JP4836481B2 - 車両用半導体冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の床下に設置される半導体電力変換装置等の半導体素子を冷却するための車両用半導体冷却装置に関する。

図５は車両用半導体冷却装置の第１の従来例の側面図を示しており、図６は図５のＡ方向矢視図、図７は図５のＢ−Ｂ線断面図、図８は第１の従来例の問題点の説明図、図９、図１０は第１の従来例の受熱ブロックの温度上昇特性図である。

図５乃至図７に示すように、この車両用半導体冷却装置は、半導体素子１が取り付けられる受熱ブロック２を備えており、半導体素子１で発生した熱は、受熱ブロック２を介して冷却器の放熱部３に伝達される。放熱部３は、外気に開放された開放部４に設置されており、放熱部３に冷却風５を送風することにより放熱部３の熱が開放部４に放熱され、半導体素子１が冷却される。

半導体素子１が取り付けられている受熱ブロック２には温度センサ６が取り付けられており、この温度センサ６には制御ユニット７を介してアラーム装置８が接続されている。制御ユニット７は、温度センサ６の検出値により、半導体素子１の温度を受熱ブロック２を介して間接的に監視し、何らかの要因により放熱部３に目詰まり部９（図８参照）が生じて冷却性能が低下し、受熱ブロック２の温度が異常に上昇して所定温度に達した場合に、アラーム装置８を駆動してアラームを発する。

すなわち、図９に示す如く、受熱ブロック２の温度Ｔは、開放部４の空気温度をＴ１とすると、通常は実線で示すような曲線１０に沿って上昇するが、放熱部３の冷却性能が低下すると、破線で示すような曲線１１に沿って上昇する。その上昇分ΔＴによって、受熱ブロック２が予め設定した所定温度Ｔ２に達すると、アラーム装置８が作動してアラームを発する。これにより、メンテナンス員が半導体冷却装置のメンテナンスを行い、半導体素子１を異常温度による不具合が生じないように保護している。

図１１は車両用半導体冷却装置の第２の従来例の側面図、図１２は第２の従来例の密閉部内の温度上昇特性図である。なお、第１の従来例と同一又は類似の部分には同一の符号を付してあり、重複する説明は省略してある。

図１１に示すように、この車両用半導体冷却装置は、半導体素子１を稼働する電子部品１２と、電子部品１２が発した熱を放散させる送風機１３とが密閉部１４内に密閉され、密閉部１４の周囲が外気に開放された開放部４となっている。送風機１３には送風機１３を稼働する電源ユニット１５が接続され、この電源ユニット１５には制御ユニット７が接続されている。

送風機１３は、密閉部１４内の空気温度が電子部品１２の許容温度を超えないようにするためのもので、車両用半導体冷却装置が稼働されている間は常時稼働されている。車両用半導体冷却装置の稼働が開始されると、図１２に示すように、密閉部１４内の空気温度Ｔ’は、破線で示すような曲線１７に沿って上昇し、電子部品の許容温度Ｔ４に近づく。しかし、送風機１３により密閉部１４内の空気が攪拌されるため、密閉部１４内の空気温度Ｔが電子部品１２の許容温度Ｔ４に到達することはないので、電子部品１２に不具合が生じることはない。

上記第１の従来例の車両用半導体冷却装置では、次のような問題点が有った。すなわち、図１０に示すように、開放部４の空気温度が低い（Ｔ３とする）冬季等においては、受熱ブロック２の温度Ｔが、曲線１０よりも低い曲線１８に沿って上昇する。第１の従来例の車両用半導体冷却装置では、受熱ブロック２のみに温度センサ６が取り付けられているため、放熱部３の目詰まり等で冷却性能が低下して受熱ブロック２の温度がΔＴ上昇したとしても、破線で示す曲線１９が所定温度Ｔ２に到達しないので、アラーム装置８が作動しない。

