(57)【要約】【課題】配置制約の緩和と小型化を図り、かつ良好な放熱性能を発揮できる自然循環型の冷却装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、発熱体が実装される受熱面３０ａを有し、内部に液状の冷媒を収容した受熱器２２と、受熱器の水平方向側方に設けられ、受熱器で発生した蒸気を凝縮する凝縮器２４と、受熱器の水平方向側方で、凝縮器の鉛直方向下方に配置され、受熱器から送られる加熱された冷媒を冷却する放熱器２６と、受熱器で発生した冷媒の蒸気を凝縮器の流入口へ送る蒸気流通管５８と、凝縮された冷媒を凝縮器の流出口から受熱器の冷媒流入口に送る凝縮液流通管６０と、受熱器内で加熱された冷媒を放熱器の流入口に送る冷媒流通管６８と、放熱器で冷却された冷媒を放熱器の流出口から受熱器の冷媒流入口に送る冷媒還流管７０と、を備えている。【選択図】図３
2013247148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が実装される受熱面を有し、内部に液状の冷媒を収容した受熱器と、
前記受熱器の水平方向側方に設けられ、前記受熱器で発生した蒸気を凝縮する凝縮器と、
前記受熱器の水平方向側方で、前記凝縮器の鉛直方向下方に配置され、前記受熱器から送られる加熱された冷媒を冷却する放熱器と、
前記受熱器で発生した冷媒の蒸気を前記凝縮器の流入口へ送る蒸気流通管と、
前記凝縮された冷媒を前記凝縮器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る凝縮液流通管と、
前記受熱器内で加熱された冷媒を前記放熱器の流入口に送る冷媒流通管と、
前記放熱器で冷却された冷媒を前記放熱器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る冷媒還流管と、
を備える自然循環型冷却装置。
【請求項２】
前記受熱器は、前記受熱面および上部開口を有し前記冷媒を収容した容器本体と、
前記容器本体の上部開口を覆って設けられた上容器と、
前記容器本体内に互いに間隔おいて設けられ、容器本体内をそれぞれ冷媒を収容する複数の収容室に仕切っている複数の仕切り板と、
前記容器本体の上部開口から前記冷媒の液面を越えて上方に延出し、前記各収容室から他の収容室への冷媒の流入を規制する複数の邪魔板と、
前記上容器に形成され、前記上ケース内の空間を介して前記複数の収容室に連通する蒸気流出口と、
前記容器本体の下部に形成され、前記複数の収容部に連通する媒体流入口と、
前記上容器に形成された媒体流出口と、
前記上容器により形成され、前記収容室から溢れ出る冷媒を前記冷媒流出口に導く副流路と、を備えている請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項３】
前記各仕切り板は、前記冷媒の液面を越えて上方に延出し前記邪魔板を構成する上端部を有する請求項２に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項４】
前記凝縮液流通管は、前記凝縮器の流出口と前記冷媒還流管の中途部との間に接続されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の自然還流型冷却装置。
【請求項５】
前記放熱器は、前記媒体流入口を有する流入部と、前記媒体の流出口を有し前記流入部に対して鉛直方向上方に位置する流出部と、それぞれ前記流入部と流出部との間を延び、加熱された冷媒が流れる複数の放熱管と、を備えている請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項６】
前記凝縮器および放熱器に冷却風を送る送風機を備えている請求項１に記載の自然還流型冷却装置。
【請求項７】
前記凝縮器および放熱器と前記送風機との間に設けられ、前記送風機からの冷却風を前記凝縮器および放熱器へ導くダクトを備えている請求項５に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項８】
発熱体が実装される受熱面を有し内部に冷媒を収容した他の受熱器を備え、
前記２つの受熱器は、前記受熱面が同一平面に位置するように並んで配置され、前記凝縮器および放熱器は、前記２つの受熱器間に配置されているとともに、前記受熱器の受熱面と同一平面に対する側面部に設置される請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項９】
