JP5516478B2 - 水冷式電気機器 - Google Patents

Description

この発明は、冷却水によって冷却される水冷式電機機器に関するものである。

従来の水冷式電機機器においては、冷却対象となる電気機器（インバータ装置等）と、この電気機器を冷却する冷却水を循環させるポンプと、電気機器の発生する熱により加熱された冷却水を冷却するための冷却装置とが、配管によって閉ループを形成するように接続されて構成されている。（例えば、特許文献１）。

特開平９−１９９６４８（２−３頁、図１−２）

上記のような従来の水冷式電気機器において冷却装置は屋外に配置されることも多いが、冷却水の全量がこの冷却装置を循環する構成となっているため、外気温が低くなった場合には冷却水の温度が過度に低下することもあった。この場合には循環する冷却水の水温と屋内の室温との温度差が大きくなり、屋内の空気が冷却水の温度まで下げられて水蒸気が飽和し、電気機器表面に結露を引き起こすため絶縁性能を確保する上での問題となることがあった。このような結露を防ぐために、上記冷却水の閉ループの１箇所にヒータを設けて冷却水の加熱が行えるようになっているが、結露を生じない程度まで冷却水を加熱する場合には、冷却水の温度低下が大きいためにヒータにおいて多大なエネルギーロスが発生するという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、冷却水の過度な温度低下を防ぎ、ヒータのエネルギーロスを低減することを目的とする。

この発明に係る水冷式電気機器は、屋内に配置された電気機器と、電気機器を冷却する冷却水を循環させるポンプと、屋外に配置され、冷却水を冷却する冷却器と、冷却水を加熱するヒータと、電気機器、ポンプ、冷却器及びヒータの間を前記冷却水が循環する閉ループを形成する主配管とを備えている。
さらに、冷却器の入口側と出口側に設けられて前記冷却水を分流する分岐部の間をバイパスするバイパス配管と、主配管における前記両分岐部の間に設けられた第１の流量調整弁又はバイパス配管に設けられた第２の流量調整弁のうち少なくとも一方を備え、バイパス配管は、電気機器とポンプとヒータとを有する第１の領域と、冷却器を有する第２の領域とを分割していることを特徴とする。

この発明に係る水冷式電気機器によると、バイパス配管と、主配管における前記両分岐部の間に設けられた第１の流量調整弁又はバイパス配管に設けられた第２の流量調整弁のうち少なくとも一方を備えているため、冷却器を通って主配管より電気機器に還流する比較的冷たい冷却水と、バイパス配管より電気機器に還流する比較的温かい冷却水との混合割合を変えることにより水温を調節することが可能となる。従って、冷却水全量を冷却装置に循環させる従来と比較して冷却水温度を高く調整できるため、冷却水の過度な温度低下を防ぎ、ヒータのエネルギーロスを低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器において、第１の流量調整弁と第２の流量調整弁との開度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器において、流量調整弁の開度と冷却水流量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器において、流量調整弁の開度と冷却水流量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器において、流量調整弁の開度と冷却水流量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器の運転形態を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る水冷式電気機器の運転形態を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る水冷式電気機器１の構成を示す図である。本図において、電気機器２から排出される冷却水は、ポンプ３により主配管４内を循環する。主配管４には上記以外に冷却器５、ヒータ６、第１の流量調整弁７、水温計８が接続されており、主配管４は冷却水がこれら機器の間を循環する閉回路を形成している。また、冷却器５の入口側と出口側には冷却水を分流する分岐部９、１０を有する。両分岐部９、１０の間はバイパス配管１１によりバイパスされており、このバイパス配管１１には第２の流量調整弁１２が設けられている。ここで１３は電気機器２が配置される屋内と屋外との境界を模式的に示すが、本実施の形態においては、冷却器５と水温計８のみが屋外設置であり、それ以外の機器は屋内設置となっている。

電気機器２によって加熱された冷却水はポンプ３により加圧され主配管４中を図中矢印の方向に流れ冷却器５に流入し、屋外に設置された冷却器５によって冷却される。冷却された冷却水は再び屋内に戻り、主配管４内の循環を繰り返す。また、電気機器２以外に冷却水の温度を上昇させるために加熱するヒータ６を備えており、冷却器５の出口部に設けられた水温計８により冷却器５より流出する冷却水の水温を測定している。更に本実施の形態に係る水冷式電機器１においては、水温計８から水温に関する信号が入力され、この信号に基づいて第１の流量調整弁７又は第２の流量調整弁１２の開度を制御する制御装置１４が備えられている。

