(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、前記純水を循環させるポンプを、半導体装置の停止中に断続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、前記純水が低速で循環するようにポンプを、前記半導体装置の停止中に連続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項３】
半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、前記純水を循環させるポンプを半導体装置の停止中の運転前に起動させ少なくとも純水を１巡以上循環させて純水の導電度を規定値以下に抑えた後、半導体装置を運転するように制御する手段を備えたことを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項４】
前記純水の導電度を維持するイオン交換器に流れる純水の流量を導電度の変化に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体冷却装置。
【請求項５】
半導体素子を用いて電力を変換する半導体装置と、この半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置とからなる電力変換装置において、前記半導体装置の停止中に半導体冷却装置が前記純水を循環させるポンプを断続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置を純水を用いて冷却する半導体冷却装置、及び半導体冷却装置を有する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子が多数個直並列接続されて構成される半導体変換装置を有する電力変換装置において、半導体素子の冷却に純水が使用されており、この純水の温度及び導電度を維持するために半導体冷却装置が設けられている。
【０００３】
図１１はその電力変換装置の一例を示すもので、１は半導体変換装置（以下、変換装置と略称する。）である。この変換装置１には、図１２に示すような、半導体素子２、及び半導体素子２が発生する熱を冷却するためのヒ−トシンク３が多数個積層されて構成された半導体スタック４が多数個収納されている。各ヒ−トシンク２間、及びヒ−トシンク２と出入口配管５ａ、５ｂの間はそれぞれ絶縁ホース６ａ、６ｂ、６ｃで絶縁されて接続されている。
【０００４】
又、７は半導体冷却装置（以下、冷却装置と略称する。）で、水冷式の熱交換器８、該熱交換器８の純水配管側に設けられた循環ポンプ９、流量計１０、温度計１１、及び純水の導電度を維持するためのイオン交換器１２、導電率計１３、出入口配管１４ａ、１４ｂにより構成されている。又、１６はイオン交換器１２の流量調整バルブである。一方外水配管側は出入口配管１５ａ、１５ｂにより構成されている。
【０００５】
このように構成される冷却装置７において、半導体素子２が発熱する熱を循環ポンプ９の運転により純水を循環させ熱交換器８により熱交換され冷却される。又、イオン交換器１２に純水を常時流し、純水の導電度を規定値に維持することにより、半導体素子２間及び半導体素子２と出入口配管５ａ、５ｂの間の絶縁を確保している。導電率計１３は純水の導電度を監視し規定値を越えた場合に信号を出しイオン交換器１２内のイオン交換樹脂の劣化を検知する。
【０００６】
又、図１３は空冷式の熱交換器８ａを用いた場合を示し、多数個のファン２４により純水を冷却するもので熱交換器８ａ以外は図１１、図１２と同じ構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では保守、点検時において、あるいは予備装置として、長期間変換装置及び冷却装置からなる電力変換装置を停止した場合、純水と接触する金属部分、特に銅材のヒ−トシンクの金属イオンが純水に溶け出し純水導電度を上昇させ規定値を越える。この状態で装置を運転させると絶縁ホ−ス中の漏れ電流が大きくなり絶縁ホ−スを劣化させると共に絶縁が確保できず、結果として絶縁破壊に至るという問題があった。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解消させるためになされたもので、純水の導電度を維持し、又装置の運転までの時間を短縮すると共にイオン交換器内のイオン交換樹脂の劣化速度を小さく抑えた冷却装置および、冷却装置を有する電力変換装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、純水を循環させるポンプを、半導体装置の停止中に断続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、純水を循環させるポンプを断続運転させるにあたっては、ポンプを一定サイクル毎にかつ、一定時間断続運転させるように制御することができる。
純水の導電度を常時、規定値以内に維持することができると共に断続運転によりイオン交換樹脂の劣化速度を抑え更にポンプの消費電力も抑えることができる。
【００１１】
また、純水を循環させるポンプを断続運転させるにあたっては、純水の水温及び導電度を規定値内に抑えながら断続運転させるように制御してもよい。
このような構成とすることにより、純水を冷却する外水あるいはファンが停止している場合においても純水の導電度を常時規定値以内に維持することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、純水が低速で循環するようにポンプを、前記半導体装置の停止中に連続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、純水が低速で循環するようにポンプを連続運転させるには、例えば純水を循環させるポンプを低速で連続運転させるように制御すればよい。また、純水が低速で循環するようにポンプを連続運転させるには、通常純水を循環させる主ポンプを停止させ、これとは別に設けられた補助ポンプを連続運転させるように制御してもよい。
【００１４】
