JP2012070525A - 車両用の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】電源装置は、設置面を有する受熱ブロック２６と、受熱ブロックに接続され、それぞれ第１方向に延びているとともに、第１方向と直交する第２方向に間隔を置いて並んだ複数の放熱フィン３４と、設置面上に配置された半導体素子２２ａ〜２２ｄと、第１方向に沿って受熱ブロックに設けられ、第１方向に沿って高温部位から低温部位へ熱を伝える複数のヒートパイプ３０と、を備え、各ヒートパイプは、放熱フィン３４の各々の中心軸Ｃからずれた位置に配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、半導体素子およびこれを冷却する冷却装置を備えた電力変換装置、補助電源等の電源装置に関する。

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、ＩＧＢＴ素子、クランプダイオード素子等の複数の半導体素子と、これらの半導体そしを冷却するための冷却装置とを備えている。

冷却装置は、設置面を有する受熱ブロックと、受熱ブロックの前記設置面と反対側に設けられた放熱フィンと、を有し、これらは、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で形成されている。複数の半導体素子は受熱ブロックの設置面に並べて配置されている。半導体素子から発生する熱は、受熱ブロックを通して放熱フィンに伝わり、放熱フィンから外部に放熱される。

また、複数の半導体素子の発熱温度にばらつきがある場合、冷却装置の受熱ブロック、放熱フィンにも場所によって温度のばらつきが生じる。このような温度のばらつき、特に、半導体素子の配列方向に沿った温度のばらつきを防止するため、受熱ブロック内に複数のヒートパイプを設けた冷却装置が提案されている。ヒートパイプは、受熱ブロック内の高温位置から低温位置へ熱を移動することにより受熱ブロック内の温度を均一化し、局所的に温度が高くなるヒートスポットの発生を防止する。

特開２００７−１０４７８５号公報

上記のように、冷却装置のヒートパイプは、冷却装置内における温度分布の均一化を図ることができる。しかしながら、一般に、ヒートパイプは、内部が真空のパイプに冷媒を封入した構成であり、ヒートパイプ自体は断熱材となる。そのため、ヒートパイプは、受熱ブロックから放熱フィンに向かう熱の移動を妨げる可能性があり、冷却装置による半導体素子の冷却効率が低下することが考えられる。特に、鉄道車両が停止中、あるいは、低速走行中にある場合、放熱フィンに当たる走行風量が小さく、冷却装置の冷却効率が一層低くなる。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、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。

実施形態に係る鉄道車両の電源装置は、設置面を有する受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続され、それぞれ第１方向に延びているとともに、前記第１方向と直交する第２方向に間隔を置いて並んだ複数の放熱フィンと、前記設置面上に配置された半導体素子と、前記第１方向に沿って前記受熱ブロックに設けられ、前記第１方向に沿って高温部位から低温部位へ熱を伝える複数のヒートパイプと、を備え、各ヒートパイプは、前記放熱フィンの各々の中心軸からずれた位置に配設されている。

図１は、電力変換装置を備える鉄道車両を概略的に示す側面図。 図２は、第１の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図。 図３は、図２の線Ｂ−Ｂに沿った前記電力変換装置の断面図。 図４は、前記電力変換装置の受熱ブロックの温度分布を示す図。 図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。 図６は、第３の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。 図７は、第４の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。 図８は、第５の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。 図９は、第６の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。 図１０は、第７の実施形態に係る電力変換装置を示す断面図。

以下図面を参照しながら、種々の実施形態について詳細に説明する。
始めに、実施形態に係る電源装置として、電力変換装置１０を備えた鉄道車両１２について説明する。図１は鉄道車両を概略的に示している。この鉄道車両１２は、それぞれ車輪１４が設けられた一対の台車フレーム１６と、台車フレーム上に空気ばね１５を介して支持された車体１７と、を備えている。各台車フレーム１６上で車輪１４の近傍には主電動機１８が載置されている。主電動機１８は、図示しないギアボックスおよびカップリングを介して回転力を車輪１４に伝達できるように接続されている。車輪１４はレール１３上に載置されている。

車体１７の天井側にはパンタグラフ１９が設けられ、このパンダグラフは架線２０と接触している。車体１７の床下には、電力変換装置１０および他の床下機器２３が艤装されている。架線２０からパンタグラフ１９に供給された電力は、図示しない他の機器を通過し、電力変換装置１０に供給される。電力は電力変換装置１０により直流から交流に変換され、図示しない配線を通して、各主電動機１８に供給される。主電動機１８は供給された電力により駆動し、ギアボックスとカップリングを介して車輪１４を回転させ、これにより、車体１７は走行方向Ａに沿ってレール１３上を走行する。

