JP2014055702A - 電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】
電力変換装置のパワー半導体を冷却する冷却装置のヒートパイプ内の作動流体が凍結してパワー半導体温度が異常上昇することを防止する。
【解決手段】
複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材とを備えた電力変換装置において、前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、前記複数の放熱部材に入る空気の温度を検出する入気温度検出手段とを備え、入気温度が第1の所定入気温度以下で受熱部温度が第1の所定受熱部温度以下のときには前記送風機を停止し、入気温度が第2の所定入気温度以上で受熱部温度が第2の所定受熱部温度以上のときには前記送風機を運転するようにした。
【選択図】 図1
電力変換装置のパワー半導体を冷却する冷却装置のヒートパイプ内の作動流体が凍結してパワー半導体温度が異常上昇することを防止する。
【解決手段】
複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材とを備えた電力変換装置において、前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、前記複数の放熱部材に入る空気の温度を検出する入気温度検出手段とを備え、入気温度が第1の所定入気温度以下で受熱部温度が第1の所定受熱部温度以下のときには前記送風機を停止し、入気温度が第2の所定入気温度以上で受熱部温度が第2の所定受熱部温度以上のときには前記送風機を運転するようにした。
【選択図】 図1
Description
本発明は電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両に関する。
電力変換装置は、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。電力変換装置のパワー半導体素子は発熱するため、パワー半導体素子が動作可能な温度範囲に保つためには、パワー半導体素子を冷却する必要がある。従来の電力変換装置においては、特許文献1のようにパワー半導体素子を取り付けた受熱部材からヒートパイプを立ち上げて、ヒートパイプに設けられたフィンに送風機から風を送ることによってパワー半導体素子の冷却をする例が見られる。
前記特許文献1の従来構造においては、外気温度が氷点下の低い温度のときに、ヒートパイプの放熱部に設けられたフィンが空気によって過剰に冷却され、ヒートパイプ中の作動流体がヒートパイプの先端部付近で凍結してヒートパイプの正常な動作ができなくなり、パワー半導体素子の温度が上がり過ぎて保護装置によって電力変換装置が停止したり、パワー半導体素子が破損したりするという問題があった。
本発明の目的は、強制空冷方式でヒートパイプを用いて冷却を行う電力変換装置において、外気温度が低い場合でも作動流体が凍結することなく、ヒートパイプによるパワー半導体素子の冷却が良好に行われる電力変換装置を得ることにある。
本発明の目的は、強制空冷方式でヒートパイプを用いて冷却を行う電力変換装置において、外気温度が低い場合でも作動流体が凍結することなく、ヒートパイプによるパワー半導体素子の冷却が良好に行われる電力変換装置を得ることにある。
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材とを有し、前記複数のパワー半導体作動流体は前記受熱部材の一方側の面に取付けられ、前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方側の面に取付けられ、前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、前記ヒートパイプに空気を送る送風機と、前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、外気の温度を検出する外気温度検出手段とを備え、外気温度を横軸に、受熱部温度を縦軸に取って描かれる座標平面において、第1の所定外気温度とそれよりも高い温度の第2の所定外気温度を横軸上にプロットし、第1の所定受熱部温度とそれよりも高い温度の第2の所定受熱部温度を縦軸上にプロットし、前記第1の所定外気温度と第1の所定受熱部温度とを結ぶ第1の曲線と、前記第2の所定外気温度と第2の所定受熱部温度とを結び前記第1の曲線と交わらない第2の曲線を設定し、外気温度と受熱部温度をプロットした点が前記第1の曲線の左下の領域では送風機を停止し、外気温度と受熱部温度をプロットした点が前記第2の曲線の右上の領域では送風機を運転し、前記第1の曲線と第2の曲線との間の領域ではその時点における送風機の運転あるいは停止状態を継続するようにした。
