专利名称：铁道车辆用电力转换装置的冷却器的制作方法
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)
坐寸οIGBT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。在半导体兀件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。在上下方向使冷却性能均匀的情况下(图9的单点划线)，停车或低速时无法获得充分的行驶风，而且上段的冷却器受到被下段的冷却器加热后的上升气流的影响，冷却性能显著降低，但在车速提高时冷却性能随之提高，依然在设计上的最高速度附近表现出饱和趋势。另一方面，例如设计成在增加电力转换器上部的散热片的片数的情况下(图9的虚线)，整体上性能提高，特别是停车或低速时的冷却性能得到大幅度改善，接近下段的冷却器的性能，随着车速的增加，冷却性能也随之增加，在设计上的最高速度，使下段的冷却性能饱和，并使上段的冷却性能与下段的冷却性能相同。可知通过这样设计，能够使散热片的片数、传热管的根数、及冷却器的体积达到最小限度，并且能够降低成本。对于这种冷却器，为了防止因半导体元件603的异常过热而引起的破坏，如图6所示，在直到设计上的最高速度为止始终低于下段的冷却器的冷却性能，达到最高温度的可能性高的上段的上风侧、中央部、下风侧分别安装有温度检测元件602。例如在下述的专利文献I中公开了该结构。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2000-200866号公报发明要解决的问题然而，在上述的冷却器中存在以下所述的问题。即，如上所述，行驶风冷却器设计成在停车时或低速时对电力转换器上段的冷却进行强化，使得在设计上的最高速度使电力转换器的上部和下部冷却性能相同。这在以设计上的车辆最高速度为规定速度的电力转换器的情况下没有问题，但由于特别是近年来要求在不提高车辆成本的前提下、即不伴有较大的设计变更的前提下进一步提高最高速度，所以要求在不变更半导体元件、散热片、传热管的配置等行驶风冷却器的基本规格的情况下能够实现更高速的行驶。另外，当铁道车辆以设计上的最高速度以下行驶时，当铁道车辆承受对面风的情况下，行驶风冷却器所承受的冷却风也成为与以相对比设计上的最高速度高的速度行驶时的行驶风相同的速度。在这种情况下，可知随着超过设计上的最高速度，会产生下部的冷却性能变得比上部的冷却性能低的情况。例如，如图10所示，若提高设计上的最高速度、或由对面风来相加一定的加和量，则冷却风的风速相对变得高于设计最高速度，但与电力转换器下段的冷却器的冷却性能已饱和相比，增加了散热片的电力转换器上段的冷却器的冷却性能上升，在设计上的最高速度附近，电力转换器上段的冷却器和下段的冷却器的性能线交叉，随着加和的速度增加，下段的冷却器的冷却性能反而低于上段的冷却器的冷却性能。推测这是因为原本下段的冷却器设定成冷却性能比上段的冷却器低，而且因冷却风的速度相对超过了设计上的车辆速度，所以被下方的半导体元件加热后的上升气流在高速的冷却风的作用下没有到达上方的冷却器，而是沿着冷却风流动的结果。这一情况特别是在受到来自位于冷却风的上游侧的半导体元件的散热的影响的下段下风侧的冷却器中尤为显著。若在这种状况下车辆继续行驶，则不仅下段下风侧的半导体元件相比其他的半导体元件过热的可能性最大，而且还像以往那样出现了只在电力转换器上段设有热敏电阻的情况下无法检测出电力转换器下段下风侧的半导体元件异常的问题。另外，若为了防止上述情况而在上段、下段的任一半导体元件上均附加热敏电阻，则存在热敏电阻连接用的配线数目增加、装置变复杂、从而导致成本上升的问题。
发明内容