次に、第１の実施形態に係る電力変換装置１０について説明する。
図２は、電力変換装置１０を示す斜視図、図３は、図２の線Ｂ−Ｂに沿った電力変換装置の断面図である。

図１および図２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と、インバータ回路を構成する複数の電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを冷却する冷却装置２４と、コンデンサ等の図示しない種々の電子部品、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、その他、検出器、電源部等とを備えている。複数の電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)素子、クランプダイオード素子等により構成されている。この電力変換装置１０は、車体１７の床下に艤装された箱状の筐体内に配置されている。

図２および図３に示すように、冷却装置２４は、半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄからの熱を受ける受熱ブロック２６と、受熱ブロックの熱を放熱する放熱部２８と、複数のヒートパイプ３０と、を有している。受熱ブロック２６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、平坦な矩形状の設置面３２ａおよびこの設置面３２ａと反対側に位置する対向面３２ｂを有している。

受熱ブロック２６の設置面３２ａ上に、例えば、４つの電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが熱伝導グリース等を介して載置されている。各電力半導体素子は、ボルト等によって設置面３２ａに密着した状態で固定されている。４つの電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って並んで配置されている。

放熱部２８は、受熱ブロック２６の対向面３２ｂに接続された複数の放熱フィン３４を有している。本実施形態において、放熱フィン３４は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料により、受熱ブロック２６と一体に成形されている。放熱フィン３４は、受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って、かつ、受熱ブロック２６のほぼ全長に亘って延びている。また、複数の放熱フィン３４は、受熱ブロック２６の長手方向と直交する幅方向Ｙに沿って、間隔をおいて、所定のピッチＰで配設されている。

図３に示すように、放熱フィン３４は、例えば、設置面３２ａおよび対向面３２ｂに対して垂直に立設され、その高さｈは、約１２０ｍｍに形成されている。複数の放熱フィン３４は同一の高さｈに形成されている。各放熱フィン３４は、対向面３２ｂ側から先端に向かって先細となる形状、あるいは、一定の幅を有する板状に形成される。複数の放熱フィン３４の高さ方向の中心軸Ｃは、互いに平行に延びているとともに、それぞれ設置面３２ａに対して垂直に延びている。なお、複数の放熱フィン３４の高さｈは、全て同一に限らず、設置場所に応じて異なる高さとしてもよい。

図２および図３に示すように、受熱ブロック２６内に複数、例えば、６本のヒートパイプ３０が埋め込まれている。各ヒートパイプ３０は、例えば、ドリル等により受熱ブロック２６に孔を形成し、この孔内に装着されている。各ヒートパイプ３０は、軸方向両端が閉塞されているとともに内部が真空に排気された直管状のパイプと、このパイプ内に収容された冷媒、例えば、純水とを有している。ヒートパイプ３０は、冷媒の沸騰（気化）、凝縮（液化）の変化により熱輸送を行う。

６本のヒートパイプ３０は、それぞれ受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って、かつ、受熱ブロックのほぼ全長に亘って延びている。ヒートパイプ３０は、受熱ブロック２６の幅方向Ｙに沿って所定の間隔を置いて配列されている。更に、各ヒートパイプ３０は、放熱フィン３４の高さ方向の中心軸Ｃからずれた位置に配置されている。すなわち、各ヒートパイプ３０は、放熱フィン３４の中心軸Ｃと重ならない位置に設けられている。

本実施形態において、６本のヒートパイプ３０の内、内側の４本のヒートパイプ３０は、それぞれ隣合う２つの放熱フィン３４間の谷と対向する位置、言い換えると、複数の放熱フィン３４のピッチ間の中心と対向する位置、に配設されている。両端の２本のヒートパイプ３０は、それぞれ受熱ブロック２６の幅方向Ｙの両端に位置する放熱フィン３４に対して外側にずれた位置に設けられている。

このように構成された電力変換装置１０は、受熱ブロック２６の長手方向Ｘおよび放熱フィン３４の延出方向が、鉄道車両１２の走行方向Ａと一致する向きで、筐体内に配設されている。そして、鉄道車両１２が走行することにより生じる走行風が、電力変換装置１０の放熱フィン３４の周囲を通って流れ、冷却装置２４の熱が放熱フィン３４から放熱される。

電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｂ、２２ｃの発熱量が異なる場合、例えば、電力半導体素子２２ａ、２２ｃに比較して、電力半導体素子２２ｂ、２２ｃの方が発熱量が多い場合、図４に実線で示すように、電力半導体素子から熱を受けた受熱ブロック２６の温度分布は、長手方向Ｘの中央部分、すなわち、電力半導体素子２２ｂ、２２ｃ直下の領域の温度が高く、長手方向の両端側、つまり、電力半導体素子２２ａ、２２ｄ直下の領域の温度が低くなる。このような温度のばらつきが生じた場合、ヒートパイプ３０は、高温部位から低温部位へ熱を運び、受熱ブロック２６の温度分布を均一にする働きをする。これにより、図４に破線で示すように、受熱ブロック２６の長手方向Ｘの温度分布はほぼ均一となる。

