KR101609934B1 - 전력 변환 장치 및 이것을 탑재한 철도 차량 - Google Patents

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Abstract

반도체 소자의 구성에 맞춰 방열핀 구성을 최적으로 조합함으로써 반도체 소자의 온도를 균일화하고, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자를 효율적으로 냉각한다. 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하는 전력 변환 장치로서, 상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 반대면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되는 냉각기에 있어서, 상기 반도체 소자는 냉각풍 흐름 방향으로 3개 설치되고, 상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 풍상 영역, 중류 영역, 풍하 영역으로 3분할했을 때에, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.33 내지 0.42배, 중류 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.63배인 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 변환 장치 및 이것을 탑재한 철도 차량{TRACTION CONVERTER AND RAILWAY VEHICLE}
본 발명은, 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 전기 철도 차량에 적합한 전력 변환 장치에 관한 것이다.
전기 철도 차량에는, 차량을 구동하는 전동기를 제어하기 위해서, 컨버터나 인버터 등의 전력 변환 장치가 탑재된다. 이러한 전력 변환 장치는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)나 GTO(Gate Turn Off Thyristor) 등의 반도체 소자에 의해 고주파로 스위칭을 행함으로써 전력 변환을 행한다.
반도체 소자에 있어서는, 통전 시 및 스위칭 시에 열이 발생하고, 이 열에 의해 반도체 소자가 고온이 되면, 변환 효율의 저하나 소자 파괴가 우려되기 때문에, 반도체 소자를 소정의 온도 범위가 되도록 냉각할 필요가 있다. 전력 변환 장치는 주로 탑재 스페이스가 한정된 차량 바닥 하부 등에 탑재되기 때문에, 소형 경량인 장치 구성으로 복수 개의 반도체 소자를 효율적으로 냉각하기 위해서, 냉각기가 설치된다.
이 냉각기에 냉각풍을 공급할 때에 냉각풍은 풍상측에 설치된 반도체 소자로부터의 열을 수취함으로써 풍하측을 향함에 따라 온도가 상승한다. 그것에 수반하여, 풍하측의 반도체 소자의 온도가 높아지는 경향이 있다. 그로 인해, 반도체 소자를 효율적으로 냉각하기 위해서는, 반도체 소자의 온도가 균일해지도록 냉각기를 구성할 필요가 있다.
냉각기의 구성 부품으로서, 히트 파이프가 자주 사용된다. 히트 파이프는 내부에 순수 등의 냉매를 봉입하고 있고, 수열부에서 냉매를 비등시켜 방열부로 열을 수송하고, 방열부에서 냉매를 응축시켜 수열부로 환류시키는 사이클에 의해, 열을 효율적으로 수송하는 디바이스이다. 이 히트 파이프와 방열핀의 조합에 의해, 온도의 균일화를 도모한 냉각기로서, 특허문헌 1에 나타낸 바와 같은 것이 알려져 있다. 냉각기는, 대략 수직 방향으로 설치되어 대기로의 자연 공냉에 의해 방열하는 복수 매의 방열핀과, 복수 개의 반도체 소자가 설치된 1개의 수열 블록과, 방열핀과 수열 블록을 접속하는 복수 개의 히트 파이프를 포함한다. 복수 개의 히트 파이프는, 그 비등부측이 응축부보다도 하방이 되도록 수평보다 기울어 설치되고, 복수 매의 방열핀은, 하측의 방열핀보다도 상측의 방열핀의 간격이 작아지도록 설치되고, 또한, 하측의 방열핀보다도 상측의 방열핀 쪽이 매수가 많게 설치된다.
한편, 특허문헌 2에 나타낸 바와 같은 냉각기도 알려져 있다. 냉각기는, 발열 소자에 열적으로 접속된 수열 블록과, 수열 블록의 표면에 세워 설치된 복수의 히트 파이프와, 히트 파이프에 설치된 핀을 복수개 갖는 방열핀군을 포함하고, 수열 블록과 평행한 방향으로 냉각풍이 흐른다. 방열핀군은, 냉각풍의 흐름 방향을 따라 복수 종렬 배치되고, 복수의 방열핀군 중, 냉각풍의 풍상측에 배치된 방열핀군의 핀 피치가, 냉각풍의 풍하측에 배치된 방열핀군의 핀 피치보다도 크고, 복수의 방열핀군의 군 간극의 위치는, 방열핀군을 풍상로부터 풍하까지 복수의 1매판의 핀으로 형성한 1개의 방열핀군으로 한 경우에, 당해 1개의 방열핀군의 핀 표면의 풍상와 풍하의 온도 차를, 복수의 방열핀군의 수로 등분하여 분할하는, 당해 1개의 방열핀군의 방열핀의 표면 온도의 위치로 하고 있다.
일본 특허 공개 제2000-161880호 일본 특허 제4948625호
특허문헌 1에 기재된 냉각기에서는, 상측, 즉 풍하측의 핀 피치를 작게 하고, 매수를 많게 하고 있지만, 이 구성에서는, 풍상측, 풍하측의 각각의 방열핀 면적이 최적이 아니기 때문에, 각각의 반도체 소자의 온도가 균일하게는 되지 않아, 냉각 효율이 나쁘다고 하는 과제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 냉각기에서는, 예를 들어 방열핀군을 3개로 분할한 경우에는, 풍상측 핀과 중류핀의 분할 점 및 중류핀과 풍하핀의 분할 점은, 핀을 냉각풍 흐름 방향으로 3등분하는 위치보다도 풍상측이 되는, 즉 방열핀의 피치가 작고 매수가 많은 풍하측 핀이 차지하는 영역이 넓어지기 때문에, 냉각기가 무거워진다고 하는 과제가 있다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 구성은, 특정한 핀 피치에 있어서 효과가 얻어지는 것이며, 핀 피치를 변경한 경우에는 온도를 균일하게 할 수 없다고 하는 과제도 있다. 또한, 풍상, 중류, 풍하의 핀은 동일 형상이 아니기 때문에, 제조 비용이 높아진다고 하는 과제도 있다.
