JPWO2014155541A1

JPWO2014155541A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2014155541A1
Application number: JP2015507751A
Authority: JP
Inventors: 宏和高林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2033-03-26
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Abstract

電力変換装置は、電力を変換するために動作して発熱する電気回路素子１１１と、電気回路素子１１１を冷却するための冷却ユニット１０５とを備える。冷却ユニット１０５は、電気回路素子１１１から伝導された熱を取込口１１９から排出口１２２へ流れる空気により冷却する。また、冷却ユニット１０５は、取込口１１９および取込口１１９の周囲の部材である枠体１２０の少なくとも一部に電気回路素子１１１が発する熱を運ぶ。

Description

本発明は、電力変換装置および電気回路素子の冷却装置に関する。

電車（電気鉄道車両）に搭載される電力変換装置は、架線から供給される電力を変換し、変換した電力を誘導電動機などの負荷へ供給するインバータ回路を備える。インバータ回路から誘導電動機へ供給される電力によって、電車は走行する。

インバータ回路を構成する電気回路素子は、電車の走行時にスイッチング動作を繰り返すため、電気回路素子には熱が発生する。引用文献１に記載の電力変換装置は、電気回路素子の過熱による損傷を防ぐために冷却ユニットを備える。冷却ユニットは、取込口（入風口）と排気口（排風口）との間の冷却風洞に配設され、冷却風洞では取込口から排気口へ向かう通風方向へ電動送風機により空気が強制的に送られる。冷却風洞で流動する空気へ電気回路素子から熱を放出することで、冷却ユニットは電気回路素子を冷却する。

冷却効率を向上させるため、取込口は一般的に外気を取り入れやすい場所、例えば電車の屋根の上、電車の床下から突き出した場所など外気に曝される場所に配置される。そのため、屋根の上、電車の床下で雪が吹きかかる部分などに雪が降り積もると、その雪が塊となって取込口を塞ぐことがある。取込口が塞がれると、冷却風洞に外気を取り込めなくなるので、電気回路素子が冷却されず、やがて電気回路素子が過熱して損傷するおそれがある。

特許文献１に記載の電力変換装置では、取込口が雪で塞がれた場合に電動送風機を逆回転させて、通風方向とは逆向きに冷却風洞の空気を流す。これにより、取込口へ暖気を送って、取込口を塞ぐ雪を融解する。

特開２００４−８８８４５号公報

しかしながら、取込口が雪で塞がれたままで電車を走行させると、電気回路素子が過熱して損傷するおそれがあるので、引用文献１に記載の電力変換装置では、取込口の雪を融解させる間、電車を停止させる必要がある。その結果、電車の運行に遅れが生じてしまうことがある。そのため、電車の運行中に取込口が雪で塞がれないこと、または、屋外で長時間停車した場合などに取込口が雪で塞がれても、それを早く融解して運行できることが求められている。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能な電力変換装置および電気回路素子の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、
電力を変換するために動作して発熱する電気回路素子と、
電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置とを備える。

本発明によれば、電気回路素子が動作する間は、それが発する熱を利用して、電気回路素子を冷却する空気の取込口の周囲の部材に付着する雪を融解することができる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置が搭載される電車の概要を示す図であって、車両の側面から見た図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置が搭載される電車の概要を示す図であって、車両を前から見た図である。図２は、電車に備えられる主回路の回路構成の概要を示す図である。図３は、実施の形態１に係る冷却ユニットを側方から見た断面図である。図４は、実施の形態１に係る冷却ユニットのＩ−Ｉ線における断面図である。図５は、実施の形態１に係る冷却ユニットの平面図である。図６は、実施の形態１に係る発熱モードでの制御処理の流れを示すフローチャートである。図７は、取込口加熱部の配置の一変形例を示す平面図である。図８は、本発明の実施の形態２に係る冷却ユニットを側方から見た断面図である。図９は、本発明の実施の形態３に係る冷却ユニットを側方から見た断面図である。図１０は、実施の形態３に係る冷却ユニットの平面図である。図１１は、実施の形態３に係る冷却ユニットのII−II線における断面図である。図１２は、本発明の実施の形態４に係る冷却ユニットを側方から見た断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。全図を通じて同一の要素には同一の符号を付す。実施の形態の説明では、上下前後左右の方向を用いるが、これは説明のためであって、本発明を限定する趣旨ではない。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１００は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、例えば電車１０１の床下に設けられる装置であって、架線１０２から供給される電力を変換し、その変換した電力を誘導電動機１０３を駆動するために出力する。図１Ａが車両の側面から見た図であり、図１Ｂは車両を前から見た図である。

電力変換装置１００は、同図に示すように、電気回路部１０４と、冷却装置としての冷却ユニット１０５と、制御部１０６とを備える。なお、同図では、分かり易くするため、電車１０１に比較して電力変換装置１００を大きく示している。

