JPH06508260A - 大電力交流牽引用インバータの冷却 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 大電力交流牽引用インバータの冷却 発明の背景 本発明は、電気推進牽引車輌に関し、更に具体的に言えば、このような牽引車輌 に用いられる大電力半導体に対する冷却システムに関する。

例えば機関車のような牽引車輌は、車輌の車輪を駆動するために牽引電動機を用 いている。これらの車輌のうちのある車輌では、電動機は交流（Ａ　Ｃ）電動機 であって、その速度及び動力は、電動機に供給される交流電力の周波数及び電流 を変えることによって制御される。通常、この電力は車輌システム内のある点で 直流電力として供給され、その後、周波数及び振幅を制御した交流電力に逆変換 される。電力は、内燃機関によって駆動される機上の交流機から取り出すことが できるし、又は第３軌条又は架線のような線路に沿った電源から得ることができ る。

典型的には、ダイオード及びゲート・ターンオフ・サイリスタ（ＧＴＯ）のよう な複数の半導体装置を組み込んだ固体インバータによって電力が逆変換される。

機関車、高速道路以外の所（オフ・ハイウェイ）で用いられる大型車輌又は輸送 用の用途では、牽引電動機は、電動機１台当たり１０００馬力を発生することが あり、そのため、関連するインバータには、非常に大きい電力を処理する能力か 要求される。このため、このような大電力を制御することができると共に、内部 抵抗のために半導体装置内で発生されるかなりの熱を散逸することができる半導 体スイッチ装置が必要になる。

従来のシステムでは、半導体装置が、半導体装置から熱を運び去って装置の熱的 な破損を防止するのを助けるヒートシンクのような熱伝達装置に取り付けられて いる。これらの非常に大電力の半導体では、溜った熱を運び去るために、その内 部に冷却空気を強制的に通すことのできるような全体的に中空な内部を有してい るヒートシンクを用いることが望ましい。各々のヒートシンクは空気高圧室（プ レナム）に取り付けられており、冷却空気をヒートシンクを通して、半導体装置 されている電気回路区域に吹き込む。

電気回路区域は、電力半導体のスイッチングを制御するために用いられる大量の 小電力半導体を含んでいる種々の制御及びタイミング回路を含んでいることがあ る。

機関車の用途では、冷却空気は機関車の天井から空気を吸き込む送風機から取り 込まれるのが典型的である。入って来る空気は、ディーゼルの煙霧及び塵埃を含 んでいる汚染物質を含有しているのが普通である。回転フィルタ又は慣性フィル タが、この冷却空気を少なくとも部分的に清浄にするために用いられている。し かしながら、このような汚染物質の全部が除去されないのが普通であり、そのた め、電気回路区域内には汚染物質が溜る。このような汚染物質は熱伝達を妨げる と共に、回路内の絶縁すき間の電気的な降伏を招くおそれがある。従って、この ような回路内に汚染物質が溜るのを最小限に抑えることが望ましい。

大型交流電動機用のインバータは、ＧＴＯのような大電力半導体装置を６つ含ん でいるのが典型的であり、ヒートシンク及び強制空気冷却を必要とする。これら の装置の各々は、一般的にプレス・パックであって、このような大電力の用途で は、両側の冷却を必要とする。このため、普通の装置では、インバータ１台当た りに１２個のヒートシンクを必要とする。車軸が６つの機関車では、インバータ だけでも、冷却空気を必要とする７２個のヒートシンクが含まれている。このよ うな数のヒートシンクには、冷却空気の大容積の流れが必要であり、それと共に 慣性フィルタの容量をそれに見合って増加しなければならない。従って、半導体 装置の適切な冷却を維持しながら、冷却空気の流量条件を引き下げる方法及び装 置を提供することが望ましい。

