WO2018020615A1

WO2018020615A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2018020615A1
Application number: PCT/JP2016/072039
Authority: WO
Inventors: 英俊北中; 角田　英俊; 祐平山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01
Also published as: US20190166729A1; JP6433631B2; US10945355B2; JPWO2018020615A1; EP3493388B1; EP3493388A1; EP3493388A4

Abstract

第１のユニット（１０）の密閉部（１０ａ）には、電力変換部に含まれる電子部品が収容され、第１のユニット（１０）は、該電子部品から伝達された熱を放熱する開放部（１０ｂ）に露出したヒートシンクを有する。第２のユニット（２０）の第１の空間（２０ａ）には送風機が収容され、送風機の羽根車の少なくとも一部は開口（２２）から第２の空間（２０ｂ）に露出する。第３のユニット（３０）には、リアクトルが収容される。外気は、流入口（１３）から流入し、電力変換装置（１）の内部に流入し、開放部（１０ｂ）、第１の通風口（１４）、第２の空間（２０ｂ）、開口（２２）、第１の空間（２０ａ）、第２の通風口（２３）、および第３のユニット（３０）を通って、流出口（３１）から電力変換装置（１）の外部に排出される。

Description

電力変換装置

　この発明は、電力変換装置に関する。

　電気鉄道車両の屋根上または床下には、架線から取得した電力を変換して電動機または車載機器に供給する電力変換装置が搭載される。電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作によって入力電力を変換して所望の交流電力を出力する電力変換部を有する。半導体素子はスイッチング動作を行う際に発熱するため、半導体素子から伝達された熱を放熱するフィンまたは剣山状のヒートシンクが形成される。冷却効率を高めるため、ヒートシンクは、外気に触れる位置に設けられる。一方、電力変換部を構成する半導体素子および電力変換部に制御信号を出力する出力制御部を構成する電子部品は、粉塵および水分による故障を防止するため、外気に触れない筐体の内部に設けられる。このように、電力変換装置を構成する各部品の設置場所は、冷却の必要性ならびに防塵および防水の必要性に応じて決定される。

　特許文献１において、従来技術として記載されている強制空冷型車両用機器収納装置の収納箱は、外気が流入しない半導体室、送風機室、および風洞を有する。送風機室の側壁に空気入口が形成され、送風機室に設けられた横流ファンが外気を吸い込み、風洞に向かって空気を排出する。風洞には、半導体素子が装着された冷却フィンが設けられており、横流ファンからの空気で冷却フィンが冷却されることで、半導体素子の温度上昇が抑制される。

特開昭６０－０７６４６１号公報

　上記強制空冷型車両用機器収納装置では、半導体室、送風機室、および風洞がそれぞれ設けられ、またファンはケーシングに収納されているため、装置の大型化、構成部材数の増加、および組み立て作業の複雑化という課題がある。

　本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、冷却性能を維持しながら、電力変換装置の構造を簡易化することが目的である。

　上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、入力電力を変換して出力する電力変換部、電力変換部の入力側に接続されるリアクトル、および電力変換部に含まれる電子部品を制御する制御部を備える電力変換装置であって、第１のユニット、第２のユニット、および第３のユニットを備える。第１のユニットは、筐体の内部が隔壁によって、外気が流入しない密閉部と外気が流入する開放部に分けられる。第１のユニットは、密閉部に電子部品を収容し、電子部品から伝達された熱を放熱する、開放部に露出したヒートシンクを有する。第２のユニットは第１のユニットに隣接し、筐体の内部が開口を有する隔壁によって第１の空間と第２の空間に分けられる。第２のユニットは、第２の空間から第１の空間に向かって送風し、少なくとも一部が開口から第２の空間に露出する羽根車を有する送風機を第１の空間に収容する。第３のユニットは、第２のユニットに隣接し、リアクトルを収容する。開放部を形成する第１のユニットの筐体と、第２の空間を形成する第２のユニットの筐体とが接する部分に第１の通風口が形成される。開放部を形成する第１のユニットの筐体に外気が流入する流入口が形成される。第１の空間を形成する第２のユニットの筐体と第３のユニットの筐体とが接する部分に第２の通風口が形成される。第３のユニットの筐体に第２の通風口から流入した空気を排出する流出口が形成される。

