(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に沿い発熱体が装着される装着面を有するベースブロックと、
該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され、冷媒が収容された円管状のタンク；及び該タンクの側面に立設状態で接続された、相互に平行な複数の円管状のパイプ；からなるパイプユニットと、
複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンとを備え、
前記タンクは、水平方向に沿って延在し、
前記パイプは、前記タンクの内径よりも径の小さい内径に形成され、前記タンクに接続される接続端を有する基端部と；この基端部から屈曲して先端側に閉塞端を有する放熱部とを有し、
前記基端部は、水平方向に対する所定の第１傾斜角度で、前記接続端から上方に傾斜しており、
前記放熱部は、水平方向に対して０°以上かつ前記基端部の前記第１傾斜角度未満の第２傾斜角度で設けられ、
前記放熱部の中心線が前記タンクの中心線よりも上側に偏芯して配置され、
前記タンクには、前記冷媒の設定液面が前記放熱部よりも低い位置に設定されており、  前記タンクに収容された前記冷媒の前記設定液面は、
前記タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、
前記パイプの前記接続端における前記設定液面から露出した最大開口高さｍ２と前記タンクの内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定されている
ことを特徴とする冷却器。
【請求項２】
前記パイプの前記放熱部は、前記第２傾斜角度が０°であり、
前記放熱フィンは、その平面方向が前記上下方向に沿うように、前記パイプの前記放熱部に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械（ハイブリッド）、風力・太陽光発電の電力変換装置、電源装置・無停電電源装置等の電力変換装置、エレベータ・圧延機・工作機械などのモータ制御などのいわゆるインバータ、鉄道車両・電気車両等のパワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に用いる冷却器に関する。
本願は、２０１４年１２月２５日に出願された特願２０１４−２６２３５８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に使用する冷却器として、冷媒が沸騰する際の潜熱を利用して発熱体を冷却する冷却器（沸騰冷却器）が知られている。【０００３】
例えば、特許文献１に記載の冷却器（ヒートパイプ冷却器）は、半導体素子等の発熱体の熱を受けるベースブロックに、断面積の大きな複数本の円管状のタンクを埋設するとともに、タンクの露出部分の側面に複数の細いパイプを立設させ、そのパイプに複数のフィンを取り付けた構成とされ、発熱体の熱を外気によって冷却することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４‐１２５３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
沸騰冷却性能を発揮するためには、冷媒の入ったタンクに適正な空間が確保され、この空間部分にパイプが接続されていることが必要とされる。この空間は、通常、タンクの体積の１／３以上あることが理想である。一方、タンクの管底面に液状の冷媒が接触していないと、沸騰冷却性能を発揮することができない。【０００６】
特許文献１に記載される冷却器においては、ベースブロックの側面に対して複数のパイプが直立して設置されている。この冷却器が取り付けられた車両が勾配のある場所を走行すると、タンクの円管軸方向において、部分的にタンクの空間が液状の冷媒で埋まって液状のまま冷媒がパイプに到達したりタンクの底部に液状の冷媒がない状況ができたりすることが問題であった。【０００７】
また、タンクの円管軸の傾きとは別に、タンクに直立して設置されたパイプの円管軸の傾きが生じることがある。この場合には、パイプ内に冷媒が液状のまま進入して凝縮面積が減少することで冷却性能が低下するおそれがあるだけでなく、沸騰気泡がパイプ先端に激しく衝突して沸騰音（衝突音）を生じるおそれもある。【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷却性能の向上を図ることができ、使用時の姿勢が変化した場合においても、冷却性能を良好に維持できる冷却器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】
