(57)【要約】【課題】  外気温度がヒートパイプ中の冷却液の凝固点より低くても、半導体デバイスが冷却できる電気鉄道用半導体電力変換装置の提供。【解決手段】  本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、電力半導体デバイスを冷却するために、冷却液が純水である可変コンダクタンスヒートパイプを備えている。電力半導体デバイスが受熱ブロックに接触していて、電力半導体デバイスで発生した熱が、受熱ブロックを介して可変コンダクタンスヒートパイプに伝わり、熱が可変コンダクタンスヒートパイプの放熱フィンから周囲の空気に逃げる。【選択図】図１
2008005698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気鉄道に交流電力を直流電力に変換して供給あるいは、電気鉄道から直流電力を受けて交流電力に回生する電気鉄道用半導体電力変換装置において、
該電力変換装置が前記交流電力を直流電力に変換あるいは直流電力を交流電力に回生するための複数の電力半導体素子を備え、
該電力半導体素子が導電性受熱ブロック部で挟持され、
該受熱ブロック部が可変コンダクタンスヒートパイプを備えている
ことを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【請求項２】
電気鉄道に交流電力を直流電力に変換して供給あるいは、電気鉄道から直流電力を受けて交流電力に回生する電気鉄道用半導体電力変換装置において、
該電力変換装置が前記交流電力を直流電力に変換あるいは直流電力を交流電力に回生するための複数の電力半導体素子を備え、
該電力半導体素子が、導電性ブス部材で挟持され、
該導電性ブス部材が導電性受熱ブロック部で挟持され、
該導電性ブス部材と導電性受熱ブロック部とが電気絶縁部材によって電気絶縁されており、
該受熱ブロック部が可変コンダクタンスヒートパイプを備えている
ことを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２の何れかに記載の電気鉄道用半導体電力変換装置において、
前記、電力半導体素子を挟持する導電性受熱ブロック部の片方に可変コンダクタンスヒートパイプを備えていることを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電気鉄道用半導体電力変換装置において、前記可変コンダクタンスヒートパイプが前記電力半導体素子の電気接続端子であることを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の電気鉄道用半導体電力変換装置において、前記可変コンダクタンスヒートパイプが前記電力変換装置の筐体に電気的に接続されていることを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【請求項６】
請求項１から請求項３の何れかに記載の電気鉄道用半導体電力変換装置において、前記可変コンダクタンスヒートパイプが純水を冷却液としていることを特徴とする電気鉄道用半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気鉄道に電力を供給もしくは回生するために地上に設置される変電設備の半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気鉄道に電力を供給もしくは回生するため、図５または図６に示すような電力変換回路が用いられている。図５に示す電力変換回路では、交流電力をダイオード１１による整流回路で直流電力に変換し、電気鉄道のき電線１３を介して電気鉄道車両１４に電力を供給する。また、図６に示す電力変換回路では、電気鉄道車両１４の減速などに伴う回生電力を、電気鉄道のき電線１３から吸収し、サイリスタ１２などの可制御半導体デバイスを用いて交流回路へ電力を回生する。これらの電力変換回路では電力変換を行う際に電力半導体デバイス（以下、半導体デバイスと略す。）自体に熱損失が発生するため、半導体デバイスが熱で破損しないように冷却する必要がある。
【０００３】
沸騰冷却方法で半導体デバイスを冷却することが従来技術として広く用いられていた。図７に沸騰冷却式の鉄道用半導体電力変換装置を示す。図７で、符号１は半導体デバイス、９は半導体デバイス１の電気を通電するブスとしての役割を果すとともに発熱を冷却液２１に伝熱させる受熱ブロック、５は半導体デバイス１および受熱ブロック９を電気的に絶縁する絶縁板である。
【０００４】
