JP6797029B2 - パワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、屋外に設置されるパワーコンディショナに関するものである。

近年、電気自動車に電力を供給する電気自動車充電装置や、電気自動車の電力を家庭に取り込む電気自動車用パワーコンディショナが屋外に設置されている。こうしたパワーコンディショナは交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換素子を有しており、この変換の際に発生する熱を、放熱器を介して外気へ放出するための冷却用ファンを備えている。このようなパワーコンディショナが運転状態から停止状態に移行後、外気温が下がると、冷却用ファンには外気温と冷却用ファン本体との温度差で水滴が付着する。さらに外気温が氷点下まで下がると、この水滴が凍結して冷却用ファンが動作しないという問題があった。

このような問題を解決するために、従来のパワーコンディショナではシート状ヒーターを備え、そのヒーターの熱により冷却用ファンの凍結を防止する方法が提案されている（例えば特許文献１）。

特許第４３２０７７４号

上記した従来のパワーコンディショナでは、冷却用ファンの凍結防止のためにシート状ヒーターを取り付ける必要があり、冷却用ファンの凍結によるファンの停止を防ぐためにはコストが増加するという問題があった。

この発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、低コストで凍結による冷却用ファンの停止状態を正常状態に移行させることができるパワーコンディショナを得ることを目的とする。

この発明にかかるパワーコンディショナは、交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換素子と、両端を吸気口と排気口とで構成された風路と、風路内に設けられ、電力変換素子の熱を風路内に放熱する放熱器と、風路内に設けられた第１のファンと、風路内の第１のファンと吸気口との間に設けられ、放熱器の放熱により暖められた空気を第１のファンに向けて排気する第２のファンと、第１のファンの動作状態と第２のファンの動作状態とから、第１のファンと第２のファンと電力変換素子とを制御する制御部と、を備える。制御部は、第１のファンが凍結していると判断した際に、電力変換素子を通常運転時より低い出力電力で運転し、且つ第２のファンを動作させる暖気運転を実施する。