本発明の冷却器は、上下方向に沿い発熱体が装着される装着面を有するベースブロックと：該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され、冷媒が収容された円管状のタンク；及び該タンクの側面に立設状態で接続された、相互に平行な複数の円管状のパイプ；からなるパイプユニットと：複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンと：を備え、前記タンクは、水平方向に沿って延在し、前記パイプは、前記タンクの内径よりも径の小さい内径に形成され、前記タンクに接続される接続端を有する基端部と；この基端部から屈曲して先端側に閉塞端を有する放熱部と；を有し、前記基端部は、水平方向に対する所定の第１傾斜角度で、前記接続端から上方に傾斜しており、前記放熱部は、水平方向に対して０°以上かつ前記基端部の前記第１傾斜角度未満の第２傾斜角度で設けられ、前記放熱部の中心線が前記タンクの中心線よりも上側に偏芯して配置され、前記タンクには、前記冷媒の設定液面が前記放熱部よりも低い位置に設定されており、  前記タンクに収容された前記冷媒の前記設定液面は、前記タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、前記パイプの前記接続端における前記設定液面から露出した最大開口高さｍ２と前記タンクの内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定されている。
【００１０】
通常、１つのタンクに複数のパイプを接続したサーモサイフォン型ヒートパイプ（パイプユニット）においては、単管式ヒートパイプと比較して、複数のパイプによる凝縮面積が大きいので、パイプユニットに収容される冷媒の液量が多い。また、車両の登降走行に伴う勾配時の沸騰冷却性能を発揮するには、パイプユニット内の冷媒が片側（低い方）に偏ることでその反対側（高い方）のタンクの底部から冷媒がなくならないように（干上がらないように）するため、パイプユニットにおいて収容する冷媒の液量を多くしておく必要がある。ところが、その一方で、沸騰冷却性能を発揮するためには、パイプユニットの内部に収容された冷媒（冷媒の液面）とタンクに取り付けられたパイプとの間に適正な空間を確保することも必要とされるので、冷媒の液量が多いことが不利になるおそれがある。【００１１】
この点、本発明の冷却器においては、各パイプをタンクから上方に向かうように傾斜させてタンクに接続しているとともに途中で屈曲させていることにより、パイプの放熱部がタンクに対して上側に偏芯させた位置に配置されるので、タンク内の冷媒の貯留領域を増加させることができる。このため、冷却器が傾いて姿勢が変化した際にも、タンクとパイプの放熱部との間に空間を確保してタンクからパイプの放熱部に液状のまま冷媒が流れ込むことを防止できる。また、このような構成により、タンク内に十分な液量の冷媒を保持することができるので、タンクの底部が乾くことがない。また、パイプが基端部と放熱部との間で屈曲しているので、液状の冷媒がもし基端部に入り込んでも、屈曲部が抵抗となって放熱部までは流れ込みにくい。したがって、タンクからパイプの放熱部への液状の冷媒の流れ込みを抑制しながら、タンクに収容する冷媒の液量を増加することが可能となり、常時、沸騰冷却性能を円滑に発揮させ良好に維持することができる。【００１２】
本発明の冷却器において、前記パイプの前記放熱部は前記第２傾斜角度が０°であり、前記放熱フィンは、その平面方向が前記上下方向に沿うように前記パイプの前記放熱部に取り付けられている。【００１３】
放熱フィンを平面方向が上下方向に沿うように、すなわち、ベースブロックと平行に配置されているので、自然空冷での使用時において、空気の自然対流方向（上下方向）に対して放熱フィンが平行になる。このため、自然対流に対する抵抗を小さくすることができ、冷却性能を向上させることができる。【００１４】
本発明の冷却器において、前記タンクに収容される前記冷媒の前記設定液面は、前記タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、前記パイプの前記接続端における前記設定液面から露出した最大開口高さｍ２と前記タンクの内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定される。【００１５】
