JP2006306399A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 鉄道車両の床下に設置される車両駆動用電力変換装置に使われる冷却器1cを備えた半導体冷却装置において、冷却器1cの放熱フィン部分は電力変換装置の下方にあり、前記冷却器1cの1つの内面に複数個の半導体素子2を取り付け、その反対側の外面は大気へ熱放散する為の複数の放熱フィン6cが所定間隔で形成されており、各放熱フィン6cは平板状の板フィンで、ほぼ垂直方向の姿勢で車体床下の艤装限界9内の最下部に車両進行方向に沿って並び、かつ、これら放熱フィン6cが車両の進行方向に複数配置されている。
【選択図】 図3
Description
図23(a)〜(c)に従来装置を示す。図23(a)は従来装置を示す斜視図で車体に取り付いている状態を示す。図23(b)は図23(a)中のA23−A23線に沿う断面、つまり枕木長手方向の断面図である。図23(c)は図23(a)の水平方向の断面(装置平面図)である。
受熱部3から放熱部4′へ効率良く熱輸送する為、冷却器1は冷媒の相変化を利用したヒートパイプ方式が採用されることが多い。すなわち、受熱部3にはヒートパイプ5の一方の端部が埋め込まれ、もう一方側には多数枚の放熱フィン6が取り付けられる。ヒートパイプ5は受熱部3側が下方となるよう傾けて設置され、ヒートパイプ5内部に封入された冷媒は受熱部3側で半導体素子2から発生する熱により蒸発し、放熱フィン6側で凝縮して大気へ熱放散をおこなうことになる。凝縮した冷媒はヒートパイプ5内部を重力により受熱部3側へともどるサイクルをくりかえす。
ヒートパイプ5は放熱フィン6を貫通して接続されるのでほぼ水平となるが、前述の如く蒸発部側を若干下方に傾け、放熱フィン6側で凝縮した冷媒が受熱部3側へもどるようになっている。
又、冷媒を使わない冷却方式が採用できるので、冷媒封入のための特殊な製造技術が不要になり、冷媒の漏れ管理等、メンテナンスの向上にもつながる。さらに冷媒の凍結といった耐環境性を考慮することも無く、冷媒の及ぼす地球環境ヘの影響も皆無である。加えて材料の種類がへることで製品の廃棄の際も、問題になることなくリサイクル可能な製品が実現できる。
(構成)
図1(a)に本発明の第1の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を示し、図1(b)に図1(a)中のA1−A1線に沿う断面図(半導体冷却器の縦断面図)を示す。
半導体素子2より発生する熱は受熱部3aを介して放熱フィン6aに熱伝導され、放熱フィン6aの表面から大気へと熱放散される。車両駆動用の電力変換装置では、当然、半導体素子2から熱が発生するのは車両走行時であり、車両停止時は半導体素子2は通電されないので損失を発生することはない。車両走行時は車両に対して走行風が車体床下に取り付けられた装置に対し流れる。つまり、周囲から空気が流れ込むことになる。走行風は、車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的に動くことで車両及び、車両と一体になって運動する物(車両床下に設置された機器類)に対して、はたらくものである。
本実施形態によれば、車両走行時の走行風が有効に放熱フィン6a間を流れることでフィン効率が向上し、冷却器の小形化、高性能化が可能である。
フィン効率が向上することで、冷媒の相変化を利用した冷却器(放熱フィン全域を同一温度としてフィン効率を向上する)とする必要がなくなり、冷媒を使わない冷却器が可能となる。冷媒には耐凍結性が要求されたり、耐環境性が要求されたりするが、本実施形態の冷却器にはそういった問題が皆無となる。又、冷媒を封入する為の気密接続部分がなくなり、冷媒漏れの管理が不要となる。
冷却器構成部品は大幅に削減され、信頼性が向上する利点もある。
受熱部が傾斜して装置の箱体に取り付くことで、半導体素子の取り付く面を、垂直に取り付く場合と比較して広くとれ、半導体素子の実装スペースが充分とれることで、半導体素子の取付にも自由度の多い設計が可能である。
(構成)
図2(a)に本発明の第2の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図2(b)に図2(a)のA2−A2線に沿う断面図(半導体冷却器の縦断面図)を示す。
