JP2013512579A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、その電力部品４が熱伝導的に冷却装置１に接続されている、少なくとも１つの第１放熱部分３を有し、流体搬送ルート５は冷却液６をポンプ７から第１放熱部分３を介してクーラー８へと導き、少なくとも第１放熱部分３とクーラー８との間、及びポンプ７と第１放熱部３との間の流体搬送ルート５には夫々、１つの遮断装置９、９’が設けられる、電源２のための冷却装置において、冷却対象としての少なくとも１つの部分３、１４における過剰圧力を回避するため、少なくとも１つの圧力制限弁１７、２８が設けられ、該弁は、流体ダクトに接続された状態で構成部分３、１４の中に配置されるか、更に／或いは、流体搬送ルート５の冷却液６に予め負荷を与えるための装置の部品として、構成部分３、１４の下流側に設けられた逆止弁１３の圧力側を経て構成部分３、１４に接続されることを特徴とする冷却装置に関する。

Description

本発明は、その電力部品が伝熱的に冷却装置に接続されているような、少なくとも１つの第１の熱放散部分を有する電源のための冷却装置であって、流体の輸送によって冷却液がポンプから前記第１熱放散部分を通ってクーラーへと運ばれ、クーラーには、少なくとも第１熱放散部分とクーラーとの間、及びポンプと第１熱放散部分との間に冷却装置の流体搬送ルートの夫々には１つの遮断装置が設けられる冷却装置に関する。

上記の冷却装置は独国公開特許第２１３５６７７号に開示されている。この従来冷却装置はその整流器が油冷される変圧整流装置の一部を成している。整流器はそれぞれ別個の整流器ハウジングに収容され、冷却剤や冷却油はポンプにより輸送管路を通り、次いで整流器を介して並行に圧送される。整流器を通過して、これらを冷却した後は、熱せられた冷却剤や冷却油はクーラーへと戻され、ここから冷却剤や冷却油は再びポンプへと送られることになる。各整流器ハウジングの出入口近傍には、個々のハウジングの輸送管路から分離を可能にするバルブが設けられている。

冷却を要するパワーエレクトロニクス部品は駆動技術や電気エネルギ生産の分野においてしばしば使用されている。例えば路面電車、ハイブリッド・バス、トロリーバスなどの車両の駆動技術において、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換したり、その逆に変換するためにコンバータモジュールを使用することは公知である。

例えば風力発電所のような電気エネルギ生産システムにおいては、これらのコンバータは電気設備のためのハウジング・モジュール内に配置される。このハウジング・モジュールは、発電機の全給電ラインをグリッド給電ポイントまで結集させる。加えて、変圧器、コンバータ及び冷却装置はハウジング内ユニットとして統合可能である。そのようなコンバータや整流器は数１０００ｋＷの送電を有する。基体内には、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタのような高速スイッチング電力半導体であることが好ましく、かつ例えば分岐ペアバルブセットのようにプレファブ・分岐ペアモジュールとして作ることができるような、少なくとも２つのモジュールを設けることができる。変換ロスの結果として生じる熱は、その内部又は周囲に冷却液が流れる１つ又はそれ以上の冷却要素に放散され、冷却液は腐食や凍結から保護する理由から、往々にして水−グリコール混合物から作られる。冷却液流入にあたっては、通常、冷却液温が摂氏７０度以下に保持されなければならない。

メンテナンス目的でこのパワーエレクトロニクスシステムの部品に対し作業がなされることになれば、大量の冷却液を冷却装置から取り除かねばならないこともあり得る。特に、風力タービンのナセルのように、システム内で制約されるような空間条件下においては、冷却液を受けるための適当な収集タンクの設置がほとんど不可能であることが往々にしてある。更に、これらのシステムから冷却液を完全に除去することには多大な時間を要する。

