JP2006050742A

JP2006050742A - 強制風冷式電力変換装置および電気車

Info

Publication number: JP2006050742A
Application number: JP2004226876A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hashimoto; 隆橋本; Yuji Ide; 勇治井手
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】冷却器及び半導体素子の温度上昇分布を通風方向に対して均一化して冷却効率を改善し、冷却器及び装置全体を小型・軽量化することのできる強制風冷式電力変換装置および前記強制風冷式電力変換装置を設置した電気車を提供する。
【解決手段】電流をオンオフする半導体素子６が取り付けられた冷却器受熱部７と、前記冷却器受熱部７に結合され冷却風５の通流する風洞３内に設けられた冷却器放熱部８とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器受熱部７は、前記冷却風５の通流方向に沿って設けられたヒートパイプ９を備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は強制風冷式電力変換装置および前記強制風冷式電力変換装置を機器室床上等に設置した電気車に関する。

電気機関車機器室の床上等には多くの場合、強制風冷式電力変換装置が設置されている。電力変換装置は電力変換回路を構成する半導体素子およびその周辺回路の電気部品で構成された半導体素子冷却ユニットを備え、半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行う。半導体素子冷却ユニットは半導体素子から発生する熱を効率よく大気へ放散し、半導体素子温度を許容温度以下に冷却するもので、冷却器受熱部には半導体素子が取り付けられ、冷却器放熱部は装置筐体の外部や装置筐体内に設けられた開放部（外気と通ずる部分）に設置され、装置筐体外の大気に熱を放散する。

半導体素子冷却ユニットは、ユニットの取扱い性を考慮して大型化しすぎない範囲で、電力変換回路毎あるいは電力変換回路の相毎等に、構成する部品群を１つにまとめたユニットとし、半導体素子冷却ユニット内の１つの冷却器に複数の半導体素子を取り付けている例が多い。また、冷却器放熱部から大気への熱伝達を向上させる目的で、電動送風機等で強制通風される風洞を装置筐体内に設け、風洞内に半導体素子冷却ユニットの冷却器放熱部を設置した構成も多く採用されている。その中で電気機関車のように装置が機器室内（床上）に設置される場合は、風洞が上下方向に設けられる場合が多い。

図１９は、機関車機器室内に設置され上下方向に強制通風される風洞が設けられた従来の強制風冷式電力変換装置の概略断面図である。装置筐体１内は密閉室２と開放部である風洞３により構成され、風洞３は電動送風機４により下方から上方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。

強制通風される冷却風５は冷却器放熱部８を通過する際に熱を奪うため、放熱部８の風上から風下にいくに従い温度が上昇する。通風方向に対して直列に複数個取り付けられた半導体素子６が発生する熱損失が同等の場合、冷却器放熱部８は風下側の温度上昇が大きくなり、最も風下側に取り付けられた半導体素子６の温度上昇が最も大きくなる。この最も風下側に取り付けた半導体素子６の温度上昇により冷却器性能を設定すると、温度上昇の小さい風上側の半導体素子６は許容温度に対しての余裕が大きくなり、冷却器の性能が充分に生かされてないことになり、小型軽量化の面から見ると不利である。

このように風洞内に設置された冷却器は風下側の温度上昇が大きくなるので、例えば特許文献１のように、風洞内の冷却器の中間に熱交換器を設置する、あるいは風洞内の冷却器の中間に電動送風機を設置して外気を取り込む等の方法で風下側の冷却風の温度を低減する構成が提案されているが、部品が増加し構成が複雑になって小型軽量化の面では有効でない。
特開２００１−１４４４８２号公報

本発明は、冷却器及び半導体素子の温度上昇分布を通風方向に対して均一化して冷却効率を改善し、冷却器及び装置全体を小型・軽量化することのできる強制風冷式電力変換装置および前記強制風冷式電力変換装置を設置した電気車を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器受熱部は、前記冷却風の通流方向に沿って設けられたヒートパイプを備えている構成とする。

請求項３の発明は、電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、内部に冷媒が注入され前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えている構成とする。

請求項４の発明は、電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、蛇行細管ヒートパイプを有し前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えている構成とする。

請求項５の発明は、電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、前記冷却風の通流方向に沿うヒートパイプを有し前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えている構成とする。

請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の強制風冷式電力変換装置を備え、前記冷却風を上方から下方に通流するようにした電気車とする。

