(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、
風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成された風洞と、
前記風洞内に風上側から風下側に直列に配置された複数個の放熱フィンと、
前記風上側に配置される少なくとも１個目の放熱フィンをバイパスして空気を流す案内板と、
各々の前記放熱フィン毎に設けられ前記電力変換装置の半導体素子より発生する熱をそれぞれの放熱フィンに伝達する複数個の受熱板とを備えたことを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
【請求項２】
電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、
風の通路の大きさが風上側から風下側に向かって同じに形成された風洞と、
前記風洞内に風上側から風下側に向かって形成され前記風洞内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプが取り付けられ各相を冷却する共通の放熱フィンと、
各々の前記放熱フィンに設けられ前記電力変換装置のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体が取り付けられ、各相の半導体素子より発生する熱を前記共通の放熱フィンに伝達する共通の受熱板とを備えたことを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
【請求項３】
電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、
風の通路の大きさが風上側から風下側に向かって同じに形成された風洞と、
前記風洞内に風上側から風下側に直列に配置された複数個の放熱フィンと、
各々の前記放熱フィンに共通に設けられ前記風洞内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプを有した熱輸送板と、
前記熱輸送板に取り付けられると共に、前記電力変換装置のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体が取り付けられ、各相の半導体素子より発生する熱を前記熱輸送板を介して前記放熱フィンに伝達する共通の受熱板とを備えたことを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換装置の半導体素子より発生する熱を強制的に大気へ放散するようにした電力変換装置の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、鉄道車両床下には、鉄道車両の駆動用あるいは補助電源用の電力を供給するための電力変換装置が取り付けられている。このような電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体素子から発生する熱を強制的に大気へ放散するようにしている。すなわち、半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、放熱フィンから熱を大気へ放散するようにしている。
【０００３】
図６は、そのような鉄道車両床下に取り付けられた電力変換装置の風洞部の概略断面図である。電力変換装置１の内部には冷却装置が形成されている。冷却装置は、外気からの冷却風を流す風洞２、風洞２内に強制的に風を流すための電動送風機３、風洞２内に設けられた放熱フィン４、半導体素子６が取り付けられた受熱板５から構成されている。
【０００４】
図７は、図６のＸ−Ｘ線での概略断面図である。電力変換装置１は鉄道車両７の床下に設けられ、冷却装置の風洞２には複数個の放熱フィン４が収められ、複数個の放熱フィン４は受熱板５に取り付けられている。この受熱板５は、風洞２の壁の一部分となるよう取り付けられ、風洞２の内外を仕切る構成となっている。
【０００５】
受熱板５の放熱フィン４が取り付けられた反対面には電力変換回路に使われる複数個の半導体素子６が取り付けられる。鉄道車両で使われる大容量の電力変換回路では、インバータ回路又はコンバータ回路といった電力変換回路であり、通常、３相分のうちの１相分を１個の受熱板５に取り付けて冷却するようにしている。例えば、電力変換回路が３相インバータ回路である場合には、１相分の半導体素子６を取り付けた受熱板５を３個用いることになるが、その３個の受熱板５に取り付けられた放熱フィン４を、風洞２に冷却風の流れの方向に直列に配置して冷却することになる。放熱フィン４は所定のピッチで受熱板５に垂直に形成され、この放熱フィン４間を冷却風が強制的に流れるような向きで、受熱板５に取り付けられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような冷却装置では、風洞２内の冷却風の流れに対し３個の受熱板５が直列に配置されているので、風下側の放熱フィン４では、その風上側の放熱フィン４からの放熱の影響を受け入風温度が高くなる。
【０００７】
放熱フィン４から放熱される熱量は風洞２内の冷却風との間で熱交換され、冷却風を温度上昇させることになる。つまり、最風上側の放熱フィン４では、放熱フィン４の入風温度は外気温であるが、この放熱フィン４を通過した冷却風は放熱フィン４から放熱された熱量により温度が上がっている。従って、２段目の放熱フィン４の入風温度は外気温よりもこの分だけ高くなっており、３段目（最風下側）の放熱フィン４の入風温度は２段目の放熱フィン４の放熱量により、さらに温度が上昇している。
【０００８】
