■インバーターでは熱とEMIが同時に存在する
パワー半導体を高速スイッチングすると、
電磁ノイズが発生する。
そのため、
● EMIシールド
● 導電材
● グランド部材
も必要になる。
一方、それらの金属部材は熱も伝える。
つまり、
熱対策と、EMI対策が同じ部材へ関係することがある。
■金属箔が複数機能を持つ可能性がある
銅箔やアルミ箔は、
● 導電
● EMIシールド
● 熱拡散
という複数の役割を持つことができる。
例えば、
パワー半導体周辺の熱を横方向へ広げながら、
EMI対策にも使う。
という考え方である。
ただし、
電気的にどこへ接続するか。
絶縁距離は十分か。
を考える必要がある。
■バスバーも発熱する
大電流を流すバスバーにも抵抗がある。
抵抗があれば、熱が出る。
特に、
● 接続部
● 曲げ部
● ボルト締結部
では、接触状態によって局所的な発熱が増える場合がある。
つまり、
大電流経路そのものも熱源 になる。
■接触抵抗が局所発熱を生む
端子同士が十分に接触していない。
締結力が不足する。
表面が酸化する。
すると接触抵抗が増える。
大電流が流れる場所では、
小さな抵抗差でも大きな発熱につながる。
つまりエネルギー機器では、
電気的な接触品質 が、熱問題へ直接つながる。
■ESSでは電池とパワーエレクトロニクスの両方が熱源になる
ESSでは、
バッテリーだけを冷やせばよいわけではない。
電池から出入りする電力を制御するため、
● PCS
● インバーター
● コンバーター
● 電源
も存在する。
つまりESSは、電池熱管理と、パワー半導体熱管理の両方を必要とする。
■ESSでは大規模化が熱問題を難しくする
小型電池なら、一つずつ冷却できる。
しかし大規模ESSでは、多数のセル・モジュール・電源機器が集まる。
そのため、
● 中央と外周
● 上段と下段
● 冷却入口と出口
で温度差が生じる。
つまり、
設備全体の温度分布 を考える必要がある。
■ESSでは異常時の熱伝播も重要になる
通常運転では、熱を効率よく逃がしたい。
しかし一つのセルで異常発熱が起きた場合、
隣のセルへ熱を移したくない。
つまり、
通常時は放熱
異常時は断熱
という矛盾がある。
そのため、
● 熱伝導材
● 断熱材
● 難燃材
を使い分ける必要がある。
■再生可能エネルギーでもパワー変換が必要になる
太陽光発電では直流電力を交流へ変換する。
風力発電でも、発電した電力を系統へ合わせるため変換が必要になる。
つまり、
再生可能エネルギーの普及は、
パワーエレクトロニクス機器の増加 につながる。
そしてパワー半導体が増えれば、熱対策部材も必要になる。
■太陽光発電では屋外環境も問題になる
太陽光関連の電力変換機器は、屋外に設置されることがある。
すると、
● 高温
● 低温
● 日射
● 湿度
● 雨
● ホコリ
の影響を受ける。
そのため、
熱だけでなく、防水・防塵も重要になる。
■防水すると熱が逃げにくくなる
屋外機器を密閉すれば、
水やホコリの侵入を防ぎやすくなる。
しかし空気も通りにくくなる。
つまり、
防水性能を上げるほど空冷が難しくなる。
そこで、
内部の熱を筐体へ伝え、
筐体表面から外へ逃がす構造が重要になる。
■シール材と放熱を同時に考える
筐体外周には、
● ガスケット
● 発泡シール
● 粘着シール
などが使われる。
これらが熱経路に入れば、熱の流れへ影響する場合もある。
つまり、
防水部材も熱設計と無関係ではない。
■EV充電設備も大電力化している
急速充電器では、大きな電力を短時間で扱う。
そのため、
● パワー半導体
● ケーブル
● コネクター
● 電源回路
が発熱する。
充電速度を上げるほど、熱問題も大きくなる。
つまり、
充電性能と、冷却性能 はつながっている。
■ケーブル自体を冷却する場合もある
