WO2021199252A1

WO2021199252A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2021199252A1
Application number: PCT/JP2020/014762
Authority: WO
Inventors: 宏和高林
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-10-07
Also published as: US20230073236A1; JP7134376B2; CN218788733U; EP4131767A1; JPWO2021199252A1; EP4131767A4

Abstract

電力変換装置（１）は、車両（１００）の屋根（１００ａ）に設置される筐体（１０）と、受熱ブロック（１３）と、少なくとも１つのヒートパイプ（１４）とを備える。筐体（１０）は、電子部品（１１）を収容し、鉛直方向上部に開口部（１０ａ）を有する。受熱ブロック（１３）の一方の主面である第１主面（１３ａ）に、電子部品（１１）が取り付けられる。受熱ブロック（１３）は、筐体（１０）に取り付けられて開口部（１０ａ）を塞ぐ。少なくとも１つのヒートパイプ（１４）は、受熱ブロック（１３）の他方の主面である第２主面（１３ｂ）に取り付けられ、受熱ブロック（１３）から離れる方向に延伸し、内部に冷媒が封入される。

Description

電力変換装置

　本開示は、電力変換装置に関する。

　車両に搭載される電力変換装置には、通電時の発熱による電子部品の損傷を防ぐため、発熱体である電子部品に熱的に接続された冷却装置を有するものがある。冷却装置は、電子部品から伝達された熱を、車両の走行によって生じる走行風に放熱することで、電子部品を冷却する。この種の電力変換装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている電力変換装置は、鉄道車両の床下に取り付けられ、枕木方向に交差する側面に取り付けられた冷却装置を有する。

特開２０１１－５０１６６号公報

　鉄道車両の床下には、電力変換装置の他に、変圧器、空調機器等の多数の機器が設置されているためスペースの制約があり、冷却装置が有するヒートパイプおよびフィンを大きくして、走行風に接触する面を拡大することが難しい。また上述したように鉄道車両の床下に設置されている多数の機器によって、走行風をフィンの間に効率的に通すことが難しい。この結果、ブロワ、ファン等を備えずに、走行風に熱を伝達することで電子部品を冷却する自冷式の電力変換装置の冷却効率を高めることが困難となることがある。

　本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、冷却効率が高い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に、本開示の電力変換装置は、電力変換部と、筐体と、受熱ブロックと、少なくとも１つのヒートパイプと、を備える。電力変換部は、供給された電力を、負荷に供給するための電力に変換して、変換した電力を負荷に供給する。筐体は、電力変換部が有する電子部品を収容し、鉛直方向上部に開口部を有する。また筐体は、車両の屋根に設置される。受熱ブロックの一方の主面には、電子部品が取り付けられる。また受熱ブロックは、筐体に取り付けられて開口部を塞ぐ。少なくとも１つのヒートパイプは、受熱ブロックの他方の主面に取り付けられ、受熱ブロックから離れる方向に延伸し、内部に冷媒が封入される。

　本開示に係る電力変換装置が有するヒートパイプは、車両の屋根に設けられるため、電子部品で生じた熱を走行風に効率的に伝達することが可能となる。この結果、電力変換装置の冷却性能を高めることが可能となる。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路図実施の形態１に係る電力変換装置の車両への搭載方法の例を示す図実施の形態１に係る電力変換装置の断面図実施の形態１に係る電力変換装置の図３のＡ－Ａ線での矢視断面図実施の形態２に係る電力変換装置の車両への搭載例を示す図実施の形態２に係る電力変換装置の断面図実施の形態２に係る電力変換装置の図６のＢ－Ｂ線での矢視断面図実施の形態３に係る電力変換装置の車両への搭載例を示す図実施の形態３に係る導風部材の図８のＣ－Ｃ線での矢視断面図実施の形態に係る電力変換装置の第１変形例の断面図実施の形態に係る電力変換装置の第２変形例の断面図実施の形態に係る電力変換装置の第２変形例の図１１のＤ－Ｄ線での矢視断面図実施の形態に係る電力変換装置の車両への搭載方法の他の例を示す図

　以下、本開示の実施の形態に係る電力変換装置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。

　（実施の形態１）
　鉄道車両の屋根に搭載され、走行風を利用して電子部品を冷却する自冷式の電力変換装置を例にして、実施の形態１に係る電力変換装置について説明する。
　図１に示す電力変換装置１は、図示しない電源から供給される直流電力を負荷である電動機Ｍ１に供給するための三相交流電力に変換し、三相交流電力を電動機Ｍ１に供給する。なお電源は、例えば、架線から電力を取得する集電装置である。また電動機Ｍ１は、例えば、三相誘導電動機である。

