JP2005117829A - 液冷式電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は小形化することが出来る液冷式電力変換装置を提供することである。
【解決手段】
冷媒と、前記冷媒を貯めることが可能なタンクと、前記タンクと接続され前記冷媒を送り出すポンプと、前記ポンプと接続され、内部に前記冷媒の流れる流路を有し半導体素子が取り付けられた複数の冷却体と、前記冷却体と接続され前記冷却体から流入する冷媒を冷却する熱交換器とを有し、前記複数の冷却体を前記タンクより上に設置することを特徴とする液冷式電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、液冷式電力変換装置に関する。

電力変換装置は、設置できるスペースの限られた電鉄用車両に搭載され、架線電力等を電力変換し誘導電動機等の機器へ電力を供給している。従来の液冷式電力変換装置は、冷媒をポンプにより循環させ、半導体素子の接続された複数の冷却体を冷却していた。

このように構成された液冷式電力変換装置は、冷媒（冷却液）を循環させることにより冷却体に搭載された半導体素子を効率良く冷却することができた。
特開平１０−１５０７６３号公報

しかしこのように構成された液冷式電力変換装置を小型化しようとした場合、冷却体から冷媒が漏れるのを防止する部品であるセルフシーリングカプラを小形化することが困難であるので、装置自体の小形化が困難である等の問題があった。

また小形化するために、セルフシーリングカプラを使用せずに、液冷式電力返還装置を構成すると、冷却体を取り外す際に、冷媒が漏れてしまう。そのため、メンテナンスのたびに、冷媒を継ぎ足す必要があった。

そこで、本発明の目的は小形化することが出来る液冷式電力変換装置を提供することである。

上記課題は、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、ひとつの群を構成する半導体素子群は相毎にわかれて冷却体に取り付けられ、異なる群の半導体素子が取付けられた複数個の冷却体を直列に配管接続したことをによって達成できる。

上記課題は、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、ひとつの群を構成する半導体素子群はアーム毎にわかれて冷却体に取り付けられ、異なる群の半導体素子が取付けられた複数個の冷却体を直列に配管接続したことによって達成することが出来る。

上記課題は、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、前記複数の冷却体間を接続する冷却液の流れる複数の流路は、少なくとも二つ以上の異なる経路から構成されることによって達成できる。

上記課題は、半導体素子のスイッチングにより電力変換を行う回路が収納され、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプとを備えた液冷式電力変換装置において、半導体素子の取付けられる冷却体はその内部に隔離された流路が2組あり、冷却液入り口、出口接続部もそれぞれ2個あり、一方の冷却液入り口接続部は他方の冷却液出口接続部と近接していることによって達成できる。

本発明により小形化することが出来る液冷式電力変換装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
本発明に基づく第１の実施の形態の電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。

図１(ａ) は本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図である。図１(ｂ)は本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置のＢ−Ｂ断面図である。尚、図中の矢印は冷媒の流れる向きを示している。

本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置において、半導体素子１は冷却体２と接続される。冷却体２の内部には冷媒の流れる流路（冷媒流路）が形成されておりそれと外部配管を接続する２個の配管接続部３が設けられている。この冷媒流路の一方は冷却液入り口となり、もう一方は冷却液出口となり、装置内に敷設された配管４と接続される。配管４はこの冷却体２と熱交換器５とポンプ６とを閉ループで接続し、ポンプ６により冷却液がこの閉ループを循環することで熱輸送する。つまり、半導体素子１より発生する熱損失は冷却体２を介して、冷却体２内部の流路を強制的に流れる冷却液に熱伝達される。放熱側は熱交換器５の部分であり、熱交換器５内を流れる冷却液から熱交換器５外部の大気へ熱放散することで、半導体素子１より発生した熱損失が効率良く大気へ放出し、半導体素子１の温度上昇を抑制している。

このように構成された液冷式電力変換装置において、冷媒流路は略Ｗ字をしており、液冷式電力変換装置の運転を停止させ、冷却体２と配管４の上側の接続部を軽く緩め、冷却体２内の冷媒流路に空気を入れると、冷却体２内の冷媒は、下方に向かって敷設されている配管４へ流れ込むようになっている。

このように構成された液冷式電力変換装置は、セルフシーリングカプラを使用していないが、冷却体２の交換時に冷媒が漏れ難い。またセルフシーリングカプラを使用していないため、小形化することが出来る。