３段並んだ放熱フィン４は、通常、同一の冷却能力を有しており、何れも１相分の半導体素子６が取り付けられているので発熱量も同じである。しかし、放熱フィン４への入風温度が異なるため、最風下の放熱フィン４が最も温度が高くなり、当然、半導体素子６もその部位に取付くものが最も高い温度となる。
【０００９】
この最風下に取付く半導体素子６の温度を許容温度以下で抑えるように設定すると、他の放熱フィン４では許容温度に対し充分余裕があることになり、３段の放熱フィン４のうち、風上側の放熱フィン４では、最適な冷却能力となっていないことになる。電力変換装置１の全体の最適化による小形軽量化等のためには、それぞれの半導体素子６が一様に温度上昇し、バランスがとれていることが重要である。
【００１０】
本発明の目的は、電力変換装置の半導体素子の温度上昇値が平準化され効率よく冷却できる電力変換装置の冷却装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成された風洞と、前記風洞内に風上側から風下側に直列に配置された複数個の放熱フィンと、前記風上側に配置される少なくとも１個目の放熱フィンをバイパスして空気を流す案内板と、各々の前記放熱フィン毎に設けられ前記電力変換装置の半導体素子より発生する熱をそれぞれの放熱フィンに伝達する複数個の受熱板とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、  風の通路の大きさが風上側から風下側に向かって同じに形成された風洞と、前記風洞内に風上側から風下側に向かって形成され前記風洞内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプが取り付けられ各相を冷却する共通の放熱フィンと、各々の前記放熱フィンに設けられ前記電力変換装置のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体が取り付けられ、各相の半導体素子より発生する熱を前記共通の放熱フィンに伝達する共通の受熱板とを備えたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、電力変換装置の半導体素子より発生する熱を受熱板を介して風洞に設けられた放熱フィンに伝達し、前記風洞内の電動送風機により強制的に空気を流して、前記放熱フィンから熱を大気へ放散するようにした電力変換器の冷却装置において、風の通路の大きさが風上側から風下側に向かって同じに形成された風洞と、前記風洞内に風上側から風下側に直列に配置された複数個の放熱フィンと、各々の前記放熱フィンに共通に設けられ前記風洞内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプを有した熱輸送板と、前記熱輸送板に取り付けられると共に、前記電力変換装置のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体が取り付けられ、各相の半導体素子より発生する熱を前記熱輸送板を介して前記放熱フィンに伝達する共通の受熱板とを備えたことを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【００２８】
電力変換装置１内に設けられた風洞２内には、複数個の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃが直列に配置され、この複数個の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃは各々の受熱板５ａ、５ｂ、５ｃに取り付けられている。この受熱板５ａ、５ｂ、５ｃは、風洞２の壁の一部分となるよう取り付けられ、風洞２の内外を仕切っている。一方、受熱板５ａ、５ｂ、５ｃの放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃが取り付けられた反対面には複数個の半導体素子６が取り付けられる。図１では、１個の受熱板５に電力変換装置１の３相分のうちの１相分の半導体素子６が取り付けられている。
【００２９】
風洞２の断面形状は、風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成されている。すなわち、図１の下部の風上側では、電動送風機３により取り込まれる冷却風が、１個目の放熱フィン４ａおよび２個目の放熱フィン４ｂ以外にも流れるように放熱フィン４ａ、４ｂの大きさよりも大きく形成されている。そして、放熱フィン４ａ、４ｂより大きく形成された電力変換装置１の風入口部には、ほぼ１個目の放熱フィン４ａを覆う範囲に案内板８を設けて風洞２を仕切った構成としている。
【００３０】
このように、風洞２内の風の通路が風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成され、各々の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃからの放熱量が等しくなるようにしている。
【００３１】
半導体素子６により発生する熱は各々の受熱板５ａ、５ｂ、５ｃに伝わり、さらに風洞２内の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃに熱伝達し、風洞２内を流れる電動送風機３により取り込まれた冷却風が放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃ間を通過する。その際、放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃの表面から大気へ熱伝達させることにより冷却を行う。
