JP2006114603A - 車両用半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小形・軽量化を実現することができる車両用半導体冷却装置を提供する。
【解決手段】 半導体冷却装置８は、内部に冷媒４が封入され、上部に凝縮部３ａを、下部に受熱部３ｂを配した冷却器３と、受熱部３ｂに配置した半導体素子６とその他の電気品７で構成される。受熱部３ｂには、通常走行時の冷媒液量高さよりわずかに短く、且つ半導体素子６の間のレール方向に平行する方向に、受熱部３ｂの内部側に突出する仕切りを形成するための溝１２を設ける。各溝１２で区分されたそれぞれの受熱部の下面の枕木方向の寸法が従来より短くなることから、カント位置で半導体冷却装置８が傾いた場合を考慮しても、従来より少ない冷媒量でも半導体素子６の冷却を行うことができ、受熱部３ｂの高さ（Ｈ寸法）を抑えられ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両用半導体冷却装置に関する。

半導体素子で構成される車両用電力変換装置は、電力変換回路に伴う、その装置の作動時に発生する半導体素子の発熱を冷却するために、何らかの形での冷却装置が必要となる。この冷却装置の冷却器の形態は発熱量や装置外形等により種々ある。

例えば、特許文献１には、電動送風機から吐出された冷却空気により半導体素子に取り付けられた冷却フィンを冷却するとともに、密封室内のフィルタコンデンサで加熱された空気を広い表面積の連通室に導いて放熱させる冷却装置が記載されている。

また、新幹線のような半導体素子の発熱が大きいような電力変換装置用の冷却装置においては、冷媒が相当量、真空封入されている沸騰冷却式の冷却器が使用されることが一般的である。この沸騰冷却式の冷却器は、半導体素子の発熱を受熱部ブロックが受熱し、受熱部内の冷媒が沸騰し、気化することで半導体素子を冷却する。気化した冷媒は冷却装置の凝縮部に熱移送され、凝縮部において外気と熱交換することによって冷媒が冷却・液化し、液化した冷媒は再び受熱部に戻るといったサイクルを繰り返すことで冷却系を構成している。ここで冷却器内に真空封入する冷媒量は、冷却装置の冷却容量や、素子の発熱量によって決定され、いかなる場合でも冷媒が受熱部に取り付けられる半導体素子のどの半導体素子に対しても冷却が可能なだけの量が封入されている。

このような形態の構成をしている従来の車両用半導体冷却装置を以下に説明する。図１２は従来の車両用電力変換装置の平面図、図１３は車両が曲線走行時の図１２のＦ−Ｆ断面図である。また、図１４は図１３で使用される車両用半導体冷却装置の断面構成図を示す。

図１２において電力変換装置１には、装置内に、電動送風機２と、例えば半導体素子のごとき自己発熱を行う素子を有する複数のパワーユニットのような半導体冷却装置８、及びその他のユニット５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが収納配置されている。

半導体冷却装置８は、図１４に示すように、内部に冷媒４が封入され、上部に凝縮部３ａを、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部３ｂを配した半導体冷却器３と、受熱部３ｂに配置した半導体素子６と、その他の電気品７で構成されている。

半導体素子６の発熱を受熱部３ｂが受熱し、受熱部３ｂ内の冷媒４が沸騰し、気化し、半導体冷却器３の凝縮部３ａに熱移送され、凝縮部３ａにおいて電動送風機２等によって送風された外気と熱交換することによって冷媒４が冷却・液化し、液化した冷媒４は再び受熱部３ｂに戻る構成になっている。

ここで半導体冷却器３内に真空封入されている冷媒４の量は、冷却装置の状態や冷却容量、素子の発熱量によって決定され、いかなる場合でも冷媒４は受熱部３ｂでの冷却に影響が無い量を封入している。
特開２００１−１１４１００号公報

鉄道の軌道は、曲線を走行する場合車両に遠心力が作用することから、高速でも走行できるように曲線部では曲線の内側のレールに対して外側のレールは高い位置で敷設される。従って、曲線部では車両は水平面から傾いて走行することになる。一般的にこの傾きをカントと呼んでいる。そのため、車両に装備される電力変換装置も曲線部では装置が傾いた状態になる。

このことから、電力変換装置に収納されている半導体冷却装置の冷却器の冷媒量は、このようなカントに対しての考慮も行った上で決定される。すなわち冷却器にとって最悪の場合である、装置が最大カント位置にあるところから車両が動きはじめる時を想定して冷媒量を決定する。従って、通常走行時に必要な冷媒量より多くの量を封入することになり、場合によっては、その為に冷媒を封入する受熱部３ｂの高さ（図１４のＨ寸法）を大きくしたりしなければならない上、受熱部３ｂは冷媒４を真空で入れるためにいわば空洞化された状態で相当の強度が必要となるためにある程度の肉厚が必要となり、装置の小形・軽量化を阻害する等の問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために為されたもので、小形・軽量化を実現することができる車両用半導体冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る車両用半導体冷却装置は、内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、受熱部の下面に、レール方向に平行する方向に、受熱部の内部側に突出する仕切りを形成するための溝を設けたことを特徴とする。

