JP2016047692A - 電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のパワー半導体を効率的に冷却する。【解決手段】複数のパワー半導体素子と、受熱部材と、複数の板状の放熱フィンとを備え、複数のパワー半導体素子は受熱部材の水平方向の一方側の面に取付けられ、複数の放熱フィンは受熱部材の水平方向の他方側の面に設けられ、複数の放熱フィンに導入される冷却風を発生させる送風機を備え、鉄道車両の床下に搭載される電力変換装置であって、複数の放熱フィンの板面が車両の進行方向を向くように構成する構造とした。【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。車両の床下等のスペースは限られているため、電力変換装置を小型化することが望まれている。従来の電力変換装置は、特許文献１のように半導体素子を取り付けた受熱部材に車両の走行方向に沿って設けられた冷却フィンの間に走行風を流すことによって半導体を冷却する構造が知られている。

特開２００６−３０６３９９号公報

特許文献１のような構造において冷却性能を更に向上させようとした場合には、送風機を設けて強制的に送風することにより冷却性能を向上させる方法、もしくはフィン長を伸ばしてフィンの表面積を増加させる方法が考えられる。まず、特許文献１のような構造の冷却器に冷却用送風機を付けようとする場合、車両の進行方向によって走行風の向きが変わるため、送風機をフィンの一方の側だけに取り付けると送風機による送風と走行風が打ち消し合って十分に冷却できない。また、走行風が入らないようにフィンの前後方向にカバーを設けると、カバーとフィンの間の狭い隙間を通して送風機により送られる空気を排気する必要があるため、通風抵抗が大きくなって冷却性能が低下してしまうという問題があった。次に、特許文献１のような構造の冷却器のフィン長を伸ばしてフィンの表面積を増加させた場合、フィンが下側に伸びるため、電力変換装置の高さ方向の寸法が増加するが、鉄道車両の床下スペースは車両限界によりその高さには制限があるためフィン長を十分に伸ばすことができないという問題がある。

本発明の目的は、高さ寸法に制限のある鉄道車両の床下に配置される場合であっても、要求される冷却性能によりフィン長を伸ばした場合であっても、鉄道車両の床下に搭載することができ、かつ、車両の進行方向によって走行風の向きが変わっても十分な冷却性能を保つことができる電力変換装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置では、複数のパワー半導体素子と、受熱部材と、複数の板状の放熱フィンとを備え、複数のパワー半導体素子は受熱部材の水平方向の一方側の面に取付けられ、複数の放熱フィンは受熱部材の水平方向の他方側の面に設けられ、複数の放熱フィンに導入される冷却風を発生させる送風機を備え、鉄道車両の床下に搭載される電力変換装置であって、複数の放熱フィンの板面が車両の進行方向を向くように構成する構成とした。

フィン長を調整すること高さ寸法を変えることなく求められる冷却性能を達成でき、かつ、車両の進行方向によって走行風の向きが変わっても十分な冷却性能を保つことが可能である。

本発明の一実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の車両の水平断面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と平行な鉛直断面図である。 本発明の他の実施形態（第２の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図である。 本発明の他の実施形態(第２の実施形態)における電力変換装置の水平断面図である。 第１の実施形態または第２の実施形態において、両端のフィンをカバーの代用とした構造を示す図である。 本発明の更に他の実施形態(第３の実施形態)における電力変換装置の車両の進行方向と平行な鉛直断面図である。 本発明の更に他の実施形態(第４の実施形態)における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図である。 本発明の更に他の実施形態(第４の実施形態)における電力変換装置の進行方向と平行な鉛直断面図である。 本発明の更に他の実施形態(第５の実施形態)における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図である。 本発明の更に他の実施形態(第５の実施形態)における電力変換装置の車両の進行方向と平行な鉛直断面図である。 第４の実施形態または第５の実施形態において、両端のフィンをカバーの代用とした構造を示す図である。 本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載した構成を示す図である。