実際の電力変換装置では、複数個の半導体デバイス１を使用するが、図７には１つの半導体デバイス１のみを示す。図７に示すように、これらは全て、冷却液２１を満たしたタンク２２に入っている。半導体デバイス１の熱損失がある程度以上になると、冷却液２１が受熱ブロック９の箇所で沸騰，気化し、気化した冷却液２１の蒸気が、タンク２２の上部に配置したスリーブ２３を通って凝縮部２４で放熱して液化し、再びタンク２２へ戻り、再度受熱ブロック９から熱を受け取り気化する。特許文献１と、特許文献２には図７に類似した沸騰冷却式が記載されている。
【０００５】
別の従来技術として、ヒートパイプ冷却の半導体電力変換装置がある。図９にヒートパイプの原理を示す。図９の符号２は、半導体デバイスが発生する熱をヒートパイプ３５に伝える受熱ブロックである。ヒートパイプ３５の内部には入っている冷却液３２が、受熱ブロック２の熱により沸騰もしくは気化して、ヒートパイプ３５の上部へ熱を輸送する。ヒートパイプ３５の上部には放熱フィン４が付いており、気化した冷却液３２は熱を放熱フィン４へ与えて液化する。特許文献３にはヒートパイプを用いた半導体冷却装置が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−３７４８２号公報
【特許文献２】特開平５−２１１２５８号公報
【特許文献３】特開平７−１９０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来技術の沸騰冷却では、冷却液２１が凍結するような温度まで周囲温度が低下した場合、凝縮部２４へ来た冷却液２１が凍結し、タンク２２へ戻らないために半導体デバイス１の冷却ができなくなる。これを回避するために、一般に凝固点が低いフロン液を冷却液２１に用いているが、フロン液は、温室効果ガスとして地球温暖化係数が高い物質であるので、できれば使用を避けたい。温室効果の全くない水を冷却液に使う場合には、周囲温度が氷点下となったときの凍結を防止するために加熱ヒータを設ける必要があり、氷点下ではヒータによる電力消費が不可避になる。
【０００８】
前記別の従来技術では、ヒートパイプ３５内部の冷却液３２に水を用いているが、沸騰冷却方法と同様に放熱フィン４が冷却液３２の凝固点以下の低温に曝されると、冷却液３２がヒートパイプ３５の上部で凍結し、固体となった冷却液３２は、ヒートパイプ３５の下部へ戻ることがないため、ヒートパイプ３５下部の冷却液３２は徐々に減って、継続的に半導体デバイス１を冷却できない問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、周囲温度が冷却液を凝固させるような低温であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置の提供であり、特に、周囲温度がヒートパイプの冷却液を凝固させるような低温であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスを冷却するために、冷却液が純水である可変コンダクタンスヒートパイプ(Valuable Conductance Heat Pipe ：ＶＣＨＰと以下略記する。）を用いる。半導体デバイスは、受熱ブロックに接触していて、この受熱ブロックの熱が、ＶＣＨＰにより放熱フィンへ伝熱され、放熱フィンから周囲の空気に熱が逃げる。
【００１１】
本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスの両側もしくは片側には、導電性のブスを接続し、この導電性のブスと、受熱ブロックとの間には絶縁板を挿入する。この絶縁板は、半導体デバイスおよび導電性ブスと、受熱ブロックおよびＶＣＨＰおよび放熱フィンを電気的に絶縁するとともに、半導体デバイスの熱を受熱ブロックに伝熱するので、ＶＣＨＰおよび放熱フィンを大地電位として、受電部が電力変換装置の装置外部にでないようにできる。
【００１２】
また、本発明の電気鉄道用半導体電力変換装置は、半導体デバイスの少なくとも片側にＶＣＨＰを用いた。反対側にはＶＣＨＰに比べて製作しやすく、安価な通常のヒートパイプを用いてもよい。周囲環境が低温で通常のヒートパイプでは冷却液が凍結して冷却性能が著しく低下しても、半導体デバイスはＶＣＨＰを用いた片面で冷却でき、周囲環境が高温となった場合は、通常のヒートパイプも機能するため、半導体デバイスはＶＣＨＰを用いた片側および通常のヒートパイプを用いた片側の両方から冷却できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ヒートパイプの冷却液の凝固点より低い外気温度であっても、半導体デバイスを冷却できるようにした電気鉄道用半導体電力変換装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本実施例の説明図である。本実施例の電気鉄道用半導体電力変換回路も前記図５および図６に示す回路構成と同様であって、地上に設置されている。本実施例の電気鉄道用半導体電力変換装置は定格直流電圧が６００Ｖ〜３０００Ｖのものである。
