專利名稱：半導(dǎo)體冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體冷卻裝置，尤其是涉及一種容納在功率變換裝置內(nèi)的半導(dǎo)體冷卻裝置，該功率變換裝置設(shè)置在鐵路車輛底面下。
背景技術(shù)：
設(shè)置在鐵路車輛底面下的功率變換裝置利用半導(dǎo)體元件進行功率變換，且需要有將半導(dǎo)體元件產(chǎn)生的熱損失有效散放到大氣中而抑制半導(dǎo)體元件溫度上升的冷卻器。雖可以利用電動送風(fēng)機來強制送風(fēng)冷卻，但是從維守性的優(yōu)劣方面來考慮，大多數(shù)時不使用電動送風(fēng)機，而使用自然通風(fēng)方式的冷卻器。這種情況下，冷卻器散熱部通常被設(shè)置在朝向車身側(cè)面的位置上，從而有效地向大氣散熱。
下面，參考圖5和圖6來說明傳統(tǒng)功率變換裝置的半導(dǎo)體冷卻裝置。
圖5是專利文件1中安裝在車身底面下的功率變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖5(a)為俯視圖，圖5(b)為圖5(a)的X-X剖面圖，圖6(a)為圖5(b)的局部放大視圖，圖6(b)為圖6(a)中拆掉車身后的部分視圖。
設(shè)置在車身1的底面下面的功率變換裝置2容納在用于冷卻半導(dǎo)體元件3的冷卻器4內(nèi)，該冷卻器4的結(jié)構(gòu)中，安裝有半導(dǎo)體元件3的受熱部5配置在功率變換裝置2的殼體內(nèi)部，多片散熱片6設(shè)置在成為車身側(cè)面且露在外部空氣中的殼體外部部分上。受熱部5和散熱片6之間由多個熱管7連接，該熱管7一側(cè)的端部被插入連接到受熱部5上，另一側(cè)的端部穿通連接著上述散熱片6。而且設(shè)置在底面下面的設(shè)備都必須容納在設(shè)置空間限界8內(nèi)，該設(shè)置空間限界8內(nèi)設(shè)置有多片能裝下的散熱片6。
以這種方式構(gòu)成的功率變換裝置2中，半導(dǎo)體元件3產(chǎn)生的熱損失傳遞到冷卻器4的受熱部5，通過熱管7傳導(dǎo)到散熱片6，隨后由散熱片6將熱量擴散到大氣中。由于散熱片6設(shè)置在車身側(cè)面，存在排出的熱會滯留在車身1底面的特點，并且，因在車輛行駛時流經(jīng)底面下面設(shè)備組附近的行駛風(fēng)容易流經(jīng)上述散熱片6，所以能夠提高散熱性能。這種有效利用行駛風(fēng)的技術(shù)方案通過減少半導(dǎo)體元件溫度上升而可確保充分的余量，并與提高可靠性有關(guān)，而且對于冷卻器的小型化、進而整個裝置的小型輕量化也非常重要。
專利文件1日本特開平6-225548號公報雖然使上述散熱片6部分突出于車身側(cè)面而易于承接行駛風(fēng)，但是對于上述功率變換裝置中，僅由只有單相的功率變換電路構(gòu)成的類型幾乎沒有，半導(dǎo)體冷卻裝置是由多個結(jié)構(gòu)構(gòu)成。這樣的半導(dǎo)體冷卻裝置的散熱片部分突出到裝置的車身側(cè)面且設(shè)置有多個，在車輛前進的方向上并列排布。
在車輛行駛時的行駛風(fēng)由于不可能同等地吹在上述散熱片部分的每一個上，所以在前進方向的后側(cè)處的行駛風(fēng)就會被其前面的散熱片所遮擋，從而不能充分獲得行駛風(fēng)。由于不能充分獲得行駛風(fēng)，則后面的散熱片部分的通過風(fēng)速比較低，所以不僅是散熱片表面的熱傳遞較差，而且由其前面的散熱片所散發(fā)的熱量還會使空氣溫度上升，后面散熱片的入風(fēng)溫度也變高，進行冷卻的條件變得更加惡劣。
由于冷卻器性能取決于冷卻條件最惡劣的后面的散熱片部分，所以，前位側(cè)處具有過于充足的余量。即使把前進方向變換為任一方向，也都不能小型化和優(yōu)化此時的前位側(cè)冷卻器。在利用行駛風(fēng)進行冷卻時，主要問題在于要減小從前進方向并列設(shè)置的多個散熱片部分的前位側(cè)向后位側(cè)的行駛風(fēng)損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述情況，解決的問題在于提供一種半導(dǎo)體冷卻裝置，即使在車輛前進方向并列設(shè)置的多個冷卻器的后位側(cè)，也能充分獲得行駛風(fēng)，能抑制半導(dǎo)體元件的溫度上升、并提高可靠性，同時，通過小型化冷卻器可使整個裝置小型輕量化。