　詳細には、電力変換装置１は、電源に接続される一次端子３１ａと、接地される一次端子３１ｂと、両端が一次端子３１ａ，３１ｂに接続され、リップルを除去するフィルタコンデンサＦＣ１と、電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機Ｍ１に供給する電力変換部３２と、を備える。電力変換部３２は、Ｕ相に対応するスイッチング素子３３ａ，３３ｂと、Ｖ相に対応するスイッチング素子３３ｃ，３３ｄと、Ｗ相に対応するスイッチング素子３３ｅ，３３ｆと、を有する。図示しないスイッチング制御部がスイッチング素子３３ａ－３３ｆのオンオフを切り替えることで、電力変換部３２は、電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機Ｍ１に供給する。

　電力変換装置１は、図２に示すように車両１００の屋根１００ａの上に設けられる。詳細には、電力変換装置１は、車両１００が水平に位置している状態で、屋根１００ａの鉛直方向上端に取り付けられる。図２において、Ｘ軸は、車両１００の進行方向を示す。換言すれば、車両１００はＸ軸正方向またはＸ軸負方向に進む。Ｙ軸は、車両１００の幅方向、換言すれば、枕木方向を示す。またＺ軸は、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに直交する。なお車両１００が水平に位置している状態で、Ｚ軸は鉛直方向を示す。

　電力変換装置１は、車両１００の屋根１００ａに取り付けられ、後述の電子部品１１を収容する筐体１０と、筐体１０に取り付けられる後述の冷却装置１２と、冷却装置１２を覆うカバー２０と、を備える。なお電子部品１１は、図１の電力変換部３２が有するスイッチング素子３３ａ－３３ｆ、ダイオード、サイリスタ等の任意の発熱体を示すものとする。

　図３および図３のＡ－Ａ線での矢視断面図である図４に示すように、筐体１０は、電子部品１１を収容し、鉛直方向上部に開口部１０ａを有する。開口部１０ａは、後述の冷却装置１２の受熱ブロック１３によって塞がれる。開口部１０ａが受熱ブロック１３によって塞がれることで、筐体１０の内部に空気、水分、塵埃等が流入することが抑制される。実施の形態１では、筐体１０は、車両１００が水平に位置している状態で、Ｚ軸方向に筐体１０を貫通している開口部１０ａを有する。

　また筐体１０は、車両１００が水平に位置している状態で、鉛直方向に着脱可能に屋根１００ａに取り付けられることが好ましい。筐体１０が鉛直方向に着脱可能であれば、電力変換装置１の保守作業のため、筐体１０を屋根１００ａから取り外す際に、電力変換装置１の周囲に位置する電子機器の取り外しが不要となり、取り外し作業が容易となる。同様に、筐体１０を屋根１００ａに取り付ける際に、電力変換装置１の周囲に位置する電子機器の取り外しが不要となり、筐体１０の取り付け作業が容易となる。

　電子部品１１は、冷却装置１２が有する受熱ブロック１３の第１主面１３ａに取り付けられる。詳細については後述するが、電子部品１１は、通電されると発熱し、熱を受熱ブロック１３に伝達する。

　冷却装置１２は、電子部品１１が取り付けられる受熱ブロック１３と、一部が受熱ブロック１３に取り付けられ、受熱ブロック１３から離れる方向に延伸する少なくとも１つのヒートパイプ１４と、を備える。各ヒートパイプ１４の内部には冷媒が封入される。冷却装置１２はさらに、ヒートパイプ１４の外面に取り付けられる少なくとも１つのフィン１５を備えることが好ましい。実施の形態１では、冷却装置１２は、受熱ブロック１３と、少なくとも１つのヒートパイプ１４と、少なくとも１つのフィン１５と、を備えるものとする。

　また冷却装置１２と、冷却装置１２の受熱ブロック１３に取り付けられた状態の電子部品１１と、を含むユニット４０は、車両１００が水平に位置している状態で、鉛直方向に着脱可能に筐体１０に取り付けられることが好ましい。なおユニット４０は、詳細には、受熱ブロック１３と、少なくとも１つのヒートパイプ１４と、少なくとも１つのフィン１５と、受熱ブロック１３に取り付けられた状態の電子部品１１と、を含む。ユニット４０が鉛直方向に着脱可能であれば、ユニット４０の保守作業のため、ユニット４０を筐体１０から取り外す際に、電力変換装置１の周囲に位置する電子機器の取り外しが不要となり、取り外し作業が容易となる。同様に、ユニット４０を筐体１０に取り付ける際に、電力変換装置１の周囲に位置する電子機器の取り外しが不要となり、ユニット４０の取り付け作業が容易となる。

　なお冷却装置１２の鉛直方向上端は、車両１００が水平に位置している状態で、電力変換装置１の周囲に位置する電子機器の鉛直方向上端よりも高い位置にあることが好ましい。冷却装置１２の鉛直方向上端を周囲に位置する電子機器の鉛直方向上端よりも高くに配置することで、電力変換装置１の冷却効率が高まる。