본 발명은, 반도체 소자의 구성에 적합한 방열핀 구성을 조합함으로써, 반도체 소자의 온도를 균일화하고, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자를 효율적으로 냉각할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하는 제1 발명에 있어서의 전력 변환 장치는, 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고, 상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되는 냉각기에 있어서, 상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 3군데 설치된 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 풍상 영역, 중류 영역, 풍하 영역으로 정의했을 때에, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.33 내지 0.42배, 중류 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.63배인 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
제2 발명에 있어서의 전력 변환 장치는, 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고, 상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되고, 상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 2군데 설치된 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 풍상 영역, 풍하 영역으로 정의했을 때에, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.54 내지 0.73배인 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
제3 발명에 있어서의 전력 변환 장치는, 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고, 상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되고, 상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 4군데 설치된 전력 변환 장치에 있어서, 상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 최풍상 영역, 풍상 영역, 풍하 영역, 최풍하 영역으로 정의했을 때에, 최풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.21 내지 0.42배, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.25 내지 0.63배, 풍하 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.73배인 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
제1 발명에 의하면, 냉각풍의 온도가 상승하는 풍하 영역보다도, 냉각풍의 온도가 낮은 풍상 영역, 중류 영역에서 방열핀 면적을 작게 하는, 즉 풍하 영역보다도 방열핀의 매수를 적게 하고, 각각의 반도체 소자의 온도가 균일해지도록 각 영역에서의 방열핀 면적을 설정함으로써, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자를 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 제2, 제3 발명에 있어서도, 제1 발명과 동일한 원리에 의해 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이와 같이, 반도체 소자의 구성에 맞춰 방열핀 구성을 최적으로 조합함으로써 반도체 소자의 온도를 균일화하여, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자를 효율적으로 냉각할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 상면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 하면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 상면도이다.
도 6은 도 5의 B-B 단면도이다.
도 7은 도 5의 C-C 단면도이다.
도 8은 도 7의 D 확대도이다.
도 9는 도 3의 E 확대도이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치를, 철도 차량의 객실 바닥 하부에 탑재한 상태를 나타내는, 차량 주행 방향으로부터 본 단면도이다.
도 11은 특허문헌 2의 냉각기의 측면 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 온도 분포 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 최대 온도 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 최대 온도 계산 결과와 냉각기 중량을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 온도 분포 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 최대 온도 계산 결과와 냉각기 중량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제4 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제5 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 21은 특허문헌 1의 냉각기 측면 단면도이다.
도 22는 특허문헌 1의 냉각기 측면 단면도이다.
도 23은 본 발명의 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 온도 분포 계산 결과를 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 반도체 소자군의 최대 온도 계산 결과와 냉각기 중량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제6 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제7 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제8 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도이다.
[실시예 1]
이하, 본 발명의 전력 변환 장치에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1에 본 발명의 제1 실시 형태의 전력 변환 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도를, 도 2에 도 1의 상면도를, 도 3에 도 2의 A-A 단면도를 나타낸다.
전력 변환 장치(1000)는, 측판(1110), 천장판(1120), 저판(1130)에 의해 구성된다. 또한 전력 변환 장치(1000)의 상면에는, 침목 방향 빔(1161, 1162)과, 진행 방향 빔(1163, 1164)이 설치되어, 전력 변환 장치(1000)의 강도가 유지되어 있다. 천장판(1120), 저판(1130)의 사이에는 통풍로 저판(1140)이 설치된다. 측판(1110), 천장판(1120), 통풍로 저판(1140)에 의해 둘러싸인 공간은 통풍로(1150)이며, 통풍로(1150) 안을 냉각풍(1210)이 흐른다. 또한, 측판(1110), 저판(1130), 통풍로 저판(1140)에 의해 둘러싸인 공간은 회로 부품 탑재 공간(1600)이며, 안에는 전력 변환 장치(1000)의 주회로를 구성하는 반도체 소자군(1500), 필터 콘덴서(1610)나, 반도체 소자군(1500)의 스위칭을 제어하기 위한 게이트 드라이버(1620)가 설치된다.
회로 부품 탑재 공간(1600) 내의 반도체 소자군(1500)은, 냉각기(1700)의 하면에 설치된다. 냉각기(1700)의 수열 블록(1710)은, 통풍로 저판(1140)의 하면측에 기밀성을 갖고 접속되어 있고, 회로 부품 탑재 공간(1600) 내에 냉각풍(1210)이 유입되지 않도록 하고 있다.
한편, 냉각기(1700)의 상면측은 통풍로(1150) 내에 설치된다. 냉각기(1700)와 측판(1110) 및 천장판(1120)은 밀착되어 있지 않아 간극이 벌어져 있고, 이 간극을 통과하는 냉각풍(1210)의 양을 적게 하기 위해서, 냉각기(1700)의 주변 공간에는 바람 누설 방지판(1191, 1192, 1193, 1194)이 냉각풍의 흐름 방향으로 복수 설치된다. 각각의 바람 누설 방지판(1191, 1192, 1193, 1194)이 설치되는 방향은, 냉각풍(1210)의 흐름과 직교하는 방향이다. 또한, 바람 누설 방지판(1194)은 진행 방향 빔(1163)으로부터 하측으로 돌출하도록 설치된다.
송풍기(1200)는, 분출구의 중심이 냉각기(1700)의 약 중심선 상에 오도록 설치된다. 냉각풍(1210)은 필터(1300)를 개재해서 전력 변환 장치(1000) 내에 흡입되고, 송풍기(1200)의 분출구로부터 냉각기(1700)를 향해서 공급된다. 여기서, 송풍기(1200)의 분출구 폭은 냉각기(1700)의 폭과 비교해서 좁기 때문에, 통풍로 확대판(1171, 1172)에 의해 통풍로(1150)는 냉각기(1700)와 동일 정도의 폭으로 확대되고, 통풍로 확대판(1171, 1172)은 최(最)풍상측에 설치되는 바람 누설 방지판(1191)에 접속된다. 또한, 냉각풍(1210)을 냉각기(1700)에 균일하게 공급하기 위해서, 송풍기(1200)의 분출구와 냉각기(1700)의 사이에는 2매의 정풍판(1181, 1182)이 설치된다. 이 2매의 정풍판(1181, 1182)은, 송풍기(1200)의 분출구 중심에 대하여 각각 대칭되도록 설치되고, 풍상측보다도 풍하측의 간극이 넓어지도록 설치된다. 정풍판(1181, 1182) 및 냉각기(1700)를 통과한 냉각풍(1210)은 그릴(1400)로부터 외부로 배기된다.