本発明によれば、冷却器及び半導体素子の温度上昇分布を通風方向に対して均一化して冷却効率を改善し、冷却器及び装置全体を小型・軽量化することのできる強制風冷式電力変換装置および前記強制風冷式電力変換装置を設置した電気車を提供することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を図１と図２を参照して説明する。図１は鉛直方向の断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う水平方向の断面図である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、装置筐体１内が密閉室２と開放部である風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。冷却器受熱部７に上下方向にヒートパイプ９が挿入されている。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、冷却器受熱部７にヒートパイプ９が設置されているので、温度が高い部分から低い部分へ効率のよい熱輸送が行われ、冷却器受熱部７の温度を均一化することができる。また、本実施の形態は重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。半導体素子の温度上昇が均一化されることによって、素子に対する負担が軽減され、信頼性が高く長寿命の強制風冷式電力変換装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を図３を参照して説明する。図３は図２と同様の水平方向の断面図である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、装置筐体１内が密閉室２と開放部である風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。冷却器受熱部７の半導体素子６が取り付けられる側の面に上下方向にヒートパイプ９が埋め込まれている。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。ヒートパイプ９は冷却器受熱部７の表面に取り付ける構成としてもよい。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図４を参照して説明する。図４も図２と同様の水平方向の断面図である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、装置筐体１内が密閉室２と開放部である風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。冷却器放熱部８は通風方向に平行に設けた複数枚の放熱フィン８ａで構成され、冷却器受熱部７の放熱フィン８ａ側の面の放熱フィン８ａ相互の間の部分に上下方向にヒートパイプ９が埋め込まれている。ヒートパイプ９は冷却器受熱部７の表面に取り付ける構成としてもよい。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、冷却器受熱部７にヒートパイプ９が設置されているので、温度が高い部分から低い部分へ効率のよい熱輸送が行われ、冷却器受熱部７の温度を均一化することができる。そして冷却器受熱部７の熱は放熱フィン８ａによって効率よく除去することができる。また、本実施の形態は重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。半導体素子の温度上昇が均一化されることによって、素子に対する負担が軽減され、信頼性が高く長寿命の強制風冷式電力変換装置を提供することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の強制風冷式電力変換装置を図５、図６、図７によって説明する。図５は鉛直方向の断面図であり、図６は図５のＢ−Ｂ線に沿う水平方向の断面図であり、図７は変形例を示す鉛直方向の断面図である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、装置筐体１内が密閉室２と開放部である風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。冷却器放熱部８は通風方向に平行に設けた複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａには冷媒封入部１０が設けられ冷媒が封入されている。

図７に示す変形例は、冷媒封入部１０を複数にした構成である。
本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａ内部に冷媒１０を封入することで放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度を均一化することができる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態を図８、図９、図１０によって説明する。図９、図１０は変形例である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、図８に示すように、装置筐体１内が密閉室２と風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。冷却器放熱部８は通風方向に平行に設けた複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａは蛇行細管ヒートパイプ１１を設けたプレートヒートパイプである。

図９に示す変形例は、蛇行細管ヒートパイプ１１をループ状にした構成であり、図１０に示す変形例は、蛇行細管ヒートパイプ１１の蛇行方向を横方向から縦方向にした構成である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａを蛇行細管ヒートパイプ１１を用いたプレートヒートパイプとすることで、放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度を均一化することができる。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態を図１１から図１５によって説明する。図１１は鉛直方向の断面図であり、図１２は図１１のＣ−Ｃ線に沿う水平方向の断面図であり、図１３、図１４、図１５はそれぞれ変形例を示す鉛直方向の断面図である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、装置筐体１内が密閉室２と風洞３により構成され、図示されていない電気車機器室の床上に設置されている。風洞３は電動送風機４により上方から下方に強制通風される。密閉室２と風洞３の仕切部には冷却器受熱部７が設置され、冷却器受熱部７の風洞３側には冷却器放熱部８が設置される。半導体素子６は冷却器受熱部７の密閉室２側に冷却風５の通風方向に対して直列に複数個取り付けられ、半導体素子６で発生した熱は冷却器受熱部７を介して冷却器放熱部８から風洞３の大気に放散される。冷却器放熱部８は通風方向と平行に設けた複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａに上下方向にヒートパイプ９が挿入されている。

図１３に示す変形例は、ヒートパイプ９の挿入位置を放熱フィン８ａごとに異なった位置として冷却風５の通風スペースを確保した構成である。
図１４に示す変形例は、放熱フィン８ａに上下方向に複数のヒートパイプ９を設置して、且つ、ヒートパイプ９の挿入位置を放熱フィン８ａごとに異なった位置として冷却風５の通風スペースを確保した構成である。

図１５に示す変形例は、放熱フィン８ａに取り付けられたヒートパイプ９が、放熱フィン８ａ下部の受熱部７に近い側から放熱フィン８ａ上部の受熱部７から遠い側に斜めに取り付けられており、温度の高くなる放熱フィン８ａ下方の受熱部７側から、比較的温度の低い（放熱へ寄与しにくい）放熱フィン８ａ上方の放熱フィン８ａ先端側へ熱輸送されるため、ヒートパイプ９の熱輸送効果が高い。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａにヒートパイプ９を挿入することで、放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度が均一化される。また、本実施の形態は重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。

