JP5719675B2

JP5719675B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5719675B2
Application number: JP2011100385A
Authority: JP
Inventors: 雅之広田; 敏井堀; 山崎　正; 正山崎; 晃嗣濱埜; 佐藤　幸一; 幸一佐藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2012235547A

Description

本発明は、例えばポンプ用のモータ等に電力を供給する電力変換装置の冷却構造に関する。

電力変換装置では、主回路半導体を搭載した基板３と呼ばれるパワー半導体で発生する損失による発熱を空冷、水冷等で放熱している。この冷却方法や冷却技術の対策には、冷却フィン等を用いて対策する工夫があり、例えば、特許文献１に開示されている。

また、半導体の熱疲労に関しては、一般的にはパワーサイクル寿命として知られ、半導体内のアルミワイヤ接合部寿命を延ばす工夫とともに、利用者としては半導体に余裕を持たせ半導体の接合部の温度が上昇を防ぐ工夫をしながら使用することが、例えば、非特許文献１に開示されている。

特開平６−３８５４６号公報

富士時報Vol.74 No.2 2001「パワー半導体モジュールにおける信頼性設計技術」

電力変換装置において、主回路半導体を搭載した基板の冷却は、冷却フィンを設けるとともに冷却ファンを用い空冷にて冷却を行う方法や水冷ジャケットを用いて水冷にて冷却する方法が一般的に行われている。
しかし、空冷の場合、冷却フィンの包絡体積に大きなスペースが必要となり、さらに、冷却ファンを用いるために、冷却ファンの取付スペースや放熱のための適当な空間が必要であり、かつ、冷却ファンの電源も考慮することが必要となる。
また、水冷ジャケットを用いる場合には、一般的には水冷ジャケットで基板に搭載された主回路半導体で発生した熱を吸熱し、その熱を放熱部に異動させて放熱を行うために冷却水が必要となり、その冷却水を流動させるための専用のポンプが必要となるとともに、放熱部の冷却のための仕組みも必要となる。

また、ポンプ用モータに用いる電力変換装置の設置場所は、ポンプ用モータとは別に設けられることが一般的であり、そのための設置スペースも必要となるため電力変換装置をなるべく小型化することが望ましい。

また、水冷ジャケットを水冷装置として用いる場合において、一般的には水冷ジャケット内を通過する冷媒の量は一定であるため、冷媒を流動させるポンプの運転も一定とすることが一般的となっている。即ち、水冷ジャケット内を通過する量が常に最大負荷時に放熱できるように設定されている為、軽負荷時においてはポンプにより水冷ジャケットに供給される水量が過剰となっており無駄が大きい。

また、主回路半導体を動作させることで温度が上がり、元の温度に戻るまでの温度差が大きいほど、また元の温度に戻るまでの時間が早いほど、内部部品の線膨張係数の差により、内部部品間に存在する半田層等に応力歪みが生じる。一般的には、この応力歪を小さくするためには、必要とする半導体容量より大きなものを使用し発熱を抑えることが行われている。このため、必要以上に製品が大きくならざるを得ない。

また、ポンプで使用されるモータを設置する場所は、湿度が高く、結露が発生し易い場所が多い。このため、電力変換装置は、基板にワニスを塗布する等、結露対策のために基板を密閉盤に収納する必要があるため、電力変換装置が大型化する傾向にあるとともに、価格も上昇する傾向にあった。

本発明の目的は、ポンプ用モータに使用する電力変換装置において、電力変換用半導体の効率の良い冷却を行いつつ小型化等を実現する技術、製品を供給することにある。

本発明の他の目的は、発熱量や周囲温度に合わせて、水量を可変し、適切な負荷状態にすることができる技術、製品を提供することにある。

本発明の他の目的は、適切な半導体容量を使用できるようにし、小型化を実現できる技術、製品を供給することにある。

本発明の他の目的は、結露対策を行いながら、小型化、低価格化が図れる電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決する為、例えば、主回路素子と、前記主回路素子に取り付けられた水冷装置と、を備えるポンプに取り付けられたモータを駆動させる電力変換装置であって、前記主回路素子に取り付けられた水冷装置を備え、前記水冷装置は前記ポンプにより供給される流体を冷媒とし、前記水冷装置は前記主回路素子の発熱状況に応じて前記ポンプより供給される冷媒の量を調整するようになっているとの構成をとる。

