JP2022546870A - 電力モジュール - Google Patents

Abstract

本発明は、電流変換装置（２０）と、前記変換装置の冷却装置（２２）と、を備える鉄道車両（１０）のための電力モジュール（１２）において、前記変換装置が複数の変換ユニット（２４）を有しており、各々の変換ユニットが複数の半導体要素（２８）を備えており、冷却装置が複数の熱交換器（３０）を有しており、組立て位置では、複数の半導体要素（２８）が前記熱交換器と熱的に接しており、各々の変換ユニットと、対応する熱交換器と、の脱着可能な組立て手段を備え、支持体は、前記熱交換器および電力モジュールの他の部分から切り離すことができる、電力モジュールに関する。

Description

本発明は、電流変換装置と、前記変換装置の冷却装置と、を備えるタイプの鉄道車両のための電力モジュールに関する。

このような冷却システムを有する電力モジュールについては、特に特許文献１に記載されている。

従来より、電流変換装置には冷却を必要とする発熱性要素に属する半導体要素が含まれている。こうした半導体要素や、対応する制御用の電子装置は、保守および／または交換のための頻繁な介入を必要とする。

実際の出力モジュールでは、そうした保守作業が大きな制約を生じている。とりわけ、分解しなければならない要素の重量の問題から、複数の作業者を充てる必要があることもしばしばである。また、冷却システムでは、往々にして油脂タイプの流体製品を主体とする熱的境界が用いられているため、やはり分解時に制約が生じる。

欧州特許出願公開第２２９１０６７号明細書

本発明は、そうした不都合を解消するために出力モジュールの設計を最適化することを目的とする。

そこで、本発明は、前述のタイプの電力モジュールを対象としており、この電力モジュールにおいて、変換装置は複数の変換ユニットを有しており、各々の変換ユニットが、支持体と、複数の半導体要素と、前記半導体要素の制御用の電子基板と、を備え、半導体要素および電子基板が支持体に固定されており、冷却装置は複数の第１の熱交換器を有しており、１つの第１の熱交換器と１つの変換ユニットとの組立て位置では、複数の半導体要素が前記第１の熱交換器と熱的に接して前記第１の熱交換器に熱を伝達するようになっており、各々の変換ユニットの支持体と、対応する第１の熱交換器と、の脱着可能な組立て手段を備え、前記支持体は、前記第１の熱交換器および電力モジュールの他の部分から切り離すことができる。

本発明のその他の有利な態様によれば、電力モジュールは、以下のいずれか１つまたは複数の特徴を単独または技術的に可能なあらゆる組合せで有するものを含む。
－ 電流変換装置は少なくとも１つの変換ブロックを有し、前記変換ブロックまたは各々の変換ブロックは接続バーおよび２つの変換ユニットを含み、前記２つの変換ユニットそれぞれの半導体要素は、前記接続バーとの脱着可能な接続手段を備え、２つの変換ユニットの支持体は接続バーの両側に配置される。
－ 各々の変換ユニットの半導体要素は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。
－ 少なくとも１つの第１の熱交換器は、固体の熱的境界に対して組み立てられ、前記第１の熱交換器と１つの変換ユニットとの組立て位置では、前記熱的境界が前記変換ユニットの複数の半導体要素と前記第１の熱交換器との間の熱移動を果たす。
－ 冷却装置は、伝熱流体の閉回路と、前記伝熱流体の熱を鉄道車両の移動によって発生する空気流へと移すことができる第２の熱交換器と、を備え、第１の熱交換器の各々と第２の熱交換器とが前記閉回路上に配置される。
－ 各々の変換ユニットは、３０ｋｇ未満、好ましくは２０ｋｇ未満の総重量を有する。

本発明はまた、鉄道車両の屋根に配置するようにされた動力箱に関し、この動力箱は、前述のような電力モジュールと、１つまたは複数の上部カバーパネルと、を備え、前記パネルまたは各々のパネルが開位置と閉位置との間で可動であり、各々の変換ユニットが前記カバーパネルまたはその１つと向かい合わせに位置する。

本発明はまた、電気モータと、前述のような動力箱と、を含む駆動ラインを備える鉄道車両であって、前記動力箱が前記車両の屋根に位置する、鉄道車両に関する。

本発明はまた、前述のような鉄道車両の保守方法に関し、この保守方法は、上部カバーパネルまたはその１つを開位置に移動させるステップと、脱着可能な組立て手段を用いて、変換ユニットの支持体を対応する第１の熱交換器から切り離すステップと、前記変換ユニットを動力箱から取り出すステップと、を含む。

