JP5723725B2 - 給水装置駆動用電力変換装置、給液装置駆動用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、給水装置駆動用電力変換装置又は給液装置駆動用電力変換装置に関する。

電力変換装置は、産業界をはじめ家電製品にも電動機の速度制御装置として多く採用されている。電力変換装置内のパワー半導体は大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却する構造が採用されている。電力変換装置において冷却を行うに当たっては、冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式によって放熱させているのが一般的である。

しかし、空冷方式では熱交換効率の問題から電力変換装置内の冷却フィンが小型化できず、電力変換装置が大型化するという問題があった。

そこで、例えば、特許文献1には、給水装置であるポンプを通過するときに冷やされた電動機冷却用ファンからの空気が電力変換装置であるインバータ装置に直接接触して、同インバータ装置を十分に冷却することが開示されている。

また、特許文献2には、給水装置であるポンプと、制御装置とを有する制御装置一体型回転機械を複数台並列に設けた給水装置であって、前記制御装置は、前記ポンプに固設されており、前記ポンプを駆動する電力変換装置であるインバータと、前記インバータの制御プログラムおよび前記給水装置の運転制御プログラムを記憶した書き換え可能なメモリと、前記給水装置の各部に配置されたセンサ等と接続する入出力部と、前記書き換え可能なメモリに記憶された運転制御プログラムを設置現場の設備構成に応じた最適なプログラムに書換える手段とを備え、前記書き換え可能なメモリはフラッシュメモリまたはEEPROMであり、前記複数台の制御装置一体型回転機械は前記制御装置を通じて各機械間で無線を用いて通信を行うように構成され、前記複数台の制御装置一体型回転機械のうち、1台が備える制御装置は、前記運転制御プログラムに基づき、ポンプの追加や解列を行う追加解列運転、1つのポンプが少水量により停止したときに次に他のポンプを起動させる交互運転、1つのポンプが故障したときに他のポンプを起動させる故障切替え運転を含む相互協調運転を行わせることが開示されている。

また、特許文献3には、水を加圧して送水する給水装置であるポンプと、該ポンプのケーシングの吸込側および吐出側に接続された配管と、前記ポンプを駆動するモータと、該モータに電力を供給する駆動電源回路と、前記ポンプの運転を制御する電気制御回路とを、一体的にキャビネット内に収容した給水装置において、前記モータと、前記ポンプとを同一の回転軸線上に配置し、前記モータの回転軸の一端にポンプロータが取り付けられ、他端にはファンが取り付けられ、該ファンの回転に伴う気流が前記キャビネット内の冷却された空気を前記駆動電源回路の冷却部に向かうように構成することが開示されている。

特許第3619651号明細書 特許第4381252号明細書 特開2003-21052号公報

給水装置に直結された交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できるようにした電力変換装置内のパワー半導体は大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却する構造が必須となる。冷却フィンと冷却ファンとを備え、発熱体たるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式によって放熱させているのが一般的である。

しかし、空冷方式では熱交換効率の問題から電力変換装置内の冷却フィンは熱を伝導させるための包絡体積が必要となり、冷却フィンおよび冷却ファンが小型化できず、電力変換装置が大型化するという問題があった。

本発明の目的は、冷却構造を小型かすることによって、全体として小型化された電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成する為、例えば、内部に水流管本体を備えるとともに、パワー半導体モジュールが搭載されているとともに、水冷式の冷却フィンと、前記給水装置の吐出口に接続された第１水流管と、交流電動機に直結されている給水装置の流体の吸込口に接続された第２水流管と、両端部に前記第１流水管及び前記第２流水管を夫々備える流水管本体を内蔵しているとともに、パワー半導体を内蔵する複合モジュールに取り付けられている冷却フィンを備え、前記第１流水管より前記流水管本体に液体を流入させ、前記第２流水管より前記給水装置の液体の吸込口に液体を排出するように構成したことを特徴とする前記交流電動機に交流電力を供給するという構造をとる。

本発明によれば、電力変換装置内の発熱体であるパワー半導体からの熱を冷却フィンに熱伝導させ、熱交換効率の良い水で効率よく冷却することができるため、冷却フィンおよび冷却ファンが小型化でき、結果的に電力変換装置も小型にすることができる。

