JP2019046965A - 電力変換装置およびその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の床下などに設置される電力変換装置が備える電力変換用の半導体素子に対して、小型で効率よく冷却できる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置は、半導体素子が放出する熱損失を自らの内部に封入した液冷媒が受熱し沸騰して蒸気となる沸騰容器と、沸騰容器から受けた蒸気を液冷媒に凝縮して沸騰容器に戻す凝縮器とから構成され、沸騰容器は、半導体素子を鉛直方向に設置した素子取付面に接する当該沸騰容器の内壁の沸騰面に対して液冷媒を鉛直方向に吸い上げる機構を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換を行う複数の半導体素子を冷却する冷却装置を備えた電力変換装置、好ましくは鉄道車両用の電力変換装置に関する。

鉄道車両の床下には、駆動用電動機に供給する電力を制御する電力変換装置が搭載される。この電力変換装置には、電流のスイッチングを行って直流／交流の変換を行う半導体素子が設置される。

半導体素子においては通電時およびスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子破壊が懸念される。そのため、半導体素子を所定の温度範囲で動作させるように冷却する必要がある。鉄道車両における電力変換装置は、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よく冷却する必要がある。

高効率な冷却方法として、液冷媒の沸騰による熱伝達を利用した冷却装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の冷却装置は、発熱体である複数の半導体素子を伝熱板に取り付けた状態で、ＥＨＤ現象を示す液冷媒に浸漬する。複数の半導体素子および伝熱板の電位が異なることで、間にある液冷媒の流れが発生し攪拌作用によって冷却性能を向上させること、また、沸騰した液冷媒が蒸気となり、沸騰部の上部にある凝縮部まで上昇し、凝縮部において凝縮されて液冷媒に戻ること、を特徴とする。

特開２０１５−９４５６８号公報

本願発明者が、鉄道車両用など限られた高さに収容する電力変換装置の小型化および冷却効率向上について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

鉄道車両では、電力変換装置を車両床下の限られた高さに収容する必要がある。また、装置の小型化や低騒音化の観点から、送風機などを用いずに鉄道車両の走行時に発生する走行風で放熱を行うことが望ましい。そうすると、冷却装置の凝縮部を電力変換装置の外の側面に配置することが想定される。また、半導体素子と電力変換回路の実装を考慮すると、半導体素子は鉛直方向に設置されることが望ましい。そのため、半導体素子が発生する熱を受け取って液冷媒が沸騰する沸騰面に対し、凝縮部は高さ勾配をつけられずに同じ高さに設置されることが想定される。

特許文献１に記載の冷却装置では、沸騰面と凝縮部を同じ高さに設置した場合、沸騰面の上部に液冷媒が供給されなくなるため、沸騰による熱伝達が発生せず、冷却効率が悪くなることが想定される。そのため、前述のように、半導体素子が発生する熱を受け取って液冷媒が沸騰する沸騰面が鉛直方向に配置され、凝縮部がこの沸騰面と同じ高さで設置される場合においても、小型で効率よく冷却できる手段が望まれる。

本発明は、上述した課題を解決するために、鉄道車両の床下などに設置される電力変換装置が備える電力変換用の半導体素子に対して、小型で効率よく冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、電力変換を行う半導体素子および当該半導体素子で発生する熱損失を冷却する冷却装置を備え、冷却装置は、半導体素子が放出する熱損失を自らの内部に封入した液冷媒が受熱し沸騰して蒸気となる沸騰容器と、沸騰容器から受けた蒸気を液冷媒に凝縮して沸騰容器に戻す凝縮器とから構成され、沸騰容器は、半導体素子を鉛直方向に設置した素子取付面に接する当該沸騰容器の内壁の沸騰面に対して液冷媒を鉛直方向に吸い上げる機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両の床下などに設置される電力変換装置が備える電力変換用の半導体素子に対して、小型で効率よく冷却できる冷却装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。 図２は、本発明の実施例２に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。 図３は、本発明の実施例３に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。

以下、本発明の実施形態として、実施例１〜３について、図を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。
電力変換装置１は、鉄道車両２の床下に搭載される。電力変換装置１の内部には、電力変換回路を構成する複数の半導体素子３および半導体素子３から発生する熱損失を放熱する冷却装置４が設置される。

冷却装置４は、沸騰容器５、凝縮器６および両者の上部をつなぐ蒸気管７並びに両者の下部をつなぐ液管８から構成される。半導体素子３は、外気に対し密閉されている場所に設置されることが望ましいため、沸騰容器５は電力変換装置１の中に設置される。また、電力変換回路の実装を考慮すると、半導体素子３は鉛直方向に複数設置されることが望ましい。一方、送風機などを用いずに、鉄道車両２が走行した際に発生する車両走行風１８（図では、紙面手前より奥へ向かう風、勿論逆に、紙面奥から手前へ向かう風の場合もある）を供給して放熱させることを想定して、凝縮器６を電力変換装置１の側面から外側にせり出した位置に設置する。