本発明については、図面を参照しながら、もっぱら限定的でない例としてのみ示す以下の説明を読むことによってよりよく理解されよう。

本発明のある実施形態による電力モジュールを備える鉄道車両の、正面の概略部分断面図である。 本発明の具体的な実施形態による図１の電力モジュールの詳細図である。

図１は、出力モジュール１２、すなわち電力変換器を備える鉄道車両１０を示している。鉄道車両１０は、たとえば、客車または貨車からなる列車の動力車両である。鉄道車両１０は、出力モジュール１２によって電気エネルギーの供給を受ける電気モータ（図示せず）を駆動ラインに特に備える。

鉄道車両１０は、図１に示すように前記車両の屋根に位置する動力箱１４を特に備える。

Ｚ方向が鉛直を表し、Ｘ方向が鉄道車両１０の移動の長手方向に相当し、Ｙ方向が水平な横断方向に相当する正規直交基底（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を考える。

動力箱１４の外側面は、ほぼ平面（Ｘ、Ｙ）内に配置された中央パネル１６と、中央パネル１６の両側に位置する側方パネル１７と、によって画定される。側方パネル１７は、鉄道車両１０の中心面（Ｘ、Ｚ）に関して互いにほぼ対称形をなす。図１には側方パネル１７のうち１つのみが示されている。

各々の側方パネル１７は傾斜しており、中央パネル１６と接する端部は、反対の端部より高い位置にある。その結果、動力箱１４の形状は従来のような山形になる。参考として、側方パネルは水平に対して２０°から６０°の角度で傾斜する。

また、動力箱１４は、側方パネル１７とほぼ平行な少なくとも１つの傾斜面１８であって、前記側方パネルの下に配置された傾斜面１８を有する内部構造を備える。側方パネル１７と前記傾斜面１８との間にある空間は、動力箱１４の内部区画１９を形成する。

好ましくは、各々の側方パネル１７は、図１に示すような閉位置と開位置との間で可動である。前記開位置では、作業者が内部区画１９にアクセスすることができる。

出力モジュール１２は、電流変換装置２０と前記変換装置２０の冷却装置２２とを備える。

変換装置２０は複数の変換ユニット２４を特に備える。図１に示すように、各々の変換ユニット２４は、支持体２６と、複数の半導体要素２８と、前記半導体要素２８の制御用の電子基板２９と、を特に備える。半導体要素２８および電子基板２９は、支持体２６に固定される。

半導体要素２８はトランジスタタイプのものである。好ましくは、半導体要素２８は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ＩＧＢＴは、各々の変換ユニット２４においてはスイッチ機能を特に有する。

変換ユニット２４は、側方パネル１７のいずれか一方によって閉ざされた内部区画１９の中に配置される。好ましくは、変換ユニット２４は、側方パネル１７と向かい合わせに配置される。

一般に、好ましくは、各々の変換ユニット２４は、頻繁な保守および／または交換作業を必要とする変換装置２０の構成要素を含む。

冷却装置２２は複数の第１の熱交換器３０を備える。１つの第１の熱交換器３０と１つの変換ユニット２４との組立て位置では、半導体要素、とりわけＩＧＢＴ２８は、前記第１の熱交換器３０と熱的に接することによって前記第１の熱交換器に熱を伝達する。

各々の第１の熱交換器３０は、たとえば傾斜面１８上に配置される。ある実施形態によれば、熱的境界３１は少なくとも１つの第１の熱交換器３０上に配置されて、組立て位置では、前記第１の熱交換器３０とＩＧＢＴ２８との間に介在するようにされる。好ましくは、熱的境界３１は固体材料によって形成され、乾式境界タイプである。

以下で詳述するように、モジュール１２は、各変換ユニット２４の支持体２６と対応する第１の熱交換器３０との脱着可能な組立て手段４４を備える。それにより、各々の変換ユニット２４は、前記第１の熱交換器３０およびモジュール１２の他の部分から切り離すことができる。

ある実施形態によれば、電流変換装置２０は、図２に示すような少なくとも１つの変換ブロック３２を備える。変換ブロック３２は、前述のような２つの変換ユニット２４のほか、台座３４、接続バー３６およびフィルタコンデンサ３８を特に備える。