タンクに対してパイプの放熱部を上側に偏芯させることで、パイプユニットの内部に収容する冷媒の液量を増加させることが可能となり、冷却性能の向上を図ることができる。しかし、パイプユニットの内部に収容する冷媒をあまり多くすると、タンク内の沸騰気泡がパイプに向かって冷媒を押し上げることで、パイプ先端に沸騰気泡が激しく衝突し、沸騰音（衝突音）が生じることがある。【００１６】
この点、本発明者は、パイプユニットに収容される冷媒の液面を、タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプの接続端の最大開口高さｍ２とタンクの内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定することにより、沸騰音の発生を回避できることを突き止めた。このように、比率（ｍ２／ｄ１）を０．２７以上に設定した場合においては、タンクとパイプとの間で蒸気の通路が確保されることから、沸騰気泡が冷媒を押し上げることを防止できる。したがって、パイプユニットの内部に収容する冷媒の液量を増量した場合であっても、沸騰音の発生を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、冷却性能の向上を図ることができ、使用時おける姿勢が変化した場合においても、冷却性能を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態である冷却器を示す側面図である。
【図２】図１に示す冷却器の図３ＢのＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面矢視図である。
【図３Ａ】図１に示す冷却器の正面図である。
【図３Ｂ】図１に示す冷却器の背面図である。
【図４】パイプユニットのタンクとパイプとの接続部分における要部断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態である冷却器を示す部分断面矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の冷却器の各実施形態について、図面を参照して説明する。
図１から図３Ａ，３Ｂは、本発明の第１実施形態の冷却器１００を示している。この冷却器１００は、発熱体１０が装着される装着面２１ａが上下方向に沿って形成されたベースブロック２０と、このベースブロック２０の装着面２１ａとは反対側の反対面２１ｂに埋設された複数のタンク３１及び各タンク３１の側面に立設した状態で接続された複数のパイプ３２からなるパイプユニット３０と、複数のパイプ３２を貫通させた状態でこれらパイプ３２に取り付けられた複数の放熱フィン４０とを備え、車両に用いられる。
【００２０】
この冷却器１００は、図示は省略するが、車両の側面の下部において、ベースブロック２０の装着面２１ａが上下方向に沿うようにして設置される。
【００２１】
ベースブロック２０は、熱伝導性に優れる熱容量の大きなアルミニウムや銅等の金属により形成されている。そして、ベースブロック２０の片側（図１では左側）の装着面２１ａに、半導体素子等の発熱体１０が装着され、その発熱体１０が装着された装着面２１ａとは反対側（図１では右側）の反対面２１ｂに、タンク３１が埋設されている。
【００２２】
パイプユニット３０は、円管状のタンク３１の側面に、このタンク３１の内径ｄ１よりも径の小さい内径ｄ２の円管状の細いパイプ３２を複数接続することにより構成されている。例えば、内径ｄ１を２７．６ｍｍとするタンク３１と、内径ｄ２を１３．８８ｍｍとするパイプ３２とを、好適に用いることができる。
【００２３】
これらタンク３１及びパイプ３２は、アルミニウム又は銅により形成され、内部空間を一体としてろう付けにより接合されている。タンク３１および各パイプ３２を接合してなるパイプユニット３０の内部には、純水やパーフルオロカーボン等の冷媒６０が収容されている。
【００２４】
タンク３１は、図２に示すように、円管状のパイプにより形成され、その延在方向が水平方向に沿って配置され、ベースブロック２０の反対面２１ｂに取り付けられている。なお、図２はベースブロック２０およびタンク３１とパイプ３２の基端部３３との接合部分近傍のみ断面で示し、パイプ３２の放熱部３４および放熱フィン４０については側面を示している。
【００２５】
