(57)【要約】【課題】外気と内気を画する筐体内に電力変換装置を納め、この電力変換装置に結合され筐体を貫通してその外側まで引出されたヒートパイプ式冷却装置において、氷点下環境においても冷却媒体の凍結による液枯れやヒートパイプの破裂といった冷却機能の停止につながる原因を防止するヒートパイプ式冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】  ヒートパイプ内の内部気圧と外部気圧の圧力差によりヒートパイプの軸方向に伸縮動作する管状の伸縮部を受熱部と放熱部の中間の一部若しくは全部に設け、前記伸縮部に連結された前記放熱部が伸縮部の伸縮運動に連動して前記筐体の内外に出入される。【選択図】図１
2007101079.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気と内気を画する筐体内に納められた電力変換装置に結合され、筐体を貫通してその外側まで引出されてなるヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプ式冷却装置は、ヒートパイプの一端に被冷却体からの熱を吸収し冷却媒体を液相から気相に変換する受熱部を備えるとともに、他端に冷却媒体の潜熱を放熱する放熱部を備え、ヒートパイプの受熱部と放熱部の中間の一部若しくは全部には外部気圧と内部気圧の圧力差によりヒートパイプの軸方向に伸縮動作する管状の伸縮部を設け、前記伸縮部に連結された前記放熱部が伸縮部の伸縮運動に連動して前記筐体の内外に出入されることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項２】
前記伸縮部は可撓性部材で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項３】
前記伸縮部はベローズ構造としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートパイプ式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体の相変化を利用して被冷却体を冷却するヒートパイプ式冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電鉄用の電力変換装置には、地上変電設備用と車載用の２種類がある。どちらも電鉄の運営に欠かすことのできないものであるが、しかしその数は膨大で、電力変換装置のメンテナンスなどを行うのに必要となる冷却装置などの補助機器の設置は、鉄道会社にとって大きな負担となる。
【０００３】
例えば、電力変換装置の中心部品である半導体の冷却についても、費用の嵩むファン・モータ等の設置を避けて自然空冷方式による冷却方法を採用することが多い。しかしながら自然空冷方式は、被冷却体に対して直接風を送ることができないため、強制空冷方式のような効果的な冷却能力を得ることができない。
【０００４】
また、自然空冷方式でも冷却能力を高めるために冷却装置本体を直接外気に曝す方法も取られているが、この方式によっても冷却能力には限界がある。
【０００５】
そこで近年、これらの欠点を補う別の方法として、自然空冷方式の冷却装置にはヒートパイプやヒートサイフォンなど組み込むことで冷却能力を高める方法が採用されている。ヒートパイプの等価的な熱伝導率は、銅やアルミの数倍から数十倍と高いため、これらを組込むことによって熱の拡散効率を高め、効果的な冷却能力の得ることができるのである。
【０００６】
しかし、このようなヒートパイプ等を組み込んだ自然空冷方式においても、特に密封されたヒートパイプ管内に封入する冷却媒体として、凝固点の高い純水などを使用する場合、氷点下環境時には凍結するという問題が生ずる。
【０００７】
