CN103731009A - 电力变换装置以及制冷剂冻结检测方法 - Google Patents

电力变换装置以及制冷剂冻结检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于，检测制冷剂的冻结，实现早期抑制电力变换用半导体元件的负荷的控制。为此，本发明的电力变换装置具有多个电力变换用半导体元件、受热构件、多个热管、多个温度测定元件、多个散热片，电力变换用半导体元件设置于受热构件的一面，温度测定元件安装于电力变换用半导体元件表面或与电力变换用半导体元件的设置面相同的受热构件面，多个热管安装于受热构件的另一面，多个热管的至少一部分具有散热部，多个散热片安装于多个热管的散热部，电力变换装置通过监视由多个温度测定元件的至少一部分测定的温度和由配置于其他部位的至少一部分温度测定元件测定的温度的差来检测在多个热管中装入的制冷剂的冻结。

Description

电力变换装置以及制冷剂冻结检测方法
技术领域
本发明广泛涉及电力变换装置。
背景技术
搭载于铁路车辆的电力变换装置是通过多个电力变换用半导体元件的开关动作对从铁路用架线输入的电力进行电力变换，并进行车辆用电动机的驱动控制的电力变换装置，设置在车辆的地板下面等。此外，已公开由于电力变换装置将电力变换用半导体元件的开关动作所伴随的热作为损失而放出，因此为了元件的稳定动作使用了专利文献1所示那样的热管(heat pipe)式冷却器的电力变换用半导体元件冷却***。
在图1示出热管式冷却器。热管式冷却器配置为热管受热部4经由受热构件2与电力变换用半导体元件1热接触，在热管受热部4以及热管散热部3中装入有制冷剂6。氢氟化碳等的氟系化合物被广泛应用于制冷剂6。但是，从环境负荷的观点出发开始限制氟系化合物的使用，作为其代替制冷剂已经开发并实际应用了使用纯水的热管式冷却器。
此外，在使用了纯水作为制冷剂的情况下，对于在冰点下环境中制冷剂冻结的课题，如专利文献2所示，已提出了通过测定冷却器的热管散热部或散热片或受热构件的温度来检测制冷剂的冻结的方法。
【在先技术文献】
【专利文献】
专利文献1：JP特开2011-50166
专利文献2：JP特开2008-211956
发明内容
【发明要解决的课题】
专利文献2中的制冷剂的冻结检测方法如图2所示，在冰点下环境中制冷剂6在热管散热部3前端附近冻结了的情况下能够检测冻结，在冷却体的基体或散热片的温度成为规定值以下的情况下，判断为冻结状态，但受到半导体元件所产生的热的影响，有可能冷却体的基体或散热片的温度没有成为规定值以下，未能检测冻结状态，或检测出冻结为止需要时间。因此，直到检测出冻结状态为止，由于在冷却不工作的状态下给电力变换装置施加负荷，恐怕电力变换用半导体元件1会发生故障或者被施加以此为准的过剩负荷。
因此，本发明为了解决上述课题，目的在于对进行电力变换用半导体元件的冷却的热管式冷却器，更正确地进行热管式冷却器的制冷剂的冻结检测。
【解决课题的手段】
为了达成上述目的，在本发明的电力变换装置中，具有多个电力变换用半导体元件、受热构件、多个热管、多个温度测定元件、和多个散热片，所述电力变换装置采用如下的构造：多个电力变换用半导体元件设置于受热构件的一面，多个温度测定元件设置在与多个电力变换用半导体元件的安装面相同的面上，多个热管设置于受热构件的另一面，多个热管的至少一部分具有散热部，多个散热片安装于多个热管的散热部。通过监视配置于不同位置的多个温度测定元件的温度差来检测装入上述多个热管的制冷剂的冻结。
对上述多个温度测定元件的配置场所的条件进行说明。温度测定元件的配置条件具有下面2个条件。第1条件是：在热管内的制冷剂没有冻结的条件下使电力变换装置进行了动作的情况下，电力变换用半导体元件的表面温度成为最高的场所或其附近。第2条件是：在热管内的制冷剂冻结了的条件下使电力变换装置进行了动作的情况下，电力变换用半导体元件的表面温度成为最高的场所或其附近。在满足所述条件的2个测定点或者满足所述条件的多个测定点配置温度测定元件。