本発明によれば、水冷用モータに使用される電力変換装置を小型化することができる。

また、本発明によれば、発熱量等に応じて冷却装置は供給する水量を調節するようにポンプを効率的に駆動させることができる。

また、本発明によれば、適切な半導体容量を備えた電力変換装置を提供することができる。

また、本発明によれば、結露対策を行いつつ、従来に比べ、小型化及び低価格化を実現した電力変換装置を提供することができる。

また、本発明によれば、水冷ジャケットの温度を適切な温度に調整することにより、結露の発生を低減することができる。

本発明にかかる電力変換装置をモータに取り付けた一例である。本発明にかかる電力変換装置をモータに取り付けた一例である。実施例１における水冷ジャケットの上面図である。実施例１にかかる電力変換装置の機能ブロック図である。実施例２における水冷ジャケットの上面図である。（a）は実施例３にかかる水冷ジャケットの上面図であり、（b）は実施例３にかかる水冷ジャケットの側面図である。実施例３にかかる電力変換装置の機能ブロック図である。実施例４にかかる水冷ジャケットの上面図である。実施例４にかかる電力変換装置の機能ブロック図である。実施例５にかかる電力変換装置の機能ブロック図である。実施例６にかかる水冷ジャケットの上面図である。実施例６にかかる電力変換装置の機能ブロック図である。

以下、本発明による電力変換装置について、図示の実施例により詳細に説明する。

図１は、本発明による電力変換装置を具体化した場合の一例である。これらの図において、１はポンプ用モータ、２は電力変換装置、３は電力変換装置２に備えられた主回路半導体が搭載された基板、４は基板３に取り付けられている水冷ジャケットを示す。水冷ジャケット４は、ポンプ用モータ１と基板３の間に配置されるようになっている。本実施例においては、水冷ジャケット４は、電力変換装置２の一部品であるが、ポンプ用モータ１の部品として構成してもよい。また、水冷ジャケット４をポンプ用モータ１及び電力変換装置２の夫々に着脱可能な独立した部品として構成してもよい。電力変換装置２は、図１に示すようにモータ１の端子を兼ねるようになっている。また、図２に示すように端子箱７に収納することとしてもよい。このように構成することで電力変換装置２を設置した際の寸法を小さくすることができる。

モータ１の可変速は、電力変換装置２が周波数変換することにより行われる。その際に、基板３に搭載された主回路半導体等より損失が発生し、それが水冷ジャケット４に熱伝導にて伝わる。水冷ジャケット４の中には、図示しないポンプで揚水した冷媒が入口５から筐体２０内に供給されるようになっており、その冷媒に主回路半導体から伝わった熱が伝達され、出口６から排出されるようになっている。
電力変換装置２の冷却に空冷の冷却装置を用いる場合には放熱上の制約があるため、取付方向が決まってしまうが、本発明においては冷却装置として水冷式の水冷ジャケット４を用いるため、取付方向は問わないで電力変換装置に取り付けることができるため、設置スペースを有効利用することができ、ひいては、電力変換装置の小型化を図ることができる。以下において図面を用いて水冷ジャケット４の詳細な構造の一例について説明する。

水冷ジャケット４は、例えば、銅やアルミ等の熱伝導性の高い金属で作られている。図３に示すように、水冷ジャケット４の筐体２０内には、その内部を蛇行する溝２１が形成されており、溝２１の両端部には、水冷ジャケット４内に冷媒が流入する入口５及び水冷ジャケット４内から冷媒が排出される出口６が備えられている。溝２１の端部２１Ａには、入口側調整弁１０を備えた配管２２が接続されており、入口側調整弁１０は、水冷ジャケット４に流入する水の量を調整するようになっている。端部２１Ａと入口側調整弁１０の間には、水冷ジャケット４に流入する水の温度を計測する入口側温度センサ１２が備えられている。