このような送風機の運転制御方法において、前記外気温度の第1の所定外気温を氷点下に設定することにより、外気温度が氷点下の低温時において、受熱部温度が低いとき、すなわちパワー半導体素子の発熱量が小さいときには送風機が停止される。したがって、外気が低温で素子の発熱量が小さいときでも、ヒートパイプの放熱部に設けられたフィンが空気によって過剰に冷却されることがなく、ヒートパイプの放熱部で作動流体が凍結せずに受熱部に戻るので、パワー半導体素子が動作して発熱することによってヒートパイプ受熱部の温度が上昇すると、作動流体は受熱部でパワー半導体素子から熱を奪って蒸発し、パワー半導体素子の冷却が良好に行われる。また、外気温度が高くヒートパイプが凍結しない場合においては、送風機が運転されるので、パワー半導体素子を確実に冷却することができる。
本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。図11に本発明の一実施形態(第1の実施形態)における電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの構成の一例を示す。本発明の電力変換装置は、鉄道車両の床下等に設けられ、車両を駆動する電動機に供給する電圧と周波数を制御することにより、電動機の回転速度の制御を行う。図11において、電力変換装置1000は、車体1002と固定されている。矢印30は冷却風の流れを示す。冷却風は、送風機24によって吸込みグリル25から吸い込まれ、電力変換装置1000の冷却装置1001に供給される。
図1に本実施形態における電力変換装置の冷却風の流れ方向に平行な鉛直断面図を、図2に冷却風の流れ方向と垂直な方向から見た鉛直断面図を示す。図1、2において、受熱部材3の一方の側には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子を含むパワー半導体モジュール5および6が設置されている。図1で、1000は電力変換装置全体、1001は電力変換装置の冷却装置を示す。図1、2において、冷却装置1001の周囲にはダクト7〜11が設けられ、図11に示すように、送風機24によってダクト7〜11に冷却風が送られる。
冷却装置1001は、受熱部材3、ヒートパイプ1、放熱フィン4等から構成される。パワー半導体モジュール5および6は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材3とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材3は、アルミニウム合金等の比較的熱伝導率が高い金属材料でつくられている。受熱部材3のパワー半導体モジュールと同じ側に設置された密閉構造のケース12〜16の内部には、パワー半導体モジュール5、6の他に、IGBT駆動回路やコンデンサ等、パワー半導体モジュール以外の電気部品20や送風機24の制御装置21が設置されている。受熱部材3のパワー半導体モジュール設置面の反対側には、U字形状のヒートパイプ1の受熱部101が埋め込まれ、受熱部101はハンダ付け等により受熱部材3と熱的に接続されている。U字形状ヒートパイプ1の受熱部101の両側からは、放熱部102が立ち上がっている。放熱部102には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数の放熱フィン4が圧入等によって接続されている。放熱フィン4の材質にはアルミニウムや銅を用いる。
送風機21の下流で放熱フィン4の上流のダクト内面には外気温度センサ(外気温度検出手段)22を設置する。また、受熱部材3の表面のパワー半導体モジュールの近傍には、受熱部温度センサ(受熱部温度検出手段)23を設置する。これらの温度センサにはサーミスタや白金測温抵抗体等を用いる。
次に、各パワー半導体モジュールを冷却する動作について図1、2により説明する。パワー半導体モジュール5、6の内部に設けられたパワー半導体素子が動作することによって発生した熱は受熱部材3に伝えられ、ヒートパイプ1の受熱部101に達する。ヒートパイプ1には作動流体(純水等)が封入されている。受熱部101において加熱された作動流体は蒸発して気体となり、放熱部102に移動する。放熱部102において空気によって冷却された作動流体は凝縮して液体に戻る。放熱部102には放熱フィン4を圧入等によって取り付けることにより、空気への放熱を促進させている。放熱部102で凝縮した冷媒は重力によって受熱部101に戻ってくる。このように蒸発、凝縮を繰り返して作動流体が移動することにより、パワー半導体モジュール5、6から受熱部材3に伝えられた熱は、大気などの電力変換装置の外に放散される。
図3に受熱部材3に取り付けられたヒートパイプの配置を示す。ヒートパイプ1の受熱部101は受熱部材3に埋め込まれ、はんだ付け等によって受熱部材3と接続される。ヒートパイプ2はフィン側に立ちあがるパイプが片側のみのヒートパイプである。受熱部材3の端に近い部分には、このようなヒートパイプを用いると良い。ヒートパイプ1、2は、受熱部の向きが冷却風の流れ30と平行に設置される。
