JP5345137B2 - モータ駆動のために統合された水電流接続 - Google Patents

Description

本発明は、一般に及びさまざまな実施形態において、マルチセル電源の冷却システム及び方法に関するものである。

マルチセル電源は、当該技術において既知のところである。こうした電源には、一般に、三相変圧器と、変圧器の二次巻線に電気的に接続された複数のパワーセルが含まれている。各パワーセルは、変圧器の二次巻線から三相ＡＣ入力電力を受電して、単相ＡＣ電圧を出力する。変圧器の二次巻線とパワーセルとの間の電力接続は、バスまたはケーブルによって実現されるが、バスまたはケーブルには空気による対流冷却または強制冷却が施される。

マルチセル電源の場合、変圧器及びパワーセルは、空気または水によって冷却される。水冷応用例の場合、個々のパワーセルは、一般に、パワーセルに電力を供給する変圧器のそれぞれの二次巻線を冷却する流体流から分離された流体流によって冷却される。水冷システムには、一般に、給水マニホルド、水帰還マニホルド、給水マニホルドから各パワーセルへの個別ホース、給水マニホルドから変圧器の各二次巻線への個別ホース、水帰還マニホルドから各パワーセルへの個別ホース、水帰還マニホルドから変圧器の各二次巻線への個別ホース、水ポンプ、及び、水空気熱交換器が含まれている。水が変圧器の二次巻線及びパワーセルを通って流れる際、変圧器の二次巻線及びパワーセルから水に熱が伝達される。加熱された水が水空気熱交換器を通って流れる際、水から水空気熱交換器を通過する空気に熱が伝達され、その結果、水が冷却されることになる。

水流路の並列性のため、こうした冷却システムは、製造及び運転コストが比較的高くつく傾向がある。上述の配管構成に必要な多数のホースによって、冷却システムの複雑性及びコストが増すことになる。並列流路構成の場合、変圧器の二次巻線及びパワーセルを有効に冷却するのに必要なガロン／分を単位とする所要流量は本質的に増大する。水ポンプのコストは、所要流量の関数となる傾向があるので、こうした冷却システムに必要な水ポンプのコストは比較的高くつく。

流量が多いので、変圧器の二次巻線及びパワーセルから水に熱が伝達される際における水の温度上昇が少なくなる。加熱された水が水空気熱交換器を通って流れる際、流量が多いために水温が比較的低くなるので、水空気熱交換器の効率が低下し、従って、冷却システムの有効性が低下する。

従来の冷却システムのさらにもう１つの欠点は、破損したホースまたはホースと冷却システムの構成部品との間の破損した接続部からの漏水の可能性である。例えば、必要な流量の達成に必要な水圧が高いので、水ポンプの近くの取付け具及びホースは高圧にさらされる可能性があり、故障の可能性が高い。漏水は電源の過熱につながる可能性もあるし、あるいは、水がセルに直接接触する場合には、電源の即時停止を必要とする危険な状況を生じる可能性もある。

従来の冷却システムのさらにもう１つの欠点は、変圧器の二次巻線をパワーセルに接続するバスまたはケーブルによって、電源のエンクロージャ内部の空気中に熱が放出されるので、内部空気水熱交換器を設けて、この熱を水に伝達しなければならないという点である。内部空気の温度は熱によって上昇し、局所電子回路に悪影響を及ぼすことになる可能性がある。

本書に開示の実施形態は、給電システム及び冷却システムの統合部分によってマルチセル電源を冷却するためのシステムである。

一般的な点の１つにおいて、実施形態にはマルチセル電源を冷却するためのシステムが開示されており、このシステムには、流体ポンプと、流体ポンプと流体接続されている熱交換器が含まれている。このシステムには、さらに、熱交換器と流体接続されている複数のパワーセルと、流体冷却バスを介してパワーセルと流体接続されている多巻線装置が含まれており、流体冷却バスによって、パワーセルが多巻線装置の二次巻線に電気接続されている。流体冷却バスによって、電流並びに冷却流体の両方が多巻線装置の各巻線に供給され、その結果、独立した冷却接続と電力接続の必要がなくなる。

もう１つの一般的な点において、実施形態にはマルチセル電源を冷却するためのシステムが開示されており、このシステムには、水ポンプと、水ポンプと流体的に通じている水空気熱交換器と、水空気熱交換器と流体接続されている給水マニホルドが含まれている。このシステムには、さらに、１つ以上の水ホースを介して給水マニホルドと流体接続されている複数のパワーセルと、少なくとも１つの水冷バスを介して複数のパワーセルと流体接続されている多巻線装置が含まれており、少なくとも１つの水冷バスによって、パワーセルが多巻線装置の二次巻線に電気接続されている。水冷バスによって、電流並びに冷却流体の両方が多巻線装置の各巻線に供給され、その結果、独立した冷却接続と電力接続の必要がなくなる。

