CN104283405B - 电力转换装置及搭载了该电子转换装置的铁道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供电力转换装置及搭载该电力转换装置的铁道车辆，通过与半导体元件的结构匹配来最佳地组合散热片结构，而使半导体元件的温度均匀化，以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件。电力转换装置具备多个半导体元件和冷却器，冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在受热块的一侧面并设多个半导体元件，在其相反面埋设多个热管的受热部，多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在散热部接合多个散热片，半导体元件在冷却风流动方向上设于三处，将设置多个散热片的区域沿着冷却风流动方向分割为上风区域、中游区域和下风区域这三个区域时，上风区域的散热片表面积为下风区域的0.33～0.42倍，中游区域的散热片表面积为下风区域的0.42～0.63倍。

Description

电力转换装置及搭载了该电子转换装置的铁道车辆

技术领域

本发明涉及电力转换装置，特别涉及面向电气化铁道车辆的电力转换装置。

背景技术

在电气化铁道车辆中，为了控制用于驱动车辆的电动机而搭载有变换器或逆变器等电力转换装置。这些电力转换装置通过利用IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)或GTO(Gate Turn Off Thyristor)等半导体元件以高频进行开关来进行电力转换。

在半导体元件中，在通电时及开关时产生热，由于该热而使半导体元件成为高温的话，则可能导致转换效率降低或元件破坏，因此，需要对半导体元件进行冷却以使其处于规定的温度范围内。电力转换装置主要搭载于搭载空间受限的车辆地板下等处，因此，为了能以小型轻量的装置结构高效率地对多个半导体元件进行冷却，而设置冷却器。

在向该冷却器供给冷却风时，冷却风由于接受来自上风侧设置的半导体元件的热而随着朝向下风侧温度上升。伴随于此，下风侧的半导体元件存在温度变高的趋势。因此，为了高效率地对半导体元件进行冷却，而需要将冷却器构成为使得半导体元件的温度均匀。

作为冷却器的构件部件，经常使用热管。热管是这样的器件：在内部封入纯水等制冷剂，通过在受热部使制冷剂沸腾而向散热部输送热且在散热部使制冷剂冷凝而向受热部回流的循环，来高效率地输送热。作为利用该热管和散热片的组合来实现了温度的均匀化的冷却器，已知有专利文献1所示那样的冷却器。冷却器包括大致沿垂直方向设置且通过向大气的自然空冷来散热的多张散热片、安装有多个半导体元件的一个受热块、及将散热片与受热块连接的多根热管。多根热管以其沸腾部侧比冷凝部靠下方的方式自水平倾斜设置，多张散热片设置成上侧的散热片的间隔小于下侧的散热片的间隔，且设置成上侧的散热片的张数比下侧的散热片的张数多。

另一方面，还已知有专利文献2所示那样的冷却器。该冷却器包括与发热元件热连接的受热块、竖立设置在受热块的表面上的多个热管、及具有多个向热管安装的散热片的散热片组，冷却风沿着与受热块平行的方向流动。散热片组沿冷却风的流动方向配置多个纵列，多个散热片组中，配置于冷却风的上游侧的散热片组的散热片间距大于配置于冷却风的下游侧的散热片组的散热片间距，在将散热片组设为从上风侧到下风侧由多个单张板的散热片形成的一个散热片组的情况下，多个散热片组的组间隙的位置设成是将该一个散热片组的散热片表面的上风侧和下风侧的温度差按多个散热片组的数量等分地进行分割的该一个散热片组的散热片的表面温度的位置。

专利文献1：日本特开2000-161880号

专利文献2：日本专利第4948625号

在专利文献1所记载的冷却器中，减小上侧、即下风侧的散热片间距并增多张数，但就该结构而言，上风侧、下风侧各自的散热片面积并不是最佳的，因此，存在各个半导体元件的温度不均匀、冷却效率差这样的课题。

另外，在专利文献2所记载的冷却器中，在例如将散热片组分割为三个的情况下，上风侧散热片与中游散热片的分割点及中游散热片与下风侧散热片的分割点比将散热片沿着冷却风流动方向三等分的位置靠上风侧，即，散热片的间距小且张数多的下风侧散热片所占的区域扩宽，因此，存在冷却器变重这样的课题。而且，专利文献2所记载的结构在特定的散热片间距下能获得效果，在改变了散热片间距的情况下，还存在无法使温度均匀这样的课题。而且，上风侧、中游、下风侧的散热片并不是同一形状，因此，还存在制造成本变高这样的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供通过组合适于半导体元件的结构的散热片结构而使半导体元件的温度均匀化，能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件的电力转换装置。

