JP2014008852A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両用電力変換装置に搭載される半導体冷却ユニットの冷却容量を確保しながら、飛び石や氷片の激突による冷却機器の損傷を防止する。
【解決手段】鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の車体の床下に懸架され、車幅方向外側に張り出すように、半導体冷却ユニットが取り付けられている。この半導体冷却ユニットは、半導体素子の一方の面に取り付けられた受熱部、この受熱部の他方の面に取り付けられたヒートパイプ８及びこのヒートパイプ８が貫くように取り付けられた冷却フィン９によって構成される冷却器と、この冷却器の周囲を覆う保護カバー１０とからなる。保護カバーを構成する内壁のうち、進行方向に対し垂直に対向する側面の内壁を除いて、各内壁との間隙（ａ）〜（ｄ）を、走行時の振動による干渉や電気的絶縁の確保を考慮した最小限の値に設定し、冷却フィン９と、進行方向に垂直な保護カバー１０の側面内壁との間隙を確保する。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置に関する。

図１、図２に示すように、鉄道車両１の底部には、直流から交流に、あるいは交流から直流に変換するための鉄道車両用電力変換装置２が懸架されている。
この鉄道車両用電力変換装置２は、図２に示すように、そのケーシング内部に収容された内部機器４と、ケーシングの枕木方向外側の面に設けられた開口部から挿入される半導体冷却ユニット３とで構成され、内部機器４と半導体冷却ユニット３側の半導体素子５等とは、導体もしくは電線（ともに図示せず）で接続されている。

半導体冷却ユニット３は、半導体素子５等が取り付けられた受熱部７と、この受熱部７から枕木方向外側に向けて延びる複数本のヒートパイプ８、冷却フィン９等からなり、これらは、保護カバー１０により被覆されている。
この半導体冷却ユニット３は、鉄道車両用電力変換装置２からその一部が鉄道車両１の枕木方向外側に張り出すよう、フレーム１１により、鉄道車両用電力変換装置２のケーシングに固定されている。

電力変換の際に半導体素子５より発生する熱を鉄道車両用電力変換装置２の外部に効率よく放熱するために、複数本のヒートパイプ８が受熱部７に接合され、このヒートパイプ８は、複数枚の冷却フィン９により貫通接合されている。
保護カバー１０は、コストの高いヒートパイプ８や冷却フィン９が飛び石や氷片等の衝突物により破損するのを防止するためのものであり、放熱に必要な空気の流れを妨げないように、各面に格子状の複数の通風穴が設けられている。

このように構成された鉄道車両用電力変換装置２は、複数個の半導体素子５のスイッチングにより、交流電力または直流電力に変換する。半導体素子５は鉄道車両用電力変換装置２の外部と隔離されており、電力変換の際に半導体素子５で発生する熱が受熱部７に伝達され、鉄道車両１の側方方向に伸びたヒートパイプ８を介して冷却フィン９へと伝わり、保護カバー１０に設けられた格子状の複数の通風穴を通過した走行風が、ヒートパイプ８や冷却フィン９の周辺を流れることにより、大気へ熱拡散されるようになっている。

上述のように、半導体素子５で発生した熱を、ヒートパイプ８や冷却フィン９を介して外部に放出する鉄道車両用電力変換装置については、下記特許文献１、２に開示されている。

特開２０１１−１５１９２４号公報 特開２００９−１２３７５５号公報

鉄道車両用電力変換装置に搭載される半導体冷却ユニットに取り付けられた保護カバーは、軽量化、低コスト化の観点から、際限なく強度を高めることができず、高速走行中、飛び石や氷片等が保護カバーに衝突すると保護カバーを破壊することがある。
ところで、鉄道車両の底部される鉄道車両用電力変換装置は、半導体冷却ユニットを含め、建築限界、車両限界規定をクリアするとともに、省エネルギ、低コスト化、他の懸架機器との干渉を避けるため、進行方向の長さ、幅、高さとも可能な限りコンパクト化することが求められている。一方で、近年の鉄道車両の高速化に対応するため、半導体冷却ユニットに求められる冷却容量を増大させることも要求されている。

このため、ヒートパイプや冷却フィンを保護カバーの各内壁に向けて延設して、冷却容量を高めることが考えられるが、ヒートパイプや冷却フィンの先端が保護カバー内壁に近接した位置に配置されると、衝突した飛び石や氷片の衝撃で、ヒートパイプや冷却フィンを破損することがあった。特に、冷却効率を高めるため、通風穴を数多く形成した場合、保護カバーの強度や剛性が著しく低下することも一因である。
このようにヒートパイプや冷却フィンは破損すると、鉄道車両用電力変換装置を構成する半導体素子の冷却が十分に行われないために過熱し、走行を継続することが不可能になるおそれがある。

