(57)【要約】【課題】  冷却器の下流側に設置した軸流ファンのモータの信頼性を向上する。【解決手段】  複数のパワー半導体素子と、複数のパワー半導体素子が一方の面に備えられた受熱部材と、受熱部材の他方の面に備えられた複数の放熱部材と、を備えた電力変換装置において、複数の放熱部材の間に冷却風を流すための複数のファンを備え、複数のファンを放熱部材の冷却風下流側に配置するとともに、放熱部材からファンまで冷却風を導くダクトを備え、ダクトの一部分に外気と通じた開口部を設ける。【選択図】  図１
2017069356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子と、
前記複数のパワー半導体素子が一方の面に備えられた受熱部材と、
前記受熱部材の他方の面に備えられた複数の放熱部材と、を備えた電力変換装置において、 
前記複数の放熱部材の間に冷却風を流すための複数のファンを備え、前記複数のファンを前記放熱部材の冷却風下流側に配置するとともに、
前記放熱部材から前記ファンまで前記冷却風を導くダクトを備え、
前記ダクトの一部分に外気と通じた開口部を設け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、
前記放熱部材と前記ファンの間の前記ダクトに外気と通じた開口部を設けた 
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、
前記開口部は、前記ダクトの上面、下面、側面の少なくともいずれかに設けられたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記開口部にカバーを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。 
【請求項５】
前記開口部を網状の部材で覆うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。 
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項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においては、特許文献１のように、半導体素子を受熱部材に取付け、受熱部材から立ち上げたヒートパイプにフィンを取り付けて、フィンの上流側に設けたブロアによってフィン間に送風することによりパワー半導体素子を冷却する構造が知られている。また、特許文献２には、複数の軸流ファンをフィンの上流側に設け、フィンに取り付けた電子部品を冷却する構造が見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７４８８号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートパイプとそれに取り付けたフィンからなる放熱部の上流側に設けたブロアによってフィン間に送風する方式の場合、十分な冷却性能を得るためには、大型のブロアを設ける必要があり、ブロアおよびブロアからヒートパイプ放熱部分までのダクトに大きなスペースを要するという問題があった。そこで、ブロアやダクトスペースを小さくするために、特許文献２のように、小型の軸流ファンを上流側に分散して配置する構造が考えられる。この構造をフィンとヒートパイプから構成されるヒートパイプ放熱部に適用した場合、装置を小型化するために、ファンとヒートシンクの距離を小さくしようとすると冷却風が均等に流れず、十分な冷却性能が得られないという問題があった。そこで、ファンをヒートパイプ放熱部の下流側に設けることが考えられる。しかしながら、ファンをヒートパイプ放熱部の下流に設置した場合には、半導体素子の発熱によって加熱された空気がファンモータに当たるため、ファンモータの信頼性、さらには寿命が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、冷却装置の小型化を図ると共に、風速分布を良好に保って冷却性能を確保し、かつファンモータの信頼性を向上することにある。
【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、複数のパワー半導体素子と、複数のパワー半導体素子が一方の面に備えられた受熱部材と、受熱部材の他方の面に備えられた複数の放熱部材と、を備えた電力変換装置において、複数の放熱部材の間に冷却風を流すための複数のファンを備え、複数のファンを放熱部材の冷却風下流側に配置するとともに、放熱部材からファンまで冷却風を導くダクトを備え、ダクトの一部分に外気と通じた開口部を設ける構造とした。
【発明の効果】
【０００７】
良好な風速分布を得て冷却性能を確保するとともに、パワー半導体素子の発熱によって上昇した空気の温度を低下させて、ファンモータの空気による加熱を抑制して、ファンモータの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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車両の枕木方向と垂直な方向の鉛直断面図である。
【図４】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５】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進行方向と垂直な方向の鉛直断面図である。