用于解决上述课题的第一方案的电力转换装置具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，所述半导体元件在冷却风流动方向上设于三处，所述电力转换装置的特征在于，在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为上风区域、中游区域、下风区域时，上风区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.33～0.42倍的范围内，中游区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.42～0.63倍的范围内。

第二方案的电力转换装置具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，所述半导体元件在冷却风流动方向上设于两处，所述电力转换装置的特征在于，在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为上风区域、下风区域时，上风区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.54～0.73倍的范围内。

第三方案的电力转换装置具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，所述半导体元件在冷却风流动方向上设于四处，所述电力转换装置的特征在于，在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为最上风区域、上风区域、下风区域、最下风区域时，最上风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.21～0.42倍的范围，上风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.25～0.63倍的范围内，下风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.42～0.73倍的范围内。

发明效果

根据第一方案，与冷却风的温度上升的下风区域相比，在冷却风的温度低的上风区域、中游区域减小散热片面积，即，与下风区域相比，减小散热片的张数，以使各个半导体元件的温度均匀的方式设定各区域中的散热片面积，从而能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件。另外，在第二、第三方案中，由于与第一方案同样的原理，也能获得同样的效果。这样，通过与半导体元件的结构匹配来最佳地组合散热片结构，由此使半导体元件的温度均匀化，能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置的整体结构的立体图。

图2是图1的俯视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明的第一实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的仰视图。

图5是本发明的第一实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的俯视图。

图6是图5的B-B剖视图。

图7是图5的C-C剖视图。

图8是图7的D放大图。

图9是图3的E放大图。

图10是表示将本发明的第一实施方式的电力转换装置搭载于铁道车辆的客室的地板下的状态的、从车辆行驶方向观察到的剖视图。

图11是专利文献2的冷却器的侧视剖视图。

图12是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的温度分布计算结果的图。

图13是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的最大温度计算结果的图。

图14是本发明的第二实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图15是表示本发明的第二实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的最大温度计算结果和冷却器重量的图。

图16是本发明的第三实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图17是表示本发明的第三实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的温度分布计算结果的图。

图18是表示本发明的第三实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的最大温度计算结果和冷却器重量的关系的图。

图19是本发明的第四实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图20是本发明的第五实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图21是专利文献1的冷却器的侧视剖视图。

图22是专利文献1的冷却器的侧视剖视图。

图23是表示本发明的第四实施方式及第五实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的温度分布计算结果的图。

图24是表示本发明的第四实施方式及第五实施方式的电力转换装置上搭载的半导体元件组的最大温度计算结果和冷却器重量的关系的图。

图25是本发明的第六实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图26是本发明的第七实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

图27是本发明的第八实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。

符号说明

1000 电力转换装置

1110 侧板

1120 顶板

1130 底板

1140 通风路底板

1150 通风路

1161、1162 枕木方向梁

1163、1164 行进方向梁

1171、1172 通风路扩大板

1181、1182 整风板

1191～1195 漏风防止板

1200 鼓风机

1210 冷却风

1300 过滤器

1400 格栅

1500 半导体元件组

1510 最上风半导体元件

1520 上风半导体元件

1530 中游半导体元件

1540 下风半导体元件

1550 最下风半导体元件

1600 电路部件搭载空间

1610 滤波电容器

1620 栅极驱动器

1700 冷却器

1710 受热块

1711 冷却器固定用螺纹孔

1712 连结用螺栓

1720 U字型热管

1721 U字型热管受热部

1722 U字型热管散热部

1730 L字型热管

1731 L字型热管受热部

1732 L字型热管散热部

1740 焊料

1750 散热片

1751 最上风区域

1752 上风区域

1753 中游区域

1754 下风区域

1755 最下风区域

1760 密封件

1770 没有受热部的区域

1780 短热管

1781 短热管受热部

1782 短热管散热部

1790 直管型热管

2000 客室

3000 悬吊构件

具体实施方式

[实施例1]

以下，参照附图详细地说明本发明的电力转换装置。图1是表示本发明的第一实施方式的电力转换装置的整体结构的立体图，图2表示图1的俯视图，图3表示图2的A-A剖视图。

电力转换装置1000由侧板1110、顶板1120、底板1130构成。另外，在电力转换装置1000的上表面设置有枕木方向梁1161、1162和行进方向梁1163、1164，以确保电力转换装置1000的强度。在顶板1120、底板1130之间设置有通风路底板1140。由侧板1110、顶板1120、通风路底板1140围成的空间为通风路1150，冷却风1210在通风路1150中流动。另外，由侧板1110、底板1130、通风路底板1140围成的空间为电路部件搭载空间1600，在该电路部件搭载空间1600中设置有构成电力转换装置1000的主电路的半导体元件组1500、滤波电容器1610、用于控制半导体元件组1500的开关的栅极驱动器1620。

