JP2011042198A

JP2011042198A - 鉄道車両用電力変換装置

Info

Publication number: JP2011042198A
Application number: JP2009190525A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Terada; 裕一寺田; Tomoaki Ishikawa; 倫章石川; Shinichi Tanaka; 伸一田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03

Abstract

【課題】車両停車時に電力変換装置が稼動するとき、半導体素子から発生する熱を放散す
る放熱部の冷却効率を向上させる。
【解決手段】放熱部A８と放熱部B８の間に仕切板A１２、放熱部B８と放熱部C８の間に仕
切板B１２を設けることによって、放熱部A８から放散される熱が放熱部B８に伝達される
ことを遮断し、放熱部C８から放散される熱が放熱部B８に伝達されることを遮断する。そ
のため、車両停車時にとくに熱の滞留を生じやすい放熱部B８の冷却効率を向上させるこ
とが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置に関する。

図８は、鉄道車両の全体構成図である。図９は、図８の電力変換回路のX―X断面図である
。図１０は、図９の電力変換装置の放熱部の斜視図である。図１１は、図９の放熱カバー
を取外した電力変換回路の正面図である。図を参照して、以下に一般的な鉄道車両と電力
変換装置について説明する。

図８に示すように、一般的な鉄道車両は車体２の上部にパンタグラフ１が設置され、車体
２の床下には台車を介して車輪３が設置され、電力変換装置４は車輪３の間の床下に懸架
されている。電力変換装置４の筐体内には、電力変換回路５が設置されている。

電力変換回路５が設置されている電力変換装置４の筐体部分の側面は受熱部７で構成され
、受熱部７の外側の面には冷却部１１が筐体より飛び出すように取り付けられている。ま
た、受熱部７の内側の面には複数個の半導体素子６が配置されている。

図９に示すように、冷却部１１は、電力変換装置から外側に突出した放熱フィン８−１と
ヒートパイプ８−２で構成される複数個の放熱部８と、その放熱部８を覆う網状の放熱カ
バー９で構成される。放熱カバー９は、車体２の床下に設けられている艤装限界線の内側
に収められるため、面取り部１０を有する。

以下に、放熱部について詳細に説明する。図１０に示すように、放熱部８はＵ字の形状で
複数本のヒートパイプ８−２と、これらのヒートパイプ８−２が挿通している複数本の放
熱フィン８−１とで構成されている。ヒートパイプ８−２は、半導体素子６に取付ける受
熱部７にヒートパイプ８−２の片端が埋め込まれ、ヒートパイプ８−２のもう一方の片端
には放熱フィン８−１を取付けた。ヒートパイプ８−２は、受熱部７に支持された端部が
受熱部７に支持されない端部よりも低くなるように傾斜をもって取り付けられている。ま
た、ヒートパイプ８−２の内部には水等の冷媒が封入され、密閉された金属製のパイプに
より形成されている。放熱フィン８−１は銅板やアルミ板などの薄板材料により形成され
ている。

複数個の放熱部８は、図１１に示すように、正面方向から見て左側に放熱部A８が、中央
に放熱部B８が、右側に放熱部C８となるように並列している。

電力変換装置４がパンタグラフ１から直流電力を受け取とると、電力変換装置４の電力変
換回路５内に設置されている半導体素子６のスイッチングにより、直流電流を交流電流に
変換する。変換された交流電力によって、車両駆動用電動機（図示しない）が駆動し、車
輪３が回転することによって車両走行が開始する。

このような電力変換装置４で運転中、半導体素子６のスイッチングにより直流電力から交
流電力に変換される際に発生する変換損失分が半導体素子６から熱となって発生する。そ
のため半導体素子６の熱を大気に放散する冷却構造が必要となる。

半導体素子６のスイッチングによって発生した熱は、受熱部７を介して放熱部８に伝達さ
れる。放熱部８は外気に晒される構造になっているため、車両走行時には、放熱部のヒー
トパイプ８−２と放熱フィン８−１の間を走行風が流れる。ヒートパイプ８−２は、受熱
部７からの熱が伝わると、ヒートパイプ内の冷媒と放熱フィンにその熱を伝える。

