KR20200092999A - 전력 변환 장치 및 철도 차량 - Google Patents

전력 변환 장치 및 철도 차량 Download PDF

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Abstract

수열판의 제1 면 위의 복수의 반도체 소자 중 하나가 고장나더라도 다른 반도체 소자가 손상되는 것을 억제할 수 있는 전력 변환 장치 및 철도 차량을 제공한다. 실시 형태의 전력 변환 장치는, 복수의 반도체 소자(32A, 32B, 32C)와, 수열판(33)과, 제1 칸막이 부재(34A, 34B)를 갖는다. 상기 복수의 반도체 소자(32A, 32B, 32C)는, 전력 변환부(41)를 구성한다. 상기 수열판(33)은, 상기 복수의 반도체 소자(32A, 32B, 32C)를 제1 면(33a)에서 지지한다. 상기 제1 칸막이 부재(34A, 34B)는, 상기 수열판(33)에 고정되고, 상기 복수의 반도체 소자(32A, 32B, 32C)들 사이를 칸막이한다.

Description

전력 변환 장치 및 철도 차량
본 발명의 실시 형태는, 전력 변환 장치 및 철도 차량에 관한 것이다.
철도 차량에는, 전력 변환 장치가 구비되어 있는 경우가 있다. 전력 변환 장치에서는, 스위칭 동작을 행하는 반도체 소자, 저항기 등의 전기 기기에 의해 전력 변환부가 구성되어 있다.
반도체 소자의 스위칭 동작에 의해, 반도체 소자로부터 열이 발생한다. 반도체 소자로부터 열을 효과적으로 방열시키기 위해서, 반도체 소자를 고정한 수열판으로 방열시키는 것이 검토되고 있다.
반도체 소자가 고장나더라도 전력 변환 장치를 동작시키기 위해서, 전력 변환 장치가 복수의 반도체 소자를 병렬로 구비하는 경우가 있다.
반도체 소자가 고장나면, 고장난 반도체 소자가 비산된다. 이 때문에, 반도체 소자마다 수열판을 준비하고, 반도체 소자 간의 거리를 확보하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 고장난 반도체 소자의 영향이 다른 반도체 소자에 미치기 어려워진다.
그러나, 반도체 소자마다 수열판을 준비하면, 복수의 수열판이 필요해진다. 또한, 수열판의 양면에 반도체 소자를 설치하면, 전력 변환 장치 내에 반도체 소자용으로 확보해야 할 스페이스가 커지게 된다. 그 때문에 통례에서는, 전력 변환 장치는, 복수의 반도체 소자를 하나의 수열판의 제1 면 위에 설치하여 구성되어 있다.
그러나, 상기 전력 변환 장치에서는, 복수의 반도체 소자 중 하나가 고장나면, 고장난 반도체 소자가 비산되었을 때 다른 반도체 소자가 손상될 우려가 있다.
일본 특허공개 제2013-071482호 공보
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수열판의 제1 면 위의 복수의 반도체 소자 중 하나가 고장나더라도 다른 반도체 소자가 손상되는 것을 억제할 수 있는 전력 변환 장치 및 철도 차량을 제공하는 것이다.
실시 형태의 전력 변환 장치는, 복수의 반도체 소자와, 수열판과, 제1 칸막이 부재를 갖는다. 상기 복수의 반도체 소자는, 전력 변환부를 구성한다. 상기 수열판은, 상기 복수의 반도체 소자를 제1 면에서 지지한다. 상기 제1 칸막이 부재는, 상기 수열판에 고정되고, 상기 복수의 반도체 소자들 사이를 칸막이한다.
도 1은 일 실시 형태의 철도 차량을 모식적으로 나타내는 측면도.
도 2는 일 실시 형태의 철도 차량에 있어서의 전력 변환부의 블록도.
도 3은 일 실시 형태의 철도 차량에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
도 4는 도 1 중의 IV-IV선을 따르는 단면도.
도 5는 일 실시 형태의 변형예에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
도 6은 일 실시 형태의 변형예에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
도 7은 일 실시 형태의 변형예에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
도 8은 일 실시 형태의 변형예에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
도 9는 일 실시 형태의 변형예에 있어서의 전력 변환 장치의 주요부를 측면으로부터 본 단면도.
이하, 실시 형태의 전력 변환 장치 및 철도 차량을, 도면을 참조하여 설명한다.
이하, 철도 차량의 일 실시 형태를 도 1 내지 도 9를 참조하면서 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 철도 차량(1)은, 차체(11)와, 차륜(21)과, 본 실시 형태의 전력 변환 장치(31)와, 제어부(71)를 구비하고 있다.