电路部件搭载空间1600中的半导体元件组1500设置于冷却器1700的下表面。冷却器1700的受热块1710气密性地与通风路底板1140的下表面侧连接，从而避免冷却风1210流入到电路部件搭载空间1600中。

另一方面，冷却器1700的上表面侧设置于通风路1150中。冷却器1700与侧板1110及顶板1120不密接而留有间隙，为了减少通过该间隙的冷却风1210的量，在冷却器1700的周边的空间沿着冷却风的流动方向设置有多个漏风防止板1191、1192、1193、1194。各个漏风防止板1191、1192、1193、1194所设置的朝向为与冷却风1210的流动正交的方向。另外，漏风防止板1194设置为从行进方向梁1163向下侧突出。

鼓风机1200以吹出口的中心大概位于冷却器1700的中心线上的方式设置。冷却风1210经由过滤器1300被吸入到电力转换装置1000内，从鼓风机1200的吹出口朝向冷却器1700供给。在此，鼓风机1200的吹出口的宽度比冷却器1700的宽度窄，因此，利用通风路扩大板1171、1172将通风路1150扩大为与冷却器1700相同程度的宽度，通风路扩大板1171、1172与设置于最上风侧的漏风防止板1191连接。另外，为了将冷却风1210向冷却器1700均匀地供给，在鼓风机1200的吹出口与冷却器1700之间设置有两张整风板1181、1182。这两张整风板1181、1182设置为相对于鼓风机1200的吹出口的中心彼此对称，且设置为下风侧的间隙比上风侧的间隙宽。通过了整风板1181、1182及冷却器1700的冷却风1210从格栅1400向外部排出。

图4表示冷却器及半导体元件组的仰视图。作为冷却器1700的构成部件之一的受热块1710由两张铝制厚板构成，这两张铝制厚板通过连结用螺栓1712连结。另外，在受热块1710的端部开设有多个冷却器固定用螺纹孔1711，受热块1710的端部与图3所记载的通风路底板1140连接。在受热块1710的下表面并设有半导体元件组1500。在第一实施方式的电力转换装置中，将半导体元件以在冷却风流动方向上3台且在与冷却风流动方向正交的方向上4台的方式设置，而由多个半导体元件构成半导体元件组1500，这些半导体元件从上风侧起标记为1520、1530、1540。另外，各个半导体元件的热损失大致均匀。

图5表示冷却器的俯视图，图6表示图5的B-B剖视图，图7表示图5的C-C剖视图。图5中的比中心线靠上侧图示出的虚线表示热管的受热部的投影图，比中心线靠下侧图示出的虚线表示设置于受热块1710的下表面的半导体元件组1500的投影图。在受热块1710的上表面侧沿着冷却风1210的流动方向形成有多个槽，多个U字型热管1720的受热部1721和多个L字型热管1730的受热部1731沿着冷却风1210的流动方向设置在该槽中，通过使焊锡等焊料1740流入槽中并在此凝固，而将受热块1710与U字型热管1720及L字型热管1730接合在一起。另外，U字型热管1720的散热部1722及L字型热管1730的散热部1732沿铅垂方向竖立设置，在各个散热部1722、1732压入具有与散热部的位置匹配的贯通孔的多个散热片1750。

另一方面，在受热块1710的上表面的、设有热管的区域与冷却器固定用螺纹孔1711之间遍及整周地设置有密封件1760。由此，通风路底板1140与冷却器1700保持气密地连接。

关于热管的配置进行说明。在图6所示的B-B截面中，各个热管沿着冷却风1210的流动方向按照L字型热管1730、5根U字型热管1720、L字型热管1730的顺序设置。在图7所示的C-C截面中，设置有6根U字型热管1720。如图5所示，通过将B-B截面处的热管的配置和C-C截面处的热管的配置交替地设置，由此将热管受热部1721、1731及热管散热部1722、1732配置为交错状。

图8表示图7的D放大图。在受热块1710内，热管散热部1722的正下方的区域为没有热管受热部的区域1770，与热管受热部内部相比热阻大而存在温度局部变高的可能性。如前所述，通过将热管受热部1721、1731配置为交错状，由此例如在C-C截面处的没有受热部的区域1770的附近配置有B-B截面处的受热部1721，因此，能促进热移动而抑制局部的温度上升。

关于散热片的结构进行说明。在本发明的第一实施方式中，将散热片1750分割为上风区域1752、中游区域1753、下风区域1754，散热片1750在上风区域1752设置16张，在中游区域1753设置20张，在下风区域1754设置48张。即，上风区域1752的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积0.33倍，中游区域1753的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.42倍。另一方面，考虑制作性，将散热片1750在与冷却风1210的流动方向正交的方向上进行四分割。