本実施の形態では冷却水のバイパス回路１１が設けられており、主配管４の両分岐部９、１０の間に設けられた第１の流量調整弁７と、バイパス配管１１に設けられた第２の流量調整弁１２の開度調整により、主配管４側を流れる冷却水量とバイパス配管１１側を流れる冷却水量の調整を行うことができる。また、第１の流量調整弁７が１００％開いているときは第２の流量調整弁１２を閉じており、第２の流量調整弁１２が１００％開いているときは第１の流量調整弁７を閉じるというように、図２に示すイメージに従って流量調整弁７の開度（Ｏ_Ｍ）と流量調整弁１２の開度（Ｏ_Ｂ）は各々が相反する動作を行うこととしている。この場合の主配管４を流れる冷却水の流量（Ｆ_Ｍ）とバイパス配管１１を流れる冷却水の流量（Ｆ_Ｂ）との関係は例えば図３に示すようなものとなる。

このように主配管４に第１の流量調整弁７を、バイパス配管１１に第２の流量調整弁１２を両方とも備える場合には、Ｏ_Ｍ＝１００％、Ｏ_Ｂ＝０％として最大流量（Ｆ_ＭＡＸ）を冷却器５に流すことにより、ポンプ３、冷却器５を含めた本冷却システムの最大能力を活用することができる。更に、逆にＯ_Ｍ＝０％、Ｏ_Ｂ＝１００％として主配管４側を封じきってバイパス配管１１側のみに冷却水を流すことにより、冷却器５のメンテナンスを行うことも可能である。

しかし、本願発明の効果を奏するためには、各流量調整弁７、１１の開度の動作は図２に示されるようなものに限られず、また第１の流量調整弁７と第２の流量調整弁１２の両方を備える必要もない。例えば、第１の流量調整弁７のみ設けた場合であっても図４に示すように開度Ｏ_Ｍを調節することによりＦ_ＭとＦ_Ｂとの関係を調整できる。この場合にはＯ_Ｍ＝０％とすることにより主配管４側を封じきって、冷却器５のメンテナンスを行うことができる。また、第２の流量調整弁１２のみを設けた場合であっても図５に示すように開度Ｏ_Ｂを調節することによりＦ_ＭとＦ_Ｂとの関係を調整できる。この場合にはＯ_Ｂ＝０％とすることにより最大流量（Ｆ_ＭＡＸ）を冷却器５に流すことができる。

以上のように主配管４における両分岐部９、１０の間に設けられた第１の流量調整弁７又はバイパス配管１１に設けられた第２の流量調整弁１２のうち少なくとも一方を備えていれば、主配管４を流れる冷却水の流量（Ｆ_Ｍ）とバイパス配管１１を流れる冷却水の流量（Ｆ_Ｂ）の両者の関係を調整できる。このことにより冷却器５を通って主配管４より電気機器２に還流する比較的冷たい冷却水と、バイパス配管１１より電気機器２に還流する比較的温かい冷却水との混合割合を変えることにより水温を調節することが可能となる。

なお、本実施の形態では、バイパス配管１１を設けて主配管４を流れる冷却水が分流するような構成を採用しているが、このような分流回路を設けずに主配管４の途中１箇所に第１の流量調整弁７のみを設け、冷却水温が低下した場合には冷却水流量を絞ることにより冷却水の過度の低下を防止できるとも考えられる。

しかし、電気機器２は高電圧機器である場合も多く、この電気機器２が配置された主配管４の前後は絶縁材料（ポリテトラフルオロエチレン等）により構成されており、この部分は機械的強度が弱い部分となっている。上記のように主配管４の途中１箇所に第１の流量調整弁７のみを設ければ確かに流量の調整はできるが、一般的にはポンプ３の吐出圧の調整は困難であるため、第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍを絞れば水圧が上昇する。そうすると前述のような機械的強度の弱い部分が上昇した水圧に耐えられるかどうかが問題となる。

これに対して本実施の形態に係る水冷式電気機器１によると、分流回路であるバイパス配管１１を設けているため、第１の流量調整弁７により主配管４を流れる冷却水量を絞った場合であっても、バイパス配管１１を通じてある程度の冷却水量を流すことが可能であるため、圧力上昇を緩和することができる。従って、上記のような機械的強度の弱い部分に対する耐水圧の問題を解消することができる。

