(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換用の半導体素子を半導体冷却ユニットの受熱部の一方の側に装着するととともに、
前記受熱部の他方の側のうち前記半導体素子と対向する位置に放熱フィンを配設し、
前記半導体素子に電気接続される電線巻物部品を、前記放熱フィンに並設して前記受熱部に固定し、
前記受熱部は、前記半導体素子から前記受熱部を通って前記放熱フィンに至る方向において、前記電線巻物部品を装着する部分の厚みが、前記半導体素子を装着する部分よりも厚くなっていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、箱体の内側の密閉部に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
前記放熱フィンは、前記箱体の側方開放部に臨む側に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
前記電線巻物部品は、前記受熱部を貫通して前記半導体素子の側に延びる端子を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
前記電線巻物部品の端子は、前記半導体素子の端子と高さを揃えて配設されるともに導電性金属板から形成された接続導体を介して前記半導体素子の端子と電気接続されることを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】
前記半導体冷却ユニットは、前記受熱部のうち前記半導体素子および前記電線巻物部品をそれぞれ装着する部分と前記放熱フィンを設ける部分との間で延びるように前記受熱部に埋設されたヒートパイプを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項７】
前記半導体冷却ユニットは、前記受熱部のうち前記半導体素子を装着する部分にその基端部が埋設されるとともにその先端側に放熱フィンが装着されたヒートパイプを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換用の半導体素子を備えた鉄道車両用電力変換装置に関し、より詳しくは、半導体素子および電線巻物部品の発熱を効率良く放熱できるとともに、半導体素子と電線巻物部品とを最短の長さでかつ簡単に電気接続することができ、さらには箱体の構造を簡単にすることができるように改良する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の床下には電力変換装置が配設され、架線から供給される電力を半導体素子のスイッチングにより変換して車両駆動用の電動機に供給するようになっている。
【０００３】
このような鉄道車両用電力変換装置の構造を図７および図８を参照して説明すると、鉄道車両１の床下に装着された電力変換装置２は、箱体３内の密閉部４に発熱量の大きい半導体素子５を収納するとともに、この半導体素子５を冷却ユニット６の受熱部６ａに装着して冷却するようになっている。
また、箱体３外の側方開放部７に臨む冷却ユニット６の放熱部６ｂには多数の放熱フィンが配設され、スイッチングに伴って半導体素子５に発生する熱を大気中に放熱するようになっている。
【０００４】
また、箱体３の上部に設けた上側開放部７ａには、半導体素子５によって変換される電圧の波形を整形したり必要な電圧に変圧したりするためのリアクトルやトランス等の電線巻物部品８が配設されている。
これにより、リアクトルやトランス等の電線巻物部品８の発熱は外気に直接放熱できるので、箱体３の密閉部４内の温度上昇を抑制することができる。
【０００５】
一方、電線巻物部品８はリード線９を介して半導体素子５に電気接続される。
このとき、リード線９を流れる高調波電流によるノイズの影響を極力抑えるため、リード線９の長さを最短とする必要がある。
そこで、電線巻物部品８から延びるリード線９は、箱体３に設けた貫通孔３ａを介して密閉部４に引き込まれるとともに、その先端が冷却ユニット６の端子台６ｃに固定されて半導体素子５に電気接続される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構造を有する従来の鉄道車両用電力変換装置においては、電線巻物部品８から半導体素子５に延びる多数のリード線９を箱体３内に引き込むため、箱体３に設けた多数の貫通孔３ａに防水処理を施す必要がある。
【０００７】
また、多数のリード線９を冷却ユニット６の端子台６ｃに電気接続する作業を箱体３の内部で行わざるを得ず、作業性が悪い。
同様に、箱体３に設けた冷却ユニット６を着脱する作業も大変である。
【０００８】
また、電線巻物部品８は半導体素子５のスイッチング速度を高速とすることにより小型化が図られているが、箱体３の上部に配設する構造であり、かつ半導体素子５を収納する密閉部４と電線巻物部品８を配設する上側開放部７ａとを隔壁３ｂによって区画する必要があるため、箱体３の構造が複雑なものとなる。