もう１つの実施形態において、多巻線電力装置を運転する方法には、バスを介して多巻線装置から電力を供給するステップと、その供給が行われている間、バス内に流体を循環させるステップが含まれている。流体は１つまたは複数のパワーセルに供給することが可能であり、パワーセルからの熱を吸収して暖まることになる。暖まった水は循環されて熱交換器に送られ、そこで冷却されるが、冷却された水は少なくとも１つのパワーセルに再供給することが可能になる。

例示のため、本書では本発明のさまざまな実施形態について下記の図に関連した説明がなされる。
マルチセル電源の冷却システムの典型的な実施形態を例示した図である。 図１において紹介されたパワーセルと多巻線装置の間の接続の詳細図である。

当然明らかなように、本発明の図及び説明は、本発明の明確な理解に関係した要素に焦点を絞り、同時に、明瞭性が得られるように、通常の当該技術者には明らかな本発明の一部を構成することが可能な他の要素を排除するため簡略化されている。しかしながら、こうした要素は当該技術において周知のところであり、必ずしも本発明のより明確な理解を助けるものではないので、本書ではこうした要素についての説明はなされない。

本明細書及び従属の請求項において用いられる限りにおいて、単数形の「ある」、「１つの」、及び、「その」には、文脈において特に別の明確な指示がない限り、複数の指示内容が含まれる。別段の規定がない限り、本書で用いられる全ての技術及び科学用語は、通常の当該技術者によって一般に理解されているのと同じ意味を有している。本書で用いられる限りにおいて、「〜を含む」は、「〜を包含するが、〜に制限されることはない」という意味である。

図１には、マルチセル電源の冷却システム１０の典型的な実施形態が例示されている。システム１０を利用して、複数のパワーセルを備えた電源が発生する熱を放散させることが可能である。パワーセルは、三相ＡＣ入力電力を受電して、単相ＡＣ電圧を出力する装置であり、ＡＣ−ＤＣ整流器、平滑フィルタ、及び、出力ＤＣ−ＡＣ変換器を含んでいる。複数のパワーセルを備えた電源のさまざまな実施形態については、例えば、参考までに本書でそっくりそのまま援用されているＨａｍｍｏｎｄに対する米国特許第５，６２５，５４５号（「５４５特許」）に記載がある。

さまざまな実施形態によれば、システム１０は電源の一部を形成する。他の実施形態によれば、システム１０の少なくとも一部は電源の外部にある。説明を容易にするため、システム１０の説明は、「５４５」特許に記載の電源と同様の電源におけるその利用に関連して行うことにする。しかしながら、システム１０は、電源以外の用途で利用することも可能である。

システム１０には、多巻線装置１２、複数のパワーセル１４、水ポンプ１６、水空気熱交換器１８、給水マニホルド２０、及び、水帰還マニホルド２２が含まれている。水は脱イオン化され、例えば、用途によってはグリコールを含む場合がある。本書において用いられる限りにおいて、「水」という用語は、システム１０を循環する流体を表わしている。留意しておくべきは、循環流体としての水は単なる例示として示されているだけであり、用途に応じて他の流体を用いることも可能であるという点である。

多巻線装置１２は、３つの一次巻線と複数の二次巻線を含む変圧器または変圧器のような装置である。多巻線装置１２は、特定の電圧の三相入力電力を受電して、より低い電圧の三相電力をパワーセル１４のそれぞれに供給するように構成されている。二次巻線の数は、利用されるパワーセル１４の数に応じて用途によって異なる可能性がある。

バスまたはケーブルを利用する伝統的なパワーセル／変圧器電気接続とは異なり、各個別パワーセル１４は、３つの水冷バス２４（各相毎に１つ）を介して多巻線装置１２の３つの二次巻線に電気接続される。従って、システム１０には各パワーセル１４毎に３つの水冷バス２４が存在する。さまざまな実施形態によれば、水冷バス２４は、銅管から製作される。導管によって、パワーセル１４が多巻線装置１２のそれぞれの二次巻線に電気接続され、さらに、パワーセル１４と多巻線装置１２の間にシステム１０を循環する水の流路が形成される。

