(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と電動機との間に設けられて電源から電動機に送られる電力の変換を行う電動機駆動制御装置を冷却するための冷却装置であって、
冷却液を加圧送出するポンプと、上記電動機駆動制御装置の熱を冷却液に伝達させる吸熱用熱交換器と、冷却液の熱を該冷却液以外の流体中に放熱させる放熱用熱交換器と、これらポンプ、吸熱用熱交換器、放熱用熱交換器の間で冷却液を循環させるための配管とを具備する、冷却装置において、
上記配管に設けられると共に該配管内を流れる冷却液に直接接触して該冷却液の流量を検出する接触式流量センサと、
上記配管に設けられると共に該配管内を流れる冷却液に接触せずに該冷却液の流量を検出する非接触式流量センサとを具備し、
前記接触式流量センサは冷却液によって羽根車が回転せしめられるときの回転数によって冷却液の流量を検出する羽根車式流量センサである、冷却装置。
【請求項２】
上記配管は、上記ポンプから吸熱用熱交換器へ冷却液を流すのに用いられる供給側配管と、上記吸熱用熱交換器からポンプへ冷却液を流すのに用いられる戻り側配管とを具備し、上記接触式流量センサ及び非接触式流量センサは戻り側配管に設けられる、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
上記非接触式流量センサは上記接触式流量センサよりも上流側に設けられる、請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
上記非接触式流量センサは、配管外部から冷却液内に発信された超音波により該配管内を流れる冷却液の流量を検出する超音波センサである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機駆動制御装置の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄鋼圧延機等に用いられる大容量の電動機には、電源から電動機に送られる電力の変換（例えば、電圧や交流周波数の変更）を行って電動機の駆動を制御する電動機駆動制御装置（例えば、インバータやコンバータ、サイリスタ等）が設けられる。このような電動機駆動制御装置は、作動中高温になることから、通常、冷却装置が併設される。
【０００３】
このような冷却装置の一つに冷却液を用いたものが挙げられる。冷却液を用いた冷却装置では、電動機駆動制御装置から熱を奪ってその熱を冷却液へ伝達させる吸熱用熱交換器と、冷却液の熱を冷却液以外の流体（例えば、外気）中に放熱させて冷却液の温度を低下させる放熱用熱交換器との間で冷却液を循環させることによって電動機駆動制御装置を冷却させるようにしている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１１７８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このような冷却装置を用いた場合、冷却液の流量が減少すると電動機駆動制御装置からの放熱が十分に行われなくなり、電動機駆動制御装置の異常過熱を招き、その結果、場合によっては電動機駆動制御装置の損傷を招く。このため、上述したような冷却装置では、冷却装置内で循環する冷却液の流量を監視すると共に、流量減少時に電動機駆動制御装置を停止して保護する機能が必要である。
【０００６】
そこで、多くの冷却装置では、両熱交換器間を循環する冷却液の配管に流量センサが取り付けられると共に、この流量センサにより配管内を流れる冷却液の流量を検出するようにしている。このように冷却液の流量を検出する流量センサとしては、例えば、羽根車式の流量センサのように、冷却液に直接接触して冷却液の流量を検出する接触式流量センサが用いられる。
【０００７】
ところが、このような接触式流量センサは常に配管内を流れる冷却液に曝されていることから故障が発生し易い。また、接触式流量センサとして羽根車式流量センサを用いた場合、回転軸が摩耗や破損することによっても故障が発生し易い。流量センサに故障が発生すると、配管内を流れる冷却液の流量が減少しているにも関わらず、これを検出することができず、その結果、電動機駆動制御装置の異常過熱や破損を招いてしまう可能性がある。或いは、配管内を流れている冷却液は適切であるにも関わらず、冷却液の流量が異常であると検出してしまい、その結果、不必要に電動機駆動制御装置を停止させることになってしまう。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、冷却液の流量を高い信頼性で検出して電動機駆動制御装置の異常過熱や破損を抑制すると共に不要な電動機駆動制御装置の停止を抑制する電動機駆動制御装置の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、配管内を流れる冷却液の流量の検出に関して、流量センサの種類や個数、配置の異なる冷却装置について検討を行った。