예를 들어, 차체(11)는, 레일(22)이 연장되는 방향으로 긴 직육면체형상으로 형성되어 있다. 차체(11) 내에는, 기계실(12)이 형성되어 있다. 기계실(12) 내에, 전력 변환 장치(31)가 설치되어 있다. 차체(11)의 천장면에는, 상방을 향해서 팬터그래프(13)가 마련되어 있다. 팬터그래프(13)는, 가선(14)에 가선(14)의 하방으로부터 접촉 가능하게 되도록 배치되어 있다. 팬터그래프(13)는, 전력 변환 장치(31)에 전선(42)(도 2 참조) 등에 의해 접속되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 팬터그래프(13)를 통해 가선(14)으로부터 전력 변환 장치(31)에 전력 공급을 행하는 것으로서 설명을 행한다. 그러나, 철도 차량에 탑재된 발전기나 축전 장치로부터 전력 변환 장치(31)로 전력 공급을 행해도 된다.
차륜(21)은, 차체(11)의 폭 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 차륜(21)은, 레일(22) 위에 배치되어 있다. 차륜(21)은, 대차(23)에 마련된 회전축(24) 둘레에 회전 가능하게 지지되어 있다. 대차(23)는, 차체(11)의 저면에 고정되어 있다.
회전축(24)에는, 전동기(25A, 25B)가 도시하지 않은 기어 박스 등을 개재하여 연결되어 있다. 전동기(25A, 25B)는, 전력 변환 장치(31)에 후술하는 전선(48, 49)(도 2 참조)에 의해 접속되어 있다. 전동기(25A, 25B)는, 전력 변환 장치(31)로부터 교류에 의한 전력이 입력되면, 기어 박스 등을 개재하여 회전축(24)을 회전시킨다. 이 예에서는, 전동기(25A, 25B)의 어느 것이나 회전축(24)을 회전시킬 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 전력 변환 장치(31)는, 복수의 반도체 소자(32A, 32B, 32C)와, 수열판(33)과, 제1 칸막이판(제1 칸막이 부재)(34A, 34B)과, 제2 칸막이판(제2 칸막이 부재)(35A, 35B)과, 커버(36)와, 제1 전기 기기(37A)와, 방열부(38)를 구비하고 있다.
이하에서는, 반도체 소자(32A, 32B, 32C)를, 반도체 소자(32A 내지 32C)로 축약해서 나타내는 경우가 있다. 후술하는 제1 홈(53A, 53B, 53C, 53D) 등에 대해서도 마찬가지이다.
이 예에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(32A)는 컨버터를 구성하고, 반도체 소자(32B, 32C)는 각각 인버터를 구성한다. 또한, 반도체 소자(32A 내지 32C)를 포함해서, 전력 변환부(41)가 구성된다. 컨버터를 구성하는 반도체 소자(32A)는, 팬터그래프(13)로부터 전선(42)을 통해 보내지는 교류를 직류로 변환한다. 인버터를 구성하는 반도체 소자(32B, 32C)는, 전선(43, 44)에 의해 컨버터를 구성하는 반도체 소자(32A)에 병렬로 접속되어 있다. 인버터를 구성하는 반도체 소자(32B, 32C)는, 직류를 교류로 변환한다.
또한, 이 예에서는, 컨버터나 인버터를 구성하는 반도체 소자를 하나의 패키지로 나타내고 있다. 그러나, 각 상(相)이나 각 상하 암 등, 복수의 반도체 소자로 모듈(패키지)을 구성해도 된다.
전선(43, 44)에는, 개방 스위치(45, 46)가 각각 마련되어 있다. 개방 스위치(45)는, 전선(43)을 전류가 흐르는 폐쇄 상태와, 전선(43)을 전류가 흐르지 않는 개방 상태로 전환할 수 있다. 개방 스위치(46)는, 개방 스위치(45)와 마찬가지로 전선(44)에 대해서 폐쇄 상태와 개방 상태로 전환할 수 있다.
반도체 소자(32B, 32C)에는, 반도체 소자(32B, 32C)가 변환한 교류의 전류값을 검출하는 전류 센서가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 전류 센서는, 반도체 소자(32B, 32C)가 고장났는지 여부를 검출하기 위해서 사용된다. 단, 반도체 소자(32B, 32C)의 고장을 검출하는 센서는, 이것에 한정되지는 않는다. 전류 센서는, 검출 결과를 정기적으로 제어부(71)에 송신한다.
