JP5921170B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、車両用の電力変換装置に関する。

例えば、鉄道車両には、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ、あるいは、直流電圧を３相の交流電圧に変換するインバータ等の電力変換装置が搭載されている。このような電力変換装置は、一般に、ＩＧＢＴ等の大容量の半導体スイッチング素子やダイオード等の複数の半導体素子と、これらを冷却する冷却器と、を備えている。冷却器は、例えば、受熱面を有する冷却ブロックと、この冷却ブロックと一体にあるいは別体に設けられた放熱フィン、ヒートパイプ等とを備えている。

半導体スイッチング素子やダイオード等の複数の半導体素子は、共に損失が大きく、冷却器によって積極的に冷却を実施する必要がある。そのため、複数の半導体スイッチング素子および複数のダイオードは、全て、冷却ブロックの受熱面上に実装されている。半導体素子で発生した熱は、冷却ブロックに伝わり、この熱を、放熱フィンあるいはヒートパイプを介して大気に放熱することより、半導体素子が効率的に冷却される。

従来の高速鉄道車両（通常、平均走行速度が１８０〜１９０ｋｍ／ｈ以上で走行する鉄道車両のことを言う）用の電力変換装置における冷却構成としては、装置の小型化を図るために、送風機を排除し、放熱フィンを装置の底面側に設けるとともに、放熱フィンに冷却風を導く底板スロープを装置底面に設けている。また、装置の側面部は、車両の形状に合わせたカウルカバーを構成し、その下面部が装置の底面を構成している。

特許第３９５９２４８号公報

このような従来の高速鉄道車両用の電力変換装置は、大容量であることから、半導体スイッチング素子からの発熱量が大きく、冷却器には、高い冷却性能が必要とされるが、装置全体の小型軽量化が求められ、これに伴ない、冷却器もコンパクトな外形および配置とすることが求められている。装置の小型化を図るためには、装置底面に形成されている底板スロープおよびカウルカバーを無くすことが有効であると考えられる。しかし、この場合、放熱フィンの延出端が装置の最低面がよりも下に来るため、電力変換装置全体を車体から取り外し床に置く際、放熱フィンが床に当接し装置の自重に耐えられず、破損してしまうおそれがある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、小型、軽量化が可能であるとともに放熱ファンの損傷を防止することが可能な車両用の電力変換装置を提供することにある。

実施形態によれば、鉄道車両用の電力変換装置は、装置本体の内部に配置され、電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子と、前記複数の半導体スイッチング素子が取り付けられる受熱面と、この受熱面の反対側に配置され鉄道車両の走行風によって冷却される放熱フィンとを有し、前記装置本体の底部の少なくとも一部を形成する冷却器と、前記装置本体の底部に設けられ、前記放熱フィンよりも外部に延出する複数の第１の支持脚と、を備え、この複数の第１の支持脚は、前記放熱フィンへの走行風の流入路から外れた位置に設けられている。

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置を車両に搭載した状態を車両の底面側から見た斜視図。 図２は、前記電力変換装置全体を示す斜視図。 図３は、図１の線Ａ−Ａに沿った車両および電力変換装置の断面図。 図４は、前記車体および電力変換装置の側面図。 図５は、前記電力変換装置の支持脚部分を拡大して示す斜視図。 図６は、前記支持脚と車体側スロープ底板との接合状態を示す断面図。 図７は、前記電力変換装置を車体から取り外し、床に載置した状態を示す図。 図８は、第２の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図。 図９は、第３の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図。 図１０は、前記第３の実施形態に係る電力変換装置の平面図。 図１１は、第４の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図。 図１２は、第５の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図。 図１３は、前記第５の実施形態に係る電力変換装置および車両の断面図。

以下、図面を参照しながら、種々の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１ないし図４は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０を示している。電力変換装置１０は、例えば、高速鉄道車両に電力を供給する電気車制御装置であり、車両１２の床下に艤装される。

図１ないし図４に示すように、電力変換装置１０は、ほぼ矩形箱状の装置本体１４を備えている。装置本体１４は、レール１６側、つまり、地面、に対向する平坦な矩形状の底面１８と、底面の側縁に沿って立設された複数の装置側面２０と、底面と対向する天井面２２と、を有している。装置本体１４は、装置側面２０の上端に設けられた艤装用の複数の吊り部２４を有している。これらの吊り部２４を車両１２に固定することにより、車両１２の車体床下に装置本体１４が艤装される。艤装された状態において、装置本体１４の底面１８は、車両１２の底面（艤装限界）５０よりも高い位置に位置している。