进而，装入热管内的制冷剂的冻结的检测使用配置于满足所述2个条件的测定点的上述温度测定元件所测定的温度差。温度差根据制冷剂的冻结有无，热管受热部的制冷剂的有无而发生变化，因此温度差取决于受热构件以及热管受热部周围的热传导路径的变换。
在进行了冻结的检测的情况下，为了上述多个电力变换用半导体元件的内部温度不会变为过剩，进行控制上述电力变换装置的处理。
【发明效果】
根据本发明，能够更正确地进行热管式冷却器的制冷剂的冻结检测。
附图说明
图1表示热管式冷却器的垂直方向剖面图(通常时)。
图2表示热管式冷却器的垂直方向剖面图(制冷剂冻结时)。
图3表示电力变换装置以及热管式冷却器的设置部位。
图4(a)表示本发明的一个实施方式中的热管式冷却器的垂直方向剖面图。
图4(b)表示本发明的一个实施方式中的热管式冷却器的垂直方向剖面图。
图5表示本发明的一个实施方式中的电力变换装置的构成电路。
图6表示本发明的一个实施方式中的电力变换用半导体元件的配置形态。
图7(a)表示在本发明中应该检测的状态(1)。
图7(b)表示在本发明中应该检测的状态(2)。
图8表示本发明的一个实施方式中的电力变换用半导体元件的配置和冷却用鼓风机所形成的风向的关系。
图9(a)表示本发明的一个实施方式中的电力变换用半导体元件表面温度的测定结果(制冷剂未冻结时)。
图9(b)表示本发明的一个实施方式中的电力变换用半导体元件表面温度的测定结果(制冷剂冻结时)。
图10表示本发明的一个实施方式中的温度测定元件配置场所。
图11表示本发明的一个实施方式中的检测到制冷剂的冻结的情况下的电力变换装置的动作流程图。
图12表示本发明的其他的实施方式中的电力变换装置的设置方法。
图13表示本发明的其他的实施方式中的热管式冷却器的垂直方向剖面图。
图14表示本发明的其他的实施方式中的电力变换用半导体元件以及温度测定元件的配置部位(车辆行驶时)。
图15表示本发明的其他的实施方式中的电力变换用半导体元件以及温度测定元件的配置形态(车辆停车时)。
图16表示本发明的其他的实施方式中的检测到冻结的情况下的动作流程图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。
【实施例1】
本发明的电力变换装置以及热管式冷却器如图3所示，设置在铁路用车辆12的地板下面等，通过控制向车辆驱动用的电动机(无图示)供给的电力以及频率来对电动机的旋转速度进行控制。热管式冷却器7具有组装到电力变换装置9内的构造，在图3中，电力变换装置9固定为悬挂于车辆12。此外，采用在热管式冷却器7附近具有冷却用鼓风机8的构造，通过强制地进行送风来冷却电力变换用半导体元件。
在图4(a)以及图4(b)表示本实施方式中的热管式冷却器的垂直方向剖面图。在图4(a)以及图4(b)中，在由铝合金等构成的受热构件2的一面安装有电力变换用半导体元件1，在电力变换用半导体元件1的表面或与电力变换用半导体元件1的设置面相同的受热构件面上配置有温度测定元件(无图示)。在受热构件2的另一面嵌入U字型的热管受热部4，利用焊接等进行热接触。热管散热部3从热管受热部4立起，在热管散热部3安装有散热片5。在热管受热部4以及热管散热部3装入有制冷剂6。通过使用图3所示的冷却用鼓风机8向风向100的方向进行送风，从散热片5向空气进行散热。
图5表示本实施方式中的电力变换装置的构成电路。电力变换装置由转换器部101以及逆变器部102构成，进行与逆变器部102相连接的电动机14的驱动控制。从架线10经由导电弓11对交流电压进行集电，经由变压器13向电力变换装置的转换器部101供电。在转换器部101将交流电压变换为直流电压并向逆变器部102供电。逆变器部102将直流电压变换为交流电压来进行电动机14的驱动控制。在本实施方式中对于安装了转换器部电力变换用半导体元件103的热管式冷却器进行叙述。
