(57)【要約】      （修正有）【課題】固体の冷却体に、物質の相変化による潜熱により蓄熱する蓄熱材で構成された蓄熱体を結合してなる冷却装置における冷却体の小形化を図る。【解決手段】発熱体３０に熱伝導的に結合され、発熱体から伝導された熱を周囲の空気中に放熱する高熱伝導性の金属材料から構成された冷却体１０を備えた空冷式冷却装置において、前記冷却体の発熱体から受熱する受熱部１１と冷却体から周囲の空気中へ放熱する放熱部１２との間に融点が発熱体の許容温度付近にあり、融解潜熱の大きな低融点金属からなる蓄熱体２０を埋め込む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体に熱伝導的に結合され、発熱体から伝導された熱を周囲の空気中に放熱する高熱伝導性の金属材料から構成された冷却体を備えた空冷式冷却装置において、前記冷却体の発熱体から受熱する受熱部と冷却体から周囲の空気中へ放熱する放熱部との間に融点が発熱体の許容温度付近にあり、融解潜熱の大きな低融点金属からなる蓄熱体を埋め込んだことを特徴とする空冷式冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の空冷式冷却装置において、前記蓄熱体を冷却体の各部に分散して埋め込んだことを特徴とする空冷式冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の空冷式冷却装置において、前記蓄熱体は、冷却体に設けられた１個また複数個の貫通孔の中に挿入することを特徴とする空冷式冷却装置。
【請求項４】
請求項３記載の空冷式冷却装置において、前記冷却体の貫通孔の内周面にねじ溝を設けたことを特徴とする空冷式冷却装置。
【請求項５】
請求項４記載の空冷式冷却装置において、前記冷却体の貫通孔の両端からねじ栓をねじ込んで貫通孔を封じ切ることを特徴とする空冷式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子等の発熱体から発生した熱を周囲の空気中へ放熱して冷却する空気冷却式冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の高密度化、高出力化にともなって、これを構成する電子機器の発熱量が大きくなり、その熱処理に問題が発生している。電子素子の発熱の特徴は、非常に狭い範囲から大きな熱量が発生する点であり、熱密度の大きい発熱に対する効果的な冷却が要求される。冷却には、一般にフィン付きの空気冷却式冷却体を用い、発熱量が大きい場合は、この冷却体を大形にするか、または、電動ファンを用いて冷却体に強制的に冷却空気を当てて放熱量の増大を図るようにしている。
【０００３】
また、電子機器の発熱は一定でなく、その機能によって時間的に大きく変化する場合がある。例えば、電気鉄道車両用の駆動電動機を制御する電力変換装置を構成する半導体素子の発生する損失熱量は、図６に示すように低速走行時に最大値を示し、高速走行時は半減する。すなわち、停車時から加速初期の短時間の低速走行期間に半導体素子に最大負荷がかかり損失熱の発生が最大となり、加速後半から定常走行速度に達した後の高速走行期間に移行すると半導体素子への負荷が軽減されるため、半導体素子に発生する損失熱量は最大値の半分程度になる。そして電気鉄道車両の通常の運転状態では、高負荷となる低速走行期間と負荷の軽減された高速走行期間との割合は１：９と圧倒的に高速素行期間が長く、低速走行期間は極めて短い。
【０００４】
このように短時間だけしか高負荷にさらされるこのとのない電力変換装置の場合でも、装置を構成する半導体素子の冷却装置は、高負荷状態となる極めて短時間の低速走行運転期間の熱的条件に合わせて冷却体の放熱容量が決められていた。
【０００５】
しかしこれでは、運転状態によって発熱量が大幅に増減する電子機器における冷却装置の冷却体が必要以上に大形となるので、これを小形化するため、冷却体と蓄熱体を組み合わせて高負荷時と低負荷時の冷却体からの放熱を平準化するようにした冷却装置が、特許文献１の図４に示されている。