半導体素子2から発生する熱は受熱部3bを介して放熱フィン6bに熱伝導により伝わり、第1の実施形態と同様、車両走行時の走行風が放熱フィン6b間を流れることで放熱フィン6bから大気への放熱性能が向上する。又、これも第1の実施形態と同様に、冷却器1bは相毎に分割して構成してあり、放熱フィン6bがとなりあう放熱フィン6bとの間に間隔を設けているので、この部分を自然対流時の上昇気流が通り、放熱フィン6bへ空気が流れ込み自然対流による放熱を行うことが可能であるので、車両の低速走行時で走行風が充分に得られない場合は、自然対流効果により放熱フィン6bから大気への熱放散が行われる。
第1の実施形態と同様、走行風を利用し、放熱フィン6bのフィン効率が向上することで、冷却器の小形化、高性能化が達成でき、冷媒を使わない冷却器が可能となる。
又、本実施形態では半導体素子の取り付く面は垂直で、箱体内部の密閉部は長方形断面のスペースが与えられることになり、この部分に収納される半導体素子周辺回路部品がデッドスペースの少ない効率のよい実装が可能である。
さらに冷却器の放熱フィンは受熱部に対して直角に設置されるので、冷却器自体の形状もシンプルで製造しやすい形状である。
(構成)
図3(a)に本発明の第3の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図3(b)に図3(a)のA3−A3線に沿う断面図(半導体冷却器の縦断面図)を示す。
車体床下の艤装限界9内の最下方は地面に最も近く走行風が最も有効に活用できる。つまり走行風は、車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的に動くことで車両及び、車両と一体になって運動する物(車両床下に設置された機器類)に対して流れるものであるが、静止している地面との間が最も空気が相対的に動くことになる。
本実施形態では放熱フィン6c間を車両走行時の地面との相対的な空気の動きによる走行風が流れ放熱フィン6cのフィン効率が向上する。
走行風によるフィン効率の向上によって、冷却器の小形化、高性能化が可能になるが、走行風を最も得やすい艤装限界最下部にこの放熱部分があることで、その効果は前述の実施形態以上の効果がある。
図4(a)に本発明の第4の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図4(b)に半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態では、冷却器1dは第2の実施形態と同様に箱体7にとりつけられるが、冷却器1dの車体側方側の面には丸棒形状(ピンフィン)の放熱フィン6dが多数本、所定の間隔で受熱部3dに垂直に縦横に並んでいる。この場合、放熱フィン6dは地面に対してほぼ水平となる。
本実施形態では、放熱フィン6d間を水平方向、上下方向の何れにも空気が流れることが可能となり、走行風での冷却、車両低速走行時の自然対流何れの場合でも、放熱フィン6dは有効に放熱可能なフィン形状である。
図5(a)に本発明の第5の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図5(b)に半導体冷却器単体の斜視図を示す。
図6(a)に本発明の第6の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図6(b)に半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態の冷却器1fは、幅の狭い板状のフィンをその途中で90度ひねることにより、放熱フィン6fを構成している。符号6f′はひねり部を示している。すなわち、受熱部3f側(根元側)は放熱フィン6fは垂直向きで、先端側は水平向きとなるよう多数の放熱フィン6fが所定の間隔で受熱部3fに取り付けられ、冷却器1fを構成している。
(構成)
図7(a)に本発明の第7の実施形態が適用される回路図を、図7(b)に本発明の第7の実施形態の半導体冷却器の断面図を示す。
本実施形態は、図7(a)に示すように、半導体素子2aが2個直列に接続され、その両端が電源の正極、負極に接続され、中間点が出力としてモータヘ接続される半導体スイッチング回路(1相分)が並列に3相接続されたインバータ回路からなる電力変換装置である。
