(57)【要約】【課題】自励振動ヒートパイプによる冷却装置の性能を向上させ、かつ振動に対する強度を確保し、冷却装置としての製作性を向上させる。【解決手段】冷却装置として、例えば、発熱源を片面に設けた受熱板と、受熱板の反対側の面に設けた自励振動ヒートパイプとを備え、自励振動ヒートパイプは、液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入された流路を内部に設けたプレートが長手方向に対して複数回往復に折り曲げられた構造を有し、当該往復に折り曲げられた構造は、一往復した隣り合うプレート同士の曲げ角度が１８０度より大きい形状である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱源を片面に設けた受熱板と、
前記受熱板の反対側の面に設けた自励振動ヒートパイプと
を備え、
前記自励振動ヒートパイプは、液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入された流路を内部に設けたプレートが長手方向に対して複数回往復に折り曲げられた構造を有し、当該往復に折り曲げられた構造は、一往復した隣り合うプレート同士の曲げ角度が１８０度より大きい形状である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
発熱源を片面に設けた受熱板と、
前記受熱板の反対側の面に設けた自励振動ヒートパイプと
を備え、
前記自励振動ヒートパイプは、液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入された流路を内部に設けたプレートが長手方向に対して複数回往復に折り曲げられた構造を有し、当該往復に折り曲げられた構造は、一往復した隣り合うプレート同士の間隔が長手方向に連続的に変化し一定でない形状である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
発熱源を片面に設けた受熱板と、
前記受熱板の反対側の面に設けた自励振動ヒートパイプと
を備え、
前記自励振動ヒートパイプは、液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入された流路を内部に設けたプレートが長手方向に対して複数回往復に折り曲げられ、かつ一往復した隣り合うプレート同士の折り曲げ部が互いに接する構造を有し、当該一往復した隣り合うプレート同士で形成される隙間は、短手方向から見てほぼ三角形またはほぼしずく形の形状である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記受熱板は窪みを有し、前記受熱板と当該窪みに設置した前記自励振動ヒートパイプとは接合部材を用いて接合された構造である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却装置であって、
前記受熱板と前記自励振動ヒートパイプとが前記接合部材を用いて接合された接合部および前記窪みは、封止部材により覆われた構造である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の冷却装置であって、
前記窪みは、前記自励振動ヒートパイプが有する前記複数回往復に折り曲げた構造の折り曲げ部の曲面に沿う形状である溝部を有する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記自励振動ヒートパイプが有する前記一往復した隣り合うプレート同士の折り曲げ部の中で前記受熱板とは反対側に位置する当該折り曲げ部は互いに接合された構造である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記自励振動ヒートパイプを構成する前記プレートの片端部または両端部は、前記受熱板とは反対側に配置される構造である
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却装置を備えた電力変換装置であって、
前記発熱源として電力変換回路を構成する半導体素子を前記受熱板の前記片面に設けた
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
電気車に搭載する請求項９に記載の電力変換装置であって、
前記自励振動ヒートパイプの短手方向が前記電気車の進行方向である
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励振動ヒートパイプを適用した冷却装置に関し、特に電力変換装置用の冷却装置として鉄道車両や電気自動車等の電気車に適用する場合に好適である。
【背景技術】
【０００２】
自励振動ヒートパイプは、一般的に、ｍｍオーダーの細径流路により構成され、表面張力により液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入されている。流路中には、複数の受熱部（高温部）および放熱部（低温部）が交互に設けられ、受熱部における蒸発による圧力上昇と、放熱部における凝縮による圧力低下が間欠的に発生することにより、液柱と気柱が自励的に振動し、熱の輸送を行う。