도 4에 냉각기 및 반도체 소자군의 하면도를 나타낸다. 냉각기(1700)의 구성 부품의 하나인 수열 블록(1710)은, 2매의 알루미늄제 후판을 포함하고 있고, 각각이 연결용 볼트(1712)에 의해 연결된다. 또한, 수열 블록(1710)의 단부에는 복수의 냉각기 고정용 나사 구멍(1711)이 뚫려져 있고, 도 3에 기재된 통풍로 저판(1140)에 접속된다. 수열 블록(1710)의 하면에는, 반도체 소자군(1500)이 병설된다. 제1 실시 형태의 전력 변환 장치에 있어서는, 반도체 소자를, 냉각풍 흐름 방향으로 3대, 냉각풍 흐름과 직행하는 방향으로 4대 설치하고, 복수의 반도체 소자에 의해 반도체 소자군(1500)을 구성하고 있고, 이 반도체 소자는 풍상측으로부터 도면 참조 번호 1520, 1530, 1540으로 표기한다. 또한, 각각의 반도체 소자의 열손실은, 대략 균일하다.
도 5에 냉각기의 상면도를, 도 6에 도 5의 B-B 단면도를, 도 7에 도 5의 C-C 단면도를 나타낸다. 도 5의 중심선보다도 상측에 도시되어 있는 점선은 히트 파이프의 수열부를, 중심선보다도 하측에 도시되어 있는 점선은, 수열 블록(1710)의 하면에 설치되는 반도체 소자군(1500)의 투영도를 나타내고 있다. 수열 블록(1710)의 상면측에는, 냉각풍(1210)의 흐름 방향을 따라 홈이 복수 형성되어 있고, 그 홈에 복수의 U자형 히트 파이프(1720)의 수열부(1721)와, 복수의 L자형 히트 파이프(1730)의 수열부(1731)가, 냉각풍(1210)의 흐름 방향을 따라 설치되고, 땜납 등의 납재(1740)를 홈으로 유입해서 단단하게 함으로써, 수열 블록(1710)과 U자형 히트 파이프(1720) 및 L자형 히트 파이프(1730)는 접합된다. 또한 U자형 히트 파이프(1720)의 방열부(1722) 및 L자형 히트 파이프(1730)의 방열부((1732))는 연직 방향으로 세워 설치되고, 각각의 방열부(1722, 1732)에는, 방열부의 위치에 맞춘 관통 구멍을 갖는 복수의 방열핀(1750)이 압입된다.
한편, 수열 블록(1710)의 상면의, 히트 파이프가 설치되는 영역과 냉각기 고정용 나사 구멍(1711)과의 사이에는, 시일재(1760)가 전체 둘레에 걸쳐 설치된다. 이에 의해, 통풍로 저판(1140)과 냉각기(1700)는 기밀을 유지해서 접속된다.
히트 파이프의 배치에 관해서 설명한다. 도 6에 나타내는 B-B 단면에서는, 각각의 히트 파이프는 냉각풍(1210)의 흐름 방향을 따라, L자형 히트 파이프(1730), 5개의 U자형 히트 파이프(1720), L자형 히트 파이프(1730)의 순서대로 설치된다. 도 7에 나타내는 C-C 단면에서는, U자형 히트 파이프(1720)가 6개 설치된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, B-B 단면에서의 히트 파이프의 배치와 C-C 단면에서의 히트 파이프의 배치를 교대로 설치함으로써, 히트 파이프 수열부(1721, 1731) 및 히트 파이프 방열부(1722, 1732)는 지그재그 형상으로 배치된다.
도 8에 도 7의 D 확대도를 나타낸다. 수열 블록(1710) 내에서, 히트 파이프 방열부(1722)의 바로 아래의 영역은 히트 파이프 수열부가 없는 영역(1770)이며, 히트 파이프 수열부 내부와 비교해서 열 저항이 크고 국소적으로 온도가 높아지는 것이 염려된다. 전술한 바와 같이, 히트 파이프 수열부(1721, 1731)를 지그재그 형상으로 배치함으로써, 예를 들어 C-C 단면에 있어서의 수열부가 없는 영역(1770)의 근방에는, B-B 단면에 있어서의 수열부(1721)가 배치되기 때문에, 열 이동이 촉진되어 국소적인 온도 상승이 억제된다.
방열핀의 구성에 대해서 설명한다. 본 발명의 제1 실시 형태에서는, 방열핀(1750)을 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753), 풍하 영역(1754)으로 분할하고, 방열핀(1750)의 매수를, 풍상 영역(1752)에서는 16매, 중류 영역(1753)에서는 20매, 풍하 영역(1754)에서는 48매 설치하고 있다. 즉, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 풍하 영역(1754)의 0.33배, 중류 영역(1753)의 방열핀(1750)의 표면적은 풍하 영역(1754)의 0.42배이다. 한편, 제작성을 고려하여, 핀(1750)을 냉각풍(1210)의 흐름과 직교하는 방향으로 4분할하고 있다.
냉각기와 바람 누설 방지판의 위치 관계에 대해서 설명한다. 도 9는 도 3의 E 확대도이며, 히트 파이프 방열부(1722)의 선단과, 바람 누설 방지판(1194)의 위치 관계를 나타내고 있다. 히트 파이프 방열부(1722)의 선단은, 선단 이외와 비교해서 직경이 작아지고 있고 방열핀(1750)을 압입할 수가 없기 때문에, 히트 파이프 방열부(1722)의 선단은 최상단의 핀으로부터 20 내지 30mm 정도 돌출되어 있다. 한편, 바람 누설 방지판(1194)은 각각의 히트 파이프 방열부(1722)의 사이의 위치에 설치된다. 바람 누설 방지판(1194)과 최상단의 핀과의 간극은 5mm 정도이고, 히트 파이프 방열부(1722)의 선단과 최상단의 핀과의 간극보다도 작게 하고 있다.