発明の要約 上述及びその他の望ましい特徴が本発明の一形式では、電気牽引電動機車輌に対 する電力変換システムによって達成される。このシステムでは、複数の大電力半 導体装置が少なくとも１つの牽引電動機と回路接続されており、電動機に対する 電力を制御する。半導体装置の各々は、熱を引き出すようにその内部に冷却空気 を通すように構成されている全般的に中空な一対のヒートシンクの間に熱的に接 続されている。このような装置の陽極端子が、一対のうちの一方のヒートシンク に接続されており、装置の陰極端子が、その対のうちの他方のヒートシンクに接 続されている。各々のヒートシンクは、車輌の電気回路区域の１つの壁を形成し ている共通の空気高圧室に片持ち式に取り付けられている。一対のヒートシンク の末端が空気流導管によって一緒に結合されており、こうして、一対のヒートシ ンクを通る連続的な空気通路を形成している。この通路は、空気供給高圧室を収 容している面から始まり、そこで終わっている。一対のヒートシンクのうちの一 方のヒートシンクの一端、好ましくは、陰極端子に接続されているヒートシンク の一端が、排気導管に連結されている。そのとき、冷却空気が他方のヒートシン クの端に送り込まれ、この１つのヒートシンク内を循環して、排気導管から出て 行く。このようにして、冷却空気は、電気回路区域に入り込んでいる閉じた経路 内に保たれ、このため、汚染物質が電気部品上に積もることがない。必要とされ る冷却空気の容積は、冷却空気経路の半分がなくなるので、大幅に減少する。直 列接続されているヒートシンク内での圧力降下が一層高くなり、このため圧力条 件は、車輌の回転装置と更に両立性がよくなるように高められる。片持ち式の取 り付けには、機械的及び電気的な両方の接続のために、１つの壁面が用いられて おり、片持ち式の取り付けは、密封（シーリング）ガスケットの整合の微妙さく クリティカリティ）を減少させると共に、それを圧縮し易くする。

図面の簡単な説明 本発明が更によく理解されるように、次に図面について詳しく説明するところを 参照されたい。

第１図は本発明の考えを用いた機関車の一部を図式的に示す簡略図である。

第２図は牽引車輌の電力回路の簡略構成図である。

第３図は本発明を実施したシステムの拡大した簡略図である。

図面の簡単な説明 第１図には、本発明を用いた機関車として例示する電気牽引車輌１０の一部を断 面で示す概略図が示されている。

機関車１０は複数の牽引電動機を含んでいるが、これらの牽引電動機は、図面に は示されておらず、駆動輪１２の背後に配置されていると共に、車軸１４と駆動 関係を有するように結合されている。電動機は交流（ＡＣ）電動機であることが 好ましく、機関車は、電動機に対する電力を制御するための複数の電気インバー タ回路を含んでいる。勿論、本発明は、強制空気冷却の任意の電力変換器に設け られているプレス・パック形半導体を冷却するためにも利用することができる。

本発明は、他の形式の車輌又は典型的な工業用駆動装置にも効率よく用いること ができる。

第２図について簡単に説明すると、機関車１０に対する電力システムの回路図に は、ディーゼル機関（図面に示していない）のような機上の内燃機関によって駆 動される交流機１６が含まれている。交流機１６の電力出力は、ＧＴＯブロック １８で示す界磁励磁制御装置によって、周知の方法で調整される。交流機１６か らの電力はブロック２０で整流され、インバータ２２に結合される。インバータ ２２は、整流された電力を交流電動機２４に印加するための可変周波数で可変振 幅の電力に変換する。

第１図に戻って説明すると、電力回路は少なくとも部分的には装置区画２６内に 配置されている。インバータ２２及び界磁制御装置１８に対する制御回路、並び にその他の電子部品は、区画２６内のラックに収められている回路板に普通のよ うにパッケージされている。区画２６の上方には、一対の送風機２８Ａ及び２８ Ｂが取り付けられており、送風機２８Ａ及び２８Ｂは、機関車の上方から空気を 吸い込んで、その空気を強制空気冷却を必要とする選択された装置に吹き付ける 。本発明では、送風機２８Ａが空気を分配区域又は高圧室（プレナム）３０内に 下向きに吹き込む。

高圧室３０の一方の側は、全体的に垂直の向きである電気装置壁３２によって画 成されており、電気装置壁３２が区画２６を高圧室３０から隔てている。壁３２ には、高圧室３０と区画２６との間で冷却空気を通すための所定の形で配設され ている複数の開口が設けられている。送風機２８Ａからの空気は、高圧室３０に 入るときに、回転又は慣性フィルタ３４を通過する。

