液冷式電力変換装置
【課題】 鉄道車両用電力変換装置内の温度上昇を抑制し、かつ装置内の汚損を防止することが可能な液冷式電力変換装置の提供を目的とする。
【解決手段】 鉄道車両２００の機関室２０１内に設けられる電力変換装置１及び冷却装置１００と、電力変換装置１内に設けられる電気部品１３、複数の半導体素子２と、電気部品１３と電動送風機１２の間に位置する第３熱交換器５と、複数の半導体素子２が取り付けられる冷却体４と、冷却装置１００内に設けられる第１熱交換器１１１ｂと、冷却装置内に設けられる第１熱交換器１１１ｂよりも小さい第２熱交換器１１１ａと、第３の熱交換器５と第２熱交換器１１１ａを接続する配管７ａと、冷却体４と第１熱効交換器１１１ｂを接続する配管７ｂを有する液冷式電力変換装置。
【解決手段】 鉄道車両２００の機関室２０１内に設けられる電力変換装置１及び冷却装置１００と、電力変換装置１内に設けられる電気部品１３、複数の半導体素子２と、電気部品１３と電動送風機１２の間に位置する第３熱交換器５と、複数の半導体素子２が取り付けられる冷却体４と、冷却装置１００内に設けられる第１熱交換器１１１ｂと、冷却装置内に設けられる第１熱交換器１１１ｂよりも小さい第２熱交換器１１１ａと、第３の熱交換器５と第２熱交換器１１１ａを接続する配管７ａと、冷却体４と第１熱効交換器１１１ｂを接続する配管７ｂを有する液冷式電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
一般に、鉄道車両は、架線から電力が供給され、その電力を鉄道車両用の電力変換装置が、車両に搭載されているモータが駆動できるような電力に変換する。モータが変換された電力を受け取り、回転することで鉄道の走行が可能となる。上記の鉄道用電力変換装置内には、半導体素子及びその周辺回路の電気部品で構成される半導体モジュールが内蔵される。その半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行っている。半導体素子のスイッチング動作は多くの熱損失を発生するため、この熱を効率よく電力変換装置外部へ放出し、半導体素子の温度を動作許容温度範囲に保つような冷却技術が必要となる。
【０００２】
電力変換装置内には上記の半導体モジュールのほかにも送風機や制御装置等の電気機器が収納され、この電気機器からも熱損失は発生する。この熱損失により機器室及び装置内が温度上昇し、搭載されている電気機器は高温環境下に曝される。電気機器は、正常動作のための使用温度範囲で使用しなければ故障の原因となり、寿命が想定されている期間よりも早くなる。そのため鉄道車両用電力変換装置に収納している半導体モジュールや電気機器の保護のために温度上昇を抑制しなければならない。
【０００３】
半導体素子の冷却に必要な技術として、半導体素子から発生する熱損失を受熱する受熱部と、この熱損失を半導体モジュール外部に放出する放熱部とがある。この放熱部を冷やす方法として液冷方式がある。この液冷式は、鉄道車両用電力変換装置内の受熱部と、鉄道車両用電力変換装置外部に設置された放熱部の間を、配管で接続し、ポンプを使用して配管内の冷却液を強制循環させ、熱を輸送することで高い冷却効率を得ている。
【０００４】
また半導体モジュールの他の電気機器や配線等の冷却技術として、従来では、鉄道車両用電力変換装置の筐体表面に通気口を開け、外気を装置内に取り入れてものがある。通風を利用して、装置内の温度上昇を抑制している。この構成の鉄道車両用電力変換装置内にファンを追加して設け、装置内の空気を強制的に換気する構成も挙げられている。以下にこの従来構成について詳細に説明する。
【０００５】
従来装置について図１７を用いて具体的に説明する。図１７は、従来の液冷式電力変換装置の構成図である。図１７中の実線矢印は電力変換装置１の取り込む機器室２０１内の空気を示し、破線矢印は冷却装置１００が取り込む外気を示す。車両２００には機器室２０１があり、機器室２０１には電力変換装置１や、主変圧器のような制御装置５０、冷却装置１００が設置されている。車両２００は、架線３００からパンタグラフ３０１で電力を受け、制御装置５０や電力変換装置１を経由し、台車３０２の軸に設置された電動機３０３へ電力が供給され、レール３０４上を走行する。電力変換装置１には、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れる流路４があり、電力変換装置１に備えられる配管７と接続される。冷却装置１００では、外気入風口１０１から外気を取り込み、ダクト１０２〜１０６を通風し、外気排風口１０７から外気は排出されている。ダクト１０３には電動送風機１１０、ダクト１０５には熱交換器１１１を有する。配管６０は、電力変換装置１の冷却液入口８と熱交換器１１１とポンプ１０とを閉ループで接続し、ポンプ１０により冷却体がこの閉ループ内を循環することで熱輸送する。つまり、半導体素子２より発生した熱損失は冷却体３で受熱され、冷却体３の内部の流路４を強制的に流れる冷却液に熱伝達され、配管７の内部を流れる冷却液により熱交換器１１１の放熱部分から大気に熱放出することで、半導体素子２から発生した熱損失を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つ。熱交換器１１１は大気との熱交換効率を高めるため、電動送風機１１０により強制通風するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６２６９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来の鉄道車両用電力変換装置では、電気機器を冷却するための空気を取り込む通気口を有し、密閉構造ではない。この空気には塵埃が含まれるため、内部が汚損するとうい問題がある。装置内の汚損防止対策として、通気口にフィルターを設置する場合もあるが、フィルターでは塵埃を完全に除去しきれないだけでなく、フィルターは塵埃により徐々にフィルターの目がつまるため、定期的にフィルターを交換または清掃するなどメンテナンスが増加するといった問題が生じる。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、鉄道車両用電力変換装置内の温度上昇を抑制し、かつ装置内の汚損を防止することが可能な液冷式電力変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の液冷式電力変換装置は、鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、電力変換装置内に設けられる電気部品、複数の半導体素子と、電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、冷却装置内に設けられる第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、第３の熱交換器と第２熱交換器を接続する配管と、冷却体と第１熱効交換器を接続する配管を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図２】第２の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図３】第３の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図４】第４の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図５】第５の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図６】第６の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図７】第７の実施形態の強制循環電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図８】第８の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図９】第９の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１０】第１０の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１１】第１１の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１２】第１２の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１３】第１３の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１４】第１４の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１５】従来装置の構成を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、液冷式電力変換装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
（構成）
