JP4208814B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両の床下等に設置され、互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群を冷却する半導体冷却装置に関する。
鉄道車両の床下には、直流から交流あるいは交流から直流への変換を行う半導体電力変換装置が設置されている。図２１乃至図２３はこの種の半導体電力変換装置の一例を示しており、図２１は電力変換回路の構成図、図２２は半導体電力変換装置の側面断面図、図２３は図２２のＡ−Ａ線断面図である。
この半導体電力変換装置は、互いに独立した二つのインバータ回路（電力変換回路）を備えており、各インバータ回路は、図２１に示すように、三相ブリッジ接続された六個の半導体素子１と、正極端子及び負極端子間に接続されたフィルタコンデンサ２とを有している。
この電力変換装置は、図示しない鉄道架線から直流側の端子Ｐ、Ｎ間に直流電力が入力されると、半導体素子１を所定の順序でオン・オフ制御することにより交流電力に変換し、交流側の端子Ｕ、Ｖ、Ｗから出力して電動機３へ供給する。
この電力変換装置では、半導体素子１から発生する熱を効率良く除去するための半導体冷却装置を設けている。
図２２、図２３に示すように、この半導体冷却装置４は、車体５の底部の側端に取り付けられた箱体６内に一部が収納されており、額縁状の境界板７に形成された開口（図示せず）に固定されている。
半導体冷却装置４は、境界板７の一方の側に設けられ半導体素子１及びゲートアンプ９を内部に収容するとともに前記開口を封閉する密閉部１０と、境界板７の他方の側に設けられ熱放散させるための開放部１１とを備えている。
密閉部１０では、例えば山形鋼で形成された枠体の底部に板が取り付けられ、その上に二群のフィルタコンデンサ２がそれぞれ装着され、箱体６内に導入された図示しない導体がフィルタコンデンサ２に接続されている。
半導体素子１は、密閉部１０内に各相毎に設けられた三個の板状の受熱ブロック１２に取り付けられている。各受熱ブロック１２の一方の面には一方のインバータ回路を構成する半導体素子１が取り付けられ、各受熱ブロック１２の他方の面には他方のインバータ回路を構成する半導体素子１が取り付けられる。半導体素子１の取り付けは三相共同様である。このような構造では、中央の受熱ブロック１２上の半導体素子１が両側の受熱ブロック１２上の半導体素子１と対向して近接した状態となる。
各受熱ブロック１２にはヒートパイプ放熱器１３が取り付けられている。このヒートパイプ放熱器１３は、一端が受熱ブロック１２の一側面に接続され、開放部１１に向けて突出したヒートパイプ１４と、このヒートパイプ１４上に長手方向に間隔をおいて取り付けられた複数枚の板状の放熱フィン１５とを有している。ヒートパイプ１４は各放熱フィン１５を貫通しており、各放熱フィン１５はヒートパイプ１４の外周面に嵌着された状態で固定されている。
ヒートパイプ放熱器１３は、受熱ブロック１２側が下方となるように傾けて取り付けられ、ヒートパイプ１４内に封入された冷媒は、半導体素子１で発生して受熱ブロック１２に伝導した熱により蒸発し、放熱フィン１５側で大気へ熱放散して凝縮する。凝縮した冷媒は重力によりヒートパイプ１４内を下方に流れて受熱ブロック１２側へ戻る。なお、放熱フィン１５は自然冷却により大気へ熱放散を行うため、地面に対してほぼ垂直に設置され、放熱フィン１５間に上昇気流を生じさせるようになっている。
以上のような構成の半導体冷却装置においては、一方のインバータ回路を構成する半導体素子１が物理的に破損した場合に、破損した半導体素子１の残骸が他方のインバータ回路を構成する半導体素子１に接触するなどして、他方のインバータ回路に悪影響を及ぼす可能性がある。
上記課題を解決するために、第１の発明は、互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する一つの受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記第１及び第２の素子取付面が同一面内に設けられたことを特徴としている。
また、第２の発明は、互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する一つの受熱ブロックと、前記受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記第１及び第２の素子取付面が表裏の関係となるように設けられたことを特徴としている。
また、第３の発明は、互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する複数の受熱ブロックと、前記各受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記複数の受熱ブロックは、前記第１の素子取付面同士あるいは前記第２の素子取付面同士が対向するように配置されたことを特徴としている。
また、第４の発明は、互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する複数の受熱ブロックと、前記各受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記複数の受熱ブロックは、前記第１及び第２の素子取付面が表裏の関係となるように設けられるとともに前記第１の素子取付面と前記第２の素子取付面が互いに対向するように間隔をおいて配置され、隣接する二つの前記受熱ブロック間に前記第１の素子取付面の半導体素子と前記第２の素子取付面の半導体素子とが衝突するのを防ぐ衝突防止部材が設けられたことを特徴としている。
