JP2010110130A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を効率的に冷却可能な鉄道車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】コンバータ回路およびインバータ回路を構成する半導体素子と、前記半導体素子を内部に取り付けた筐体と、前記筐体に設けられた外気を通過させるパイプとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄道車両に艤装される電力変換装置に構造に関する。

一般的に鉄道車両には、車両駆動用電力や車両内電力および空調電力を供給する電力変換装置が設置されている。電力変換装置は、交流を直流に変換するコンバータ回路や直流を交流に変換するインバータ回路により構成されている。この回路の構成部材としては、半導体素子、コンデンサ、抵抗等がある。この回路は、電力変換装置の運転の際に電流が流れることで発熱する発熱体である。そして、この発熱体は、電線および導体により繋がれた回路である。また、この発熱体は、電力変換装置内の密閉部に設置されている。

近年では、電力変換装置の高出力化により、発熱体より発せられる熱量が大きくなっている。そのため、筐体内部では、熱に弱い電気・電子部品を電力変換装置の底面側に配置し、比較的熱に強い部品を上面側に配置している。また、電力変換装置の密閉部内の温度を均一化させるため、攪拌用ファンの設置、密閉部を大きくして放熱面積の拡大、密閉部表面に放熱フィンの設置など熱対策が施されている。

特許文献１には、放熱フィンを外気によって効率的に熱発散できる形状について記載されている。
特開２０００−９２８１９号公報

電力変換装置内の温度上昇は、筐体内に配置されている電気・電子部品の寿命低下、信頼性低下を招く。また、特許文献１に記載の熱発散を効率的にできる放熱フィンの構成では、電力変換装置の小型化の要請に応えられない。密閉部の温度上昇を低減するために電力変換装置自体の大型化、放熱フィンおよび攪拌用ファンの設置および大型化をすることは、コストの増大につながる。さらには、これらの部品について交換部品の増加、メンテナンス作業の増加にもつながる。

そこで、この発明は、内部を効率的に冷却可能な鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る鉄道車両用電力変換装置は、コンバータ回路およびインバータ回路を構成する半導体素子と、前記半導体素子を内部に取り付けた筐体と、前記筐体に設けられた外気を通過させるパイプとを有する。

本発明によれば、鉄道車両用電力変換装置内の発熱体を効率的に冷却することができる。

図面を参照して、本実施形態について説明する。

はじめに、第１の実施形態について説明する。図２は、第１の実施形態に係る電力変換装置１を示す斜視図である。図１は、本実施形態に係る鉄道車両用電力変換装置１の内部構造を示す斜視図である。説明の都合上、矢印ＡＢを電力変換装置１の前後、矢印ＣＤを左右、矢印ＥＦを上下とする。

電力変換装置１の筐体２内には、発熱体３が設けられている。発熱体３は、図２に示すように、筐体３に比べて狭い空間内に密閉状態または外気が流入するように一部開口が設けられた状態で設けられている。発熱体３は、放熱フィン４、半導体素子５、コンデンサ６および抵抗７を有している。

発熱体３には、電力変換に用いられる各素子が配列されている。放熱フィン４は、半導体素子５と接続して設けられている。そして、半導体素子５から発せられた熱が伝播した放熱フィン４は、外気によって冷却される。半導体素子５、コンデンサ６および抵抗７は、コンバータ回路、インバータ回路を構成する部材である。半導体素子５、コンデンサ６および抵抗７などで構成される発熱体３は、互いに電線や導体によって接続された回路構成となっている。

図１に示すように、電力変換装置１の筐体２の上面かつ両端には吊り耳８が設けられている。吊り耳８は、筐体２を車両の床下や床上に取り付けるためのものである。電力変換装置１は、吊り耳８が車両に対してボルト・ナットで締結されることで車両に対して固定される。また、電力変換装置１に吊り耳８が設けられていなくとも、直接車両に対して筐体２がボルト・ナットで締結されていてもよい。電力変換装置１が車両に対して固定された場合、筐体２の外面は、外気にさらされた状態となる。