為了解決上述問題，技術(shù)方案1記載的本發(fā)明中，一種半導(dǎo)體冷卻裝置收置在設(shè)置于鐵路車輛底面下的功率變換裝置內(nèi)，其特征在于，半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，在兩端為直流端子而中間連接點為交流端子的單相功率變換電路中，構(gòu)成上支路的半導(dǎo)體元件安裝在一個冷卻器受熱部的一個面上，構(gòu)成下支路的半導(dǎo)體元件安裝在另一個冷卻器受熱部的一個面上，這兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置，同時，這些冷卻器的散熱部分以敞開于外界大氣中的方式設(shè)置在裝置殼體的車身側(cè)面上，且在上述上下散熱部分之間設(shè)置有間隔。
根據(jù)技術(shù)方案1記載的本發(fā)明，由于在上下散熱部之間設(shè)置間隔，所以，即使在并列設(shè)置的多個冷卻器后位側(cè)也能獲得新鮮的行駛風(fēng)，因此能夠抑制后位側(cè)半導(dǎo)體元件的溫度上升，所以，不會象以往結(jié)構(gòu)那樣，在前進方向前位的冷卻器散熱部充分流經(jīng)行駛風(fēng)，而流經(jīng)后位側(cè)冷卻器的行駛風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速卻急劇減少。
在技術(shù)方案2所記載的本發(fā)明中，一種半導(dǎo)體冷卻裝置，容納在設(shè)置于鐵路車輛底面下的功率變換裝置內(nèi)，該功率變換裝置包括多組可獨立運行的功率變換電路，其特征在于，半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，在兩端為直流端子而中間連接點為交流端子的單相功率變換電路中，構(gòu)成上支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在一個冷卻器的受熱部的一個面上，構(gòu)成下支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在另一個冷卻器的受熱部的一個面上，另外，在該面的反面上，不同組的單相半導(dǎo)體元件中的上支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件和下支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在另一冷卻器上，這兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置，同時這些冷卻器的散熱部分以開放于外界大氣中的方式設(shè)置在裝置殼體的車身側(cè)面上，在上下散熱部分之間設(shè)置有間隔。
技術(shù)方案3所記載的發(fā)明中，在技術(shù)方案1或技術(shù)方案2記載的半導(dǎo)體冷卻裝置中，其特征在于，功率變換電路為串聯(lián)連接兩個半導(dǎo)體元件的雙電平電路，在一個冷卻器的受熱部的一個面上，安裝有一個半導(dǎo)體元件。
技術(shù)方案4所記載的發(fā)明中，在技術(shù)方案1至技術(shù)方案3中任一項記載的半導(dǎo)體冷卻裝置中，其特征在于，安裝半導(dǎo)體元件的冷卻器受熱部的面在兩個冷卻器之間處于同一平面，兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置。
技術(shù)方案5所記載的發(fā)明中，在技術(shù)方案1至技術(shù)方案4中任一項記載的半導(dǎo)體冷卻裝置中，其特征在于，冷卻器是熱管式冷卻器，在上下方向上并列設(shè)置有多個直管狀的熱管，每一熱管的一端都插入連接到冷卻器的受熱部，而另一端則穿通連接著多片板狀散熱片，受熱部側(cè)位于下方，設(shè)置為從水平開始傾斜5～20度；散熱片部分容納在功率變換裝置中與外界大氣相連通的突出部分中，且成為鐵路車輛底面下的車身側(cè)面，在上下方向并列設(shè)置的兩個散熱片部分之間設(shè)置有間隔。
技術(shù)方案6所記載的發(fā)明，在技術(shù)方案5記載的半導(dǎo)體冷卻裝置中，其特征在于，在上下方向并列設(shè)置的兩個冷卻器不相同，不同之處可以是熱管長度、熱管個數(shù)、散熱片外形、散熱片枚數(shù)和散熱片間距中的任一項。