전력 변환 장치를 철도 차량 객실의 바닥 하부에 탑재한 상태를 설명한다. 도 10에 차량 주행 방향으로부터 본 단면도를 나타낸다. 지면 앞 방향은 차량 주행 방향을, 좌우 방향은 침목 방향을, 상하 방향은 연직 방향을 나타낸다. 전력 변환 장치(1000)는 객실(2000)의 바닥 하부에 현수된 부재(3000)에 의해 접속된다. 냉각풍(1210)은 전력 변환 장치(1000)의 내부를 침목 방향으로 통풍한다.
이어서, 본 발명의 제1 실시 형태의 효과에 대해서 설명한다. 복수의 방열핀(1750)을 냉각풍(1210)의 흐름 방향에 대하여 분할하고, 냉각풍의 온도가 상승하는 풍하 영역(1754)보다도, 냉각풍(1210)의 온도가 낮은 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753)에 있어서 방열핀의 표면적을 작게 하는, 즉 풍하 영역보다도 방열핀의 매수를 적게 하고, 각각의 반도체 소자군(1500)의 온도가 균일해지도록 각 영역에서의 방열핀의 표면적을 설정함으로써, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, U자형 히트 파이프(1720)의 수열부(1721)가 냉각풍(1210)의 흐름을 따르는 방향으로 설치됨으로써, 냉각풍(1210)에 대하여 풍하측으로부터 풍상측으로 수열부(1721)를 개재해서 열 이동을 촉진시킬 수 있기 때문에, 냉각풍의 온도 상승에 의한 영향을 평준화하여, 풍하측의 반도체 소자의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, U자형 히트 파이프(1720)의 방열부(1722)가 수직 방향으로 상승하도록 세워 설치되고, 방열부(1722)에 복수의 방열핀(1750)이 접합되어 통풍로(1150) 내에 설치됨으로써, 수열 블록(1710)으로부터 방열핀(1750)으로의 열 이동을 촉진시킬 수 있기 때문에, 핀 효율이 향상된다.
또한, U자형 히트 파이프(1720)의 방열부(1722)를 지그재그 형상으로 설치함으로써, 방열핀(1750)과 히트 파이프의 접합부가 균등하게 배치되고, 방열핀(1750)에 균등하게 열이 수송되기 때문에, 핀 효율이 향상된다. 또한, 히트 파이프의 방열부가 정사각 형상으로 배치된 경우와 비교해서 방열핀 간 및 히트 파이프 간의 유로의 단면적이 넓어지기 때문에, 방열핀 간의 통풍 저항이 작아지고, 송풍기(1200)를 사용해서 냉각할 때에 냉각풍(1210)을 많이 공급할 수 있기 때문에, 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 최풍상측의 위치, 혹은 최풍하측의 위치, 혹은 풍상측, 풍하측의 양쪽에 L자형 히트 파이프(1730)를 설치함으로써, 방열핀(1750)의 투영면의 외측에 L자형 히트 파이프(1730)의 수열부(1731)를 설치할 수 있게 된다. 이에 의해, 반도체 소자군(1500)을 핀(1750)의 투영면 외측에 설치해도, L자형 히트 파이프(1730)에 의해 방열핀(1750)에 열을 효율적으로 수송할 수 있기 때문에, 방열핀(1750)을 소형화, 경량화할 수 있다.
또한, 통풍로(1150)에 있어서, 핀(1750)의 풍상측에 복수의 정풍판(1181, 1182)을 설치함으로써, 송풍기(1200)로부터 방열핀(1750)에 공급되는 냉각풍(1210)의 풍속을, 냉각풍(1210)의 흐름과 직교하는 방향에 있어서 균일하게 할 수 있기 때문에, 방열핀(1750)의 폭이 송풍기(1200)의 분출구 폭에 대하여 큰 경우에 있어서도 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 통풍로(1150)에 있어서, 히트 파이프 방열부(1722)의 최선단측에 접합되는 방열핀과, 통풍로(1150)를 구성하는 천장판(1130)과의 사이에, 냉각풍(1210)의 흐름과 직교하는 방향으로 복수의 바람 누설 방지판(1191, 1192, 1193, 1194)을 설치함으로써, 냉각풍(1210)이 방열핀 사이에서 누설되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다. 또한, 복수의 바람 누설 방지판(1191, 1192, 1193, 1194)과 히트 파이프 방열부(1722)의 선단측에 접합되는 방열핀(1750)과의 거리를, 선단측에 접합되는 방열핀(1750)과 히트 파이프 방열부(1722)의 선단과의 거리보다도 짧게 함으로써, 방열핀 사이에서 누설되는 냉각풍(1210)의 양을 더욱 적게 할 수 있다.
또한, 바람 누설 방지판(1194)은, 통풍로(1140) 내의 강도를 유지하기 위한 빔(1160)을 겸하고 있다. 이에 의해, 부품 개수를 적게 할 수 있기 때문에, 비용의 저감이나 조립성의 향상을 도모할 수 있다.
이 구성에 의해, 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있고, 온도를 균일화해서 효율적으로 냉각하여, 경량인 냉각기를 구비한 전력 변환 장치(1000)를 철도 차량에 탑재할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제1 실시 형태와의 비교로서, 종래 기술에 대해서 설명한다. 도 11에 특허문헌 2에 기재된 냉각기를 나타낸다. 상기와 같이, 특허문헌 2에 기재된 냉각기는, 복수의 방열핀군 중, 냉각풍의 풍상측에 배치된 방열핀군의 핀 피치가, 냉각풍의 풍하측에 배치된 방열핀군의 핀 피치보다도 크고, 복수의 방열핀군의 군 간극의 위치는, 방열핀군을 풍상로부터 풍하까지 복수의 1매판의 핀으로 형성한 1개의 방열핀군으로 한 경우에, 당해 1개의 방열핀군의 핀 표면의 풍상과 풍하의 온도 차를, 복수의 방열핀군의 수로 등분으로 분할하는, 당해 1개의 방열핀군의 방열핀의 표면 온도의 위치로 하고 있다.
여기서, 방열핀(1750)의 표면의 온도 분포와 방열핀 선단으로부터의 거리와의 관계는 직선 형상이 아니며, 풍상측에 가까울수록 급격하게 상승하고, 풍하측을 향함에 따라 방열핀(1750)의 표면 최고 온도에 점근하도록 상승한다. 그로 인해, 방열핀(1750)의 군 간극의 위치는, 방열핀(1750)을 설치하는 영역을 3등분한 위치보다도 풍상측이 된다.
