JPWO2007116460A1 - 電車用の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

従来の電力変換装置では、半導体素子を冷却するためにヒートパイプやポンプによる循環型冷却器を使用しており、冷却器に多くのスペースが必要であった。電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子７と、半導体素子７を冷媒により冷却する素子冷却部６Ａ、素子冷却部６Ａで加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部６Ｃを有し、素子冷却部６Ａで冷媒を沸騰させることにより冷媒を放熱部６Ｃと素子冷却部６Ａとの間で循環させる気泡ポンプ型の、放熱部６Ｃが互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器６と放熱部６Ｃにあたる風を発生させる冷却ファン２とを備えた。

Description

この発明は、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器とを備えた電力変換装置に関するものである。

一般産業分野での電動機用の電源としてコンバータやインバータなどの電力変換装置が使用される。コンバータやインバータなどの電力変換装置は、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、サイリスタ、トランジスタ、ダイオードなどの半導体素子により、電力を流したり切ったりすることにより電力変換を行う。半導体素子での損失は熱となり、この損失熱により半導体素子が高温になると、正常に動作できなくなったり、変換効率が低下したりする。半導体素子が所定の温度範囲になるように冷却することは、電力変換装置では重要である。なお、駆動回路などまで含めて半導体素子をモジュール化したＩＰＭ(Intelligent Power Module)が使用される場合もある。

従来の電力変換装置には、半導体素子の冷却はヒートパイプを利用して行っているものがある。ヒートパイプとは、上下方向に立てた管の中に冷媒を密封して、管の下部に冷却対象物を接触させ、管の上部にフィンなどの放熱効率がよい構造を備えたものである。管に密閉された冷媒は、下部で冷却対象物から熱を与えられて蒸発する。蒸発した冷媒は管の上部に移動し、管の上部で熱を奪われて液体に戻り、管の内壁を伝って下部に溜まる。溜まった冷媒は、再度、蒸発する。このように、ヒートパイプでは、冷媒を蒸発させることにより熱を下部から上部に移動させ、上部から外部に熱を放出して下部に接触させた冷却対象物を冷却する。

ヒートパイプを利用した電力変換装置では、発熱する半導体素子が実装された回路基板を半導体素子が下を向くように水平に配置し、上を向いた回路基板の裏側にヒートパイプを接触させるようにしている。（例えば、特許文献１を参照）
また、内部に冷却液を流す流路を有する半導体素子が取り付けられる受熱板と、受熱板からの冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、受熱板と熱交換器との間で冷却液を循環させるポンプと、熱交換器に対して冷却風を送風する送風手段とを備え、受熱板、熱交換器、ポンプ及び送風手段の複数の組を車体の長手方向に直角に並べて配置する電気車用電力変換装置もある。送風手段と熱交換器はほぼ平行に向かい合っており、熱交換器と受熱板は直交する位置関係にある。（例えば、特許文献２を参照）

特開２００２−１３４６７０号公報。 特開平９−２４６７６７号公報。

ヒートパイプを用いた冷却による電力変換装置では、ヒートパイプを垂直に回路基板を水平に向ける必要があり、ヒートパイプに１０ｃｍ程度以上の高さを要するので、回路基板を重ねて配置することが困難であった。電力変換装置の変換能力に応じて半導体素子の発熱量と半導体素子を搭載するために必要な面積が決まり、面積あたりの発熱量からヒートパイプの高さ及び体積が決まるので、所定の発熱量の回路基板に対して冷却装置にも所定体積が必要であった。

ポンプを用いて冷却液を循環させる冷却方法による電力変換装置では、ポンプと冷却液のリザーブタンクなどの付属設備にスペースが必要であった。また、熱交換器と受熱板が直交し、熱交換器には所定の面積が必要なので、受熱板、熱交換器、ポンプ及び送風手段の組をあまり小さい間隔で配置することができなかった。
本発明は、所定の変換能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものである。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものなので、所定の変換能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を電車に取り付けた状態での図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を構成する半導体素子を搭載した冷却モジュールの斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置で使用する冷却モジュールの構成と冷媒の流れを説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置での配線の接続方法を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を電車から取り外す方法を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を説明する下から見た平面図である。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明する下から見た平面図である。 この発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明する断面図である。