　本発明によれば、電力変換部に含まれる電子部品が収容される密閉部と開放部とを有する第１のユニット、送風機が収容される第２のユニット、およびリアクトルが収容される第３のユニットを設け、第１のユニットの流入口から、第２のユニットを通って、第３のユニットの流出口に至る空気の流路を設けることで、冷却性能を維持しながら、電力変換装置の構造を簡易化することが可能である。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の筐体の斜視図実施の形態に係る第１のユニットの筐体の斜視図実施の形態に係る第１のユニットの筐体の斜視図実施の形態に係る第２のユニットの筐体の斜視図実施の形態に係る第３のユニットの筐体の斜視図実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図実施の形態に係る電力変換部に含まれる電子部品の斜視図実施の形態に係る送風機の斜視図実施の形態に係る電力変換装置の断面図実施の形態に係る電力変換装置の断面図実施の形態に係る電力変換装置の断面図

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

　図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の筐体の斜視図である。図１においては、電力変換装置１の上面の記載を省略した。電力変換装置１は、後述する各ユニットを組み合わせて構成される。ユニット間を通る空気の流路を確保することで、電力変換装置１の各部を冷却することが可能である。図１の例では、電力変換装置１は、同じ大きさの、第１のユニット１０、第２のユニット２０、第３のユニット３０および第４のユニット４０で構成され、第１のユニット１０および第４のユニット４０はそれぞれ、第２のユニット２０および第３のユニット３０と隣接する。すなわち、図１の例では、第１のユニット１０および第２のユニット２０の隣接方向と、第２のユニット２０および第３のユニット３０の隣接方向とは直交し、第４のユニット４０は第１のユニット１０および第３のユニット３０に隣接する。図１において図示されていない電力変換装置１の上面には、電力変換装置１を構成する電子部品の取り付けおよび取り外しを可能にする開口部および開口部を塞ぐ蓋が設けられる。

　第１のユニット１０は、筐体の内部が隔壁１１によって、外気が流入しない密閉部１０ａと外気が流入する開放部１０ｂに分けられる。密閉部１０ａには、後述する、電力変換部に含まれる電子部品が収容され、第１のユニット１０は、該電子部品から伝達された熱を放熱する開放部１０ｂに露出したヒートシンクを有する。隔壁１１に形成される開口１２は、後述する、該電子部品が設けられた基板によって塞がれるため、該電子部品が収容される空間である密閉部１０ａには、外気が流入しない。図１の例では、隔壁１１に２つの開口１２が形成されているが、開口１２の数は任意である。開放部１０ｂを形成する第１のユニット１０の筐体と、後述する第２の空間を形成する第２のユニット２０の筐体とが接する部分に第１の通風口１４が形成される。開放部１０ｂを形成する第１のユニット１０の筐体に外気が流入する流入口１３が形成される。

　第２のユニット２０は、筐体の内部が隔壁２１によって第１の空間２０ａと第２の空間２０ｂに分けられ、隔壁２１には開口２２が形成される。上述のように、開放部１０ｂを形成する第１のユニット１０の筐体と、第２の空間２０ｂを形成する第２のユニット２０の筐体とが接する部分に第１の通風口１４が形成される。第１の空間２０ａを形成する第２のユニット２０の筐体と第３のユニット３０の筐体とが接する部分に第２の通風口２３が形成される。第２のユニット２０には、後述する、第２の空間２０ｂから第１の空間２０ａに向かって送風する送風機が収容される。

　第３のユニット３０の筐体に第２の通風口２３と第２の通風口２３から流入した空気を排出する流出口３１が形成される。第３のユニット３０には、後述するリアクトルが、収容される。第２のユニット２０に収容される送風機の動作によって、流入口１３から開放部１０ｂに流入した外気は、第１の通風口１４を通って第２の空間２０ｂに流入する。第２の空間２０ｂに流入した空気は開口２２を通って第１の空間２０ａに流入し、第２の通風口２３を通って第３のユニット３０に流入し、流出口３１から電力変換装置１の外部に排出される。