또한, 도 11에 기재된 냉각기에서는, 방열핀(1750)의 매수는 풍상측에서 12매, 중류에서 24매, 풍하측에서 48매이며, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 풍하 영역(1754)의 0.34배, 중류 영역(1753)의 방열핀(1750)의 표면적은 풍하 영역(1754)의 0.69배이다.
이어서, 본 발명의 제1 실시 형태의 효과를 검증하기 위해서, 범용 열류체 해석 소프트를 사용하여, 각 반도체 소자의 온도를 계산했다. 계산에서는, 풍하 영역(1754)의 방열핀 표면적을 일정하게 하고, 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753)의 방열핀 면적을 변화시켜서 비교했다. 또한, 반도체 소자군(1500)의 각각의 반도체 소자의 열손실을 일정하게 하고, 방열핀(1750)의 매수 변화에 의한 압력 손실 및 냉각 풍량의 변화를 고려했다.
도 12에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753)의 방열핀의 표면적을 변화시켰을 때의, 풍상측 반도체 소자(1520), 중류 반도체 소자(1530), 풍하 반도체 소자(1540)의 온도 상승 변화를 나타낸다. 그래프의 종축의 온도 상승비란, 중류/풍하핀 표면적비 및 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00에 있어서의 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승을 1.00으로 했을 경우의 상대값이다. 이것에 의하면, 중류/풍하핀 표면적비 및 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00에 있어서는, 풍하 영역 반도체 소자(1540)에 대하여, 중류 영역 반도체 소자(1530)의 온도 상승비는 0.89, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 0.77이며, 23％의 온도 편차가 있다. 이에 대해, 중류/풍하핀 표면적비 0.50 혹은 0.42, 풍상/풍하핀 표면적비 0.33인 경우에 각 반도체 소자의 온도가 균일해진다.
도 13에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753)의 방열핀 표면적을 변화시켰을 때의, 반도체 소자군(1500)의 최대 온도 상승비와, 냉각기 중량비를 나타낸다. 최대 온도 상승비 및 냉각기 중량비란, 중류/풍하핀 표면적비 및 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00에 있어서의 반도체 소자군(1500)의 온도 상승 및 냉각기 중량을 1.00로 했을 경우의 상대값이며, 색의 농담으로 값의 크기를 나타내고 있다. 이것에 의하면, 중류/풍하핀 표면적비 및 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00인 경우와 비교하여, 풍상/풍하핀 표면적비가 0.33 이상, 중류/풍하핀 표면적비가 0.42 이상의 영역에서 최대 온도 상승비가 동등 이하가 되는 것이 나타났다. 특히, 본 발명의 제1 실시 형태에서는, 풍상/풍하핀 표면적비 0.33, 중류/풍하핀 표면적비 0.42로, 냉각기 중량은 0.74이며, 본 발명에 의해 동등 냉각 성능으로 26％ 경량화할 수 있는 것이 나타났다. 또한, 도 13 중 점선으로 둘러싸인 영역은, 풍상/풍하핀 표면적비가 0.33 내지 0.42, 중류/풍하핀 표면적비가 0.42 내지 0.63인 영역이며, 본 발명의 청구 범위를 나타내고 있다. 이것에 의하면, 본 발명의 청구 범위에서는 특허문헌 2과 동등한 냉각 성능에 의해 보다 경량인 것이 나타났다.
[실시예 2]
도 14에 본 발명의 제2 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 제1 실시 형태에서는, 냉각풍 흐름 방향의 방열핀의 분할 점 위치를 고정하고, 방열핀의 매수를 변화시킴으로써 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753), 풍하 영역(1754)의 방열핀 표면적을 변화시켰지만, 냉각풍 흐름 방향의 방열핀의 분할 점 위치를 변화시킴으로써 방열핀 표면적을 변화시켜도 좋다. 제2 실시 형태에서는, 방열핀(1750)의 매수를 풍상측에서 12매, 24매, 48매, 핀 피치의 비를 4:2:1로 하고, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적이 풍하 영역(1754)의 0.35배, 중류 영역(1753)의 방열핀(1750)의 표면적이 풍하 영역(1754)의 0.53배가 되도록, 방열핀 매수가 12매인 영역과 24매인 영역의 경계선을, 방열핀이 설치되는 영역을 3등분한 위치보다도 풍상측으로 하고, 또한 방열핀 매수가 24매인 영역과 48매인 영역의 경계선을, 방열핀이 설치되는 영역을 3등분한 위치보다도 풍하측으로 했다. 여기서, 특허문헌 2에서는, 전술한 바와 같이 방열핀(1750)의 군 간극의 위치가, 방열핀(1750)을 설치하는 영역을 3등분한 위치보다도 풍상측이 되기 때문에, 본 발명의 제2 실시 형태와 특허문헌 2에서는, 냉각기 구성이 명백하게 상이하다.
본 발명의 제2 실시 형태에서는, 각 영역의 방열핀 피치가 정수비라는 점에서, 각 방열핀 간의 통풍 저항이 균일하기 때문에 흐르는 냉각 풍량을 균일하게 할 수 있는 것 외에, 통풍 저항을 저감시킬 수 있기 때문에 송풍기로부터의 냉각 풍량이 증대하여, 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 제2 실시 형태의 효과를 검증하기 위해서, 범용 열류체 해석 소프트를 사용하여, 반도체 소자군의 최대 온도 상승을 계산했다. 도 15에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753)의 방열핀 표면적을 변화시켰을 때의, 반도체 소자군(1500)의 최대 온도 상승비와, 냉각기 중량비를 나타낸다. 이것에 의하면, 본 발명의 제2 실시 형태는, 중류/풍하핀 표면적비 및 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00인 경우와 비교하여, 최대 온도 상승비는 대략 동등하고, 냉각기 중량은 0.75이며, 본 발명에 의해 동등 냉각 성능으로 25％ 경량화할 수 있는 것이 나타났다. 또한, 특허문헌 2와 비교해도 동등한 냉각 성능으로 의해 보다 경량인 것이 나타났다.
