JP2016534319A - 電力電子素子冷却システム及び分布式発電システム - Google Patents

Abstract

本発明は電力電子素子冷却システムを開示し、該冷却システムはエアコンユニットと、冷媒ポンプ（３１）と、バイパス絞り素子（３２）と、冷却器とを含む。冷媒ポンプ（３１）はエアコンユニットの第１の凝縮器（１３）から液体を受けて、液体状の冷媒はバイパス絞り素子（３２）によって絞られてから冷却器に入り、冷却器にて低温冷媒により電力電子素子の温度を下げ、冷媒は冷却器から出た後エアコンユニットの蒸発器（１１）に入って、１冷却循環を完成する。該電力電子素子冷却システムの冷却効果が優れていて、冷却効率が高く、機器体積が小さく、雑音が低く、且つ電力電子素子が密封された環境に置かれて埃から保護され、内部がきれいになって運転寿命が長い。【選択図】図１

Description

本発明は、冷房技術及び電力電子技術分野に関し、特に、電力電子素子冷却システム及び分布式発電システムに関する。

電力電子素子の熱損失が大きいので冷却しなければならなく、既存の電力電子素子の冷却は通常空冷式で、ファン、扇風機等の手段を取り付けることで放熱するが、その冷却効果は悪く、そして、空冷の冷却速度が遅く、ファンの体積が大きく、機器全体の体積が大きく、大風量によってファンの雑音が大きく、埃堆積問題によって電器素子の信頼性に影響を与え、冷却ファンの調節性に欠けていて、エネルギー消費が高く、省エネーを実現できず、ファンの送風によって電器装着環境の温度が上昇して機関室に対応するエアコンシステムを追加しなければならない等の多くの問題が存在している。

既存技術における問題を解決するため、本発明は、既存技術における電力電子素子の冷却効果が悪い問題を解決できる電力電子素子冷却システムを提供する。

上記目的を実現するため、本発明は、以下のような技術案を提供する。
エアコンユニットと、冷媒ポンプと、バイパス絞り素子と、冷却器と、を含み、エアコンユニットはエアコン冷房循環システムとして接続された蒸発器、圧縮機、第１の凝縮器、メインパス絞り素子を含み、第１の凝縮器、冷媒ポンプ、バイパス絞り素子、冷却器及び蒸発器は順次連通され、冷媒ポンプの入り口は第１の凝縮器に連通され、冷媒ポンプの出口はバイパス絞り素子の第１端に連通され、バイパス絞り素子の第２端は冷却器の第１端に連通され、冷却器の第２端は蒸発器に連通されて、冷却器を介して電力電子素子と熱交換を行って、電力電子素子の温度を下げる電力電子素子冷却システムを提供する。

さらに、電力電子素子冷却システムは、入り口が第１の凝縮器に連通され、出口がバイパス絞り素子の第１端に連通される逆止め弁を更に含む。

さらに、電力電子素子冷却システムは、冷却器と蒸発器との間に接続される第２の凝縮器を更に含む。

さらに、電力電子素子冷却システムは、複数の冷却分岐流路を含み、冷却分岐流路はそれぞれ、バイパス絞り素子と少なくとも一つの冷却器を含み、各冷却分岐流路の入り口は冷媒ポンプの出口及び逆止め弁の出口に連通され、各冷却分岐流路の出口は第２の凝縮器に連通される。

さらに、バイパス絞り素子は、毛細管、絞り孔プレート、温度自動膨張弁、電子膨張弁の中の一つ又はその中の二つ又は二つ以上の組み合せである。

さらに、エアコンユニットは、冷水式エアコンユニットである。

さらに、電力電子素子は、整流モジュールと逆変換モジュールとを含み、冷却分岐流路は整流ブロックを冷却させる第１の冷却分岐流路と、逆変換モジュールを冷却させる第２の冷却分岐流路とを含む。

