(57)【要約】【課題】鉄道車両に搭載した電力変換装置などに適用する沸騰冷却装置を対象に、冷却ユニットの姿勢が傾いた状態でも、タンク内に封入した冷媒が片寄り流動するのを抑えて底壁下面に配列した半導体デバイスに対する沸騰冷却機能を確保できるようにする。【解決手段】沸騰冷却ユニット２が、液相の冷媒４を封入した平形のタンク５と、該タンクの上部側に連設した凝縮部６とからなり、前記タンクの底壁下面にパワー半導体デバイス１を並置配列して伝熱的に装着し、該半導体デバイスの発生熱を冷媒の相変化（蒸発−凝縮サイクル）を利用して系外に放出するようにした沸騰冷却装置において、前記タンクの内部に、当該装置の姿勢の傾きによって冷媒液がタンク内で片寄り流動するの抑止するための液面制御部材として、タンク内の中央部位を除いた領域で冷媒の液面上方を覆う庇状のブロック７を設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相の冷媒を封入した平形のタンクと、該タンクの上部側に連設した凝縮部とからなり、前記タンクの底壁下面にパワー半導体デバイスを並置配列して伝熱的に設置し、半導体デバイスの発生熱を前記冷媒の相変化を利用して系外に熱放出するようにした沸騰冷却装置において、
前記タンクの内部に、当該装置の姿勢の傾きによって冷媒液がタンク内で片寄り流動するのを抑制する液面制御部材を設けたことを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の沸騰冷却装置において、液面制御部材が、タンク内の中央部を除いた領域で冷媒の液面上方を覆った庇状のブロックであることを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
【請求項３】
請求項２記載の沸騰冷却装置において、ブロックは、その断面形状が外周から中央の開口部に向けて先細りとなるように上下面にテーパーを付したことを特徴とする半導体装置用の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両に搭載した電力変換装置などに適用する半導体装置用の沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、近時の鉄道車両には主電動機を駆動制御する主回路システムとして、パワー半導体デバイスを主回路素子としたコンバータ／インバータ方式の電力変換装置が採用されている。また、この電力変換装置に装備したパワー半導体デバイスの冷却に沸騰冷却方式を採用したものが従来から知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
次に、前記の電力変換装置に適用した沸騰冷却装置の従来構成を図２に示す。図２において、１は電力変換装置のコンバータ，インバータ部を構成する主回路素子としてのダイオード，ＩＧＢＴなどのパワー半導体デバイス、２は沸騰式の冷却ユニット、３は冷却空気を通風する風胴である。ここで、沸騰式冷却ユニット２は代替フロンなどの冷媒（液相冷媒）４を減圧して封入した平形圧力容器になるタンク５と、該タンク５に連ねてその上面側に風冷式の凝縮部６を組み合わせた構成になり、前記タンク５の底壁の下面には電力変換装置のブリッジ回路を構成する複数のパワー半導体デバイス１を並置配列して伝熱的に装着し、前記凝縮部６は風胴３の中の通風路に配置している。なお、この電力変換装置は全体を外箱で覆い、鉄道車両の床下などに取り付けて搭載する。
【０００４】
上記沸騰冷却装置の原理は周知の通りであり、パワー半導体デバイス１の通電に伴う発生熱がタンク５に伝熱してタンク内に封入した冷媒４を沸騰させ、この際に冷媒が気化潜熱を吸熱する。また、冷媒蒸気は冷媒液面の上方空間に拡散してタンク５から圧力の低い凝縮部６に移動し、ここで風胴３の中を通風する冷却空気（送風ブロアにより周囲外気を取り込んで風胴３に送風する）との熱交換により蒸発潜熱を系外に放熱して凝縮し、その後に液化した冷媒が再びタンク５に流下還流する。この蒸発−凝縮の相変化サイクルを繰り返すことにより、パワー半導体デバイス１の発生熱が効率よく熱輸送されて系外の冷却空気中に熱放散される。
【特許文献１】特開平１１−３９７１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１９５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電力変換装置の半導体デバイスを冷却する手段として鉄道車両に搭載した前記した従来構造の沸騰冷却装置には次記のような課題がある。
【０００６】
すなわち、車両の加速，減速，横揺れ、および線路の勾配などにより車体が傾くと、図３で表すように冷却ユニット２も一緒に水平姿勢から傾くためにタンク５に封入した冷媒４が流動して液面Ｈの状態が変化する。この場合に、図示のように冷却ユニットが矢印方向（左下がり）に傾くと冷媒４がタンク内を流動して左側に片寄りし、これと反対の右端側底壁の面域が露呈して冷媒液４に浸されない「液枯れ」の状態となってこの面域には冷媒４の沸騰熱伝達が作用しなくなる。このような状態になると、タンク５の底面に分散配列したパワー半導体デバイス１のうち、右端の列に並ぶ半導体デバイスに対する冷却作用がタンク５との間の熱伝導のみとなって極端に低下し、その結果として半導体デバイス１の温度が許容温度以上に上昇して熱破壊するおそれがある。
【０００７】
