JP2016146737A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的で半導体素子にかかる温度的ストレスが低減できるパワーコンディショナ装置の冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】パワーコンディショナ装置の内部温度と外部温度を検出するとともに、太陽光発電で発電された電力を検出し、パワーコンディショナ装置内部の温度上昇を予測して発熱前に冷却能力を上げることにより、パワーコンディショナに使用されている半導体素子にかかる温度的ストレスを低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は冷却装置に関し、さらに詳しくは、太陽光発電の電力変換装置であるパワーコンディショナに適用可能な冷却装置に関する。

従来、この種の冷却装置では、冷却ファンにより外気を取り入れてパワーコンディショナ部を冷却することを特徴としたパワーコンディショナ装置が知られていた。（例えば特許文献１参照）
以下、そのパワーコンディショナ装置について図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、外気を取り入れ冷却するパワーコンディショナ装置１０１（冷却装置に該当）は、筐体１０２の内部にパワーコンディショナ部１０３とパワーコンディショナ部１０３の上部に冷却ファン１０４を配置し、筐体１０２の下部に吸気口１０５を、筐体１０２の上部に排気口１０６を設けたものである。

冷却ファン１０４を運転すると、筐体１０２の下部に設けられた吸気口１０５から冷たい外気が流入し、発熱体であるパワーコンディショナ部１０３を通り冷却するものである。パワーコンディショナ部１０３を冷却し温まった空気は冷却ファンを通過し、筐体１０２の上部に設けられた排気口１０６より、筐体１０２の外部に排出される。

しかし、外部の空気を取り入れることにより、砂塵や塩分が内部に入り、パワーコンディショナ装置の故障の原因となるため、密閉型とし外気を取り込まないで、エアコンにて内部空気を冷却し、パワーコンディショナ部を冷却することを特徴としたパワーコンディショナ装置も知られていた。

以下、密閉型パワーコンディショナ装置について図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、外気を取り込まないで冷却するパワーコンディショナ装置２０１（冷却装置に該当）は、筐体２０２の内部にパワーコンディショナ部２０３とパワーコンディショナ部２０３の上部にエアコン室内機２０７を配置し、筐体２０２の外部にエアコン室外機２０８を配置したものである。

エアコン室内機２０７を冷房運転させ、冷たい空気を室内に循環させ、発熱体であるパワーコンディショナ部２０３を通して冷却するものである。エアコン室内機２０７で回収した熱量は、筐体２０２の外部に設けられたエアコン室外機２０８により、筐体２０２の外部に放出される。

しかし、エアコンでは多くの電力が消費されて経済的ではないため、空気熱交換器を使用し、外気を取り込むことなく低消費電力で内部空気を冷却し、パワーコンディショナ部を冷却するパワーコンディショナ装置が提案されている。

以下、そのパワーコンディショナ装置について図７を参照しながら説明する。

図７に示すように、外気を取り込まないで冷却する密閉型パワーコンディショナ装置３０１（冷却装置に該当）は、筐体３０２の内部にパワーコンディショナ部３０３とパワーコンディショナ部３０３の上部に冷却ファン３０４を配置し、筐体３０２の壁面の下部に吸気口３０５を、上部に排気口３０６を、外部に空気熱交換器部３０９を配置したものである。空気熱交換器部３０９は、内部に外気風路と内気風路が隔壁で隔てられて交差する形で形成されており、外気と内気は混ざり合わないが、隔壁を通じて熱の交換を行うものである。

冷却ファン３０４を運転すると、筐体３０２の壁面の下部に設けられた吸気口３０５から、空気熱交換器部３０９にて冷たい外気との熱の交換により冷やされた空気が流入し、発熱体であるパワーコンディショナ部３０３を通り冷却するものである。パワーコンディショナ部３０３を通り暖められた空気は、壁面の上部に設けられた排気口３０６から空気熱交換器部３０９に流入する。
空気熱交換器を使用した場合、砂塵や塩分の内部への流入は防止できるが、１００％熱交換できるわけではなく、空気熱交換器で冷却された空気は外気より温度が高いため、外気導入やエアコンを利用したものよりは冷却能力が落ちるとされている。