さらに、電力電子素子は、リアクトルを更に含み、冷却分岐流路はリアクトルを冷却させる第３の冷却分岐流路を更に含む。

さらに、第１の冷却分岐流路は第１の分岐流路絞り素子を含み、第２の冷却分岐流路は第２の分岐流路絞り素子を含み、第３の冷却分岐流路は第３の分岐流路絞り素子を含み、第１の絞り素子と第２の絞り素子は調節可能式絞り素子であって、第３の冷却分岐流路は固定比例式絞り素子である。

本発明は、電力電子素子冷却システムと分布式発電所とを含み、電力電子素子冷却システムは上述した電力電子素子冷却システムであって、電力電子素子を介して、エアコンユニットを含む負荷に給電し、及び／又はグリッド接続発電する分布式発電システムを提供する。

さらに、電力電子素子はオフグリッドインバーターを含み、分布式発電所はオフグリッドインバーターに接続され、オフグリッドインバーターを介してエアコンユニットに給電する。

さらに、電力電子素子は、一端が公共電気網に接続され、他端が分布式発電所及び／又はオフグリッドインバーターに接続される変換器を更に含む。

本発明によると、空冷と水冷に比べ、冷媒冷却の冷却効果が優れていて、冷却効率が高く、空冷システムを省略したので機器体積が小さく、雑音が低減され、エアコンユニットの冷媒によって冷房循環を完成して電力電子素子が密封された環境に置かれて埃から保護され、内部がきれいになって運転寿命が長く、エアコンユニットが作動するか否かの影響を受けない有益な効果を実現できる。

本発明の実施例１の電力電子素子冷却システムの構造を示すブロック図である。 本発明の実施例１の複数の冷却分岐流路を具備する電力電子素子冷却システムの構造を示すブロック図である。 本発明の実施例２の分布式発電システムのシステム構造を示すブロック図である。

本発明の目的、技術案及びメリットを一層明確化するため、以下、図面と実施例を結合して本発明を更に詳しく説明する。なお、ここで説明する具体的な実施例は本発明を解釈するためのものであって、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
本実施例の電力電子素子冷却システムは、エアコンユニットの部分と、電力電子素子冷却循環の部分とを含み、図１は、本実施例の電力電子素子冷却システムの構造を示す図である。ここで、エアコンユニットは蒸発器１１と、圧縮機１２と、第１の凝縮器１３と、メインパス絞り素子１４とを含み、圧縮機１２の吸入口は吸気管路を介して蒸発器１１の一端に連通され、圧縮機１２の排出口は排気管路を介して第１の凝縮器１３の一端に連通され、蒸発器１１の他端はメインパス絞り素子１４を介して第１の凝縮器１３の他端に連通される。

電力電子素子冷却循環の部分は、冷媒ポンプ３１と、バイパス絞り素子３２と、冷却器（未図示）と、を含む。冷媒ポンプ３１の入口は第１の凝縮器１３の液体排出管に連通され、冷媒ポンプ３１の出口はバイパス絞り素子３２の第１端に連通され、バイパス絞り素子３２の第２端は冷却器の第１端に連通され、冷却器の第２端は蒸発器１１に連通される。冷却器は電力電子素子に接触又は接近し、冷却器を流れる低温冷媒によって電力電子素子の熱を持ち去って、電力電子素子の温度を下げる。

エアコンユニットが停止された時、冷媒ポンプ３１が作動し、冷媒循環に動力を提供する。冷媒ポンプ３１は第１の凝縮器１３の中の液体状の冷媒をポンプによってバイパス絞り素子３２に搬送し、冷媒は絞られ、熱を吸収して蒸発した後、最終的に蒸発器１１に入って、１冷却循環を完成する。上記方案によって、エアコンユニットが停止された時の電力電子素子の冷却を実現する。

