JP7027140B2 - 電力変換装置及び鉄道車両 - Google Patents
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Description
半導体素子が故障しても電力変換装置を動作させるために、電力変換装置が複数の半導体素子を並列に備える場合がある。
しかし、半導体素子毎に受熱板を用意すると、複数の受熱板が必要となる。また、受熱板の両面に半導体素子を取付けると、電力変換装置内に半導体素子用に確保すべきスペースが大きくなる。そのため通例では、電力変換装置は、複数の半導体素子を1つの受熱板の第1の面上に取付けて構成されている。
図1に示すように、本実施形態の鉄道車両1は、車体11と、車輪21と、本実施形態の電力変換装置31と、制御部71と、を備えている。
例えば、車体11は、レール22が延びる方向に長い直方体状に形成されている。車体11内には、機械室12が形成されている。機械室12内に、電力変換装置31が設置されている。車体11の天面には、上方に向かってパンタグラフ13が設けられている。パンタグラフ13は、架線14に架線14の下方から接触可能になるように配置されている。パンタグラフ13は、電力変換装置31に電線42(図2参照)等により接続されている。
なお、本実施形態では、パンタグラフ13を介して架線14から電力変換装置31に電力供給を行うとして説明を行う。しかし、鉄道車両に搭載された発電機や蓄電装置から電力変換装置31に電力供給を行ってもよい。
回転軸24には、電動機25A,25Bが図示しないギアボックス等を介して連結されている。電動機25A,25Bは、電力変換装置31に後述する電線48,49(図2参照)により接続されている。電動機25A,25Bは、電力変換装置31から交流による電力が入力されると、ギアボックス等を介して回転軸24を回転させる。この例では、電動機25A,25Bのいずれも回転軸24を回転させることができる。
以下では、半導体素子32A,32B,32Cを、半導体素子32A~32Cと略して示す場合がある。後述する第1溝53A,53B,53C,53D等についても同様である。
なお、この例では、コンバータやインバータを構成する半導体素子を1つのパッケージで示している。しかし、各相毎や各上下アーム毎等、複数の半導体素子でモジュール(パッケージ)を構成してもよい。
半導体素子32B,32Cには、半導体素子32B,32Cが変換した交流の電流値を検出する電流センサが取付けられていることが好ましい。電流センサは、半導体素子32B,32Cが故障したか否かを検出するために用いられる。ただし、半導体素子32B,32Cの故障を検出するセンサは、これに限られない。
電流センサは、検出結果を定期的に制御部71に送信する。
なお、電力変換装置31が駆動する電動機の数は特に限定されず、2つでもよいし、4つ以上でもよい。例えば、電力変換装置31が誘導電動機を駆動するときは、インバータを構成する半導体素子で複数の誘導電動機を駆動してもよい。また、電力変換装置31が同期電動機を駆動するときは、同期電動機と同数のインバータを構成する半導体素子を設けて駆動してもよい。
流路52内には、図示しないコルゲートフィン等の伝熱促進部材が配置されている。伝熱促進部材は、流路52の内面に固定されている。
受熱板33の四隅には、貫通孔54がそれぞれ形成されている。貫通孔54は、受熱板33を厚さ方向に貫通している。受熱板33の正面視において、貫通孔54は流路52の外側に配置されている。
受熱板33は、熱伝導率の大きいアルミニウムや銅等の金属で形成されている。受熱板33をアルミニウムで形成すると、受熱板33をより軽くすることができる。
同様に、受熱板33の第1の面33aにおける第1溝53Bと第1溝53Cとの間の部分に、半導体素子32Bが支持されている。受熱板33の第1の面33aにおける第1溝53Cと第1溝53Dとの間の部分に、半導体素子32Cが支持されている。半導体素子32A~32Cは、受熱板33の長手方向に沿って、この順で並べて配置されている。
半導体素子32A~32Cは、正面視において流路52が形成された範囲内に配置されていることが好ましい。
カバー36における受熱板33の第1の面33aに対向する第1の面36aには、第2溝56A,56B,56C,56Dが形成されている。第2溝56A~56Dは、第1溝53A~53Dと同様に形成され、第1溝53A~53Dにそれぞれ対向するように配置されている。
カバー36の四隅には、貫通孔57がそれぞれ形成されている。
第1仕切り板34Aは、半導体素子32Aと半導体素子32Bとの間を仕切っている。同様に、第1仕切り板34Bは、半導体素子32Bと半導体素子32Cとの間を仕切っている。一対の第2仕切り板35A,35Bは、半導体素子32A~32C全体を受熱板33の長手方向に挟むように配置されている。