特許第４９１１５３１号公報

このような従来の太陽光発電の電力変換装置であるパワーコンディショナ装置の冷却方法では、内気の温度を、パワーコンディショナ装置内の部品の機能を維持するために必要な温度以下になるように冷却する。装置内の温度が上昇する順序としては、まず太陽光発電で発電された直流電力をパワーコンディショナ部で交流電力に変換する時に、パワーコンディショナ部にて使用している半導体素子が温度上昇する。次に、半導体素子の温度上昇でパワーコンディショナ部全体が温度上昇する。さらに、パワーコンディショナ部全体の温度上昇で内気が温度上昇する。というものである。

そのため、半導体素子の温度上昇と内気の温度上昇に時間差が発生する。そして冷却時においては、温度上昇後に冷却ファンを運転することにより内気が温度下降し、内気の温度下降でパワーコンディショナ部が温度下降し、パワーコンディショナ部の温度下降で半導体素子が温度下降する。というように、連鎖的に温度下降が起こる。

そのため、内気の温度下降と半導体素子の温度下降に時間差が発生する。急激に発電量が増加した場合、温度上昇の時間差、温度下降までの時間差があるため、パワーコンディショナ部に使用している半導体素子の冷却が間に合わず、急激に温度上昇してしまい、温度的ストレスがかかり、一時的にパワーコンディショナ装置を停止させる、あるいは、常時冷却能力を最大で運転させないといけないという課題がある。特に冷却能力が低い空気熱交換器を使用した場合、効率的な冷却ができないという課題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、発熱体となる例えばパワーコンディショナ装置を効率的に冷却する冷却装置を提供することを目的としている。

本発明の太陽光発電の電力変換装置である冷却装置は、上記目的を達成するために、発熱体を備えた冷却対象筐体の内部の空気の温度である内気温度を検出する内気温度検出部と、前記冷却対象筐体の外部の空気の温度である外気温度を検出する外気温度検出部と、前記冷却対象筐体の内部の空気と前記冷却対象筐体の外部の空気との間で熱交換を行うことで前記冷却対象筐体の内部の空気を冷却する空気熱交換器部と、前記発熱体に入力される発電電力の電力量を検出する発電電力検出部と、前記内気温度検出部が検出した内気温と前記外気温度検出部が検出した外気温と前記発電電力検出部が検出した電力量とに基づいて前記空気熱交換器部の冷却動作を制御する制御部とを備えたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

内気温度の上昇を予測して発熱体が温度上昇する前に冷却動作を行うため、経済的で発熱体にかかる温度的ストレスを低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置の外観を示す概略図 本発明の実施の形態１に係る冷却装置の機能構成を示す機能ブロック図 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の外観を示す概略図 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の機能構成を示す機能ブロック図 従来の外気を取り入れ冷却する冷却装置の概略図 従来のエアコンで冷却する冷却装置の概略図 従来の空気熱交換器で冷却する冷却装置の概略図

本発明に係る冷却装置は、発熱体を備えた冷却対象筐体の内部の空気の温度である内気温度を検出する内気温度検出部と、前記冷却対象筐体の外部の空気の温度である外気温度を検出する外気温度検出部と、前記冷却対象筐体の内部の空気と前記冷却対象筐体の外部の空気との間で熱交換を行うことで前記冷却対象筐体の内部の空気を冷却する空気熱交換器部と、前記発熱体に入力される発電電力の電力量を検出する発電電力検出部と、前記内気温度検出部が検出した内気温と前記外気温度検出部が検出した外気温と前記発電電力検出部が検出した電力量とに基づいて前記空気熱交換器部の冷却動作を制御する制御部とを備えたものである。

上記構成により、前記発電電力検出部により発電電力を検出することにより、発電電力と相関関係にある前記発熱体の温度上昇による内気温度の上昇を予測することができ、内気温度の上昇予測値と前記内気温度検出部により検出された内気温度の合計が内気到達予測温度なり、前記外気温度検出部により検出された外気温度と、前記内気到達予測温度から、前記発熱体が温度上昇する前に、前記制御部は内気を保ちたい目標温度にするのに適した冷却動作を行うことができ、経済的で発熱体にかかる温度的ストレスを低減するという作用を有する。