まず、図１を用いて第１の実施形態を説明する。図１は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。図１中実線矢印は、電力変換装置１内の空気の流れを示し、破線矢印は外気の流れを示す。従来技術を示した図１７と同一構成は同じ符号とし、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１に示す実線矢印は電力変換装置１の取り込む機器室２０１内の空気を示し、破線矢印は冷却装置１００が取り込む外気を示す。車両２００には機器室２０１があり、機器室２０１には電力変換装置１及び冷却装置１００が設置されている。車両２００は、架線３００からパンタグラフ３０１で電力を受ける。受けた電力は電力変換装置１を経由し、台車３０２の軸に設置された電動機３０３へ供給される。電動機３０３は、電力を駆動力として車輪を回転させ、車両２００がレール３０４上を走行する。 電力変換装置１内には、電気部品１３、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが設けられている。
【００１４】
電気部品１３は第３熱交換器５と並列に、第３熱交換器５は電気部品１３と電動送風機１２の間で並列に位置している。第３熱交換器５の配管７ｂは、内部及び外部に設けられ、配管７ｂの一端は配管接続部９ｂに、もう一端は配管接続部８ｂにポンプ１０ｂを介して接続される。
【００１５】
複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れるそれぞれ流路４ａ〜４ｃが設けられている。流路４ａ〜４ｃの一端は、配管７ａを介して電力変換装置１の筐体１１と外部が接続される配管接続部９ａと接続され、もう一端は配管７ａ及びポンプ１０ａを介して別の配管接続部８ａに接続される。電力変換装置１内の配管７ｂは、電気部品の冷却系の冷却液入口８ｂと、ポンプ１０ｂと、電気部品１３の熱損失の受熱部となる第３熱交換器５と、第３熱交換器５に強制通風する電動送風機６と、電気部品１３の冷却系の冷却液出口９ｂと電気部品の冷却系に備わる部品間を接続している。
【００１６】
冷却装置１００は、風洞１０２、電動送風機取付部１０３、風洞１０４、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂで構成される。筒状の風洞１０２は、最上部であり電動送風機取付部１０３の上部に位置する。電動送風機取付部１０３は、筒状の風洞上部に位置し、内部には電動送風機１１０が設けられている。風洞１０４は、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂの上部に位置する。熱交換器収納部１０５ａ〜ｂは、風洞１０６の上部に位置する。熱交換器収納部１０５ｂは、電力変換装置１内の電気部品１３の熱損失の放熱部となる第２熱交換器１１１ｂが設けられ、冷却水が流入するための熱交換器入口１０８ｂと、熱交換器出口１０９ｂを有する。熱交換器収納部１０５ａは、電力変換装置１内の半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失の放熱部となる第１熱交換器１１１ａが設けられ、冷却水が流入するための熱交換器入口１０８ａと、熱交換器出口１０９ａを有する。風洞１０６は、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂの下部に位置し最下部となる。風洞１０２の天井部には入風口１０１が設けられ、１０６の底面部には排風口１０７が設けられ。それぞれ外部と通じている。
【００１７】
上述した冷却装置１００と電力変換装置１は、熱交換器入口１０８ｂと冷却液出口９ｂ、熱交換器出口１０９ｂと冷却液入口８ｂ、熱交換器入口１０８ａと冷却液出口９ａ、熱交換器出口１０９ａと冷却液入口８ａが配管を介して接続されている。
【００１８】
（作用）
まず１つ目の電力変換装置内の温度抑制作用について説明する。
【００１９】
電力変換装置１内では半導体素子２ａ〜２ｆが最も発熱する。半導体素子２ａ〜２ｆの熱は自然対流により電力変換装置１の上側（天井側）に集まり滞留する。電動送風機１２は上側に設置され、送風方向は上側から下側（床部）に向かっている。そのため、電力変換装置１内の上側に滞留している熱を含んだ空気は上側から下側に向かって流れ、さらに床面にぶつかった空気は左右に分かれ、また上側に向かって上昇するという２つの大きな気流が生じる。そのため、筐体１１内の空気は常に拡散されることになり、それに伴い筐体１１内の温度が均一化される。
【００２０】
次の温度抑制作用について説明する。上記の筐体１１内の空気を拡散し、温度均一を図る電動送風機１２の回転は、電気部品１３の温度抑制作用を有する。
【００２１】
電動送風機１２が回転すると、空気が第３熱交換器５に送られる。このとき、第３熱交換器５の熱交換器内流路６には、ポンプ１０の押し出し力により配管７ｂを通って冷却液が流入する。熱交換機内流路６には、電動送風機１２の回転によって送風される空気がぶつかる。筐体１１内または半導体素子２の熱を含んだ空気は、熱交換器内流路６の壁面に沿って流れることで、空気内の熱が配管内を通る冷却液によって奪われる。そのため、熱交換器内流路６を通過した後、空気は熱を奪われた状態となっている。この冷却された空気が電動送風機１２に電気部品１３に送風される。送風された空気は、電気部品１３で発生した熱は吸収し、筐体１１内に拡散されることになる。また、熱交換機５にて空気からの熱を吸収した冷却液は、配管７ｂを通って放熱部となる第２熱交換器１１１ｂに送られる。第２熱交換器１１１ｂは、電動機送風機１１０からの送風により冷却液の熱を大気に放出する。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで再び第３熱交換器５へと送られる。そのため電気部品１２は常に熱が吸収された後の空気によって冷却されることになる。このように、それぞれ電動送風機１２または電動送風機１１０により強制通風することで、空気との熱交換効率を高めている。
【００２２】
また次に半導体素子２についての温度抑制作用について述べる。
【００２３】
上述した半導体素子２ａ〜２ｆの熱は、冷却体３で受熱される。冷却体３で受熱された熱は、冷却体３内部の冷却体内流路４をポンプ１０ａの作用によって強制的に流れる冷却液に熱伝達される。それぞれの冷却体内流路４ａ〜４ｃを通り、熱を吸収した冷却液は、配管７ａを通って第１熱交換器１１１ａに運ばれる。熱交換器１１１では電動送付機１１１からの送風によって冷却液の熱が奪われる。またこのとき、第２熱交換器１１１ｂ＜１１１ａとなっているため、電動送風機によって熱を含まない空気が第２熱交換器１１１ｂと第１熱交換器１１１ａのどちらにも当てられる。そのため、第２熱交換器１１１ｂでは冷却液に含まれた熱が大気に熱放出することが可能となる。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで半導体素子２ａ〜２ｆに送られる。このように、半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失により発生した熱を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つことができる。
【００２４】
また、このような作用は筐体１１を密閉空間によって実現されている。そのため、機器室２０１内の塵埃は電力変換装置１内に侵入しないため、電力変換装置１内の汚損度は大きく改善される。
【００２５】
（効果）
よって以上の効果により、電力変換装置１を密閉構造の状態で、装置内をほぼ汚損せずに、筐体１１内は温度上昇を抑制され、電力変換装置２の信頼性向上及び長寿命化が図れる。
【００２６】
尚、図面では、冷却体が循環系にそれぞれ３個の冷却配管系統図を示しているが、この冷却体がそれぞれ単体または複数個接続されていたり、並列に複数個接続されていたりする場合が多いが、１個においても、複数個においても、本実施形態の効果に変わりはないため、３個の場合の図で説明している。
【００２７】
（第２の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第２の実施形態について図２を用いて説明する。図２は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
第２の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、冷却装置１００内に熱交換器収納部１０５ｃを有し、熱交換器収納部１０５ｃ内には電力変換装置１ａの電気部品１３ａの熱損失と、電力変換装置１ｂの電気部品１３ｂの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｃが収納される。
【００２９】
電力変換装置１ａに設置された電気機器１３ａの熱損失の受熱部となる第３熱交換器５ａと、他方の電力変換装置１ｂに設置された電気機器１３ｂの熱損失の受熱部となる第３熱交換器５ｂと、ポンプ１０ｃと、冷却装置１００内の熱交換器１０５ｃが同一の閉ループで接続された冷却系統とする。
【００３０】
（作用）
第２の実施形態は、第１の実施形態における電力変換装置内及び半導体素子の温度抑制作用と同様の作用を有する。
【００３１】
さらに、第２の実施形態では電力変換装置内を冷却する熱交換器１２ａ、１２ｂを直列に接続し、同一の閉ループとしている。冷却液と電力変換装置内の空気の温度差が大きい方が熱交換効率は向上するので、温度上昇の小さい電力変換装置１ｂ内の第３熱交換器５ｂを通過した後に、温度上昇の大きい電力変換装置１ａ内の第３熱交換器５ａを配置することにより効率よく電力変換装置１ａ、１ｂ内を冷却できる。
【００３２】
（効果）