一方、各電力半導体素子２２ａ、２２ｂ、２２ｂ、２２ｃから受熱ブロック２６に伝わった熱は、受熱ブロックから放熱フィン３４に伝わり、これらの放熱フィンから外部に放熱される。この際、ヒートパイプ３０の各々は、放熱フィン３４の中心軸Ｃから外れた位置に設けられているため、受熱ブロック２６から放熱フィンに伝わる熱の経路にヒートパイプ３０が存在しない。従って、受熱ブロック２６からの熱は、ヒートパイプ３０に遮られることなく円滑に放熱フィン３４に伝わり、放熱フィン３４から外部に放熱される。

以上のことから、冷却装置２４によって電力半導体素子２２ａ〜２２ｄを効率良く冷却し、電力半導体素子２２の温度上昇を抑制することができ、その結果、電力変換装置１０の信頼性向上を図ることができる。更に、鉄道車両１２の停止中、あるいは低速走行中、放熱フィン３４に当たる走行風が低減するが、この場合においても、上記のように受熱ブロック２６から放熱フィン３４へ効率よく熱を伝えることができるため、放熱効率の低減を抑制することが可能となる。これにより、冷却効率の向上を図り、信頼性の向上した電源装置が得られる。

次に、他の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置を示している。本実施形態によれば、放熱フィン３４を有する放熱部２８は、受熱ブロック２６と別体に形成された後、溶接、半田付け等によって受熱ブロック２６の対向面３２ｂに接続、固定されている。放熱部２８は、対向面３２ｂとほぼ同一の大きさを有する板状のベース３６と、ベースの一方の表面から垂直に突出した複数の放熱フィン３４と、を一体に有している。そして、ベース３６は、受熱ブロック２６に固定されている。ヒートパイプ３０は、それぞれ受熱ブロック２６に形成された孔内に装着されている。

第２の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の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。第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、受熱ブロックと放熱部とを別々に製造することが可能となり、製造効率の向上を図ることができる。また、放熱フィン３４が損傷した場合、放熱部２８のみを交換することが可能となる。

図６は、第３の実施形態に係る電力変換装置を示している。本実施形態によれば、放熱フィン３４を有する放熱部２８は、受熱ブロック２６と別体に形成された後、溶接、半田付け等によって受熱ブロック２６の対向面３２ｂに接続、固定されている。放熱部２８は、対向面３２ｂとほぼ同一の大きさを有する板状のベース３６と、ベースの一方の表面から垂直に突出した複数の放熱フィン３４と、を一体に有している。そして、ベース３６の当接面３６ａは、受熱ブロック２６の対向面３２ｂに固定されている。

ヒートパイプ３０は、受熱ブロック２６の対向面３２ｂとベース３６の当接面３６ａとの間に挟持された状態で配設されている。ここでは、対向面３２ｂおよび当接面３６ａにそれぞれ断面半円形状の溝３２ｃ、３６ｃが形成され、各ヒートパイプ３０は、溝３２ｃ、３６ｃ内に収容された状態で、対向面３２ｂと当接面３６ａとの間に配置されている。これにより、ヒートパイプ３０は、受熱ブロック２６および放熱部２８に密着して設けられている。

第３の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の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。第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、ヒートパイプ３０の設置が容易となり、冷却装置の製造性を向上することが可能となる。

図７は、第４の実施形態に係る電力変換装置を示している。前述した実施形態では、複数のヒートパイプは、受熱ブロック内に埋め込まれている構成としたが、本実施形態によれば、複数のヒートパイプ３０は、それぞれ隣合う放熱フィン３４の間に配置され、すなわち、放熱フィン３４間の谷の部分に配置され、受熱ブロック２６の外面および放熱フィン３４に気密に接している。隣合う放熱フィン３４の間には、１本のヒートパイプ３０がそれぞれ配置されている。

複数のヒートパイプ３０および放熱フィン３４は、それぞれ受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って延びている。そして、各ヒートパイプ３０は、放熱フィン３４の中心軸Ｃからずれた位置に配置されている。

第４の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の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。第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、ヒートパイプ３０の設置が容易となり、冷却装置の製造性を向上することが可能となる。

図８は、第５の実施形態に係る電力変換装置を示している。本実施形態によれば、隣合う放熱フィン３４の間には、複数、例えば、２本のヒートパイプ３０がそれぞれ並んで配置されている。それぞれ２本のヒートパイプ３０は、放熱フィン３４間の谷の部分に配置され、受熱ブロック２６の外面および放熱フィン３４に気密に接している。第５の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第４の実施形態と同一である。