大電流を流す充電ケーブルは太くなり、重くなる。
そこで、より高い電流を扱うために、ケーブル内部へ冷却機構を持たせる方式も考えられる。
すると、
電力線＋冷却液＋絶縁＋シール
という複合構造になる。
ここでも、
熱。
絶縁。
液体。
を同時に管理する必要がある。
■水素関連設備でも熱管理は存在する
水素関連設備でも、
● 燃料電池
● 電解装置
● 電力変換装置
などで熱が発生する。
燃料電池では、発電時に熱が生じる。
この熱をどう取り除くか。
あるいは別用途へ利用するか。
が重要になる。
つまりエネルギー設備では、
冷却だけでなく、排熱利用も重要になる。
■熱を捨てるのではなく使う
大規模エネルギー設備では、排熱量も大きくなる。
その熱を、
● 暖房
● 給湯
● 工場工程
へ利用できれば、設備全体のエネルギー効率を高められる。
つまり、
電力変換効率だけでなく、
熱まで含めた総合効率を見る必要がある。
■センサーによる温度監視も重要になる
エネルギー設備では、
● パワー半導体
● バッテリー
● バスバー
● 端子
などの温度を監視する。
局所的な温度上昇を早く検知できれば、
● 故障
● 接触不良
● 劣化
を早期に発見できる可能性がある。
つまり、
温度は冷却対象であると同時に、
設備状態を示す情報でもある。
■温度センサーの固定状態も測定値へ影響する
温度センサーが、
● 浮く
● 位置がずれる
● 接触圧力が変わる
と、測定結果が変わる可能性がある。
つまり、
センサー固定部材
も設備信頼性に関係する。
ここでは、
● 薄膜粘着材
● 絶縁材
● 熱伝導材
が使われる場合がある。
■エネルギー機器は長寿命を求められる
エネルギー設備は、数年ではなく、長期間使うことを前提とする場合が多い。
そのため、
初期性能が高い。
だけでは不十分である。
● 高温
● 低温
● 温度サイクル
● 湿度
● 電圧
● 振動
を長期間受けても、性能を維持する必要がある。
つまり、
量産時の初期品質だけでなく、
経年後の性能が重要になる。
■粘着材にも長期信頼性が必要になる
絶縁フィルムやセンサーを固定するために粘着材を使う場合、
高温で長期間使用すると、
● クリープ
● 剥離
● 硬化
● 軟化
が起こる可能性がある。
そのため、
貼れたかではなく、
10年後もそこにいるかという視点が必要になる場合がある。
■大型設備でも小さな部材が弱点になる
大型PCS。
大型ESS。
巨大なインバーター。
設備全体は非常に大きい。
しかし故障原因が、
小さな絶縁フィルム。
小さなTIM。
小さなシール材。
小さなセンサー固定材。
であることもあり得る。
つまり、
大きな設備ほど、小さな機能部材の信頼性が重要になる。
■加工精度も長期性能へ影響する
絶縁材が少しずれる。
TIMの一部が浮く。
ガスケット幅が一部だけ狭い。
金属箔にバリがある。
初期には問題がなくても、
温度サイクルや振動を繰り返すと、弱点になる場合がある。
つまり、
初期の小さな加工差が、
長期の大きな信頼性差につながる可能性がある。
■複合機能部材との相性がよい
エネルギー機器では、
● 熱伝導
● 絶縁
● EMI
● 防水
● 固定
など、多くの機能が必要になる。
これらをすべて別部材で組み立てれば、
● 部品点数
● 工数
● 位置ズレ
が増える。
用途によっては、
複数機能を一部材へ統合する価値がある。
■例えば「熱＋絶縁＋粘着」
パワー半導体と冷却部材の間に、
熱伝導。
絶縁。
固定。
が必要だとする。
それぞれを別部材で入れるより、
絶縁性熱伝導材＋粘着層
として一体化できれば、工程を減らせる可能性がある。
ただし、
粘着層が熱抵抗になる。
厚みが増える。
などの影響もある。
最適な構成を考える必要がある。
■「熱＋EMI＋絶縁」も考えられる
