(57)【要約】【課題】電気を発電しつつ発電時に発生する熱をも利用し、熱をお湯に変換しお湯として貯湯することにより、システム全体としての総合効率のアップを図る電力変換装置を提供する。【解決手段】少なくとも半導体整流器３と半導体スイッチング素子４を使って電力変換を行なう電力変換装置であって、半導体整流器３と半導体スイッチング素子４を放熱板６に取り付けた状態で実装基板２の側部に列状に配置し、放熱板６を、熱伝導シート７を介して実装基板２の側部に設けた冷却配管８に固定し、冷却配管８中には冷却水を流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも半導体整流器と半導体スイッチング素子を使って電力変換を行なう電力変換装置であって、前記半導体整流器と前記半導体スイッチング素子を放熱板に取り付けた状態で実装基板の側部に列状に配置し、前記放熱板を、熱伝導シートを介して前記実装基板の側部に設けた冷却配管に固定し、前記冷却配管中には冷却水を流す電力変換装置。
【請求項２】
前記実装基板、前記半導体整流器、前記半導体スイッチング素子および前記放熱板を一体構成として回路基板ブロック部を形成し、前記回路基板ブロック部を前記冷却配管に着脱可能としたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池で電気を発電する時に発生する熱を有効に利用し、かつ電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制するための電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池で電気を発電しつつ、その時に発生する熱を有効に利用し、お湯として蓄え、給湯、暖房等に利用し、システム全体としての効率アップを図る燃料電池コージェネレーションシステム（熱電併給システム）の開発が進んでいる。
【０００３】
燃料電池は直流電圧を発電するが、その電圧はそのままでは一般家庭用の電気機器へは使用できない。一般家庭用の電気機器で使用できるようにするには、燃料電池出力の直流電圧（たとえば、ＤＣ２０ＶとかＤＣ４０Ｖ）を半導体整流器や半導体スイッチング素子を使って、商用交流周波数である５０Ｈｚあるいは６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ交流電圧に電力変換する必要がある。
【０００４】
一般に、このような電力変換を行なう装置を電力変換装置というが、この電力変換装置で電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子は電気的損失が発生し、最終的に熱となって半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度を上昇させる。
【０００５】
一方、半導体整流器や半導体スイッチング素子は接合部温度がある温度以上になると、素子が劣化し最終的には破壊に結びつき、そのスイッチング機能を失ってしまう（シリコン半導体の場合、最大接合部温度は、約１５０℃となる。）。
【０００６】
そのため電力変換装置では、電力変換動作を行なう半導体整流器や半導体スイッチング素子の温度上昇を抑制するための工夫が必要となる。
【０００７】
この、具体的な対策として冷却ファンが発生する冷却用空気の流れにより電力変換装置を効率よく冷却するものや（特許文献１参照）、給電部を水冷するもの（特許文献２参照）が知られている。
【０００８】
図４は、前者の、冷却用空気の流れにより電力変換装置を効率よく冷却する従来の冷却方法を示した図であり、同図（ａ）はその横断面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は風取り込み口ふた１０７を端部に臨む横断面図ある。
【０００９】
図４において、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、熱伝導性の良い放熱板６に取り付けられ、外郭ケース１０６に覆われたてケース内に収められている。風取り込み口ふた１０７側に空冷ファン１０５が取り付けられ、放熱板６、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４等へ強制的に空気の流れをつくることにより冷却するようにしている。空冷方式で熱を奪い暖められた空気は、電力変換装置の外部へ放出されてしまうことが一般的である。
【特許文献１】特開平１０−１８５３８４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献１のように冷却ファンで空冷する場合、上記のように、半導体スイッチング素子等で発生した熱は、一般に電力変換装置の外部へ無駄に放出されてしまう。
【００１１】
また、特許文献２のように給電部を水冷するもので、燃料電池の冷却水や排熱回収水により給電部を水冷する構成は知られているが、実装基板上で如何に効率的に排熱回収するかについての開示は無く、より効率的に排熱回収することが必要である。
【００１２】
燃料電池コージェネレーションシステムは、電気を発電しつつ発電時に発生する熱をも利用し、熱をお湯に変換しお湯として貯湯することにより、システム全体としての総合効率のアップを図ろうとするものである。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するもので、燃料電池等に用いられる電力変換装置であって、電力変換時に、半導体整流器や半導体スイッチング素子で発生する損失による素子の温度上昇を抑制すると同時に、その熱を捨ててしまうことなく、より効率的に排熱回収する電力変換装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