本発明によれば、一つの電力変換回路を構成する半導体素子が物理的に破損した場合に、破損した半導体素子の残骸が他の電力変換回路を構成する半導体素子に接触することがないため、他の電力変換回路に悪影響を及ぼすことがない。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において、上記従来例と同一又は類似の部分には同一の符号を用いており、重複する説明は省略してある。
図１は本発明の第１の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図２は図１の半導体冷却装置の平面図、図３は図１の半導体冷却装置の右側面図である。
図１に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して略垂直に配置された一つの受熱ブロック１２の一方の面が二つのインバータ回路の素子取付面とされている。すなわち、受熱ブロックの一方の面を縦断する中心線Ｃ．Ｌを境に左側が第１の素子取付面１２ａ、右側が第２の素子取付面１２ｂとなっている。
第１の素子取付面１２ａには、一方のインバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ相に対応した六個の半導体素子１から成る第１の半導体素子群Ｇ１が取り付けられ、第２の素子取付面１２ｂには、他方のインバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ相に対応した六個の半導体素子１から成る第２の半導体素子群Ｇ２が取り付けられている。
また、受熱ブロック１２の他方の面には、多数の板状の放熱フィン１５が横方向に一定間隔をおいて垂直に取り付けられている。
このように、二つのインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を同一面内に取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図４は本発明の第２の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図５は図４の半導体冷却装置の平面図、図６は図４の半導体冷却装置の右側面図である。
図４に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して略垂直に配置された一つの受熱ブロック１２の一方の面が二つのインバータ回路の素子取付面とされている。すなわち、受熱ブロック１２の一方の面を横断する中心線Ｃ．Ｌを境に上側が第１の素子取付面１２ａ、下側が第２の素子取付面１２ｂとなっている。
第１の素子取付面１２ａには、一方のインバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ相に対応した六個の半導体素子１から成る第１の半導体素子群Ｇ１が取り付けられ、第２の素子取付面１２ｂには、他方のインバータ回路のＵ、Ｖ、Ｗ相に対応した六個の半導体素子１から成る第２の半導体素子群Ｇ２が取り付けられている。
また、受熱ブロック１２の他方の面には、多数の板状の放熱フィン１５が横方向に一定間隔をおいて垂直に取り付けられている。
このように、二つのインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を同一面内に取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図７は本発明の第３の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図８は図７の半導体冷却装置の左側面図である。
図７に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して略垂直に配置された一つの受熱ブロック１２の一方の面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１を構成する六個の半導体素子１が取り付けられ、受熱ブロック１２の他方の面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２を構成する六個の半導体素子１が取り付けられている。
また、略Ｌ字形に形成されたヒートパイプ１４の一端が受熱ブロック１２の一つの側面に取り付けられ、このヒートパイプ１４の他端側に複数枚の板状の放熱フィン１５が軸方向に間隔をおいて取り付けられている。
このように、一方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を受熱ブロック１２の一方の面に取り付け、その裏側となる他方の面に他方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。図９は本発明の第４の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図１０は図９の半導体冷却装置の左側面図である。
図９に示すように、本実施形態では、角筒状に形成された一つの受熱ブロック１２の一方の側壁の外面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１を構成する六個の半導体素子１が取り付けられ、その裏側となる他方の側壁の外面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２を構成する六個の半導体素子１が取り付けられている。
