JP5872913B2 - 鉄道車両用電力変換装置の冷却器 - Google Patents
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IGBT等の半導体素子は電力変換の際に大きな損失を生じるため、専用の冷却器が必要となる。この冷却器は放熱のために多数の放熱フィンを有し、ファンにより放熱フィンに冷却風を送風して冷却したり、あるいは、放熱フィンを車体側面に露出させて走行時に車体側面を流れる走行風を放熱フィンに当てることで冷却を行っている。
このように車両走行時に車体側面を流れる空気により冷却する方式を採用した冷却器を走行風冷却器と呼ぶ。
停車時に冷却器に流れる冷却風は、放熱フィンからの熱放散による上昇気流により発生し、電力変換器下部から取り込まれた上昇気流が下部の半導体素子を冷却し、続いて上部の半導体素子を冷却して電力変換器上部へ抜ける。
図6は従来の走行風冷却器の斜視図、図7は図6の横面図、図8は上面図である。また図9は従来の走行風冷却器の性能曲線を示す。
伝熱管604の熱は放熱フィン601に伝わり、空気中に放熱されるが、放熱フィン601により、効率的に伝熱管604からの熱を空気に伝えるよう、一般的には複数枚設けられる。
上下で冷却性能を均一にした場合(図9の一点鎖線)は、停車もしくは低速時には、十分な走行風が得られず、しかも上段の冷却器は下段の冷却器により加熱された上昇気流の影響を受け、冷却性能が著しく低くなるが、車速が上がると冷却性能は向上し、やがて設計上の最高速度近辺で飽和傾向を示す。
例えば下記の特許文献1にこの構造が開示されている。
すなわち、前述したように、走行風冷却器では停車時、もしくは低速時に電力変換器上段の冷却を強化し、設計上の最高速度で電力変換器の上部と下部で冷却性能が同等となるよう設計されている。
これは、設計上の車両最高速度を所定速度とした電力変換器の場合は問題ないが、特に近年では、車両コストを上昇させることなく、すなわち大きな設計変更を伴うことなくより最高速度を高めることが求められていることから、半導体素子、放熱フィンや伝熱管の配置など、走行風冷却器の基本仕様を変更することなく、より高速走行を可能にすることが求められている。
このような場合、設計上の最高速度を超えるにつれ、下部の冷却性能が上部の冷却性能より低くなる場合が生じることがわかった。
これは、そもそも下段の冷却器は上段の冷却器より冷却性能が低く設計されており、しかも、冷却風の速度が、相対的に設計上の車両速度を超えたため、下方の半導体素子により加熱された上昇気流が、高速の冷却風により上方の冷却器に到ることなく、冷却風に沿って流れることによるものと推測される。
このことは、特に、冷却風の上流側にある半導体素子からの放熱の影響を受ける、下段風下側の冷却器において特に顕著である。
本発明はこの課題を解決するものであって、設計上の最高速度を高めたり、向かい風等外部環境の影響下でも、基本設計を変更することなく、停車から最高速まで安定して異常検知を行えるようにした冷却器を提供することを目的とする。
(1)鉄道車両の進行方向に略平行かつ垂直に配置された吸熱板と、該吸熱板の一方の面に接触するよう設置されるとともに、鉄道車両の進行方向に沿って複数列、上下方向に複数段配列された複数の半導体素子と、該半導体素子の設置面に対向するよう、前記吸熱板の他方の面に一部が埋設あるいは接触され、前記吸熱板に対して略垂直に配置された伝熱管と、該伝熱管の他部に接触し、前記吸熱板に略平行に複数設けられた放熱フィンと、前記吸熱板の一方の面に配置され、前記半導体素子の温度を検出する複数の温度検出素子とを有する鉄道車両用電力変換装置用の冷却器において、前記伝熱管あるいは前記放熱フィンは、各列の前記半導体素子のうち、上段に配置された半導体素子の冷却性能を高めるように配置されており、かつ、前記複数の温度検出素子を、前記放熱フィンと熱交換を行う走行風からみて、風上側及び風下側については上段の半導体素子の温度は検出せず下段の半導体素子の温度を検出し、中央部については下段の半導体素子の温度は検出せず上段の半導体素子の温度を検出するように配置した。