本发明用于解决上述问题，其目的在于提供一种冷却器，该冷却器在提高设计上的最高速度或对面风等外部环境的影响下，也能够在不变更基本设计的前提下从停车到最高速为止均稳定地进行异常检测。用于解决问题的方法为了实现上述目的，本发明的铁道车辆用电力转换装置的冷却器采用了如下的技术手段。即，(I) 一种铁道车辆用电力转换装置的冷却器，其具有:吸热板，其与铁道车辆的行进方向大致平行、且铅垂地配置；多个半导体元件，它们与该吸热板的一个面相接触地设置，并且沿着铁道车辆的行进方向排列有多列，在上下方向上排列有多段；传热管，其以与该半导体元件的设置面对置的方式一部分埋设在所述吸热板的另一面或与所述吸热板的另一面相接触，并且相对于所述吸热板大致垂直地配置；散热片，其与该传热管的其他部分接触且与所述吸热板大致平行地设有多个；温度检测元件，其配置在所述吸热板的一个面上，对所述半导体元件的温度进行检测，所述铁道车辆用电力转换装置的冷却器的特征在于，所述传热管或散热片以提高各列所述半导体元件中的配置在上段的半导体元件的冷却性能的方式配置，并且，从与所述散热片进行热交换的行驶风来看，多个所述温度检测元件以在上风侧及下风侧对下段的半导体元件的温度进行检测、在中央部对上段的半导体元件的温度进行检测的方式配置。(2)在上述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器中，多个所述温度检测元件以在中段处于比配置在中央部上段的温度检测元件低且比配置在下风侧及上风侧的下段的温度检测元件高的位置的方式配置。(3)在上述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器中，所述半导体元件为IGBT。(4)在上述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器中，所述温度检测元件为热敏电阻。发明效果根据本发明，能够实现如下的不会招致成本升高且安全性高的铁道车辆用电力转换装置用冷却器，其在不改变冷却器等的规格而提高设计上的最高速度或受到对面风等预料外的环境的影响的情况下，也能够在不追加温度检测元件的前提下可靠地检测出过热的可能性最大的半导体元件的温度。
图1是本发明的实施例1的立体图。图2是本发明的实施例1的侧视结构图。图3是本发明的实施例的俯视结构图。图4是本发明的实施例1的冷却性能曲线图。图5是本发明的实施例2的立体图。图6是现有技术的立体图。图7是现有技术的侧视结构图。图8是现有技术的俯视结构图。图9是现有技术中的冷却性能曲线图(设计上的最高速度以下)。图10是现有技术中的冷却性能曲线图(包括超过了设计上的最高速度的情况)。附图标记说明如下:100:吸热板，101:散热片，102:温度检测元件，103:半导体元件，104:传热管，500:吸热板，501:散热片，502:温度检测元件，503:半导体元件，600:吸热板，601:散热片，602:温度检测兀件,603:半导体兀件,604:传热管。
具体实施例方式以下，基于附图对实施例进行说明。实施例[实施例1]图1是表示本发明的实施例1的铁道车辆用电力转换装置的冷却器的立体图，图2是图1的侧视图，图3是图1的俯视图。在图1 3中，100为吸热板，101为散热片，102为温度检测元件，103为半导体元件，104为传热管，除了温度检测元件102的配置以外，基本结构与图6 图8的现有技术相同。本实施例的特征点在于，从图1中箭头方向的冷却风、即行驶风来看，温度检测元件102在上风侧和下风侧设置在下段，在中央部设置在上段。在图4中，实线表示电力转换器上段中央部的冷却性能的特性，虚线表示下段下风侧的冷却性能的特性，单点划线表示下段上风侧的冷却性能的特性。配置在上段中央部的冷却器由于其上风侧、下风侧及下部被其他的冷却器包围，所以冷却性能比配置在上段上风侧的冷却器低自不必说，也比配置在上段下风侧的冷却器低，从停止到设计上的最高速度为止，冷却性能与其他部位的冷却器相比最差。因此，对于电力转换器的上段来说，只要仅在中央部设置温度检测元件102，就能够可靠地检测出过热的可能性最大的半导体元件的温度。另一方面，当在设计上的最高速度上加上加和量时，从图4也可知，下段下风侧的冷却性能低于配置在上段中央部的冷却器的冷却性能，过热的可能性最高。这是因为，对于下段的冷却器来说，原本冷却性能就设定成比上段的冷却器低，而且在该速度区域中，特别是下风侧的冷却器因行驶风带来从上风侧的冷却器放出的热量而明显受到其影响。因此，对于电力转换器的上风侧和下风侧来说，如果将温度检测元件102设置在下段，则在超过了设计上的最高速度的速度区域中，能够可靠地检测出过热可能性最大的半导体元件的温度。