電力変換装置の主回路構成図である。 電力変換装置の主回路部品配置図の一例である。 冷却フィンの水冷構造図の一例である。 ポンプに直結された交流電動機を駆動する電力変換装置を含むポンプシステム構成の一実施例である。 図4におけるポンプに直結された交流電動機を駆動する電力変換装置を含むポンプシステム構成を側面から見た一実施例である。 逆止弁を有するポンプに直結された交流電動機を駆動する電力変換装置を含むポンプシステム構成の一実施例である。 逆止弁を有するポンプに直結された交流電動機を駆動する電力変換装置を含むポンプシステム構成の一実施例である。

以下図面を用いて本発明について説明する。なお、本発明は図示例に限定されるものではない。図1は、本実施例に係る電力変換装置22の主回路構成図を示すものである。1は交流電力を直流電力に変換する順変換器、2は平滑用コンデンサ、3は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、4は交流電動機である。6は順変換器2および逆変換器4を備えるパワー半導体モジュール13を冷却するための冷却ファン14である。

8は電力変換装置22の各種制御データを設定、変更および異常表示が行えるデジタル操作パネルである。7は、後述する冷却フィン14上に搭載され、順変換器2および逆変換器3内のパワー半導体モジュールの加熱を検出する温度検出器である。11はパワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出器であり、シリコンチップの近傍に設けられている。この温度検出器7および11は、温度により抵抗値が変化するサーミスタである。このサーミスタは、温度上昇と共に抵抗値が上昇する特性の物でも、温度上昇と共に抵抗値が減少する特性の物であっても差し支えない。

5は、逆変換器のパワー半導体であるスイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置22全体の制御を司る働きをするもので、マイコンが搭載された制御回路であり、デジタル操作パネル8から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行なえるように構成されている。12は逆変換器のスイッチング素子を駆動するドライバー回路である。電力変換装置22であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

図2は、主回路部品配置図の一例である。順変換器1と逆変換器3と温度センサ7が一個のモジュール内に搭載された集合パワー半導体である複合モジュール13を冷却フィン14に搭載し、冷却フィンを冷却するための冷却ファン6（図中の点線部分）が冷却フィンの上面に取り付けられた構造である。集合パワー半導体として構成された複合モジュール13は、大きな損失を発生するため、この損失による発熱を冷却フィン14に熱伝導させ、熱交換効率の良い水で効率よく冷却することができる。もちろん、図1に開示した冷却ファン6により冷却フィン14を更に冷却しても良い。

この冷却ファン6により、パワー半導体９を備える複合モジュール13を温度上昇の過熱から保護することができる。ここで、電力変換装置22の周囲温度が異常に高かった場合、この周囲温度を吸気する冷却ファンの吸気温度が高くなり、冷却効果が落ち、温度センサ7の検出温度があらかじめ設定された温度以上になると電力変換装置22を停止し、パワー半導体の温度過熱を操作パネル8に表示することもできる。

図3は、冷却フィン14の水冷構造図の一例である。冷却フィン14には、入口用水流管15(吸水側)と出口用水流管16(排水側)が設けられており、冷却フィン14の内部には水を流すパイプ17が内蔵されている。入口用水流管15と出口用水流管16はそれぞれ冷却フィン14の内部に内蔵されたパイプ17の端部であり、一連につながったパイプである。もちろん、水が入口用水流管15から出口用水流管16に流れる構造であれば、パイプに限定されるものではない。

入口用水流管15を図面の右側に設け、出口用水流管16を左側に設けた例(線分ab方向)であるが、もちろん、入口用水流管15と出口用水流管16の位置を逆にしても、または、図面の上下一方方向側(線分cd方向)に設けても、さらには、入口用水流管15を線分ab方向に、出口用水流管16を線分cd方向に設けても、その逆であっても、本発明の意図は何も変わらない。大きな損失を発生する集合パワー半導体として構成された複合モジュール13から冷却フィン14に熱伝導させ、熱交換効率の良い水で効率よく冷却することができるため、冷却フィン14および冷却ファン6の小型化が可能となる。本実施例では、冷媒に水を用いたが、水である必要はなく、冷媒に水以外の液体を用いた給液装置にも適用できる。このことは後述する実施例においても同様である。

図4は、ポンプ21に直結された交流電動機4を駆動する電力変換装置22を含むポンプシステム構成の一実施例である。一般的にポンプの吐出側の圧力は、ポンプの吸込側の圧力よりも大きく、吸込側と吐出側における圧力差はかなり大きい。液体は、高い位置から低い位置に向かって流れ、また、圧力の高い所から圧力の低い所へ向かって流れることは周知である。もちろん、その落差が大きいほど、また、その圧力差が大きいほど流量や流速を増加させることができる。