【０００３】
自励振動ヒートパイプは、従来のヒートパイプとは異なり、重力による還流を必要としないため、設置姿勢が自由であり、従来のヒートパイプに比べて小型にできるといった利点を有する。
【０００４】
特許文献１には、ヒートシンクに用いる自励振動ヒートパイプとして、帯状の薄型プレートをサーペンタイン曲げにしたプレート相互の平行部に、対向するプレート面相互間を伝熱的に連通して屈曲蛇行する薄肉リボンから成る補助フィンを設けた構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４３６３５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者が、自励振動ヒートパイプを適用した、鉄道車両等の電力変換装置用の冷却装置の実用化について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
【０００７】
鉄道車両等を駆動する電動機を制御するための電力変換装置は、半導体素子が大電流を導通させるためにスイッチングするため、半導体素子による熱損失が大きい。この電力変換装置を冷却するために、自励振動ヒートパイプを冷却装置に適用する場合には、自励振動ヒートパイプは、受熱面積および冷却面積を大きくするほど性能が向上する傾向があるため、限られた寸法制約の中でも受熱面積および冷却面積を極力大きくする必要がある。
【０００８】
また、鉄道車両等を駆動する電動機を制御するための電力変換装置は、鉄道車両等の床下等に設置されることが一般的であるため、電力変換装置向けの冷却装置も同様に、鉄道車両等の床下等に設置されることが多い。鉄道車両等の走行中に発生する振動により、鉄道車両等の床下に設置される機器には数十から百数十Ｈｚの加振力が作用するため、これらの機器はその加振力に耐え得る強度を有する必要がある。
【０００９】
さらに、一般的に知られる自励振動ヒートパイプは、内部流路も含めて構造が複雑であり、その製作も困難であるため、製作性の良い構造とする必要がある。
【００１０】
本発明は、自励振動ヒートパイプによる冷却装置の性能を向上させ、かつ振動に対する強度を確保し、冷却装置としての製作性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る冷却装置は、上記課題を解決するために、例えば、発熱源を片面に設けた受熱板と、受熱板の反対側の面に設けた自励振動ヒートパイプとを備え、自励振動ヒートパイプは、液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入された流路を内部に設けたプレートが長手方向に対して複数回往復に折り曲げられた構造を有し、当該往復に折り曲げられた構造は、一往復した隣り合うプレート同士の曲げ角度が１８０度より大きい形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、自励振動ヒートパイプの受熱面積および冷却面積を拡大させることにより、冷却性能を向上させることができる。併せて、自励振動ヒートパイプの振動に対する強度を確保することができる。さらに、自励振動ヒートパイプの曲げ加工に要求される寸法公差を緩和できるため、製作性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る冷却装置を備えた電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の断面図である。
【図２】実施例１に係る冷却装置を備えた電力変換装置および電力変換素子を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。
【図３】実施例１に係る冷却装置を構成する自励振動ヒートパイプ内の流路構造を示す断面図である。
【図４】図３に示す自励振動ヒートパイプのＡ−Ａ断面図である。
【図５】実施例１に係る自励振動ヒートパイプを折り曲げた状態を示す斜視図である。
【図６】実施例１に係る自励振動ヒートパイプと受熱板とを分離した状態を示す斜視図である。
【図７】実施例１に係る自励振動ヒートパイプと受熱板とを接合した状態を示す斜視図である。
【図８】実施例２に係る自励振動ヒートパイプを折り曲げた状態を示す斜視図である。
【図９】実施例２に係る自励振動ヒートパイプおよび受熱板を分解した状態を示す斜視図である。
【図１０】実施例２に係る冷却装置を備えた電力変換装置を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。
【図１１】実施例３に係る冷却装置を備えた電力変換装置を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例１〜３について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１に係る冷却装置を備えた電力変換装置を鉄道車両に搭載した場合の断面図である。
