JP2010284033A - Power supply device for railroad vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置、補助電源等の複数の電子部品を備えた鉄道車両用の電源装置に関し、特に、冷却装置を備えた電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device for a railway vehicle including a plurality of electronic components such as a power conversion device and an auxiliary power supply, and more particularly to a power supply device including a cooling device.
一般に、鉄道車両には、電源装置として、直流から交流あるいは交流から直流への変換を行う電力変換装置が設置されている。電力変換装置は、箱状の筺体を有し、車両の床下に懸架された状態で配置されている。電力変換装置は、複数の半導体素子、変換器、検出器、リレーと、これらへのスイッチング信号を送受信する複数枚の制御基板と、制御基板の周辺に設けられ制御基板に電力を供給する電源などの周辺機器と、複数の半導体素子と、これらの半導体素子を冷却する冷却装置とを備え、これらは筺体内に配置されている。各基板には、トランジスタ、抵抗、コンデンサなどの電子部品が半田により電気的、機械的に接続されている。接続点となる半田の許容温度は、一般的に70℃であり、電力変換装置内に設置された部品の中では低い許容値となっている。 Generally, a railway vehicle is provided with a power conversion device that performs conversion from direct current to alternating current or alternating current to direct current as a power supply device. The power conversion device has a box-shaped casing and is arranged in a state of being suspended under the floor of the vehicle. The power conversion device includes a plurality of semiconductor elements, converters, detectors, relays, a plurality of control boards that transmit and receive switching signals to these, a power supply that is provided around the control boards and supplies power to the control boards, etc. Peripheral devices, a plurality of semiconductor elements, and a cooling device for cooling these semiconductor elements, which are arranged in a casing. Electronic components such as transistors, resistors, and capacitors are electrically and mechanically connected to each substrate by solder. The allowable temperature of solder as a connection point is generally 70 ° C., which is a low allowable value among the components installed in the power converter.
冷却装置は、板状の受熱ブロックと、受熱ブロックから延出したヒートパイプと、ヒートパイプの周囲に取付けられた複数の放熱フィンと、を有している(例えば、特許文献1)。半導体素子は、受熱ブロックの表面上に取付けられている。半導体素子で発生した熱は、受熱ブロックに伝わり、この熱により、ヒートパイプ内の冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン側で大気に熱放散して凝縮する。これにより、半導体素子が効率的に冷却される。冷却向上のため、車両の走行風を冷却風として活用し冷却部の小型化を図っている。走行風を効率良く活用するために、放熱フィンを筺体の側面から車両の外側に向かって最大限突出させ、走行風の当る面積拡大を図っている。 The cooling device includes a plate-shaped heat receiving block, a heat pipe extending from the heat receiving block, and a plurality of radiating fins attached around the heat pipe (for example, Patent Document 1). The semiconductor element is mounted on the surface of the heat receiving block. The heat generated in the semiconductor element is transferred to the heat receiving block, and by this heat, the refrigerant in the heat pipe is heated and evaporated, and the heat is dissipated to the atmosphere and condensed on the side of the radiation fin. Thereby, the semiconductor element is efficiently cooled. In order to improve cooling, the driving wind of the vehicle is used as cooling air to reduce the size of the cooling section. In order to efficiently use the traveling wind, the heat radiating fins are projected from the side surface of the housing to the outside of the vehicle as much as possible to increase the area where the traveling wind hits.
また、論理部の温度上昇抑制対策として、筺体の外面に当たる直射日光を遮るための遮熱板が筺体の外面に設けられている。遮熱板は平板により構成され、複数のボスなどにより、筺体の外面から50mm程度の隙間を空けて対向配置され、筺体外面との間に空気層を設けている。 Further, as a countermeasure for suppressing the temperature rise of the logic unit, a heat shield plate for blocking direct sunlight hitting the outer surface of the housing is provided on the outer surface of the housing. The heat shield plate is composed of a flat plate, and is disposed to face the outer surface of the housing with a gap of about 50 mm from a plurality of bosses, and an air layer is provided between the outer surface of the housing.
電力変換装置において、冷却装置によって走行風を効率良く活用するためには、走行風を遮る障害物を冷却装置の進行方向前後に構成しないことが望ましい。しかしながら、上述した電力変換装置にように、筺体の外面に対し隙間をおいて遮熱板を設置した場合、この遮熱板により走行風が遮られ、あるいは、遮熱板により乱流を生じる。そのため、放熱フィンへの走行風の流れが低減し、冷却装置による冷却効率が低下する。 In the power converter, in order to efficiently use the traveling wind by the cooling device, it is desirable not to configure obstacles that block the traveling wind before and after the traveling direction of the cooling device. However, when a heat shield is installed with a gap with respect to the outer surface of the housing as in the power conversion device described above, traveling wind is blocked by the heat shield or turbulence is generated by the heat shield. Therefore, the flow of traveling wind to the heat radiating fins is reduced, and the cooling efficiency by the cooling device is lowered.