ポンプは、一般的に常温に近い水を媒体としているため、この水を有効利用することのできるシステム構成である。この際に最も重要な点は、圧力差の大きい2箇所を選定しなければ大きな冷却効果が得られない点にある。この点に鑑み、冷却フィン14の入口用水流管15をポンプ21の圧力の高い吐出側配管19に接続し、冷却フィン14の出口用水流管16をポンプ21の圧力の低い吸込側配管18に接続することで、ポンプ21の吸込側配管18と吐出側配管19との大きな圧力差を利用して、冷却フィン14の内部に埋設されたパイプ17に水を流すことができる。

このため、冷却フィン14によって熱交換効率の良い水で従来と比較して効率よく複合モジュール13を冷却することが可能となり、従来に用いられている冷却フィン14を従来用いられている冷却フィンよりも小型化できるとともに、冷却ファン6も従来用いられている冷却ファンよりも小型化することができる。冷却フィン14により複合モジュール13を十分に冷却できる場合は、冷却ファン6を削除することができ、更なる小型化及び製造コストの低減を図ることも可能である。

図5は、図4におけるポンプ21に直結された交流電動機4を駆動する電力変換装置22を含むポンプシステム構成を側面から見た一実施例である。ポンプ21の吐出側配管19に冷却フィン14の入口用水流管15を接続し、ポンプの吸込側配管18に冷却フィン14の出口用水流管16を接続する。前述した様に、ポンプの吐出側配管19の圧力は、ポンプ21の吸込側配管18の圧力よりも大きく、吸込側配管18と吐出側配管19における圧力差はかなり大きいため、冷却フィン14に内蔵されたパイプ17に水を流すことができる。

本実施例で重要な点は、入口用水流管15の接続点と出口用水流管16の接続点を圧力差が大きいポンプの吸込側配管18と吐出側配管19を選定した点にある。例えば、入口用水流管15の接続点と出口用水流管16の接続点をポンプ吐出側配管19の配管の2点間を選定しても、その2点間の圧力差は極めて小さく、冷却フィン14の内部に内蔵されたパイプ17内に水が流れないか、流れたとしても冷却を行うのに十分な量の水を流すことができないことは自明である。また、ポンプ吸込側配管18の配管の2点間を選定して入口用水流管15の接続点と出口用水流管16の接続点とした場合も同様である。

図6は、逆止弁を有するポンプ21に直結された交流電動機4を駆動する電力変換装置22を含むポンプシステム構成の一実施例である。本実施例においては、ポンプ２１の吐出側配管19に逆止弁20が取り付けられている。ポンプ21は一方向にしか回転しないため、電源異常などでポンプ21が停止した場合、水が圧力の高い吐出側配管19から圧力の低い吸込側配管18に向かって逆流しない様に逆止弁20を設けることは周知である。即ち、本実施例は、冷却フィン14の入口用水流管15に接続されるポンプ21の吐出側配管19からの取出口(接続点)を、ポンプ21の吐出側配管の出口と逆止弁20との間から取った場合のものである。

本実施例の場合、電源異常などで電力変換装置22が停止した際、当然ポンプ21も停止することになるが、逆止弁20の作用により、水が圧力の高いポンプの吐出側配管19から冷却フィン14の入口用水流管15と冷却フィン14の出口用水流管16を通って圧力の低いポンプの吸込側配管に向かって逆流することを防止できるという効果がある。電力変換装置22がポンプ21のケーシングに設置され、ポンプの吐出側配管19に冷却フィン14の入口用水流管15が接続され、ポンプ21の吸込側配管18に冷却フィン14の出口用水流管16が接続されている。つまり、ポンプ21の吐出側配管19に流れる水の一部を冷却フィン14の入口用水流管15に流し、冷却フィン14の出口用水流管16を通して、ポンプ21の吸込側配管18に戻すという構成である。

本実施例の場合、電力変換装置22がポンプ21に直接取り付けられているため、ポンプ21に直結された交流電動機4を駆動する電力変換装置22を含むポンプシステムを製作する場所で、ポンプ21の吐出側配管19と冷却フィン14の入口用水流管15を接続し、ポンプの吸込側配管18と冷却フィン14の出口用水流管16を接続した状態で出荷することもでき、ユーザにおける組み立ての手間を省くことができる。つまり、ポンプシステムを設置する現場でポンプ21の吐出側配管19と冷却フィン14の入口用水流管15を接続し、ポンプ21の吸込側配管18と冷却フィン14の出口用水流管16とを各々接続する必要がなく、ポンプ21を設置する現場における組立てにおける利便性の向上を図ることをできるという利点を備え持った構造でもある。