また、溝２１の端部２１Ｂには、出口側調整弁１１を備えた配管２３が接続されており、出口側調整弁１１は水冷ジャケット４から排出される冷媒の量を調整するようになっている。端部２１Ｂと出口側調整弁１１の間には、水冷ジャケット４より流出する水の温度を計測する出口側温度センサ１３が備えられている。
この水冷ジャケット４に対しては、ポンプ用モータ１により駆動される図示しないポンプから冷媒が圧送されるようになっており、ポンプから圧送されてくる冷媒は、入口４から水冷ジャケット４内に入り溝２１を通過した後に出口５から水冷ジャケット排出される。そして、冷媒は溝２１を通過する際に主回路半導体等で発生した熱を吸収し、冷媒ジャケット４の外部に運び去るようになっている。
ポンプ用モータ１が接続された図示しないポンプに接続される流水管に高度差がある場合には、出口６に接続される流水管よりも高度の高いところに位置する流水管を入口５に接続することにより、同様の効果を得ることができる。

図４に示すように電力変換装置２には制御部１５が備えられており、制御部１５は、入口側調整弁１０、出口側調整弁１１、入口側温度センサ１２、出口側温度センサ１３及び周囲温度センサ１４を制御するようになっている。即ち、制御部１５は、入口側調整弁１０、及び出口側調整弁１１の開閉を制御するとともに、入口側温度センサ１２、出口側温度センサ１３及び周囲温度センサ１４の検出結果を受信するようになっている。

以下において、図面を用いて水冷ジャケット４を用いた基板３等の冷却について説明する。
まず、出口側温度センサ１３で出口６付近の冷媒の温度を計測する。制御部１５は、出口側温度センサ１３により計測した温度が制御部１５内に予め記憶されている規定値より大きい場合は、出口側調整弁１１を開放し、水冷ジャケット４内に供給される冷媒の量を増加させるようになっている。一方、制御部１５は、出口側温度センサ１３により計測した冷媒の温度が制御部１５内に記憶されている規定値より小さい場合は、出口側調整弁１１を絞り、水冷ジャケット４内の水量を減少させる。
このように、出口温度センサ１３の計測結果を利用して水冷ジャケット４内に給水する量を調整することでポンプによる送水系の供給エネルギーの無駄を低減することができる。また、水冷ジャケット４の取水量を調整することで電力変換装置２の冷却が必要な時には給水量を増やし、冷却が不要の時には、給水量を増やすことでポンプから揚水した流体を必要以上に使用しないことにより、圧力低下を防ぐことができる。
また、ポンプで揚水した冷媒の一部、又は全部を水冷ジャケット４に流すことにより、水冷ジャケット４内に冷媒を搬送するための装置をわざわざ設ける必要が無くなり、電力変換装置２の構造の簡素化、製造工程の削減及び製造コストの低減を図ることができる。
また、主回路素子３等で発生した熱は、水冷ジャケット４内の流体に熱伝達され、流体の温度は上昇することになるが、水冷ジャケット４の流体はポンプより常に圧力をかけられているので、水冷ジャケット４の外に流出してしまうことから、他に放熱部を設け、放熱を行う必要は無くなる。よって、電力変換装置２の小型化、設置スペースの有効利用、及び放熱部を設ける必要がなくなることによる製造コストの低減も図ることができる。

以下において、図面を用いて本実施例について説明する。以下の説明においては、実施例１と異なる部分を中心に説明し、同一の部分については説明を省略するものとする。他の実施例においても同様とする。

実施例１においては、水冷ジャケット４の出口６に備えられた出口側温度センサ１３の計測結果に応じて水冷ジャケット４の出口側調整弁１１の開閉を調整することとしたが、本実施例の図５に示すように、出口側温度センサ１３と水冷ジャケット出口側調整弁１１に代えて出口側調整弁１１の配置されている位置にサーモスタット弁１６を配置することとしてもよい。

サーモスタット弁１６は入口側調整弁１０及び入口側温度センサ１２の機能を備えるものである。サーモスタット弁１６を用いる場合においては、サーモスタット弁１６が水冷ジャケット４の出口６付近の水温が規定値以上になったことを検知した場合は、流水量を増やすように弁を開放する。一方、サーモスタット弁１６で水冷ジャケット４の出口６付近の水温が規定値以下となったことを検知した場合は、弁を絞り、水冷ジャケット４内の水量を減少させるようになっている。このように、サーモスタット弁１６を用いた場合においても、実施例１の場合と同様の効果である、水冷ジャケット４内に給水する量を調整することでポンプによる送水系の供給エネルギーの無駄を低減等の効果を実現することができる。

