現象が起こる。
そこで、環境温度−25℃の環境下で、ダクト内風速を一定値(5.5m/s)にしてヒータの入力値を変更し(9000W,6000W,3000W)、ヒートパイプが作動したときの下流側ダクト上部中央の温度を測定した結果を表1に示す。また、ダクト内風速を他の一定値(3.8m/s,2.1m/s,0.8m/s)にして、上記同様の測定を行った。なお表中、「○」はヒートパイプが測定開始時から正常に動作したことを示す。
Figure 2013181728
表1において、ダクト内風速が一定の場合、ヒータの入力値が低いほどヒートパイプ作動時の温度が低くなった。また、ヒータ入力値が一定の場合には、ダクト内風速が小さくなるほどヒートパイプ作動時の温度が高くなった。そして、ヒータの入力値を3000W、風速を0.8m/sに設定した場合、下流側ダクト上部中央の温度は19.4℃となった。
この結果から、下流側ダクト上部中央の温度が20℃以上であれば、いずれのヒートパイプの作動流体も凍結しておらず、全てのヒートパイプが正常に作動可能な状態であると判断できるため、この20℃を設定温度としてダクト内の空気流速を制御すればよいことになる。すなわち、作動流体が凍結している状態ではダクト内風速を小さくして凍結作動流体を解凍し易くし、作動流体が解凍して全てのヒートパイプが作動し始めたら、ダクト内風速を増大させればよい。
図7は、図3の流速制御処理の具体例を示すブロック図であり、図8は、流速制御処理を実行した場合の発熱素子の温度変化を示すグラフである。
図7の上段において、ファン6を初期供給電力にて駆動する場合(ダクト内風速0.8m/s)において、下流側ダクト上部中央の温度が20℃より高いときは、ダクト内風速を0.8m/sから2.1m/sに変更する。また、下流側ダクト上部中央の温度が30℃より高いときは、ダクト内風速を2.1m/sから5.5m/sに変更する。
なお、図7の下段に示すように、下流側ダクト上部中央の温度が20℃より低いときに、ダクト内風速を5.5m/sから2.1m/sに変更してもよい。また、下流側ダクト上部中央の温度が10℃より低いときに、ダクト内風速を2.1m/sから0.8m/sに変更してもよい。
このような流速制御処理を上記の熱測定レイアウトにて実行すると、ヒータ(1)〜(6)の表面温度の降下時間が約18分〜20分とほぼ一様となり、すべてのヒータの表面温度が60℃以下となった(図8)。したがって本制御処理により、発熱素子の熱暴走を抑制できることが検証された。
上述したように、本実施形態によれば、冷却装置10の下流側で、フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つヒートパイプ30の上端の高さに相当する位置で冷却流体の温度を検出し、検出された温度に基づいて冷却流体の流速を制御するので、作動流体の凍結時であっても発熱素子2の急激な温度上昇を防止することが可能となる。また、ダクト3に空気を送り込むファン6の供給電圧を本制御処理のように変更すれば、ヒートパイプ30の均熱化を図ることができるため、ヒートパイプの内部構造を変更することや、フィン形状を変更するような設計変更の必要がなく、コストを低減することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では冷却流体として空気を用いているが、これに限らず、0℃以下でも凍結しない冷媒を用いることもできる。冷却流体として冷媒を用いる場合には、本実施形態のファンに代えて、ポンプが設けられてもよい。本構成によれば、環境負荷を低減することができる。
また、本実施形態における流速制御処理において、ヒステリシスを設定することも可能である。この構成によればハンチングの発生を防止することができ、制御の安定性を向上することができ、またコストの更なる低減を実現することができる。
また、本実施形態では、一対のダクト3,4が冷却装置10の上流側および下流側に配置されるが、これに限らず、上流側のダクトと下流側のダクトが一体的に成形されてもよい。また、上流側のダクト、下流側のダクト及びカバーが一体的に成形されてもよい。また、冷却装置10に実質的に冷却流体を導入出することができる構成であれば、ダクト3,4を設けなくてもよい。
また、本実施形態では、温度センサ7はダクト4の上壁4aに取り付けられるが、これに限らず、フィン41の幅方向略中央に相当する位置であり且つヒートパイプ30の上端の高さに相当する位置の温度を検出することができれば、ダクト4の側壁等の他の位置に取り付けられてもよい。