前記受熱面は、前記受熱器の一方の表面に形成され、前記受熱器の前記受熱面と反対の背面側の上部に前記凝縮器が配置され、背面側の下部に前記放熱器が配置されている請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項１０】
前記受熱面は、前記受熱器の一方の表面に形成され、前記受熱器の前記受熱面と反対側の背面側の上部に前記凝縮器が配置され、背面側の下部に前記放熱器が配置され、前記凝縮器および放熱器は、前記受熱器の受熱面と直交する平面上に設けられている請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【請求項１１】
発熱体が実装される受熱面を有し内部に冷媒を収容した他の受熱器を備え、
前記２つの受熱器は、前記受熱面と反対側の背面が互いに向い合って配置され、前記凝縮器は前記２つの受熱器間の上部に配置され、前記放熱器は前記２つの受熱器間の下部に配置され、前記凝縮器および放熱器は、前記受熱器の受熱面と直交する平面上に設けられている請求項１に記載の自然循環型冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、鉄道車両用電力変換装置に使用する半導体素子などの発熱体を冷却する冷却装置であって、外部駆動力となる冷媒循環ポンプを用いない自然循環液冷方式を適用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両用の電力変換装置は、半導体素子等の発熱体を備え、このような発熱体を冷却する冷却装置が設けられている。大容量向け冷却装置の冷却方式として、沸騰冷却方式と強制循環液冷方式が適用されている。前者の冷却方式を適用した冷却装置は、装置構成上、高温部を下部、低温部を上部に設置するという配置制約が存在する。また、この冷却方式に使用される冷媒であるフロン系冷媒は、国際的に全廃する動向があるのも事実である。一方、後者の冷却方式を適用した冷却装置は、循環用ポンプ、配管、液溜タンク、熱交換器等の冷却系統に付随する構成要素が多く、設置体積の増加、およびそれにともなうコスト増加のデメリットを有している。
【０００３】
近年では、前記両冷却方式のデメリットを解消した冷却方式として、冷媒を系内に自然循環により冷却させる、すなわち、半導体素子のような発熱体により発生する沸騰気泡の浮力を循環駆動力として利用する技術が提案されている。この自然循環冷却方式によれば、外部駆動力を使用しない受動的な冷却システムの構築が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４７３６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５２２６号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような自然循環冷却方式を用いた冷却装置では、発熱体が取り付けられる受熱器の上部に、発生した蒸気を凝縮させる熱交換器を設置し、前記受熱器の側部に放熱器を設置している。このような構成の場合、電力変換装置内部の配置構成上、装置占有スペース、艤装サイズおよび装置実装等の問題から、冷却装置の配置向きの制約を受ける場合があり、装置全体システムの設計自由度が低下する。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、配置制約の緩和と小型化を図り、かつ良好な放熱性能を発揮できる自然循環型の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、自然循環型冷却装置は、発熱体が実装される受熱面を有し、内部に液状の冷媒を収容した受熱器と、前記受熱器の水平方向側方に設けられ、前記受熱器で発生した蒸気を凝縮する凝縮器と、前記受熱器の水平方向側方で、前記凝縮器の鉛直方向下方に配置され、前記受熱器から送られる加熱された冷媒を冷却する放熱器と、前記受熱器で発生した冷媒の蒸気を前記凝縮器の流入口へ送る蒸気流通管と、前記凝縮された冷媒を前記凝縮器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る凝縮液流通管と、前記受熱器内で加熱された冷媒を前記放熱器の流入口に送る冷媒流通管と、前記放熱器で冷却された冷媒を前記放熱器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る冷媒還流管と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る自然循環型冷却装置を備えた鉄道車両を概略的に示す側面図。