筐体２内の上面には、断面矩形の筒状の管９が筐体２の前後方向（図のＡＢ矢印方向）に沿って複数設けられている。管９の外面の一部は、筐体２内で上面と接するように設けられている。管９の両端は開口となっているため、外気が一方から流入し、他方から流出する。電力変換装置１が運転しているとき、筐体２内の発熱体３が配線接続されている回路は電流が流れるため負荷がかかる。そのため、発熱体３は発熱する。発熱体３から発せられた熱は、筐体２および筐体２内の密閉部の空気層を介して伝播する。そして熱は、管９に伝播し、さらに管９の一方から流入した外気に伝播し、熱せられた外気は他方から流出する。結果として、発熱体３から発せられた熱は、管９を設けることで外部へ放出することができる。

また、電力変換装置１が運転しているとき、筐体２内部では半導体素子５が最も高温の熱を発しやすい。したがって、管９は、筐体２内で半導体素子５が設けられた前後方向（ＡＢ方向）、左右方向（ＣＤ方向）の位置に対応する筐体２の上面に配置されるとより効果的である。管９は、筐体２の上面のみならず、下面、右面、左面、前面、後面のいずれに設けてもよい。暖められた空気は、上方に昇るため、管９は、上面に設けられた場合がより効果的である。また、電力変換装置１の構造が大型にならないように、管９の両端部は、筐体２から延在方向に突出することなく、筐体２の前後の外面と同位置に配置されている。

また、管９の表面積の大きさ、本数は、図２に示した数に限られず、任意に変更できる。管９の表面積を大きくし、また、管９を複数設けることで、放熱面積は増加し、熱交換は向上する。図２に示す電力変換装置１では、断面矩形の管９を設けたが、図３に示すように断面円形の管９を設けてもよい。また、管９の断面は、その他６角形、星型などであってもよい。

上記説明した構成により、発熱体３が発した熱は、筐体２の密閉部にこもらず、管９を介して外部に放出される。したがって、発熱体３は、その温度を低い状態で運転するため、長寿命化につながる。また、筐体２の密閉部の温度が低くなるため、放熱フィン４を設ける必要もなくなり、電力変換装置１を構成する部材の削減につながる。また、電力変換装置１の構成部材の削減は、メンテナンス性の向上をもたらし、コスト削減につながる。さらに、第１の実施形態により、筐体２内に発熱体３を過密に配置しても熱を外部に放熱できるようになる。発熱体３が発熱することによる影響は低減し、電力変換装置１の小型化、軽量化につながる。したがって、第１の実施形態により、電力変換装置１の長寿命化、小型化、軽量化、製作およびメンテナンスのコスト削減が実現できる。

次に、第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置１を示す斜視図である。第２の実施形態では、筐体２の上面と接するように筐体２の内部に断面円形の管９が筐体２の前後方向（図のＡＢ矢印方向）に沿ってジグザグに蛇行して設けられている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このような形状の管９を筐体２の上面に設けることで、筐体２の上面全体に亘って管９を配置することができる。したがって、電力変換装置１は、放熱面積を広く取ることができ、冷却性能の向上を図れる。第２の実施形態も、第１の実施形態と同様に、電力変換装置１の長寿命化、小型化、軽量化、製作およびメンテナンスのコスト削減を実現できる。

次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る電力変換装置１を示す斜視図である。

第３の実施形態では、筐体２の上面には、断面矩形の筒状の管９が筐体２の前後方向（図のＡＢ矢印方向）、左右方向（図のＣＤ矢印方向）に沿って複数設けられている。また、筐体２の左右面には、上下方向（図のＥＦ矢印方向）に沿って管９が複数設けられている。また、筐体２の下面には、Ｕ字管１０が設けられている。Ｕ字管１０は、発熱体３を上下方向（ＥＦ方向）に覆うように設けられていても、発熱体３などの構成部材の隙間を埋めるよう設けられていてもよい。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