关于冷却器与漏风防止板的位置关系进行说明。图9是图3的E放大图，表示热管散热部1722的前端与漏风防止板1194的位置关系。热管散热部1722的前端与前端以外的部分相比直径较小，无法将散热片1750压入，因此，热管散热部1722的前端从最上段的散热片突出20～30mm左右。另一方面，漏风防止板1194位于各个热管散热部1722之间的位置。漏风防止板1194与最上段的散热片之间的间隙为5mm左右，比热管散热部1722的前端与最上段的散热片之间的间隙小。

对将电力转换装置搭载于铁道车辆客室的地板下的状态进行说明。图10表示从车辆行驶方向观察到的剖视图。纸面跟前方向表示车辆行驶方向，左右方向表示枕木方向，上下方向表示铅垂方向。电力转换装置1000通过悬吊构件3000连接到客室2000的地板下。冷却风1210在电力转换装置1000的内部沿枕木方向通行。

接着，说明本发明的第一实施方式的效果。将多个散热片1750沿着冷却风1210的流动方向进行分割，与冷却风的温度上升的下风区域1754相比，在冷却风1210的温度低的上风区域1752、中游区域1753减小散热片的表面积，即，与下风区域相比，减小散热片的张数，以使各个半导体元件组1500的温度均匀的方式设定各区域中的散热片的表面积，从而能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件组1500。

另外，通过将U字型热管1720的受热部1721沿着冷却风1210的流动方向设置，由此能促进相对于冷却风1210从下风侧经由受热部1721向上风侧的热移动，因此，能使冷却风的温度上升带来的影响均衡化，能抑制下风侧的半导体元件的温度上升。另外，U字型热管1720的散热部1722以沿垂直方向立起的方式竖立设置，多个散热片1750与散热部1722接合而设置在通风路1150内，从而能促进从受热块1710向散热片1750的热移动，因此，散热片效率提高。

另外，通过将U字型热管1720的散热部1722设置为交错状，从而将散热片1750与热管的接合部均匀地配置，能向散热片1750均匀地输送热，因此，散热片效率提高。而且，与将热管的散热部配置为正方状的情况相比，散热片之间以及热管之间的流路的截面积变宽，因此，散热片之间的通风阻力变小，使用鼓风机1200进行冷却时，能供给较多的冷却风1210，因此，能高效率地冷却半导体元件组1500。

另外，通过在最上风侧的位置或最下风侧的位置或者上风侧和下风侧这双方设置L字型热管1730，由此能将L字型热管1730的受热部1731设置于散热片1750的投影面的外侧。由此，即使将半导体元件组1500设置于散热片1750的投影面的外侧，也能利用L字型热管1730向散热片1750高效率地输送热，因此，能将散热片1750小型化、轻量化。

另外，在通风路1150中，在散热片1750的上风侧设置多个整风板1181、1182，从而能使从鼓风机1200向散热片1750供给的冷却风1210的风速在与冷却风1210的流动方向正交的方向上均匀，因此，即使在散热片1750的宽度比鼓风机1200的吹出口的宽度大的情况下，也能高效率地冷却半导体元件组1500。

另外，在通风路1150中，在与热管散热部1722的最前端侧接合的散热片和构成通风路1150的顶板1120之间，沿着与冷却风1210的流动方向正交的方向设置多个漏风防止板1191、1192、1193、1194，从而能防止冷却风1210从散热片之间泄漏，因此，能高效率地冷却半导体元件组1500。而且，多个漏风防止板1191、1192、1193、1194与接合于热管散热部1722的前端侧的散热片1750之间的距离比接合于前端侧的散热片1750与热管散热部1722的前端之间的距离短，从而能进一步减少从散热片之间泄漏的冷却风1210的量。

另外，漏风防止板1194兼做用于确保通风路1140内的强度的梁1160。由此，能减少部件个数，因此，能实现成本的降低和组装性的提高。

通过这样的结构，能高效率地冷却半导体元件组1500，能使半导体元件的温度均匀化而高效率地进行冷却，能将具备轻量的冷却器的电力转换装置1000搭载于铁道车辆。

接着，作为与本发明的第一实施方式的比较，说明现有技术。图11表示专利文献2所记载的冷却器。如前所述，就专利文献2所记载的冷却器而言，多个散热片组中，配置于冷却风的上游侧的散热片组的散热片间距大于配置于冷却风的下游侧的散热片组的散热片间距，在将散热片组设为从上风侧到下风侧由多个单张板的散热片形成的一个散热片组的情况下，多个散热片组的组间隙的位置设成是将该一个散热片组的散热片表面的上风侧和下风侧的温度差按多个散热片组的数量等分地进行分割的该一个散热片组的散热片的表面温度的位置。

