JP6177465B2 - 鉄道車両用の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下に設置される収納箱に収納された発熱体を冷却する鉄道車両用の冷却装置に関する。

鉄道車両の床下に設置される電力変換装置は、車両停止時には自然空冷、車両走行時には走行風を利用して冷却される。したがって、電力変換装置の高効率冷却を行うためには、自然空冷の気流を妨げず、かつ走行風を効率よく取り入れることができる構造が必要となる。

例えば、特許文献１には、電力変換回路を構成する複数のパワー半導体素子が設置された受熱ブロックに接続された複数のヒートパイプと、複数のヒートパイプに垂直に固定された複数枚の放熱フィンと、を有し、車両走行時の走行風で複数枚の放熱フィンを冷却することにより、受熱ブロック上の複数の半導体素子の冷却を行う車両制御装置の半導体冷却器において、冷却風の入口と出口以外の面を整風板により塞いで筒状とした整風板付き冷却器カバーを設ける構造が開示されている。

特開２０１３−１０３５０６号公報

しかしながら、上記特許文献１では、冷却風を取り込む入口面および冷却風を排出する出口面についての考慮がなされておらず、冷却効率の改善の余地が認められる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却効率の更なる改善を図ることができる鉄道車両用の冷却装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、鉄道車両の床下に設置される収納箱に収納された発熱体を冷却する鉄道車両用の冷却装置であって、前記収納箱の側面の一部を構成し、一面側に前記発熱体が搭載される導熱板と、前記導熱板の他面側から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプと、複数の前記ヒートパイプに固定された複数のフィンと、開口部を有して前記冷却装置を覆い、前記導熱板に近い側の前記開口部の面積が、前記導熱板から離れる側の前記開口部の面積よりも大きく形成された保護カバーと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、冷却効率の更なる改善を図ることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る冷却装置の概観を示す斜視図 実施の形態１に係る冷却装置の冷却対象である半導体モジュールの配置例を示す図 図１のＡ−Ａ線に沿う断面を矢視の方向へ見た透視断面図 実施の形態１のカバー形状を説明する際の基準となるカバー形状を示す図 実施の形態１に係るカバー形状の第１の例を示す図 実施の形態１の第１の例に係るカバー形状を冷却部材と共に示す透視断面図 実施の形態１に係るカバー形状の第２の例を示す図 実施の形態１の第２の例に係るカバー形状を冷却部材と共に示す透視断面図 カバー４ａを基準としたときの温度改善率を示す図表 カバー４ａを基準としたときの温度改善率を示すグラフ 低速域におけるフィンの位置に応じたフィンの温度分布を示すグラフ 高速域におけるフィンの位置に応じたフィンの温度分布を示すグラフ 実施の形態２に係る冷却装置における冷却部材の構成を示す透視断面図 ピッチサイズと圧力損失の関係をシミュレーションで求めたグラフ ＳｉＣモジュール化による冷却効率改善の概念を説明する図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用の冷却装置（以下、単に「冷却装置」と略す）について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の概観を示す斜視図であり、図２は、冷却装置の冷却対象である半導体モジュールの配置例を示す図である。冷却装置１は、五角柱状の筐体１ａと、筐体１ａの両端に設けられ、冷却装置１を覆い、通気性を有する保護カバーであるカバー４ａと、を有して構成され、筐体１ａの側面が、収納箱２の側面に取り付けられている。冷却装置１が取り付けられた収納箱２は、懸吊部材３によって鉄道車両の床下に設置される。鉄道車両が矢印で示す走行方向１０ａまたは走行方向１０ｂの方向に走行するとき、走行風が発生し、カバー４ａを通して筐体１ａ内に走行風が取り込まれる。半導体モジュール６は、収納箱２の内部に配置されて、導熱板５の一面側に取り付けられている。冷却装置１は、走行風を冷却風として利用し、発熱体である半導体モジュール６を冷却する。

図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を矢視の方向へ見た透視断面図であり、図４は、カバー４ａの概略形状を示す図である。なお、図４に示すカバー４ａは、実施の形態１に係る冷却装置のカバー形状の特徴を説明する際の基準となるカバー形状を有するものである。図３の透視断面図では、冷却装置１の内部の構造をカバー４ａと共に示している。

冷却装置１は、収納箱２の側面の一部を構成し、発熱体が密着する導熱板５と、導熱板５の他面側から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプ７と、複数のヒートパイプ７に固定された長方形状で平板状の複数のフィン８とを有して構成される。すなわち、ヒートパイプ７は、半導体モジュール６が取り付けられていない導熱板５の他面側において、導熱板５の他面における垂線に対して上方側に、ある傾斜角を有し、且つ、導熱板５の他面から突出した状態で、マトリックス状に配置されている。導熱板５、ヒートパイプ７およびフィン８は、冷却部材を構成する。フィン８は、複数の貫通孔を有し、当該貫通孔にヒートパイプ７が挿入されている。図３では、フィン８が６枚の場合を例示している。隣接するフィン８同士の間隔はｄ１であり、ヒートパイプ７が伸びる方向に対して均等に配置されている。なお、説明の便宜上、均等に配置されたフィン８のパターンを“フィンＡ”と呼称する。

