(57)【要約】  自励振動型ヒートパイプを用いて冷却する鉄道車両の電力変換装置が飛来物等の衝突によって冷却性能が低下する事態を回避し、信頼性の高い電力変換装置の冷却構造を提供する。そのために、複数のパワー半導体素子により構成される鉄道車両の電力変換装置は、パワー半導体素子を冷却する自励振動型ヒートパイプを備え、当該自励振動型ヒートパイプは、例えば、冷却風が当たるヒートシンク部材の内部に作動流体を封入した密閉の流路を有する構造であり、冷却風の入口部分または出口部分にそれぞれ接する自励振動型ヒートパイプの端部隔壁の厚さを、流路の間を隔てる内部隔壁の厚さよりも厚くする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子により構成される鉄道車両の電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子を冷却する自励振動型ヒートパイプを備え、
前記自励振動型ヒートパイプは、冷却風が当たるヒートシンク部材の内部に作動流体を封入した密閉の流路を有する構造であり、
前記冷却風の入口部分または出口部分にそれぞれ接する前記自励振動型ヒートパイプの端部隔壁の厚さを、前記流路の間を隔てる内部隔壁の厚さよりも厚くする
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、前記流路の間を隔てる内部隔壁が冷却風の方向に順に並ぶ
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、平板形状の前記ヒートシンク部材を、前記冷却風の方向に略直交する方向に１回以上折り曲げられた形状に形成して構成され、当該折り曲げられた形状の間に放熱フィンを設けた
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記端部隔壁の厚さは、前記内部隔壁の厚さと、前記冷却風の方向の前記流路の幅とを合わせた厚さ以上である
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、前記冷却風の方向に１以上分割した構成である
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項６】
複数のパワー半導体素子により構成される鉄道車両の電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子を冷却する自励振動型ヒートパイプを備え、
前記自励振動型ヒートパイプは、冷却風が当たるヒートシンク部材の内部に作動流体を封入した密閉の流路を有し、当該流路の間を隔てる内部隔壁が冷却風の方向に順に並ぶ構造であり、
前記冷却風の入口部分または出口部分に最も近い前記流路は、当該流路より内側にある前記流路から仕切り壁によって分離独立している
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、平板形状の前記ヒートシンク部材を、前記冷却風の方向に略直交する方向に１回以上折り曲げられた形状に形成して構成され、当該折り曲げられた形状の間に放熱フィンを設けた
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、前記冷却風の方向に１以上分割した構成である
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項９】
複数のパワー半導体素子により構成される鉄道車両の電力変換装置であって、
前記パワー半導体素子を冷却する自励振動型ヒートパイプを備え、
前記自励振動型ヒートパイプは、冷却風が当たるヒートシンク部材の内部に作動流体を封入した密閉の流路を有し、当該ヒートシンク部材の間に放熱フィンを設け、
前記放熱フィンは、前記冷却風の入口部分または出口部分を前記自励振動型ヒートパイプの前記冷却風の入口部分または出口部分よりも外側に突出させた構造を有する
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、平板形状の前記ヒートシンク部材を、前記冷却風の方向に略直交する方向に１回以上折り曲げられた形状に形成して構成され、当該折り曲げられた形状の間に前記放熱フィンを設けた
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプは、前記パワー半導体素子を取り付けた受熱部材の下側に配置されている
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の鉄道車両の電力変換装置であって、
前記自励振動型ヒートパイプで構成される放熱部の周囲にカバーを設ける
ことを特徴とする鉄道車両の電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の鉄道車両の電力変換装置を搭載した鉄道車両。