本実施例では、電力変換装置22をポンプ21に直接取り付けているが、この構造に限定するものではなく、ポンプ21に直結された交流電動機4に設置しても同様の効果を得ることができる。

図7は、逆止弁20を有するポンプ21に直結された交流電動機4を駆動する電力変換装置22を含むポンプシステム構成の他の実施例である。図6との相違は、図3における冷却フィン14の入口用水流管15と出口用水流管16がどちらも冷却フィン14の上面に配置された点のみである。ポンプ21の吐出側配管19に接続された入口用水流管15と、ポンプ21の吸込側配管18に接続された出口用水流管16が両方共冷却フィン14の上側に設置された構造である。図6の場合は、冷却フィン14の入口用水流管15が冷却フィン14の上側に設けられ、出口用水流管16が冷却フィン14の下側に設けられた構造である。入口用水流管15と出口用水流管16の両方を冷却フィン14の下面に配置したとしても同様の効果を得ることができる。

1… 順変換器、2… 平滑用電解コンデンサ、3… 逆変換器、4… 交流電動機、5… 制御回路、6… 冷却ファン、7… 温度検出器（温度センサ）、8… デジタル操作パネル、9… パワー半導体、10… 樹脂モールドケース、11… パワー半導体モジュール内部に設けられた温度検出器（温度センサ）、12… ドライバー回路、13… 順変換器と逆変換器と温度センサが一個のモジュールケース内に搭載された複合モジュール、14… 冷却フィン、15…冷却フィンの水流管入口 、16…冷却フィンの水流管出口、17… 水流用パイプ、18… ポンプの吸込側配管、19… ポンプの吐出側配管、20… ポンプ吐出側の逆止弁、21… ポンプ、22… 電力変換装置

Claims (8)

1. 内部に水流管本体を備えるとともに、パワー半導体モジュールが搭載されている水冷式の冷却フィンと、
   給水装置の吐出口側に設けられた逆止弁と前記給水装置の吐出口の間に接続された第１水流管と、交流電動機に直結されている給水装置の流体の吸込口に接続された第２水流管と、両端部に前記第１水流管及び前記第２水流管を夫々備える水流管本体を内蔵しているとともに、パワー半導体を内蔵する複合モジュールに取り付けられている冷却フィンを備え、
   前記第１水流管より前記水流管本体に液体を流入させ、前記第２水流管より前記給水装置の液体の吸込口に液体を排出するように構成したことを特徴とする前記交流電動機に交流電力を供給する給水装置駆動用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の給水装置駆動用電力変換装置において、
   前記冷却フィンの第１水流管を前記給水装置の吐出側の配管に接続し、前記冷却フィンの第２水流管を前記給水装置の吸込側の配管に接続することを特徴とする給水装置駆動用電力変換装置。
3. 請求項１に記載の給水装置駆動用電力変換装置において、
   前記給水装置と一体型に設置されたことを特徴とする給水装置駆動用電力変換装置。
4. 請求項1から請求項３の何れか一項に記載の給水装置駆動用電力変換装置において、
   運転条件を設定する操作パネルを備え、
   前記操作パネルには表示部が設けられていることを特徴とする給水装置駆動用電力変換装置。
5. 給液装置に直結された交流電動機に可変電圧可変周波数の交流電力を供給できるように
   した電力変換装置と、
   前記電力変換装置内のパワー半導体を搭載した液冷式の冷却フィンと、
   前記給液装置の吸込側に接続された配管および吐出側と前記吐出側に備えられた逆止弁との間に接続された配管により前記冷却フィンの液流管に液体を流す様に構成したことを特徴とする給液装置駆動用電力変換装置。
6. 請求項５に記載の給液装置駆動用電力変換装置において、
   前記冷却フィンの液流管入口側を前記給液装置の吐出側の配管から接続し、前記冷却フィンの液流管出口側を前記給液装置の吸込側の配管に接続することを特徴とする給液装置駆動用電力変換装置。
7. 請求項５に記載の給液装置駆動用電力変換装置において、
   前記給液装置に一体型に設置されたことを特徴とする給液装置駆動用電力変換装置。
8. 請求項５から請求項７の何れか一項に記載の給液装置駆動用電力変換装置において、
   前記電力変換装置の運転条件を設定する操作パネルを備え、
   前記操作パネルには表示部が設けられていることを特徴とする給液装置駆動用電力変換装置。

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