そのため、半導体素子１の適切な保護が図れないと共に、開放部４の空気温度が高い夏季等にアラーム装置８の作動が集中し、メンテナンスが必要な車両用半導体冷却装置が急増して代替装置が足りなくなり、車両の運行に影響を及ぼすことが有った。

また、第２の従来例の車両用半導体冷却装置では、次のような問題点が有った。すなわち、図１２に示すように、開放部４の空気温度が低い冬季等においては、密閉部１４内の空気温度Ｔ’は実線で示すような曲線２０に沿って上昇する。この場合、送風機１３を稼働しなくても、密閉部１４内の空気温度Ｔ’が電子部品１２の許容温度Ｔ４に到達することはない。送風機１３は、その稼働時間で寿命が計算されており、稼働時間を短くすることで長寿命化し、信頼性が向上するとともにランニングコストを低減することができる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、受熱ブロックの温度が異常に上昇したのを正確に検出してアラームを発することができる車両用半導体冷却装置を提供することにある。

また、第２の目的は、密閉部内の空気を攪拌する送風機を長寿命化することができる車両用半導体冷却装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、半導体素子が取り付けられる受熱ブロックと、この受熱ブロックが受熱した熱を外気に開放された開放部に放熱させる放熱部と、前記受熱ブロックに取り付けられた第１の温度センサと、アラーム装置と、前記第１の温度センサで検出される前記受熱ブロックの温度が所定値以上になった場合には前記アラーム装置を駆動する制御ユニットとを備え、前記放熱部に冷却風を送風することにより前記半導体素子を冷却するようにした車両用半導体冷却装置であって、前記冷却風は車両の走行により生じる走行風であり、車両が一方向に走行する際に前記放熱部に対して前記走行風の風上側となる位置と風下側となる位置とにそれぞれ前記開放部の空気温度を検出する第２の温度センサが設けられ、前記制御ユニットは、車両の走行時に風上側となる前記第２の温度センサにより検出される前記開放部の空気温度に応じて前記第１の温度センサの前記所定値を変更することを特徴としている。

また、第２の発明は、半導体素子と、前記半導体素子を稼働する電子部品と、前記電子部品が発した熱を放散させる送風機とが密閉部内に密閉され、前記密閉部の周囲が外気に開放された開放部である車両用半導体冷却装置であって、前記開放部の空気温度を検出する温度センサが設けられ、前記開放部の空気温度が、前記密閉部内の空気温度を前記電子部品の許容温度に近くする値に達した場合に前記送風機を稼働する制御ユニットを備えたことを特徴としている。

第１の発明の車両用半導体冷却装置によれば、開放部の空気温度に左右されることなく受熱ブロックの温度が異常に上昇したのを正確に検出することが可能となり、メンテナンスが必要な状態になったときに確実にアラームを発することができるため、信頼性が向上する。

第２の発明の車両用半導体冷却装置によれば、開放部の空気温度が低い場合には送風機が稼働されないため、送風機の寿命を延ばすことができ、ランニングコストが低減する。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。なお、以下の各実施形態において、上記従来技術と同一又は類似の部分には同一の符号を付してあり、重複する説明は省略してある。

本実施形態は、上記第１の従来例を改良したものであり、放熱部３に対して冷却風５の風上側となる位置に開放部４の空気温度を検出する温度センサ６’が設けられている。そして、制御ユニット７は、受熱ブロック２の温度センサ６の検出値に開放部４の温度センサ６’の検出値を加味して受熱ブロック２の温度が異常に上昇したか否かを判定するようにしている。

開放部４の空気温度が低い冬季等において、放熱部３の冷却性能が正常の時には、受熱ブロック２の温度は、図１０に示す従来例と同じく曲線１８に沿って上昇するが、放熱部３の目詰まり等により冷却性能が低下すると、受熱ブロック２の温度は曲線１９に沿って異常に上昇する。このとき、受熱ブロック２の温度が所定温度Ｔ２に達していなくても、制御ユニット７は異常を認識してアラーム装置８を駆動するので、半導体冷却装置にメンテナンスを行うことができる。よって、信頼性が向上するものである。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図２、図３は本発明の第２の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。