【０００９】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術が有する問題点を解消し、半導体素子および電線巻物部品の発熱を効率良く放熱できるとともに、半導体素子と電線巻物部品とを最短の長さでかつ簡単に電気接続することができ、さらには箱体の構造を簡単にすることができる鉄道車両用電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する請求項１に記載の手段は、
電力変換用の半導体素子を半導体冷却ユニットの受熱部の一方の側に装着するととともに、
前記受熱部の他方の側のうち前記半導体素子と対向する位置に放熱フィンを配設し、
前記半導体素子に電気接続される電線巻物部品を、前記放熱フィンに並設して前記受熱部に固定し、
前記受熱部は、前記半導体素子から前記受熱部を通って前記放熱フィンに至る方向において、前記電線巻物部品を装着する部分の厚みが、前記半導体素子を装着する部分よりも厚くなっていることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置である。
【００１１】
すなわち、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置においては、半導体素子を冷却する半導体冷却ユニットに電線巻物部品を装着するから、電線巻物部品の発熱をも効率良く放熱することができる。
また、半導体素子および電線巻物部品を共に半導体冷却ユニットに装着するから、半導体素子および電線巻物部品を接近させて配設し両者を最短長さで電気接続できるばかりでなく、組立作業や箱体に対する取付作業等を容易に行うことができる。
さらに、一般的な鉄道車両用電力変換装置においては、半導体素子の発熱量の方が電線巻物部品の発熱量よりも多いから、半導体冷却ユニットの受熱部のうち半導体素子を装着した部分の温度の方が電線巻物部品を装着した部分の温度よりも高くなる。
これにより、半導体冷却ユニットの受熱部の厚みを全体的に等しくしたのでは、半導体素子の発熱の一部が電線巻物部品側に伝達されて電線巻物部品を装着した部分の受熱部の温度が高くなり、電線巻物部品の発熱を効率良く放熱することができなくなるおそれがある。
このとき、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置においては、半導体冷却ユニットの受熱部のうち電線巻物部品を装着した部分の方が厚いから、半導体素子の発熱は電線巻物部品側に伝達されにくくなる。
これにより、半導体素子の発熱は放熱フィンの側により多く伝達されることとなり、放熱フィンを介して効率良く放熱することができる。
同時に、電線巻物部品を半導体素子から離間させることができるから、半導体素子の発熱の影響によって電線巻物部品の温度が高まることを防止し、電線巻物部品の発熱を効率良く放熱することができる。
【００１２】
請求項２に記載の手段は、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記半導体素子が、箱体の内側の密閉部に収納されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の手段は、請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記放熱フィンが、前記箱体の側方開放部に臨む側に配設されていることを特徴とする。
すなわち、請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置によれば、装置の開放部に露出する放熱フィンに電線巻物部品を並設するから、電線巻物部品の発熱を直接外気に放熱したり放熱フィンを介して放熱したりすることができ、電線巻物部品の冷却効率を高めることができる。
【００１４】
請求項４に記載の手段は、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記電線巻物部品が、前記受熱部を貫通して前記半導体素子の側に延びる端子を有することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、請求項４に記載の鉄道車両用電力変換装置によれば、電線巻物部品を放熱フィン側に配設したにもかかわらず、受熱部を貫通して延びる端子により、半導体素子側において電線巻物部品と半導体素子とを電気接続することができる。
【００１６】
請求項５に記載の手段は、請求項４に記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記電線巻物部品の端子が、前記半導体素子の端子と高さを揃えて配設されるともに導電性金属板から形成された接続導体を介して前記半導体素子の端子と電気接続されることを特徴とする。
