CN105308741A - 车辆用功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的功率转换装置是具备转换功率的半导体的车辆用功率转换装置。功率转换装置包括：沿着车辆前进方向排列配置且用于对半导体进行冷却的多个冷却器(210)；内部设置有多个冷却器(210)且设置有成为行驶风的进气口及排气口的通风口的冷却器罩(220)；以及设置于冷却器罩(220)内部的受风板(230)。在冷却器罩(220)的内部且位于多个冷却器(210)的上方、下方、及侧方中的至少一方，设有成为行驶风的通道的空洞。通风口至少配置在该空洞的车辆前进方向。受风板(230)配置于该空洞，在行驶风从通风口流入到空洞时，使流入的行驶风的流向改变为冷却器(210)所在的方向。

Description

车辆用功率转换装置
技术领域
本发明涉及车辆用功率转换装置。
背景技术
铁路车辆中搭载有功率转换装置。功率转换装置的功率转换通过具备转换器或逆变器等的半导体来进行。半导体因功率转换而会发出较多热量。因此，通常，在进行功率转换的半导体中安装有冷却装置。专利文献1公开了下述冷却装置，该冷却装置包括在半导体装置的侧面沿着车辆前进方向配置的多个冷却器、以及对进入冷却器的行驶风的风量进行调整的门。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2001-024124号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
行驶风具有会绕开密度较高的场所(存在挡风体的场所)进行流动的性质。因此，即使将冷却器构成为内部能够通过行驶风，行驶风也会绕过存在冷却器的场所本身来流动。专利文献1所示的冷却装置中，由于冷却器的内部无法进入足够的行驶风，因此无法获得较高的冷却效率。
此外，即使行驶风进入到冷却器的内部，到达后级冷却器的行驶风也已被前级的冷却器加热。从而在专利文献1所示的冷却装置中，由于后级的冷却器无法利用行驶风得到充分冷却，因此无法获得较高的冷却效率。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够高效地对进行功率转换的半导体进行冷却的车辆用功率转换装置。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明的车辆用功率转换装置是具备转换功率的半导体的车辆用功率转换装置。车辆用功率转换装置包括：沿着车辆前进方向排列配置且用于对半导体进行冷却的多个冷却器；内部设置有多个冷却器且设置有成为行驶风的进气口及排气口的通风口的冷却器罩；以及设置于冷却器罩的内部的受风板。在冷却器罩的内部且位于多个冷却器的上方、下方、及侧方中的至少一方，设有成为行驶风的通道的空洞。通风口至少配置在该空洞的车辆前进方向。受风板配置于该空洞，在行驶风从通风口流入到空洞时，使流入的行驶风的流向改变为多个冷却器所在的方向。
发明效果
根据本发明，在对转换功率的半导体进行冷却的多个冷却器的上方、下方、及侧方中的至少一方设置空洞，并且设置使流入到空洞的行驶风的流向改变为冷却器所在的方向的受风板，因此，能够利用行驶风高效地对多个冷却器进行冷却。由此，能够高效地对进行功率转换的半导体进行冷却。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的功率转换装置的立体图。
图2是表示功率转换装置所具备的半导体装置的图。
图3是表示功率转换装置所具备的冷却装置的图。
图4是表示冷却装置所具备的冷却器的图。
图5是表示冷却装置所具备的冷却器罩的图。
图6是表示冷却装置所具备的冷却器罩的图。
图7是表示冷却装置的内部结构的图。
图8是表示冷却装置的内部结构的图。
图9A是表示行驶风从冷却装置的前方流入到侧部空洞的情况的图。