　上記構成を有する冷却装置１２の各部について、冷却装置１２が８個のヒートパイプ１４を備える構成を例にして説明する。
　受熱ブロック１３は、Ｚ軸の延伸方向に対向する第１主面１３ａおよび第２主面１３ｂを有する。第１主面１３ａには、電子部品１１が取り付けられる。第２主面１３ｂには、ヒートパイプ１４が取り付けられる。詳細には、第２主面１３ｂに形成された溝に、ヒートパイプ１４が挿入され、固定される。また受熱ブロック１３は、筐体１０に取り付けられることで、開口部１０ａを塞ぐ。なお受熱ブロック１３は、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

　ヒートパイプ１４は、受熱ブロック１３の第２主面１３ｂに形成された溝に挿入され、受熱ブロック１３に取り付けられる。そして、ヒートパイプ１４は、受熱ブロック１３を介して電子部品１１から伝達された熱を、車両１００の走行によって生じる後述の走行風Ａ１に伝達する。なおヒートパイプ１４の熱伝導率は、例えば５０００Ｗ／ｍ・Ｋと十分に大きい値である。このため、ヒートパイプ１４は、受熱ブロック１３に固定された一端から伝えられた熱を、速やかに他端に向けて伝達することで、周囲の空気に熱を効率よく伝達することができる。

　ヒートパイプ１４の構造について詳細に説明する。各ヒートパイプ１４は、母管１４ａと、母管１４ａに連通する複数の支管１４ｂとを有する。詳細には、各ヒートパイプ１４は、母管１４ａと、４つの支管１４ｂと、を有する。母管１４ａは、受熱ブロック１３の第２主面１３ｂに形成された溝に挿入され、接着剤による接着、はんだ付け等の任意の固定方法によって、受熱ブロック１３に固定されている。なお母管１４ａは、一部が露出した状態で受熱ブロック１３に固定されている。また母管１４ａは、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

　支管１４ｂは、溶接、はんだ付け等によって、母管１４ａに固定され、母管１４ａに連通している。また支管１４ｂは、受熱ブロック１３から離れる方向、詳細には、第２主面１３ｂから離れる方向に延びる。実施の形態１では、支管１４ｂは、Ｚ軸の延伸方向に延伸する。なお支管１４ｂは、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。

　また各ヒートパイプ１４には、冷媒が封入される。常温では、冷媒は気液二相の状態で存在する。なお冷媒は、電子部品１１から伝達される熱で気化し、ヒートパイプ１４および後述のフィン１５を介して冷却装置１２の周囲の空気に放熱することで液化する物質、例えば、水である。

　各フィン１５は、ヒートパイプ１４の外面に取り付けられる。詳細には、フィン１５は、貫通孔を有し、貫通孔に支管１４ｂが通された状態で、支管１４ｂに固定される。なおフィン１５は、熱伝導率の高い材料、例えば、銅、アルミニウム等の金属で形成される。実施の形態１では、各フィン１５は平板部材で形成され、Ｚ軸の延伸方向に間隔を空けて配置され、支管１４ｂに固定される。

　カバー２０は、筐体１０に取り付けられ、冷却装置１２を覆う。なおカバー２０は、車両１００の進行方向に交差する二面に、任意の形状であって、任意の個数の通風口２０ａを有する。詳細には、カバー２０は、Ｘ軸に直交する二面に、カバー２０をＸ軸方向に貫通する通風口２０ａを有する。

　上記構成を有する電力変換装置１において、電子部品１１が冷却される仕組みについて説明する。車両１００の走行時に電力変換部３２が通電されて電子部品１１が発熱すると、電子部品１１から受熱ブロック１３および母管１４ａを介して、冷媒に熱が伝達される。その結果、冷媒の温度が上昇し、冷媒の一部が気化する。気化した冷媒は、母管１４ａから支管１４ｂの一端を介して支管１４ｂの内部に流入し、さらに支管１４ｂの内部を支管１４ｂの他端に向かって移動する。換言すれば、気化した冷媒は、ヒートパイプ１４の内部をＺ軸正方向に移動する。

　なお車両１００の走行時には、車両１００の走行に伴って生じる走行風Ａ１が、カバー２０の一方の通風口２０ａからカバー２０の内部に流入する。例えば車両１００がＸ軸正方向に走行している場合、図３に示すように、Ｘ軸負方向に流れる走行風Ａ１が生じ、走行風Ａ１がカバー２０の一方の面に形成された通風口２０ａからカバー２０の内部に流入する。カバー２０の内部に流入した走行風Ａ１は、冷却装置１２、詳細には、支管１４ｂおよびフィン１５に接触しながらＸ軸負方向に流れる。そして、走行風Ａ１はカバー２０の他方の面に形成された通風口２０ａからカバー２０の外部に流出する。

