JP2019103316A

JP2019103316A - 冷却装置および電力変換装置

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Publication number: JP2019103316A
Application number: JP2017233887A
Authority: JP
Inventors: 幸司村田; Koji Murata; 日吉　広行; Hiroyuki Hiyoshi; 広行日吉
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: JP7009963B2

Abstract

【課題】電力変換装置の冷却装置の配管や継手の腐食を抑制する。【解決手段】内部に冷却液が循環される流路を有するヒートシンク５を備える冷却装置４である。冷却装置４は、電力変換装置１の半導体素子２を冷却する。ヒートシンク５に銅管６をろう付け接合し、銅管６の先端に継手７をろう付け接合する。継手７は、銅管６に接合される本体７ａと、継手７に接続される配管８が差し込まれる接続孔７ｃと、本体７ａに備えられた配管８を締め付けるナット７ｂを備える。配管８の一端を、継手７の接続孔７ｃに差し込こみ、ナット７ｂにより本体７ａと配管８をかしめて配管８を継手７に固定する。接続孔７ｃの内部であって、接続孔７ｃに差し込まれた配管８の端面と対向して電食リング１０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却液を循環させる冷却装置に関する。特に、電力変換装置に備えられる冷却装置の漏れ電流腐食対策構造に関する。

図４に示すように、電力変換装置１２には半導体素子１３が設けられ、半導体素子１３のスイッチングに伴い半導体素子１３が発熱する。特に、発熱量が多い半導体素子１３では、水冷式のヒートシンク１４を備える冷却装置１５が採用される。

ヒートシンク１４の内部には、冷却液が流通する流路が設けられる。そして、冷却液が主配水管１６とヒートシンク１４の内部の間で循環され、半導体素子１３等が冷却される（例えば、特許文献１、２）。冷却液は、例えば、電気抵抗率の高い純水や不凍液水が用いられる。

ヒートシンク１４は、冷却性能を考慮して銅等により形成される。ヒートシンク１４には、ステンレス製の竹の子ニップル１７がろう付け等で取り付けられ、竹の子ニップル１７に絶縁性の配管１８が接続される。つまり、ヒートシンク１４の流路と主配水管１６は、絶縁性の配管１８と竹の子ニップル１７、１９を介して接続される。

ヒートシンク１４には半導体素子１３が取り付けられるため、竹の子ニップル１７の先端部分に電気回路電圧（通常は、５００Ｖ以上の電圧）が印加される。主配水管１６は、接地されており、電位差により水路に漏れ電流が発生する。そのため、印加電圧がかかる竹の子ニップル１７の先端部がイオン化して腐食する電食が発生する。腐食が進むと冷却水漏れなどの故障が発生するおそれがある。

そこで、従来の冷却装置１５では、冷却水が流通する流路内に電食棒２０を備え、電食棒２０を疑似電極棒として腐食させて、他の部材の腐食進行を抑え、保護している。

図５に示すように、ヒートシンク１４には、ステンレス製の電食棒２０が設けられる。図５（ｃ）に示すように、電食棒２０は、ヒートシンク１４内にＯリング２１を取り付けて、ねじ止めにてヒートシンク１４に固定される。電食棒２０は、ヒートシンク１４の流路内から、絶縁性の配管１８まで延在している。

絶縁性の配管１８の長さＬ（ｃｍ）は、回路電圧Ｖ（Ｖ）と冷却液の電気抵抗率（水比抵抗）Ｂ（Ω・ｃｍ）から式（１）により求められる。式（１）において、Ａは、絶縁性の配管１８の流路断面積（ｃｍ²）、Ｉｗは、漏れ電流（Ａ）である。
Ｌ＝（Ｖ・Ａ）／（Ｂ・Ｉｗ） …（１）
また、電食棒２０の電食量Ｇ（ｇ）は、漏れ電流Ｉｗ（Ａ）から式（２）により求められる。式（２）において、Ｍは、電食棒２０の電気化学当量（ｇ／Ａ・ｈ）、Ｈは、通電時間（ｈ）、ｋは、周波数係数である。電食棒２０の電食量Ｇに基づいて、電食棒２０の長さが決められる。
Ｇ＝Ｍ・Ｉｗ・Ｈ・ｋ …（２）
電食棒２０は、通常定期交換部材であり、絶縁性の配管１８を透明とすることで、定期点検にて、電食棒２０の腐食状況が確認される。