その結果、冷却液を循環させるための配管に複数の流量センサを設けることで一方の流量センサが故障しても他方の流量センサによって流量を検出することができるようになり、冷却液の流量の検出不良を抑制することができることを見出した。
【００１０】
また、一般に、冷却液と直接接触して冷却液の流量を検出する接触式流量センサ（例えば、羽根車式流量センサ等）は流れている冷却液に直接接触するため故障し易い。また、接触式流量センサとして羽根車式流量センサを用いた場合、回転軸が摩耗や破損することによっても故障が発生し易い。さらに、接触式流量センサは配管内に侵入するように配置されるため、接触式流量センサを交換する際には冷却装置の運転を停止させる必要がある。
【００１１】
これに対して、冷却液と接触せずに冷却液の流量を検出する非接触式流量センサ（例えば、超音波式流量センサ）は流れている冷却液には直接接触しないため故障しにくい。さらに、非接触式流量センサは配管内に侵入しないように配置されるため、非接触式流量センサを交換する際には冷却装置の運転を停止させる必要はない。ただし、非接触式流量センサは配管内を流れる冷却液の状態によっては流量を正確に検出することができない場合がある。
【００１２】
そこで、本発明者は、接触式流量センサ及び非接触式流量センサの二つの流量センサを冷却液の配管に設けることにより、冷却液の流量の検出精度を高く維持しつつ流量検出の信頼性を高く維持することができることを見出した。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）電源と電動機との間に設けられて電源から電動機に送られる電力の変換を行う電動機駆動制御装置を冷却するための冷却装置であって、冷却液を加圧送出するポンプと、上記電動機駆動制御装置の熱を冷却液に伝達させる吸熱用熱交換器と、冷却液の熱を該冷却液以外の流体中に放熱させる放熱用熱交換器と、これらポンプ、吸熱用熱交換器、放熱用熱交換器の間で冷却液を循環させるための配管とを具備する、冷却装置において、上記配管に設けられると共に該配管内を流れる冷却液に直接接触して該冷却液の流量を検出する接触式流量センサと、上記配管に設けられると共に該配管内を流れる冷却液に接触せずに該冷却液の流量を検出する非接触式流量センサとを具備し、前記接触式流量センサは冷却液によって羽根車が回転せしめられるときの回転数によって冷却液の流量を検出する羽根車式流量センサである、冷却装置。
（２）上記配管は、上記ポンプから吸熱用熱交換器へ冷却液を流すのに用いられる供給側配管と、上記吸熱用熱交換器からポンプへ冷却液を流すのに用いられる戻り側配管とを具備し、上記接触式流量センサ及び非接触式流量センサは戻り側配管に設けられる、上記（１）に記載の冷却装置。
（３）上記非接触式流量センサは上記接触式流量センサよりも上流側に設けられる、上記（２）に記載の冷却装置。
（４）上記非接触式流量センサは、配管外部から冷却液内に発信された超音波により該配管内を流れる冷却液の流量を検出する超音波センサである、（１）〜（３）のいずれか１つに記載の冷却装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電動機駆動制御装置を冷却するための冷却装置において、冷却液の流量の検出精度を高く維持しつつ流量検出の信頼性を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電動機駆動制御装置及びその冷却装置を概略的に示す図である。
【図２】超音波流量センサを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１７】
図１は、電動機駆動制御装置及びその冷却装置を概略的に示す図である。図１に示すように、電動機駆動制御装置１は、電源２及び電動機３に接続される。電源２は交流電源及び直流電源のいずれでもよい。また、本実施形態では、電動機３は例えば鉄鋼圧延機の圧延ローラを駆動するための大容量の電動機である。
【００１８】