このような問題に対して従来では、タンク５の高さを大きくした上で、ここに封入する冷媒４の量を増やしてタンク内での液面高さＨが十分高くなるように設計に余裕をもたせ、車両走行中に車体が傾いても冷却ユニット２のタンク５に前記のような「液枯れ」現象が生じないようにすることで対処しているが、このためにタンク５の容積が増大して冷却装置が大型化するほか、封入冷媒も増量して材料費アップ，重量増加などの問題が発生していた。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、前記の沸騰冷却ユニットのタンク内部に簡単な機能部品を装備することで、冷却ユニットの姿勢が傾いた際にタンク内で冷媒が片寄り流動するのを抑えてタンクの底壁下面に装備した半導体デバイスの沸騰冷却機能を維持できるように改良した半導体装置用の沸騰冷却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】
上記目的を達成するために、本発明によれば、液相の冷媒を封入した平形のタンクと、該タンクの上部側に連設した凝縮部とからなり、前記タンクの底壁下面にパワー半導体デバイスを並置配列して伝熱的に装着し、半導体デバイスの発生熱を前記冷媒の相変化を利用して系外に放出するようにした沸騰冷却装置において、
前記タンクの内部に、当該装置の姿勢の傾きによって冷媒液がタンク内で片寄り流動するの抑える液面制御部材を設けるものとし（請求項１）、具体的にはその液面制御部材を次記のような態様で構成する。
（１）前記の液面制御部材を、タンク内の中央部を除いた領域で冷媒の液面上方を覆った庇状のブロックで構成する（請求項２）。
（２）前項（１）において、ブロックは、その断面形状が外周から中央の開口部に向けて先細りとなるように上下面にテーパーを付し、冷媒の蒸発−凝縮サイクルに伴いタンクと凝縮部との間を移動する冷媒蒸気，冷媒液を前記テーパー面に沿って導くようにする（請求項３）。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、冷却ユニットの姿勢が傾いた場合でも、タンク内に封入した冷媒液がブロックに拘束されて極端に片寄り流動することがなく、タンクの底壁全域が冷媒液で浸った状態を維持する。これにより、従来装置で問題となっていた冷却ユニットの傾きに伴うタンク底壁の「液枯れ」現象発生を抑止し、タンクの下面側に並置配列した半導体デバイスに対する沸騰冷却機能を安定確保して信頼性の向上が図れる。
また、前記の「液枯れ」を効果的に抑止できることで、タンク容積の縮減，冷媒封入量の減量が可能となり、これにより冷却装置の小形，軽量化に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図１（ａ），（ｂ）に示す実施例に基づいて説明する。なお、（ａ）図は冷却ユニット２の姿勢が水平な定常状態，（ｂ）図は冷却ユニットが傾いた状態を表しており、実施例の図中で図２，図３に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１２】
すなわち、図示実施例の沸騰冷却ユニット２においては、冷媒４を封入したタンク５の内部に液面制御部材としてブロック７が追加装備されている。このブロック７はタンク５の周壁から中央に向け迫り出して冷媒４の液面Ｈの上方を覆うようにした庇状の板になり、その中央部位に開口部７ａを形成してタンク５の内部空間を上下に連通させている。また、ブロック７のその断面形状が外周から中央の開口部７ａに向けて先細りとなるように上下面にテーパーを付し、冷媒の蒸発−凝縮サイクルに伴ってタンク５と凝縮部６との間で上昇，流下移動する冷媒を前記テーパー面に沿って停滞なく誘導するようにしている。
【００１３】
上記の構成において、図１（ａ）の定常状態では、図２で述べたと同様にパワー半導体デバイス１の発熱を受けてタンク内に封入した冷媒４が蒸発−凝縮サイクルを繰り返して半導体デバイスを冷却する。なお、タンク５で沸騰気化した冷媒蒸気，および凝縮部６で凝縮液化した冷媒液はブロック７のテーパー面に沿って誘導されつつ中央の開口部７ａを通じて上下方向に移動し、この蒸発−凝縮サイクルの繰り返しによる熱輸送により半導体デバイス１の発生熱が凝縮部６を通じて系外に熱放出される。
【００１４】
一方、当該冷却装置を搭載した鉄道車両の走行中の傾きにより、冷却ユニット２が図１（ｂ）で表すように傾いた場合には、その姿勢の傾き方向に対応してタンク５に封入した冷媒液が図３で述べたようにタンクの低くなった方に流動しようとするが、図示実施例においては、タンク内に設けたブロック７によって冷媒４の片寄り流動が抑止されてその液面Ｈが図示状態に維持される。したがって、図３で述べたようにタンク５の右端側領域でタンク底壁が冷媒４の液面Ｈより上方に露呈していわゆる「液枯れ」の状態になることがなく、これにより冷却装置２の姿勢の傾き有無に関係なく、タンク５の下面に並置配列して設置した全てのパワー半導体デバイス１に対する沸騰冷却機能を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例による沸騰冷却装置の構成，作用の説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ冷却ユニットの定常姿勢，および傾斜姿勢の状態を表す図
【図２】従来における沸騰冷却装置の構成図で冷却ユニットが定常姿勢の状態を表す図
【図３】図２の構成で冷却ユニットの姿勢が傾斜した状態を表す図
【符号の説明】
【００１６】
１    パワー半導体デバイス
２    沸騰冷却ユニット
４    冷媒
５    タンク
６    凝縮部
７    ブロック（液面制御部材）
７ａ  中央開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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