図４に示す基準となるカバー４ａ（以下、必要に応じて「基準カバー４ａ」と称する）では、１７個の開口部９が設けられている。開口部９の面積はＳ１であり、それぞれの大きさは同一である。すなわち、基準カバー４ａでは、それぞれが同一形状かつ同一面積である１７個の開口部９が設けられている。

つぎに、実施の形態１に係るカバー形状のバリエーションについて、図５から図８の図面を参照して説明する。図５は実施の形態１に係るカバー形状の第１の例を示す図であり、図６は、第１の例に係るカバー形状を冷却部材と共に示す透視断面図であり、図７は実施の形態１に係るカバー形状の第２の例を示す図であり、図８は、第２の例に係るカバー形状を冷却部材と共に示す透視断面図である。

第１の例であるカバー４ｂは、図５および図６に示すように、導熱板５の周囲にある開口部９ｂの開口面積（以下、単に「面積」という）を他の開口部９の面積よりも小さくして配置したものである。また、図４に示した基準カバー４ａとの比較で説明すると、図４では導熱板５の周囲に５個の開口部９を設けているが、図５では導熱板５の周囲に３６個の開口部９ｂを設けている。ここで、図５における開口部９ｂの面積をＳ２とすると、３６個の開口部９ｂの面積の合計（＝３６×Ｓ２）と、図４における５個の開口部９の面積の合計（＝５×Ｓ１）との間には、次式で示す関係がある。

３６×Ｓ２＞５×Ｓ１ ……（１）

なお、図５では、開口部９ｄを３列で配置しているが、３列に限定されるものではなく、上記（１）式の関係を満足するものであれば、２列であってもよいし、４列以上であってもよい。

また、第２の例であるカバー４ｃは、図７および図８に示すように、第１の例で配置した開口部９および開口部９ｂの並びをヒートパイプ７の伸びる方向に沿って配置したものである。図５に示したカバー４ｂとの比較で説明すると、導熱板５の周囲に設けた開口部（図５：開口部９ｂ、図７：開口部９ｃ２）の数は、図５と図７とでは共に３６個で同数であり、且つ、開口部９ｂの面積の合計と、開口部９ｅ２の面積の合計とは、共に“３６×Ｓ２”であり、等しい。一方、導熱板５の周囲以外、すなわちヒートパイプ７の先端部側に設けた開口部（図５：開口部９、図７：開口部９ｃ１）の数は、図５では１２個、図７では１５個であり、開口部の数は異なっている。この差異は、カバー４ｂ，４ｃの断面形状が五角形であり、紙面の右下の角部が切り取られる形状であることに起因している。具体的に説明すると、図７では、開口部９ｃ１の並びをヒートパイプ７の伸びる方向に沿って配置するため、開口部９ｃ１の面積Ｓ１'を、図５に示す開口部９の面積Ｓ１よりも小さくし、その分、開口部の数を増やして配置したものである。なお、開口部９ｃ１の面積Ｓ１'を開口部９の面積Ｓ１よりも小さくしたことにより、図５における１２個の開口部９の面積の合計（＝１２×Ｓ１）と、図７における１５個の開口部９ｃ１の面積の合計（＝１５×Ｓ１'）との間には、次式で示す関係が生じている。

１２×Ｓ１＞１５×Ｓ１' ……（２）

なお、図７では、開口部９ｃ２を３列で配置しているが、３列に限定されるものではなく、２列であっても、４列であってもよい。

つぎに、上記したカバー４ｂおよびカバー４ｃに対して行ったシミュレーション結果について、図９および図１０の図面を参照して説明する。図９は、カバー４ａを基準としたときの温度改善率を表形式で示した図であり、図１０は、カバー４ａを基準としたときの温度改善率をグラフで示した図である。ここで、温度改善率は、次式で定義される評価指標である。

温度改善率＝（Ｔａ−Ｔ）／Ｔａ×１００［％］ ……（３）
Ｔａ：カバー４ａ装着時の温度、Ｔ：各種カバー装着時の温度

図９および図１０により、以下の点が明らかとなる。

（１）カバー４ｂ，４ｃの何れも基準カバー４ａに比べて改善している。
（２）カバー４ｃは、高速域に比べて低速域での効果が大である。
（３）カバー４ｂは、高速域および低速域での効果の差異が小さい。
（４）低速域での改善効果は、カバー４ｂよりもカバー４ｃの方が大きい。
（５）カバー４ｃの高速域での改善効果がカバー４ｂに比して小さいのは、ヒートパイプ７の先端部側に設けた開口部９ｃ１の面積の合計が、図４または図５で対応する開口部９の面積の合計よりも小さいためと考えられる。

