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公開番号2020171196
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2020126144
出願日20200727
発明の名称鉄道車両の電力変換装置
出願人株式会社日立製作所
代理人特許業務法人第一国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】鉄道車両に搭載される電力変換装置の冷却性能を向上する。
【解決手段】複数のパワー半導体素子と、受熱部材とを備え、前記複数のパワー半導体素子は前記受熱部材の一方側の面に取付けられた鉄道車両の電力変換装置において、前記受熱部材を車体下部に水平方向に設置し、前記パワー半導体素子を前記受熱部材の上側に配置し、前記受熱部材の反対側の面に、自励振動ヒートパイプからなる放熱部を設置し、前記放熱部に車両の走行により生じる風を取り込む構造とした。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
複数のパワー半導体素子と、受熱部材とを備え、
前記複数のパワー半導体素子が前記受熱部材の一方側の面に取付けられた鉄道車両の電力変換装置において、
前記受熱部材を車両の車体下部に水平方向、及び/又は垂直方向に設置し、
前記パワー半導体素子を前記受熱部材の一方側の面に配置し、
前記受熱部材の他方側の反対面に、自励振動ヒートパイプからなる放熱部を設置し、
前記放熱部に車両の走行により生じる風を取り込む構成としたことを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 1,500 文字)【請求項2】
請求項1に記載された電力変換装置において、
前記受熱部材の一方側の面が前記車両の車体側であり、前記受熱部材の他方側の反対面が非車体側であり、
前記自励振動ヒートパイプは、
前記受熱部材と垂直方向の流路を持つ第1の自励振動ヒートパイプと、
前記受熱部材と平行でかつ、前記車両の進行方向と平行な流路を持つ第2の自励振動ヒートパイプとを備え、
前記受熱部材、前記第2の自励振動ヒートパイプ、前記第1の自励振動ヒートパイプの順に接合、または前記受熱部材、前記第1の自励振動ヒートパイプ、前記第2の自励振動ヒートパイプの順に接合したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項2に記載された電力変換装置において、
前記第1の自励振動ヒートパイプ及び/又は前記第2の自励振動ヒートパイプは、分割して形成され、流路をループ状に構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
請求項2に記載された電力変換装置において、
前記第1の自励振動ヒートパイプと前記第2の自励振動ヒートパイプは、連結されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項1に記載された電力変換装置において、
前記受熱部材は、
前記車両の車体下部に水平方向に設置された第1の受熱部材と、垂直方向に設置された第2の受熱部材を含み、
前記第1の受熱部材の一方側の面が前記車両の車体側であり、前記受熱部材の他方側の反対面が非車体側であり、
前記第2の受熱部材の一方側の面が前記車両の車体側であり、前記第2の受熱部材の他方側の反対面が、非車体側であり
前記自励振動ヒートパイプは、
前記電力変換装置のインバータ箱の側面と底面に前記第1、第2の受熱部材と垂直方向の流路を持つ第1、第2の自励振動ヒートパイプからなり、
前記第1、第2の自励振動ヒートパイプは、当該自励振動ヒートパイプ3の自励振動ヒートパイプ連結部にて結合されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項6】
請求項2〜4の何れか一項に記載された電力変換装置において、
前記第2の自励振動ヒートパイプに波型のフィンを取り付けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項7】
請求項1に記載された電力変換装置において、
前記受熱部材を車体下部に鉛直方向に設置し、
前記自励振動ヒートパイプは、
前記受熱部材の前記パワー半導体素子と反対側の面に配置され、
前記受熱部材と垂直な流路を構成する第1の自励振動ヒートパイプと
前記第1の自励振動ヒートパイプの下方の位置に鉛直方向の流路を構成する第2の自励振動ヒートパイプとを備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項8】
請求項2〜6の何れか一項に記載された電力変換装置において、
前記第1の自励振動ヒートパイプおよび前記第2の自励振動ヒートパイプを複数の流路に分割して構成してなることを特徴とする電力変換装置。
【請求項9】
請求項1に記載された電力変換装置において、
前記受熱部材を車体下部に鉛直方向に設置し、
前記受熱部材の前記パワー半導体素子と反対側の面に、
前記受熱部材と垂直な流路を構成する複数の自励振動ヒートパイプと
前記自励振動ヒートパイプの間に設置されたフィンを備え、
前記複数の自励振動ヒートパイプの間に隙間を設け、
前記隙間の位置に対応する前記フィンの上下部分に開口部を設けたことを特徴とする電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、鉄道車両の電力変換装置に関する。
続きを表示(約 5,000 文字)【背景技術】
【0002】