また、特許文献２では、電食棒を取り付けることなく電食を防止する構造が提案されている。具体的に説明すると、半導体素子のアノード側およびカソード側に電極を設け、カソード側の電極に冷却水を流通させるとともに、アノード側電極には冷却水を流通させないようにして、電食が発生しないようにしている。しかし、この構造は、平形の半導体素子には、適用可能であるが、モジュール型の半導体素子では底面にヒートシンクを取り付ける必要があるため、適用することが困難となるおそれがある。

特開２００３−１３４８２３号公報特開平１０−３３５７２７号公報

電食棒をヒートシンクに設けた場合、電食棒の接続部分（例えば、ねじ止め構造）において、水密性の信頼性が低下するおそれがある。

また、万が一電食棒が配管の内面に当たると、配管を傷つけるおそれや、配管の傷から水漏れするおそれがある。また、配管内に電食棒を備えることで、水路圧力損失が大きくなる。

また、電食棒をヒートシンク内の流路と水密性を確保して取り付ける必要があるので、電食棒の取付けや交換に時間を要するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電力変換装置の冷却装置の配管または継手の腐食を抑制する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明の冷却装置の一態様は、
電力変換装置を冷却する液冷式のヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接続される第１配管と、
前記第１配管に備えられる継手と、
前記継手に差し込んで取り付けられる第２配管と、
前記継手の前記第２配管が差し込まれる接続孔内であって、当該接続孔に差し込まれた前記第２配管の端面と対向して備えられる電食リングと、を備えたことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の冷却装置の他の態様は、上記冷却装置において、
前記第１配管と前記第２配管により形成される管路に一対の止水バルブを備え、
前記継手が、前記一対の止水バルブ間に備えられた、ことを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置は、上記いずれかの冷却装置を備えている。

以上の発明によれば、電力変換装置の冷却装置の配管または継手の腐食を抑制することができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る電力変換装置の要部断面図、（ｂ）冷却装置に備えられるヒートシンクに接続される配管を示す図である。（ａ）電食リングの正面図、（ｂ）電食リングの側面図である。本発明の実施形態に係る電力変換装置の他例の要部断面図である。従来技術に係る電力変換装置の要部側面図である。（ａ）ヒートシンクに備えられた電食棒を示す上面図、（ｂ）ヒートシンクに備えられる電食棒を示す図、（ｃ）ヒートシンクに備えられた電食棒を示す横断面図である。

本発明の実施形態に係る冷却装置および電力変換装置について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る電力変換装置１は、半導体素子２等により構成される電力変換回路３と、半導体素子２等の発熱部品を冷却する冷却装置４を備える。

冷却装置４は、内部に冷却液が循環される流路を有するヒートシンク５を備える。冷却液としては、例えば、電気抵抗率の高い純水や不凍液水が用いられる。

ヒートシンク５には、銅管６がろう付け接合され、銅管６の先端には、継手７がろう付け接合される。継手７には、絶縁性の配管８が接続される。ヒートシンク５は、銅管６、継手７、配管８を介して主配水管（図示せず）に接続される。図１（ｂ）に示すように、ヒートシンク５には、冷却液が流入する側の流路と、冷却液が流出する側の流路にそれぞれ銅管６や継手７等が備えられる。図中の矢印は、冷却液の流れる方向を示している。

図１（ａ）に示すように、継手７は、銅管６に接合される本体７ａと、本体７ａに備えられた配管８を締め付けるナット７ｂを備える。継手７は、耐食性を考慮して、例えば、ステンレス等により形成される。

継手７の本体７ａには、配管８が差し込まれる接続孔７ｃが形成される。接続孔７ｃの奥は、配管８の端面と対向する端部７ｄが形成されている。つまり、継手７は、銅管６と連通する銅管６側の流路と、銅管６側の流路と連通し、配管８が備えられる流路を備える。さらに、本体７ａの接続孔７ｃが形成された部分の外周部には、ねじが形成されており、このねじにナット７ｂが取り付けられる。また、接続孔７ｃの内周面と配管８の外周面との間には、フェルール等のシール材９が備えられる。

配管８は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン製のチューブである。配管８の一端は、継手７の接続孔７ｃに差し込まれて備えられる。接続孔７ｃの内部であって、接続孔７ｃに差し込まれた配管８の端部には、電食リング１０が備えられる。すなわち、電食リング１０は、継手７の接続孔７ｃ内であって、接続孔７ｃの奥の端部７ｄと配管８の端面の間に、配管８の端面と対向して備えられる。