[실시예 3]
도 16에 본 발명의 제3 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 제3 실시 형태에서는, 반도체 소자군(1500)을, 냉각풍 흐름 방향으로 2대 설치하는 구성이며, 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754)으로 2분할하고, 방열핀(1750)의 매수를, 풍상 영역(1752)에서는 26매, 풍하 영역(1754)에서는 48매 설치하고 있다. 즉, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 풍하 영역(1754)의 0.54배이다.
본 발명의 제3 실시 형태와 같이 반도체 소자군(1500)을 냉각풍 흐름 방향으로 2대 설치하는 구성에 있어서, 복수의 방열핀(1750)을 냉각풍(1210)의 흐름 방향에 대하여 2분할하고, 냉각풍의 온도가 상승하는 풍하 영역(1754)보다도, 냉각풍(1210)의 온도가 낮은 풍상 영역(1752)에 있어서 방열핀 면적을 작게 하는, 즉 풍하 영역보다도 방열핀의 매수를 적게 하여, 각각의 반도체 소자군(1500)의 온도가 균일해지도록 각 영역에서의 방열핀 면적을 설정함으로써, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 형태의 효과를 검증하기 위해서, 범용 열류체 해석 소프트를 사용하여, 각 반도체 소자의 온도를 계산했다. 도 17에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 풍상 영역(1752)의 방열핀 표면적을 변화시켰을 때의, 풍상 영역 반도체 소자(1520), 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승 변화를 나타낸다. 이것에 의하면, 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00에 있어서는, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승비 1.00에 대하여, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 0.90이며, 10％의 온도 편차가 있다. 이에 대해, 풍상/풍하핀 표면적비 0.54인 경우에 각 반도체 소자의 온도가 균일해진다. 한편, 풍상/풍하핀 표면적비 0.50 이하인 경우에는, 풍하 영역 반도체 소자(1540)보다도 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도가 높아진다.
도 18에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 풍상 영역(1752)의 방열핀 면적을 변화시켰을 때의, 반도체 소자군(1500)의 최대 온도 상승비와, 냉각기 중량비를 나타낸다. 본 발명의 청구 범위는, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.54 내지 0.73배이며, 그 범위 내에 있는 것은, 풍상/풍하핀 표면적비가 1.00인 경우와 비교해서 최대 온도 상승비가 동등 이하가 되는 것이 나타났다. 특히, 본 발명의 제3 실시 형태에서는, 풍상/풍하핀 면적비는 0.54, 냉각기 중량비는 0.88이며, 본 발명에 의해 동등 냉각 성능으로 12％ 경량화할 수 있는 것이 나타났다.
[실시예 4]
도 19에 본 발명의 제4 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 제4 실시 형태에서는, 반도체 소자군(1500)을, 냉각풍 흐름 방향으로 4대 설치하는 구성이며, 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 최풍상 영역(1751), 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754), 최풍하 영역(1755)으로 4분할하고, 방열핀(1750)의 매수를, 최풍상 영역(1751)에서는 24매, 풍상 영역(1752)에서는 30매, 풍하 영역(1754)에서는 35매, 최풍하 영역(1755)에서는 48매 설치하고 있다. 즉, 최풍상 영역(1751)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.42배, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.63배, 풍하 영역(1754)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.73배이다. 또한, 제4 실시 형태의 효과에 관해서는, 후술하는 제5 실시 형태의 효과와 함께 설명한다.
[실시예 5]
도 20에 본 발명의 제5 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 제5 실시 형태에서는, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 반도체 소자군(1500)을, 냉각풍 흐름 방향으로 4대 설치하는 구성이며, 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 최풍상 영역(1751), 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754), 최풍하 영역(1755)으로 4분할하고 있다. 제5 실시 형태에서는, 방열핀(1750)의 매수를, 최풍상 영역(1751)에서는 10매, 풍상 영역(1752)에서는 12매, 풍하 영역(1754)에서는 20매, 최풍하 영역(1755)에서는 48매 설치하고 있다. 즉, 최풍상 영역(1751)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.21배, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.25배, 풍하 영역(1754)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.42배이다.
본 발명의 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태와 같이 반도체 소자군(1500)을 냉각풍 흐름 방향으로 4대 설치하는 구성에 있어서, 복수의 방열핀(1750)을 냉각풍(1210)의 흐름 방향에 대하여 4분할하고, 냉각풍의 온도가 상승하는 최풍하 영역(1755)보다도, 냉각풍(1210)의 온도가 낮은 최풍상 영역(1751), 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754)에 있어서 방열핀 표면적을 작게 하는, 즉 최풍하 영역보다도 방열핀의 매수를 적게 하고, 각각의 반도체 소자군(1500)의 온도가 균일해지도록 각 영역에서의 방열핀 표면적을 설정함으로써, 경량인 장치 구성으로 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태와의 비교로서, 종래 기술에 대해서 설명한다. 도 21 및 도 22에 특허문헌 1에 기재된 냉각기를 나타낸다. 특허문헌 1에 기재된 냉각기에서는, 반도체 소자군(1500)을 냉각풍 흐름 방향으로 4대 설치하는 구성이며, 도 21에서는 최풍상 영역(1751)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.50배, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.50배, 풍하 영역(1754)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 1.00배이다. 또한, 도 22에서는 최풍상 영역(1751)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.13배, 풍상 영역(1752)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.25배, 풍하 영역(1754)의 방열핀(1750)의 표면적은 최풍하 영역(1755)의 0.50배이다.
본 발명의 제4 실시 형태 및 제5 실시 형태의 효과를 검증하기 위해서, 범용 열류체 해석 소프트를 사용하여, 각 반도체 소자의 온도를 계산했다. 도 23에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 최풍상 영역(1751), 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754)의 방열핀 면적을 변화시켰을 때의, 최풍상 영역 반도체 소자(1510), 풍상 영역 반도체 소자(1520), 풍하 영역 반도체 소자(1540), 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승 변화를 나타낸다. 이것에 의하면, 각 영역의 핀 표면적비가 모두 1.00인 경우에 있어서는, 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비 1.00에 대하여, 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도 상승비는 0.63, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 0.75, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승비는 0.88이며, 37％의 온도 편차가 있다. 또한, 도 21에 나타내는 특허문헌 1에 기재된 냉각기에 관해서는, 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도 상승비는 0.75, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 0.81, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승비는 0.88, 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비는 0.98이며, 25％의 온도 편차가 있기 때문에, 아직 경량화할 수 있는 여지가 있다고 말할 수 있다. 또한, 도 22에 나타내는 특허문헌 1에 기재된 냉각기에 관해서는, 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도 상승비는 1.13, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 1.04, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승비는 0.98, 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비는 0.99이며, 최풍하 영역 반도체(1550)보다도 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도가 높아지고 있어, 냉각 효율이 나쁘다.
