JP2017197157A - 鉄道車両の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助回路部の実装部品の経時使用に伴う性能低下や装置全体の大型化を回避することができる鉄道車両の電力変換装置を提供することである。【解決手段】実施形態の鉄道車両の電力変換装置は、半導体素子と、第１の受熱部材と、リアクトル及び抵抗と、第２の受熱部材と、冷却液循環回路と、熱交換器と、を持つ。半導体素子は、電力変換用の主回路部を構成する。第１の受熱部材には、半導体素子が取り付けられる。リアクトル及び抵抗は、電力変換用の補助回路部を構成する。第２の受熱部材には、リアクトル及び抵抗が取り付けられる。冷却液循環回路は、第１の受熱部材と第２の受熱部材に冷却液を流す。熱交換器は、冷却液の熱交換を行う。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、鉄道車両の電力変換装置に関する。

鉄道車両には、交流電力と直流電力を変換する電力変換装置が搭載されている。鉄道車両の電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオード等の半導体素子によってインバータやコンバータ等の主回路部が構成されている。また、この種の電力変換装置は、高調波の抑制や力率の改善等のためにリアクトル及び抵抗を有する補助回路部を備えている。

電力変換装置の主回路部の半導体素子は、スイッチング動作時等に高温を発するため、冷却液を循環させて主回路部を冷却することが多い。冷却液によって主回路部を冷却する電力変換装置は、冷却液との熱交換部を有する受熱部材（ヒートシンク）に半導体素子が取り付けられ、受熱部材が冷却液循環回路に接続されている。冷却液循環回路は、リザーバに貯留された冷却液をポンプによって循環させ、冷却対象である半導体素子から奪った熱を熱交換器で外部に放熱する。
半導体素子を有する主回路部は、車外と密閉された密閉室内に配置され、熱交換器と、リアクトル及び抵抗を有する補助回路部は、車外と密閉されない非密閉室（風洞）に配置されている。

このような鉄道車両の電力変換装置においては、半導体素子を有する主回路部を冷却液循環回路によって効率良く冷却することができる。しかし、補助回路部の発熱部品であるリアクトルと抵抗は、非密閉室において空冷によって冷却されているため、補助回路部の実装部品が室外の空気によって汚損され易いうえ、空冷構造が大型化し易い。したがって、このような電力変換装置においては、補助回路部の実装部品の経時使用に伴う性能低下や装置全体の大型化が懸念される。

特開２００５−２８７２１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、補助回路部の実装部品の経時使用に伴う性能低下や装置全体の大型化を回避することができる鉄道車両の電力変換装置を提供することである。

実施形態の鉄道車両の電力変換装置は、半導体素子と、第１の受熱部材と、リアクトル及び抵抗と、第２の受熱部材と、冷却液循環回路と、熱交換器と、を持つ。半導体素子は、電力変換用の主回路部を構成する。第１の受熱部材には、半導体素子が取り付けられる。リアクトル及び抵抗は、電力変換用の補助回路部を構成する。第２の受熱部材には、リアクトル及び抵抗が取り付けられる。冷却液循環回路は、第１の受熱部材と第２の受熱部材に冷却液を流す。熱交換器は、冷却液の熱交換を行う。

第１の実施形態の電力変換装置が搭載された鉄道車両を側方から見た模式図。 第２の実施形態の電力変換装置を側方から見た模式図。 第３の実施形態の電力変換装置を側方から見た模式図。 第４の実施形態の電力変換装置を側方から見た模式図。 第５の実施形態の電力変換装置を側方から見た模式図。

以下、実施形態の鉄道車両の電力変換装置を、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換装置１が搭載された鉄道車両２００を側方から見た模式図である。
鉄道車両２００は、レール３０４上を転動する車輪３０５がモータ３０３によって駆動される。モータ３０３と車輪３０５は、車体２０１の下方に台車３０２を介して設置されている。車体２０１の上部には、パンタグラフ３０１が設置されている。鉄道車両２００は、パンタグラフ３０１を介して架線３００から電力を供給される。

鉄道車両２００は、車体２０１の内側に電力変換装置１を搭載している。電力変換装置１は、例えば、パンタグラフ３０１を介して架線３００から供給された交流電力を直流に変換した後に、所望の交流電力に再度変換して車両駆動用のモータ３０３に電力を供給する。

電力変換装置１は、筐体１１内に電力変換のための回路と冷却機構とが収容されている。筐体１１の内部は、車外と密閉された密閉室９と、車外と密閉されていない非密閉室１５（例えば、風洞）とに隔成されている。非密閉室１５は、図示しない通気口等を介して適宜車外に連通し、外気との間で熱交換ができるように構成されている。