電気回路部１０４は、集電器１０７を介して取り入れた直流の電力を変換するためのインバータ回路１０９ａなどが筺体に収納されている。インバータ回路１０９ａおよび他の種類の回路を特に区別しない場合、これらを電気回路１０９とも称する。なお、電気回路１０９は、インバータ回路１０９ａに限らず、発熱する電気回路素子を含むものであれば、他の機能を有する電気回路であってもよい。

図２に、電車１０１が備える主回路の回路構成の概要を示す。インバータ回路１０９ａは、運転士の指示に応じた速度で電車１０１を走行させるための電力を出力する電気回路である。インバータ回路１０９ａは、集電器１０７を介して入力される直流の電力を、運転士の指示を受けた制御部１０６の制御の下で三相交流の電力に変換し、変換した電力を誘導電動機１０３へ出力する。

インバータ回路１０９ａは、同図に示すように、スイッチング素子１１１ａ、ダイオード素子１１１ｂなどを有する。スイッチング素子１１１ａとダイオード素子１１１ｂとを特に区別しない場合、これらを電気回路素子１１１とも称する。インバータ回路１０９ａの電気回路素子１１１は、例えば珪素によって形成される素子であって、運行中にインバータ回路１０９ａが動作するとき発熱する。

冷却ユニット１０５は、電気回路部１０４の電気回路素子１１１を冷却するための冷却装置であって、例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように電気回路部１０４に隣接して設けられ、電車１０１の床下に、図１Ｂに示すように、車両の側面から出るように設置される。なお、車体の下面との間に空間を持たせ、車体の側面から出ないあるいは出る量が小さくなるように冷却ユニットを設置してもよい。冷却ユニット１０５を車両の側面から出るように設置しているので、冷却空気をよく取り込むことができるが、降雪時には冷却ユニット１０５に雪が吹きかかることになる。車体の下面との間に空間を持たせ、車体の側面から出ないあるいは出る量が小さくなるように冷却ユニットを設置した場合も、降雪時には冷却ユニット１０５に雪が吹きかかることになる。

冷却ユニット１０５は、その縦断面を図３に示すように、空気取込部１１３と、流路部１１４と、送風機１１６と、冷却部材１１７と、取込口加熱部１１８ａとを備える。なお、図３は、前後方向および上下方向に平行な面における冷却ユニット１０５の断面を左方から見た図である。

空気取込部１１３は、外部の空気を取り込むための取込口１１９を形成する部位である。空気取込部１１３は、上方から見て矩形をなす取込口１１９が設けられた矩形の枠体１２０と、取込口１１９を覆うフィルタ１２１とを有する。枠体１２０は、アルミニウムや銅などの熱伝導性がよい材料で作られている。フィルタ１２１は、枠体１２０に取り付けられた金網などであって、枯葉などが冷却ユニット１０５の内部へ入ることを防ぐ。枠体１２０が、取込口の周囲の部材である。

流路部１１４は、上下が開放した中空の角柱状の部材であって、上方の端面には空気取込部１１３が固定される。流路部１１４は、外部へ空気を排出するための排出口１２２を下端に有し、取込口１１９から取り込まれた空気が排出口１２２へ流す流路１２３を内部に形成する。空気取込部１１３と流路部１１４とは、一体に形成してもよい。

流路部１１４の一側面には、電気回路素子１１１を搭載した素子搭載部１２４が嵌合される貫通穴が設けられている。素子搭載部１２４は、熱伝導性がよい金属板である。流路部１１４と電気回路部１０４とは、素子搭載部１２４を貫通穴に嵌合させた状態でボルトとナットなどで互いに固定される。

送風機１１６は、羽根が所定の方向へ回転することによって取込口１１９から排出口１２２へ強制的に空気を流通させる機器であって、空気取込部１１３に内蔵される。送風機１１６は、例えば電動モータにより回転するファンである。

冷却部材１１７は、電気回路素子１１１が発する熱を伝導し、伝導した熱を流路１２３を流れる空気へ放出する部材であって、熱伝導部であるヒートパイプ１２５と、放熱部であるフィン１２６とから構成される。

ヒートパイプ１２５は、図３および図３に示したＩ−Ｉ線における断面図である図４に示すように、内部に冷媒を封入した密閉したパイプである。ヒートパイプ１２５の基端部は、素子搭載部１２４との間で熱が伝導するように接触して素子搭載部１２４の内面に固定される。ヒートパイプ１２５は、流路部１１４の内部にて、基端部からやや上方を向きながら前方へ延びる。

なお、熱伝導部には、ヒートパイプ１２５に代えて熱伝導性がよい金属製の棒材、例えば銅、アルミニウム製の棒材が採用されてもよいが、ヒートパイプ１２５を採用することによって、その基端部から先端部へ効率的に熱を伝導することができる。

