JP2017069356A - Electric power conversion device and railway vehicle equipped with the same - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a power conversion device and a railway vehicle equipped with the same.
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においては、特許文献1のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材から立ち上げたヒートパイプにフィンを取り付けて、フィンの上流側に設けたブロアによってフィン間に送風することによりパワー半導体素子を冷却する構造が知られている。また、特許文献2には、複数の軸流ファンをフィンの上流側に設け、フィンに取り付けた電子部品を冷却する構造が見られる。
The power conversion device is for controlling an electric motor that drives a vehicle such as an electric railway vehicle, and is installed under the floor of the vehicle. Since the space under the floor of the vehicle is limited, it is desired to reduce the size of the power conversion device. In a conventional power conversion device, as in
ヒートパイプとそれに取り付けたフィンからなる放熱部の上流側に設けたブロアによってフィン間に送風する方式の場合、十分な冷却性能を得るためには、大型のブロアを設ける必要があり、ブロアおよびブロアからヒートパイプ放熱部分までのダクトに大きなスペースを要するという問題があった。そこで、ブロアやダクトスペースを小さくするために、特許文献2のように、小型の軸流ファンを上流側に分散して配置する構造が考えられる。この構造をフィンとヒートパイプから構成されるヒートパイプ放熱部に適用した場合、装置を小型化するために、ファンとヒートシンクの距離を小さくしようとすると冷却風が均等に流れず、十分な冷却性能が得られないという問題があった。そこで、ファンをヒートパイプ放熱部の下流側に設けることが考えられる。しかしながら、ファンをヒートパイプ放熱部の下流に設置した場合には、半導体素子の発熱によって加熱された空気がファンモータに当たるため、ファンモータの信頼性、さらには寿命が低下するという問題があった。
In the case of a system in which air is blown between fins by a blower provided on the upstream side of a heat radiating portion consisting of a heat pipe and a fin attached thereto, in order to obtain sufficient cooling performance, it is necessary to provide a large blower. There was a problem that a large space was required for the duct from the heat pipe to the heat-radiating part. Therefore, in order to reduce the blower and duct space, a structure in which small axial fans are dispersed and arranged on the upstream side as in
本発明の目的は、冷却装置の小型化を図ると共に、風速分布を良好に保って冷却性能を確保し、かつファンモータの信頼性を向上することにある。 An object of the present invention is to reduce the size of a cooling device, to maintain a good wind speed distribution to ensure cooling performance, and to improve the reliability of a fan motor.
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、複数のパワー半導体素子が一方の面に備えられた受熱部材と、受熱部材の他方の面に備え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、複数の放熱部材の間に冷却風を流すための複数のファンを備え、複数のファンを放熱部材の冷却風下流側に配置するとともに、放熱部材からファンまで冷却風を導くダクトを備え、ダクトの一部分に外気と通じた開口部を設ける構造とした。 In order to achieve the above object, in the power conversion device of the present invention, a plurality of power semiconductor elements, a heat receiving member provided on one surface with the plurality of power semiconductor elements, and provided on the other surface of the heat receiving member are provided. A power conversion device comprising a plurality of heat dissipating members, comprising a plurality of fans for flowing cooling air between the heat dissipating members, disposing the plurality of fans downstream of the heat dissipating members and dissipating heat. A duct that guides cooling air from the member to the fan is provided, and an opening that communicates with the outside air is provided in a part of the duct.
良好な風速分布を得て冷却性能を確保するとともに、パワー半導体素子の発熱によって上昇した空気の温度を低下させて、ファンモータの空気による加熱を抑制して、ファンモータの信頼性を向上することができる。 To improve the reliability of the fan motor by obtaining a good wind speed distribution and ensuring cooling performance, and by reducing the temperature of the air that has risen due to the heat generated by the power semiconductor elements, thereby suppressing the heating of the fan motor by the air. Can do.