図１１および図１２は、図９および図１０のシミュレーション結果を裏付けるために行った別のシミュレーション結果である。図１１および図１２では、フィンの位置に応じたフィンの温度分布を示すものであり、フィンの位置を横軸にとり、縦軸にはフィン上での無次元温度をプロットしている。なお、これらのグラフにおいて、フィンの位置を表す数値が小さいもの程、導熱板５の側に位置するフィンであることを意味している。

図１１および図１２に示すように、低速域および高速域共に、導熱板５の側に位置するフィン程、言い替えれば、導熱板５とヒートパイプ７との接続部であるヒートパイプ７の基部側に位置するフィン程、高温になっている。したがって、カバーの開口部について、ヒートパイプ７の基部側に位置する開口部の面積の合計を、ヒートパイプ７の先端部側に位置する開口部の面積の合計よりも広くすることで、冷却が促進され、冷却効率の改善が可能となる。

以上説明したように、実施の形態１に係る冷却装置によれば、保護カバーの開口部の面積の合計が、導熱板に近い側の方が、導熱板から離れる側よりも大きくなるように形成したので、冷却効率の更なる改善が可能になる、という効果を奏する。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２に係る冷却装置における冷却部材の構成を示す透視断面図である。実施の形態１では、フィン８の間隔は等間隔であったが、実施の形態２では、フィン８の間隔が等間隔ではなく、ヒートパイプ７の基部側のフィンピッチｄ２が、ヒートパイプ７の先端部側のフィンピッチｄ１よりも広くなるように構成している。

図１４は、ピッチサイズと圧力損失の関係をシミュレーションで求めたグラフである。ピッチサイズを基準ピッチで正規化した無次元ピッチサイズを横軸にとり、縦軸には圧力損失を基準圧力損失で正規化した無次元圧力損失をプロットしている。図１４に示すシミュレーション結果によれば、ピッチサイズを広くすれば圧力損失を低減できることが示されている。また、図１１および図１２のシミュレーション結果では、導熱板５の側に位置するフィン程、高温になっていることが示されている。

実施の形態２の構成では、導熱板５に近い側のフィンピッチを、導熱板５から離れる側のフィンピッチよりも広くなるように構成しているので、より高温になりやすい導熱板５に近い側のフィンピッチにより多くの冷却空気を取り込むことができる。このため、冷却装置１内の温度分布を均熱化することができ、発熱体を効率よく冷却することが可能となる。

また、実施の形態２の構成では、導熱板５から離れる側のフィンピッチ、すなわちヒートパイプ７の先端部側に位置するフィンピッチの間隔は広げずに狭いままを維持しているので、フィン数の減少によって冷却効果が低減されるのを抑止することができる。なお、図１５では、導熱板５に近い側のフィンピッチを広くし、導熱板５から離れる側のフィンピッチは維持したままとしているが、導熱板５に近い側のフィンピッチを広くした分、導熱板５から離れる側のフィンピッチを狭くしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、冷却装置１の冷却対象である半導体モジュールおよび半導体モジュールの配置について、図１５を参照して説明する。図１５は、ＳｉＣモジュール化による冷却効率改善の概念を説明する図である。

鉄道車両用途の高耐圧、且つ、大電流のシリコン（以下「Ｓｉ」と表記）モジュールは、１モジュール内に１つのスイッチング素子と１つのダイオードを搭載したモジュール（以下「１ｉｎ１モジュール」と称する）であるため、２レベルの主回路を構成するためには、６つの１ｉｎ１モジュールが必要であった。このため、導熱板５への配置は、例えばＵ相であれば、図１５の左側の図に示すように、上アームの１ｉｎ１モジュール６ＵＰと下アームの１ｉｎ１モジュール６ＵＮとを冷却風に直交する方向に配列していた。その結果、風上側のモジュールと風下側のモジュールとで冷却性能の差異が大きくなり、風下側のモジュールに合わせて冷却性能を確保するために冷却装置の体積と冷却装置のコストが増大するという課題があった。