電力変換装置は、電気鉄道車両等の車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。
車両の床下等のスペースは限られている。このため、できるだけ小型の冷却構造で効率的に電力変換装置のパワー半導体素子を冷却することが望まれている。
【0003】
従来の鉄道車両の電力変換装置においては、特開2011−50166号公報(特許文献1)に記載されたように、受熱部材を車体下部に鉛直方向に設置し、当該受熱部材の一面側にパワー半導体素子を取付け、受熱部材の反対面側にヒートパイプを取付け、車両の走行により生じる風をヒートパイプに設けたフィンに当てることによってパワー半導体素子の熱を空気に放熱する構造が知られている。
【0004】
また、発熱体の冷却を小空間で有効に行うための冷却器として、自励振動ヒートパイプを半導体冷却に適用した自動振動ヒートパイプがあり、その例として、特開2013−194919号公報(特許文献2)に記載されたように、発熱素子の下部に自励振動ヒートパイプを直付けしたトップヒートの冷却構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2011−50166号公報
特開2013−194919号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本願発明者が、鉄道車両の電力変換装置における冷却装置を小型化し効率化することについて鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
【0007】
鉄道車両の電力変換装置では、例えば地下鉄車両の一部のように、床下の高さがあまり取れない場合がある。そのような車両では、従来技術(特許文献1)のようにパワー半導体素子を鉛直方向の受熱部材に配置すると、素子の大きさから決まる高さが高くなりすぎる場合があった。この課題を是正する方法として、受熱部材を水平に設置し、受熱部材の上側にパワー半導体素子を設置し、受熱部材の下側に冷却器を設置することにより、電力変換装置の高さを低減することができると考えられる。しかし、従来のヒートパイプ冷却器では、重力によってヒートパイプ内の凝縮液が還流するため、放熱部を受熱部材より下側に設置する、所謂トップヒートの配置ができなかった。また、プレートフィンを受熱部材に設けることができるが、ヒートパイプと比べて冷却性能が小さく、大型にする必要があるという問題があった。
【0008】
一方、自励振動ヒートパイプによってトップヒートの配置でパワー半導体素子を冷却した従来技術(特許文献2)においては、電力変換装置を車両に適用した場合の電力変換装置の高さの低減や走行風の取り込みを考慮した鉄道車両に適した構造になっていなかった。
【0009】
本発明の目的は、電力変換装置の高さを低減でき、かつ走行風を取り込んで効果的にパワー半導体素子を冷却できる構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記目的を達成するために、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、
複数のパワー半導体素子と、受熱部材とを備え、
前記複数のパワー半導体素子が前記受熱部材の一方側の面に取付けられた鉄道車両の電力変換装置において、
前記受熱部材を車両の車体下部に水平方向、及び/又は垂直方向に設置し、
前記パワー半導体素子を前記受熱部材の一方の側に配置し、
前記受熱部材の他方の反対側の面に、自励振動ヒートパイプからなる放熱部を設置し、
前記放熱部に車両の走行により生じる風を取り込む構成としたことを特徴とする。
【0011】
また、代表的な本発明の電力変換装置の一つは、
電力変換装置複数のパワー半導体素子と、受熱部材とを備え、
前記複数のパワー半導体素子が前記受熱部材の一方側の面に取付けられた鉄道車両の電力変換装置において、
前記受熱部材を車体下部に鉛直方向に設置し、
前記受熱部材の前記パワー半導体素子と反対側の面に、
受熱部材と垂直な流路を構成する複数の自励振動ヒートパイプと
前記自励振動ヒートパイプの間に設置されたフィンを備え、
前記複数の自励振動ヒートパイプの間に隙間を設け、
前記隙間の位置に対応する前記フィンの上下部分に開口部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、電力変換装置の高さを低く保ちつつ、効果的にパワー半導体素子を冷却できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
本実施形態における電力変換装置の冷却装置の進行方向から見た図。
本発明の一実施形態における電力変換装置の冷却装置の斜視図。
本発明の一実施形態における電力変換装置の受熱部材上におけるパワー半導体素子の配置の一例を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置の受熱部材上におけるパワー半導体素子の配置の一例を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプの流路の構造を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプの断面構造を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプを分割した場合の構造の一例を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプを分割した場合の構造の一例を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプの流路の別な構造を示す図。