次に図１に示された本実施の形態に係る水冷式電気機器１の運転方法について説明する。まず、水温計８により測定された冷却水温Ｔ_ｗが比較的高く、冷却器５による冷却水の冷却が必要となる通常の運転状況においては、図６に示す運転領域Ｒ_１にて運転を行うように制御装置１４は第１の流量調整弁７と第２の流量調整弁１２の開度の制御を行う。すなわち、この運転領域Ｒ_１では、第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍ＝１００％、第２の流量調整弁１２の開度Ｏ_Ｂ＝０％となるように制御し、冷却器５に全ての冷却水を循環させ、冷却効率を最大とする。

外気温が低下し、それに伴って水温計８により測定された冷却水温Ｔ_ｗが下がった場合、このまま第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍを１００％に保つと、冷え過ぎた冷却水が室内に入ったときにそのときの室内湿度によっては結露を引き起こすことが懸念される。この場合には制御装置１４は図６に示す運転領域Ｒ_２に切り替える。この運転領域Ｒ_２において、冷却水温Ｔ_ｗの低下に伴い、制御装置１４は第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍは１００％から０％へと減少させるのと同時に、図２に従って開度Ｏ_Ｂを０％から１００％へと増加させるように制御する。このように冷却器５へ循環させる冷却水の流量を徐々に減らすと同時に、バイパス配管１１を流れる比較的温かい冷却水流量を増やしてゆくことにより、ヒータ６の電源を入れなくても冷却水の不要な温度降下を防ぐことができる。

更に冷却水温Ｔ_ｗが下がった場合には、図６に示す運転領域Ｒ_３の状態とし、制御装置１４は第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍは０％、第２の流量調整弁１２の開度Ｏ_Ｂは１００％を保つように制御し、屋外に配置された冷却器５への循環は完全に停止する。これは屋外の気温の低下に伴い屋内の気温も低下し、屋内に配置された主配管４又はバイパス配管１１からの放熱のみで電気機器２からの発熱とバランスさせることができることを意味している。このことにより、屋内を循環する冷却水の温度低下を防ぎ、設置しているヒータ７の動作を最小限とすることができ、従来の方式よりもエネルギーロスを抑制することができる。

また、外気温が更に下がり、冷却水が凍結する温度Ｔ_Ｆに近づいてきた場合は、図６に示す運転領域Ｒ_４の状態とし、制御装置１４は第１の流量調整弁７に対しては凍結を防止できる程度の最低限の流量（Ｆ_ＭＩＮ）を流しうるだけの開度Ｏ_Ｍを確保するように制御するのと同時に、第２の流量調整弁１２の開度Ｏ_Ｂはわずかだけ絞り気味にする。これにより外気温が下がった場合であっても、冷却水の凍結、及びこれによる機器の破損を防止することができる。

なお、上記において各運転領域Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４の境界水温Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３については、電気機器２からの発熱、外気温、室内温度及び室内湿度、及び下記の熱バランスの関係式に基づき、室内機器における結露を防止しつつ、ヒータからの発生熱量を最小化することを目標に適宜定めればよい。
Ｑ_Ｅ＋Ｑ_Ｈ＝Ｑ_Ｃ（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｏ）＋Ｑ_Ｐ１（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｏ）＋Ｑ_Ｐ２（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｉ）
ここで、
Ｑ_Ｅ：電気機器２からの発熱、Ｑ_Ｈ：ヒータ６からの発熱、
Ｑ_Ｃ（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｏ）：冷却器５からの放熱、Ｑ_Ｐ１（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｏ）：屋外配管からの放熱、
Ｑ_Ｐ２（Ｔ_Ｗ、Ｔ_Ｉ）：屋内配管等からの放熱
Ｔ_Ｗ：冷却水温、Ｔ_Ｏ：外気温、Ｔ_Ｉ：室内温度
また、冷却水の凍結温度Ｔ_Ｆについては公知の不凍液（エチレングリコール等）を用いることにより、０℃以下（例えば−３０℃程度）とすることも可能である。

