鉄道車両電動機駆動用インバータ装置
【課題】車両走行方向の均熱化を図りながら、取り扱いの容易で小型低コストを図った、鉄道車両永久磁石同期電動機駆動用インバータユニットを提供する。
【解決手段】冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニット４を鉄道車両車体１の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット４毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記各インバータユニット４の受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けた。
【解決手段】冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニット４を鉄道車両車体１の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット４毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記各インバータユニット４の受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用電動機を駆動するインバータ装置に係り、特に車両底面の走行風を利用して半導体スイッチング素子の均熱化冷却を図るようにしたインバータユニットを有する鉄道車両電動機駆動用インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両駆動システムでは主電動機として誘導電動機が主に用いられてきたが、誘導電動機では高効率化による省エネルギーの実現が困難であるため、近年、誘導電動機に代わって小型軽量にして高効率化が図れ、かつ、省エネルギーの実現が可能な永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）が開発され、実用化の検討が進められている（例えば、特許文献１および２、非特許文献１参照）。
【０００３】
この鉄道車両駆動システムは、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；Insulated Gate Bipolar Transistor）を採用した電動機駆動用インバータ装置によって直流電力を交流電力に変換して永久磁石同期電動機を駆動するものである。
【０００４】
永久磁石同期電動機は、各電動機の永久磁石の回転角度方向に応じて最適な位相の電流を供給することによって、必要なトルク出力制御を達成されるため、従来の誘導電動機のように複数の電動機を１台のインバータで制御することができず、１台の電動機に１台のインバータを接続するいわゆる個別制御が必要になる。
【０００５】
この個別制御方式は、インバータ故障時の冗長性を高くすることができるとか、乗り心地および加速性能の向上を両立させることができる等のメリットを有する反面、インバータユニットが大型化する傾向になり、ひいてはインバータユニットや電源側に設けられているフィルタリアクトル、フィルタコンデンサ等を含むインバータ装置の外形の大型化、高コスト化を招く原因になっていた。
【０００６】
インバータユニットは、主たる構成要素であるＩＧＢＴ素子がスイッチング動作により損失熱を発生するので、その熱量を効率良く外気へ逃がすために、ヒートパイプを有する冷却器を備えている。
【０００７】
図１０はインバータ装置を鉄道車両車体の床下に搭載した状態を示す第１の従来例の模式図であり、（ａ）は鉄道車両車体の側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。図１０（ａ）、（ｂ）において、１は鉄道車両車体、２は鉄道車両車体１を走行方向の前後２箇所で支持する台車（図示しない）に備えられた車輪、３は車両床下の左右の前方車輪と後方車輪との間に形成されたスペースに配置されたインバータ装置、４はインバータ装置３の主要なインバータユニットである。５はインバータ装置３に隣接して配置した他の機器である。
【０００８】
図１１は、インバータ装置３の拡大図である。
図１１において、インバータ装置３は、車両１の床下にフレーム６を介して取付けられ、インバータユニット４および、図示していない制御電源や制御ユニット、保護装置、フィルタ等を収納している。インバータユニット４は、発熱部であるＩＧＢＴ素子７と、このＩＧＢＴ素子７を冷却する冷却装置８と、ＩＧＢＴ素子７にゲート信号を送るゲートアンプ９等の機器から構成されている。
【０００９】
図１２は、図１１に記載のインバータユニット４のうち、特にＩＧＢＴ素子７と、冷却装置８の配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た側面図である。
【００１０】
図１２に例示のインバータユニット４の場合は、小型化を図るために、２台のインバータユニットのＩＧＢＴ素子７を冷却装置８を構成する金属製の受熱ブロックに取付ける構成を採用し、しかも、高信頼性、低騒音化、低コスト化の観点から、車両床下の走行風でヒートパイプ１２を冷却する方式（走行風冷却ヒートパイプ冷却方式という）を採用している。
【００１１】
冷却装置８は図示のように、ＩＧＢＴ素子７を取付ける金属製で厚みのある板状の受熱ブロック（冷却ブロックともいう）８-１と、この受熱ブロック８-１に設けられた冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２とから構成されている。
【００１２】
この受熱ブロック８-１は、走行方向と直交する面に車両の走行方向に沿って３個並べられており、しかも、各受熱ブロック８-１の表裏の取付け面に２台分のインバータユニットの同一相、例えばＵ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相、Ｗ１相とＷ２相のＩＧＢＴ素子７を取付け、さらに、車両の走行方向と直交する方向に冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を張り出して取付けるようにしている。走行風は冷却フィン１１の間を通り抜けることによって冷却フィン１１、ヒートパイプ１２の熱を奪い、受熱ブロック８-１に取付けられているＩＧＢＴ素子７を冷却する。なお、ヒートパイプ１２は、水平面に対して約７度の取付け角度を維持するように受熱ブロック８-１に取付けられている。
【００１３】
この従来の例では、特に図１２（ｃ）で示すように、１個の受熱ブロック８-１あたり、Ｕ１相およびＸ１相のＩＧＢＴ素子７を合計２個縦方向、すなわち車両床面からレールに向かう方向に取付け、さらに冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を２個取付けている。なお、記号ＵＣ、ＵＥはＵ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ、エミッタの接続端子であり、ＸＣ、ＸＥはＸ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ、エミッタの接続端子を表している。
【００１４】
そして、これらのＵ１相およびＸ１相のＩＧＢＴ素子７を電気的に接続する場合は、破線で示すように、Ｕ１相の２個のコレクタ接続端子ＵＣ同士を接続導体２０で接続し、Ｘ１相の２個のエミッタ接続端子ＸＥ同士を接続導体３０で接続し、さらに、Ｕ１相の２個のエミッタ接続端子ＵＥと、Ｘ１相の２個のコレクタ接続端子ＸＣの合計４個の接続端子を共通の接続導体４０で接続するようになっている。接続導体２０は直流電源の＋側に、接続導体３０は直流電源の−側に、接続導体４０は後述する永久磁石同期電動機のＵ端子に接続されるようになっている。
【００１５】
ところで、上述した図１２に例示したインバータユニット４の場合、受熱ブロック８-１を車両の走行方向に直交するように３個配置しているため、風上側インバータユニット４の冷却フィン１１により暖められた空気が風下側インバータユニット４の冷却フィン１１の間を流れるため、風下側インバータユニット４の冷却性能を阻害し、インバータユニット４全体としての性能を制約することとなっていた。
【００１６】
この課題を回避するために、走行風の風上側と風下側との均熱化を図る目的で、均熱ヒートパイプ、または、複数のヒートパイプを側面に取付けた冷却タンクを用いる方式が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