フィン１２６は、図３および図４に示すように、熱伝導性の材料、例えば銅、アルミニウムなどの金属で作られる平板である。フィン１２６は、流路部１１４の内部にて前後方向に複数並べて設けられており、各々が、左右方向および上下方向に平行に配置される。したがって、各フィン１２６の間が流路１２３となる。

各フィン１２６は、ヒートパイプ１２５が挿設される複数の穴が設けられている。フィン１２６の穴を形成する周面とヒートパイプ１２５の外面とは密着しており、ヒートパイプ１２５とフィン１２６との間で熱が伝導する。

取込口加熱部１１８ａは、電気回路素子１１１が発する熱を空気取込部１１３へ伝導する部材であって、例えば熱伝導性のよい材料で作られた細長い柱状の部材、冷媒を封入したヒートパイプなどで構成される。ここで、取込口加熱部１１８ａにヒートパイプを用いることによって、電気回路素子１１１が発する熱を空気取込部１１３へ効率的に伝導することができる。

取込口加熱部１１８ａの基端部は、図３に示すように、取込口１１９に近い、すなわち最も上方の素子搭載部１２４との間で熱が伝導するように接触して、その素子搭載部１２４の一面に固定される。取込口加熱部１１８ａが固定される面と反対側の素子搭載部１２４の面には、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａが搭載される。

また、取込口加熱部１１８ａが固定される素子搭載部１２４には、同図に示すように、温度計１２７が取り付けられる。温度計１２７は、スイッチング素子１１１ａの温度を測定して温度データを制御部１０６へ出力する。

冷却ユニット１０５の平面図である図５に示すように、２個の取込口加熱部１１８ａは、上方から見てそれぞれが取込口１１９の概ね半周を囲み、２個で概ね全周を囲むように、空気取込部１１３の枠体１２０との間で熱が伝導するように接触して設けられる。

図１Ａおよび図１Ｂを参照する。制御部１０６は、電気回路１０９の動作を制御し、例えば電気回路、プロセッサなどの１つまたは複数の組み合わせで構成される。制御部１０６は、例えば電車１０１の床下の電気回路部１０４の内部あるいは近くに設けられてもよい。

制御部１０６は、電気回路１０９の動作を制御する方法に、運行モードと発熱モードとの２つの制御モードを有する。これらの制御モードは、例えば運転士の指示に従って切り替えられる。

運行モードは、通常の運行をする場合の制御モードである。運行モードでは、制御部１０６は、運転士の指示に応じてインバータ回路１０９ａの動作を制御する。例えば、誘導電動機１０３へ電力が供給されると、電車１０１は加速または等速で走行し、誘導電動機１０３への電力の供給が減少すると、電車１０１は減速する。

発熱モードは、本発明に係る制御部１０６に特徴的な制御モードであって、電車１０１を停止させたままで所定の電気回路素子１１１を発熱させる。例えば、発熱モードで動作する場合に制御部１０６は、インバータ回路１０９aの電動機側の開閉器（図示せず）を切りにした状態で、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａを動作させる。インバータ回路１０９ａが誘導電動機１０３へ電力を供給することなく動作するので、電車１０１が停止したままスイッチング素子１１１ａが発熱する。

以上、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置１００の構成について説明した。ここから、実施の形態１に係る電力変換装置１００の動作について説明する。

（運行モードでの動作）
通常の運行をする場合、制御部１０６は、上述の運行モードで電気回路１０９を制御する。すなわち、制御部１０６は、運転士の指示に応じてインバータ回路１０９ａの動作を制御する。これによって、電車１０１は、運転士の指示に応じて、加速し、一定速度で走行し、減速し、または停車する。

運行中は、インバータ回路１０９ａの電気回路素子１１１が動作して発熱する。電気回路素子１１１が発する熱は、素子搭載部１２４を介して冷却部材１１７、すなわちヒートパイプ１２５およびフィン１２６へ伝導し、流路１２３を流れる空気へ放出される。運行中に、空気は、外部から取込口１１９を介して取り込まれて、流路１２３を通り、排出口１２２を介して外部へ排出される。そのため、ヒートパイプ１２５およびフィン１２６から放出された熱は、空気を媒体として外部へ排出される。これにより、電気回路素子１１１を冷却することができ、電気回路素子１１１の過熱による損傷を防ぐことが可能になる。

冷却ユニット１０５は、上述のように、取込口１１９の上方には空間がある。そのため、他の部材で阻害されることなく外部の空気を効率的に取込口１１９から取り込むことができる。したがって、冷却能力を十分に発揮させることが可能になる。