電力変換装置１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やダイオード等の半導体素子２ａによってインバータやコンバータ等の主回路部２が構成されている。主回路部２は、第１の受熱部材である主回路用ヒートシンク３Ａに取り付けられている。主回路用ヒートシンク３Ａは、外部から冷却液が導入されて冷却液との間で熱交換を行う熱交換部３Ａａを有している。

主回路用ヒートシンク３Ａの熱交換部３Ａａは、冷却液循環回路２０に接続されている。冷却液循環回路２０は、リザーバタンク８に貯留された冷却液がポンプ１０の動力によって循環する。冷却液循環回路２０は、ポンプ１０の下流側に、主回路用ヒートシンク３Ａの熱交換部３Ａａが接続されている。また、冷却液循環回路２０のリザーバタンク８の上流側は、非密閉室１５内に配置された熱交換器５（ラジエータ）に接続されている。熱交換器５は、リザーバタンク８方向に戻される冷却液の熱を非密閉室１５内の空気（外気）との間で熱交換する。冷却液循環回路２０を流れる冷却液の熱は、熱交換器５において放熱される。
また、非密閉室１５内には、熱交換器５に強制風を送風可能な送風装置１２が設置されている。

また、電力変換装置１は、高調波の抑制や力率の改善等のための補助回路部２１を有している。補助回路部２１は、リアクトル１３と抵抗１４を有している。リアクトル１３と抵抗１４は、主回路部２の半導体素子２ａに比較すれば発熱量は小さいものの、通電によって熱を発生する。補助回路部２１は、第２の受熱部材である補助回路用ヒートシンク３Ｂに取り付けられている。補助回路用ヒートシンク３Ｂは、外部から冷却液が導入されて冷却液との間で熱交換を行う熱交換部３Ｂａを有している。
補助回路用ヒートシンク３Ｂの熱交換部３Ｂａは、冷却液循環回路２０のうちの主回路用ヒートシンク３Ａの下流側に直列に接続されている。

電力変換装置１は、主回路部２が取り付けられた主回路用ヒートシンク３Ａと、補助回路部２１が取り付けられた補助回路用ヒートシンク３Ｂとが、リザーバタンク８とポンプ１０とともに密閉室９内に配置されている。冷却液循環回路２０は、熱交換器５のみが非密閉室１５内に配置されている。

本実施形態の鉄道車両２００では、パンタグラフ３０１を介して架線３００から電力を供給されると、電力変換装置１の主回路部２と補助回路部２１において電力の変換を行い、変換された電力によってモータ３０３を駆動する。電力変換装置１の主回路部２においては、電力の変換時に半導体素子２ａが高熱を発するが、その熱は、主回路部２が取り付けられている主回路用ヒートシンク３Ａにおいて、冷却液循環回路２０内の冷却液との間で熱交換されて冷却される。また、このとき電力変換装置１の補助回路部２１においては、リアクトル１３と抵抗１４で熱を発するが、その熱は、補助回路部２１が取り付けられている補助回路用ヒートシンク３Ｂにおいて、冷却液循環回路２０内の冷却液との間で熱交換されて冷却される。

主回路部２と補助回路部２１で吸熱した冷却液は、冷却液循環回路２０内の熱交換器５まで進み、その熱交換器５において非密閉室１５内の空気と熱交換される。冷却液は、これによって冷却され、リザーバタンク８を介してポンプ１０に再度戻される。

以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１は、半導体素子２ａを有する主回路部２と、主回路部２が取り付けられる主回路用ヒートシンク３Ａと、リアクトル１３及び抵抗１４を有する補助回路部２１と、補助回路部２１が取り付けられる補助回路用ヒートシンク３Ｂと、主回路用ヒートシンク３Ａと補助回路用ヒートシンク３Ｂに冷却液を流す冷却液循環回路２０とを備えている。このため、主回路部２の半導体素子２ａだけでなく補助回路部２１のリアクトル１３と抵抗１４をも冷却液循環回路２０によって効率良く冷却することができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置１においては、主回路用ヒートシンク３Ａと補助回路用ヒートシンク３Ｂが密閉室９に配置され、冷却液循環回路２０の熱交換器５が非密閉室１５に配置されている。このため、補助回路部２１のリアクトル１３と抵抗１４が外気によって汚損されるのを防止することができる。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置１では、補助回路用ヒートシンク３Ｂが冷却液循環回路２０の冷却液通路のうちの、主回路用ヒートシンク３Ａの下流側に直列に接続されている。このため、補助回路部２１の冷却に伴う冷却液の昇温が主回路部２の冷却に影響を与えることがなくなる。したがって、本実施形態に係る電力変換装置１を採用した場合には、発熱量の大きい主回路部２を優先して冷却することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａを側方から見た模式図である。なお、以下で説明する各実施形態においては、第１の実施形態と同一部分に同一符号が付してある。
第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、冷却液循環回路２０Ａのポンプ１０の下流側に３つに分岐した冷却液通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃが設けられ、各冷却液通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃにそれぞれ主回路用ヒートシンク３Ａ（第１の受熱部材）と補助回路用ヒートシンク３Ｂ（第２の受熱部材）が接続されている。補助回路用ヒートシンク３Ｂは、各冷却液通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃにおいて、主回路用ヒートシンク３Ａの下流側に直列に接続されている。また、分岐した３つの冷却液通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは再度合流して熱交換器５に接続されている。

