JP5560182B2 - 冷却装置およびそれを備えた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置およびそれを備えた電力変換装置に関する。

電力変換装置は、電気鉄道車両などの車両を駆動する電動機を制御するためのもので、車両の床下等に設置されている。車両の床下等のスペースは限られているため、電力変換装置を小型化することが望まれている。また、車両の高速化に伴って、電力変換装置が有するパワー半導体素子の発熱が増大してきている。このように、電力変換装置の小型化や高出力化によって、パワー半導体素子の発熱密度が増大しており、電力変換装置の冷却装置の性能向上に対する要求が高まってきている。冷却装置としては、アルミブロック等の受熱部材の片面にパワー半導体素子を取り付け、反対面にＵ字またはＬ字型ヒートパイプの受熱部を埋め込み、Ｕ字型ヒートパイプの放熱部に複数のフィンを取り付けて放熱する構造が一般的に用いられている。このような構造の冷却装置において冷却装置の性能を向上するためには、素子が取り付けられる受熱部材の温度を均一化することが有効である。放熱部に空気を流して冷却を行う場合、一般に下流になるほど空気の温度が高くなるため、下流側の受熱部材やパワー半導体素子の温度が高くなる傾向がある。従来の受熱部材の温度を均一化するための構造として、特許文献１に示すように、自然通風式のヒートパイプ式冷却器において、上流側（下側）の放熱フィンの間隔よりも下流側（上側）の放熱フィンの間隔のほうが小さくなるようにフィンを設置した構造が知られている。

特開２０００−１６１８８０号公報

従来の構造においては、フィンの間隔が広い上流部分の受熱部材の温度が高くなってしまうことがあり、十分に受熱部材の温度上昇の均一化ができていないという課題があった。上流側の受熱部材の温度を下げるために上流部分のフィン枚数を増加させることも考えられるが、実際にはフィン枚数による微妙な放熱能力の調整が難しく、また、フィンの間隔を狭くしてフィン枚数を増やすと結果的に通風抵抗が大きくなって受熱部材の最大温度が高くなってしまうという課題があった。

本発明の目的は、受熱部材の最大温度が低くなるように受熱部材の温度上昇を均一化することにより、発熱素子を十分に冷却できる冷却装置およびそれを備えた小型・高出力の電力変換装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の冷却装置では、複数のパワー半導体素子と受熱部材と複数のヒートパイプと複数の放熱フィンを有し、複数のパワー半導体素子は受熱部材の一方の側に、冷却風の流れ方向及び冷却風の流れ方向とは略垂直方向にそれぞれ複数の列を成して取り付けられ、複数のヒートパイプの受熱部は受熱部材の他方の側に取り付けられ、ヒートパイプの受熱部から立ち上げられた放熱部には複数の放熱フィンが取り付けられ、放熱フィンに冷却風を当てるようにした冷却装置において、放熱フィンには、自然対流による冷却風が当てられ、ヒートパイプは、長手方向が冷却風の流れ方向とは略垂直になるように、冷却風の流れ方向に複数段に分けて配置されており、複数のパワー半導体素子は、冷却風の流れ方向に複数段に分けて同数が配置され、ヒートパイプは、長手方向におけるヒートパイプの本数が異なる段の間で、冷却風の流れ方向に放熱部が重ならない位置にヒートパイプを配置し、ヒートパイプの放熱部の受熱部材における単位面積当たりの本数は、冷却風の上流側よりも下流側のほうが多くなるような構造、または、放熱フィンには、送風機により発生した冷却風が当てられ、ヒートパイプは、長手方向が冷却風の流れ方向と略平行になるように、冷却風の流れ方向とは略垂直方向に複数段に分けて配置され、複数のパワー半導体素子は、冷却風の流れ方向に複数段に分けて同数が配置され、ヒートパイプの放熱部の受熱部材における単位面積当たりの本数は、冷却風の上流側よりも下流側のほうが多くなるような構造とした。