これにより風上側と風下側のＩＧＢＴ素子の均熱化が図られ、ＩＧＢＴ素子のジャンクション最高温度の低減または、最高温度を許容限界ぎりぎりに設計した場合には、冷却器の小型化が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−３０６７８０号公報
【特許文献２】特開２００９−０７７５３９号公報
【特許文献３】特開２００４−１２５３８１号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】東芝レビューVol.61 No.９ p.11-14「更なる低騒音、省エネルギーを実現する鉄道車両用パワーエレクトロニクス製品」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、特許文献３に開示された技術を永久磁石同期電動機用インバータユニットに適用しようとした場合、永久磁石同期電動機１台あたりインバータユニットが１台必要となる、いわゆる個別駆動となるため、図１３に示す第２の従来例のように車両床下の側面と並行する幅の長い１枚の受熱板８-１を配置し、この受熱板８-１の一面にのみ複数個のＩＧＢＴ素子７を平面的に取付ける構成となるため、車両床下の高さ制限およびＩＧＢＴ素子７の外形上の制約等により、インバータユニット４の外形の大型化、特に横幅の長大化を招くことが懸念される。
【００２１】
図１３のように横幅が長大なインバータユニット４は、製造が困難であるばかりでなく、車両への取り付けなどの取り扱いが困難であり、また、車両床下に取付けた場合、図１４で示すように限られた床下スペースの占有による他機器搭載への制約などの問題を発生させ、システム全体としてみた時に高コストなインバータユニットになる。
【００２２】
この製造の困難性、取扱い上の困難性を解消する方策として、インバータユニットを車両走行方向に分割することが考えられるが、分割により個々のインバータユニットの横幅の大型化は抑制されるが、本来の目的である車両走行方向の均熱化を図ることができなくなる欠点があり、また、分割によっても床下スペースの占有の問題は解消されることはない。
【００２３】
そこで、本発明は上述した課題を解決するために、車両走行方向の均熱化を図りながら、小型化で取扱いが容易な鉄道車両電動機駆動用インバータ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記各インバータユニットの受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項４に係る発明は、冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにした鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記鉄道車両車体の床下に垂直方向に設置されたインバータユニットの台数は３台であり、前記３台の各インバータユニット毎に三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームによる対が車両走行方向に４対構成されるように、各受熱ブロックの垂直方向の上側面および下側面に前記半導体スイッチング素子を取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの小型化を図ることができ、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器の搭載への制約を小さくすることが可能な鉄道車両駆動用インバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置の特に、インバータユニットの車両搭載図であり、図（ａ）は鉄道車両車体側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図。
【図２】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置との配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図３】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た側面図。
【図４】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置におけるヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態が図３とは別に構成した例の取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図５】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの主回路接続図。
【図６】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子とフィルタコンデンサとの接続構成図であり、（ａ）は配置図、（ｂ）は電気回路図。
【図７】本発明の実施形態２による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図８】本発明の実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置の配置関係の他の例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図９】本発明の実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置のうち、特にインバータユニットの主回路接続を示す図。
【図１０】第１の従来例の鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの車両搭載図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ線矢視断面図。
【図１１】図１０に記載のインバータ装置の拡大断面図。
【図１２】図１１に記載のインバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置との配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図１３】鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの第２の従来技術を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面から見た図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図１４】第２の従来例の鉄道車両駆動用インバータユニットの車両搭載図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ線矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、各図を通じて同一部品には同一符号を付けることにより、重複する説明は適宜省略する。
【００２９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置について、図１乃至図６を参照して説明する。
図１は本実施形態１によるインバータ装置を車両床下に搭載した状態を示す模式図であり、図１（ａ）は鉄道車両車体を車両走行方向側面から見た図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。
【００３０】
図１において、１は鉄道車両車体、２は鉄道車両車体１を走行方向の前後位置で図示しない台車を介して支える車輪、３は車両床下の左右の前方車輪と後方車輪との間のスペースに配置されたインバータ装置、４はこのインバータ装置のインバータユニット、５はインバータ装置３に隣接して配置した他の機器である。
【００３１】
次に、図２を参照して、本実施形態１の鉄道車両駆動用インバータユニット４におけるＩＧＢＴ素子７と冷却装置８との配置関係について説明する。