電動機駆動制御装置１は、電源２から電動機３に送られる電力の変換を行う。電源２は実効電圧及び周波数が一定の交流電源ある。電動機駆動制御装置１は、電動機３に交流電流を供給する場合には電源２から電圧及び周波数を変更して電動機３に電力を供給し、電動機３に直流電流を供給する場合には電源２から電圧を変更して電動機３に電力を供給する。これにより電動機３のトルクや回転数を変更することができる。具体的な電動機駆動制御装置１の例としては、モータ駆動用インバータ等が挙げられる。
【００１９】
このような電動機駆動制御装置１は多数の半導体を備えており、作動時においてこれら半導体は熱を発生させる。このように半導体に発生した熱を放置すると、半導体が、すなわち電動機駆動制御装置１の温度が過剰に上昇してしまう。そこで、本実施形態では、電動機駆動制御装置１を冷却するための冷却装置１０が設けられる。
【００２０】
冷却装置１０は、図１に示したように、冷却液を加圧送出するポンプ１１と、吸熱用熱交換器１２と、放熱用熱交換器１３と、これらポンプ１１、吸熱用熱交換器１２、放熱用熱交換器１３の間で冷却液を循環させるための配管１４とを具備する。吸熱用熱交換器１２は、電動機駆動制御装置１の熱を冷却装置１０内の冷却液に伝達して、電動機駆動制御装置１を冷却するのに用いられる。したがって、電動機駆動制御装置１の半導体に接するように配置される。
【００２１】
一方、放熱用熱交換器１３は、冷却液の熱を冷却液以外の流体中に放熱させるのに用いられる。具体的には、放熱用熱交換器１３は、冷却液の熱を大気中に放熱するように構成されてもよいし、或いは冷却液の熱を冷却液とは別の液体（例えば海水等）に放熱するように構成されてもよい。
【００２２】
配管１４は、ポンプ１１、吸熱用熱交換器１２、放熱用熱交換器１３の間で延びており、ポンプ１１で加圧された冷却液を吸熱用熱交換器１２、放熱用熱交換器１３の順で循環させる。配管１４は、ポンプ１１から吸熱用熱交換器１２まで冷却液を送出するのに用いられる供給側配管１４ａと、吸熱用熱交換器１２からポンプ１１へ冷却液を戻すのに用いられる戻り側配管１４ｂとに分けられる。
【００２３】
このように構成された冷却装置１０では、ポンプ１１で加圧送出された冷却液が供給側配管１４ａを介して吸熱用熱交換器１２へと送られる。吸熱用熱交換器１２に流入した冷却液は電動機駆動制御装置１から熱を奪って加熱される。吸熱用熱交換器１２で加熱された冷却液はその後戻り側配管１４ｂを介して放熱用熱交換器１３へと送られる。放熱用熱交換器１３に流入した冷却液は冷却液以外の流体中に放熱することで冷却せしめられる。冷却された冷却液はその後ポンプ１１へと送られる。冷却装置１０では、このようにして冷却液が循環せしめられ、その結果、電動機駆動制御装置１の冷却が行われる。
【００２４】
本実施形態の冷却装置１０では、さらに戻り側配管１４ｂに羽根車式流量センサ１５と超音波式流量センサ１６とが設けられる。特に、本実施形態では、羽根車式流量センサ１５よりも上流側に超音波式流量センサ１６が設けられる。
【００２５】
羽根車式流量センサ１５は、戻り側配管１４ｂ内に配置された羽根車が戻り側配管１４ｂ内を流れる冷却液によって回転せしめられるときの回転数によって冷却液の流量が検出される。このように、羽根車式流量センサ１５は、戻り側配管１４ｂ内を流れる冷却液に直接接触して冷却液の流量を検出するため、例えば冷却液中に気泡等が混入されている場合であっても比較的正確に冷却液の流量を検出することができる。
【００２６】
なお、羽根車式流量センサ１５は、配管内を流れる冷却液に直接接触して冷却液の流量を検出することができる接触式流量センサであれば、フロースイッチ、流量指示計等、如何なる流量センサを用いてもよい。また、流量センサ１５は、必ずしも冷却液の流量に比例した信号を出力するセンサでなくてもよく、例えば、所定流量の前後で出力信号が大きく変わるようなセンサであってもよい。
【００２７】
一方、超音波式流量センサ１６は、図２に示したように、二つの超音波発信・受信機２０、２１を有しており、これら発信・受信機２０、２１は戻り側配管１４ｂの外周面上に冷却液の流れ方向（図２中のＸ）に互いに離間されて配置される。各発信・受信機２０、２１は、冷却液の流れ方向Ｘに対して傾斜した方向に超音波パルスを発信する。流れ方向Ｘの上流側に配置された発信・受信機２０は流れ方向Ｘに対して下流側に傾斜した方向に超音波パルスを発信し（図２中のα）、この超音波パルスは流れ方向Ｘの下流側に配置された発信・受信機２１によって受信される。一方、流れ方向Ｘの下流側に配置された発信・受信機２１は流れ方向Ｘに対して上流側に傾斜した方向に超音波パルスを発信し（図２中のβ）、この超音波パルスは流れ方向Ｘの上流側に配置された発信・受信機２０によって受信される。