図２に示すように、電食リング１０は、ステンレス等により形成された環状の部材である。電食リング１０の大きさは、電食リング１０の電食量Ｇに応じて定められる。つまり、配管８の長さＬを決めることで、式（１）から漏れ電流Ｉｗが算出される。そして、算出された漏れ電流Ｉｗや電食リング１０の電気化学当量Ｍ等を式（２）に代入して、電食リング１０の電食量Ｇが算出される。この電食量Ｇに応じて、電食リング１０の大きさが定められる。このように、冷却装置４の使用期間において想定される電食リング１０の電食量Ｇを算出して、電食リング１０の大きさを定めることで、電食リング１０の定期交換が不要となる。もし、電食リング１０の電食が想定を超えた場合は、電食リング１０の定期交換が行われる。

継手７に配管８を接続する際、継手７の接続孔７ｃに電食リング１０を入れて、接続孔７ｃに配管８を差し込む。そして、ナット７ｂにより継手７の本体７ａと配管８をかしめて、継手７に配管８が固定される。電力変換回路３に電圧（例えば、通常は、５００Ｖ以上）が印加されて漏れ電流が流れると、電食リング１０が疑似電極として腐食し、継手７の先端部等の管内の腐食進行が抑えられ、保護される。なお、電食リング１０と継手７を構成する材料が同じであったとしても、電位の先端部（接地されている主配水管に近い冷却液と接触している端部）に備えられた電食リング１０の方が先に腐食し、継手７の先端部等の腐食進行が抑制される。

以上のような、本発明の実施形態に係る冷却装置４および電力変換装置１によれば、継手７内部に電食リング１０を備えることで、冷却装置４の流路内（銅管６や継手７等）の腐食（電食）を抑制することができる。

また、電食リング１０が腐食しても、継手７部分の水密性は確保されているので、継手７部分の水密性を損なうことなく、電食対策を施すことができる。すなわち、電食リング１０を継手７の水密性に影響を与えない部分に備えることで、電食リング１０が腐食しても継手７部分の水密性を確保することができる。

また、継手７の接続孔７ｃに電食リング１０を入れるだけで、簡単に電食リング１０を備えることができるので、電食リング１０の取付時間や継手７の組立時間を短縮することができる。また、電食リング１０の交換作業も容易となる。さらに、電食リング１０が環状であることで、従来のように電食棒を冷却液の流路に備えた場合と比較して、冷却液の流路の圧力損失を著しく低減することができる。

また、図３に示すように、継手７の前後の配管（銅管６や配管８）に止水バルブ１１ａ、１１ｂを備えると、継手７部分の冷却液の流れを止めることが可能となる。つまり、止水バルブ１１ａ、１１ｂを閉じることで、継手７が容易に着脱でき、電食リング１０の交換がさらに容易となる。

以上、具体的な実施形態を示して本発明の冷却装置および電力変換装置について説明したが、本発明の冷却装置および電力変換装置は、実施形態に限定されるものではなく、その特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更されたものも、本発明の技術的範囲に属する。

例えば、実施形態の説明では、ヒートシンク５の冷却液が流出する側の銅管６に電食リング１０を備えた態様について説明したが、電食リング１０は、ヒートシンク５の冷却液が流入する側の銅管６に備える態様とすることもできる。

また、実施形態の説明では、半導体素子２を冷却するヒートシンク５を備える冷却装置４を例示しているが、本発明の冷却装置を、水冷式変圧器やリアクトルの冷却装置に適用することもできる。

１…電力変換装置
２…半導体素子
３…電力変換回路
４…冷却装置
５…ヒートシンク
６…銅管（第１配管）
７…継手
７ａ…本体、７ｂ…ナット、７ｃ…接続孔、７ｄ…端部
８…配管（第２配管）
９…シール材
１０…電食リング
１１ａ、１１ｂ…止水バルブ

Claims

電力変換装置を冷却する液冷式のヒートシンクと、
前記ヒートシンクに接続される第１配管と、
前記第１配管に備えられる継手と、
前記継手に差し込んで取り付けられる第２配管と、
前記継手の前記第２配管が差し込まれる接続孔内であって、当該接続孔に差し込まれた前記第２配管の端面と対向して備えられる電食リングと、を備えたことを特徴とする冷却装置。
前記第１配管と前記第２配管により形成される管路に一対の止水バルブを備え、
前記継手が、前記一対の止水バルブ間に備えられた、ことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
請求項１または請求項２に記載の冷却装置を備えた、電力変換装置。