CN111051178A - 铁路车辆的电力转换装置以及搭载了电力转换装置的铁路车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可靠性高的电力转换装置的冷却构造，避免使用自激振动型热管进行冷却的铁路车辆的电力转换装置因飞来物等的碰撞而冷却性能降低的情况。为此，由多个功率半导体元件构成的铁路车辆的电力转换装置具备冷却功率半导体元件的自激振动型热管，该自激振动型热管例如是在冷却风接触的散热片构件的内部具有封入了工作流体的密闭的流路的构造，使分别与冷却风的入口部分或出口部分相接的自激振动型热管的端部隔壁的厚度比隔开流路之间的内部隔壁的厚度更厚。

Description

铁路车辆的电力转换装置以及搭载了电力转换装置的铁路 车辆
技术领域
本发明涉及铁路车辆的电力转换装置，特别涉及该电力转换装置的冷却构造。
背景技术
铁路车辆的电力转换装置用于控制驱动电气铁路车辆等的电动机，设置于铁路车辆的地板下等。由于铁路车辆的地板下等的空间有限，因此期望以尽可能小型的冷却构造有效地对电力转换装置的功率半导体元件进行冷却。
作为以往的铁路车辆的电力转换装置中的冷却构造，如专利文献1所示，已知如下构造：将受热构件沿铅垂方向设置于车身下部，将半导体元件安装于受热构件的一侧，将热管安装于受热构件的相反侧，将因铁路车辆的行驶而产生的风与安装于热管的翅片接触，由此将半导体元件的热向空气散热。
另外，作为在中央运算装置那样的半导体元件的冷却中应用自激振动式的热管的示例，如专利文献2所示的元件散热器那样，已知有在发热元件的上部设置受热板、在其上部连接有蜿蜒的开孔的板状的板的冷却构造。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2011-50166号公报
专利文献2：JP特开2006-80471号公报
发明内容
本申请发明人对使铁路车辆的电力转换装置小型化的情况进行了深入研究，结果得到了以下见解。
即使是将铁路车辆的电力转换装置设置于铁路车辆的地板下的空间的结构，也存在例如像一部分的地铁车辆那样无法充分取得地板下的高度的情况。在这样的情况下，若如以往那样将功率半导体元件配置于铅垂方向的受热构件，则由元件的大小决定的整体的高度变得过高。为了应对该情况，考虑水平地设置受热构件，在其上侧设置功率半导体元件，在受热构件的下侧设置冷却器，由此能降低电力转换装置的高度。
但是，在以往的热管冷却器中，由于热管内的冷凝液因重力而回流，因此无法实现将散热部设置在比受热构件更靠下侧的所谓的顶部加热的配置。另外，在以将单纯的板翅片设置于受热构件的构造进行了冷却的情况下，与热管相比冷却性能低，无法充分地冷却功率半导体元件。
另一方面，在将能进行顶部加热配置的自激振动型热管应用于铁路车辆的情况下，由于铁路车辆在室外行驶，因此存在压载、其他较小的飞来物与车辆的下部碰撞的可能性。由于自激振动型热管细且脆弱，因此在上述的以往构造中，若飞来物与自激振动型热管碰撞，则有可能因冲击而在热管上开孔而其中的流路的工作流体漏出。若工作流体泄漏，则冷却性能不足，电力转换装置的功率半导体的温度上升，最坏的情况会导致半导体破损。
本发明的目的在于提供一种铁路车辆的电力转换装置的冷却器，其小型且不会因飞来物等的碰撞而降低冷却性能。
为了解决所述课题，本发明所涉及的铁路车辆的电力转换装置具备：冷却功率半导体元件的自激振动型热管，该自激振动型热管例如是在冷却风接触的散热片构件的内部具有封入了工作流体的密闭的流路的构造，使分别与冷却风的入口部分或出口部分分别相接的自激振动型热管的端部隔壁的厚度比隔开流路之间的内部隔壁的厚度厚。
发明效果
根据本发明，能够避免因飞来物等的碰撞而导致自激振动型热管的脆弱的流路开孔、工作流体漏出从而冷却性能降低的情况，因此能提供可靠性高的铁路车辆的电力转换装置。
附图说明
图1是从行进方向观察实施例1所涉及的电力转换装置的冷却器的图。
图2是图1所示的冷却器的立体图。
