JP6097648B2 - 電力変換装置及びこれを搭載した鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に電気鉄道車両向けの電力変換装置に関するものである。

電気鉄道車両には、車両を駆動する電動機を制御するために、コンバータやインバータ等の電力変換装置が搭載される。これらの電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）等の半導体素子により高周波でスイッチングを行うことで電力変換を行う。

半導体素子においては、通電時およびスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子破壊が懸念されるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように冷却する必要がある。電力変換装置は主に搭載スペースの限られた車両床下等に搭載されるため、小型軽量な装置構成で複数個の半導体素子を効率良く冷却するために、冷却器が設置される。

この冷却器に冷却風を供給する際に、冷却風は風上側に設置された半導体素子からの熱を受け取ることで風下側に向かうに従って温度が上昇する。それに伴って、風下側の半導体素子の温度が高くなる傾向がある。そのため、半導体素子を効率良く冷却するためには、半導体素子の温度が均一となるように冷却器を構成する必要がある。

冷却器の構成部品として、ヒートパイプがよく用いられる。ヒートパイプは内部に純水等の冷媒を封入しており、受熱部で冷媒を沸騰させて放熱部へ熱を輸送し、放熱部で冷媒を凝縮させて受熱部に還流させるサイクルにより、熱を効率良く輸送するデバイスである。このヒートパイプと放熱フィンの組み合わせにより、温度の均一化をはかった冷却器として、特許文献１に示すようなものが知られている。冷却器は、ほぼ垂直方向に設置され大気への自然空冷により放熱する複数枚の放熱フィンと、複数個の半導体素子が取り付けられた１個の受熱ブロックと、放熱フィンと受熱ブロックを接続する複数本のヒートパイプで構成される。複数本のヒートパイプは、その沸騰部側が凝縮部よりも下方となるように水平より傾けて設置され、複数枚の放熱フィンは、下側の放熱フィンよりも上側の放熱フィンの間隔が小さくなるように設置され、また、下側の放熱フィンよりも上側の放熱フィンの方が枚数を多く設置される。

一方、特許文献２に示すような冷却器も知られている。冷却器は、発熱素子に熱的に接続された受熱ブロックと、受熱ブロックの表面に立設された複数のヒートパイプと、ヒートパイプへ取り付けられたフィンを複数有する放熱フィン群で構成され、受熱ブロックと平行な方向に冷却風が流れる。放熱フィン群は、冷却風の流れ方向に沿って複数縦列配置され、複数の放熱フィン群のうち、冷却風の風上側に配置された放熱フィン群のフィンピッチが、冷却風の風下側に配置された放熱フィン群のフィンピッチよりも大きく、複数の放熱フィン群の群間隙の位置は、放熱フィン群を風上から風下まで複数の一枚板のフィンで形成した１つの放熱フィン群とした場合に、当該１つの放熱フィン群のフィン表面の風上と風下の温度差を、複数の放熱フィン群の数で等分に分割する、当該１つの放熱フィン群の放熱フィンの表面温度の位置としている。

特開２０００−１６１８８０ 特許第４９４８６２５号

特許文献１に記載の冷却器では、上側、すなわち風下側のフィンピッチを小さくし、枚数を多くしているが、この構成では、風上側、風下側の各々の放熱フィン面積が最適ではないため、各々の半導体素子の温度が均一にはならず、冷却効率が悪いという課題がある。

また、特許文献２に記載の冷却器では、例えば放熱フィン群を３つに分割した場合には、風上側フィンと中流フィンの分割点、および中流フィンと風下フィンの分割点は、フィンを冷却風流れ方向に３等分する位置よりも風上側になる、すなわち放熱フィンのピッチが小さく枚数の多い風下側フィンの占める領域が広くなるため、冷却器が重くなるという課題がある。さらに、特許文献２に記載の構成は、特定のフィンピッチにおいて効果を得られるものであり、フィンピッチを変更した場合には温度を均一にすることができないという課題もある。さらに、風上、中流、風下のフィンは同一形状ではないため、製造コストが高くなるという課題もある。

本発明は、半導体素子の構成に適した放熱フィン構成を組み合わせることで、半導体素子の温度を均一化し、軽量な装置構成で半導体素子を効率良く冷却することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決する第１の発明における電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合される冷却器において、前記半導体素子は、冷却風流れ方向に３箇所設置された電力変換装置において、前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に風上領域、中流領域、風下領域と定義した際に、風上領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．３３〜０．４２倍、中流領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．４２〜０．６３倍の範囲にあることを特徴とする。

第２の発明における電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合され、前記半導体素子は、冷却風流れ方向に２箇所設置された電力変換装置において、前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に風上領域、風下領域と定義した際に、風上領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．５４〜０．７３倍の範囲にあることを特徴とする。

第３の発明における電力変換装置は、電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合され、前記半導体素子は、冷却風流れ方向に４箇所設置された電力変換装置において、前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に最風上領域、風上領域、風下領域、最風下領域と定義した際に、最風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２１〜０．４２倍、風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２５〜０．６３倍、風下領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．４２〜０．７３倍の範囲にあることを特徴とする。