ところで、密閉された冷却系内にあっては、温度が低下するとボイル−シャルルの法則（Ｐ∝Ｔ）に従い、内気圧もこれに比例して低くなり、冷却媒体である純水の沸点も低下することは知られているが、例えば、夜間は運転を停止することの多い電鉄用の電力変換装置用のヒートパイプ式冷却装置にあっては、比較的低温でヒートパイプ管内の受熱部に貯留する冷却媒体である純水は沸騰し気相化する。
【０００８】
また、ヒートパイプの放熱部の温度が受熱部の温度よりも僅かに下回れば両者には温度差が生じ、同時に圧力差も生じるため、気相化された水蒸気は、熱を吸収して受熱部から放熱部へと水蒸気として大量の熱を運び、放熱部において潜熱を放出することで凝縮し、液相化された冷却媒体は重力作用により再び受熱部へ還流する。
【０００９】
しかし、低温下環境であって、特にヒートパイプ管内の放熱部が氷点下環境に曝されている場合には、水蒸気はその潜熱を放出し冷却され凝縮した冷却媒体はその場で凍結するため、受熱部は液不足となる。そして、このような状態が長時間続いた場合には、最終的に受熱部はドライアウト（液枯れ）となり、ヒートパイプは冷却装置としての冷却機能を失うことになる。
【００１０】
例えば、電気鉄道の車載設備の機器にこれらヒートパイプを組込んだ冷却装置を用いた場合には、鉄道の運行が停止される夜間は車載設備の機器の運転も停止されので、特に外気温度が氷点下に下がる冬季の夜間にあっては、凍結によるドライアウトに陥り冷却機能が停止状態でそのまま翌朝電気鉄道を始動させると、受熱部は液枯れのため過熱した半導体は冷却されることなく焼損の危険に曝される。
【００１１】
そこで、このような危険を回避するためには、冷却媒体である純水の凍結の防止あるいは凍結量を抑制することが重要となる。
【００１２】
これらを解決する方法として特許文献１の図２に示すように、外気温の高低に応じて必要とされる冷却能力が異なることに着目して、熱抵抗のことなる長短２種類以上のヒートパイプ（５１、５２）を用いることで、外気温に合わせて放熱能力を何段階かに分けて構成する方法がある。
【００１３】
これは電気鉄道等の走行風は長いヒートパイプ５１にのみ当るようにすることで、長いヒートパイプ５１には大きな冷却能力が備わり、反対に走行風の当らない短いヒートパイプ５２には小さな冷却能力が備わるようにして、夏期昼間など外気温か高く、大きな冷却能力を必要とする場合には長いヒートパイプ５１が主となって冷却を行い、冬期早朝など大きな冷却能力を必要としない場合には短いヒートパイプ５２により冷却を行う。
【００１４】
このように特許文献１記載の自然空冷方式による冷却装置は、大きな冷却能力を得られるとともに、低温環境下においても冷却装置全体としての機能停止に陥ることのない理想的な冷却装置とも言えるが、しかしながら依然として長いヒートパイプ５１には凍結という危険性は付きまとい、冷却媒体として純水を用いた場合には凍結時の体積膨張によりヒートパイプ自体の損壊の危険性は残るのである。
【特許文献１】特開２００１−１１８９７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
外気と内気を画する筐体内に電力変換装置を納め、この電力変換装置に結合され筐体を貫通してその外側まで引出されたヒートパイプ式冷却装置において、氷点下環境においても冷却媒体の凍結による液枯れやヒートパイプの破裂といった冷却機能の停止につながる原因を防止するヒートパイプ式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】
【００１６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、外気と内気を画する筐体内に納められた電力変換装置に結合され、筐体を貫通してその外側まで引出されてなるヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプ式冷却装置は、ヒートパイプの一端に被冷却体からの熱を吸収し冷却媒体を液相から気相に変換する受熱部を備えるとともに、他端に冷却媒体の潜熱を放熱する放熱部を備え、ヒートパイプの受熱部と放熱部の中間の一部若しくは全部には外部