JP4970072B2 - 水冷配管システム及び水冷配管システムにおけるユニット交換方法 - Google Patents

Description

本発明は、ユニットを有するドライブ装置や変換器装置のような水冷式電力変換装置に用いられ、水冷配管（母管）が１系統で構成される水冷配管システム及び水冷配管システムおけるユニット交換方法に関する。

大容量の電力変換装置を構成する半導体素子を実装した電力変換用のユニットは、その発熱量が大きいため、一般的に水冷方式を採用している。そして複数個のユニットの冷却配管は、冷却効率を考慮して母管から並列に分岐した配管構成とするのが普通である。このように並列に分岐した配管構成を採用すると、各々の配管の流量バランスをとることが重要となる。個別の分岐配管に流量計を設けることなく流量バランスをとる技術が近年提案されている。（例えば特許文献１参照。）。
特開２００５−７３４００号公報（全体）

特許文献１に示された配管構成の水冷システムにおいて、特定のユニットが故障したとき、その故障ユニットを交換する必要が生じるが、このユニット交換をスムースに行なうようにすることも大きな課題である。特に複数台の電力変換装置を１系統の水冷母管から成る水冷システムで冷却し、１台の電力変換装置の特定のユニットが故障しても、その故障ユニットが属する電力変換装置以外の電力変換装置は運転継続したままその故障ユニットを交換する場合は以下のような問題が生じる。

その１つは水冷配管に水圧（残圧）がかかった状態で新しい健全ユニットへの交換作業を行なうと、水漏れが発生するという問題である。

２つ目は、新しい健全ユニットに交換する際に、ユニット内にある冷却配管の空気（エア）が母管内を移動して他の健全な電力変換装置のユニットに悪影響を与える恐れがあるという問題である。

本発明は、上記問題点を鑑みて為されたもので、その目的は、ユニット交換時の水漏れを防ぎ、新しいユニットに復旧後はオンラインでエア抜き作業を可能とした水冷配管システム及び水冷配管システムにおけるユニット交換方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である水冷配管システムは、少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するための水冷配管システムであって、母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、前記母管から分岐した位置に給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、メンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管とを具備したことを特徴としている。

また、本発明の第２の発明である水冷配管システムにおけるユニット交換方法は、少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するために、母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、前記母管から分岐した位置に常時は開いている給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に常時は開いている排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、常時は閉じているメンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管とを具備した水冷配管システムにおいて、前記電力変換装置の何れかのユニットを交換するとき、当該ユニットの属する前記電力変換装置用の前記給水分岐バルブ及び前記排水分岐バルブを閉じ、前記メンテ用バルブを開いた状態で当該ユニットを取り外すようにしたことを特徴としている。

更に、本発明の第３の発明である水冷配管システムにおけるユニット交換方法は、少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するために、母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、前記母管から分岐した位置に常時は開いている給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に常時は開いている排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、常時は閉じているメンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管とを具備した水冷配管システムにおいて、前記電力変換装置の何れかのユニットを交換するとき、当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記給水分岐バルブ及び前記排水分岐バルブを閉じ、前記メンテ用バルブを開いた状態で当該ユニットを取り外すようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、ユニット交換時の水漏れを防ぎ、新しいユニットに復旧後はオンラインでエア抜き作業を可能とした水冷配管システム及び水冷配管システムにおけるユニット交換方法を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る水冷配管システムのシステム構成図である。

電力変換装置１Ａは半導体スイッチング素子を用いたユニット２ＡＵ、２ＡＶ及び２ＡＷから構成され、例えば図示しない直流電源からの直流電圧を入力とし、図示しない負荷に交流電圧を供給する。同様に、電力変換装置１Ｂも半導体スイッチング素子を用いたユニット２ＢＵ、２ＢＶ及び２ＢＷから構成され、例えば図示しない直流電源からの直流電圧を入力とし、図示しない負荷に交流電圧を供給する。そして電力変換装置１Ａ、１Ｂは通常時には２台共運転され、例えば並列冗長システムの場合ように、何れかの１台が故障しても他の１台は継続して運転される。

電力変換装置１Ａ、１Ｂのユニット２ＡＵ、２ＡＶ及び２ＡＷ並びにユニット２ＢＵ、２ＢＶ及び２ＢＷは発熱体であるが、循環する冷却水と熱交換することによって冷却される。冷却水は、循環ポンプ３から給水用の母管４に供給され、更に、給水分岐部に給水分岐バルブ５Ａ、５Ｂを設けた給水用分岐配管６Ａ、６Ｂに夫々分岐する。冷却水は給水用分岐配管６Ａ、６Ｂから更にユニット用の分岐管に分岐することによってユニット２ＡＵ、２ＡＶ及び２ＡＷ並びにユニット２ＢＵ、２ＢＶ及び２ＢＷの内部を夫々通過し、排水用分岐配管７Ａ、７Ｂに合流するように夫々供給される。そして、排水用分岐配管７Ａ、７Ｂに流出した冷却水は、排水分岐部に夫々設けられた排水分岐バルブ８Ａ、８Ｂを介して排水用の母管９に合流して戻り、図示しない熱交換器によって冷却されたあと循環ポンプ３に還流する。