【００３２】
この場合、風上側の１個目の放熱フィン４ａで暖められた空気は２個目の放熱フィン４ｂに直接流入するが、案内板８で仕切られて１個目の放熱フィン４ａをバイパスした空気の一部が２個目の放熱フィン４ｂの側面から流入する。従って、２個目の放熱フィン４ｂでは１個目の放熱フィン４ａと同等の放熱量が確保できる。また、３個目の放熱フィン４ｃについても、１個目および２個目の放熱フィン４ａ、４ｂで暖められた空気が流入するが、案内板８で仕切られて１個目の放熱フィン４ａをバイパスした空気の一部が流入するので、３個目の放熱フィン４ｃでも１個目の放熱フィン４ａと同等の放熱量が確保できる。
【００３３】
このように、風洞２を風の通路が風上側から風下側にいくにつれて絞って形成しているので、１個目の放熱フィン４ａで熱交換しなかった空気が２個目の放熱フィン４ｂおよび３個目の放熱フィン４ｃに流入する。従って、風洞２内に放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃを直列に配置しても、ほぼ均等に冷却できる。これにより、冷却風の温度の違いによる風上側の放熱フィン４ａと風下側の放熱フィン４ｃとの放熱量を均等にできるので、電力変換装置１の各相の半導体素子６の温度上昇値の差は低減される。
【００３４】
また、風洞２の形状が風上側から風下側に行くにつれて絞り込まれる形状としているため、風上側に比べ風下側の方が冷却風の風速を上げることが可能となる。これにより、放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃ間の空気流速は風下側の放熱フィン４ｃの方が速くなり、放熱フィン４ｃの表面からの熱伝達がより向上する。従って、冷却風の温度が高くなっても冷却効果が向上できるので、同一の冷却フィン４ａ、４ｂ、４ｃを用いても風上側および風下側で同等の冷却性能が達成でき、放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃの小形軽量化が図られる。つまり、電力変換装置１の小形軽量化を達成することが可能となる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置の概略断面図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成された風洞２に代えて、風洞２の大きさは風上側から風下側に向かって同じに形成し、放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃの大きさを、風上側から風下側に向かって階段状に大きく形成したものである。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する記載は省略する。
【００３６】
図２において、風洞２に直列に配置される放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃは、その大きさが風上側から風下側に行くにつれて大きく形成されている。各々の放熱フィンの大きさは、各々の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃからの放熱量が等しくなるように形成される。
【００３７】
風洞２に電動送風機３により取り込まれる冷却風は、１個目の放熱フィン４ａを通る。この場合、１個目の放熱フィン４ａは２個目の放熱フィン４ｂより相対的に小さく形成されているので、１個目の放熱フィン４ａで熱交換しなかった空気が２個目の放熱フィン４ｂに流入する。同様に、２個目の放熱フィン４ｂは３個目の放熱フィン４ｃより相対的に小さく形成されているので、２個目の放熱フィン４ａで熱交換しなかった空気が３個目の放熱フィン４ｃに流入する。従って、風洞２内に放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃを直列に配置しても、ほぼ均等に冷却できる。
【００３８】
これにより、冷却風の温度の違いによる風上側の放熱フィン４ａと風下側の放熱フィン４ｃとの放熱量を均等にできるので、電力変換装置１の各相の半導体素子６の温度上昇値の差は低減される。すなわち、それぞれの放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃに対する入風温度の温度差を小さくし、冷却性能を向上させている。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置の概略断面図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成された風洞２に代えて、風の通路の大きさが風上側から風下側に向かって階段状に段差がつけられて形成された風洞２を設けたものである。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する記載は省略する。
【００４０】
図３において、電力変換装置１内に配置される風洞２の形状は、風上側から風下側に行くほど小さくなる階段状に形成されている。すなわち、風洞２は各々の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃからの放熱量が等しくなるように、風上側から風下側に向かって階段状に段差がつけられて形成される。
【００４１】