图6表示电力变换用半导体元件的配置形态。图5所示的转换器部电力变换用半导体元件103通过将3个电力变换用半导体元件并列地设置而构成。在电力变换用半导体元件1附近配置有温度测定元件15。这些电力变换用半导体元件以及温度测定元件通过螺丝等(无图示)固定于受热构件。
下面使用图4(a)以及图4(b)对冷却电力变换用半导体元件的动作进行说明。由于电力变换用半导体元件1进行动作而产生的热向热管受热部4传导。在热管受热部4以及热管散热部3中作为制冷剂6装入有液体的纯水。被电力变换用半导体元件1的热加热后的制冷剂6蒸发变为气体并到达热管散热部3。由热管散热部3冷却后的制冷剂6凝结恢复成液体，根据重力返回到热管受热部4。像这样，通过反复进行制冷剂6的蒸发和凝结来进行冷却。
下面在图7(a)以及图7(b)中表示在本发明中应该检测的状态。在外部气温为冰点下环境的情况下，在冷却电力变换用半导体元件1的过程中制冷剂6在热管散热部3通过凝结恢复成液体后，凝固成为固体。成为了固体的制冷剂6附着在热管散热部3的内部表面而不能离开。因此，由于制冷剂6无法返回到热管受热部4，受热部4的热阻上升，冷却效率极端降低。在本实施方式中，说明对制冷剂6在图7(a)以及图7(b)所示的热管散热部3的前端凝固的状态进行检测的方法。
在本实施方式的构造中，对于制冷剂为液体时的情况和固体时的情况，实施电力变换用半导体元件表面的温度上升值测定并进行了比较。图8表示电力变换用半导体元件的配置和冷却用鼓风机所形成的风向的关系。此外，图9(a)表示制冷剂为液体时(通常状态)的情况，图9(b)表示制冷剂为固体时(制冷剂冻结状态)的情况下的各电力变换用半导体元件的温度分布。图9(a)以及图9(b)通过圆的大小来表现电力变换用半导体元件的温度上升值。图9(a)以及图9(b)将最小的温度上升值规格化为1，各圆的位置与图8所示的电力变换用半导体元件的配置相对应。即，冷却风从图9(a)以及图9(b)的上侧向下侧流动。以下，以(X轴坐标，Y轴坐标)来表示电力变换用半导体元件的配置位置。若比较图9(a)以及图9(b)，则温度分布的倾向在制冷剂为液体时和固体时存在差异。制冷剂为液体时配置于下风处的电力变换用半导体元件表面成为最高温，制冷剂为冻结时配置于中心部的电力变换用半导体元件表面成为最高温。由于在图9(a)中在热管受热部内存在制冷剂，因而热管散热部以及散热片所进行的散热起支配作用。因此，冷却风对温度上升的影响相对较大，在上风处电力变换用半导体元件的表面温度上升值最小，随着趋近下风处电力变换用半导体元件的表面温度上升值变大。相对的，由于在图9(b)中在热管受热部内不存在制冷剂，因而向散热片的热传导效率降低，从受热构件以及受热部材紧挨着的热管散热部以及散热片的散热起支配作用，冷却风的影响变为相对较小。其结果，配置于被电力变换用半导体元件包围的位置的、图9(b)的坐标(X，Y)为(2，2)以及(3，2)的电力变换用半导体元件温度上升值高。根据以上的理由，在制冷剂为液体的情况和固体的情况下，电力变换用半导体元件的温度上升分布出现差异。因此，通过将温度测定元件配置于(1)冷却风的下风处、以及(2)被电力变换用半导体元件包围的中央部，并测定温度关系，能够同时进行电力变换用半导体元件的温度监视和装入热管内的制冷剂的冻结监视，进而能够在给电力变换用半导体元件施加过剩负荷之前采取保护动作。
图10表示本实施方式中的温度测定元件配置场所。如前所述，在冷却器的下风处设置温度测定元件A200，在被电力变换用半导体元件包围的中央部配置温度测定元件B201。这些温度测定元件A200以及温度测定元件B201被固定于元件安装面。此外，将温度测定元件A200所测定的温度设为TA，将温度测定元件B201所测定的温度设为TB。