以上のとおり本実施の形態に係る水冷式電気機器１によると、バイパス配管１１と、主配管４における両分岐部９、１０の間に設けられた第１の流量調整弁７又はバイパス配管１１に設けられた第２の流量調整弁１２のうち少なくとも一方を備えているため、冷却器５を通って主配管４より電気機器２に還流する比較的冷たい冷却水と、バイパス配管１１より電気機器２に還流する比較的温かい冷却水との混合割合を変えることにより水温を調節することが可能となる。従って、冷却水全量を冷却装置に循環させる従来と比較して冷却水温度を高く調整できるため、冷却水の過度な温度低下を防ぎ、ヒータのエネルギーロスを低減することができる。

また、図１に示すように第１の流量調整弁７と第２の流量調整弁１２の両方を備えている場合には、上記の効果に加えて冷却水の全流量を冷却器５に流すことができ、本冷却システムの最大能力を活用することができると同時に、主配管４側を封じきって冷却器５のメンテナンスを行うことができるという効果も併せて奏する。

更に、冷却器５より流出する冷却水の水温を測定する水温計８と、水温計８から水温に関する信号が入力され、この信号に基づいて第１の流量調整弁７又は前記第２の流量調整弁１２の開度を制御する制御装置１４とを備えたため、測定された冷却水温に応じて主配管４とバイパス配管１１の冷却水量及び冷却水温を最適に調整でき、ヒータのエネルギーロスを更に低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、冷却水が凍結する温度Ｔ_Ｆに近づいてきた場合に、閉め切っていた第１の流量調整弁７を開放して冷却器５を循環する冷却水量を階段状にＦ_ＭＩＮまで変化させる例を示した。本実施の形態ではこのように階段状に変化させるのではなく、第１の流量調整弁７の開度Ｏ_Ｍを大きくするのと第２の流量調整弁１２の開度Ｏ_Ｂを小さくするのを徐々に行い、主配管４における流量をＦ_ＭＩＮまで緩やかに変化させることを特徴とする。

実施の形態１では所定の冷却水温（Ｔ_３）まで下がった時点で階段状にバルブを第１の流量調整弁７を開放するので、このときに一気に室内に流入した冷水による水温低下に対して、ヒータ６を加熱することによる水温上昇が追いつかず、一時電気機器２が冷却されるため結露する恐れがある。これに対し、実施の形態２では冷却水温がＴ_３に下がる前の段階から時間をかけて冷水が混入してくるため、ヒータ６の加熱による水温上昇と相殺させることができて、室内の水温がそれほど低下しないため結露しないで済むという効果も奏する。

１ 水冷式電気機器
２ 電気機器
３ ポンプ
４ 主配管
５ 冷却器
６ ヒータ
７ 第１の流量調整弁
８ 水温計
９ 分岐部
１０ 分岐部
１１ バイパス配管
１２ 第２の流量調整弁
１４ 制御装置

Claims (4)

1. 屋内に配置された電気機器と、
   前記電気機器を冷却する冷却水を循環させるポンプと、
   屋外に配置され、前記冷却水を冷却する冷却器と、
   前記冷却水を加熱するヒータと、
   前記電気機器、前記ポンプ、前記冷却器及び前記ヒータの間を前記冷却水が循環する閉ループを形成する主配管と、
   前記冷却器の入口側と出口側に設けられて前記冷却水を分流する分岐部の間をバイパスするバイパス配管と、
   前記主配管における前記両分岐部の間に設けられた第１の流量調整弁又は前記バイパス配管に設けられた第２の流量調整弁のうち少なくとも一方を備え、
   前記バイパス配管は、前記電気機器と前記ポンプと前記ヒータとを有する第１の領域と、前記冷却器を有する第２の領域とを分割していることを特徴とする水冷式電気機器。
2. 前記冷却器より流出する前記冷却水の水温を測定する水温計と、
   前記水温計から前記水温に関する信号が入力され、この信号に基づいて前記第１の流量調整弁又は前記第２の流量調整弁の開度を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする
   請求項１に記載の水冷式電気機器。
3. 前記制御装置は、前記水温が高いほど前記第１の流量調整弁の開度を大きくするか、前記第２の流量調整弁の開度を小さくするように制御することを特徴とする
   請求項２に記載の水冷式電気機器。
4. 前記第１の流量調整弁と前記第２の流量調整弁の両方を備えたことを特徴とする
   請求項１に記載の水冷式電気機器。

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