区画２６内では、大電力半導体装置が空気冷却されるヒートシンク３６に取り付 けられている。ヒートシンク３６は装置壁３２に片持ち式に取り付けられている 。ヒートシンク３６は全体的に中空の形式であって、端から端まで縦方向に伸び た空気通路を画成している向かい合った側壁の間を伸びている複数のひれを有し ている。図示の実施例では、ヒートシンク３６は対になって配設されており、各 対の末端は、空気導管３８によって一緒に結合されている。

壁３２の所では、ヒートシンクの端は、壁３２を通り抜けている開口のうち予め 選択された開口に密封して取り付けられている。壁３２の高圧室側では、選択さ れた開口が、高圧室３０の外部に伸びている排気導管４０に接続されている。そ の構成は、高圧室３０からの冷却空気が一対のヒートシンクのうちの一方の一端 に流れ込み、この一対のヒートシンクの他端から排出されるようになっている。

第３図は一対のヒートシンク３６の拡大した概略図であり、図面ではダイオード 及びＧＴＯとして示す一対の半導体装置４２が、ヒートシンクの向かい合った面 ４４及び４６の間に圧縮される形で取り付けられている。装置４２はプレス・パ ック形にパッケージされているのが典型的であり、ヒートシンク３６を所定の圧 縮力で互いに圧縮するための締め付は装置（図面に示していない）が設けられて いる。このような形式で装置を取り付けるための種々の締め付は方式は周知であ る。図示の片持ち式の取り付けでは、一対のヒートシンクの外面４８及び５０が 構造支持体５２及び５４に取り付けられているか、又は構造支持体５２及び５４ を備えており、構造支持体５２及び５４を壁３２にボルト締めして、ヒートシン ク３６の端を壁３２内の開口に密封するように圧接することができる。導管３８ は区画２６内にあるヒートシンク３６の端にボルト締め又はその他の方法で連結 することができる。参照番号５８で示す区域は、相異なる半導体装置に対するプ レス・パックの高さの変動に対処するための、ヒートシンク３６Ａの切り欠き又 は加工区域を表している。ダイオード・プレス・パックはＧＴＯのそれよりも一 般的に短く、一方の端子面にしかコーディングを必要としないのが普通である。

区域５８は、ダイオード４２をヒートシンク３６Ｂに押し付けて、ヒートシンク ３６Ａとの接触を隔離するためのクランプ（図に示していない）の場所を作成す る。

図示のように、高圧室３０からの空気は強制的に第１のヒートシンク３６Ａに通 され、導管３８を通過してから、ヒートシンク３６Ｂを通り、排気導管４０から 出て行く。

電力半導体装置４２を含んでいる電力システムに対するすべての電気接続は、区 画２６内で行うことかでき、壁３２に取り付けることができる。しかしながら、 汚染された冷却空気は、ヒートシンク３６内に収まっている。直列接続されてい るヒートシンク３６を用いることにより、一層多くの熱を伝達すると共にそのた めに一層多（の冷却を必要とするＧＴＯ装置の陽極端子に、最初に空気を加え、 その後、ＧＴＯの陰極端子及びダイオードの一方の端子に空気を加えることがで きる。シングル・エンディラド形で空気が入ることにより、清浄空気区画２６の 組み立て及び保守が容易になる。更に、直列接続されているヒートシンクの冷却 に対する高い圧力で少ない流量の条件は、システムの電動機及び交流機の冷却条 件との両立性が一層よい。ヒートシンク３６は種々の公知の手段によって電気的 に隔離することができる。典型的には、導管３８は電気的な隔離のために非導電 材料で形成されている。

他の構成が第４図に示されており、二の場合、ヒートシンク３６ａの入口側の端 が、加圧された空気高圧室（プレナム）６０に連結されており、ヒートシンク３ ６ｂの排気側の端が、排気高圧室（プレナム）６２に連結されている。