符号の説明

１００：電力変換装置、 １ ：主回路ユニット
１Ａ：筐体（固定部材）、 １Ｂ：開口部
１Ｃ：フィルタ、 ２ ：ブロワ（冷却ファン）
３ ：電装品（電気部品）、 ４ ：ダクト（風洞）
５ ：コンデンサ、 ６ ：冷却モジュール（冷却器）
６Ａ：素子冷却部、 ６Ｂ：熱交換器
６Ｃ：放熱部、 ６Ｄ：受熱管
６Ｅ：配管、 ６Ｆ：仕切り板
６Ｇ：配管、 ６Ｈ：配管
６Ｊ：配管、 ６Ｋ：放熱管
６Ｌ：放熱フィン、 ７ ：半導体素子
８ ：配線基板（接続基板）、 ９ ：ユニット主回路配線基板（接続基板）
１０ ：コンデンサ主回路配線基板（接続基板）、 １０Ａ：接続部
２００：構造部材

実施の形態１．
この発明による実施の形態１によるコンバータとインバータを有する電車用の電力変換装置を、図１〜図７により説明する。図１は、電車に取り付けた状態での実施の形態１に係る電力変換装置を説明する図である。図１(a)に側面図を示し、図１(b)に下から見た平面図を示す。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図２(a)に全体の斜視図を示し、図２(b)に所定個の半導体素子を搭載した１個の冷却モジュールの斜視図を示す。図３には、図１(b)のＸＸ断面における断面図を示す。図４は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を構成する半導体素子を搭載した冷却モジュールの斜視図である。図５は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置で使用する冷却モジュールの構成と冷媒の流れを説明する図である。図６は、電力変換装置の電気回路が構成できるようにする配線の接続方法を説明する斜視図である。図７は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を電車から取り外す方法を説明する図である。

図１(a)に示すように、電車の車体の下側に電力変換装置１００が取り付けられる。図１(b)から分かるように、電力変換装置１００の図における上側の約半分には、電力変換を行う主回路を構成する半導体素子と半導体素子の冷却機構を筐体１Ａに収納した主回路ユニット１が有る。電力変換装置１００の下面のほぼ中央には、主回路ユニット１と接して冷却機構で冷却を行うための風を発生させる冷却ファンであるブロワ２が有る。主回路ユニット１の下側にはブロワ２を囲むように、電装品３を配置している。なお、電装品３とは電力変換装置を構成するために必要な電気部品である。ただし、冷却モジュール６に搭載された半導体素子と、別置されるコンデンサを除く。

図１(a)から分かるように、主回路ユニット１の側面には、筐体１Ａにはブロワ２が外気を吸込む開口部１Ｂ（図１では図示せず）があり、この開口部１Ｂには塵埃などを主回路ユニット１の内部に入れないためのフィルタ１Ｃを取り付けている。図３に示すように、主回路ユニット１には開口部１Ｂからブロワ２へ外気を流すための風洞であるダクト４を設けている。電車の側面にある開口部１Ｂから吸い込まれた外気は、主回路ユニット１を貫通するダクト４を通って主回路を構成する半導体素子を冷却して、ブロワ２により電車の下側に排出される。ブロワ２は、中央にモータを配置し、モータの両側に回転翼を備えた構造とする。回転翼は、モータ側から空気を吸込んで遠心力により外側に空気を吐き出す。

図２(a)は、電車の車体や筐体１Ａや電気的な接続を行う部品などを省略した、電力変換装置１００の斜視図である。主回路ユニット１の内部には、電力変換のためのスイッチング動作を行う半導体素子を搭載した冷却器である冷却モジュール６が所定個（この実施の形態では６個）を横に並べたものが２列に並べられている。主回路ユニット１の上には、インバータの直流電源となるコンデンサ５を配置している。なお、奥側にある列の冷却モジュール６の上にあるコンデンサ５は、図示を省略している。半導体素子７（図２(b)には図示せず）は、片面が冷却モジュール６に密着して搭載され、もう片面には電気的な配線を行う配線基板８が接続する。なお、並べた冷却モジュール６の間隔は、電気的な絶縁ができればどれだけ近づけてもよい。冷却モジュール６の列は、筐体１Ａや適切な部材により構成される固定部材により固定される。