图11表示本实施方式中的、检测了制冷剂的冻结的情况下的电力变换装置的动作流程图。首先，测量温度测量元件A以及B中的温度TA、TB。接着，判断TA和TB的大小关系。在TB比TA大的情况下，判断为热管内的制冷剂冻结而使电力变换装置停止。此外，在TB比TA小的情况下，判断为热管内的制冷剂未冻结而使电力变换装置进行通常动作。但是，成为对制冷剂的冻结进行检测判定的温度关系并不只是流程图所示的温度关系，例如也可以是“对TA和TB的差取绝对值而得到的值成为阈值以上的情况”。在本实施方式中，在利用上述方法检测出制冷剂的凝固时，使电力变换装置的动作停止，进行抑制对电力变换用半导体元件施加的负荷的处理。但是，检测时的电力变换装置的动作并不限于所述方法，例如也可以是“使所变换的直流电压值降低”、“使流向电动机的电流值变小”，即，使输出降低等的动作。
虽然在根据1个温度测定元件的检测结果通过阈值判断进行冻结检测的情况下，受到外部气温、发热元件的影响，难以正确地检测冻结，但如上所述，根据在冷却风的下风处以及被电力变换用半导体元件包围的中央部配置温度测定元件并通过它们的温度的比较来判断冻结的方法，能够进行基于两个温度测量结果的相对关系的判断，因而能够排除外部气温、发热元件的影响，正确并且迅速地进行冻结检测。
此外，在本实施例中，对在中央部和下风部配置温度测定元件的示例进行了说明，但作为多个温度测定元件的配置场所的条件只要满足下面的2个条件则也可以是其他的配置场所。第1条件是：在热管内的制冷剂未冻结的条件下使电力变换装置进行了动作的情况下，电力变换用半导体元件的表面温度成为最高的场所或其附近。第2条件是：在热管内的制冷剂冻结了的条件下使电力变换装置进行了动作的情况下，电力变换用半导体元件的表面温度成为最高的场所或其附近。在满足所述条件的2个测定点或者满足所述条件的多个测定点配置温度测定元件。
以上，正如所说明的这样，根据本实施方式能够一方面进行电力变换用半导体元件的温度监视，一方面检测装入热管内的制冷剂的冻结，使电力变换装置进行防止电力变换用半导体元件的故障的动作。但是，本实施方式并不是只能够适应图5所示的转换器部101，也能够适应逆变器部102。并且，并不是只能够适应具有图5所示的电路构成的设备，也能够适应具有上述构造、发热的电力变换用半导体元件并列地设置、并具有存在送风的上风以及下风的关系的构造的电力变换装置。
【实施例2】
作为本发明的第2方式，使用以下附图对具有通过车辆行驶来取入空气的构造的电力变换装置的实施方式进行说明。图12表示本实施方式中的电力变换装置的设置方法。电力变换装置9设置在车辆的地板下面等，具有如下构造：具有从电力变换装置9突出来、对电力变换用半导体元件进行冷却的冷却器7。冷却器7具有通过车辆行驶，从与行驶方向垂直的面取入空气的构造。
图1以及图13表示本实施方式中的热管式冷却器的垂直方向剖面图。在由铝合金等构成的受热构件2的一面设置有电力变换用半导体元件1。此外，在受热构件2的另一面热接触地嵌入有U字型的热管受热部4。不过，热管受热部4未必一定是U字型。热管散热部3从热管受热部4立起，在热管散热部3安装有多个散热片5。在热管受热部4以及热管散热部3中装入有制冷剂6。由于根据车辆的前进以及后退，空气的取入方向不同，因此风向100具有2个方向。将车辆前进的情况下的风向100设为A方向，将车辆后退的情况下的风向100设为B方向。另外，在本实施方式中，热管式冷却器所进行的冷却过程与第1实施方式相同。