高圧室６０と高圧室６２との間に並列の配置として多数のヒートシンクを接続す ることができることは明らかであろう。

本発明の好ましい形式を説明したが、本発明は、請求の範囲の要旨に従って解釈 されるべきであることを承知されたい。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．直流電力源と、 該直流電力源と回路接続されている比較的大電力の複数の半導体装置を含んでお り、直流電力を交流電力に変換するインバータと、 冷却空気の流れを供給する送風機手段と、空気冷却された複数の中空なヒートシ ンクであって、前記半導体装置のうちの選択された半導体装置が該ヒートシンク のうちの対応するヒートシンクに熱的に結合されている、複数の中空なヒートシ ンクと、 前記送風機手段からの冷却空気を前記ヒートシンクに差し向ける手段と、 少なくとも２つの前記ヒートシンクを直列の空気流路に結合しており、該少なく とも２つのヒートシンクに逐次的に空気を流す導管手段と、 前記少なくとも２つのヒートシンクのうちの下流側のヒートシンクに結合されて おり、前記冷却空気を前記半導体装置から排気する排気手段とを備えた、牽引車 輌に対する直流から交流への電力変換システム。
2. ２．前記半導体装置のうちの前記選択された半導体装置は、前記少なくとも２つ のヒートシンクの向かい合った面の間に所定の圧縮状態で保持されているプレス ・パックを含んでいる請求項１に記載の電力変換システム。
3. ３．前記導管手段は、前記ヒートシンクのうちの一方のヒートシンクの排気側の 端を前記ヒートシンクのうちの他方のヒートシンクの入口側の端に結合している Ｕ字形導管を含んでいる請求項２に記載の電力変換システム。
4. ４．前記半導体装置のうちの前記選択された半導体装置の各々の陽極端子は、前 記ヒートシンクのうちの前記一方のヒートシンクに接続されており、前記半導体 装置のうちの前記選択された半導体装置の各々の陰極端子は、前記ヒートシンク のうちの前記他方のヒートシンクに接続されている請求項３に記載の電力変換シ ステム。
5. ５．前記ヒートシンクの各々は、通常垂直向きの共通の支持体に片持ち式に取り 付けられており、冷却空気は、前記支持体を通って前記ヒートシンクから入って いると共に排気されている請求項４に記載の電力変換システム。
6. ６．電力半導体に対する冷却システムであって、前記半導体の少なくともいくつ かは、それぞれが冷却作用を必要としている陽極側の端と、陰極側の端とを有し ており、少なくとも１つの前記半導体の陽極に接続されている全体的に中空な第 １のヒートシンクと、 前記少なくとも１つの半導体の陰極に接続されている全体的に中空な第２のヒー トシンクと、 前記第１のヒートシンクの一端を前記第２のヒートシンクの一端に結合しており 、該第１及び第２のヒートシンクを通り抜ける全体的に中空な連続通路を形成す る導管手段と、 冷却空気を前記中空な通路に差し向ける手段とを備えた、電力半導体に対する冷 却システム。
7. ７．前記第１及び第２のヒートシンクの各々は、共通の支持体から片持ち式に取 り付けられている請求項６に記載の冷却システム。
8. ８．前記冷却空気は、前記支持体を通って前記ヒートシンクから入っていると共 に排気されており、前記半導体は、前記支持体を介して電気的に回路接続されて いる請求項７に記載の冷却システム。
9. ９．電力システムに設けられている電力半導体の冷却作用を行うのに必要な冷却 空気の容積を減少させる方法であって、前記半導体は、該半導体を冷却するため にその内部に冷却空気を通すように構成されている全体的に中空なヒートシンク に熱的に結合されており、前記半導体のうちの選択された１つの半導体の第１の 電気端子に接続されている第１のヒートシンクに空気を通す工程と、 前記選択された１つの半導体の各々の端子が共通の空気の流れにより冷却される ように、前記第１のヒートシンクを通過した空気を、前記選択された１つの半導 体の第２の電気端子に接続されている他のヒートシンクに差し向ける工程とを備 えた、電力システムに設けられている電力半導体の冷却作用を行うのに必要な冷 却空気の容積を減少させる方法。