ヒートパイプ８−２内の冷媒に熱が伝わると、暖められた冷媒は気体化される。気体化し
た冷媒は、ヒートパイプ８−２の受熱部７側の端部より高く位置している外側の端部へ移
動する。移動した気体は走行風に晒され冷やされる。走行風が冷媒を冷やすことで、冷媒
は気体から液体へと凝縮する。液体化された冷媒は、重力によって受熱部７の外側の端部
より、受熱部７側の端部に移動する。

次に、ヒートパイプ８−２から放熱フィン８−１へ熱が伝わった場合、放熱フィン８−１
の表面を走行風が流れることによって、走行風が熱を吸収する。このように、半導体素子
６から発生した熱は、受熱部７に伝わり、受熱部７から放熱部８のヒートパイプ８−２と
放熱フィン８−１に伝わることで大気中に放散される。

つまり、図１１で走行風が左から右方向に流れているとすると、走行風は放熱部A８を通
過し、放熱部A８の熱を吸収する。その走行風は、次に放熱部B８を通過し、放熱部B８の
熱を吸収する。最後に放熱部C８を通風することで、放熱部C８の熱を吸収することで電力
変換回路５の熱は大気中に放散されたことになる。

以上のように車両走行時は、走行風を利用した熱放散を行い、車両停車時に電力変換装置
を駆動させた場合は自然対流を利用した熱放散を行っている一例として、熱を吸収した走
行風を再度冷却することで、放熱部８全体の効率的な熱放散を行っているものが提案され
ている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２６０８７７号公報

しかしながら、受熱部に近い放熱部は高温になりやすく、自然対流では冷却効率が十分
であるとは言えなかった。特に、放熱部間に位置する放熱部（放熱部Bの位置）では、受
熱部付近の熱だけでなく、左右の放熱部からの熱影響も加わり半導体素子が故障・破綻す
る虞があった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するために発明されたのもので、車両停車時でも効率
的な熱放散を可能とする鉄道車両用電力変換装置を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の筐体と、前記筐体内に配置され、スイッチングによ
って電力を変換する半導体素子と、前記半導体素子に隣接した受熱部と、前記受熱部から
接続されたヒートパイプと前記ヒートパイプが挿通している複数の放熱フィンで構成され
る複数の放熱部と、前記放熱部と放熱部の間に配置される熱遮断手段を備えていることを
特徴とする。

本発明によれば、車両停車時において電力変換装置の熱放散を効率的に行うため、半導体
スイッチの故障・破綻を防止することができる。

本発明の第１の実施形態のX−X断面図。本発明の第１の実施形態の電力変換回路の正面図（車両停車時）。本発明の第１の実施形態の仕切板の斜視図。本発明の第１の実施形態に電力変換回路の正面図（車両走行時）。本発明の第２の実施形態の電力変換回路の正面図。本発明の第３の実施形態の電力変換回路の正面図。本発明の第３の実施形態の囲い板の斜視図。鉄道車両の全体構成図。従来の電力変換回路のX−X断面図。従来の放熱部の斜視図。従来の放熱カバーを取外した電力変換回路の正面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に基づく電力変換回路の断面図である。図２は、本発
明の第１の実施形態に基づく電力変換回路の正面図（車両停車時）である。図３は、本発
明の第１の実施形態に基づく仕切板の斜視図である。図４は、本発明の第１の実施形態に
基づく電力変換回路の正面図（車両走行時）である。

図１で示すように、電力変換装置４は直方体の形状をなし、電力変換装置４内に電力変換
回路５が設置されている。電力変換回路５の外側の側面には開口部が形成されている。受
熱部７はその開口部に取り付けれ、側面としての役割を果たしている。

受熱部７の外側の面には冷却部１１が筐体より飛び出すように取り付けられている。また
、受熱部７の内側の面には、複数個の半導体素子６が受熱部７と接するように取り付けら
れている。

冷却部１１は、電力変換装置４から外側に突出した放熱フィン８−１とヒートパイプ８−
２で構成される複数個の放熱部８と、その放熱部８を覆う網状の放熱カバー９で構成され
る。放熱カバー９は、車体２の床下に設けられている艤装限界線の内側に収められるため
、面取り部
１０を有する
以下に、放熱部８について詳細に説明する。放熱部８はＵ字の形状で複数本のヒートパイ
プ８−２と、これらのヒートパイプ８−２が挿通している複数本の放熱フィン８−１とで
構成されている。ヒートパイプ８−２は、受熱部７に支持された端部が受熱部７に支持さ
れない端部よりも低くなるように傾斜をもって取り付けられている。ヒートパイプ８−２
の内部には水等の冷媒が封入され、密閉された金属製のパイプにより形成されている。ま
た、放熱フィン８−１は銅板やアルミ板などの薄板材料により形成されている。また、本
発明におけるヒートパイプ８−２の形状はU字に限定されない。