筐体２には、上下、左右、前後の３方向に沿って管９が設けられているので、風向きや列車の走行方位に関係なく、外気を全ての方向から管９に取り込むことができる。したがって、列車の停車時、走行時に関わらす、電力変換装置１は、効率よく熱交換をすることができる。

また、Ｕ字管１０は、筐体２内の小スペースでも配置できるため、放熱面積を容易に増やすことができる。また、Ｕ字管１０は、発熱体３の付近（例えばすぐ上部）にも設けることができるため、冷却性能の向上を図れる。さらに、第３の実施形態も、第１の実施形態と同様に、電力変換装置１の長寿命化、小型化、軽量化、製作およびメンテナンスのコスト削減を実現できる。

次に、第４の実施形態について説明する。図６は、第４の実施形態に係る電力変換装置１を示す斜視図である。

第４の実施形態では、上記第１の実施形態から第３の実施形態とは異なり、筐体２内に管９を設けていない例である。筐体２の上面には、左右方向（図のＣＤ矢印方向）に沿って左右に吊り耳８を一体とした構成の管１１が設けられている。管１１の上方が開放した断面Ｕ字状であっても、開放していない断面矩形であってもよい。管１１が吊り耳８と一体として構成されているため、筐体２内部に管を設ける必要がなくなり、吊り耳８を筐体２に取り付ける際に同時に管１１も取り付けられるため、組み立て効率がよい。また、管１１が筐体２の内部でなく外部に取り付けられるため、筐体２の内部スペースを確保した状態で管１１による放熱面積も確保できる。第４の実施形態も、第１の実施形態と同様に、電力変換装置１の長寿命化、小型化、軽量化、製作およびメンテナンスのコスト削減を実現できる。

次に、第５の実施形態について説明する。図７は、第５の実施形態に係る電力変換装置１を示す斜視図である。

第５の実施形態では、第１の実施形態として図３に示したように、断面矩形の筒状の管９が筐体２の前後方向（図のＡＢ矢印方向）に沿って複数設けられている。また、管９の内部には、整風板１２が任意の数設けられている。整風板１２はまた、管９の端部に設けられていてもよい。整風板１２が管９に設けられていることで、一定方向（図７では、前側Ａから後側Ｂに向かう方向）にのみ管９内で外気が流れるように整風板１２によって規制されている。したがって、管９内における外気の流れがよくなり、冷却性能の向上を図れる。さらに、第５の実施形態も、第１の実施形態と同様に、電力変換装置１の長寿命化、小型化、軽量化、製作およびメンテナンスのコスト削減を実現できる。

上記第１の実施形態から第５の実施形態のいずれの場合であっても、管９、Ｕ字管１０、管１１は、熱伝導性の良い材料が好ましい。

上記各実施形態では、熱伝導性を有する管９、Ｕ字管１０、管１１を筐体２に設ける例を説明したが、管９、Ｕ字管１０、管１１の変わりにヒートパイプを用いても同様の効果を奏する。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る発熱体の構成を示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。 本発明の第５の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。

符号の説明

１…車両用電力変換装置、２…筐体、３…発熱体、４…放熱フィン、５…半導体素子、６…コンデンサ、７…抵抗、８…吊り耳、９…管、１０…Ｕ字管、１１…管、１２…整風板。

Claims (5)

1. コンバータ回路およびインバータ回路を構成する半導体素子と、
   前記半導体素子を内部に取り付けた筐体と、
   前記筐体に設けられた外気を通過させるパイプと、
   を有することを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記パイプは前記筐体内を貫通するように複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
3. 前記パイプは、前記筐体を前後、左右、上下に貫通することを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
4. 前記筐体に設けられ、外部部材に対して前記筐体を吊り下げる吊り耳とを有し、
   前記パイプは、前記吊り耳と一体として構成されていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。
5. 前記パイプは、整風板を有することを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用電力変換装置。

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