図4に受熱部材3におけるパワー半導体モジュール5、6の配置例を示す。図1、2に示したように、パワー半導体モジュール5、6は受熱部材3のヒートパイプが立ち上げられている面とは反対側の面に設置されている。このパワー半導体モジュールの配置は、3レベルコンバータを例として示している。図3の501〜516はIGBTモジュールで、601〜604はクランプダイオードモジュールである。
図5に送風機の制御装置の構成を示す。制御装置21には、外気温度検出手段22および受熱部温度検出手段23からの信号が入力され、外気温度と受熱部温度に従って送風機24の制御を行う。
図6に送風機の制御パターンを示す。図6は横軸に外気温度を、縦軸に受熱部温度を示しており、外気温度と受熱部温度で区切られたそれぞれの領域で送風機のオン、オフを定めている。図6において、外気温度がTo1以下で、かつ受熱部温度がTb1以下のときには、送風機24は常に停止される。外気温度がTo2以上または受熱部温度がTb2以上の時には、送風機24は常に運転される。外気温度と受熱部温度が上記条件のいずれにも該当しないときには、送風機24はその時点における運転状態を継続する。すなわち、運転停止時はそのまま停止し続け、運転時にはそのまま運転し続ける。閾値のTo1、To2は氷点下の温度に設定し、To1はヒートパイプの作動流体がヒートパイプ先端付近の放熱部分で凍結しない限界付近の温度で、通常は−10℃から−1℃程度に設定する。To2は氷点下の範囲でTo1よりも1℃から5℃程度高く設定する。受熱部温度の閾値T b2は、受熱部材からパワー半導体モジュール内に設置されたパワー半導体素子までの熱抵抗と素子の損失およびパワー半導体素子の最高使用温度から設定される。Tb1はT b2よりも低く設定し、外気が低温時にもヒートパイプ先端で凍結が生じない温度に設定する。例えばT b2を60℃〜90℃程度、Tb1を20℃〜70℃程度に設定する。
外気温度が氷点下の低温時において、受熱部温度が低いとき、すなわちパワー半導体素子の発熱量が小さいときに送風機24を運転し続けると、ヒートパイプの放熱部に設けられたフィンが空気によって過剰に冷却されて、ヒートパイプの放熱部で作動流体が凍結してしまい、ヒートパイプの受熱部に作動流体が還流しないために冷却ができず、パワー半導体素子の温度が高くなりすぎる場合がある。
本実施形態の制御方法によって、外気温度が氷点下の低温時に受熱部温度が低いときには送風機24を停止することによって、外気が低温で素子の発熱量が小さいときでも、ヒートパイプの放熱部102に設けられたフィン4が空気によって過剰に冷却されることがなく、ヒートパイプの放熱部102で作動流体が凍結せずに受熱部101に還流する。パワー半導体素子が動作して発熱することによってヒートパイプ受熱部の温度が上昇すると、作動流体は受熱部でパワー半導体素子から熱を奪って蒸発し、パワー半導体素子の冷却が良好に行われる。
一方、外気温度が高い場合に送風機を停止すると短時間でパワー半導体素子の温度が上昇するため、すぐに送風機の運転を再開することになる。そこで、外気温度が十分に高く、ヒートパイプ内の作動流体が凍結する恐れがない場合には、送風機24を常に運転することにより、頻繁に運転、停止を繰り返して送風機24の寿命が短くなることを避けることができる。また、外気温度と受熱部温度による送風機24の運転、停止条件に図6のように不感帯を設けることによって、頻繁に送風機24が運転、停止を繰り返すことを防止している。運転、停止の頻度を更に減らすため、一旦、送風機24の運転が開始されたときには、あらかじめ定めた時間は、最低限、運転し続けるようにしても良い。
外気温度検出手段22の取付位置としては、図7に示すように、ケース12の外側の壁面に設けても良いし、図8に示すように、ダクト8の外側の壁面に設けても良い。また、図9に示すように、外気温度検出手段22をケース12の内側の壁面に設けても良い。ケース12は薄い金属製なので、ケース内側の表面温度は外気温度に近く、しかも外気温度検出手段である温度センサが外気に晒されないので、温度センサの信頼性が向上する。
図10に短尺のヒートパイプを用いた冷却構造における電力変換装置の冷却風の流れ方向に平行な鉛直断面図を示す。図10において、長尺のヒートパイプ1に対して長さが短い短尺ヒートパイプ26を設けた。短尺ヒートパイプ26を設けた冷却器で図6に示した制御を行うことにより、外気温度が非常に低いために長尺ヒートパイプ1内の作動流体が凍結している場合であっても、短尺ヒートパイプ26内の作動流体が凍結せずに正常動作するので、パワー半導体モジュール5、6を冷却することができる。短尺のパイプを設ける替わりに、長尺のパイプにおいて、パイプの根元付近のフィンだけをかしめて、パイプ先端部付近のフィンをかしめない構造としても良い。