インバーター周辺では、
熱。
高電圧。
ノイズ。
が同時に存在する。
そこで、
● 金属箔
● 絶縁フィルム
● 粘着材
を必要な位置関係で積層する。
つまり、
材料を一枚ずつ売る より、機能を組み合わせた部材として供給する価値が出る。
■自動化も重要になる
エネルギー機器も量産される。
EV充電器。
PCS。
インバーター。
ESSモジュール。
こうした製品では、
絶縁フィルム。
TIM。
シール材。
を手で貼り続けるより、自動貼付した方が安定する。
■リール供給で工程を自動化する
小型・中型の部材を、キャリア上へ一定ピッチで配置する。
設備が自動で、
剥離。
吸着。
貼付。
する。
こうすれば、
● 作業工数削減
● 位置精度向上
● 異物低減
● 品質安定
につながる可能性がある。
つまりエネルギー機器でも、供給形態まで含めて部材を設計することが重要になる。
■研究者視点 ： エネルギー機器では「効率」と「熱」は同じ問題の裏表
電力変換で失われたエネルギーは、多くの場合、熱になる。
つまり、
発熱が多い
ということは、
エネルギー損失が大きい
ことでもある。
そのため高効率化は、
● 電気料金
● 省エネルギー
だけでなく、冷却負荷を減らす意味も持つ。
■現場視点 ： 冷却性能だけでは故障を防げない
冷却プレートは正常。
ファンも動いている。
それでも一部分だけ高温になる。
この場合、
● TIM浮き
● 絶縁材厚み
● 接続端子抵抗
● バスバー接触
● センサー位置
などを確認する必要がある。
つまり、
熱問題は冷却装置だけの問題ではない。
電気接続。
絶縁。
加工。
組立。
まで見る必要がある。
■設計時に確認すべきこと
エネルギー機器の熱対策では、少なくとも次を確認する必要がある。
パワー半導体
● 発熱量はいくらか
● 発熱密度はどの程度か
● 冷却方式は何か
● ホットスポットはどこか
界面
● TIMは適切か
● 接触圧力は十分か
● 気泡・浮きはないか
● 長期熱サイクルで変化しないか
絶縁
● 必要耐電圧はいくらか
● 絶縁材厚みは適切か
● バリ・異物の影響はないか
● 熱抵抗を増やしすぎていないか
熱サイクル
● 最大温度差はどの程度か
● 何回繰り返すか
● 異種材料間で剥離しないか
● 反りは発生しないか
EMI
● 高速スイッチングノイズはあるか
● 金属箔を利用できるか
● 熱経路と電気経路が干渉しないか
防水・シール
● 屋外使用か
● 密閉後の熱をどこへ逃がすか
● シール材は温度サイクルに耐えるか
● 水分侵入リスクはないか
量産
● 部材を一体化できるか
● 自動貼付できるか
● リール供給できるか
● 加工ばらつきを長期信頼性まで考えているか
エネルギー機器では、熱・絶縁・電気・シール・長期信頼性
を一つのシステムとして考える必要がある。
■OTIS視点 ： エネルギー機器は「熱＋絶縁」の代表市場
OTISは、
インバーターメーカーではない。
PCSメーカーでもない。
パワー半導体メーカーでもない。
ESSメーカーでもない。
しかしエネルギー機器内部には、
● TIM
● 熱伝導シート
● 絶縁フィルム
● セラミック系シート
● 銅箔
● アルミ箔
● EMI材
● 粘着材
● シール材
● センサー固定部材
など、多数の機能部材が存在する。
特に、
熱＋絶縁 という課題は、非常に多い。
ここはOTISの加工技術との接点が大きい。
■OTISが狙うべき場所
完成したエネルギー設備そのものではない。
狙うべきなのは、
パワー半導体と冷却部材の間
高電圧部と金属筐体の間
屋外筐体のシール部
に存在する機能部材である。
例えば、
● パワー半導体向け絶縁TIM
● インバーター周辺絶縁部材
● 金属箔熱拡散・EMI部材
● ESS向け絶縁・断熱材
● 冷却プレート周辺シール材