(作用)
上アーム側の半導体素子2aから発生する熱は導体11とセラミックス絶縁板10を介して冷却器1gの受熱部3gに熱伝導され、放熱フィン6gより大気ヘ熱放散され、下アーム側の半導体素子2aより発生する熱は直接、冷却器1hの受熱部3hに熱伝導され、放熱フィン6hより大気へ熱放散される。前述の実施形態と同様、走行風を利用し大気への熱放散が効率良く行われる。
一方、下アーム側の半導体素子2aの負極側は電力変換回路の最もマイナス側の電位、すなわちアース電位であり、本実施形態の(構成)で述べたように、冷却器1hに押圧するに際し、電気的絶縁の必要性が無く、半導体素子2aは直接、冷却器1hの受熱部3hに押圧でき、その受熱部3hは直接、箱体7へ取付可能である。(複数相の下アーム側の半導体素子を相互に絶縁することなく同一電位の冷却器にとりつけることも勿論可能である。)
上アーム側の半導体素子2aと冷却器1gの受熱部3gとの間では電気的絶縁を確保するためセラミックス絶縁板10が介在され、絶縁沿面距離を考慮して受熱部3g自体が、下アーム側の受熱部3hよりも大きくなる。(言い換えれば設置可能な放熱フィン枚数は上アーム側の冷却器のほうが多い)
さらに、艤装限界9と放熱フィン6g、6hとの関係を考えると、上アーム側の放熱フィン6gの方が配置上も上側に配置され、艤装限界9の下側のコーナー部との関係からフィン高さも上アーム側の放熱フィン6gの方が、下アーム側の放熱フィン6hよりもフィン高さが高くできる(車体側方側にのばせる)。
車両走行時の走行風を有効に利用して冷却器の小形、高性能化が実現できることは、これまで述べてきた実施形態と同様であるが、本実施形態では、平形素子を使用した際の効率的な半導体素子の冷却器への設置方法を提供しており、半導体冷却装置全体の小形化、高性能化(むだのない構成)が可能となる。加えて、車体側方側(比較的、触手が予想される部位)はアース電位部品で構成されるので、製品安全上も好ましい。
(構成)
図8(a)に本発明の第8の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を、図8(b)に図8(a)のA8―A8線に沿う断面図(半導体冷却器の縦断面図)を示す。
一方、上アーム側の半導体素子2aも下アーム側と同様に、直接、冷却器1iの受熱部3iに押圧されるが、冷却器1iは箱体7に対しては、絶縁物12を介して絶縁取付され、放熱部4が下方となるよう箱体7の下部に設置される。又、下アーム側の半導体素子2aは、複数相を有する電力変換回路で全ての相において冷却器の電位はアース電位となり、同一の冷却器への集約が可能であり、上アーム側の半導体素子2aもその正極側を冷却器1iの受熱部3iへ押圧すれば、複数相において同一電位となり、冷却器の集約は可能であることは言うまでもない。
車両走行時の走行風が有効に活用できる部位である車体側方側と下方側とに冷却器1i,1jの放熱フィン6i,6jが設置されており、何れの冷却器でも放熱フィン間を走行風が流れることで有効に冷却可能であることはこれまで述べてきた実施形態と同様である。
車両走行時の走行風利用による冷却については、これまで述べてきた実施形態と同様の効果があるが、加えて、平形素子で構成する際の部品点数の削減(セラミックス絶縁板不要)、上アーム、下アーム両方の半導体素子の冷却器への直接取付による冷却器の小形化が可能である。さらに、箱体7内部で上アーム側、下アーム側の半導体素子が立体配置となり、電気的接続がより短い導体で接続可能になり、素子回りの立体インダクタンス実装が可能となる。
図9に本発明の第9の実施形態の半導体冷却器の断面図を示す。
図10に本発明の第10の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視図を示す。
本実施形態は、冷却器1lを複数個並べて箱体7に設置したものであり、放熱フィン6lは板状のフィンを水平にある間隔で設置しているが、放熱フィン6lの先端側の幅は根元側(受熱部3l側)の幅よりも小さく、それぞれの冷却器1lの放熱フィン6l間に、車体側方へいくにしたがって広くなる間隔を設けたものである。
