JP2010284033A - 鉄道車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筺体内の温度上昇を抑制し電気部品の長寿命化を図るとともに、走行風を効率よく利用して冷却効率の向上を図ることにより、信頼性の向上した電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、側面を有する筺体１２と、筺体内に配設された半導体素子と、筺体内に配設され、半導体素子へ信号を供給する制御部と、筺体内に配設され、半導体素子を冷却する冷却装置であって、筺体の側面から外側へ突出して位置する放熱部３２を有する冷却装置と、放熱部と並んで筺体の側面を覆って設けられ、放熱部に冷却風を導く通風ダクト５１を形成する筒状の遮熱板５０と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置、補助電源等の複数の電子部品を備えた鉄道車両用の電源装置に関し、特に、冷却装置を備えた電源装置に関する。

一般に、鉄道車両には、電源装置として、直流から交流あるいは交流から直流への変換を行う電力変換装置が設置されている。電力変換装置は、箱状の筺体を有し、車両の床下に懸架された状態で配置されている。電力変換装置は、複数の半導体素子、変換器、検出器、リレーと、これらへのスイッチング信号を送受信する複数枚の制御基板と、制御基板の周辺に設けられ制御基板に電力を供給する電源などの周辺機器と、複数の半導体素子と、これらの半導体素子を冷却する冷却装置とを備え、これらは筺体内に配置されている。各基板には、トランジスタ、抵抗、コンデンサなどの電子部品が半田により電気的、機械的に接続されている。接続点となる半田の許容温度は、一般的に７０℃であり、電力変換装置内に設置された部品の中では低い許容値となっている。

冷却装置は、板状の受熱ブロックと、受熱ブロックから延出したヒートパイプと、ヒートパイプの周囲に取付けられた複数の放熱フィンと、を有している（例えば、特許文献１）。半導体素子は、受熱ブロックの表面上に取付けられている。半導体素子で発生した熱は、受熱ブロックに伝わり、この熱により、ヒートパイプ内の冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン側で大気に熱放散して凝縮する。これにより、半導体素子が効率的に冷却される。冷却向上のため、車両の走行風を冷却風として活用し冷却部の小型化を図っている。走行風を効率良く活用するために、放熱フィンを筺体の側面から車両の外側に向かって最大限突出させ、走行風の当る面積拡大を図っている。

また、論理部の温度上昇抑制対策として、筺体の外面に当たる直射日光を遮るための遮熱板が筺体の外面に設けられている。遮熱板は平板により構成され、複数のボスなどにより、筺体の外面から５０ｍｍ程度の隙間を空けて対向配置され、筺体外面との間に空気層を設けている。

特開２００６−１２１８４７号公報

電力変換装置において、冷却装置によって走行風を効率良く活用するためには、走行風を遮る障害物を冷却装置の進行方向前後に構成しないことが望ましい。しかしながら、上述した電力変換装置にように、筺体の外面に対し隙間をおいて遮熱板を設置した場合、この遮熱板により走行風が遮られ、あるいは、遮熱板により乱流を生じる。そのため、放熱フィンへの走行風の流れが低減し、冷却装置による冷却効率が低下する。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、筺体内の温度上昇を抑制し電気部品の長寿命化を図るとともに、走行風を効率よく利用して冷却効率の向上を図ることにより、信頼性の向上した電源装置を提供することにある。

本発明の態様に係る鉄道車両の電源装置は、側面を有する筺体と、前記筺体内に配設された半導体素子と、前記筺体内に配設され、前記半導体素子へ信号を供給する制御基板と、前記筺体内に配設され、前記半導体素子を冷却する冷却装置であって、前記筺体の側面から外側へ突出して位置する放熱部を有する冷却装置と、前記放熱部と並んで前記筺体の側面を覆って設けられ、前記放熱部に冷却風を導く通風ダクトを形成する筒状の遮熱板と、を備えている。

上記構成によれば、筺体内の温度上昇を抑制し電気部品の長寿命化を図るとともに、走行風を効率よく利用して冷却効率の向上を図ることにより、信頼性の向上した電源装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の外観を示す斜視図。 図２は、前記電力変換装置の正面図。 図３は、前記電力変換装置の平面図。 図４は、鉄道車両に取付けられた前記電力変換装置を示す側面図。 図５は、図１の線Ａ−Ａに沿った電力変換装置の断面図。 図６は、前記電力変換装置における冷却装置を示す平面図。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の外観を示す斜視図。 図８は、第２の実施形態に係る電力変換装置の平面図。 図９は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の外観を示す斜視図。 図１０は、前記第３の実施形態に係る電力変換装置の正面図。 図１１は、前記第３の実施形態に係る電力変換装置の平面図。 図１２は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換装置の外観を示す斜視図。 図１３は、前記第４の実施形態に係る電力変換装置の正面図。 図１４は、前記第４の実施形態に係る電力変換装置の平面図。 図１５は、前記第４の実施形態に係る電力変換装置を示す側面図。