独国公開特許第２１３５６７７号公報

上述した従来技術に基づき、本発明の目的は、冷却部品の交換を単純化できる冷却部品のための冷却装置を考案することにある。

本目的は、請求項１全体に記載の特徴を有する冷却装置によって達成される。

請求項１の特徴部分によれば、冷却されるべき少なくとも一部分の過剰圧力を防止するために、少なくとも１つの圧力制限弁が設けられ、それは、流体ダクトに接続された状態で構成部分の中に配置されるか、更に／或いは、流体搬送ルートの冷却液に予め負荷を与えるための装置の部品として、構成部分の下流側に設けられた逆止弁の圧力側を経て構成部分に接続される。装置の作動中、仮に２つのコックが何らかの事情で閉じ、構成部分の中で温度が上昇することで過剰圧力や破壊の可能性が生じたとしても、これにより例えばコンバータなどの構成部分へのダメージを排除する。第１の代案においては、構成部分内に流体ダクトと接続状態にある圧力制限弁が設けられ、第２の代案においては、構成部分において発生し得る過剰圧力は、流体搬送ルートを介してポンプの吸入側に向けて解放され、更にポンプの圧力側はシステム圧力をセットする圧力制限弁に接続される。

冷却液の抜き出しのため、流体搬送ルートの遮断が冷却装置の上流側及び下流側で可能であるならば、メンテナンス作業では比較的少量の冷却液をメンテナンス対象の構成部域から抜き出し、冷却装置から取り除くだけでいい。これは、予想される冷却液の収集タンクに必要な空間量と同様、排出工程に要する時間をも減じることにもなる。第１放熱部分周りの冷却装置内、２つの遮断装置の間にある流体搬送ルートのバルブは、電源の放熱部分を修理したり、メンテナンスする前の冷却液排出を可能にする。

特に好ましいとされる１つの模範的実施形態においては、その冷却装置の上流側及び下流側であって、特に本目的で提供されるポンプ・クーラーの流体搬送ルートの上流側及び下流側の、更なる電源放熱部分の夫々に対し、上述したような機能と作用を持つ遮断装置が設けられる。又、冷却液用流体搬送ルートの節点の上流側及び下流側に、それに関連した遮断装置を配置することが好適な場合もある。

遮断装置は、考えられる遮断状態に関して、好ましくは着座した弁設計において如何なる形態の弁であっても良い。例えば手動で操作するコックように単純な構造の遮断弁を使用することが好適な場合もある。冷却装置の経済的設計において、コックの作動状態をその外側から目で確認できるようにしても良い。

電源のパワーエレクトロニクスの放熱部分の上流側及び下流側において、流体搬送ルートを自動的に遮断することは、逆止弁やパイロット操作逆止弁を使用することで成される。この弁は、放熱部分から離反するのを下流側、放熱部分に向かうのを上流側とする冷却液流れの流動方向において、大気圧より若干高い冷却液圧力で開弁する。電源のメンテナンス段階時において冷却液用ポンプが止められ、そのことによる流体搬送ルートの圧力低下が境界圧力に定められるならば、逆止弁は自動的に放熱部分の上・下流を遮断する。

ポンプが停止した後は、例えば冷却液を冷却装置の均圧ベッセルに排出することで冷却装置内圧力を低めるようにしても良い。

特に好ましいとされる本発明による冷却装置の一実施形態では、全ての放熱部分がポンプの高圧側の下流側に配置される。このようにすれば、各放熱部分の前後において遮断装置を構成部品のための冷却液の流体搬送ルートに挿入することができ、又、各放熱部分それ自身に想定されるメンテナンスや修理の際には、それに関係するシステム構成部分の冷却液の量分だけを排出しさえすれば良いように、遮断装置を冷却液回路から切り離すことができる。これは、システムの再スタートを容易にすると共に、気泡や気泡含有物が冷却液に流れ込み、ともすればポンプの“脈動”、更に／或いは再スタート時のキャビテーション現象を招くといったようなリスクを回避する。

冷却装置の１つの模範的実施形態では、好ましくは冷却要素上に支持されるコンバータに少なくとも１つの放熱部分が設けられる。電気整流器では、通常認識されているように電気エネルギは３相ダイオードブリッジ回路において直流変換される。このため直流平滑化のための平滑化要素としてコンデンサが使用される。その後、電流はトランジスタ・モジュールと絶縁ゲートバイポーラトランジスタ・モジュールを備えたインバータ回路での周波数変換により逆変換される。