図４において、冷却モジュール６は、所定個（この実施の形態では３個）の半導体素子７を搭載した素子冷却部６Ａと、素子冷却部６Ａから出た冷媒と素子冷却部６Ａに入る冷媒との間で熱交換を行う熱交換器６Ｂと、素子冷却部６Ａで加熱された冷媒から熱を放熱させる放熱部６Ｃとから構成される。素子冷却部６Ａ、熱交換器６Ｂ及び放熱部６Ｃは、ほぼ同一平面上に配置され、素子冷却部６Ａと放熱部６Ｃとが互いに横にあり、素子冷却部６Ａの上側に熱交換器６Ｂが有る。なお、図２(b)では半導体素子７が電気回路を構成できるようにする配線基板８も付けた状態で図示していたが、図４では配線基板８を外した状態で図示している。

図３から分かるように、放熱部６Ｃはダクト４の内部に有り、ダクト４を通る風により冷却される。放熱部６Ｃが２列あるので、主回路ユニット１の内部ではダクト４は２個に分離されている。

１個の冷却モジュール６に搭載する半導体素子は、コンバータやインバータなどの１相や１アームなどの電気回路上で近くに配置されるものとする。そうすることにより、電気回路の抵抗やインダクタンスを低減でき、配線も容易になる。複数の素子を１個のパッケージにまとめたものを冷却モジュール６に搭載してもよい。１個の冷却モジュール６の素子冷却部６Ａと放熱部６Ｃの面積と冷却モジュール６の枚数は、搭載すべき半導体素子７をすべて搭載でき、搭載した半導体素子７の想定する発熱量を放熱部６Ｃから放熱でき、全体の体積ができるだけ小さくなるように決める。なお、開口部に近い方の冷却モジュール６の方が冷却する空気の温度が低く冷却能力が高いので、開口部に近い方の冷却モジュール６での発熱量が大きく、開口部から遠くなるほど発熱量が小さくなるようにしてもよい。

図５により、冷却モジュール６の構成を説明する。素子冷却部６Ａでは破線で示された半導体素子７が搭載される部分に縦に所定の間隔で冷媒が流れる複数の受熱管６Ｄが設けられ、受熱管６Ｄはその下端で１本の配管６Ｅに接続され、上端で熱交換器６Ｂに接続される。
熱交換器６Ｂは、外形が円筒状で、両端から所定の距離にそれぞれ１枚の同じ形状の仕切り板６Ｆが有る。２枚の仕切り板６Ｆには所定個の円形の穴があり、この穴には円形の配管６Ｇが接続されている。２枚の仕切り板６Ｆで挟まれた熱交換器６Ｂの内部は配管６Ｇの内側と外側に区分され、配管６Ｇの内側は仕切り板６Ｆの外側とつながっているので、熱交換器６Ｂの内部は２つに区分されることになる。素子冷却部６Ａからの受熱管６Ｄは、２枚の仕切り板６Ｆで挟まれた部分で配管６Ｇの外側に接続される。図における右側にある仕切り板６Ｆの右側の部分には、素子冷却部６Ａへの配管６Ｅが接続される。左側の仕切り板６Ｆのすぐ右側下部には、放熱部６Ｃの下側に接続される配管６Ｈが接続される。左側にある仕切り板６Ｆの左側の部分には、放熱部６Ｃからの配管６Ｊが接続される。

放熱部６Ｃは、縦に所定の間隔で配置された複数の放熱管６Ｋが有り、放熱管６Ｋは上側で配管６Ｊに接続し、下側で配管６Ｈに接続する。放熱管６Ｋの間には、放熱量を大きくするため放熱フィン６Ｌを設ける。放熱フィン６Ｌの形状は、ダクト４を通る冷却風を通すことができ、放熱フィン６Ｌを通過する際の圧力損失が許容できる範囲内であり、放熱量が大きくなるような形状とする。