【図２】図２は、前記鉄道車両の床下を概略的に示す平面図。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す正面図。
【図４】図４は、前記自然循環型冷却装置の受熱器を一部破断して示す斜視図。
【図５】図５は、図４の線Ａ−Ａに沿った前記受熱器の断面図。
【図６】図６は、図４の線Ｂ−Ｂに沿った前記受熱器の断面図。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す正面図。
【図８】図８は、第３の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す側面図。
【図９】図９は、第３の実施形態に係る自然循環型冷却装置の受熱器の上部における内部構造を示す断面図。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す側面図。
【図１１】図１１は、第５の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す側面図。
【図１２】図１２は、第６の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す側面図。
【図１３】図１３は、第７の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る自然循環型冷却装置について詳細に説明する。  
（第１の実施形態）  
図１および図２は、第１の実施形態に係る自然循環型冷却装置を備えた鉄道車両を概略的に示す側面図および平面図である。鉄道車両は、車輪１４が設けられた台車１２と、台車上に支持された車体１６と、を備えている。台車１２上で車輪１４の近傍には主電動機１８が載置されている。主電動機１８は、図示しないギアボックスおよびカップリングを介して回転力を車輪１４に伝達する。車輪１４はレール１３上に載置されている。車体１６の床下に、電力変換装置２０を含む種々の機器が艤装されている。本実施形態に係る自然循環型の冷却装置１０は、例えば、電力変換装置２０を構成する半導体素子（発熱体）を冷却する冷却装置として構成され、車体１６の床下に設置されている。
【００１０】
図３は、冷却装置１０全体の構成を概略的に示す正面図、図４、図５、図６は、それぞれ冷却装置１０の受熱器を示す斜視図、および断面図である。図１ないし図３に示すように、冷却装置１０は、半導体素子から熱を受けてこの半導体素子を冷却する受熱器２２と、凝縮器２４と、放熱器２６と、これらを互いに接続する複数の配管と、を備え、本実施形態では、送風機２８を更に備えている。
【００１１】
受熱器２２は、例えば、電力変換装置２０の筐体２１内に設けられ、ほぼ鉛直な平面内に位置している。凝縮器２４および放熱器２６は、受熱器２２と共通の鉛直な平面、あるいは、この鉛直平面と平行な他の鉛直平面内に設けられている。凝縮器２４は、受熱器２２の水平方向側方に設けられ、放熱器２６は、受熱器２２の水平方向側方で、凝縮器２４の鉛直方向下方に配置されている。送風機２８は、凝縮器２４および放熱器２６の背面側に対向して配置されている。
【００１２】
図３ないし図６に示すように、受熱器２２は、細長い矩形箱状の容器本体３０と、容器本体の上部を覆っているとともに後述する副流路を形成した矩形箱状の上容器３２と、を有している。容器本体３０の一方あるいは両方の主面は、受熱面３０ａを構成し、この受熱面３０ａ上に、発熱体としての複数、例えば、２組の半導体素子３６が実装されている。半導体素子３６は、電力変換装置２０の一部を構成している。
【００１３】
容器本体３０は、冷却装置の冷却能力に応じて、所定の大きさに形成され、所定量の液状の冷媒３４が封入されている。冷媒３４は、純水、炭化水素系冷媒、アンモニア水溶液、不凍液(エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液等)、蓄熱マイクロカプセル等が使用されるが、一般的に化学的に安定したものを使用し、熱物性として、蒸発潜熱、熱伝導率が高く、粘性係数が小さいものが望ましい。