よって以上の効果により、電力変換装置１ａ、１ｂ内を同一の冷却系に接続することにより電力変換装置１に対し個別に冷却装置１００を備えるよりも省スペースであり、部品点数の削減が図れる。
【００３３】
尚、図３のように電力変換装置１だけでなく、電力変換装置１と電気機器を収納した装置（以下、機器箱）５０内の第３熱交換器５２を冷却装置１００内の熱交換器１１１ｇと配管にて接続した場合でも同様に本実施形態の効果は変わらない。
【００３４】
（第３の実施形態） （請求項１，３対応）
次に、液冷式電力変換装置の第３の実施形態について図４を用いて説明する。図３は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。なお第１の実施形態〜２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
第３の実施形態において第１の実施形態〜２と異なる点は、車両２００で、複数の電力変換装置１ａ〜１ｂを有する。冷却装置１００には熱交換器収納部１０５ｄ〜１０５ｇがある。熱交換器収納部１０５ｄ内に電力変換装置１ａの半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｄが収納される。熱交換器収納部１０５ｅは、熱交換器収納部１０５ｄの上方に配置し、電力変換装置１ａの電気部品１３ａの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｅが収納される。熱交換器収納部１０５ｆは、熱交換器収納部１０５ｄの下方に配置し、電力変換装置１ｂの半導体素子２ｇ〜２ｌの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｆが収納される。（番号の訂正が必要）熱交換器収納部１０５ｇは、熱交換器収納部１０５ｅと隣接し、電力変換装置１ｂの電気部品１３ｂの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｇが収納される。
【００３６】
上述した電力変換装置１ａ、１ｂと冷却装置１００は、熱交換器入口１０８ｄと冷却液出口９ａ、熱交換器出口１０９ｄと冷却液入口８ａ、熱交換器入口１０８ｅと冷却液出口９ｂ、熱交換器出口１０９ｅと冷却液入口８ｂ、熱交換器入口１０８ｆと冷却液出口９ｃ、熱交換器出口１０９ｆと冷却液入口８ｃ、熱交換器入口１０８ｇと冷却液出口９ｄ、熱交換器出口１０９ｇと冷却液入口８ｄが配管を介して接続されている。
【００３７】
（作用）
冷却装置１００内において入風口１０１から取り込んだ外気は熱交換器１１１ｅと熱交換器１１１ｇへ外気は送られる。外気は、熱交換器１１１ｅにおいて電力変換装置１ａ内の空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。同様に熱交換器１１１ｇにおいて電力変換装置１ｂ内の空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。温まった外気は、熱交換器１１１ｅ、１１１ｇの下方に設置された熱交換器１１１ｄに送られ、電力変換装置１ａの半導体素子２ａ〜２ｆの空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。さらに温まった外気は、熱交換器１１１ｄの下方に設置された熱交換器１１１ｆに送られ、電力変換装置１ｂの半導体素子２ｇ〜２ｌの空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し温度が上昇する。熱損失を受け温まった外気は、風洞１０６を通り排風口１０７より車両２００外へ放出される。
【００３８】
（効果）
第２の実施形態と比べ、電力変換装置１ａ、１ｂの熱損失に対し熱交換器１１１が独立して冷却装置１００内に設置されているため、同一の冷却系に複数の装置が接続されるよりも冷却効率が向上する。
【００３９】
尚、図５のように電力変換装置１だけでなく、電力変換装置１と電気機器を収納した装置（以下、機器箱）５０内の第３熱交換器５２を冷却装置１００内の熱交換器１１１ｇと配管にて接続した場合でも同様に本実施形態の効果は変わらない。
【００４０】
（第４の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第４の実施形態について図６を用いて説明する。図６は、電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図６中の矢印は、空気の流れを示す。
【００４１】
第４の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、車両１に設置している電力変換装置１内を筐体１１により筐体密閉部２３と筐体開放部２４に仕切っている。筐体密閉部２４内で電気部品１３は第３熱交換器５と、第３熱交換器５は電気部品１３と電動送風機６の間で並列に位置している。配管７ｂは第３熱交換器５の内部及び外部に設けられ、配管７ｂの一端は配管接続部９ｂに、もう一端は配管接続部８ｂにポンプ１０ｂを介して接続される。また、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れるそれぞれ流路４ａ〜４ｃが設けられている。流路４ａ〜４ｃの一端は、配管７ａを介して電力変換装置１の筐体１１と外部が接続される配管接続部９ａと接続され、もう一端は配管７ａ及びポンプ１０ａを介して別の配管接続部８ａに接続される。筐体開放部２４内には、第１の実施形態において車両２００に設置されていた冷却装置１００を内蔵している。
【００４２】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、空気が第３熱交換器５に送られる。このとき、第３熱交換器５の熱交換器内流路６には、ポンプ１０の押し出し力により配管７ｂを通って冷却液が流入する。熱交換機内流路６には、電動送風機１２の回転によって送風される空気がぶつかる。筐体１１内または半導体素子２の熱を含んだ空気は、熱交換器内流路６の壁面に沿って流れることで、空気内の熱が配管内を通る冷却液によって奪われる。そのため、熱交換器内流路６を通過した後、空気は熱を奪われた状態となっている。この冷却された空気が電動送風機１２に電気部品１３に送風される。送風された空気は、電気部品１３で発生した熱は吸収し、筐体１１内に拡散されることになる。また、熱交換機５にて空気からの熱を吸収した冷却液は、配管７ｂを通って放熱部となる第２熱交換器１１１ｂに送られる。第２熱交換器１１１ｂは、電動機送風機１１０からの送風により冷却液の熱を大気に放出する。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで再び第３熱交換器５へと送られる。そのため電気部品１２は常に熱が吸収された後の空気によって冷却されることになる。このように、それぞれ電動送風機１２または電動送風機１１０により強制通風することで、空気との熱交換効率を高めている。
【００４３】
電力変換装置１内では半導体素子２ａ〜２ｆが最も発熱する。その熱は電力変換装置１の上側で滞留する。電動送風機１２の送風方向は上側から下側に向かっている。そのため、電力変換装置１内の上側に滞留している熱を含んだ空気は対流し、筐体１１内の温度のばらつきが均一化される。
【００４４】
配管７ａは、電力変換装置１の冷却液入口８と熱交換器１１１とポンプ１０とを閉ループで接続し、ポンプ１０により冷却体がこの閉ループ内を循環することで熱輸送する。つまり、半導体素子２より発生した熱損失は冷却体３で受熱され、冷却体３の内部の流路４を強制的に流れる冷却液に熱伝達され、配管７の内部を流れる冷却液により熱交換器１１１の放熱部分から大気に熱放出することで、半導体素子２から発生した熱損失を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つ。
【００４５】
（効果）
第１の実施形態と比べ、冷却系統を電力変換装置内に内蔵することにより省スペース化、機器配置の自由度の向上、及び部品点数の削減が図れる。
【００４６】
（第５の実施形態）
（構成）
係る液冷式電力変換装置の第５の実施形態について図７を用いて説明する。図７は、電力変換装置内に収納された電気機器１３の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜４と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図７の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器の受熱部となる第３熱交換器５、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３のみを記載し、他の構成を省略する。図７中の矢印は、空気の流れを示す。
【００４７】
第５の実施形態は、電力変換装置１で、電気機器１３と、電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５と、熱交換器内流路６と、電動送風機１２と、筐体１１と、ダクト１４を備える。電動送風機１２と第３熱交換器５は並列に配置され、第３熱交換器５に対し電動送風機１２と反対側にダクト１４を敷設する。ダクト１４の吹出口付近に電気部品１３はある。
【００４８】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却され、冷えた空気がダクト１４を介し電気部品１３に直接通風される。