複数個の放熱部８は、図２に示すように、正面方向から見て左側に放熱部A８が、中央に
放熱部B８が、右側に放熱部C８となるように並列している。

放熱部A８と放熱部B８の間には仕切板A１２が設置され、放熱部B８と放熱部C８と間には
仕切板B１２が設置されている。

図３に示すように、仕切板A１２は立方体になっている。仕切板A側面１２−１は、横の長
さがD１、縦の長さがH１である。図１に示したように、D１は、最も正面側に位置する放
熱フィン８−１の、最も正面側の端部の位置から受熱部７までの長さである。また、図２
に示すように、H１は、最も車体側の放熱フィン８−１の端部から、最も車体と反対側に
位置する放熱フィン８−１の端部までの長さである。つまり、仕切板A側面１２−１は放
熱部８と同等の大きさである。また仕切板B側面１２−３も同様の大きさである。仕切板A
正面１２−２は、放熱部A８と放熱部B８の間隙に合わせた寸法となる。

仕切板A１２において、仕切板A側面１２−１は放熱部A８に対面し、仕切板A正面１２−２
は正面方向に向き、仕切板B側面１２−３は放熱部B８に対面することで、放熱部A８と放
熱部B８の間に挟まれて位置している。また同様に、仕切板B１２も放熱部B８と放熱部C８
の間に設置される。

また、仕切板Ａ１２、仕切板Ｂ１２は、溶接や固定部品によって、電力変換装置４、或は
半導体素子６のユニットに固定されている。仕切板Bも同様の形状を有している。

車両停車時に、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８で生じる熱がどのような外気の流れで
放熱されるか図２を参考に説明する。

車両停車時に、空調機などの電源を確保するため電力変換装置４を稼動させることがある
。電力変換装置４は直流電源から得た直流電力を電力変換回路５の半導体素子６のスイッ
チングによって交流電力に変換し、空調機等へ交流電力を供給している。

このように電力を直流から交流に変換する際に、半導体素子６ではスイッチングによる電
力損失が発生する。電力損失は、半導体素子６で熱となって発生する。半導体素子６で発
生した熱は、受熱部７に伝達される。受熱部７に伝達された熱は、さらに放熱部８に伝達
される。

受熱部７から伝達された放熱部A８の熱を含んだ外気は、下方から上方に上昇する。その
際に、左右方向にもその外気の流れが生じる。仕切板A１２とは反対側の左方向では、外
気の流れは止まらずに大気へと熱放散が行われる。しかし、仕切板A１２がある右方向で
は、仕切板A１２が障害となるため外気の流れが阻害され、放熱部Bへの熱影響が防止され
る。

放熱部B８で発生した熱を含んだ外気も下方から上方に上昇する。その際に、左右方向に
もその外気の流れが生じる。しかし、仕切板A１２と仕切板B１２によって左右方向への外
気の流れは阻害され、外気は上方のみに流れることになる。つまり、外気が下方から上方
に移動することで大気中への熱放散を行う。

放熱部C８で発生した熱を含んだ外気は、下方から上方に上昇する。その際に、左右方向
にもその外気の流れが生じる。仕切板B１２とは反対側の右方向では、外気の流れは止ま
らずに大気へと熱放散が行われる。しかし、仕切板B１２がある左方向では、仕切板B１２
が障害となるため外気の流れが阻害され、放熱部Bへの熱影響が防止される。

以上のことから、放熱部A８と放熱部C８の間に設けられた熱の滞留が生じやすい放熱部
B８では、放熱部A８と放熱部C８からの熱の影響を受けず、また、熱を含んだ外気が下方
から上方に移動する経路が確保されるため冷却効率が向上する。