本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。図１３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力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行う。図１３において、電力変換装置５００は、車体５０１に吊り下げられた状態で固定されている。図１に本実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図２に水平断面図、図３に車両の進行方向と平行な鉛直断面図を示す。図１〜３において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材２の水平方向の一方側には、複数の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４が受熱部材２と熱的に接触するように設置されている。ここで、複数のパワー半導体モジュール４は、例えばインバータやコンバータ等の電力変換装置を構成している。パワー半導体モジュール４は、例えばグリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材２とねじ等(図示せず)によって固定される。また、受熱部材２は例えば支持部材２０に固定されている。支持部材２０及び受熱部材２のパワー半導体モジュール４の側には、例えばフィルタコンデンサやＩＧＢＴ駆動回路等の電子部品１６が設置されている。また、支持部材２０及び受熱部材２のパワー半導体モジュール４の側は、例えばケース１０、１１、１２により密閉されている。受熱部材２のパワー半導体モジュール設置面と水平方向の逆側にはアルミニウム合金等の金属からなるフィン１が受熱部材２と熱的に接触するように設けられる。フィン１は受熱部材２と一体構造にしても良い。フィン１の先端側には送風機固定部材２１を設け、そこに送風機３が設置される。外部から飛来したバラスト等の異物によって破壊されるのを防ぐために、フィン１および送風機３は例えばカバー５、６、７によって覆われている。側面のカバー６には外気を取り込むための格子状の金属板や金網等でできた吸入口８が設けられており、吸入口８を通って冷却空気（外気）が送風機３に導かれる。図の矢印４０、４１は冷却空気の流れのおおまかな方向を示している。パワー半導体モジュール４の内部に設けられたパワー半導体素子等が動作することによって発生した熱は受熱部材２に伝えられ、更に受熱部材２からフィン１に伝えられる。送風機３によって取り入れられた空気は、フィン１の先端側からフィンの間の空間に送られ、フィン１の間を移動しながらフィン１から熱を奪ってフィン１を冷却する。フィン１を冷却しながらフィン１の上下方向に移動した空気は、電力変換装置の上下のカバー５は、例えば格子状の金属板や金網等で構成され、当該カバー５の排出口９を通って外部に放出される。空気が流出するフィン１の上下部分に直接走行風が当たらないようにするため、車両進行方向の前後に配置されるカバー７がフィンの上下部分まで突出してフィンの上下部分を覆うようにカバーを設置する(図３の破線の丸で表示した部分)。

本発明では、フィン１が受熱部材から車両横方向に伸びるように形成されているため、求められる冷却性能に応じてフィンの長さ伸ばした場合であっても、電力変換装置の高さ寸法は変わらないため、問題無く車両の床下に搭載することが可能となる。車体下部に電力変換装置５００を取り付ける場合、車両限界によりその高さには制限があるため、受熱部材２は、高さ方向の寸法よりも進行方向の寸法を大きくすることが機器実装の観点では望ましい。ここえ、フィン１の向きを車両の進行方向３０〜３２と垂直な方向とすることにより、制限のある高さ方向の寸法を小さくした場合に、空気の流路長を短くでき、さらには空気の排出口９をフィン上下の面積の広い部分に設けることができるため、空気流路の圧力損失が小さく抑えられて冷却性能が向上する。つまり、フィン１、更には電力変換装置を小型化することが可能となる。

このように、受熱部材２の高さ寸法よりも進行方向の寸法を大きくする場合、複数の小型の送風機を進行方向に並べて配置し、フィン１の全域に偏りなく走行風を送り込むようにしても良い。

また、フィン１の上下の空気が流出する部分に直接冷却風が当たらないようにカバー７を設置することにより、走行風がフィン１からの空気の流出を阻害する影響を低減できるので冷却性能が更に向上し、フィン１及び電力変換装置を更に小型化することが可能である。

また、電力変換装置のフィン１が受熱部材の車両側面側、パワー半導体モジュール４が受熱部材の車両中央側に配置することで、車両側面側の開かれた空間から空気を取り込むことができ、車両床下中央側の閉ざされた空間から空気を取り込むよりも空気抵抗を少なくすることができる。

次に、図４に本発明の他の実施形態（第２の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図５に水平断面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態の中で特に言及しない構成は実施例１と同等の構成であるものとする。本実施形態では、送風機がフィン１の垂直方向下側に配置され、送風機が発生させる垂直上向きの冷却風は、フィン１に導入され、フィン１の上側に排出される。車両進行方向のカバー７を格子状の金属板や金網等で構成し、カバー７に第２の吸入口１３を設ける。第２の吸入口１３からは、送風機３の下流側で送風機３とフィン１の先端との間の空間に外気が取り込まれる。矢印４２は走行により導入される空気のおおまかな流れ方向を示している。第２の吸入口１３から導入された空気は車両の走行に起因する速度成分を持っており、送風機３から送られた空気の速度成分と合成されてフィン１の先端側からフィン１に流入する。速度成分の合成によってフィン１に流入する空気の速度をより大きくすることができるので、フィン１による冷却性能を向上でき、フィン１及び、電力変換装置をより小型化することが可能である。

図６に示すように、第１の実施形態および第２の実施形態におけるカバー７の替わりに、車両進行方向の両端のフィン１７をカバー７の代用として、その上下部分にカバー１４および１５を取り付ける構造としても良い。このとき、両端のフィン１７の強度を増すために、両端のフィン１７の厚みを他のフィン１よりも厚くしても良い。