【００４９】
（効果）
第１の実施形態と比べ、電気部品１３に直接冷やされた空気を通風できるため、電気部品１３の冷却効率が向上する。
【００５０】
尚、図８のように並列に配置された複数の電気部品１３ａ〜１３ｃを冷却する場合、ダクト１４の吹出口を変えることで本実施形態の効果を買えず対応できる。他の応用例として、図９は上下に並列に配置された電気部品を冷却する場合、図１０は上下左右に配置された電気部品を冷却する場合を示す。図８〜１０のいずれにおいても、第５の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００５１】
（第６の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第６の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は、電力変換装置１内に収納された電気機器１３の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜５と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１１の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器１３、電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５、熱交換器内流路６、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３ａ〜１３ｃのみを記載し、他の構成を省略する。図１１中の矢印は、空気の流れを示す。
【００５２】
第６の実施形態において電力変換装置１は仕切板においてブロック１６ａ〜１６ｃに分けられている筐体１１を有する。電気部品１３ａはブロック１６ａに、電気部品１３ｂはブロック１６ｂに、電気部品１３ｃはブロック１６ｃに収納される。
【００５３】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却される。電動送風機１２が起こす風は上から下に向かい吹いているため、熱交換により冷えた空気は筐体１１内の対流によってブロック１６ａ〜１６ｃへと拡散する。各ブロック１６ａ〜１６ｃに収納された電気部品１３ａ〜１３ｃは、冷風により冷却される。
【００５４】
（効果）
電動送風機１２による電気機器の受熱部となる第３熱交換器５への強制通風を、熱損失の大きい電気機器またはモジュールに対し直接行うため、強制通風した電気機器またはモジュールの信頼性向上及び長寿命化が図れ、また他の機器やモジュールに対する熱的影響を抑制できる。
【００５５】
尚、図中の筐体仕切板１６ａ〜１６ｂは２個、ブロック１３ａ〜１３ｃは３個示したが、１個でも複数個でも本実施形態の効果は変わらないため、仕切板２個、ブロック３個の場合の図にて説明する。
【００５６】
応用例として、図１２のようにブロック１６ａに収納されている電気部品１３ａを特に冷却する場合、電動送風機１２を垂直に設置することで可能となる。図１２においても第６の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００５７】
（第７の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第７の実施形態について図１３を用いて説明する。図１３は、電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜６と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１３の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器の受熱部となる第３熱交換器５、熱交換器内流路６、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３、ダクト１４のみを記載し、他の構成を省略する。図１３中の矢印は、空気の流れを示す。
【００５８】
第７の実施形態において第６の実施形態と異なる点は、電力変換装置１で、筐体１１に複数の仕切板を設けブロック１６ａ〜１６ｃに区切っている部分にダクト１４を敷設し、ダクト１４の吹出口を各ブロック１６ａ〜１６ｃ毎に設ける。
【００５９】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却される。電動送風機１２が起こす風はダクト１４を通り、ブロック１６ａ〜１６ｃに送風する。送られてきた冷風は、ブロック１６ａ〜１６ｃ内の空気よりも冷たく重いため、ダクト１４の吹出口から下方へと下がる。下がった空気は、電気部品１３ａ〜１３ｃを冷却する。各ブロック１６ａ〜１６ｃは下方の仕切板の隙間で空間がつながっているため、電動送風機１２のあるブロック１６ｃへと流れる。よって、電力変換装置１内の空気は対流している。
【００６０】
（効果）
電動送風機１２による電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５への強制通風を、複数のブロック１６ａ〜１６ｃまで送風することで、空気の対流が発生し、電力変換装置１内の温度を所定値内に抑えられ、信頼性向上及び長寿命化が図れる。
【００６１】
尚、図中の筐体仕切板１６ａ〜１６ｂは２個、ブロック１３ａ〜１３ｃは３個示したが、１個でも複数個でも本実施形態の効果は変わらないため、仕切板２個、ブロック３個の場合の図にて説明する。
【００６２】
応用例として、図１４のようにダクト１４を筐体１１内の中央に設置し、左右方向に並列なブロックだけでなく、上下方向に並列なブロックも同様に冷却が可能である。図１４においても第７の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００６３】
上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１（ａ〜ｂ）… 電力変換装置
２（ａ〜ｌ）… 半導体素子
３（ａ〜ｆ）… 冷却体
４（ａ〜ｆ）… 冷却体内流路
５（ａ〜ｃ）… 受熱部となる熱交換器
６（ａ〜ｃ）… 熱交換器内流路
７（ａ〜ｄ）… 配管
８（ａ〜ｄ）… 冷却液入口
９（ａ〜ｄ）… 冷却液出口
１０（ａ〜ｅ）… ポンプ
１１（ａ〜ｂ）… 筐体
１２（ａ〜ｅ）… 電動送風機
１３（ａ〜ｂ）… 電気部品
１４… ダクト
５０… 機器箱（電気機器を収納している箱）
５１… 電気機器
５２… 熱交換器
５３… 電動送風機
５４… 冷却液入口
５５… 冷却液出口
５６… 配管
１００…冷却装置
１０１…入風口
１０２…風洞
１０３…電動送風機収納部
１０４…風洞
１０５…熱交換器収納部
１０６…風洞
１０７…排風口
１１１ａ
１１１ｂ
２００…車体
２０１…機器室（電車が走行に必要な電気装置を収納している車両）
３００…架線
３０１…パンタグラフ
３０２…台車
３０３…モータ
３０４…レール
【背景技術】
【０００１】
一般に、鉄道車両は、架線から電力が供給され、その電力を鉄道車両用の電力変換装置が、車両に搭載されているモータが駆動できるような電力に変換する。モータが変換された電力を受け取り、回転することで鉄道の走行が可能となる。上記の鉄道用電力変換装置内には、半導体素子及びその周辺回路の電気部品で構成される半導体モジュールが内蔵される。その半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行っている。半導体素子のスイッチング動作は多くの熱損失を発生するため、この熱を効率よく電力変換装置外部へ放出し、半導体素子の温度を動作許容温度範囲に保つような冷却技術が必要となる。
【０００２】
電力変換装置内には上記の半導体モジュールのほかにも送風機や制御装置等の電気機器が収納され、この電気機器からも熱損失は発生する。この熱損失により機器室及び装置内が温度上昇し、搭載されている電気機器は高温環境下に曝される。電気機器は、正常動作のための使用温度範囲で使用しなければ故障の原因となり、寿命が想定されている期間よりも早くなる。そのため鉄道車両用電力変換装置に収納している半導体モジュールや電気機器の保護のために温度上昇を抑制しなければならない。
【０００３】
半導体素子の冷却に必要な技術として、半導体素子から発生する熱損失を受熱する受熱部と、この熱損失を半導体モジュール外部に放出する放熱部とがある。この放熱部を冷やす方法として液冷方式がある。この液冷式は、鉄道車両用電力変換装置内の受熱部と、鉄道車両用電力変換装置外部に設置された放熱部の間を、配管で接続し、ポンプを使用して配管内の冷却液を強制循環させ、熱を輸送することで高い冷却効率を得ている。
【０００４】
また半導体モジュールの他の電気機器や配線等の冷却技術として、従来では、鉄道車両用電力変換装置の筐体表面に通気口を開け、外気を装置内に取り入れてものがある。通風を利用して、装置内の温度上昇を抑制している。この構成の鉄道車両用電力変換装置内にファンを追加して設け、装置内の空気を強制的に換気する構成も挙げられている。以下にこの従来構成について詳細に説明する。
【０００５】
