(57)【要約】  ヒートシンク４は、ラジエータ６と循環ポンプ７との間に配設される。循環ポンプ７を含まない側の冷却配管５に沿うラジエータ６とヒートシンク４との間の経路長である第１の経路長Ａおよび、ラジエータ６を含まない側の冷却配管５に沿う循環ポンプ７とヒートシンク４との間の経路長である第２の経路長Ｂは、ヒートシンク４を含まない側の冷却配管５に沿うラジエータ６と循環ポンプ７との間の経路長である第３の経路長Ｃよりも短く設定される。冷却配管５（５ａ，５ｂ，５ｃ）には、高伝導率の金属性材である金属スパイラル２０が冷却配管５の外周面に接して螺旋状に巻回されている。
2012108053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
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４に記載の冷却装置。
【請求項６】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項７】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
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１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環液冷方式の冷却装置および、この種の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、循環液冷方式の冷却装置では、冷却装置の冷媒（冷却液）として、当該冷却装置に要求される仕様の最低温度よりも冷却液の凍結温度を低くするために、所要量の添加物を加えなければならなかった。凍結温度を下げる添加物は、一般的に冷却性能を悪化させることに繋がるため、温度が高い状態において充分な冷却性能を得るためには、冷却装置が大型化するという課題があった。【０００３】
一方、下記特許文献１には、インバータ装置と冷却装置とを冷却配管で接続し、冷却装置から冷却水を冷却配管に通水して循環させ、インバータ装置を冷却する際、外気温低下による冷却水温低下時にインバータ装置を無負荷運転させて発熱させ、その熱で冷却水温を上昇させて冷却水の凍結を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１９９６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示される技術は、冷却装置の凍結を防止する技術であり、冷却装置の凍結が予期される場合には、非動作時においてもインバータ装置を動作させなければならないという問題点がある。【０００６】
なお、上記特許文献１に示される技術を採用した上で、非動作時の一時的な凍結を許容する冷却装置として構成することも考え得る。しかしながら、このような装置では、例えば冷却液が配される冷却配管の部分が長い場合、インバータ装置を無負荷運転させて発熱させても、冷却配管の一部が凍結したままの状態で循環冷却の機能が働かない間に被冷却体である半導体スイッチング素子が許容最高温度を超えてしまい、インバータ装置の運転を継続した場合に、半導体スイッチング素子が損傷に至るおそれがあるという問題点がある。【０００７】
また、このような装置の場合、インバータ装置の無負荷運転を一時的に停止して半導体スイッチング素子の温度が低下するのを待ち、再度無負荷運転することも考えられる。しかしながら、このような手法では、インバータ装置の運転および停止を繰り返し行う必要があり、装置を稼働状態にするのに多くの時間を要するという問題点があった。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、凍結防止のための加温制御を行うことなく非動作時の一時的な凍結を許容するとともに、予熱装置等を用いずに凍結した冷却配管内の冷却液を効果的に融解して短時間に動作可能状態に移行することのできる冷却装置および当該冷却装置を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、前記冷却配管には、高伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、凍結防止のための加温制御を行うことなく非動作時の一時的な凍結を許容するとともに、予熱装置等を用いずに凍結した冷却配管内の冷却液を効果的に融解して短時間に動作可能状態に移行することのできる冷却装置および電力変換装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態１に係る冷却装置の冷却構造を模式的に示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図３】図３は、ラジエータおよび循環ポンプの周辺部に温度センサを備える構成を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態２に係る冷却装置の冷却構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる冷却装置および電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の冷却構造を模式的に示す図である。図１において、冷却配管５は、例えば樹脂等の素材を用いた可撓性のある中空の菅（パイプ）であり、発熱源であり被冷却体でもあるスイッチング素子モジュール１０と、冷却媒体である冷却液を冷却する熱交換器であるラジエータ６と、冷却液を循環させるための循環ポンプ７と、冷却液を補充し冷却液の体積変化を吸収するためリザーブタンク８とをそれぞれ連結して成る。ラジエータ６には、冷却液を強制冷却するための送風機９が取り付けられている。スイッチング素子モジュール１０は、スイッチング素子３とヒートシンク４を有して成り、ヒートシンク４内に冷却配管５が挿通されている。