【図６】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７】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図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の進行方向と垂直な方向の鉛直断面図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態（第３の実施形態）における電力変換装置の図８におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図１０】本発明におけるファンモータ付近の空気温度の計算結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。図４に本発明の一実施形態（第１の実施形態）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図を示す。本発明の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交流電力の周波数を変えることにより、床下の台車に搭載されて車輪を駆動する電動機の回転速度の制御を行う。図４において、電力変換装置１０００は、車体１００１の床材に吊り下げられた状態で固定され、床下のスペースに搭載されている。また、ファンを設け、車両の進行方向とおおよそ直交する左右方向に風を流すことにより、電力変換装置のパワー半導体モジュール７、８から発生する熱を大気に放出している。
【００１０】
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方向の鉛直断面図を、図２に水平方向の断面図を、図３に枕木方向と垂直な方向の鉛直断面図を示す。図１から図３における矢印４０はファンによる空気の流れのおおまかな方向を示す。図１から図３において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材６の一方の側には、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７、８が設置されている。例えば、電力変換装置が交流電力を直流電力へ変換する３レベル回路のコンバータの場合、７はＩＧＢＴモジュール、８はクランプダイオードモジュールである。さらに複数のパワー半導体モジュール７、８が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。パワー半導体素子７、８は、グリース等の部材(図示せず)を介して受熱部材６とねじ等(図示せず)によって固定される。受熱部材６のパワー半導体素子７、８の側には、パワー半導体素子７、８を内側に密閉するケース２１，２２が設けられ、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２５がパワー半導体素子７、８と共に設置されている。受熱部材６のパワー半導体素子設置面の反対側には、Ｕ字形状のヒートパイプ３、４の受熱部分が埋め込まれ、受熱部分はハンダ付け等により受熱部材６と熱的に接続されている。Ｕ字形状ヒートパイプ３、４の放熱部には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数のフィン５が圧入等によって接続されている。
【００１１】
受熱部材６に設置されたパワー半導体素子がに電流が通流するとパワー半導体素子は発熱し、その熱は受熱部材６に埋め込まれたヒートパイプ３の蒸発部３０１に伝えられる。ヒートパイプには純水等の作動液が封入されており、作動液は蒸発部３０１において蒸発してパワー半導体素子の熱を奪う。蒸発した作動液は、ヒートパイプの放熱部３０２に移動し、放熱部３０２で凝縮して液に戻りながら放熱する。放熱された熱はヒートパイプ放熱部３０２から直接またはフィン５を介して空気に伝えられる。ヒートパイプ放熱部３０２で凝縮した液は再び蒸発部３０１に戻って蒸発するという動作が連続的に行われる。ヒートパイプは放熱部が長いものと短いものを設置する。図１のヒートパイプ３の放熱部は、ヒートパイプ４の放熱部よりも長く、ヒートパイプ４の放熱部はヒートパイプ３の放熱部よりも短い。放熱部の短いヒートパイプ４は、外気が低温時でヒートパイプ内の作動流体が凍結しているときに、起動後、早く融解してヒートパイプが動作することにより、パワー半導体素子の冷却性能を維持する役割を果たしている。
【００１２】
フィン５やヒートパイプ３，４は、ダクト９の中に収納される。ダクト９の天井面は、支柱３２によって支持されている。軸流ファン１が駆動すると、外気は吸込グリル２３から入口ダクト１０に入り、フィルタ２４を通り、放熱フィン５に達する。吸込グリル２３とフィルタ２４は、外部からの異物がフィン部分に侵入してフィンが目詰まりしたり、フィンやヒートパイプを破壊したりするのを防いでいる。放熱フィン５の間に導かれた空気は、ヒートパイプ３，４とフィン５を通じてパワー半導体素子７，８の熱を奪い、温度が上昇する。ファン１にはファンを駆動するためのファンモータ２が取り付けられており、そこに高温の空気が当たるとファンモータの信頼性が低下し、寿命が短くなる恐れがある。そこで、フィン５の出口とファン１の間の出口ダクト１１の上下に開口部１２および１６を設けた。これらの開口部からはダクト外部から外気が導入され、導入された外気は、フィン５の間から流出する加熱された空気と混合し、加熱された空気の温度が低下する。したがって、加熱された高温の空気が直接ファンモータ２に当たることがないので、ファンモータ２の信頼性を向上することができる。開口部１２の上部には雨滴等が直接侵入するのを防ぐためのカバー１３、１４を設ける。また、開口部１６の下部にも同様に、カバー１７、１８を設ける。開口部１２および１６には、異物の侵入を防ぐために、金網等２０を設ける。よって、開口部１５から取り込まれた空気は金網２０が設けられた開口部１２を介して出口ダクト１１に流入する。同様に、開口部１９から取り込まれた空気は金網２０が設けられた開口部１６を介して出口ダクト１１に流入する。