【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し、特にその電力変換装置の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の電力変換装置は、電気鉄道車両等を駆動する電動機を制御するためのもので、鉄道車両の床下等に設置されている。鉄道車両の床下等のスペースは限られているため、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ける冷却構造としては、特許文献１に示されるように、受熱部材を車体下部に鉛直方向に設置し、半導体素子を受熱部材の一方の側に取付け、ヒートパイプを受熱部材の反対側に取付け、鉄道車両の走行により生じる風をヒートパイプに取り付けられたフィンに当てることによって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、中央演算装置のような半導体素子の冷却に自励振動式のヒートパイプを適用した例として、特許文献２に示される素子放熱器のように、発熱素子の上部に受熱板を設け、その上部に蛇行した穴の開いたプレート状の板を接続した冷却構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５０１６６号公報
【特許文献２】特開２００６−８０４７１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を小型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を鉄道車両の床下のスペースに設置する構造であっても、例えば一部の地下鉄車両のように、床下の高さを十分に取れない場合がある。そのような場合には、従来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全体の高さが高くなり過ぎる。それに対処するために、受熱部材を水平に設置し、その上側にパワー半導体素子を設置して、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。【０００８】
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、いわゆるトップヒートの配置ができない。また、単なるプレートフィンを受熱部材に設けた構造で冷却した場合には、ヒートパイプと比べて冷却性能が低く、十分にパワー半導体素子を冷却できない。【０００９】
一方、トップヒート配置が可能な自励振動型ヒートパイプを鉄道車両に適用した場合は、鉄道車両が屋外を走行するため、バラストやその他の小さな飛来物が車両の下部に衝突する可能性がある。自励振動型ヒートパイプは細く脆弱であるため、上記の従来構造では、自励振動型ヒートパイプに飛来物が衝突すると、衝撃によりヒートパイプに穴が開いて中の流路の作動流体が漏れ出す恐れがある。作動流体が漏れると、冷却性能が不足し、電力変換装置のパワー半導体の温度が上昇し、最悪の場合は半導体が破損することにつながる。【００１０】
本発明の目的は、小型で構成されかつ飛来物等の衝突によっても冷却性能が低下することのない鉄道車両の電力変換装置の冷却器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明に係る鉄道車両の電力変換装置は、パワー半導体素子を冷却する自励振動型ヒートパイプを備え、当該自励振動型ヒートパイプは、例えば、冷却風が当たるヒートシンク部材の内部に作動流体を封入した密閉の流路を有する構造であり、冷却風の入口部分または出口部分にそれぞれ接する自励振動型ヒートパイプの端部隔壁の厚さを、流路の間を隔てる内部隔壁の厚さよりも厚くする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、飛来物等の衝突によって自励振動型ヒートパイプの脆弱な流路に穴が開き、作動流体が漏れ出して冷却性能が低下する事態が回避できるので、信頼性の高い、鉄道車両の電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施例１に係る電力変換装置の冷却器を進行方向から見た図である。
【図２】図２は、図１に示す冷却器の斜視図である。
【図３】図３は、実施例１に係る冷却器に用いる平板状の自励振動型ヒートパイプの構造を示す図である。
【図４】図４は、実施例１に係る冷却器に用いる平板状の自励振動型ヒートパイプを折り曲げた構造を示す図である。
【図５】図５は、実施１に係る冷却器に用いる自励振動型ヒートパイプの厚さ方向の断面を示す図である。
【図６】図６は、複数の自励振動型ヒートパイプを走行風方向に並べた放熱部の構造を示す図である。
【図７】図７は、本発明の各実施例に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの配置構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの他の配置構成を示す図である。