第１の発明によれば、冷却風の温度が上昇する風下領域よりも、冷却風の温度の低い風上領域、中流領域において放熱フィン面積を小さくする、すなわち風下領域よりも放熱フィンの枚数を少なくし、各々の半導体素子の温度が均一になるように各領域での放熱フィン面積を設定することで、軽量な装置構成で半導体素子を効率良く冷却することができる。また、第２、第３の発明においても、第１の発明と同様の原理により同様の効果を得ることができる。このように、半導体素子の構成に合わせて放熱フィン構成を最適に組み合わせることで半導体素子の温度を均一化し、軽量な装置構成で半導体素子を効率良く冷却することができる。

本発明の第１実施形態の電力変換装置の全体構成を表す斜視図。 図１の上面図。 図２のＡ−Ａ断面図。 本発明の第１実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の下面図。 本発明の第１実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の上面図。 図５のＢ−Ｂ断面図。 図５のＣ−Ｃ断面図。 図７のＤ拡大図。 図３のＥ拡大図。 本発明の第１実施形態の電力変換装置を、鉄道車両の客室の床下に搭載した状態を表す、車両走行方向から見た断面図。 特許文献２の冷却器の側面断面図。 本発明の第１実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の温度分布計算結果を表す図。 本発明の第１実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の最大温度計算結果を表す図。 本発明の第２実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 本発明の第２実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の最大温度計算結果と冷却器重量を表す図。 本発明の第３実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 本発明の第３実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の温度分布計算結果を表す図。 本発明の第３実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の最大温度計算結果と冷却器重量の関係を表す図。 本発明の第４実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 本発明の第５実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 特許文献１の冷却器の側面断面図。 特許文献１の冷却器の側面断面図。 本発明の第４実施形態および第５実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の温度分布計算結果を表す図。 本発明の第４実施形態および第５実施形態の電力変換装置に搭載される半導体素子群の最大温度計算結果と冷却器重量の関係を表す図。 本発明の第６実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 本発明の第７実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。 本発明の第８実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図。

以下、本発明の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。図１に本発明の第１実施形態の電力変換装置の全体構成を表す斜視図を、図２に図１の上面図を、図３に図２のＡ−Ａ断面図を示す。

電力変換装置１０００は、側板１１１０、天板１１２０、底板１１３０により構成される。また電力変換装置１０００の上面には、枕木方向梁１１６１、１１６２と、進行方向梁１１６３、１１６４が設置され、電力変換装置１０００の強度が保たれている。天板１１２０、底板１１３０の間には通風路底板１１４０が設置される。側板１１１０、天板１１２０、通風路底板１１４０により囲まれた空間は通風路１１５０であり、通風路１１５０の中を冷却風１２１０が流れる。また、側板１１１０、底板１１３０、通風路底板１１４０により囲まれた空間は回路部品搭載空間１６００であり、中には電力変換装置１０００の主回路を構成する半導体泰素子群１５００、フィルタコンデンサ１６１０や、半導体素子群１５００のスイッチングを制御するためのゲートドライバ１６２０が設置される。

回路部品搭載空間１６００の中の半導体素子群１５００は、冷却器１７００の下面に設置される。冷却器１７００の受熱ブロック１７１０は、通風路底板１１４０の下面側に気密性を持って接続されており、回路部品搭載空間１６００の中に冷却風１２１０が流れ込まないようにしている。

一方、冷却器１７００の上面側は通風路１１５０の中に設置される。冷却器１７００と側板１１１０および天板１１２０は密着しておらず隙間が開いており、この隙間を通過する冷却風１２１０の量を少なくするために、冷却器１７００の周辺の空間には風漏れ防止板１１９１、１１９２、１１９３、１１９４が冷却風の流れ方向に複数設置される。それぞれの風漏れ防止板１１９１、１１９２、１１９３、１１９４が設置される向きは、冷却風１２１０の流れと直交する方向である。また、風漏れ防止板１１９４は進行方向梁１１６３から下側に突き出すように設置される。

送風機１２００は、吹き出し口の中心が冷却器１７００のおよそ中心線上にくるように設置される。冷却風１２１０はフィルター１３００を介して電力変換装置１０００内に吸い込まれ、送風機１２００の吹き出し口から冷却器１７００に向かって供給される。ここで、送風機１２００の吹き出し口の幅は冷却器１７００の幅と比べて狭いため、通風路拡大板１１７１、１１７２により通風路１１５０は冷却器１７００と同程度の幅に拡大され、通風路拡大板１１７１、１１７２は最も風上側に設置される風漏れ防止板１１９１に接続される。また、冷却風１２１０を冷却器１７００に均一に供給するために、送風機１２００の吹き出し口と冷却器１７００の間には２枚の整風板１１８１、１１８２が設置される。この２枚の整風板１１８１、１１８２は、送風機１２００の吹き出し口の中心に対してそれぞれ対称になるように設置され、風上側よりも風下側の隙間が広くなるように設置される。整風板１１８１、１１８２および冷却器１７００を通過した冷却風１２１０はグリル１４００から外部に排気される。