本発明によれば、低コストで凍結による冷却用ファンの停止状態を正常状態に移行させることができる。

この発明の実施の形態１におけるパワーコンディショナ１の斜視図である。 この発明の実施の形態１におけるパワーコンディショナ１におけるＡ−Ａ´方向の断面図である。 この発明の実施の形態１における制御部１５の入出力信号を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるパワーコンディショナ１起動時における制御部１５の制御フロー図である。 この発明の実施の形態２におけるパワーコンディショナ１のＡ−Ａ´方向の断面図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１におけるパワーコンディショナ１について、図１〜図４を用いて説明する。図１はパワーコンディショナ１の斜視図、図２は本実施の形態におけるパワーコンディショナ１における、Ａ−Ａ′方向の断面図である。パワーコンディショナ１は、ダクト４と、放熱器５と、電力変換素子６と、第１のファン７と、第２のファン８と、外気の温度を検出する外気温度検出部となる温度検出センサー９と、吸気口１０と、排気口１１と、制御部１５とから構成される。
パワーコンディショナ１は外装を金属の筐体で構成され、パワーコンディショナ１の底面には脚３が、背面には背面カバー２が取り付けられている。脚３はボルト１３にてコンクリート基礎１２に固定されている。ダクト４はパワーコンディショナ１の内部に設けられ、パワーコンディショナ１の底面で２つの脚３の間に設けられた吸気口１０と、第２の開口部３１とを両端とする第１の風路３２を構成する。吸気口１０は、パワーコンディショナ１の外気をダクト４に取り込む入口であるが、外気に含まれるゴミや低温時の雪などがダクト４内部に進入することを防ぎ、外気のみを取り込むために格子状のカバーを設けている。また背面カバー２は、第２の開口部３１と背面カバー２の底面に設けられた排気口１１とを両端とする第２の風路３３を構成する。
ダクト４にはパワーコンディショナ１の内部に開口している第１の開口部３０が設けられている。またダクト４の外部に固定された基板上には電力変換素子６が設けられ、電力変換素子６の一部は第１の開口部３０からダクト４側に突出している。電力変換素子６は交流電力と直流電力とを双方向に電力変換するので、電力変換時には熱を発生する。放熱器５は例えばアルミ等の熱伝導率の高い金属で構成され、電力変換素子６の放熱を行うために、ダクト４内部で電力変換素子６が突出している部分に密着して取り付けられている。電力変換時、電力変換素子６にて発生した熱は放熱器５を介して放熱されるので、放熱器５は加熱される。
第２の開口部３１には第１のファン７が設けられ、この第１のファン７を動作させることにより、吸気口１０から取り入れられた外気は背面カバー２に向けて送風されるので、吸気口１０から取り入れた外気は放熱器５を冷却する。ダクト４の内部で放熱器５と吸気口１０の間にはサーミスターなどの温度検出センサー９を備え、吸気口１０から吸い込まれる外気の温度を計測する。また、吸気口１０と第１のファン７との間で、更には第１のファン７より放熱器５に近い位置に、第２のファン８が設けられている。第２のファン８は、放熱器５の上方に配置されており、第２のファン８を駆動することにより、放熱器５を通過した空気を第１のファン７に向けて排気する。
加熱された放熱器５の周囲の空気は放熱器５によって暖められる。この空気は対流によりダクト４内部で放熱器５の上方に移動し、第２のファン８周辺を通過する。この結果、第２のファン８が凍結している場合は、放熱器５で暖められた空気が第２のファン８全体を暖めるので、第２のファン８は解凍され、動作可能状態となる。さらに第２のファン８周辺の暖かい空気は対流により第１のファン７周囲に移動するので、第１のファン７が凍結している場合ファンは暖められて解凍し、第１のファン７は動作可能状態となる。
なお加熱された放熱器５周辺の空気は、対流によりダクト４内部を経由して第１のファン７に向かって移動するが、対流による空気の移動には多くの時間がかかる。この場合、パワーコンディショナ１が使用できない期間が長くなることから、直ぐにパワーコンディショナ１を使用できないという問題が発生する。そこで、実施の形態１においては、第２のファン８を放熱器５の付近に設け、且つ第２のファン８を第１のファン７に向かって排気させるよう設置ことにより、加熱された放熱器５周辺の空気を第１のファン７に当てることができるので、放熱器５から離れて設置されている第１のファン７を高速に解凍させることができる。
なお、図２においては、放熱器５をダクト４内部の中央付近に設けているが、ダクト４の外部に固定された基板上に設けられた電力変換素子６の位置をできるだけ第１のファン７に近い位置に固定し、放熱器５および第２のファン８も電力変換素子６と同時にダクト４内部で上方に移動させてもよい。この結果、加熱された放熱器５周辺の暖かい空気は短い距離にて第１のファン７に当てることができるので、凍結した第１のファン７をさらに高速で解凍することができる。この結果、低温時にファンが凍結したパワーコンディショナ１を高速に起動することができる。
制御部１５は、例えばマイコンなどで構成され、温度検出センサー９により検出されたダクト４内部の温度を基に、第１のファン７および第２のファン８の動作を制御する。なお、温度検出センサー９によって検出される温度は外気温度とほぼ同一であり、制御部１５は温度検出センサー９の検出温度を外気温度として利用している。

次に、パワーコンディショナ１が運転状態から停止状態に移行した場合における、第１のファン７および第２のファン８の動作について説明する。
パワーコンディショナ１を屋内に設置する場合は特に問題はないが、屋外に設置する場合は、雨や雪が降りかかることを想定する必要がある。ここで雨天や降雪時、屋外に設置されたパワーコンディショナ１は運転中、吸気口１０から外気と一緒に雨水や雪を吸い込む。このような湿度の高い外気が放熱器５により暖められると、暖められた外気に含まれる水分は温度の低い第１のファン７および第２のファン８によって冷やされ結露するので、第１のファン７および第２のファン８には水滴が付着する。次にこの状態からパワーコンディショナ１が運転を停止すると、パワーコンディショナ１には排気口１１から屋外の風によって押し込まれた外気とともに雨水や雪が浸入するので、第１のファン７や第２のファン８にはさらに水滴が付着する。この後外気の温度が氷点下以下に下がると、第１のファン７と第２のファン８に付着した水滴が凍結するので、第１のファン７および第２のファン８の回転は妨げられる。