図12に本発明の他の実施形態(第2の実施形態)における送風機の制御パターンを示す。図12において、外気温度Toと受熱部温度Tbとによって形成される平面上に引かれた2本の直線により、3つの領域が分けられており、図の左下の領域では送風機24は常に停止され、図の右上の領域では送風機24は常に運転される。2本の直線の間の領域においては、送風機24はその時点における運転状態を継続する。このような制御方法では、外気温度と受熱部温度の両方によって送風機の運転、停止条件をきめ細かく設定しており、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結をより確実に防止することができる。
図13に本発明の更に他の実施形態(第3の実施形態)における送風機の制御パターンを示す。図13において、外気温度を横軸に受熱部温度を縦軸に取った座標平面が、外気温度Toと受熱部温度Tbとによって形成される平面上に引かれた2本の曲線により3つの領域に分けられており、図の左下の領域では送風機24は常に停止され、図の右上の領域では送風機24は常に運転される。2本の曲線の間の領域においては、送風機24はその時点における運転状態を継続する。このような制御方法では、外気温度と受熱部温度の両方によって送風機の運転、停止条件をきめ細かく設定しており、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結をより確実に防止することができる。
図14に本発明の更に他の実施形態(第4の実施形態)における送風機の制御装置の構成を、図15に送風機の制御パターンを示す。本実施形態では、外気温度検出手段22、受熱部温度検出手段23の他に、電力変換装置の負荷あるいは出力を検出する負荷検出手段27を設け、送風機の運転、停止を外気温度と受熱部温度と負荷によって決定する。外気温度が低く、受熱部温度が低く、かつ負荷が小さい場合には送風機を停止する。外気温度が高く、受熱部温度が高く、かつ負荷が大きい場合には送風機を運転する。その間の領域では、送風機はそれ以前の運転状態を継続する。このように外気温度、受熱部温度および負荷について不感帯を設けることにより、送風機が頻繁に運転、停止を繰り返すことを避けている。
本実施の形態によれば、外気温度と受熱部温度の他に電力変換装置の負荷を考慮して送風機の運転、停止を制御しているので、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結を防止するとともに、負荷が大きいときには送風機を運転することにより、パワー半導体素子の過昇温をより確実に防止することができる。
図1に本実施形態における電力変換装置の冷却風の流れ方向に平行な鉛直断面図を、図2に冷却風の流れ方向と垂直な方向から見た鉛直断面図を示す。図1、2において、受熱部材3の一方の側には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子を含むパワー半導体モジュール5および6が設置されている。図1で、1000は電力変換装置全体、1001は電力変換装置の冷却装置を示す。図1、2において、冷却装置1001の周囲にはダクト7〜11が設けられ、図11に示すように、送風機24によってダクト7〜11に冷却風が送られる。
冷却装置1001は、受熱部材3、ヒートパイプ1、放熱フィン4等から構成される。パワー半導体モジュール5および6は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材3とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材3は、アルミニウム合金等の比較的熱伝導率が高い金属材料でつくられている。受熱部材3のパワー半導体モジュールと同じ側に設置された密閉構造のケース12〜16の内部には、パワー半導体モジュール5、6の他に、IGBT駆動回路やコンデンサ等、パワー半導体モジュール以外の電気部品20や送風機24の制御装置21が設置されている。受熱部材3のパワー半導体モジュール設置面の反対側には、U字形状のヒートパイプ1の受熱部101が埋め込まれ、受熱部101はハンダ付け等により受熱部材3と熱的に接続されている。U字形状ヒートパイプ1の受熱部101の両側からは、放熱部102が立ち上がっている。放熱部102には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数の放熱フィン4が圧入等によって接続されている。放熱フィン4の材質にはアルミニウムや銅を用いる。
送風機21の下流で放熱フィン4の上流のダクト内面には外気温度センサ(外気温度検出手段)22を設置する。また、受熱部材3の表面のパワー半導体モジュールの近傍には、受熱部温度センサ(受熱部温度検出手段)23を設置する。これらの温度センサにはサーミスタや白金測温抵抗体等を用いる。