図４に冷却器および半導体素子群の下面図を示す。冷却器１７００の構成部品の一つである受熱ブロック１７１０は、２枚のアルミ製厚板で構成されており、各々が連結用ボルト１７１２によって連結される。また、受熱ブロック１７１０の端部には複数の冷却器固定用ネジ穴１７１１が開けられており、図３に記載の通風路底板１１４０に接続される。受熱ブロック１７１０の下面には、半導体素子群１５００が並設される。第１実施形態の電力変換装置においては、半導体素子を、冷却風流れ方向に３台、冷却風流れと直行する方向に４台設置し、複数の半導体素子で半導体素子群１５００を構成しており、この半導体素子は風上側から１５２０、１５３０、１５４０と表記する。また、各々の半導体素子の熱損失は、ほぼ均一である。

図５に冷却器の上面図を、図６に図５のＢ−Ｂ断面図を、図７に図５のＣ−Ｃ断面図を示す。図５の中心線よりも上側に図示している点線はヒートパイプの受熱部を、中心線よりも下側に図示している点線は、受熱ブロック１７１０の下面に設置される半導体素子群１５００の投影図を示している。受熱ブロック１７１０の上面側には、冷却風１２１０の流れ方向に沿って溝が複数形成されており、その溝に複数のＵ字型ヒートパイプ１７２０の受熱部１７２１と、複数のＬ字型ヒートパイプ１７３０の受熱部１７３１が、冷却風１２１０の流れ方向に沿って設置され、はんだ等のろう材１７４０を溝に流し込んで固めることで、受熱ブロック１７１０とＵ字型ヒートパイプ１７２０およびＬ字型ヒートパイプ１７３０は接合される。またＵ字型ヒートパイプ１７２０の放熱部１７２２およびＬ字型ヒートパイプ１７３０の放熱部１７３２は鉛直方向に立設され、各々の放熱部１７２２、１７３２には、放熱部の位置に合わせた貫通穴を有する複数の放熱フィン１７５０が圧入される。

一方、受熱ブロック１７１０の上面の、ヒートパイプが設置される領域と冷却器固定用ネジ穴１７１１との間には、シール材１７６０が全周にわたって設置される。これにより、通風路底板１１４０と冷却器１７００は気密を保って接続される。

ヒートパイプの配置について説明する。図６に示すＢ−Ｂ断面では、各々のヒートパイプは冷却風１２１０の流れ方向に沿って、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０、５本のＵ字型ヒートパイプ１７２０、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０の順に設置される。図７に示すＣ−Ｃ断面では、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０が６本設置される。図５に示すように、Ｂ−Ｂ断面でのヒートパイプの配置とＣ−Ｃ断面でのヒートパイプの配置を交互に設置することで、ヒートパイプ受熱部１７２１、１７３１およびヒートパイプ放熱部１７２２、１７３２は千鳥状に配置される。

図８に図７のＤ拡大図を示す。受熱ブロック１７１０内において、ヒートパイプ放熱部１７２２の真下の領域はヒートパイプ受熱部の無い領域１７７０であり、ヒートパイプ受熱部内部と比較して熱抵抗が大きく局所的に温度が高くなることが懸念される。前述の通り、ヒートパイプ受熱部１７２１、１７３１を千鳥状に配置することにより、例えばＣ−Ｃ断面における受熱部の無い領域１７７０の近傍には、Ｂ−Ｂ断面における受熱部１７２１が配置されるため、熱移動が促進されて局所的な温度上昇が抑制される。

放熱フィンの構成について説明する。本発明の第１実施形態では、放熱フィン１７５０を風上領域１７５２、中流領域１７５３、風下領域１７５４に分割し、放熱フィン１７５０の枚数を、風上領域１７５２では１６枚、中流領域１７５３では２０枚、風下領域１７５４では４８枚設置している。すなわち、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は風下領域１７５４の０．３３倍、中流領域１７５３の放熱フィン１７５０の表面積は風下領域１７５４の０．４２倍である。一方、製作性を考慮し、フィン１７５０を冷却風１２１０の流れと直交する方向に４分割している。

冷却器と風漏れ防止板の位置関係について説明する。図９は図３のＥ拡大図であり、ヒートパイプ放熱部１７２２の先端と、風漏れ防止板１１９４の位置関係を示している。ヒートパイプ放熱部１７２２の先端は、先端以外と比較して直径が小さくなっており放熱フィン１７５０を圧入することができないため、ヒートパイプ放熱部１７２２の先端は最上段のフィンから２０〜３０ｍｍ程度突出している。一方、風漏れ防止板１１９４は各々のヒートパイプ放熱部１７２２の間の位置に設置される。風漏れ防止板１１９４と最上段のフィンとの隙間は５ｍｍ程度であり、ヒートパイプ放熱部１７２２の先端と最上段のフィンとの隙間よりも小さくしている。

電力変換装置を鉄道車両客室の床下に搭載した状態を説明する。図１０に車両走行方向から見た断面図を示す。紙面手前方向は車両走行方向を、左右方向は枕木方向を、上下方向は鉛直方向を示す。電力変換装置１０００は客室２０００の床下につり部材３０００により接続される。冷却風１２１０は電力変換装置１０００の内部を枕木方向に通風する。