パイプ３２は、上述したように、内径ｄ２がタンク３１の内径ｄ１よりも小さく設定され、図２に示すように各タンク３１の側面に接続されている。また、パイプ３２は、図３Ｂに示すように、タンク３１の延伸方向に一定間隔をおいて相互に平行（一列）に立設した状態に並べられている。各パイプ３２は、図２及び図４に示すように、タンク３１に接続された基端部３３と、その基端部３３よりも先端側の放熱部３４とが曲げ加工により屈曲形成されている。基端部３３は、そのタンク３１との接続端３２ｊから、水平方向に対して上方に所定の第１傾斜角度α（＞０°）で傾斜している。この基端部３３に連続して設けられた放熱部３４が、水平方向に対して０°以上かつ第１傾斜角度α未満の第２傾斜角度で傾斜しているとともに、タンク３１に収容された冷媒６０の設定液面よりも高い位置に配置されている。本実施形態の冷却器１００においては、図２及び図４に示すように、パイプ３２の放熱部３４は、閉塞端３２ｂにかけて水平方向に沿って、すなわち第２傾斜角度０°で配置され、その中心線がタンク３１の中心線よりも上側に偏芯している。
【００２６】
第１傾斜角度αは、車両が勾配のある場所を走行して冷却器１００が傾いた場合に可能性のある角度を基準（例えば７°）に設定されている。図１〜図４に示す本実施形態の冷却器１００においては、第１傾斜角度αを３０°に設定しており、パイプ３２の放熱部３４が距離Ｓだけ冷媒６０の設定液面よりも高い位置に配置されている。
【００２７】
パイプユニット３０に収容された冷媒６０の設定液面は、図２及び図４に示すように、タンク３１の延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプ３２の接続端３２ｊにおける設定液面から露出した最大開口高さｍ２とタンク３１の内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定されている。
【００２８】
冷却器１００では、このように複数のパイプ３２が取り付けられたタンク３１（パイプユニット３０）を、図１から図３Ａ，３Ｂに示すように、ベースブロック２０の反対面２１ｂに複数個を上下方向に並列に配置することにより、パイプ３２をマトリクス状に配置している。なお、本実施例では、図３Ｂに示すように、パイプ３２を上面視で格子状に配置しているが、ジグザグに配列する構成としたり、他の配列とすることも可能である。
【００２９】
ベースブロック２０と各タンク３１とは、はんだ付け等により、一体に接合されている。これにより、ベースブロック３２とタンク３１との間の熱移動が円滑に行われるようになっている。
【００３０】
パイプ３２の放熱部３４には、熱伝導率に優れたアルミニウムや銅からなる薄い板状の放熱フィン４０が、パイプ３２を貫通させた状態で、串刺しにされたように複数枚重ねて取り付けられている。放熱フィン４０は、その平面方向が上下方向に沿って配置されている。これらの放熱フィン４０には、薄板の所定位置に、例えばバーリング加工等により形成された複数の貫通孔（図示略）が設けられている。これらの貫通孔にパイプ３２の放熱部３４を圧入することにより、各パイプ３２に放熱フィン４０が跨って取り付けられ、放熱フィン４０と各パイプ３２とが一体に設けられる。なお、放熱フィン４０の貫通孔に挿入したパイプ３２を拡管することにより、放熱フィン４０を取り付けることもできる。
【００３１】
このように構成された車両用冷却器１００においては、発熱体１０から発生した熱が、ベースブロック２０に伝わり、さらにベースブロック２０からパイプユニット３０のタンク３１に伝わって、タンク３１内の冷媒６０を沸騰させて蒸発させる。そして、蒸発した冷媒６０の蒸気は、タンク３１内を上昇してパイプ３２内に移動し、パイプ３２を介して放熱フィン４０に熱が伝わることにより冷却される。
【００３２】
この冷却器１００においては、各パイプ３２の基端部３３を上方に傾斜させてタンク３１に接続することにより、パイプ３２の放熱部３４をタンク３１の上側に偏芯させているので、タンク３１内の冷媒６０の貯留領域を増加させることができる。また、このように第１傾斜角度αで傾斜させたパイプ３２の基端部３３は、車両が勾配のある場所を走行して冷却器１００が傾いた際にも、水平以上の角度の姿勢を保つことができる。これにより、冷却器１００が傾いて姿勢が変化した際にも、タンク３１とパイプ３２との間に空間を確保し、タンク３１からパイプ３２に液状のまま冷媒６０が流れ込むことを防止できる。このため、冷却器１００においては、タンク３１からパイプ３２への液状の冷媒６０の流れ込みを抑制しながら、タンク３１に収容する冷媒６０の液量を増加させてタンク３１内に冷媒６０を保持することができるので、タンク３１の底部が乾くことがない。したがって、常時、冷却性能を円滑に発揮させることができ、冷却性能を良好に維持することができる。