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、筺体内の温度上昇を抑制し電気部品の長寿命化を図るとともに、走行風を効率よく利用して冷却効率の向上を図ることにより、信頼性の向上した電源装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to suppress the temperature rise in the housing and to extend the life of the electrical components, and to improve the cooling efficiency by efficiently using the traveling wind. Thus, an object is to provide a power supply device with improved reliability.
本発明の態様に係る鉄道車両の電源装置は、側面を有する筺体と、前記筺体内に配設された半導体素子と、前記筺体内に配設され、前記半導体素子へ信号を供給する制御基板と、前記筺体内に配設され、前記半導体素子を冷却する冷却装置であって、前記筺体の側面から外側へ突出して位置する放熱部を有する冷却装置と、前記放熱部と並んで前記筺体の側面を覆って設けられ、前記放熱部に冷却風を導く通風ダクトを形成する筒状の遮熱板と、を備えている。 A railcar power supply apparatus according to an aspect of the present invention includes a housing having a side surface, a semiconductor element disposed in the housing, and a control board disposed in the housing and supplying a signal to the semiconductor element. A cooling device that is disposed in the housing and cools the semiconductor element, the cooling device having a heat radiation portion that protrudes outward from a side surface of the housing, and a side surface of the housing along with the heat radiation portion. And a cylindrical heat shield plate that forms a ventilation duct that guides cooling air to the heat radiating portion.
上記構成によれば、筺体内の温度上昇を抑制し電気部品の長寿命化を図るとともに、走行風を効率よく利用して冷却効率の向上を図ることにより、信頼性の向上した電源装置を提供することができる。 According to the above configuration, a power supply device with improved reliability is provided by suppressing the temperature rise in the housing and extending the life of the electrical components and improving the cooling efficiency by efficiently using the traveling wind. can do.
以下図面を参照しながら、本発明に係る種々の実施形態について詳細に説明する。
図1、図2、図3は、電源装置として、第1の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図、正面図、平面図である。図1ないし図3に示すように、電力変換装置10は、矩形箱状の筺体12を備え、この筺体内に、後述する種々の電子部品および冷却装置が配設されている。
Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1, 2, and 3 are a perspective view, a front view, and a plan view showing the power conversion device according to the first embodiment as a power supply device. As shown in FIGS. 1 to 3, the
筺体12は、上壁12a、一対の側壁12b、12、底壁12d、および一対の端壁122eを有している。図4および図5に示すように、筺体12は、その上壁12aが鉄道車両14の床と対向した状態で、床下に取付けられている。筺体12は、その長手方向が鉄道車両の走行方向Bと平行に延びた状態で、また、一方の側壁12bが鉄道車両の外側に向いた状態で配置されている。
The
図3および図5に示すように、電力変換装置10は、直流電力を交流電力に変換して電動機、空調装置等に供給するインバータ回路16、インバータ回路16の電力半導体素子を冷却する冷却装置18、インバータ回路16の電力半導体素子にスイッチング信号を送受信する制御部20、その他、検出器、電源部等を備え、これらは、筺体12内に配設されている。
As shown in FIGS. 3 and 5, the
インバータ回路16は、筺体12の長手方向ほぼ中央部に設けられている。インバータ回路16は、複数の電力用半導体素子22、例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor)と、図示しないダイオード、電力用半導体素子のサージ電圧を抑制するコンデンサ24、および電力用半導体素子のオン・オフ信号を出力する複数のゲートアンプ26等を備えている。
The
図3、図5、および図6に示すように、冷却装置18は、複数の冷却ブロック30と冷却ブロックの熱を放熱する放熱部32とを有している。各冷却ブロック30は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で矩形板状に形成され、互いに対向する設置面30a、30bを有している。各冷却ブロック30の設置面30a、30b上には、インバータ回路16の電力半導体素子22が熱伝導グリース等を介して取り付けられている。