반도체 소자(32B)와 전동기(25A)는, 전선(48)에 의해 접속되어 있다. 반도체 소자(32C)와 전동기(25B)는, 전선(49)에 의해 접속되어 있다.
또한, 전력 변환 장치(31)가 구동하는 전동기의 수는 특별히 한정되지 않고, 2개여도 되고, 4개 이상이어도 된다. 예를 들어, 전력 변환 장치(31)가 유도 전동기를 구동할 때는, 인버터를 구성하는 반도체 소자로 복수의 유도 전동기를 구동 해도 된다. 또한, 전력 변환 장치(31)가 동기 전동기를 구동할 때는, 동기 전동기와 동일한 수의 인버터를 구성하는 반도체 소자를 마련하여 구동해도 된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어 수열판(33)은 두께 방향으로 본 정면 에서 볼 때 직사각 형상으로 형성되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 수열판(33) 내에는, 유로(52)가 형성되어 있다. 유로(52)는, 정면에서 볼 때의 수열판(33)의 중앙부에 형성되어 있다. 유로(52)는, 수열판(33)의 길이 방향을 따라서 연장되어 있다. 또한, 정면에서 볼 때, 유로(52)의 입구 및 출구의 폭은, 유로(52)의 길이 방향의 중앙부의 폭보다도 좁은 것이 바람직하다. 예를 들어, 수열판(33)은, 길이 방향이 상하 방향을 따르도록 배치되어 있다.
유로(52) 내에는, 도시하지 않은 코러게이트 핀 등의 전열 촉진 부재가 배치되어 있다. 전열 촉진 부재는, 유로(52)의 내면에 고정되어 있다.
수열판(33)의 제1 면(33a)에는, 제1 홈(53A, 53B, 53C, 53D)이 형성되어 있다. 제1 홈(53A 내지 53D)은, 수열판(33)의 폭 방향으로 연장됨과 함께, 수열판(33)의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 제1 홈(53A 내지 53D)은, 수열판(33)의 길이 방향을 따라서, 이 순서로 배열하여 배치되어 있다. 제1 홈(53A 내지 53D)은, 수열판(33)의 폭 방향의 각 단부에 도달되어 있지 않다. 제1 홈(53A 내지 53D)은, 수열판(33) 내의 유로(52)에 도달되어 있지 않다(도 3 참조).
수열판(33)의 네 코너에는, 관통 구멍(54)이 각각 형성되어 있다. 관통 구멍(54)은, 수열판(33)을 두께 방향으로 관통하고 있다. 수열판(33)의 정면에서 볼 때, 관통 구멍(54)은 유로(52)의 외측에 배치되어 있다.
수열판(33)은, 열전도율이 큰 알루미늄이나 구리 등의 금속으로 형성되어 있다. 수열판(33)을 알루미늄으로 형성하면, 수열판(33)을 보다 가볍게 할 수 있다.
수열판(33)의 제1 면(33a)에 있어서의 제1 홈(53A)과 제1 홈(53B) 사이의 부분에, 반도체 소자(32A)가 지지되어 있다. 예를 들어, 반도체 소자(32A)는 전열성을 갖는 그리스를 개재하여 수열판(33)의 제1 면(33a)에 고정되어 있다.
마찬가지로, 수열판(33)의 제1 면(33a)에 있어서의 제1 홈(53B)과 제1 홈(53C) 사이의 부분에, 반도체 소자(32B)가 지지되어 있다. 수열판(33)의 제1 면(33a)에 있어서의 제1 홈(53C)과 제1 홈(53D) 사이의 부분에, 반도체 소자(32C)가 지지되어 있다. 반도체 소자(32A 내지 32C)는, 수열판(33)의 길이 방향을 따라서, 이 순으로 나란히 배치되어 있다.
반도체 소자(32A 내지 32C)는, 정면에서 볼 때 유로(52)가 형성된 범위 내에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 커버(36)는, 수열판(33)과 마찬가지의 판형상으로 형성되어 있다. 커버(36)는, 수열판(33)의 제1 면(33a)에 대향하고, 또한 수열판(33)에 평행해지도록 배치되어 있다. 커버(36)는, 수열판(33)과 함께 제1 칸막이판(34A, 34B) 및 제2 칸막이판(35A, 35B)을 사이에 두도록 배치되어 있다.