第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、第１の実施形態と同様の基本的な効果を得ることができる。第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、冷却液循環回路２０Ａ中に並列に設けられた冷却液通路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃのそれぞれに主回路用ヒートシンク３Ａと補助回路用ヒートシンク３Ｂが直列に接続されている。このため、例えば、主回路部２と補助回路部２１の対応する機能部毎に冷却水による冷却を行うことができるうえ、個々のヒートシンクを小型化することができる。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態の電力変換装置１Ｂを側方から見た模式図である。
第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、基本的な構成は第１の実施形態とほぼ同様であるが、冷却液循環回路２０Ｂのポンプ１０の下流側に２つに分岐した冷却液通路２５Ｄ，２５Ｅが設けられている。一方の冷却液通路２５Ｄには、主回路用ヒートシンク３Ａ（第１の受熱部材）が接続され、他方の冷却液通路２５Ｅには、補助回路用ヒートシンク３Ｂ（第２の受熱部材）が接続されている。２つに分岐した冷却液通路２５Ｄ，２５Ｅは再度合流して熱交換器５に接続されている。

第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、第１の実施形態と同様の基本的な効果を得ることができる。第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、さらに主回路用ヒートシンク３Ａと補助回路用ヒートシンク３Ｂが、冷却液循環回路２０Ｂ中に並列に設けられた異なる冷却液通路２５Ｄ，２５Ｅにそれぞれ別に接続されている。このため、主回路部２と補助回路部２１の一方を冷却して昇温した冷却液が他方に流れ込むことがない。したがって、電力変換装置１Ｂの主回路部２の半導体素子２ａと、補助回路部２１上のリアクトル１３及び抵抗１４をいずれも安定して冷却することができる。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態の電力変換装置１Ｃを側方から見た模式図である。
第４の実施形態の電力変換装置１Ｃは、主回路用ヒートシンク３Ａ（第１の受熱部材）が接続される第１の冷却液循環回路２０Ｃ−１と、補助回路用ヒートシンク３Ｂ（第２の受熱部材）が接続される第２の冷却液循環回路２０Ｃ−２が別回路として構成されている。電力変換装置１Ｃの筐体１１は相互に離間した一対の密閉室９ａ，９ｂと、一対の密閉室９ａ，９ｂの間に配置される非密閉室１５と、を有している。

一方の密閉室９ａには、主回路用ヒートシンク３Ａと、第１の冷却液循環回路２０Ｃ−１のリザーバタンク８ａ及びポンプ１０ａが配置され、他方の密閉室９ｂには、補助回路用ヒートシンク３Ｂと、第２の冷却液循環回路２０Ｃ−２のリザーバタンク８ｂ及びポンプ１０ｂが配置されている。非密閉室１５には、第１の冷却液循環回路２０Ｃ−１の熱交換器５ａと、第２の冷却液循環回路２０Ｃ−２の熱交換器５ｂが配置されている。非密閉室１５には、送風装置１２が配置されている。第１の冷却液循環回路２０Ｃ−１の熱交換器５ａと、第２の冷却液循環回路２０Ｃ−２の熱交換器５ｂとは、共通の送風装置１２から送風を受けるように配置されている。

第４の実施形態の電力変換装置１Ｃは、第１の実施形態と同様の基本的な効果を得ることができる。第４の実施形態の電力変換装置１Ｃは、さらに主回路用ヒートシンク３Ａが接続される第１の冷却液循環回路２０Ｃ−１と、補助回路用ヒートシンク３Ｂが接続される第２の冷却液循環回路２０Ｃ−２が別回路として構成され、両回路の熱交換器５ａ，５ｂが、共通の送風装置１２から送風を受けるように配置されている。このため、主回路部２と補助回路部２１の一方を流れる冷却液の温度が他方を流れる冷却液の温度に影響を与えることがないうえ、一対の密閉室９ａ，９ｂ間に配置された非密閉室１５において、共通の送風装置１２によって熱交換器５ａ，５ｂを冷却することができる。したがって、主回路部２と補助回路部２１に対する冷却性能を高く維持しつつも、電力変換装置１Ｃをコンパクトに構成することができる。

