(57)【要約】【課題】  電力変換装置のパワー半導体を効果的に冷却する。【解決手段】  電力変換装置の電気回路を構成する複数のパワー半導体素子と、複数の第１の放熱フィンと、複数の第１の放熱フィンの根元部分が一方側の面に接続され、複数のパワー半導体素子が他方側の面に接続された板状の部材である第１のフィンベースと、複数の第１の放熱フィンに空気を送風するファンと、を備え、鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両を駆動する電動機を制御する電力変換装置において、複数の第１の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が鉄道車両の進行方向と略直交する向きに設置し、複数の第１の放熱フィンの先端側に板上の部材である第２のフィンベースを設け、第２のフィンベースの第１の放熱フィンと反対側の面に第２の放熱フィンを設け、第２の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が鉄道車両の進行方向と略平行となる向きになるように設置する構造とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置の電気回路を構成する複数のパワー半導体素子と、複数の第１の放熱フィンと、前記複数の第１の放熱フィンの根元部分が一方側の面に接続され、前記複数のパワー半導体素子が他方側の面に接続された板状の部材である第１のフィンベースと、前記複数の第１の放熱フィンに空気を送風するファンと、を備え、鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両を駆動する電動機を制御する電力変換装置において、
前記複数の第１の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が前記鉄道車両の進行方向と略直交する向きに設置し、前記複数の第１の放熱フィンの先端側に板上の部材である第２のフィンベースを設け、前記第２のフィンベースの第１の放熱フィンと反対側の面に第２の放熱フィンを設け、前記第２の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が前記鉄道車両の進行方向と略平行となる向きになるように設置したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記ファンは、前記第１の放熱フィンの下側から上側へ空気を送風することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、前記第１のフィンベースと前記第２のフィンベースの間には、フィンの主要な伝熱面の向きが前記鉄道車両の進行方向と略直交する前記第１の放熱フィンと、フィンの主要な伝熱面が前記鉄道車両の進行方向と略平行かつ略鉛直な向きの第３のフィンとを格子状に配置したことを特徴とする電力変換装置。 
【請求項４】
電力変換装置の電気回路を構成する複数のパワー半導体素子と、複数の第１の放熱フィンと、前記複数の第１の放熱フィンの根元部分が一方側の面に接続され、前記複数のパワー半導体素子が他方側の面に接続された板状の部材である第１のフィンベースと、前記複数の第１の放熱フィンに空気を送風するファンと、を備え、鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両を駆動する電動機を制御する電力変換装置において、
前記複数の第１の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が略水平な向きになるように設置し、前記複数の第１の放熱フィンの先端側に板上の部材である第２のフィンベースを設け、前記第２のフィンベースの第１の放熱フィンと反対側の面に第２の放熱フィンを設け、前記第２の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が略水平な向きになるように設置したことを特徴とする電力変換装置。 
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電力変換装置を床下に搭載した鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置およびそれを搭載した鉄道車両に関する。
【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ため、電力変換装置を小型化することが望まれている。従来の電力変換装置としては、特許文献１のように、半導体素子を取り付けたフィンベースに、車両の走行方向に沿って冷却フィンを設け、冷却フィンの間に走行風を流すことによって半導体素子を冷却する構造が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０６３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
走行風による冷却のみでは十分にパワー半導体素子を冷却できない場合には、ファンを設けて強制的に送風することにより冷却することが考えられる。一方、パワー半導体素子を効果的に冷却するには、ファンによる風と併せて車両の走行に伴って生じる風、いわゆる走行風を活用することが有効であるが、従来の構造ではファンによる冷却風と走行風を両方活用することができないため、冷却器を大きくするか、ファンの動力を大きくする必要があるという課題があった。
【０００５】
本発明の目的は、電力変換装置を冷却するために、ファンによる冷却風に加えて車両の走行による風を取り込むことによって、小型でファン動力の小さい電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置では、電力変換装置の電気回路を構成する複数のパワー半導体素子と、複数の第１の放熱フィンと、複数の第１の放熱フィンの根元部分が一方側の面に接続され、複数のパワー半導体素子が他方側の面に接続された板状の部材である第１のフィンベースと、複数の第１の放熱フィンに空気を送風するファンと、を備え、鉄道車両に搭載されて、当該鉄道車両を駆動する電動機を制御する電力変換装置において、複数の第１の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が鉄道車両の進行方向と略直交する向きに設置し、複数の第１の放熱フィンの先端側に板上の部材である第２のフィンベースを設け、第２のフィンベースの第１の放熱フィンと反対側の面に第２の放熱フィンを設け、第２の放熱フィンは、フィンの主要な伝熱面が鉄道車両の進行方向と略平行となる向きになるように設置した構造とした。