커버(36)에 있어서의 수열판(33)의 제1 면(33a)에 대향하는 제1 면(36a)에는, 제2 홈(56A, 56B, 56C, 56D)이 형성되어 있다. 제2 홈(56A 내지 56D)은, 제1 홈(53A 내지 53D)과 마찬가지로 형성되고, 제1 홈(53A 내지 53D)에 각각 대향하도록 배치되어 있다.
커버(36)의 네 코너에는, 관통 구멍(57)이 각각 형성되어 있다.
제2 칸막이판(35A)은, 수열판(33)의 제1 홈(53A) 및 커버(36)의 제2 홈(56A)에 각각 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33) 및 커버(36)에 고정되어 있다. 마찬가지로, 제1 칸막이판(34A)은, 수열판(33)의 제1 홈(53B) 및 커버(36)의 제2 홈(56B)에 각각 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33) 및 커버(36)에 고정되어 있다. 제1 칸막이판(34B)은, 수열판(33)의 제1 홈(53C) 및 커버(36)의 제2 홈(56C)에 각각 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33) 및 커버(36)에 고정되어 있다. 제2 칸막이판(35B)은, 수열판(33)의 제1 홈(53D) 및 커버(36)의 제2 홈(56D)에 각각 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33) 및 커버(36)에 고정되어 있다.
제1 칸막이판(34A, 34B) 및 제2 칸막이판(35A, 35B)은, 수열판(33)의 제1 면(33a) 및 커버(36)의 제1 면(36a)에 각각 배치되어 있다. 제1 칸막이판(34A, 34B) 및 제2 칸막이판(35A, 35B)은, 각각의 두께 방향이 수열판(33)의 길이 방향이 되도록 배치되어 있다.
제1 칸막이판(34A)은, 반도체 소자(32A)와 반도체 소자(32B) 사이를 칸막이하고 있다.
마찬가지로, 제1 칸막이판(34B)은, 반도체 소자(32B)와 반도체 소자(32C) 사이를 칸막이하고 있다. 한 쌍의 제2 칸막이판(35A, 35B)은, 반도체 소자(32A 내지 32C) 전체를 수열판(33)의 길이 방향으로 사이에 두도록 배치되고 있다.
제1 칸막이판(34A, 34B) 및 제2 칸막이판(35A, 35B)을 형성하는 재료는, 알루미늄 등의 금속이나 수지 등 특별히 한정되지는 않는다. 커버(36)를 형성하는 재료도 마찬가지이다. 커버(36)는, 전기적인 절연성을 갖는 재료로 형성해도 된다.
수열판(33) 및 커버(36)는, 볼트(59) 및 너트(60)에 의해 서로 고정되어 있다. 구체적으로는, 볼트(59)가, 커버(36)의 관통 구멍(57) 및 수열판(33)의 관통 구멍(54)에 각각 삽입되어 있다. 수열판(33)에 있어서의 커버(36)와는 반대측으로 돌출된 볼트(59)에, 너트(60)가 끼워 맞춰져 있다. 볼트(59) 및 너트(60)에 의해, 제1 칸막이판(34A, 34B), 제2 칸막이판(35A, 35B)을 사이에 두고 수열판(33) 및 커버(36)를 수열판(33)이, 두께 방향으로 끼워 넣어져 있다.
또한, 수열판(33), 커버(36), 및 제2 칸막이판(35A, 35B)에 의해, 수열판(33)의 폭 방향으로 형성된 개구를 막도록, 제2 칸막이판을 마련해도 된다.
제1 전기 기기(37A)는, 커버(36)에 있어서의 반도체 소자(32A 내지 32C)와는 반대측의 제2 면(36b)에 고정되어 있다. 예를 들어, 제1 전기 기기(37A)는, 반도체 소자(32A 내지 32C)의 구동을 위한 회로이다. 제1 전기 기기(37A)는, 반도체 소자(32A 내지 32C)에 전기적으로 접속되고, 반도체 소자(32A 내지 32C)를 제어한다.
방열부(38)는, 수열판(33)을 물 등의 냉각액에 의해 냉각한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 방열부(38)는, 열교환기(63)와, 배관(64)과, 블로어(송풍기)(65)와, 펌프(66)를 갖고 있다.
열교환기(63)에는, 핀 튜브형 등의 임의의 열교환기가 사용된다. 열교환기(63)는, 수열판(33)의 유로(52) 내를 흐른 냉각액을 방열시킨다. 배관(64)은, 수열판(33)의 유로(52) 및 열교환기(63)에 순차 접속되어 있다. 배관(64)에는, 냉각액을 축적하기 위한 탱크(68)가 마련되어 있는 것이 바람직하다.