また、太陽光により発電する太陽光発電部を備え、前記発熱体はパワーコンディショナであるものである。

上記構成により、前記発電電力検出部により発電電力を検出することにより、発電電力と相関関係にある前記パワーコンディショナの温度上昇による内気温度の上昇を予測することができ、内気温度の上昇予測値と前記内気温度検出部により検出された内気温度の合計が内気到達予測温度なり、前記外気温度検出部により検出された外気温度と、前記内気到達予測温度から、前記パワーコンディショナが温度上昇する前に、前記制御部は内気を保ちたい目標温度にするのに適した冷却動作を行うことができ、経済的でパワーコンディショナにかかる温度的ストレスを低減するという作用を有する。

また、発熱体を備えた冷却対象筐体の内部の空気の温度である内気温度を検出する内気温度検出部と、前記冷却対象筐体の外部の空気の温度である外気温度を検出する外気温度検出部と、前記冷却対象筐体の内部の空気と前記冷却対象筐体の外部の空気との間で熱交換を行うことで前記冷却対象筐体の内部の空気を冷却する空気熱交換器部と、太陽光発電に利用される日射強度を検出する日射強度検出部と、前記内気温度検出部が検出した内気温と前記外気温度検出部が検出した外気温と前記日射強度検出部が検出した日射強度とに基づいて前記空気熱交換器部の冷却動作を制御する制御部とを備えたものである。

上記構成により、前記日射強度検出部を設け、日射強度を検出することにより、日射強度と相関関係にある前記発電電力を予測し、発電電力と相関関係にある前記発熱体の温度上昇による内気温度の上昇を予測することができ、内気温度の上昇予測値と前記内気温度検出部により検出された内気温度の合計が内気到達予測温度なり、前記外気温度検出部により検出された外気温度と、前記内気到達予測温度から、前記発熱体が温度上昇する前に、前記制御部は内気を保ちたい目標温度にするのに適した冷却動作を行うことができ、経済的で発熱体にかかる温度的ストレスを低減するという作用を有する。

また、太陽光により発電する太陽光発電部と、前記太陽光発電部に照射される日射強度を検出する日射強度センサとを備え、前記発熱体はパワーコンディショナであり、前記日射強度検出部は、前記日射強度センサからの出力信号に基づいて日射強度を検出するものである。

上記構成により、前記日射強度検出部を設け、日射強度を検出することにより、日射強度と相関関係にある前記発電電力を予測し、発電電力と相関関係にある前記パワーコンディショナの温度上昇による内気温度の上昇を予測することができ、内気温度の上昇予測値と前記内気温度検出部により検出された内気温度の合計が内気到達予測温度なり、前記外気温度検出部により検出された外気温度と、前記内気到達予測温度から、前記パワーコンディショナが温度上昇する前に、前記制御部は内気を保ちたい目標温度にするのに適した冷却動作を行うことができ、経済的でパワーコンディショナにかかる温度的ストレスを低減するという作用を有する。

また、前記空気熱交換器部は、前記冷却対象筐体と接続する面である筐体接面における上部に前記冷却対象筐体の内部の空気を前記空気熱交換器部に吸気する内気吸気ファンと、前記筐体接面における下部に前記空気熱交換器部に吸気した前記内部の空気を前記冷却対象筐体の内部に排気する内気排気口と、前記冷却対象筐体と接続しない面である非筐体接面における下部に前記外部の空気を前記空気熱交換器部に吸気する外気吸気ファンと、前記非筐体接面における上部に前記空気熱交換器部に吸気した前記外部の空気を前記外部に排気する外気排気口を備えたものとしてもよい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、全図面を通して、同一の部位については同一の符号を付して二度目以降の説明を省略している。さらに、書く図面において、本発明に直接には関係しない各部の詳細については説明を省略している。