図２において、本実施形態１の鉄道車両駆動用インバータユニット４は、車両走行方向の左右の床下にそれぞれ、２台の鉄道車両駆動用インバータユニット４-１、４-２を垂直方向に２段構成にして取付けている。説明の便宜上、車両床面に近い方を第１のインバータユニット４-１と称し、遠い方（レールに近いほう）を第２のインバータユニット４-２と称する。
【００３２】
そして、第１のインバータユニット４-１および第２のインバータユニット４-２とも、発熱部であるＩＧＢＴ素子７と、ＩＧＢＴ素子７を冷却する冷却装置８と、ＩＧＢＴ素子７にゲート信号を送るゲートアンプ（図示せず）等の機器とから構成されている。
【００３３】
前記冷却装置８は、冷却タンク８-２を内蔵した受熱ブロック８-１と、この受熱ブロック８-１に取付けられた冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２とから構成されている。
受熱ブロック８-１は、熱伝導性および機械的強度に優れた例えばアルミニュウム合金等の金属で製作され、奥行き（車両走行方向と直交する方向）の寸法（ｄ）や厚み（車両の垂直方向）の寸法（ｈ）に比べて幅（車両走行方向）の寸法（ｗ）がｈ＜ｄ＜ｗの関係にある厚板状のブロックに形成されている。そして、この受熱ブロック８-１には、厚み方向の上側面および下側面にそれぞれ四角いモジュール型のＩＧＢＴ素子７が３個ずつ合計６個取付けられている。
【００３４】
受熱ブロック８-１に取付けられた各ＩＧＢＴ素子７は、２レベル三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームを構成する。因みに、車両床面に近い方に位置する第１のインバータユニット４-１では、受熱ブロック８-１の上側面に図示左から正側アームであるＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のＩＧＢＴ素子７を一列に並べて取付け、下側面に図示左から負側アームであるＸ１相、Ｙ１相、Ｚ１相のＩＧＢＴ素子７を一列に並べて取付けている。
【００３５】
一方、受熱ブロック８-１のＩＧＢＴ素子７の上下面に直交する外側側面（車両走行方向に平行する外側側面）には、水平面に対して約７度上向きに冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を取付けている。
【００３６】
ヒートパイプ１２は、第１のインバータユニット４-１および第２のインバータユニット４-２とも図２（ｂ）の平面図で示すように、受熱ブロック８-１の上側面および下側面に取付けられた１対のＩＧＢＴ素子７あたり４本の割合で合計１２本取付けられている。冷却フィン１１はこれら１２本のヒートパイプ１２に密着嵌合するように取付けられている。
車両床面から遠い方に位置する第２のインバータユニット４-２についても同様に構成されている。
【００３７】
図３は、第１のインバータユニット４-１の受熱ブロック８-１の内部構成の一例を示す図であるが、図示しない第２のインバータユニット４-２の受熱ブロック８-１も同様に構成されている。
【００３８】
図３において、受熱ブロック８-１の内部には、複数のヒートパイプ１２が接続された冷却タンク８-２が埋め込まれ、この冷却タンク８-２内部には、純水などの冷却用冷媒１０が封入されている。
【００３９】
受熱ブロック８-１の上側面及び下側面には、図２で説明したようにモジュール型ＩＧＢＴ素子７が幅方向にそれぞれ３個ずつ、ＩＧＢＴ素子７の冷却面が取付けられる。ＩＧＢＴ素子７のスイッチング動作によって発生した損失熱は、受熱ブロック８-１により均等に冷却タンク８-２を加熱し、内部の冷媒がその熱によって蒸発する。この蒸発時の気化熱によりＩＧＢＴ素子７は冷却される。冷媒の蒸気は、ヒートパイプ１２の先端方向に向かって上昇気流によって移動し、車両走行風のあたる冷却フィン１１により冷却されることにより液体に戻る。この液体は、ヒートパイプ１２の取付け傾斜角（約７度）によりヒートパイプ１２の底面を流下して冷却タンク内に戻る。この冷却動作は、従来技術で用いられているヒートパイプ式冷却、沸騰冷却と同じである。
【００４０】
図４は、第１のインバータユニット４-１の受熱ブロック８-１の内部構成の別の例を示す図であるが、図示していない第２のインバータユニット４-２の受熱ブロックも同様に構成されている。
【００４１】
図４において、受熱ブロック８-１内部に埋め込まれた冷却タンク８-２は、冷却フィン１１取付け面と反対側の側面に近く設置され、ヒートパイプ１２は、受熱ブロック８-１内部を貫通して走行風のあたる冷却フィン側面側まで張り出す構成とする。
【００４２】
この図４の例では、冷却タンク８-２により走行方向に対する均熱化を図ることができ、ヒートパイプ１２が受熱ブロック８-１内部を貫通して冷却タンク８-２内部に至るので、前述した図３の例に比べて、ヒートパイプ１２と受熱ブロック８-１との接触表面積が増加し、冷却性能をいっそう向上させることが可能になる。
【００４３】
図５は、本実施形態１による鉄道車両駆動用インバータの主回路接続図であり、図中、Ｕ１、Ｖ１、・・・Ｙ２、Ｚ２は図２のＩＧＢＴ素子７の各相に対応するＩＧＢＴ素子による正側アームまたは負側アームであり、ＩＧＢＴ素子によるアームＵ１・・・Ｚ１により２レベル回路の第１のインバータユニット４-１を構成し、ＩＧＢＴ素子によるアームＵ２・・・Ｚ２により第２のインバータユニット４-２を構成している。第１のインバータユニット４-１で第１の永久磁石同期電動機１３-１に三相交流電力を供給してこれを駆動し、第２のインバータユニット４-２で第２の永久磁石同期電動機１３-２に三相交流電力を供給してこれを駆動するように結線されている。図中、１４、１５は直流側に接続したフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサである。
【００４４】
図６は、ＩＧＢＴ素子とフィルタコンデンサとの接続構成を示す図であり、（ａ）は配置図、（ｂ）は電気回路図である。
図６において、受熱ブロック８-１の上面に取付けられたＵ１相のＩＧＢＴ素子７および下面に取付けたＸ１相のＩＧＢＴ素子７は、すでに説明した図２乃至図５に記載のＵ１相、Ｘ１相のＩＧＢＴ素子７と同じものであり、２レベルのインバータ主回路を構成する。
【００４５】
図６（ａ）において、フィルタコンデンサ１５は、受熱ブロック８-１の冷却フィン１１を取付けた側面と反対側面側に設置され、上面に取付けたＵ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ端子ＵＣを接続導体１６-１を介してフィルタコンデンサの＋端子に接続し、一方、下面に取付けたＸ１相のＩＧＢＴ素子７のエミッタ端子ＸＥを接続導体１６-２を介して前記フィルタコンデンサの−端子に接続し、そして、Ｕ１相のＩＧＢＴ素子７のエミッタ端子ＵＥとＸ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ端子ＸＣとを接続導体１６-３を介して共通接続している。この場合、接続導体１６-１、１６-３間、１６-２、１６-３間および１６-１、１６-２間にはそれぞれ絶縁フィルム等の厚みの薄い絶縁物を介在させ、十分な電気絶縁が行えるようにしている。これらにより、図６（ｂ）の電気回路図において、フィルタコンデンサ１５→上側（Ｕ１相）のＩＧＢＴ素子７→下側（Ｘ１相）のＩＧＢＴ素子７→フィルタコンデンサ１５の経路の配線インダクタンスが最小化され、Ｕ１相ＩＧＢＴ素子７またはＸ１相ＩＧＢＴ素子７をスイッチングオフしたときに発生する電圧跳ね上がりを最小限に抑制することが可能となり、結果として電圧跳ね上がり抑制用スナバ回路の設置が不要になる。
【００４６】
以上により構成された鉄道車両駆動用インバータ装置によれば、永久磁石同期電動機駆動時に走行風冷却による均熱化を図りながらインバータユニットの小型化を図ることができ、図１で示したように、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器５の搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【００４７】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について図７を参照して説明する。実施形態２における鉄道車両駆動用インバータユニット４の構成要素は実施形態１の場合と同一である。
【００４８】
