特開 2022-56408 冷却システム付き電力モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022056408

(43)【公開日】2022-04-08

(54)【発明の名称】冷却システム付き電力モジュール

(51)【国際特許分類】

   B61C 17/00 20060101AFI20220401BHJP

   B61C 17/12 20060101ALI20220401BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20220401BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20220401BHJP

【ＦＩ】

B61C17/00 A

B61C17/12 A

H01L23/46 B

H05K7/20 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021157955

(22)【出願日】2021-09-28

(31)【優先権主張番号】2009878

(32)【優先日】2020-09-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(71)【出願人】

【識別番号】521423898

【氏名又は名称】カルヨス

(71)【出願人】

【識別番号】313011906

【氏名又は名称】アルストム トランスポート テクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ジル・ヴァル

(72)【発明者】

【氏名】ヴァンサン・デュポン

(72)【発明者】

【氏名】フィリップ・ジャルビー

(72)【発明者】

【氏名】セバスチャン・ニコラウ

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322AA11

5E322AB11

5E322DB06

5E322EA10

5E322FA01

5E322FA04

5F136CA15

5F136CC12

5F136CC16

5F136CC22

5F136DA27

(57)【要約】

【課題】冷却システムに変更を加えることで、システムの性能を低下させることなく、従来技術の不都合を是正すること。
【解決手段】本発明は、鉄道車両のための電力モジュール（１２）であって、電流変換機器（２０）と、二相の伝熱流体（３０）の閉回路（２８）と、前記伝熱流体の熱を空気流に移転できる第１の熱交換器（２５）と、発熱性機器の熱を伝熱流体に移転できる第２の熱交換器（２６）とを備える電力モジュール（１２）に関する。
伝熱流体の回路は主ループ（３２）と二次分岐（３４）を備え、二次分岐の入口（４０）と出口（４２）は第１の熱交換器から離れて主ループに連結され、前記入口は前記出口の下流側に配置され、第２の熱交換器（２６）は前記二次分岐に配置される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両（１０）、特に鉄道車両のための電力モジュール（１２）であって、
－ 電流の変換に寄与するものである発熱性機器（２０）と、
－ 二相の伝熱流体（３０）の閉回路（２８）と、
－ 前記伝熱流体の熱を空気流に移転できる第１の熱交換器（２５）と、
－ 前記発熱性機器の熱を前記伝熱流体に移転できる第２の熱交換器（２６）と
を備える電力モジュール（１２）において、
前記伝熱流体（３０）の回路（２８）が主ループ（３２）と二次分岐（３４）を備え、前記主ループが互いに接続された第１の部位（３６）と第２の部位（３７）を備え、前記第１の熱交換器（２５）が前記第１の部位に配置され、
前記二次分岐の入口（４０）と出口（４２）が前記主ループの前記第２の部位に連結され、前記入口が、前記第２の部位において前記主ループ内の前記伝熱流体の循環方向に沿って前記出口の下流側に配置され、
前記第２の熱交換器（２６）が前記二次分岐に配置されることを特徴とする、電力モジュール（１２）。

【請求項2】

前記第２の熱交換器（２６）が、二相の前記伝熱流体（３０）が通る少なくとも１つの毛細管蒸発器（５４）を備え、前記伝熱流体が、前記または各々の毛細管蒸発器内の気液界面のレベルで発生する圧力の作用で前記閉回路内を循環する、請求項１に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項3】

前記または各々の毛細管蒸発器（５４）が、前記第２の熱交換器の入口（５０）から液体の状態で受け取る前記伝熱流体（３０）を完全に気化させる毛細管芯（５８）であって、前記伝熱流体すべてを気体の状態で前記第２の熱交換器の出口（５２）へ送り出すことができる毛細管芯を備える、請求項２に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項4】

前記閉回路（２８）が、前記伝熱流体の循環のための機械式ポンプを持たない毛細管圧送ループである、請求項２または３に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項5】

前記第２の熱交換器（２６）が傾斜面上に配置され、前記第２の熱交換器の入口（５０）が前記第２の熱交換器の出口（５２）より上方に配置される、請求項２から４のいずれか一項に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項6】

前記第２の熱交換器（２６）の前記入口（５０）が、前記二次分岐（３４）の前記入口（４０）よりも低い位置にある、請求項５に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項7】

前記伝熱流体（３０）が、フッ素を含まない化合物、好ましくはアセトンである、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力モジュール（１２）。