ヒートパイプの本数，配置による放熱量の調整は、フィンの枚数の変更による放熱量の調整と比べて、通風抵抗の増減が少ないため、微妙な調整が可能である。したがって、上流側の受熱部材の温度が上昇しないように適切に放熱量のバランスを調整することができるので、受熱部材の温度がより均一になり、パワー半導体素子を十分に冷却できる冷却装置が得られ、それを備えた小型・高出力の電力変換装置が実現される。

本発明の一実施形態における電力変換装置の鉛直断面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の水平断面図である。 本発明の一実施形態におけるヒートパイプの配置を示す図である。 本発明の一実施形態におけるヒートパイプの他の配置を示す図である。 本発明の電力変換装置を鉄道車両に搭載した構成を示す図である。 本発明の他の実施形態における電力変換装置の鉛直断面図である。 本発明の他の実施形態におけるヒートパイプの配置を示す図である。 本発明の他の実施形態における電力変換装置を鉄道車両に搭載した構成を示す図である。

本発明の実施の形態を以下、図面を用いて説明する。

図１に本発明の一実施形態における冷却装置の鉛直方向の断面図を、図２に水平方向の断面図を示す。また、図５に本実施形態における電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの構成を示す。本発明の電力変換装置は、鉄道車両の床下等に設けられ、車両を駆動する電動機に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行う。図５において、電力変換装置５００は、車体５０１に吊り下げられた状態で固定されている。図１，図２において、アルミニウム合金等の金属からなる受熱部材２の一方の側には、複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheel Diode）素子等を含むパワー半導体モジュール３が設置されている。さらに、複数のパワー半導体モジュール３がインバータを構成している。パワー半導体モジュール３は、グリース等の部材（図示せず）を介して受熱部材２とねじ等（図示せず）によって固定される。受熱部材２は支持部材５に固定され、受熱部材２のパワー半導体モジュール３の側には、ＩＧＢＴ駆動回路等の回路部品８が設置されている。また、電力変換装置のパワー半導体モジュール３の設置された側は、ケース７により密閉されている。受熱部材２のパワー半導体モジュール３の設置面の反対側には、Ｕ字形状のヒートパイプ１の受熱部１０１が埋め込まれ、ハンダ付け等により受熱部材２と熱的に接続されている。Ｕ字形状ヒートパイプ１の両端部分は、放熱部１０２が受熱部材２から立ち上がっている。放熱部１０２には、複数のフィン４が設けられている。支持部材５のヒートパイプ１の側には、カバー６が設けられている。カバー６の下側の面には開口部９が、上側の面には開口部１０が設けられている。カバー６の下側の開口部９から取り込まれた空気は、自然対流によって矢印４０のように下方から上方に向かって流れ、カバー６の上側の開口部１０から排出される。

次に、パワー半導体モジュール３を冷却する動作について説明する。パワー半導体モジュール３の内部に設けられたパワー半導体素子が動作することによって発生した熱は受熱部材２に伝えられ、ヒートパイプ１の受熱部１０１に達する。ヒートパイプ１には冷媒（純水，ハイドロフルオロカーボン等）が封入されている。受熱部１０１において加熱された冷媒は蒸発して気体となり、放熱部１０２に移動する。放熱部１０２において空気によって冷却された冷媒は凝縮して液体に戻る。図１に示すように、放熱部１０２には１０度程度の傾斜が設けてあり、放熱部１０２で凝縮した冷媒は重力によって受熱部１０１に戻る。このように蒸発，凝縮を繰り返して冷媒が移動することにより、受熱部材２の熱が空気に放熱される。

図３に受熱部材２におけるヒートパイプの形状と配置を示す。図３に示すように各ヒートパイプは、長手方向が冷却風の流れ方向４０とは略垂直になるように配置されている。受熱部材２の上側の２段に設置されたヒートパイプ１の放熱部は、一段当りの本数が１０本であるのに対して、受熱部材２の下側の５段に設置されたヒートパイプ１２の放熱部は、一段当りの本数が６本であり、受熱部材２の上の方よりも放熱部の本数を少なくしている。受熱部材２の中間部分（上から３〜５段目）のヒートパイプ１１の放熱部の一段当りの本数は、それらの中間の８本としている。つまり、ヒートパイプの放熱部は、受熱部材２における単位面積当たりの本数が、冷却風の上流側よりも下流側のほうが多くなるように配置している。