本実施形態２が実施形態１と異なる点は、受熱ブロックの内部構成である。すなわち、本実施形態２は図７に示すとおり、１本のヒートパイプ１２の中間部をＵ字型に曲げてそのＵ字状中間部１２Ｕが受熱ブロック８-１の冷却タンク８-２内部で車両走行方向に平行して並べて配置して直接冷媒１０に触れるようにし、受熱ブロック８-１から露出した両端部に冷却フィン１１を取付けて走行風にあたるように張り出す構成としたものである。
【００４９】
この構成の場合、各ヒートパイプ１２は互いに接触しないように、冷却タンク８-２の幅方向の端部から中央部に向かうにつれＵ字部状中間部１２Ｕを徐々に経路を小さくする。このように、各ヒートパイプ１２のＵ字状中間部１２Ｕは、受熱ブロック８-１の冷却タンク８-２内部で車両走行方向に平行して並べて配置しているため、車両走行方向に対する均熱化を図ることができ、受熱ブロック８-１と冷媒との接触表面積が増加し、冷却性能をいっそう向上させることが可能になる。
【００５０】
以上のように実施形態２に係る鉄道車両駆動用インバータ装置によれば、実施形態１と同様に走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの外形小型化を図ることができ、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【００５１】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について図８、図９を参照して説明する。
鉄道車両においては、１両の電動機付車両には、４つの車軸があり、それぞれに電動機がギヤを介して取り付けられるのが一般的であるため、インバータユニットとして４台の電動機を駆動制御できるものが要求されることが多い。
【００５２】
この要求に応えるため、本実施形態３では図８に示すように、鉄道車両駆動用インバータ装置は、車両床下の垂直方向に上段、中段および下段として３台のインバータユニットすなわち、第１インバータユニット４-１、第２インバータユニット４-２および第３インバータユニット４-３を設置している。
【００５３】
このうち、上段の第１インバータユニット４-１は、受熱ブロック８-１の上側面に幅方向にＵ相のＩＧＢＴ素子７をＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４のように４個取付け、これと対応する下側面の幅方向にＸ相のＩＧＢＴ素子７をＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８個のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５４】
中段の第２インバータユニット４-２は、同様に受熱ブロック８-１の上側面にＶ相のＩＧＢＴ素子７をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４のように４個取付け、対応する下側面の幅方向にＹ相のＩＧＢＴ素子７をＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８台のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５５】
下段の第３インバータユニット４-３も同様に、受熱ブロック８-１の上側面に幅方向にＷ相のＩＧＢＴ素子７をＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４のように４個取付け、対応する下側面の幅方向にＺ相のＩＧＢＴ素子７をＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８台のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５６】
そして、本実施形態３によるインバータ主回路は、実施形態１の図５の回路とは異なり、図９で示すように、３台のインバータユニット４-１、４-２および４-３のアームのうち、Ｕ１、Ｘ１、Ｖ１、Ｙ１、Ｗ１、Ｚ１からなる正側、負側のアームによってインバータ主回路１７-１を構成し、Ｕ２、Ｘ２、Ｖ２、Ｙ２、Ｗ２、Ｚ２からなる正側、負側のアームよってインバータ主回路１７-２を構成し、Ｕ３、Ｘ３、Ｖ３、Ｙ３、Ｗ３、Ｚ３からなる正側、負側のアームによってインバータ主回路１７-３を構成し、Ｕ４、Ｘ４、Ｖ４、Ｙ４、Ｗ４、Ｚ４からなる正側、負側のアームよってインバータ主回路１７-４を構成し、それぞれのインバータ主回路１７-１、１７-２、１７-３および１７-４によって４台の永久磁石同期電動機１３-１、１３-２、１３-３および１３-４を個別に駆動する。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置は、車両床下に垂直方向に３台設置されたインバータユニット４-１、４-２および４-３で４つのインバータ主回路１７-１〜１７-４を構成し、４台の永久磁石同期電動機１３-１、１３-２、１３-３、１３-４を駆動することができ、しかも、走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの小型化が図ることができ、実施形態１と同様に、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【符号の説明】
【００５８】
１…鉄道車両車体、２…車輪、３…インバータ装置、４，４-１，４-２，４-３…インバータユニット、７…ＩＧＢＴ素子、８…冷却装置、８-１…受熱ブロック、８-２…冷却タンク、９…ゲートアンプ、１０…冷媒、１１…冷却フィン、１２…ヒートパイプ、１２Ｕ…ヒートパイプのＵ字状中間部、１３，１３-１，１３-２，１３-３，１３-４…永久磁石同期電動機、１４…フィルタリアクトル、１５…フィルタコンデンサ、１６，１６-１，１６-２，１６-３…接続端子、１７，１７-１，１７-２，１７-３，１７-４…インバータ主回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用電動機を駆動するインバータ装置に係り、特に車両底面の走行風を利用して半導体スイッチング素子の均熱化冷却を図るようにしたインバータユニットを有する鉄道車両電動機駆動用インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両駆動システムでは主電動機として誘導電動機が主に用いられてきたが、誘導電動機では高効率化による省エネルギーの実現が困難であるため、近年、誘導電動機に代わって小型軽量にして高効率化が図れ、かつ、省エネルギーの実現が可能な永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）が開発され、実用化の検討が進められている（例えば、特許文献１および２、非特許文献１参照）。
【０００３】
この鉄道車両駆動システムは、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；Insulated Gate Bipolar Transistor）を採用した電動機駆動用インバータ装置によって直流電力を交流電力に変換して永久磁石同期電動機を駆動するものである。
【０００４】
永久磁石同期電動機は、各電動機の永久磁石の回転角度方向に応じて最適な位相の電流を供給することによって、必要なトルク出力制御を達成されるため、従来の誘導電動機のように複数の電動機を１台のインバータで制御することができず、１台の電動機に１台のインバータを接続するいわゆる個別制御が必要になる。
【０００５】
この個別制御方式は、インバータ故障時の冗長性を高くすることができるとか、乗り心地および加速性能の向上を両立させることができる等のメリットを有する反面、インバータユニットが大型化する傾向になり、ひいてはインバータユニットや電源側に設けられているフィルタリアクトル、フィルタコンデンサ等を含むインバータ装置の外形の大型化、高コスト化を招く原因になっていた。
【０００６】
インバータユニットは、主たる構成要素であるＩＧＢＴ素子がスイッチング動作により損失熱を発生するので、その熱量を効率良く外気へ逃がすために、ヒートパイプを有する冷却器を備えている。
【０００７】
図１０はインバータ装置を鉄道車両車体の床下に搭載した状態を示す第１の従来例の模式図であり、（ａ）は鉄道車両車体の側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。図１０（ａ）、（ｂ）において、１は鉄道車両車体、２は鉄道車両車体１を走行方向の前後２箇所で支持する台車（図示しない）に備えられた車輪、３は車両床下の左右の前方車輪と後方車輪との間に形成されたスペースに配置されたインバータ装置、４はインバータ装置３の主要なインバータユニットである。５はインバータ装置３に隣接して配置した他の機器である。