本実施例においては、図６に示すように水冷ジャケット４の主回路半導体を搭載した基板３への取付面１７の温度を測定するために基板３に取付面温度センサ１８を搭載されており、図７に示すように制御部１５は取付面温度センサ１８を制御するようになっており、制御部１５は取付面温度センサ１８により計測された冷媒の温度の計測結果を取得するようになっている。
制御部１５は、取付面温度センサ１８で計測した取付面１７の温度と、出口側温度センサ１３が測定した出口６付近の冷媒の温度を比較する。取付面温度センサ１８で計測した温度が出口側温度センサ１３により計測し冷媒の温度よりも所定値以上大きい場合は、出口側調整弁１１を開放し、水冷ジャケット４内の水量を増加させるようになっている。
一方、取付面温度センサ１８で計測した温度が出口側温度センサ１３により計測し冷媒の温度よりも所定値に満たない程度しか高くない場合は、出口側調整弁１１を絞り、水冷ジャケット４内の水量を減少させるようになっている。

このように取付面１７の温度と出口６付近の冷媒の温度差が小さくなるように、入口５からの取水量を調節することにより、電力変換装置２の主回路半導体を搭載した基板３に発生する熱応力を減少させることができる。

また、水冷ジャケット４の電力変換装置２への取付面１７と出口６の温度を測定し、水冷ジャケット４に流れる水量を調整することにより、ポンプで送水系の供給エネルギーを無駄にしないよう、冷却に必要な量だけを取水することとなり、ポンプによる送水系の供給エネルギーを無駄にしないよう、冷却に必要な量だけを取水することができる。

水冷ジャケット４により基板３等を冷却するにあたっては、水冷ジャケット４の取付面１７の温度と出口６の温度の差がなるべく小さいことが望ましく、理想的には水冷ジャケット４の取付面１７の温度と出口６の温度の差が０であることが望ましい。

本実施例においては、図８に示すように水冷ジャケット４の入口４に流水計１９が取り付けられており、入口４を通過する冷媒の量を計測できるようになっている。また、図９に示すように制御部１５は流水計１９を制御するようになっており、制御部１５は流水計１９で計測された冷媒の流量を取得するようになっている。

電力変換装置２の運転によって発生する主回路半導体を搭載した基板３の発熱量は、演算により予測できるため、その発熱量を基に下記の（数１）を用いることにより、水冷ジャケットに流す必要がある水量だけを推定し、必要に応じ、その水量分もポンプに対し、水量を増やすよう運転することにより、本冷却方式による、ポンプの必要仕事量を調整することができる。
（数１）・・・Ｗ＝0.278×Ｃ×ｄ×Ｖ×ΔＴ
Ｗ：発熱量
Ｃ：比熱
ｄ：密度
Ｖ：流水量
ΔＴ：温度上昇値
比熱Ｃ及び密度ｄは物性値であるので、図示しない入力装置でポンプで圧送される冷媒の種類を電力変換装置２に入力すると、制御部１５において冷媒の種類に応じて比熱Ｃ及び密度ｄが決定される。ΔＴは、入口側温度センサ１２と出口側温度センサ１３の温度差即ち、出口側温度センサ１３の検出値から入口側温度センサ１２の検出値を引いた値である。流水量は図８に示すように入口５付近に設けられた流水計１９により計測された値である。これらの値に基づいて、上記式１を用いて発熱量Ｗを算出するものである。また、制御部１５には、例えば発熱量に応じた入口側調整弁１０の開放の程度が規定されたテーブルが格納されており、制御部１５は、式１で算出された発熱量に応じて入口側調整弁１０を開放するようになっており、水冷ジャケット４内に給水する量を調整することでポンプによる送水系の供給エネルギーの無駄を低減することができる。
ポンプは水冷ジャケット４に水を供給することが主目的ではないので入口側調整弁で水冷ジャケット４への冷媒の供給量を調整すると考えました。
誤っていましたら修正をお願いします。

ポンプ用モータ１は、湿度が高い場所に設置されることが多い為、周囲との温度差により結露が発生しやすい。そのために、水冷ジャケット４は単に電力変換装置２を冷却するだけではなく、結露の発生を低減させる必要がある。結露の発生を低減させるための実施例につき以下に説明する。