図５には、冷媒の流れも示している。素子冷却部６Ａにある受熱管６Ｄでは、半導体素子で発生する熱により冷媒が加熱され沸騰する。沸騰により発生した冷媒蒸気は上方の熱交換器６Ｂの方に移動し、冷媒蒸気の気泡に引きずられて液体の冷媒も熱交換器６Ｂの方に移動する。熱交換器６Ｂに入った冷媒は配管６Ｇの外側に有り、配管６Ｇの内側の冷媒に熱を与えて冷媒蒸気は液体に戻り、温度も下がる。熱交換器６Ｂから出た冷媒は、配管６Ｈを通って放熱部６Ｃに入る。放熱部６Ｃに入った冷媒は、空気に熱を与えて温度がさらに下がる。放熱部６Ｃを出た冷媒は、配管６Ｅを通って熱交換器６Ｂに入る。配管６Ｅから熱交換器６Ｂに入った冷媒は、配管６Ｇの内側を通り外側の冷媒から熱をもらって、温度が上昇する。熱交換器６Ｂから配管６Ｅを通って素子冷却部６Ａに戻る。

素子冷却部６Ａにある受熱管６Ｄで冷媒が沸騰して上方に移動し、移動した冷媒蒸気は冷却されて液体に戻るので、沸騰する箇所から液体に戻る箇所に向けて定常的に冷媒が流れることになり、ポンプを設けなくても冷媒が循環する。このような冷媒の沸騰を利用して冷媒を循環させる機構を、気泡ポンプとも呼ぶ。気泡ポンプを用いることにより、ポンプ及びその付帯設備などが不要になり、冷却モジュールの構造が簡単になり、メンテナンスが容易になる。

省スペースに関しては、気泡ポンプを用いることにより、少なくともポンプなどの分の体積を小さくできる。また、ポンプなどがある場合には、ポンプなどの縦横の大きさを考慮して冷却モジュール６の間の間隔を決める必要があり、冷却モジュール６の間の間隔をあまり小さくできなかったのが、冷却モジュール６間の間隔を冷却モジュール６自体の厚み程度に抑えることが可能になり、所定の発熱量を冷却するために必要な体積をポンプがある場合よりも小さくできる。ヒートパイプを使用する場合には、発熱する半導体素子を搭載する素子冷却部の面積にヒートパイプの高さを掛けた体積がヒートパイプに必要だったのに対して、発熱量に応じた面積の放熱部を確保すればよく、放熱部の厚さに関する制約条件は無いので、素子冷却部及び放熱部の厚さを薄くすれば、冷却のために必要な体積を小さくできる。
電力変換装置の変換能力に応じて発熱量が決まり、同じ発熱量を冷却するために必要な体積を小さくできるので、同じ変換能力の電力変換装置の体積を従来よりも小さくできる。

図６を用いて、電力変換装置の電気回路が構成できるようにする配線の接続方法を説明する。図６は、主回路ユニット１の電装品３と接する側の角付近を角の内側から見た斜視図であり、冷却モジュール６やコンデンサ５などは省略している。半導体素子７と接続する配線基板８が接続するユニット主回路配線基板９はＬ字形に曲げられた長方形の平板である。ユニット主回路配線基板９の上側には、コンデンサ５と接続するほぼ同様な形状のコンデンサ主回路配線基板１０がある。コンデンサ主回路配線基板１０の電装品３に接する側の面の角に近い部分は下側に伸び、この伸びた部分（接続部１０Ａと呼ぶ）でユニット主回路配線基板９と接続する。接続部１０Ａの電装品３側には、接続及び取り外しの作業を行うための空間を設ける。図示はしないが、コンデンサ主回路配線基板１０と電装品３と電気的接続も、同様に行う。このように、電気的接続をおこなう部分を電力変換装置の下面の中央付近に配置したので、隣接して設置される他の機器に影響されること無く、容易に電気的接続などの作業ができる。
配線基板８、ユニット主回路配線基板９及びコンデンサ主回路配線基板１０が、半導体素子７と他の電気部品を接続する接続基板である。コンデンサ５と主回路ユニット１を近くに配置しているので、半導体素子７とコンデンサ５も近くに配置され、電気的接続を簡単に行うことができ、配線基板８、ユニット主回路配線基板９及びコンデンサ主回路配線基板１０などによる配線長を短くでき、抵抗やリアクタンスなどを低減できる。