As shown in FIGS. 3, 5, and 6, the
冷却装置18の放熱部32は、各冷却ブロック30から延出した複数のヒートパイプ34と、ヒートパイプ34に取り付けられた複数の放熱フィン36とを備えている。各ヒートパイプ34の端部は、冷却ブロック30内に埋め込まれている。各ヒートパイプ34の延出部分は、冷却ブロック30から外側に、かつ、水平方向に対して所定角度だけ上方に傾斜して延びている。複数のヒートパイプ34は、例えば、鉛直方向に所定の間隔を置いて平行に並んで設けられている。各ヒートパイプ34内には、冷媒、例えば、純水が封入されている。冷媒の沸騰(気化)、凝縮(液化)の変化により熱輸送される。
The
複数のヒートパイプ34には、その長手方向に所定の間隔にて複数の放熱フィン36が嵌着されている。各放熱フィン36は、例えば、矩形板状に形成され、鉛直方向に沿って延びている。
A plurality of
このように構成された冷却装置18は、図3および図5に示すように、筺体12内に設けられた支持フレーム38に固定されている。複数の冷却ブロック30は、筺体12内に、水平方向に並んで配設され、ヒートパイプ34および放熱フィン36は、筺体12の側壁12bに形成された開口を通して、筺体の外側に突出している。
The
インバータ回路16の作動により電力半導体素子22が発熱すると、この熱が冷却ブロック30に伝わり、その熱により、ヒートパイプ34内に封入された冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン36側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮した冷媒は、ヒートパイプ34の内部で重力により冷却ブロック30側へ戻り、再び加熱され、このサイクルを繰り返す。熱の放散に当っては、より効率が上がるように車両14の側方向に放熱部32を最大限突出させ、走行風の当る面積の拡大を図っている。
When the
また、飛石などによる放熱フィン36の損傷を防止するため、筺体12の側壁12bには、放熱フィン36を覆う保護カバー40が取付けられている。保護カバー40には、走行風の通風性向上及び放熱向上の為、多数の吹き抜け穴が設けられている。
In addition, a
図3に示すように、インバータ回路16に制御信号を送受信する制御部20は、複数の回路基板21を有し、各回路基板にはトランジスタ、抵抗、コンデンサ等の複数の電子部品が実装されている。制御部20は、筺体12内において、インバータ回路16と並んで、かつ、鉄道車両14の走行方向Bについて、インバータ回路16の上流側に配置されている。また、制御部20は筺体12の側壁12bに対向して設けられている。
As shown in FIG. 3, the
図1ないし図3に示すように、筺体12の側壁12bにおいて保護カバー40の両側には、図示しない点検窓が形成され、これらの点検窓は、筺体12に脱着自在な点検カバー42a、42bによって覆われている。点検カバー42a、42bは、それぞれ矩形板状に形成され、筺体12の側壁12bを構成している。各点検カバー42a、42bは、それぞれ一対のロックレバー44により、筺体12に取付けおよびロックされている。また、一方の点検カバー42bの表面には、点検カバーを把持するための取っ手45が取付けられている。そして、これら点検カバー42a、42bを取り外して点検窓を開放することにより、筺体12内部を点検することができる。
As shown in FIGS. 1 to 3, inspection windows (not shown) are formed on both sides of the
筺体12の側壁12bを構成している保護カバー42aは、筺体12内の制御部20と対向している。制御部20の回路基板21は、筺体12内に配設された他の部品と比較して許容温度が低いため、制御部20の温度上昇を抑制することが望ましい。そこで、直射日光による点検カバー42aへの輻射熱を遮り、筺体12の側壁12bおよび制御部20の温度上昇を抑制する目的で、遮熱板50が点検カバー42aを覆って、すなわち、筺体12の側面を覆って、設けられている。
The
図1ないし図4に示すように、遮熱板50は、筒状に形成され、冷却装置18の放熱部32に冷却風を導く通風ダクト51を構成している。ここでは、遮熱板50は、その上端縁部および下端縁部が点検カバー42aに固定され、中間部分は、点検カバーの表面と間に大きな空間をおいて対向している。遮熱板50は鉄道車両14の走行方向Bに沿って放熱部32と並んで位置し、通風ダクト51は走行方向Bに沿って延びている。通風ダクト51は、放熱部32に対向する流出口(第1流通口)52aと、放熱部32と反対側に位置する流入口52b(第2流通口)とを有している。通風ダクト51の走行方向Bと直交する方向の断面形状は、保護カバー40の断面形状と一致している。これにより、通風ダクト51は、保護カバー40に面一に連続して延びている。
遮熱板50の外面に一対の取っ手54が取付けられ、この取っ手を把持して、遮熱板50および点検カバー42aを一緒に筺体12から取り外すことができる。このように構成された遮熱板50は、制御部20と対向する点検カバー42aへの直射日光を遮り、線路面からの照り返しを遮ることができる。また、鉄道車両41の走行に伴い、走行風は、遮熱板50によって形成された通風ダクト51内を通り、冷却装置18の放熱部32へ流入する。これにより、走行風が効率よく放熱部32に当たり、熱を効率よく拡散することができる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
A pair of
以上のように構成された電力変換装置10によれば、遮熱板50により直射日光および線路面側からの照り返しを遮蔽し、筺体12内、特に、制御部20近傍領域の度上昇を抑制し、電気部品の長寿命化を図ることができる。また、放熱部32へ供給する走行風は、遮熱板50によって形成された通風ダクト51を通過することにより整流され、放熱フィン間に整流した風を流入することが可能となる。風洞と同等の効果を得られることから、放熱効率が向上し、ヒートパイプ式冷却器の性能向上、電力半導体素子22の温度上昇低減につながり、電力変換装置10の信頼性向上を図ることができる。
According to the