エアコンユニットが動作する時に電力電子素子を冷却させるため、第１の凝縮器１３とバイパス絞り素子３２との間に、冷媒ポンプ３１と並列に接続される冷媒流路用配管を設ける。該冷媒流路用配管に逆止め弁３４が設けられ、逆止め弁３４の入り口は第１の凝縮器１３に連通され、出口はバイパス絞り素子３２の第１端に連通される。逆止め弁３４は冷媒のバイパスの短路を有効に防止して、電力電子素子を冷却する冷媒の流量が充分であるように保証できる。

エアコンユニットが作動する時、凝縮側の圧力が蒸発側の圧力を大幅に超えているので、エアコンユニット内部の冷媒の圧力の作用を受けて、第１の凝縮器１３中の液体状冷媒はバイパス絞り素子３２によって絞られた後、冷却器にて熱を吸収して蒸発し、最終的に蒸発器１１に入って、１冷却循環を完成する。

冷媒は電力電子素子を流れた後、大量の熱を吸収し、それを放出しないと、最終的にエアコンユニットの冷媒に累積され、停止状態でのエアコンユニットのシステム温度とシステム圧力が絶えずに上昇してしまう。冷却システムをエアコンユニットが停止している状態で長期的に動作させると、システム温度が持続的に上昇し、電力電子素子の冷却効果に影響を与えることになり、システム圧力が絶えずに上昇すると、冷房循環システム全体の安全性に影響を与えることになる。そこで、冷却器と蒸発器１１との間に第２の凝縮器３３を設けて、バイパス絞り素子３２から流れ出される低温の冷媒が冷却器にて電力電子素子から放熱される熱を吸収して蒸発し、高温の冷媒蒸気になって、冷媒蒸気が第２の凝縮器３３まで流れた時、空気又は水と熱交換を行って、放熱して凝縮し、再び液体状の冷媒になって蒸発器１１に入って、エアコンユニットに戻ることで、１冷却循環を完成することは好ましい。

第２の凝縮器３３の役割は、システムの信頼性を向上させて、冷却システムがエアコンユニットが停止している状態でも長期的に正常に運転できるようにすることである。ここで、エアコンユニットが動作している時、第２の凝縮器３３はさらに、大量の熱が蒸発器１１に入ってエアコンのエネルギー効率を低減することを防止することができる。第２の凝縮器３３として、通常、ひれ付管式熱交換器又はプレート式熱交換器を利用する。

ここで、冷却器は内部に冷却剤流路がはめ込まれた金属冷却板であって、金属冷却板は電力電子素子に接触し、そして、現場の環境状況、電力電子素子の形状、冷却需要等の要素に応じて、適切な冷却器タイプを選択することもでき、例えば接触して熱交換を行うことができないか、又は冷却要求があまり高くない素子の場合、ひれ付管式熱交換器、プレートフィン式熱交換器等を冷却器として選択することができる。

冷却すべき電力電子素子の数量が多い又は構造の制限を受けて一つの冷却器で冷却を完成できない場合、バイパス絞り素子３２と第２の凝縮器３３との間の管路に複数の冷却器を直列に接続し、又は冷媒ポンプ３１と第２の凝縮器３３との間に複数の並列に接続する冷却分岐流路を設けて、各冷却分岐流路にバイパス絞り素子３２と少なくとも一つの冷却器を設ける。バイパス絞り素子３２として、様々な形態の絞り弁を用いることができ、例えば、毛細管、絞り孔プレート（固定又は可変）、温度自動膨張弁又は電子膨張弁、及びその中の二つ又は二つ以上の絞り弁の組み合せを用いることができる。

