JP3244143U

JP3244143U - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3244143U
Application number: JP2023002966U
Authority: JP
Inventors: 淳樗木
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2023-08-17
Filing date: 2023-08-17
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2033-08-17

Abstract

【課題】冷却液を用いることなく、回路基板に実装された半導体素子を確実に耐熱温度以下に保持できるようにした電力変換装置を提供する。【解決手段】本考案の電力変換装置ＰＣは、筐体１と、筐体内に格納されて電力変換回路を構成する半導体素子２ａ，２ｂ，２ｃが実装された回路基板２１と、半導体素子を冷却する冷却ユニット４１とを備え、冷却ユニットが、圧縮空気を供給するコンプレッサー４５と、このコンプレッサーからの圧縮空気を冷却するエアークーラ４７と、筐体内で回路基板に対向配置される吸熱面４１ａを持つ冷却ブロック４１とを有し、冷却ブロックが、吸熱面から回路基板に向かう方向を上として、流入口４２と、流出口４３と、上下複数段で且つ各段にて回路基板に平行な同一面内で夫々蛇行して流入口と流出口とを連通する通風路４４ａ，４４ｂとを備え、流入口にエアークーラからの冷却圧縮空気が供給されるように構成した。【選択図】図２

Description

本考案は、入力された直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で交流電力に変換する電力変換装置に関し、より詳しくは、鉄道車両用のものに関する。

この種の電力変換装置は、例えば、鉄道車両の屋根に搭載したパンタフラフを介して架線から集電した直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で三相の交流電力に変換するために鉄道車両に備えられる。一般に、電力変換装置は、筐体を有し、筐体内には、スイッチング素子としての複数の半導体素子（ＩＧＢＴ等）を一方向に所定間隔で実装した回路基板、各半導体素子の駆動回路や、直流電力の安定化のためのフィルタコンデンサといった電子部品が格納されている。そして、スイッチング動作に伴って発熱する半導体素子を耐熱温度以下に保持するために冷却ユニットが設けられる。

このような冷却ユニットとして、強制ファンを備える空冷式のものと比較して冷却性能が良い水冷式のものが例えば特許文献１で知られている。このものは、筐体の一組の対向する一方の面と他方の面に流入口及び流出口を夫々設け、ポンプと放熱器とを介設した循環回路により絶縁性の冷却液を筐体内に充填しながら循環させことで、冷却液との熱交換で各半導体素子が冷却される。然し、鉄道車両の走行時の振動に伴って筐体内に充填された冷却液が波打つように振動する場合があり、これでは、冷却液の循環が阻害されて各半導体素子の冷却が不十分になる虞がある。しかも、筐体や循環回路を構成する配管の接続箇所などには、走行時の振動に耐え得る高い液密性能が要求されるため、冷却ユニットの複雑化を招く。

特開２０１０－１３０８２９号公報

本考案は、以上の点に鑑み、冷却液を用いることなく、回路基板に実装された半導体素子を確実に耐熱温度以下に保持できるようにした電力変換装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、入力された直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で交流電力に変換する本考案の電力変換装置は、筐体と、この筐体内に格納されて電力変換回路を構成する半導体素子が実装された回路基板と、半導体素子を冷却する冷却ユニットとを備え、冷却ユニットが、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、このコンプレッサーからの圧縮空気を冷却するエアークーラと、筐体内で回路基板に対向配置される吸熱面を持つ冷却ブロックとを有し、冷却ブロックが、吸熱面から回路基板に向かう方向を上として、流入口と、流出口と、上下複数段で且つ各段にて回路基板に平行な同一面内で夫々蛇行して流入口と流出口とを連通する通風路とを備え、流入口にエアークーラからの冷却圧縮空気が供給されるように構成したことを特徴とする。

以上によれば、冷却ブロックの通風路に冷却圧縮空気を流すことで、冷却ブロックが冷却圧縮空気と同等の温度まで冷却される。そして、回路基板の半導体素子が発熱すると、その熱が主に冷却ブロックの吸熱面で吸熱され、この吸熱された熱が通風路を流れる冷却圧縮空気に伝わり、及び／または、上段の通風路を流れる冷却圧縮空気に直接伝わって外部に排出される。このとき、通風路を上下複数段で且つ各段にて回路基板に平行な同一面内で夫々蛇行させることで、冷却圧縮空気が流れる通風路の流路を可及的に長くしたため、常時、冷却ブロックの昇温が抑制される。その結果、冷却水を用いることなく、回路基板に実装された各半導体素子を確実に耐熱温度以下に保持することが可能になる。しかも、冷却ブロックのみを筐体内に配置すれば済むため、電力変換装置自体の小型化にも寄与する。