（実施の形態１）
図１に示すように、冷却装置１は、内気温度検出部４と、外気温度検出部５と、空気熱交換器部６と、発電電力検出部７と、制御部８とを備えている。

内気温度検出部４は、発熱体であるパワーコンディショナ部２を備えた冷却対象筐体であるパワーコンディショナ装置３の内部の空気の温度である内気温度を検出する。内気温度検出部４は、内気吸気ファン１２の近傍に設けられることで、パワーコンディショナ装置３の内部の空気の温度を検出できる。

外気温度検出部５は、パワーコンディショナ装置３の外部であって、冷却装置１の外部の空気の温度である外気温度を検出する。外気温度検出部５は、外気吸気ファン１０の近傍に設けられることで、外部の空気の温度を検出できる。

空気熱交換器部６は、パワーコンディショナ装置３の内部の空気とパワーコンディショナ装置３の外部の空気との間で熱交換を行うことでパワーコンディショナ装置３の内部の空気を冷却する。空気熱交換器部６は、外気吸気ファン１０と、外気排気口１１と、内気吸気ファン１２と、内気排気口１３と、熱交換素子とが設けられている。

外気吸気ファン１０は、パワーコンディショナ装置３の外部かつ冷却装置１の外部の空気を空気熱交換器部６の内部に吸気する。外気吸気ファン１０は、冷却装置１の側面であってパワーコンディショナ装置３と接続しない面である非筐体接面における下部に設けられている。

外気排気口１１は、非筐体接面における上部に設けられ、外気吸気ファン１０によって空気熱交換器部６に吸気された外部の空気を外部に排気する。

内気吸気ファン１２は、パワーコンディショナ装置３の内部の空気を空気熱交換器部６に吸気する。内気吸気ファン１２は、冷却装置１の側面であってパワーコンディショナ装置３と接続する面である筐体接面における上部に設けられている。なお本実施の形態では、筐体接面と非筐体接面とは箱体を形成する冷却装置の対向する面にそれぞれ設けられている。

内気排気口１３は、筐体接面における下部に設けられ、内気吸気ファン１２によって空気熱交換器部６に吸気された内部の空気を再度、内部に排気（循環）する。

熱交換素子は、空気熱交換器部６の内部に格納されており、パワーコンディショナ装置３の内部の空気が通る内気風路と、パワーコンディショナ装置３の外部の空気が通る外気風路とが独立して交互に設けられている。当該風路の配置によってパワーコンディショナ装置３の内部の空気とパワーコンディショナ装置３の外部の空気との間で熱交換を行うことができる。

発電電力検出部７は、パワーコンディショナ部２と太陽光発電部９の接続の間に設けられ、例えばクランプ式電力計で、発電装置からパワーコンディショナ部２に入力される発電電力の電力量を検出する。発電電力検出部７は、内気排気口１３からの循環風により冷却されるように、パワーコンディショナ装置３の壁面に、内気排気口１３での風の流れを抑制しないように配置される。

制御部８は、内気温度検出部４が検出した内気温と外気温度検出部５が検出した外気温と発電電力検出部７が検出した電力量とに基づいて、空気熱交換器部６の冷却動作を制御する。

続いて、図２を参照しながら冷却装置１の各部の関連について説明する。

図２に示すように、制御部８は、内気温度検出部４と、外気温度検出部５と、内気吸気ファン１２とに接続されている。制御部８は、例えばマイコンなどで構成される。制御部８は、内気温度検出部４から内気温度を、外気温度検出部５から外気温度をそれぞれ取得する。また制御部８は、例えば内気温度や外気温度に基づいて、内気吸気ファン１２や外気吸気ファン１０の吸気量を調整する。さらに制御部８は、発電電力検出部７と接続され、発電電力検出部７が検出した発電電力量を取得することができる。そして制御部８は、この発電電力量の増減に基づいて吸気の開始を決定し、あるいは各ファンを介した吸気量を調節するが詳細は後述する。