また、自然対流による冷却では、空気の温度が高くなった自然対流の下流側で、しかも左右にモジュールが配置されていて両側に熱を放熱しにくい中央部上側のパワー半導体モジュール３の付近の温度が最も高くなる傾向があるため、このモジュールのところに多くの放熱部を集中させる構成とした。

また、この部分のモジュールのフィン部分を通過する冷却空気の流れを乱して冷却効果を高めるため、下流側のヒートパイプに上流からの冷却風が直接当るようにした。すなわち、一段当りの放熱部の本数が変化する部分において、空気の入口側から見て（冷却風の流れ方向において）ヒートパイプの放熱部が重なり合わないようにヒートパイプを配置した。さらに、受熱部材２にフィン４の側への放熱部を持たない直管の均熱用のヒートパイプ１３を設けることにより、温度分布がつきやすい受熱部材２の冷却風の流れ方向に対する左右方向に均熱作用を持たせ、中央部分が局所的に高温となることを避けるようにした。

図４は受熱部材２におけるヒートパイプ配置の他の例である。この配置では、ヒートパイプの一段当りの本数が変化する部分における通風方向の若干の重なりを許容して、受熱部材２の上側の２段に設置されたＵ字型のヒートパイプ１を全部同じ長さにした。この構造では、Ｕ字型パイプの種類を減らして製作性を向上しつつ、図３の構造にそれほど劣らない冷却性能が期待できる。

以上のような構造とすることにより、自然対流による冷却の上流側では空気の圧力損失を最小限に抑え、下流側では十分な放熱量を確保できるので、受熱部材２の温度上昇がより均一になり、受熱部材２、更にはパワー半導体モジュール３の温度上昇を小さくすることができる。なお、ヒートパイプの本数と合わせて、上流側のフィン枚数を少なくし、下流側を多くしてもよい。フィン枚数とヒートパイプ本数を組み合わせることにより、受熱部材２の温度上昇をより均一にすることが可能である。

図６に本発明の他の一実施形態における冷却装置の鉛直方向の断面図を、図７に本実施形態の冷却装置の受熱部材２におけるヒートパイプの配置を示す。また、図８に本実施形態における電力変換装置を鉄道車両に搭載したときの構成を示す。図８において、電力変換装置１０００は、車体５０１に固定されている。矢印４０は冷却風の流れ方向を示す。冷却風は、送風機５０によって吸込みグリル５１から吸い込まれ、電力変換装置１０００の冷却装置１００１に供給される。図６，図７において、受熱部材２の一方側（図６における下側）には、複数のＩＧＢＴやＦＷＤ素子等を含むパワー半導体モジュール３が設置されている。さらに、複数のパワー半導体モジュール３がインバータを構成している。パワー半導体モジュール３は、グリース等の部材（図示せず）を介して受熱部材２とねじ等（図示せず）によって固定される。受熱部材２はダクトの構造部材１８に固定され、受熱部材２のパワー半導体モジュール３の側には、ＩＧＢＴ駆動回路等の電子部品８が設置されている。また、電力変換装置のパワー半導体モジュール３の設置された側は、ケース７により密閉されている。受熱部材２のパワー半導体モジュール３の設置面の反対側には、Ｕ字形状のヒートパイプ１５の受熱部１５１が埋め込まれ、ハンダ付け等により受熱部材２と熱的に接続されている。Ｕ字形状ヒートパイプ１５の両端からは、放熱部１５２が立ち上がっている。放熱部１５２には、アルミニウムや銅等の金属でできた複数のフィン４が圧入等によって接続されている。放熱部１５２やフィン４は、ダクト１９の内部に設置される。ダクト１９にはブロアによって冷却風が送られる。矢印４０は冷却風の方向を示す。図７に示すように各ヒートパイプは、長手方向が冷却風の流れ方向４０と略平行になるように配置されている。下流側のヒートパイプ１６，１７は、受熱部１６１，１７１の長さが上流側ヒートパイプ１５の受熱部１５１よりも短いものを使い、フィン側に立ち上げるヒートパイプの放熱部の受熱部材２における単位面積当たりの本数が、冷却風の上流側よりも下流側の方が多くなるようにする。このような構造とすることにより、上流側では空気の圧力損失を最小限に抑え、下流側では十分な放熱量を確保できるので、受熱部材２の温度上昇がより均一になり、受熱部材２、更にはパワー半導体モジュール３の温度上昇を小さくすることができる。