また、受熱ブロック１２の内部には、長手方向に延びる複数枚の板状の放熱フィン１５が水平かつ上下に間隔をおいて設けられ、各放熱フィン１５は受熱ブロック１２の両側壁の内面間に接続されている。なお、１６は冷却ファンであり、受熱ブロック１２の内部に向けて冷却風を送風し、放熱フィン１５による放熱を促進する。
このように、一方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を受熱ブロック１２の一方の側壁の外面に取り付け、その裏側となる他方の側壁の外面に他方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。また、放熱フィン１５に対して両側から熱が伝わるので、効率良く放熱することができる。
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。図１１は本発明の第５の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図１２は図１０の半導体冷却装置の右側面図である。
図１１、図１２に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して傾斜した状態で配置された上下一対の受熱ブロック１２を備えており、上側の受熱ブロック１２の下側の面及び下側の受熱ブロック１２の上側の面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１が取り付けられるとともに互いに対向するように配置されている。また、上側の受熱ブロック１２の上側の面及び下側の受熱ブロック１２の下側の面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２が取り付けられている。
また、直軸状のヒートパイプ１４の一端が受熱ブロック１２の一つの側面に取り付けられて斜め上方に向かって突出し、このヒートパイプ１４に複数枚の板状の放熱フィン１５が軸方向に間隔をおいて取り付けられている。
このように、一方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を一対の受熱ブロック１２の互いに対向する面に取り付け、その裏側の面に他方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
なお、受熱ブロック１２及び放熱フィン１５から成る冷却器をＵ、Ｖ、Ｗ相の各相毎に分離して設けるようにしてもよく、この場合、扱う冷却器が小型となるため、組立作業性が向上するという利点が有る。
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。図１３は本発明の第６の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図１４は図１３の半導体冷却装置の右側面図である。
図１３、図１４に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して傾斜した状態で配置された一つの受熱ブロック１２の上側の面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１が取り付けられ、受熱ブロック１２の下側の面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２が取り付けられている。
また、直軸状のヒートパイプ１４の一端が受熱ブロック１２の一つの側面に取り付けられて斜め上方に向かって突出し、このヒートパイプ１４に複数枚の板状の放熱フィン１５が軸方向に間隔をおいて取り付けられている。
このように、一方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を一つの受熱ブロック１２の一方の面に取り付け、その裏側の面に他方のインバータ回路を構成する全ての半導体素子１を取り付けたことにより、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。図１５は本発明の第７の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図１６は図１５の半導体冷却装置の右側面図、図１７は図１５の半導体冷却装置の平面図である。
これらの図に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して垂直に配置された複数の受熱ブロック１２を備えている。各受熱ブロック１２は、一方の面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１を構成する半導体素子１が二個取り付けられ、他方の面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２を構成する半導体素子１が二個取り付けられている。
各受熱ブロック１２は、第１の素子取付面１２ａと第２の素子取付面１２ｂとが互いに対向するように間隔をおいて平行に配置されている。そして、各半導体素子１の表面には、それぞれ断面コの字形の金属製の導体１７が接着等により固定され、さらに隣接する二個の半導体素子１の表面には、これらの間に跨るように断面コの字形の導体１８が接着等により固定されている。これらの導体１７、１８は電源変換回路に電圧を供給するためのもので、金属板を折曲したり厚みを大きくすることにより剛性を高めている。
また、直軸状のヒートパイプ１４の一端が受熱ブロック１２の一つの側面に取り付けられて斜め上方に向かって突出し、このヒートパイプ１４に複数枚の板状の放熱フィン１５が軸方向に間隔をおいて取り付けられている。