次に制御部１５における第１のファン７、第２のファン８、電力変換素子６の制御方法について図３を用いて説明する。図３は本実施の形態における制御部１５の入出力信号を示すブロック図である。温度検出センサー９にて検出された外気の温度情報１６は、制御部１５に出力される。また、第１のファン７および第２のファン８からは、それぞれの動作を表す動作検出信号１８および２０が制御部１５に出力される。動作検出信号１８および２０は、ファンの動作状態を表す信号で、例えばファンが停止している場合は“０”、ファンが動作している場合は“１”といった１ビットの信号や、複数のビットを用いてファンの回転数の情報などを制御部１５に出力する。また制御部１５は、第１のファン７および第２のファン８に対して、それぞれのファンの回転を制御する回転制御信号１７および１９を送出し、第１のファン７および第２のファン８の回転を制御する。

次に、第１のファン７の動作状態を判断する方法、およびファンの凍結状態を解消するための暖気運転モードについて説明する。
本願発明において、ダクト４内部の温度情報１６が５℃より高い場合は、第１のファン７および第２のファン８が凍結していないと判断する。一方、ダクト４内部の温度情報１６が５℃以下の場合、制御部１５は第１のファン７および第２のファン８が凍結している可能性があると判断する。このように、外気温度によって第１のファン７の凍結を判断することによって、不必要な暖気運転モードの実施を抑制することが出来る。
次に、温度情報１６が５℃以下の場合について説明する。このとき制御部１５は、パワーコンディショナ１の出力電力を通常運転時より抑えた暖気運転モードにて動作させるべく電力変換素子６に出力制御信号２１を送出する。なお暖気運転モードにてパワーコンディショナ１を通常運転時より出力電力を抑えて運転する理由は、暖気運転時に消費する消費電力を抑えるとともに、第１のファン７および第２のファン８が凍結して動作しない状態で通常運転を行うと、電力変換素子６からの発熱により放熱器５の温度が急激に上昇し、電力変換素子６が動作しなくなる可能性があるためである。
なお、前記説明ではダクト４内部の温度情報１６については５℃を閾値として判断を行っているが、仮にこの閾値をさらに低くして０℃とした場合には、パワーコンディショナ１の外気の気温が０℃以上であっても、０℃近い温度では排気口１１から侵入する風によって第１のファン７および第２のファン８が凍結する可能性がある。よって第１のファン７および第２のファン８が凍結しない温度を考慮して０℃より高い５℃としている。また、例えば第１のファン７や第２のファン８が動作可能な温度範囲である動作温度範囲に応じて、例えば温度検出センサー９で検出される外気の温度がファンの動作温度範囲より低い場合は、ファンは停止状態となるが、暖気運転モードを実施することによりファンを動作状態に移行することができる。
暖気運転モードにおいて電力変換素子６から発生した熱は、放熱器５を介して放熱器５上部の空気を暖める。その暖まった空気は対流によって上昇して第２のファン８を暖め、凍結状態から通常状態に戻る。このとき制御部１５は動作検出信号１８から、第２のファン８が通常動作状態であることを検知し、第２のファン８を動作させる。

第２のファン８が動作すると、放熱器５で温まった空気は第２のファン８によってダクト４の下流側となる上段に備えた第１のファン７に届く。この結果、第１のファン７が凍結している場合はこの温まった空気によって解凍することができる。制御部１５は動作検出信号２０から第１のファン７が通常動作状態であることを検知すると、第１のファン７を動作させるとともに第２のファン８を停止し、あわせて電力変換素子６の出力電力を通常運転時に戻したのちパワーコンディショナ１の通常運転を開始する。