次に、本発明の第１実施形態の効果について説明する。複数の放熱フィン１７５０を冷却風１２１０の流れ方向に対して分割し、冷却風の温度が上昇する風下領域１７５４よりも、冷却風１２１０の温度の低い風上領域１７５２、中流領域１７５３において放熱フィンの表面積を小さくする、すなわち風下領域よりも放熱フィンの枚数を少なくし、各々の半導体素子群１５００の温度が均一になるように各領域での放熱フィンの表面積を設定することで、軽量な装置構成で半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

また、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０の受熱部１７２１が冷却風１２１０の流れと沿う方向に設置されることにより、冷却風１２１０に対して風下側から風上側へ受熱部１７２１を介して熱移動を促進させることができるため、冷却風の温度上昇による影響を平準化し、風下側の半導体素子の温度上昇を抑制することができる。また、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０の放熱部１７２２が垂直方向に立ち上がるように立設され、放熱部１７２２に複数の放熱フィン１７５０が接合されて通風路１１５０内に設置されることにより、受熱ブロック１７１０から放熱フィン１７５０への熱移動を促進させることができるため、フィン効率が向上する。

また、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０の放熱部１７２２を千鳥状に設置することにより、放熱フィン１７５０とヒートパイプの接合部が均等に配置され、放熱フィン１７５０に均等に熱が輸送されるため、フィン効率が向上する。さらに、ヒートパイプの放熱部が正方状に配置された場合と比較して放熱フィン間ならびにヒートパイプ間の流路の断面積が広くなるため、放熱フィン間の通風抵抗が小さくなり、送風機１２００を用いて冷却する際に冷却風１２１０を多く供給することができるため、半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

また、最も風上側の位置、あるいは最も風下側の位置、あるいは風上側、風下側の双方にＬ字型ヒートパイプ１７３０を設置することにより、放熱フィン１７５０の投影面の外側にＬ字型ヒートパイプ１７３０の受熱部１７３１を設置することができるようになる。これにより、半導体素子群１５００をフィン１７５０の投影面の外側に設置しても、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０により放熱フィン１７５０に熱を効率良く輸送することができるため、放熱フィン１７５０を小型化、軽量化することができる。

また、通風路１１５０において、フィン１７５０の風上側に複数の整風板１１８１、１１８２を設置することにより、送風機１２００から放熱フィン１７５０に供給される冷却風１２１０の風速を、冷却風１２１０の流れと直交する方向において均一にすることができるため、放熱フィン１７５０の幅が送風機１２００の吹き出し口の幅に対して大きい場合においても半導体素子群１５００を効率良く冷却できる。

また、通風路１１５０において、ヒートパイプ放熱部１７２２の最も先端側に接合される放熱フィンと、通風路１１５０を構成する天板１１３０との間に、冷却風１２１０の流れと直交する方向に複数の風漏れ防止板１１９１、１１９２、１１９３、１１９４を設置することにより、冷却風１２１０が放熱フィン間から漏れるのを防ぐことができるため、半導体素子群１５００を効率良く冷却できる。さらに、複数の風漏れ防止板１１９１、１１９２、１１９３、１１９４とヒートパイプ放熱部１７２２の先端側に接合される放熱フィン１７５０との距離を、先端側に接合される放熱フィン１７５０とヒートパイプ放熱部１７２２の先端との距離よりも短くすることで、放熱フィン間から漏れる冷却風１２１０の量をさらに少なくすることができる。

また、風漏れ防止板１１９４は、通風路１１４０内の強度を保つための梁１１６０を兼ねている。これにより、部品点数を少なくすることができるため、コストの低減や組立性の向上をはかることができる。

これらの構成により、半導体素子群１５００を効率良く冷却でき、の温度を均一化して効率良く冷却し、軽量な冷却器を備えた電力変換装置１０００を鉄道車両に搭載することができる。

次に、本発明の第１実施形態との比較として、従来技術について説明する。図１１に特許文献２に記載の冷却器を示す。前記のように、特許文献２に記載の冷却器は、複数の放熱フィン群のうち、冷却風の風上側に配置された放熱フィン群のフィンピッチが、冷却風の風下側に配置された放熱フィン群のフィンピッチよりも大きく、複数の放熱フィン群の群間隙の位置は、放熱フィン群を風上から風下まで複数の一枚板のフィンで形成した１つの放熱フィン群とした場合に、当該１つの放熱フィン群のフィン表面の風上と風下の温度差を、複数の放熱フィン群の数で等分に分割する、当該１つの放熱フィン群の放熱フィンの表面温度の位置としている。

ここで、放熱フィン１７５０の表面の温度分布と放熱フィン先端からの距離との関係は直線状ではなく、風上側に近いほど急激に上昇し、風下側に向かうにつれて放熱フィン１７５０の表面最高温度に漸近するように上昇する。そのため、放熱フィン１７５０の群間隙の位置は、放熱フィン１７５０を設置する領域を３等分した位置よりも風上側になる。

なお、図１１に記載の冷却器では、放熱フィン１７５０の枚数は風上側で１２枚、中流で２４枚、風下側で４８枚であり、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は風下領域１７５４の０．３４倍、中流領域１７５３の放熱フィン１７５０の表面積は風下領域１７５４の０．６９倍である。