従来装置について図１７を用いて具体的に説明する。図１７は、従来の液冷式電力変換装置の構成図である。図１７中の実線矢印は電力変換装置１の取り込む機器室２０１内の空気を示し、破線矢印は冷却装置１００が取り込む外気を示す。車両２００には機器室２０１があり、機器室２０１には電力変換装置１や、主変圧器のような制御装置５０、冷却装置１００が設置されている。車両２００は、架線３００からパンタグラフ３０１で電力を受け、制御装置５０や電力変換装置１を経由し、台車３０２の軸に設置された電動機３０３へ電力が供給され、レール３０４上を走行する。電力変換装置１には、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れる流路４があり、電力変換装置１に備えられる配管７と接続される。冷却装置１００では、外気入風口１０１から外気を取り込み、ダクト１０２〜１０６を通風し、外気排風口１０７から外気は排出されている。ダクト１０３には電動送風機１１０、ダクト１０５には熱交換器１１１を有する。配管６０は、電力変換装置１の冷却液入口８と熱交換器１１１とポンプ１０とを閉ループで接続し、ポンプ１０により冷却体がこの閉ループ内を循環することで熱輸送する。つまり、半導体素子２より発生した熱損失は冷却体３で受熱され、冷却体３の内部の流路４を強制的に流れる冷却液に熱伝達され、配管７の内部を流れる冷却液により熱交換器１１１の放熱部分から大気に熱放出することで、半導体素子２から発生した熱損失を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つ。熱交換器１１１は大気との熱交換効率を高めるため、電動送風機１１０により強制通風するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−６２６９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した従来の鉄道車両用電力変換装置では、電気機器を冷却するための空気を取り込む通気口を有し、密閉構造ではない。この空気には塵埃が含まれるため、内部が汚損するとうい問題がある。装置内の汚損防止対策として、通気口にフィルターを設置する場合もあるが、フィルターでは塵埃を完全に除去しきれないだけでなく、フィルターは塵埃により徐々にフィルターの目がつまるため、定期的にフィルターを交換または清掃するなどメンテナンスが増加するといった問題が生じる。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、鉄道車両用電力変換装置内の温度上昇を抑制し、かつ装置内の汚損を防止することが可能な液冷式電力変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の液冷式電力変換装置は、鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、電力変換装置内に設けられる電気部品、複数の半導体素子と、電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、冷却装置内に設けられる第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、第３の熱交換器と第２熱交換器を接続する配管と、冷却体と第１熱効交換器を接続する配管を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図２】第２の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図３】第３の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図４】第４の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図５】第５の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図６】第６の実施形態の液冷式電力変換装置。
【図７】第７の実施形態の強制循環電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図８】第８の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図９】第９の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１０】第１０の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１１】第１１の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１２】第１２の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１３】第１３の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１４】第１４の実施形態の液冷式電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。
【図１５】従来装置の構成を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、液冷式電力変換装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
（構成）
まず、図１を用いて第１の実施形態を説明する。図１は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。図１中実線矢印は、電力変換装置１内の空気の流れを示し、破線矢印は外気の流れを示す。従来技術を示した図１７と同一構成は同じ符号とし、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１に示す実線矢印は電力変換装置１の取り込む機器室２０１内の空気を示し、破線矢印は冷却装置１００が取り込む外気を示す。車両２００には機器室２０１があり、機器室２０１には電力変換装置１及び冷却装置１００が設置されている。車両２００は、架線３００からパンタグラフ３０１で電力を受ける。受けた電力は電力変換装置１を経由し、台車３０２の軸に設置された電動機３０３へ供給される。電動機３０３は、電力を駆動力として車輪を回転させ、車両２００がレール３０４上を走行する。 電力変換装置１内には、電気部品１３、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが設けられている。
【００１４】
電気部品１３は第３熱交換器５と並列に、第３熱交換器５は電気部品１３と電動送風機１２の間で並列に位置している。第３熱交換器５の配管７ｂは、内部及び外部に設けられ、配管７ｂの一端は配管接続部９ｂに、もう一端は配管接続部８ｂにポンプ１０ｂを介して接続される。
【００１５】
複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れるそれぞれ流路４ａ〜４ｃが設けられている。流路４ａ〜４ｃの一端は、配管７ａを介して電力変換装置１の筐体１１と外部が接続される配管接続部９ａと接続され、もう一端は配管７ａ及びポンプ１０ａを介して別の配管接続部８ａに接続される。電力変換装置１内の配管７ｂは、電気部品の冷却系の冷却液入口８ｂと、ポンプ１０ｂと、電気部品１３の熱損失の受熱部となる第３熱交換器５と、第３熱交換器５に強制通風する電動送風機６と、電気部品１３の冷却系の冷却液出口９ｂと電気部品の冷却系に備わる部品間を接続している。
【００１６】
冷却装置１００は、風洞１０２、電動送風機取付部１０３、風洞１０４、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂで構成される。筒状の風洞１０２は、最上部であり電動送風機取付部１０３の上部に位置する。電動送風機取付部１０３は、筒状の風洞上部に位置し、内部には電動送風機１１０が設けられている。風洞１０４は、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂの上部に位置する。熱交換器収納部１０５ａ〜ｂは、風洞１０６の上部に位置する。熱交換器収納部１０５ｂは、電力変換装置１内の電気部品１３の熱損失の放熱部となる第２熱交換器１１１ｂが設けられ、冷却水が流入するための熱交換器入口１０８ｂと、熱交換器出口１０９ｂを有する。熱交換器収納部１０５ａは、電力変換装置１内の半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失の放熱部となる第１熱交換器１１１ａが設けられ、冷却水が流入するための熱交換器入口１０８ａと、熱交換器出口１０９ａを有する。風洞１０６は、熱交換器収納部１０５ａ〜ｂの下部に位置し最下部となる。風洞１０２の天井部には入風口１０１が設けられ、１０６の底面部には排風口１０７が設けられ。それぞれ外部と通じている。
【００１７】
上述した冷却装置１００と電力変換装置１は、熱交換器入口１０８ｂと冷却液出口９ｂ、熱交換器出口１０９ｂと冷却液入口８ｂ、熱交換器入口１０８ａと冷却液出口９ａ、熱交換器出口１０９ａと冷却液入口８ａが配管を介して接続されている。
【００１８】
（作用）
まず１つ目の電力変換装置内の温度抑制作用について説明する。
【００１９】
電力変換装置１内では半導体素子２ａ〜２ｆが最も発熱する。半導体素子２ａ〜２ｆの熱は自然対流により電力変換装置１の上側（天井側）に集まり滞留する。電動送風機１２は上側に設置され、送風方向は上側から下側（床部）に向かっている。そのため、電力変換装置１内の上側に滞留している熱を含んだ空気は上側から下側に向かって流れ、さらに床面にぶつかった空気は左右に分かれ、また上側に向かって上昇するという２つの大きな気流が生じる。そのため、筐体１１内の空気は常に拡散されることになり、それに伴い筐体１１内の温度が均一化される。