本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。図4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図を示す。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交流電力の周波数を変えることにより、床下の台車に搭載されて車輪を駆動する電動機の回転速度の制御を行う。図4において、電力変換装置1000は、車体1001の床材に吊り下げられた状態で固定され、床下のスペースに搭載されている。また、ファンを設け、車両の進行方向とおおよそ直交する左右方向に風を流すことにより、電力変換装置のパワー半導体モジュール7、8から発生する熱を大気に放出している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 shows a configuration diagram when the power conversion device according to one embodiment (first embodiment) of the present invention is mounted on a railway vehicle. The power conversion device of the present invention is provided under the floor of a railway vehicle, etc., and controls the rotational speed of the electric motor mounted on the undercarriage and driving the wheels by changing the frequency of AC power supplied to the electric motor driving the vehicle. I do. In FIG. 4, the
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方向の鉛直断面図を、図2に水平方向の断面図を、図3に枕木方向と垂直な方向の鉛直断面図を示す。図1から図3における矢印40はファンによる空気の流れのおおまかな方向を示す。図1から図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6の一方の側には、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7、8が設置されている。例えば、電力変換装置が交流電力を直流電力へ変換する3レベル回路のコンバータの場合、7はIGBTモジュール、8はクランプダイオードモジュールである。さらに複数のパワー半導体モジュール7、8が電力変換装置を構成している。以下、これらのパワー半導体モジュールについてもパワー半導体素子と呼称する。パワー半導体素子7、8は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材6とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材6のパワー半導体素子7、8の側には、パワー半導体素子7、8を内側に密閉するケース21,22が設けられ、ケース内にはフィルタコンデンサやIGBT駆動回路等の電気部品25がパワー半導体素子7、8と共に設置されている。受熱部材6のパワー半導体素子設置面の反対側には、U字形状のヒートパイプ3、4の受熱部分が埋め込まれ、受熱部分はハンダ付け等により受熱部材6と熱的に接続されている。U字形状ヒートパイプ3、4の放熱部には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数のフィン5が圧入等によって接続されている。
FIG. 1 shows a vertical sectional view in a direction perpendicular to the traveling direction of the vehicle of the power conversion device in the present embodiment, FIG. 2 shows a horizontal sectional view, and FIG. 3 shows a vertical sectional view in a direction perpendicular to the sleeper direction. . The
受熱部材6に設置されたパワー半導体素子がに電流が通流するとパワー半導体素子は発熱し、その熱は受熱部材6に埋め込まれたヒートパイプ3の蒸発部301に伝えられる。ヒートパイプには純水等の作動液が封入されており、作動液は蒸発部301において蒸発してパワー半導体素子の熱を奪う。蒸発した作動液は、ヒートパイプの放熱部302に移動し、放熱部302で凝縮して液に戻りながら放熱する。放熱された熱はヒートパイプ放熱部302から直接またはフィン5を介して空気に伝えられる。ヒートパイプ放熱部302で凝縮した液は再び蒸発部301に戻って蒸発するという動作が連続的に行われる。ヒートパイプは放熱部が長いものと短いものを設置する。図1のヒートパイプ3の放熱部は、ヒートパイプ4の放熱部よりも長く、ヒートパイプ4の放熱部はヒートパイプ3の放熱部よりも短い。放熱部の短いヒートパイプ4は、外気が低温時でヒートパイプ内の作動流体が凍結しているときに、起動後、早く融解してヒートパイプが動作することにより、パワー半導体素子の冷却性能を維持する役割を果たしている。
When a current flows through the power semiconductor element installed in the heat receiving member 6, the power semiconductor element generates heat, and the heat is transmitted to the