接続バー３６、すなわちバスバーは、ほぼ平らな板材の形をとる。変換ブロック３２は、接続バー３６と２つの変換ユニット２４それぞれのＩＧＢＴとがほぼ同一平面上に配置されるように構成される。接続バー３６は、たとえば方向Ｘに沿って２つの変換ユニット２４の間に配置される。２つの変換ユニット２４それぞれのＩＧＢＴには、接続バー３６との間に、コネクタ４０のような脱着可能な接続手段が装備される。

台座３４は２つのホルダ４２を備え、前記ホルダの各々が２つの変換ユニット２４の一方と脱着可能に組み立てられるようにされる。より詳細には、各々の変換ユニット２４は、その台座３４のホルダ４２の一方との間に脱着可能な組立て手段４４を備える。脱着可能な組立て手段４４は、たとえばねじ止めタイプのものである。

また、各々の変換ユニット２４の総重量は、１５キログラム～２０キログラム程度に抑えられ、変換ユニットは１人の作業者で専用工具を用いることなく扱えるようにされることが好ましい。

変換ブロック３２は、接続バー３６および２つの変換ユニット２４の下にフィルタコンデンサ３８が配置されるように構成されることが好ましい。より好ましくは、台座３４は、ホルダ４２とフィルタコンデンサ３８との間にスペース４６が設けられ、傾斜面１８と第１の熱交換器３０とが前記スペース４６に収まるように構成される。

図１および図２に示す組立て位置では、変換ブロック３２の各々の変換ユニット２４は、ホルダ４２の１つに対して組み立てられ、変換ユニット２４それぞれのＩＧＢＴ２８は、熱的境界３１を介して対応する第１の熱交換器３０と熱的に接する。

冷却装置２２は、鉄道車両の移動によって発生する空気流で熱交換を行うことができる第２の熱交換器５０をさらに備える。第２の熱交換器５０は、たとえば動力箱１４の中央部、中央パネル１６の下に配置される。

第２の熱交換器５０は、好ましくはフィン形放熱器である。より好ましくは、第２の熱交換器５０は、熱を十分に放出するために、ファンを必要とせずに鉄道車両１０の走行だけで足りるように設計される。

冷却装置２２は、複数の第１の熱交換器３０を第２の熱交換器５０と接続する伝熱流体の閉回路（図示せず）をさらに備える。前記閉回路の前記伝熱流体は、各々の第１の熱交換器３０の熱を第２の熱交換器５０に移動することができる。

好ましくは、伝熱流体は二相であり、第１の熱交換器３０は、特許文献１などに記載されている毛細管蒸発器を備える。各々の毛細管蒸発器を二相伝熱流体が貫流する。

二相伝熱流体には、たとえばメタノールまたはアセトンが選ばれる。

出力モジュール１２の動作について以下に説明する。

上に説明した鉄道車両１０を移動させるため、前記鉄道車両の駆動ラインの電気モータが起動される。出力モジュール１２の変換ユニット２４も起動される。すると、各々の変換ユニット２４のＩＧＢＴ２８が熱を発生し、その熱は熱的境界３１を通して対応する第１の熱交換器３０まで伝導によって拡散する。冷却装置２２の伝熱流体は、前記熱を第２の熱交換器５０へと移動させる。前記第２の交換器レベルでは、鉄道車両１０の移動によって発生する空気流に前記熱が伝達される。

変換ユニット２４に対して必要な保守を行う際には、作業者が該当するパネル１７を閉位置から開位置に移動させ、コネクタ４０を外し、関係する変換ユニット２４の脱着可能な組立て手段４４を用いて前記変換ユニット２４をホルダ４２から取り外す。

目指す変換ユニット２４の、動力箱１４の区画１９からの取出しはこうして簡単に行うことができる。この取出しは、変換ユニットの重量が抑えられていることによって容易となり、この作業は１人の作業者で行うことができる。

また、熱移動は油脂タイプの粘性材料によって行われるのではなく、熱的境界３１が固体であることで、ＩＧＢＴ２８をその冷却装置から切り離すことが容易となる。

さらに、変換ユニット２４の取外しに際して、冷却装置２２の伝熱流体回路に対して作業を行う必要はない。

ＩＧＢＴ２８および／または電子基板２９レベルに対する作業の後、変換ユニット２４は、逆の手順を経ることでモジュール１２の他の部分に対して再び組み立てられる。

このように、モジュール１２の構成は、ＩＧＢＴトランジスタや電子基板のように、最も多くの保守を必要とする構成機器のレベルで容易かつ迅速に作業を行うことを可能にするものである。そのため、保守は１人の作業者だけで特別な制約もなく行うことができる。