在此，散热片1750的表面的温度分布与距离散热片前端的距离的关系不是直线状，而是越接近上风侧越急剧地上升，随着朝向下风侧以逐渐接近散热片1750的表面最高温度的方式上升。因此，散热片1750的组间隙的位置比将设置散热片1750的区域三等分的位置靠上风侧。

需要说明的是，在图11所记载的冷却器中，散热片1750的张数在上风侧为12张，在中游为24张，在下风侧为48张，上风区域1752的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.34倍，中游区域1753的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.69倍。

接着，为了验证本发明的第一实施方式的效果，使用通用热流体分析软件来计算各半导体元件的温度。在计算中，使下风区域1754的散热片表面积固定，使上风区域1752、中游区域1753的散热片面积变化来进行比较。另外，使半导体元件组1500的各个半导体元件的热损失固定，考虑因散热片1750的张数变化而引起的压力损失及冷却风量的变化。

图12表示利用通用热流体分析软件计算出的、使上风区域1752、中游区域1753的散热片的表面积变化时的上风侧半导体元件1520、中游半导体元件1530及下风半导体元件1540的温度上升的变化。图表的纵轴的温度上升比是将中游/下风散热片表面积比及上风/下风散热片表面积比为1.00时的下风区域半导体元件1540的温度上升设为1.00的情况下的相对值。由此可知，在中游/下风散热片表面积比及上风/下风散热片表面积比为1.00时，相对于下风区域半导体元件1540，中游区域半导体元件1530的温度上升比为0.89，上风区域半导体元件1520的温度上升比为0.77，存在23％的温度偏差。相对于此，在中游/下风散热片表面积比为0.50或0.42、上风/下风散热片表面积比为0.33的情况下，各半导体元件的温度均匀。

图13表示利用通用热流体分析软件计算出的、使上风区域1752、中游区域1753的散热片表面积变化时的半导体元件组1500的最大温度上升比和冷却器重量比。最大温度上升比及冷却器重量比是将中游/下风散热片表面积比及上风/下风散热片表面积比为1.00时的半导体元件组1500的温度上升及冷却器重量设为1.00的情况下的相对值，用颜色的深浅表示值的大小。由此可知，与中游/下风散热片表面积比及上风/下风散热片表面积比为1.00的情况相比，在上风/下风散热片表面积比为0.33以上、中游/下风散热片表面积比为0.42以上的区域中，最大温度上升比为同等以下。特别是，在本发明的第一实施方式中，在上风/下风散热片表面积比为0.33且中游/下风散热片表面积比为0.42时，冷却器重量比为0.74，通过本发明，能在同等冷却性能下轻量化26％。另外，图13中的虚线围成的区域是上风/下风散热片表面积比为0.33～0.42且中游/下风散热片表面积比为0.42～0.63的区域，表示本发明的保护范围。由此可知，在本发明的保护范围中，能在与专利文献2同等的冷却性能下更为轻量。

[实施例2]

图14表示本发明的第二实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在第一实施方式中，将冷却风流动方向上的散热片的分割点位置固定，使散热片的张数变化来使上风区域1752、中游区域1753、下风区域1754的散热片表面积变化，但也可以通过使冷却风流动方向上的散热片的分割点位置变化来使散热片表面积变化。在第二实施方式中，设为散热片1750的张数从上风侧起为12张、24张、48张，散热片间距之比为4∶2∶1，上风区域1752的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.35倍，且中游区域1753的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.53倍，使散热片张数为12张的区域与散热片张数为24张的区域的交界比将设置散热片的区域三等分的位置靠上风侧，且使散热片张数为24张的区域与散热片张数为48张的区域的交界比将设置散热片的区域三等分的位置靠下风侧。在此，在专利文献2中，如前所述，散热片1750的组间隙的位置比将设置散热片1750的区域三等分的位置靠上风侧，因此，在本发明的第二实施方式和专利文献2中，冷却器结构明显不同。

在本发明的第二实施方式中，各区域的散热片间距为整数比，因此，各散热片之间的通风阻力均匀，因此，能使流动的冷却风量均匀，而且能降低通风阻力，因此，能增大来自鼓风机的冷却风量，高效率地进行冷却。