【００２０】
次の温度抑制作用について説明する。上記の筐体１１内の空気を拡散し、温度均一を図る電動送風機１２の回転は、電気部品１３の温度抑制作用を有する。
【００２１】
電動送風機１２が回転すると、空気が第３熱交換器５に送られる。このとき、第３熱交換器５の熱交換器内流路６には、ポンプ１０の押し出し力により配管７ｂを通って冷却液が流入する。熱交換機内流路６には、電動送風機１２の回転によって送風される空気がぶつかる。筐体１１内または半導体素子２の熱を含んだ空気は、熱交換器内流路６の壁面に沿って流れることで、空気内の熱が配管内を通る冷却液によって奪われる。そのため、熱交換器内流路６を通過した後、空気は熱を奪われた状態となっている。この冷却された空気が電動送風機１２に電気部品１３に送風される。送風された空気は、電気部品１３で発生した熱は吸収し、筐体１１内に拡散されることになる。また、熱交換機５にて空気からの熱を吸収した冷却液は、配管７ｂを通って放熱部となる第２熱交換器１１１ｂに送られる。第２熱交換器１１１ｂは、電動機送風機１１０からの送風により冷却液の熱を大気に放出する。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで再び第３熱交換器５へと送られる。そのため電気部品１２は常に熱が吸収された後の空気によって冷却されることになる。このように、それぞれ電動送風機１２または電動送風機１１０により強制通風することで、空気との熱交換効率を高めている。
【００２２】
また次に半導体素子２についての温度抑制作用について述べる。
【００２３】
上述した半導体素子２ａ〜２ｆの熱は、冷却体３で受熱される。冷却体３で受熱された熱は、冷却体３内部の冷却体内流路４をポンプ１０ａの作用によって強制的に流れる冷却液に熱伝達される。それぞれの冷却体内流路４ａ〜４ｃを通り、熱を吸収した冷却液は、配管７ａを通って第１熱交換器１１１ａに運ばれる。熱交換器１１１では電動送付機１１１からの送風によって冷却液の熱が奪われる。またこのとき、第２熱交換器１１１ｂ＜１１１ａとなっているため、電動送風機によって熱を含まない空気が第２熱交換器１１１ｂと第１熱交換器１１１ａのどちらにも当てられる。そのため、第２熱交換器１１１ｂでは冷却液に含まれた熱が大気に熱放出することが可能となる。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで半導体素子２ａ〜２ｆに送られる。このように、半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失により発生した熱を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つことができる。
【００２４】
また、このような作用は筐体１１を密閉空間によって実現されている。そのため、機器室２０１内の塵埃は電力変換装置１内に侵入しないため、電力変換装置１内の汚損度は大きく改善される。
【００２５】
（効果）
よって以上の効果により、電力変換装置１を密閉構造の状態で、装置内をほぼ汚損せずに、筐体１１内は温度上昇を抑制され、電力変換装置２の信頼性向上及び長寿命化が図れる。
【００２６】
尚、図面では、冷却体が循環系にそれぞれ３個の冷却配管系統図を示しているが、この冷却体がそれぞれ単体または複数個接続されていたり、並列に複数個接続されていたりする場合が多いが、１個においても、複数個においても、本実施形態の効果に変わりはないため、３個の場合の図で説明している。
【００２７】
（第２の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第２の実施形態について図２を用いて説明する。図２は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
第２の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、冷却装置１００内に熱交換器収納部１０５ｃを有し、熱交換器収納部１０５ｃ内には電力変換装置１ａの電気部品１３ａの熱損失と、電力変換装置１ｂの電気部品１３ｂの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｃが収納される。
【００２９】
電力変換装置１ａに設置された電気機器１３ａの熱損失の受熱部となる第３熱交換器５ａと、他方の電力変換装置１ｂに設置された電気機器１３ｂの熱損失の受熱部となる第３熱交換器５ｂと、ポンプ１０ｃと、冷却装置１００内の熱交換器１０５ｃが同一の閉ループで接続された冷却系統とする。
【００３０】
（作用）
第２の実施形態は、第１の実施形態における電力変換装置内及び半導体素子の温度抑制作用と同様の作用を有する。
【００３１】
さらに、第２の実施形態では電力変換装置内を冷却する熱交換器１２ａ、１２ｂを直列に接続し、同一の閉ループとしている。冷却液と電力変換装置内の空気の温度差が大きい方が熱交換効率は向上するので、温度上昇の小さい電力変換装置１ｂ内の第３熱交換器５ｂを通過した後に、温度上昇の大きい電力変換装置１ａ内の第３熱交換器５ａを配置することにより効率よく電力変換装置１ａ、１ｂ内を冷却できる。
【００３２】
（効果）
よって以上の効果により、電力変換装置１ａ、１ｂ内を同一の冷却系に接続することにより電力変換装置１に対し個別に冷却装置１００を備えるよりも省スペースであり、部品点数の削減が図れる。
【００３３】
尚、図３のように電力変換装置１だけでなく、電力変換装置１と電気機器を収納した装置（以下、機器箱）５０内の第３熱交換器５２を冷却装置１００内の熱交換器１１１ｇと配管にて接続した場合でも同様に本実施形態の効果は変わらない。
【００３４】
（第３の実施形態） （請求項１，３対応）
次に、液冷式電力変換装置の第３の実施形態について図４を用いて説明する。図３は、液冷式電力変換装置の全体構成を表した図である。なお第１の実施形態〜２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３５】
第３の実施形態において第１の実施形態〜２と異なる点は、車両２００で、複数の電力変換装置１ａ〜１ｂを有する。冷却装置１００には熱交換器収納部１０５ｄ〜１０５ｇがある。熱交換器収納部１０５ｄ内に電力変換装置１ａの半導体素子２ａ〜２ｆの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｄが収納される。熱交換器収納部１０５ｅは、熱交換器収納部１０５ｄの上方に配置し、電力変換装置１ａの電気部品１３ａの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｅが収納される。熱交換器収納部１０５ｆは、熱交換器収納部１０５ｄの下方に配置し、電力変換装置１ｂの半導体素子２ｇ〜２ｌの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｆが収納される。（番号の訂正が必要）熱交換器収納部１０５ｇは、熱交換器収納部１０５ｅと隣接し、電力変換装置１ｂの電気部品１３ｂの熱損失の放熱部となる熱交換器１１１ｇが収納される。
【００３６】
上述した電力変換装置１ａ、１ｂと冷却装置１００は、熱交換器入口１０８ｄと冷却液出口９ａ、熱交換器出口１０９ｄと冷却液入口８ａ、熱交換器入口１０８ｅと冷却液出口９ｂ、熱交換器出口１０９ｅと冷却液入口８ｂ、熱交換器入口１０８ｆと冷却液出口９ｃ、熱交換器出口１０９ｆと冷却液入口８ｃ、熱交換器入口１０８ｇと冷却液出口９ｄ、熱交換器出口１０９ｇと冷却液入口８ｄが配管を介して接続されている。
【００３７】
（作用）
冷却装置１００内において入風口１０１から取り込んだ外気は熱交換器１１１ｅと熱交換器１１１ｇへ外気は送られる。外気は、熱交換器１１１ｅにおいて電力変換装置１ａ内の空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。同様に熱交換器１１１ｇにおいて電力変換装置１ｂ内の空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。温まった外気は、熱交換器１１１ｅ、１１１ｇの下方に設置された熱交換器１１１ｄに送られ、電力変換装置１ａの半導体素子２ａ〜２ｆの空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し、温度が上昇する。さらに温まった外気は、熱交換器１１１ｄの下方に設置された熱交換器１１１ｆに送られ、電力変換装置１ｂの半導体素子２ｇ〜２ｌの空気に受熱された熱損失により温まった冷却液と熱交換し温度が上昇する。熱損失を受け温まった外気は、風洞１０６を通り排風口１０７より車両２００外へ放出される。
【００３８】
（効果）
第２の実施形態と比べ、電力変換装置１ａ、１ｂの熱損失に対し熱交換器１１１が独立して冷却装置１００内に設置されているため、同一の冷却系に複数の装置が接続されるよりも冷却効率が向上する。
【００３９】
尚、図５のように電力変換装置１だけでなく、電力変換装置１と電気機器を収納した装置（以下、機器箱）５０内の第３熱交換器５２を冷却装置１００内の熱交換器１１１ｇと配管にて接続した場合でも同様に本実施形態の効果は変わらない。
【００４０】