なお、上記説明において、外気温度検出部として放熱器５や第１のファン７及び第２のファン８とは独立した温度検出センサー９を用いた場合を説明したが、放熱器５や第１のファン７や第２のファン８に内蔵された温度を計測するセンサを用いて外気の温度を計測してもよい。さらにパワーコンディショナ１の外部に温度検出センサーを設けて直接外気温を計測したり、パワーコンディショナ１が外部のネットワークと接続されている場合は、家屋内外に設けられた機器が備える温度情報や、インターネットから外気の温度情報を入手して使用してもよい。
このように構成することにより、新たに外気温度検出部を設置する必要がなくなるので、さらに安価な構成にて第１のファン７および第２のファン８を、凍結状態から正常状態に移行することができる。

次に、本発明のパワーコンディショナ１の起動時における制御部１５の詳細動作について、図４を用いて説明する。図４はパワーコンディショナ１の起動時における制御部１５の制御フロー図である。パワーコンディショナ１の運転開始時、制御部１５は温度検出センサー９の測定値を検出する（Ｓ０）。 この測定値が５℃以上の場合（Ｓ１：Ｙｅｓ）、第１のファン７と第２のファン８は凍結していないと判断して電力変換素子６を通常運転する（Ｓ９）。温度検出センサー９の測定値が５℃以下の場合（Ｓ１：Ｎｏ）、第２のファン８に回転制御信号１７を送出し、第２のファン８の動作を試みる（Ｓ２）。次に動作検出信号１８から第２のファン８の動作状態を確認する（Ｓ３）。第２のファン８が動作する場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）は、続けて回転制御信号１９を送出し、第１のファン７を動作させることを試みる（Ｓ５）。一方、Ｓ３にて第２のファン８が動作しない場合（Ｓ３：Ｎｏ）は、第２のファン８が凍結している可能性があると判断し、出力制御信号２１を送出して電力変換素子６を通常運転状態より出力電力を抑えた暖気運転状態にする（Ｓ４）。この暖気運転によって第２のファン８が解凍して動作するまでＳ３〜Ｓ４の処理を繰り返す。
次に動作検出信号２０から第１のファン７の動作を確認する（Ｓ６）。第１のファン７が動作する場合（Ｓ６：Ｙｅｓ）は、このファンが凍結していないと判断し、この結果第１のファン７および第２のファン８は両方とも凍結していないことが確認できるので、第１のファン７および第２のファン８を停止させ（Ｓ８）、暖気運転を停止して通常運転を開始する（Ｓ９）。なおＳ６において、第１のファン７が動作しない場合（Ｓ６：Ｎｏ）は、出力制御信号２１を送出しでパワーコンディショナ１の暖気運転を実施し（Ｓ７）、第１のファン７が解凍するまでＳ６〜Ｓ７の処理を繰り返す。
ここで、本実施の形態では、最初に第２のファン８の動作確認を実施（Ｓ３）したが、例えば最初に第１のファン７の動作確認を実施し、第１のファン７の凍結が確認された際に第２のファン８を動作させると共に電力変換素子６を通常運転状態より出力電力を抑えた暖気運転状態にするようにしても良い。このように動作させることにより、第１のファン７は凍結していないが第２のファン８が凍結している場合において、暖気運転を実施することなく通常運転を実施することが出来る。

本発明のパワーコンディショナ１では、機器の冷却で使用する安価なファンを用いるので、製品コストの上昇を抑えるとともに、パワーコンディショナ１起動時のみ第２のファン８を回転させるため、僅かな電力にて凍結したファンを解凍して通常動作状態に移行させることができる。