【０００８】
図１１は、インバータ装置３の拡大図である。
図１１において、インバータ装置３は、車両１の床下にフレーム６を介して取付けられ、インバータユニット４および、図示していない制御電源や制御ユニット、保護装置、フィルタ等を収納している。インバータユニット４は、発熱部であるＩＧＢＴ素子７と、このＩＧＢＴ素子７を冷却する冷却装置８と、ＩＧＢＴ素子７にゲート信号を送るゲートアンプ９等の機器から構成されている。
【０００９】
図１２は、図１１に記載のインバータユニット４のうち、特にＩＧＢＴ素子７と、冷却装置８の配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た側面図である。
【００１０】
図１２に例示のインバータユニット４の場合は、小型化を図るために、２台のインバータユニットのＩＧＢＴ素子７を冷却装置８を構成する金属製の受熱ブロックに取付ける構成を採用し、しかも、高信頼性、低騒音化、低コスト化の観点から、車両床下の走行風でヒートパイプ１２を冷却する方式（走行風冷却ヒートパイプ冷却方式という）を採用している。
【００１１】
冷却装置８は図示のように、ＩＧＢＴ素子７を取付ける金属製で厚みのある板状の受熱ブロック（冷却ブロックともいう）８-１と、この受熱ブロック８-１に設けられた冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２とから構成されている。
【００１２】
この受熱ブロック８-１は、走行方向と直交する面に車両の走行方向に沿って３個並べられており、しかも、各受熱ブロック８-１の表裏の取付け面に２台分のインバータユニットの同一相、例えばＵ１相とＵ２相、Ｖ１相とＶ２相、Ｗ１相とＷ２相のＩＧＢＴ素子７を取付け、さらに、車両の走行方向と直交する方向に冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を張り出して取付けるようにしている。走行風は冷却フィン１１の間を通り抜けることによって冷却フィン１１、ヒートパイプ１２の熱を奪い、受熱ブロック８-１に取付けられているＩＧＢＴ素子７を冷却する。なお、ヒートパイプ１２は、水平面に対して約７度の取付け角度を維持するように受熱ブロック８-１に取付けられている。
【００１３】
この従来の例では、特に図１２（ｃ）で示すように、１個の受熱ブロック８-１あたり、Ｕ１相およびＸ１相のＩＧＢＴ素子７を合計２個縦方向、すなわち車両床面からレールに向かう方向に取付け、さらに冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を２個取付けている。なお、記号ＵＣ、ＵＥはＵ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ、エミッタの接続端子であり、ＸＣ、ＸＥはＸ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ、エミッタの接続端子を表している。
【００１４】
そして、これらのＵ１相およびＸ１相のＩＧＢＴ素子７を電気的に接続する場合は、破線で示すように、Ｕ１相の２個のコレクタ接続端子ＵＣ同士を接続導体２０で接続し、Ｘ１相の２個のエミッタ接続端子ＸＥ同士を接続導体３０で接続し、さらに、Ｕ１相の２個のエミッタ接続端子ＵＥと、Ｘ１相の２個のコレクタ接続端子ＸＣの合計４個の接続端子を共通の接続導体４０で接続するようになっている。接続導体２０は直流電源の＋側に、接続導体３０は直流電源の−側に、接続導体４０は後述する永久磁石同期電動機のＵ端子に接続されるようになっている。
【００１５】
ところで、上述した図１２に例示したインバータユニット４の場合、受熱ブロック８-１を車両の走行方向に直交するように３個配置しているため、風上側インバータユニット４の冷却フィン１１により暖められた空気が風下側インバータユニット４の冷却フィン１１の間を流れるため、風下側インバータユニット４の冷却性能を阻害し、インバータユニット４全体としての性能を制約することとなっていた。
【００１６】
この課題を回避するために、走行風の風上側と風下側との均熱化を図る目的で、均熱ヒートパイプ、または、複数のヒートパイプを側面に取付けた冷却タンクを用いる方式が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１７】
これにより風上側と風下側のＩＧＢＴ素子の均熱化が図られ、ＩＧＢＴ素子のジャンクション最高温度の低減または、最高温度を許容限界ぎりぎりに設計した場合には、冷却器の小型化が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−３０６７８０号公報
【特許文献２】特開２００９−０７７５３９号公報
【特許文献３】特開２００４−１２５３８１号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】東芝レビューVol.61 No.９ p.11-14「更なる低騒音、省エネルギーを実現する鉄道車両用パワーエレクトロニクス製品」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、特許文献３に開示された技術を永久磁石同期電動機用インバータユニットに適用しようとした場合、永久磁石同期電動機１台あたりインバータユニットが１台必要となる、いわゆる個別駆動となるため、図１３に示す第２の従来例のように車両床下の側面と並行する幅の長い１枚の受熱板８-１を配置し、この受熱板８-１の一面にのみ複数個のＩＧＢＴ素子７を平面的に取付ける構成となるため、車両床下の高さ制限およびＩＧＢＴ素子７の外形上の制約等により、インバータユニット４の外形の大型化、特に横幅の長大化を招くことが懸念される。
【００２１】
図１３のように横幅が長大なインバータユニット４は、製造が困難であるばかりでなく、車両への取り付けなどの取り扱いが困難であり、また、車両床下に取付けた場合、図１４で示すように限られた床下スペースの占有による他機器搭載への制約などの問題を発生させ、システム全体としてみた時に高コストなインバータユニットになる。
【００２２】
この製造の困難性、取扱い上の困難性を解消する方策として、インバータユニットを車両走行方向に分割することが考えられるが、分割により個々のインバータユニットの横幅の大型化は抑制されるが、本来の目的である車両走行方向の均熱化を図ることができなくなる欠点があり、また、分割によっても床下スペースの占有の問題は解消されることはない。
【００２３】
そこで、本発明は上述した課題を解決するために、車両走行方向の均熱化を図りながら、小型化で取扱いが容易な鉄道車両電動機駆動用インバータ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記各インバータユニットの受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項４に係る発明は、冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにした鉄道車両駆動用インバータ装置において、前記鉄道車両車体の床下に垂直方向に設置されたインバータユニットの台数は３台であり、前記３台の各インバータユニット毎に三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームによる対が車両走行方向に４対構成されるように、各受熱ブロックの垂直方向の上側面および下側面に前記半導体スイッチング素子を取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの小型化を図ることができ、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器の搭載への制約を小さくすることが可能な鉄道車両駆動用インバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置の特に、インバータユニットの車両搭載図であり、図（ａ）は鉄道車両車体側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図。