블로어(65)에는, 터보 팬이나 시로코 팬 등의 임의의 팬이 사용된다. 블로어(65)는, 열교환기(63)에 대향하도록 배치되고, 열교환기(63)에 공기를 흘린다. 펌프(66)는, 배관(64)에 냉각액을 흘린다.
이와 같이, 전력 변환 장치(31)에서는, 소위 순환식 액랭 방식의 방열부(38)에 의해 수열판(33)이 냉각된다.
제어부(71)는, CPU(Central Processing Unit), 메모리 등을 갖고 있다. 제어부(71)는, 철도 차량(1) 전체의 제어를 행한다. 제어부(71)에는, 개방 스위치(45, 46), 블로어(65), 및 펌프(66) 등이 접속되어 있다. 제어부(71)는, 전류 센서로부터 송신된 전류값에 기초하여, 반도체 소자(32B, 32C)가 고장났는지 여부를 판단한다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 철도 차량(1)의 동작에 대하여 설명한다. 또한, 초기 상태에서는, 개방 스위치(45, 46)는 폐쇄 상태로 되어 있다.
가선(14)으로부터 팬터그래프(13), 전선(42)을 통해 전력 변환 장치(31)의 반도체 소자(32A)에 교류가 공급되면, 제1 전기 기기(37A)는 반도체 소자(32A 내지 32C)를 구동한다. 반도체 소자(32A)는, 교류를 직류로 변환한다. 변환된 직류는, 전선(43, 44)을 통과해서 반도체 소자(32B, 32C)에 각각 공급된다. 반도체 소자(32B)는, 직류를 교류로 변환하고, 변환한 교류를 전동기(25A)에 공급한다. 전동기(25A)는, 기어 박스 등을 개재하여 회전축(24)을 회전시킨다. 레일(22) 위에서 차륜(21)이 회전한다.
마찬가지로, 반도체 소자(32C)가 변환된 교류에 의해, 전동기(25B)가 차륜(21)을 회전시킨다. 이와 같이, 전동기(25A, 25B)의 구동력에 의해, 철도 차량(1)이 주행한다.
전류 센서는, 반도체 소자(32B, 32C)가 변환된 교류의 전류값을, 정기적으로 제어부(71)에 송신한다.
반도체 소자(32A 내지 32C)는, 전력 변환을 할 때 열을 발생한다. 제어부(71)는, 블로어(65) 및 펌프(66)를 구동한다.
반도체 소자(32A 내지 32C)가 발생한 열은, 수열판(33) 및 전열 촉진 부재를 개재하여 유로(52) 내의 냉각액에 전달된다. 냉각액에 열이 전달되면, 반도체 소자(32A 내지 32C)가 냉각된다.
유로(52) 내에서 가열된 냉각액은, 펌프(66)에 의해 배관(64) 내를 흘러, 열교환기(63) 내에 유입된다. 블로어(65)가 기계실(12) 내의 공기를 열교환기(63)에 흘림으로써, 냉각액의 열이 열교환기(63)를 개재하여 공기에 전달된다. 이렇게 해서, 기계실(12) 내의 공기가 가열되고, 열교환기(63) 내의 냉각액이 냉각된다. 열교환기(63) 내에서 냉각된 냉각액은, 배관(64) 내를 흘러서 다시 수열판(33)의 유로(52) 내에 유입된다.
또한, 배관(64) 내를 흐르는 냉각액의 양이 감소한 경우에는, 냉각액이 탱크(68) 내로부터 배관(64) 내로 공급된다.
예를 들어, 철도 차량(1)이 주행하고 있는 동안에, 반도체 소자(32C)가 고장난 것으로 한다. 고장난 반도체 소자(32C)는 비산되지만, 전력 변환 장치(31)가 제1 칸막이판(34A, 34B)을 구비하기 때문에, 비산되어 반도체 소자(32A, 32B)측을 향한 반도체 소자(32C)가 제1 칸막이판(34A, 34B)에 의해 차단된다.
또한, 전력 변환 장치(31)가 제2 칸막이판(35B)을 구비하기 때문에, 비산되어 반도체 소자(32A, 32B)는 반대측을 향한 반도체 소자(32C)가 제2 칸막이판(35B)에 의해 차단된다.
반도체 소자(32C)가 고장나면, 반도체 소자(32C)가 변환된 전류값이 적어진다. 제어부(71)는, 전류 센서가 송신한 전류값으로부터, 반도체 소자(32C)가 고장났다고 판단한다. 제어부(71)는, 개방 스위치(46)를 개방 상태로 하고, 반도체 소자(32C) 및 전동기(25B)를 제어 대상으로부터 분리한다.