このような構成とすることにより、純水を冷却する外水あるいはファンが停止している場合においても純水の導電度を常時規定値以内に維持することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置において、純水を循環させるポンプを半導体装置の停止中の運転前に起動させ少なくとも純水を１巡以上循環させて純水の導電度を規定値以下に抑えた後、半導体装置を運転するように制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
このような構成とすることにより、純水が停止中に絶縁が要求される部分の導電度が上昇した場合でも、純水を循環させることにより導電率計によるコントロ−ルが可能となり、導電度を規定値以内に維持することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記請求項１乃至３に記載の発明において、純水の導電度を維持するイオン交換器に流れる純水の流量を導電度の変化に応じて制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
ここで、純水の導電度を維持するイオン交換器に流れる純水の流量をするにあたっては、例えばイオン交換器の入口又は出口配管に流量を制御できる電動バルブを入れてもよいし、主配管とイオン交換器の入口又は出口配管の分岐部分に電動型の三方弁を入れてイオン交換器の流量を制御してもよい。
【００１９】
このような構成とすることにより、純水の導電度の変化に合わせ、イオン交換器への流量を変化させることができることから規定値の導電度に達するまでの時間を縮めることができると共にイオン交換樹脂の劣化速度を抑えることができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、半導体素子を用いて電力を変換する半導体装置と、この半導体装置を水冷又は空冷式の熱交換器によって冷却される純水で冷却する半導体冷却装置とからなる電力変換装置において、半導体装置の停止中に半導体冷却装置が純水を循環させるポンプを断続運転させて純水の導電度を規定値内に維持するように制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成とすることにより、装置が停止している間純水の導電度を維持し、装置の運転再開までの時間を短縮すると共に、イオン交換器内のイオン交換樹脂の劣化速度を小さく抑えることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。尚、図１〜図１３において、同一符号は、同一機能である同一部分または対応部分を示す。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図であり、また図２はその動作を説明するためのタイムチャ−トである。
【００２３】
図１において１はインバータ、コンバータ等の変換装置であり、これらの構成は従来技術で説明した図１１及び図１２のものと同じである。
７は冷却装置であり、熱交換器８を有する。この熱交換器８の純水側は循環ポンプ９、流量計１０、温度計１１、及び純水の導電率を維持するためのイオン交換器１２、導電率計１３、及び出入口配管１４ａ、１４ｂにより構成されている。一方外水側は出入口配管１５ａ、１５ｂにより構成される。
【００２４】
１７は循環ポンプ９の運転をコントロ−ルする制御装置である。
このように構成された冷却装置７において、変換装置１が停止中で、図２に示す様に外水が通水中である場合は、制御装置１７の制御により、循環ポンプ９を一定サイクル毎にかつ一定時間断続運転させる。例えば１日に一回１時間程度運転させる。
【００２５】
このように循環ポンプ９を断続運転させることにより、純水の導電度を規定値に維持できると共にイオン交換器１２内のイオン交換樹脂（例えば、スチレンとジビニルベンゼンの共重合物で生成された、陽イオン交換樹脂または陰イオン交換樹脂）の劣化速度を抑え、更に循環ポンプ９の消費電力を抑えることができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図であり、また図４はその動作を説明するためのタイムチャ−トである。図３において１１は温度計、１３は導電率計でありそれぞれ信号が制御装置１７にフィ−ドバックされている。２０は電磁弁であり変換装置１の停止中は外水を停止させるものである。他の構成部品は図１と同じである。
【００２７】
このように構成された冷却装置７において、変換装置１が停止中で、図４に示すように外水が停止中の場合においても、純水の水温及び導電度をフィ−ドバックしながら循環ポンプ９を断続運転する。
【００２８】
即ち、導電率計１３により検出される導電度が上限設定値になったとき循環ポンプ９の運転を開始させ、循環ポンプ９の発熱による純水の温度上昇で純水の温度が上限設定値になったことを温度計１１で検出したとき循環ポンプ９の運転を停止させる。
【００２９】
このことを繰り返して、循環ポンプ９を断続運転することにより、循環ポンプ９の発熱による純水の温度上昇値及び導電度を設定値に抑えることができ純水の導電度を規定値に維持することができる。
【００３０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は第３の実施形態の構成を示す図であり、また図６はその動作を説明するためのタイムチャ−トである。図５において１７は循環ポンプ９の電源電圧を制御する制御装置であり、外水の停止信号を受けると共に循環ポンプ９の電源電圧を降下させ低速で連続運転させる。
【００３１】
循環ポンプ９を低速で運転させることで純水が低速で循環し、外水が停止中の場合においても循環ポンプ９の発熱による純水の温度上昇値及び導電率を設定値に抑えることができ純水の導電度を規定値に維持することができる。
【００３２】
なお、このように、低速運転中も導電率計１３により導電度を検出し、もし導電度が上限設定値にある程度近づいたときは循環ポンプ９の電源電圧を少し上げ、また温度計１１により純水の温度を検出して、もし純水の温度が上限設定値にある程度近づいたときは循環ポンプ９の電源電圧を少し下げるように制御することもできる。
【００３３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図７は、第４の実施形態の動作を説明するためのタイムチャ−トである。図５に示す第３の実施形態の構成と同様に、制御装置１７を設け、変換装置１の運転に入る前に外水の通水を行うとともに、制御装置１７の制御により、循環ポンプ９を運転させ純水が変換装置１及び冷却装置７の配管を少なくとも１巡以上循環させ、一定時間経過後、導電度が規定値以下になるのを検知したのちに変換装置１の運転に入るようなシ−ケンスとする。