図７に本発明の更に他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と平行な鉛直断面図を示す。本実施形態の中で特に言及しない構成は実施例１と同等の構成であるものとする。図７において、送風機３の中心の位置を、フィン１の上下方向の中央の位置A-Aよりも上側のB-Bの位置にずらしている。送風機３の中心位置をずらす方向は、図１３において上側のカバーの上面から車体までの空気が通る部分の距離aと、下側のカバーの下面から地面までの空気が通る部分の距離bの大小関係により決定すると良い。例えば、距離aが距離bより短い場合には、図７に示すように、距離が短い方である上側にずらすようにする。また、距離aが距離bより長い場合には、距離が短い方でなる下側にずらすようにしている。上下のカバー５の外側を流れる空気の流速が間隔の狭い部分を通る方が早くなり、フィン１からカバー５の外部への空気の流出を妨げるため、カバー５の外側の空気が通る部分の距離が狭い方には空気が流れにくくなり、冷却性能に偏りが出る。この影響を小さくして、冷却性能を均一化するために送風機の中心位置をずらしている。このような構成により、冷却性能を向上でき、フィン１、更には電力変換装置をより小型化することが可能である。

次に、図８に本発明の更に他の実施形態（第４の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図９に車両の進行方向と平行な鉛直断面図を示す。本実施形態の中で特に言及しない構成は実施例１と同等の構成であるものとする。図８、図９において、フィン１は車両の進行方向に対して垂直の方向を向くように設置され、フィン１の下部に送風機３が設けられる。格子状の金属板や金網等でできた吸入口２４から吸い込まれた空気は送風機３によってフィン１の間の空間に送り込まれる。図８、９の矢印４３、４４は、空気の流れのおおまかな方向を示しており、空気はフィン１の下側から上側に流れる。パワー半導体モジュール４の内部に設けられたパワー半導体素子等が動作することによって発生した熱は受熱部材２に伝えられ、更にそこからフィン１に伝えられる。送風機３により送られた空気は、フィン１の間を通過するときにフィン１から熱を奪ってフィン１を冷却する。フィン１から出た空気は格子状の金属板や金網等で格子柄された上側カバーの排出口２５を経て、外部に放出される。フィン１の先端側には側面カバー２２を設け、冷却風がフィン１の外側に漏れるのを防止して冷却性能を高めている。また、外部から飛来した異物がフィン等に当たるのを防止するため、フィン１の進行方向側にもカバー２３を設ける。フィン１の上部の空気が流出する部分に直接に走行風が当たらないようにするため、カバー２３の上部がフィンの上面よりも上側に出るようにカバー２３を設置する(図９の破線の丸で表示した部分)。制限のある高さ方向の寸法を進行方向の寸法よりも小さくした場合に、フィン１を車両の進行方向３０〜３２と垂直な方向に設置することにより、また空気の流路長を短くでき、更には空気の排出口２５をフィン上部の面積の広い部分に設けることができるため、空気流路の圧力損失が小さく抑えられて冷却性能が向上する。よって、フィン１、更には電力変換装置を小型化することが可能となる。

つまり、高さ方向の寸法を進行方向よりも短くして車両実装を容易とし、かつ、空気流路の圧力損失を小さく抑えて冷却性能を向上させることができる。

このように、受熱部材２の高さ寸法よりも進行方向の寸法を大きくする場合、複数の小型の送風機を進行方向に並べて配置し、フィン１の全域に偏りなく走行風を送り込むようにしても良い。また、カバー２３によってフィン１の上側の空気が流出する部分に直接冷却風が当たらないようにカバー２３を設置することにより、走行風がフィン１からの空気の流出を阻害する影響を低減できるので冷却性能が向上し、フィン１及び電力変換装置をさらに小型化することが可能である。

ここで、本実施形態（第４の実施形態）では、フィン１の先端側から冷却風を導入する第１〜第３の実施形態とは異なり、フィン１の下側から上側に冷却風を流すため、冷却流路をほぼ直線状に形成することができる。つまり、冷却流路が直角に曲がっている第１〜第３の実施形態よりも、通風抵抗を低く抑えることができる。なお、第４の実施形態では、フィン１の下側から上側に冷却風を流す例を示しているが、フィン１の上側に送風機３を設け、上側から下側に冷却風を流す構成としても良い。

次に、図１０に本発明の更に他の実施形態（第５の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図１１に車両の進行方向と平行な鉛直断面図を示す。本実施形態の中で特に言及しない構成は実施例４と同等の構成であるものとする。図１０、１１において、進行方向両側のカバー２３の下部を格子状の金属板や金網等で構成することでカバー２３下部に第２の吸入口２６を設ける。第２の吸入口２６からは、送風機３の下流側でフィン１との間の部分に外気が取り込まれる。そのため、第２の吸入口２６は、望ましくは送風機３とフィン１の間に対応する高さに構成される。矢印４３，４４は空気の大まかな流れ方向を示す。第２の吸入口２６から導入された空気は車両の走行に起因する速度成分を持っており、送風機３から送られた空気の速度成分と合成されて、フィン１の下側からフィン１に流入する。速度成分の合成によってフィン１に流入する空気の速度をより大きくすることができるので、フィン１による冷却性能を向上でき、フィン１を更に小型化することが可能である。