【０００６】
この特許文献１の図４の冷却装置は、図４に示すように、電子機器等の発熱体３と熱伝導度の高い金属で構成された冷却体１との間に、物質の相変化による潜熱により蓄熱する蓄熱材で構成された蓄熱体２を一体的に設け、発熱体３で発生した熱を発熱体３と冷却体１との間にある蓄熱体２に一旦蓄熱し、次いでこの蓄熱体２に蓄熱された熱を冷却体１へ伝達し、最終的にこの冷却体１から大気へ放熱するものである。
【０００７】
このように構成すると、発熱体を構成する電子機器が一時的に高負荷となって発熱量が増大したとき、その発生熱を一旦蓄熱体に蓄熱し、負荷が減少した後に蓄熱体に蓄積された熱が冷却体を介して放熱されるようになるため、冷却体からの放熱量が平準化されて冷却体の最大放熱量が低下するので、冷却体１を小形にすることが可能となるのである。
【０００８】
しかしながら、このような従来の冷却装置においては、次のような問題がある。
【０００９】
すなわち、発熱体と冷却体との間に設けられる蓄熱体としては、一般に融解潜熱の大きいパラフィン等の高分子の相変化材が使用されるため、発熱体と冷却体との間の熱抵抗が大きくなり、冷却体の熱伝導が阻害されて、冷却体の小形化が制限されるのである。
【００１０】
このような、問題を解決するための第２の冷却装置が、特許文献１の図１に示されている。
【００１１】
この特許文献１に示された第２の冷却装置は、図５に示すように、発熱体３に接して冷却体１を設け、この冷却体１とは離間して物質の相変化による潜熱により蓄熱する蓄熱体２を設け、冷却体１と蓄熱体２とをヒートパイプ等で構成された伝熱体４で熱的に結合して構成されている。
【００１２】
このように構成された特許文献１に示された第２の冷却装置によれば、発熱体１と冷却体２との間に蓄熱体２が設けられていないので、発熱体３から冷却体１への熱伝導がよくなるため、冷却体１による発熱体３の冷却効果が高くなり冷却体１を小形化することが可能となるが、蓄熱体２が別置される分、設置面積か拡大されるので、この場合も装置全体を小形化することはできないのである。
【特許文献１】特開２０００−２３２２８６号公報  第１頁〜第５頁、図１、図４。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
この発明は、このような従来装置における問題点を解消して、冷却体および蓄熱体を一体化して小形化することの可能な冷却装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、この発明は、発熱体に熱伝導的に結合され、発熱体から伝導された熱を周囲の空気中に放熱する高熱伝導性の金属材料から構成された冷却体を備えた空冷式冷却装置において、前記冷却体の発熱体から受熱する受熱部と冷却体から周囲の空気中へ放熱する放熱部との間に融点が発熱体の許容温度付近にあり、融解潜熱の大きな低融点金属からなる蓄熱体を埋め込んだことを特徴とする。
【００１５】
この発明においては、前記蓄熱体が冷却体の各部に分散して埋め込むことができる。
【００１６】
また、前記蓄熱体は、冷却体に設けられた１個または複数個の貫通孔の中に挿入することができる。
そして、この貫通孔の内周面にねじ溝を設けるようにすると、蓄熱体と冷却体の接触面積を拡大できる。また、このねじ溝の設けられた貫通孔の両端からねじ栓をねじ込んで貫通孔を封じ切るようにすると、蓄熱体が融解しても流出することが防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、冷却体に埋め込まれる蓄熱体が発熱体の許容温度付近に融点を有する低融点金属材により構成されるため、蓄熱体自身の熱伝導度が高くなるため、発熱体から伝導された熱の冷却体内での熱伝導が阻害されることがなくなり、冷却体の放熱効果を高く維持することができる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の実施の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１にこの発明の実施例１による冷却装置を示す。（ａ）はこの発明の実施例１による冷却装置の正面断面図、（ｂ）は同側面断面図である。