技術(shù)方案7所記載的發(fā)明，在技術(shù)方案5記載的半導(dǎo)體冷卻裝置中，其特征在于，在上下方向上并列的兩個冷卻器距水平面的傾斜角度不相同，設(shè)置在上方的冷卻器傾斜角度較大。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，即使在車輛方向上并列設(shè)置的多個冷卻器后位側(cè)也能獲得充分的行駛風(fēng)，且減少下方冷卻器對上方冷卻器的煽動，從而抑制半導(dǎo)體元件的溫度上升、提高可靠性。通過改善后位側(cè)的冷卻條件，達到了散熱片小型化的目的，并且實現(xiàn)了功率變換裝置小型輕量化的目的。


圖1是本發(fā)明中實施例1的功率變換裝置，圖1(a)為半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，圖1(b)為從車側(cè)面觀察圖1(a)中部分的示圖，圖1(c)為去掉圖1(a)中車身后狀態(tài)的平面圖。
圖2是本發(fā)明中實施例2的功率變換裝置，圖2(a)為半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，圖2(b)為從車側(cè)面觀察圖2(a)中部分的示圖，圖2(c)為去掉圖2(a)中車身后狀態(tài)的平面圖。
圖3是本發(fā)明中實施例3的功率變換裝置，表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖。
圖4是本發(fā)明中實施例4的功率變換裝置，表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖。
圖5表示安裝在車身底面下的傳統(tǒng)功率變換裝置，圖5(a)為俯視圖，圖5(b)為圖5(a)的X-X剖面圖。
圖6表示傳統(tǒng)功率變換裝置，圖6(a)表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，圖6(b)為從車側(cè)面觀察圖6(a)中部分的示圖。
符號說明1車身，2功率變換裝置，3半導(dǎo)體元件，4冷卻器，5受熱部，6散熱片，7熱管，8設(shè)置空間界限，9濾波電容器，10門信號放大器，11車側(cè)護蓋具體實施方式
本發(fā)明中，半導(dǎo)體冷卻裝置內(nèi)的冷卻器上下分開，成為以其它冷卻器將功率變換電路的上支路的半導(dǎo)體元件用冷卻器和下支路的半導(dǎo)體元件用冷卻器分開的結(jié)構(gòu)，在上下散熱片組之間設(shè)置間隔，該間隔部分作為行駛風(fēng)的通路，能向后位側(cè)冷卻器的散熱片流通充分的行駛風(fēng)。
實施例1下面利用圖1(a)、(b)、(c)來說明本發(fā)明實施例1(對應(yīng)于技術(shù)方案1、3、4、5)中的功率變換裝置。圖1(a)是對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)圖6(a)的視圖。圖1(b)是對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)圖6(b)的視圖。圖1(c)是去掉圖1(a)中車身后狀態(tài)的平面圖。
如圖所示，本實施例中構(gòu)成上支路的半導(dǎo)體元件3安裝在一個冷卻器4的受熱部5上，將元件和冷卻器成一對的結(jié)構(gòu)設(shè)置在圖中冷卻單元的上方，而將安裝在另一受熱部上的另一半導(dǎo)體元件和冷卻器成一對的結(jié)構(gòu)設(shè)置在圖中冷卻單元的下方，處于上下位置關(guān)系的半導(dǎo)體元件成處于同一平面內(nèi)的位置關(guān)系，各個半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，由此構(gòu)成雙電平電路。并且，設(shè)置在上方的冷卻器散熱部和設(shè)置在下方的冷卻器受熱部之間，形成圖中那樣具有間隔的結(jié)構(gòu)。
在各個半導(dǎo)體元件上加電，根據(jù)門信號放大器的信號產(chǎn)生電流、進行切換、元件發(fā)熱。發(fā)熱所產(chǎn)生的熱量從安裝半導(dǎo)體元件的冷卻器的受熱部5→熱管7→散熱片6進行熱傳遞，由散熱片6散熱到大氣中。