【００１６】
図５，図６に示す電力半導体デバイスであるダイオード１１およびサイリスタ１２は、電流の通流にともない電力損失が発生する。このダイオード１１およびサイリスタ１２を冷却するための構造を図１に示す。図１で、符号１はダイオードやサイリスタなどの半導体デバイスであり、符号２は半導体デバイス１を冷却するとともに半導体デバイス１に電気を通電するための導電性の受熱ブロックである。符号３は受熱ブロック２に差し込んである可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）であり、符号４は放熱フィンである。ＶＣＨＰ３は、受熱ブロック２の熱を放熱フィン４へ輸送する。
【００１７】
本実施例では、半導体デバイス１はシリコンダイオード，シリコンサイリスタ，ＧＴＯなどであって、半導体デバイス１のアノード電極とカソード電極とに２つの受熱ブロック２が圧接されている。なお、図１で、それぞれのＶＣＨＰ３は半導体デバイス１の接続端子を兼ねていても良い。
【００１８】
本実施例のＶＣＨＰ３の冷却液は水であり、非凝縮性ガスとして空気または窒素ガスが封入してあるので、装置の周囲温度が氷点下に低下し、半導体デバイス１の発熱量が少ない場合であっても、受熱ブロック２から放熱フィン４まで熱を輸送できる。なお、本実施例の電気鉄道用半導体電力変換装置では、図５および図６に示すように複数の半導体デバイス１を用いているので、それぞれの半導体デバイス１が図１に示す構造で冷却されている。
【００１９】
図８は、本実施例で用いたＶＣＨＰ３内部の説明図である。図８で、符号３１はＶＣＨＰ３のコンテナであり、符号３２は水に代表される冷却液である。図８の符号３４は空気もしくは窒素に代表される非凝縮性ガスである。冷却液３２と非凝縮性ガス３４は、コンテナ３１に封入されている。図８の符号２はＶＣＨＰ３に取り付けられた受熱ブロックである。ＶＣＨＰ３には複数枚数の放熱フィン４が取り付けられている。冷却液３２が気化し凝縮する動きを図８の破線矢印３３で示す。
【００２０】
ダイオードなどの半導体デバイス１の発熱は、受熱ブロック２を暖めることとなる。この受熱ブロック２の熱は、ＶＣＨＰ３のコンテナ３１を介して、冷却液３２を沸騰もしくは気化させる。コンテナ３１内部で気化した冷却液３２は、コンテナ３１上部へ移動するが、コンテナ３１上部には非凝縮性ガス３４が溜まっているために、気化した冷却液３２は、非凝縮性ガス３４の下部までしか到達できない。
【００２１】
非凝縮性ガス３４がコンテナ３１内部で溜まることができる領域は、気化した冷却液３２の圧力により定まる。この気化した冷却液３２の圧力は、受熱ブロック２を介して伝達された熱量と放熱フィン４から出て行く熱量とにより規定される。すなわち、受熱ブロック２から伝達される熱量が、放熱フィン４から出て行く熱量より大きいと、気化した冷却液３２の圧力が高まり、非凝縮性ガス３４の領域を狭めて、より多くの熱を放熱フィン４に伝えることができる。また、逆に放熱フィン４の周囲温度が低く風などを受けて放熱効果が高い場合には、気化した冷却液３２の圧力を下げることになり、非凝縮性ガス３４の領域を広げることとなる。
【００２２】
ここで、ＶＣＨＰの放熱フィン４は、非凝縮性ガス３４の圧力と、受熱ブロック２の熱で気化した冷却液３２の蒸気の圧力とが均衡する位置より上方に配置する。さらに、気化した冷却液３２と非凝縮性ガス３４との境界が、冷却液３２が凍結しない温度の箇所になるように、予めコンテナ３１内部に封入する冷却液３２と非凝縮性ガス３４の量を調整するので、冷却液３２がコンテナ３１の上部で凍結することを防ぐことできる。凍結しない冷却液３２は、コンテナ３１上部で凝結して、液体となってコンテナ３１の下部へ戻り、再度受熱ブロック２から受ける熱を放熱フィン４へ運ぶことができる。
【００２３】
ＶＣＨＰの冷却液３２を純水としたため、半導体デバイス１が発熱せず周囲環境が氷点下であるときは、受熱ブロック２側の冷却液３２が凍結することがある。しかし電気鉄道用半導体電力変換装置に通電すると、半導体デバイス１の発熱に伴い凍結した冷却液３２である水は解け出し、さらに気化して受熱ブロック２の熱を放熱フィン４へと輸送する。
【００２４】