図９は、第６の実施形態に係る電力変換装置を示している。本実施形態によれば、隣合う放熱フィン３４の間に、ヒートパイプ３０がそれぞれ配置され、受熱ブロック２６の外面および放熱フィン３４に気密に接している。また、受熱ブロック２６の幅方向Ｙの両端部には、それぞれ別のヒートパイプ３０ａが埋め込まれている。これらのヒートパイプ３０ａは、受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って延びているとともに、放熱フィン３４の中心軸Ｃからずれた位置に配設されている。また、ヒートパイプ３０ａは、電力半導体素子２２ｂの直下から外れた位置に設けられている。第６の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第４の実施形態と同一である。

図１０は、第７の実施形態に係る電力変換装置を示している。本実施形態によれば、隣合う放熱フィン３４の間に、ヒートパイプ３０がそれぞれ配置され、受熱ブロック２６の外面および放熱フィン３４に気密に接している。また、受熱ブロック２６の幅方向Ｙの両端部には、それぞれ別のヒートパイプ３０ａが設けられている。ここでは、受熱ブロック２６の設置面３２ａに細長い溝４０が形成され、各溝４０内にヒートパイプ３０ａが配設されている。これらのヒートパイプ３０ａは、受熱ブロック２６の長手方向Ｘに沿って延びているとともに、放熱フィン３４の中心軸Ｃからずれた位置に配設されている。また、ヒートパイプ３０ａは、電力半導体素子２２ｂの直下から外れた位置に設けられている。第６の実施形態において、電力変換装置の他の構成は、前述した第４の実施形態と同一である。

上述した第５、第６、第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、ヒートパイプ３０の設置が容易となり、冷却装置の製造性を向上することが可能となる。また、ヒートパイプの数を増やすことにより、放熱部の温度分布をより均一化することができ、冷却効率の向上およびヒートスポットの発生防止を図ることができる。

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。

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、機器にも適用可能である。前述した実施形態において、放熱フィン、ヒートパイプの数は、必要に応じて増減可能である。また、受熱ブロック、放熱部、ヒートパイプ等の形成材料、形状等は、上記実施形態に限定されることなく、適宜変更可能である。

１０…電力変換装置、１２…鉄道車両、１７…車体、
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…電力半導体素子、２４…冷却装置、
２６…受熱ブロック、２８…放熱部、３０、３０ａ…ヒートパイプ、３２ａ…設置面、
３２ｂ…対向面、３４…放熱フィン、３６…ベース、３２ｃ、３６ｃ、４０…溝

Claims (9)

1. 設置面を有する受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックに接続され、それぞれ第１方向に延びているとともに、前記第１方向と直交する第２方向に間隔を置いて並んだ複数の放熱フィンと、
   前記設置面上に配置された半導体素子と、
   前記第１方向に沿って前記受熱ブロックに設けられ、前記第１方向に沿って高温部位から低温部位へ熱を伝える複数のヒートパイプと、を備え、
   各ヒートパイプは、前記放熱フィンの各々の中心軸からずれた位置に配設されている電源装置。
2. 前記複数のヒートパイプは、前記受熱ブロック内に配置されている請求項１に記載の電源装置。
3. ベースと、このベースから突出する前記複数の放熱フィンとを有する放熱部を備え、前記放熱部のベースは、前記受熱ブロックに気密に固定されている請求項２に電源装置。
4. 前記受熱ブロックは、前記設置面と対向する対向面を有し、前記ベースは前記対向面に固定された当接面を有し、前記ヒートパイプは、前記対向面と当接面との間に挟まれている請求項３に記載の電源装置。
5. 前記ヒートパイプは、それぞれ隣合う放熱フィンの間で、前記受熱ブロックに接して配置されている請求項１に記載の電源装置。
6. 前記各ヒートパイプは、前記ヒートパイプの中心軸が前記複数の放熱フィンのピッチ間の中心に位置して配置されている請求項５に記載の電源装置。
7. 前記半導体素子の直下から外れた位置で前記受熱ブロック内に配設され、前記第１方向に沿って延びる他のヒートパイプを備えている請求項５に記載の電源装置。
8. 前記半導体素子から外れた位置で前記設置面に形成され前記第１方向に沿って延びる溝と、前記受熱ブロックに接して前記溝内に配設され前記第１方向に沿って延びる他のヒートパイプを備えている請求項５に記載の電源装置。
9. 前記第１方向に並んで前記設置面に設けられた複数の半導体素子を備えている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の鉄道車両の電源装置。

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