図７により、電力変換装置を電車から取り外す方法を説明する。図７は、主回路ユニット１を取り外す途中での線路に直角な向きの電車下部の断面図であり、図１(b)のＹＹ断面に対応する。電車の下面の側面に近い部分に、電車の構造部材２００が存在しており、構造部材２００で挟まれた空間にはコンデンサ５と電装品３の上部が配置されている。主回路ユニット１、コンデンサ５及び電装品３との電気的接続を外し、主回路ユニット１を固定している部材を外してから、主回路ユニット１は電車の側面の横方向に引き出して取り外す。主回路ユニット１を取り外した状態から、ブロワ２、コンデンサ５、電装品３を取り外す場合は、下側または横側に取り外す。ブロワ２は、車体の中央にあるので容易に下側に取り外すことができる。電装品３は、そのまま下に取り外したり、固定を解除した後にブロワ２があった位置に移動させてから下に取り外したり、電車の側面側に取り外したりする。電車に取り付ける際には、取り外すのとは逆の順番に取り付ける。このように、この電力変換装置の主回路ユニットは、専用の機材が無くても容易に横から取り付け取り外しができるものである。下または横から取り付け取り外すブロワや電装品は、単体ではそれほど大きなものではなく、容易に下または横から取り付け取り外しができる。メンテナンスなどの操作をすることが多い電装品を電車の車体の側面に配置したので、電力変換装置に隣接して配置される機器に影響されることなく、電装品に対して保守点検などの作業ができるという効果も有る。

コンデンサと主回路ユニットを分離可能とし、コンデンサを主回路ユニットの上部に配置したので、コンデンサと主回路を近接に配置した上で、障害物などが有り横方向に引き出し可能な高さに制約が有る場合でも、主回路ユニットの高さをこの制約を満足するようにして、主回路ユニットを横に引き出すことが可能になる。コンデンサと主回路を近接に配置したので、主回路のインダクタンスや抵抗を低減でき、共振電流とそれに伴うロスを低減できる。コンデンサを主回路ユニットの上側に配置することにより、全体的な空間利用効率が改善でき、コンデンサを主回路ユニットの横などに置く場合と比較して２割程度の体積の削減が可能となる。

２列の放熱部が互いに近接するように配置したので、２列に対してブロワが１個でよく、部品点数を削減でき、コストを低く信頼性を高くすることができる。放熱部が１列だけの場合でも、放熱部を重ねているので、複数の放熱部に対して１個のブロワでよいというメリットがある。
冷却モジュールを２列に配置したが、１列や３列以上でもよい。２列の冷却モジュールの放熱部を隣接させて、１個のブロワで２列の冷却モジュールを冷却するようにしたが、冷却モジュールの列ごとや、所定個の冷却モジュールごとなどにブロワを設けるようにしてもよい。

冷却モジュールの素子冷却部と放熱部をほぼ同一平面上で横に配置したが、素子冷却部と放熱部の間に所定の角度を持たせたり、素子冷却部と放熱部をほぼ平行だが異なる平面上に配置したり、素子冷却部と放熱部を上下や斜め横に配置したりしてもよい。
コンデンサを主回路ユニットの上に配置したが、主回路ユニットの横などに配置してもよい。主回路ユニットを横に引き出し可能としたが、操作性は悪化するが、下側から取り付け取り外すようにしてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、コンデンサを主回路ユニットの横に配置するように実施の形態１を変更した場合である。図８は、実施の形態２に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。コンデンサ５を主回路ユニット１の横でプロワ２の両側に配置している。ブロワ２及びコンデンサ５の図における奥側に電装品３を配置している。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクト（所定の発熱量を冷却するために必要な冷却器の体積を低減できること）にできるという効果がある。その他の効果も、実施の形態１の場合と同様である。ただし、冷却モジュール６の高さを実施の形態１と同じにすると、電力変換装置全体の面積はコンデンサの分だけ大きくなり、全体の体積も大きくなる。

実施の形態３．
この実施の形態３は、主回路のインダクタンスを低減できるように主回路ユニットの内部構成およびブロワの配置を実施の形態１から変更した場合である。図９は、実施の形態３に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。２列の冷却モジュール６は、ユニット主回路配線基板９が互いに隣接するように配置され、並べた放熱部６Ｃの図における奥側にそれぞれ１個のブロワ２を配置している。図は示さないが、主回路ユニット１の角部で行っていた、ユニット主回路配線基板９とコンデンサ主回路配線基板１０との接続は、主回路ユニット１の電装品３側の側面中央部で行う。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクトにできるという効果がある。さらに、２個のユニット主回路配線基板１０が近くなるので、主回路のインダクタンスや抵抗を実施の形態１の場合よりも低減でき、共振電流を抑えて損失を低減できるという効果もある。