ここで、受熱部の下面に、レール方向に平行する方向に、受熱部の内部側に突出する仕切りを形成するための溝を設けた構成とする代わりに、受熱部の内部に、レール方向に平行する方向に仕切り板を入れた構成とすることもできる。

また、本発明に係る車両用半導体冷却装置は、内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、受熱部の外端部に冷媒量削減のための凹凸を設けたことを特徴とする。

ここで、受熱部の外端部に冷媒量削減のための凹凸を設けた構成とする代わりに、受熱部の内部に冷媒量削減のための凹凸を設けた構成とすることもできる。

本発明によれば、受熱部内に注入する冷媒量を削減することができ、小形・軽量化が実現できる半導体冷却装置を提供することができる。

以下、図１から図１１までを参照して本発明の実施の形態について説明する。

（第1の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の車両用半導体冷却装置の断面図であり、図２は、従来例の図１４に相当するカント位置にある時の図１に対応する車両用半導体冷却装置の断面図を示す。

半導体冷却装置８は、内部に冷媒４が封入され、上部に凝縮部３ａを、下部に半導体素子６からの熱を受ける受熱部３ｂを配した冷却器３と、受熱部３ｂに配置した半導体素子６とその他の電気品７で構成されている。

また、受熱部３ｂには、通常走行時の冷媒液量高さよりわずかに短く、且つ半導体素子６の間のレール方向に平行する方向に、受熱部３ｂの内部側に突出する仕切りを形成するための溝１２を設け、受熱部３ｂの下面が複数個に分割されていることを特徴としている。

この半導体冷却装置８は、半導体素子6の発熱を受熱部３ｂが受熱し、受熱部内の冷媒４が沸騰し、気化し、冷却器３の凝縮部３ａに熱移送され、凝縮部３ａにおいて電動送風機２等によって送風された外気と熱交換することによって冷媒４が冷却・液化し、液化した冷媒は再び受熱部３ｂに戻る構成になっている。

また、受熱部３ｂの溝１２により形成された仕切りの高さは、通常走行時の冷媒液量高さよりわずかに短くしてあることから、液化して戻ってきた冷媒４は、カント部以外では溝１２で仕切られた各領域の冷媒高さは同一に保たれる。

本方式によれば、各溝１２で区分されたそれぞれの受熱部の下面の枕木方向の寸法が従来より短くなることから、カント位置で半導体冷却装置８が傾いた場合を考慮しても、従来より少ない冷媒量でも半導体素子６の冷却を行うことができ、受熱部３ｂの高さ（Ｈ寸法）を抑えられる。更に、仕切りの溝１２が受熱部３ｂの強度メンバとなることから、受熱部３ｂの肉厚等を薄くできるので、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態の車両用半導体冷却装置の断面図であり、図４は第１の実施の形態の図２に相当するカント位置にある時の図３に対応する車両用半導体冷却装置の断面図を示す。

本実施の形態は、第１の実施の形態において設置した溝１２の代わりに、受熱部３ｂ内部に、通常走行時の冷媒液量高さよりわずかに短く、且つレール方向に平行する方向に沿って複数個の仕切り板9が設置されていることを特徴としている。

本方式によれば、各仕切り板９で仕切られたそれぞれの領域の枕木方向の寸法が従来より短くなることから、カント位置で半導体冷却装置８が傾いた場合を考慮しても、従来より少ない冷媒量でも半導体素子の冷却を行うことができ、受熱部３ｂの高さ（Ｈ寸法）を抑えられる。更に、仕切り板９が受熱部３ｂの強度メンバとなることから、受熱部３ｂの肉厚等を薄くできるので、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図５は、第１の実施の形態の図２に対応する第３の実施の形態の断面図である。

第３の実施の形態は、第１の実施の形態の半導体冷却装置８において、溝１２により３つに分割された受熱部３ｂのエリア毎にＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれ１相分の半導体素子６ａ，６ａ′，６ａ″を配置したことを特徴としている。

これにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相毎の素子の冷却条件が同一となるため、冷却上のバラツキ分を考慮した冷媒量の増分が不要となり、従来より少ない冷媒量でも半導体素子の冷却を行えることから、受熱部の高さ（Ｈ寸法）も抑えられ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