フィン5やヒートパイプ3,4は、ダクト9の中に収納される。ダクト9の天井面は、支柱32によって支持されている。軸流ファン1が駆動すると、外気は吸込グリル23から入口ダクト10に入り、フィルタ24を通り、放熱フィン5に達する。吸込グリル23とフィルタ24は、外部からの異物がフィン部分に侵入してフィンが目詰まりしたり、フィンやヒートパイプを破壊したりするのを防いでいる。放熱フィン5の間に導かれた空気は、ヒートパイプ3,4とフィン5を通じてパワー半導体素子7,8の熱を奪い、温度が上昇する。ファン1にはファンを駆動するためのファンモータ2が取り付けられており、そこに高温の空気が当たるとファンモータの信頼性が低下し、寿命が短くなる恐れがある。そこで、フィン5の出口とファン1の間の出口ダクト11の上下に開口部12および16を設けた。これらの開口部からはダクト外部から外気が導入され、導入された外気は、フィン5の間から流出する加熱された空気と混合し、加熱された空気の温度が低下する。したがって、加熱された高温の空気が直接ファンモータ2に当たることがないので、ファンモータ2の信頼性を向上することができる。開口部12の上部には雨滴等が直接侵入するのを防ぐためのカバー13、14を設ける。また、開口部16の下部にも同様に、カバー17、18を設ける。開口部12および16には、異物の侵入を防ぐために、金網等20を設ける。よって、開口部15から取り込まれた空気は金網20が設けられた開口部12を介して出口ダクト11に流入する。同様に、開口部19から取り込まれた空気は金網20が設けられた開口部16を介して出口ダクト11に流入する。
The
出口ダクト11の開口部12および16がある場合とない場合のファンモータ付近の空気温度の計算結果を図10の表に示す。当該表によると、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設けない場合(左列)は、ファンの入口部の空気温度の外気温度からの温度上昇が28.1Kとなる。一方、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設ける場合(中央列)には、ファンの入口部の空気温度の外気温度からの温度上昇が18.5Kとなるため、開口部12、16を設けることにより、ファンモータ2の周辺のファン入口部空気温度を10℃程度下げることができることが分かる。
The calculation results of the air temperature in the vicinity of the fan motor with and without the
また、開口部12、16を設ける場合(中央列)の放熱部の風量40.8は出口ダクトに開口部を設けない左列41.8や右列41.5よりもやや減少しているため、この風量の減少に起因して受熱部材6の半導体素子取付面の温度は、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設けない場合(左列)よりも上昇するが、その上昇量は0.6%であり、ファン入口部の空気温度の減少率に対して比較的小さい。表の右列に記載のように放熱部よりも上流側のダクトの入口にファンを設置した場合、冷却風に偏りが生じるために、放熱部の風量に対してモジュール取付面の温度上昇が大きくなっており、パワー半導体素子の冷却性能が低下していることが分かる。
Further, when the
以上のように、本実施形態によれば、パワー半導体素子に対する冷却性能を確保しながら、ファンモータ周辺の空気温度を下げることができるので、ファンモータの信頼性や寿命を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the air temperature around the fan motor can be lowered while ensuring the cooling performance for the power semiconductor element, so that the reliability and life of the fan motor can be improved.
図5に本発明の他の実施形態(第2の実施形態)における鉄道車両の進行方向に垂直な電力変換装置の鉛直断面図を、図6に水平断面図を、図7に図5におけるA−A断面図を示す。本実施形態では、実施例1のように出口ダクト11の上下面に設けた開口部12,16に加えて、出口ダクト11の側面にも開口部26を設けている。開口部26に直接、走行風が当たるのを防止するために、カバー28、29、30、31を設ける。また、開口部26からの異物の侵入を防ぐために、開口部26には金網等27が設けられる。出口ダクトの上下の他に側面にも開口部26を設けることにより、ファンモータ2の冷却効果を高めることが可能である。この実施形態では、第1の実施形態よりも冷却風の流路幅が狭く、設置されるファンの数が少ない。このように、ファンの数が少ない場合には、出口ダクト11の上下には開口部を設けずに、側面のみに開口部を設けても良い。また、本実施形態では、各パワー半導体素子の発熱がほぼ同等となる2レベルインバータにおいて、冷却風の流れ方向とU字型ヒートパイプの長手方向が一致するようにヒートパイプを設置した例を示している。本実施形態で言及していない構造については、第1の実施形態と同様であるものとする。
FIG. 5 is a vertical sectional view of a power converter perpendicular to the traveling direction of a railway vehicle in another embodiment (second embodiment) of the present invention, FIG. 6 is a horizontal sectional view, and FIG. -A shows a cross-sectional view. In the present embodiment, in addition to the
以上のように本実施形態によれば、出口ダクトの上下の他に側面にも開口部26を設けることにより、ファンモータ2の冷却効果を高めることが可能である。
As described above, according to the present embodiment, the cooling effect of the
図8に本発明のさらに他の実施形態(第3の実施形態)における鉄道車両の進行方向に垂直な電力変換装置の鉛直断面図を、図9に図8におけるB−B断面図を示す。図8、9において、ヒートシンクのフィンベース50にパワー半導体素子7、8を取付け、フィンベース50には複数のフィン51を接続する。フィンベース50およびフィン51の材質は、アルミニウムや銅が用いられる。本実施形態で言及していない構造については、第1の実施形態と同様であるものとする。