なお、受熱板33、カバー36、及び第2仕切り板35A,35Bにより、受熱板33の幅方向に形成された開口を塞ぐように、第2仕切り板を設けてもよい。
熱交換器63には、フィンチューブ型等の任意の熱交換器が用いられる。熱交換器63は、受熱板33の流路52内を流れた冷却液を放熱させる。配管64は、受熱板33の流路52及び熱交換器63に順次接続されている。配管64には、冷却液を蓄えるためのタンク68が設けられていることが好ましい。
ブロア65には、ターボファンやシロッコファン等の任意のファンが用いられる。ブロア65は、熱交換器63に対向するように配置され、熱交換器63に空気を流す。ポンプ66は、配管64に冷却液を流す。
このように、電力変換装置31では、いわゆる循環式液冷方式の放熱部38により受熱板33が冷却される。
架線14からパンタグラフ13、電線42を介して電力変換装置31の半導体素子32Aに交流が供給されると、第1電気機器37Aは半導体素子32A~32Cを駆動する。半導体素子32Aは、交流を直流に変換する。変換された直流は、電線43,44を通して半導体素子32B,32Cにそれぞれ供給される。半導体素子32Bは、直流を交流に変換し、変換した交流を電動機25Aに供給する。電動機25Aは、ギアボックス等を介して回転軸24を回転させる。レール22上で車輪21が回転する。
同様に、半導体素子32Cが変換した交流により、電動機25Bが車輪21を回転させる。このように、電動機25A,25Bの駆動力により、鉄道車両1が走行する。
電流センサは、半導体素子32B,32Cが変換した交流の電流値を、定期的に制御部71に送信する。
半導体素子32A~32Cが発した熱は、受熱板33及び伝熱促進部材を介して流路52内の冷却液に伝達される。冷却液に熱が伝達されると、半導体素子32A~32Cが冷却される。
流路52内で加熱された冷却液は、ポンプ66により配管64内を流れ、熱交換器63内に流れ込む。ブロア65が機械室12内の空気を熱交換器63に流すことにより、冷却液の熱が熱交換器63を介して空気に伝達される。こうして、機械室12内の空気が加熱され、熱交換器63内の冷却液が冷却される。熱交換器63内で冷却された冷却液は、配管64内を流れて再び受熱板33の流路52内に流れ込む。
なお、配管64内を流れる冷却液の量が減少した場合は、冷却液がタンク68内から配管64内に供給される。
また、電力変換装置31が第2仕切り板35Bを備えるため、飛散して半導体素子32A,32Bとは反対側に向かった半導体素子32Cが第2仕切り板35Bにより遮られる。
ただし、半導体素子32Bが変換した交流により車輪21が回転するため、鉄道車両1は走行を続ける。
第1仕切り板34A,34Bは、受熱板33に形成された第1溝53B,53Cに嵌合されたことにより受熱板33に固定されている。このため、受熱板33のうち第1仕切り板34A,34Bを固定したい部分に流路52が形成されていても、その部分に貫通孔を形成して流路52に支障が生じることなく、受熱板33に第1仕切り板34A,34Bを固定することができる。
第1電気機器37Aは、カバー36の第2の面36bに固定されている。故障して飛散した半導体素子32Cが第1電気機器37A側に向かったとしても、半導体素子32Cはカバー36により遮られる。従って、半導体素子32Cが故障しても第1電気機器37Aが損傷することを抑えることができる。
電力変換装置31が、受熱板33を冷却液により冷却する放熱部38を備える。空気等の気体による冷却に比べて電熱性能が比較的高い冷却液により、受熱板33を効率的に冷却することができる。
なお、電力変換装置31は、第2仕切り板35A,35B、カバー36、第1電気機器37A、及び放熱部38を備えなくてもよい。
図5に示す電力変換装置76のように、電力変換装置31の各構成に加えて、受熱板33における第1の面33aとは反対側の第2の面33bに固定された第2電気機器37Bを備えてもよい。例えば、第2電気機器37Bは抵抗器であり、半導体素子32A~32Cに電気的に接続されている。
このように構成された変形例の電力変換装置76では、故障して飛散した半導体素子32Cが第2電気機器37B側に向かったとしても、半導体素子32Cは受熱板33により遮られる。従って、半導体素子32Cが故障しても第2電気機器37Bが損傷することを抑えることができる。
第1電気機器37Aは、半導体素子32Cに対する半導体素子32Bとは反対側、すなわち、第2仕切り板35A,35Bの外側に配置されている。第1電気機器37Aと半導体素子32Cとは、第2仕切り板35Bにより仕切られている。
このように構成された変形例の電力変換装置81では、故障して飛散した半導体素子32Cが第1電気機器37A側に向かったとしても、半導体素子32Cは第2仕切り板35Bにより遮られる。従って、半導体素子32Cが故障しても第1電気機器37Aが損傷することを抑えることができる。また、受熱板33の第1の面33aに、半導体素子32A~32Cだけでなく第1電気機器37Aも配置することができる。