为了验证本发明的第二实施方式的效果，使用通用热流体分析软件来计算半导体元件组的最大温度上升。图15表示利用通用热流体分析软件计算出的、使上风区域1752、中游区域1753的散热片表面积变化时的半导体元件组1500的最大温度上升比和冷却器重量比。由此可知，在本发明的第二实施方式中，与中游/下风散热片表面积比及上风/下风散热片表面积比为1.00的情况相比，最大温度上升比大致相同，冷却器重量比为0.75，通过本发明，能在同等冷却性能下轻量化25％。另外可知，与专利文献2相比，能在同等冷却性能下更为轻量。

[实施例3]

图16表示本发明的第三实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在第三实施方式中，将半导体元件组1500构成为在冷却风流动方向上设置两台，将设置多个散热片的区域沿着冷却风流动方向分割为上风区域1752和下风区域1754这两个区域，散热片1750的张数在上风区域1752设置26张，在下风区域1754设置48张。即，上风区域1752的散热片1750的表面积为下风区域1754的散热片1750的表面积的0.54倍。

在如本发明的第三实施方式这样将半导体元件组1500在冷却风流动方向上设置两台的结构中，将多个散热片1750沿着冷却风1210的流动方向分割成两部分，与冷却风的温度上升的下风区域1754相比，在冷却风1210的温度低的上风区域1752减小散热片面积，即，与下风区域相比，减少散热片的张数，以使各个半导体元件组1500的温度均匀的方式设定各区域中的散热片面积，从而能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件组1500。

为了验证本发明的第三实施方式的效果，使用通用热流体分析软件来计算各半导体元件的温度。图17表示利用通用热流体分析软件计算出的、使上风区域1752的散热片表面积变化时的上风区域半导体元件1520、下风区域半导体元件1540的温度上升的变化。由此可知，在上风/下风散热片表面积比为1.00时，相对于下风区域半导体元件1540的温度上升比1.00，上风区域半导体元件1520的温度上升比为0.90，存在10％的温度偏差。与此相对，在上风/下风散热片表面积比为0.54的情况下，各半导体元件的温度变得均匀。另一方面，在上风/下风散热片表面积比为0.50以下的情况下，与下风区域半导体元件1540相比，上风区域半导体元件1520的温度变高。

图18表示利用通用热流体分析软件计算出的、使上风区域1752的散热片面积变化时的半导体元件组1500的最大温度上升比和冷却器重量比。可知，本发明的保护范围为上风区域的散热片表面积为最下风区域的散热片表面积的0.54～0.73倍，在该范围内，与上风/下风散热片表面积比为1.00的情况相比，最大温度上升比为同等以下。特别是，在本发明的第三实施方式中，上风/下风散热片面积比为0.54，冷却器重量比为0.88，通过本发明，能在同等冷却性能下轻量化12％。

[实施例4]

图19表示本发明的第四实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在第四实施方式中，将半导体元件组1500构成为在冷却风流动方向上设置4台，将设置多个散热片的区域沿着冷却风流动方向分割为最上风区域1751、上风区域1752、下风区域1754和最下风区域1755这四个区域，将散热片1750在最上风区域1751设置24张，在上风区域1752设置30张，在下风区域1754设置35张，在最下风区域1755设置48张。即，最上风区域1751的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.42倍，上风区域1752的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.63倍，下风区域1754的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.73倍。需要说明的是，关于第四实施方式的效果，与后述的第五实施方式的效果一起说明。

[实施例5]

图20表示本发明的第五实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在第五实施方式中，与第四实施方式同样，将半导体元件组1500构成为在冷却风流动方向上设置4台，将设置多个散热片的区域沿着冷却风流动方向分割为最上风区域1751、上风区域1752、下风区域1754和最下风区域1755这四个区域。在第五实施方式中，将散热片1750在最上风区域1751设置10张，在上风区域1752设置12张，在下风区域1754设置20张，在最下风区域1755设置48张。即，最上风区域1751的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.21倍，上风区域1752的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.25倍，下风区域1754的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.42倍。

在如本发明的第四实施方式及第五实施方式这样将半导体元件组1500在冷却风流动方向上设置4台的结构中，将多个散热片1750沿着冷却风1210的流动方向进行四分割，与冷却风的温度上升的最下风区域1755相比，在冷却风1210的温度低的最上风区域1751、上风区域1752、下风区域1754中减小散热片表面积，即，与最下风区域相比，减少散热片的张数，以使各个半导体元件组1500的温度均匀的方式设定各区域中的散热片表面积，从而能以轻量的装置结构高效率地冷却半导体元件组1500。

接着，作为与本发明的第四实施方式及第五实施方式的比较，说明现有技术。图21及图22表示专利文献1记载的冷却器。在专利文献1记载的冷却器中，将半导体元件组1500构成为在冷却风流动方向上设置4台，在图21中，最上风区域1751的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.50倍，上风区域1752的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.50倍，下风区域1754的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的1.00倍。另外，在图22中，最上风区域1751的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.13倍，上风区域1752的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.25倍，下风区域1754的散热片1750的表面积为最下风区域1755的散热片1750的表面积的0.50倍。