次に、本発明の第１実施形態の効果を検証するために、汎用熱流対解析ソフトを用いて、各半導体素子の温度を計算した。計算では、風下領域１７５４の放熱フィン表面積を一定とし、風上領域１７５２、中流領域１７５３の放熱フィン面積を変化させて比較した。また、半導体素子群１５００の各々の半導体素子の熱損失を一定とし、放熱フィン１７５０の枚数の変化による圧力損失および冷却風量の変化を考慮した。

図１２に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、風上領域１７５２、中流領域１７５３の放熱フィンの表面積を変化させた際の、風上側半導体素子１５２０、中流半導体素子１５３０、風下半導体素子１５４０の温度上昇の変化を示す。グラフの縦軸の温度上昇比とは、中流／風下フィン表面積比および風上／風下フィン表面積比が１．００における風下領域半導体素子１５４０の温度上昇を１．００とした場合の相対値である。これによると、中流／風下フィン表面積比および風上／風下フィン表面積比が１．００においては、風下領域半導体素子１５４０に対し、中流領域半導体素子１５３０の温度上昇比は０．８９、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は０．７７であり、２３％の温度バラつきがある。これに対し、中流／風下フィン表面積比０．５０あるいは０．４２、風上／風下フィン表面積比０．３３の場合に各半導体素子の温度が均一になる。

図１３に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、風上領域１７５２、中流領域１７５３の放熱フィン表面積を変化させた際の、半導体素子群１５００の最大温度上昇比と、冷却器重量比を示す。最大温度上昇比および冷却器重量比とは、中流／風下フィン表面積比および風上／風下フィン表面積比が１．００における半導体素子群１５００の温度上昇および冷却器重量を１．００とした場合の相対値であり、色の濃淡で値の大きさを示している。これによると、中流／風下フィン表面積比および風上／風下フィン表面積比が１．００の場合と比較して、風上／風下フィン表面積比が０．３３以上、中流／風下フィン表面積比が０．４２以上の領域において最大温度上昇比が同等以下となることが示された。特に、本発明の第１実施形態では、風上／風下フィン表面積比０．３３、中流／風下フィン表面積比０．４２で、冷却器重量は０．７４であり、本発明により同等冷却性能で２６％軽量化できることが示された。また、図１３中の点線で囲まれた領域は、風上／風下フィン表面積比が０．３３〜０．４２、中流／風下フィン表面積比が０．４２〜０．６３の領域であり、本発明の請求範囲を示している。これによると、本発明の請求範囲では特許文献２と同等の冷却性能でより軽量であることが示された。

図１４に本発明の第２実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。第１実施形態では、冷却風流れ方向の放熱フィンの分割点位置を固定し、放熱フィンの枚数を変化させることで風上領域１７５２、中流領域１７５３、風下領域１７５４の放熱フィン表面積を変化させたが、冷却風流れ方向の放熱フィンの分割点位置を変化させることで放熱フィン表面積を変化させても良い。第２実施形態では、放熱フィン１７５０の枚数を風上側から１２枚、２４枚、４８枚、フィンピッチの比を４：２：１とし、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積が風下領域１７５４の０．３５倍、中流領域１７５３の放熱フィン１７５０の表面積が風下領域１７５４の０．５３倍となるように、放熱フィン枚数が１２枚である領域と２４枚である領域の境目を、放熱フィンが設置される領域を３等分した位置よりも風上側とし、さらに放熱フィン枚数が２４枚である領域と４８枚である領域の境目を、放熱フィンが設置される領域を３等分した位置よりも風下側とした。ここで、特許文献２では、前述の通り放熱フィン１７５０の群間隙の位置が、放熱フィン１７５０を設置する領域を３等分した位置よりも風上側になるため、本発明の第２実施形態と特許文献２では、冷却器構成が明らかに異なっている。

本発明の第２実施形態では、各領域の放熱フィンピッチが整数比であることから、各放熱フィン間の通風抵抗が均一であるために流れる冷却風量を均一にできる他、通風抵抗を低減できるために送風機からの冷却風量が増大し、効率良く冷却することができる。

本発明の第２実施形態の効果を検証するために、汎用熱流対解析ソフトを用いて、半導体素子群の最大温度上昇を計算した。図１５に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、風上領域１７５２、中流領域１７５３の放熱フィン表面積を変化させた際の、半導体素子群１５００の最大温度上昇比と、冷却器重量比を示す。これによると、本発明の第２実施形態は、中流／風下フィン表面積比および風上／風下フィン表面積比が１．００の場合と比較して、最大温度上昇比はほぼ同等で、冷却器重量は０．７５であり、本発明により同等冷却性能で２５％軽量化できることが示された。また、特許文献２と比較しても同等の冷却性能でより軽量であることが示された。

図１６に本発明の第３実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。第３実施形態では、半導体素子群１５００を、冷却風流れ方向に２台設置する構成であり、複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に風上領域１７５２、風下領域１７５４に２分割し、放熱フィン１７５０の枚数を、風上領域１７５２では２６枚、風下領域１７５４では４８枚設置している。すなわち、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は風下領域１７５４の０．５４倍である。