　上述したように、冷媒が支管１４ｂの内部を支管１４ｂの他端に向かって移動する間に、支管１４ｂおよびフィン１５を介して、冷媒から走行風Ａ１に熱が伝達される。冷媒が放熱することで、冷媒の温度は下がる。この結果、冷媒は、液化する。液化した冷媒は、支管１４ｂの一端に向かって流れ、母管１４ａに戻る。換言すれば、液化した冷媒は、支管１４ｂの内部をＺ軸負方向に流れ、母管１４ａに戻る。液化して母管１４ａに戻った冷媒は、受熱ブロック１３を介して電子部品１１から熱を伝達されると、再び気化し、支管１４ｂに流入し、支管１４ｂの他端に向かって移動、換言すればＺ軸正方向に移動する。冷媒が上述の気化と液化を繰り返して循環することで、電子部品１１で生じた熱は、走行風Ａ１に放熱されて、電子部品１１は冷却される。

　また電子部品１１が発熱し、電子部品１１から受熱ブロック１３および母管１４ａを介して冷媒に熱が伝達されると、気化しなかった冷媒、すなわち、液体の状態の冷媒に温度差が生じて、対流が生じる。対流によって、冷媒が、電子部品１１から伝達された熱はＸ軸方向に拡散して伝達されるため、電子部品１１は効率よく冷却される。
　上述した冷媒の循環と対流によって、電子部品１１が冷却される。

　電力変換装置１の冷却効率を高めるために、支管１４ｂは、車両限界の範囲で、できる限り長く延伸することが好ましい。なお車両限界は、車両１００の進行方向に直交する断面、すなわちＹＺ平面における車両１００の最大寸法を示す。換言すれば、車両１００および車両１００に搭載される機器は、ＹＺ平面において、車両限界の範囲内に位置する。

　Ｚ軸方向の車両限界は、Ｙ軸方向の位置によって異なることがある。なおＺ軸方向の車両限界は、ＹＺ平面における車両１００のＺ軸方向の最大寸法に相当する。例えば、Ｙ軸方向の中央での車両１００の高さの最大値は、Ｙ軸方向の端部での車両１００の高さの最大値より大きい。この場合、車両１００が水平に位置している状態で、Ｙ軸方向の中央に位置する支管１４ｂの鉛直方向上端は、Ｙ軸方向の端部に位置する支管１４ｂの鉛直方向上端より高く位置すればよい。これにより、車両限界の範囲で、支管１４ｂをできる限り長く延伸することが可能となり、電力変換装置１の冷却効率が向上する。

　同様に、フィン１５は、車両限界の範囲で、できる限り拡大することが好ましい。Ｙ軸方向の車両限界は、Ｚ軸方向の位置によって異なることがある。なおＹ軸方向の車両限界は、ＹＺ平面における車両１００のＹ軸方向の最大寸法に相当する。例えば、屋根１００ａの上部では、Ｚ軸方向の位置が高くなるにつれて、Ｙ軸方向の車両限界の幅は狭くなる。この場合、鉛直方向上部に位置するフィン１５のＹ軸方向の長さＷ１は、鉛直方向下部に位置するフィン１５のＹ軸方向の長さＷ２より短ければよい。これにより、車両限界の範囲で、フィン１５をできる限り拡大することが可能となり、電力変換装置１の冷却効率が向上する。

　なお車両限界の範囲で、支管１４ｂをできる限り長く延伸するため、または、フィン１５をできる限り拡大するために、カバー２０を車両限界に沿った形状とすることが好ましい。

　上述したように走行風Ａ１は、ヒートパイプ１４およびフィン１５から熱を伝達されるため、下流の温度が上流の温度より高い。換言すれば、車両１００の進行方向後方に位置するヒートパイプ１４の冷却効率は、車両１００の進行方向前方に位置するヒートパイプ１４の冷却効率より低い。このため、受熱ブロック１３に取り付けられる位置によって、電子部品１１に温度差が生じることがある。そこで、母管１４ａは、走行風Ａ１の流れる方向、すなわちＸ軸方向に延伸することが好ましい。母管１４ａがＸ軸方向に延伸していると、液体の状態の冷媒が対流することで、電子部品１１から伝達された熱はＸ軸方向に拡散して伝達されるため、電子部品１１の温度差が生じることが抑制される。

　また各フィン１５の主面は、走行風Ａ１の流れる方向、すなわちＸ軸方向に沿って延伸することが好ましい。この場合、通風口２０ａから流入した走行風Ａ１がスムーズにフィン１５に沿って流れるため、電力変換装置１の冷却効率が向上する。例えば、実施の形態１では、各フィン１５の主面はＸ軸方向に沿って延伸し、車両１００が水平に位置している状態で、各フィン１５は水平に位置する。

　またフィン１５の少なくともいずれかのＹ軸方向の長さが、後述の車両１００の車体幅Ｗ３に占める割合は、閾値以上であることが好ましい。閾値は、冷却装置１２に求められる冷却性能に応じて定められればよく、例えば０．５である。実施の形態１では、図４に示すように、鉛直方向下部のフィン１５のＹ軸方向の長さＷ２が、車両１００の車体幅Ｗ３に占める割合は０．５以上である。フィン１５のＹ軸方向の長さが車両１００の車体幅Ｗ３に占める割合を閾値以上とすることで、フィン１５の大きさは、鉄道車両の床下に取り付けられた従来の電力変換装置の側面に設けられている冷却装置が有するフィンよりも大きくすることができる。フィン１５を大きくすることで、より効率的に走行風Ａ１に熱を伝達することが可能となる。この結果、電力変換装置１の冷却効率は、従来の電力変換装置の冷却効率より高くなる。