（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態を図１６を参照して説明する。
本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、第１の実施の形態の構成（図１，図２）と第４の実施の形態の構成（図５，図６，図７）を同時に備えており、冷却器受熱部７に上下方向にヒートパイプ９が挿入され、且つ、冷却器放熱部８は通風方向と並列に設置された複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａに設けられた冷媒封入部１０に冷媒が封入された構成である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、冷却器受熱部７にヒートパイプ９が設置されているので、温度が高い部分から低い部分へ効率のよい熱輸送が行われ、冷却器受熱部７の温度を均一化することができる。重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。また本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａ内部に冷媒１０を封入することで放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度を均一化することができる。このようにして半導体素子の温度上昇が均一化されることによって、素子に対する負担が軽減され、信頼性が高く長寿命の強制風冷式電力変換装置を提供することができる。

（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態を図１７を参照して説明する。
本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、第１の実施の形態の構成（図１，図２）と第５の実施の形態の構成（図８，図９，図１０）を同時に備えており、冷却器受熱部７に上下方向にヒートパイプ９が挿入され、且つ、冷却器放熱部８は通風方向と並列に設置された複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａを蛇行細管ヒートパイプ１１を用いたプレートヒートパイプとした構成である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、冷却器受熱部７にヒートパイプ９が設置されているので、温度が高い部分から低い部分へ効率のよい熱輸送が行われ、冷却器受熱部７の温度を均一化することができる。重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。また本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａを蛇行細管ヒートパイプ１１を用いたプレートヒートパイプとすることで、放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度を均一化することができる。このようにして半導体素子の温度上昇が均一化されることによって、素子に対する負担が軽減され、信頼性が高く長寿命の強制風冷式電力変換装置を提供することができる。

（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態を図１８を参照して説明する。
本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、第１の実施の形態の構成（図１，図２）と第６の実施の形態の構成（図１１〜図１５）を同時に備え、冷却器受熱部７に上下方向にヒートパイプ９が挿入され、冷却器放熱部８ａは通風方向と並列に設置された複数枚の放熱フィン８ａで構成され、放熱フィン８ａにヒートパイプ９が挿入された構成である。

本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、冷却器受熱部７にヒートパイプ９が設置されているので、温度が高い部分から低い部分へ効率のよい熱輸送が行われ、冷却器受熱部７の温度を均一化することができる。重力方向と通風方向が同一であり、ヒートパイプ９は重力方向と逆方向に熱輸送を行うため、温度均一化の効果が大きい。また本実施の形態の強制風冷式電力変換装置は、放熱フィン８ａにヒートパイプ９を挿入することで、放熱フィン８ａの温度が高い部分から低い部分へ効率よく熱輸送が行われ、冷却器放熱部８の温度が均一化される。このようにして半導体素子の温度上昇が均一化されることによって、素子に対する負担が軽減され、信頼性が高く長寿命の強制風冷式電力変換装置を提供することができる。
なお、上記各実施の形態において、電動送風機４を設けずに、電気車の走行にともなって冷却風５を取り込む構成としてもよい。

本発明の第１の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。図１のＡ−Ａ線に沿う水平方向断面図。本発明の第２の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の水平方向断面図。本発明の第３の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の水平方向断面図。本発明の第４の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。図５のＢ−Ｂ線に沿う水平方向断面図。本発明の第４の実施の形態の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第５の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第５の実施の形態の第１の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第５の実施の形態の第２の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第６の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。図１１のＣ−Ｃ線に沿う水平方向断面図。本発明の第６の実施の形態の第１の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第６の実施の形態の第２の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第６の実施の形態の第３の変形例の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第７の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第８の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。本発明の第９の実施の形態の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。従来の強制風冷式電力変換装置の鉛直方向断面図。

符号の説明

１…装置筐体、２…密閉室、３…風洞、４…電動送風機、５…冷却風、６…半導体素子、７…冷却器受熱部、８…冷却器放熱部、８ａ…放熱フィン、９…ヒートパイプ、１０…冷媒封入部、１１…蛇行細管ヒートパイプ。

Claims

電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器受熱部は、前記冷却風の通流方向に沿って設けられたヒートパイプを備えていることを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
前記冷却器放熱部は、前記ヒートパイプに隣接して前記冷却器受熱部に結合され前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えていることを特徴とする請求項１記載の強制風冷式電力変換装置。
電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、内部に冷媒が注入され前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えていることを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、蛇行細管ヒートパイプを有し前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えていることを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
電流をオンオフする半導体素子が取り付けられた冷却器受熱部と、前記冷却器受熱部に結合され冷却風の通流する風洞内に設けられた冷却器放熱部とを備えた強制風冷式電力変換装置において、前記冷却器放熱部は、前記冷却風の通流方向に沿うヒートパイプを有し前記冷却風の通流方向に平行に設けられた放熱フィンを備えていることを特徴とする強制風冷式電力変換装置。
前記ヒートパイプは、前記冷却風の下流側において上流側におけるよりも前記冷却器受熱部に近く配置されていることを特徴とする請求項５記載の強制風冷式電力変換装置。
請求項１ないし６のいずれかに記載の強制風冷式電力変換装置を備え、前記冷却風を上方から下方に通流するようにしたことを特徴とする電気車。