【００１４】
スイッチング素子モジュール１０は、ラジエータ６と循環ポンプ７との間に配設され、且つ、冷却配管５の全体から見て、スイッチング素子モジュール１０、ラジエータ６および循環ポンプ７が近接して配置されている。冷却配管５には、金属性材を螺旋状に巻いた金属スパイラル２０が設けられている。この金属スパイラル２０は、スイッチング素子モジュール１０で発生した熱が冷却配管５の隅々まで迅速に移動できるよう冷却配管５の外周面に密着し、且つ、螺旋部分が密接するように巻回されている。
【００１５】
また、冷却配管５は、図１に示すように、冷却配管５ａ，５ｂ，５ｃの３つの部分に分かれている。冷却配管５ａはラジエータ６とヒートシンク４との間に配設される部分であり、冷却配管５ｂはヒートシンク４と循環ポンプ７との間に配設される部分であり、冷却配管５ｃはラジエータ６と循環ポンプ７との間に配設される部分である。冷却配管５ａの経路長、すなわち循環ポンプ７を含まない側の冷却配管５に沿うラジエータ６とヒートシンク４（スイッチング素子モジュール１０）との間の経路長（第１の経路長）をＡとする。また、以下同様に、冷却配管５ｂの経路長、すなわちラジエータ６を含まない側の冷却配管５に沿う循環ポンプ７とヒートシンク４（スイッチング素子モジュール１０）との間の経路長（第２の経路長）をＢとし、冷却配管５ｃの経路長、すなわちヒートシンク４（スイッチング素子モジュール１０）を含まない側の冷却配管５に沿うラジエータ６と循環ポンプ７との間の経路長（第３の経路長）をＣとする。このように定義するとき、これら第１〜第３の経路長の間には、Ａ＜ＣおよびＢ＜Ｃの関係が成り立つ。一方、ＡとＢとについては、ラジエータ６および循環ポンプ７の熱容量に依存して大小関係が変化し得るため、一義的には決まらない。なお、これら各経路長Ａ，Ｂ，Ｃ間の更なる関係については、後述する。
【００１６】
また、冷却配管５内の冷却液としては、水あるいは低温時の冷却液の凍結を抑制する添加物（例えばエチレングリコール）を含む水溶液、あるいは油脂性の溶液などを用いることが可能である。ただし、本実施の形態に係る冷却装置の意義および効果を最も際だたせる冷却液は、エチレングリコールなどの凍結防止液を混入させない水である。凍結防止液は、冷却液の熱伝導性を低下させ冷却性能を低下させるので、可能な限り不純物を混入させないことが好ましい実施の形態となる。
【００１７】
図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。図２に示す電力変換装置は、交流入力の電気車に適用される電力変換装置の一構成例であり、コンバータ部１、インバータ部２および、フィルタコンデンサ１４を有して構成される。
【００１８】
図２において、架線１１からパンタグラフ１２を介して集電された交流は、変圧器１３によって降圧され、コンバータ部１によって直流に変換される。この直流に変換された電力は、フィルタコンデンサ１４を介し、インバータ部２によって可変電圧可変周波数の３相交流として誘導電動機１５に出力され、誘導電動機１５が搭載される例えば電気車の加減速を制御する。
【００１９】
上記コンバータ部１およびインバータ部２を構成する複数のスイッチング素子３は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧型半導体素子を用いて構成される。本実施の形態のスイッチング素子３の場合、図２に示すように、ＩＧＢＴ１６と、このＩＧＢＴ１６に逆並列に接続されるダイオード１７とが一体的にモジュール化されたスイッチング素子を例示している。
【００２０】
なお、図２では、実施の形態１に係る電力変換装置の好適な例として、交流入力の電気車に適用する場合を一例として示したが、地下鉄や郊外電気車等に多用される直流入力の電気車に対しても同様に適用することができる。直流入力の電気車に適用する場合、変圧器１３およびコンバータ部１の構成が不要となる点を除き、図２と同等の構成を採ることができ、本実施の形態にかかる内容を当該直流入力の電気車に適用することも無論可能である。
【００２１】
つぎに、本実施の形態に係る冷却装置の通常時の動作について説明する。上記構成において、電力変換装置が作動するとスイッチング素子３が発熱する。スイッチング素子３は、ヒートシンク４によって冷却される。一方、このヒートシンク４を介してスイッチング素子３からの放熱によって温度が上昇した冷却液は、循環ポンプ７によって冷却配管５内を移動し、ラジエータ６により空気との熱交換で冷却される。このようにしてスイッチング素子３の温度上昇が抑えられ、電力変換装置の連続運転が可能となる。
【００２２】
つぎに、本実施の形態に係る冷却装置における前提条件について説明する。まず、本実施の形態に係る冷却装置に用いられる冷媒（冷却液）の凍結温度は、この冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも高いことが前提である。冷却装置が適用される仕様の最低温度が例えば−１０℃であるとき、冷媒として例えば水を用いた場合には、最低温度（−１０℃）＜凍結温度（０℃）である。また、冷却装置が適用される仕様の最低温度が例えば−４０℃であるとき、凍結防止剤として例えばエチレングリコールを所要量加えて凍結温度を例えば−２０℃程度に設定した場合でも、最低温度（−４０℃）＜凍結温度（−２０℃）の関係がある。
【００２３】