【００３４】
純水の循環ポンプ９が停止中においては金属イオンの溶出し易いヒ−トシンク（図５中のＡ点）では導電度が規定値を越えているのに対し導電率計１３の部分（図５中のＢ点）ではステンレス等の金属イオンの溶出しにくい材質であるために導電度の異常が検出されない。そこで、純水を循環させ、一定時間経過後、導電率計１３により、導電度が規定値以下になるのを検知したのちに、変換装置１の運転に入ることとする。
【００３５】
このように、循環ポンプ９の運転を開始後ある時間Ｔ経過後変換装置１の運転に入るシ−ケンスにすることで、導電度の異常時での変換装置１の運転を防止できる。
【００３６】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図８は第５の実施形態の構成を示す図である。図中２１は導電度の変化に合わせて制御される電動バルブでありイオン交換器１２の入口又は出口配管（図中では入口）に入れられる。
【００３７】
このような構成にすることにより、純水の導電度の大きさに比例して電動バルブ２１の開閉度合を変化させイオン交換器１２を通る純水流量を変化させることができる。このようにイオン交換器１２を通る純水流量を変化させることで、規定の導電度にするまでの時間を縮めることができると共にイオン交換器１２内のイオン交換樹脂の劣化速度を小さく抑えることができる。
【００３８】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
図９は第６の実施形態の構成を示す図である。図に示すように、イオン交換器１２が出口配管１４ａに並列接続され、かつ、出口配管１４ａとイオン交換器１２の入口又は出口配管（図中では入口）の分岐部分に導電度の変化に合わせて制御される電動型の三方弁２２を入れたものである。この三方弁２２は、熱交換器８から流れてくる純水の、直接出口配管１４ｂ方向へ流れる純水流量と、イオン交換器１２へ流れる純水流量との割合をコントロールするもので、これにより純水の導電度の大きさに応じてイオン交換器１２を通る純水流量を変化させることができる。
【００３９】
このような構成にすることによりイオン交換器１２を通る純水流量がより大きくできることから規定の導電度にするまでの時間をより短縮することができると共にイオン交換樹脂の劣化速度を小さく抑えることができる。
【００４０】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
図１０は第７の実施形態の構成を示す図である。図中２２は電動型の三方弁であり、イオン交換器１２の入口部に設けられる。又２３は補助ポンプで循環ポンプ９に比べて容量が小型のものであり循環ポンプ９の入口と前記三方弁２２の一方に接続される。三方弁２２は、イオン交換器１２に導入される純水の入力側を、熱交換器８からと補助ポンプ２３からとに切り替えるものである。
【００４１】
このような構成において外水の停止信号が制御装置１７に入力されると共に制御装置１７により三方弁２２が補助ポンプ２３側に切替わった後、補助ポンプ２３の運転に切替わりイオン交換器１２のイオン交換樹脂を通過した純水が変換装置内を循環することになり、導電度の上昇を抑えることができる。
【００４２】
なお、電導度計１３により、電導度が規定値以下であることを確認している。このように、小型の補助ポンプ２３を設けることにより純水を低速で循環させることができ、消費電力を小さく抑えることができると共に外水が停止中でも常時導電度を規定値以下に抑えることができる。
なお、上記第１乃至第７の実施形態においては、水冷式の熱交換器の場合について説明したが、空冷式の熱交換器の場合も同様に実施することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、長期間、変換装置及び冷却装置を停止する場合においても、純水の導電度を維持し変換装置の運転までの準備時間を最短にできると共に、イオン交換器内のイオン交換樹脂の劣化速度を最小に抑えた冷却装置、及び電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】第２の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図５】本発明の第３および第４の実施形態の構成を示すブロック図。
【図６】第３の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図７】第４の実施形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図８】本発明の第５の実施形態の構成を示すブロック図。
【図９】本発明の第６の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の第７の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１１】従来の水冷式の半導体冷却装置を有する電力変換装置の一例の構成を示すブロック図。
【図１２】図１１に示す半導体冷却装置の一部の詳細な構成を示すブロック図。
【図１３】従来の空冷式の半導体冷却装置を有する電力変換装置の一例の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１…半導体変換装置
２…半導体素子
３…ヒ−トシンク
４…半導体スタック
５ａ…出口配管
５ｂ…入口配管
６ａ、６ｂ、６ｃ…絶縁ホ−ス
７…半導体冷却装置
８…熱交換器
９…循環ポンプ
１０…流量計
１１…温度計
１２…イオン交換器
１３…導電率計
１４ａ…出口配管
１４ｂ…入口配管
１５ａ…入口配管
１５ｂ…出口配管
１６…流量調整バルブ
１７…制御装置
２０…電磁弁
２１…電動バルブ
２２…三方弁
２３…補助ポンプ
２４…ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003577196.tif 000011
【図１１】
0003577196.tif 000012
【図１２】
0003577196.tif 000013
【図１３】
0003577196.tif 000014