一方、Ｓｉに代え、近年注目されているシリコンカーバイド（以下「ＳｉＣ」と表記）で形成されたスイッチング素子を電力変換器に用いれば、モジュールの小型化が可能である。すでに、高耐圧、且つ、大電流用途のＳｉＣモジュールが開発されているが、このＳｉＣモジュールは、１モジュール内に２つのスイッチング素子と２つのダイオードを搭載したモジュール（以下「２ｉｎ１モジュール」と称する）である。このため、例えばＵ相であれば、１つの２ｉｎ１モジュール６ＵでＵ相の上下アームを構成でき、その結果、図１５の右側の図に示すように、導熱板５の体積を約１／２にすることができ、また、２レベルの主回路を構成する３つの２ｉｎ１モジュール６Ｕの全てを冷却風に直交する方向に配列することが可能になる。本構成により、冷却装置を高効率で使用することが可能となり、冷却装置の小型化も可能となる。

さらに、実施の形態１，２で説明した技術を併用すれば、各実施の形態の相乗効果により、冷却効率の更なる改善が可能となり、冷却装置のコスト削減およびサイズ削減に大いに貢献することが可能となる。

なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料または、ダイヤモンド（Ｃ）を用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性もＳｉＣに類似した点が多い。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本願の要旨を成すものである。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 冷却装置、１ａ 筐体、２ 収納箱、３ 懸吊部材、４ａ カバー（基準カバー）、４ｂ，４ｃ カバー、５ 導熱板、６ 半導体モジュール、６ＵＰ，６ＵＮ １ｉｎ１モジュール、６Ｕ ２ｉｎ１モジュール、７ ヒートパイプ、８ フィン、９，９ｂ，９ｃ１，９ｃ２ 開口部、１０ａ，１０ｂ 走行方向。

Claims (8)

1. 鉄道車両の床下に設置される収納箱に収納された発熱体を冷却する鉄道車両用の冷却装置であって、
   前記収納箱の側面の一部を構成し、一面側に前記発熱体が搭載される導熱板と、
   前記導熱板の他面側から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプと、
   複数の前記ヒートパイプに固定された複数のフィンと、
   開口部を有して前記冷却装置を覆い、前記ヒートパイプの基部側に位置する前記開口部の面積の合計が、前記ヒートパイプの先端部側に位置する前記開口部の面積の合計よりも大きく形成された保護カバーと、を備え、
   前記ヒートパイプの基部側に位置する１つの前記開口部の面積は、前記ヒートパイプの先端部側に位置する１つの前記開口部の面積よりも小さく形成されている
   ことを特徴とする鉄道車両用の冷却装置。
2. 前記ヒートパイプの基部側に位置する前記開口部は、前記導熱板の側面を冷却するための開口部であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用の冷却装置。
3. 前記開口部は、前記ヒートパイプの伸びる方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用の冷却装置。
4. 前記複数のフィンは、隣接する前記フィン同士の間隔が、前記ヒートパイプの先端部側に位置するフィン同士よりも、前記ヒートパイプの基部側に位置するフィン同士の方が大きい
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の鉄道車両用の冷却装置。
5. 前記発熱体は、ワイドバンドギャップ半導体で形成された２つのスイッチング素子と２つのダイオードが搭載された２ｉｎ１モジュールであり、
   ３組の前記２ｉｎ１モジュールが冷却風に直交する方向に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用の冷却装置。
6. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両用の冷却装置。
7. 鉄道車両の床下に設置される収納箱に収納された発熱体を冷却する鉄道車両用の冷却装置であって、
   前記収納箱の側面の一部を構成し、一面側に前記発熱体が搭載される導熱板と、
   前記導熱板の他面側から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプと、
   複数の前記ヒートパイプに固定された複数のフィンと、
   開口部を有して前記冷却装置を覆い、前記ヒートパイプの基部側に位置する前記開口部の面積の合計が、前記ヒートパイプの先端部側に位置する前記開口部の面積の合計よりも大きく形成された保護カバーと、を備え、
   前記開口部は、前記ヒートパイプの伸びる方向に沿って配置されていることを特徴とする鉄道車両用の冷却装置。
8. 鉄道車両の床下に設置される収納箱に収納された発熱体を冷却する鉄道車両用の冷却装置であって、
   前記収納箱の側面の一部を構成し、一面側に前記発熱体が搭載される導熱板と、
   前記導熱板の他面側から上方側に傾斜させて突出させた複数のヒートパイプと、
   複数の前記ヒートパイプに固定された複数のフィンと、
   開口部を有して前記冷却装置を覆い、前記ヒートパイプの基部側に位置する前記開口部の面積の合計が、前記ヒートパイプの先端部側に位置する前記開口部の面積の合計よりも大きく形成された保護カバーと、を備え、
   前記複数のフィンは、隣接する前記フィン同士の間隔が、前記ヒートパイプの先端部側に位置するフィン同士よりも、前記ヒートパイプの基部側に位置するフィン同士の方が大きい
   ことを特徴とする鉄道車両用の冷却装置。

Images