JP6652467B2 - 電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両に関し、例えば省スペースの電力変換装置に適用して好適なものである。

従来の電力変換装置においては、特許文献１のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材の反対側にはフィンを取付け、車両の走行により生じる風をフィンに当てることによって半導体素子の熱を空気に放熱する構造が知られている。

また、特許文献２のように、ヒートシンクに冷却空気を流通させ発熱部品の冷却を行う電子機器の冷却構造において、ヒートシンクのフィン先端の両端部がフィンより離反方向に屈曲する導風カバーを取付けた構造が知られている。

特開２０００−０９２８１９号公報 特開２０００−２７７９５５号公報

本願発明者が、電力変換装置のパワー半導体素子を効率的に冷却することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

電力変換装置は、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。車両の床下等のスペースは限られているため、できるだけ小型の冷却構造で効率的に電力変換装置のパワー半導体素子を冷却することが望ましい。

特許文献１のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材の反対側にはフィンを取付け、車両の走行により生じる風をフィンに当てることによって半導体素子の熱を空気に放熱する構造では、車両の走行によって生じる走行風がフィン先端部より逃げてしまい、走行風でフィンを十分に冷却することができないという問題がある。

また、特許文献２のように、ヒートシンクのフィン先端の両端部がフィンより離反方向に屈曲する導風カバーを取付けた構造では、ある程度フィン溝の方に冷却空気を誘導することはできるが、発熱部品の実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にある下流側の受熱部材中央付近にある部品を狙って風を導く構造とはなっておらず、高い温度の部品を必ずしも効率よく冷却することができないという問題もある。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にあるパワー半導体素子を効率良く冷却することができる冷却構造を有する電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明においては、パワー半導体素子を有する電力変換装置において、パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、受熱部材の一方の面に設けられた複数のパワー半導体素子と、受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンとを有し、フィンの先端部は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、フィンの外辺部に到達した冷却風をフィンを通過する流路の中央方向に案内する案内板と、を備えるようにした。

また本発明においては、パワー半導体素子を有する電力変換装置を搭載した鉄道車両において、電力変換装置は、パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、受熱部材の一方の面に設けられた複数のパワー半導体素子と、受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンとを有し、フィンの先端部は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、フィンの外辺部に到達した冷却風をフィンを通過する流路の中央方向に案内する案内板と、を備えるようにした。

本電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両によれば、フィンの先端部に導風板を備え、当該導風板を冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜させることにより、空気温度の上昇で素子の温度が上がりやすい下流側フィンに走行風を取り込むとともに、フィンの外辺部に到達した冷却風をフィンを通過する流路の中央方向に案内する案内板を設けることにより、パワー半導体素子の実装密度が高い受熱部材中央付近にあるフィン周囲の風速が増加してフィンを効率よく冷却することができるので、温度が高くなりやすい下流側中央部の素子の温度を下げることが可能である。

本発明によれば、実装密度が高くかつ空気温度の高い場所にあるパワー半導体素子を効率良く冷却することができる冷却構造を有する電力変換装置および電力変換装置を搭載した鉄道車両を実現できる。

本発明の電力変換装置を鉄道車両に設置した状態を示す図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の冷却部の斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の冷却部に設けられた整流板、冷却風の流れ方向に沿って流路が狭くなるように傾斜した導風板および流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板の外観図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の受熱部材上におけるパワー半導体素子の配置の一例を示す図である。 電力変換装置のフィンの先端部を平板状の板材で塞いだときのフィン間の風速分布を示す図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置のフィン間の風速分布を示す図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態における電力変換装置の構成を示す図である。

以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）第１の実施の形態
（１−１）本実施の形態による電力変換装置の構成
図１に本発明の一実施形態（第１の実施の形態）における電力変換装置５００を鉄道車両に搭載したときの構成を示す。本発明の電力変換装置５００は鉄道車両の床下等に設けられ、車両を駆動する電動機に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行う。図１において、電力変換装置５００は、車体５０１に吊り下げられた状態で固定されている。

図２および図３に本実施形態における電力変換装置５００の構造を示す。図２における矢印１０１と１０２は車両の進行により生じる走行風の方向を示す。車両は前後いずれの方向にも移動するので、それに伴って、矢印１０１と１０２のいずれかの方向に走行風が生じることになる。

図２において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材１の一方の側には、複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子２を含むパワー半導体モジュールが設置されており、複数のパワー半導体モジュールが電力変換装置５００を構成している。以下、これらのパワー半導体モジュールについてもパワー半導体素子２と呼称する。

パワー半導体素子２は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材１とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材１のパワー半導体素子２の側には、密閉されたケース４が設けられ、ケース内にはフィルタコンデンサやＩＧＢＴ駆動回路等の電気部品５が設置されている。

フィンベースである受熱部材１のパワー半導体素子設置面の反対側には、アルミニウム合金等の平板状の放熱用のフィン３が多数設置されている。受熱部材１とフィン３とは、ろう付け等により接合される。受熱部材１とフィン３を一体成型して製作してもよい。

受熱部材１に設置されたパワー半導体素子２が動作するとパワー半導体素子２が発熱し、その熱は受熱部材１を介してフィン３に伝えられる。フィン間には、車両の走行に伴って生じる走行風が流れ、フィン３の熱が空気に放熱されることにより、パワー半導体素子２が冷却される。

図４に導風板１１、案内板１２および整流板１３が設けられた冷却部である導風部の斜視図を示す。図２〜図４において、フィン３の先端部には導風板１１を備え、導風板１１は、冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した構成とした。