水冷バス並びに流体接続に用いられる全てのホースは、自動閉鎖弁または取付け具を取り付けることができるか、または、それらを含むように設計することが可能である。自動閉鎖弁または取付け具を取り入れることによって、個々の巻線のセルを除去または交換するためにシステムを通る流体流を中断する必要がなくなるし、それどころか、セルまたは個別巻線の除去時には、ホースまたはバスが自動閉鎖し、その結果、ホースまたはバスを通る流体流だけが食い止められるので、安全性と信頼性の両方が高まる。

電源及びシステム１０の動作中、多巻線装置１２、パワーセル１４、及び、水冷バス２４は熱を発生する。水は、パワーセル１４、多巻線装置１２、及び、水冷バス２４を通過する際、構成部品によって生じる熱を吸収することによってこれらの構成部品を冷却する働きをする。吸収した熱によって水が暖まり、水ポンプ１６は暖まった水を水空気熱交換器１８に供給する。水空気熱交換器１８を通過する空気は水から伝達される熱を吸収し、それによって水が冷却される。冷却された水は、水空気熱交換器１８から給水マニホルド２０へと流れる。さまざまな実施形態によれば、水ポンプ１６と水空気熱交換器１８は電源の一部を形成する。従って、こうした実施形態の場合、システム１０は電源の一部を形成することになる。他の実施形態によれば、水ポンプ１６及び／または水空気熱交換器１８は電源の外部にある。留意すべきは、水空気熱交換器は、例示のためだけに用いられており、例えば強制冷却水熱交換器のような他の熱交換器を用いることも可能である。

給水マニホルド２０は、水空気熱交換器１８から冷却された水を与えられ、個別ホース２６を介して各種パワーセル１４に対して並列に水を供給する。個別ホース２６の数は、パワーセル１４の数に基づき用途によって異なる可能性がある。水は、各種パワーセル１４を一斉に通過する際にパワーセル１４によって生じる熱を吸収し、そのため水温が上昇する。ある特定のパワーセル１４を通過した水は、局所マニホルド２８に受け入れられ、このマニホルドによって、その特定のパワーセル１４を多巻線装置１２に電気接続する３つのそれぞれの水冷バス２４に供給される。局所マニホルド２８の数は、パワーセル１４の数に基づき用途によって異なる可能性がある。さまざまな実施形態によれば、各局所マニホルド２８は、その対応するパワーセル１４の一部を形成する場合もあるし、あるいは、対応するパワーセル１４とは別個に取り付けられる場合もある。

局所マニホルド２８からそれぞれの水冷バス２４に供給される水は、多巻線装置１２まで流れ、そこで銅管または他の適合する管を通って多巻線装置１２の二次巻線に送られ、多巻線装置１２の二次巻線によって生じる熱を吸収する。多巻線装置１２の銅管から流出する水は、個別ホース３０を介して水帰還マニホルド２２に達する。水帰還マニホルド２２に受け入れられた水は水ポンプ１６に還流する。

上述のように、システム１０によれば、既知のシステムに比べてホースの数及び多巻線装置１２へのホース接続数が大幅に減少し、電源を有効に冷却するのに必要な流量が大幅に減少する。さらに、流量が減少すると水空気熱交換器１８に流入する水の温度が上昇するので、システム１０によれば、既知のシステムに比べて水空気熱交換器１８の効率も大幅に高まることになる。

パワーセル１４と多巻線装置１２の二次巻線の間の電気接続（すなわち水冷バス２４）を利用して、パワーセル１４から多巻線装置１２の二次巻線に水を供給することによって、独立した組をなす導電バスと水接続管の必要がなくなる。また、パワーセル１４と多巻線装置１２の二次巻線の間の導電体（すなわち水冷バス２４）を循環水で直接冷却することによって、従来の空冷バス接続よりも導体を小さくし、コストを低下させることが可能になる。最後に、直接冷却されたバス２４は、電源エンクロージャ内部の空気中に放熱しなくなり、結果として局所電子回路の周囲温度が低下することになる。

図２には、パワーセルと二次巻線の間の接続がより詳細に例示されている。この例の場合、パワーセル１４は、電気的にも流体的にも二次巻線２０２に接続されている。図１の論考において前述のように、水はパワーセル１４から局所マニホルド２８に流れる。ここで、水は３つの電気バス２４のそれぞれに分配される。水が電気バス２４の１つに分配されると、各個別電気バス２４は二次巻線２０２の単相巻線につながる。水は単相巻線を通過し、その結果、巻線は冷却される。水は、次に、個別ホース３０を通過して、水帰還マニホルド２２に達する。前述のように、戻される水は、熱交換器を通って給水マニホルド（図２には示されていない）までポンプで送り返され、パワーセルのそれぞれに分配される。図２には、水帰還マニホルド２２に戻る３つの個別ホース３０が示されているが、留意すべきは、これがただ単に例示のために示されたものにすぎないという点である。単一ホースが望ましいいくつかの用途（例えば、水帰還マニホルドが多巻線装置から遠く離れている）では、単一帰還ホースを用いることも可能である。