（第２の実施の形態）
本発明に基づく第２の実施の形態の液冷式電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図２(ａ)は電力変換装置の正面図である。図２(ｂ)はＢ−Ｂ断面図である。尚、図中の矢印は冷媒の流れる向きを示している。尚図１に記載したものと構造上同一のものについては同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第２の実施の形態の液冷式電力変換装置は、半導体素子１のスイッチングで電力変換を行う回路が複数群収納された電力変換装置８で、半導体素子１が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体２と、冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器５と、これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプ６とを備え、ひとつの群を構成する半導体素子群は相毎又はアーム毎にわかれて冷却体２に取り付けられ、配管４は各冷却体２に相又はアーム毎には並列に群毎には直列に接続されている。

このように構成された液冷式電力変換装置において、配管が群毎に直列に接続されるため、配管の並列数が減少する。また、冷却液は、群毎に直列に流れる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管の並列数を減らしたため、配管の簡素化・省スペース化が図れる。又、本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置に比べ、配管圧力損失のアンバランスが生じにくい構成となっている。また、冷却液が群ごとで直列に流れることで、下流側の群の温度上昇が大きくなるが、片群運転等を考慮すれば、全体システムとしては簡素化・省スペース化となる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管簡素化・省スペース化・配管の圧力損失アンバランス低減・冷却体温度バランス向上等の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
本発明に基づく第３の実施の形態の液冷式電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図３に電力変換装置のユニット７部分とその周辺の配管４部分を示す。尚、図１及び図２に記載したものと構造上同一のもについては、同符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態の液冷式電力変換装置が、第２の実施の形態の液冷式電力変換装置と異なる部分は、半導体１が、相又はアーム毎に別の冷却体２に取付けられ、かつ複数群の半導体素子１が取付けられている点である。

このように構成された液冷式電力変換装置は、複数群の半導体１を１つの冷却体２に取付けることで冷却体２及び配管４の数が減少し、冷却体２に取付けられる半導体の数は増加する。

このように構成された液冷式電力変換装置は、冷却体及び配管の数を減らすことで、配管の簡素化及び省スペース化が図れる。又、本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置に比べ、配管圧力損失のアンバランスが生じにくい構成となる。冷却体に取付けられる半導体の数が増加することで、冷却体２の１つあたりの熱負荷が大きくなるが、前述した様に片群運転等を考慮すれば、全体システムとしては簡素化・省スペース化となる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管簡素化・省スペース化・配管の圧力損失アンバランス低減・冷却体温度バランス向上等の効果が得られる。

（第４の実施の形態）
本発明に基づく第４の実施の形態の液冷式電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図４に電力変換装置のユニット７部分とその周辺の配管４部分を示す。尚、図１乃至図３に記載したものと構造上同一のものについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第４の実施の形態の液冷式電力変換装置で、第３の実施の形態の液冷式電力変換装置と異なる部分は、冷却体２に配管接続部３が入口側・出口側各２箇所設けられた点である。配管４(入口側)は１つ目の冷却体２の接続部３の入口側１箇所に接続され、その冷却体２の配管接続部３の出口側１箇所から他の複数の冷却体２の配管接続部３の入口側・出口側各１箇所を使用して順次接続される。残りの配管接続部３には前記と逆の順番で複数の冷却体２の順次接続され、最後に前記１つ目の冷却体から配管４（出口側）に接続される。

複数の冷却体２を単純に直列接続した場合、下流側の冷却体２の温度上昇が大きくなるが、本実施の形態の液冷式電力変換装置のように、冷却体２に接続部を各４箇所設けることで、複数の冷却体２に２並列のループ構成が可能となる。２並列のループに冷却液を逆に流すことが可能となるので、冷却液の高温側・低温側が互いのループで逆となるため複数の冷却体２の温度差が緩和される。

このように構成された液冷式電力変換装置は、本発明に基づく第１の実施の形態の液冷式電力変換装置に比べ、配管圧力損失のアンバランスが生じにくい構成となる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管簡素化・省スペース化・配管の圧力損失アンバランス低減・冷却体温度バランス向上等の効果が得られる。