また、破損に到らなくても、衝撃によって保護カバーがへこみ、近接するヒートパイプや冷却フィンを折り曲げてしまうなどの影響を与える場合があり、これらの高価な部品を交換せざるを得なくなり、保守費用の増大を招く。
こうした現象は、特に氷片や雪片の飛来が多い雪国において頻発しており、別途防雪板を配置して、保護カバーの損傷を防ぐようにしているが、コストアップを招き、しかも、防雪板は冷却風を阻害するため、ヒートパイプや冷却フィンを増やさなければならず、機器が大型化するという問題が発生する。

ところで、飛び石や氷片による保護カバーの損傷状態を分析すると、鉄道車両が高速走行する際に、前方の鉄道車両により巻き上げられた飛び石や氷片が、保護カバーの各面のうち、枕木方向に対して平行かつ地面に対して垂直な面、すなわち、進行方向に対し垂直に対向する側面に激突したケースがほとんどで、その他の面には、ほとんど損傷が発生せず、損傷したとしてもダメージは小さい。

しかし、こうした保護カバーの損傷状態を分析することなく、限られた保護カバーの内部空間内で、ヒートパイプや冷却フィンの先端を一律に保護カバーの各内壁に向けて延設すると、飛び石や氷片が、進行方向に対し垂直に対向する側面に衝突した場合、両者の間隙が小さいため、その衝撃が高価なヒートパイプや冷却フィンに影響を及ぼすこととなり、破損を抑制することが困難である。

そこで本発明の目的は、保護カバーを拡大することなく、半導体冷却ユニットの冷却容量を確保しながら、しかも、飛び石や氷片の激突による冷却機器の損傷を防止し、防雪板等を不要にすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明の鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の車体の床下に懸架され、半導体冷却ユニットが鉄道車両の車幅方向外側に装着された鉄道車両用電力変換装置であって、半導体冷却ユニットは、半導体素子の一方の面に取り付けられた受熱部、その他方の面に取り付けられたヒートパイプ及び該ヒートパイプが貫くように取り付けられた冷却フィンによって構成される冷却器と、該冷却器の周囲を覆う保護カバーとからなり、冷却器と保護カバーを構成する各内壁との間隙のうち、進行方向に対し垂直に対向する側面内壁との間隙を除いて、走行時の振動による干渉や電気的絶縁の確保を考慮した最小限の値に設定することを特徴とする。

本発明によれば、保護カバーを構成する各面において、飛び石や氷片が激突する頻度が最も高く、ダメージも大きい進行方向に対し垂直に対向する側面を除いて、冷却器を構成するヒートパイプや冷却フィンと、保護カバー内壁との間隙を走行時の振動によっても干渉せず、電気的絶縁の確保を考慮した最小限の値とすることにより冷却器の冷却容量を確保する。その上で、上記の側面では、ヒートパイプや冷却フィンとの間隙を確保することができるので、飛び石や氷片が激突しても、冷却器自体に影響を与えることがない。
このため、半導体冷却ユニットの保護カバーに飛び石等があり衝撃を受けたとしても、ヒートパイプや冷却フィンを衝撃から守り、鉄道車両用電力変換装置の運転を継続することができる。さらに、ヒートパイプや冷却フィンの損傷に伴う交換回数を低減し、防雪板を不要にすることで、軽量化、低コスト化を図り、保守費用を抑制することができる。

鉄道車両用電力変換装置を枕木方向へ見た正面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 実施例１の鉄道車両用電力変換装置をレール方向から見た際の冷却器の拡大図である。 図３におけるＢ−Ｂ線断面図である。 実施例２の鉄道車両用電力変換装置をレール方向から見た際の冷却器の拡大図である。 実施例３の鉄道車両用電力変換装置をレール方向から見た際の冷却器の拡大図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

［実施例１］
本発明の実施例１について図面を用いて説明する。
図３にこの実施例による半導体冷却ユニット３の構成を示す。
図の横方向が枕木方向、縦方向が天地方向を表している。ここでａは冷却フィン９の上端から保護カバー１０の内壁上面までの最短距離、ｂはヒートパイプ８の先端から保護カバー１０の内壁前面までの最短距離、ｃは冷却フィン９の下端から保護カバー１０下斜面までの最短距離、及びｄは冷却フィン９の下端から保護カバー１０の内壁下面までの最短距離をそれぞれ表している。

次に、図３における断面Ｂ−Ｂを図４に示す。図４は半導体冷却ユニット３を正面から見た図となっている。図の横方向がレール方向（列車進行方向）、縦方向が天地方向を表しており、図中の太矢印は飛び石等が飛来する方向を表している。また、冷却フィン９と、保護カバー１０の内壁における、枕木方向に対して平行かつ地面に対して垂直な面、すなわち、進行方向に対し垂直に対向する内壁側面との最短距離ｅで表している。