【００１９】
図１において、１０は、高熱伝導性の高融点の金属材料、例えば、銅またはアルミニウムあるいはその合金により形成した冷却体である。この冷却体１０は、半導体素子等の冷却を必要とする発熱体３０と結合され発熱体から熱を受熱する受熱部（ベース部）１１と、冷却体１０へ伝導された熱を周囲の空気中に放熱する多数の放熱フィンを備えた放熱部１２とを有する。
【００２０】
冷却体の受熱部（ベース部）１１には、複数の両端へ貫通する貫通孔１３が設けられ、これらの貫通孔１３の中に蓄熱体２０が挿入されている。この蓄熱体２０は、発熱体の許容温度付近の例えば、１００℃付近に融点を有し、かつ融解潜熱量の大きな、例えばＰｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｄなどの合金からなる低融点金属で構成されている。
【００２１】
また、前記貫通孔１３の内周面には、ねじ溝１３ａを設け、この貫通孔１３の両端からこのねじ溝１３ａにボルト状のねじ栓１４をねじ込み貫通孔１３の両端の開口を封じ切る。この場合、ねじ栓１４と貫通孔１３内の蓄熱体２０との間に空隙ｇを設けておき、この空隙ｇにより蓄熱体２０の融解時の熱膨張を吸収する。
【００２２】
蓄熱体２０の冷却体１０の貫通孔１３への挿入方法としては、次のような方法をとることができる。
（第１の方法）
予め、冷却体１０の貫通孔１３の一方開口端をねじ栓１４により塞いでおいて、蓄熱体２０を構成する低融点金属を融点以上に加熱して融解させた状態で、貫通孔１３の他方の開口端から貫通孔が満杯となるまで注入し、この他方の開口端にねじ栓１４をねじ込んでこの開口端を閉塞する。
【００２３】
貫通孔内に満杯に低融点金属が注入された状態で、他方の開口端にねじ栓１４をねじ込むと、ねじ栓１４がねじ込まれた分だけ貫通孔内の低融点金属があふれ出して、低融点金属は貫通孔１３内に隙間なく充填される。温度が常温に低下して低融点金属が凝固し、熱収縮すると、貫通孔１３内にその分の空隙が形成される。この空隙は、使用中の低融点金属の加熱時の熱膨張の吸収代となる。
【００２４】
このように、溶融状態で、低融点金属を貫通孔１３内に注入することにより、低融点金属が貫通孔１３の内周面に設けたねじ溝の中までいり込み、この低融点金属、すなわち蓄熱体２０と冷却体１０との接合面積が増大し、両者の熱的結合が良好となる。
（第２の方法）
予め、冷却体１０の貫通孔１３の一方の開口端をねじ栓１４により塞いでおいて、他方の開口端より蓄熱体２０を構成する粒状または細片状の低融点金属を貫通孔１３内に充填し、この貫通孔の他方の開口端をねじ栓１４により閉塞する。この後、冷却体１０を低融点金属の融点まで加熱して低融点金属を一旦融解した上で、冷却し凝固させることにより、融解金属を、貫通孔１３の内周のねじ溝１４内に入り込ませ、冷却体１０との接触面積を拡大して密に接触させる。
【００２５】
（第３の方法）
予め、蓄熱体２０を構成する低融点金蔵を、冷却体１０の貫通孔１３の内側の寸法に合わせて棒状に形成し、この低融点金属の棒状体を、冷却体１０の貫通孔１３にその一方端から挿入する。貫通孔１３の両端をねじ栓１４により閉塞して、第２の方法と同様に加熱し、低融点金属を一旦融解した上で凝固させる。
【００２６】
このようして冷却装置が完成する。
【００２７】
次に完成した冷却装置を電気鉄道車両駆動用の電力変換装置に適用した場合の動作を説明する。
【００２８】
冷却体１０の放熱部１２を形成するフィンは、電力変換装置を構成する半導体素子の車両が高速で走行するときの低発生損失熱量に適合させた形状となっている。冷却体の受熱部１１に電力変換装置を構成する半導体素子を圧接結合し、半導体素子の冷却装置として使用する。
【００２９】