단, 반도체 소자(32B)가 변환된 교류에 의해 차륜(21)이 회전하기 때문에, 철도 차량(1)은 주행을 계속한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 변환 장치(31)에 의하면, 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 반도체 소자(32A, 32B) 측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 제1 칸막이판(34A, 34B)에 의해 차단된다. 따라서, 수열판(33)의 제1 면(33a) 위의 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 반도체 소자(32A, 32B)가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 한 장의 수열판(33)에 복수의 반도체 소자(32A 내지 32C)를 고정시킴으로써, 전력 변환 장치(31)를 소형화할 수 있다.
제1 칸막이판(34A, 34B)은, 수열판(33)에 형성된 제1 홈(53B, 53C)에 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33)에 고정되어 있다. 이 때문에, 수열판(33) 중 제1 칸막이판(34A, 34B)을 고정하고 싶은 부분에 유로(52)가 형성되어 있어도, 그 부분에 관통 구멍을 형성하여 유로(52)에 지장이 발생하지 않아, 수열판(33)에 제1 칸막이판(34A, 34B)을 고정시킬 수 있다.
전력 변환 장치(31)가 커버(36)를 구비하고, 제1 칸막이판(34A, 34B)은 커버(36)에 형성된 제2 홈(56B, 56C)에 끼워 맞춰짐으로써 커버(36)에 고정되어 있다. 제1 칸막이판(34A, 34B)을 사이에 두도록 배치된 수열판(33) 및 커버(36)에 의해 제1 칸막이판(34A, 34B)이 고정되어 있기 때문에, 수열판(33) 및 커버(36)에 제1 칸막이판(34A, 34B)을 보다 확실하게 고정시킬 수 있다. 커버(36)를 사용하여, 제1 전기 기기(37A)를 적층시킬 수 있다.
제1 전기 기기(37A)는, 커버(36)의 제2 면(36b)에 고정되어 있다. 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 제1 전기 기기(37A) 측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 커버(36)에 의해 차단된다. 따라서, 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 제1 전기 기기(37A)가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
전력 변환 장치(31)가, 제2 칸막이판(35A, 35B)을 구비한다. 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 제2 칸막이판(35A, 35B)의 외측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 제2 칸막이판(35A, 35B)에 의해 차단된다. 따라서, 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 제2 칸막이판(35A, 35B)의 외측에 배치된 부품 등이 손상되는 것을 억제할 수 있다.
전력 변환 장치(31)가, 수열판(33)을 냉각액에 의해 냉각하는 방열부(38)를 구비한다. 공기 등의 기체에 의한 냉각에 비하여 전열 성능이 비교적 높은 냉각액에 의해, 수열판(33)을 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 철도 차량(1)에 의하면, 수열판(33)의 제1 면(33a) 위의 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 반도체 소자(32A, 32B)가 손상되는 것을 억제한 전력 변환 장치(31)를 사용하여 철도 차량(1)을 구성할 수 있다.
또한, 전력 변환 장치(31)는, 제2 칸막이판(35A, 35B), 커버(36), 제1 전기 기기(37A) 및 방열부(38)를 구비하지 않아도 된다.
본 실시 형태의 전력 변환 장치(31)는, 이하에 설명하는 바와 같이 그 구성을 다양하게 변형시킬 수 있다.
도 5에 도시한 전력 변환 장치(76)와 같이, 전력 변환 장치(31)의 각 구성 에 추가하여, 수열판(33)에 있어서의 제1 면(33a)과 반대측의 제2 면(33b)에 고정된 제2 전기 기기(37B)를 구비해도 된다. 예를 들어, 제2 전기 기기(37B)는 저항기이며, 반도체 소자(32A 내지 32C)에 전기적으로 접속되어 있다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(76)에서는, 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 제2 전기 기기(37B)측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 수열판(33)에 의해 차단된다. 따라서, 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 제2 전기 기기(37B)가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
도 6에 도시한 전력 변환 장치(81)와 같이, 전력 변환 장치(76)의 각 구성에 있어서, 제1 전기 기기(37A)가 수열판(33)의 제1 면(33a)에 고정되어도 된다. 이 변형예에서는, 수열판(33)은, 반도체 소자(32A)에 대한 반도체 소자(32C)측으로 길게 형성되어 있다.