根據(jù)本實施例，從散熱片6向大氣散熱時，通常情況下，在前進方向上處于前面的冷卻器受外界的新鮮行駛風(fēng)吹拂而能夠良好地有效散熱，但是，由于來自前面的散熱而使入熱溫度變高，所以在前進方向上位于后側(cè)的冷卻器的冷卻條件很差。根據(jù)本實施例，在上下冷卻器之間的間隙中可以有新鮮的空氣通過，能夠減小位于前位側(cè)的散熱的影響，從而能仰制后位側(cè)的溫度上升。
實施例2下面通過圖2(a)、(b)、(c)來說明本發(fā)明實施例2(對應(yīng)于技術(shù)方案2)中的功率變換裝置。
圖2(a)是表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，是對應(yīng)于圖1(a)的視圖。圖2(b)是對應(yīng)于圖1(b)的視圖。圖2(c)是對應(yīng)于圖1(c)的視圖。
本實施例中，與實施例1相同，在冷卻器上安裝有半導(dǎo)體元件，但在冷卻器受熱塊的反面上安裝有另一相的半導(dǎo)體元件。即，一個冷卻器上安裝有不同的二個相的半導(dǎo)體元件。設(shè)置在上方的冷卻器散熱部和設(shè)置在下方的冷卻器散熱部之間設(shè)置有間隔，這一點與實施例1相同，另外，直到半導(dǎo)體元件散熱之前的作用也和實施例1相同，但是由于從兩面進行對熱管的入熱，從而效率比實施例1高。由于在上下冷卻器之間設(shè)置有間隙，所以除了能夠有效抑制后位側(cè)溫度上升以外，還因?qū)⒍喟雽?dǎo)體元件設(shè)置在一個冷卻器上，所以可達到小型輕量化的目的。
實施例3下面通過圖3來說明本發(fā)明的實施例3(對應(yīng)于技術(shù)方案6)中的功率變換裝置。
圖3是表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，對應(yīng)于圖1(a)。
與實施例1相同，本實施例具有半導(dǎo)體元件安裝在冷卻器上、上下冷卻器散熱部之間設(shè)置有間隙的結(jié)構(gòu)。但是這種結(jié)構(gòu)中，上方冷卻器散熱部長度與設(shè)置空間界限吻合，且比下方冷卻器散熱部的長度要長，熱管長度比下方冷卻器長，散熱片的片數(shù)多。
直到半導(dǎo)體元件散熱之前的作用和實施例1中的相同，但由于上方的散熱部變長而且散熱片數(shù)量多，所以與實施例1相比，散熱面積增加。通常，上方冷卻器受下方的散熱影響等，比下方冷卻器的溫度條件更惡劣，但因散熱面積增加，具有能夠抑制上方冷卻器溫度上升的效果。
實施例4下面，通過圖4來說明本發(fā)明實施例4(對應(yīng)于技術(shù)方案7)中的功率變換裝置。
圖4是表示半導(dǎo)體冷卻單元被組裝在功率變換裝置中狀態(tài)的示圖，對應(yīng)于圖1(a)。
和實施例1相同，本實施例具有半導(dǎo)體元件安裝在冷卻器上且上下冷卻器散熱部之間設(shè)置有間隙的結(jié)構(gòu)，但是，本實施例中上方冷卻器的安裝角度以比下方冷卻器大的方式設(shè)置。
除了直到半導(dǎo)體元件散熱之前的作用和實施例1中相同以外，上方冷卻器的安裝角度大，因而熱管的最大熱輸送量也就變大，而且上下散熱部之間的間隙尺寸變大，提高了行駛風(fēng)的通風(fēng)效率，并且上下半導(dǎo)體元件彼此接近。通常，上方冷卻器受下方的散熱影響等而比下方冷卻器的溫度條件更惡劣，但本實施例中由于最大熱輸送量變大，所以能夠有效抑制上方冷卻器的溫度上升，且由于行駛風(fēng)能夠良好有效地入風(fēng)到受熱部附近，所以就能夠有效抑制后位側(cè)冷卻器的溫度上升。而且由于縮短了半導(dǎo)體元件之間的主電路配線距離，所以通過低電感化，可以達到減少電子零件、或者小型化的效果。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體冷卻裝置，容納在設(shè)置于鐵路車輛底面下的功率變換裝置內(nèi)，其特征在于，半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，在兩端為直流端子而中間連接點為交流端子的單相功率變換電路中，構(gòu)成上支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在一個冷卻器的受熱部的一個面上，構(gòu)成下支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在另一個冷卻器的受熱部的一個面上，這兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置，同時這些冷卻器的散熱部分以開放于外界大氣的方式設(shè)置在裝置殼體的車身側(cè)面上，且在上下散熱部分之間設(shè)置有間隔。