排水用分岐配管７Ａ、７Ｂに夫々設けられた排水分岐バルブ８Ａ、８Ｂの排水方向の手前側には、分岐管が設けられ、この分岐管の各々は夫々メンテ用バルブ１０Ａ、１０Ｂを介してメンテ用配管１１に夫々接続されている。そしてメンテ用配管１１は、液温上昇などによる水圧上昇回避のため、循環ポンプ３の排水側に分岐管を介して接続されたサージタンク１２に繋がり、サージタンク１２の液面上部位置に開口部を有している。尚、図１においては、メンテ用配管１１は各々の電力変換装置の排水側からの分岐管が合流するように構成されているが、各々の電力変換装置に対してメンテ用配管を設ける構成としても良い。

各々のユニット２ＡＵ、２ＡＶ及び２ＡＷ並びにユニット２ＢＵ、２ＢＶ及び２ＢＷは、ユニット交換を容易にするため分岐した水冷配管とユニット内の冷却配管が接続される部分にカプラ１３が設けられている。尚、図１においては、ユニット２ＡＷの排水側のカプラのみを図示し、他のカプラは図示を省略している。

以上の構成における本実施例の作用について以下に説明する。

母管４から電力変換装置１Ａ、１Ｂに分岐する位置に設けられた給水分岐バルブ５Ａ、５Ｂ及び電力変換装置１Ａ、１Ｂから母管９へと再び戻る位置に設けられた排水分岐バルブ８Ａ、８Ｂは共に常時開いた状態にある。

一方、電力変換装置１Ａ、１Ｂの排水用分岐配管７Ａ、７Ｂからメンテ用配管１１に合流する分岐配管に設けられたメンテ用バルブ１０Ａ、１０Ｂは常時閉められており、通常運転時にはメンテ用配管１１には冷却水は流れない。

上記の通常運転時において、電力変換装置１Ａの一番下段のユニット２ＡＷが故障し、交換が必要になった場合を想定する。

まず電力変換装置１Ａの冷却配管の給水用分岐配管６Ａにある給水分岐バルブ５Ａと排水用分岐配管７Ａにある排水分岐バルブ８Ａを閉じる。この時点で電力変換装置１Ａの冷却配管は母管４及び母管９から切り離されたことになるが、電力変換装置１Ａ内の冷却配管には依然として水圧がかかっている。

次にメンテ用バルブ１０Ａを開けると、余分な圧力に相当する冷却水は周囲に飛散することなくメンテ用配管１１を通じてサージタンク１２に流入する。これにより電力変換装置１Ａ内の水圧が低下し、大気圧とほぼ同等の圧力となる。この状態でユニット２ＡＷのカプラ１３を取り外す。このとき、カプラ１３の冷却分岐管側の開口部にはポンプ水圧がかかっていない状態となっている。従って、若干の揚程差による水圧がかかった状態にはあるが、冷却水は飛散することはない。そして最後にメンテ用バルブ１０Ａを閉じる。

上記の手順に沿って故障したユニット２ＡＷを外したあと、予備の新しいユニット２ＡＷを取り付けて交換を完了する手順について以下説明する。尚新しいユニット２ＡＷの冷却配管には冷却水が注入されておらず空気が入っているものとする。

まず、カプラ１３を新しいユニット２ＡＷに接続して新しいユニット２ＡＷを取り付ける。次にメンテ用バルブ１０Ａを開け、その後給水用分岐バルブ５Ａを開ける。給水用分岐バルブ５Ａが開くと、電力変換装置１Ａに母管４から冷却水が注水され新しいユニット２ＡＷ内の空気が押し出される。そして空気の混入した冷却水はメンテ用バルブ１０Ａを通過してサージタンク１２へと移動する。

電力変換装置１Ａの冷却配管内から空気がなくなったときメンテ用バルブ１０Ａを閉じ、そして排水用分岐バルブ８Ａを開けることにより冷却配管システムとして通常運転状態に復帰する。尚上記において、空気の除去確認はサージタンクの目視によってもよいし、また簡易的にはタイマーによっても良い。また、新しいユニット２ＡＷの配管内に予め冷却水を充填しておけば、上記空気抜きの工程は省略可能である。

図２は本発明の実施例２に係る水冷配管システムのシステム構成図である。

この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る水冷配管システムのシステム構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、給水用分岐バルブ５Ａ、５Ｂの母管４側と排水用分岐バルブ８Ａ、８Ｂの母管９側を夫々接続配管で接続し、その各々の接続配管に流量または圧力損失を調整することが可能なボールバルブ１４Ａ、１４Ｂを夫々設けた点である。

以下にこの実施例２の作用について説明する。

ボールバルブ１４Ａ、１４Ｂは常時閉まっている。この状態で実施例１の場合と同様に電力変換装置１Ａのユニット２ＡＷが故障し、これを新しいユニットに交換する場合を考える。