１０ 鉄道車両
１２ 電力モジュール
１４ 動力箱
１６ 中央パネル
１７ 上部カバーパネル、側方パネル
１８ 傾斜面
１９ 内部区画
２０ 変換装置
２２ 冷却装置
２４ 変換ユニット
２６ 支持体
２８ 半導体要素、ＩＧＢＴ
２９ 電子基板
３０ 第１の熱交換器
３１ 熱的境界
３２ 変換ブロック
３４ 台座
３６ 接続バー
３８ フィルタコンデンサ
４０ 脱着可能な接続手段、コネクタ
４２ ホルダ
４４ 脱着可能な組立て手段
５０ 第２の熱交換器

Claims (9)

1. － 電流変換装置（２０）と、
   － 前記電流変換装置の冷却装置（２２）と、
   を備える鉄道車両（１０）のための電力モジュール（１２）であって、
   前記電流変換装置が複数の変換ユニット（２４）を有しており、前記変換ユニットの各々が、支持体（２６）と、複数の半導体要素（２８）と、前記半導体要素の制御用の電子基板（２９）と、を備え、前記半導体要素および前記電子基板が前記支持体に固定されており、
   前記冷却装置が複数の第１の熱交換器（３０）を有しており、１つの第１の熱交換器と１つの変換ユニットとの組立て位置では、複数の前記半導体要素（２８）が前記第１の熱交換器と熱的に接して前記第１の熱交換器に熱を伝達するようになっており、
   前記変換ユニットの各々の、前記支持体（２６）と、対応する前記第１の熱交換器と、の脱着可能な組立て手段（４４）を備え、前記支持体は、前記第１の熱交換器および前記電力モジュールの他の部分から切り離すことができる、電力モジュール。
2. 前記電流変換装置（２０）が少なくとも１つの変換ブロック（３２）を有し、前記変換ブロックまたは前記変換ブロックの各々は、接続バー（３６）および２つの変換ユニット（２４）を含み、前記２つの変換ユニットそれぞれの前記半導体要素（２８）が、前記接続バーとの脱着可能な接続手段（４０）を備え、前記２つの変換ユニットの前記支持体（２６）が前記接続バーの両側に配置される、請求項１に記載の電力モジュール（１２）。
3. 前記変換ユニット（２４）の各々の、前記半導体要素（２８）が、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである、請求項１または請求項２に記載の電力モジュール。
4. 少なくとも１つの前記第１の熱交換器（３０）が、固体の熱的境界（３１）に対して組み立てられ、前記第１の熱交換器と１つの変換ユニット（２４）との組立て位置では、前記熱的境界が前記変換ユニットの複数の前記半導体要素（２８）と前記第１の熱交換器との間の熱移動を果たす、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力モジュール。
5. 前記冷却装置が、伝熱流体の閉回路と、前記伝熱流体の熱を前記鉄道車両（１０）の移動によって発生する空気流へと移すことができる第２の熱交換器（５０）と、を備え、前記第１の熱交換器（３０）の各々と前記第２の熱交換器とが前記閉回路上に配置されている、請求項１から４のいずれが一項に記載の電力モジュール。
6. 前記変換ユニット（２４）の各々が、３０ｋｇ未満、好ましくは２０ｋｇ未満の総重量を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力モジュール。
7. 鉄道車両の屋根に配置するようにされた動力箱（１４）であって、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力モジュールである電力モジュール（１２）と、１つまたは複数の上部カバーパネル（１７）と、を備え、前記上部カバーパネルまたは前記上部カバーパネルの各々が、開位置と閉位置との間で可動である、動力箱において、前記変換ユニット（２４）の各々が、前記上部カバーパネルまたは前記上部カバーパネル（１７）のうちの１つと向かい合わせに位置する、動力箱（１４）。
8. 電気モータと、請求項７に記載の動力箱（１４）と、を含む駆動ラインを備える鉄道車両（１０）であって、前記動力箱が前記鉄道車両の屋根に位置する、鉄道車両（１０）。
9. 請求項８に記載の鉄道車両の保守方法であって、
   － 前記上部カバーパネル（１７）または前記上部カバーパネル（１７）のうちの１つを開位置に移動させるステップと、
   － 脱着可能な組立て手段（４４）を用いて、変換ユニット（２４）の前記支持体（２６）を対応する前記第１の熱交換器（３０）から切り離すステップと、
   － 前記変換ユニットを前記動力箱（１４）から取り出すステップと、
   を含む方法。

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