本考案において、前記コンプレッサーに接続されるアキュームレータを更に備え、前記流出口をアキュームレータに連通させる構成を採用することができる。これにより、外気に依ることなく、回路基板に実装された半導体素子を確実に耐熱温度以下に保持する構成が実現できる。

また、上記課題を解決するために、入力された直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で交流電力に変換する本考案の電力変換装置は、筐体と、この筐体内に格納されて電力変換回路を構成する半導体素子が実装された回路基板と、半導体素子を冷却する冷却ユニットとを備え、冷却ユニットが、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、このコンプレッサーからの圧縮空気を冷却するエアークーラと、筐体内で回路基板に対向配置される吸熱面を持つ冷却ブロックとを備え、回路基板に平行な同一面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＺ軸方向として、冷却ブロックが、Ｚ軸方向一端に設けられる単一の流入口と、Ｚ軸方向他端にＸ軸方向に間隔を存して設けられる複数の流出口と、Ｚ軸方向にのびて流入口と各流出口とを連通する通風路とを備え、流入口にエアークーラからの冷却圧縮空気が供給され、この流入口に、冷却圧縮空気をＸ軸方向に拡散させて通風路に導入する拡散室が連設されることを特徴とする。

以上によれば、回路基板に実装された半導体素子を確実に耐熱温度以下に保持するという機能を損なうことなく、回路基板に平行な同一面内で夫々蛇行させて通風路を形成する場合と比較して、騒音を小さくでき、有利である。

本考案の第１実施形態の電力変換装置の斜視図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う模式的な断面図（通風路を説明する図を併記）。第２実施形態の電力変換装置に用いられる冷却ユニットを模式的に示す図。第３実施形態の電力変換装置に用いられる冷却ユニットを模式的に示す図。

以下、図面を参照して、図外の鉄道車両の屋根に搭載したパンタフラフを介して架線から集電した直流電力（入力される直流電力）を電力変換回路のスイッチング動作で三相の交流電力に変換するために鉄道車両に備えられる本考案の電力変換装置の第１実施形態を説明する。以下においては、鉄道車両への取付姿勢における鉛直方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に直交する同一水平面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。

図１及び図２を参照して、第１実施形態の電力変換装置ＰＣは、筐体１を備え、筐体１内には、電力変換回路を構成するスイッチング素子としての３個の半導体素子２ａ～２ｃと、直流電力の安定化のためのフィルタコンデンサ３と、各半導体素子２ａ～２ｃの駆動回路（図示せず）といった部品が格納されている。半導体素子２ａ～２ｃは、例えばＩＧＢＴで構成され、回路基板２１の一方の面にＸ軸方向に等間隔で並設されている。回路基板２１の他方の面には、放熱器としての冷却プレート２２がその全面に亘って密着させて設けられている。なお、半導体素子２ａ～２ｃ、フィルタコンデンサ３、回路基板２１や冷却プレート２２といった部品としては公知のものが利用されるため、これ以上の説明は省略する。そして、スイッチング動作に伴って発熱する半導体素子２ａ～２ｃを耐熱温度以下に保持するために冷却ユニット４_１が設けられる。

冷却ユニット４_１は、筐体１内に配置される冷却ブロック４１を備える。冷却ブロック４１は、アルミニウムなどの熱伝導率の良い材料製で直方体状の輪郭を持つように形成されている。そして、回路基板２１と同等以上の面積と持つ冷却ブロック４１の一面全体を吸熱面４１ａとし、この吸熱面４１ａに回路基板２１の冷却プレート２２が対向配置されている。本実施形態では、冷却ブロック４１の吸熱面４１ａを冷却プレート２２にその全面に亘って密着させている。以下において、Ｙ軸方向で吸熱面４１ａから回路基板２１に向かう方向を「上」、その逆方向を「下」とする。

冷却ブロック４１のＺ軸方向の一側面（図２中、左側面）には流入口４２が開設されると共に、Ｚ軸方向の一側に位置させて冷却ブロック４１の上面には流出口４３が開設されている。また、冷却ブロック４１内には、上下２段で且つ各段にてＸ－Ｚ平面内で夫々蛇行して流入口４２と流出口４３とを連通する通風路４４ａ，４４ｂが形成されている。上段の通風路４４ａと下段の通風路４４ｂとは、Ｙ軸方向にのびる連通路４４ｃを介して連通している。この場合、各通風路４４ａ，４４ｂの幅やＸ－Ｚ平面内で蛇行させるときの流路形状は、後述の如く、各通風路４４ａ，４４ｂに冷却圧縮空気を流すときの流速及び流路抵抗などを考慮して、吸熱面４１ａがその全面に亘って温度むらなく同等の温度に冷却できるように適宜設計される。