FIG. 8 shows a vertical cross-sectional view of a power conversion device perpendicular to the traveling direction of a railway vehicle in still another embodiment (third embodiment) of the present invention, and FIG. 9 shows a cross-sectional view along BB in FIG. 8 and 9, the
本実施形態のように、フィンを用いたヒートシンクにより冷却する構造においても、第1の実施形態と同様、パワー半導体素子の冷却性能を確保しながら、ファンモータ周辺の空気温度を下げることができるので、ファンモータの信頼性や寿命を向上させることができる。 As in the first embodiment, even in a structure that is cooled by a heat sink using fins, the air temperature around the fan motor can be lowered while ensuring the cooling performance of the power semiconductor element, as in the first embodiment. The reliability and life of the fan motor can be improved.
また、本実施形態のように、フィンを用いたヒートシンクにより冷却する構造において、第2の実施形態のように出口ダクトの上下及び左右に開口部を設けることも可能である。 Moreover, in the structure cooled by the heat sink using a fin like this embodiment, it is also possible to provide an opening part on the upper and lower sides and right and left of an exit duct like 2nd Embodiment.
1…軸流ファン
2…ファンモータ
3、4…ヒートパイプ
5…フィン
6…受熱部材
7、8…パワー半導体素子
9、10,11…ダクト
12,16…ダクト開口部
13、14、15、17,18,19…開口部カバー
20…金網
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記複数のパワー半導体素子が一方の面に備えられた受熱部材と、
前記受熱部材の他方の面に備え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の間に冷却風を流すための複数のファンを備え、前記複数のファンを前記放熱部材の冷却風下流側に配置するとともに、
前記放熱部材から前記ファンまで前記冷却風を導くダクトを備え、
前記ダクトの一部分に外気と通じた開口部を設けたことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of power semiconductor elements;
A heat receiving member provided on one surface with the plurality of power semiconductor elements;
A plurality of heat dissipating members provided on the other surface of the heat receiving member;
A plurality of fans for flowing cooling air between the plurality of heat radiating members; and disposing the plurality of fans on the cooling air downstream side of the heat radiating members;
A duct for guiding the cooling air from the heat dissipation member to the fan;
An electric power converter comprising an opening communicating with outside air in a part of the duct.
前記放熱部材と前記ファンの間の前記ダクトに外気と通じた開口部を設けた
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
An opening communicating with outside air is provided in the duct between the heat dissipation member and the fan.
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記開口部は、前記ダクトの上面、下面、側面の少なくともいずれかに設けられたことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2,
The power converter according to claim 1, wherein the opening is provided on at least one of an upper surface, a lower surface, and a side surface of the duct.
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JP2015192502A JP2017069356A (en) | 2015-09-30 | 2015-09-30 | Electric power conversion device and railway vehicle equipped with the same |
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JP2022016079A (en) * | 2020-07-10 | 2022-01-21 | トヨタ自動車株式会社 | Cooling unit |
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2015
- 2015-09-30 JP JP2015192502A patent/JP2017069356A/en active Pending
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