JP5245903B2 - 電力変換装置の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置の冷却システムに関し、特に電力変換装置を構成する閉鎖型電力変換ユニット内の電力半導体を液冷するとともに閉鎖型電力変換ユニット内の空気を冷却するようにした電力変換装置の冷却システムに関する。

電力変換装置は、その電力変換ユニットにて電力半導体を備え、この電力半導体をスイッチング動作させることにより、交流を直流若しくは交流に、または直流を直流若しくは交流に変換している。電力半導体は、そのスイッチング動作の際に大量の発熱をするので、そのような熱を放熱して電力半導体を冷却する必要がある。

特に密閉された筐体構造を有する閉鎖型電力変換ユニットでは、電力半導体が発熱した熱を装置外部に導いて放散させることにより電力半導体を冷却し、電力変換ユニット内の空気に放熱された熱については、これを吸熱フィンで吸熱することにより電力変換ユニット内の空気を冷却するものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

このような閉鎖型電力変換ユニットでは、装置外部に設置された放熱器との間で液体の冷媒を通流させるようにした冷却体を備え、その冷却体に電力半導体を搭載している。電力半導体が発熱した熱は、冷却体を通流する冷媒によって装置外部へ導出され、外部に設置された放熱器により放散され、これによって、電力半導体が冷却されている。

また、電力半導体の発熱量は、電力変換装置の出力に応じて変化するので、電力変換装置の出力電力が低いときには、電力半導体が過剰に冷却されることになる。これに対し、電力半導体を過剰に冷却することのない冷却システムが知られている（たとえば、特許文献２参照）。この冷却システムによれば、電力半導体の発熱量に応じ、冷媒を循環させているポンプの回転数を制御するようにして、電力半導体の冷却を適正に行うようにしている。

一方、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気は、その温度が電力半導体を駆動および制御する電子部品の発熱によって昇温される。電子部品およびこれを組み込んだ電子回路は、その周囲温度がメーカ推奨温度以上になると、電気的に誤動作する場合がある。また、プリント配線板と電子部品を接合するはんだは、プリント配線板と電子部品との熱膨張率の違いにより、周囲温度の変化によるストレスを受け、はんだクラックに至ることが知られている（たとえば、特許文献３参照）。はんだ部に掛かるストレスは、温度変化の大きさ、温度変化の繰り返し数の多さが影響する。

閉鎖型電力変換ユニットにおいては、その内部の空気の温度が外部の空気温度より高くなると、内部の熱が筐体を貫通して外部へ伝わる熱通過現象によって自然に放熱され、冷却される。しかし、その熱通過による放熱量は、一般に少なく、また、ファンにより内部の空気を強制対流させても筐体への熱伝達率を大幅に向上させることも困難である。これに対し、特許文献１の関連技術では、電力変換装置の内部にて空気を強制対流させているファンは、強制対流の空気を、冷却体に熱的に接続した冷却フィンに当てる構成にしている。これにより、発熱電子部品が空気中に放熱した熱は、一度、冷却フィンによってより効率よく集熱され、その熱は、電力半導体の冷却体に移動され、さらにその冷却体から電力変換装置の外部に移送されて放熱されることになる。

特開２００８−６０５１５号公報 特開２００８−１３０７９１号公報 特開２００７−７３９９１号公報

しかしながら、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニットにおける電力半導体の発熱量に比べて他の電子部品の発熱量が非常に少ないために、実質的に電力半導体の発熱量に対応した放熱を行うようにしていることから、電力変換装置がその最大出力での運転を長時間継続すると、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度の十分な放熱が行われなくなり、内部の空気温度が電子部品の推奨周囲温度以上になる場合があるという問題点があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、閉鎖型電力変換ユニットの内部の空気温度が所定値を超えることがないようにした電力変換装置の冷却システムを提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、前記電力半導体が搭載される冷却体と、外部に設置された放熱器と、前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を検出する温度センサと、前記温度センサで検出した空気温度と設定温度とから回転数指令値を演算する回転数指令回路と、前記回転数指令回路の出力を指令値として前記電動機付きポンプの回転数を駆動制御する電動機制御回路と、を備え、前記電動機付きポンプの回転数が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システムが提供される。

このような電力変換装置の冷却システムによれば、閉鎖型電力変換ユニット内の空気中に放熱される熱量が熱通過により筐体から外部に自然放熱する熱量を超えて内部空気の温度が高くなると、循環する冷媒の量を増やすように調節する。これにより、冷却体の温度を低下させ、これに熱的に接続された吸熱器の吸熱量を増やすことで、閉鎖型電力変換ユニット内の空気の温度を低下させ、空気の温度が所定値を超えることがないようにしている。