　フィン１５の主面の面積を、鉄道車両の床下に取り付けられた従来の電力変換装置の側面に設けられている冷却装置が有するフィンの主面の面積と同じにする場合、フィン１５のＹ軸方向の長さを長くすれば、フィン１５のＸ軸方向の長さを短くすることができる。Ｘ軸方向、すなわち、走行風Ａ１の流れる方向におけるフィン１５の長さを短くすると、圧力損失が小さくなり、より多くの走行風Ａ１をフィン１５の間に通すことが可能となる。この結果、従来のフィンと主面の面積が同じフィン１５を用いて電力変換装置１の冷却効率を向上させることが可能となる。

　以上説明した通り、実施の形態１に係る電力変換装置１は、車両１００の屋根１００ａに設置され、筐体１０の鉛直方向上部に形成された開口部１０ａを塞ぐ受熱ブロック１３から離れる方向に延伸するヒートパイプ１４と、ヒートパイプ１４に取り付けられたフィン１５と、を備える。車両１００の屋根１００ａの上にヒートパイプ１４およびフィン１５を設けることで、電子部品１１で生じた熱を走行風Ａ１に効率的に伝達することが可能となる。この結果、電力変換装置１の冷却性能を高めることが可能となる。

　鉄道車両に含まれる複数の車両の内、電動機が搭載されている動力車の数が少ない、換言すれば、集中型の編成の場合、出力が大きい電動機が採用されるため、電動機に電力を供給する電力変換装置の出力も大きくなり、発熱量が増える。従来は、集中型の編成の場合は、ブロワを用いて強制的に風を供給し電力変換装置の冷却を行っていた。実施の形態１に係る電力変換装置１によれば、集中型の編成の場合でも、ファン、ブロワ等を用いることなく、走行風Ａ１を利用して電力変換装置１の電子部品１１を冷却することが可能となる。

　（実施の形態２）
　電力変換装置１は、車両１００の屋根１００ａの鉛直方向上端以外の場所に設けられてもよい。一例として、車両１００の屋根１００ａに設けられた収容部１００ｂに設けられる電力変換装置１について実施の形態２で説明する。なお実施の形態２では、屋根１００ａと一体に形成された収容部１００ｂを例にして、電力変換装置１と電力変換装置１を収容する収容部１００ｂについて説明する。

　図５に示すように、車両１００の屋根１００ａには、鉛直方向上部が開口している凹部である収容部１００ｂが形成されている。詳細には、収容部１００ｂは、車両１００が水平に位置している状態で、鉛直方向上面が開口している。収容部１００ｂは、電力変換装置１の筐体１０を収容する。詳細には、収容部１００ｂの底面に筐体１０の底面が取り付けられる。なお電力変換装置１の構成要素および電子部品１１を冷却する仕組みは、実施の形態１と同様である。

　走行風Ａ１を利用して電子部品１１を冷却するための電力変換装置１の構造について詳細に説明する。
　ヒートパイプ１４の少なくともいずれかの鉛直方向上端は、車両１００が水平に位置している状態で、屋根１００ａの鉛直方向上端より高く位置する。図６および図７に示すように、実施の形態２では、各ヒートパイプ１４の鉛直方向上端は、屋根１００ａの鉛直方向上端より高く位置する。このため、電力変換装置１が収容部１００ｂに設けられていても、各ヒートパイプ１４に走行風Ａ１が接触することが可能となり、電子部品１１を冷却することが可能となる。

　またフィン１５の少なくともいずれかは、車両１００が水平に位置している状態で、屋根１００ａの鉛直方向上端より高く位置する。図６および図７に示すように、実施の形態２では、各フィン１５は、屋根１００ａの鉛直方向上端より高く位置する。このため、電力変換装置１が収容部１００ｂに設けられていても、各フィン１５に走行風Ａ１が接触することが可能となり、電子部品１１を冷却することが可能となる。

　以上説明した通り、実施の形態２に係る電力変換装置１は、車両１００の屋根１００ａに形成された収容部１００ｂに設置されても、電子部品１１を冷却することが可能となる。例えば、車両限界に対する車両１００の大きさが大きい場合に、屋根１００ａに収容部１００ｂを形成することで、電力変換装置１を屋根１００ａの上に配置し、電子部品１１を冷却することが可能となる。

　（実施の形態３）
　カバー２０の内部に、より効果的に走行風Ａ１を取り入れるために、導風部材２１を備える電力変換装置について実施の形態３で説明する。
　図８に示すように、電力変換装置１は、車両１００の進行方向、すなわちＸ軸方向に交差する筐体１０の外面に隣接した位置に設けられる導風部材２１を備える。導風部材２１は、走行風Ａ１を冷却装置１２に導く。詳細には、導風部材２１は、カバー２０に形成された通風口２０ａを介して、走行風Ａ１をヒートパイプ１４およびフィン１５に導く。なお実施の形態３では、２つの導風部材２１が、筐体１０を挟んでＸ軸方向に並べて配置される。