【００１７】
すなわち、請求項５に記載の鉄道車両用電力変換装置によれば、電線巻物部品の端子および半導体素子の端子を同じ高さ、すなわち半導体冷却ユニットの受熱部からの距離を等しくすることにより、両者の距離を最短とすることができる。
また、例えば銅板等の導電性金属板から形成した接続導体を用いてこれらの端子同士を接続するから、電気接続の低インダクタンス化を図ることができる。
【００１８】
請求項６に記載の手段は、請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記半導体冷却ユニットが、前記受熱部のうち前記半導体素子および前記電線巻物部品をそれぞれ装着した部分と前記放熱フィンを設けた部分との間で延びるように前記受熱部に埋設されたヒートパイプを有することを特徴とする。
【００１９】
すなわち、請求項６に記載の鉄道車両用電力変換装置においては、半導体素子および電線巻物部品の発熱がヒートパイプにより放熱フィンに伝達されて放熱されるから、半導体素子および電線巻物部品を効率良く冷却することができる。
【００２０】
請求項７に記載の手段は、請求項１〜５のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、前記半導体冷却ユニットが、前記受熱部のうち前記半導体素子を装着した部分にその基端部が埋設されるとともにその先端側に放熱フィンが装着されたヒートパイプを有することを特徴とする。
【００２１】
すなわち、請求項７に記載の鉄道車両用電力変換装置においては、半導体素子および電線巻物部品から受熱部に入力した発熱が、ヒートパイプの基端から先端側に設けた多数の放熱フィンに伝達されて放熱されるから、半導体素子および電線巻物部品を効率良く冷却することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道車両用電力変換装置の一実施形態および参考例を、図１乃至図３を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明においては同一の部分に同一の符号を用いるとともに、鉄道車両の前後進方向を前後方向と、かつ枕木方向を左右方向と、鉛直方向を上下方向と言う。
【００２３】
第１参考例
まず最初に図１乃至図３を参照し、第１参考例の鉄道車両用電力変換装置について詳細に説明する。
【００２４】
図１乃至図３に示したように、鉄道車両１の床下に装着された本第１参考例の電力変換装置１０は、箱体１１内の密閉部４に発熱量の大きい半導体素子５を収納するとともに、この半導体素子５を半導体冷却ユニット１２の受熱部１２ａに装着して冷却するようになっている。
【００２５】
半導体冷却ユニット１２の受熱部１２ａは前後方向および上下方向に延びる側面視で矩形状の厚板部材で、側方開放部７に臨む側の半導体素子５と対向する位置には、多数の放熱フィン１２ｂがそれぞれ配設されている。
これにより、多数の放熱フィン１２ｂが鉄道車両の走行に伴う走行風にさらされるから、スイッチングに伴って半導体素子５に発生する熱を効率的に大気中に放熱することができる。
【００２６】
多数の放熱フィン１２ｂの間の隙間１２ｃには、半導体素子５によって変換される電圧の波形を整形したり必要な電圧に変圧したりするためのリアクトルやトランス等の電線巻物部品１３がそれぞれ並設され、受熱部１２ａに密着するように固定されている。
これらの電線巻物部品１３は、受熱部１２ａを貫通して半導体素子５側に延びる端子１３ａをそれぞれ有している。
各端子１３ａの先端は、半導体素子５の端子５ａとその高さを揃えて、すなわち受熱部１２ａからの距離が揃うように配設されている。
【００２７】
半導体素子５の各端子５ａおよび電線巻物部品１３の各端子１３ａには、一対の銅板１４ａによって絶縁板１４ｂを挟持して形成した電気接続導体１４がボルト１５によってそれぞれ螺着され、各端子５ａ，１３ａ間を互いに電気接続している。
【００２８】
半導体素子５、電線巻物部品１３および電気接続導体１４がそれぞれ組み付けられた半導体冷却ユニット１２は、箱体１１の側方に開設された開口１１ａを介して箱体１１に装着され、半導体素子５が密閉部４内に位置する。
また、半導体冷却ユニット１２の外周に沿って固着したフランジ１２ｄの先端が、開口１１ａの周縁に沿って固着された断面形状コ字形の板金部材１１ｂの内側に位置し、飛び石や雨水等が箱体１１内の密閉部４に入り込むことを防止している。
【００２９】
すなわち、本第１参考例の鉄道車両用電力変換装置１０においては、半導体素子５を冷却する半導体冷却ユニット１２に電線巻物部品１３を装着する。
これにより、半導体素子５と半導体冷却ユニット１２および電線巻物部品１３を箱体１１の外部において一体に組み立てることができるから、組み立ての作業効率を大幅に向上させることができる。