上記構成の電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度に応じて電動機付きポンプの回転数を制御し、放熱器を流れる冷媒の流量を増やして、冷却体の温度を低下させ、吸熱器の吸熱量を増やすようにしたので、閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を電子回路の許容温度以下であって、ほぼ一定に保つことができ、電子回路の誤動作を防止するとともに、プリント配線板および電子部品の実装に使用するはんだの劣化を防止し、信頼性の向上と長寿命化を図ることができるという利点がある。

また、閉鎖型電力変換ユニットが低出力で運転しているときは、閉鎖型電力変換ユニット内部に放熱される熱が少なくなるため、ポンプ電動機の回転数を低くすることができ、省電力化を図ることができる。

第１の実施の形態に係る電力変換装置およびその冷却システムを示すブロック図である。 回転数指令回路の構成例を示す図である。 第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図である。 電動機制御回路の第１の構成例を示す図である。 電動機制御回路の第２の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は第１の実施の形態に係る電力変換装置およびその冷却システムを示すブロック図、図２は回転数指令回路の構成例を示す図である。

電力変換装置は、閉鎖型電力変換ユニット１０によって構成され、その閉鎖型電力変換ユニット１０は、電力半導体１１および電力変換器制御回路１２を備えている。電力半導体１１は、これをスイッチング動作させることにより電力の変換が行われる電力変換器を構成するもので、電流を通電したときの電力損失により大量の熱を発生する。電力変換器制御回路１２は、マイクロコンピュータを有し、そのような電力半導体１１を含む電力変換器の出力を所望の値に制御する電子部品によって構成されている。

冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の中に、電力半導体１１を搭載する冷却体２０と、この冷却体２０にたとえばヒートパイプによって熱的に接続された吸熱フィン（吸熱器）２１と、この吸熱フィン２１に対して閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の循環空気を送風するファン２２とを備えている。閉鎖型電力変換ユニット１０の外部には、放熱器２３が備えられ、冷却体２０との間で冷媒が循環するように配管２４および電動機付きポンプ２５が設けられている。また、冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出する温度センサ２６を備え、この温度センサ２６の出力は、回転数指令回路２７の入力に接続されている。その回転数指令回路２７の出力は、電動機制御回路２８の入力に接続され、その出力は、電動機付きポンプ２５を駆動制御するように接続されている。

回転数指令回路２７は、図２に示したように、回転数調節回路２９と温度設定部３０とを有し、回転数調節回路２９は、温度センサ２６の出力と温度設定部３０の温度設定値とを入力し、温度センサ２６による検出温度が温度設定部３０によって設定された空気温度になるような回転数指令を電動機制御回路２８に出力する。電動機制御回路２８は、たとえば比例積分調節器を有し、回転数調節回路２９より与えられた回転数指令値と実際の回転数検出値との偏差をゼロにするような比例積分動作の信号を発生し、電動機付きポンプ２５を駆動制御する。

つまり、電力変換装置の冷却システムは、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度を検出して、検出した空気温度が設定した空気温度に一致するように、閉鎖型電力変換ユニット１０が内蔵する冷却体２０に循環させる冷媒の量を制御している。次に、以上の構成により、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度が所定値に保たれるようになる理由について説明する。

電力半導体１１の冷却は、電力半導体１１が発生した熱を冷却体２０に移動させ、その冷却体２０から循環する冷媒に移動させることで行う。冷媒に移動された熱は、冷却体２０から電動機付きポンプ２５によって循環され、外部に設置された放熱器２３まで移送されてそこから外部に放散される。

冷却体２０の温度は、冷媒温度に、電力半導体１１の発生損失に冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗を乗じて得た温度を加えた温度となる。
閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気の冷却は、閉鎖型電力変換ユニット１０内の空気をファン２２で循環させ、この循環空気の通路に吸熱フィン２１を設置し、この吸熱フィン２１で空気の熱量を吸熱することによって行われる。吸熱フィン２１で吸熱した熱は、熱的に接続した冷却体２０に移動し、さらに冷媒に移動して外部の放熱器２３で放熱する。

閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度は、回路部品・回路導体から内部に放熱された熱量が、吸熱フィン２１により吸熱される熱量と閉鎖型電力変換ユニット１０の筐体の表面から外部に放熱される熱量の合計と一致したときに熱的に飽和する。