さらに、運行中は通常、送風機１１６を動作させるとよい。これによって、流路１２３を流れる空気の量を増すことができるので、冷却能力を向上させることが可能になる。

電気回路素子１１１が発する熱は、素子搭載部１２４を介して冷却部材１１７へ伝導するだけでなく、取込口加熱部１１８ａを介して空気取込部１１３へも伝導する。降雪時に運行する場合、取込口加熱部１１８ａが設けられていないときには、フィルタ１２１に雪が付着し、やがて塊となって取込口１１９を塞ぐことがある。しかし、電車の運行中も電気回路素子１１１から発せられる熱が空気取込部１１３へ伝導されることで、空気取込部１１３に付着した雪が塊となる前に融解することができる。すなわち、電車１０１を停止させなくても、空気取込部１１３に付着した雪を早く融解することができるので、取込口１１９が雪で塞がれることを防止できる。したがって、雪による電車１０１の運行への影響を低減させることが可能になる。

（発熱モードでの動作）
例えば雪が降る屋外で電車１０１を長時間停車させたために取込口１１９が雪で塞がれた場合、制御部１０６は、運転士の操作などに基づく発熱モードでの制御指示を受けている間に、上述の発熱モードで電気回路１０９を制御する。図６は、制御部１０６が実行する発熱モードでの制御処理の流れを示す。

同図に示すように、制御部１０６は、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａをスイッチング動作させる（ステップＳ１０１）。これによって、電車１０１を停止させたまま、スイッチング素子１１１ａを発熱させることができる。

インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａが発する熱は、取込口加熱部１１８ａを介して空気取込部１１３へ伝導する。これにより空気取込部１１３は加熱されるので、その熱で空気取込部１１３に付着した雪を融解することができる。

同時に、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａが発する熱は、素子搭載部１２４を介して、ヒートパイプ１２５およびフィン１２６へ伝導して、流路１２３を流れる空気へ放出される。取込口１１９が雪で塞がれているので、外部から流路１２３へ取り込まれる空気は、ほとんどない。そのため、流路１２３に放出された熱は、自然対流によって取込口１１９の方へ伝わり、その熱によっても空気取込部１１３に付着した雪を融解することができる。

このように、発熱モードでは、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａが発する熱を利用して、取込口１１９を塞ぐ雪を早く融解することができる。これによって、取込口１１９が雪で塞がれた場合に電車１０１を運行するための準備の時間と労力を軽減し、雪による電車１０１の運行への影響を低減させることが可能になる。なお、電車１０１の運行が可能な程度に空気取込部１１３に付着した雪が融けたことは、例えば駅員、車掌、あるいは運転士が目視により確認するとよい。

発熱モードで制御する場合、制御部１０６は、温度計１２７から出力される温度データを取得する。温度データが第１の閾値Ｔ１未満を示すとき（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、制御部１０６は、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの動作を継続させる。温度データが第１の閾値Ｔ１以上を示すとき（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、制御部１０６は、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの動作を停止させる（ステップＳ１０３）。

温度データが第２の閾値Ｔ２（＜Ｔ１）以上であるとき（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、制御部１０６は、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの動作を停止させたまま待機する。インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの温度が低下し、温度データが第２の閾値Ｔ２（＜Ｔ１）未満になると（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、制御部１０６は、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの動作を再開させる（ステップＳ１０１）。

このように、インバータ回路１０９ａのスイッチング素子１１１ａの温度がＴ１以上とならない決められた範囲内になるように、制御部１０６が発熱モードでの動作を制御することによって、スイッチング素子１１１ａが過熱により損傷することを防ぐことが可能になる。

以上、本発明の実施の形態１について説明したが、実施の形態１はこれに限られない。

例えば、電力変換装置１００は、電車１０１に限らず、その他の電気車、電気自動車、屋外にて使用される装置などに設けられてもよい。負荷は、誘導電動機１０３に限らず、電灯、空気調和機などであってもよい。

例えば、電力変換装置は、電車の屋根の上に設けられてもよい。この場合、空気取込部に付着した雪だけでなく、屋根に積もった雪が取込口を塞ぐ、または取込口からの空気の取り込みを阻害する可能性がある。本実施の形態によれば、取込口加熱部が、取込口が形成された空気取込部へ電気回路素子により発される熱を伝導する。これにより、空気取込部に付着した雪だけでなく、その近傍の雪も融解することができる。したがって、運行中に電車を停止させなくても、空気取込部に付着した雪およびその近傍の雪を早く融解させることができ、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

電力変換装置は、電車の屋根の上に設けられる場合には、排出口の周囲の部材に付着した雪、または屋根に積もった雪が排出口を塞ぐ、または排出口１２２からの空気の排出を阻害する可能性がある。そのため、排出口の周囲の部材に電気回路素子が発する熱を伝える機構を備えるようにしてもよい。