本実施例では、ヒートパイプ８または冷却フィン９と、保護カバー１０の間の距離の関係ａ〜ｅを一律に設定するのではなく、ａ〜ｄを、走行中の振動等によりヒートパイプ８や冷却フィン９と、保護カバー１０の各内壁とが干渉しない必要最小限の値とし、走行中、飛び石や氷片の衝突が頻発する、進行方向に対し垂直に対向する内壁側面との最短距離ｅのみを十分に確保する。
これにより、飛び石や氷片がこの側面に衝突しても、ヒートパイプ８または冷却フィン９に影響を与えないようにすることができる。ただし、鉄道車両が同一路線を往復運転する場合には、図４に示すように、左右両内壁側面に対し同様の最短距離ｅを確保する必要がある。

このように構成することで、全体としては、ヒートパイプ８または冷却フィン９の冷却容量を確保、あるいは向上させることができ、しかも、側面に飛び石や氷片が衝突しても、十分なマージンを確保することで、ヒートパイプ８または冷却フィン９を保護することが可能となる。
なお、冷却容量をさらに大きくするためには、必要に応じ、上記した最短距離ａ〜ｅを維持した上で、ヒートパイプ８の本数や冷却フィン９の枚数を増やせばよい。

［実施例２］
前述のとおり、鉄道車両１の底部に懸架される鉄道車両用電力変換装置２は、建築限界、車両限界規定をクリアするとともに、他の懸架機器との干渉を避けるため、半導体冷却ユニットを含め、進行方向の長さ、幅、高さとも可能な限りコンパクトにすることが求められている。
しかし、図２に示すように、保護カバー１０の内壁上面と、鉄道車両底部との間隙は、走行時の振動による干渉や電気的絶縁を確保できる範囲で縮小することができる。

そこで、この実施例では、図５に示すように、保護カバー１０の上面を、鉄道車両用電力変換装置２の端部から外方に向けて、鉄道車両底部に接近するよう傾斜させ、これにより、冷却フィン９を保護カバー１０の内壁における上面までの最短距離がａとなるよう、延長することが可能となる。これにより、冷却フィン９と保護カバー１０における側面内壁との最短距離ｅを十分に確保したとしても、冷却フィン９の総合面積を増やすことができ、冷却容量を増大させることができる。

［実施例３］
前述のとおり、保護カバー１０の上面と、鉄道車両底部との間隙は、走行時の振動による干渉や電気的絶縁を確保できる範囲で縮小することができる。

そこで、この実施例では、図６に示すように、保護カバー１０の上面において、枕木方向外側の一部を上方向である鉄道車両１の床下方向に拡大させるため、保護カバー１０の上側には、床下に近接させた平らな面である上面と、この上面からフレーム１１に向けて下方に傾斜している上斜面を設けている。上面においては冷却フィン９を保護カバー１０の内壁における上面までの最短距離がａとなるよう、上斜面においては冷却フィン９を保護カバー１０の内壁における上面までの最短距離がａ’となるよう、延長させている。
上斜面は他の懸架機器との干渉を避けられる範囲で可能な限りフレーム１１側に近接させることで、実施例２よりもさらに冷却フィン９を延長できる枚数を増やしている。これにより、冷却フィン９と保護カバー１０における内壁側面との最短距離ｅ（図４参照）を十分に確保したとしても、冷却フィン９の総合面積を増やすことができ、冷却容量を増大させることができる。

以上、実施例１〜３を用いて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されることなく、要は、スペース面で限られた保護カバー１０の内部において、飛び石や氷片が激突する可能性が最も高い、進行方向に対し垂直に対向する内壁側面との間隙を確保した上で、ヒートパイプ８や冷却フィン９を可能な限り拡大して、冷却容量の維持、増大を図るものであればよいから、この観点で各実施例を組み合わせるなど、様々な変形例が含まれる。

１ 鉄道車両
２ 鉄道車両用電力変換装置
３ 半導体冷却ユニット
４ 内部機器
５ 半導体素子
６ 冷却器
７ 受熱部
８ ヒートパイプ
９ 冷却フィン
１０ 保護カバー
１１ フレーム

Claims (3)

1. 鉄道車両の車体の床下に懸架され、半導体冷却ユニットが鉄道車両の車幅方向外側に装着された鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記半導体冷却ユニットは、半導体素子の一方の面に取り付けられた受熱部、前記受熱部材の他方の面に取り付けられたヒートパイプ及び該ヒートパイプが貫くように取り付けられた冷却フィンによって構成される冷却器と、該冷却器の周囲を覆う保護カバーとからなり、
   前記冷却器と前記保護カバーを構成する各内壁との間隙のうち、進行方向に対し垂直に対向する側面内壁との間隙を除いて、走行時の振動による干渉や電気的絶縁の確保を考慮した最小限の値に設定したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記保護カバーの上面を、枕木方向外側に向かうにつれ、前記鉄道車両の床下に接近するよう傾斜させた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。
3. 前記保護カバーの上面において、枕木方向外側の一部を前記鉄道車両の床下方向に近接させた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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