2.一種半導(dǎo)體冷卻裝置，容納在設(shè)置于鐵路車輛底面下的功率變換裝置內(nèi)，該功率變換裝置包括多組可獨立運行的功率變換電路，其特征在于，半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，在兩端為直流端子而中間連接點為交流端子的單相功率變換電路中，構(gòu)成上支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在一個冷卻器的受熱部的一個面上，構(gòu)成下支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在另一個冷卻器的受熱部的一個面上，另外，在該面的反面上，不同組的單相半導(dǎo)體元件中的上支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件和下支路一側(cè)的半導(dǎo)體元件安裝在另一冷卻器上，這兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置，同時這些冷卻器的散熱部分以開放于外界大氣中的方式設(shè)置在裝置殼體的車身側(cè)面上，在上下散熱部分之間設(shè)置有間隔。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所記載的半導(dǎo)體冷卻裝置，其特征在于，功率變換電路為串聯(lián)連接兩個半導(dǎo)體元件的雙電平電路，在一個冷卻器的受熱部的一個面上，安裝有一個半導(dǎo)體元件。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所記載的半導(dǎo)體冷卻裝置，其特征在于，安裝半導(dǎo)體元件的冷卻器受熱部的面在兩個冷卻器之間處于同一平面，兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所記載的半導(dǎo)體冷卻裝置，其特征在于，冷卻器是熱管式冷卻器，在上下方向上并列設(shè)置有多個直管狀的熱管，各熱管的一端插入連接到冷卻器的受熱部，而另一端則穿通連接多片板狀散熱片，受熱部側(cè)為下方，設(shè)置為從水平面開始傾斜5～20度，散熱片部分放置在功率變換裝置中與外界大氣相連通的突出部分中，且成為鐵路車輛底面下的車身側(cè)面，在上下方向并列設(shè)置的兩個散熱片部分之間設(shè)置有間隔。
6.如權(quán)利要求5所記載的半導(dǎo)體冷卻裝置，其特征在于，在上下方向并列設(shè)置的兩個冷卻器不相同，不同之處在于熱管長度、熱管個數(shù)、散熱片外形、散熱片個數(shù)和散熱片間距中任一項。
7.如權(quán)利要求5所記載的半導(dǎo)體冷卻裝置，其特征在于，在上下方向上并列設(shè)置的兩個冷卻器距水平面的傾斜角度不相同，設(shè)置在上方的冷卻器傾斜角度較大。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體冷卻裝置，能提高抑制半導(dǎo)體元件溫度上升的可靠性，同時通過小型化冷卻器來使裝置形小而質(zhì)輕。半導(dǎo)體冷卻裝置收置在設(shè)置于鐵路車輛底面下的功率變換裝置內(nèi)，其中半導(dǎo)體元件串聯(lián)連接，在兩端為直流端子而中間連接點為交流端子的一分相功率變換電路中，構(gòu)成上支路的半導(dǎo)體元件安裝在一個冷卻器的受熱部的一個面上，構(gòu)成下支路的半導(dǎo)體元件安裝在另一個冷卻器的受熱部的一個面上支路，這兩個冷卻器在上下方向上并列設(shè)置，同時這些冷卻器的散熱部分以開放于外界大氣中的方式設(shè)置在裝置殼體處的車身側(cè)面上，并在上述上下散熱部分之間設(shè)置有間隔，所以即使在多個并列設(shè)置的冷卻器的后位側(cè)也能獲得新鮮的行駛風(fēng)，從而能夠抑制后位側(cè)半導(dǎo)體元件的溫度升高。
文檔編號B60L9/00GK1625030SQ20041001040
公開日2005年6月8日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月17日
發(fā)明者橋本隆, 宮入正樹 申請人:株式會社東芝