また、パワーコンディショナ装置３の外部には、一例として太陽光発電部９が設けられている。太陽光発電部９で発電された電力は、パワーコンディショナ部２に供給される。この際、発電された電力は、発電電力検出部７にも伝達される。そして、パワーコンディショナ部２では、発電された直流電力を交流電力に変換する。そして変換された交流電力は、出力部を介して様々な負荷に供給される。なお、負荷には家電製品などが該当する。

ここでたとえば、パワーコンディショナ部２の変換効率を９５％とすると、５％が変換ロスとなり熱として放出される。

すなわち、発電電力が大きくなれば変換ロスで放出される熱量は大きくなることになる。従って、発電電力検出部７にてパワーコンディショナ部２に供給される発電電力を検出することにより、発電電力と相関関係にあるパワーコンディショナ部２の温度上昇による内気温度の上昇値を予測することができる。

発電電力をＰｉｎ、変換効率をη、内気温度の上昇値をＴｕとすると、内気温度の上昇値Ｔｕは、
Ｔｕ＝Ｋ×Ｐｉｎ×（１−η）
と表すことができる。

ここでＫはパワーコンディショナ装置３の内気の熱容量に起因する固有の係数である。パワーコンディショナ部２は、一般的に変換効率が最大になるように制御されており、変換効率ηは、ほぼ一定と考えることができる。よって、内気温度の上昇値Ｔｕは、発電電力Ｐｉｎにほぼ比例することとなる。

具体的には、制御部８は、発電電力検出部７で検出された発電電力をもとにして、内気温度の上昇値を算出する。たとえば、実測データから得られたデータテーブルによって内気温度の上昇値を求めてもよい。あるいは、変換効率から発熱量を算出し、内気温度の上昇値を求めてもよい。この内気温度の上昇値は、現在の内気温度に対し、所定時間後に上昇する温度偏差である。この内気温度の上昇値と、内気温度検出部４により検出された内気温度の合計が内気の到達予測温度となる。

制御部８は、外気温度検出部５により検出された外気温度と、算出された内気到達予測温度から、パワーコンディショナ部２が温度上昇する前に、内気を保ちたい目標温度（たとえば６０℃）にするのに適した外気吸気ファン１０と内気吸気ファン１２の運転を行う。パワーコンディショナ部２の冷却状態は、内気温度、内気吸気ファン１２の風量だけでなく、内気の流れにも大きな影響を受ける。従って例えば、実測値に基づいてあらかじめ作成されたデータテーブルに記憶された設定で、内気吸気ファン１２と、外気吸気ファン１０の風量を決定することができる。これにより経済的にパワーコンディショナ部２に使用されている半導体素子、たとえばＩＧＢＴ素子にかかる温度的ストレスを低減することができる。

なお、制御部８は、発電電力に基づいて到達温度を予測したが、当然ながら、発電電力検出部７で検出した発電量が増加・減少した場合、これに比例させて内気吸気ファン１２と外気吸気ファン１０との吸気風量を増加・減少するといった構成でもよい。このような手順によっても温度上昇前に冷却できるため、温度的ストレスを低減することができる。

なお、パワーコンディショナ部２に供給される発電電力を太陽光発電からのものとして例示した。しかしながら太陽光発電に限らず、発電量に揺らぎが生じるものであれば、発電電力検出部による発電電力の検知が有効である。

また、発熱体としてパワーコンディショナを例示したが、供給される電力量に応じて発熱量が変化するものであればこれに限定することはない。

（実施の形態２）
図３に示す、冷却装置１ｂは、実施の形態１における発電電力検出部７に換えて、屋外の日射強度、つまり太陽光発電部９に利用される日射の強度を検出する日射強度検出部１４を備えている。そして制御部８ｂは、内気温度検出部４が検出した内気温と外気温度検出部５が検出した外気温と日射強度検出部１４が検出した日射強度とに基づいて空気熱交換器部６の冷却動作を制御する点で実施の形態１と異なる。

そして図４に示すように、日射強度検出部１４には、太陽光発電部９が太陽光発電に利用する日射の強度を測定する日射強度センサ１５からの信号線が接続される。なお、日射強度検出部１４の設置箇所は実施の形態１における発電電力検出部７の設置箇所と同様である。