【００１４】
受熱器２２における受熱面３０ａの形成材料は、適用冷媒に応じて、アルミニウム製、黄銅製を使用する。また、照射ビームもしくは溶射皮膜形状等の外部から物理的処理を行った受熱面３０ａの改質により、伝熱促進を図った材料を適用してもよい。
【００１５】
受熱器２２の容器本体３０内部には、所望の流路あるいは収容室を形成するように複数の仕切り板３８が設けられている。仕切り板３８は、容器本体３０内にそれぞれ鉛直方向に沿って、かつ、互いに水平方向に所定間隔おいて設けられ、隣合う仕切り板３８間、および仕切り板と容器本体３０の側壁との間、に、それぞれ冷媒３４を収容した収容室４０、あるいは、流路が形成されている。各仕切り板３８の下端は、容器本体３０の底壁から僅かに離間して位置し、これにより、複数の収容室４０は、容器本体内の下部で互いに連通している。
【００１６】
また、各仕切り板３８の上端部は、容器本体３０の上部開口３０ｂを越えて上方に延出し、上容器３２内に位置している。これらの仕切り板３８の上端部は、邪魔板４２を形成している。邪魔板４２は、容器本体３０の各収容室４０から溢れ出る冷媒３４が、隣の収容室内へ流入するのを規制する。なお、邪魔板４２は、仕切り板３８と一体に形成する場合に限らず、別体に形成された邪魔板を仕切り板３８に固定する構成としてもよい。
【００１７】
上容器３２により、容器本体３０の上部開口３０ｂの周囲に副流路４４が形成されている。加熱されて各収容室４０から溢れ出る冷媒３４は、副流路４４に流れ込み、この副流路４４を通って後述する冷媒流出口へ送られる。冷媒を効率よく冷媒流出口へ送るように、副流路４４を冷媒流出口側へ所望角度傾斜した構造としてもよい。
【００１８】
上容器３２の天井壁に蒸気排出口４６が形成され、この蒸気排出口は、上容器３２内の空間を介して複数の収容室４０に連通している。上容器３２の側壁に冷媒流出口４８が形成され、この冷媒流出口４８は副流路４４に連通している。容器本体３０の底壁に冷媒流入口５０が形成され、この冷媒流入口は、複数の収容室４０に連通している。
【００１９】
図３に示すように、凝縮器２４は、蛇腹状に延び蒸気を流す配管５２と、配管５２の周囲に直接あるいは間接的に配置された複数の放熱フィン５４と、を有している。配管５２は、その一端に位置する流入口５６ａと、他端に位置する流出口５６ｂと、を有し、流出口５６ｂは流入口５６ａに対して、鉛直方向下方に位置している。
【００２０】
配管５２の流入口５６ａは、蒸気流通管５８を介して受熱器２２の蒸気排出口４６に接続されている。配管５２の流出口５６ｂは、凝縮液流通管６０を介して受熱器２２の冷媒流入口５０に直接、あるいは、後述する冷媒還流管７０を介して接続されている。凝縮器２４は、配管５２を流れる蒸気を冷却し冷媒液に凝縮した後、流出口５６ｂから凝縮液流通管６０に排出する。排出された冷媒液は、凝縮液流通管６０を通して受熱器２２に戻される。
【００２１】
凝縮器２４は、凝縮熱伝達促進の向上のため、撥水性の高い塗料等を凝縮器内部に塗布し、発生した凝縮液を受熱器２２へ流下させ易く傾斜をもたせた構成、形状としてもよい。
【００２２】
図３および図４に示すように、放熱器２６は、それぞれ鉛直方向の延びているとともに水平方向に並んで設けられた複数の放熱管６２と、これら放熱管の下端に連通する流入部６４ａと、放熱管の上端に連通する流出部６４ｂと、流入部に設けられた流入口６６ａと、流出部に設けられた流出口６６ｂと、を有している。放熱管の周囲に放熱フィンを設けても良い。
【００２３】
流入部６４ａの流入口６６ａは、冷媒流通管６８を介して受熱器２２の冷媒流出口４８に接続されている。流入口６６ａは、受熱器２２の冷媒流出口４８に対して、鉛直方向下方に位置している。流出部４６ｂの流出口６６ｂは、冷媒還流管７０を介して受熱器２２の冷媒流入口５０に接続されている。
【００２４】
高温の冷媒が受熱器２２から冷媒流通管６８を通して放熱器２６に送られると、放熱器２６は、冷媒を流入部６４ａから複数の放熱管６２を通して上方に流し、その間、放熱管を通して冷媒の熱を外気に放熱し冷却する。更に、放熱器２６は、冷却された冷媒を流出部６４ｂを通して冷媒還流管７０に送りだす。排出された冷媒は、冷媒還流管７０を通して受熱器２２に戻される。なお、本実施形態において、凝縮液流通管６０は冷媒還流管７０の中途部に接続されている。これにより、凝縮器２４から排出された冷媒液は、凝縮液流通管６０および冷媒還流管７０を通して受熱器２２へ送られる。