次に、冷却装置４を構成する沸騰容器５および凝縮器６の内部構成について説明する。
冷却装置４の内部には、液冷媒９およびこの液冷媒９が沸騰することにより発生する蒸気１０が封入されている。ここで、液冷媒９は絶縁性の液体である。沸騰容器５の外壁のうち、鉛直方向面の一つは素子取付面１１であり、素子取付面１１には複数の半導体素子３が設置される。また、この素子取付面１１に対向する内壁の面が沸騰面１２である。沸騰面１２に接する液冷媒９は、半導体素子３からの熱を受け取ることで沸騰し、蒸気１０となる。沸騰面１２に近接して向かい合う位置には、平板状の電極１３が鉛直方向に設置される。ここで、素子取付面１１については、沸騰容器５の外壁の鉛直方向面を直接用いたが、複数の半導体素子３を鉛直方向に取り付けた部材を取り付け面として沸騰容器５の外壁の鉛直方向面に接着や接合により密着させるようにしてもよい。
一方、凝縮器６の内部は、ヘッダー１４、凝縮管１５、フッター１６および放熱フィン１７から構成される。

次に、冷却装置４の冷却原理について説明する。
沸騰容器５の下部には液冷媒９を溜めた状態にあり、電極１３と沸騰面１２との間に電場を与えることで、液冷媒９と蒸気１０との間に両者の誘電率の差に起因する静電力が発生する。この静電力によって、液冷媒９が、沸騰面１２と電極１３との隙間を通って鉛直方向に吸い上げられ、沸騰面１２の上部にまで供給される。沸騰面１２の上部まで供給された液冷媒９は、半導体素子３から発生する熱損失を受熱して沸騰し、蒸気１０となる。

蒸気１０は、蒸気管７を通って凝縮器６の上部に配置するヘッダー１４に供給される。そして、蒸気１０は、ヘッダー１４から下向きに接続された複数の凝縮管１５に供給され、これら凝縮管１５を通過する際に、放熱フィン１７と熱交換することで凝縮して液冷媒９に戻る。戻った液冷媒９は、凝縮管１５の下部に接続されたフッター１６に供給される。更に、フッター１６の中に溜まった液冷媒９は液管８を通って再び沸騰容器５の下部に供給される。また、凝縮管１５から放熱フィン１７に伝えられた熱は、車両走行風１８によって放熱される。

実施例１の効果について説明する。
凝縮器６の複数の凝縮管１５において、蒸気１０が凝縮するための伝熱面積を確保するためには、液冷媒９の液面を極力低くすることが望ましい。沸騰容器５の中の液面は凝縮器６の中の液面と同じ高さとなるため、鉛直方向に設置された沸騰面１２を液冷媒９で浸すために、沸騰容器５と凝縮器６の間に高さ勾配を設けることが望ましい。しかし、前述のとおり、鉄道車両２の床下は高さに制限があることから、沸騰容器５と凝縮器６との間に高さ勾配を設けることは困難であると想定される。そのため、液冷媒９で浸されるのは沸騰面１２の下部のみとなってしまう。このような状態において、液冷媒９を鉛直方向に吸い上げる手段がない場合、沸騰面１２の上部に液冷媒９が供給されないため、沸騰による熱伝達が液冷媒９に対してほとんど発生せず、上部側に設置した半導体素子３の温度が著しく上昇してしまうことが懸念される。

そこで、実施例１のように、沸騰容器５の中に液冷媒９を鉛直方向に吸い上げる手段を有することで、沸騰面１２の上部にまで液冷媒９が供給され、沸騰による熱伝達によって上部側に設置した半導体素子３も冷却できるようになる。これにより、小型で冷却効率のよい冷却装置を備えた電力変換装置を提供することができる。

また、凝縮器６を電力変換装置１の側面から外側にせり出した位置に設置し、鉄道車両２が走行した際の車両走行風１８により放熱する構成とすることにより、送風機などの冷却風供給手段を設置する必要が無い。この点からも、小型で冷却効率のよい冷却装置を備えた電力変換装置を提供することができる。

さらに、凝縮器６にヘッダー１４を設け、このヘッダー１４に対して複数の凝縮管１５を接続する構成とすることで、各凝縮管１５に均一に蒸気１０が供給され、効率よく凝縮できる。この点からも、小型で冷却効率のよい冷却装置を備えた電力変換装置を提供することができる。

なお、実施例１では、半導体素子３を鉛直方向に３台設置した例を開示したが、鉛直方向に設置する数は３台に限定されない。また、実施例１では、図１の紙面手前および奥行き方向に設置する半導体素子３の数についてなで言及していないが、その数についても限定されない。