图9B是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图9C是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图9D是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图10A是表示行驶风从冷却装置的前方流入到下部空洞的情况的图。
图10B是表示流入下部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图11A是表示行驶风从冷却装置的后方流入到侧部空洞的情况的图。
图11B是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图11C是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图11D是表示流入侧部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图12A是表示行驶风从冷却装置的后方流入到上部空洞的情况的图。
图12B是表示流入上部空洞的行驶风在冷却装置内部的流动的图。
图13是表示冷却器的变形例的图。
图14是表示冷却装置的变形例的图。
图15是表示在侧部空洞与冷却器之间设置有隔板的情况的图。
图16是表示在侧部空洞的下方设有空洞的冷却装置的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对用于实施本发明的方式进行说明。另外，对图中相同或等同的部分标注相同的标号。
本发明的实施方式所涉及的功率转换装置1是列车、汽车等车辆中所搭载的车辆用功率转换装置。这里，列车是指电车或内燃机车等在轨道上行驶的车辆。另外，列车不仅是多节编组的列车，也包含一节编组的单节列车。列车还包含在路面上行驶的路面电车、在一根铁轨上行驶的单轨列车、以橡胶轮胎在轨道上行驶的轮胎行驶车、以及悬浮在轨道上进行运行的磁悬浮列车。在下述说明中，作为一个示例，示出功率转换装置1搭载于可往返运行的列车的情况，即，搭载于能够调换车辆的前进方向和后退方向的列车的情况。
功率转换装置1如图1所示，由对功率进行转换的半导体装置100和对半导体装置100进行冷却的冷却装置200构成。另外，在下述说明中，为了便于理解，将车辆的前进方向和后退方向中的一个方向(图1中为车辆前进方向)称为前方，将其相反方向称为后方，将车辆内的人所观察到的车辆的侧面方向(图1中为朝向前方的右手侧)称为侧方。
半导体装置100如图2所示，由转换功率的多个半导体元件110和保护半导体元件110不受冲击的壳体120构成。半导体元件110的内部具有功率转换电路(例如，AC-DC转换器、DC-DC转换器、逆变器)。伴随着功率转换电路的动作，半导体元件110发出较大的热量。半导体元件110粘接于受热板211。半导体元件110所发出的热量被受热板211吸收。
冷却装置200是吸收半导体元件110发出的热量并向外部释放的装置。冷却装置200设置在行驶风充足的场所，例如设置于车辆底板的侧面。冷却装置200如图3所示，由利用行驶风进行冷却的多个冷却器210、在内部收纳冷却器210的冷却器罩220、以及设置于冷却器罩220内部的受风板230构成。
冷却器210是热管式冷却器。冷却器210由沿着车辆前进方向排列配置的多个冷却器(冷却器210a、冷却器210b、冷却器210c)构成。冷却器210如图4所示，分别由吸收半导体元件110的热量的受热板211、与受热板211相连接的多根热管212、以及与热管212相连接的多片散热翅片213构成。
受热板211是热传导率较高的金属板，例如铝板。受热板211的表面粘贴有半导体元件110。受热板211吸收半导体元件110所发出的热量并传递给热管212。
热管212是内部注入有作用液的管道。热管212以向侧方突出的状态固定于受热板211。另外，热管212以稍稍向上方倾斜的状态固定于受热板211，以使得内部的作用液不会因行驶中车辆的倾斜而向侧方移动。
散热翅片213是用于提高热管212的散热效率的散热板。散热翅片213以各自的平面朝向侧方且以一定间隔平行排列的状态固定于热管212。由此，行驶风能够从冷却器210的上方、下方、前方、后方进入冷却器210的内部。