以下図面を参照しながら、本発明に係る種々の実施形態について詳細に説明する。
図１、図２、図３は、電源装置として、第１の実施形態に係る電力変換装置を示す斜視図、正面図、平面図である。図１ないし図３に示すように、電力変換装置１０は、矩形箱状の筺体１２を備え、この筺体内に、後述する種々の電子部品および冷却装置が配設されている。

筺体１２は、上壁１２ａ、一対の側壁１２ｂ、１２、底壁１２ｄ、および一対の端壁１２２ｅを有している。図４および図５に示すように、筺体１２は、その上壁１２ａが鉄道車両１４の床と対向した状態で、床下に取付けられている。筺体１２は、その長手方向が鉄道車両の走行方向Ｂと平行に延びた状態で、また、一方の側壁１２ｂが鉄道車両の外側に向いた状態で配置されている。

図３および図５に示すように、電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換して電動機、空調装置等に供給するインバータ回路１６、インバータ回路１６の電力半導体素子を冷却する冷却装置１８、インバータ回路１６の電力半導体素子にスイッチング信号を送受信する制御部２０、その他、検出器、電源部等を備え、これらは、筺体１２内に配設されている。

インバータ回路１６は、筺体１２の長手方向ほぼ中央部に設けられている。インバータ回路１６は、複数の電力用半導体素子２２、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)と、図示しないダイオード、電力用半導体素子のサージ電圧を抑制するコンデンサ２４、および電力用半導体素子のオン・オフ信号を出力する複数のゲートアンプ２６等を備えている。

図３、図５、および図６に示すように、冷却装置１８は、複数の冷却ブロック３０と冷却ブロックの熱を放熱する放熱部３２とを有している。各冷却ブロック３０は、アルミニウム等の伝熱性の高い材料で矩形板状に形成され、互いに対向する設置面３０ａ、３０ｂを有している。各冷却ブロック３０の設置面３０ａ、３０ｂ上には、インバータ回路１６の電力半導体素子２２が熱伝導グリース等を介して取り付けられている。

冷却装置１８の放熱部３２は、各冷却ブロック３０から延出した複数のヒートパイプ３４と、ヒートパイプ３４に取り付けられた複数の放熱フィン３６とを備えている。各ヒートパイプ３４の端部は、冷却ブロック３０内に埋め込まれている。各ヒートパイプ３４の延出部分は、冷却ブロック３０から外側に、かつ、水平方向に対して所定角度だけ上方に傾斜して延びている。複数のヒートパイプ３４は、例えば、鉛直方向に所定の間隔を置いて平行に並んで設けられている。各ヒートパイプ３４内には、冷媒、例えば、純水が封入されている。冷媒の沸騰（気化）、凝縮（液化）の変化により熱輸送される。

複数のヒートパイプ３４には、その長手方向に所定の間隔にて複数の放熱フィン３６が嵌着されている。各放熱フィン３６は、例えば、矩形板状に形成され、鉛直方向に沿って延びている。

このように構成された冷却装置１８は、図３および図５に示すように、筺体１２内に設けられた支持フレーム３８に固定されている。複数の冷却ブロック３０は、筺体１２内に、水平方向に並んで配設され、ヒートパイプ３４および放熱フィン３６は、筺体１２の側壁１２ｂに形成された開口を通して、筺体の外側に突出している。

インバータ回路１６の作動により電力半導体素子２２が発熱すると、この熱が冷却ブロック３０に伝わり、その熱により、ヒートパイプ３４内に封入された冷媒が加熱されて蒸発し、放熱フィン３６側で凝縮して大気へ熱放散を行う。凝縮した冷媒は、ヒートパイプ３４の内部で重力により冷却ブロック３０側へ戻り、再び加熱され、このサイクルを繰り返す。熱の放散に当っては、より効率が上がるように車両１４の側方向に放熱部３２を最大限突出させ、走行風の当る面積の拡大を図っている。