（第５の実施形態）
図５は、第５の実施形態の電力変換装置１Ｄを側方から見た模式図である。
第５の実施形態の電力変換装置１Ｄは、主回路用ヒートシンク（第１の受熱部材）と補助回路用ヒートシンク（第２の受熱部材）が、主回路部２と補助回路部２１が取り付けられる共通のヒートシンク３Ｃ（熱交換部）によって構成されている。ヒートシンク３Ｃは、主回路部２に対する熱交換部３Ｃａ−１と、補助回路部２１に対する熱交換部３Ｃａ−２と、を有している。

第５の実施形態の電力変換装置１Ｄは、第１の実施形態と同様の基本的な効果を得ることができる。ただし、第５の実施形態の電力変換装置１Ｄは、主回路部２に対する熱交換部３Ｃａ−１と、補助回路部２１に対する熱交換部３Ｃａ−２が共通のヒートシンク３Ｃに構成されている。したがって、この構成を採用した場合、電力変換装置１Ｄの部品点数を削減して製造コストの低減を図ることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、半導体素子を有する主回路部と、主回路部が取り付けられる第１の受熱部材（主回路用ヒートシンク）と、リアクトル及び抵抗を有する補助回路部と、補助回路部が取り付けられる第２の受熱部材（補助回路用ヒートシンク）と、第１の受熱部材と第２の受熱部材に冷却液を流す冷却液循環回路と、冷却液の熱交換を行う熱交換器と、を持つことにより、主回路部だけでなく補助回路部の実装部品をも効率良く冷却することができる。したがって、埃等が付着することによる補助回路部の実装部品の性能低下や、大型の空冷構造を用いることによる装置全体の大型化を回避することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…電力変換装置、２…主回路部、２ａ…半導体素子、３Ａ…主回路用ヒートシンク（第１の受熱部材）、３Ｂ…補助回路用ヒートシンク（第２の受熱部材）、３Ｃ…ヒートシンク、３Ｃａ−１，３Ｃａ−２…熱交換部、５…熱交換器、９…密閉室、１２…送風装置、１３…リアクトル、１４…抵抗、１５…非密閉室、２０，２０Ａ，２０Ｂ…冷却液循環回路、２０Ｃ−１…第１の冷却液循環回路、２０Ｃ−２…第２の冷却液循環回路、２１…補助回路部、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ…冷却液通路、２５Ｄ，２５Ｅ…冷却液通路。

Claims (7)

1. 電力変換用の主回路部を構成する半導体素子と、
   前記半導体素子が取り付けられる第１の受熱部材と、
   電力変換用の補助回路部を構成する電気部品のであるリアクトル及び抵抗と、
   前記リアクトル及び抵抗が取り付けられる第２の受熱部材と、
   前記第１の受熱部材と前記第２の受熱部材に冷却液を流す冷却液循環回路と、
   前記冷却液の熱交換を行う熱交換器と、を備えている鉄道車両の電力変換装置。
2. 車外と密閉された密閉室と、車外と密閉されない非密閉室と、をさらに備え、
   前記第１の受熱部材と前記第２の受熱部材とは前記密閉室に配置され、
   前記冷却液循環回路の前記熱交換器は前記非密閉室に配置されている請求項１に記載の鉄道車両の電力変換装置。
3. 前記第２の受熱部材は、前記冷却液循環回路の冷却液通路のうちの、前記第１の受熱部材の下流側に直列に接続されている請求項１または２に記載の鉄道車両の電力変換装置。
4. 前記第１の受熱部材の下流側に前記第２の受熱部材が直列に接続された前記冷却液通路は、前記冷却液循環回路中に複数並列に設けられている請求項３に記載の鉄道車両の電力変換装置。
5. 前記第１の受熱部材と前記第２の受熱部材は、前記冷却液循環回路中に並列に設けられた異なる冷却液通路にそれぞれ別に接続されている請求項１または２に記載の鉄道車両の電力変換装置。
6. 前記熱交換器に送風可能な送風装置をさらに備え、
   前記第１の受熱部材が接続される前記冷却液循環回路と、前記第２の受熱部材が接続される前記冷却液循環回路と、は別回路として構成され、
   前記第１の受熱部材が接続される第１の冷却液循環回路と、前記第２の受熱部材が接続される第２の冷却液循環回路とは、各熱交換器が共通の前記送風装置から送風を受けるように配置されている請求項１または２に記載の鉄道車両の電力変換装置。
7. 前記第１の受熱部材と前記第２の受熱部材は、前記半導体素子に対する熱交換部と、前記リアクトル及び抵抗に対する熱交換部と、を有する一体の受熱部材によって構成されている請求項１または２に記載の鉄道車両の電力変換装置。

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