이에 대해, 본 발명의 제4 실시 형태에 관해서는, 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도 상승비는 0.69, 풍상 영역 반도체 소자(1520)의 온도 상승비는 0.73, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승비는 0.83, 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비는 0.91이며, 22％의 온도 편차가 있지만, 각 영역의 핀 면적비가 모두 1.00인 경우와 비교해서 최풍상 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비가 9％ 저하되고 있다. 이것은, 최풍상 영역(1751), 풍상 영역(1752), 풍하 영역(1754)의 방열핀(1750)의 매수를 적게 함으로써 압력 손실이 저하되고, 송풍기로부터 공급되는 냉각 풍량이 증대됨으로써, 전체적으로 온도가 저하되었기 때문이다.
또한, 본 발명의 제5 실시 형태에 관해서는, 최풍상 영역 반도체 소자(1510)의 온도 상승비는 0.95, 풍상 영역 반도체 소자(1520), 풍하 영역 반도체 소자(1540), 최풍하 영역 반도체 소자(1550)의 온도 상승비는 0.97이며, 각 반도체 소자의 온도가 균일해진다.
도 24에, 범용 열류체 해석 소프트에 의해 계산한, 최풍하 영역(1755) 이외의 방열핀 면적을 0.13 내지 1.00으로 변화시켰을 때의, 반도체 소자군(1500)의 최대 온도 상승비와, 냉각기 중량비를 나타낸다. 본 발명의 청구 범위는, 최풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.21 내지 0.42배, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.25 내지 0.63배, 풍하 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.73배이며, 그 범위 내에 있는 것은 그래프의 좌측 하방, 즉 냉각기 중량비와 열저항비가 모두 작은 영역에 있고, 경량인 냉각기 구성으로 반도체 소자군을 효율적으로 냉각할 수 있는 것이 나타났다.
또한, 본 발명의 제5 실시 형태의 냉각기는, 제4 실시 형태의 냉각기보다도 온도 상승비는 6％ 크지만, 냉각기 중량비는 15％ 작다. 그로 인해, 온도 상승을 우선해서 작게 하고자 하는 경우에는 제4 실시 형태에 나타내는 형상, 냉각기 중량을 우선해서 작게 하고자 하는 경우에는 제5 실시 형태에 나타내는 형상으로 하면 좋고, 요구 성능에 따라 적절히 선택하는 것이 좋다.
[실시예 6]
도 25에 본 발명의 제6 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 본 발명의 제5 실시 형태에서는, 방열핀(1750)을 풍상 영역(1752), 중류 영역(1753), 풍하 영역(1754)으로 분할하고, 방열핀(1750)의 매수를, 풍상 영역(1752)에서는 16매, 중류 영역(1753)에서는 20매, 풍하 영역(1754)에서는 48매 설치하고, 풍상 영역(1752)의 최상단의 방열핀을 중류 영역(1753)의 최상단의 방열핀보다도 낮은 위치로 되도록, 또한 중류 영역(1753)의 최상단의 방열핀을 풍하 영역(1754)의 최상단의 방열핀보다도 낮은 위치로 되도록 설치하고 있다.
이러한 구성으로 함으로써, 냉각풍(1210)의 일부가 풍상 영역(1752) 및 중류 영역(1753)에서 열을 수취하지 않고 풍하 영역(1754)으로 공급되기 때문에, 풍하 영역 반도체 소자(1540)의 온도 상승을 억제하여, 효율적으로 냉각할 수 있다.
[실시예 7]
도 26에 본 발명의 제7 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 본 발명의 제6 실시 형태에서는, U자형 히트 파이프(1720)나 L자형 히트 파이프(1730)보다도 방열부의 길이가 짧은 단척 히트 파이프(1780)가 부분적으로 설치된다. 도 23에서는, L자형 히트 파이프(1730), 단척 히트 파이프(1780), U자형 히트 파이프(1720), 단척 히트 파이프(1780), U자형 히트 파이프(1720), 단척 히트 파이프(1780), L자형 히트 파이프(1730)의 순서대로 설치된다.
단척 히트 파이프의 방열부(1782)는, 방열부가 긴 U자형 히트 파이프(1720)보다도 접합되는 방열핀(1750)의 매수가 적기 때문에 냉각풍(1210)과의 열저항이 커져, 냉각풍(1210)과의 온도 차가 커진다. 그로 인해, 이러한 구성으로 함으로써, 냉각풍(1210)의 온도가 히트 파이프 내부의 냉매의 응고점 이하이어도, 냉매가 동결되지 않아 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 단척 히트 파이프(1780)만으로 냉각기를 구성한 경우에는, U자형 히트 파이프보다도 접합되는 방열핀(1750)의 매수가 적어지기 때문에, 냉각풍(1210)의 온도가 냉매의 응고점 이상인 경우에는 냉각 성능이 저하되는 것이 염려되지만, 단척 히트 파이프(1780)와 U자형 히트 파이프(1720), L자형 히트 파이프(1730)를 혼재시킴으로써 , 냉각풍(1210)의 온도가 냉매의 응고점 이하인 경우와, 응고점 이상인 경우에서의 냉각 성능을 양립할 수 있다.