例えば、取込口加熱部は、取込口、枠体およびフィルタを含む空気取込部および取込口の少なくとも一部へ、電気回路素子が発する熱を運べばよい。これによって、電気回路素子から発せられる熱を利用して、取込口が雪で塞がれることを防止できるので、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。なお、取込口へ熱を運ぶとは、取込口の空気が入る部分の空間へ熱を運ぶことを意味する。

冷却ユニットは、被冷却体である電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に被冷却体からの熱を運ぶ冷却装置である。

被冷却体は、電気回路素子以外のものでもよい。屋外にあり、取込口に雪がふりかかるような場合でも、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に被冷却体からの熱を運ぶので、取込口が雪で塞がれることがなく、取込口から空気を取込み、被冷却体を冷却することができる。

取込口加熱部は、望ましくは空気取込部および取込口の全体へ、電気回路素子が発する熱を伝導する。そのために、上方から見た場合に、取込口の周囲だけでなく、取込口の空気が入る空間の部分の空間にも、取込口加熱部を配設してもよい。例えば、図７に示すように、流路部１１４の最も上方に設けられる３個の素子搭載部１２４のすべてから、概ねＵ字状に形成された取込口加熱部１１８ｂが配設される例を示す。両側の取込口加熱部１１８ｂは、Ｕ字の縦の1辺および底部が枠体１２０に沿い、Ｕ字の縦のもう１辺が取込口１１９の端から３分の１程度の箇所を通る。中央の取込口加熱部１１８ｂは、両側の取込口加熱部１１８ｂの間でＵ字の縦の辺が並行しＵ字の底部が枠体１２０に沿うように設けられる。なお、取込口加熱部を枠体１２０に沿わせないで、取込口の空気が入る空間の部分の空間にだけ設けるようにしてもよい。

これにより、空気取込部および取込口の全体に熱を伝導することができるので、空気取込部および取込口の全体の雪をより早く融解することができる。したがって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

取込口加熱部は、取込口のフィルタの近くに設けられることが望ましい。これにより、フィルタへより多くの熱を伝えることができるので、空気取込部に付着した雪をより早く融解することができる。したがって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

例えば、電気回路素子の一部または全部は、例えば炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体によって形成されたワイドギャップ半導体素子であってもよい。

珪素で形成された素子の耐熱温度は１７０度程度であるが、ワイドギャップ半導体素子は２５０度程度の高温での動作が可能であるため、空気取込部をより高温で維持することができ、空気取込部に付着する雪をより早く融解することができる。そのため、空気取込部への雪の付着を確実に防いで、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

また、ワイドギャップ半導体素子は耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電気回路素子の小型化が可能である。そのため、ワイドギャップ半導体素子を採用することによって、インバータ回路などを有する電気回路部の小型化が可能になる。

さらに、ワイドギャップ半導体素子は電力損失が低いため、電気回路素子の高効率化が可能であり、ひいては電気回路の高効率化が可能になる。
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．
本発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１と同様の電力変換ユニット１０４および制御部１０６と、冷却ユニット２０５とを備える。冷却ユニット２０５は、その断面を図８に示すように、空気取込部２１３と、流路部２１４と、排出部２１５と、送風機２１６と、冷却部材１１７と、取込口加熱部１１８ａとを備える。なお、図８は、前後方向および上下方向に平行な面における冷却ユニット２０５の断面を左方から見た図である。

空気取込部２１３は、実施の形態１に係る空気取込部１１３と同様に、外部の空気を取り込むための取込口２１９を形成する部位であって、上方から見て矩形の取込口２１９を形成する矩形の枠体２２０と、取込口２１９を覆うフィルタ２２１とを有する。空気取込部２１３には、実施の形態１に係る空気取込部１１３とは異なり、送風機１１６が設けられていない。

流路部２１４は、実施の形態１に係る流路部１１４と概ね同様の構成を備える。

排出部２１５は、外部へ空気を排出するための排出口２２２を形成する部位であって、流路部２１４の下端に設けられる。排出部２１５は、同図に示すように、前後に配置された２つの矩形の枠体２２８から形成され、それぞれの枠体２２８に矩形の排出口２２２が形成される。

送風機２１６は、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に、羽根が所定の方向へ回転することによって取込口２１９から排出口２２２を介して外部へ強制的に空気を流通させる機器である。送風機２１６は、実施の形態１に係る送風機１１６とは異なり、排出部２１５に内蔵される。このような送風機２１６によっても、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に運行中に動作させることによって、流路１２３を流れる空気の量を増すことができるので、冷却能力を向上させることが可能になる。

本実施の形態に係る冷却ユニット２０５も、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の運行モードと発熱モードとで動作する。

このような本実施の形態に係る冷却ユニット２０５によっても、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の効果を奏する。例えば、取込口加熱部１１８ａが電気回路素子１１１により発される熱を伝導することにより、運行中に電車を停止させなくても、空気取込部２１３に付着した雪を融解させることができる。したがって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