以上、説明してきたように、本実施形態によればパワー半導体素子を取り付けた受熱部材の温度を均一にすることができ、パワー半導体素子の温度上昇を小さく抑えられるので、冷却装置を小型・軽量化することができる。なお、ヒートパイプの本数と合わせて、上流側のフィン枚数を少なくし、下流側を多くしてもよい。フィン枚数とヒートパイプ本数を組み合わせることにより、受熱部材２の温度上昇をより均一にすることが可能である。

１ ヒートパイプ
２ 受熱部材
３ パワー半導体モジュール
４ フィン

Claims (5)

1. 複数のパワー半導体素子と受熱部材と複数のヒートパイプと複数の放熱フィンを有し、
   前記複数のパワー半導体素子は前記受熱部材の一方の側に、冷却風の流れ方向及び冷却風の流れ方向とは略垂直方向にそれぞれ複数の列を成して取り付けられ、
   前記複数のヒートパイプの受熱部は前記受熱部材の他方の側に取り付けられ、
   前記ヒートパイプの受熱部から立ち上げられた放熱部には前記複数の放熱フィンが取り付けられ、放熱フィンに冷却風を当てるようにした冷却装置において、
   前記放熱フィンには、自然対流による冷却風が当てられ、
   前記ヒートパイプは、長手方向が前記冷却風の流れ方向とは略垂直になるように、前記冷却風の流れ方向に複数段に分けて配置されており、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記冷却風の流れ方向に複数段に分けて同数が配置され、
   前記ヒートパイプは、前記長手方向におけるヒートパイプの本数が異なる段の間で、前記冷却風の流れ方向に前記放熱部が重ならない位置に配置され、
   前記ヒートパイプの放熱部の前記受熱部材における単位面積当たりの本数は、前記冷却風の上流側よりも下流側のほうが多くなるように配置したことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、
   前記放熱部を持たない直管状のヒートパイプを前記受熱部分に埋め込んだことを特徴とする冷却装置。
3. 複数のパワー半導体素子と受熱部材と複数のヒートパイプと複数の放熱フィンを有し、
   前記複数のパワー半導体素子は前記受熱部材の一方の側に、冷却風の流れ方向及び冷却風の流れ方向とは略垂直方向にそれぞれ複数の列を成して取り付けられ、前記複数のヒートパイプの受熱部は前記受熱部材の他方の側に取り付けられ、前記ヒートパイプの受熱部から立ち上げられた放熱部には前記複数の放熱フィンが取り付けられ、放熱フィンに冷却風を当てるようにした冷却装置において、
   前記放熱フィンには、送風機により発生した冷却風が当てられ、
   前記ヒートパイプは、長手方向が前記冷却風の流れ方向と略平行になるように、前記冷却風の流れ方向とは略垂直方向に複数段に分けて配置され、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記冷却風の流れ方向に複数段に分けて同数が配置され、
   前記ヒートパイプの放熱部の前記受熱部材における単位面積当たりの本数は、前記冷却風の上流側よりも下流側のほうが多くなるように配置したことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却装置において、
   前記冷却風の上流側の前記放熱部に取り付けられた放熱フィンの枚数を下流側の前記放熱部に取り付けられた放熱フィンの枚数よりも少なくしたことを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の冷却装置を備えた電力変換装置。

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