図11に本発明の第11の実施形態の半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態は、冷却器1mの放熱フィン6mに穴13を設けた例である。
車両走行時の走行風利用に関しては、これまで述べてきた実施形態と同様の効果があり、受熱部3m側から伝わる熱を効果的に放熱できるが、加えて穴13を放熱フィン6mに設けたことで、放熱部4を自然対流時の上昇気流も通ることになり、車両低速走行時、走行風が充分得られない場合の性能低下を防止するものである。さらに、本実施形態では、上下に隣り合う放熱フィン6mで穴13の位置が同一ではなくずれていることから、上昇気流が放熱フィン6mの表面を流れながら上側へと流れていくので放熱フィン6mの放熱効果は向上する。
図12に本発明の第12の実施形態の半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態では、冷却器1nの放熱フィン6nに切り起こし14を設け、第11の実施形態と同様の自然対流時の冷却効果を向上したものである。切り起こし14は放熱フィンの一部分を一辺を残してくりぬき、その部分のみを放熱フィン6nに対し曲げたもので、本実施形態では、四角形の1辺を残してくりぬき、切り起こし14を構成している。
図13に本発明の第13の実施形態の半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態では、冷却器1oの放熱フィン6oに、受熱部3o寄りの根元側から先端へつながるスリット15を設けたものである。本実施形態でも、このスリット15の部分が第11の実施形態での穴13、第12の実施形態での切り起こし14のくりぬき部分の穴14nと同様、空気を上下方向に流す役目をもつことになり、自然冷却時での放熱性能の確保につながる。
図14に本発明の第14の実施形態の半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態の冷却器1pでは、第13の実施形態の構成に加えて、スリット15により分割される放熱フィン6pを受熱部3p寄りのスリット15の根元部分から部分的に曲げた形状とし、その曲げ角度は隣り合う分割された放熱フィン部分で異なる角度としている。この場合、第13の実施形態で説明した効果に加えて、放熱フィン6pの曲げにより角度の異なる分割されたフィン部分での乱流効果があり、さらに放熱性能は向上する。
図15に本発明の第15の実施形態の半導体冷却器単体の斜視図を示す。
本実施形態では、冷却器1qの多数枚の放熱フィン6qの先端側を熱伝導良好な棒16(例えばアルミニウム合金あるいは銅などに代表される金属製丸棒)で接続することによって、放熱フィン6qの多数枚に対し温度上昇値を均一化する効果がある。
半導体素子から発生する熱は熱伝導により受熱部3qを介して放熱フィン6qに伝わる為、半導体素子の実装部分から遠い位置にある放熱フィン6qの冷却効果は少なくなるが、本実施形態によればその放熱フィン6qにもこの棒16により熱伝導が行われ冷却能力の向上が可能である。
図16(a)に本発明の第16の実施形態の半導体冷却器の縦断面図を示す。図16(b)に図16(a)のA16部分の詳細断面図を示す。
本実施形態では、冷却器1rは半導体素子2の取り付く受熱部3rとそれに多数枚の放熱フィン6rが先端側が上になるよう角度をつけて設けられるが、放熱フィン6rはその内部に空洞17をもっており、この空洞17の部分に冷媒18が封入される。つまりこの空洞17が冷媒18の流路となり、放熱フィン6rのそれぞれはヒートパイプ化されている。
(第17の実施の形態)
図17に本発明の第17の実施形態の半導体冷却器の縦断面図を示す。
本実施形態では、冷却器1sの受熱部3sは半導体素子2の実装される部分では厚みが大きく、半導体素子2から遠ざかるにつれて厚みがうすくなるよう、一様の厚みではない。もちろん、受熱部3sの半導体素子2の取り付く側の面は平面であり、放熱フィン6s側の面が平らでない構造で厚みをかえている。従ってフィン高さ同一の放熱フィン6sを多数枚つけると、放熱フィン6s先端部分は車体側方側への突き出し度合いが異なる。
図18に本発明の第18の実施形態の半導体冷却器の縦断面図を示す。