（第４の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態の図４に対応する第４の実施の形態の断面図である。

第４の実施の形態は、第２の実施の形態の半導体冷却装置８において、仕切り板９により３つに区分された受熱部３ｂのエリア毎にＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれ１相分の半導体素子６ａ，６ａ′，６ａ"を配置したことを特徴としている。

これにより、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相毎の素子の冷却条件が同一となるため、冷却上のバラツキ分を考慮した冷媒量の増分が不要となり、従来より少ない冷媒量でも半導体素子の冷却を行えることから、受熱部の高さ（Ｈ寸法）も抑えられ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

（第５の実施の形態）
図７（ａ）は第５の実施の形態の車両用半導体冷却装置の正面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。

第５の実施の形態は、第２の実施の形態の半導体冷却装置８において、枕木方向にも受熱部３ｂを完全に分割する第２の切り板９ａを設置し、その第２の仕切り板９ａにより区分された受熱部３ｂのエリア毎にＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれ１相分の半導体素子６ａ，６ａ′，６ａ″を配置すると共に、凝縮部３ａも受熱部３ｂに合わせて分割して構成し、それぞれＵ相半導体素子用凝縮部３ａ′，Ｖ相半導体素子用凝縮部３ａ″，Ｗ相半導体素子用凝縮部３ａ′′′としたことを特徴としている。

これにより、各相の半導体素子毎に冷却器が分割されることから、第２の実施の形態以上に冷却上のバラツキがなくなるため、より少ない冷媒量で半導体素子の冷却が行えることから、受熱部３ｂの高さも抑えられ、かつ受熱部３ｂの強度も更に増加することから、第２の実施の形態以上に半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

また、本実施の形態において、仕切り板９の代わりに第１の実施の形態のように半導体素子間に溝１２を設けた場合でも同様の効果が得られる。

（第６の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態の図４に対応する第６の実施の形態の断面図である。

第６の実施の形態は、枕木方向の両端部は中央部に比べ、曲がる方向によって冷媒量４の変動が大きいことから、各相の半導体素子のうち発熱量の大きい半導体素子６ｃを半導体冷却装置８の受熱部３ｂの枕木方向の中央部に配置し、比較的発熱量の少ない半導体素子６ｂを半導体冷却装置８の受熱部３ｂの枕木方向の両端部に配置することで、３相分の半導体素子を受熱部に配置したことを特徴としている。

これにより、仕切り板９によって分割された発熱量の大きい半導体素子部の領域の冷媒量が列車走行時の曲線の方向によらずほぼ一定となることから、冷媒量を従来より少なくでき、第５の実施の形態と同様に、より少ない冷媒量で半導体素子の冷却が行えることから、受熱部の高さも抑えられ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

また、本実施の形態において、仕切り板９の代わりに第１の実施の形態のように半導体素子間に溝１２を設けた場合でも同様の効果が得られる。

（第７の実施の形態）
図９は、第１の実施の形態の図２に対応する第７の実施の形態の断面図である。

第７の実施の形態は、第１の実施の形態のような冷却装置の受熱部３ｂの外端部において、受熱部のうち素子が取り付かない、冷却に直接寄与しない部分に冷媒量削減のための凸凹１３をつけ、冷媒を注入しなくても良い構造にしたことを特徴としている。

これにより、カント時に半導体冷却装置８が傾いた時に、冷却上寄与しない部分に冷媒４を注入する必要がなくなるため、冷媒の絶対量を少なくすることができ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

このとき、溝１２の代わりに第２の実施の形態の仕切り板９を設置したものでも同様の効果が得られ、また溝１２や仕切り板９なしのものに、受熱部の冷媒量削減のための凸凹１３をつけるだけでも冷媒量削減による効果を達成することはできる。

（第８の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態の図４に対応する第８の実施の形態の断面図である。

第８の実施の形態は、第２の実施の形態のような冷却装置の受熱部内部に仕切り板9の他に、受熱部３ｂのうち素子が取り付かない受熱部内部両端下部に冷媒量削減のための出っ張り１０をつけ、冷却に直接寄与しない部分に冷媒を注入しなくても良い構造にしたことを特徴としている。

これにより、カント時に半導体冷却装置８が傾いた時に、冷却上寄与しない部分に冷媒４を注入する必要がなくなるため、冷媒の絶対量を少なくすることができ、半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

このとき、仕切り板９の代わりに第１の実施の形態のように溝１２を設置した場合でも同様の効果が得られ、また溝１２や仕切り板９のないものに、冷媒量削減のための出っ張り１０をつけるだけでも冷媒量削減による効果を達成することはできる。