제1 전기 기기(37A)는, 반도체 소자(32C)에 대한 반도체 소자(32B)와는 반대측, 즉, 제2 칸막이판(35A, 35B)의 외측에 배치되어 있다. 제1 전기 기기(37A)와 반도체 소자(32C)는, 제2 칸막이판(35B)에 의해 칸막이되어 있다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(81)에서는, 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 제1 전기 기기(37A) 측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 제2 칸막이판(35B)에 의해 차단된다. 따라서, 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 제1 전기 기기(37A)가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 수열판(33)의 제1 면(33a)에, 반도체 소자(32A 내지 32C)뿐만 아니라 제1 전기 기기(37A)도 배치할 수 있다.
도 7에 도시한 전력 변환 장치(86)와 같이, 전력 변환 장치(81)의 제2 전기 기기(37B)를 수열판(33)의 제1 면(33a)에 고정시켜도 된다. 이 변형예에서는, 제2 전기 기기(37B)는, 제1 전기 기기(37A)에 대한 반도체 소자(32C)와는 반대측에 배치되어 있다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(86)에서는, 고장나서 비산된 반도체 소자(32C)가 전기 기기(37A, 37B)측을 향하더라도, 반도체 소자(32C)는 제2 칸막이판(35B)에 의해 차단된다. 따라서, 반도체 소자(32C)가 고장나더라도 전기 기기(37A, 37B)가 손상되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 반도체 소자(32A 내지 32C) 및 전기 기기(37A, 37B)(전력 변환 장치(86))를, 수열판(33)의 두께 방향으로 얇게 배치할 수 있다.
도 8에 도시한 전력 변환 장치(91)와 같이, 전력 변환 장치(31)의 방열부(38)를 대신하여, 복수의 핀 부재(돌기부)(92)를 구비해도 되다. 복수의 핀 부재(92) 및 수열판(33)으로, 방열 핀식의 방열부(93)가 구성된다. 복수의 핀 부재(92)는, 수열판(33)의 제2 면(33b)으로부터 수열판(33)의 두께 방향으로 돌출되어 있다. 복수의 핀 부재(92)는, 수열판(33)의 길이 방향을 따라서 상하 방향으로 연장되어 있는 것이 바람직하다. 수열판(33)의 폭 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있다.
또한, 수열판(33)에 마련되는 핀 부재(92)의 수에 제한은 없으며, 핀 부재(92)의 수는 1개여도 된다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(91)에서는, 반도체 소자(32A 내지 32C)가 발생한 열은, 수열판(33) 및 복수의 핀 부재(92)를 통해 방열부(93)의 근방 의 공기에 전달된다. 공기에 열이 전달되면, 반도체 소자(32A 내지 32C)가 냉각된다.
방열부(93)에 의해 가열된 공기는, 팽창해서 밀도가 낮아진다. 밀도가 낮아진 공기는, 수열판(33)의 폭 방향에 인접하는 핀 부재(92)의 사이 등을 통과하여 상방으로 이동한다. 방열부(93)는, 소위 자연 대류 방식에 의해 냉각된다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(91)에서는, 방열부(93)에 냉각액을 사용하지 않기 때문에, 방열부(93)를 소형화할 수 있다.
또한, 전력 변환 장치(91)가, 방열부(93)에 공기를 흘리는 블로어(94)를 구비해도 된다. 예를 들어, 블로어(94)는, 복수의 핀 부재(92)를 따라 상방을 향해서 공기를 흘린다. 이 경우, 방열부(93)는, 소위 강제 대류 방식에 의해 냉각되고, 자연 대류 방식에 비하여 냉각 성능이 향상된다.
도 9에 도시한 전력 변환 장치(96)와 같이, 전력 변환 장치(31)의 방열부(38)를 대신하여, 수열판(33)을 냉각시키는 히트 파이프(97)를 구비해도 된다. 예를 들어, 히트 파이프(97)는, 상하 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 히트 파이프(97)의 하단부가, 수열판(33)의 제2 면(33b)에 고정되어 있다. 히트 파이프(97)의 상단부에는, 복수의 핀 부재(98)가 고정되어 있는 것이 바람직하다. 히트 파이프(97) 내에는, 대체 프레온 등의 작동액이 봉입되어 있다.
이와 같이 구성된 변형예의 전력 변환 장치(96)에서는, 반도체 소자(32A 내지 32C)가 발생한 열은, 수열판(33)을 개재하여 히트 파이프(97)의 하단부에 전달된다. 히트 파이프(97)에 열이 전달되면, 반도체 소자(32A 내지 32C)가 냉각된다.