高速鉄道の車両１２は、高い空力特性を得るために、車両断面は全体に丸みを帯びた形状に形成されている。車体の両側面下部には、丸く湾曲した複数のカウルカバー４８が取り付けられ、床板の両側縁からレール１６側に延びている。電力変換装置１０をはじめとする車体の床下に艤装された複数の電気機器４６、および機器間の空間は、カウルカバー４８により両側から囲われている。そして、カウルカバー４８の下端を車両１２の車両底面５０としている。

図３に示すように、電力変換装置１０は、装置本体１４内に配置され電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子２６と、半導体スイッチング素子を冷却する冷却器２８と、電力変換回路にスイッチング信号を送受信する制御部３０と、その他、検出器、電源部等とを備えている。半導体スイッチング素子２６は、例えば、第１電力変換回路としてインバータ回路を構成する第１素子群２６ａと、第２電力変換回路としてコンバータ回路を構成する第２素子群２６ｂとを含んでいる。複数の半導体スイッチング素子２６は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)やＧＴＯ等の自己消弧型半導体素子からなり、ＩＧＢＴと、このＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオードとがモジュール化されている。

冷却器２８は、伝熱性の高い材料、例えば、アルミニウムにより形成された矩形板状の冷却ブロック３２を備えている。冷却ブロック３２は、その周縁部が、装置本体１４の底面１８内面上に固定され、底面１８とほぼ平行に設置されている。冷却ブロック３２は、例えば、レール１６と直交する方向、つまり、枕木の延出方向、に細長い矩形状に形成されている。冷却ブロック３２の一方の表面（上面）は、矩形状の受熱面３２ａを形成している。半導体スイッチング素子２６は、熱伝導グリース等を介して受熱面３３上に取り付けられ、互いに隙間を置いて並んで配置されている。インバータ回路を構成する第１素子群２６ａは、冷却ブロック３２の長手方向の中央に対して、一方側の領域に配置され、コンバータ回路を構成する第２素子群２６ｂは、他方側の領域に配置されている。

冷却ブロック３２の他方の表面、すなわち、受熱面３２ａと反対側の表面（下面）には、多数の放熱フィン３４が立設されている。これらの放熱フィン３４の材料は、例えばアルミニウムであり、また冷却ブロック３２と一体化するように構成されている。放熱フィン３４と冷却ブロックが一体化し、冷却器２８の放熱部を構成している。このとき、放熱フィン３４と冷却ブロック３２は、製造段階で溶接により一体化される。また、冷却ブロック３２へ放熱フィン３４全体をボトル等で固定することにより一体化することも可能である。

放熱フィン３４は、装置本体１４の底面１８から下向きに突出して外気に露出し、鉄道車両１２の走行風によって冷却される。放熱フィン３４の突出端は、装置本体１４の底面１８よりも低く、かつ、車両１２の車両底面５０よりも高い位置に設定されている。また、多数の放熱フィン３４は、車両１２の走行方向Ｒとほぼ平行となるように配列されている。すなわち、放熱フィン３４は、走行方向Ｒとほぼ平行に延びているとともに、枕木の長手方向に互いに所定の隙間、すなわち、通風可能な隙間を置いて、配列されている。多数の放熱フィン３４は、例えば、全体として、ほぼ矩形状となるように配列され、冷却ブロック３２の長手方向のほぼ全域に亘って設けられている。

図１ないし図４に示すように、電力変換装置１０は、装置本体１４の底面である底面１８に立設された複数、例えば、４本の支持脚６０を備えている。各支持脚６０は、装置本体１４の底面から放熱フィン３４の下端よりも下方に延出し、支持脚６０の下端（底面）は、放熱フィン３４よりも低い位置に配置されている。本実施形態において、支持脚６０の下端（底面）は、車両１２の車両底面５０とほぼ同じ高さに位置している。

また、４本の支持脚６０は、放熱フィン３４への通風を妨げない位置、すなわち、放熱フィン３４への走行風Ｃの流入路から外れた位置に配置されている。ここでは、４本の支持脚６０は、例えば、底面１８の４隅に立設され、走行風Ｃに対して、放熱フィン３４から外れて位置している。各支持脚６０の形状は、限定する必要はないが、本実施形態では、支持脚６０は柱状に形成され、その断面形状は、空気抵抗の少ない楕円形、円形あるいは流線形としている。また断面形状が、角型形状とすることも可能である。角型形状の場合は、１つの角が走行風方向を向くように設置することで、空気抵抗を少なくできる。