【図２】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置との配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図３】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た側面図。
【図４】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置におけるヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態が図３とは別に構成した例の取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図５】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの主回路接続図。
【図６】本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子とフィルタコンデンサとの接続構成図であり、（ａ）は配置図、（ｂ）は電気回路図。
【図７】本発明の実施形態２による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にヒートパイプと冷却タンクとの取付け状態を示す構成図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図８】本発明の実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置の配置関係の他の例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図９】本発明の実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置のうち、特にインバータユニットの主回路接続を示す図。
【図１０】第１の従来例の鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの車両搭載図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ線矢視断面図。
【図１１】図１０に記載のインバータ装置の拡大断面図。
【図１２】図１１に記載のインバータ装置のインバータユニットのうち、特にＩＧＢＴ素子と冷却装置との配置関係の一例を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図１３】鉄道車両駆動用インバータ装置のインバータユニットの第２の従来技術を示す図であり、（ａ）は鉄道車両車体の内側側面から見た図、（ｂ）は（ａ）の平面図、（ｃ）は（ａ）を車両の走行方向から見た図。
【図１４】第２の従来例の鉄道車両駆動用インバータユニットの車両搭載図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はｂ−ｂ線矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、各図を通じて同一部品には同一符号を付けることにより、重複する説明は適宜省略する。
【００２９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による鉄道車両駆動用インバータ装置について、図１乃至図６を参照して説明する。
図１は本実施形態１によるインバータ装置を車両床下に搭載した状態を示す模式図であり、図１（ａ）は鉄道車両車体を車両走行方向側面から見た図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ線矢視断面図である。
【００３０】
図１において、１は鉄道車両車体、２は鉄道車両車体１を走行方向の前後位置で図示しない台車を介して支える車輪、３は車両床下の左右の前方車輪と後方車輪との間のスペースに配置されたインバータ装置、４はこのインバータ装置のインバータユニット、５はインバータ装置３に隣接して配置した他の機器である。
【００３１】
次に、図２を参照して、本実施形態１の鉄道車両駆動用インバータユニット４におけるＩＧＢＴ素子７と冷却装置８との配置関係について説明する。
図２において、本実施形態１の鉄道車両駆動用インバータユニット４は、車両走行方向の左右の床下にそれぞれ、２台の鉄道車両駆動用インバータユニット４-１、４-２を垂直方向に２段構成にして取付けている。説明の便宜上、車両床面に近い方を第１のインバータユニット４-１と称し、遠い方（レールに近いほう）を第２のインバータユニット４-２と称する。
【００３２】
そして、第１のインバータユニット４-１および第２のインバータユニット４-２とも、発熱部であるＩＧＢＴ素子７と、ＩＧＢＴ素子７を冷却する冷却装置８と、ＩＧＢＴ素子７にゲート信号を送るゲートアンプ（図示せず）等の機器とから構成されている。
【００３３】
前記冷却装置８は、冷却タンク８-２を内蔵した受熱ブロック８-１と、この受熱ブロック８-１に取付けられた冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２とから構成されている。
受熱ブロック８-１は、熱伝導性および機械的強度に優れた例えばアルミニュウム合金等の金属で製作され、奥行き（車両走行方向と直交する方向）の寸法（ｄ）や厚み（車両の垂直方向）の寸法（ｈ）に比べて幅（車両走行方向）の寸法（ｗ）がｈ＜ｄ＜ｗの関係にある厚板状のブロックに形成されている。そして、この受熱ブロック８-１には、厚み方向の上側面および下側面にそれぞれ四角いモジュール型のＩＧＢＴ素子７が３個ずつ合計６個取付けられている。
【００３４】
受熱ブロック８-１に取付けられた各ＩＧＢＴ素子７は、２レベル三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームを構成する。因みに、車両床面に近い方に位置する第１のインバータユニット４-１では、受熱ブロック８-１の上側面に図示左から正側アームであるＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のＩＧＢＴ素子７を一列に並べて取付け、下側面に図示左から負側アームであるＸ１相、Ｙ１相、Ｚ１相のＩＧＢＴ素子７を一列に並べて取付けている。
【００３５】
一方、受熱ブロック８-１のＩＧＢＴ素子７の上下面に直交する外側側面（車両走行方向に平行する外側側面）には、水平面に対して約７度上向きに冷却フィン１１付きのヒートパイプ１２を取付けている。
【００３６】
ヒートパイプ１２は、第１のインバータユニット４-１および第２のインバータユニット４-２とも図２（ｂ）の平面図で示すように、受熱ブロック８-１の上側面および下側面に取付けられた１対のＩＧＢＴ素子７あたり４本の割合で合計１２本取付けられている。冷却フィン１１はこれら１２本のヒートパイプ１２に密着嵌合するように取付けられている。
車両床面から遠い方に位置する第２のインバータユニット４-２についても同様に構成されている。
【００３７】
図３は、第１のインバータユニット４-１の受熱ブロック８-１の内部構成の一例を示す図であるが、図示しない第２のインバータユニット４-２の受熱ブロック８-１も同様に構成されている。
【００３８】
図３において、受熱ブロック８-１の内部には、複数のヒートパイプ１２が接続された冷却タンク８-２が埋め込まれ、この冷却タンク８-２内部には、純水などの冷却用冷媒１０が封入されている。
【００３９】
受熱ブロック８-１の上側面及び下側面には、図２で説明したようにモジュール型ＩＧＢＴ素子７が幅方向にそれぞれ３個ずつ、ＩＧＢＴ素子７の冷却面が取付けられる。ＩＧＢＴ素子７のスイッチング動作によって発生した損失熱は、受熱ブロック８-１により均等に冷却タンク８-２を加熱し、内部の冷媒がその熱によって蒸発する。この蒸発時の気化熱によりＩＧＢＴ素子７は冷却される。冷媒の蒸気は、ヒートパイプ１２の先端方向に向かって上昇気流によって移動し、車両走行風のあたる冷却フィン１１により冷却されることにより液体に戻る。この液体は、ヒートパイプ１２の取付け傾斜角（約７度）によりヒートパイプ１２の底面を流下して冷却タンク内に戻る。この冷却動作は、従来技術で用いられているヒートパイプ式冷却、沸騰冷却と同じである。
【００４０】
図４は、第１のインバータユニット４-１の受熱ブロック８-１の内部構成の別の例を示す図であるが、図示していない第２のインバータユニット４-２の受熱ブロックも同様に構成されている。