なお、冷却装置に適用される仕様の最低温度が−４０℃であるとき、例えば１０数年に１度の寒波が襲来して外気温が−５０℃になった場合、意図しない冷却液の凍結が生じてしまう。しかしながら、上記のような前提条件をもって冷却装置を構成した場合、すなわち、冷却液が凍結することを前提とした装置構成である場合、このような意図しない冷却液の凍結現象にも迅速かつ問題なく対応することが可能である。また、極めて低い確率でしか生じないような事象に対応させた装置設計を行っていないのにも関わらず、当該事象に対応できるという利点あり、コスト低減および装置の小型化に大きく寄与することができるという効果が得られる。
【００２４】
つぎに、本実施の形態に係る冷却装置の凍結時の動作について図１を参照して説明する。まず、冷却液が凍結した場合、冷却液が冷却配管５内を循環しないので、冷却装置は機能しない。一方、本実施の形態の冷却装置では、冷却液が凍結した場合、スイッチング素子モジュール１０を強制的に動作させる。スイッチング素子モジュール１０が動作すると、スイッチング素子３が発熱するのでその熱量がヒートシンク４に移動し、さらに金属スパイラル２０に伝わる。金属スパイラル２０は、銅や銀などの伝導率の高い物質を用いて形成されるとともに、本実施の形態の冷却装置では、ヒートシンク４とラジエータ６との間、およびヒートシンク４と循環ポンプ７との間の経路長が短いので、熱容量の大きなラジエータ６および循環ポンプ７に対する熱移送が短時間で行われる。
【００２５】
熱容量の大きなラジエータ６および循環ポンプ７内の冷却液が融解してしまえば、冷却配管５以外に熱容量の大きな他の構造物はない。また、熱容量の大きなラジエータ６および循環ポンプ７内の冷却液が融解していれば、冷却配管５ｃ内の冷却液の一部も融解し冷却液全体がシャーベット状の液化状態になっていることが予想される。したがって、スイッチング素子モジュール１０を動作させることに加え、循環ポンプ７を動作させることにより熱移送の効果が増大し、冷却装置を動作可能状態にするスピードを促進することができる。例えば、図３に示すようにラジエータ６および循環ポンプ７の周辺部に温度センサ１８ａおよび１８ｂを備え、これら温度センサ１８ａ，１８ｂの一つが所定値以上になった場合に循環ポンプ７を動作させるようにすればよい。
【００２６】
なお、温度センサは２つである必要はなく、１つであってもよいし、３つ以上備えていても構わない。また、温度センサの位置は冷却液の循環経路上であればよく、特に限定されるものではないが、ラジエータ６または循環ポンプ７の周辺部であれば、より好ましい。
【００２７】
また、本実施の形態では、図１に示すように、リザーブタンク８を冷却配管の中では最も長い冷却配管５ｃに配置するようにしているが、リザーブタンク８の熱容量はラジエータ６および循環ポンプ７に比して大きくないので、他の配管部分（冷却配管５ａ，５ｂ）に接続しても構わない。
【００２８】
また、本実施の形態では、第１の経路長Ａおよび第２の経路長Ｂの大小関係について、一義的には定まらないと説明したが、もし、ラジエータ６と循環ポンプ７との間に熱容量の大きな差異がある場合には、熱容量の大きな構造体と熱容量の小さな構造体とが、ほぼ同時期に融解するように、熱容量の大きな構造体に接続される冷却配管の経路長が短くなるように配置すればよい。
【００２９】
また、本実施の形態では、冷却配管５に螺旋状に巻回する金属性材（金属スパイラル）として銅や銀などの熱伝導率の高い物質を一例として示したが、この種の金属製材に限定されるものではない。例えば、カーボンナノチューブの場合、その熱伝導率は、銀や銅の十倍から十数倍までに達するものもあると言われている。カーボンナノチューブの場合、本出願時において充分な供給体制が整っているわけではないが、今後ブレークスルーする技術であり、本実施の形態の冷却装置に用いて好適である。
【００３０】
また、本実施の形態では、図１に示すように、冷却配管５の全周に金属性材を巻回する実施形態を示したが、これに限定されることはなく、例えば冷却配管５ａのみ、あるいは冷却配管５ｂのみに金属性材を巻回するようにしてもよい。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態に係る冷却装置によれば、凍結温度を下げる添加物を用いず、あるいは用いたとしてもその量を抑制することにより高温時の冷却性能を向上させることができるとともに、余熱装置や加温装置などの付加装置が不要になるという効果が得られる。
【００３２】
また、本実施の形態に係る冷却装置によれば、凍結温度を下げる添加物を用いず、あるいは用いたとしてもその量を抑制することができるので、高温時の冷却性能を向上させることができ、冷却性能を同一のものとすれば装置の小型化が可能となる。
【００３３】
また、本実施の形態に係る冷却装置によれば、冷却配管として可撓性のある樹脂製のパイプを使用することができるので、冷却配管の配設に柔軟性を持たすことができるという効果が得られる。
【００３４】
また、本実施の形態に係る冷却装置によれば、発熱源の発熱が急激な場合にも、冷却装置全体の冷却液が素早く液化されて冷却機能を回復するよう冷却配管に金属性材を螺旋状に密接かつ密着して巻回するとともに、ラジエータと循環ポンプとの間に発熱源であるスイッチング素子モジュールを配設する構成としたので、スイッチング素子が最高許容温度に達する前に冷却装置を動作可能状態に移行することができるという効果が得られる。
【００３５】
また、本実施の形態に係る冷却装置によれば、冷却液が凍結することを前提とした装置構成としているので、意図しない冷却液の凍結現象にも迅速かつ問題なくに対応することができるという効果が得られる。また、極めて低い確率でしか生じないような事象に対応させた装置設計を行うことがないのにも関わらず、当該事象に対応することができるという利点があり、コスト低減および装置の小型化に大きく寄与することができるという効果が得られる。