【図９】図９は、本発明に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときのさらに他の配置構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の自励振動型ヒートパイプによる放熱部の構造を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例３に係る電力変換装置の放熱部の構造を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、実施例３に係る電力変換装置の放熱部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態として、実施例１〜３について、図面を用いて以下に説明する。
図７は、本発明の各実施例に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの配置構成を示す図である。本発明に係る電力変換装置は、鉄道車両の床下等に設けられ、車両を駆動する電動機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。
【００１５】
図７に示す電力変換装置５００は、車体５０１に吊り下げられた状態で固定されている。受熱板１の上部には、パワー半導体素子２が取り付けられ、反対側である受熱板１の下部には、自励振動型ヒートパイプを用いた放熱部２０が取り付けられている。パワー半導体素子２と、その他のコンデンサや制御装置等の電子部品２２は、ケース２１により密閉されている。
【実施例１】
【００１６】
図１は、実施例１に係る電力変換装置の冷却器を進行方向から見た図であり、図２は、この冷却器の斜視図である。図１における矢印１０１と１０２は、車両の進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。【００１７】
図１および図２において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材１の上側には、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、複数のパワー半導体モジュール２により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も、パワー半導体素子と呼称する。【００１８】
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、受熱部材１とねじ等（図示せず）によって固定される。受熱部材１におけるパワー半導体素子の設置面の反対側には、ヒートシンク部材である放熱部２０が設けられる。【００１９】
図１に示す放熱部２０は、自励振動型ヒートパイプ３とアルミニウム合金等でできた波形フィン４とから構成される。受熱部材１と自励振動型ヒートパイプ３とは、ロウ付け等によって固定される。また、自励振動型ヒートパイプ３の流路長が長くなり過ぎるような場合には、図２に示すように、自励振動型ヒートパイプ３を進行方向に分割した分割タイプ３１〜３４とした構造でもよい。【００２０】
図３は、平板状の自励振動型ヒートパイプ（分割タイプ３１）の構造を示す図で、矢印１０３は走行風の方向を示し、図の下部に、この走行風１０３方向に分断した断面を示す。また、図４は、平板状の自励振動型ヒートパイプ（分割タイプ３１）を折り曲げた構造を示す図である。図１および図２に示す自励振動型ヒートパイプ（分割タイプ３１）は、図３に示す構造を有する平板状の自励振動型ヒートパイプ３１を図４に示すように折り曲げて構成される。【００２１】
自励振動型ヒートパイプ３１の内部構造としては、図３に示すように、作動流体を封入した密閉の流路として、例えば作動流体が流れる蛇行した流路５と、該流路５を隔てる内部隔壁６とが設けられている。また、図５に、自励振動型ヒートパイプ３１の厚さ方向の断面（図４におけるＡ−Ａ断面）を示す。作動流体としては、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またはパーフルオロケトン類等が使われる。【００２２】
次に、本発明に係る冷却器の動作態様について説明する。
パワー半導体素子２が動作することによって生じる損失は熱となり、その熱は、受熱部材１を経て自励振動型ヒートパイプ３に伝えられる。自励振動型ヒートパイプ３の流路５に封入された作動流体が流路内で振動することにより、熱は自励振動型ヒートパイプ３の先端部側（下流側）へと伝えられる。更に、自励振動型ヒートパイプ３から波形フィン４に熱が伝えられる。車両の走行により生じる走行風１０１または１０２（図１）が波形フィン４の間を通過することにより、波形フィン４や自励振動型ヒートパイプ３の表面から熱が空気中へ放出される。【００２３】
また、自励振動型ヒートパイプ３の構造において、冷却風の入口部分（走行風方向が逆の場合は出口部分）に接する端部隔壁３０の厚さを、図３および図５に示すように、内部隔壁６よりも厚くする。このような構造とすることにより、自励振動型ヒートパイプ３の冷却風が当たる付近の強度を増加させ、バラスト等の飛来物が衝突したときなどに、自励振動型ヒートパイプ３に穴等が開くことを防止する。これにより、流路５の内部を流れる作動流体が外部に漏れて、自励振動型ヒートパイプが機能せず、放熱性能が低下することを防ぐことができる。冷却風の入口部分および出口部分に接する端部隔壁３０の厚さ（図３に示す「ｔ」）は、少なくとも、内部隔壁６の厚さ（図３に示す「ｗ」）と、冷却風の方向の流路５の幅（図３に示す「ｄ」）とを合わせた厚さ以上の厚さ（ｔ≧ｗ＋ｄ）とすることにより、十分な強度を確保することが望ましい。【００２４】