　第４のユニット４０の内部には、外気が流入しない。第４のユニット４０には、防水性および防塵性が求められる電子部品が収容される。

　図２および図３は、実施の形態に係る第１のユニットの筐体の斜視図である。図４は、実施の形態に係る第２のユニットの筐体の斜視図である。図５は、実施の形態に係る第３のユニットの筐体の斜視図である。図２から図５の例では、開放部１０ｂを形成し、第２のユニット２０に接する第１のユニット１０の筐体の一部に流出口１４ａが形成される。第１のユニット１０の筐体に流出口１４ａと対向する流入口１３が形成される。第２の空間２０ｂを形成し、第１のユニット１０に接する第２のユニット２０の筐体の一部に流出口１４ａと対向する流入口１４ｂが形成される。第１のユニット１０の流出口１４ａおよび第２のユニット２０の流入口１４ｂとで、第１の通風口１４が構成される。第１の空間２０ａを形成し、第３のユニット３０に接する第２のユニット２０の筐体の一部に流出口２３ａが形成される。第２のユニット２０に接する第３のユニット３０の筐体の一部に流出口２３ａと対向する流入口２３ｂが形成される。第２のユニット２０の流出口２３ａと第３のユニット３０の流入口２３ｂとで、第２の通風口２３が形成される。第３のユニット３０の筐体に流入口２３ｂと対向する流出口３１が形成される。上述の例では、流入口１３と第１の通風口１４とが対向し、第２の通風口２３と流出口３１とが対向するが、流入口１３、第１の通風口１４、第２の通風口２３および流出口３１を設ける位置は、上述の例に限られない。外気が第１のユニット１０から流入し、第２のユニット２０を通って、第３のユニット３０から排出されるように、任意の位置に流入口１３、第１の通風口１４、第２の通風口２３および流出口３１を設けることができる。

　図６は、実施の形態に係る電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。電力変換装置１は、集電装置１０２を介して架線１０１から取得した電力を変換して、出力側に接続される、電気鉄道車両を駆動する電動機１０３および、空調装置または照明装置である負荷装置１０４に電力を供給する。架線１０１から取得された電力は、スイッチ２および入力リアクトル３を介して電力変換部７０，８０に入力される。電力変換部７０は、コンデンサ７１およびスイッチング素子７２，７３，７４，７５，７６，７７を有するインバータ回路である。電力変換部８０は、コンデンサ８１およびスイッチング素子８２，８３，８４，８５，８６，８７を有するインバータ回路である。図６の各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、任意の半導体素子を用いることができる。電力変換部７０および電力変換部８０の構成は、図６の例に限られない。負荷装置１０４に直流電力を供給する場合には、電力変換部８０はＤＣ－ＤＣ変換器（Direct-Current-to-Direct-Current Converter）であってもよい。

　リアクトル３は、銅またはアルミの導体をコイル状に巻き回して製造される。リアクトル３の動作中は、導体の抵抗により大きな損失が発生するため、強制的に冷却する必要がある。制御部４は、スイッチ２のオンオフの切り替え、およびスイッチング素子７２，７３，７４，７５，７６，７７，８２，８３，８４，８５，８６，８７の切り替えを制御する。平滑回路５は、電力変換部８０が出力するパルス波形を平滑化する。平滑回路５によって、正弦波交流が得られる。送風機６は、平滑回路５によって平滑化された電力変換部８０の出力によって駆動される。負荷装置１０４には、平滑回路５によって平滑化された電力変換部８０の出力が供給される。スイッチ２、制御部４、および平滑回路５は、リアクトル３および電力変換部７０，８０に含まれる電子部品と比べると、発熱量が小さい。スイッチ２，制御部４、および平滑回路５については、粉塵および水分による故障を防止する必要がある。

　電力変換部７０，８０に含まれる電子部品は発熱するため、外気によって強制的に冷却する必要がある。図７は、実施の形態に係る電力変換部に含まれる電子部品の斜視図である。電力変換部７０，８０に含まれる電子部品は基板８８に設けられ、基板８８の面の内、該電子部品が設けられる面と反対側の面にヒートシンクが形成される。図７では、電力変換部８０に含まれるスイッチング素子８２，８３，８４を示した。図７の例では、スイッチング素子８２，８３，８４が基板８８に設けられ、基板８８の面の内、スイッチング素子８２，８３，８４が設けられる面と反対側の面にヒートシンクとして、フィン８９が形成される。

　図８は、実施の形態に係る送風機の斜視図である。送風機６は、開口が形成されているベース６１、ベース６１に固定された支持部６２、支持部６２によって支持される送風機用電動機６３、および送風機用電動機６３によって回転させられる羽根車６４で構成される。羽根車６４はケーシングに格納されておらず、露出している。図８の例では、送風機６は遠心送風機であるが、任意の送風機を用いることができる。