また、飛石などによる放熱フィン３６の損傷を防止するため、筺体１２の側壁１２ｂには、放熱フィン３６を覆う保護カバー４０が取付けられている。保護カバー４０には、走行風の通風性向上及び放熱向上の為、多数の吹き抜け穴が設けられている。

図３に示すように、インバータ回路１６に制御信号を送受信する制御部２０は、複数の回路基板２１を有し、各回路基板にはトランジスタ、抵抗、コンデンサ等の複数の電子部品が実装されている。制御部２０は、筺体１２内において、インバータ回路１６と並んで、かつ、鉄道車両１４の走行方向Ｂについて、インバータ回路１６の上流側に配置されている。また、制御部２０は筺体１２の側壁１２ｂに対向して設けられている。

図１ないし図３に示すように、筺体１２の側壁１２ｂにおいて保護カバー４０の両側には、図示しない点検窓が形成され、これらの点検窓は、筺体１２に脱着自在な点検カバー４２ａ、４２ｂによって覆われている。点検カバー４２ａ、４２ｂは、それぞれ矩形板状に形成され、筺体１２の側壁１２ｂを構成している。各点検カバー４２ａ、４２ｂは、それぞれ一対のロックレバー４４により、筺体１２に取付けおよびロックされている。また、一方の点検カバー４２ｂの表面には、点検カバーを把持するための取っ手４５が取付けられている。そして、これら点検カバー４２ａ、４２ｂを取り外して点検窓を開放することにより、筺体１２内部を点検することができる。

筺体１２の側壁１２ｂを構成している保護カバー４２ａは、筺体１２内の制御部２０と対向している。制御部２０の回路基板２１は、筺体１２内に配設された他の部品と比較して許容温度が低いため、制御部２０の温度上昇を抑制することが望ましい。そこで、直射日光による点検カバー４２ａへの輻射熱を遮り、筺体１２の側壁１２ｂおよび制御部２０の温度上昇を抑制する目的で、遮熱板５０が点検カバー４２ａを覆って、すなわち、筺体１２の側面を覆って、設けられている。

図１ないし図４に示すように、遮熱板５０は、筒状に形成され、冷却装置１８の放熱部３２に冷却風を導く通風ダクト５１を構成している。ここでは、遮熱板５０は、その上端縁部および下端縁部が点検カバー４２ａに固定され、中間部分は、点検カバーの表面と間に大きな空間をおいて対向している。遮熱板５０は鉄道車両１４の走行方向Ｂに沿って放熱部３２と並んで位置し、通風ダクト５１は走行方向Ｂに沿って延びている。通風ダクト５１は、放熱部３２に対向する流出口（第１流通口）５２ａと、放熱部３２と反対側に位置する流入口５２ｂ（第２流通口）とを有している。通風ダクト５１の走行方向Ｂと直交する方向の断面形状は、保護カバー４０の断面形状と一致している。これにより、通風ダクト５１は、保護カバー４０に面一に連続して延びている。
遮熱板５０の外面に一対の取っ手５４が取付けられ、この取っ手を把持して、遮熱板５０および点検カバー４２ａを一緒に筺体１２から取り外すことができる。このように構成された遮熱板５０は、制御部２０と対向する点検カバー４２ａへの直射日光を遮り、線路面からの照り返しを遮ることができる。また、鉄道車両４１の走行に伴い、走行風は、遮熱板５０によって形成された通風ダクト５１内を通り、冷却装置１８の放熱部３２へ流入する。これにより、走行風が効率よく放熱部３２に当たり、熱を効率よく拡散することができる。

以上のように構成された電力変換装置１０によれば、遮熱板５０により直射日光および線路面側からの照り返しを遮蔽し、筺体１２内、特に、制御部２０近傍領域の度上昇を抑制し、電気部品の長寿命化を図ることができる。また、放熱部３２へ供給する走行風は、遮熱板５０によって形成された通風ダクト５１を通過することにより整流され、放熱フィン間に整流した風を流入することが可能となる。風洞と同等の効果を得られることから、放熱効率が向上し、ヒートパイプ式冷却器の性能向上、電力半導体素子２２の温度上昇低減につながり、電力変換装置１０の信頼性向上を図ることができる。

次に、この発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する。なお、第２の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図７および図８に示すように、第２の実施形態によれば、電力変換装置１０は、点検カバー４２ａを覆って取付けられた遮熱板５０を備え、この遮熱板５０は、筒状に形成され通風ダクト５１を形成している。遮熱板５０は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー４０の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部に連通する通風路を形成している。