（第９の実施の形態）
図１１は、第８の実施の形態の図１０に対応する第９の実施の形態の断面図である。

第９の実施の形態は、第８の実施の形態のように冷却装置の受熱部３ｂのうち素子が取り付かない受熱部内部両端下部に冷媒量削減のための出っ張り１０をつける代わりに、受熱部内部両上部に冷媒量削減のための出っ張り１１をつけ、カント時に冷却に直接寄与しない部分に冷媒が溜まらないような構造にしたことを特徴としている。

これにより、カント時に半導体冷却装置８が傾いた時に、冷却上冷媒を必要としない受熱部上部に冷媒４が溜まらなくなるため、冷媒の絶対量を少なくすることができ、第８の実施の形態と同様に半導体冷却装置８の小形・軽量化を図ることができる。したがって、結果的に電力変換装置全体の小形・軽量化をも図ることが可能となる。

この場合、上部につけた冷媒量削減のための出っ張り１１を、中央部に対して上に傾斜をつけることで、半導体素子の発熱による受熱で気化した冷媒４が凝縮部に流れ易くなるため、更に冷却性能が向上し、小形・軽量化が図れる装置を実現できる。

このとき、仕切り板９の代わりに第１の実施の形態のように溝１２を設置した場合でも同様の効果が得られ、また溝１２や仕切り板９のないものに、冷媒量削減のための出っ張り１１をつけるだけでも冷媒量削減による効果を達成することはできる。

本発明の第１の実施の形態の車両用半導体冷却装置を示す断面図。 図１の、従来例図１４に相当するカント位置にある時の車両用半導体冷却装置の断面図。 図１に対応する第２の実施の形態を示す断面図。 図２に対応する第２の実施の形態を示す断面図。 図２に対応する第３の実施の形態を示す断面図。 図４に対応する第４の実施の形態を示す断面図 第５の実施の形態の車両用半導体冷却装置の正面図およびそのＡ−Ａ断面図。 図４に対応する第６の実施の形態の断面図。 図２に対応する第７の実施の形態の断面図。 図４に対応する第８の実施の形態の断面図。 図１０に対応する第９の実施の形態の断面図。 従来の電力変換装置を示す平面図。 図１２のＦ−Ｆ断面図。 図１３における半導体冷却装置を示す断面図。

符号の説明

１…電力変換装置
２…電動送風機
３…半導体冷却器
３ａ…半導体冷却器の凝縮部
３ａ′…Ｕ相半導体素子用凝縮部
３ａ″…Ｖ相半導体素子用凝縮部
３ａ′′′…Ｗ相半導体素子用凝縮部
３ｂ…半導体冷却器の受熱部
４…冷媒
５ａ〜５ｄ…その他のユニット
６…半導体素子
６ａ…Ｕ相の半導体素子
６ａ′…Ｖ相の半導体素子
６ａ″…Ｗ相の半導体素子
６ｂ…発熱量小の半導体素子
６ｃ…発熱量大の半導体素子
７…半導体冷却装置のその他の電気品
８…半導体冷却装置
９…仕切り板
９ａ…第２の仕切り板
１０…受熱部内下部の冷媒量削減のための出っ張り
１１…受熱部内上部の冷媒量削減のための出っ張り
１２…溝
１３…受熱部外端部の冷媒量削減のための凸凹
２０…レール
２１…車輪

Claims (8)

1. 内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、前記受熱部の下面に、レール方向に平行する方向に、受熱部の内部側に突出する仕切りを形成するための溝を設けたことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
2. 内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、前記受熱部の内部に、レール方向に平行する方向に仕切り板を入れたことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
3. 請求項１に記載の車両用半導体冷却装置において、前記溝により区分された受熱部のエリア毎に１相分の半導体素子を配置したことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
4. 請求項２に記載の半導体冷却装置において、前記仕切り板により区分された受熱部のエリア毎に１相分の半導体素子を配置したことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の車両用半導体冷却装置において、枕木方向に前記受熱部を分割する第２の仕切り板を設置し、前記第２の仕切り板により区分された受熱部のエリア毎に１相分の半導体素子を配置するとともに、前記第２の仕切り板により区分された受熱部に対応して、前記凝縮部も分割したことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の車両用半導体冷却装置において、前記溝または前記仕切り板により区分された受熱部のうち、車両の傾きによる冷媒液量の変化が少ない受熱部中央のエリアに発熱損失が大きい半導体素子を配置したことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
7. 内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、前記受熱部の外端部に冷媒量削減のための凹凸を設けたことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
8. 内部に冷媒液を封入するとともに、上部に凝縮部を、下部に半導体素子からの熱を受ける受熱部を配し、前記受熱部の内部に冷媒量削減のための凹凸を設けたことを特徴とする車両用半導体冷却装置。
   
   

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