图3是表示实施例1所涉及的冷却器中所用的平板状的自激振动型热管的构造的图。
图4是表示将实施例1所涉及的冷却器中所用的平板状的自激振动型热管折弯的构造的图。
图5是表示实施例1所涉及的冷却器中所用的自激振动型热管的厚度方向的剖面的图。
图6是表示将多个自激振动型热管沿行驶风方向排列的散热部的构造的图。
图7是表示将本发明的各实施例所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的配置结构的图。
图8是表示将本发明所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的其他配置结构的图。
图9是表示将本发明所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的又一其他配置结构的图。
图10是表示本发明的实施例2所涉及的电力转换装置的基于自激振动型热管的散热部的构造的图。
图11是表示本发明的实施例3所涉及的电力转换装置的散热部的构造的立体图。
图12是实施例3所涉及的电力转换装置的散热部的侧视图。
具体实施方式
作为本发明的实施方式，以下使用附图，对实施例1～3进行说明。
图7是表示将本发明的各实施例所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的配置结构的图。本发明所涉及的电力转换装置设于铁路车辆的地板下等，通过改变提供给驱动车辆的电动机的电力的频率来进行电动机的旋转速度的控制。
图7所示的电力转换装置500以悬挂于车身501的状态固定。在受热板1的上部安装有功率半导体元件2，在作为相反侧的受热板1的下部安装有使用了自激振动型热管的散热部20。功率半导体元件2和其他电容器、控制装置等电子部件22由壳体21密闭。
实施例1
图1是从行进方向观察实施例1所涉及的电力转换装置的冷却器的图，图2是该冷却器的立体图。图1中的箭头101和102表示由于车辆的行进而产生的行驶风的方向。由于车辆也向前后任意方向移动，因此与此相伴，在箭头101和102中的任意方向上产生行驶风。
在图1以及图2中，在由铝合金等金属构成的受热构件1的上侧设置有包含多个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等功率半导体元件的功率半导体模块2，由多个功率半导体模块2构成电力转换装置。以下，将这些功率半导体模块也称为功率半导体元件。
功率半导体元件2隔着油脂等构件(未图示)被受热构件1和螺钉等(未图示)固定。在受热构件1中的与功率半导体元件的设置面的相反侧设有散热片构件即散热部20。
图1所示的散热部20由自激振动型热管3和用铝合金等做的波形翅片4构成。受热构件1和自激振动型热管3通过钎焊等固定。另外，在自激振动型热管3的流路长度变得过长的情况下，也可以如图2所示，是设为将自激振动型热管3在行进方向上进行分割的分割类型31～34的构造。
图3是表示平板状的自激振动型热管(分割类型31)的构造的图，箭头103表示行驶风的方向，在图的下部示出在该行驶风103方向上断开的剖面。另外，图4是表示将平板状的自激振动型热管(分割类型31)折弯的构造的图。图1以及图2所示的自激振动型热管(分割类型31)将具有图3所示的构造的平板状的自激振动型热管31如图4所示折弯而构成。
作为自激振动型热管31的内部结构，如图3所示，作为封入了工作流体的密闭的流路，例如设有工作流体所流过的蜿蜒的流路5、和将该流路5隔开的内部隔壁6。另外，在图5中示出自激振动型热管31的厚度方向的剖面(图4中的A-A剖面)。作为工作流体使用水、碳酸酯类、替代氟利昂类、醇类、丁烷等烃类、氢氟醚类或全氟酮类等。
接下来，对本发明所涉及的冷却器的动作方式进行说明。
功率半导体元件2动作而产生的损失成为热量，该热量经过受热构件1传递到自激振动型热管3。通过自激振动型热管3的流路5中被封入的工作流体在流路内振动，热量向自激振动型热管3的前端部侧(下游侧)传递。进而，从自激振动型热管3向波形翅片4传递热量。通过车辆的行驶而产生的行驶风101或102(图1)通过波形翅片4之间，由此热量从波形翅片4、自激振动型热管3的表面向空气中放出。