本発明の第３実施形態のように半導体素子群１５００を冷却風流れ方向に２台設置する構成において、複数の放熱フィン１７５０を冷却風１２１０の流れ方向に対して２分割し、冷却風の温度が上昇する風下領域１７５４よりも、冷却風１２１０の温度の低い風上領域１７５２において放熱フィン面積を小さくする、すなわち風下領域よりも放熱フィンの枚数を少なくし、各々の半導体素子群１５００の温度が均一になるように各領域での放熱フィン面積を設定することで、軽量な装置構成で半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

本発明の第３実施形態の効果を検証するために、汎用熱流対解析ソフトを用いて、各半導体素子の温度を計算した。図１７に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、風上領域１７５２の放熱フィン表面積を変化させた際の、風上領域半導体素子１５２０、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇の変化を示す。これによると、風上／風下フィン表面積比が１．００においては、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇比１．００に対し、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は０．９０であり、１０％の温度バラつきがある。これに対し、風上／風下フィン表面積比０．５４の場合に各半導体素子の温度が均一になる。一方、風上／風下フィン表面積比０．５０以下の場合には、風下領域半導体素子１５４０よりも風上領域半導体素子１５２０の温度が高くなる。

図１８に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、風上領域１７５２の放熱フィン面積を変化させた際の、半導体素子群１５００の最大温度上昇比と、冷却器重量比を示す。本発明の請求範囲は、風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．５４〜０．７３倍であり、その範囲内にあるものは、風上／風下フィン表面積比が１．００の場合と比較して最大温度上昇比が同等以下となることが示された。特に、本発明の第３実施形態では、風上／風下フィン面積比は０．５４、冷却器重量比は０．８８であり、本発明により同等冷却性能で１２％軽量化できることが示された。

図１９に本発明の第４実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。第４実施形態では、半導体素子群１５００を、冷却風流れ方向に４台設置する構成であり、複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に最風上領域１７５１、風上領域１７５２、風下領域１７５４、最風下領域１７５５に４分割し、放熱フィン１７５０の枚数を、最風上領域１７５１では２４枚、風上領域１７５２では３０枚、風下領域１７５４では３５枚、最風下領域１７５５では４８枚設置している。すなわち、最風上領域１７５１の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．４２倍、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．６３倍、風下領域１７５４の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．７３倍である。なお、第４実施形態の効果に関しては、後述の第５実施形態の効果と一緒に説明する。

図２０に本発明の第５実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。第５実施形態では、第４実施形態と同じく、半導体素子群１５００を、冷却風流れ方向に４台設置する構成であり、複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に最風上領域１７５１、風上領域１７５２、風下領域１７５４、最風下領域１７５５に４分割している。第５実施形態では、放熱フィン１７５０の枚数を、最風上領域１７５１では１０枚、風上領域１７５２では１２枚、風下領域１７５４では２０枚、最風下領域１７５５では４８枚設置している。すなわち、最風上領域１７５１の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．２１倍、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．２５倍、風下領域１７５４の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．４２倍である。

本発明の第４実施形態および第５実施形態のように半導体素子群１５００を冷却風流れ方向に４台設置する構成において、複数の放熱フィン１７５０を冷却風１２１０の流れ方向に対して４分割し、冷却風の温度が上昇する最風下領域１７５５よりも、冷却風１２１０の温度の低い最風上領域１７５１、風上領域１７５２、風下領域１７５４において放熱フィン表面積を小さくする、すなわち最風下領域よりも放熱フィンの枚数を少なくし、各々の半導体素子群１５００の温度が均一になるように各領域での放熱フィン表面積を設定することで、軽量な装置構成で半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

次に、本発明の第４実施形態および第５実施形態との比較として、従来技術について説明する。図２１および図２２に特許文献１に記載の冷却器を示す。特許文献１に記載の冷却器では、半導体素子群１５００を冷却風流れ方向に４台設置する構成であり、図２１では最風上領域１７５１の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．５０倍、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．５０倍、風下領域１７５４の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の１．００倍である。また、図２２では最風上領域１７５１の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．１３倍、風上領域１７５２の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．２５倍、風下領域１７５４の放熱フィン１７５０の表面積は最風下領域１７５５の０．５０倍である。

本発明の第４実施形態および第５実施形態の効果を検証するために、汎用熱流対解析ソフトを用いて、各半導体素子の温度を計算した。図２３に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、最風上領域１７５１、風上領域１７５２、風下領域１７５４の放熱フィン面積を変化させた際の、最風上領域半導体素子１５１０、風上領域半導体素子１５２０、風下領域半導体素子１５４０、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇の変化を示す。これによると、各領域のフィン表面積比が全て１．００の場合においては、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇比１．００に対し、最風上領域半導体素子１５１０の温度上昇比は０．６３、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は０．７５、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇比は０．８８であり、３７％の温度バラつきがある。また、図２１に示す特許文献１に記載の冷却器に関しては、最風上領域半導体素子１５１０の温度上昇比は０．７５、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は０．８１、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇比は０．８８、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇比は０．９８であり、２５％の温度バラつきがあるため、まだ軽量化できる余地があると言える。また、図２２に示す特許文献１に記載の冷却器に関しては、最風上領域半導体素子１５１０の温度上昇比は１．１３、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は１．０４、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇比は０．９８、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇比は０．９９であり、最風下領域半導体１５５０よりも最風上領域半導体素子１５１０の温度が高くなっており、冷却効率が悪い。