【００４１】
図４において、受熱ブロック８-１内部に埋め込まれた冷却タンク８-２は、冷却フィン１１取付け面と反対側の側面に近く設置され、ヒートパイプ１２は、受熱ブロック８-１内部を貫通して走行風のあたる冷却フィン側面側まで張り出す構成とする。
【００４２】
この図４の例では、冷却タンク８-２により走行方向に対する均熱化を図ることができ、ヒートパイプ１２が受熱ブロック８-１内部を貫通して冷却タンク８-２内部に至るので、前述した図３の例に比べて、ヒートパイプ１２と受熱ブロック８-１との接触表面積が増加し、冷却性能をいっそう向上させることが可能になる。
【００４３】
図５は、本実施形態１による鉄道車両駆動用インバータの主回路接続図であり、図中、Ｕ１、Ｖ１、・・・Ｙ２、Ｚ２は図２のＩＧＢＴ素子７の各相に対応するＩＧＢＴ素子による正側アームまたは負側アームであり、ＩＧＢＴ素子によるアームＵ１・・・Ｚ１により２レベル回路の第１のインバータユニット４-１を構成し、ＩＧＢＴ素子によるアームＵ２・・・Ｚ２により第２のインバータユニット４-２を構成している。第１のインバータユニット４-１で第１の永久磁石同期電動機１３-１に三相交流電力を供給してこれを駆動し、第２のインバータユニット４-２で第２の永久磁石同期電動機１３-２に三相交流電力を供給してこれを駆動するように結線されている。図中、１４、１５は直流側に接続したフィルタリアクトルおよびフィルタコンデンサである。
【００４４】
図６は、ＩＧＢＴ素子とフィルタコンデンサとの接続構成を示す図であり、（ａ）は配置図、（ｂ）は電気回路図である。
図６において、受熱ブロック８-１の上面に取付けられたＵ１相のＩＧＢＴ素子７および下面に取付けたＸ１相のＩＧＢＴ素子７は、すでに説明した図２乃至図５に記載のＵ１相、Ｘ１相のＩＧＢＴ素子７と同じものであり、２レベルのインバータ主回路を構成する。
【００４５】
図６（ａ）において、フィルタコンデンサ１５は、受熱ブロック８-１の冷却フィン１１を取付けた側面と反対側面側に設置され、上面に取付けたＵ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ端子ＵＣを接続導体１６-１を介してフィルタコンデンサの＋端子に接続し、一方、下面に取付けたＸ１相のＩＧＢＴ素子７のエミッタ端子ＸＥを接続導体１６-２を介して前記フィルタコンデンサの−端子に接続し、そして、Ｕ１相のＩＧＢＴ素子７のエミッタ端子ＵＥとＸ１相のＩＧＢＴ素子７のコレクタ端子ＸＣとを接続導体１６-３を介して共通接続している。この場合、接続導体１６-１、１６-３間、１６-２、１６-３間および１６-１、１６-２間にはそれぞれ絶縁フィルム等の厚みの薄い絶縁物を介在させ、十分な電気絶縁が行えるようにしている。これらにより、図６（ｂ）の電気回路図において、フィルタコンデンサ１５→上側（Ｕ１相）のＩＧＢＴ素子７→下側（Ｘ１相）のＩＧＢＴ素子７→フィルタコンデンサ１５の経路の配線インダクタンスが最小化され、Ｕ１相ＩＧＢＴ素子７またはＸ１相ＩＧＢＴ素子７をスイッチングオフしたときに発生する電圧跳ね上がりを最小限に抑制することが可能となり、結果として電圧跳ね上がり抑制用スナバ回路の設置が不要になる。
【００４６】
以上により構成された鉄道車両駆動用インバータ装置によれば、永久磁石同期電動機駆動時に走行風冷却による均熱化を図りながらインバータユニットの小型化を図ることができ、図１で示したように、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器５の搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【００４７】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について図７を参照して説明する。実施形態２における鉄道車両駆動用インバータユニット４の構成要素は実施形態１の場合と同一である。
【００４８】
本実施形態２が実施形態１と異なる点は、受熱ブロックの内部構成である。すなわち、本実施形態２は図７に示すとおり、１本のヒートパイプ１２の中間部をＵ字型に曲げてそのＵ字状中間部１２Ｕが受熱ブロック８-１の冷却タンク８-２内部で車両走行方向に平行して並べて配置して直接冷媒１０に触れるようにし、受熱ブロック８-１から露出した両端部に冷却フィン１１を取付けて走行風にあたるように張り出す構成としたものである。
【００４９】
この構成の場合、各ヒートパイプ１２は互いに接触しないように、冷却タンク８-２の幅方向の端部から中央部に向かうにつれＵ字部状中間部１２Ｕを徐々に経路を小さくする。このように、各ヒートパイプ１２のＵ字状中間部１２Ｕは、受熱ブロック８-１の冷却タンク８-２内部で車両走行方向に平行して並べて配置しているため、車両走行方向に対する均熱化を図ることができ、受熱ブロック８-１と冷媒との接触表面積が増加し、冷却性能をいっそう向上させることが可能になる。
【００５０】
以上のように実施形態２に係る鉄道車両駆動用インバータ装置によれば、実施形態１と同様に走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの外形小型化を図ることができ、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【００５１】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について図８、図９を参照して説明する。
鉄道車両においては、１両の電動機付車両には、４つの車軸があり、それぞれに電動機がギヤを介して取り付けられるのが一般的であるため、インバータユニットとして４台の電動機を駆動制御できるものが要求されることが多い。
【００５２】
この要求に応えるため、本実施形態３では図８に示すように、鉄道車両駆動用インバータ装置は、車両床下の垂直方向に上段、中段および下段として３台のインバータユニットすなわち、第１インバータユニット４-１、第２インバータユニット４-２および第３インバータユニット４-３を設置している。
【００５３】
このうち、上段の第１インバータユニット４-１は、受熱ブロック８-１の上側面に幅方向にＵ相のＩＧＢＴ素子７をＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４のように４個取付け、これと対応する下側面の幅方向にＸ相のＩＧＢＴ素子７をＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８個のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５４】
中段の第２インバータユニット４-２は、同様に受熱ブロック８-１の上側面にＶ相のＩＧＢＴ素子７をＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４のように４個取付け、対応する下側面の幅方向にＹ相のＩＧＢＴ素子７をＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８台のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５５】
下段の第３インバータユニット４-３も同様に、受熱ブロック８-１の上側面に幅方向にＷ相のＩＧＢＴ素子７をＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４のように４個取付け、対応する下側面の幅方向にＺ相のＩＧＢＴ素子７をＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４のように４個取付け、１台の受熱ブロック８-１あたり合計８台のＩＧＢＴ素子を取付けて、正側アーム、負側アームを４つずつ構成する。
【００５６】
