JP5022866B2 - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置に関する。
一般に鉄道車両では、図９(ａ)、(ｂ)に示すように、鉄道車両の車体１の床下に、直流から交流に、あるいは交流から直流に電力を変換する半導体電力変換装置２が設置されている。この半導体電力変換装置２は、半導体冷却ユニット３と内部機器４とで構成され、それぞれが導体もしくは電線で接続されている。半導体冷却ユニット３は半導体素子５、冷却器６、その他電気機器で構成されている。
電力変換の際に半導体素子５より発生する熱を半導体電力変換装置２の外部に効率よく放熱するために、半導体素子５は冷却器６に取り付けられている。冷却器６は受熱ブロック７、複数本のヒートパイプ８、複数枚の放熱フィン９で構成され、複数本のヒートパイプ８は受熱ブロック７にハンダ接合され、複数枚の放熱フィン９はヒートパイプ８に貫通接合されている。半導体素子５は密閉構造により半導体電力変換装置１の外部と隔離されており、半導体素子５で発生する熱が受熱ブロック７に伝達され、車体１の側方方向に伸びたヒートパイプ８を介して放熱フィン９へと伝わり、放熱フィン９から大気へ熱拡散される仕組みである。放熱フィン９は周りをカバー１０で保護されており、カバー１０は放熱に必要な空気の流れを妨げないように通風穴が開けられている。
このようにヒートパイプ式冷却器で半導体素子５から発生する熱を外部に放出する半導体電力変換装置は、冷却器形状が特開２００５-１２３４５９号公報（特許文献１）に記載された形状、特開２００６-１２１８４７号公報（特許文献２）に記載された形状の場合もある。
上述した半導体電力変換装置において、車両の走行により放熱フィン９に風を流入させる場合や放熱による自然対流により冷却する場合がある。本発明の対象は、自然対流による冷却技術に関する。この自然対流による冷却の場合、通常は、自然対流により下から上へ空気が流れており、それにより放熱フィン９と空気との間で熱伝達がなされている。しかし、電力変換装置２の下側や上側に微量の風が流れ、電力変換装置２と半導体冷却ユニット３や放熱フィン９との段差の影響で放熱フィン９の上側や下側で空気の乱れが発生することによってその部分の気圧が低下すると自然対流が阻害されて放熱フィン９間の空気の流れが淀み、この淀みにより冷却能力が低下する場合がある。図８の実線Ｗに示すようにさらに風速が増してゆくと冷却性能は改善する。
特開２００５-１２３４５９号公報 特開２００６-１２１８４７号公報
本発明は、上述した放熱フィンの上側、下側に流れる風の乱れを低減し、また、放熱フィン間の空気の淀みを緩和することによって、冷却能力低下の度合いを低減できる鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明は、装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの下側の装置外壁を前記放熱フィンの方に傾斜した傾斜面にしたことを特徴とする。
また、本発明は、装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの上側の装置外壁を前記放熱フィンの方に傾斜した傾斜面にしたことを特徴とする。
なお、本発明では、装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの下側に１つまたは複数の車両進行方向に伸び、枕木方向に傾斜した整風板を設けてもよい。
また、本発明では、装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの上側に１つまたは複数の車両進行方向に伸び、枕木方向に傾斜した整風板を設けてもよい。
さらに、本発明では、装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンのカバーの下側面部を前記放熱フィンの傾きと平行に傾斜させてもよい。
またさらに、本発明では、半導体素子から発生する熱を受熱する受熱ブロック、前記受熱ブロックに一端が接続された複数本のヒートパイプ、前記複数本のヒートパイプを貫通させ、かつ各ヒートパイプからの熱を受熱するように前記ヒートパイプに接合された複数枚の放熱フィンで構成された冷却器と、前記冷却器の周囲を覆うカバーとを備え、前記半導体素子からの熱を前記冷却器を使って装置外に放熱するようにした鉄道車両用電力変換装置において、前記半導体素子からの熱を直接に受熱する受熱ブロックは一体にし、前記放熱フィンは複数に分割した構造にし、分割された放熱フィン間に通風路を設けてもよい。
本発明によれば、放熱フィンの上側又は下側に流れる風の乱れを緩和することによって、冷却能力低下を低減することができる。
また、本発明によれば、放熱フィンの上側、下側に流れる風が乱れても放熱フィン間の空気の淀みを抑制でき、冷却能力低下を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