風洞２に電動送風機３により取り込まれる冷却風は、１個目の放熱フィン４ａを通る。この場合、１個目の放熱フィン４ａが取り付けられた風洞２の段差部分は、２個目の放熱フィン４ｂが取り付けられた風洞２の段差部分より大きいので、１個目の放熱フィン４ａで熱交換しなかった空気が２個目の放熱フィン４ｂに流入する。同様に、２個目の放熱フィン４ｂが取り付けられた風洞２の段差部分は、３個目の放熱フィン４ｃが取り付けられた風洞２の段差部分より大きいので、２個目の放熱フィン４ａで熱交換しなかった空気が３個目の放熱フィン４ｃに流入する。従って、風洞２内に放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃを直列に配置しても、ほぼ均等に冷却できる。
【００４２】
これにより、風洞２に電動送風機３により取り込まれる冷却風のそれぞれの放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃに対する入風温度の温度差を小さくでき、風速を上げることができる。従って、それぞれの放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃの冷却性能の差を無くし効率よく冷却できる。
【００４３】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置の概略断面図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、風の通路の大きさが風上側から風下側にいくにつれて絞られて形成された風洞２に代えて、風洞２の大きさは風上側から風下側に向かって同じに形成し、共通の放熱フィン４および共通の受熱板５を設け、放熱フィン４には風洞２内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプを取り付けたものである。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する記載は省略する。
【００４４】
図４において、電力変換装置１の各相の半導体素子６を共通の受熱板５に取り付け、その共通の受熱板５に対し共通の放熱フィン４を設ける。そして、放熱フィン４には、風洞２内の冷却風の流れる方向に相互に熱輸送が可能なヒートパイプ９を設ける。
【００４５】
ヒートパイプ９は、熱伝導率が極めて高いもので、その両端に温度差がある場合に、温度の高い方から低い方へ短時間のうちに熱を輸送する。従って、風上側と風下側との温度差はヒートパイプ９の作用によりほとんどなくなり、風上側および風下側での放熱効果はほぼ均一化される。
【００４６】
これにより、風洞内２を流れる冷却風の温度差に関係なく最適な冷却効率を得ることが可能となる。また、電力変換装置１に配置される風洞２の形状も簡素化される。
【００４７】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置の概略断面図である。この第５の実施の形態は、図４に示した第４の実施の形態に対し、共通の放熱フィン４に代えて、各々の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃを設け、各々の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃと受熱板５との間に、風洞２内の風の流れの方向に熱輸送を行うヒートパイプ９を有した熱輸送板１０を設けたものである。その他の構成は、図１に示す第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する記載は省略する。
【００４８】
図５において、電力変換装置１の各相の半導体素子６を受熱板５に取り付け、その受熱板５に対し熱輸送板１０を介して複数個の放熱フィン４ａ、４ｂ、４ｃを設ける。熱輸送板１０には、風洞２内の冷却風の流れる方向に相互に熱輸送が可能なヒートパイプ９が設けられている。この熱輸送板１０のヒートパイプ９により、風上側と風下側との温度差はほとんどなくなり、風上側および風下側での放熱効果はほぼ均一化される。
【００４９】
これにより、風洞内２を流れる冷却風の温度差に関係なく最適な冷却効率を得ることが可能となる。また、電力変換装置１に配置される風洞２の形状も簡素化され、ヒートパイプ９の数も少なくできることから低コスト化が可能であり、電力変換装置１の最適化が図れる。
【００５０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電力変換装置内に設けられる風洞内を流れる冷却風の温度差を少なくするので、風洞内に直列に配置される放熱フィンの冷却性能の均一化が可能となる。また、各々の放熱フィンでの冷却性能の均一化が図れることから、受熱仮に収付られている半導体素子の温度上昇値の平準化が可能となり、半導体素子に加わる負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【図５】図５は、本発明の第５の実施の形態に係わる電力変換装置の冷却装置における風洞部の概略断面図である。
【図６】図６は、従来の電力変換装置の風洞部の概略断面図である。
【図７】図７は、図６のＸ−Ｘ線での概略断面図である。
【符号の説明】
１  電力変換装置
２  風洞
３  電動送風機
４  放熱フィン
５  受熱板
６  半導体素子
７  鉄道車両
８  案内板
９  ヒートパイプ
１０  熱輸送板
【図１】
0003621298.tif 000002
【図２】
0003621298.tif 000003
【図３】
0003621298.tif 000004
【図４】
0003621298.tif 000005
【図５】
0003621298.tif 000006
【図６】
0003621298.tif 000007
【図７】
0003621298.tif 000008