히트 파이프(97)의 하단부 내의 작동액은, 전달된 열에 의해 기화하여 작동 가스로 된다. 작동 가스는, 밀도가 낮아져서 히트 파이프(97)의 상단부 내로 이동한다. 히트 파이프(97)의 상단부 내로 이동한 작동 가스는, 복수의 핀 부재(98)에 의해 열을 빼앗긴다. 열을 빼앗긴 작동 가스는, 액화해서 작동액이 된다. 작동액은, 밀도가 높아져서 히트 파이프(97)의 하단부 내로 이동한다.
이와 같이, 히트 파이프(97)의 작동액의 기화열을 이용하여, 반도체 소자(32A 내지 32C)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
또한, 변형예의 전력 변환 장치(96)에서는, 히트 파이프(97)를 대신하여, 압축기에 의해 고온 또한 고압으로 한 작동 가스를 교축 팽창시켜 냉각하는 방열부를 구비해도 된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 칸막이판(34A)은, 수열판(33)에 형성된 제1 홈(53B)에 끼워 맞춰짐으로써 수열판(33)에 고정되어 있는 것으로 히였다. 그러나, 제1 칸막이판(34A)은, 수열판(33) 중 정면에서 볼 때 유로(52)가 형성되어 있지 않은 부분에 마련된 관통 구멍에, 볼트 등에 의해 수열판(33)에 고정되어 있는 것으로 해도 된다. 이 경우, 수열판(33)에 제1 홈(53B)은 형성되지 않는다. 제1 칸막이판(34B)에 대해서도 마찬가지이다.
제1 칸막이 부재가 제1 칸막이판(34A, 34B)이며, 제2 칸막이 부재가 제2 칸막이판(35A, 35B)인 것으로 하였다. 그러나, 제1 칸막이판(34A, 34B) 및 제2 칸막이판(35A, 35B)의 형상은, 판형상으로 한정되지 않고, 블록형상 등이어도 된다.
이상 설명한 적어도 하나의 실시 형태에 따르면, 제1 칸막이판(34A, 34B)을 가짐으로써, 수열판(33)의 제1 면(33a) 위의 반도체 소자(32A 내지 32C) 중 하나가 고장나더라도 다른 반도체 소자가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이지, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함되는 것과 마찬가지로, 청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함되는 것이다.
1: 철도 차량
31, 76, 81, 86, 91, 96: 전력 변환 장치
32A, 32B, 32C: 반도체 소자
33: 수열판
33a: 제1 면
33b: 제2 면
34A, 34B: 제1 칸막이판(제1 칸막이 부재)
35A, 35B: 제2 칸막이판(제2 칸막이 부재)
36: 커버
37A: 제1 전기 기기
37B: 제2 전기 기기
38: 방열부
41: 전력 변환부
53A, 53B, 53C, 53D: 제1 홈
56A, 56B, 56C, 56D: 제2 홈
92: 핀 부재(돌기부)
97: 히트 파이프

Claims (11)

  1. 전력 변환부를 구성하는 복수의 반도체 소자와,
    상기 복수의 반도체 소자를 제1 면에서 지지하는 수열판과,
    상기 수열판에 고정되고, 상기 복수의 반도체 소자들 사이를 칸막이하는 제1 칸막이 부재를 구비하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수열판에는 제1 홈이 형성되고,
    상기 제1 칸막이 부재는, 상기 제1 홈에 끼워 맞춰짐으로써 상기 수열판에 고정되어 있는 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수열판과 함께 상기 제1 칸막이 부재를 사이에 두도록 배치된 커버를 구비하고,
    상기 커버에는, 제2 홈이 형성되고,
    상기 제1 칸막이 부재는, 상기 제2 홈에 끼워 맞춰짐으로써 상기 커버에 고정되어 있는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 커버에 있어서의 상기 복수의 반도체 소자와는 반대측에 고정된 제1 전기 기기를 구비하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수열판에 고정되고, 상기 복수의 반도체 소자 전체를 사이에 두도록 배치된 한 쌍의 제2 칸막이 부재를 구비하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수열판의 상기 제1 면에 있어서의 상기 한 쌍의 제2 칸막이 부재의 외측에 고정된 제1 전기 기기를 구비하는 전력 변환 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수열판에 있어서의 상기 제1 면과는 반대측의 제2 면에 고정된 제2 전기 기기를 구비하는 전력 변환 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수열판을 냉각액에 의해 냉각하는 방열부를 구비하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수열판으로 돌출되는 돌기부를 구비하는 전력 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수열판을 냉각하는 히트 파이프를 구비하는 전력 변환 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 전력 변환 장치를 구비하는 철도 차량.
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