另外，在自激振动型热管3的构造中，使与冷却风的入口部分(在行驶风方向相反的情况下是出口部分)相接的端部隔壁30的厚度如图3以及图5所示比内部隔壁6更厚。通过设为这样的构造，使自激振动型热管3的冷却风接触的附近的强度增加，在压载等飞来物碰撞时等，防止在自激振动型热管3开孔等。由此防止在流路5的内部流动的工作流体漏到外部，能防止自激振动型热管不发挥功能、散热性能降低。通过将与冷却风的入口部分以及出口部分相接的端部隔壁30的厚度(图3所示的“t”)设为至少将内部隔壁6的厚度(图3所示的“w”)和冷却风的方向的流路5的宽度(图3所示的“d”)合起来的厚度以上的厚度(t≥w+d)，期望确保充分的强度。
图6是表示将多个自激振动型热管在行驶风103方向上排列而构成的散热部的构造的图，在图的下部示出在行驶风103方向上断开的剖面。在图6中示出将自激振动型热管分割成31～34这4部分的示例，其中，使与冷却风的入口部分以及出口部分相接的31以及34的端部隔壁30比剩下其他部分的端部隔壁35更厚。即，位于中间的自激振动型热管32以及33的端部隔壁35薄，提高了散热的效果。另外，为了减少自激振动型热管的种类，还能由将端部隔壁的两侧加厚的1个种类的自激振动型热管构成。
图8是表示将本发明所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的其他配置结构的图。与图7所示的配置结构的不同点在于，在由自激振动型热管构成的散热部20的周围还设置外罩23。外罩23是铝等金属制，由此能在压载等碰撞散热部20的侧面、底面防止给自激振动型热管带来损伤。另外，虽未图示，但能通过在散热部20的前后的部分也设置冲压板等的外罩来避免较大的飞来物直接碰撞散热部。
图9是表示将本发明所涉及的电力转换装置搭载于铁路车辆时的又一其他结构配置的图。与图7以及图8所示的配置结构不同，根据周围的设备的配置、空间，可以设置电力转换装置500，使得受热构件1成为铅垂方向，由此散热部20成为朝向水平方向的构造。另外，在图9中，与图8同样地示出在散热部20的周围设置外罩23的结构。
如上所述，根据图8以及图9所示的配置结构，能在压载等飞来物碰撞自激振动型热管3时防止在自激振动型热管开孔从而散热性能降低。
实施例2
图10是表示本发明的实施例2所涉及的电力转换装置的基于自激振动型热管的散热部的构造的图。另外，在附图中，对与实施例1相同的部分标注相同符号。另外，搭载于车辆时的配置结构、整体的构造与实施例1同样。
在图10中，箭头103是行驶风的方向，在位于行驶风103方向的入口部分以及出口部分的自激振动型热管31以及34设置热管的分隔壁36以及37，使工作流体的流路完全分离独立。相对于该分隔壁36以及37最接近行驶风的入口部分以及出口部分一侧的流路51以及52的长度比主体的流路5短。另外，在流路51以及52中也可以不封入工作流体。根据该结构，即使是在工作流体的流路内压载等飞来物碰撞流路51以及52的部分而万一开孔的情况下，工作流体也不会从分隔壁36的相反侧(热管的内侧)的主体的流路5漏到外部。因此，能防止散热性能降低。
实施例3
图11是表示本发明的实施例3所涉及的电力转换装置的散热部的结构的立体图，图12是其散热部的侧视图。如图11以及图12所示，在实施例3中，将波形翅片4的冷却风所进入的部分附近设置为沿行驶风103方向比工作流体的流路3更向外侧突出。通过该构造，即使压载等飞来物碰撞散热部，波形翅片4的向外侧突出部分也会变形而吸收冲击，不会在工作流体的流路3开孔。因此，能防止散热性能降低。
符号说明
1…受热构件
2…功率半导体元件
3…自激振动型热管
4…波形翅片
5(51、52)…工作流体的流路
6…流路的内部隔壁
20…散热部
21…壳体
22…电子部件
23…外罩