図２、図５および図６に示すように、各支持脚６０は、例えば、ボルト止めにより、装置本体１４の底面１８に対して取外し可能に固定されている。取り付け部である支持脚６０の上端は、放熱フィン３４よりも高い位置に設けられている。また、支持脚６０は、車両１２の他の機器、あるいは、他の装着部材を取り付け、溶接、あるいは、固定可能な取付け部として、板状のステイ６２を有していてもよい。このステイ６２は、例えば、支持脚６０から走行方向Ｒに沿って延出し、かつ、装置本体１４の底面とほぼ平行に位置している。

図１および図４ないし図６に示すように、鉄道車両１２は、車両底面５０において、電力変換装置１０の走行風の流入側および流出側の両方に設けられた第１スロープ底板６４ａおよび第２スロープ底板６４ｂを備えている。流入側の第１スロープ底板６４ａは、車両１２の車両底面５０から装置本体１４の底面１８の側縁まで上方に傾斜して延びている。第１スロープ底板６４ａの電力変換装置１０側の端部は、走行風流入側の２本の支持脚６０のステイ６２にボルト止めあるいは溶接固定されている。流出側の第２スロープ底板６４ｂは、車両１２の車両底面５０から装置本体１４の底面１８の側縁まで上方に傾斜して延びている。第２スロープ底板６４ｂの電力変換装置１０側の端部は、走行風流出側の２本の支持脚６０のステイ６２にボルト止めあるいは溶接固定されている。このような第１スロープ底板６４ａおよび第２スロープ底板６４ｂにより、走行風Ｃは、車両１２の車両底面５０から電力変換装置１０の放熱フィン３４に円滑に導かれ、更に、放熱フィン３４の周囲を流れた後、下流側に円滑に導かれる。

上記のように構成された電力変換装置１０によれば、半導体スイッチング素子２６からの発熱は、冷却器２８の冷却ブロック３２を介して放熱フィン３４に伝熱される。車両１２の車両底面全面に流れている走行風Ｃは、放熱フィン３４に取り込まれ、取り込んだ走行風は、放熱フィン３４の配列方向に沿って流れる。放熱フィン３４の熱が走行風Ｃに放熱され外気に排熱される。これにより、半導体スイッチング素子２６を効率よく冷却することができる。また、カウルカバーおよび底板スロープを車両側に設け、電力変換装置から切り離すことにより、装置本体１４の小型化および軽量化を図ることができる。

更に、図７に示すように、装置本体１４の底面から放熱フィン３４よりも下方に延出する支持脚６０により、車両から取外した電力変換装置１０を床等の上に載置および支持することができる。この際、支持脚６０の下端は、放熱フィン３４の下端よりも下方に位置していることから、放熱フィンが床に当接することがなく、放熱フィンを損傷することなく装置本体１４を支持することができる。これにより、電力変換装置１０の保守、点検等を行う際、電力変換装置をクレーンあるいは治具等によって吊り上げて保持する必要がなく、作業性の向上を図ることができる。以上により、小型、軽量化が可能であるとともに放熱ファンの損傷を防止することが可能な車両用の電力変換装置が得られる。

なお、本実施形態では、各支持脚６０は、装置本体の底面１８に取外し可能に設けられていることから、電力変換装置１０を鉄道車両１２の車体に艤装した後、支持脚６０を装置本体１４から取り外し、鉄道車両１２の走行時に、支持脚６０が無い状態とすることが可能である。そして、電力変換装置１０を車両１２から取外して、保守、点検等を行う際、支持脚６０を装置本体１４に取り付け、これらの支持脚により装置本体１４を床上等に支持するようにしても良い。

次に、種々の他の実施形態に係る電力変換装置について説明する。以下に説明する種々の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一構成部分は、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る電力変換装置１０を示している。第２の実施形態によれば、装置本体１４の底面１８に設けられた複数の支持脚６０は、それぞれ折り畳み可能に設けられている。すなわち、各支持脚６０は、放熱フィン３４への走行風Ｃの流入路から外れた位置で、例えば、底面１８の４隅に設けられ、装置本体１４の底面から起立し放熱フィン３４の下端よりも下方に延出する起立位置と、底面１８に形成された凹所６６内に収納され底面と平行に位置する収納位置と、の間を回動可能に装置本体１４に取り付けられている。なお、支持脚６０の回動方向は、走行風Ｃの方向あるいは走行風Ｃと直交する方向のいずれでもよい。また、電力変換装置１０は、支持脚６０を起立位置および収納位置にロックするロック機構を有している。