次に、各パワー半導体モジュールを冷却する動作について図1、2により説明する。パワー半導体モジュール5、6の内部に設けられたパワー半導体素子が動作することによって発生した熱は受熱部材3に伝えられ、ヒートパイプ1の受熱部101に達する。ヒートパイプ1には作動流体(純水等)が封入されている。受熱部101において加熱された作動流体は蒸発して気体となり、放熱部102に移動する。放熱部102において空気によって冷却された作動流体は凝縮して液体に戻る。放熱部102には放熱フィン4を圧入等によって取り付けることにより、空気への放熱を促進させている。放熱部102で凝縮した冷媒は重力によって受熱部101に戻ってくる。このように蒸発、凝縮を繰り返して作動流体が移動することにより、パワー半導体モジュール5、6から受熱部材3に伝えられた熱は、大気などの電力変換装置の外に放散される。
図3に受熱部材3に取り付けられたヒートパイプの配置を示す。ヒートパイプ1の受熱部101は受熱部材3に埋め込まれ、はんだ付け等によって受熱部材3と接続される。ヒートパイプ2はフィン側に立ちあがるパイプが片側のみのヒートパイプである。受熱部材3の端に近い部分には、このようなヒートパイプを用いると良い。ヒートパイプ1、2は、受熱部の向きが冷却風の流れ30と平行に設置される。
図4に受熱部材3におけるパワー半導体モジュール5、6の配置例を示す。図1、2に示したように、パワー半導体モジュール5、6は受熱部材3のヒートパイプが立ち上げられている面とは反対側の面に設置されている。このパワー半導体モジュールの配置は、3レベルコンバータを例として示している。図3の501〜516はIGBTモジュールで、601〜604はクランプダイオードモジュールである。
図5に送風機の制御装置の構成を示す。制御装置21には、外気温度検出手段22および受熱部温度検出手段23からの信号が入力され、外気温度と受熱部温度に従って送風機24の制御を行う。
図6に送風機の制御パターンを示す。図6は横軸に外気温度を、縦軸に受熱部温度を示しており、外気温度と受熱部温度で区切られたそれぞれの領域で送風機のオン、オフを定めている。図6において、外気温度がTo1以下で、かつ受熱部温度がTb1以下のときには、送風機24は常に停止される。外気温度がTo2以上または受熱部温度がTb2以上の時には、送風機24は常に運転される。外気温度と受熱部温度が上記条件のいずれにも該当しないときには、送風機24はその時点における運転状態を継続する。すなわち、運転停止時はそのまま停止し続け、運転時にはそのまま運転し続ける。閾値のTo1、To2は氷点下の温度に設定し、To1はヒートパイプの作動流体がヒートパイプ先端付近の放熱部分で凍結しない限界付近の温度で、通常は−10℃から−1℃程度に設定する。To2は氷点下の範囲でTo1よりも1℃から5℃程度高く設定する。受熱部温度の閾値T b2は、受熱部材からパワー半導体モジュール内に設置されたパワー半導体素子までの熱抵抗と素子の損失およびパワー半導体素子の最高使用温度から設定される。Tb1はT b2よりも低く設定し、外気が低温時にもヒートパイプ先端で凍結が生じない温度に設定する。例えばT b2を60℃〜90℃程度、Tb1を20℃〜70℃程度に設定する。
外気温度が氷点下の低温時において、受熱部温度が低いとき、すなわちパワー半導体素子の発熱量が小さいときに送風機24を運転し続けると、ヒートパイプの放熱部に設けられたフィンが空気によって過剰に冷却されて、ヒートパイプの放熱部で作動流体が凍結してしまい、ヒートパイプの受熱部に作動流体が還流しないために冷却ができず、パワー半導体素子の温度が高くなりすぎる場合がある。
本実施形態の制御方法によって、外気温度が氷点下の低温時に受熱部温度が低いときには送風機24を停止することによって、外気が低温で素子の発熱量が小さいときでも、ヒートパイプの放熱部102に設けられたフィン4が空気によって過剰に冷却されることがなく、ヒートパイプの放熱部102で作動流体が凍結せずに受熱部101に還流する。パワー半導体素子が動作して発熱することによってヒートパイプ受熱部の温度が上昇すると、作動流体は受熱部でパワー半導体素子から熱を奪って蒸発し、パワー半導体素子の冷却が良好に行われる。
一方、外気温度が高い場合に送風機を停止すると短時間でパワー半導体素子の温度が上昇するため、すぐに送風機の運転を再開することになる。そこで、外気温度が十分に高く、ヒートパイプ内の作動流体が凍結する恐れがない場合には、送風機24を常に運転することにより、頻繁に運転、停止を繰り返して送風機24の寿命が短くなることを避けることができる。また、外気温度と受熱部温度による送風機24の運転、停止条件に図6のように不感帯を設けることによって、頻繁に送風機24が運転、停止を繰り返すことを防止している。運転、停止の頻度を更に減らすため、一旦、送風機24の運転が開始されたときには、あらかじめ定めた時間は、最低限、運転し続けるようにしても良い。
外気温度検出手段22の取付位置としては、図7に示すように、ケース12の外側の壁面に設けても良いし、図8に示すように、ダクト8の外側の壁面に設けても良い。また、図9に示すように、外気温度検出手段22をケース12の内側の壁面に設けても良い。ケース12は薄い金属製なので、ケース内側の表面温度は外気温度に近く、しかも外気温度検出手段である温度センサが外気に晒されないので、温度センサの信頼性が向上する。