图14表示本实施方式中的电力变换用半导体元件以及温度测定元件的配置部位。另外，关于电力变换装置的构成电路以及热管式冷却器的适应部位与第一实施方式相同。根据第一实施方式所得到的温度分布，在车辆前进的情况下，能够通过对由中央部的温度测定元件C202和配置于下风处的温度测定元件D203测定的温度进行比较，来进行冻结的检测。此外，在车辆后退的情况下，能够通过对由中央部的温度测定元件C202和配置于下风处的温度测定元件E204测定的温度进行比较，来进行冻结的检测。虽然无论前进以及后退，都能够通过监视温度测定元件D203和温度测定元件E204的温度关系，根据温度分布的差异来检测冻结，但为了并行进行在制冷剂冻结时成为最高温度的电力变换用半导体元件的温度测定，而导入了温度测定元件C202。由此，在通过车辆的行驶取入空气，对电力变换用半导体元件进行冷却的方式中，通过在温度测定元件C202、温度测定元件D203、温度测定元件E204的3个测定点配置温度测定元件，能够与车辆的前进以及后退没有关系地进行冻结的检测。另外，将温度测定元件C202所测定的温度设为TC，将温度测定元件D203所测定的温度设为TD，将温度测定元件E204所测定的温度设为TE。
在本发明的第2方式中，图15表示考虑了车辆停止的情况的电力变换用半导体元件以及温度测定元件的配置形态。在车辆停止的情况下，需要考虑杂乱地取入来自车辆行驶方向以及与地面垂直方向(箭头)的风的情况。因此，在图14所示的温度测定元件的基础上在自然对流的下风侧追加配置温度测定元件F205以及温度测定元件G206。关于冻结的检测，能够通过对由温度测定元件C202测定的温度和由温度测定元件D203、温度测定元件E204、温度测定元件F205、温度测定元件G206测定的各温度分别进行比较来实现。另外，将温度测定元件F205所测定的温度设为TF，温度测定元件G206所测定的温度设为TG。
图16表示本发明的第2方式中的、检测了冻结的情况下的动作流程图。在本实施例中，首先，在车辆前进的情况下，对温度测定元件C和温度测定元件D的测定结果进行比较，如果为TD<TC，判断为制冷剂冻结。在车辆后退的情况下，对温度测定元件C和温度测定元件E的测定结果进行比较，如果为TE<TC，判断为制冷剂冻结。接着，在车辆停止的情况下，对温度测定元件C和各温度测定元件的测定结果进行比较，在TF、TG、TE、TD中的任意一个比TC小的情况下，判断为制冷剂冻结。
在本实施方式中，在利用图16所记载的方法检测出制冷剂的冻结时，使电力变换装置的动作停止，进行抑制对电力变换用半导体元件施加的负荷的处理。但是，制冷剂的冻结检测判定并不限于图16所示的方法，也可以是“TC和TD、TE、TF、TG各自的差的绝对值，有1个成为阈值以上的情况”。此外，检测时的电力变换装置的动作并不限于所述方法，也可以是“使所变换的直流电压值降低”、“使流向电动机的电流值变小”等的动作。
此外，在图16所示的流程图中，示出了在车辆停止的情况下对各温度测定元件和温度测定元件C进行比较的例子，但在车辆停止的情况下，由于自然对流，风从下侧向上侧垂直向上地流动，因此也可以对配置于垂直上侧的温度测定元件和温度测定元件C的测定结果进行比较，在配置于垂直上侧的温度测定元件的测定温度比TC小的情况下，判断为制冷剂冻结。
【符号说明】
1、103  电力变换用半导体元件
2   受热构件
3   热管散热部
4   热管受热部
5   散热片
6   制冷剂
7   冷却器
8   冷却用鼓风机
9   电力变换装置
10  架线
11  导电弓
12  车体
13  变压器
14  电动机
15  温度测定元件
100 风向
101 电力变换装置转换器部
102 电力变换装置逆变器部
200 温度测定元件A
201 温度测定元件B
202 温度测定元件C
203 温度测定元件D
204 温度测定元件E
205 温度测定元件F
206 温度测定元件G

Claims (9)

