JP2014036072A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器に流入する冷媒の方向が，運転状況により変化する電力変換装置において，進行方向に依らず風上側と風下側の冷却性能を均一化することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換回路を構成する複数の半導体素子と，半導体素子が複数取り付けられたベース部５と，半導体素子から発生した熱を外気に放熱する放熱フィンと，を備え、放熱フィンに流入する冷媒の流れ方向が電力変換回路の運転状況により変化する電力変換装置において，冷媒の流れ方向に応じて、冷媒の放熱フィンにおける流出側の流路断面積が流入側の流路断面積よりも小さくなるように放熱フィン形状が変化することを特徴とする電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は，電力変換装置の冷却に関し、特に、冷却風の方向が変化する電力変換装置の冷却に関する。

電気鉄道車両には，車両を駆動する電動機を駆動するために，コンバータやインバータ等の電力変換装置が搭載される。これらの電力変換装置は，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やGTO(Gate Turn off Thyristor)等の半導体素子のスイッチングにより電力変換を行う。

半導体素子においては，導通損失およびスイッチング損失が発生し熱へと変わる。この熱により半導体素子が高温になると，変換効率の低下，デバイスの破損等が発生するおそれがあるため，半導体素子を所定の温度範囲になるよう冷却する必要がある。電力変換装置は主に搭載スペースの限られた車両床下等に搭載されるため，小型な装置構成で複数の半導体素子を効率良く冷却する必要がある。

ここで鉄道車両はターミナル駅で進行方向が変わり，前進する場合と後進する場合のいずれも場合においても同等の熱を発生する。鉄道車両の走行に伴う走行風を冷却風に利用する電力変換装置の冷却器においては，進行方向に依らない冷却性能の確保が必要となる。走行風を冷却に利用する電力変換装置の冷却器においては，風上側に設置された半導体素子の熱で暖められた冷却風で風下側に設置された半導体素子を冷却するため，風下側に設置された半導体素子の温度が風上側に対し高くなる。そのため，風下側に設置された半導体素子の温度が所定の温度範囲に収まるように冷却器の設計を行う必要がある。従って，風上側に設置された半導体素子は必要以上に冷却されることになり、風上側に設置された半導体素子に対する冷却器としては大型化する。

従来技術の特許文献1は，発熱素子を効率良く冷却するために冷却風の流れ調節機構が設けられ，上流側から下流側に至る流路が狭くなるような形状としている。この形状により下流部に備えられた放熱部の冷却性能を向上している。次に特許文献2は，鉄道用変換器の冷却器において，負荷は大きいが小さな走行風量しか得られない低速運転時と，負荷は小さいが走行風量が大きく必要以上に冷却する高速運転時のトレードオフを改善するため，冷却器へ取りこむ風量を調節するための整風板を設けている。

特開2003-298268 特開2006-224796

例えば、走行風を冷却に利用する鉄道車両用の電力変換装置は、前進する場合と後進する場合で冷却風の方向が反転し、いずれも場合においても同等の熱を発生するため、冷却風の方向に依らない冷却性能の確保が必要となる。ここで、特許文献1に記載された構造は、冷却風の方向が一方向であれば下流部に備えられた放熱部の冷却性能が向上するが，冷却風の方向が反転した場合には、下流部に備えられた放熱部の冷却性能が著しく低下してしまうため、前進する場合と後進する場合のいずれも場合においても風上側と風下側に配置された半導体素子の温度差を解消することはできない。また、特許文献2に記載された従来技術では，車両の速度に合わせ風量を調節可能であるが，同様に風上側と風下側に配置された半導体素子の温度差を，前進する場合と後進する場合のいずれも場合においても解消することはできていない。

本発明は、電力変換装置の冷却風の向きに関わらず、風上側と風下側に配置された半導体素子の温度差を平準化することを目的とする。

上記の目的を達成するため，電力変換回路を構成する複数の半導体素子と，半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え，前記冷却器に流入する冷媒の方向が前記電力変換回路の運転状況により変化する電力変換装置であって，前記冷却器は半導体素子を複数取り付けるベースと，外気に放熱する放熱フィンで構成され，方向の変化する前記冷媒に対応し，前記冷媒の流路断面積の流出側が流入側に対し小さくなるように変化することを特徴とする電力変換装置を発明の要旨とするものである。