図10に短尺のヒートパイプを用いた冷却構造における電力変換装置の冷却風の流れ方向に平行な鉛直断面図を示す。図10において、長尺のヒートパイプ1に対して長さが短い短尺ヒートパイプ26を設けた。短尺ヒートパイプ26を設けた冷却器で図6に示した制御を行うことにより、外気温度が非常に低いために長尺ヒートパイプ1内の作動流体が凍結している場合であっても、短尺ヒートパイプ26内の作動流体が凍結せずに正常動作するので、パワー半導体モジュール5、6を冷却することができる。短尺のパイプを設ける替わりに、長尺のパイプにおいて、パイプの根元付近のフィンだけをかしめて、パイプ先端部付近のフィンをかしめない構造としても良い。
図12に本発明の他の実施形態(第2の実施形態)における送風機の制御パターンを示す。図12において、外気温度Toと受熱部温度Tbとによって形成される平面上に引かれた2本の直線により、3つの領域が分けられており、図の左下の領域では送風機24は常に停止され、図の右上の領域では送風機24は常に運転される。2本の直線の間の領域においては、送風機24はその時点における運転状態を継続する。このような制御方法では、外気温度と受熱部温度の両方によって送風機の運転、停止条件をきめ細かく設定しており、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結をより確実に防止することができる。
図13に本発明の更に他の実施形態(第3の実施形態)における送風機の制御パターンを示す。図13において、外気温度を横軸に受熱部温度を縦軸に取った座標平面が、外気温度Toと受熱部温度Tbとによって形成される平面上に引かれた2本の曲線により3つの領域に分けられており、図の左下の領域では送風機24は常に停止され、図の右上の領域では送風機24は常に運転される。2本の曲線の間の領域においては、送風機24はその時点における運転状態を継続する。このような制御方法では、外気温度と受熱部温度の両方によって送風機の運転、停止条件をきめ細かく設定しており、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結をより確実に防止することができる。
図14に本発明の更に他の実施形態(第4の実施形態)における送風機の制御装置の構成を、図15に送風機の制御パターンを示す。本実施形態では、外気温度検出手段22、受熱部温度検出手段23の他に、電力変換装置の負荷あるいは出力を検出する負荷検出手段27を設け、送風機の運転、停止を外気温度と受熱部温度と負荷によって決定する。外気温度が低く、受熱部温度が低く、かつ負荷が小さい場合には送風機を停止する。外気温度が高く、受熱部温度が高く、かつ負荷が大きい場合には送風機を運転する。その間の領域では、送風機はそれ以前の運転状態を継続する。このように外気温度、受熱部温度および負荷について不感帯を設けることにより、送風機が頻繁に運転、停止を繰り返すことを避けている。
本実施の形態によれば、外気温度と受熱部温度の他に電力変換装置の負荷を考慮して送風機の運転、停止を制御しているので、ヒートパイプ内の作動流体の放熱部での凍結を防止するとともに、負荷が大きいときには送風機を運転することにより、パワー半導体素子の過昇温をより確実に防止することができる。
図16に本発明の更に他の実施形態(第5の実施形態)における送風機の制御装置の構成を示す。また、図17に本実施形態における受熱部材3上におけるパワー半導体モジュール501〜516、クランプダイオードモジュール601〜608と受熱部温度センサ(受熱部温度検出手段)231〜242の配置を示す。本実施形態では、複数の受熱部温度検出手段231〜242を設置する。図6の制御を行う場合、Tb2の温度は最も高く検出された受熱部温度を使い、Tb1の温度は最も低く検出された受熱部温度を使うと良い。このように、ファンの運転を最も高いパワー半導体素子付近の受熱部温度で判断し、ファンの停止を、最も低い温度のパワー半導体素子付近の受熱部温度で判断することにより、パワー半導体素子の過昇温とヒートパイプの凍結をより確実に防止できる。図18は2レベルのコンバータ回路におけるパワー半導体素子501〜516と受熱部温度センサ331〜342の配置の一例を示している。この場合も、受熱部温度検出手段の検出した最も高い温度を受熱部温度として第1の実施形態と同様の制御を行う。また、図6制御を行う場合、Tb2の温度は最も高く検出された温度を使い、Tb1の温度は最も低く検出された温度を使うと良い。
本実施形態によれば、複数の受熱部温度検出手段を設け、Tb2の温度は最も高く検出された受熱部温度を使い、Tb1の温度は最も低く検出された受熱部温度を使うことにより、パワー半導体素子の過昇温とヒートパイプの凍結をより確実に防止することができる。
本実施形態によれば、複数の受熱部温度検出手段を設け、Tb2の温度は最も高く検出された受熱部温度を使い、Tb1の温度は最も低く検出された受熱部温度を使うことにより、パワー半導体素子の過昇温とヒートパイプの凍結をより確実に防止することができる。