또한, 냉매 동결에 의해 히트 파이프 내에 액체 및 기체의 냉매가 감소하는 드라이 아웃이 발생했을 때에는 반도체 소자군(1500)의 온도 상승에 따라 히트 파이프 방열부의 근원의 온도도 상승해 가지만, U자형 히트 파이프(1720), L자형 히트 파이프(1730)보다도 방열부가 짧은 짧은 히트 파이프(1780)는 방열부(1782)의 근원과 선단의 온도 차를 작게 할 수 있는, 즉 선단의 온도를 높게 할 수 있기 때문에, 드라이 아웃이 발생해도 동결된 냉매를 융해함으로써 기동하여, 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
[실시예 8]
도 27에 본 발명의 제8 실시 형태의 전력 변환 장치에 탑재되는 냉각기의 측면 단면도를 나타낸다. 인버터 회로용 반도체 소자와 컨버터 회로용 반도체 소자를 동일한 냉각기에 설치해서 냉각하는 경우나, 3레벨 회로를 냉각하는 경우에서는, 각각의 반도체 소자(1510, 1520, 1540, 1550)의 열 손실량에 편차가 있는 경우가 있다. 본 발명의 제8 실시 형태와 같이, 직관형 히트 파이프(1790)를, 각각의 반도체 소자(1510, 1520, 1540, 1550)의 투영면 상에 겹치도록 수열 블록(1710) 내에 매설함으로써, 열 손실량의 편차에 의한 온도 상승의 편차를 평준화하여, 반도체 소자군(1500)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제8 실시 형태에서는, 최풍하 영역의 방열핀의 매수를 48매로서 기재했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 적절히 변경해도 좋다. 또한, 반도체 소자군(1500)을 냉각풍과 직행하는 방향으로 4대 설치하는 구성으로서 기재했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 회로 구성에 의해 적절히 변경 가능하다.
1000 : 전력 변환 장치
1110 : 측판
1120 : 천장판
1130 : 저판
1140 : 통풍로 저판
1150 : 통풍로
1161, 1162 : 침목 방향 빔
1163, 1164 : 진행 방향 빔
1171, 1172 : 통풍로 확대판
1181, 1182 : 정풍판
1191 내지 1195 : 바람 누설 방지판
1200 : 송풍기
1210 : 냉각풍
1300 : 필터
1400 : 그릴
1500 : 반도체 소자군
1510 : 최풍상 반도체 소자
1520 : 풍상 반도체 소자
1530 : 중류 반도체 소자
1540 : 풍하 반도체 소자
1550 : 최풍하 반도체 소자
1600 : 회로 부품 탑재 공간
1610 : 필터 콘덴서
1620 : 게이트 드라이버
1700 : 냉각기
1710 : 수열 블록
1711 : 냉각기 고정용 나사 구멍
1712 : 연결용 볼트
1720 : U자형 히트 파이프
1721 : U자형 히트 파이프 수열부
1722 : U자형 히트 파이프 방열부
1730 : L자형 히트 파이프
1731 : L자형 히트 파이프 수열부
1732 : L자형 히트 파이프 방열부
1740 : 납재
1750 : 방열핀
1751 : 최풍상 영역
1752 : 풍상 영역
1753 : 중류 영역
1754 : 풍하 영역
1755 : 최풍하 영역
1760 : 시일재
1770 : 수열부가 없는 영역
1780 : 단척 히트 파이프
1781 : 단척 히트 파이프 수열부
1782 : 단척 히트 파이프 방열부
1790 : 직관형 히트 파이프
2000 : 객실
3000 : 현수 부재

Claims (5)

  1. 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고,
    상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되고,
    상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 3군데 설치된 전력 변환 장치로서,
    상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 풍상 영역, 중류 영역, 풍하 영역으로 정의했을 때에, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.33 내지 0.42배, 중류 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.63배인 범위에 있고,
    상기 복수의 히트 파이프의 수열부 및 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 지그재그 형상으로 배치되고,
    통풍로를 구성하는 천장판과 상기 냉각기와의 간극의 공간에, 냉각풍의 흐름과 직교하는 방향에 배치되는 바람 누설 방지판을 구비하고,
    상기 바람 누설 방지판과 최상단의 방열핀과의 간극이, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부의 선단과 상기 최상단의 방열핀의 간극보다도 작게 되도록, 상기 바람 누설 방지판이 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고,
    상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되고,
    상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 2군데 설치된 전력 변환 장치로서,
    상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 풍상 영역, 풍하 영역으로 정의했을 때에, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.54 내지 0.73배인 범위에 있고,
    상기 복수의 히트 파이프의 수열부 및 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 지그재그 형상으로 배치되고,
    통풍로를 구성하는 천장판과 상기 냉각기와의 간극의 공간에, 냉각풍의 흐름과 직교하는 방향에 배치되는 바람 누설 방지판을 구비하고,
    상기 바람 누설 방지판과 최상단의 방열핀과의 간극이, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부의 선단과 상기 최상단의 방열핀의 간극보다도 작게 되도록, 상기 바람 누설 방지판이 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 전력 변환 회로를 구성하는 복수의 반도체 소자와, 당해 복수의 반도체 소자로부터의 열을 외기로 방열하는 냉각기를 구비하고,
    상기 냉각기는, 수열 블록, 복수의 히트 파이프, 복수의 방열핀을 포함하고, 상기 수열 블록의 일방 측면에는 상기 복수의 반도체 소자가 병설되고, 상기 수열 블록의 타방 측면에는 상기 복수의 히트 파이프의 수열부가 매설되고, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 수열 블록으로부터 돌출하여 세워 설치되고, 상기 방열부에는 복수의 방열핀이 접합되고,
    상기 반도체 소자는, 냉각풍 흐름 방향으로 4군데 설치된 전력 변환 장치로서,
    상기 복수의 방열핀이 설치되는 영역을 냉각풍 흐름 방향으로 등간격으로 최풍상 영역, 풍상 영역, 풍하 영역, 최풍하 영역으로 정의했을 때에, 최풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.21 내지 0.42배, 풍상 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.25 내지 0.63배, 풍하 영역의 방열핀 표면적이 최풍하 영역의 방열핀 표면적의 0.42 내지 0.73배인 범위에 있고,
    상기 복수의 히트 파이프의 수열부 및 상기 복수의 히트 파이프의 방열부는 지그재그 형상으로 배치되고,
    통풍로를 구성하는 천장판과 상기 냉각기와의 간극의 공간에, 냉각풍의 흐름과 직교하는 방향에 배치되는 바람 누설 방지판을 구비하고,
    상기 바람 누설 방지판과 최상단의 방열핀과의 간극이, 상기 복수의 히트 파이프의 방열부의 선단과 상기 최상단의 방열핀의 간극보다도 작게 되도록, 상기 바람 누설 방지판이 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 전력 변환 장치를 객실의 바닥 하부에 탑재한 것을 특징으로 하는 철도 차량.
  5. 삭제
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