● バスバー周辺絶縁部材
● 温度センサー固定部材
● 屋外機器向け防水シール材
である。
■材料性能を「部品性能」へ変える
材料メーカーは、
高熱伝導材料。
高絶縁材料。
高耐熱粘着材。
高性能シール材。
を開発する。
OTISの役割は、
それらを、
必要形状へ加工する。
必要位置へ積層する。
必要厚みにそろえる。>
自動で使える供給形態へする。
ことである。
つまり、
材料性能を量産部品性能へ変える。
■OTISでできること
OTISでは、
● TIM加工
● 熱伝導シート加工
● 絶縁フィルム加工
● 銅箔加工
● アルミ箔加工
● EMI材加工
● 断熱材加工
● 難燃材加工
● 粘着材加工
● シール材加工
● センサー固定部材加工
● 高精度打ち抜き
● 微細加工
● 薄膜加工
● 高精度ラミネート
● 異種材料積層
● 部分ラミネート
● ハーフカット
● リール・ツー・リール加工
● 自動貼付向け供給形態
● 複数機能部材の一体化
● 画像検査
● 量産安定化
などを通じて、
エネルギー機器に使われる機能材料を、長期信頼性を考慮した量産部材へ変える
ことに貢献できる。
■OTISの専門外
OTISは、
● パワー半導体そのものの設計
● インバーター回路設計
● PCS全体設計
● ESS全体設計
● 冷却システム全体の設計
● 再生可能エネルギー設備設計
● 水素システム設計
● CFD専業解析
を専門とする会社ではない。
必要に応じて、
● パワー半導体メーカー
● 電源機器メーカー
● 材料メーカー
● 冷却装置メーカー
● 設備メーカー
との協業が必要になる。
■この技術が重要になる市場
★★★★★ パワーエレクトロニクス
★★★★★ ESS
★★★★★ 太陽光・風力向けPCS
★★★★★ EV急速充電器
★★★★★ 産業用インバーター
★★★★☆ 電力変換設備
★★★★☆ 燃料電池・水素設備
★★★★☆ データセンター電源
★★★★☆ スマートグリッド設備
■まとめ
エネルギー機器の熱対策は、「熱を逃がしながら、電気を止める」技術である
エネルギー機器では、
より大きな電力を、
より小さな装置で、
より高い効率で扱う
方向へ進んでいる。
その中心にあるのが、
パワー半導体。
インバーター。
バッテリー。
電源。である。
しかし高出力化するほど、
熱は増える。
発熱密度も上がる。
そして高電圧化するほど、
絶縁要求も厳しくなる。
つまり、
高出力化
小型化
高電圧化
が同時に進むほど、熱と絶縁の両立が難しくなる。
だからエネルギー機器では、
熱を冷却プレートへ逃がす。
しかし電気は金属筐体へ流さない。
EMIも抑える。
屋外なら水も入れない。
温度サイクルを繰り返しても剥がれない。
何年使っても性能を維持する。
という複数の要求を同時に満たす必要がある。
そのために使われるのが、
TIM。
絶縁フィルム。
金属箔。
EMI材。
粘着材。
シール材。
断熱材。
といった薄い機能部材である。
これらは大型エネルギー設備の中では、非常に小さい。
しかし、
小さな部材の絶縁不良。
小さなTIMの浮き。
小さなシール不良。
が、設備全体を止める可能性がある。
だからエネルギー機器で重要なのは、
高性能な材料を選ぶことだけではない。
その材料を、必要な形状・厚み・位置で、長期間安定する状態へ加工することである。
OTISが狙うべきなのは、発電設備そのものではない。
インバーターそのものでもない。
その中に共通して存在する、
熱・絶縁・EMI・シール・薄膜・長期信頼性・自動化という課題である。
電力が大きくなるほど、最後に問われるのは、
「その熱を逃がしながら、安全に絶縁できるか」 なのである。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