【請求項8】

前記主ループ（３２）の前記第１の部位（３６）が、前記第１の部位の各々の端部に配置された分流器（４４）および合流器（４６）によって複数の第２の部位（３７）に接続され、伝熱流体の前記回路（２８）が複数の二次分岐（３４）を備え、前記分岐の各々が前記第２の部位（３７）のいずれか１つに接続される、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力モジュール（１２）であって、複数の第２の熱交換器（２６）を備え、前記交換器の各々が前記二次分岐（３４）のいずれか１つに配置される、電力モジュール（１２）。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一項に記載の電力モジュール（１２）を備える鉄道車両用駆動ボックス（１４）。

【請求項10】

電動機と、請求項９に記載の駆動ボックス（１４）とを具備する駆動ラインを備える鉄道車両（１０）であって、前記駆動ボックスが好ましくは前記車両の屋根に位置する、鉄道車両（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車両、特に鉄道車両のための電力モジュールであって、電流の変換に寄与するものである発熱性機器と、二相の伝熱流体の閉回路と、前記伝熱流体の熱を空気流に移転できる第１の熱交換器と、発熱性機器の熱を伝熱流体に移転できる第２の熱交換器とを備えるタイプの電力モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

このような冷却システム付き電力モジュールについては、特に文献ＥＰ２２９１０６７に記載がある。冷却システムは、第２の熱交換器への供給用として、外部制御型加熱冷却手段を装備した二相の伝熱流体のタンクを特に備える。

【0003】

この装置は、電力モジュールから放出される熱に応じて冷却システムの性能を変化させるために、回路内の伝熱流体の圧送流量を調節することができる。

【0004】

そのような電力モジュールでは、回路内の伝熱流体の循環は、第２の熱交換器内における流体の気化などによって行われる。しかし、ポンプの作動温度は８０℃近くにもなり、それでは電力モジュールの電子機器には高すぎるものとなる可能性がある。

【0005】

また、このような冷却システムには、潜熱が大きい伝熱流体を使用する必要がある。そうした制約があるため、メタノールのような有毒な流体が使用されることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】ＥＰ２２９１０６７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、冷却システムに変更を加えることで、システムの性能を低下させることなく、それらの不都合を是正することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

そのため、本発明は、前述のタイプの電力モジュールであって、伝熱流体の回路が主ループと二次分岐を備え、主ループが互いに接続された第１の部位と第２の部位を備え、第１の熱交換器が前記第１の部位に配置され、二次分岐の入口と出口が主ループの第２の部位に連結され、前記入口が、前記第２の部位において主ループ内の伝熱流体の循環方向に沿って前記出口の下流側に配置され、第２の熱交換器が前記二次分岐に配置される、電力モジュールを対象とする。

【0009】

本発明のその他の有利な態様によれば、電力モジュールは、以下のいずれか１つまたは複数の特徴を単独または技術的に可能なあらゆる組合せで取り上げたものを含む。
－ 第２の熱交換器は、二相の伝熱流体が通る少なくとも１つの毛細管蒸発器を備え、前記伝熱流体は、そのまたは各々の毛細管蒸発器内の気液界面のレベルで発生する圧力の作用で閉回路内を循環する。
－ そのまたは各々の毛細管蒸発器は、第２の熱交換器の入口から液体の状態で受け取る伝熱流体を完全に気化させる毛細管芯であって、前記伝熱流体すべてを気体の状態で前記第２の熱交換器の出口へ送り出すことができる毛細管芯を備える。
－ 閉回路は、伝熱流体の循環のための機械式ポンプを持たない毛細管圧送ループである。
－ 第２の熱交換器は傾斜面上に配置され、前記第２の熱交換器の入口は前記第２の熱交換器の出口より上方に配置される。
－ 第２の熱交換器の入口は、二次分岐の入口よりも低い位置にある。
－ 伝熱流体は、フッ素を含まない化合物、好ましくはアセトンである。
－ 主ループの第１の部位は、前記第１の部位の各々の端部に配置された分流器および合流器によって複数の第２の部位に接続され、伝熱流体の回路は複数の二次分岐を備え、前記分岐の各々は前記第２の部位のいずれか１つに接続され、電力モジュールは複数の第２の熱交換器を備え、前記交換器の各々は前記二次分岐のいずれか１つに配置される。

【0010】

本発明はさらに、上述のような電力モジュールを備える駆動ボックスにも関する。

【0011】

本発明はさらに、電動機と、上述のような駆動ボックスとを具備する駆動ラインを備える鉄道車両であって、前記駆動ボックスが好ましくは前記車両の屋根に位置する鉄道車両にも関する。