さらに、フィン３の先端部には、流路側面から流路中央へ冷却風を案内する案内板１２を設けた。また、フィン３の先端部には、冷却風の流れを整える整流板１３を設けた。

図５に受熱部材１におけるパワー半導体素子２０１〜２０９の配置例を示す。走行風は矢印１０１、１０２の両方向に流れるので、下流側となる両端のパワー半導体素子（２０１〜２０３と２０７〜２０９）の温度が空気温度の上昇の影響により高くなりやすい。導風板１１はこれらの位置に冷却風を導くことにより、冷却効率を高める効果がある。

また、パワー半導体素子２をできるだけコンパクトに配置しようとすると、両端の素子の中でも、中央部のパワー半導体素子（２０２と２０８）の付近の実装密度が高くなるため、特にこれらの素子の温度が高くなりやすい。案内板１２によってこれらの素子の付近に冷却風を導くことができるので、これらの素子を効率的に冷却することが可能である。

図６と図７とは、フィン先端部を平らな塞ぎ板１４で塞いだ構造と、本実施形態の構造とにおける、下流部中央付近のフィン間風速をシミュレーションにより比較したものである。フィン３と塞ぎ板１４や導風板１１を含めた全体の高さが同一になるようにした。

本実施形態の構造により、フィン間の平均流速である平均風速が図６の９２．５から図７の１００となり、約８％増加する。これにより空気によるフィン３の冷却効率が高まり、パワー半導体素子２を効率的に冷却することができる。

図８に導風板１１および案内板１２を取り付ける構造の一例を示す。フィン３の周囲を金属製のカバー１５、１６および１７で囲むようにする。カバー１６は、走行風を取り込めるように、金網状や多孔板状の構造とする。

導風板１１および案内板１２は、カバー１５、１６および１７に溶接やねじ止め等によって固定される。さらに、カバー、導風板１１および案内板１２を一体として、それらが受熱部材１にねじによって固定される。なお、カバー１７を設けずに、導風板１１がカバー１７の一部を兼ねた構造としても良い。

フィン３にはスリット部６を設けても良い。スリット部６を設けることによりフィン３の熱伝達率を向上させるとともに、導風板１１からの風がスリット部６からフィン間に流入することによる風速増進効果が得られる。また、スリット部６により、停車時における自然対流による冷却性能の向上効果も得られる。

（１−２）本実施の形態の効果
以上のように、本実施形態によれば、空気温度の上昇で素子の温度が上がりやすい下流側フィンに走行風を取り込むとともに、パワー半導体素子２の実装密度が高い場所にある受熱部材中央付近にあるフィン周囲の風速が増加してフィン３を効率よく冷却することができるので、温度が高くなりやすい下流側の中央部のパワー半導体素子（２０２と２０８）の温度を下げることが可能である。

（２）第２の実施の形態
第１の実施の形態においては、フィン３の先端部から冷却風がフィンの外側に漏れていたが、冷却効率を高めるために、冷却風を漏らさないようにしてもよい。図９に本発明の他の実施の形態（第２の実施の形態）における電力変換装置６００の構造を示す。図９において、フィン３の入口部および出口部のフィン上部に塞ぎ板１８を設けた。他の部分の構造は第１の実施形態と同様である。

フィン３の最下流部において、フィン３の先端部から冷却風がフィン３の外側に漏れることを塞ぎ板１８が防止する。このことにより、冷却風の温度上昇の影響でパワー半導体素子２の温度が高い最下流部に多くの冷却風を流すことができ、パワー半導体素子２を十分に冷却することが可能である。

以上詳細に説明したように、本発明によればフィン３の間に十分に走行風を取り込むことにより、パワー半導体素子２を効率的に冷却することが可能である。

１……受熱部材、２……パワー半導体素子、３……フィン、４……ケース、５……電気部品、６……スリット部、１１……導風板、１２……案内板、１３……整流板、１５、１６、１７……カバー。

Claims (8)

1. パワー半導体素子を有する電力変換装置において、
   前記パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、
   前記受熱部材の一方の面に設けられた複数の前記パワー半導体素子と、
   前記受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンと
   を有し、
   前記フィンの先端部は、
   冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、
   前記フィンの外辺部に到達した冷却風を前記フィンを通過する流路の中央方向に案内する案内板と、
   を備える
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記フィンの入口部および出口部の前記フィンの前記先端部を塞ぐ塞ぎ板を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記フィンの周囲にカバーを設け、
   前記カバーに前記導風板および前記案内板を固定した
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記フィンにスリット部を設けた
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
5. パワー半導体素子を有する電力変換装置を搭載した鉄道車両において、
   前記電力変換装置は、
   前記パワー半導体素子の熱を放熱する受熱部材と、
   前記受熱部材の一方の面に設けられた複数の前記パワー半導体素子と、
   前記受熱部材の他方の面に設けられた放熱用のフィンと
   を有し、
   前記フィンの先端部は、
   冷却風の流れ方向に沿って、フィン風上部およびフィン風下部からフィン中央部にかけて流路が狭くなるように傾斜した導風板と、
   前記フィンの外辺部に到達した冷却風を前記フィンを通過する流路の中央方向に案内する案内板と、
   を備える
   ことを特徴とする電力変換装置を搭載した鉄道車両。
6. 前記フィンの入口部および出口部の前記フィンの前記先端部を塞ぐ塞ぎ板を設けた
   ことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
7. 前記フィンの周囲にカバーを設け、
   前記カバーに前記導風板および前記案内板を固定した
   ことを特徴とする請求項５または請求項６記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
8. 前記フィンにスリット部を設けた
   ことを特徴とする請求項５または請求項６記載の電力変換装置を搭載した鉄道車両。

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