本実施形態では、冷却器1tの放熱フィン6tのフィン高さに関し、多数枚の放熱フィン6tの長さを互いに異ならせている。すなわち、半導体素子2の取り付く部分(受熱部3t側)の中心部分が最も長く、半導体素子2から離れた位置では短くしたもので、半導体素子2からの位置により放熱フィン6tは冷却へ寄与する度合いが異なるので、半導体素子2から遠い側に位置する放熱フィン6tは長さを短くして小形化したものである。
図19(a)に本発明の第19の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す正面図を示し、図19(b)に図19(a)の左側面図を、図19(c)に図19(a)のB19−B19線に沿う断面図を示す。
本実施形態によれば、車両の走行方向が何れの場合でも保護カバ−19に設けた導風板20の内側の面に沿って走行風が冷却器1側へ導かれ、走行風を風下側(装置の後部側)の冷却器1にも充分供給できる。
図20(a)に本発明の第20の実施形態の半導体冷却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す正面図を示し、図20(b)に図20(a)のB20−B20線に沿う断面図を示す。
車両走行時、走行風の最も得にくい最後部(車両が何れの方向にも走行することを考えると、当然、電力変換装置の両端部分となる)の冷却器1に、導風板20aが向くことで、何れの方向に車両が走行する場合も、走行風が進行方向最後部の冷却器にも供給される構成となり、走行風を有効に利用した冷却が可能である。
図21に本発明の第21の実施形態の電力変換装置の平面図方向の断面図を示す。
本実施形態は、横に並んだ複数個の冷却器の内中央の冷却器1uはその両端の隣り合う冷却器1よりも小さく(放熱フィンの高さが低く)、保護カバ−19の内側に設けられた導風板20の凸部にあわせ、中央部分の冷却器1uの放熱フィン高さが他の部分よりも小さくなるよう構成したものである。
図22に本発明の第22の実施形態の半導体冷却器の縦断面図を示す。
本実施形態は、第2の実施形態で説明した構成と冷却器1bの放熱部4は同じ構成で、相違点は、半導体素子は平形の半導体素子2aを用いており、半導体素子2aと冷却器1bの受熱部3bとの間にはセラミックス絶縁板10、導体11を介して押圧する構成としている点(これも第7の実施形態で説明した構成)に加え、半導体素子2の反対側の面にこれまで述べてきた冷却器と比較すると小形の補助フィン21を取り付けた点である。
構成上も簡易であり、多くの利点をもつ冷却方式であるが、発生する熱に限度があるのは当然である。特に鉄道車両駆動用の電力変換装置ではその発生損失は一定では無く車両の走行により変わってくる。損失の変化に応じて、各部位の温度も変化するが、熱時定数によりその変化の応答は変わり、半導体素子の内部、及びその近傍では瞬時的な熱負荷に対して温度上昇してしまう。それを考慮して冷却器1bの所要性能が決まることになるが、瞬時的な温度上昇がおさえられれば、当然、冷却器1bの許容最高温度をあげることができ、冷却器の小形化につながる。
2,2a…半導体素子
3,3a〜3t…受熱部
4…放熱部
5…ヒートパイプ
6a〜6t…放熱フィン
7…箱体
8…車体
9…艤装限界
10…セラッミックス絶縁板
11…導体
12…絶縁板
19…保護カバー
20…導風板
21…補助フィン
Claims (2)
- 鉄道車両の床下に設置される車両駆動用電力変換装置に使われる冷却器を備えた鉄道車両用電力変換装置において、前記冷却器の放熱フィン部分は該電力変換装置の下方にあり、前記冷却器の1つの内面に複数個の半導体素子を取り付け、その反対側の外面は大気へ熱放散する為の複数の放熱フィンが所定間隔で形成されており、各放熱フィンは平板状の板フィンで、ほぼ垂直方向の姿勢で車体床下の艤装限界内の最下部に車両進行方向に沿って並び、かつ、これら放熱フィンを備えた冷却器が車両進行方向に複数配置されていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
- 前記複数の冷却器の前記放熱フィンどうしが車両進行方向に間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両用電力変換装置。
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