閉鎖型電力変換ユニット１０の内部に放熱される熱としては、電子部品で構成した電力変換器制御回路１２の動作により消費した電力により発生する熱、電力変換器の電流通電により発生する電力半導体１１の周辺部品（たとえばスナバ回路等）や導体での損失により発生する熱、および電力半導体１１自身の温度上昇により表面から放熱される熱等がある。

電力半導体１１の内部で発生する損失による熱の大部分は、電力半導体１１を取り付けた冷却体２０により閉鎖型電力変換ユニット１０の外部に熱移送されて放熱されるが、そのような場合、電力半導体１１による閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気の温度上昇に対する影響は小さい。

また、閉鎖型電力変換ユニット１０の表面から外部への放熱量が小さい場合、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度が飽和したとき、内部に放熱された熱はすべて吸熱フィン２１により吸熱され、冷却体２０に移送されたことになる。よって、内部放熱量に吸熱フィン２１と冷却体２０との間の熱抵抗を掛けて算出した温度が、内部空気と冷却体２０との間の温度差となり、冷却体２０の温度に、この吸熱フィン２１と冷却体２０との間の温度差を加えた温度が、ほぼ空気温度である。すなわち、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部空気温度Ｔａは、冷却体２０の温度をＴｆ、吸熱フィン２１と冷却体２０との間の熱抵抗をＲｔｈ０、発熱部品が空気に放熱して吸熱フィン２１が吸熱した熱量をＱとすると、
Ｔａ＝Ｔｆ＋Ｒｔｈ０×Ｑ・・・（１）
で表すことができる。この式から、内部空気温度Ｔａを調節するためには、冷却体２０の温度Ｔｆを調節すればよいことになる。

冷却体２０の温度Ｔｆは、冷媒温度Ｔｗに冷媒と冷却体２０と間の温度差△Ｔを加えたものであり、冷媒と冷却体２０と間の温度差△Ｔは、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（電力半導体１１で発生する熱量Ｐ＋空気から吸熱フィン２１が吸熱する熱量Ｑ）に冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈを掛けて得られる温度である。閉鎖型電力変換ユニット１０の出力が一定であれば、冷却体２０から冷媒に伝熱される熱量（Ｐ＋Ｑ）は一定であり、通常、吸熱フィン２１による吸熱量Ｑは、電力半導体１１の発熱量Ｐよりも十分に小さい。

一方、冷却体２０と冷媒との間の熱抵抗Ｒｔｈは、単位時間に冷却体２０に流れる冷媒量と伝熱面積Ｓとで定まる。伝熱面積Ｓは、装置によって定まり、一定である。したがって、内部空気温度、すなわち冷却体２０の温度を調節するためには、冷却体２０に流す冷媒量を調節すればよい。ここで、冷却体２０内を流れる冷媒量を調節することは、冷却体２０と冷媒との間の熱伝達率ｈを調節することを意味し、下式が成り立つ。

Ｐ＋Ｑ＝ｈ・Ｓ・△Ｔ・・・（２）
ここで、熱伝達率ｈを調節する具体例としては、電動機制御回路２８は、その比例積分調節器によって、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度が所定値となるように、電動機付きポンプ２５の電動機の回転数を制御する。その結果として、冷却体２０に流す冷媒量が調節されることになり、これによって、冷却体２０と冷媒間の熱伝達率ｈが調節されることになる。すなわち、電動機制御回路２８は、空気温度が設定温度よりも高くなったときは、電動機付きポンプ２５の回転数を高くし、空気温度が設定値よりも低くなったときは電動機付きポンプ２５の回転数を低くするように制御する。

なお、図１の実施の形態では、回転数指令回路２７は、閉鎖型電力変換ユニット１０に内蔵されているが、その外部に設置してもよい。また、電動機制御回路２８は、閉鎖型電力変換ユニット１０の外部ではなく、内部に設置してもよい。

閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度は、ファン２２による空気の循環により、ほぼ均一となる。その空気温度を検出する温度センサ２６は、電子部品を搭載しているプリント回路板の周囲温度または上部温度が測定できるように設置される。

閉鎖型電力変換ユニット１０の内部における空気温度の設定値としては、たとえば、制御回路に搭載されている電子部品等に許容されている周囲温度に余裕を持たせた温度を設定する。具体的には、電子回路の動作保証周囲温度は、４０℃〜６０℃程度が一般的であるので、それ以下の温度に設定するのがよい。これにより、閉鎖型電力変換ユニット１０の内部の空気温度は、所定の設定値を超えることがないように制御することができる。