図２は、複数流路で冷却する電力電子素子冷却システムの構造を示す図である。冷媒ポンプ３１及び／又は逆止め弁３４から出力された冷媒は、分流装置によって分流された後、三つの冷却分岐流路に入って、各分岐流路にいずれもバイパス絞り素子３２と少なくとも一つの冷却器が設けられている。具体的に、該電力電子素子は変換器で、整流モジュールと、逆変換モジュールと、リアクトルと、を含む。整流モジュールと逆変換モジュールの放熱要求が高いので、二つの分岐流路上の第１のバイパス絞り素子３２ａと第２のバイパス絞り素子３２ｂは、電子膨張弁等の調節可能式絞り素子で、整流モジュールと逆変換モジュールの実際の温度に応じて電子膨張弁の開度を調節して適切な冷媒流量を得る。他の一つの分岐流路に位置する第３のバイパス絞り素子３２ｃは、例えば固定孔プレート又は毛細管等の固定式絞り素子が採用でき、システム性能に応じて、最適な絞り素子をマッチする。ここで、整流モジュールと逆変換モジュールの冷却を行う冷却器は、冷媒流路用配管を具備する金属冷却板構造であって、整流モジュールと逆変換モジュールは金属冷却板に接触し、このような放熱方式は空冷放熱より冷却効果が優れていて、冷却速度が速く、冷却効率が高く、変換器の体積及び素子タイプの選択要求を大幅に低減することができる。

エアコンユニットはセントラルエアコンユニットであることが好ましく、セントラルエアコンユニットの冷媒の貯蓄が多く、冷却の需要を充分に満たすことができ、更に、冷水式エアコンユニットであって、さらに遠心式冷水ユニット又はスクリュー式冷水ユニットである。

本実施例中の電力電子素子は、エアコンユニット自体の正常な運転を維持する電力電子素子であることができれば、他の機器中の電力電子素子であることもできる。

上述のように、本発明で提供する冷却システムによると、電力電子素子の冷却問題をよく解決でき、且つ冷媒の冷却能力が空冷や水冷より優れている。本方案によると、エアコンユニットが作動したか否かの影響を受けず、エアコンユニットが停止されている場合であっても冷却の需要を満たすことができる。そして、冷却需要に応じて、各分岐流路の冷媒の流量を調節することができる。冷媒は絶縁体で、短路又は電気漏れのリスクがなく、安全性が高く、エアコンユニットの冷媒で冷房循環を完成して電力電子素子が密封環境に置かれて埃から保護され、内部がきれいになって、運転寿命が長くなる。

（実施例２）
本発明はさらに分布式発電システムを提供し、図３に示すように、該分布式発電システムは上述した電力電子素子冷却システム（未図示）と分布式発電所４０とを含み、分布式発電所４０は電力電子素子を介して負荷５０に給電し、及び／又は公共電気網６０にグリッド接続発電する。負荷５０は上述したエアコンユニットを含み、他の電器機器を含むこともできる。該電力電子素子はオフグリッドインバーター２１と、変換器２２等を含む。オフグリッドインバーター２１は分布式発電所４０とエアコンユニット又は他の負荷との間に接続されて、前記オフグリッドインバーター２１を介して、分布式発電所４０はエアコンユニット又は他の負荷に給電する。変換器２２の一端は公共電気網６０に接続され、他端は分布式発電所４０及び／又はオフグリッドインバーター２１に接続され、分布式発電所４０は変換器２２を介して公共電気網６０にグリッド接続発電し、エアコンユニット又は他の負荷は変換器２２を介して公共電気網から電力を受けることができる。

具体的に、分布式発電所は太陽光発電所、風力発電所、ソーラー・ウインド発電所、バイオマス発電所等であって、太陽光発電所であることが好ましい。

本発明で提供する分布式発電システムは電力電子素子冷却ユニットを具備することで、分布式発電システムの信頼性及び使用寿命を向上させ、電力電子素子のタイプ選択要求を低減することができる。

上述した実施例は本発明の幾つかの実施形態を示すもので、その説明が具体的且つ詳細であったが、本発明の保護範囲を制限するものであると理解しではいけない。尚、本発明の構想を離脱しない前提で、幾つかの変形や改善が可能であって、それらは全て本発明の保護範囲に含まれるものであることは当業者であれば理解できることである。よって、本発明の保護範囲は特許請求の範囲を基準とする。