気圧と内部気圧の圧力差によりヒートパイプの軸方向に伸縮動作する管状の伸縮部を設け、前記伸縮部に連結された前記放熱部が伸縮部の伸縮運動に連動して前記筐体の内外に出入されることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、前記伸縮部は可撓性部材で形成されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、前記伸縮部はベローズ構造としたことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明が対象とするヒートパイプ式冷却装置Ｈを構成するヒートパイプは、密閉系を形成しているため、内外の圧力変化に関わらず、密閉系の体積（V）は殆ど変化しない（V＝const.）。よってボイル−シャルルの法則に従いＰＶ＝Ｔ／ｋの関係式より、密閉系の内部圧力Ｐは密閉系内部温度Ｔ（蒸気温度）に比例して増減する（Ｐ∝Ｔ）ことが理解できる。他方、外部気圧である大気圧は気温の変化に関わらずほぼ一定な状態で保たれている。
【実施例１】
【００２０】
図１（Ａ）と（Ｂ）は本発明の実施例を示すヒートパイプ式冷却装置Ｈの断面図である。図に示すように、本発明のヒートパイプ式冷却装置Ｈは、外気と内気を画する筐体内に電力変換装置を納め、この電力変換装置に結合され筐体１１を貫通してその外側まで引出され設置されている。
【００２１】
このヒートパイプ式冷却装置Ｈは、半導体素子等の被冷却体１が発熱する熱を吸収し冷却媒体Ｃを液相から気相に変換する受熱部２と、受熱部２で気相化した冷却媒体Ｃの潜熱を放出し気相から液相に凝縮し、冷却媒体Ｃの潜熱を放熱する放熱部８から構成されている。
【００２２】
受熱部２内には半導体素子等の被冷却体１を冷却するための冷却媒体Ｃを貯留するための貯留部３が設けられている。
【００２３】
本実施例で採用するヒートパイプ管の形状は、ヒートパイプの受熱部２と放熱部６の間を屈曲Ｗするように成形されているが、ヒートパイプ管の形状は、図１（Ａ）と（Ｂ）のように屈曲Ｗさせることなく鉛直方向に設置しても良いし、また屈曲のないヒートパイプ管を傾けて設置しても良い（図示せず）。更にはヒートパイプ管の傾きを可変可能に調整する手段を設けても良い（図示せず）。
【００２４】
ヒートパイプの受熱部２と放熱部８の中間の一部若しくは全部（図示せず）には管状の伸縮部Ｒが設けられている。ここで伸縮部Ｒは、ヒートパイプ管内の内部圧力と自然環境下の外部気圧（大気圧）との圧力差によってヒートパイプの軸方向（Ｙ）に変形しやすい可撓性部材で形成することが好ましい。具体的には弾性変形しやすいゴム等を用いるのが良い。また、伸縮部Ｒの形状は図１（Ａ）と（Ｂ）に示すようにベローズ構造とすることで大幅に伸縮動作が期待できる。
【００２５】
前記放熱部８には、多数の放熱フィン７が植設されている。
【００２６】
このヒートパイプ式冷却装置Ｈの筐体１１内および電力変換装置の結合設置位置として、前記伸縮部Ｒが収縮した状態のときは、放熱部８が筐体１１内に収り、前記前記伸縮部Ｒが拡伸した状態のときは、放熱部８全体が筐体１１外へ露出し外気に直接曝されるような位置に設置することが好ましい。なお、ヒートパイプ式冷却装置Ｈは、筐体１１に取付けられている支持体１２と、ヒートパイプを軸方向Ｙに固定する支持具１３によって支えられている。
【００２７】
次に前記伸縮部Ｒの動作について説明する。伸縮部Ｒは外部気圧と密閉系内の内部圧力との圧力差に応じてヒートパイプの軸方向（Ｙ）に伸縮動作する。また、伸縮部Ｒに連結されている放熱部８は、前記伸縮部Ｒの伸縮に連動してヒートパイプの軸方向（Ｙ）に動作し、筐体１１の内外を出入することで前記放熱部８の外気に直接曝される放熱面積を調整することができる。
【００２８】