　電力変換装置１の各部の、図１に示す電力変換装置１の筐体内への設置について説明する。強制的に冷却する必要がある電力変換部７０，８０に含まれる電子部品は第１のユニット１０に収容され、送風機６は第２のユニット２０に収容され、強制的に冷却する必要があるリアクトル３は第３のユニット３０に収容され、スイッチ２、制御部４、および平滑回路５は第４のユニット４０に収容される。異なるユニットに収容される電力変換装置１の各部を接続する接続導体はユニットの外部に引き通されてもよいし、ユニット間の隔壁に接続導体を挿通する孔を設けてもよい。

　図９、図１０、および図１１は、実施の形態に係る電力変換装置の断面図である。図９は、図１におけるＡ－Ａ線での断面図であり、図１０は、図１におけるＢ－Ｂ線での断面図であり、図１１は、図１におけるＣ－Ｃ線での断面図である。図７に示す基板８８は、密閉部１０ａに設けられ、基板８８によって開口１２が塞がれ、フィン８９は開口１２から開放部１０ｂに露出する。開口１２は、基板８８に塞がれているため、密閉部１０ａには外気が流入しない。一方、開放部１０ｂには、流入口１３から外気が流入する。

　図８に示す送風機６は、第１の空間２０ａに収容される。送風機６は、第２の空間２０ｂから第１の空間２０ａに向かって送風し、羽根車６４の少なくとも一部は、開口２２から第２の空間２０ｂに露出する。図８に示す遠心送風機の場合は、羽根車６４の回転中心軸は隔壁２１に直交する。リアクトル３を収容する方向は任意であるが、第２の通風口２３と流出口３１とが対向する場合に、リアクトル３の中心軸を第２の通風口２３から流出口３１へ向かう方向に一致させるように、リアクトル３を第３のユニット３０に収容することで、より効率よくリアクトル３を冷却することが可能である。リアクトル３は、図示しないフレームにボルトで取り付けられ、該フレームが第３のユニット３０の筐体の内部に固定される。

　図９および図１１において、空気の流れを白抜きの矢印で示す。流入口１３から開放部１０ｂに流入した外気はフィン８９の間を通り、第１の通風口１４を通って第２の空間２０ｂに流入する。送風機用電動機６３の動作によって羽根車６４が回転すると、羽根車６４の中心が負圧になるため、第２の空間２０ｂの空気は、開口２２を通って羽根車６４に吸い込まれ、第１の空間２０ａに排出される。第１の空間２０ａに排出された空気は、第２の通風口２３を通って、第３のユニット３０に流入する。第３のユニット３０に流入した空気は、リアクトル３を通って、流出口３１から電力変換装置１の外部に排出される。電力変換装置１は、流入口１３から、第１の通風口１４、開口２２、および第２の通風口２３を通って、流出口３１に至る空気の流路を有するため、電力変換部７０，８０に含まれる電子部品およびリアクトル３を冷却することが可能である。電力変換装置１は、排気用ダクトおよび送風機６のケーシングを有さないため、構造が簡易である。

　第１のユニット１０、第２のユニット２０、第３のユニット３０、および第４のユニット４０を組み合わせて電力変換装置１を構成することで、電力変換装置１の構造を簡易化することが可能であり、電力変換装置１に含まれる電子部品を、冷却の必要性ならびに防塵および防水の必要性に応じて適切な位置に設けることが可能である。

　また図１の例のように、隔壁１１，２１を水平に配置した場合には、電力変換装置１の上面から各ユニットに電子部品を取り付けることができるため、組み立てが容易である。

　以上説明したとおり、実施の形態に係る電力変換装置１によれば、電子部品が収容される密閉部１０ａと開放部１０ｂを有する第１のユニット１０、送風機６が収容される第２のユニット２０、およびリアクトル３が収容される第３のユニット３０を設け、流入口１３から、第１の通風口１４、開口２２、および第２の通風口２３を通って、流出口３１に至る空気の流路を設けることで、冷却性能を維持しながら、電力変換装置１の構造を簡易化することが可能である。