　導風部材２１の形状について詳細に説明する。導風部材２１は、図９に示すように、貫通方向がＸ軸方向に沿い、側面が切り欠かれた筒の形状を有する。なお図９は、図８のＣ－Ｃ線での矢視断面図である。詳細には、導風部材２１は、側面が切り欠かれた角筒の形状を有する。なお導風部材２１は、筒の切り欠かれた部分が屋根１００ａに対向する向きで屋根１００ａに取り付けられる。図９では、導風部材２１は、筒の切りかかれた部分が屋根１００ａに形成された収容部１００ｂの底面に取り付けられている。このように、導風部材２１は、屋根１００ａに取り付けられることで、屋根１００ａとの間に、走行風Ａ１を冷却装置１２に導く通風路２１ａを形成する。詳細には、導風部材２１は、走行風Ａ１をカバー２０に形成された通風口２０ａを介してヒートパイプ１４およびフィン１５に導くために、Ｘ軸方向に導通する通風路２１ａを形成する。

　なお導風部材２１が形成する通風路２１ａの筐体１０に近い端面の面積は、通風路２１ａの筐体１０から遠い端面の面積より小さいことが好ましい。この場合、屋根１００ａに沿って流れている走行風Ａ１をヒートパイプ１４およびフィン１５に、効率よく導くことが可能となる。

　以上説明した通り、実施の形態３に係る電力変換装置１によれば、導風部材２１を設けることで、冷却装置１２に効率的に走行風Ａ１を導くことが可能となる。

　筐体１０を挟んで２つの導風部材２１がＸ軸方向に並べて配置されている場合は、車両１００がＸ軸正方向に進んでいる場合および車両１００がＸ軸負方向に進んでいる場合のいずれにおいても、走行風Ａ１を冷却装置１２に、効率よく導くことが可能となる。

　なお各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
　一例として、実施の形態１に係る電力変換装置１は、筐体１０を挟み、Ｘ軸方向に並べて設けられた２つの導風部材２１を備えてもよい。換言すれば、車両１００が水平に位置している状態で、屋根１００ａの鉛直方向上端に導風部材２１を設けてもよい。

　電力変換装置１に供給される電力は、直流電力に限られない。例えば、電力変換装置１は、交流電力を直流電力に変換するコンバータでもよい。同様に、電力変換装置１が負荷に供給する電力は、三相交流電力に限られない。例えば、電力変換装置１は、直流電動機である負荷に直流電力を供給してもよい。

　電動機Ｍ１は、三相誘導電動機に限られず、同期電動機、直流電動機等でもよい。また電力変換装置１は、電動機Ｍ１に電力を供給する自冷式の電力変換装置に限られない。一例として、電力変換装置１が供給する負荷は、照明機器、空調機器等の電力を消費する任意の電子機器である。

　また電力変換装置１は、鉄道車両に限られず、トロリーバス、路面電車等の走行風Ａ１が生じる任意の移動体に搭載することができる。

　筐体１０の形状は、電子部品１１を内部に収容し、屋根１００ａに取り付け可能な形状であれば、任意である。一例として、筐体１０の鉛直方向上面は、車両１００が水平に位置した状態で、水平面に対して傾いていてもよい。例えば、車両の進行方向が一定である場合、筐体１０は、車両の進行方向前方に向けて傾いた上面を有することが好ましい。これにより、ヒートパイプ１４およびフィン１５により効率的に走行風Ａ１を接触させることが可能となる。

　受熱ブロック１３は、一枚の板状部材で形成されてもよいし、複数の板状部材を組み合わせて形成されてもよい。一枚の板状部材で受熱ブロック１３を形成することで、電力変換装置１の製造工程が簡易となり、また筐体１０の密閉性を高めることが可能となる。

　ヒートパイプ１４の形状は、内部に封入された冷媒の循環によって電子部品１１を冷却することを可能とする形状であれば、任意である。一例として、図１０に示す電力変換装置２は、Ｌ字形に折り曲げられたヒートパイプ２２を備える。ヒートパイプ２２の一部はＸ軸方向に延伸し、他の一部はＺ軸方向に延伸する。なお電力変換装置２は、実施の形態２と同様に、屋根１００ａに形成された収容部１００ｂに設けられてもよい。

　他の一例として、ヒートパイプ１４の形状は、Ｕ字形でもよいし、環状でもよい。またヒートパイプ１４の延伸方向に直交する断面の形状は、円形に限られず、扁平形状でもよい。詳細には、母管１４ａおよび支管１４ｂのそれぞれの延伸方向に直交する断面の形状は、円形でもよいし、扁平形状でもよい。なお扁平形状は、円の一部の幅を元の円より狭く変形することで得られる形状であり、楕円、流線型、長円等を含む。なお長円は、同一の直径の円の外縁を直線で繋いだ形状を意味する。