例えば図１の（Ａ）に示すように、電力変換装置の運転が停止し、冬期夜間等、外気温度が氷点下環境となった場合には、密閉系であるピートパイプ内の温度も低下すると同時に、ピートパイプ内の内部圧力も低下し内部圧力と外部気圧とに圧力差が生じる。この圧力差により伸縮部Ｒはヒートパイプの軸方向（Ｙ）に沿って収縮運動を開始する。前記伸縮部Ｒの収縮運動が開始されると伸縮部Ｒに連結・連動する放熱部８は筐体１１内へ収り、放熱部８が直接外気に曝される放熱面積は小さくなる。放熱面積が小さくなることで冷却媒体４は潜熱を大気中に大量放出できなくなり、凝縮能力が低下し冷却能力も抑制される。
【００２９】
このように、本来直接外気に曝される放熱部８の放熱面積を本実施例のように小さくし冷却能力を抑制することで、例え、ヒートパイプ管内が低温・低圧・沸点の低下となって、被冷却体１の発熱がなくても、受熱部２において冷却媒体Ｃが気相化を開始し、更に放熱部８の温度が受熱部２の温度より低くなることで圧力差が生じ、受熱部２で気相化した冷却媒体Ｃが水蒸気となって放熱部８へと上昇した場合であっても、放熱部８は筐体１１内に格納され、冷却能力が抑制されているため、冷却媒体Ｃの還流も抑制される。
【００３０】
また放熱部８は外気に直接曝されていないため、凝縮化が僅かながら進んだ場合であっても、冷却媒体Ｃは凍結することが少ないから、冷却媒体Ｃは液枯れや、凍結に伴うヒートパイプの破裂の心配もない。
【００３１】
一方、図１の（Ｂ）に示すように、電力変換装置の運転が開始された場合や夏期昼間に連続運転を行う場合には、被冷却体１である半導体素子等は発熱し受熱部２は過熱されることで、受熱部２に貯留する冷却媒体Ｃは気相化し蒸気を蓄えることになる。これにより受熱部２の温度は上がり放熱部８との間で温度差・圧力差が生じる。圧力差が生じると冷却媒体Ｃは水蒸気として上昇を始め、ヒートパイプ管内を還流する。還流が開始されるとヒートパイプ管内の温度は上昇しそれと同時に内部圧力も上昇する。
【００３２】
この温度上昇に伴いヒートパイプ管内の内部圧力が外部気圧（大気圧）よりも大きくなり圧力差が生じると、この圧力差により前記伸縮部Ｒはヒートパイプの軸方向（Ｙ）に拡伸運動を開始する。伸縮部Ｒの拡伸運動が開始されると伸縮部Ｒに連結・連動する放熱部８は筐体１１の外方向へ移動し、放熱部８が直接外気に曝される放熱面積は大きくなる。放熱部８の放熱面積が大きくなることで冷却媒体Ｃである水蒸気に蓄えられている潜熱は放熱部８を介して積極的に外気に放熱し、高い冷却能力を得ることができる。
【００３３】
なお、本実施例のベローズ構造の伸縮部Ｒを用いたヒートパイプ式冷却装置の適用先として、電鉄用の電力変換装置筐体内への設置のケースについて説明したが、本装置の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、本装置の冷却媒体Ｃとして主に純水を用いたが、冷却媒体Ｃは、純水に限るものではない。更に、本装置の冷却方式は自然空冷方式を採用したが、それに限られるものではない。更にまた、密封冷却媒体を用いた自然空冷方式による冷却装置としてヒートパイプを採用したが、本発明のベローズ構造の伸縮部Ｒを用いた冷却装置はこのヒートパイプ式に限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の構成を示すヒートパイプ式冷却装置である。（Ａ）は低温時にベローズ構造をした伸縮部Ｒが収縮し放熱部８が電力変換装置筐体１１内に格納された状態を示したもので、（Ｂ）は高温時に伸縮部Ｒが拡伸し放熱部８が筐体１１外に飛び出し外気に直接曝されている状態を示したものである。
【図２】従来のヒートパイプ式冷却装置である。
【符号の説明】
【００３５】
１      被冷却体
２      受熱部
３      貯留部
７      放熱フィン
８      放熱部
１１    筐体
１２    支持体
１３    支持具
Ｃ      冷却媒体
Ｈ      ヒートパイプ
Ｒ      伸縮部
Ｗ      屈曲部
（Ｙ）    ヒートパイプの軸方向
【図１】
2007101079.tif 000003
【図２】
2007101079.tif 000004