また、冷却部材１１７が、電気回路素子１１１により発される熱を伝導して流路１２３を流れる空気へ放出することにより、電気回路素子１１１を冷却して、電気回路素子１１１の過熱による損傷を防ぐことが可能になる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る電力変換装置は、実施の形態１と同様の電力変換ユニット１０４および制御部１０６と、冷却ユニット３０５とを備える。冷却ユニット３０５は、その断面を図９に示すように、空気取込部３１３と、ヒートシンク３２９と、送風機３１６とを備える。なお、図９は、前後方向および上下方向に平行な面における冷却ユニット３０５の断面を左方から見た図である。

空気取込部３１３は、実施の形態１に係る空気取込部１１３と同様に、外部の空気を取り込むための取込口３１９を形成する部位である。空気取込部３１３は、冷却ユニット３０５の平面図である図１０に示すように、枠体３３０と、３個の送風機３１６ごとに設けられた３個のフィルタ３２１とを有する。枠体３３０は、熱伝導性がよい材料で作られており、上方から見た場合、外形が矩形をなし、上下方向に貫通する矩形の取込口３１９を形成する。フィルタ３２１は、取込口３１９を覆う金網などである。

ヒートシンク３２９は、電気回路素子１１１が発する熱を伝導して流路３２３を流れる空気へ放出させるとともに、電気回路素子１１１が発する熱を空気取込部３１３へ伝導させる。ヒートシンク３２９は、外形を形成する筒状体３３１と、筒状体３３１の内部に設けられるフィン３２６とを備える。

筒状体３３１は中空の直方体をなす。筒状体３３１は、熱伝導性がよい材料で作られており、上面が空気取込部３１３の下面に接して設けられる。筒状体３３１は、電気回路素子１１１が発する熱を空気取込部３１３へ伝導させる。

筒状体３３１は、その一側面に電気回路素子が搭載される素子搭載部３２４を有する。

筒状体３３１の下端は開いており、その開口部が外部へ空気を排出するための排出口３２２となる。

フィン３２６は、熱伝導性の材料で作られた上下方向に平行な平板群により形成され、図９および図９に示すII−II線における断面図である図１１に示すように、上下方向に貫通する断面が矩形の流路３２３を形成する。詳細には、フィン３２６は、左右方向に平行であって前後に並ぶ同一の大きさの平板群と、前後方向に平行であって左右に並ぶ同一の大きさの平板群とを含み、これらの平板群を流路に垂直な方向の断面が格子状になるように組み合わせて構成される。このようなフィン３２６は、切れ込みなどを施した平板を組み合わせることで、比較的容易に製造することができる。

なお、鋳物や押出加工などにより、フィン３２６と筒状体３３１とを一体に形成してもよい。フィンは、正六角形の流路を形成するハニカム構造などのように、流路を形成し流路を流れる空気に放熱できるものであれば、どのような形状でもよい。

フィン３２６は、図９および図１１に示すように、筒状体３３１の内壁に接して設けられる。これによって、電気回路素子１１１が発する熱を伝導して流路３２３を流れる空気へ放出させる。また、フィン３２６は、上端から取込口３１９付近の空気へ放熱することによって、フィルタ３２１を加熱する。

送風機３１６は、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に、羽根を所定の方向へ回転することによって取込口３１９から排出口３２２を介して外部へ強制的に空気を流通させる機器である。送風機３１６は、空気取込部３１３の枠体３３０内に３個並べて設けられる。このような送風機３１６によっても、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に運行中に動作させることによって、流路３２３を流れる空気の量を増すことができるので、冷却能力を向上させることが可能になる。

本実施の形態に係る冷却ユニット３０５も、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の運行モードと発熱モードとで動作する。

このような本実施の形態に係る冷却ユニット３０５によっても、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の効果を奏する。例えば、ヒートシンク３２９が電気回路素子１１１により発される熱を伝導することにより、運行中に電車１０１を停止させなくても、空気取込部３１３に付着した雪を早く融解させることができる。したがって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

ヒートシンク３２９が、電気回路素子１１１により発される熱を伝導して流路３２３を流れる空気へ放出することにより、電気回路素子１１１を冷却して、電気回路素子１１１の過熱による損傷を防ぐことが可能になる。

本実施の形態によれば、ヒートパイプを用いずにヒートシンクを介して熱を伝えるため、ヒートパイプを用いるよりもコストを低減させることが可能になる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る電力変換装置は、実施の形態１と同様の電力変換ユニット１０４および制御部１０６と、冷却ユニット４０５とを備える。冷却ユニット４０５は、その断面を図１２に示すように、空気取込部４１３と、排出部４１５と、ヒートシンク４２９と、送風機４１６とを備える。なお、図１２は、前後方向および上下方向に平行な面における冷却ユニット４０５の断面を左方から見た図である。