そして、本実施形態３によるインバータ主回路は、実施形態１の図５の回路とは異なり、図９で示すように、３台のインバータユニット４-１、４-２および４-３のアームのうち、Ｕ１、Ｘ１、Ｖ１、Ｙ１、Ｗ１、Ｚ１からなる正側、負側のアームによってインバータ主回路１７-１を構成し、Ｕ２、Ｘ２、Ｖ２、Ｙ２、Ｗ２、Ｚ２からなる正側、負側のアームよってインバータ主回路１７-２を構成し、Ｕ３、Ｘ３、Ｖ３、Ｙ３、Ｗ３、Ｚ３からなる正側、負側のアームによってインバータ主回路１７-３を構成し、Ｕ４、Ｘ４、Ｖ４、Ｙ４、Ｗ４、Ｚ４からなる正側、負側のアームよってインバータ主回路１７-４を構成し、それぞれのインバータ主回路１７-１、１７-２、１７-３および１７-４によって４台の永久磁石同期電動機１３-１、１３-２、１３-３および１３-４を個別に駆動する。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態３による鉄道車両駆動用インバータ装置は、車両床下に垂直方向に３台設置されたインバータユニット４-１、４-２および４-３で４つのインバータ主回路１７-１〜１７-４を構成し、４台の永久磁石同期電動機１３-１、１３-２、１３-３、１３-４を駆動することができ、しかも、走行風冷却における均熱化を図りながらインバータユニットの小型化が図ることができ、実施形態１と同様に、限られた車両床下スペースの占有体積を抑制することによる他機器搭載への制約を小さくすることが可能になる。
【符号の説明】
【００５８】
１…鉄道車両車体、２…車輪、３…インバータ装置、４，４-１，４-２，４-３…インバータユニット、７…ＩＧＢＴ素子、８…冷却装置、８-１…受熱ブロック、８-２…冷却タンク、９…ゲートアンプ、１０…冷媒、１１…冷却フィン、１２…ヒートパイプ、１２Ｕ…ヒートパイプのＵ字状中間部、１３，１３-１，１３-２，１３-３，１３-４…永久磁石同期電動機、１４…フィルタリアクトル、１５…フィルタコンデンサ、１６，１６-１，１６-２，１６-３…接続端子、１７，１７-１，１７-２，１７-３，１７-４…インバータ主回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、
前記各インバータユニットの受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項２】
前記各インバータユニット毎に１台の鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項３】
前記受熱ブロックの両面に取付けた半導体スイッチング素子を、２レベル回路のインバータの正側アームの半導体スイッチング素子と負側アームの半導体スイッチング素子との関係となるように両者のエミッタ端子コレクタ端子間を接続導体によって接続しことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項４】
冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにした鉄道車両駆動用インバータ装置において、
前記鉄道車両車体の床下に垂直方向に設置されたインバータユニットの台数は３台であり、前記３台の各インバータユニット毎に三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームによる対が車両走行方向に４対構成されるように、各受熱ブロックの垂直方向の上側面および下側面に前記半導体スイッチング素子を取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項５】
前記インバータユニット１台あたり三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームの対を４組作り、３台のインバータユニットで４つのインバータ主回路を構成し、各インバータ主回路で個々に鉄道車両駆動用交流電動機を駆動することを特徴とする請求項４記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項６】
前記インバータ主回路の正側アームの半導体スイッチング素子および負側アームの半導体スイッチング素子間を接続する接続導体を、厚みの薄い絶縁物を介して密着配置することにより低インダクタンス化を図ることを特徴とする請求項３または５記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項７】
前記鉄道車両駆動用交流電動機は、永久磁石同期電動機であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項８】
前記半導体スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項１】
冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に、かつ互いが水平となるように複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するように構成した鉄道車両駆動用インバータ装置において、
前記各インバータユニットの受熱ブロックは、垂直方向の上下面の片面または両面に対し、前記出力交流電力の相数に対応する個数分の前記半導体スイッチング素子を車両走行方向に取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項２】
前記各インバータユニット毎に１台の鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにしたことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項３】
前記受熱ブロックの両面に取付けた半導体スイッチング素子を、２レベル回路のインバータの正側アームの半導体スイッチング素子と負側アームの半導体スイッチング素子との関係となるように両者のエミッタ端子コレクタ端子間を接続導体によって接続しことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項４】
冷媒を封入した冷却タンクを埋め込んだ受熱ブロックに半導体スイッチング素子および冷却フィンを備えたヒートパイプを取付けてなるインバータユニットを鉄道車両車体の床下に垂直方向に複数台設置し、前記各インバータユニット毎に前記半導体スイッチング素子をゲート制御して直流電力を交流電力に変換して出力し鉄道車両駆動用交流電動機を駆動するようにした鉄道車両駆動用インバータ装置において、
前記鉄道車両車体の床下に垂直方向に設置されたインバータユニットの台数は３台であり、前記３台の各インバータユニット毎に三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームによる対が車両走行方向に４対構成されるように、各受熱ブロックの垂直方向の上側面および下側面に前記半導体スイッチング素子を取付けるとともに、車両走行方向に平行な側面に前記冷却フィンを備えたヒートパイプを複数本取付けたことを特徴とする鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項５】
前記インバータユニット１台あたり三相ブリッジ回路の正側アームおよび負側アームの対を４組作り、３台のインバータユニットで４つのインバータ主回路を構成し、各インバータ主回路で個々に鉄道車両駆動用交流電動機を駆動することを特徴とする請求項４記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項６】
前記インバータ主回路の正側アームの半導体スイッチング素子および負側アームの半導体スイッチング素子間を接続する接続導体を、厚みの薄い絶縁物を介して密着配置することにより低インダクタンス化を図ることを特徴とする請求項３または５記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項７】
前記鉄道車両駆動用交流電動機は、永久磁石同期電動機であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【請求項８】
前記半導体スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鉄道車両駆動用インバータ装置。
【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】
【公開番号】特開２０１１−１９３０５（Ｐ２０１１−１９３０５Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６１００７（Ｐ２００９−１６１００７）
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月７日（２００９．７．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]