（第４の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第４の実施形態について図６を用いて説明する。図６は、電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜３と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図６中の矢印は、空気の流れを示す。
【００４１】
第４の実施形態において第１の実施形態と異なる点は、車両１に設置している電力変換装置１内を筐体１１により筐体密閉部２３と筐体開放部２４に仕切っている。筐体密閉部２４内で電気部品１３は第３熱交換器５と、第３熱交換器５は電気部品１３と電動送風機６の間で並列に位置している。配管７ｂは第３熱交換器５の内部及び外部に設けられ、配管７ｂの一端は配管接続部９ｂに、もう一端は配管接続部８ｂにポンプ１０ｂを介して接続される。また、複数の半導体素子２ａ〜２ｆが冷却体３ａ〜３ｃに取付けられ、冷却体３ａ〜３ｃの内部には冷却液が流れるそれぞれ流路４ａ〜４ｃが設けられている。流路４ａ〜４ｃの一端は、配管７ａを介して電力変換装置１の筐体１１と外部が接続される配管接続部９ａと接続され、もう一端は配管７ａ及びポンプ１０ａを介して別の配管接続部８ａに接続される。筐体開放部２４内には、第１の実施形態において車両２００に設置されていた冷却装置１００を内蔵している。
【００４２】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、空気が第３熱交換器５に送られる。このとき、第３熱交換器５の熱交換器内流路６には、ポンプ１０の押し出し力により配管７ｂを通って冷却液が流入する。熱交換機内流路６には、電動送風機１２の回転によって送風される空気がぶつかる。筐体１１内または半導体素子２の熱を含んだ空気は、熱交換器内流路６の壁面に沿って流れることで、空気内の熱が配管内を通る冷却液によって奪われる。そのため、熱交換器内流路６を通過した後、空気は熱を奪われた状態となっている。この冷却された空気が電動送風機１２に電気部品１３に送風される。送風された空気は、電気部品１３で発生した熱は吸収し、筐体１１内に拡散されることになる。また、熱交換機５にて空気からの熱を吸収した冷却液は、配管７ｂを通って放熱部となる第２熱交換器１１１ｂに送られる。第２熱交換器１１１ｂは、電動機送風機１１０からの送風により冷却液の熱を大気に放出する。そして熱を放散し再び熱を含まない冷却液となったところで再び第３熱交換器５へと送られる。そのため電気部品１２は常に熱が吸収された後の空気によって冷却されることになる。このように、それぞれ電動送風機１２または電動送風機１１０により強制通風することで、空気との熱交換効率を高めている。
【００４３】
電力変換装置１内では半導体素子２ａ〜２ｆが最も発熱する。その熱は電力変換装置１の上側で滞留する。電動送風機１２の送風方向は上側から下側に向かっている。そのため、電力変換装置１内の上側に滞留している熱を含んだ空気は対流し、筐体１１内の温度のばらつきが均一化される。
【００４４】
配管７ａは、電力変換装置１の冷却液入口８と熱交換器１１１とポンプ１０とを閉ループで接続し、ポンプ１０により冷却体がこの閉ループ内を循環することで熱輸送する。つまり、半導体素子２より発生した熱損失は冷却体３で受熱され、冷却体３の内部の流路４を強制的に流れる冷却液に熱伝達され、配管７の内部を流れる冷却液により熱交換器１１１の放熱部分から大気に熱放出することで、半導体素子２から発生した熱損失を効率よく大気に放出し、半導体素子２の温度上昇を許容温度範囲内に保つ。
【００４５】
（効果）
第１の実施形態と比べ、冷却系統を電力変換装置内に内蔵することにより省スペース化、機器配置の自由度の向上、及び部品点数の削減が図れる。
【００４６】
（第５の実施形態）
（構成）
係る液冷式電力変換装置の第５の実施形態について図７を用いて説明する。図７は、電力変換装置内に収納された電気機器１３の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜４と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図７の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器の受熱部となる第３熱交換器５、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３のみを記載し、他の構成を省略する。図７中の矢印は、空気の流れを示す。
【００４７】
第５の実施形態は、電力変換装置１で、電気機器１３と、電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５と、熱交換器内流路６と、電動送風機１２と、筐体１１と、ダクト１４を備える。電動送風機１２と第３熱交換器５は並列に配置され、第３熱交換器５に対し電動送風機１２と反対側にダクト１４を敷設する。ダクト１４の吹出口付近に電気部品１３はある。
【００４８】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却され、冷えた空気がダクト１４を介し電気部品１３に直接通風される。
【００４９】
（効果）
第１の実施形態と比べ、電気部品１３に直接冷やされた空気を通風できるため、電気部品１３の冷却効率が向上する。
【００５０】
尚、図８のように並列に配置された複数の電気部品１３ａ〜１３ｃを冷却する場合、ダクト１４の吹出口を変えることで本実施形態の効果を買えず対応できる。他の応用例として、図９は上下に並列に配置された電気部品を冷却する場合、図１０は上下左右に配置された電気部品を冷却する場合を示す。図８〜１０のいずれにおいても、第５の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００５１】
（第６の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第６の実施形態について図１１を用いて説明する。図１１は、電力変換装置１内に収納された電気機器１３の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜５と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１１の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器１３、電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５、熱交換器内流路６、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３ａ〜１３ｃのみを記載し、他の構成を省略する。図１１中の矢印は、空気の流れを示す。
【００５２】
第６の実施形態において電力変換装置１は仕切板においてブロック１６ａ〜１６ｃに分けられている筐体１１を有する。電気部品１３ａはブロック１６ａに、電気部品１３ｂはブロック１６ｂに、電気部品１３ｃはブロック１６ｃに収納される。
【００５３】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却される。電動送風機１２が起こす風は上から下に向かい吹いているため、熱交換により冷えた空気は筐体１１内の対流によってブロック１６ａ〜１６ｃへと拡散する。各ブロック１６ａ〜１６ｃに収納された電気部品１３ａ〜１３ｃは、冷風により冷却される。
【００５４】
（効果）
電動送風機１２による電気機器の受熱部となる第３熱交換器５への強制通風を、熱損失の大きい電気機器またはモジュールに対し直接行うため、強制通風した電気機器またはモジュールの信頼性向上及び長寿命化が図れ、また他の機器やモジュールに対する熱的影響を抑制できる。
【００５５】
尚、図中の筐体仕切板１６ａ〜１６ｂは２個、ブロック１３ａ〜１３ｃは３個示したが、１個でも複数個でも本実施形態の効果は変わらないため、仕切板２個、ブロック３個の場合の図にて説明する。
【００５６】
応用例として、図１２のようにブロック１６ａに収納されている電気部品１３ａを特に冷却する場合、電動送風機１２を垂直に設置することで可能となる。図１２においても第６の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００５７】
（第７の実施形態）
（構成）
液冷式電力変換装置の第７の実施形態について図１３を用いて説明する。図１３は、電力変換装置内に収納された電気機器の冷却系統の構成を表した図である。なお、第１の実施形態〜６と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１３の構成は、第１の実施形態の電力変換装置１、電気機器の受熱部となる第３熱交換器５、熱交換器内流路６、電動送風機１２、筐体１１、電気部品１３、ダクト１４のみを記載し、他の構成を省略する。図１３中の矢印は、空気の流れを示す。
【００５８】
第７の実施形態において第６の実施形態と異なる点は、電力変換装置１で、筐体１１に複数の仕切板を設けブロック１６ａ〜１６ｃに区切っている部分にダクト１４を敷設し、ダクト１４の吹出口を各ブロック１６ａ〜１６ｃ毎に設ける。
【００５９】
（作用）