【０００７】
または、複数の第１の放熱フィンの主要な伝熱面が略水平な向きになるように設置する構造とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、パワー半導体素子をフィンによる冷却風と走行風の両方によって効果的に冷却することができるので、小型でファン動力の小さな電力変換装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な方向の鉛直断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における電力変換装置の水平方向の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における電力変換装置の図１におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態における電力変換装置の図１におけるＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態における電力変換装置のフィンベースの半導体素子の取付け面の温度分布と、第２のフィンがない図６の構造の温度分布を示す図である。
【図６】電力変換装置において第２のフィンを持たない冷却構造を示す図である。
【図７】本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載した構成を示す図である。
【図８】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水平方向の断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な方向の鉛直断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の水平方向の断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の図９におけるＡ−Ａ断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、以下、図面を用いて説明する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図７に本発明の一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構成を示す。本発明の電力変換装置は鉄道車両の車体５０１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電圧や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。図７において、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。また、電力変換装置の冷却フィンは鉄道車両の側面側に配置され、発熱素子であるパワー半導体モジュール６は鉄道車両の中央側に配置される。
【００１２】
図１に本実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図２に進行方向と平行な水平断面図を示す。また、図３に図１におけるＡ−Ａ断面図（進行方向と水平な鉛直断面図）、図４に図１におけるＢ−Ｂ断面図（進行方向と水平な鉛直断面図）を示す。図における矢印４０、４１はファンによる空気の流れのおおまかな方向を示す。また記号３０、３１および矢印３２は、車両の進行方向を示す。鉄道車両は、一般的に前後方向のいずれにも走行する運用が行われるため、上り方向に走行する場合と下り方向に走行する場合とでは、発生する走行風の向きは逆向きとなる。
【００１３】
図１から図４において、アルミニウム合金等の金属からなる板状の第１のフィンベース３の一方側の面には、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６が設置されている。さらに複数のパワー半導体モジュール６がインバータ等の電力変換装置の電気回路を構成している。パワー半導体モジュール６は、グリース等の部材(図示せず)を介して第１のフィンベース３とねじ等(図示せず)によって固定される。第１のフィンベース３のパワー半導体モジュール６の側には、密閉されたケース８、９が設けられ、密閉された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７がパワー半導体モジュール６と共に設置されている。第１のフィンベース３のパワー半導体モジュール設置面とは反対側の面には、アルミニウム合金等の金属からなる第１のフィン１が設けられる。第１のフィンベース３と第１のフィン１とは、ろう付け等により固定する。第１のフィンベース３と第１のフィン１は、一体構造に加工ないしは成形しても良い。
【００１４】
図３のＡ−Ａ断面図に示すように、第１のフィン１の下側には複数のファン５を設置する。複数のファン５は、進行方向に沿って複数個配置され、図３におけるファン固定部材２８によって固定される。ファン５は必ずしも複数個である必要はなく、要求される送風量が少ない場合には一つのファンにより構成しても良い。ファン５の周辺に異物が侵入しないようにするため、穴の開いた板状のカバー２４、２５を設け、カバー２４、２５と第１のフィンベース３の間には走行風の侵入を避けるために、仕切板２１、２２、２６、２７を設ける。図３のＡ−Ａ断面図に示すように、第１のフィン１は、ファン５から送られる風が流れるように、フィンの主要な伝熱面が車両の進行方向と略直交する向きに設置する。なお、鉄道車両が前方向と後方向のいずれに進行した場合においても、ファン５による送風性能を同等に保つために、第１のフィン１は、鉛直方向とほぼ平行であることが望ましい。しかし、鉛直方向を軸にした回転方向に、第１のフィン１の主要な伝熱面を傾けて設置しても良い。
【００１５】
図１に示すように、第１のフィン１の先端側には板状の第２のフィンベース４を接続し、さらに第２のフィンベース４に第２のフィン２を設ける。図４のＢ−Ｂ断面図に示すように、第２のフィン２は、走行風を取り込むように、フィンの主要な伝熱面を進行方向と略平行かつ第２のフィンベースの主要面とほぼ直交する向き、つまりフィンの主要な伝熱面がほぼ水平となる向きに設置する。なお、走行風を取り込むことができれば、第２のフィンは、進行方向と平行となる向きから傾けて設置しても良いが、走行風を取り込み易くするために、進行方向と平行となる向きが望ましい。また、第２のフィンは、第２のフィンベースの主要面とほぼ直交する向きから傾けて設置しても良い。