また、箱体１１に対する取付作業を容易に行うことができるばかりでなく、箱体１１を含む鉄道車両用電力変換装置１０全体の構造を極めて簡単なものとすることができる。
【００３０】
また、側方開放部７に露出する放熱フィン１２ｃに電線巻物部品１３を並設するから、電線巻物部品１３の発熱を直接外気に放熱したり放熱フィン１２ｃを介して放熱したりすることができ、電線巻物部品１３の冷却効率を高めることができる。
【００３１】
また、電線巻物部品１３を放熱フィン１２ｂ側に配設したにもかかわらず、半導体冷却ユニット１２を貫通して延びる端子１３ａを設けたことにより、半導体素子５側において半導体素子５と電気接続できるから、組立作業性を向上させることができる。
【００３２】
また、電線巻物部品１３の端子１３ａおよび半導体素子５の端子５ａを同じ高さ、すなわち半導体冷却ユニット１２の受熱部１２ｂからの距離を等しくすることにより、両端子１３ａ，５ａ間の距離を最短とすることができる。
さらに、銅板等から形成した電気接続導体１４を用いて両端子１３ａ，５ａ同士を互いに接続するから、電気接続の低インダクタンス化を図ることができる。
【００３３】
実施形態
次に図４を参照し、一実施形態の鉄道車両用電力変換装置について詳細に説明する。
【００３４】
図４に示した本実施形態の鉄道車両用電力変換装置２０は、上述した第１参考例の半導体冷却ユニット１２の形状を変更したもので、それ以外の部分は同一となっている。
【００３５】
すなわち、半導体素子５および電線巻物部品１３を冷却するための半導体冷却ユニット２１の受熱部のうち、半導体素子５を装着する受熱部２１ａの厚み寸法Ｔ１に対して、電線巻物部品１３を装着する受熱部２１ｂの厚み寸法Ｔ２の方が大きく設定されている。
【００３６】
これにより、電線巻物部品１３よりも発熱量の多い半導体素子５の発熱が、半導体冷却ユニット２１の放熱フィン２１ｃの側により多く伝達されるから、放熱フィン２１ｃを介して効率良く放熱することができる。
【００３７】
同時に、電線巻物部品１３を半導体素子５から離間させることができるから、半導体素子５の発熱の影響によって電線巻物部品１３の温度が高まることを防止し、電線巻物部品１３の発熱を効率良く放熱することができる。
さらには、電線巻物部品１３の発熱を受熱部２１ｂを介さずに放熱フィン２１ｃに直接伝達することもできる。
【００３８】
第２参考例
次に図５を参照し、第２参考例の鉄道車両用電力変換装置について詳細に説明する。
【００３９】
図５に示した本第２参考例の鉄道車両用電力変換装置３０は、前述した第１参考例の半導体冷却ユニット１２の構造を変更したもので、それ以外の部分は同一となっている。
【００４０】
すなわち、半導体素子５および電線巻物部品１３を冷却するための半導体冷却ユニット３１の受熱部３１ａには、半導体素子５と電線巻物部品１３をそれぞれ装着した部分と放熱フィン３１ｂを設けた部分との間で前後方向に延びるようにヒートパイプ３２が埋設されている。
【００４１】
このヒートパイプ３２は、密封された管状容器の内部に冷媒を封入したものである。
管状容器内の冷媒は、半導体冷却ユニット３１の受熱部３１ａのうち半導体素子５および電線巻物部品１３の発熱によって温度が高い部分で加熱されて蒸発し気化熱を奪うとともに、管状容器の内部を移動し、放熱フィン３１ｂに臨んで温度が低い部分で凝縮して放熱する。
【００４２】
したがって、本第２参考例の鉄道車両用電力変換装置３０においては、半導体素子５および電線巻物部品１３の発熱がヒートパイプ３２によって放熱フィン３１ｂに伝達されて放熱されるから、半導体素子５および電線巻物部品１３を効率良く冷却することができる。
【００４３】
第３参考例
次に図６を参照し、第３参考例の鉄道車両用電力変換装置について詳細に説明する。
【００４４】
図６に示した本第３参考例の鉄道車両用電力変換装置４０は、上述した第２参考例の半導体冷却ユニット３１の構造をさらに変更したもので、それ以外の部分は同一となっている。
【００４５】
すなわち、本第３参考例における半導体冷却ユニット４１は、厚板状の受熱部４２と、この受熱部４２に植設された多数のヒートパイプユニット４３とを有している。
【００４６】
ヒートパイプユニット４３は、平面視でＵ字形に湾曲したヒートパイプ４４が左右方向に延びるようにその基端部４４ａを受熱部４２に埋設するとともに、その先端側４４ｂに互いに平行に前後方向および上下方向に延びる多数枚の放熱フィン４５を装着したものである。
【００４７】
したがって、本第３参考例の鉄道車両用電力変換装置４０においては、半導体素子５および電線巻物部品１３から受熱部４２に入力した発熱が、ヒートパイプ４４の基端部４４ａから先端側４４ｂに設けた多数の放熱フィン４５に伝達されて外気に放熱されるから、半導体素子５および電線巻物部品１３を効率良く冷却することができる。
【００４８】