（第１の実施の形態）図１（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の第１の実施の形態の電力変換装置について説明する。車体１の床下に電力変換装置２が設置されている。電力変換装置２は半導体冷却ユニット３と内部機器４とで構成され、それぞれが導体もしくは電線（図示せず）で接続されている。
半導体冷却ユニット３は半導体素子５と、受熱ブロック７、ヒートパイプ８、放熱フィン９で構成される冷却器６と、その他の電気機器（図示せず）で構成され、それぞれが導体もしくは電線（図示せず）で接続されている。
冷却器６の複数本のヒートパイプ８は受熱ブロック７にハンダ接合され、複数枚の放熱フィン９はヒートパイプ８に貫通接合されている。半導体素子５は密閉構造により半導体電力変換装置１の外部と隔離されており、半導体素子５で発生する熱が受熱ブロック７に伝達され、車体１の側方方向に伸びたヒートパイプ８を介して放熱フィン９へと伝わり、放熱フィン９から大気へ熱拡散される仕組みである。放熱フィン９は周りをカバー１０で保護されており、カバー１０は放熱に必要な空気の流れを妨げないように通風穴１０Ａが開けられている。
本実施の形態の特徴として、冷却器６の下側の装置外壁２Ａには、適切な角度α（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した車両進行方向下側傾斜部１１、及び、適切な角度β（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した枕木方向下側傾斜部１２が設けられている。
本実施の形態の電力変換装置では、適切な角度αの車両進行方向下側傾斜部１１、及び、適切な角度βの枕木方向下側傾斜部１２を装置外壁２Ａに形成したことで、冷却器６の下側に流れる風が乱れることなく放熱フィン９へ到達し、冷却に必要な自然対流を阻害することはなく、空気の流れの淀みにより冷却能力が低下する度合いを低減することができる。
図２には図９に示した従来例と本実施の形態とのそれぞれの冷却器温度と風速との関係を示している。車両速度が高速度となり風速が速くなれば従来例も本実施の形態と同等の冷却能力を示すが、車両速度が低い状態では本実施の形態の冷却器の冷却能力が高く、冷却器温度の上昇を効果的に抑制できている。
（第２の実施の形態）図３（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の第２の実施の形態の電力変換装置について説明する。本発明の特徴は、冷却器６の上側の装置外壁２Ｂに、適切な角度α（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した車両枕木方向上側傾斜部１３を設けた点にある。尚、図３（ａ）、（ｂ）に示した本実施の形態の電力変換装置２の内部構成、配置は図１（ａ）、（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様であるので、共通する要素には共通の符号を用いて示してある。
本実施の形態によれば、冷却器６の上側の装置外壁２Ｂに適切な角度αの車両枕木方向上側傾斜部１３を形成したことで、冷却器６の上側に流れる風が乱れることなく放熱フィン９へ到達し、冷却に必要な自然対流を阻害することはなく、空気の流れの淀みにより冷却能力が低下する度合いを低減することができる。
（第３の実施の形態）図４（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の第３の実施の形態の電力変換装置について説明する。本発明の特徴は、カバー１０における放熱フィン９の下側に相当する位置に、適切な角度α（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した車両進行方向に伸びた整風板１４、及び、適切な角度β（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した車両進行方向に伸びた整風板１５を設けた点にある。尚、図４（ａ）、（ｂ）に示した本実施の形態の電力変換装置２の内部構成、配置は図１（ａ）、（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様であるので、共通する要素には共通の符号を用いて示してある。
本実施の形態によれば、カバー１０における放熱フィン９の下側に相当する位置に、適切な角度αの車両進行方向に伸びた整風板１４、及び、適切な角度βの車両進行方向に伸びた整風板１５を設けたことで、冷却器６の下側に流れる風が乱れることなく放熱フィン９へ到達し、冷却に必要な自然対流を阻害することはなく、空気の流れの淀みにより冷却能力が低下する度合いを低減することができる。
（第４の実施の形態）図５（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の第４の実施の形態の電力変換装置について説明する。本発明の特徴は、カバー１０における放熱フィン９の上側に相当する位置に、適切な角度α（好ましくは、０°〜４５°）で傾斜した車両進行方向に伸びた整風板１６を設けた点にある。尚、図５（ａ）、（ｂ）に示した本実施の形態の電力変換装置２の内部構成、配置は図１（ａ）、（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様であるので、共通する要素には共通の符号を用いて示してある。