なお、図４の説明において、第２のファン８が動作する状態（例えばＳ３：Ｙｅｓの場合）において、第２のファン８の排気が放熱器５に当たるように第１のファンを動作させた後、Ｓ５の処理に移る。これにより、吸気口から入り込んだ雪やゴミを吹き飛ばすことができるので、第１の風路３２を確保することができる。この結果、放熱器５にて暖められた空気が第１のファン７に到達し、第１のファン７に発生した氷を確実に溶かすことができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について、図５を用いて説明する。図５はこの実施の形態におけるパワーコンディショナ１のＡ−Ａ′方向の断面図である。なお図５中、図２と同一符号は同一または相当部分を示す。図５における図２との差異は、第２のファン８の取り付け位置をダクト４内部で放熱器５の上流側となる下方に設けたもので、それ以外の構成や動作は実施の形態１と同様である。なお、実施の形態２においても実施の形態１と同様に、第２のファン８は、吸気口１０と第１のファン７との間で、更には第１のファン７より放熱器５に近い位置に設けられている。
図において、第２のファン８は放熱器５と吸気口１０の間であって、放熱器５の直下で、第２のファン８の排気が放熱器５の周囲を通って第１のファン７に当たる位置に設けられている。ここで第２のファン８が凍結した場合は、パワーコンディショナ１の起動時に行う暖気運転の際に発生する放熱器５からの熱放射によって、第２のファン８を解凍させる。その後、第２のファン８が動作すると、吸気口１０から吸い込んだ空気が放熱器５の下側から送風される。この結果第２のファン８の排気は放熱器５によって暖められたのち第１のファン７に吹き付けられるので、第１のファン７周辺に暖かい空気が溜まり、第１のファン７上に生成された氷を解かすことができる。この結果、凍結していた第１のファン７も正常に動作可能となるので、パワーコンディショナ１の通常運転を開始することができる。

なお、パワーコンディショナ１の運転開始時に第２のファン８が動作可能な場合は、第２のファン８を吸気口１０に向けて排気させる。これにより、吸気口１０の内から外に向けて噴き出す気流が発生し、吸気口１０に詰まった雪やゴミを飛ばすことができる。具体的な動作としては、図４の制御部１５の制御フロー図において、第２のファン８が動作する場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）に一定時間第２のファン８を吸気口１０に向けて排気したのち、第１のファン７を動作（Ｓ５）させればよい。また、温度検出センサー９の測定値が５℃以上の場合（Ｓ１：Ｙｅｓ）に、一定時間第２のファン８を吸気口１０に向けて排気したのち、暖気運転を停止し、電力変換素子を通常運転させてもよい。この処理の結果、吸気口１０からの吸気が確保されるので、放熱器５にて暖められた空気が第１のファン７に到達し、第１のファン７に発生した氷を確実に溶かすことができる。

１ パワーコンディショナ
２ 背面カバー
３ 脚
４ ダクト
５ 放熱器
６ 電力変換素子
７ 第１のファン
８ 第２のファン
９ 温度検出センサー
１０ 吸気口
１１ 排気口
１２ コンクリート基礎
１３ ボルト
１５ 制御部
１６ 温度情報
１７ 回転制御信号
１８ 動作検出信号
１９ 回転制御信号
２０ 動作検出信号
２１ 出力制御信号
３０ 第１の開口部
３１ 第２の開口部
３２ 第１の風路
３３ 第２の風路

Claims (6)

1. 交流電力と直流電力とを双方向に変換する電力変換素子と、
   両端を吸気口と排気口とで構成された風路と、
   前記風路内に設けられ、前記電力変換素子の熱を前記風路内に放熱する放熱器と、
   前記風路内に設けられた第１のファンと、
   前記風路内の前記第１のファンと前記吸気口との間に設けられ、前記放熱器の放熱により暖められた空気を前記第１のファンに向けて排気する第２のファンと、
   前記第１のファンの動作状態と前記第２のファンの動作状態とから、前記第１のファンと前記第２のファンと前記電力変換素子とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１のファンが凍結していると判断した際に、前記電力変換素子を通常運転時より低い出力電力で運転し、且つ前記第２のファンを動作させる暖気運転を実施することを特徴とするパワーコンディショナ。
2. 前記制御部は、
   前記第２のファンの凍結を検出した際に、前記第１のファンが凍結していると判断し前記暖気運転を実施することを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 外気の温度を検出する外気温度検出部を備え、
   前記制御部は、
   前記外気温度検出部にて検出された温度情報があらかじめ設定された温度より低いときに、前記第１のファンが凍結していると判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記第２のファンは、前記放熱器と前記第１のファンとの間で、且つ前記放熱器の上方に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
5. 前記第２のファンは、前記放熱器と前記吸気口との間に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
6. 前記第２のファンは、運転開始時に前記吸気口に向けて排気することを特徴とする請求項５に記載のパワーコンディショナ。

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