（第５の実施の形態）
本発明に基づく第５の実施の形態の液冷式電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図５に電力変換装置のユニット７部分とその周辺の配管４部分を示す。尚、図１乃至図４に記載したものと構造上同一のもについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第５の実施の形態は、第４の実施の形態の液冷式電力変換装置において、配管４（入口側）は１つ目の冷却体２の配管接続部３の入口側１箇所に接続され、その冷却体２の配管接続部３の出口側１箇所から複数の冷却体２の配管接続部３の入口側・出口側各１箇所を使用して順次接続され、最後の冷却体２から配管４(出口側)に接続される。又、別の配管４(入口側)が前記の最後の冷却体２の配管接続部３の入口側に接続され、前記と逆の順番で複数の冷却体２の残りの配管接続部３を使用して接続され、最後に前記の１つ目の冷却体２から配管４(出口側)に接続される。

このように構成された液冷式電力変換装置は、２並列のループに冷却液を逆に流すことが可能となるので、冷却液の高温側・低温側が互いのループで逆となるため複数の冷却体２の温度差が緩和され、冷却体をほぼ均等に冷却することが可能となる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管簡素化・省スペース化・配管の圧力損失アンバランス低減・冷却体温度バランス向上等の効果が得られる。

（第６の実施の形態）
本発明に基づく第６の実施の形態の液冷式電力変換装置について、図を参照し詳細に説明する。図６は、本発明に基づく第６の実施の形態の液冷式電力変換装置の構成図である。尚、図１乃至図５に記載したものと構造上同一のもについては、同符号を付して説明を省略する。

本発明に基づく第６の実施の形態の液冷式電力変換装置は、第６の実施の形態で、冷却体２を示したもので冷却体２は独立した２系統の流路で構成され、流路の両端には各々外部との配管接続部３を有する。又、２系統の流路は各々の片端同士が近傍に設置され、同一流路の両端は比較的離れた位置に設置される。

このように構成された液冷式電力変換装置は、冷却液を２系統の流路で逆方向に循環することで、各々の流路の高温側と低温側が逆転し冷却体２の内部の温度差を緩和することが可能となる。

このように構成された液冷式電力変換装置は、配管簡素化・省スペース化・配管の圧力損失アンバランス低減・冷却体温度バランス向上等の効果が得られる。

第１の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。 第２の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。 第３の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。 第４の実施の形態の液冷式電力変換装置の正面図。 第５の実施の形態の液冷式電力変換装置の構成図。 第６の実施の形態の液冷式電力変換装置の構成図。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 冷却体
３ 配管接続部
４ 配管
５ 熱交換器
６ ポンプ
７ ユニット
８ 液冷式電力変換装置

Claims (7)

1. 半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、
   冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、
   ひとつの群を構成する半導体素子群は相毎にわかれて冷却体に取り付けられ、異なる群の半導体素子が取付けられた複数個の冷却体を直列に配管接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。
2. 半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、
   冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、
   ひとつの群を構成する半導体素子群はアーム毎にわかれて冷却体に取り付けられ、異なる群の半導体素子が取付けられた複数個の冷却体を直列に配管接続したことを特徴とする液冷式電力変換装置。
3. 前記請求項１及び請求項２記載の液冷式電力変換装置において、
   異なる群の同一相同士を直列に配管接続したものが並列に接続されて全体の配管系統を構成することを特徴とする液冷式電力変換装置。
4. 前記請求項１及び請求項２記載の液冷式電力変換装置において、
   異なる群の同一アーム同士を直列に配管接続したものが並列に接続されて全体の配管系統を構成することを特徴とする液冷式電力変換装置。
5. 前記請求項１乃至前記請求項４記載の液冷式電力変換装置において、
   異なる群の半導体素子が共通の冷却体に取付けられることを特徴とする液冷式電力変換装置。
6. 半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、
   冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記冷却体と前記熱交換器とを接続する配管とを有し、
   前記複数の冷却体間を接続する冷却液の流れる複数の流路は、少なくとも二つ以上の異なる経路から構成されることを特徴とする液冷式電力変換装置。
7. 半導体素子のスイッチングにより電力変換を行う回路が収納され、半導体素子が取り付けられ内部に冷却液の流れる流路を有する冷却体と、
   冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   これらと配管接続され冷却液を循環させるポンプとを備えた液冷式電力変換装置において、半導体素子の取付けられる冷却体はその内部に隔離された流路が2組あり、冷却液入り口、出口接続部もそれぞれ2個あり、一方の冷却液入り口接続部は他方の冷却液出口接続部と近接していることを特徴とする液冷式電力変換装置。

Images