実施の形態４．
この実施の形態４は、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備え、冷却モジュールのモジュール性をさらに高くするように実施の形態１を変更した場合である。図１０は、実施の形態４に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図１１は、主回路ユニット１を下から見た平面図である。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。ブロワ２を冷却モジュール１の下側に配置するので、斜視図ではブロワ２が見えなくなる。図１１の下から見た平面図から分かるように、２個の冷却モジュール１ごとに２個のブロワ２が配置される。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクトにできるという効果がある。さらに、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備えるので、ブロワと所定個の冷却モジュールの組によるモジュール性がより高くなるという効果もある。

実施の形態５．
この実施の形態５は、電車の両側の側面から外気を取り込むように実施の形態４を変更した場合である。図１２は、実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図１３は、主回路ユニット１を下から見た平面図である。図１４は、主回路ユニット１の内部での風の流れを説明するための断面図である。
実施の形態４の場合での図１０及び図１１と異なる点だけを説明する。冷却モジュール６の放熱部６Ｃが電車の側面側にくるように、主回路ユニット１を電車の進行方向に直交して配置している。ブロワ２は、電車の両側の側面から外気を吸込んで、電力変換装置の下側に排出する。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクトにできるという効果がある。さらに、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備えるので、ブロワと所定個の冷却モジュールの組によるモジュール性がより高くなるという効果もある。さらに、電車の両側面から外気を取り込めるので、より大量の外気を取り込めて、冷却能率を向上できるという効果もある。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記素子冷却部に入る冷媒と前記素子冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記素子冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものである。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記素子冷却部に入る冷媒と前記素子冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記素子冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものなので、所定の変換能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

この発明に係る電車用の電力変換装置は、電車の車体の下側に取り付けられる電車用の電力変換装置であって、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記素子冷却部に入る冷媒と前記素子冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記素子冷却部前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記素子冷却部の上端で前記複数の受熱管の夫々を前記熱交換器に接続することにより、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備え、前記冷却ファンは、外気を電車の側面から吸込み、電車の下側に排出することを特徴とするものである。

この発明に係る電車用の電力変換装置は、電車の車体の下側に取り付けられる電車用の電力変換装置であって、電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記素子冷却部に入る冷媒と前記素子冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記素子冷却部前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記素子冷却部の上端で前記複数の受熱管の夫々を前記熱交換器に接続することにより、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備え、前記冷却ファンは、外気を電車の側面から吸込み、電車の下側に排出することを特徴とするものなので、所定の変換能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

Claims (11)

1. 電力変換のためのスイッチングを行う半導体素子と、
   該半導体素子を冷媒により冷却する素子冷却部、該素子冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記素子冷却部で冷媒を沸騰させることにより冷媒を前記放熱部と前記素子冷却部との間で循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却器と、
   前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えた電力変換装置。
2. 重ねられた前記放熱部の列が隣接するように前記冷却器および前記半導体素子を複数の列に並べることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 所定個の前記冷却器ごとに前記冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記半導体素子を搭載した複数の前記冷却器を固定する固定部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記冷却ファンで発生する風を通す風洞を設け、この風洞内に前記放熱部を配置することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 直流電力を保存するコンデンサを備え、該コンデンサと前記固定部材により固定された複数の前記冷却器を上下に重ねて配置することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
7. 前記固定部材により固定された複数の前記冷却器を電車の車体の外側下面に横方向から取り付けることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
8. 前記半導体素子と他の電気部品を接続する接続基板を備え、前記接続基板が互いに近くになるように前記冷却器を複数の列に並べることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
9. 直流電力を保存するコンデンサと、前記半導体素子と他の電気部品を接続する接続基板を備え、前記半導体素子と前記コンデンサとを近くに配置することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
10. 前記半導体素子と他の電気部品を接続する接続基板を備え、前記接続基板を接続する部分を装置中央に設けることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
11. 前記冷却ファンを装置中央に配置し、装置側面に電気部品を配置した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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