本発明の電力変換装置を用いることにより、燃料電池コージェネレーションシステムのシステム全体としての総合効率はさらにアップする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、少なくとも半導体整流器と半導体スイッチング素子を使って電力変換を行なう電力変換装置であって、前記半導体整流器と前記半導体スイッチング素子を放熱板に取り付けた状態で実装基板の側部に列状に配置し、前記放熱板を、熱伝導シートを介して前記実装基板の側部に設けた冷却配管に固定し、前記冷却配管中には冷却水を流すものである。
【発明の効果】
【００１６】
半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に設けたことにより、半導体整流器と半導体スイッチング素子の熱が実装基板に伝わることを極力防止することができるとともに、半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に列状に固定することにより整流器と半導体スイッチング素子の熱を回収する冷却配管の配置も複雑とならず、かつ列状に固定された半導体整流器と半導体スイッチング素子全てから熱回収することが可能となり、熱回収効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために、半導体整流器と半導体スイッチング素子を放熱板に取り付けた状態で実装基板の側部に列状に配置し、放熱板を、熱伝導シートを介して実装基板の側部に設けた冷却配管に固定し、冷却配管中には冷却水を流すものである。
【００１８】
半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に設けたことにより、半導体整流器と半導体スイッチング素子の熱が実装基板に伝わることを極力防止することができるとともに、半導体整流器と半導体スイッチング素子を実装基板の側部に列状に固定することにより整流器と半導体スイッチング素子の熱を回収する冷却配管の配置も複雑とならず、かつ列状に固定された半導体整流器と半導体スイッチング素子全てから熱回収することが可能となり、熱回収効率を高くすることができる。
【００１９】
そして、本発明の電力変換装置を燃料電池コージェネレーションシステムに用いた場合、熱回収効率が高く廃熱利用が十分に行えることから、システム全体として総合効率を上げることができる。
【００２０】
また、本発明は、実装基板、半導体整流器、半導体スイッチング素子および放熱板を一体構成として回路基板ブロック部を形成し、回路基板ブロック部を冷却配管に着脱可能としたものである。
【００２１】
この構成により、電気系回路部である回路基板ブロックが、冷却配管部分から分離着脱可能となり、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る水冷型電力変換装置を示す図であり、同図（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図である。また、図２は図１（ｂ）を拡大した断面図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態１における電力変換装置は、実装基板２を有し、その実装基板２には抵抗、トランジスタ、ダイオード、コンデンサ、トランス、コイル等の各種電気電子部品５とともに、電力変換動作を行なう半導体整流器３や半導体スイッチング素子４が搭載されている。
【００２４】
そして、この半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、放熱板６に取り付けられた状態で実装基板２の両端側部に列状にまとめて配置されている。
【００２５】
一方、実装基板２の両端側部に沿って２本の冷却配管８が設けられている。この２本の冷却配管８は、連結管９によって両端が結合され、通水経路を形成している。半導体整流器３や半導体スイッチング素子４が取り付けられた放熱板６は、冷却配管８に熱がより伝導されるように、点接触でなく面接触で接触する熱伝導シート７を介して、冷却配管８に固定される。冷却配管８は、往き・戻り配管１０に接続され、冷却配管８内を冷却水が流れる構成となっている。
【００２６】
この構成により、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４の電力変換時に発生する熱が、冷却配管８内を流れる冷却水により排熱回収され、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４の温度上昇が抑制される。
【００２７】
そして排熱回収した冷却水は、燃料電池１３の蓄熱系の熱交換器１１へ循環され、熱交換器１１により冷却水の熱が回収される。それにより、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４で発生した排熱を貯湯タンク１４の温水の加熱源として有効利用できるようにしている。
【００２８】
なお、冷却配管８を流れる冷却水は、冷却ポンプ１２の働きで循環し、貯湯タンク１４の湯水は貯湯ポンプ１５により循環する。
【００２９】