空気取込部４１３は、外部の空気を取り込むための取込口４１９を形成する部位であって、枠体４３２と、フィルタ４２１とを有する。枠体４３２は、熱伝導性の材料で作られており、上方から見た場合、外形が矩形をなし、上下方向に貫通する矩形の取込口４１９を形成する。フィルタ４２１は、取込口４１９を覆う金網などである。

空気取込部４１３には、実施の形態３に係る空気取込部３１３と異なり、送風機が設けられていない。

排出部４１５は、実施の形態２に係る排出部２１５と同様に、外部へ空気を排出するための排出口４２２を形成する部位である。排出部４１５は、矩形の排出口４２２を形成する枠体４３３を有する。枠体４３３は、上方から見た場合、外形が矩形をなす。

ヒートシンク４２９は、実施の形態３に係るヒートシンク３２９と概ね同様の構成を備えており、電気回路素子１１１が発する熱を伝導して流路３２３を流れる空気へ放出させるとともに、電気回路素子１１１が発する熱を空気取込部４１３へ伝導させる。ヒートシンク４２９は、上面が空気取込部４１３の下面に接して設けられ、さらに下面が排出部４１５の上面に接して設けられる。ヒートシンク４２９のフィン４２６の上端がフィルタ４２１と接するようにする。

送風機４１６は、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に、羽根を所定の方向へ回転することによって取込口４１９から排出口４２２を介して外部へ強制的に空気を流通させる機器である。送風機４１６は、排出部４１５の枠体４３３内に３個並べて設けられる。このような送風機４１６によっても、実施の形態１に係る送風機１１６と同様に運行中に動作させることによって、流路３２３を流れる空気の量を増すことができるので、冷却能力を向上させることが可能になる。

本実施の形態に係る冷却ユニット４０５も、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の運行モードと発熱モードとで動作する。

このような本実施の形態に係る冷却ユニット４０５によっても、実施の形態１に係る冷却ユニット１０５と同様の効果を奏する。例えば、ヒートシンク４２９が電気回路素子１１１により発される熱を伝導することにより、運行中に電車を停止させなくても、空気取込部４１３に付着する雪を早く融解させることができる。したがって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能になる。

特に、本実施の形態によれば、ヒートシンク４２９のフィン３２６の上端がフィルタ４２１と接しているので、フィルタ４２１の全体に熱を与えることができる。そのため、取込口４１９に付着した雪をより早く融解させることが可能になる。

ヒートシンク４２９が、電気回路素子１１１により発される熱を伝導して流路３２３を流れる空気へ放出することにより、電気回路素子１１１を冷却して、電気回路素子１１１の過熱による損傷を防ぐことが可能になる。

実施の形態３と同様に、ヒートパイプを用いずにフィン３２６を介して熱を伝えるため、ヒートパイプを用いるよりもコストを低減させることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々の変更を加えた態様やそれらと均等な技術的範囲をも含む。

本発明は、電気鉄道車両、電気自動車、屋外にて使用される装置などに採用される電力変換装置または冷却装置に利用することができる。

１００電力変換装置、１０１電車、１０４電力変換ユニット、１０５，２０５，３０５，４０５冷却ユニット、１０６制御部、１０９電気回路、１０９ａインバータ回路、１１１電気回路素子、１１１ａスイッチング素子、１１１ｂダイオード素子、１１３，２１３，３１３，４１３空気取込部、１１４，２１４流路部、２１５，４１５排出部、１１６，２１６，３１６，４１６送風機、１１７冷却部材、１１８ａ，１１８ｂ取込口加熱部、１１９，２１９，３１９，４１９取込口、１２１，２２１，３２１，４２１フィルタ、１２２、２２２、３２２，４２２排出口、１２３，３２３流路、１２４，３２４素子搭載部、１２５ヒートパイプ、１２６、３２６フィン、１２７温度計、３２９，４２９ヒートシンク、３３１筒状体。