本書では、例示として本発明のいくつかの実施形態について説明してきたが、当該技術者には明らかなように、従属の請求項によって規定される本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、記載の実施形態に対するさまざまな修正、変更、及び、改変を実現することが可能である。

１０ マルチセル電源冷却システム
１２ 多巻線装置
１４ パワーセル
１６ 水ポンプ
１８ 水空気熱交換器
２０ 給水マニホルド
２２ 水帰還マニホルド
２４ 水冷バス
２６ ホース
２８ 局所マニホルド
３０ ホース
２０２ 二次巻線

Claims (17)

1. マルチセル電源の冷却システムであって、
   水ポンプと、
   前記水ポンプと流体接続されている熱交換器と、
   前記熱交換器と流体接続されている複数のパワーセルと、
   前記複数のパワーセルに接続された複数の水冷バスと、
   一次巻線と複数の二次巻線を有する多巻線装置が含まれており、
   前記複数の二次巻線は、それぞれ前記複数の水冷バスの１つを介して、前記パワーセルに電気接続および流体接続されており、前記複数のパワーセルを介して前記熱交換器から前記複数の二次巻線に水が受け入れられていることを特徴とするシステム。
2. 前記熱交換器及び前記パワーセルと流体接続されている供給流体マニホルドが含まれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記供給流体マニホルド及び前記パワーセルの少なくとも１つに接続されたホースが含まれることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記パワーセルの１つと流体接続されており、前記複数の水冷バスのうち３つの水冷バスに接続された局所マニホルドが含まれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記局所マニホルドによって、流体が前記３つの水冷バスの中に分配されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記３つの水冷バスのそれぞれが、前記二次巻線の１つと流体接続されていることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記多巻線装置及び前記水ポンプと流体接続されている流体帰還マニホルドが含まれることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記流体が、水であることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
9. 前記熱交換器が、水空気熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. マルチセル電源の冷却システムであって、
    水ポンプと、
    前記水ポンプと流体接続されている水空気熱交換器と、
    前記水空気熱交換器と流体接続されている給水マニホルドと、
    １つ以上の水ホースを介して前記給水マニホルドと流体接続されている複数のパワーセルと、
    少なくとも１つの水冷バスを介して前記複数のパワーセルと流体接続されている多巻線装置が含まれており、
    前記少なくとも１つの水冷バスによって、前記パワーセルが前記多巻線装置の二次巻線に電気接続されることを特徴とするシステム。
11. 前記パワーセルの少なくとも１つと流体接続されており、３つの前記水冷バスに接続された局所マニホルドが含まれることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記局所マニホルドによって、流体が前記３つの水冷バスの中に分配されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記３つの水冷バスのそれぞれが、前記二次巻線の１つと流体接続されていることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記多巻線装置及び前記水ポンプと流体接続されている流体帰還マニホルドが含まれることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
15. マルチセル電源を冷却する方法であって、
    前記マルチセル電源は、複数のパワーセルと、多巻線装置とから構成され、
    前記多巻線装置は、３つの一次巻線と複数の二次巻線とを含み、三相入力電力を受電し、かつ、低い電圧の三相電力を前記パワーセルのそれぞれに供給するように構成され、
    前記パワーセルは、前記３つのバスを介してそれぞれ前記二次巻線に電気接続されており、
    前記バスを介して、パワーセルから多巻線装置に電力を供給するステップと、
    前記電力供給中に、前記バス内で流体を循環させるステップが含まれ、
    前記バスは、水冷バスを構成し、
    前記水冷バス中の流体は、前記二次巻線によって発生した熱を吸収することを特徴とする方法。
16. 前記流体を前記パワーセルに分配し、前記流体が前記パワーセルからの熱を吸収して暖まるようにするステップが含まれることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記暖まった流体を循環させて熱交換器に送り、そこで前記暖まった流体を冷却させるステップと、
    前記冷却した流体を少なくとも１つのパワーセルに再分配するステップが含まれることを特徴とする請求項１６に記載の方法。

Images