本実施形態では、冷却風５が車両の走行により生じる走行風であり、図２に示すように、車両が一方向に走行する際に放熱部３に対して走行風５の風上側となる位置に開放部４の空気温度を検出する温度センサ６’が設けられているだけでなく、放熱部３に対して走行風５の風下側となる位置にも開放部４の空気温度を検出する温度センサ６’’が設けられている。

このように構成すると、図３に示すように、車両が反対方向に走行して走行風５が逆向きになる際に、風上側となる温度センサ６’’の検出値を用いることで、放熱部３の温度の影響を受けることなく、開放部４の温度を正確に検出することができる。したがって、車両がどちらの方向に走行する場合でも、受熱ブロック２の温度上昇を正確に検出することができるので、信頼性が向上する。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図４は本発明の第３の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。

本実施形態は、上記第２の従来例を改良したものであり、開放部４に空気温度を検出する温度センサ６’’’が設けられ、制御ユニット７は、開放部４の空気温度が、密閉部１４内の空気温度を電子部品１２の許容温度に近くするような値に達した場合に送風機１３を駆動する。

このように構成することで、図１２に示すように、開放部４の空気温度が低く（Ｔ３）、密閉部１４の空気温度が曲線２０に沿って上昇するような場合には、送風機１３が稼働されない。したがって、送風機の寿命を延ばすことができ、信頼性が向上するとともにランニングコストが低減する。

以上、具体例を挙げて本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記の各実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の第１の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。 本発明の第２の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。 本発明の第２の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。 本発明の第３の実施形態の車両用半導体冷却装置の側面図である。 車両用半導体冷却装置の第１の従来例の側面図である。 図５のＡ方向矢視図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 第１の従来例の問題点の説明図である。 第１の従来例の受熱ブロックの温度上昇特性図である。 第１の従来例の受熱ブロックの温度上昇特性図である。 車両用半導体冷却装置の第２の従来例の側面図である。 第２の従来例の密閉部内の温度上昇特性図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 受熱ブロック
３ 放熱部
４ 開放部
５ 冷却風
６、６’、６’’、６’’’ 温度センサ
７ 制御ユニット
８ アラーム装置
１２ 電子部品
１３ 送風機
１４ 密閉部

Claims (2)

1. 半導体素子が取り付けられる受熱ブロックと、この受熱ブロックが受熱した熱を外気に開放された開放部に放熱させる放熱部と、前記受熱ブロックに取り付けられた第１の温度センサと、アラーム装置と、前記第１の温度センサで検出される前記受熱ブロックの温度が所定値以上になった場合には前記アラーム装置を駆動する制御ユニットとを備え、前記放熱部に冷却風を送風することにより前記半導体素子を冷却するようにした車両用半導体冷却装置であって、
   前記冷却風は車両の走行により生じる走行風であり、
   車両が一方向に走行する際に前記放熱部に対して前記走行風の風上側となる位置と風下側となる位置とにそれぞれ前記開放部の空気温度を検出する第２の温度センサが設けられ、
   前記制御ユニットは、車両の走行時に風上側となる前記第２の温度センサにより検出される前記開放部の空気温度に応じて前記第１の温度センサの前記所定値を変更することを特徴とする車両用半導体冷却装置。
2. 半導体素子と、前記半導体素子を稼働する電子部品と、前記電子部品が発した熱を放散させる送風機とが密閉部内に密閉され、前記密閉部の周囲が外気に開放された開放部である車両用半導体冷却装置であって、前記開放部の空気温度を検出する温度センサが設けられ、前記開放部の空気温度が、前記密閉部内の空気温度を前記電子部品の許容温度に近くする値に達した場合に前記送風機を稼働する制御ユニットを備えたことを特徴とする車両用半導体冷却装置。

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