30…冷却风的入口部分以及出口部分的端部隔壁
31～34…自激振动型热管的分割类型
35…热管的端部隔壁
36、37…热管内的分隔壁
101～103…行驶风的方向
500…电力转换装置
501…车身

Claims (13)

1.一种铁路车辆的电力转换装置，由多个功率半导体元件构成，其特征在于，
所述铁路车辆的电力转换装置具备冷却所述功率半导体元件的自激振动型热管，
所述自激振动型热管是在冷却风接触的散热片构件的内部具有封入了工作流体的密闭的流路的构造，
使分别与所述冷却风的入口部分或出口部分相接的所述自激振动型热管的端部隔壁的厚度比隔开所述流路之间的内部隔壁的厚度更厚。
2.根据权利要求1所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
在所述自激振动型热管中，隔开所述流路之间的内部隔壁沿冷却风的方向依次排列。
3.根据权利要求1或2所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管将平板形状的所述散热片构件形成为在与所述冷却风的方向大致正交的方向上折弯1次以上的形状而构成，在该折弯的形状之间设置散热翅片。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述端部隔壁的厚度是将所述内部隔壁的厚度和所述冷却风的方向的所述流路的宽度合起来的厚度以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管是沿所述冷却风的方向分割为1个以上的结构。
6.一种铁路车辆的电力转换装置，由多个功率半导体元件构成，其特征在于，
所述铁路车辆的电力转换装置具备冷却所述功率半导体元件的自激振动型热管，
所述自激振动型热管是在冷却风接触的散热片构件的内部具有封入了工作流体的密闭的流路，且隔开该流路之间的内部隔壁是沿冷却风的方向依次排列的构造，
最接近所述冷却风的入口部分或出口部分的所述流路从位于比该流路更靠内侧的所述流路通过分隔壁而分离独立。
7.根据权利要求6所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管将平板形状的所述散热片构件形成为在与所述冷却风的方向大致正交的方向上折弯1次以上的形状而构成，在该折弯的形状之间设置散热翅片。
8.根据权利要求6或7所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管是沿所述冷却风的方向分割为1个以上的结构。
9.一种铁路车辆的电力转换装置，由多个功率半导体元件构成，其特征在于，
所述铁路车辆的电力转换装置具备冷却所述功率半导体元件的自激振动型热管，
所述自激振动型热管在冷却风接触的散热片构件的内部具有封入了工作流体的密闭的流路，在该散热片构件之间设置散热翅片，
所述散热翅片具有使所述冷却风的入口部分或出口部分与所述自激振动型热管的所述冷却风的入口部分或出口部分相比更向外侧突出的构造。
10.根据权利要求9所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管将平板形状的所述散热片构件形成为在与所述冷却风的方向大致正交的方向折弯1次以上的形状而构成，在该折弯的形状之间设置所述散热翅片。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
所述自激振动型热管配置于安装了所述功率半导体元件的受热构件的下侧。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的铁路车辆的电力转换装置，其特征在于，
在由所述自激振动型热管构成的散热部的周围设置外罩。
13.一种铁路车辆，其特征在于，搭载了权利要求1～12中任一项所述的铁路车辆的电力转换装置。
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