電気コンバータでは、変換ロスが再転換素子のみならずダイオードブリッジ、トランジスタ・モジュール、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ・モジュールで発生し、熱が発生する。生成熱は冷却要素によって放熱される。おおよそ一定の作動圧力を得るためには、冷却液や冷却装置の冷却液に前もって負荷を与える装置が設けられることが好ましい。ダイアフラム式アキュムレータ、ピストンアキュムレータ、又はガスアキュムレータとして設計することが可能な畜圧器がこのために使用される。畜圧器の液体圧は圧力弁によってセットされ、このようにして制限される。本発明による冷却装置は、マスト上にあるその設備・エンジンルームがメンテナンスをする作業員、工具、装置又は設備にとって利用可能な限定空間を成すような風力発電所に特に適している。往々にして、これらシステムの構成部品のメンテナンスでは、対応する構成部分や放熱部分の上流側及び下流側で遮断装置が閉じられた後に数リッターだけの冷却液を排出しなければならない場合がある。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

本発明による冷却装置の第１の模範的実施形態の概略回路図である。 本発明による冷却装置のもう１つの模範的実施形態の回路図である。

図１は、その主要構成部品を伴った風力発電所の電源２のための冷却装置１の概略回路図を概略的に示している。冷却装置１は、例えばフィルタとスナバ・コンデンサを備えたコンバータ１４のコンデンサ・モジュールや半導体モジュールなどの電力構成部品４を冷却するために使われる。コンバータ１４は冷却板４を伴ったハウジング１８を有しており、その冷却板には熱損失を受ける放熱部分３が取り付けられている。冷却板４には、好ましくは水−グリコールの混合物からなる冷却液６がかかるようになっている。これにより、コンバータ１４の放熱部品３の作動温度は半導体素子の自己破壊が回避される温度に保持される。

冷却装置１はポンプ７からクーラー８へと続く流体搬送ルート５を有しており、それはチューブやホースから構成される。好ましくは、ポンプ７は遠心力ポンプとして作られ、電気モータ２０により駆動軸２１を介して駆動される。更にポンプ７は、大容量の流量に対処するべく設計されることが好ましい。冷却装置１の作動圧力としては、例えば約４バールを確保しなければならない。ポンプ７より上流側の流体搬送ルート５にあって節点１０において畜圧器１６との接続部が設けられ、同畜圧器は全ライン・ネットワークにおいて冷却液６に予め負荷を加えると共に、接続された冷却板４に前もって負荷を加える装置１５を構成する。畜圧圧力を設定するための圧力弁１７が設けられる。

節点１０の上流側には遮断装置９が設けられる。遮断装置９はコック９として形成される。コック１２は手動で操作でき、好ましくはボール弁として形成される。コック１２よりも上流側にあるのが冷却板４を備えたコンバータ１４であり、これにより部分３の熱を、冷却板４を流動する冷媒に放散することができる。コンバータ１４のハウジング１８の上流側において、流体搬送ルート５は前方に運ばれ、第２の遮断装置９’を有する。図１は、手動操作されるボール弁としての第２遮断装置９’を示している。図２に示された模範的実施形態では、ボールコックの代わりに逆止弁１３として形成される遮断弁が設けられる。逆止弁１３は、コンバータ１４への方向の流れを阻止する一方で、コンバータ１４から流出する流れに対しては圧力作動する形で開くことができる。

遮断装置９、９’を設けることで、残りの冷却システムからコンバータ１４を分断することが可能になる。前述したように、メンテナンスの目的でコンバータ１４の構成部品を露わにするため、コンバータ１４の冷却板４から冷却液６の排出することが、このようにして具体的かつ容易に実行可能となる。

クーラー８の側を通りポンプ７へと戻るような冷却液の流れを可能にするバイパスライン２５の節点２４が第２遮断装置９’の上流側に設置される。ポンプ７へと戻る、通常の冷却液循環を達成するクーラー８には、モータ２６によって駆動される冷却ファンが設けられており、放熱部分３のための冷却液として充分な蓄熱容量を供給するのにふさわしい温度まで冷却液を再冷却するように冷却ファンを寸法決めすることができる。