【００２８】
このように戻り側配管１４ｂ内を流れる冷却液に向かって超音波パルスを発信すると、超音波パルスα、βを同時に発信したとしても冷却液の流れにより発信・受信機２０、２１でこれら超音波パルスα、βを受信する際に時間差が生じる。超音波式流量センサ１６では、この時間差を計測することにより、戻り側配管１４ｂ内を流れる冷却液の流量が算出される。
【００２９】
なお、超音波式流量センサ１６は、配管内を流れる冷却液に直接接触することなく冷却液の流量を検出することができる非接触式流量センサであれば、如何なる流量センサを用いてもよい。また、流量センサ１６は、必ずしも冷却液の流量に比例した信号を出力するセンサでなくてもよく、例えば、所定流量の前後で出力信号が大きく変わるようなセンサであってもよい。
【００３０】
さらに、本実施形態の冷却装置１０は制御装置１８を備えており、この制御装置１８は羽根車式流量センサ１５及び超音波式流量センサ１６からの出力信号を受信すると共に、ポンプ１１や電動機駆動制御装置１の制御を行う。
【００３１】
このように構成された冷却装置１０では、その作動時において、羽根車式流量センサ１５及び超音波式流量センサ１６の少なくともいずれか一方によって冷却液の流量が予め定められた下限流量よりも少なくなったことが検出された場合には、電動機駆動制御装置１の作動が停止される。
【００３２】
すなわち、羽根車式流量センサ１５及び超音波式流量センサ１６の両方の出力が、冷却液の流量が下限流量よりも少なくなった場合の出力である場合には、実際に冷却装置１０内で流れる冷却液の流量が少なくなっていると考えられる。一方、羽根車式流量センサ１５及び超音波式流量センサ１６のうちの一方の流量センサの出力のみが、冷却液の流量が下限流量よりも少なくなった場合の出力となっている場合には、いずれかの流量センサに故障が発生している。この場合、実際に冷却装置１０内で流れている冷却液の流量が下限流量よりも少なくなっているのか否かは不明であるが、安全のため電動機駆動制御装置１の作動を停止させるようにしている。
【００３３】
なお、上記実施形態では、二つの流量センサ１５、１６の少なくともいずれか一方によって冷却液の流量が予め定められた下限流量よりも少なくなったことが検出された場合に電動機駆動制御装置１の作動を停止させるようにしている。しかしながら、これら二つの流量センサ１５、１６は例えば以下のように用いてもよい。すなわち、二つの流量センサの検出レベルに差を設け、これら流量センサのうち検出レベルの高い方の流量センサ（例えば、超音波式流量センサ１６）は冷却液の流量が下限流量よりも多い所定量以下になったことが検出された場合に警報出力を発生させるように構成される。したがって、この流量センサによって冷却液の流量が上記所定量以下になったことが検出されても電動機駆動制御装置１の作動は停止されない。一方、二つの流量センサのうち検出レベルの低い方の流量センサ（例えば、羽根車式流量センサ１５）は冷却液の流量が下限流量よりも少なくなったことが検出された場合に電動機駆動制御装置１の作動を停止させるように構成される。
【００３４】
また、上記実施形態では、羽根車式流量センサ１５及び超音波式流量センサ１６によって、冷却液の流量が下限流量以上であるか否かのみを検出している。しかしながら、これら流量センサ１５、１６によって冷却装置１内を流れる冷却液の流量をリニアに検出すると共に、検出された冷却液の流量が目標流量となるようにポンプ１１を制御するようにしてもよい。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、冷却装置１０には流量センサ１５、１６のみが設けられているが、流量センサに加えて冷却装置１０内を流れる冷却液の温度を検出する温度センサ（図示せず）等、冷却液の流量とは別のパラメータを検出するセンサを設けるようにしてもよい。これにより、冷却装置１０による電動機駆動制御装置１の冷却をより適切に行うことができるようになる。
【００３６】
次に、このように構成された冷却装置１０の利点について説明する。
冷却装置１０では、冷却液を循環させるための配管１４に複数の流量センサ１５、１６が設けられる。このため、一つの流量センサが故障しても他の流量センサによって流量を検出することができるようになり、冷却液の流量の検出不良を抑制することができる。また、この場合、故障していない方のセンサを用いて冷却装置１０の運転を行うことも可能である。