まず、ボールバルブ１４Ａをボールバルブ１４Ａの圧力損失が電力変換装置１Ａ内の圧力損失と同等となるまで開く。この作業は実際にはボールバルブ１４Ａに設けられた流量計を見て調整するが、自動的に調整されるようにすることも可能である。

次に給水用分岐バルブ５Ａ及び排水用分岐バルブ８Ａを閉じる。これらの操作によって電力変換装置１Ａは母管４及び母管９から切り離されるが、ボールバルブ１４Ａを通過するバイパス用の接続配管によるバイパスルートがあるため、母管４及び母管９の流量は通常時と同等になる。あとは実施例１と同様の操作を行なうことによってユニット２ＡＷを交換する。最後に給水用分岐バルブ５Ａ及び排水用分岐バルブ８Ａを開けた後、ボールバルブ１４Ａを閉じる。

以上のように流量調整バルブであるボールバルブ１４Ａを調整することにより、ユニット２ＡＷの交換作業中に電力変換装置１Ｂの流量を通常運転時の流量に保った状態にすることが可能となる。このようにすれば、電力変換装置１Ｂに多く冷却水が流れることに起因する配管の振動、キャビテーション等を防止することが可能となる。

以上説明した実施例１及び実施例２において、電力変換装置は２台の例で説明したが、３台以上であっても良いことは明らかである。また、電力変換装置を構成するユニットが３台である場合について説明したが、ユニットの台数は任意で良く、例えば１台であってもよい。

本発明の実施例１に係る水冷配管システムのシステム構成図。 本発明の実施例２に係る水冷配管システムのシステム構成図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 電力変換装置
２ＡＵ、２ＡＶ、２ＡＷ、２ＢＵ、２ＢＶ、２ＢＷ ユニット
３ 循環ポンプ
４ 母管
５Ａ、５Ｂ 給水分岐バルブ
６Ａ、６Ｂ 給水用分岐配管
７Ａ、７Ｂ 排水用分岐配管
８Ａ、８Ｂ 排水分岐バルブ
９ 母管
１０Ａ、１０Ｂ メンテ用バルブ
１１ メンテ用分岐配管
１２ サージタンク
１３ カプラ
１４Ａ、１４Ｂ ボールバルブ

Claims (5)

1. 少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するための水冷配管システムであって、
   母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、
   前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、
   前記母管から分岐した位置に給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、
   前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、
   前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、メンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管と
   を具備したことを特徴とする水冷配管システム。
2. 前記各々の電力変換装置用の前記給水分岐バルブの流入側と前記排水分岐バルブの流出側とを夫々バイパス用分岐配管で接続し、
   前記バイパス用分岐配管の各々に流量調整用バルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の水冷配管システム。
3. 少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するために、
   母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、
   前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、
   前記母管から分岐した位置に常時は開いている給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、
   前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に常時は開いている排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、
   前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、常時は閉じているメンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管と
   を具備した水冷配管システムにおいて、
   前記電力変換装置の何れかのユニットを交換するとき、
   当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記給水分岐バルブ及び前記排水分岐バルブを閉じ、
   前記メンテ用バルブを開いた状態で当該ユニットを取り外すようにしたことを特徴とする
   水冷配管システムにおけるユニット交換方法。
4. 少なくとも１台のユニットから構成される複数台の電力変換装置に並列に冷却水を供給するために、
   母管を介して冷却水を供給するための循環ポンプと、
   前記母管に接続された圧力吸収用のサージタンクと、
   前記母管から分岐した位置に常時は開いている給水分岐バルブを備え、前記各々の電力変換装置のユニットに並列給水するための給水用分岐配管と、
   前記各々の電力変換装置のユニットからの排水を還流するために設けられ、前記母管へ合流する位置に常時は開いている排水分岐バルブを備えた排水用分岐配管と、
   前記各々の排水分岐バルブの流入側から分岐し、常時は閉じているメンテ用バルブを介して前記サージタンクに繋がるメンテ用分岐配管と、
   前記各々の電力変換装置用の前記給水分岐バルブの流入側と前記排水分岐バルブの流出側とを常時は閉じている流量調整バルブを介して接続したバイパス用接続配管と
   を具備した水冷配管システムにおいて、
   前記電力変換装置の何れかのユニットを交換するとき、
   当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記流量調整が可能なバルブを操作して当該電力変換装置用の配管の圧力損失と前記バイパス用接続配管の圧力損失が同等となるように調整し、
   当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記給水分岐バルブ及び前記排水分岐バルブを閉じ、
   前記メンテ用バルブを開いた状態で当該ユニットを取り外すようにしたことを特徴とする
   水冷配管システムにおけるユニット交換方法。
5. 交換すべきユニットを取り外した後、新しいユニットを取り付け、
   当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記給水分岐バルブ及び前記メンテ用バルブを開いた状態で新しいユニットの空気抜き運転を行い、
   その後、当該ユニットが属する前記電力変換装置用の前記排水分岐バルブを開き、前記メンテ用バルブを閉じて通常運転に復帰するようにしたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の水冷配管システムにおけるユニット交換方法。

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