また、放熱部A８と放熱部C８も放熱部B８からの熱影響を受けないため冷却効率は向上
する。

次に車両走行時について図４を参考に説明する。左方向から右方向へと走行風が流れて
いた場合、放熱部A８に流れる走行風は、仕切板A１２にぶつかり上方と下方へと分かれて
放熱部A８を流れることで、放熱部A８の熱を吸収し大気中に放出する。

次に放熱部B８では、走行風は放熱部B８の下方から入り、仕切板A１２と仕切板B１２に
沿って上方へと流れていく。走行風が放熱部B８を下方から上方へと流れることで、放熱
部B８の熱を吸収し、大気中に熱を放出する。

最後に、放熱部C８では、走行風は放熱部C８の下方から入り、仕切板B１２に沿って上
方へと流れ、また仕切板B１２と反対側の右方向にも流れていく。走行風が放熱部C８を流
れることで、走行風が放熱部C８の熱を吸収し大気中に熱を放出する。

以上のことから、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８では、半導体素子６から発生した
熱は大気へと放出され、半導体素子は冷却される。

このように構成された電力変換装置４は、車両走行時だけでなく車両停車時も半導体素
子６を冷却することが可能となる。そのため、半導体素子６の故障・破綻を防止すること
が可能となり、製品の信頼性が向上させることができる。

また、仕切板A１３と仕切板B１３の大きさは、本実施形態に限定されず、放熱部８と同等
またはそれ以上の大きさをもつ場合も同様の効果が得られる。

また、本実施形態のパンタグラフ１から受け取る電力が直流、或は交流電力であり、半導
体素子６のスイッチングにより変換された電力が直流、或は交流電力であっても同様の効
果を得られる。

（第２の実施形態）
本発明に基づく第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図５は、本発明の
第２の実施形態に基づく電力変換回路の冷却部の正面図（車両停車時）である。尚、図１
乃至図４と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は第１の実施形態とは、仕切板C１３と仕切板D１３の形状が異なっている。以
下、その点について詳細に説明する。

仕切板C１３は下端部が傾斜を持った形状を有している。仕切板C１３の下端部は放熱部Ａ
８方向に傾斜し、仕切板D１３下端部は放熱部Ｃ８方向に傾斜している。そのため、仕切
板C１３の下端部と仕切板D１３の下端部でハの字を形成し、仕切板C１３と仕切板D１３の
下端部は、上端部よりも広い開口部を有する。

車両停車時に、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８で生じる熱がどのような外気の流れで
放熱されるか図５を参考に説明する。

放熱部B８で発生した熱を含んだ外気は下方から上方に上昇する。本実施形態で、放熱部B
８の外気を取り入れる開口部は、第１の実施形態よりも広く設けられているため、外気が
より多く取り入れられる。そのため、広い開口部より取り入れられた外気によって、熱を
含んだ外気が下方から上方に移動し、大気中へ熱放散を行う。また、放熱部A８と放熱部C
８については第１の実施形態と同様の作用を持つ。

次に、車両走行時に、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８で生じる熱を含んだ外気がどの
ような流れで放熱されるか図４を参考に説明する。

左方向から右方向へと走行風が流れていた場合、放熱部B８では、走行風は放熱部B８の開
口部より入り、仕切板A１２と仕切板B１２に沿って上方へと流れていく。開口部が広いた
めより多くの走行風が取り入れられる。その走行風が放熱部B８を下方から上方へと流れ
ることで、放熱部B８の熱を吸収し、大気中に熱を放出する。放熱部A８と放熱部C８につ
いては第１の実施形態と同様の作用を持つ。

このように構成された電力変換装置４は、第１の実施形態よりもさらに発生した熱を大
気中に放出し、放熱部B８の熱放散効率を向上させることができる。そのため電力変換装
置４の半導体素子６の故障・破壊を防止することが可能となり、製品の信頼性が向上させ
ることができる。

また、仕切板C１３と仕切板D１３の形状は本実施形態に限られず、下端部が上端部よりも
開口した形状ならば同様の効果が得られる。

また、仕切板C１３と仕切板D１３の大きさも本実施形態に限定されず、放熱部８と同等ま
たはそれ以上の大きさをもつ場合も同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
本発明に基づく第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図６は、本発明
の第３の実施形態に基づく電力変換回路の冷却部の正面図（車両走行時）である。図７は
、本発明の第３の実施形態の囲い板の斜視図である。尚、図１乃至図４と同一の構成をと
るものについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は第１の実施形態とは、囲い板E１４について異なっている。以下、その点に
ついて詳細に説明する。