【0012】

本発明は、図面を参照しながら、もっぱら限定的でない例としてのみ示す以下の説明を読むことによってよりよく理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態による冷却装置付き電力モジュールを備える鉄道車両を、正面から見た断面による部分概略図である。

【図2】図１の冷却装置の概略図である。

【図3】図１および図２の冷却装置を上から見た概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、電力モジュール１２、すなわち電力変換器、を備える鉄道車両１０を示している。鉄道車両１０は、たとえば、客車または貨車からなる列車の動力車両である。鉄道車両１０は、電力モジュール１２によって電力の供給を受ける、駆動ラインの電動機（図示せず）を備える。

【0015】

鉄道車両１０は、図１に示すように前記車両の屋根に位置する駆動ボックス１４を特に備える。

【0016】

Ｚ方向が鉛直線、Ｘ方向が鉄道車両１０の移動の長手方向、Ｙ方向が水平な横断方向に相当する正規直交基底（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を考える。

【0017】

駆動ボックス１４の外側面は、ほぼ平面（Ｘ、Ｙ）内に配置された中央パネル１６と、中央パネル１６の両側に位置する側方パネル１７とによって画定される。側方パネル１７は鉄道車両１０の正中面（Ｘ、Ｙ）に関して互いにほぼ対称形をなす。図１には１つのみの側方パネル１７が示されている。

【0018】

各々の側方パネル１７は傾斜しており、中央パネル１６と接する端部は反対側の端部よりも高い。そのため、駆動ボックス１４の形状は従来からの凸形となる。参考として、側方パネルは、水平に対して２０°から６０°の角度で傾斜する。

【0019】

また、駆動ボックス１４は、側方パネル１７とほぼ平行な少なくとも１つの傾斜面１８であって、前記側方パネルの下に配置された傾斜面を有する内部構造を備える。前記側方パネル１７と前記傾斜面１８との間にある空間は、駆動ボックス１４の内部区画１９を形成する。

【0020】

電力モジュール１２は、発熱し得る少なくとも１つの変換ユニット２０と、その少なくとも１つのユニット２０の冷却装置２２とを備える。好ましくは、電力モジュール１２は、ほぼ同一の複数の変換ユニット２０を備え、冷却装置２２は、前記ユニットの各々を冷却することができる。

【0021】

好ましくは、電力モジュール１２は、そのまたは複数の変換ユニット２０に電気的に接続された少なくとも１つのフィルタコンデンサ２４をさらに備える。

【0022】

変換ユニット２０は、接続装置によって接続されたトランジスタ型の複数の半導体装置を特に備える。好ましくは、半導体装置は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。ＩＧＢＴは、変換ユニット２０では特にスイッチ機能を有する。

【0023】

その変換ユニット２０または少なくとも１つの変換ユニット２０は、駆動ボックス１４の内部区画１９内に配置されることが好ましい。

【0024】

図２に模式的に示した冷却装置２２は、第１の熱交換器２５および少なくとも１つの第２の熱交換器２６と、前記第１の交換器２５と第２の交換器２６をつなぐ閉じた流体回路２８とを備える。前記流体回路２８内を二相の伝熱流体３０が循環する。

【0025】

伝熱流体３０は、フッ素を含まない化合物であることが好ましく、より好ましくはアセトンである。メタノールを使用することもできる。ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系のフッ素化気体であるＲ－１２３３ｚｄ（Ｅ）ガスおよびＲ－１３３６ｍｚｚ（Ｚ）ガスを使用することもできる。

【0026】

第１の熱交換器２５は、流体回路２８の伝熱流体３０と外部の空気、特に鉄道車両１０の移動によって発生する空気流との間で熱交換を行うことができる。これを混合対流という。変形形態では、流体回路２８の伝熱流体３０と外部の空気との熱交換は、（勾配現象による）自然対流か、または（流体の人為的な循環による）強制対流によって行われる。

【0027】

第１の熱交換器２５は、たとえばフィン付き放熱器である。前記第１の熱交換器は、横断方向Ｙに沿って駆動ボックス１４の中央に、すなわち中央パネル１６の下に配置されることが好ましい。

【0028】

第２の熱交換器２６は、変換ユニット２０と流体回路２８の伝熱流体３０との間の熱交換を行うことができる。そこで、第２の熱交換器２６は、変換ユニット２０と熱的に接触するように配置される。好ましくは、前記変換ユニットのＩＧＢＴは、第２の熱交換器２６と熱的に接触する。