次に、この発明の第2の実施形態に係る電力変換装置について説明する。なお、第2の実施形態において、前述した第1の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 Next, a power converter according to a second embodiment of this invention will be described. Note that in the second embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図7および図8に示すように、第2の実施形態によれば、電力変換装置10は、点検カバー42aを覆って取付けられた遮熱板50を備え、この遮熱板50は、筒状に形成され通風ダクト51を形成している。遮熱板50は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー40の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部に連通する通風路を形成している。
As shown in FIGS. 7 and 8, according to the second embodiment, the
電力変換装置10は、複数の発熱体、例えば、抵抗素子54を有している。各抵抗素子54の周囲には、図示しない放熱用の多数のフィンが設けられている。これらの抵抗素子54は、筺体12の外面に設けられ、通風ダクト51内に並んで設けられている。各抵抗素子54は、制御部20の回路基板21に電気的に接続されている。
The
このように構成された電力変換装置10によれば、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、発熱体を電力変換装置の外部で通風ダクト51内に設けることにより、筺体12内の発熱源を減少することが可能となり、装置内の温度上昇低減につながり、装置内電気部品の長寿命化を図ることができる。同時に、発熱体を走行風により効率的に冷却することが可能となる。
According to the
次に、この発明の第3の実施形態に係る電力変換装置について説明する。第3の実施形態において、前述した第1の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 Next, a power converter according to a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図9、図10、図11に示すように、第3の実施形態によれば、電力変換装置10は、筐体12の側壁12bにおいて、放熱部32の両側に設けられた2つの遮熱板50、60を備えている。すなわち、電力変換装置10は、点検カバー42aを覆って取付けられた遮熱板50を備え、この遮熱板50は、筒状に形成され通風ダクト51を形成している。遮熱板50は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー40の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部32に連通する通風路を形成している。
As shown in FIGS. 9, 10, and 11, according to the third embodiment, the
また、電力変換装置10は、他方の点検カバー42bを覆って取付けられた第2遮熱板60を備えている。第2遮熱板60は、筒状に形成され通風ダクト(第2通風ダクト)61を形成している。第2遮熱板50は、保護カバー40の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部32に連通する通風路を形成している。これにより、鉄道車両14の走行方向Bに対して、放熱部32の両側に通風ダクト51、61が形成され、これらの通風ダクトは、走行方向Bに沿って放熱部32と連続して延びている。
Moreover, the
上記構成の電力変換装置10によれば、冷却装置18の放熱部32の両側に遮熱板50、60を設け、通風ダクトを構成することにより、鉄道車両14の何れの進行方向においても、走行風は通風ダクトを通過して放熱フィンへ流入する。また、点検カバー42a、42bからの直射日光及び線路面からの照り返しによる温度上昇の抑制が可能となり、電力変換装置10内全体の温度上昇抑制の効果をより向上させることができる。これにより、電気品の長寿命化を図ることができる。更に、いずれの進行方向においても、整流された走行風を放熱部32に供給することが可能となり、電力半導体素子22の温度上昇低減につながり、電力変換装置の信頼性向上を図ることができる。
According to the
次に、この発明の第4の実施形態に係る電力変換装置について説明する。第4の実施形態において、前述した第1、第3の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。 Next, a power converter according to a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, the same components as those in the first and third embodiments described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図12、図13、図14、図15に示すように、第4の実施形態によれば、電力変換装置10は、筐体12の側壁12bにおいて、放熱部32の両側に設けられた2つの遮熱板50、60を備えている。すなわち、電力変換装置10は、点検カバー42aを覆って取付けられた遮熱板50を備え、この遮熱板50は、筒状に形成され通風ダクト51を形成している。遮熱板50は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー40の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部32に連通する通風路を形成している。
As shown in FIGS. 12, 13, 14, and 15, according to the fourth embodiment, the
また、電力変換装置10は、他方の点検カバー42bを覆って取付けられた第2遮熱板60を備えている。第2遮熱板60は、筒状に形成され通風ダクト61を形成している。第2遮熱板50は、保護カバー40の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部32に連通する通風路を形成している。これにより、鉄道車両14の走行方向Bに対して、放熱部32の両側に通風ダクト51、61が形成され、これらの通風ダクトは、走行方向Bに沿って放熱部32と連続して延びている。