これに対し、本発明の第４実施形態に関しては、最風上領域半導体素子１５１０の温度上昇比は０．６９、風上領域半導体素子１５２０の温度上昇比は０．７３、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇比は０．８３、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇比は０．９１であり、２２％の温度バラつきがあるものの、各領域のフィン面積比が全て１．００の場合と比較して最風上領域半導体素子１５５０の温度上昇比が９％低下している。これは、最風上領域１７５１、風上領域１７５２、風下領域１７５４の放熱フィン１７５０の枚数を少なくしたことにより圧力損失が低下し、送風機から供給される冷却風量が増大したことにより、全体的に温度が低下したためである。

また、本発明の第５実施形態に関しては、最風上領域半導体素子１５１０の温度上昇比は０．９５、風上領域半導体素子１５２０、風下領域半導体素子１５４０、最風下領域半導体素子１５５０の温度上昇比は０．９７であり、各半導体素子の温度が均一になる。

図２４に、汎用熱流体解析ソフトにより計算した、最風下領域１７５５以外の放熱フィン面積を０．１３〜１．００で変化させた際の、半導体素子群１５００の最大温度上昇比と、冷却器重量比を示す。本発明の請求範囲は、最風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２１〜０．４２倍、風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２５〜０．６３倍、風下領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．４２〜０．７３倍であり、その範囲内にあるものはグラフの左下、すなわち冷却器重量比と熱抵抗比がともに小さい領域にあり、軽量な冷却器構成で半導体素子群を効率良く冷却できることが示された。

なお、本発明の第５実施形態の冷却器は、第４実施形態の冷却器よりも温度上昇比は６％大きいが、冷却器重量比は１５％小さい。そのため、温度上昇を優先して小さくしたい場合には第４実施形態に示す形状、冷却器重量を優先して小さくしたい場合には第５実施形態に示す形状とすれば良く、要求性能に応じて適宜選択するのが良い。

図２５に本発明の第６実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。本発明の第５実施形態では、放熱フィン１７５０を風上領域１７５２、中流領域１７５３、風下領域１７５４に分割し、放熱フィン１７５０の枚数を、風上領域１７５２では１６枚、中流領域１７５３では２０枚、風下領域１７５４では４８枚設置し、風上領域１７５２の最上段の放熱フィンを中流領域１７５３の最上段の放熱フィンよりも低い位置になるように、かつ中流領域１７５３の最上段の放熱フィンを風下領域１７５４の最上段の放熱フィンよりも低い位置になるように設置している。

このような構成とすることで、冷却風１２１０の一部が風上領域１７５２および中流領域１７５３で熱を受け取らずに風下領域１７５４に供給されるため、風下領域半導体素子１５４０の温度上昇を抑制し、効率良く冷却することができる。

図２６に本発明の第７実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。本発明の第６実施形態では、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０やＬ字型ヒートパイプ１７３０よりも放熱部の長さの短い短尺ヒートパイプ１７８０が部分的に設置される。図２３では、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０、短尺ヒートパイプ１７８０、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０、短尺ヒートパイプ１７８０、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０、短尺ヒートパイプ１７８０、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０の順に設置される。

短尺ヒートパイプの放熱部１７８２は、放熱部の長いＵ字型ヒートパイプ１７２０よりも接合される放熱フィン１７５０の枚数が少ないために冷却風１２１０との熱抵抗が大きくなり、冷却風１２１０との温度差が大きくなる。そのため、このような構成とすることで、冷却風１２１０の温度がヒートパイプ内部の冷媒の凝固点以下であっても、冷媒が凍結することなく半導体素子群１５００を効率良く冷却できる。

また、短尺ヒートパイプ１７８０のみで冷却器を構成した場合には、Ｕ字型ヒートパイプよりも接合される放熱フィン１７５０の枚数が少なくなるため、冷却風１２１０の温度が冷媒の凝固点以上の場合には冷却性能が低下することが懸念されるが、短尺ヒートパイプ１７８０とＵ字型ヒートパイプ１７２０、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０を混在させることで、冷却風１２１０の温度が冷媒の凝固点以下の場合と、凝固点以上の場合での冷却性能を両立することができる。

また、冷媒凍結によりヒートパイプ内に液体及び気体の冷媒が減少するドライアウトが発生した際には半導体素子群１５００の温度上昇に伴ってヒートパイプ放熱部の根元の温度も上昇していくが、Ｕ字型ヒートパイプ１７２０、Ｌ字型ヒートパイプ１７３０よりも放熱部の短い短尺ヒートパイプ１７８０は放熱部１７８２の根元と先端の温度差を小さくできる、すなわち先端の温度を高くすることができるため、ドライアウトが発生しても凍結した冷媒を融解することで起動し、半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

図２７に本発明の第８実施形態の電力変換装置に搭載される冷却器の側面断面図を示す。インバータ回路用半導体素子とコンバータ回路用半導体素子を同一の冷却器に設置して冷却する場合や、３レベル回路を冷却する場合では、各々の半導体素子１５１０、１５２０、１５４０、１５５０の熱損失量に偏りがある場合がある。本発明の第８実施形態のように、直管型ヒートパイプ１７９０を、各々の半導体素子１５１０、１５２０、１５４０、１５５０の投影面上に重なるように受熱ブロック１７１０の中に埋設することにより、熱損失量の偏りによる温度上昇の偏りを平準化し、半導体素子群１５００を効率良く冷却することができる。