第４の実施形態および第５の実施形態におけるカバー２３の替わりに、図１２に示すように進行方向両端のフィン１７をカバーの代用として、その上下部分に上側カバー２７および下側カバー２８を取り付ける構造としても良い。このとき、両端のフィン１７の強度を増すために、両端のフィン１７の厚みを他のフィン１よりも厚くしても良い。また、下側カバー２８には、第２の吸入口２６が設けられ、この第２の吸入口２６は、望ましくは送風機３とフィン１の間に対応する高さに構成される。

なお、第５の実施形態では、フィン１の下側から上側に冷却風を流す例を示しているが、フィン１の上側に送風機３を設け、上側から下側に冷却風を流す構成としても良い。この場合、第２の吸入口２６は、進行方向両側のカバー２３の上部または上側カバー２７に構成される。

上述した各実施形態では、送風機３がフィンの風上側に配置されてフィンへ冷却風を送り込む例を示したが、送風機３はフィンの風下側のフィンと排出口９、２５の間に配置することも可能である。

１、１７…フィン
２…受熱部材
３…送風機
４…パワー半導体素子
５、６、７、１４，１５、２２、２３、２６、２７…カバー
８、２４…吸入口
９、２５…排出口
１０、１１、１２…ケース
１３、２６…第２の吸入口

Claims (12)

1. 複数のパワー半導体素子と、受熱部材と、複数の板状の放熱フィンとを備え、
   前記複数のパワー半導体素子は前記受熱部材の水平方向の一方側の面に取付けられ、
   前記複数の放熱フィンは前記受熱部材の水平方向の他方側の面に設けられ、
   前記複数の放熱フィンに導入される冷却風を発生させる送風機を備え、鉄道車両の床下に搭載される電力変換装置であって、
   前記複数の放熱フィンの板面が車両の進行方向を向くように構成する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記送風機を前記複数の放熱フィンの水平方向の先端側に設け、
   前記送風機から前記複数の放熱フィン側へ導入され、前記放熱フィンの上下方向に排出される冷却風を発生させることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２記載の電力変換装置において、
   電力変換装置と車体の間の間隔が電力変換装置と地面の間の間隔よりも小さくなる場合には、前記送風機の上下方向の中心が、前記放熱フィンの上下方向の中心よりも上側となるように前記送風機を配置し、
   電力変換装置と車体の間の間隔が電力変換装置と地面の間の間隔よりも大きくなる場合には、前記送風機の上下方向の中心が、前記放熱フィンの上下方向の中心よりも下側となるように前記送風機を配置する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または請求項３記載の電力変換装置において、
   前記放熱フィンの車両進行方向の前後に配置されるカバーを備え、
   前記カバーを前記放熱フィンの上側及び下側に突出させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記送風機を前記複数の放熱フィンの垂直方向の下側に設け、
   前記送風機から前記複数の放熱フィン側へ導入され、前記放熱フィンの上側に排出される垂直上方向の冷却風を発生させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５記載の電力変換装置において、
   前記放熱フィンの車両進行方向の前後に配置されるカバーを備え、
   前記カバーを前記放熱フィンの上側に突出させることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記送風機を前記複数の放熱フィンの垂直方向の上側に設け、
   前記送風機から前記複数の放熱フィン側へ導入され、前記放熱フィンの下側に排出される垂直下方向の冷却風を発生させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７記載の電力変換装置において、
   前記放熱フィンの車両進行方向の前後に配置されるカバーを備え、
   前記カバーを前記放熱フィンの下側に突出させることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項２乃至請求項８のいずれかに一項に記載の電力変換装置において、
   前記複数の放熱フィンの車両進行方向の前後に配置されるカバーを備え、
   前記放熱フィンと前記送風機の間に対応する前記カバー上の位置に、走行風を取り込む吸入口が設けられる
   ことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項２乃至請求項８のいずれかに一項に記載の電力変換装置において、
    前記複数の放熱フィンのうち、車両進行方向の両端に配置された前記放熱フィンを前記カバーとして構成し、
    車両進行方向の両端に配置された前記放熱フィンの厚さを、他の放熱フィンよりも厚くすることを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
    前記受熱部材は、垂直高さ方向の寸法よりも車両進行方向の寸法が大きくなるように構成されることを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の電力変換装置を車両床下に搭載した鉄道車両。