本実施の形態によれば、カバー１０における放熱フィン９の上側に相当する位置に、適切な角度αの車両進行方向に伸びた整風板１６を設けたことで、冷却器６の上側に流れる風が乱れることなく放熱フィン９へ到達し、冷却に必要な自然対流を阻害することはなく、空気の流れの淀みにより冷却能力が低下する度合いを低減することができる。
（第５の実施の形態）図６（ａ）、（ｂ）を用いて、本発明の第５の実施の形態の電力変換装置について説明する。本発明の特徴は、カバー１０の下側部分を水平ではなく、冷却器６の傾斜角と平行となるように傾斜させた傾斜面１０Ｂにした点にある。尚、図６（ａ）、（ｂ）に示した本実施の形態の電力変換装置２の内部構成、配置は図１（ａ）、（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様であるので、共通する要素には共通の符号を用いて示してある。
本実施の形態によれば、カバー１０の下側部分を、冷却器６の傾斜角と平行となるように傾斜させた傾斜面１０Ｂにしたことで、冷却器６の下側に流れる風が乱れることなく放熱フィン９へ到達し、冷却に必要な自然対流を阻害することはなく、空気の流れの淀みにより冷却能力が低下する度合いを低減することができる。
尚、図１に示した第１の実施の形態、図３に示した第２の実施の形態においても、本実施の形態のように、カバー１０の下側部分を水平ではなく、冷却器６の傾斜角と平行となるように傾斜させた傾斜面にすることができる。
（第６の実施の形態）図７、図８を用いて、本発明の第６の実施の形態の電力変換装置について説明する。図７、図８において、本実施の形態の電力変換装置２の内部構成、配置は図１（ａ）、（ｂ）に示した第１の実施の形態と同様であるので、共通する要素には共通の符号を用いて示してある。
本発明の特徴は、受熱ブロック７、複数本のヒートパイプ８、複数枚の放熱フィン９で構成される冷却器６の構造にあり、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、受熱ブロック７は一体であるが、各放熱フィン９は車両進行方向に３分割し、通風路１７を形成している。
本実施の形態によれば、冷却器６の下側または上側に流れる風が乱れた場合でも、分割された放熱フィン９間の通風路１７を空気が流れることにより、放熱フィン９間の空気が淀むことがなく、放熱フィン９と空気との間の必要な熱伝達を確保し、冷却能力低下を低減することができる。
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図。 上記第１の実施の形態と従来例との冷却器の冷却特性を示すグラフ。 図３（ａ）は本発明の第２の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図。 図４（ａ）は本発明の第３の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図。 図５（ａ）は本発明の第４の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＤ−Ｄ線断面図。 図６（ａ）は本発明の第５の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＥ−Ｅ線断面図。 図７（ａ）は本発明の第６の実施の形態の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＦ−Ｆ線断面図。 図８（ａ）は上記第６の実施の形態における冷却器のレール方向から見た正面図。図８（ｂ）は上記第６の実施の形態における冷却器の枕木方向から見た側面図。 図９（ａ）は従来例の電力変換装置のレール方向から見た正面図。図９（ｂ）は図９（ａ）におけるＧ−Ｇ線断面図。
１…車体
２…電力変換装置
３…半導体冷却ユニット
４…内部機器
５…半導体素子
６…冷却器
７…受熱ブロック
８…ヒートパイプ
９…放熱フィン
１０…カバー
１１…車両進行方向下側傾斜部
１２…車両枕木方向下側傾斜部
１３…車両枕木方向上側傾斜部
１４…整風板
１５…整風板
１６…整風板
１７…通風路

Claims (2)

  1. 装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの下側の装置外壁を前記放熱フィンの方に傾斜した傾斜面にしたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
  2. 装置内に内蔵した半導体素子から発生する熱を、放熱フィンを有した冷却器を使って装置外に放熱する仕組みを有した鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンの上側の装置外壁を前記放熱フィンの方に傾斜した傾斜面にしたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
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