電動送風機１２が回転すると、電気部品１３の熱損失により温められた空気が第３熱交換器５に送られる。空気は第３熱交換器５で冷却液と熱交換し冷却される。電動送風機１２が起こす風はダクト１４を通り、ブロック１６ａ〜１６ｃに送風する。送られてきた冷風は、ブロック１６ａ〜１６ｃ内の空気よりも冷たく重いため、ダクト１４の吹出口から下方へと下がる。下がった空気は、電気部品１３ａ〜１３ｃを冷却する。各ブロック１６ａ〜１６ｃは下方の仕切板の隙間で空間がつながっているため、電動送風機１２のあるブロック１６ｃへと流れる。よって、電力変換装置１内の空気は対流している。
【００６０】
（効果）
電動送風機１２による電気機器１３の受熱部となる第３熱交換器５への強制通風を、複数のブロック１６ａ〜１６ｃまで送風することで、空気の対流が発生し、電力変換装置１内の温度を所定値内に抑えられ、信頼性向上及び長寿命化が図れる。
【００６１】
尚、図中の筐体仕切板１６ａ〜１６ｂは２個、ブロック１３ａ〜１３ｃは３個示したが、１個でも複数個でも本実施形態の効果は変わらないため、仕切板２個、ブロック３個の場合の図にて説明する。
【００６２】
応用例として、図１４のようにダクト１４を筐体１１内の中央に設置し、左右方向に並列なブロックだけでなく、上下方向に並列なブロックも同様に冷却が可能である。図１４においても第７の実施形態の発明の効果は変わらない。
【００６３】
上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６４】
１（ａ〜ｂ）… 電力変換装置
２（ａ〜ｌ）… 半導体素子
３（ａ〜ｆ）… 冷却体
４（ａ〜ｆ）… 冷却体内流路
５（ａ〜ｃ）… 受熱部となる熱交換器
６（ａ〜ｃ）… 熱交換器内流路
７（ａ〜ｄ）… 配管
８（ａ〜ｄ）… 冷却液入口
９（ａ〜ｄ）… 冷却液出口
１０（ａ〜ｅ）… ポンプ
１１（ａ〜ｂ）… 筐体
１２（ａ〜ｅ）… 電動送風機
１３（ａ〜ｂ）… 電気部品
１４… ダクト
５０… 機器箱（電気機器を収納している箱）
５１… 電気機器
５２… 熱交換器
５３… 電動送風機
５４… 冷却液入口
５５… 冷却液出口
５６… 配管
１００…冷却装置
１０１…入風口
１０２…風洞
１０３…電動送風機収納部
１０４…風洞
１０５…熱交換器収納部
１０６…風洞
１０７…排風口
１１１ａ
１１１ｂ
２００…車体
２０１…機器室（電車が走行に必要な電気装置を収納している車両）
３００…架線
３０１…パンタグラフ
３０２…台車
３０３…モータ
３０４…レール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、
前記電力変換装置内に設けられる電気部品、複数の半導体素子と、
前記電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、
前記複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる前記第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、
前記第３の熱交換器と前記第２熱交換器を接続する配管と、
前記冷却体と第１熱効交換器を接続する配管と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項２】
前記鉄道車両に設けられる前記電力変換装置と、
前記電力変換装置内に設けられ開放部を有する筐体開放部と、
前記電力変換装置内に設けられ密閉されている筐体開放部と、
前記筐体開放部内に設置される冷却装置と、
前記筐体密閉部内で電動送風機と電気部品を間に位置する第３の熱交換器と、
前記筐体密閉部内で複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる前記第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、
前記第３の熱交換器と前記第２熱交換器を接続する配管と、
前記冷却体と第１熱効交換器を接続する配管と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項３】
鉄道車両の前記機器室内または前記筐体密閉部に設けられる複数の電力変換装置及び冷却装置と、
前記複数の電力変換装置内のそれぞれに設けられる電気部品と、
前記電気部品と並列かつ、前記電気部品と電動送風機の間に設けられる熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる熱交換器と、
前記複数の電力変換装置内に設けられる熱交換器と前記冷却装置内に設けられる熱交換器は配管を介して接続している前記請求項１乃至２記載の液冷式電力変換装置。
【請求項４】
前記冷夏装置内の熱交換器は、冷却装置内を分割するように並列して配置されている請求項３記載の液冷式電力変換装置。
【請求項５】
前記熱交換器に対して前記電動送風機と反対側に設けられるダクトと、
前記ダクトの吹出口付近に電気部品を配置する請求項１乃至４のいずれか１項記載の液冷式電力変換装置。
【請求項６】
鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、
前記電力変換装置内を仕切る仕切り板と、
前記電力変換装置内に設けられる電気部品と、
前記電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、
前記複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第２熱交換器と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項７】
前記電動送風機は、前記電力変換装置内で上部に設置され、前記電力変換装置の下側に熱交換器が設置され、前記熱交換器の下側に電気部品が配置する請求項１乃至４のいずれか１項記載の液冷式電力変換装置。
【請求項１】
鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、
前記電力変換装置内に設けられる電気部品、複数の半導体素子と、
前記電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、
前記複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる前記第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、
前記第３の熱交換器と前記第２熱交換器を接続する配管と、
前記冷却体と第１熱効交換器を接続する配管と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項２】
前記鉄道車両に設けられる前記電力変換装置と、
前記電力変換装置内に設けられ開放部を有する筐体開放部と、
前記電力変換装置内に設けられ密閉されている筐体開放部と、
前記筐体開放部内に設置される冷却装置と、
前記筐体密閉部内で電動送風機と電気部品を間に位置する第３の熱交換器と、
前記筐体密閉部内で複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第１熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる前記第１熱交換器よりも小さい第２熱交換器と、
前記第３の熱交換器と前記第２熱交換器を接続する配管と、
前記冷却体と第１熱効交換器を接続する配管と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項３】
鉄道車両の前記機器室内または前記筐体密閉部に設けられる複数の電力変換装置及び冷却装置と、
前記複数の電力変換装置内のそれぞれに設けられる電気部品と、
前記電気部品と並列かつ、前記電気部品と電動送風機の間に設けられる熱交換器と、
前記冷却装置内に設けられる熱交換器と、
前記複数の電力変換装置内に設けられる熱交換器と前記冷却装置内に設けられる熱交換器は配管を介して接続している前記請求項１乃至２記載の液冷式電力変換装置。
【請求項４】
前記冷夏装置内の熱交換器は、冷却装置内を分割するように並列して配置されている請求項３記載の液冷式電力変換装置。
【請求項５】
前記熱交換器に対して前記電動送風機と反対側に設けられるダクトと、
前記ダクトの吹出口付近に電気部品を配置する請求項１乃至４のいずれか１項記載の液冷式電力変換装置。
【請求項６】
鉄道車両の機関室内に設けられる電力変換装置及び冷却装置と、
前記電力変換装置内を仕切る仕切り板と、
前記電力変換装置内に設けられる電気部品と、
前記電気部品と電動送風機の間に位置する第３熱交換器と、
前記複数の半導体素子が取り付けられる冷却体と、
前記冷却装置内に設けられる第２熱交換器と、
を有する液冷式電力変換装置。
【請求項７】
前記電動送風機は、前記電力変換装置内で上部に設置され、前記電力変換装置の下側に熱交換器が設置され、前記熱交換器の下側に電気部品が配置する請求項１乃至４のいずれか１項記載の液冷式電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−７１４８２（Ｐ２０１３−７１４８２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９９９４（Ｐ２０１１−２０９９９４）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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