図６は、複数の自励振動型ヒートパイプを走行風１０３方向に並べて構成した放熱部の構造を示す図で、図の下部に、走行風１０３方向に分断した断面を示す。図６では、自励振動型ヒートパイプを３１〜３４の４つに分割した例を示し、その中で冷却風の入口部分および出口部分に接する３１および３４の端部隔壁３０を、残る他の部分の端部隔壁３５よりも厚くしている。すなわち、中間に位置する自励振動型ヒートパイプ３２および３３の端部隔壁３５は薄くして、放熱の効果を高めるようにしている。なお、自励振動型ヒートパイプの種類を減らすために、端部隔壁の両側を厚くした１種類の自励振動型ヒートパイプから構成することも可能である。【００２５】
図８は、本発明に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの他の配置構成を示す図である。図７に示す配置構成と相違する点は、自励振動型ヒートパイプで構成される放熱部２０の周囲にさらにカバー２３を設けた点である。カバー２３はアルミ等の金属製で、これにより、放熱部２０の側面や底面にバラスト等が衝突したときに、自励振動型ヒートパイプにダメージが加わることを防止することができる。また、図示していないが、放熱部２０の前後の部分にも、パンチングプレート等のカバーを設けることにより、大きな飛来物が放熱部に直接に衝突することを避けることができる。【００２６】
図９は、本発明に係る電力変換装置を鉄道車両に搭載したときのさらなる他の構成配置を示す図である。図７および図８に示す配置構成とは異なり、周囲の機器の配置やスペースによっては、受熱部材１が鉛直方向となるように電力変換装置５００を設置してもよく、これにより放熱部２０は水平方向に向く構造となる。なお、図９では、図８と同様に、放熱部２０の周囲にカバー２３を設けた構成を示す。【００２７】
以上のとおり、図８および図９に示す配置構成によれば、自励振動型ヒートパイプ３にバラスト等の飛来物が衝突した時に、自励振動型ヒートパイプに穴が開いて放熱性能が低下することを防止することができる。
【実施例２】
【００２８】
図１０は、本発明の実施例２に係る電力変換装置の自励振動型ヒートパイプによる放熱部の構造を示す図である。なお、図面において実施例１と同じ部分は、同じ付番とする。また、車両に搭載したときの配置構成や全体の構造は、実施例１と同様である。【００２９】
図１０において、矢印１０３は走行風の方向であり、走行風１０３方向の入口部分および出口部分に位置する自励振動型ヒートパイプ３１および３４には、ヒートパイプの仕切り壁３６および３７を設け、作動流体の流路を完全に分離独立させている。この仕切り壁３６および３７に対して、走行風の入口部分および出口部分に最も近い側の流路５１および５２の長さは、本体の流路５よりも短くする。なお、流路５１および５２には、作動流体を封入しなくてもよい。この構造により、作動流体の流路の内で流路５１および５２の部分にバラスト等の飛来物が衝突し、万一、穴が開いた場合でも、仕切り壁３６の反対側（ヒートパイプの内側）の本体の流路５から作動流体が外部に漏れることはない。よって、放熱性能が低下することを防止することができる。
【実施例３】
【００３０】
図１１は、本発明の実施例３に係る電力変換装置の放熱部の構造を示す斜視図で、図１２は、その放熱部の側面図である。図１１および図１２に示すように、実施例３では、波形フィン４の冷却風が入る部分付近を、走行風１０３方向に作動流体の流路３より外側に突き出すように設置する。この構造により、バラスト等の飛来物が放熱部に衝突しても、波形フィン４の外側に突き出た部分が変形して衝撃を吸収し、作動流体の流路３に穴が開くことはない。よって、放熱性能が低下することを防止することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１…受熱部材、２…パワー半導体素子、３…自励振動型ヒートパイプ、
４…波形フィン、５（５１、５２）…作動流体の流路、
６…流路の内部隔壁、２０…放熱部、２１…ケース、２２…電子部品、
２３…カバー、３０…冷却風の入口部分および出口部分の端部隔壁、
３１〜３４…自励振動型ヒートパイプの分割タイプ、
３５…ヒートパイプの端部隔壁、３６、３７…ヒートパイプ内の仕切り壁、
１０１〜１０３…走行風の方向、５００…電力変換装置、５０１…車体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2019049405.tif 000013
【図１２】
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【国際調査報告】
2019049405.tif 000015
2019049405.tif 000016
2019049405.tif 000017
2019049405.tif 000018