为了验证本发明的第四实施方式及第五实施方式的效果，使用通用热流体分析软件来计算各半导体元件的温度。图23表示利用通用热流体分析软件计算出的、使最上风区域1751、上风区域1752、下风区域1754的散热片面积变化时的最上风区域半导体元件1510、上风区域半导体元件1520、下风区域半导体元件1540、最下风区域半导体元件1550的温度上升的变化。由此可知，在各区域的散热片表面积比均为1.00的情况下，相对于最下风区域半导体元件1550的温度上升比1.00，最上风区域半导体元件1510的温度上升比为0.63，上风区域半导体元件1520的温度上升比为0.75，下风区域半导体元件1540的温度上升比为0.88，存在37％的温度偏差。另外，关于图21所示的专利文献1记载的冷却器，最上风区域半导体元件1510的温度上升比为0.75，上风区域半导体元件1520的温度上升比为0.81，下风区域半导体元件1540的温度上升比为0.88，最下风区域半导体元件1550的温度上升比为0.98，存在25％的温度偏差，因此可以说还有能轻量化的余地。另外，关于图22所示的专利文献1记载的冷却器，最上风区域半导体元件1510的温度上升比为1.13，上风区域半导体元件1520的温度上升比为1.04，下风区域半导体元件1540的温度上升比为0.98，最下风区域半导体元件1550的温度上升比为0.99，最上风区域半导体元件1510的温度比最下风区域半导体元件1550的温度高，冷却效率较差。

相对于此，关于本发明的第四实施方式，最上风区域半导体元件1510的温度上升比为0.69，上风区域半导体元件1520的温度上升比为0.73，下风区域半导体元件1540的温度上升比为0.83，最下风区域半导体元件1550的温度上升比为0.91，存在22％的温度偏差，但与各区域的散热片面积比均为1.00的情况相比，最上风区域半导体元件1550的温度上升比降低9％。这是由于：通过减少最上风区域1751、上风区域1752、下风区域1754的散热片1750的张数而使压力损失降低，从鼓风机供给的冷却风量增大而使整体的温度降低。

另外，关于本发明的第五实施方式，最上风区域半导体元件1510的温度上升比为0.95，上风区域半导体元件1520、下风区域半导体元件1540、最下风区域半导体元件1550的温度上升比为0.97，各半导体元件的温度变得均匀。

图24表示利用通用热流体分析软件计算出的、使最下风区域1755以外的散热片面积以0.13～1.00变化时的半导体元件组1500的最大温度上升比和冷却器重量比。本发明的保护范围如下：最上风区域的散热片表面积为最下风区域的散热片表面积的0.21～0.42倍，上风区域的散热片表面积为最下风区域的散热片表面积的0.25～0.63倍，下风区域的散热片表面积为最下风区域的散热片表面积的0.42～0.73倍，处于该范围内的数值位于图表的左下、即冷却器重量比和热阻比均较小的区域，能以轻量的冷却器结构高效率地冷却半导体元件组。

需要说明的是，与第四实施方式的冷却器相比，本发明的第五实施方式的冷却器的温度上升比大了6％，但冷却器重量比小了15％。因此，在想要优先减小温度上升的情况下，第四实施方式所示的形状即可，在想要优先减小冷却器重量的情况下，第五实施方式所示的形状即可，根据要求性能适当选择即可。

[实施例6]

图25表示本发明的第六实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在本发明的第五实施方式中，将散热片1750分割为上风区域1752、中游区域1753和下风区域1754，将散热片1750在上风区域1752设置16张，在中游区域1753设置20张，在下风区域1754设置48张，且设置成上风区域1752的最上段的散热片位于比中游区域1753的最上段的散热片低的位置，且中游区域1753的最上段的散热片位于比下风区域1754的最上段的散热片低的位置。

通过形成为这样的结构，冷却风1210的一部分在上风区域1752及中游区域1753不接受热而向下风区域1754供给，因此，能抑制下风区域半导体元件1540的温度上升，高效率地进行冷却。

[实施例7]

图26表示本发明的第七实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在本发明的第六实施方式中，局部地设置散热部的长度比U字型热管1720、L字型热管1730的散热部的长度短的短热管1780。在图23中，按照L字型热管1730、短热管1780、U字型热管1720、短热管1780、U字型热管1720、短热管1780、L字型热管1730的顺序设置。