【００３７】
一般に、接触式流量センサは、冷却液に直接接触しているため、冷却液中のゴミや配管内の汚れ等により故障し易い。また、接触式流量センサとして上述した羽根車式流量センサ１５を用いた場合には、回転軸が摩耗や破損することによっても故障が発生し易い。このため、冷却液の流量を計測する手段として一つの接触式流量センサのみを用いると、接触式流量センサの故障により配管内を流れる冷却液の流量が減少しているにも関わらず、これを検出することができなくなる。その結果、電動機駆動制御装置１の異常過熱や破損を招いてしまう可能性がある。或いは、実際の冷却液の流量は適切であるにも関わらず、冷却液の流量が異常であると検出してしまい、その結果、不必要に電動機駆動制御装置１を停止させることになってしまう可能性もある。
【００３８】
また、接触式流量センサは配管内に侵入するように配置されるため、接触式流量センサを交換する際には冷却装置の運転を停止させる必要がある。したがって、上述したような電動機駆動制御装置１の異常過熱等を防止するために冷却液の流量を計測する手段として二つ以上の接触式流量センサを用いた場合、各接触式流量センサの故障のたびに電動機駆動制御装置１の運転を停止させる必要があり、よって電動機駆動制御装置１の作動を停止させることが必要になる。
【００３９】
一方、非接触式流量センサは、冷却液に直接接触していないため、冷却液中のゴミや配管内の汚れ等による故障が生じない。また、非接触式流量センサは配管内に侵入することなく配置されるため、非接触式流量センサを交換する際には冷却装置の運転を停止させる必要はない。
【００４０】
ただし、非接触式流量センサは配管内を流れる冷却液の状態によっては流量を正確に検出することができない場合がある。例えば、非接触式流量センサとして超音波式流量センサを用いた場合、超音波パルスは冷却液中の気泡により伝搬障害が発生するため、冷却液の流量を正確に検出することができない。したがって、冷却液の流量を計測する手段として二つの非接触式流量センサを用いた場合、配管内を流れる冷却液の状態によっては配管内を流れる冷却液の流量を正確に検出することができなくなる。
【００４１】
これに対して、本実施形態の冷却装置では、冷却液の流量を計測する手段として、接触式流量センサ１５と非接触式流量センサ１６とが用いられているため、電動機駆動制御装置１の異常過熱等を防止しつつ、流量センサの故障に伴う冷却装置１０の停止回数を減少させると共に、配管内を流れる冷却液の流量を正確に検出することができるようになる。
【００４２】
また、本実施形態では、両センサ１５、１６は戻り側配管１４ｂに設けられていると共に、羽根車式流量センサ１５よりも上流側に超音波式流量センサ１６が設けられている。ポンプ１１から加圧送出された冷却液中には比較的多量の気泡が含まれているが、本実施形態ではこのように超音波式流量センサ１６がポンプ１１から離れて配置されているため、超音波式流量センサ１６において気泡による検出精度の低下を抑制することができる。また、羽根車式流量センサ１５では羽根車の回転により冷却水に乱れを発生させる場合があるが、本実施形態では超音波式流量センサ１６が羽根車式流量センサ１５よりも上流側に設けられるため超音波式流量センサ１６は羽根車式流量センサ１５の影響を受けず、よって検出精度の低下を抑制することができる。
【００４３】
さらに、流量センサ１５、１６の検出レベルに差を設け、検出レベルの高い一方の流量センサを警報出力の発生のためのみに用い、検出レベルの低い他方の流量センサを電動機駆動制御装置１の作動停止のために用いた場合、実際に冷却水の流量が低下する異常が生じたときに、その変化が緩やかであれば初めに警報が出て運転を継続しながら原因調査や応急対策（バルブ操作により流量を上げること等）を行うことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    電動機駆動制御装置
２    電源
３    電動機
１０    冷却装置
１１    ポンプ
１２    吸熱用熱交換器
１３    放熱用熱交換器
１４    配管
１５    羽根車式流量センサ（接触式流量センサ）
１６    超音波式流量センサ（非接触式流量センサ）
１８    制御装置
【図１】
0005678781.tif 000002
【図２】
0005678781.tif 000003