以上詳しく説明したように、本発明によれば、外気温度が低い場合でも冷却装置のヒートパイプ内の作動流体が放熱部付近で凍結することを防止できるので、パワー半導体素子の温度が上昇し過ぎることなく良好な冷却が行われる。
1…ヒートパイプ
2…第2のヒートパイプ
3…受熱部材
4…フィン
5、501〜516…IGBTモジュール
6、601〜608…クランプダイオードモジュール
7〜11…ダクト
12〜16…ケース
20…駆動回路等の電気部品
21…送風機制御装置
22…入気温度検出手段
23…受熱部温度検出手段
24…送風機
101…ヒートパイプ1の受熱部
102…ヒートパイプ1の放熱部
2…第2のヒートパイプ
3…受熱部材
4…フィン
5、501〜516…IGBTモジュール
6、601〜608…クランプダイオードモジュール
7〜11…ダクト
12〜16…ケース
20…駆動回路等の電気部品
21…送風機制御装置
22…入気温度検出手段
23…受熱部温度検出手段
24…送風機
101…ヒートパイプ1の受熱部
102…ヒートパイプ1の放熱部
Claims (10)
- 複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材と、を有し、
前記複数のパワー半導体モジュールは前記受熱部材の一方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、
前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、
前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
を備え、
外気温度を横軸に、受熱部温度を縦軸に取って描かれる座標平面において、第1の所定外気温度とそれよりも高い温度の第2の所定外気温度を横軸上にプロットし、第1の所定受熱部温度とそれよりも高い温度の第2の所定受熱部温度を縦軸上にプロットし、前記第1の所定外気温度と第1の所定受熱部温度とを結ぶ第1の曲線と、前記第2の所定外気温度と第2の所定受熱部温度とを結び前記第1の曲線と交わらない第2の曲線を設定し、
外気温度と受熱部温度をプロットした点が前記第1の曲線の左下の領域では送風機を停止し、外気温度と受熱部温度をプロットした点が前記第2の曲線の右上の領域では送風機を運転し、前記第1の曲線と第2の曲線との間の領域ではその時点における送風機の運転あるいは停止状態を継続する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記外気温度検出手段を前記複数の放熱部材の上流のダクト内部に設置したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記外気温度検出手段を、パワー半導体モジュールを格納したケースの外側の壁面または送風ダクトの外側の壁面に設置したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記外気温度検出手段を、パワー半導体モジュールを格納したほぼ密閉のケースの内側の壁面に設置したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 複数の受熱部温度検出手段を備え、前記第1の曲線の判定には複数の受熱部温度のうちで最低の温度を使い、前記第2の曲線の判定に複数の受熱部温度のうちで最高の温度を使って送風機の運転または停止を決定することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 2種類以上の長さのヒートパイプを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の電力変換装置。
- 複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材と、を有し、
前記複数のパワー半導体モジュールは前記受熱部材の一方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、
前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、
前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
を備え、
外気温度が第1の所定外気温度以下かつ受熱部温度が第1の所定受熱部温度以下のときに前記送風機を停止し、外気温度が第2の所定外気温度以上または受熱部温度が第2の所定受熱部温度以上のときに前記送風機を運転し、外気温度と受熱部温度が前記のいずれにも該当しないときは、その時点における送風機の運転あるいは停止状態を継続する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材と、を有し、
前記複数のパワー半導体モジュールは前記受熱部材の一方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、