【0029】

ＩＧＢＴと第２の熱交換器２６との間の効果的な熱的接触は、乾式界面タイプなどの、とりわけグラファイト製の、熱伝導性界面を通して実現される。

【0030】

第２の熱交換器２６は、駆動ボックス１４の内部区画１９に、たとえば傾斜面１８に当接する形で、配置されることが好ましい。第２の熱交換器２６の好ましい構造についてはこの先で詳述する。

【0031】

流体回路２８は、主ループ３２と二次分岐３４を特に備える。主ループ３２は、互いに接続された第１の部位３６と第２の部位３７を備える。

【0032】

第１の熱交換器２５は、主ループ３２の第１の部位３６に配置され、入口３８と出口３９を備える。好ましくは、出口３９は、鉛直線を基準として入口３８よりも低い位置になる。

【0033】

二次分岐３４は、主ループ３２のうち、インゼクタとも呼ばれる第２の部位３７に接続される。より詳細には、二次分岐の入口４０と出口４２はインゼクタ３７に接続され、前記入口４０は、主ループ３２内の伝熱流体の循環方向に沿って前記出口４２の下流側に配置される。

【0034】

第２の熱交換器２６は、二次分岐３４に配置される。

【0035】

二次分岐３４の出口４２は、鉛直線を基準として入口４０よりも低いことが好ましい。二次分岐３４の入口４０の位置は、鉛直線を基準として合流器４６と比べて、かつ／または第１の熱交換器２５の入口３８と比べて、低いことが好ましい。

【0036】

好ましくは、主ループ３２の第１の部位３６は、前記第１の部位３６の各々の端部に配置された分流器４４および合流器４６によってインゼクタ３７と接続される。より好ましくは、流体回路２８は、分流器４４および合流器４６によって第１の部位３６に接続された複数のインゼクタ３７と、各々がインゼクタ３７に接続された複数の二次分岐３４とを備え、冷却装置２２は、各々が前記二次分岐３４のいずれか１つに配置された複数の第２の熱交換器２６を備える。第２の熱交換器２６の各々は、電力モジュール１２の変換ユニット２０と熱的に接触した状態で配置される。

【0037】

図３にさらに詳しく示した第２の熱交換器２６について、以下にさらに詳しく説明する。電力モジュール１２が複数の第２の熱交換器２６を備える場合、それらはほぼ同一であるとみなす。

【0038】

第２の熱交換器２６は、入口５０と、出口５２と、それら入口５０と出口５２との間に配置された少なくとも１つの毛細管蒸発器５４とを備える。

【0039】

好ましくは、入口５０は、鉛直線沿いに出口５２よりも高い位置になる。図１に示す実施形態では、第２の熱交換器２６は、特に傾斜面１８上に配置される。

【0040】

より好ましくは、二次分岐３４の入口４０、第２の熱交換器２６の入口５０および出口５２、二次分岐３４の出口４２は、この順で上から下に配置される。

【0041】

図３に示された実施形態では、入口５０および出口５２は、それぞれ分流管および合流管によって形成され、第２の熱交換器２６は、並列に配置された複数の毛細管蒸発器５４を備える。第２の熱交換器２６の毛細管蒸発器の数は、１から３であることが好ましい。

【0042】

図３に示された実施形態では、第２の熱交換器２６は、毛細管蒸発器５４を支える外装５５をさらに備える。

【0043】

各々の毛細管蒸発器５４は、正方形の断面を持ち、ほぼ軸５６に沿って延びる細長い形状をなし、外枠５７と、前記外枠内に収められた毛細管芯５８と、毛細管芯５８によって境界が与えられる内室６０とを備える。図示した実施形態では、軸５６は、ほぼ（Ｙ、Ｚ）平面内に配置され、鉛直線に対して傾斜している。

【0044】

内室６０の第１の軸方向端部は、第２の熱交換器２６の入口５０を形成する分流管に接続される。第１の端部よりも低い位置にある前記内室の第２の軸方向端部は、毛細管芯５８によって閉じられる。

【0045】

外枠５７の第１の軸方向端部は、毛細管芯５８によって閉じられる。第１の端部よりも低い位置にある枠の第２の端部は、第２の熱交換器２６の出口５２を形成する合流管に接続される。

【0046】

毛細管芯５８は、多孔質の材料、より詳細には前記内室６０と外枠５７をつなぐメニスカス（図示せず）を含む材料によって形成される。

【0047】

この先で説明するように、そのまたは複数の毛細管蒸発器５４は、閉じた流体回路２８内で流体３０を循環させるものである。好ましくは、前記流体回路２８は、その一方で伝熱流体３０循環用の機械式ポンプを備えず、前記循環は、そのまたは複数の毛細管蒸発器５４によってのみ果たされる。