冷却器罩220是覆盖冷却器210的罩盖。冷却器罩220的前方和后方如图5和图6所示，设置有通风口221和通风口222。车辆在向前方前进时，通风口221如图5所示起到行驶风的吸入口的作用。相反侧的通风口222起到行驶风的排出口的作用。另一方面，车辆在向后方前进时，通风口222如图6所示起到行驶风的吸入口的作用。相反侧的通风口221起到行驶风的排出口的作用。
冷却器罩220的内部如图7和图8所示，多个冷却器210沿着车辆前进方向排列设置。冷却器210的上方、下方、侧方分别设置有成为行驶风的通道的空洞223(上部空洞223a、下部空洞223b、侧部空洞223c)。空洞223的前方和后方如图5和图6所示，设置有通风口221和通风口222。
另外，在下述说明中，将位于上部空洞223a的前方的通风口221称为上部通风口221a，位于下部空洞223b的前方的通风口221称为下部通风口221b，位于侧部空洞223c的前方的通风口221称为侧部通风口221c，位于冷却器210的前方的通风口221称为中央通风口221d。并且，将位于上部空洞223a的后方的通风口222称为上部通风口222a，位于下部空洞223b的后方的通风口222称为下部通风口222b，位于侧部空洞223c的后方的通风口222称为侧部通风口222c，位于冷却器210的后方的通风口222称为中央通风口222d。
受风板230是将流入空洞223的行驶风的流动朝向冷却器210所在的方向改变的板。受风板230如图7和图8所示，由设置于上部空洞223a的上部受风板231、设置于下部空洞223b的下部受风板232、以及设置于侧部空洞223c的侧部受风板233构成。
上部受风板231和下部受风板232如图7和图8所示，以平面朝向前方及后方的状态进行设置。上部受风板231设置在车辆向后方前进时成为最后级冷却器210的冷却器210a的上部。下部受风板232设置在车辆向前方前进时成为最后级冷却器210的冷却器210c的下部。
侧部受风板233如图7所示，以相对于车辆前进方向倾斜的状态进行设置。更具体而言，侧部受风板233以一个平面朝向前方的斜下方、另一个平面朝向后方的斜上方的状态进行设置。侧部受风板233的上端如图8所示，与上部受风板231相接，侧部受风板233的下端与下部受风板232相接。由此，从前方进入侧部空洞223c的行驶风顺畅地朝向下部受风板232流动，从后方进入侧部空洞223c的行驶风顺畅地朝向上部受风板231流动。
接着，对具有上述结构的冷却装置200的冷却动作进行说明。
若车辆向前方前进，则行驶风从通风口221c进入冷却器罩220的内部。此时，行驶风如图9A所示的(a)那样，绕开冷却器210所在的场所，从侧部通风口221c进入侧部空洞223c。
没有能绕开冷却器210的行驶风如图9A所示的(b)那样，从中央通风口221d进入冷却器罩220的内部。接着，行驶风通过冷却器210的内部从中央通风口222d流出。此时，将要到达后级的冷却器210的行驶风已被前级的冷却器210加热。于是，位于后级的冷却器210b、210c并没有被图9A所示(b)的行驶风冷却多少。
如上述那样，在侧部空洞223c设置有侧部受风板233。进入到侧部空洞223c的行驶风受到侧部受风板233阻挡，从而如图9B所示的(a)及图9C所示的(a)那样，向下部空洞223b流动。
如上述那样，在下部空洞223b设置有下部受风板232。进入到下部空洞223b的行驶风受到下部受风板232阻挡，从而如图9C所示的(b)那样，朝向冷却器210上升。接着，行驶风如图9D所示的(a)那样，通过冷却器210的内部从上部通风口222a或中央通风口222d流出。
若车辆向前方前进，则行驶风也会从下部通风口221b进入。此时，行驶风如图10A所示的(a)那样，绕开冷却器210所在的场所，进入下部空洞223b。进入到下部空洞223b的行驶风因下部受风板232而将前进方向改变为朝向上方。接着，行驶风如图10B所示的(a)那样，通过冷却器210的内部从上部通风口222a或中央通风口222d流出。另外，下部受风板232设置于从前方观察时位于最后级位置的冷却器210c的下部。因此，越是位于后级的冷却器210，到达该冷却器210的行驶风越强，从而更好地被冷却。