Moreover, the
通風ダクト51内には、それぞれ走行方向Bと平行に延びる複数の仕切り板54が設けられ、これらの仕切り板54により複数の小さな風洞が形成されている。同様に、通風ダクト61内には、それぞれ走行方向Bと平行に延びる複数の仕切り板64が設けられ、これらの仕切り板64により複数の小さな風洞が形成されている。
In the
通風ダクト51において、放熱部32と反対側に位置する流入口52b側の端部には、ラッパ状に広がる流入ガイド56が取り付けられ、走行方向Bに対して斜め45°以下の角度で外側に広がり、流入側に向かって径が拡大している。通風ダクト61において、放熱部32と反対側に位置する流入口62b側の端部には、ラッパ状に広がる流入ガイド66が取り付けられ、走行方向Bに対して斜め45°以下の角度で外側に広がり、流入側に向かって径が拡大している。
In the
このように、流入口52bは、通風ダクト51の径に対して流入側に広がっていることから、多くの走行風を通風ダクト51内部に取り込むことが可能となり、また、仕切り板54によって仕切られた複数の風洞を通過することによって、より整流効果を得ることができる。同様に、鉄道車両14の進行方向が逆向きの場合、通風ダクト61の流入口62bは、通風ダクト61の径に対して流入側に広がっていることから、多くの走行風を通風ダクト61内部に取り込むことが可能となり、また、仕切り板64によって仕切られた複数の風洞を通過することによって、より整流効果を得ることができる。これにより、冷却装置の放熱部32に効率良く走行風を供給し、放熱性の向上を図ることができる。従って、電力半導体素子の温度上昇を低減し、装置の信頼性向上を図ることができる。
Thus, since the
なお、本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わせにより、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。さらに、異なる実
施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
例えば、上述した各実施形態において、半導体素子としてIGBTを用いた構成としたが、他の種類のトランジスタやサイリスタなどを用いた構成としてもよい。この発明に係る電源装置は、電力変換装置に限らず、補助電源装置等の他の電源装置にも適用可能である。 For example, in each of the above-described embodiments, the IGBT is used as the semiconductor element, but another type of transistor, thyristor, or the like may be used. The power supply device according to the present invention is not limited to the power conversion device, and can be applied to other power supply devices such as an auxiliary power supply device.
10…電力変換装置、12…筺体、12b…側壁、14…鉄道車両、
16…インバータ回路、18…冷却装置、20…制御部、22…電力半導体素子、
24…コンデンサ、30…冷却ブロック、32…放熱部、34…ヒートパイプ、
36…放熱フィン、40…保護カバー、42a、42b…点検カバー、
50、60…遮熱板、51、61…通風ダクト、52b、62b…流入口
DESCRIPTION OF
16 ... inverter circuit, 18 ... cooling device, 20 ... control unit, 22 ... power semiconductor element,
24 ... Condenser, 30 ... Cooling block, 32 ... Heat dissipation part, 34 ... Heat pipe,
36 ... Radiating fins, 40 ... Protective cover, 42a, 42b ... Inspection cover,
50, 60 ... heat shield, 51, 61 ... ventilation duct, 52b, 62b ... inflow port
Claims (10)
前記筺体内に配設された半導体素子と、
前記筺体内に配設され、前記半導体素子へ信号を供給する制御部と、
前記筺体内に配設され、前記半導体素子を冷却する冷却装置であって、前記筺体の側面から外側へ突出して位置する放熱部を有する冷却装置と、
前記放熱部と並んで前記筺体の側面を覆って設けられ、前記放熱部に冷却風を導く通風ダクトを形成する筒状の遮熱板と、
を備える鉄道車両の電源装置。 A housing having a side surface;
A semiconductor element disposed in the housing;
A control unit disposed in the housing and supplying a signal to the semiconductor element;
A cooling device that is disposed in the housing and cools the semiconductor element, the cooling device having a heat dissipating part positioned to protrude outward from a side surface of the housing;
A cylindrical heat shield plate that is provided so as to cover the side surface of the housing side by side with the heat radiating portion, and forms a ventilation duct that guides cooling air to the heat radiating portion;
A power supply device for a railway vehicle.
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