電力変換装置１０は、複数の発熱体、例えば、抵抗素子５４を有している。各抵抗素子５４の周囲には、図示しない放熱用の多数のフィンが設けられている。これらの抵抗素子５４は、筺体１２の外面に設けられ、通風ダクト５１内に並んで設けられている。各抵抗素子５４は、制御部２０の回路基板２１に電気的に接続されている。

このように構成された電力変換装置１０によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、発熱体を電力変換装置の外部で通風ダクト５１内に設けることにより、筺体１２内の発熱源を減少することが可能となり、装置内の温度上昇低減につながり、装置内電気部品の長寿命化を図ることができる。同時に、発熱体を走行風により効率的に冷却することが可能となる。

次に、この発明の第３の実施形態に係る電力変換装置について説明する。第３の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図９、図１０、図１１に示すように、第３の実施形態によれば、電力変換装置１０は、筐体１２の側壁１２ｂにおいて、放熱部３２の両側に設けられた２つの遮熱板５０、６０を備えている。すなわち、電力変換装置１０は、点検カバー４２ａを覆って取付けられた遮熱板５０を備え、この遮熱板５０は、筒状に形成され通風ダクト５１を形成している。遮熱板５０は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー４０の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部３２に連通する通風路を形成している。

また、電力変換装置１０は、他方の点検カバー４２ｂを覆って取付けられた第２遮熱板６０を備えている。第２遮熱板６０は、筒状に形成され通風ダクト（第２通風ダクト）６１を形成している。第２遮熱板５０は、保護カバー４０の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部３２に連通する通風路を形成している。これにより、鉄道車両１４の走行方向Ｂに対して、放熱部３２の両側に通風ダクト５１、６１が形成され、これらの通風ダクトは、走行方向Ｂに沿って放熱部３２と連続して延びている。

上記構成の電力変換装置１０によれば、冷却装置１８の放熱部３２の両側に遮熱板５０、６０を設け、通風ダクトを構成することにより、鉄道車両１４の何れの進行方向においても、走行風は通風ダクトを通過して放熱フィンへ流入する。また、点検カバー４２ａ、４２ｂからの直射日光及び線路面からの照り返しによる温度上昇の抑制が可能となり、電力変換装置１０内全体の温度上昇抑制の効果をより向上させることができる。これにより、電気品の長寿命化を図ることができる。更に、いずれの進行方向においても、整流された走行風を放熱部３２に供給することが可能となり、電力半導体素子２２の温度上昇低減につながり、電力変換装置の信頼性向上を図ることができる。

次に、この発明の第４の実施形態に係る電力変換装置について説明する。第４の実施形態において、前述した第１、第３の実施形態と同一の構成部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１２、図１３、図１４、図１５に示すように、第４の実施形態によれば、電力変換装置１０は、筐体１２の側壁１２ｂにおいて、放熱部３２の両側に設けられた２つの遮熱板５０、６０を備えている。すなわち、電力変換装置１０は、点検カバー４２ａを覆って取付けられた遮熱板５０を備え、この遮熱板５０は、筒状に形成され通風ダクト５１を形成している。遮熱板５０は、冷却装置の放熱部を覆った保護カバー４０の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部３２に連通する通風路を形成している。

また、電力変換装置１０は、他方の点検カバー４２ｂを覆って取付けられた第２遮熱板６０を備えている。第２遮熱板６０は、筒状に形成され通風ダクト６１を形成している。第２遮熱板５０は、保護カバー４０の外郭と同一の断面形状を有し、放熱部３２に連通する通風路を形成している。これにより、鉄道車両１４の走行方向Ｂに対して、放熱部３２の両側に通風ダクト５１、６１が形成され、これらの通風ダクトは、走行方向Ｂに沿って放熱部３２と連続して延びている。

通風ダクト５１内には、それぞれ走行方向Ｂと平行に延びる複数の仕切り板５４が設けられ、これらの仕切り板５４により複数の小さな風洞が形成されている。同様に、通風ダクト６１内には、それぞれ走行方向Ｂと平行に延びる複数の仕切り板６４が設けられ、これらの仕切り板６４により複数の小さな風洞が形成されている。

通風ダクト５１において、放熱部３２と反対側に位置する流入口５２ｂ側の端部には、ラッパ状に広がる流入ガイド５６が取り付けられ、走行方向Ｂに対して斜め４５°以下の角度で外側に広がり、流入側に向かって径が拡大している。通風ダクト６１において、放熱部３２と反対側に位置する流入口６２ｂ側の端部には、ラッパ状に広がる流入ガイド６６が取り付けられ、走行方向Ｂに対して斜め４５°以下の角度で外側に広がり、流入側に向かって径が拡大している。