本発明の一実施形態における電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプの分割方法を示した図。
本発明の電力変換装置を鉄道車両に設置した状態を示す図。
本発明の他の実施形態(第2の実施形態)における電力変換装置の構成を示す図。
本発明の更に他の実施形態(第3の実施形態)における電力変換装置の構成を示す図。
本発明の第3の実施形態における電力変換装置を鉄道車両に設置した状態を示す図。
本発明の他の実施形態(第4の実施形態)における電力変換装置の冷却装置の構造を示す図。
本発明の第4の実施形態における電力変換装置を鉄道車両に設置した状態を示す図。
本発明の他の実施形態(第5の実施形態)における電力変換装置の冷却装置の構造を示す斜視図。
本発明の第5の実施形態における電力変換装置の冷却装置のフィンの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【実施例】
【0015】
図1〜図10は、本発明の一実施形態を示す図であって、図1は、電力変換装置の冷却装置部分を進行方向から見た正面図、図2は、その斜視図である。図3及び図4は、本発明の電力変換装置の受熱部材上におけるパワー半導体素子の配置の一例を示す図、図5は、本発明の電力変換装置に設けた自励振動ヒートパイプの流路の構造を示す図、図6は、その断面構造を示す図、図7及び図8は、自励振動ヒートパイプを分割した場合の構造の一例を示す図、図9は、自励振動ヒートパイプの流路の別な構造を示す図、図10は、自励振動ヒートパイプの分割方法を示した図、図11は本発明の一実施形態(第1の実施形態)における電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの様子を示す構成図である。
【0016】
本発明の電力変換装置は、図11に示すように、鉄道車両(以下、車両と略する)200の車体床下等に設けられ、車両200を駆動する電動機(図示せず)に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行うものである。
【0017】
図11において、パワー半導体素子(パワー半導体モジュール)2を含む電力変換装置は、例えば、車両200の車体の底部に吊り下げられた状態で固定されている。
【0018】
以下、パワー半導体素子(パワー半導体モジュール)2を含む電力変換装置と、当該電力変換装置に取り付けられ、パワー半導体素子(パワー半導体モジュール)2を冷却する冷却装置の各構成について説明する。
【0019】
まず、図1において、矢印101と102は、車両(図11参照)の進行方向への走行により生じる走行風の方向を示す。
車両は前後いずれの方向にも移動するので、それに伴って、矢印101と102のいずれかの方向に走行風が生じることになる。
【0020】
冷却装置は、受熱部材1、放熱部20(自励振動ヒートパイプ3、5、波形フィン4)、を有する。
【0021】
受熱部材1は、例えば、アルミニウム合金、鉄、銅、等の金属からなる。
受熱部材1の上側には、電力変換装置、つまり、複数のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子を含むパワー半導体モジュール2が設置されている。
【0022】
複数のパワー半導体モジュール2は、電力変換装置を構成している。以下、これらのパワー半導体モジュールについてパワー半導体素子と呼称する。
【0023】
パワー半導体素子2は、グリース等の部材(図示せず)を介してねじ等(図示せず)によって受熱部材1の一面(上面)に固定される。
受熱部材1上におけるパワー半導体素子2の配置の一例を図3、図4に示す。図示のように、通常は複数のパワー半導体素子2が並べて配置される。
【0024】
受熱部材1のパワー半導体素子2の一方側(図の上側)には、図11に示すように密閉されたケース(インバータ箱)21が設けられ、当該ケース内にはフィルタコンデンサやIGBT駆動回路等の電気部品23、24が設置されている。
【0025】
受熱部材1のパワー半導体素子設置面の反対側(図の下側)には、放熱部20が設けられる。
【0026】
放熱部20は、例えば、自励振動ヒートパイプ3(第1の自動振動ヒートパイプ)、アルミニウム合金等からなるフィン(例えば、波形フィン)4および自励振動ヒートパイプ5(第2の自動振動ヒートパイプ)により構成される。
【0027】
受熱部材1と第2の自励振動ヒートパイプ5、第2の自励振動ヒートパイプ5と自励振動ヒートパイプ3、自励振動ヒートパイプ3と波形フィン4のそれぞれは、ロウ付け等によって固定される。
【0028】
図1に示す自励振動ヒートパイプ3は、作動流体を封入した板状の自励振動ヒートパイプを折り曲げて構成される。その一例を図5に示す。
自励振動ヒートパイプ3には、図5に示すように惰行した作動流体の流路(作動体流路)6と仕切り部7が設けられている。図6に自励振動ヒートパイプ3の断面を示す。
【0029】
作動流体としては、例えば、水、フロリナート類、代替フロン類、アルコール類、ブタン等の炭化水素類、ハイドロフルオロエーテル類、パーフルオロケトン類等が使われる。
【0030】
受熱部材1、第2の自励振動ヒートパイプ5、第1の自励振動ヒートパイプ、は、図示のように上から受熱部材1、第1の自励振動ヒートパイプ3、第2の自励振動ヒートパイプ5の順に接合されている。
(【0031】以降は省略されています)

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