　また他の一例として、ヒートパイプ１４は、受熱ブロック１３に形成された溝に連通してもよい。この場合、ヒートパイプ１４は、一端が閉じられた管状の形状を有すればよい。

　ヒートパイプ１４の個数は、上述の例に限られず、任意である。また母管１４ａの個数、各母管１４ａに取り付けられる支管１４ｂの個数は、上述の例に限られず、任意である。
　各ヒートパイプ１４の鉛直方向上端の位置は、実施の形態に示したように異なってもよいし、互いに同じでもよい。

　フィン１５の個数は、上述の例に限られず、任意である。
　フィン１５のＹ軸方向の幅の長さは、実施の形態に示したように異なってもよいし、互いに同じでもよい。
　フィン１５の形状は、上述の例に限られず、任意である。例えば、フィン１５は、実施の形態に示すように平板部材で形成されてもよいし、曲げられた板状部材で形成されてもよい。

　上述の実施の形態では、一枚の板状部材で形成されたフィン１５がＺ軸方向に並べて配置されている。フィン１５の形状は、上述の例に限られず、各フィン１５は、複数の板状部材で形成されてもよい。一例として、図１１および図１１のＤ－Ｄ線での矢視断面図である図１２に示す電力変換装置３が備える冷却装置１２は、複数のフィン２３を有する。各フィン２３は、平板部材２３ａ，２３ｂで形成されている。

　各フィン１５は互いに同じ部材で形成されてもよいし、フィン１５の少なくともいずれかは、他のフィン１５と異なる部材で形成されてもよい。フィン１５の少なくともいずれかを、他のフィン１５と異なる部材で形成する場合、フィン１５の少なくともいずれかの熱伝導率は、他のフィン１５の熱伝導率と異なる。この場合、鉛直方向上部に位置するフィン１５の熱伝導率は、鉛直方向下部に位置するフィン１５の熱伝導率より高いことが好ましい。例えば、鉛直方向上部のフィン１５を銅で形成し、鉛直方向下部のフィン１５をアルミニウムで形成してもよい。

　なお鉛直方向上部に位置するフィン１５は、電力変換装置１の周囲に他の機器が設けられていても、走行風Ａ１と接触することが容易である。このため、鉛直方向上部に位置するフィン１５の熱伝導率を高くすることで、電力変換装置１の冷却効率を向上させることが可能となる。

　カバー２０の形状は、冷却装置１２を覆い、走行風Ａ１を内部に流入させることができる形状であれば任意である。一例として、カバー２０は、鉛直方向上面が曲面の形状を有してもよい。また他の一例として、カバー２０は、鉛直方向上面が平面の形状を有してもよい。なおカバー２０は、車両限界の範囲で内部のスペースを最大限にする形状を有することが好ましい。

　導風部材２１の形状は、側面が切り欠かれた角筒に限られず、走行風Ａ１を冷却装置１２に導くことが可能な形状であれば、任意である。一例として、導風部材２１は、側面が切り欠かれた円筒の形状を有してもよい。他の一例として、導風部材２１は、側面の一部が屋根１００ａに取り付けられ、断面が多角形である筒の形状を有してもよい。

　また導風部材２１は、実施の形態に示すように、筐体１０およびカバー２０のそれぞれから離隔して設けられてもよいし、筐体１０およびカバー２０の少なくともいずれかに当接して設けられてもよい。

　なお導風部材２１の個数は任意である。例えば、車両の進行方向が一定である場合、車両の進行方向前方に１つの導風部材２１が設けられてもよい。

　スイッチング素子３３ａ－３３ｆは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを含む。

　収容部１００ｂの開口面は、実施の形態２に示すように、車両１００が水平に位置している状態で、水平に位置してもよいし、水平面に対して傾いていてもよい。
　収容部１００ｂは、屋根１００ａとは別体に形成されていてもよい。一例として、図１３に示すように、収容部１００ｂは、幅方向に対向する一対の屋根上カバー１００ｃでもよい。一対の屋根上カバー１００ｃのそれぞれの主面は、幅方向に対向する。また一対の屋根上カバー１００ｃはそれぞれ、主面が平面である板状部材でもよいし、主面が曲面である板状部材でもよい。

　電力変換装置１－３は、開口部１０ａを取り囲み、筐体１０および受熱ブロック１３のそれぞれに当接するシール部材をさらに備えてもよい。シール部材を備えることで、筐体１０の密閉性が高まる。

　本開示は、本開示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、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、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開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