【0048】

以下では、電力モジュール１２の動作について説明する。

【0049】

上に説明した鉄道車両の駆動ラインの電動機は、前記鉄道車両の移動のために運転される。さらに、電力モジュール１２の少なくとも１つの変換ユニット２０も運転される。そのため、前記変換ユニットの構成機器、特にＩＧＢＴは熱を放出し、その熱は、第２の熱交換器２６の外装５５を通して伝導によって毛細管蒸発器５４の外枠５７まで拡散する。すると、前記外枠のレベルで伝熱流体３０が気化することにより、毛細管蒸発器によって形成されるポンプが作動し始める。この自己加圧によって熱サイホンの開始温度を下げることができる。

【0050】

それにより、伝熱流体３０は、入口５０のレベルでは液体の状態で第２の熱交換器２６内に入り、毛細管芯５８を通り抜ける間に気化し、前記交換器の出口５２のレベルでは蒸気の状態となって出る。それにより、伝熱流体３０は、変換ユニット２０から出された熱を第２の熱交換器２６を通して吸収する。

【0051】

そこで生じた蒸気は、続いて、流体回路２８の下部に位置する二次分岐３４の出口４２に合流する。それにより、インゼクタ３７内では、主ループ３２内を循環する液体の伝熱流体３０に気泡６２が混じり合う。前記泡６２の存在は、合流器４６に向けて下から上昇する前記流体の循環を助ける。また、泡６２によって運ばれる熱は、液体の伝熱流体３０を温めるため、それもまたその上方への移動には有利に作用する。

【0052】

その後、二相の伝熱流体３０は、流体回路２８の第１の部位３６に入り込み、第１の熱交換器２５の入口３８へと至る。前記第１の交換器のレベルで、伝熱流体３０は、鉄道車両の移動などによって生じる空気流に熱を移転する。前記伝熱流体３０内の気体濃度は低下する。また、前記流体の温度も下がるため、第１の熱交換器２５の出口３９に向けて下降するその移動には有利となる。

【0053】

冷却された伝熱流体３０は、分流器４４のレベルでインゼクタ３７に合流し、さらに上述の二次分岐３４の出口４２のレベルへと至ることで、回路２８内の前記流体３０の循環サイクルが維持される。

【0054】

こうして、流体回路２８の主ループ３２は、熱サイホンの原理に従って動作するが、流体３０の速度は、二次分岐３４の出口４２で気泡６２が注入されることによって増す。

【0055】

文献ＥＰ２２９１０６７に記されているような既知の毛細管圧送システムと比較すると、この流体速度の増大によって、より小さな潜熱の伝熱流体を、冷却装置の性能低下を来すことなく使用することが可能となる。そのため、メタノールよりも毒性の低いアセトンの類の流体を伝熱流体３０として使用することが可能となる。

【0056】

二次分岐３４の入口４０のレベルでは、流体３０の第１の部分はインゼクタ３７内に残り、前記流体の第２の部分は、第２の熱交換器２６の方へ移動する。第２の熱交換器２６の位置が傾斜しているため、気泡６２は前記第２の熱交換器２６に入りづらい。そのため、伝熱流体３０は、各々の毛細管蒸発器５４の内室６０内に液体の状態で入り、その後、毛細管芯５８の中で気化する。

【0057】

文献ＥＰ２２９１０６７に記されている毛細管蒸発器の場合とは異なり、毛細管芯５８における伝熱流体３０の気化温度は一定ではなく、前記温度は、第１の交換器２５における熱交換条件に応じた範囲内で変わり得る。

【0058】

このような装置は、文献ＥＰ２２９１０６７に記されている流体タンクを、さらには前記タンクの熱制御手段の駆動を不要とすることができる。

【符号の説明】

【0059】

１０ 車両
１２ 電力モジュール
１４ 駆動ボックス
１６ 中央パネル
１７ 側方パネル
１８ 傾斜面
１９ 内部区画
２０ 変換ユニット、発熱性機器
２２ 冷却装置
２４ フィルタコンデンサ
２５ 第１の熱交換器
２６ 第２の熱交換器
２８ 閉回路
３０ 伝熱流体
３２ 主ループ
３４ 二次分岐
３６ 第１の部位
３７ 第２の部位、インゼクタ
３８ 入口
３９ 出口
４０ 入口
４２ 出口
４４ 分流器、分流管
４６ 合流器、合流管
５０ 入口
５２ 出口
５４ 毛細管蒸発器
５５ 外装
５６ 軸
５７ 外枠
５８ 毛細管芯
６２ 気泡

【図1】

【図2】

【図3】

【外国語明細書】