以上、本発明に係る鉄道車両用電力変換装置の一実施形態および参考例について詳しく説明したが、本発明は上述した一実施形態および参考例によって限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した一実施形態および参考例においてはいずれも放熱フィンを半導体素子に対して左右方向に対向配置しているが、半導体素子の数よりも多い放熱フィンを配設することもできる。
また、電線巻物部品を配設する位置は、放熱フィンの間に限定されない。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の鉄道車両用電力変換装置においては半導体素子を冷却する半導体冷却ユニットに電線巻物部品を装着するから、半導体素子と半導体冷却ユニットおよび電線巻物部品を装置の箱体の外において一体に組み立てることができ、組立作業の効率を大幅に向上させることができるばかりでなく、箱体に対する取付作業をも容易に行うことができ、さらには鉄道車両用電力変換装置の全体構造を極めて簡単なものとすることができる。
また、開放部に露出する放熱フィンに電線巻物部品を並設するから、電線巻物部品の発熱を直接外気に放熱したり放熱フィンを介して放熱したりすることができ、電線巻物部品の冷却効率を高めることができる。
また、電線巻物部品を放熱フィンに並設したにもかかわらず、半導体冷却ユニットを貫通して延びる端子を設けたことにより半導体素子側において半導体素子と電気接続できるから、組立作業性を向上させることができる。
また、電線巻物部品の端子および半導体素子の端子を同じ高さ、すなわち半導体冷却ユニットの受熱部からの距離を等しくするから、両端子間の距離を最短とすることができる。
また、銅板等の導電性金属板等から形成した電気接続導体を用いて端子同士を電気接続するから、電気接続の低インダクタンス化を図ることができる。
特に、半導体冷却ユニットの受熱部のうち半導体素子を装着する部分よりも電線巻物部品を装着する部分の方が厚いから、半導体素子の発熱は放熱フィンの側により多く伝達されることとなって放熱フィンを介して効率良く放熱することができ、さらには電線巻物部品が半導体素子から離間させることができるから、半導体素子の発熱の影響によって電線巻物部品の温度が高まることを防止して電線巻物部品の発熱を効率良く放熱することができる。
また、半導体冷却ユニットの受熱部にヒートパイプを埋設し、半導体素子および電線巻物部品の発熱をヒートパイプによって放熱フィンに伝達するから、半導体素子および電線巻物部品を効率良く冷却することができる。
また、半導体冷却ユニットの受熱部にその基端部を埋設したヒートパイプの先端側に多数の放熱フィンを装着するから、半導体素子および電線巻物部品の発熱を多数の放熱フィンを介して放熱し半導体素子および電線巻物部品を効率良く冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１参考例の鉄道車両用電力変換装置の全体を前方から見た状態で模式的に示す正面図。
【図２】  図１に示した鉄道車両用電力変換装置を左右方向から見た状態で模式的に示す側面図。
【図３】  図２中に示したＡ−Ａ矢視線に沿った断面図。
【図４】  一実施形態の鉄道車両用電力変換装置の要部を図３と同様に示す断面図。
【図５】  第２参考例の鉄道車両用電力変換装置の要部を図３と同様に示す断面図。
【図６】  第３参考例の鉄道車両用電力変換装置の要部を図３と同様に示す断面図。
【図７】  従来の鉄道車両用電力変換装置の全体を前方から見た状態で模式的に示す正面図。
【図８】  従来の鉄道車両用電力変換装置の要部を前方から見た状態で模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１  鉄道車両
２  従来の電力変換装置
３  箱体
４  密閉部
５  半導体素子
５ａ  端子
６  冷却ユニット
７  側方開放部
７ａ  上側開放部
８  電線巻物部品
９  リード線
１０  第１参考例の鉄道車両用電力変換装置
１１  箱体
１２  半導体冷却ユニット
１２ａ  受熱部
１２ｂ  放熱フィン
１２ｃ  隙間
１２ｄ  フランジ
１３  電線巻物部品
１３ａ  端子
１４  電気接続導体
１５  ボルト
２０  一実施形態の鉄道車両用電力変換装置
２１  半導体冷却ユニット
２１ａ，２１ｂ  受熱部
２１ｃ  放熱フィン
３０  第２参考例の鉄道車両用電力変換装置
３１  半導体冷却ユニット
３１ａ  受熱部
３１ｂ  放熱フィン
３２  ヒートパイプ
４０  第３参考例の鉄道車両用電力変換装置
４１  半導体冷却ユニット
４２  受熱部
４３  ヒートパイプユニット
４４  ヒートパイプ
４５  放熱フィン
【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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