【００１６】
第１のフィン１と第２のフィンベース４とは、ろう付け等により固定する。第２のフィンベース４と第２のフィン２とは、ろう付け等により固定する。第２のフィンベース４と第２のフィン２とを一体構造にしても良い。第２のフィン２の先端側には仕切板２３を設ける。仕切板２３は、第２のフィン２に入った走行風がフィン２の先端側から外側に漏れないようにして、フィン２の冷却効果を高めるとともに、フィン２を構造的に補強する役割も果たしている。
【００１７】
パワー半導体モジュール６の内部に設けられたパワー半導体等が動作することによって発生した熱は第１のフィンベース３に伝えられ、更にそこからフィン１に伝えられ、更にフィン１の先端から第２のフィンベース４を経て、フィン２に伝えられる。ファン５によって送られた空気は、フィン１の下側からフィン１の間の部分に送られ、フィン１の間を移動しながらフィン１から熱を奪って冷却する。一方、フィン２の間には車両の走行に伴う走行風が流れることによってフィン２が冷却される。
【００１８】
本実施例では、ファン５を下側に配置して、下側から上側へ冷却風を送る例を示したが、ファン５は上側に配置しても良い。また、冷却風は、上側から下側に送り出しても良い。しかし、暖まった空気は上側へ対流する性質を考慮して、冷却風は下側から上側へ送り出した方がより望ましい。
【００１９】
図５(a)に第２のフィン２を設けない構造（図６に示す構造）における第１のフィンベース３のモジュール６を取付けた面の表面温度分布の数値解析結果を、図５(b)に第２のフィン２を設けた構造（図１から図４の構造）における第１のフィンベース３のモジュール６を取付けた面の表面温度分布の数値解析結果を示す。図中の数値は、フィンベース表面温度と周囲空気温度の差を正規化して示している。(a)の構造(図６)におけるフィン１の根本から先端までの高さは、(b)の構造（図１）における第１のフィン１の根元から先端までの高さと、第２のフィンベース４の厚さと、第２のフィン２の根本から先端までの高さと、を合計した寸法と等しくなる条件で解析した。また、図５内の矢印で示した走行風は、フィンベースの周囲を図５の左側から右側へ流れており、ファン５による冷却風は、フィンベース面上を図５の下側から上側へ流れている状態における解析結果である。
【００２０】
図６のＡ−Ａ断面（図３と同じ）における走行風の最も上流側のファン５の吸込口付近（図５の左下付近）において、フィン１等に邪魔されて下方向に向かう走行風の流れと、ファン５により生じる上方向に向かう空気流れとの相互作用により、ファンの吸込口付近に空気の圧力が非常に低くなる部分ができるため、走行風の上流側（図５の左側）のフィン１の間における風速が、走行風の下流側（図５の右側）のフィン１の間における風速に比べて小さくなる傾向がある。そのため、図５の(a)に示すように、走行風の比較的上流側（図５の左側）においてフィンベース３の表面温度が走行風の下流側よりも高くなっている。
【００２１】
それに対して、第２のフィン２を設けた構造(b)においては、第２のフィン２の間を通る走行風によって、走行風の上流側の第２のフィン２は下流側のフィンよりも冷却され易いため、第１のフィンベース３の表面温度分布は、図５の(b)に示すように、走行風の上流部分の第１のフィンベース３の表面温度が(a)よりも低くなり、フィンベース面の最高表面温度、すなわちパワーモジュール６内にあるパワー半導体素子の温度を構造(a)よりも低下させる効果があることが確認できる。
【００２２】
以上説明したように本実施形態によれば、走行風の風上側の冷却性能が低くなるというファン冷却の有する課題を、第２のフィンベース４と第２のフィン２を設けて走行風を冷却に用いることで、課題となっていた走行風の風上側の冷却性能を向上させることができるので、冷却器全体の冷却性能を向上させることができ、電力変換装置の小型化やファン動力の低減が可能である。
【００２３】
［第２の実施形態］
図８に本発明の他の実施形態における電力変換装置の水平断面図を示す。本実施形態では、主要な電熱面が第１のフィン１に対して略直交する、つまり、進行方向と略平行かつ略鉛直な向きとなるフィン２８を設けることにより、格子状のフィンを形成した。格子状のフィンを用いることにより冷却風の圧力損失が増加するが、伝熱面積の増加の効果によって冷却性能を更に向上することが可能である。本実施形態で言及していない構造については、第１の実施形態と同様であるものとする。
【００２４】
［第３の実施形態］
図９に本発明のさらに他の実施形態における電力変換装置の車両の進行方向と垂直な鉛直断面図、図１０に進行方向と平行な水平断面図を示す。また、図１１に図９におけるＡ−Ａ断面（進行方向と平行な鉛直断面図）を示す。本実施形態において、第１のフィン６０は、主要な伝熱面がほぼ水平となる向きに設置されており、ファン５は車両の進行方向またはその逆方向に送風するように設置されている。図９〜図１１において、第２のフィンベース４および仕切板６１、６２に密接させて側カウル７０、７１、７２、７３を設置し、走行風が側カウルの内側、すなわちファン５や第１のフィン６０部分にはあまり侵入しない構造にしている。本実施形態で言及していない構造については、第１の実施形態と同様であるものとする。
【００２５】
本実施形態における構造では、側カウルの内側の第１のフィン６０は主にファン５による送風で冷却され、側カウルの外側の第２のフィン２は走行風によって冷却される。特にファンの送風方向と走行風の方向が逆のときに、ファンによる冷却では温度が高くなるファンによる送風の下流部分を走行風によって良く冷却することができるので、第１のフィンベース３の表面の温度、すなわちパワーモジュール内の素子温度を低下させる顕著な効果が得られる。また、ファンの送風方向と走行風の方向が同じ場合においても、第１のフィンベース３温度を低下させる効果がある。
【００２６】
以上のように本実施形態によれば、第２のフィンベース４と第２のフィン２を設けることによって冷却性能が向上し、電力変換装置の小型化やファンの動力の低減が可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１…第１のフィン
２…第２のフィン
３…第１のフィンベース
４…第２のフィンベース
５…ファン
６…パワー半導体素子
７…その他の電気部品
８、９…ケース
【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】
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