前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、
前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
前記電力変換装置の負荷を検出する負荷検出手段と
を備え、
外気温度が第1の所定外気温度以下かつ受熱部温度が第1の所定受熱部温度以下かつ電力変換装置の負荷が第1の所定負荷以下のときに前記送風機を停止し、外気温度が第2の所定外気温度以上または受熱部温度が第2の所定受熱部温度以上または電力変換装置の負荷が第2の所定負荷以上のときに前記送風機を運転し、外気温度と受熱部温度と電力変換器負荷が前記のいずれにも該当しないときは、その時点における送風機の運転あるいは停止状態を継続する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 複数のパワー半導体モジュールと、受熱部材と、複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられた複数の放熱部材と、を有し、
前記複数のパワー半導体モジュールは前記受熱部材の一方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプは前記受熱部材の他方側の面に取付けられ、
前記複数のヒートパイプの少なくとも一部は前記受熱部材の外側に立ち上げられた放熱部を備えた電力変換装置において、
前記複数の放熱部材に空気を送る送風機と、
前記受熱部材の表面の温度を検出する受熱部温度検出手段と、
外気の温度を検出する外気温度検出手段と、
を備え、
外気温度が第1の所定外気温度以下かつ受熱部温度が第1の所定受熱部温度以下のときに前記送風機を停止し、外気温度が第2の所定外気温度以上または受熱部温度が第2の所定受熱部温度以上のときに前記送風機を運転し、外気温度と受熱部温度が前記のいずれにも該当しないときは、その時点における送風機の運転あるいは停止状態を継続し、
送風機の運転が開始されたときには、あらかじめ定めた時間は送風機の運転を継続する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1乃至9のいずれかに記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012200064A JP2014055702A (ja) | 2012-09-12 | 2012-09-12 | 電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012200064A JP2014055702A (ja) | 2012-09-12 | 2012-09-12 | 電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014055702A true JP2014055702A (ja) | 2014-03-27 |
Family
ID=50613179
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012200064A Pending JP2014055702A (ja) | 2012-09-12 | 2012-09-12 | 電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2014055702A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016024539A (ja) * | 2014-07-17 | 2016-02-08 | 篠原電機株式会社 | サーバーシステム用の空気調和装置 |
JP2016143753A (ja) * | 2015-02-02 | 2016-08-08 | 株式会社日立製作所 | ヒートパイプ式冷却装置及びこれを備えたエレベータシステム |
JP2020053438A (ja) * | 2018-09-21 | 2020-04-02 | 富士電機株式会社 | 半導体モジュールおよび車両 |
WO2023281557A1 (ja) * | 2021-07-05 | 2023-01-12 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
-
2012
- 2012-09-12 JP JP2012200064A patent/JP2014055702A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016024539A (ja) * | 2014-07-17 | 2016-02-08 | 篠原電機株式会社 | サーバーシステム用の空気調和装置 |
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