このように、流入口５２ｂは、通風ダクト５１の径に対して流入側に広がっていることから、多くの走行風を通風ダクト５１内部に取り込むことが可能となり、また、仕切り板５４によって仕切られた複数の風洞を通過することによって、より整流効果を得ることができる。同様に、鉄道車両１４の進行方向が逆向きの場合、通風ダクト６１の流入口６２ｂは、通風ダクト６１の径に対して流入側に広がっていることから、多くの走行風を通風ダクト６１内部に取り込むことが可能となり、また、仕切り板６４によって仕切られた複数の風洞を通過することによって、より整流効果を得ることができる。これにより、冷却装置の放熱部３２に効率良く走行風を供給し、放熱性の向上を図ることができる。従って、電力半導体素子の温度上昇を低減し、装置の信頼性向上を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要
旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示され
ている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実
施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実
施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、上述した各実施形態において、半導体素子としてＩＧＢＴを用いた構成としたが、他の種類のトランジスタやサイリスタなどを用いた構成としてもよい。この発明に係る電源装置は、電力変換装置に限らず、補助電源装置等の他の電源装置にも適用可能である。

１０…電力変換装置、１２…筺体、１２ｂ…側壁、１４…鉄道車両、
１６…インバータ回路、１８…冷却装置、２０…制御部、２２…電力半導体素子、
２４…コンデンサ、３０…冷却ブロック、３２…放熱部、３４…ヒートパイプ、
３６…放熱フィン、４０…保護カバー、４２ａ、４２ｂ…点検カバー、
５０、６０…遮熱板、５１、６１…通風ダクト、５２ｂ、６２ｂ…流入口

Claims (10)

1. 側面を有する筺体と、
   前記筺体内に配設された半導体素子と、
   前記筺体内に配設され、前記半導体素子へ信号を供給する制御部と、
   前記筺体内に配設され、前記半導体素子を冷却する冷却装置であって、前記筺体の側面から外側へ突出して位置する放熱部を有する冷却装置と、
   前記放熱部と並んで前記筺体の側面を覆って設けられ、前記放熱部に冷却風を導く通風ダクトを形成する筒状の遮熱板と、
   を備える鉄道車両の電源装置。
2. 前記放熱部および遮熱板は前記鉄道車両の走行方向に沿って並んで位置し、前記通風ダクトは前記走行方向に沿って延びている請求項１に記載の鉄道車両の電源装置。
3. 前記放熱部を覆って前記筺体の側面に設けられ、多数の通気孔を有する保護カバーを備え、前記通風ダクトの前記走行方向と直交する方向の断面形状は、前記保護カバーの断面形状と一致している請求項２に記載の鉄道車両の電源装置。
4. それぞれ前記通風ダクト内を前記走行方向に沿って延びた複数の仕切り板を備えている請求項２に記載の鉄道車両の電源装置。
5. 前記通風ダクトは、前記放熱部に対向する第１流通口と、前記放熱部と反対側に位置する第２流通口とを有し、第２流通口は、前記車両の走行方向に対して斜め外側に拡径している請求項２に記載の鉄道車両の電源装置。
6. 前記筺体の側面から前記通風ダクト内に突出しているとともに、前記制御部に接続された複数の抵抗を有している請求項１に記載の電源装置。
7. 前記放熱部に対し前記遮熱板と反対側に位置し、前記放熱部と並んで前記筺体の側面を覆って設けられ、前記放熱部に冷却風を導く第２通風ダクトを形成する筒状の第２遮熱板を備えている請求項１に記載の鉄道車両の電源装置。
8. 前記放熱部、遮熱板、および第２遮熱板は、前記鉄道車両の走行方向に沿って並んで位置し、前記通風ダクトおよび第２通風ダクトは前記走行方向に沿って延びている請求項７に記載の鉄道車両の電源装置。
9. 前記制御基板は、前記筺体内で前記遮熱板が設けられた側面に対向して設けられている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の鉄道車両の電源装置。
10. 前記冷却装置は、前記半導体素子に取付けられた受熱ブロックと、前記冷却ブロックから延出するヒートパイプと、前記ヒートパイプに取り付けられ前記放熱部を構成する複数の放熱フィンとを備えている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電源装置。

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