另一方面，若车辆向后方前进，则行驶风从通风口222c进入冷却器罩220的内部。此时，行驶风如图11A所示的(a)那样，绕开冷却器210所在的场所，从侧部通风口222c进入侧部空洞223c。
没有能绕开冷却器210的行驶风如图11A所示的(b)那样，从中央通风口222d进入冷却器罩220的内部。接着，行驶风通过冷却器210的内部从中央通风口221d流出。此时，将要到达后级的冷却器210的行驶风已被前级的冷却器210加热。于是，位于后级的冷却器210b、210a并没有被图11A所示(b)的行驶风冷却多少。
进入到侧部空洞223c的行驶风受到侧部受风板233阻挡，从而如图11B所示的(a)及图11C所示的(a)那样，向上部空洞223a流动。进入到上部空洞223a的行驶风受到上部受风板231的阻挡，从而如图11C所示的(b)那样，朝向冷却器210下降，接着如图11D所示的(a)那样，通过冷却器210的内部从下部通风口221b或中央通风口221d流出。
此外，若车辆向后方前进，则行驶风也会从上部通风口222a进入。此时，行驶风如图12A所示的(a)那样，一边绕开冷却器210所在的场所，一边进入上部空洞223a。进入到上部空洞223a的行驶风因上部受风板231而将前进方向改变为朝向下方。接着，行驶风如图12B所示的(a)那样，通过冷却器210的内部从下部通风口221b及中央通风口221d流出。另外，上部受风板231设置于从后方观察时位于最后级位置的冷却器210a的下部。因此，越是位于后级的冷却器210，到达该冷却器210的行驶风越强，从而更好地被冷却。
根据本实施方式，如图7、图8所示，在冷却器210的上方、下方、侧方分别设有空洞223，并且，在这些空洞223分别设有将行驶风引导向冷却器210所在的方向的受风板230，因此，冷却装置200能够有效地收集绕开了冷却器210的行驶风。即，由于使更多的行驶风进入到冷却器210的内部，因此，能够以极高的效率使冷却器210冷却。由此，冷却装置200能够高效地对半导体元件110进行冷却。
并且，受风板230配置为使得进入到空洞223的行驶风从冷却器210的上方或下方进入冷却器210的内部。从上方或下方进入冷却器210的内部的行驶风不会被前级的冷却器210加热，因此，位于后级的冷却器210也能有效地被冷却。由此，冷却装置200能够发挥较高的冷却功能。
通常，热管式的冷却器如图4所示的冷却器210那样，具备平板状的散热翅片213以提高热管212的冷却效率。通常，散热翅片213以平面朝向侧方的状态平行地排列配置。因此，进入到图7、图8所示的侧部空洞223c的行驶风将无法从冷却器210的侧方直接进入冷却器210的内部。然而，本实施方式的冷却装置200中，利用侧部受风板233暂时将从图5所示的侧部通风口221c或图6所示的侧部通风口222c进入到图7所示的侧部空洞223c的行驶风引导向上部空洞223a或下部空洞223b，从而使行驶风从冷却器210的上方或下方进入冷却器210的内部。由此，冷却装置200中，除了从上部通风口222a及下部通风口222b进入到上部空洞223a及下部空洞223b的行驶风之外，还能够将从图5所示的侧部通风口221c或图6所示的侧部通风口222c流入图7所示侧部空洞223c的行驶风也有效地导入到冷却器210的内部。由此，冷却装置200能够发挥较高的冷却功能。
此外，上部受风板231及下部受风板232设置在位于后级的冷却器210的上部或下部。因此，对于进入到空洞223的行驶风来说，越是位于后级的冷却器210，到达该冷却器210的行驶风就越强。即，越是位于后级的冷却器210，越是会更好地被进入到空洞223的行驶风冷却。另一方面，位于前级的冷却器210利用从中央通风口221d或中央通风口222d进入的行驶风来充分地被冷却。由此，从前级到后级的多个冷却器210可均匀地被冷却，从而半导体元件110中不会发生“冷却不均”。