本発明は、電力変換装置に関する。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであって、雪による電車の運行への影響を低減させることが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る電力変換装置は、電力を変換して負荷に供給するために動作して発熱する電気回路素子と、電気回路素子を搭載する素子搭載部と、電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置と、発熱モードによって負荷に電力を供給することなく、電気回路素子を動作させる制御部とを備える。この冷却装置が、取込口が設けられた空気取込部と、取込口から取り込んだ空気を排出口へ流す流路を形成する流路部と、流路を流れる空気に電気回路素子が発する熱を放熱する流路部の内部に設けられた放熱部と、放熱部に素子搭載部から熱を伝導させる熱伝導部と、取込口および空気取込部の少なくとも一部に素子搭載部から熱を運ぶ取込口加熱部とを有する。
本発明の第２の観点に係る電力変換装置は、電力を変換して負荷に供給するために動作して発熱する電気回路素子と、電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置と、発熱モードによって負荷に電力を供給することなく、電気回路素子を動作させる制御部とを備える。この冷却装置が、取込口が設けられた空気取込部と、空気取込部と一端が接して設けられ、電気回路素子が搭載された素子搭載部を有し、電気回路素子が発する熱を取込口および空気取込部の少なくとも一部に素子搭載部から運び、取込口から排出口へ空気が流れる流路が形成され、流路を流れる空気に電気回路素子が発する熱を放熱するヒートシンクとを有する。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る電力変換装置は、電力を変換して負荷に供給するために動作して発熱する電気回路素子と、電気回路素子を搭載する素子搭載部と、電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置と、発熱モードによって負荷に電力を供給することなく、電気回路素子を動作させる制御部とを備える。この冷却装置が、フィルタで覆われた取込口が設けられた空気取込部と、取込口から取り込んだ空気を排出口へ流す流路を形成する流路部と、流路を流れる空気に電気回路素子が発する熱を放熱する流路部の内部に設けられた放熱部と、放熱部に素子搭載部から熱を伝導させる熱伝導部と、取込口および空気取込部の少なくとも一部に素子搭載部から熱を運ぶ取込口加熱部とを有する。取込口加熱部の基底部は取込口に最も近い素子搭載部の一面に固定される。取込口加熱部の少なくとも一部は取込口の周囲に接する。取込口加熱部によって、素子搭載部から取込口および空気取込部の少なくとも一部を介してフィルタに熱が伝達される。
本発明の第２の観点に係る電力変換装置は、電力を変換して負荷に供給するために動作して発熱する電気回路素子と、電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、取込口および取込口の周囲の部材の少なくとも一部に電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置と、発熱モードによって負荷に電力を供給することなく、電気回路素子を動作させる制御部とを備える。この冷却装置が、フィルタで覆われた取込口が設けられた空気取込部と、少なくとも一部が取込口の周囲と接して設けられ、電気回路素子が搭載された素子搭載部を有し、電気回路素子が発する熱を取込口および空気取込部の少なくとも一部に素子搭載部から運び、取込口から排出口へ空気が流れる流路が形成され、流路を流れる空気に電気回路素子が発する熱を放熱するヒートシンクとを有する。ヒートシンクによって、電気回路素子が発する熱がフィルタに伝達される。

Claims

電力を変換するために動作して発熱する電気回路素子と、
前記電気回路素子から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、前記取込口および前記取込口の周囲の部材の少なくとも一部に前記電気回路素子が発する熱を運ぶ冷却装置とを備える電力変換装置。
前記電気回路素子を搭載する素子搭載部を備え、
前記冷却装置が、前記取込口が設けられた空気取込部と、前記取込口から取り込んだ空気を前記排出口へ流す流路を形成する流路部と、前記流路を流れる空気に前記電気回路素子が発する熱を放熱する前記流路部の内部に設けられた放熱部と、前記放熱部に前記素子搭載部から熱を伝導させる熱伝導部と、前記取込口および前記空気取込部の少なくとも一部に前記素子搭載部から熱を運ぶ取込口加熱部とをさらに有する
請求項１に記載の電力変換装置。
前記取込口加熱部および前記熱伝導部のどちらかまたは両方がヒートパイプである
請求項２に記載の電力変換装置。
前記冷却装置が、前記取込口が設けられた空気取込部と、前記空気取込部と一端が接して設けられ、前記電気回路素子が搭載された素子搭載部を有し、前記電気回路素子が発する熱を前記取込口および前記空気取込部の少なくとも一部に前記素子搭載部から運び、前記取込口から前記排出口へ空気が流れる流路が形成され、前記流路を流れる空気に前記電気回路素子が発する熱を放熱するヒートシンクとを有する
請求項１に記載の電力変換装置。
前記流路の断面が矩形であり、前記ヒートシンクの前記流路に垂直な断面が格子状である
請求項４に記載の電力変換装置。
前記取込口から前記排出口へ空気を流通させる送風機を備える
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記送風機が前記空気取込部に設けられる
請求項６に記載の電力変換装置。
前記排出口と前記送風機が設けられた排出部を有する
請求項６に記載の電力変換装置。
電力を変換しない発熱モードで前記電気回路素子を動作させる制御部をさらに備える
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記電気回路素子の温度を計測する温度計をさらに備え、
前記温度計で計測された温度が決められた範囲内になるように、前記制御部が前記発熱モードでの動作を制御する
請求項９に記載の電力変換装置。
前記電気回路素子は、ワイドギャップ半導体で形成される素子である
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
被冷却体から伝導された熱を取込口から排出口へ流れる空気により冷却し、前記取込口および前記取込口の周囲の部材の少なくとも一部に前記被冷却体からの熱を運ぶ冷却装置。