本発明により，電力変換装置において，鉄道車両の進行方向によって変化する走行風の向きに関わらず，風上側と風下側に配置された半導体素子の温度差を平準化することが可能となる。

本発明の実施例1による電力変換装置に取り付けられる冷却器の斜視図および側面図である。 本発明の実施例2による電力変換装置に取り付けられる冷却器の斜視図および側面図である。 本発明の実施例3による電力変換装置に取り付けられる冷却器の斜視図および側面図である。 本発明の実施例4による電力変換装置に取り付けられる冷却器の斜視図および側面図である。 本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載された状態における車両走行方向から見た断面図である。 風下側のフィン間隔を狭くした効果を示す図である。 フィン1と異種金属6の材質組合せ例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例について説明する。図５は電力変換装置を鉄道車両に搭載した状態を示す断面図である。電力変換装置は、客室8の床下に搭載された筐体10の内部に実装される。電力変換装置の冷却器は、ベース部5の一方側に電力変換回路を構成する複数の半導体素子9が取り付けられており、他方側に放熱するためのフィン1を備えている。フィン1は、筐体10の外部に突き出して走行風を受けるように配置されており、フィン1の周りは通風孔を有するカバー11で覆われている。

図1は本発明の第1の実施例を示す。図1において，1はフィン，2はボールねじ，3はアクチュエータ，4は冷却風の方向，5は半導体素子の設置面を示す。ボールねじ2aおよび2bは逆向きにねじが切ってあり，時計回り(CW)，反時計回り(CCW)に回転するアクチュエータ3の動きに合わせて互いに逆方向へ移動する。ここでフィン枚数が偶数枚(2m, m=1,2,…)のとき，図1においてフィンNo.を上から順に1,2,・・・,2mとする。このときボールねじ2aのアクチュエータ3とは逆側の先端（最上部）はフィンNo. n (n=<m)に，ボールねじ2bのアクチュエータ3とは逆側の先端（最下部）はフィンNo. (2m+1-n)に固定される(n=1,2,…,m)。つまり、図1に示すような8枚のフィンで構成される例では、各ボールねじは、No.1とNo.8，No.2とNo.7，No.3とNo.6，No.4とNo.5，のフィンにそれぞれ接続されて、アクチュエータ3の動きに合わせて接続された２枚のフィンを内側へ撓ませることができる。

フィン枚数が奇数枚(2m+1, m=1,2,・・・)のとき，偶数枚と同様に上から順に1, 2,・・・,2m+1とする。このときボールねじ2aのアクチュエータ3とは逆側の先端（最上部）はフィンNo. n(n=<m)に，ボールねじ2bのアクチュエータ3とは逆側の先端（最下部）はフィンNo. (2(m+1)-n)に固定される(n=1,2,…,m)。つまり、9枚のフィンで構成される例では、各ボールねじは、No.1とNo.9，No.2とNo.8，No.3とNo.7，No.4とNo.6，のフィンにそれぞれ接続されて、アクチュエータ3の動きに合わせて接続された２枚のフィンを内側へ撓ませることができる。なお，フィン枚数が奇数枚のとき，フィンNo. m+1はボールねじに固定されない。

ここで，フィン枚数が偶数枚のとき，アクチュエータ3は図1に記載していない支持部材によりフィンNo. mとNo. m+1の中間に支持される。フィン枚数が奇数枚のとき，アクチュエータ3はフィンNo. m+1に支持される。

これらにより，仮にアクチュエータ3が反時計回りに回転した場合，ボールねじ2aと固定されたフィンは下側（アクチュエータ側）に撓み、ボールねじ2bと固定されたフィンは上側（アクチュエータ側）に撓むため、フィンは冷却風が通る流路断面積を小さくする方向へ撓む。逆に時計回りに回転した場合，フィンは冷却風が通る流路断面積を大きくする方向へ撓む。

この機構を利用して、風下側フィンのフィン間隔を風上側フィン間隔よりも狭くすることで風上側に対し風下側の流路断面積が小さくなり、風速が増大し，冷却性が向上する。走行風を冷却風として利用する鉄道車両においては，進行方向により冷却風の方向が変化する。そこで、鉄道車両の進行方向の情報、または半導体素子の設置面の温度情報に基づいて、進行方向後方側、または温度が高い部分のフィン間隔を狭くすることで，車両の進行方向が変わった場合であっても冷却器における風上と風下の冷却性能を均一化可能となり，冷却器に取り付けた半導体素子の温度を均一化することが可能となる。