1.一种电力变换装置，其具有多个电力变换用半导体元件、受热构件、多个热管、多个温度测定元件、多个散热片，
所述电力变换装置的特征在于，
所述电力变换用半导体元件设置于所述受热构件的一面，
所述温度测定元件安装于所述电力变换用半导体元件表面或与所述电力变换用半导体元件的设置面相同的受热构件面，
所述多个热管安装于受热构件的另一面，
所述多个热管的至少一部分具有散热部，
所述多个散热片安装于所述多个热管的散热部，
通过监视由所述多个温度测定元件的一部分测定的温度和由配置于其他部位的一部分温度测定元件测定的温度的差来检测在所述多个热管中装入的制冷剂的冻结。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
具有用于对所述多个热管或所述多个散热片送风的冷却用鼓风机，
所述多个温度测定元件的一部分配置于被所述电力变换用半导体元件包围的部位，
所述多个温度测定元件的一部分配置于没有被所述电力变换用半导体元件包围的部位、并且相对于所述冷却用鼓风机的送风方向与所述电力变换用半导体元件相比成为下风的部位。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，
在配置于被所述电力变换用半导体元件包围的部位的所述温度测定元件的测定温度，比配置于没有被所述电力变换用半导体元件包围的部位、并且相对于所述冷却用鼓风机的送风方向与所述电力变换用半导体元件相比成为下风的部位的其他所述温度测定元件的测定温度大的情况下，检测所述热管内的制冷剂的冻结。
4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
具有通过车辆的行驶取入空气的构造，
具有将取入的所述空气向所述多个热管或所述多个散热片送风的构造，
所述多个温度测定元件的一部分设置于相对于车辆行驶方向成为前方的部位，
所述多个温度测定元件的一部分设置于相对于车辆行驶方向成为后方的部位。
5.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，
所述多个温度测定元件的一部分，配置于被所述电力变换用半导体元件包围的部位。
6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，
在配置于被所述电力变换用半导体元件包围的部位的所述温度测定元件的测定温度，比配置于相对于车辆行驶方向与所述电力变换用半导体元件相比成为后方的部位的其他所述温度测定元件的测定温度大的情况下，检测出所述热管内的制冷剂的冻结。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，
在检测出制冷剂的冻结时停止电力变换动作。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，
在检测出制冷剂的冻结时进行使输出降低的动作。
9.一种电力变换装置的制冷剂冻结检测方法，
所述电力变换装置具有多个电力变换用半导体元件、受热构件、多个热管、多个温度测定元件、多个散热片，
所述电力变换用半导体元件设置于所述受热构件的一面，
所述温度测定元件安装于所述电力变换用半导体元件表面或与所述电力变换用半导体元件的设置面相同的受热构件面，
所述多个热管安装于受热构件的另一面，
所述多个热管的至少一部分具有散热部，
所述多个散热片安装于所述多个热管的散热部，
在所述多个热管的至少一部分装入有制冷剂，
所述制冷剂冻结检测方法的特征在于，通过监视由所述多个温度测定元件的一部分测定的温度和由配置于其他部位的一部分温度测定元件测定的温度的差来检测在所述多个热管中装入的制冷剂的冻结。
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