また、冷却ユニット４_１は、大気を吸引して圧縮空気を供給するコンプレッサー４５と、コンプレッサー４５に一次配管４６ａを介して接続され、コンプレッサー４５から供給される圧縮空気を冷却するエアークーラ４７とを備える。そして、エアークーラ４７からの二次配管４７ａが、筐体１の壁面を貫通して流入口４２に接続されている。なお、コンプレッサー４５やエアークーラ４７といった部品としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。流出口４３は、筐体１内に形成した排気通路４８に連通し、排気通路４８が筐体１に設けた排気口１１に連通し、各通風路４４ａ，４４ｂを流れた冷却圧縮空気が大気開放されるようにしている。

以上の第１実施形態によれば、コンプレッサー４５から一次配管４６ａを介してエアークーラ４７に圧縮空気が供給され、エアークーラ４７からの冷却圧縮空気が二次配管４７ａを介して流入口４２に供給されると、冷却ブロック４１の通風路４４ａ，４４ｂに冷却圧縮空気が流れることで、吸熱面４１ａを含む冷却ブロック４１が冷却圧縮空気と同等の温度まで冷却される。そして、半導体素子２ａ～２ｃが発熱すると、主に、冷却プレート２２を介して吸熱面４１ａで吸熱され、この吸熱された熱が通風路４４ａ，４４ｂを流れる冷却圧縮空気に伝わって流出口４３から排出される。このとき、通風路４４ａ，４４ｂを上下２段で且つ各段にて夫々蛇行させることで、冷却圧縮空気が流れる通風路４４ａ，４４ｂの流路を可及的に長くしたため、常時、吸熱面４１ａの昇温が抑制される。その結果、冷却水を用いることなく、各半導体素子２ａ～２ｃを確実に耐熱温度以下に保持することが可能になる。しかも、冷却ブロック４１のみを筐体１内に配置すれば済むため、電力変換装置ＰＣ自体の小型化にも寄与する。

以上、本考案の第１実施形態について説明したが、本考案の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。例えば、流入口４２や流出口４３を設ける位置は上記に限定されるものではなく、実際に電力変換装置ＰＣを鉄道車両に設置するときのコンプレッサー４５やエアークーラ４７の配置を考慮して適宜変更可能である。

上記第１実施形態では、排気通路４８を筐体１の排気口１１に接続して通風路４４ａ，４４ｂを流れた冷却圧縮空気が大気開放されるようにしたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。同一の部材、要素につき、上記第１実施形態と同一の符号を付した図３を参照して、本考案の第２実施形態では、電力変換装置ＰＣの冷却ユニット４_２が、筐体１外に配置されてコンプレッサー４５に配管５１を介して接続されるアキュームレータ５を更に備える。アキュームレータ５としては公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。そして、筐体１の排気口１１を配管５２を介してアキュームレータ５に接続し、冷却ブロック４１の流入口４２をアキュームレータ５に連通させている。これにより、外気に依ることなく、回路基板２１に実装された半導体素子２ａ～２ｃを確実に耐熱温度以下に保持する構成が実現できる。

また、上記第１実施形態では、冷却ブロック４１内の通風路４４ａ，４４ｂを上下２段で且つ各段にてＸ－Ｚ平面内で夫々蛇行させたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、吸熱面４１ａの昇温をより一層抑制するために、通風路を上下３段以上で且つ各段にてＸ－Ｚ平面内で夫々蛇行させることもできる。更に、上記実施形態では、冷却ブロック４１の一面全体を吸熱面４１ａとしたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。特に図示して説明しないが、回路基板２１に対向する冷却ブロック４１の一面（上面）に、Ｘ－Ｚ平面内で蛇行する単一の溝部を凹設して上段の連通路としてもよい。この場合、溝部の内表面等も吸着面となるが、半導体素子３ａ～３ｃからの熱は、主に上段の通風路を流れる冷却圧縮空気に直接伝わって外部に排出される。