図２は、図１（ｂ）の拡大断面図である。実装基板２を収納する基板ケース１、実装基板２、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４、そして放熱板６を一体構成とした回路基板ブロック部を形成するようにし、この回路基板ブロック部の放熱板６を放熱板取り付けねじ１６により冷却配管８に取り付けるようにしている。
【００３０】
この放熱板取り付けねじ１６の取り付け、あるいは取り外しにより回路基板ブロック部が冷却配管８から着脱可能となり、回路基板ブロック部の電気系回路部を熱伝導シート７と冷却配管８と連結管９と往き・戻り配管１０とで構成される冷却系配管部から分離できるようにしている。
【００３１】
その結果、燃料電池用電力変換装置に何らかの問題が発生した場合に、回路基板ブロック部のみを取り外して、交換して持ち帰り、別の場所で解析を行う等、メンテナンス性の向上を図ることができる。又、冷却系配管部のメンテナンスもし易くなる。
【００３２】
以上のように構成された水冷型電力変換装置について、以下その動作、作用を説明する。まず、燃料電池用電力変換装置の概要について図を用いて説明する。
【００３３】
図３は、燃料電池用電力変換装置の概略の回路構成を示した図である。燃料電池１３は直流電圧を発電するが、その電圧はそのままでは一般家庭用の電気機器には使用できない。一般家庭用の電気機器に使用できるようにするには、燃料電池出力の直流電圧を商用周波数５０Ｈｚあるいは、６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ交流電圧に電力変換する必要がある。
【００３４】
燃料電池１３の直流電圧を一般家庭用の電気機器で使用できる電圧に変換するには、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣ変換回路１０１、低電圧の交流電圧を昇圧する昇圧トランス５ａ、昇圧された交流電圧を整流し平滑することにより、電圧の高い直流電圧を得るようにする整流・回路及び平滑回路１０２、整流・平滑された直流電圧をパルス幅変調（ＰＷＭ）でスイッチングし、５０Ｈｚ、あるいは６０ＨｚのＡＣ１００Ｖ出力電圧が得られるようにスイッチング駆動するインバータ回路１０３、インバータ回路１０３のスイッチング出力電圧を平滑化し、ＡＣ１００Ｖの商用交流電圧が得られるようにするフィルター回路１０４、これらの回路部を通して行なっている。
【００３５】
前述したように、燃料電池１３は直流電圧を発電するが、燃料電池１３の出力電圧は低電圧（例えばＤＣ２０Ｖとか、ＤＣ４０Ｖ）であり、家庭で使用する５０Ｈｚ／６０Ｈｚの商用交流電圧ＡＣ１００Ｖ電圧と同等の交流電圧を得るには、まずこの低電圧の直流電圧を、一旦、例えばＤＣ２００Ｖ位の高い直流電圧に変換する必要がある。
【００３６】
上記ＤＣ−ＡＣ変換回路１０１（直流―交流変換回路）は、燃料電池１３の直流出力電圧を高周波数の交流電圧に変換し、この高周波数の交流電圧を昇圧トランス５ａで昇圧し、その昇圧された交流電圧を整流回路及び平滑回路１０２へ入力することにより、高い直流電圧（例えばＤＣ２００Ｖ位）を得るようにしている。
【００３７】
また、ＤＣ−ＡＣ変換回路１０１は、半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ等）で構成されており、この半導体スイッチング素子４を交互にスイッチングすることにより、燃料電池１３の直流出力電圧を高周波（例えば、約６０ｋＨｚ）の交流電圧に変換している。
【００３８】
昇圧トランス５ａは高周波用の電力トランスであり、１次巻線と２次巻線の巻数比（１：ｎ）に応じて２次巻線側にｎ倍の電圧を発生させることができる。この昇圧トランス５ａは、高周波数タイプのトランスであり、外形形状を小さくすることができる。昇圧トランス５ａによって昇圧された交流電圧は整流回路及び平滑回路１０２によって、電圧の高い直流電圧（例えば、ＤＣ２００Ｖ）に変換している。
【００３９】
整流回路は全波整流回路になっており、半導体整流素子３（具体的には、パワーショットキーバリアーダイオード）が用いられている。この電圧アップされた直流電圧（例えば、ＤＣ２００Ｖ）は、インバータ回路１０３及びフィルター回路１０４によって商用周波数５０Ｈｚ／６０ＨｚのＡＣ１００Ｖの交流電圧に変換される。インバータ回路１０３には、半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ）が用いられている。
【００４０】
上記のような電力変換動作により、燃料電池の低電圧の直流電圧は、一般家庭用の電気機器で使用できる商用周波数５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの交流電圧ＡＣ１００Ｖに変換することができる。
【００４１】
ここで、燃料電池１３の発電電力が例えば１ｋＷである場合、燃料電池１３の出力電圧がＤＣ２０Ｖであるとすると、最大出力電流はＤＣ５０Ａと、非常に大きな電流となる。図３のＤＣ−ＡＣ変換回路１０１の半導体スイッチング素子４はこの大きな５０Ａの電流をスイッチングする必要があり、前期記半導体スイッチング素子４のオン時順方向電圧降下が例えば、０．１Ｖ程度と小さくても、半導体スイッチング素子４での損失は５Ｗ程度と大きな値となる。
【００４２】
その他に素子が、ＯＮ→ＯＦＦあるいは、ＯＦＦ→ＯＮにスイッチングする時の立ち上がり・立ち下り時のスイッチング損失も加わる。各素子でのこれらの損失は素子自身を発熱させ、大きな温度上昇をもたらす。従って、素子の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。
【００４３】