此外，冷却装置200的前方和后方分别设有通风口(通风口221、222)。并且，侧部空洞223c设置有侧部受风板233，该侧部受风板233在行驶风从通风口221流入侧部空洞223c的情况下使行驶风流向下部空洞223b，在行驶风从通风口222流入侧部空洞223c的情况下使行驶风流向上部空洞223a。并且，在上部空洞223a及下部空洞223b分别设置有使流入的行驶风朝向冷却器210的内部流动的上部受风板231和下部受风板232。由此，无论在列车向前方前进时还是向后方前进时，冷却装置200都能够将行驶风导入冷却器210的内部。因此，无论列车向哪一个方向前进，冷却装置200都能发挥较高的冷却功能。
此外，冷却装置200中由于不使用可动零部件(例如，专利文献1所示的进行开关的门)，因此不太会发生故障。
另外，上述实施方式只是一个示例，能够进行各种变更和应用。
例如，在上述实施方式中，设置于冷却装置200的冷却器210的数量为3个，但冷却器的数量可以为2个，也可以为4个以上。
冷却器210不限于具有上述实施方式所述的结构的冷却器，可以使用各种已知结构的冷却器。例如，冷却器210如图13所示，可以是多个棒状的散热翅片213从受热板211起朝向侧方林立的形状。通过采用这种形状，不仅是前方、后方、上方、下方，还能够从侧方使行驶风进入冷却器210的内部。
在使用也能够使行驶风从侧方进入冷却器内部的冷却器210的情况下，侧部受风板233能够以平面朝向前方和后方的状态设置于侧部空洞223c。此时，侧部受风板233如图14所示，可以设置于位于最后级位置的冷却器210的侧部，即冷却器210c的侧部。后级的冷却器210也能有效地进行冷却。
上述实施方式中，在冷却器210的上方、下方、侧方这三个方向分别设有空洞223(上部空洞223a、下部空洞223b、侧部空洞223c)，但空洞223无需设置在上述所有的三个方向。对于空洞223，例如可以设置上部空洞223a、下部空洞223b、以及侧部空洞223c中的任一个。此外，也可以设置上部空洞223a、下部空洞223b、以及侧部空洞223c中的任两个。
冷却器罩220的内部如图15所示，也可以设置将设置有冷却器210的空间与侧部空洞223c分隔开的隔板240。隔板240可以以平面朝向侧方的状态进行设置。此时，侧部受风板233可以以一个边与隔板240的平面相接的状态进行设置，以使得流入到侧部空洞223c的行驶风不会从侧部受风板233和冷却器210之间的间隙逃逸至后方或前方。由于能够将行驶风从侧部空洞223c可靠地引导向下部空洞223b，因此能够提高冷却装置200的冷却效率。
上述实施方式中，在侧部空洞223c的下方(下部空洞223b的侧方)没有设置空洞，但如图16所示，也可以在侧部空洞223c的下方(下部空洞223b的侧方)设置空洞。由于能够将行驶风从侧部空洞223c顺畅地引导向下部空洞223b，因此能够提高冷却装置200的冷却效率。
通风口221及通风口222中可以设置金属网等网状体。在能够将行驶风导向冷却器罩220的内部的同时，还能够防止异物进入冷却器罩220的内部。
上述实施方式中，半导体装置100具备覆盖半导体元件110的壳体120，但半导体装置100也不一定要具备壳体120。可以将半导体元件110直接设置于车辆的内部。该情况下，冷却装置200可以直接安装于车辆的侧面等。
上述实施方式中，功率转换装置1搭载于能够调换车辆的前进方向和后退方向的列车，但功率转换装置1也可以搭载于仅能够向一个方向前进的列车。搭载有功率转换装置1的车辆不限于列车，也可以是公共汽车、卡车等汽车。
在不脱离本发明的广义精神与范围的情况下，可对本发明实施各种实施方式以及变形。另外，上述实施方式仅用来对本发明进行说明，而不对本发明的范围进行限定。即，本发明的范围由权利要求的范围来表示，而不是由实施方式来表示。并且，在权利要求的范围内及与其同等发明意义的范围内实施的各种变形也视为在本发明的范围内。
标号说明