更に、上記第１実施形態では、回路基板２１に冷却プレート２２を設け、冷却プレート２２を冷却ブロック４１の吸熱面４１ａに直接密着（接合）させたものを例に説明したが、これに限定されるものではく、例えば、回路基板２１の他方の面に放熱フィン２３を備えるものにも本考案は適用できる。同一の部材、要素につき、上記第１実施形態と同一の符号を付した図４を参照して、本考案の第３実施形態では、冷却ユニット４_３の冷却ブロック６が次のように構成されている。即ち、冷却ブロック６では、Ｚ軸方向の一側面（鉛直方向における上面）の中央部に単一の流入口６１が設けられ、Ｚ軸方向の他側面（鉛直方向における下面）にはＸ軸方向に等間隔で複数の流出口６２が設けられ、各流出口６２が筐体１に設けた排気口１１に連通している。冷却ブロック６の上面には、Ｚ軸方向に線状にのびて流入口６１と各流出口６２とを連通する、冷却ブロック６のＸ軸方向の長さと同等の幅を有する単一の通風路６４が凹設されている。そして、回路基板２１をその放熱フィン２３側を下にして、冷却ブロック６の上面に取り付けると、通風路６４が密閉され、放熱フィン２３が通風路６４内に直接進入した状態となる。

流入口６１には、これに隣接させてＸ軸方向に長手の拡散室６３が連設され、拡散室６３には、通風路６４に連通する導入孔６３ａがＸ軸方向に等間隔で複数形成されている。特に図示して説明しないが、拡散室６３の導入孔６３ａに応じて通風路６４にＺ軸方向にのびる区画壁を形成して通風路６４を流れる冷却圧縮空気がその全面に亘って一様に整流されるようにしてもよい。また、単一の通風路６４の下方に、他の通風路（図示せず）を更に設けることもできる。これにより、半導体素子２ａ～２ｃが発熱すると、熱が、主に放熱フィン２３を介して通風路６４を流れる冷却圧縮空気に直接伝わって流出口４３から排出される。結果として、回路基板２１に実装された半導体素子２ａ～２ｃを確実に耐熱温度以下に保持するという機能を損なうことなく、蛇行させて通風路を形成する場合と比較して、騒音を小さくでき、有利である。

ＰＣ…電力変換装置、１…筐体、２ａ，２ｂ，２ｃ…半導体素子（電力変換回路の構成要素）、２１…回路基板、４_１，４_２，４_３…冷却ユニット、４１…冷却ブロック、４１ａ…冷却面、４２…流入口、４３…流出口、４４，４４ａ，４４ｂ…通風路、４５…コンプレッサー、４７…エアークーラ、５…アキュームレータ、６…冷却ブロック、６１…単一の流入口、６２…流出口、６３…拡張室、６４…通風路。

Claims

入力された直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で交流電力に変換する電力変換装置であって、
筐体と、この筐体内に格納されて電力変換回路を構成する半導体素子が実装された回路基板と、半導体素子を冷却する冷却ユニットとを備えるものにおいて、
冷却ユニットが、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、このコンプレッサーからの圧縮空気を冷却するエアークーラと、筐体内で回路基板に対向配置される吸熱面を持つ冷却ブロックとを有し、
冷却ブロックが、吸熱面から回路基板に向かう方向を上として、流入口と、流出口と、上下複数段で且つ各段にて回路基板に平行な同一面内で夫々蛇行して流入口と流出口とを連通する通風路とを備え、流入口にエアークーラからの冷却圧縮空気が供給されるように構成したことを特徴とする電力変換装置。
前記コンプレッサーに接続されるアキュームレータを更に備え、前記流出口をアキュームレータに連通させることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
入力された直流電力を電力変換回路のスイッチング動作で交流電力に変換する電力変換装置であって、
筐体と、この筐体内に格納されて電力変換回路を構成する半導体素子が実装された回路基板と、半導体素子を冷却する冷却ユニットとを備えるものにおいて、
冷却ユニットが、圧縮空気を供給するコンプレッサーと、このコンプレッサーからの圧縮空気を冷却するエアークーラと、筐体内で回路基板に対向配置される吸熱面を持つ冷却ブロックとを備え、
回路基板に平行な同一面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＺ軸方向として、冷却ブロックが、Ｚ軸方向一端に設けられる単一の流入口と、Ｚ軸方向他端にＸ軸方向に間隔を存して設けられる複数の流出口と、Ｚ軸方向にのびて流入口と各流出口とを連通する通風路とを備え、流入口にエアークーラからの冷却圧縮空気が供給され、この流入口に、冷却圧縮空気をＸ軸方向に拡散させて通風路に導入する拡散室が連設されることを特徴とする電力変換装置。