【００３６】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る冷却装置の冷却構造を模式的に示す図である。実施の形態１に係る冷却装置では、ラジエータ６とヒートシンク４との間に配設される冷却配管５ａおよび、ヒートシンク４と循環ポンプ７との間に配設される冷却配管５ｂには金属スパイラル２０が巻回されていたが、実施の形態２では、これらの冷却配管５ａ，５ｂを金属製のパイプである冷却配管５ａ’，５ｂ’を用いて構成している。
【００３７】
実施の形態１のように、可撓性のある冷却配管５ａ，５ｂを用いた場合には、冷却配管の配設を柔軟に行うことができるものの、冷却配管５ａ，５ｂに金属スパイラル２０を巻回する必要があった。一方、本実施の形態のように、金属製である冷却配管５ａ’，５ｂ’を用いた場合には、金属スパイラル２０を巻回する作業が不要となる。また、実施の形態１，２の冷却装置の場合、ラジエータ６とヒートシンク４との間の距離および、循環ポンプ７とヒートシンク４との間の距離が短いので、熱伝導性の高い金属製のパイプを用いることができる。
【００３８】
また、これら冷却配管５ａ’，５ｂ’としては、熱伝導性の高い銀、銅などの金属を用いて構成することが好ましい。熱伝導性の高い金属であれば、ラジエータ６とヒートシンク４との間および、循環ポンプ７とヒートシンク４との間の熱移送が迅速に行われるので、実施の形態１と同様な効果が得られる。
【００３９】
実施の形態３．
実施の形態３では、電力変換装置のコンバータ部１およびインバータ部２に具備されるスイッチング素子について説明する。電力変換装置で用いられるスイッチング素子としては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体トランジスタ素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）と、同じく珪素を素材とする半導体ダイオード素子とを逆並列に接続した構成のものが一般的である。上記実施の形態１，２で説明した技術は、この一般的なスイッチング素子を具備するインバータ部およびコンバータ部に用いることができる。
【００４０】
一方、上記実施の形態１，２の技術は、珪素を素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。この珪素に代え、近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）を素材とするスイッチング素子を具備するコンバータ部１およびインバータ部２に用いることも無論可能である。
【００４１】
ここで、炭化珪素は、高温度での使用が可能であるという特徴を有しているので、コンバータ部１またはインバータ部２に具備されるスイッチング素子として炭化珪素を素材とするものを用いれば、スイッチング素子モジュールの許容動作温度を高温側に引き上げることが可能である。このため、炭化珪素を素材とするスイッチング素子を用いた場合、単位時間あたりの発熱量を増加させてもスイッチング素子を許容温度領域に留めておくことができ、珪素を素材とするスイッチング素子を用いた場合に比べて、凍結した冷却液の融解速度を高めることが可能となる。
【００４２】
なお、炭化珪素（ＳｉＣ）は、珪素（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。この炭化珪素以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンド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、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、炭化珪素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、本発明の要旨を成すものである。
【００４３】
また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、トランジスタ素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたトランジスタ素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
【００４４】
また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、耐熱性も高いため、ヒートシンクの小型化が可能となり、スイッチング素子モジュールの更なる小型化が可能になる。
【００４５】
さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたトランジスタ素子やダイオード素子は、電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いてはスイッチング素子モジュールの高効率化が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明は、循環液冷方式の冷却装置および、この種の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１  コンバータ部
２  インバータ部
３  スイッチング素子
４  ヒートシンク
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’  冷却配管
６  ラジエータ
７  循環ポンプ
８  リザーブタンク
９  送風機
１０  スイッチング素子モジュール
１１  架線
１２  パンタグラフ
１３  変圧器
１４  フィルタコンデンサ