短热管的散热部1782与散热部长的U字型热管1720相比，所接合的散热片1750的张数较少，因此与冷却风1210的热阻变大，与冷却风1210的温度差变大。因此，通过形成为这样的结构，即使冷却风1210的温度为热管内部的制冷剂的凝固点以下，制冷剂也不会凝固而能高效率地冷却半导体元件组1500。

另外，在仅由短热管1780构成冷却器的情况下，与U字型热管相比，所接合的散热片1750的张数变少，因此，在冷却风1210的温度为制冷剂的凝固点以上的情况下，冷却性能可能会降低，但通过使短热管1780和U字型热管1720、L字型热管1730混合存在，由此能使冷却风1210的温度为制冷剂的凝固点以下的情况和冷却风1210的温度为凝固点以上的情况下的冷却性能同时成立。

另外，在由于制冷剂凝固而在热管内产生了液体及气体的制冷剂减少的干涸现象(dry out)时，伴随半导体元件组1500的温度上升，热管散热部的根部的温度也上升，但与U字型热管1720、L字型热管1730相比，散热部短的短热管1780更能减小散热部1782的根部与前端的温度差，即更能提高前端的温度，因此，即使产生干涸现象，也能使凝固了的制冷剂融解而开始运作，能高效率地冷却半导体元件组1500。

[实施例8]

图27表示本发明的第八实施方式的电力转换装置上搭载的冷却器的侧视剖视图。在将逆变器电路用半导体元件和变换器电路用半导体元件设置于同一冷却器进行冷却的情况下或者对三电平电路进行冷却的情况下，有时各个半导体元件1510、1520、1540、1550的热损失量存在偏差。如本发明的第八实施方式这样，通过将直管型热管1790以重合到各个半导体元件1510、1520、1540、1550的投影面上的方式埋设于受热块1710中，由此能将热损失量的偏差引起的温度上升的偏差均衡化，能高效率地冷却半导体元件组1500。

需要说明的是，在本发明的第一～第八实施方式中，记载了最下风区域的散热片的张数为48张的结构，但本发明并不限定于此，也可以适当变更。另外，记载了半导体元件组1500沿与冷却风正交的方向设置4台的结构，但本发明并不限定于此，根据电路结构能适当变更。

Claims (4)

1.一种电力转换装置，其具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，

所述半导体元件在冷却风流动方向上设于三处，

所述电力转换装置的特征在于，

在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为上风区域、中游区域、下风区域时，上风区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.33～0.42倍的范围内，中游区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.42～0.63倍的范围内，

所述多个热管的受热部和所述多个热管的散热部配置为交错状，

在构成通风路的顶板与所述冷却器之间的间隙的空间具备沿与冷却风的流动正交的方向配置的漏风防止板，

所述漏风防止板构成为该漏风防止板与最上段的散热片之间的间隙比所述多个热管的散热部的前端与所述最上段的散热片之间的间隙小。

2.一种电力转换装置，其具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，

所述半导体元件在冷却风流动方向上设于两处，

所述电力转换装置的特征在于，

在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为上风区域、下风区域时，上风区域的散热片表面积处于下风区域的散热片表面积的0.54～0.73倍的范围内，

所述多个热管的受热部和所述多个热管的散热部配置为交错状，

在构成通风路的顶板与所述冷却器之间的间隙的空间具备沿与冷却风的流动正交的方向配置的漏风防止板，

所述漏风防止板构成为该漏风防止板与最上段的散热片之间的间隙比所述多个热管的散热部的前端与所述最上段的散热片之间的间隙小。

3.一种电力转换装置，其具备构成电力转换电路的多个半导体元件和将来自该多个半导体元件的热向外部气体散出的冷却器，

所述冷却器包括受热块、多个热管及多个散热片，在所述受热块的一侧面并设所述多个半导体元件，在所述受热块的另一侧面埋设所述多个热管的受热部，所述多个热管的散热部从受热块突出地竖立设置，在所述散热部接合多个散热片，

所述半导体元件在冷却风流动方向上设于四处，

所述电力转换装置的特征在于，

在将设置所述多个散热片的区域沿着冷却风流动方向等间隔地定义为最上风区域、上风区域、下风区域、最下风区域时，最上风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.21～0.42倍的范围，上风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.25～0.63倍的范围内，下风区域的散热片表面积处于最下风区域的散热片表面积的0.42～0.73倍的范围内，

所述多个热管的受热部和所述多个热管的散热部配置为交错状，

在构成通风路的顶板与所述冷却器之间的间隙的空间具备沿与冷却风的流动正交的方向配置的漏风防止板，

所述漏风防止板构成为该漏风防止板与最上段的散热片之间的间隙比所述多个热管的散热部的前端与所述最上段的散热片之间的间隙小。

4.一种铁道车辆，其特征在于，

将权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置搭载于客室的地板下。