このように構成された変形例の電力変換装置86では、故障して飛散した半導体素子32Cが電気機器37A,37B側に向かったとしても、半導体素子32Cは第2仕切り板35Bにより遮られる。従って、半導体素子32Cが故障しても電気機器37A,37Bが損傷することを抑えることができる。また、半導体素子32A~32C及び電気機器37A,37B(電力変換装置86)を、受熱板33の厚さ方向に薄く配置することができる。
なお、受熱板33に設けられるフィン部材92の数に制限はなく、フィン部材92の数は1つでもよい。
放熱部93により加熱された空気は、膨張して密度が低くなる。密度が低くなった空気は、受熱板33の幅方向に隣り合うフィン部材92の間等を通って上方に移動する。放熱部93は、いわゆる自然対流方式により冷却される。
このように構成された変形例の電力変換装置91では、放熱部93に冷却液を用いないため、放熱部93を小型化することができる。
なお、電力変換装置91が、放熱部93に空気を流すブロア94を備えてもよい。例えば、ブロア94は、複数のフィン部材92に沿って上方に向かって空気を流す。この場合、放熱部93は、いわゆる強制対流方式により冷却され、自然対流方式に比べて冷却性能が向上する。
ヒートパイプ97の下端部内の作動液は、伝達された熱により気化して作動ガスとなる。作動ガスは、密度が低くなってヒートパイプ97の上端部内に移動する。ヒートパイプ97の上端部内に移動した作動ガスは、複数のフィン部材98により熱が奪われる。熱が奪われた作動ガスは、液化して作動液になる。作動液は、密度が高くなってヒートパイプ97の下端部内に移動する。
このように、ヒートパイプ97の作動液の気化熱を利用して、半導体素子32A~32Cを効率的に冷却することができる。
第1仕切り部材が第1仕切り板34A,34Bであり、第2仕切り部材が第2仕切り板35A,35Bであるとした。しかし、第1仕切り板34A,34B及び第2仕切り板35A,35Bの形状は、板状に限定されず、ブロック状等でもよい。
Claims (10)
- 電力変換部を構成する複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子を第1の面で支持する受熱板と、
前記受熱板に固定され、前記複数の半導体素子の間を仕切る第1仕切り部材と、
前記受熱板とともに前記第1仕切り部材を挟むように配置されたカバーと、
を備え、
前記カバーには、第2溝が形成され、
前記第1仕切り部材は、前記第2溝に嵌合されたことにより前記カバーに固定されている電力変換装置。 - 前記受熱板には第1溝が形成され、
前記第1仕切り部材は、前記第1溝に嵌合されたことにより前記受熱板に固定されている請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記カバーにおける前記複数の半導体素子とは反対側に固定された第1電気機器を備える請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記受熱板に固定され、前記複数の半導体素子全体を挟むように配置された一対の第2仕切り部材を備える請求項1から3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 電力変換部を構成する複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子を第1の面で支持する受熱板と、
前記受熱板に固定され、前記複数の半導体素子の間を仕切る第1仕切り部材と、
前記受熱板に固定され、前記複数の半導体素子全体を挟むように配置された一対の第2仕切り部材と、
前記受熱板の前記第1の面における前記一対の第2仕切り部材の外側に固定された第1電気機器と、
を備える電力変換装置。 - 電力変換部を構成する複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子を第1の面で支持する受熱板と、
前記受熱板に固定され、前記複数の半導体素子の間を仕切る第1仕切り部材と、
前記受熱板における前記第1の面とは反対側の第2の面に固定された第2電気機器と、
を備える電力変換装置。 - 前記受熱板を冷却液により冷却する放熱部を備える請求項1から6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記受熱板から突出する突部を備える請求項1から6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記受熱板を冷却するヒートパイプを備える請求項1から6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の電力変換装置を備える鉄道車両。
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