1功率转换装置、100半导体装置、110半导体元件、120壳体、200冷却装置、210、210a、210b、210c冷却器、211受热板、212热管、213散热翅片、220冷却器罩、221、222通风口、221a、222a上部通风口、221b、222b下部通风口、221c、222c侧部通风口、221d、222d中央通风口、223空洞、223a上部空洞、223b下部空洞、223c侧部空洞、230受风板、231上部受风板、232下部受风板、233侧部受风板、240隔板。

Claims (6)

1.一种车辆用功率转换装置，具备转换功率的半导体，该车辆用功率转换装置的特征在于，包括：
多个冷却器，该多个冷却器沿着车辆前进方向排列配置，对所述半导体进行冷却；
冷却器罩，在该冷却器罩的内部设置所述多个冷却器，并且设有成为行驶风的进气口及排气口的通风口；以及
受风板，该受风板设置于所述冷却器罩的内部，
在所述冷却器罩的内部且位于所述多个冷却器的上方、下方、及侧方中的至少一方，设有成为行驶风的通道的空洞，
所述通风口至少配置在所述空洞的车辆前进方向，
所述受风板配置于所述空洞，在行驶风从所述通风口流入到所述空洞时，使流入的行驶风的流向改变为所述多个冷却器所在的方向。
2.如权利要求1所述的车辆用功率转换装置，其特征在于，
在所述冷却器罩的内部，设有位于所述多个冷却器的上方的上部空洞、位于所述多个冷却器的下方的下部空洞、以及位于所述多个冷却器的侧方的侧部空洞中的至少一个来作为所述空洞，
所述受风板设置于所述上部空洞、所述下部空洞及所述侧部空洞中的至少一个，使从所述通风口流入到所述上部空洞、所述下部空洞、或所述侧部空洞中的行驶风从所述多个冷却器的上方、下方、或侧方朝向所述多个冷却器的内部流动。
3.如权利要求2所述的车辆用功率转换装置，其特征在于，
所述多个冷却器由热管、及平板状的多个散热翅片构成，该平板状的多个散热翅片以使平面朝向侧方平行地进行排列的状态固定于所述热管，
所述冷却器罩的内部设有所述上部空洞和所述下部空洞中的至少一个、及所述侧部空洞，
所述侧部空洞的车辆前进方向上配置有所述通风口，
所述受风板设置于所述上部空洞和所述下部空洞中的至少一个、以及所述侧部空洞。
设置于所述侧部空洞的所述受风板相对于车辆前进方向倾斜，从而在行驶风流入到所述侧部空洞时，使流入的行驶风流向所述上部空洞或所述下部空洞，
设置于所述上部空洞或所述下部空洞的所述受风板使从所述侧部空洞流入到所述上部空洞或所述下部空洞的行驶风从所述多个冷却器上方或下方流向所述多个冷却器的内部。
4.如权利要求2所述的车辆用功率转换装置，其特征在于：
所述通风口除了配置于所述空洞的车辆前进方向，还配置于所述多个冷却器的车辆前进方向，
所述多个冷却器分别采用还能够使行驶风从车辆前进方向进入内部的形状，
设置于所述上部空洞、所述下部空洞、或所述侧部空洞的所述受风板设置在所述多个冷却器中位于最后级的冷却器的上部、下部、或侧部。
5.如权利要求3所述的车辆用功率转换装置，其特征在于：
在所述冷却器罩的内部设有所述上部空洞、所述下部空洞、以及所述侧部空洞，
所述受风板分别设置于所述上部空洞、所述下部空洞、以及所述侧部空洞，
所述侧部空洞的车辆前进方向及其相反方向分别配置有所述通风口，
在行驶风从位于车辆前进方向的所述通风口、和位于其相反方向的所述通风口中的一个通风口流入到所述侧部空洞的情况下，设置于所述侧部空洞的所述受风板使行驶风流向所述上部空洞和所述下部空洞中的一个空洞，在行驶风从另一个通风口流入到所述侧部空洞的情况下，设置于所述侧部空洞的所述受风板使行驶风流向另一个空洞，
设置于所述上部空洞和所述下部空洞的所述受风板分别使从所述侧部空洞流入的行驶风从所述多个冷却器上方或下方流向所述多个冷却器的内部。
6.如权利要求3所述的车辆用功率转换装置，其特征在于：
所述冷却器罩的内部设置有分隔所述多个冷却器与所述侧部空洞的隔板，
所述隔板以平面朝向侧方的状态进行设置，
设置于所述侧部空洞的所述受风板以一个端边与所述隔板的平面相接的状态进行设置。
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