　本発明は、上述の実施の形態に限られない。図１の例では、電力変換装置１は、各ユニットを１つずつ備えているが、電力変換装置１は少なくとも１つの第１のユニット１０、少なくとも１つの第２のユニット２０、および少なくとも１つの第３のユニット３０を備えていればよく、ユニットの組み合わせ方は任意である。図１の例では各ユニットの大きさは同じであるが、各ユニットの大きさは収容される電子部品に応じて異なる大きさとしてもよい。電力変換部の数が多い場合には、電力変換装置１は、第１のユニット１０を複数備えてもよいし、第１のユニット１０の大きさを他のユニットに比べて大きくしてもよい。図１の例では、電力変換装置１は、電気鉄道車両の屋根上に設置されるが、鉛直方向の向きを逆にして、電気鉄道車両の床下に設置することも可能である。

　本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

　１　電力変換装置、２　スイッチ、３　リアクトル、４　制御部、５　平滑回路、６　送風機、１０　第１のユニット、１０ａ　密閉部、１０ｂ　開放部、１１，２１　隔壁、１２，２２　開口、１３　流入口、１４　第１の通風口、１４ａ，２３ａ　流出口、１４ｂ，２３ｂ　流入口、２０　第２のユニット、２０ａ　第１の空間、２０ｂ　第２の空間、２３　第２の通風口、３０　第３のユニット、３１　流出口、４０　第４のユニット、６１　ベース、６２　支持部、６３　送風機用電動機、６４　羽根車、７０，８０　電力変換部、７１，８１　コンデンサ、７２，７３，７４，７５，７６，７７，８２，８３，８４，８５，８６，８７　スイッチング素子、８８　基板、８９　フィン、１０１　架線、１０２　集電装置、１０３　電動機、１０４　負荷装置。

Claims

　入力電力を変換して出力する電力変換部、前記電力変換部の入力側に接続されるリアクトル、および前記電力変換部に含まれる電子部品を制御する制御部を備える電力変換装置であって、
　筐体の内部が隔壁によって、外気が流入しない密閉部と外気が流入する開放部に分けられ、前記密閉部に前記電子部品を収容し、前記電子部品から伝達された熱を放熱する前記開放部に露出したヒートシンクを有する第１のユニットと、
　前記第１のユニットに隣接し、筐体の内部が開口を有する隔壁によって第１の空間と第２の空間に分けられ、前記第２の空間から前記第１の空間に向かって送風し、少なくとも一部が前記開口から前記第２の空間に露出する羽根車を有する送風機を前記第１の空間に収容する第２のユニットと、
　前記第２のユニットに隣接し、前記リアクトルを収容する第３のユニットと、
　を備え、
　前記開放部を形成する前記第１のユニットの筐体と、前記第２の空間を形成する前記第２のユニットの筐体とが接する部分に第１の通風口が形成され、前記開放部を形成する前記第１のユニットの筐体に外気が流入する流入口が形成され、前記第１の空間を形成する前記第２のユニットの筐体と前記第３のユニットの筐体とが接する部分に第２の通風口が形成され、前記第３のユニットの筐体に前記第２の通風口から流入した空気を排出する流出口が形成される、
　電力変換装置。
　前記制御部を収容し、外気が内部に流入しない第４のユニットをさらに備える請求項１に記載の電力変換装置。
　前記電力変換部の入力側に接続され、前記第４のユニットに収容されるスイッチと、
　前記電力変換部の出力側に接続され、前記第４のユニットに収容される平滑回路と、
　をさらに備え、
　前記送風機は前記平滑回路によって平滑化された前記電力変換部の出力によって駆動される、
　請求項２に記載の電力変換装置。
　前記第１のユニットの前記隔壁および前記第２のユニットの前記隔壁は水平であり、
　前記第１のユニットの鉛直方向の上部が前記密閉部であって、前記第１のユニットの鉛直方向の下部が前記開放部であり、
　前記第２のユニットの鉛直方向の上部の空間が前記第１の空間であって、前記第２のユニットの鉛直方向の下部が前記第２の空間であり、
　前記電力変換装置は、車両の屋根上に設置される、
　請求項１に記載の電力変換装置。
　前記制御部を収容し、外気が内部に流入しない第４のユニットをさらに備え、
　前記第１のユニットおよび前記第２のユニットの隣接方向と、前記第２のユニットおよび前記第３のユニットの隣接方向とは直交し、
　前記第４のユニットは前記第１のユニットおよび前記第３のユニットに隣接する、
　請求項４に記載の電力変換装置。