また、実施例１では、沸騰面１２の詳細形状についてまで言及していないが、沸騰面１２は、その表面積を拡大する形状（例えば、表面を加工してギザギザ形状にするなど）を有するようにしてもよい。これにより、沸騰による熱伝達が促進され、さらに効率よく冷却することができる。

そしてまた、実施例１では、凝縮管１５の内部構成についても言及していないが、多穴管を設置するなど、伝熱面積を拡大する手段を設けることができる。これにより、凝縮による熱伝達が促進され、さらに効率よく冷却することができる。

図２は、本発明の実施例２に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。
実施例２は、液冷媒９を鉛直方向に吸い上げる手段として、沸騰面１２の下部にポンプ１９を設置することで、実施例１と同様の効果を得るものである。なお、実施例１および実施例２において、液冷媒９を鉛直方向に吸い上げる手段を開示したが、この吸い上げる手段としては、これらに限定されない。

図３は、本発明の実施例３に係る電力変換装置をレール方向から見た断面図である。
実施例３は、実施例１に示す冷却装置４において、その高さを低くした冷却装置４を鉛直方向に２台連結する形態で設置した構成である。実施例１で説明したとおり、静電力により発生する圧力は、電場の大きさおよび沸騰面１２から電極１３までの距離（間隔）に依存する。実施例１に示す構成において、液冷媒９を吸い上げるのに必要な圧力を確保するための十分な電場を与えられない場合には、実施例３に示す構成とすることで、液冷媒９を吸い上げるのに必要な圧力が小さくなったとしても、実施例１と同様の効果を得ることができる。なお、冷却装置４の鉛直方向に連結する設置数は限定されないが、車両床下の高さ制限のため多くは取れず、また、電力変換装置１の構造の簡略化を考慮すると設置数は少ない方が望ましい。

１ 電力変換装置、２ 鉄道車両、３ 半導体素子、４ 冷却装置、５ 沸騰容器、
６ 凝縮器、７ 蒸気管、８ 液管、９ 液冷媒、１０ 蒸気、１１ 素子取付面、
１２ 沸騰面、１３ 電極、１４ ヘッダー、１５ 凝縮管、１６ フッター、
１７ 放熱フィン、１８ 車両走行風、１９ ポンプ

Claims (8)

1. 電力変換を行う半導体素子および当該半導体素子で発生する熱損失を冷却する冷却装置を備える電力変換装置であって、
   前記冷却装置は、前記半導体素子が放出する熱損失を自らの内部に封入した液冷媒が受熱し沸騰して蒸気となる沸騰容器と、前記沸騰容器から受けた前記蒸気を前記液冷媒に凝縮して前記沸騰容器に戻す凝縮器とから構成され、
   前記沸騰容器は、前記半導体素子を鉛直方向に設置した素子取付面に接する当該沸騰容器の内壁の沸騰面に対して前記液冷媒を鉛直方向に吸い上げる機構を有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記液冷媒を鉛直方向に吸い上げる機構は、
   前記沸騰面と近接して向かい合う平板状の電極を設け、
   前記電極と前記沸騰面との間に電場を与え、前記液冷媒と前記蒸気との間に発生する静電力により前記液冷媒を鉛直方向に吸い上げる
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記沸騰容器を当該電力変換装置の中に設置し、
   前記凝縮器を当該電力変換装置の外に配置し、
   前記沸騰容器の上部と前記凝縮器の上部とを蒸気管で接続し、
   前記沸騰容器の下部と前記凝縮器の下部とを液管で接続し、
   前記凝縮器は、前記蒸気管を通して前記蒸気が前記沸騰容器から供給されるヘッダーと、前記液管を通して前記液冷媒を前記沸騰容器へ供給するフッターと、前記ヘッダーと前記フッターとの間に接続され前記蒸気を熱交換して前記液冷媒に凝縮する凝縮管と、前記凝縮管の外表面に接続された放熱フィンとを備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記冷却装置を、鉛直方向上下に複数段設ける
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記沸騰面は、当該沸騰面の表面積を拡大する形状を有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置を自らの床下に搭載した鉄道車両。
7. 電力変換装置を構成する半導体素子を沸騰容器および凝縮器に封入した液冷媒を用いて冷却する冷却方法であって、
   前記半導体素子の素子取付面に接する前記沸騰容器の内壁の沸騰面に対して前記液冷媒を鉛直方向に吸い上げ、
   前記半導体素子で発生する熱損失を前記液冷媒に受熱させ当該液冷媒を沸騰させて蒸気にし、
   前記蒸気を前記凝縮器により凝縮させて前記液冷媒に戻す
   ことを特徴とする冷却方法。
8. 請求項７に記載の冷却方法であって、
   前記沸騰容器内に電場を与え、当該電場により前記液冷媒と前記蒸気との間に静電力を発生させて前記液冷媒を鉛直方向に吸い上げる
   ことを特徴とする冷却方法。