電力変換装置２は、鉄道車両１の床下に設置される。電力変換装置２の内部には、電力変換装置２の電力変換回路を構成する複数の半導体素子３および電気部品群４が設置される。半導体素子３は、冷却装置５を構成する受熱板６の片面に取り付けられる。また、受熱板６の反対面には、冷却装置５を構成する自励振動ヒートパイプ７が設置される。冷却装置５には、鉄道車両１が走行した際に発生する走行風８が供給され、半導体素子３から発生する熱損失を放熱する。
【００１６】
次に、本発明の実施例１に係る冷却装置の構造について、図２から図７により説明する。
以下に示す各実施例では、本発明に係る冷却装置を鉄道車両用の電力変換装置に適用した場合を例としているが、本発明に係る冷却装置は、鉄道車両用の電力変換装置に限定されるものではなく、他の用途（例えば、自動車のような移動体用や一般産業機器用）の電力変換装置にも適用できるものである。
【００１７】
図２は、実施例１に係る冷却装置を備えた電力変換装置および電力変換回路を構成する半導体素子を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。
冷却装置５は、受熱板６および自励振動ヒートパイプ７から構成される。受熱板６の一方の片面には、複数の半導体素子３が設置され、もう一方の片面には、自励振動ヒートパイプ７が設置される。
【００１８】
まず、自励振動ヒートパイプ７の構造について説明する。
図３は、実施例１に係る冷却装置を構成する自励振動ヒートパイプ内の流路構造を示す断面図、図４は、図３に示す自励振動ヒートパイプのＡ−Ａ断面図である。
自励振動ヒートパイプ７は、プレート形状の構造を成し、そのプレートの内部には、図４に示すように、複数の矩形断面の流路９が、長手方向に向かって平行並列に形成される。流路９の内部には作動液が所定量封入される。なお、複数の独立した流路９が並行並列に形成されたものに限られず、プレートの内部には、単数又は複数の流路９が屈曲蛇行して配置されていてもよい。また、流路９の断面形状は、矩形に限定されるものではなく、円形のような他の形状であってもよい。
【００１９】
図５は、本発明に用いる自励振動ヒートパイプの構造形状として、自励振動ヒートパイプを折り曲げた状態を示す斜視図である。
本発明に用いる自励振動ヒートパイプの構造は、図３に示す自励振動ヒートパイプ７のプレートを原形として、長手方向に対して複数回往復に折り曲げることにより形成される。その際に、自励振動ヒートパイプ７は、一往復した隣り合うプレート同士が１８０度より大きい曲げ角度で複数回往復に折り曲げられた構造を有することから、この一往復した隣り合うプレート同士は平行ではない。すなわち、一往復した隣り合うプレート同士の間隔は、長手方向に連続的に変化し一定でない。
さらに、一往復した隣り合うプレート同士の折り曲げ部は互いに接する構造とすることにより、一往復分の隣り合うプレート同士で形成される隙間は、短手方向（図５に示す矢印方向）から見るとほぼ三角形の形状となる。ここで、短手方向（図５に示す矢印方向）は、鉄道車両等の進行方向すなわち走行風の方向である。
【００２０】
図６は、自励振動ヒートパイプと受熱板とを分離した状態を示す斜視図であり、図７は、自励振動ヒートパイプと受熱板とを接合した状態を示す斜視図である。
図６に示すように、受熱板６には窪み１０が形成され、この窪み１０の中にはロウ材やハンダなどの接合部材１１を設置する。また、図７に示すように、複数回往復に折り曲げられた自励振動ヒートパイプ７が窪み１０に設置される。その際に、接合部材１１を加熱することで接合部材１１を溶解させ、その後温度を低下させることで接合部材１１が凝固し、それにより、受熱板６と自励振動ヒートパイプ７とは接合部材１１を介して接合される。
なお、自励振動ヒートパイプ７の片端部あるいは両端部は、受熱板６と接合される箇所とは反対側に配置される。図７に示す本実施例１では、自励振動ヒートパイプ７の両端部が受熱板６と接合される箇所とは反対側に配置される。この配置とするのは、一つには内部の流路９へ作動液を封入する作業を容易にすることに起因する。
【００２１】
一方、図２に示すように、窪み１０に樹脂などの封止部材１２などを流し込み、受熱板６と自励振動ヒートパイプ７の接合部を覆って固めることによっても、受熱板６と自励振動ヒートパイプ７との接合を強固にすることができる。
【００２２】
さらに、図２に示す自励振動ヒートパイプ７のように、受熱板６と接合されていない側で一往復して隣り合う折り曲げ部同士を、溶接やハンダなどの接合手段により接合してもよい（図２では、溶接部１３として示す）。
【００２３】
ここで、本実施例１の作用効果について説明する。
自励振動ヒートパイプ７は、熱を受け取る加熱部および熱を外気に放熱する放熱部の面積が大きいほど、冷却性能が向上する。本発明においては、自励振動ヒートパイプ７のうち、受熱板６に接合されている部分が加熱部、それ以外の走行風にさらされる部分が放熱部である。
【００２４】
本実施例１では、自励振動ヒートパイプ７を長手方向に対して複数回往復に折り曲げる際に、一往復分の隣り合うプレート同士が１８０度より大きい曲げ角度で折り曲げることにより、この隣り合うプレート同士は平行ではないことから、自励振動ヒートパイプ７の放熱部は、受熱板６に対して垂直ではなく斜めに配置される構造となる。これにより、自励振動ヒートパイプ７を平行に折り曲げた構造とする場合よりも放熱部の面積が拡大し、冷却性能が向上することになる。