日射強度センサ１５は、太陽光発電部９の近傍に設けられ、たとえば、熱電式あるいは光電式のセンサが利用可能である。

日射強度検出部１４は、日射強度センサ１５からの信号が入力され日射強度を算出する。

太陽光発電部９は、日射強度に比例して発生電流（短絡電流）が変化し、それに伴い、発電電力量も変化する。従って、制御部８ｂは、たとえば実測データから得られたデータテーブルによって、日射強度の値から発電電力を予測できる。発電電力予測値が予測（算出）されると、実施の形態１に示したように、発電電力と相関関係にあるパワーコンディショナ部２の温度上昇による内気温度の上昇値を予測することができる。

内気温度の上昇値を予測した後も、実施の形態１と同様の温度制御を行うことで、経済的に温度的ストレスを低減することができる。

発電量や消費電力から温度上昇を予測し、遅れることなく適切に冷却できるので、冷却が必要な製品において利用することができる。

１，１ｂ 冷却装置
２ パワーコンディショナ部
３ パワーコンディショナ装置
４ 内気温度検出部
５ 外気温度検出部
６ 空気熱交換器部
７ 発電電力検出部
８，８ｂ 制御部
９ 太陽光発電部
１０ 外気吸気ファン
１１ 外気排気口
１２ 内気吸気ファン
１３ 内気排気口
１４ 日射強度検出部
１５ 日射強度センサ

Claims (5)

1. 発熱体を備えた冷却対象筐体の内部の空気の温度である内気温度を検出する内気温度検出部と、
   前記冷却対象筐体の外部の空気の温度である外気温度を検出する外気温度検出部と、
   前記冷却対象筐体の内部の空気と前記冷却対象筐体の外部の空気との間で熱交換を行うことで前記冷却対象筐体の内部の空気を冷却する空気熱交換器部と、
   前記発熱体に入力される発電電力の電力量を検出する発電電力検出部と、
   前記内気温度検出部が検出した内気温と前記外気温度検出部が検出した外気温と前記発電電力検出部が検出した電力量とに基づいて前記空気熱交換器部の冷却動作を制御する制御部とを備えた冷却装置。
2. 太陽光により発電する太陽光発電部を備え、
   前記発熱体はパワーコンディショナである請求項１に記載の冷却装置。
3. 発熱体を備えた冷却対象筐体の内部の空気の温度である内気温度を検出する内気温度検出部と、
   前記冷却対象筐体の外部の空気の温度である外気温度を検出する外気温度検出部と、
   前記冷却対象筐体の内部の空気と前記冷却対象筐体の外部の空気との間で熱交換を行うことで前記冷却対象筐体の内部の空気を冷却する空気熱交換器部と、
   太陽光発電に利用される日射強度を検出する日射強度検出部と、
   前記内気温度検出部が検出した内気温と前記外気温度検出部が検出した外気温と前記日射強度検出部が検出した日射強度とに基づいて前記空気熱交換器部の冷却動作を制御する制御部とを備えた冷却装置。
4. 太陽光により発電する太陽光発電部と、
   前記太陽光発電部に照射される日射強度を検出する日射強度センサを備え、
   前記発熱体はパワーコンディショナであり、
   前記日射強度検出部は、
   前記日射強度センサからの出力信号に基づいて日射強度を検出する請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記空気熱交換器部は、
   前記冷却対象筐体と接続する面である筐体接面における上部に前記冷却対象筐体の内部の空気を前記空気熱交換器部に吸気する内気吸気ファンと、
   前記筐体接面における下部に前記空気熱交換器部に吸気した前記内部の空気を前記冷却対象筐体の内部に排気する内気排気口と、
   前記冷却対象筐体と接続しない面である非筐体接面における下部に前記外部の空気を前記空気熱交換器部に吸気する外気吸気ファンと、
   前記非筐体接面における上部に前記空気熱交換器部に吸気した前記外部の空気を前記外部に排気する外気排気口を備えた請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置。