本実施例の電気鉄道用の半導体電力変換装置では、上記ＶＣＨＰ３を備えているので、冷却液３２に純水を用いるのにも関わらず、純水が凍結するような氷点下の低温環境、例えば−３０℃の外気温であっても、ヒートパイプに凍結防止ヒータを付けずに半導体デバイス１を支障なく冷却できる。
【００２５】
（実施例２）
本実施例の半導体電力変換装置を図２に示す。受熱ブロック２，ＶＣＨＰ３および放熱フィン４を半導体デバイス１と絶縁したことが実施例１と異なる。半導体デバイス１と受熱ブロック２とを絶縁するために、絶縁板５を用いる。絶縁板５は電気的な絶縁を保ちつつ、熱伝導率が高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）板を用いた。また、半導体デバイス１に通電するために、銅あるいは銅合金製の導電性のブス６を半導体デバイス１であるダイオードやサイリスタのアノード面とカソード面とにそれぞれ圧接してある。なお、圧接する面の間には電気絶縁性のグリースなどを塗布して圧接面の熱抵抗を下げても良い。
【００２６】
本実施例では、放熱フィン４やＶＣＨＰ３が半導体デバイス１と電気的に絶縁されているので、放熱フィン４を大地電位もしくは筐体のフレーム電位とすることができ、放熱フィン４を電力変換装置筐体のフレームなどの構造材から離隔する必要がなく、小型で安全性が高い半導体電力変換装置にできる。
【００２７】
（実施例３）
図３に本実施例を示す。本実施例は、半導体デバイス１の片側に図８のＶＣＨＰ３を用い、他方の片側を図９の通常のヒートパイプ３５を用いて冷却していることのみが前記実施例１と異なり、それ以外は実施例１同様である。
【００２８】
通常のヒートパイプ３５では、ヒートパイプ３５の冷却液３２が凍結するような低温の環境で使用すると、冷却性能が著しく低下し、半導体デバイス１の放熱に支障が出る。しかし、本実施例のように、半導体デバイス１のアノード面あるいはカソード面のいずれか一方だけをＶＣＨＰ３で冷却すれば半導体デバイス１を熱的な破損から防ぐことができる。また、周囲温度が高く、冷却液３２が液体になっている場合は、通常のヒートパイプ３５も冷却に寄与するので、半導体デバイス１の冷却が問題なくできる。このように本実施例によれば、安価で小型の半導体電力変換装置を実現できる。
【００２９】
（実施例４）
図４に本実施例を示す。本実施例は、半導体デバイス１の片側に図８のＶＣＨＰ３を用い、半導体デバイス１の他方の片側を図９の通常のヒートパイプ３５を用いて冷却していることのみが前記実施例２と異なり、それ以外は実施例２同様である。
【００３０】
本実施例のよう、半導体デバイス１のアノード面あるいはカソード面のいずれか一方だけをＶＣＨＰ３で冷却すれば半導体デバイス１を熱的な破損から防ぐことでき、また、周囲温度が高く、冷却液３２が液体になっている場合には、通常のヒートパイプ３５も冷却に寄与するので、半導体デバイス１の冷却が問題なくできる。このように本実施例によれば、安価で小型の半導体電力変換装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例１の電力変換装置の半導体デバイスの冷却手段の説明図。
【図２】実施例２の電力変換装置の半導体デバイスの冷却手段の説明図。
【図３】実施例３の電力変換装置の半導体デバイスの冷却手段の説明図。
【図４】実施例４の電力変換装置の半導体デバイスの冷却手段の説明図。
【図５】電気鉄道用電力変換回路の説明図。
【図６】別の電気鉄道用電力変換回路の説明図。
【図７】従来技術の電力変換装置の半導体デバイスの冷却手段の説明図。
【図８】実施例１の電力変換装置が備えている可変コンダクタンスヒートパイプの説明図。
【図９】通常のヒートパイプの説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１…半導体デバイス、２…受熱ブロック、３…可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）、４…放熱フィン、５…絶縁板、６…ブス、９…受熱ブロック、１１…ダイオード、１２…サイリスタ、１３…き電線、１４…電気鉄道車両、２１，３２…冷却液、２２…タンク、２３…スリーブ、２４…凝縮部、３１…コンテナ、３４…非凝縮性ガス、３５…ヒートパイプ。
【図１】
2008005698.tif 000003
【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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