需要说明的是，铁道车辆通常利用折返运转等一边反转行驶方向一边运行的情况较多，而只在单侧设置温度检测元件的情况下折返运转时变为上风侧，从而得不到期望的效果。因此，对于电力转换器的下段，需要配置成对左右两端的半导体元件温度进行检测。这种情况下，与图6所示的现有技术相比，也可以使所使用的温度检测元件102的数目相同。根据本实施例的结构，即使在完全不变更冷却器的规格等而提高了设计上的最高速度的情况下、或在对面风等外部条件在设计的预料之外发生变化的情况下，也能够在不增加热敏电阻的数目的前提下，从停车状态到超过设计上的最高速度的高速区域为止均可靠地检测出过热的可能性最大的半导体元件的温度。[实施例2]图5表示本发明的实施例2的整体结构。在图5中，500为吸热板，501为散热片，502为温度检测元件，503为半导体元件。本实施例的特征点在于，当在上下方向上排列有三段以上的半导体元件时，温度检测元件502的设置位置不仅配置在下部的左右端部，还配置在中央部。在图5所示的电力转换器中，示出了半导体元件503在上下方向上配置三段、在铁道车辆的行进方向上配置五列以上的例子。在采用该结构的情况下，在从低速时到最高速为止的区间内，对于中段来说，除了下风侧和上风侧以外，其余的冷却器的上下左右的四方均被其他的冷却器包围，所以当在设计上的最高速度上加上加和量时，发生位于中段中央部附近的冷却器的性能变为最低的情况。因此，在本实施例中，对于配置在电力转换器的中段的半导体元件503，在中央部附近安装温度检测元件502，由此能够可靠地检测出过热的可能性最大的半导体元件的温度。
权利要求
1.一种铁道车辆用电力转换装置的冷却器，其具有:吸热板，其与铁道车辆的行进方向大致平行、且铅垂地配置；多个半导体元件，它们与该吸热板的一个面相接触地设置，并且沿着铁道车辆的行进方向排列有多列，在上下方向上排列有多段；传热管，其以与该半导体元件的设置面对置的方式一部分埋设在所述吸热板的另一面或与所述吸热板的另一面相接触，并且相对于所述吸热板大致垂直地配置；散热片，其与该传热管的其他部分接触且与所述吸热板大致平行地设有多个；及温度检测元件，其配置在所述吸热板的一个面上，对所述半导体元件的温度进行检测， 所述铁道车辆用电力转换装置的冷却器的特征在于， 所述传热管或散热片以提高各列所述半导体元件中的配置在上段的半导体元件的冷却性能的方式配置，并且，从与所述散热片进行热交换的行驶风来看，多个所述温度检测元件以在上风侧及下风侧对下段的半导体元件的温度进行检测、在中央部对上段的半导体元件的温度进行检测的方式配置。
2.根据权利要求1所述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器，其特征在于， 多个所述温度检测元件以在中段处于比配置在中央部上段的温度检测元件低且比配置在下风侧及上风侧的下段的温度检测元件高的位置的方式配置。
3.根据权利要求1或2所述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器，其特征在于， 所述半导体元件为IGBT。
4.根据权利要求 1至3中任一项所述的铁道车辆用电力转换装置的冷却器，其特征在于， 所述温度检测元件为热敏电阻。
全文摘要
本发明提供一种铁道车辆用电力转换装置的冷却器，即使在提高最高速度或任何对面风等的影响下，也能够在不变更铁道车辆用电力转换装置的冷却器的散热片、传热管的配置等基本规格的前提下，从停车到最高速为止均进行过热的可能性最大的半导体元件的异常检测。在铁道车辆用电力转换装置用的冷却器中，传热管或散热片(101)以提高各列半导体元件(103)中的配置在上段的半导体元件(103)的冷却性能的方式配置。从与散热片(101)进行热交换的行驶风来看，以在上风侧及下风侧对下段的半导体元件(103)的温度进行检测、在中央部对上段的半导体元件(103)的温度进行检测的方式配置温度检测元件(102)。
文档编号H02M1/00GK103219869SQ20131001180
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月20日
发明者小西出政臣, 河野恭彦, 菱田昭裕 申请人:株式会社日立制作所