【００２５】
また、自励振動ヒートパイプ７の一往復して隣り合う折り曲げ部が互いに接することで、受熱板６と接合される面積が拡大し、すなわち自励振動ヒートパイプ７の加熱部の面積が拡大することになり、冷却性能が向上する。
【００２６】
さらに、自励振動ヒートパイプ７は、上記のような折り曲げにより、一往復分の隣り合うプレート同士で形成される隙間の形状が短手方向から見て三角形のような形状になることから、この三角形の底辺部となる加熱部を受熱板６の窪み１０に樹脂などの封止部材１２を流し込んで固める。併せて、受熱板６と接合されていない部分の一往復した隣り合うプレート同士の折り曲げ部を溶接などの接合手段により接合させる。これにより、自励振動ヒートパイプ７は変形が生じにくい形状となり、自励振動ヒートパイプ７を平行に折り曲げた構造とする場合よりも、振動に対する強度を向上させることができる。
【実施例２】
【００２７】
実施例２は、実施例１と比較して、自励振動ヒートパイプ７の曲げピッチを小さくしたものである。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。
【００２８】
図８は、実施例２に係る自励振動ヒートパイプを折り曲げた状態を示す斜視図で、図９は、実施例２に係る自励振動ヒートパイプおよび受熱板を分解した状態を示す斜視図である。
本実施例２では、自励振動ヒートパイプ７の放熱面積を拡大するために曲げピッチを小さくしたために、図８に示すように、折り曲げ部が、実施例１とは異なり曲面のみで構成されることになる。これにより、本実施例２に係る自励振動ヒートパイプ７の一往復した隣り合うプレート同士で形成される隙間は、短手方向（図８に示す矢印方向）から見るとほぼしずく形の形状となることから、この折り曲げ部が受熱板６と接合する際に接合面積が不足することが懸念される。
そこで、図９に示すように、受熱板６の窪み１０の中に、自励振動ヒートパイプ７の折り曲げ部の曲面に沿う形状の溝部１４を設置する。さらに、この溝部１４に接合部材１１（実施例１と同様に、ロウ材やハンダなどを使用）を設置し、自励振動ヒートパイプ７と接合させる。
【００２９】
このような形状とすることで、自励振動ヒートパイプ７と受熱板６の接合面積が拡大、すなわち自励振動ヒートパイプ７の加熱部の面積が拡大し、冷却性能が向上する。また、自励振動ヒートパイプ７を受熱板６に接合する際に、受熱板６の反対側から外力を加えて自励振動ヒートパイプ７を受熱板６に押し付ける場合、溝部１４が自励振動ヒートパイプ７の位置合わせの役割を持つ他、自励振動ヒートパイプ７が溝部１４の形状に沿うように変形する。これにより、自励振動ヒートパイプ７を折り曲げる際の寸法公差を緩和することができるため、製作性が向上する。
【００３０】
図１０は、本実施例２に係る自励振動ヒートパイプおよび受熱板から成る冷却装置を備えた鉄道車両等の電力変換装置を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。実施例１と同様に、受熱板６と接合されていない側で一往復して隣り合う折り曲げ部同士を、溶接部１３のように接合してもよい
【実施例３】
【００３１】
実施例３は、実施例１および実施例２と比較して自励振動ヒートパイプ７の折り曲げ部同士の接合方法を変えたものである。以下、実施例１および実施例２との相違点を中心に説明する。
【００３２】
図１１は、実施例３に係る冷却装置を備えた鉄道車両等の電力変換装置を鉄道車両等の進行方向から見た断面図である。本実施例３は、受熱板６と反対側に補強部材１５を設置し、補強部材１５により、受熱板６とは反対側の自励振動ヒートパイプ７の折り曲げ部同士を接合する。また、自励振動ヒートパイプ７が、実施例２で示したように曲げピッチを小さくした場合には、補強部材１５側の接合面に対しても自励振動ヒートパイプ７の折り曲げ部の曲面に沿う形状の溝部を設けてもよい。
【００３３】
このような形状で冷却装置を構成することで、自励振動ヒートパイプ７に対して変形の生じさせない形状となり、振動に対する強度が向上する。
【００３４】
また、図示はしないが、各実施例に係る自励振動ヒートパイプの隣り合うプレート同士の間に、例えば特許文献１で補助フィンとして示されるように、コルゲートフィンを設けて、冷却性能の更なる向上を図ってもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１：鉄道車両、２：電力変換装置、３：半導体素子、４：電気部品群、５：冷却装置、
６：受熱板、７：自励振動ヒートパイプ、８：走行風の方向、９：流路、１０：窪み、
１１：接合部材、１２：封止部材、１３：溶接部、１４：溝部、１５：補強部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019196850.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019196850.tif 000011
【図１０】
2019196850.tif 000012
【図１１】
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