図１及び図２は、特に遮断装置９、９’間に放熱部品３を組み込んだ、冷却装置の１つの模範的適用例を示しているに過ぎない。更に、放熱部品（図示せず）を直列接続した状態で上述した遮断装置９、９’間に同様に組み込むようにしても良い。

前述したように、図１の例では、遮断装置９、９’はコンバータ１４の上流側及び下流側において、例えばボール弁１２のような遮断弁として設計される。装置の運転時において仮に両方のコックが不注意に閉められると、コンバータ１４内での温度上昇によって過剰圧力や破裂してしまう恐れがあるため、コンバータ１４へのダメージを回避する上で、図１の例では、コンバータ１４内にある流体ダクトに接続して圧力制限弁２８が設けられる。これに対し、図２の模範的実施形態では明らかに、コンバータ１４には圧力制限弁が設けられない。これは、コンバータ１４の下流側に設けられる遮断装置９’が逆止弁１３によって構成されており、コンバータ１４内に起こり得る過剰圧力は前記逆止弁を経由した後、バイパスライン２５を含む流体搬送ルート５を経てポンプ７の吸入側へと解放されるためであって、更に、ポンプの圧力側においては節点１０を介してシステム圧力を設定する圧力制限弁１７へと接続されているからである。

Claims (14)

1. その電力部品（４）が熱伝導的に冷却装置（１）に接続されている、少なくとも１つの第１放熱部分（３）を有し、流体搬送ルート（５）は冷却液（６）をポンプ（７）から前記第１放熱部分（３）を介してクーラー（８）へと導き、少なくとも前記第１放熱部分（３）と前記クーラー（８）との間、及び前記ポンプ（７）と前記第１放熱部（３）との間の前記流体搬送ルート（５）には夫々、１つの遮断装置（９、９’）が設けられる、電源（２）のための冷却装置において、
   冷却対象としての少なくとも１つの部分（３、１４）における過剰圧力を回避するため、少なくとも１つの圧力制限弁（１７、２８）が設けられ、該弁は、流体ダクトに接続された状態で前記構成部分（３、１４）の中に配置されるか、更に／或いは、前記流体搬送ルート（５）の冷却液（６）に予め負荷を与えるための装置の部品として、前記構成部分（３、１４）の下流側に設けられた逆止弁（１３）の圧力側を経て前記構成部分（３、１４）に接続されることを特徴とする冷却装置。
2. 前記電源（２）の各放熱部分（３）の上流側及び下流側において、前記放熱部分（３）と、前記放熱部分（３）の上流側及び下流側に位置する構成部品、又は前記流体搬送ルート（５）の節点（１０）との間には夫々、１つの遮断装置（９、９’）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 少なくとも１つの遮断装置（９）は遮断弁（１１）から形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 少なくとも１つの遮断装置（９）は操作可能なコック（１２）として設計されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 少なくとも１つの遮断装置（９）はボール弁（１２）として設計されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記遮断弁（１１）は逆止弁（１３）又はパイロット操作逆止弁であり、それは前記冷却液流れの流動方向で見て、冷却装置（１）の作動圧力で前記放熱部分から離反して開口することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記冷却装置（１）により供給される全ての放熱部分（３）は、前記ポンプ（７）の下流側に位置することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却装置。
8. 前記少なくとも１つの第１放熱部分（３）は、コンバータ（１４）の構成部分であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却装置。
9. 前記冷却液（６）は、水−グリコール混合物であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却装置。
10. 前記冷却装置（１）は、前記流体搬送ルート（５）内の冷却液（６）に前もって負荷を加えるための装置（１５）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の冷却装置。
11. 前記冷却液（６）に前もって負荷を加えるための装置（１５）は畜圧器（１６）を有することを特徴とする請求項１０に記載の冷却装置。
12. システム内での冷却液圧力は少なくとも１つの圧力弁（１７）によって制限されることを特徴とする請求項１１に記載の冷却装置。
13. 前記冷却装置（１）は風力発電所の一部であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷却装置。
14. 前記冷却装置（１）は風力発電所のハウジング・モジュール内に収納されることを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置。

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