昇圧トランス５ａによって電圧を昇圧（（例えば、ＤＣ２００Ｖ）することにより、流れる回路電流は小さくなるが、電圧が高くなった分、逆にスイッチング損失が大きくなり、整流回路及び平滑回路１０２に用いられている半導体整流器３においても、かなりの損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。これらの半導体整流器３の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。
【００４４】
インバータ回路１０３に用いられている半導体スイッチング素子４（具体的には、パワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはＩＧＢＴ等）においても、電圧が高くなった分、回路電流は小さくなるが、電圧が高くなったことによるスイッチング損失が逆に大きくなり、インバータ回路１０３に用いられている半導体スイッチング素子４においてもかなりの損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。これらの半導体スイッチング素子４の温度上昇を抑制する何らかの手段が必要となる。
【００４５】
以上のように、電力変換装置で用いられる半導体整流器３や、半導体スイッチング素子４は電力変換動作により損失が発生し、その損失は素子に大きな温度上昇をもたらす。
【００４６】
一方、半導体整流器３や、半導体スイッチング素子４は、接合部温度がある温度以上になると素子が劣化し最終的には破壊に結びつき、そのスイッチング機能を失ってしまう（シリコン半導体の場合、最大接合部温度は、約１５０℃）。そのため電力変換装置では、半導体の温度上昇を抑制するよう、何らかの工夫を施す必要がある。
【００４７】
図４は、従来の冷却方法を示した図である。
【００４８】
図４において、半導体整流器３や半導体スイッチング素子４は、熱伝導性の良い放熱板６に取り付けられ、外郭ケース１０６に覆われたケース内に収められている。風取り込み口ふた１０７側に空冷ファン１０５が取り付けられ、放熱板６、半導体整流器３、半導体スイッチング素子４等へ強制的に空気の流れをつくることにより冷却するようにしている。
【００４９】
空冷方式で熱を奪い暖められた空気は、電力変換装置の外部へ放出されてしまうことが一般的である。
【００５０】
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムは、電気を発電しつつ発電時に発生する熱をも利用し、熱をお湯に変換しお湯として貯湯することによりシステム全体としての総合効率のアップを図ろうとするものである。
【００５１】
そこで、燃料電池電力変換装置の変換時に半導体整流器３や半導体スイッチング素子４で発生する損失による、素子の温度上昇を抑制すると同時に、その熱を捨ててしまうことなく排熱回収するようにしたものが、本発明の燃料電池用水冷型電力変換装置の冷却構成である。
【００５２】
以上のように、本発明の燃料電池用冷却型電力変換装置の冷却構成は、電力変換装置の電力変換動作に伴って発生する半導体整流器や半導体スイッチング素子の損失による温度上昇を抑制すると同時に、冷却配管中に冷却水を通流通すさせることにより排熱回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステムのシステム全体としての総合効率をアップすることができる。
【００５３】
例えば、燃料電池出力が１ｋＷ程度の場合、本特許の実施形態における燃料電池用水冷型電力変換装置の冷却構成で排熱回収した場合、約５０Ｗ程度排熱回収でき、総合効率を約５％程度アップすることが可能となる。
【００５４】
又、実装基板を収納する基板ケース、実装基板、半導体整流器、半導体スイッチング素子、放熱板を一体構成とした回路基板ブロック部を形成することにより、電気系回路部を冷却系配管部から分離着脱可能となり、燃料電池用電力変換装置に何かの問題が発生した場合等に、回路基板ブロック部のみを取り外し、交換して持ち帰り、別の場所で解析を行う等、メンテナンス性の向上を図ることができる。又、冷却系配管部のメンテナンスもし易くなるというメリットがある。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の水冷型電力変換装置は、電力変換装置の電力変換動作に伴って発生する半導体整流器や半導体スイッチング素子の損失による温度上昇を抑制すると同時に、冷却配管中に冷却水を通流させることにより排熱を回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図、（ｂ）は同要部断面図
【図２】図１（ｂ）の拡大断面図
【図３】本発明の実施の形態１における電力変換装置の概略回路図
【図４】従来の空冷による電力変換装置の構成図
【符号の説明】
【００５７】
１    基板ケース
２    実装基板
３    半導体整流器
４    半導体スイッチング素子
５    電気電子部品
５a    昇圧トランス
６    放熱板
７    熱伝導シート
８    冷却配管
９    連結管
１０    往き・戻り配管
１１    熱交換器
１２    冷却ポンプ
１３    燃料電池
１４    貯湯タンク
１５    貯湯ポンプ
１６    放熱板取り付けねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009022111.tif 000005
【図４】
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