なお、本発明の第１〜第８実施形態では、最風下領域の放熱フィンの枚数を４８枚として記載したが、本発明はこれに限定されず、適宜変更しても良い。また、半導体素子群１５００を冷却風と直行する方向に４台設置する構成として記載したが、本発明はこれに限定されず、回路構成により適宜変更可能である。

１０００ 電力変換装置
１１１０ 側板
１１２０ 天板
１１３０ 底板
１１４０ 通風路底板
１１５０ 通風路
１１６１、１１６２ 枕木方向梁
１１６３、１１６４ 進行方向梁
１１７１、１１７２ 通風路拡大板
１１８１、１１８２ 整風板
１１９１〜１１９５ 風漏れ防止板
１２００ 送風機
１２１０ 冷却風
１３００ フィルター
１４００ グリル
１５００ 半導体素子群
１５１０ 最風上半導体素子
１５２０ 風上半導体素子
１５３０ 中流半導体素子
１５４０ 風下半導体素子
１５５０ 最風下半導体素子
１６００ 回路部品搭載空間
１６１０ フィルタコンデンサ
１６２０ ゲートドライバ
１７００ 冷却器
１７１０ 受熱ブロック
１７１１ 冷却器固定用ネジ穴
１７１２ 連結用ボルト
１７２０ Ｕ字型ヒートパイプ
１７２１ Ｕ字型ヒートパイプ受熱部
１７２２ Ｕ字型ヒートパイプ放熱部
１７３０ Ｌ字型ヒートパイプ
１７３１ Ｌ字型ヒートパイプ受熱部
１７３２ Ｌ字型ヒートパイプ放熱部
１７４０ ろう材
１７５０ 放熱フィン
１７５１ 最風上領域
１７５２ 風上領域
１７５３ 中流領域
１７５４ 風下領域
１７５５ 最風下領域
１７６０ シール材
１７７０ 受熱部の無い領域
１７８０ 短尺ヒートパイプ
１７８１ 短尺ヒートパイプ受熱部
１７８２ 短尺ヒートパイプ放熱部
１７９０ 直管型ヒートパイプ
２０００ 客室
３０００ つり部材

Claims (4)

1. 電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、
   前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合され、
   前記半導体素子は、冷却風流れ方向に３箇所設置された電力変換装置において、
   前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に風上領域、中流領域、風下領域と定義した際に、風上領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．３３〜０．４２倍、中流領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．４２〜０．６３倍の範囲にあり、
   通風路を構成する天板と前記冷却器との隙間の空間に、冷却風の流れと直交する向きに配置される風漏れ防止板を備え、
   当該風漏れ防止板と最上段の放熱フィンとの隙間が、前記複数のヒートパイプの放熱部の先端と前記最上段の放熱フィンとの隙間より小さくなるように、前記風漏れ防止板が構成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、
   前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合され、
   前記半導体素子は、冷却風流れ方向に２箇所設置された電力変換装置において、
   前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に風上領域、風下領域と定義した際に、風上領域の放熱フィン表面積が風下領域の放熱フィン表面積の０．５４〜０．７３倍の範囲にあり、
   通風路を構成する天板と前記冷却器との隙間の空間に、冷却風の流れと直交する向きに配置される風漏れ防止板を備え、
   当該風漏れ防止板と最上段の放熱フィンとの隙間が、前記複数のヒートパイプの放熱部の先端と前記最上段の放熱フィンとの隙間より小さくなるように、前記風漏れ防止板が構成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 電力変換回路を構成する複数の半導体素子と、当該複数の半導体素子からの熱を外気に放熱する冷却器を備え、
   前記冷却器は、受熱ブロック、複数のヒートパイプ、複数の放熱フィンで構成され、前記受熱ブロックの一方側面には前記複数の半導体素子が並設され、前記受熱ブロックの他方側面には前記複数のヒートパイプの受熱部が埋設され、前記複数のヒートパイプの放熱部は受熱ブロックから突き出して立設され、前記放熱部には複数の放熱フィンが接合され、
   前記半導体素子は、冷却風流れ方向に４箇所設置された電力変換装置において、
   前記複数の放熱フィンが設置される領域を冷却風流れ方向に等間隔に最風上領域、風上領域、風下領域、最風下領域と定義した際に、最風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２１〜０．４２倍、風上領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．２５〜０．６３倍、風下領域の放熱フィン表面積が最風下領域の放熱フィン表面積の０．４２〜０．７３倍の範囲にあり、
   通風路を構成する天板と前記冷却器との隙間の空間に、冷却風の流れと直交する向きに配置される風漏れ防止板を備え、
   当該風漏れ防止板と最上段の放熱フィンとの隙間が、前記複数のヒートパイプの放熱部の先端と前記最上段の放熱フィンとの隙間より小さくなるように、前記風漏れ防止板が構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置を客室の床下に搭載したことを特徴とする鉄道車両。