図７に示すように、囲い板E１４は３方面に面を持つコの字の形状を有している。

囲い板A側面１４−１は、縦の長さがH１、横の長さがD１である。D１とH１は、第１の実
施形態の仕切板A側面１２−１と同様の大きさを有している。囲い板B１４−３、囲い板B
１４−４、囲い板C１４−５も同様である。

また、面１４−１示すようにる放熱フィン８−１の、最も正面側の端部の位図６に示すよ
うに囲い板B正面１４−２のW１の長さは、最も正面側に位置する放熱部フィン８−１の正
面の横方向の長であるW２の長さよりも長い。

囲い板E１４において、囲い板A側面１４−１は放熱部A８に対面し、囲い板B側面１４−３
は放熱部B８に対面する。囲い板B正面１４−２は正面方向に向き、囲い板B側面１４−４
は放熱部B８に対面し、囲い板C側面１４−５は放熱部C８に対面する。

また、囲い板E１４の囲い板B正面１４−２と接続されていない側面端部は、溶接や固定部
品によって電力変換装置４、或は半導体素子６のユニットに固定されている。

このように構成により、放熱部B８は囲い板E１４によって覆われることになる。

車両停車時の放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８の熱放散作用については第１の実施形態
と同様である。

次に車両走行時に、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８で生じる熱がどのような流れで放
熱されるか図６を参考に説明する。

左方向から右方向へと走行風が流れていた場合、放熱部B８では、走行風は囲い板E１４の
下方から入り、囲い板B側面１４−３と囲い板B側面１４−４に沿って上方へと流れていく
。放熱部B８を下方から上方へと流れることで、放熱部B８の熱を吸収し、外気へと放出す
る。この時、放熱部A８の最も正面に設置された放熱フィンA８−１の表面を流れ、放熱部
A８の最も正面に設置された放熱フィンA８−１の表面の熱を吸収した走行風が、放熱部B
８の最も正面に設置された放熱フィンB８−１に影響することを囲い板E１４が障害となる
ことによって防ぐ。

放熱部A８と放熱部C８は、第１の実施形態と同様な走行風の流れを得ることにより、同
様の作用を有する。

以上のことから、放熱部A８、放熱部B８、放熱部C８では、半導体素子６から発生した熱
は大気へと放出され、半導体素子は冷却される。

このような電力変換装置４は、第１の実施形態よりも走行時に放熱部B８で発生した熱
を放散させることができる。そのため電力変換装置４の半導体素子６の故障・破壊を防止
することが可能となり、製品の信頼性が向上させることができる。

また、囲い板E１４の大きさも本実施形態に限定されず、放熱部８と同等またはそれ以上
の大きさをもつ場合も同様の効果が得られる。

また、本発明において放熱部８の数は、第１の実施形態から第３の実施形態に限定されな
い。

１パンタグラフ
２車体
３車輪
４電力変換装置
５電力変換回路
６半導体素子
７受熱部
８放熱部（放熱部A、放熱部B、放熱部C）
８−１放熱部フィン
８−２ヒートパイプ
９放熱カバー
１０面取り部
１１冷却器
１２仕切板A、仕切板B
１２−１仕切板A側面
１２−２仕切板A正面
１２−３仕切板B側面
１３仕切板C、仕切板D
１４囲い板E
１４−１囲い板A側面
１４−２囲い板B正面
１４−３囲い板B側面
１４−４囲い板B側面
１４−５囲い板C側面

Claims

筐体と、
前記筐体内に配置され、スイッチングによって電力を変換する半導体素子と、
前記半導体素子が接続された受熱部と、
前記受熱部に埋め込まれた複数のヒートパイプと、
前記複数のヒートパイプが挿通している複数の放熱フィンと、
前記複数のヒートパイプと前記複数の放熱フィンとから構成される放熱部を有し、
前記放熱部は、車両走行方向に複数配置されるとともに、
前記複数の放熱部間に、隣接する前記放熱部から熱を遮断する熱遮断手段が設けられてい
る
ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
前記熱遮断手段は、仕切板を設けることを
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。
前記熱遮断手段は、放熱部を囲う囲い板であ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。