図6に風下側のフィン間隔を狭くした効果を示す。図6のコンター図より，風下側のフィン間隔を約1.2%狭くすることで最大温度が約8.3%低減することが分かり，温度分布が均一化することが分かる。

なお，フィン間隔は，半導体素子の設置面に取り付けたサーミスタ等の温度センサ情報から発熱の大きな風下側を検知する，または，進行方向情報を鉄道車両の運転台から得ることで風下側を把握することで調節する。

図2は第2の実施例における冷却器の構成図を示す。本実施例における特徴は、フィン1が線膨張係数の異なる2種の金属を張り合わせて構成されている点である。6はフィン1において，フィン1と異なる材質の金属である。半導体素子が発熱し熱がフィンへ伝わったとき，2種金属間の線膨張係数の違いでフィンが撓む。ここで，フィン1の線膨張係数に対し，異種金属6の線膨張係数を小さくすることにより冷却風が通る流路断面積を小さくする方向へフィンが撓む。つまり、フィン外側の金属の線膨張係数よりもフィン内側の金属の線膨張係数を小さくすることにより、フィンの内部を通過する冷却風の流路断面積を小さくすることができる。

平板フィンにおいては、風上側に対し風下側の半導体素子の温度が高くなるため，風上側に対し風下側でのフィン撓みが大きくなり，風上から風下に向かって冷却風の流路断面積が小さくなる。なお，フィン1と異種金属6の材質組合せ例を図7に示す。組合せ１は、フィン1としてアルミニウムを、異種金属6として銅を利用したものである。組合せ２は、フィン１としてジェラルミンを、異種金属6としてアルミニウムを利用したものである。

図3は第3の実施例における冷却器の構成図を示す。実施例1では、フィンの全面にフィン間隔を変更する機構を配置したが、図3に示すように、フィン間隔を変化させる箇所は風下側の一部であっても本発明の効果は発生する。そのため，中間部は平板フィンとし，両端にのみフィン間隔を変化させるためのアクチュエータ3およびボールねじ2a，2bを取り付ける。本実施例により、実施例１よりも簡易な構成で風上と風下の温度差低減の効果を得ることができる。

図4は第4の実施例における冷却器の構成図を示す。実施例2では、フィンの全面にフィン間隔を変更するためのフィンを配置したが、図4に示すように、フィン間隔を変化させる箇所は風下側の一部であっても本発明の効果は発生する。そのため，中間部は平板フィンとし，両端にのみフィン間隔を変化させるための異種金属6を取り付けたフィンとする。本実施例により、実施例２よりも簡易な構成で風上と風下の温度差低減の効果を得ることができる。

上記した各実施例では、鉄道車両を例に挙げて説明したが、本発明は電力変換装置の運転状況によって，冷却器へ流入する冷媒の方向が変化する電力変換装置であれば、鉄道車両用の電力変換装置以外にも適用可能である。

1. フィン
2a, 2b ボールねじ
3. アクチュエータ
4 冷却風の方向
5 ベース部
6 異種金属
7 平板フィン
8 客室
9 半導体素子
10 筐体
11 カバー

Claims (6)

1. 電力変換回路を構成する複数の半導体素子と，
   前記半導体素子が複数取り付けられたベース部と，前記半導体素子から発生した熱を外気に放熱する放熱フィンと，を備え、
   前記放熱フィンに流入する冷媒の流れ方向が前記電力変換回路の運転状況により変化する電力変換装置において，
   前記冷媒の流れ方向に応じて、前記冷媒の前記放熱フィンにおける流出側の流路断面積が流入側の流路断面積よりも小さくなるように前記放熱フィン形状が変化することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項1において，前記放熱フィンの間隔を調節するためのアクチュエータを備えることを特徴とした電力変換装置。
3. 請求項1において，線膨張係数の異なる少なくとも2種類の金属によって放熱フィンが構成されたことを特徴とした電力変換装置。
4. 請求項１または2において，前記半導体素子の温度を測定する温度計測手段を有し，前記放熱フィンに流入する冷媒の方向を温度計測結果から判断することを特徴とした電力変換装置。
5. 請求項１または2において，前記放熱フィンに流入する冷媒の方向を，前記電力変換回路の駆動条件から判断することを特徴とした電力変換装置。
6. 請求項3において，放熱フィンの温度によって，放熱フィンの間隔が変化することを特徴とした電力変換装置。