図1は本発明の実施例1の鉄道車両用電力変換装置の冷却器を示す鳥瞰図、図2は図1の側面図、図3は図1の上面図である。
図1〜3において、100は吸熱板、101は放熱フィン、102は温度検出素子、103は半導体素子、104は伝熱管であり、温度検出素子102の配置を除き、図6〜図8の従来技術と基本構造は同様である。
図4において、実線は電力変換器上段中央部の冷却性能の特性を、点線は下段風下側の冷却性能の特性を、一点鎖線は下段風上側の冷却性能の特性を表す。
上段中央部に配置された冷却器は、その風上側、風下側及び下部を他の冷却器に囲まれているため、上段風上側に配置された冷却器はもとより、上段風下側に配置された冷却より冷却性能が低下し、停止から設計上の最高速度に到るまでは、他の箇所の冷却器と比較して冷却性能が最も悪化する。そこで、電力変換器の上段については、中央部にのみ温度検出素子102を設ければ、過熱する可能性が最も高い半導体素子温度を確実に検出することができる。
これは、下段の冷却器については、そもそも上段の冷却器と比較して冷却性能が低く設定されており、この速度領域では、特に、風下側の冷却器では、風上側の冷却器から放出された熱が走行風で運ばれ、その影響を強く受けるためである。
このため、電力変換器の風上側と風下側については、温度検出素子102を下段に設ければ、設計上の最高速度を超えた速度域において、過熱する可能性が最も高くなる半導体素子温度を確実に検出することができる。
図5に本発明の実施例2の全体構造を示す。
図5において、500は吸熱板、501は放熱フィン、502は温度検出素子、503は半導体素子である。
本実施例の特徴は、上下方向に3段以上の半導体素子が配列された場合、温度検出素子502の設置位置を、下部の左右端部だけでなく、中央部にも配置した点にある。
図5に示す電力変換器では、半導体素子503を上下方向に3段配置し、鉄道車両の進行方向に5列以上配置する例を示している。
Claims (4)
- 鉄道車両の進行方向に略平行かつ垂直に配置された吸熱板と、該吸熱板の一方の面に接触するよう設置されるとともに、鉄道車両の進行方向に沿って複数列、上下方向に複数段配列された複数の半導体素子と、該半導体素子の設置面に対向するよう、前記吸熱板の他方の面に一部が埋設、あるいは接触され、前記吸熱板に対して略垂直に配置された伝熱管と、該伝熱管の他部に接触し、前記吸熱板に略平行に複数設けられた放熱フィンと、前記吸熱板の一方の面に配置され、前記半導体素子の温度を検出する複数の温度検出素子とを有する鉄道車両用電力変換装置用の冷却器において、
前記伝熱管あるいは前記放熱フィンは、各列の前記半導体素子のうち、上段に配置された半導体素子の冷却性能を高めるように配置されており、かつ、前記複数の温度検出素子を、前記放熱フィンと熱交換を行う走行風からみて、風上側及び風下側については上段の半導体素子の温度は検出せず下段の半導体素子の温度を検出し、中央部については下段の半導体素子の温度は検出せず上段の半導体素子の温度を検出するように配置したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置の冷却器。 - 前記複数の温度検出素子を、中段においては、前記中央部の上段に配置された温度検出素子より低く、かつ風下側及び風上側の下段に配置された温度検出素子より高い位置となるよう配置した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の冷却器。
- 前記半導体素子がIGBTであることを特徴とする請求項1または2に記載の鉄道車両用電力変換装置の冷却器。
- 前記温度検出素子がサーミスタであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の鉄道車両用電力変換装置の冷却器。
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