このように、各受熱ブロック１２の両面の二個の半導体素子１上に導体１７、１８を取り付けたことにより、第１の素子取付面１２ａの半導体素子１と第２の素子取付面１２ｂの半導体素子１とが衝突するのを防ぐことができるため、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
次に、本発明の第８の実施形態を説明する。図１８は本発明の第８の実施形態の半導体冷却装置の正面図、図１９は図１８の半導体冷却装置の右側面図、図２０は図１８の半導体冷却装置の平面図である。
これらの図に示すように、本実施形態では、板状に形成されるとともに地面に対して垂直に置された複数の受熱ブロック１２を備えている。各受熱ブロック１２は、一方の面が第１の素子取付面１２ａとされて第１の半導体素子群Ｇ１を構成する半導体素子１が二個取り付けられ、他方の面が第２の素子取付面１２ｂとされて第２の半導体素子群Ｇ２を構成する半導体素子１が二個取り付けられている。
各受熱ブロック１２は、第１の素子取付面１２ａと第２の素子取付面１２ｂが互いに対向するように間隔をおいて平行に配置されている。そして、隣接する二個の受熱ブロック１２間には隔壁１９が設置されている。
また、直軸状のヒートパイプ１４の一端が受熱ブロック１２の一つの側面に取り付けられて斜め上方に向かって突出し、このヒートパイプ１４に複数枚の板状の放熱フィン１５が軸方向に間隔をおいて取り付けられている。
このように、隣接する二個の受熱ブロック１２間に隔壁１９を設けたことにより、第１の素子取付面１２ａの半導体素子１と第２の素子取付面１２ｂの半導体素子１とが衝突するのを防ぐことができるため、一方のインバータ回路の半導体素子１が物理的に破損した場合でも、他方のインバータ回路の半導体素子１に影響を及ぼすことがない。
以上、具体例をあげて本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。
本発明の第１の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図１の半導体冷却装置の平面図である。 図１の半導体冷却装置の右側面である。 本発明の第２の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図４の半導体冷却装置の平面図である。 図４の半導体冷却装置の右側面図である。 本発明の第３の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図７の半導体冷却装置の左側面図である。 本発明の第４の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図９の半導体冷却装置の左側面図である。 本発明の第５の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図１０の半導体冷却装置の右側面図である。 本発明の第６の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図１３の半導体冷却装置の右側面図である。 本発明の第７の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図１５の半導体冷却装置の右側面図である。 図１５の半導体冷却装置の平面図である。 本発明の第８の実施形態の半導体冷却装置の正面図である。 図１８の半導体冷却装置の右側面図である。 図１８の半導体冷却装置の平面図である。 従来の半導体冷却装置の電力変換回路の構成図である。 従来の半導体電力変換装置の側面断面図である。 図２２のＡ−Ａ線断面図である。
符号の説明
１ 半導体素子
１２ 受熱ブロック
１２ａ 第１の素子取付面
１２ｂ 第２の素子取付面
１４ ヒートパイプ（放熱部）
１５ 放熱フィン（放熱部）
１７ 導体（衝突防止部材）
１８ 導体（衝突防止部材）
１９ 隔壁（衝突防止部材）
Ｇ１ 第１の半導体素子群
Ｇ２ 第２の半導体素子群

Claims (4)

  1. 互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する複数の受熱ブロックと、前記各受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記複数の受熱ブロックは、前記第１の素子取付面同士あるいは前記第２の素子取付面同士が対向するように配置されたことを特徴とする半導体冷却装置。
  2. 前記受熱ブロック及び前記放熱部から成る冷却器が各相毎に設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体冷却装置。
  3. 互いに独立した二つの電力変換回路を構成する第１及び第２の半導体素子群が取り付けられる第１及び第２の素子取付面を有する複数の受熱ブロックと、前記各受熱ブロックに接続された放熱部とを備えた半導体冷却装置であって、前記複数の受熱ブロックは、前記第１及び第２の素子取付面が表裏の関係となるように設けられるとともに前記第１の素子取付面と前記第２の素子取付面が互いに対向するように間隔をおいて配置され、隣接する二つの前記受熱ブロック間に前記第１の素子取付面の半導体素子と前記第２の素子取付面の半導体素子とが衝突するのを防ぐ衝突防止部材が設けられたことを特徴とする半導体冷却装置。
  4. 前記衝突防止部材は、前記電力変換回路に電圧を供給する導体を兼ねることを特徴とする請求項３記載の半導体冷却装置。
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