[发明专利]铁道车辆用电力转换装置的冷却器

说明书

技术领域

本发明涉及一种搭载在铁道车辆上的电力转换装置，特别是涉及一种搭载在电力转换装置上的半导体元件的冷却器。

背景技术

铁道车辆是通过商用频率的交流电或将直流电转换成可变频率的三相交流电而对电动机进行驱动来行驶的。在对电力进行转换的电力转换器中，例如作为动力半导体开关元件而使用多个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等半导体元件，并广泛使用将直流转换成可变频率的三相交流的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)逆变器(inverter)等。

IGBT等半导体元件在电力转换时产生较大的损失，所以需要使用专用的冷却器。该冷却器为了散热而具有多个散热片，通过利用风扇向散热片输送冷却风来进行冷却，或通过使散热片在车体侧面露出并使行驶时流过车体侧面的行驶风接触散热片来进行冷却。

将这种采用了利用车辆行驶时流过车体侧面的空气进行冷却的方式的冷却器称为行驶风冷却器。

对于行驶风冷却器而言，虽然无须设置风扇而使成本较低，但行驶风会因车速而使风速发生变化，当车速增加时冷却风速也增大，冷却性能也提高，而在停车时、低速行驶时，因行驶风的冷却风速变小而使冷却性能下降，特别是在停车时冷却性能最低。因此，行驶风冷却的冷却器被设计成在停车时也能够充分冷却所有的半导体元件。

停车时流向冷却器的冷却风，基于因来自散热片的热散逸引起的上升气流而产生，从电力转换器下部导入的上升气流对下部的半导体元件进行冷却，接着对上部的半导体元件进行冷却并向电力转换器上部流出。

电力转换器下部的半导体元件被从冷却器下部导入的温度低的外部空气冷却，但电力转换器上部的半导体元件被由下部的半导体元件加热后的上升气流冷却，因此无法进行充分的散热，结果造成冷却性能下降。因此，通常为了提高对电力转换器上部的半导体元件进行冷却的冷却器的散热性能，例如采用增加散热片的片数或增加热管等热输送用的传热管的根数等对策。

以下，利用图6～图10对现有技术进行说明。

图6是现有的行驶风冷却器的立体图，图7是图6的横向侧视图，图8是俯视图。另外，图9表示现有的行驶风冷却器的性能曲线。

在图6中，600是与铁道车辆的行进方向大致平行且铅垂配置的吸热板，601是与吸热板600大致平行地排列的散热片，602是安装在吸热板600上的热敏电阻等温度检测元件，603是以能够与吸热板600的一个面热交换地接触的方式设置的构成IGBT等电力转换器的半导体元件，604是与半导体元件603的设置面对置且从吸热板600的另一面沿着与吸热板600大致垂直的方向延伸地配置的传热管。需要说明的是，在该例子中，半导体元件603以在铁道车辆的行进方向上为三列、各列均为上下两段的方式设置，温度检测元件602以对各列的上部的半导体元件603的温度进行检测的方式安装在吸热板600上。

在半导体元件603中产生的热量被吸热板600吸收，该热量传到一部分埋设于吸热板600或与吸热板600接触的传热管604。作为传热管604，使用在内部加入了规定量的液状的制冷剂例如水等并通过该制冷剂的相变化进行传热的所谓热管式等。

传热管604的热量传到散热片601，向空气中散热，但为了通过散热片601有效地将来自传热管604的热传向空气，通常设置多片散热片601。

近年来，从节能的观点出发，对于铁道车辆也强烈要求各设备的轻量小型化和低成本化，对于这种行驶风冷却器，在设计上使散热片601、传热管604达到必要最小限度也成为重要的课题。而且，如上所述，在行驶风冷却器中，存在低速或停车时对电力转换器上部的半导体元件进行冷却的冷却器的冷却性能下降的问题，所以采用了限定到电力转换器上部来强化冷却的结构，例如图6～8所示，设计成使电力转换器上部的散热片601的片数、传热管604的根数比电力转换器下部多来提高冷却性能。

图9是说明如图6～8那样对电力转换器上部的冷却进行强化时的效果的性能图。图9示出车速和冷却性能之间的关系，冷却性能越朝向曲线图上方越高。图中的实线表示电力转换器下部的冷却器的冷却性能，单点划线表示使电力转换器上部和电力转换器下部的冷却性能相同时、即将散热片601的片数及传热管的根数设为上下均匀时的电力转换器上部的冷却性能，双点划线表示通过增加电力转换器上部的散热片601的片数及传热管604的根数而提高电力转换器上部的冷却器的冷却性能时的性能。