また、本実施形態では、1つの温度センサが設けられているが、複数の温度センサが設けられていてもよい。
また、本実施形態ではファン6がダクト3の上流に配置されているが、これに限らず、ダクト4の下流に配置されてもよい。また、ダクト3,4を設けない構成の場合、ファン6を冷却装置10の上流あるいは下流に配置してもよい。
本実施形態では、ヒートパイプ20は略U字型形状であるが、これに限らず、略L字型形状であってもよいし、直管形状であってもよい。
また、上記実施形態は全ての点で例示であり、制限的なものではないと考えられるべきである。また、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定解釈されず、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、また、特許請求の範囲に記載された構成と均等なものとして解される範囲を含むことが意図される。
1 流速制御装置
2 発熱素子
3,4 ダクト
5 カバー部材
6 ファン
7 温度センサ
8 制御部
10 冷却装置
20 受熱ブロック
21a 接触面
21b 取付面
22 溝部
30 ヒートパイプ
31a 蒸発部
31b 凝縮部
40 放熱フィン群
41 フィン
42 取付孔

Claims (7)

  1. 発熱素子に熱的に接続された受熱ブロックと、前記受熱ブロックに立設されたヒートパイプと、前記受熱ブロックと略平行に配置され且つ該受熱ブロックに前記ヒートパイプを介して熱的に接続されたフィンを複数有する放熱フィン群とを備え、冷却流体の流れ方向が前記受熱ブロックと略平行となるように構成された冷却装置に適用される流速制御方法であって、
    前記冷却装置に冷却流体を導入出して、前記冷却装置の下流側で、前記フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つ前記ヒートパイプの上端の高さに相当する位置で冷却流体の温度を検出し、
    前記検出された温度に基づいて前記冷却流体の流速を制御することを特徴とする流速制御方法。
  2. 前記検出された温度が第1閾値より低い場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が第1の流速となるように制御し、
    前記検出された温度が第1閾値以上である場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が、前記第1の流速より大きい第2の流速となるように制御することを特徴とする、請求項1記載の流速制御方法。
  3. 前記検出された温度が、前記第1閾値より大きい第2閾値以上である場合、前記冷却装置に導入される冷却流体が、前記第2の流速より大きい第3の流速となるように制御することを特徴とする、請求項2記載の流速制御方法。
  4. 発熱素子に熱的に接続された受熱ブロックと、前記受熱ブロックに立設されたヒートパイプと、前記受熱ブロックと略平行に配置され且つ該受熱ブロックに前記ヒートパイプを介して熱的に接続されたフィンを複数有する放熱フィン群とを備え、冷却流体の流れ方向が前記受熱ブロックと略平行となるように構成された冷却装置に適用される流速制御装置であって、
    前記冷却装置に冷却流体を送り込むファンと、
    前記冷却装置の下流側に配置され、前記フィンの幅方向略中央に相当する位置であり且つ前記ヒートパイプの上端の高さに相当する位置で冷却流体の温度を検出する温度センサと、
    前記温度センサにより検出された温度に基づいて前記冷却流体の流速を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする流速制御装置。
  5. 前記冷却装置の上流側および下流側に配置された一対のダクトと、
    前記一対のダクトを連通するように配置され、前記冷却装置を覆うカバー部材とを更に備え、
    前記温度センサは、前記下流側のダクト内を流れる冷却流体の温度を検出することを特徴とする、請求項4記載の流速制御装置。
  6. 前記ヒートパイプが略U字型のヒートパイプであることを特徴とする、請求項4の流速制御装置。
  7. 前記ヒートパイプの複数が前記受熱ブロックに立設され、
    前記複数のヒートパイプが前記冷却流体の流れ方向に沿って配置されることを特徴とする、請求項4の流速制御装置。
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