　１，２，３　電力変換装置、１０　筐体、１０ａ　開口部、１１　電子部品、１２　冷却装置、１３　受熱ブロック、１３ａ　第１主面、１３ｂ　第２主面、１４，２２　ヒートパイプ、１４ａ　母管、１４ｂ　支管、１５，２３　フィン、２０　カバー、２０ａ　通風口、２１　導風部材、２１ａ　通風路、２３ａ，２３ｂ　平板部材、３１ａ，３１ｂ　一次端子、３２　電力変換部、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ　スイッチング素子、４０　ユニット、１００　車両、１００ａ　屋根、１００ｂ　収容部、１００ｃ　屋根上カバー、Ａ１　走行風、ＦＣ１　フィルタコンデンサ、Ｍ１　電動機、Ｗ１，Ｗ２　長さ、Ｗ３　車体幅。

Claims

　供給された電力を、負荷に供給するための電力に変換して、変換した前記電力を前記負荷に供給する電力変換部と、
　前記電力変換部が有する電子部品を収容し、鉛直方向上部に開口部を有し、車両の屋根に設置される筐体と、
　一方の主面に前記電子部品が取り付けられ、前記筐体に取り付けられて前記開口部を塞ぐ受熱ブロックと、
　前記受熱ブロックの他方の主面に取り付けられ、前記受熱ブロックから離れる方向に延伸し、内部に冷媒が封入される少なくとも１つのヒートパイプと、
　を備える電力変換装置。
　前記車両の前記屋根に設けられ、鉛直方向上部が開口している収容部に、前記筐体が収容される、
　請求項１に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記少なくとも１つのヒートパイプの少なくともいずれかの鉛直方向上端は、前記屋根の鉛直方向上端より高く位置する、
　請求項１または２に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記少なくとも１つのヒートパイプは、鉛直方向に延伸する、
　請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　複数の前記ヒートパイプを備え、
　前記車両が水平に位置している状態で、前記複数のヒートパイプの内、前記車両の幅方向の中央に位置する前記ヒートパイプの鉛直方向上端は、前記複数のヒートパイプの内、前記車両の幅方向の端部に位置する前記ヒートパイプの鉛直方向上端より高く位置する、
　請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記少なくとも１つのヒートパイプの外面に取り付けられる少なくとも１つのフィンをさらに備える、
　請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記少なくとも１つのフィンの少なくともいずれかは、前記屋根の鉛直方向上端より高く位置する、
　請求項６に記載の電力変換装置。
　前記少なくとも１つのフィンは板状部材で形成され、
　前記少なくとも１つのフィンの主面は、前記車両の進行方向に沿って延伸する、
　請求項６または７に記載の電力変換装置。
　前記少なくとも１つのフィンの少なくともいずれかの前記車両の幅方向の長さが前記車両の車体幅に占める割合は、閾値以上である、
　請求項６から８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　複数の前記フィンを備え、
　前記複数のフィンの内、鉛直方向上部に位置する前記フィンの前記車両の幅方向の長さは、前記複数のフィンの内、鉛直方向下部に位置する前記フィンの前記車両の幅方向の長さより短い、
　請求項６から９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　複数の前記フィンを備え、
　前記複数のフィンのいずれかの熱伝導率は、他の前記フィンの熱伝導率と異なる、
　請求項６から１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記複数のフィンの内、鉛直方向上部に位置する前記フィンの熱伝導率は、前記複数のフィンの内、鉛直方向下部に位置する前記フィンの熱伝導率より高い、
　請求項１１に記載の電力変換装置。
　前記筐体に取り付けられ、前記少なくとも１つのヒートパイプおよび前記少なくとも１つのフィンを覆い、前記車両の進行方向に交差する二面に通風口を有するカバーをさらに備える、
　請求項６から１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記筐体は、鉛直方向に着脱可能に前記屋根に取り付けられる、
　請求項１から１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記少なくとも１つのヒートパイプと、前記受熱ブロックと、前記受熱ブロックに取り付けられた状態の前記電子部品と、を含むユニットは、鉛直方向に着脱可能に前記筐体に取り付けられる、
　請求項１から１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記筐体の前記車両の進行方向に交差する外面に隣接した位置に設けられ、前記車両の走行時に発生する走行風を前記少なくとも１つのヒートパイプに導く導風部材をさらに備える、
　請求項１から１５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記車両が水平に位置している状態で、前記導風部材の前記筐体に近い端部の鉛直方向の高さは、前記導風部材の前記筐体から遠い端部の鉛直方向の高さより低い、
　請求項１６に記載の電力変換装置。
　前記導風部材は、貫通方向が前記車両の進行方向に沿い、側面が切り欠かれた筒の形状を有し、
　前記導風部材は、前記筒の切り欠かれた部分が前記屋根に対向する状態で前記屋根に取り付けられることで、前記屋根との間に、前記走行風を前記少なくとも１つのヒートパイプに導く通風路を形成する、
　請求項１６または１７に記載の電力変換装置。
　前記筐体の前記開口部を取り囲み、前記筐体および前記受熱ブロックのそれぞれに当接するシール部材をさらに備える、
　請求項１から１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記受熱ブロックは一枚の板状部材で形成される、
　請求項１から１９のいずれか１項に記載の電力変換装置。