このような電力変換装置１０によれば、鉄道車両の走行時、支持脚６０を収納位置に折り畳み凹所６６内に収納することにより、空気抵抗の低減および異物の衝突等による支持脚の損傷を防止することができる。電力変換装置を車両から降ろす際には、支持脚６０を起立位置に回動させて起立状態とすることにより、これらの支持脚６０によって電力変換装置を床上等に支持することができる。第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。

また、前述した回動方向において、移動支持脚６０を取り付け位置からそのまま折りたたむ構成とすることも可能である。このとき、製造工程の簡易化を図ることができる。

（第３の実施形態）
図９および図１０は、第３の実施形態に係る電力変換装置１０を示す斜視図および平面図である。これら図９および図１０に示すように、第３の実施形態によれば、電力変換装置１０は、装置本体１４の底面に立設された第２支持脚６８を更に備えている。第２支持脚６８は、底面１８の長手方向のほぼ中央位置に設けられ、放熱フィン３４のほぼ中央部に対向している。第２支持脚６８は、装置本体１４の底面から放熱フィン３４の下端よりも下方に延出し、その下端（底面）は、放熱フィン３４よりも低い位置に配置されている。また、第２支持脚６８は、放熱フィン３４の最も冷却を必要とする領域、すなわち、第１素子群２６ａおよび第２素子群２６ｂと重なる領域に向けて走行風Ｃを風向する風向面６８ａを有している。

このように、底面１８の長手方向のほぼ中央位置の第２支持脚６８を設けることにより、電力変換装置１０を一層安定して支持することが可能となる。また、第２支持脚６に風向機能を持たせた風向部を設けることにより、走行風Ｃの流入を阻害することなく所望の領域へ集中して走行風を送ることができ、良好な冷却効率を維持することができる。

なお、第３の実施形態において、走行風流入側の２本の支持脚６０を省略してもよい。また、支持脚６０は、底面１８の４隅に限らず、他の位置、例えば、底面１８の短辺側中央部に設けてもよい。

（第４の実施形態）
図１１は、第４の実施形態に係る電力変換装置１０を示す斜視図である。第４の実施形態によれば、電力変換装置１０は、装置本体１４の底面である底面１８に立設された複数、例えば、２本の板状の支持脚６０を備えている。各支持脚６０は、装置本体１４の底面から放熱フィン３４の下端よりも下方に延出し、支持脚６０の下端（底面）は、放熱フィン３４よりも低い位置に配置されている。本実施形態において、支持脚６０の下端（底面）は、車両１２の車両底面５０とほぼ同じ高さに位置している。

２本の支持脚６０は、放熱フィン３４への通風を妨げない位置、すなわち、放熱フィン３４への走行風Ｃの流入路から外れた位置に配置されている。ここでは、２本の支持脚６０は、例えば、底面１８の短辺に沿って立設され、走行方向と平行に延びているとともに、放熱フィン３４から外れて位置している。
このような板状の支持脚６０を用いた場合でも、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図１２および図１３は、第４の実施形態に係る電力変換装置１０を示す斜視図および断面図である。第５の実施形態によれば、電力変換装置１０は、放熱フィン３４の一部を肉厚に、かつ、他の放熱フィンよりも下方に延出して形成し、この放熱フィンにより支持脚６０を構成している。例えば、放熱フィン３４の内、底面１８の長手方向、両端側に位置する放熱フィン、および、底面１８の長手方向、中央部に位置する放熱フィンを、それぞれ十分な強度を有するように肉厚に形成し、更に、他の放熱フィン３４よりも下方に突出るように高く形成することにより、これらの放熱フィンにより支持脚６０を構成している。支持脚６０の下端（底面）は、放熱フィン３４よりも低い位置に配置されている。本実施形態において、支持脚６０の下端（底面）は、車両１２の車両底面５０とほぼ同じ高さに位置している。各支持脚６０は、車両１２の走行方向と平行に延びている。