１５  誘導電動機
１６  ＩＧＢＴ
１７  ダイオード
２０  金属スパイラル
【図１】
2012108053.tif 000003
【図２】
2012108053.tif 000004
【図３】
2012108053.tif 000005
【図４】
2012108053.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月9日(2011.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
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４に記載の冷却装置。
【請求項６】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項７】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
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１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高伝導率性材が巻回または使用されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項１４】
前記被冷却体は、電力変換装置に適用されるスイッチング素子であることを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月24日(2011.11.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、前記冷却配管には、高熱伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高熱伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
熱交換器、循環ポンプおよび被冷却体における各２つの要素間を冷却配管で接続した循環液冷方式の冷却装置において、
前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設されており、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高熱伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高熱伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
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４に記載の冷却装置。
【請求項６】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項７】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管には、高熱伝導率の金属性材が当該冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
被冷却体であるスイッチング素子モジュールが循環液冷方式の冷却装置にて冷却可能に構成される電力変換装置において、
前記冷却装置は、熱交換器、循環ポンプおよび前記被冷却体における各２つの要素間が冷却配管で接続され、且つ、前記被冷却体は、前記熱交換器と前記循環ポンプとの間に配設され、
前記循環ポンプを含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記被冷却体との間の経路長である第１の経路長および、前記熱交換器を含まない側の前記冷却配管に沿う前記循環ポンプと前記被冷却体との間の経路長である第２の経路長の夫々は、前記被冷却体を含まない側の前記冷却配管に沿う前記熱交換器と前記循環ポンプとの間の経路長である第３の経路長よりも短く設定され、
前記冷却配管のうち、前記第３の経路長の部分には高熱伝導率の金属性材が冷却配管の外周面に接して螺旋状に巻回されるとともに、前記第１および第２の経路長の部分は冷却配管自身が高熱伝導率の金属性材で形成されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
前記冷却配管内を循環する冷却液の凍結温度は、冷却装置に適用される仕様の最低温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記被冷却体を構成するスイッチング素子モジュールは、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
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１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
冷却液の循環経路上に温度センサを備えたことを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記被冷却体は、電力変換装置に適用されるスイッチング素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項１４】
前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１３に記載の冷却装置。
【国際調査報告】
2012108053.tif 000007
2012108053.tif 000008
2012108053.tif 000009
2012108053.tif 000010