本実施例においては、図１に示すようにポンプ用モータ１のフィン３０のいずれの部分にフィン周囲温度センサ１４が備えられており、制御部１５は、図１０に示すようにフィン周囲温度センサ１４を制御するようになっており、制御部１５はフィン周囲温度センサ１４で計測されたフィン３０の周囲の気温を取得するようになっている。

まず、出口側温度センサ１３とフィン温度周囲センサ１４において出口６の温度とフィン３０の周囲の気温を計測する。次に、制御部１５は出口側温度センサ１３で計測した冷媒の温度とフィン周囲温度センサ１４で計測したフィン３０の周囲の気温の差を比較する。ここにおいて、制御部１５には、フィン周囲温度センサ１４で計測した温度の方が出口側温度センサ１３で計測した温度の差が規定値以上である場合に、その差に応じた出口側調整弁１３の開放の程度が規定されたテーブルが格納されている。

フィン周囲温度センサ１４で計測した温度の方が出口側温度センサ１３で計測した温度より高く、その差が規定値以上である場合には、制御部１５は、図示しないテーブルに規定された出口側調整弁１３の開放の程度にするために、出口側調整弁１３を所定の程度絞る。その結果、水冷ジャケット４内の冷媒の流量は減少し、水冷ジャケット４の温度が上昇することで結露の発生を低減するものである。

結露の発生を低減する他の実施例について説明する。本実施例においては、図１１に示すように、水冷ジャケット４内の溝２１の端部２１Ａ付近にヒータ１６が配置されており、図１２に示すように制御装置１５はヒータ１６を制御するようになっている。

本実施例においては、まず、出口側温度センサ１３とフィン温度周囲センサ１４において出口６の温度とフィン３０の温度を計測する。次に、出口側温度センサ１３とフィン周囲温度センサ１４においてそれぞれ比較した温度差を制御部１５において比較する。フィン周囲温度センサ１４で計測した温度の方が出口側温度センサ１３で計測した温度より高く、その差が規定値以上である場合には、水冷ジャケット４内の溝２１の端部２１Ａ付近に配置されたヒータ１６を駆動させて出口６付近の水温を上昇させてフィン３０の周囲の温度に近づけることによっても結露の発生を抑制することができる。

１…ポンプ用モータ、２…電力変換装置、３…主回路半導体、４…水冷ジャケット、５…冷媒の入口、６…冷媒の出口、７…端子箱、１０…入口側調整弁、１１…出口側調整弁、１２…入口側温度センサ、１３…出口側温度センサ、１４…フィン周囲温度センサ、１５…制御部、１６…サーモスタット弁、１７…取付面、１８…取付面温度センサ、１９…流水計、２０…筐体、２１…溝

Claims

主回路素子を搭載した基板と、
前記基板に取り付けられた水冷装置と、を備えるポンプに取り付けられたモータを駆動させる電力変換装置であって、
前記水冷装置では、ポンプにより供給される流体を冷媒とし、前記水冷装置の温度と前記ポンプに取り付けられたモータのフィン周囲の温度との差分と、前記基板の発熱状況とに基づき、前記ポンプにより供給される冷媒の量を調整することを特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記水冷装置の温度は、前記水冷装置に流れる冷媒の出口側の温度であることを特徴とする電力変換装置。
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記水冷装置では、前記ポンプに取り付けられたモータのフィン周囲の温度が前記水冷装置の出口側の温度よりも高く、かつ、前記水冷装置の出口側の温度と前記ポンプに取り付けられたモータのフィン周囲の温度との差分が予め定めた値よりも大きい場合に、前記ポンプにより供給される冷媒の量を減少させることを特徴とする電力変換装置。
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記水冷装置では、前記ポンプに取り付けられたモータのフィン周囲の温度が前記水冷装置の出口側の温度よりも高く、かつ、前記水冷装置の出口側の温度と前記ポンプに取り付けられたモータのフィン周囲の温度との差分が予め定めた値よりも大きい場合に、前記水冷装置の結露を減らすように前記ポンプにより供給される冷媒の量を調整することを特徴とする電力変換装置。