次に、電力変換装置の冷却システムを多相電動機用の電力変換装置に適用した実施の形態について説明する。
図３は第２の実施の形態に係る電力変換装置の冷却システムを示すブロック図、図４は電動機制御回路の第１の構成例を示す図、図５は電動機制御回路の第２の構成例を示す図である。なお、この図３において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

この電力変換装置１は、互いに独立した複数の単相巻線を有する多相電動機４０を駆動するためのもので、各相を個別に制御するために、複数の閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎを備えている。それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎは、図１に示した閉鎖型電力変換ユニット１０と同じ構成を有している。

この電力変換装置１の冷却システムは、すべての閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの冷却体２０から出ている冷媒導出側の配管および冷媒導入側の配管がそれぞれ纏められて放熱器２３の冷媒入口および電動機付きポンプ２５の冷媒出口に接続されている。

電動機付きポンプ２５を制御する電動機制御回路２８は、図４に示したように、平均回転数指令演算回路３１と、電動機駆動回路３２とを有している。平均回転数指令演算回路３１は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの回転数指令回路２７から出力された回転数指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら回転数指令ａ，ｂ，・・・，ｎの平均値を演算し、指令値として出力する。電動機駆動回路３２は、平均回転数指令演算回路３１から出力された指令値に基づいて、電動機付きポンプ２５を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値に保つように電動機付きポンプ２５の回転数を制御することになる。

また、図５に示す電動機制御回路２８は、最高回転数指令選択回路３３と、電動機駆動回路３２とを有している。最高回転数指令選択回路３３は、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの回転数指令回路２７から出力された回転数指令ａ，ｂ，・・・，ｎを入力し、これら回転数指令ａ，ｂ，・・・，ｎの最大値を指令値として選択する。電動機駆動回路３２は、最高回転数指令選択回路３３から出力された指令値に基づいて、電動機付きポンプ２５を駆動制御することになる。これにより、この電力変換装置１の冷却システムは、それぞれの閉鎖型電力変換ユニット１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎの内部の空気温度が所定値を保つように電動機付きポンプ２５の回転数を制御することになる。

１ 電力変換装置
１０，１０ａ，１０ｂ，・・・，１０ｎ 閉鎖型電力変換ユニット
１１ 電力半導体
１２ 電力変換器制御回路
２０ 冷却体
２１ 吸熱フィン
２２ ファン
２３ 放熱器
２４ 配管
２５ 電動機付きポンプ
２６ 温度センサ
２７ 回転数指令回路
２８ 電動機制御回路
２９ 回転数調節回路
３０ 温度設定部
３１ 平均回転数指令演算回路
３２ 電動機駆動回路
３３ 最高回転数指令選択回路
４０ 多相電動機

Claims (3)

1. 電力半導体を有する電力変換器と、前記電力変換器の出力を所望の値に制御する電力変換器制御回路とを含む閉鎖型電力変換ユニットを備えた電力変換装置の冷却システムにおいて、
   前記電力半導体が搭載される冷却体と、
   外部に設置された放熱器と、
   前記冷却体と前記放熱器との間で冷媒を循環させる電動機付きポンプと、
   前記冷却体に熱的に接続されて前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気の熱を吸熱する吸熱器と、
   前記閉鎖型電力変換ユニット内で空気を循環させるファンと、
   前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサで検出した空気温度と設定温度とから回転数指令値を演算する回転数指令回路と、
   前記回転数指令回路の出力を指令値として前記電動機付きポンプの回転数を駆動制御する電動機制御回路と、
   を備え、前記電動機付きポンプの回転数が前記閉鎖型電力変換ユニット内の空気温度を所定値に保つように制御されることを特徴とする電力変換装置の冷却システム。
2. 前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
   すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
   前記電動機制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットの前記回転数指令回路が出力した回転数指令値の平均値を指令値として前記電動機付きポンプの回転数を駆動制御するようにした請求項１記載の電力変換装置の冷却システム。
3. 前記電力変換装置は、複数の前記閉鎖型電力変換ユニットを備え、
   すべての前記閉鎖型電力変換ユニット内の前記冷却体は、冷媒が循環するように前記放熱器に接続され、
   前記電動機制御回路は、すべての前記閉鎖型電力変換ユニットの前記回転数指令回路が出力した回転数指令値のうちの最高値を指令値として前記電動機付きポンプの回転数を駆動制御するようにした請求項１記載の電力変換装置の冷却システム。

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