【００１３】
出口ダクト１１の開口部１２および１６がある場合とない場合のファンモータ付近の空気温度の計算結果を図１０の表に示す。当該表によると、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設けない場合（左列）は、ファンの入口部の空気温度の外気温度からの温度上昇が28.1Kとなる。一方、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設ける場合（中央列）には、ファンの入口部の空気温度の外気温度からの温度上昇が18.5Kとなるため、開口部１２、１６を設けることにより、ファンモータ２の周辺のファン入口部空気温度を１０℃程度下げることができることが分かる。
【００１４】
また、開口部１２、１６を設ける場合（中央列）の放熱部の風量40.8は出口ダクトに開口部を設けない左列41.8や右列41.5よりもやや減少しているため、この風量の減少に起因して受熱部材６の半導体素子取付面の温度は、ファンを出口に設け出口ダクトに開口部を設けない場合（左列）よりも上昇するが、その上昇量は0.6％であり、ファン入口部の空気温度の減少率に対して比較的小さい。表の右列に記載のように放熱部よりも上流側のダクトの入口にファンを設置した場合、冷却風に偏りが生じるために、放熱部の風量に対してモジュール取付面の温度上昇が大きくなっており、パワー半導体素子の冷却性能が低下していることが分かる。
【００１５】
以上のように、本実施形態によれば、パワー半導体素子に対する冷却性能を確保しながら、ファンモータ周辺の空気温度を下げることができるので、ファンモータの信頼性や寿命を向上させることができる。
【００１６】
図５に本発明の他の実施形態（第２の実施形態）における鉄道車両の進行方向に垂直な電力変換装置の鉛直断面図を、図６に水平断面図を、図７に図５におけるＡ−Ａ断面図を示す。本実施形態では、実施例１のように出口ダクト１１の上下面に設けた開口部１２，１６に加えて、出口ダクト１１の側面にも開口部２６を設けている。開口部２６に直接、走行風が当たるのを防止するために、カバー２８、２９、３０、３１を設ける。また、開口部２６からの異物の侵入を防ぐために、開口部２６には金網等２７が設けられる。出口ダクトの上下の他に側面にも開口部２６を設けることにより、ファンモータ２の冷却効果を高めることが可能である。この実施形態では、第１の実施形態よりも冷却風の流路幅が狭く、設置されるファンの数が少ない。このように、ファンの数が少ない場合には、出口ダクト１１の上下には開口部を設けずに、側面のみに開口部を設けても良い。また、本実施形態では、各パワー半導体素子の発熱がほぼ同等となる２レベルインバータにおいて、冷却風の流れ方向とＵ字型ヒートパイプの長手方向が一致するようにヒートパイプを設置した例を示している。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。
【００１７】
以上のように本実施形態によれば、出口ダクトの上下の他に側面にも開口部２６を設けることにより、ファンモータ２の冷却効果を高めることが可能である。
【００１８】
図８に本発明のさらに他の実施形態（第３の実施形態）における鉄道車両の進行方向に垂直な電力変換装置の鉛直断面図を、図９に図８におけるＢ−Ｂ断面図を示す。図８、９において、ヒートシンクのフィンベース５０にパワー半導体素子７、８を取付け、フィンベース５０には複数のフィン５１を接続する。フィンベース５０およびフィン５１の材質は、アルミニウムや銅が用いられる。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。
【００１９】
本実施形態のように、フィンを用いたヒートシンクにより冷却する構造においても、第１の実施形態と同様、パワー半導体素子の冷却性能を確保しながら、ファンモータ周辺の空気温度を下げることができるので、ファンモータの信頼性や寿命を向上させることができる。
【００２０】
また、本実施形態のように、フィンを用いたヒートシンクにより冷却する構造において、第２の実施形態のように出口ダクトの上下及び左右に開口部を設けることも可能である。
【符号の説明】
【００２１】
１…軸流ファン
２…ファンモータ
３、４…ヒートパイプ
５…フィン
６…受熱部材
７、８…パワー半導体素子
９、１０，１１…ダクト
１２，１６…ダクト開口部
１３、１４、１５、１７，１８，１９…開口部カバー
２０…金網
【図１】
2017069356.tif 000003
【図２】
2017069356.tif 000004
【図３】
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【図４】
2017069356.tif 000006
【図５】
2017069356.tif 000007
【図６】
2017069356.tif 000008
【図７】
2017069356.tif 000009
【図８】
2017069356.tif 000010
【図９】
2017069356.tif 000011
【図１０】
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