さらに、第１の冷却分岐流路は第１のバイパス絞り素子を含み、第２の冷却分岐流路は第２のバイパス絞り素子を含み、第３の冷却分岐流路は第３のバイパス絞り素子を含み、第１のバイパス絞り素子と第２のバイパス絞り素子は調節可能式絞り素子であって、第３のバイパス絞り素子は固定比例式絞り素子である。

Claims (12)

1. エアコンユニットと、冷媒ポンプと、バイパス絞り素子と、冷却器と、を含み、
   前記エアコンユニットはエアコン冷房循環システムとして接続された蒸発器と、圧縮機と、第１の凝縮器と、メインパス絞り素子とを含み、
   前記第１の凝縮器、前記冷媒ポンプ、前記バイパス絞り素子、前記冷却器及び前記蒸発器は順次連通され、
   前記冷媒ポンプの入り口は前記第１の凝縮器に連通され、前記冷媒ポンプの出口は前記バイパス絞り素子の第１端に連通され、前記バイパス絞り素子の第２端は前記冷却器の第１端に連通され、前記冷却器の第２端は前記蒸発器に連通されて、前記冷却器を介して前記電力電子素子と熱交換を行って、前記電力電子素子の温度を下げることを特徴とする電力電子素子冷却システム。
2. 入り口が前記第１の凝縮器に連通され、出口が前記バイパス絞り素子の第１端に連通される逆止め弁を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電力電子素子冷却システム。
3. 前記冷却器と前記蒸発器との間に接続される第２の凝縮器を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力電子素子冷却システム。
4. 複数の冷却分岐流路を含み、冷却分岐流路はそれぞれ、前記バイパス絞り素子と少なくとも一つの冷却器を含み、各前記冷却分岐流路の入り口は前記冷媒ポンプの出口及び前記逆止め弁の出口に連通され、各前記冷却分岐流路の出口は前記第２の凝縮器に連通されることを特徴とする請求項３に記載の電力電子素子冷却システム。
5. 前記バイパス絞り素子は、毛細管、絞り孔プレート、温度自動膨張弁、電子膨張弁の中の一つであって、又はその中の二つ又は二つ以上の組み合せであることを特徴とする請求項３に記載の電力電子素子冷却システム。
6. 前記エアコンユニットは、冷水式エアコンユニットであることを特徴とする請求項３に記載の電力電子素子冷却システム。
7. 前記電力電子素子は、整流モジュールと逆変換モジュールとを含み、前記冷却分岐流路は前記整流モジュールを冷却させる第１の冷却分岐流路と、前記逆変換モジュールを冷却させる第２の冷却分岐流路とを含むことを特徴とする請求項４に記載の電力電子素子冷却システム。
8. 前記電力電子素子はリアクトルをさらに含み、前記冷却分岐流路は前記リアクトルを冷却させる第３の冷却分岐流路を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の電力電子素子冷却システム。
9. 前記第１の冷却分岐流路は第１の分岐流路絞り素子を含み、前記第２の冷却分岐流路は第２の分岐流路絞り素子を含み、前記第３の冷却分岐流路は第３の分岐流路絞り素子を含み、前記第１の絞り素子と前記第２の絞り素子は調節可能式絞り素子であって、前記第３の冷却分岐流路は固定比例式絞り素子であることを特徴とする請求項８に記載の電力電子素子冷却システム。
10. 電力電子素子冷却システムと分布式発電所とを含む分布式発電システムであって、
    前記電力電子素子冷却システムは請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電力電子素子冷却システムであって、
    前記電力電子素子を介して、前記エアコンユニットを含む負荷に給電し、及び／又はグリッド接続発電することを特徴とする分布式発電システム。
11. 前記電力電子素子はオフグリッドインバーターを含み、前記分布式発電所は前記オフグリッドインバーターに接続され、前記オフグリッドインバーターを介して前記エアコンユニットに給電することを特徴とする請求項１０に記載の分布式発電システム。
12. 前記電力電子素子は、一端が公共電気網に接続され、他端が前記分布式発電所及び／又は前記オフグリッドインバーターに接続される変換器を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の分布式発電システム。