このような構成においても、電力変換装置１０を支持脚６０により支持することができ、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
以上のように構成された第２ないし第５の実施形態によれば、小型、軽量化が可能であるとともに放熱ファンの損傷を防止することが可能な車両用の電力変換装置が得られる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、支持脚の設置数および形状は、前述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて、種々変更可能である。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
底面を有する装置本体内に配置され電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子と、
前記装置本体の底面から下向きに延出し、鉄道車両の走行風によって冷却される放熱フィンを有する放熱部を含み、前記半導体スイッチング素子を冷却する冷却器と、
前記装置本体の底面から前記放熱フィンよりも下方に延出し、前記装置本体を支持可能な複数の支持脚と、前記複数の支持脚は、前記放熱フィンへの走行風の流入路から外れた位置に配置されている鉄道車両用の電力変換装置。
［２］
前記支持脚は、前記装置本体に対して取り外し可能に取り付けられ、前記放熱フィンよりも底面側に取付け部を有する［１］に記載の電力変換装置。
［３］
前記装置本体の底面から前記放熱フィンよりも下方に延出し、前記装置本体を支持可能な第２支持脚を備え、この第２支持脚は、前記放熱フィンへの走行風の流入路上に設けられ、前記走行風を前記半導体スイッチング素子の方向へ風向する風向部を有する［１］又は［２］に記載の電力変換装置。
［４］
前記複数の半導体スイッチング素子は、第１電力変換回路を構成する第１素子群と、第２電力変換回路を構成する第２素子群とを含み、
前記冷却器は、前記第１素子群および第２素子群が載置された受熱面を有する冷却ブロックと、この冷却ブロックから延出する前記複数の放熱フィンとを備え、
前記複数の放熱フィンは、車両の走行方向とほぼ平行に設けられているとともに、車両の走行方向と直交する方向に隙間を置いて並んで設けられ、
前記第２支持脚は、前記底面上で、前記第１素子群と第２素子群との間に位置している［３］に記載の電力変換装置。
［５］
前記第２支持脚の風後部は、前記通風を前記第１素子群方向および第２素子群方向へ風向する風向面を有している［４］に記載の電力変換装置。
［６］
前記支持脚は、前記装置本体に対して、折り畳み可能に支持されている［１］に記載の電力変換装置。
［７］
前記支持脚は、他の部材を取り付け可能な取付け部を有している［１］に記載の電力変換装置。
［８］
前記放熱フィンは、車両の走行方向とほぼ平行に設けられているとともに、車両の走行方向と直交する方向に隙間を置いて並んで複数設けられ、放熱フィンの一部は、他の放熱フィンよりも下方に延出し、かつ、他の放熱フィンよりも高い強度を有し、前記支持脚を構成している［１］に記載の電力変換装置。

１０…電力変換装置、１２…車両、１４…装置本体、１６…レール、１８…底面、
２６…半導体スイッチング素子、２６ａ…第１素子群、２６ｂ…第２素子群、
２８…冷却器、３０…制御部、３２…冷却ブロック、３４…放熱フィン、
４８…カウルカバー、５０…車両底面、６０…支持脚、６２…ステイ、
６４ａ…第１スロープ底板、６４ｂ…第２スロープ底板、６８…第２支持脚、
６８ａ…風向面

Claims (5)

1. 装置本体の内部に配置され、電力変換回路を構成する複数の半導体スイッチング素子と、
   前記複数の半導体スイッチング素子が取り付けられる受熱面と、この受熱面の反対側に配置され鉄道車両の走行風によって冷却される放熱フィンとを有し、前記装置本体の底部の少なくとも一部を形成する冷却器と、
   前記装置本体の底部に設けられ、前記放熱フィンよりも外部に延出する複数の第１の支持脚と、を備え、
   この複数の第１の支持脚は、前記放熱フィンへの走行風の流入路から外れた位置に設けられていることを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
2. 前記複数の第１の支持脚は、前記装置本体に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記装置本体の底部は略矩形状であり、さらに前記第１の支持脚は４本あり、この４本の第１の支持脚は、前記装置本体の略矩形状の底部の角近傍に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記装置本体の底部に設けられ、前記放熱フィンよりも外部に延出する第２の支持脚を更に有するとともに、第１の電力変換回路に対応する複数の第１の半導体スイッチング素子からなる第１の素子群と第２の電力変換回路に対応する複数の第２の半導体スイッチング素子からなる第２の素子群とで前記複数の半導体スイッチング素子が構成され、
   前記第１の素子群と前記第２の素子群は、走行風が流れる方向に直交する方向で並んで前記受熱面に取り付けられており、前記第２の支持脚は、前記第１の素子群と第２の素子群の間に形成された空間の延長線上となる位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記第１の支持脚は、前記装置本体に対して折り畳み可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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