電気鉄道車両が走行を開始すると、電力変換装置に大きな負荷がかかり、それを構成する半導体素子が大きな損失熱を発生するため、冷却体１０の設計放熱量を超え、冷却体１０の温度が急上昇する。冷却体１０の温度が蓄熱体２０を構成する低融点金属の融点を超えるとこの金属が融解をはじめ、その融解潜熱で半導体素子の発生する損失熱を吸収するため、冷却体１０の温度は低融点金属の融点付近に保たれるようになる。この低融点金属の融点を、電力変換装置の半導体素子の許容上限温度付近に選定し、またこの低融点金属の容量を電気鉄道車両の低速走行期間等に対応した容量にしておくことにより、大きな負荷のかかる電気鉄道車両の低速走行期間においても、冷却体を大形にしなくとも電力変換装置の半導体素子の温度を許容上限温度以下に抑えることできる。
【００３０】
電気鉄道車両が加速され高速走行状態になると、電力変換装置へ加わる負荷が急激に減少し、半導体素子の発生する損失熱量が低下するとともに、車両の速度が高まることより冷却体に加わる走行風による冷却風量が増大するので、冷却体の冷却能力だけで十分に処理可能となる。これにより、蓄熱体２０に低融点金属の融解潜熱として蓄えられた熱が冷却体から放熱され、蓄熱体が冷却されるようになり、冷却体の温度が低融点金属の融点以下の温度に次第に低下し、低融点金属が次第に凝固し固体の状態にもどり、引き続く低速走行期間に備える。
【００３１】
このように蓄熱体が低融点金属により構成されたこの発明の冷却装置によれば、冷却体の受熱部と放熱部との間に介在する蓄熱体の熱伝導度がパラフィンなどの高分子の相変化材に比べて５０〜１００倍高いため、冷却体に接合された半導体素子等の発熱体から冷却体の放熱部への熱伝導が良好となるので、冷却体の冷却能力を高めることができる。このため、冷却体内に蓄熱体を埋め込んでも冷却体の冷却性能が阻害されることが少ないので、冷却体を従来より小形にすることができる。
【００３２】
（第２の実施例）
このような冷却装置において、蓄熱体に蓄積できる熱量は、蓄熱体を構成する低融点金属の埋め込み量によって決まるので、図１に示す第１の実施例のように冷却体の受熱部（ベース部）だけに低融点金属を埋め込んだだけでは、電気鉄道車両の低速走行期間において半導体素子の冷却を十分に行なえない場合は、低融点金属の埋め込み量を増やすようにすればよい。
【００３３】
図２および図３は、このように低融点金属の埋め込み量を増やした場合のこの発明の実施例を示すものである。
【００３４】
図２の実施例は、冷却体１０の受熱部付近のベース部および両端の放熱フィン部に分散して低融点金属を埋め込んで蓄熱体２０を形成してたものである。
また、図３の実施例は、冷却体１０ベース部に埋め込む代わりに、両端の放熱フィン部に分散して低融点金属を埋め込んで蓄熱体２０を形成したものである。
この図２および図３の実施例によれば、前記実施例１の冷却体の比べ、蓄熱体を構成する低融点金属の埋め込み量が増大するので、蓄熱容量を増大させることができ、その分冷却体を小形にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の第１の実施例による冷却装置を示すもので、（ａ）はその正面断面図、（ｂ）はその側面断面図である。
【図２】この発明の異なる実施例を示す正面断面図である。
【図３】この発明のさらに異なる実施例を示す正面断面図である。
【図４】従来の冷却装置を示す正面断面図である。
【図５】従来の他の冷却装置を示す正面部分断面図である。
【図６】電気鉄道車両用電力変換装置の車両速度に対する損失熱量の変化を示す線図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０：冷却体、１１：受熱部、１２：放熱部、１３：貫通孔、１４：ねじ栓、２０：蓄熱体、３０：発熱体。
【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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