【００３３】
また、冷却器１００においては、パイプ３２の放熱部３４が水平方向に沿って延在し、放熱フィン４０の平面方向を上下方向に沿って、すなわち、ベースブロック２０と平行に配置している。これにより、車両走行による空気の流通方向（すなわちタンク３１の延在方向）に対して平行に、かつ自然空冷での使用時における空気の自然対流方向（矢印Ｃの方向）に対して放熱フィン４０を平行に配置することができる。このため、車両の停止時であっても、自然対流に対する抵抗を小さくすることができ、冷却性能を向上させることができる。
【００３４】
また、冷却器１００においては、冷媒６０の設定液面を、タンク３１の延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプ３２の接続端３２ｊの最大開口高さｍ２とタンク３１の内径ｄ１との比率（ｍ２／ｄ１）が０．２７以上となるように設定し、蒸気の通路を確保しているので、沸騰気泡が液状の冷媒６０を押し上げることを防止できる。したがって、パイプユニット３０の内部に収容する冷媒６０の液量を増量した場合であっても、沸騰音の発生を回避することができる。
【００３５】
本発明の第２実施形態に係る冷却器１１０を図５に示す。この冷却器１１０のパイプユニット１３０を構成する各パイプ１３２は、タンク３１に接続された基端部１３３と、この基端部１３３よりも先端側の放熱部１３４とが、曲げ加工により屈曲形成されている。基端部１３３は、第１実施形態と同様に、水平方向に対して上方に所定の第１傾斜角度αで傾斜してタンク３１に接続されている。放熱部１３４は、水平方向に対して０°よりも大きく第１傾斜角度αよりも小さい第２傾斜角度で、上方に傾斜して設けられている。また、放熱フィン１４０は、鉛直方向からやや傾斜して放熱部１３４に固定されている。なお、図５はベースブロック２０およびタンク３１とパイプ１３２の基端部１３３との接合部分近傍のみ断面で示し、パイプ１３２の放熱部１３４および放熱フィン１４０については側面を示している。
【００３６】
この場合、放熱部１３４が傾斜しているので、配置スペースに対する十分な冷却効率を得るには、大きさの異なる２種類の放熱フィン１４０（４０１，４０２）、長さの異なる放熱部１３４を有する３種類のパイプ１３２（３０１，３０２，３０３）が必要となる。また、空気の自然対流方向Ｃに対して放熱フィン１４０が平行でないので、第１実施形態に比較すると抵抗が大きい。しかしながら、放熱部１３４が傾斜していることにより、冷媒が液状のまま放熱部１３４に流れ込みにくく、凝縮面積の減少による冷却性能の低下や沸騰気泡による騒音の発生をより効果的に防止できる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３８】
例えば、放熱フィン４０は、上記実施形態のように、全部のパイプ３２を貫通させた状態で取り付ける構成とする他、これら複数のパイプ３２をいくつかのブロックに分けて、複数個のパイプ３２毎に分けた小型の放熱フィンを取り付ける構成とすることもできる。
【００３９】
また、上記第１実施形態では、パイプ３２の放熱部３４の延在方向を、水平方向に沿って配置していたが、放熱部の延在方向は、水平方向（角度０°）以外にも、例えば第２実施形態のように水平方向に対して基端部３３の第１傾斜角度α未満の角度で傾斜してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
冷却器において、冷却性能の向上を図ることができ、使用時おける姿勢が変化した場合においても、冷却性能を良好に維持することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  発熱体
２０  ベースブロック
２１ａ  装着面
２１ｂ  反対面
３０，１３０  パイプユニット
３１  タンク
３２，１３２（３０１〜３０３）  パイプ
３２ｂ  閉塞端
３２ｊ  接続端
３３，１３３  基端部
３４，１３４  放熱部
４０，１４０（４０１，４０２）  放熱フィン
６０  冷媒
１００，１１０  冷却器
【図１】
0006505130.tif 000002
【図２】
0006505130.tif 000003
【図３Ａ】
0006505130.tif 000004
【図３Ｂ】
0006505130.tif 000005
【図４】
0006505130.tif 000006
【図５】
0006505130.tif 000007