【００２５】
図１ないし図３に示すように、送風機２８は、凝縮器２４および放熱器２６の背面側に対向して配置され、凝縮器２４および放熱器２６に直接取り付ける構成、もしくは、通風ダクト７２を介して、凝縮器２４および放熱器２６に接続する構成とすることができる。送風機２８は、凝縮器２４および放熱器２６に冷却風を供給し、これらの冷却を促進する。通風ダクト７２を設置した場合、送風機２８の風量増加を図ることができる。また、凝縮器２４および放熱器２６は、車体外へ突出して配置し、走行風を冷却風として利用する構成としてもよい。
【００２６】
上記のように構成された冷却装置１０の冷却作用について説明する。  
図３および図５に示すように、受熱器２２の受熱面３０ａに実装された半導体素子３６が起動し、発熱することによって、その熱が受熱面３０ａを熱伝導し、受熱器２２の容器本体３０内部に封入された冷媒３４が加熱され、熱輸送がなされる。半導体素子３６の損失量が増加することで、冷媒３４は飽和温度に達し沸騰が開始される。沸騰により発生する気泡１０１が周囲液体との密度差により駆動力が発生、すなわち浮力となって容器本体３０内部に上昇流が発生し、気泡１０１が上昇することにより周囲の冷媒３４もそれに追従して収容室４０内を上昇する。容器本体３０の上部では、冷媒３４は気相と液相の混合状態、つまり気液二相流の流動状態となる。
【００２７】
一方、受熱器２２より発生した蒸気１０２は、蒸気流通管５８を介して、凝縮器２４へと送出される。凝縮器２４では、外周に設置された放熱フィン５４により熱交換がなされ、蒸気１０２を液体へと凝縮させ、その冷媒の凝縮液が凝縮液流通管６０、冷媒還流管７０を介して、受熱器２２の下部へ送出される。
【００２８】
図４および図６に示すように、それと同時に、受熱器２２の上部の気液二相流かつ高温状態となった冷媒３４は、上昇流が循環駆動流となり、容器本体３０の上部開口３０ｂから溢れ出て、副流路４４へ送られ、更に、副流路から冷媒流通管６８を介して放熱器２６の流入部６４ａへ送出される。この際、容器本体３０の上部には邪魔板４２が設けられ、これらの邪魔板により、高温状態となった冷媒が、再び受熱器に流れ込む、つまり、隣の収容室４０へ逆流することを防止する。これにより、受熱器２２から流出する冷媒を効率よく副流路４４を介して冷媒流通管６８へ送出させることができる。
【００２９】
図３に示すように、放熱器２６へ流入した高温の冷媒３４は、放熱管６２を通って上方へ流れて流出部６４ｂに送出され、その間、熱を放出して冷却される。放熱器２６の下部から流入する冷媒は温度が高く、放熱器２６内は相対的に上部の温度が低くなっている。そのため、密度差対流により放熱器２６の放熱管６２内を下部から上部へ熱流が移動し、冷媒も上方へ流れる。そして、冷却された冷媒は、流出部６４から冷媒還流管７０へ送出され、この冷媒還流管を通して受熱器２２の流入へ送られる。
【００３０】
凝縮器２４および放熱器２６では、外部に設置した送風機２８からの冷却風３１により一体化された状態で強制空冷が行われる。このように、冷却装置１０内では、循環ループ構成により、外部駆動がなく自然循環流が誘起される。以上のようにして、半導体素子３６は、受熱器２２および冷媒３４によって熱を奪われ、冷却される。
【００３１】
以上のように構成された自然循環型の冷却装置１０によれば、受熱器２２の受熱面３０ａに取り付けられた半導体素子３６からの発熱は、受熱器２２内の冷媒３４へと熱伝導、熱伝達により、熱輸送が行われる。半導体素子３６の損失増加により、受熱器２２内部の冷媒３４はある所定飽和温度に達した時、沸騰を開始するが、この際、蒸発潜熱つまり冷媒が蒸発する際に奪う潜熱が、通常の顕熱輸送と比較すると著しく高くなるため、高いレベルでの熱輸送が可能となる。この沸騰により発生した気泡１０１の浮力の効果により、上昇流が発生し、装置内に循環流が誘起される。発生した蒸気１０２は蒸気流通管５８を介して、凝縮器２４へと送出され、凝縮されることで、蒸気発生による装置内の圧力上昇およびこれによる冷媒３４の飽和温度値の上昇を抑制可能となり、所望の温度レベルにより冷媒の循環流を維持することができる。
【００３２】
冷却装置内を減圧密閉状態にし、冷媒３４の飽和温度値を低下させ、早期に沸騰させることで、半導体素子３６の温度を許容温度以下を満足させることできる。更に、冷媒流通管６８を介して送出された冷媒３４は、放熱器２６により熱交換の上、温度低減された後、ある所望のサブクール度を有した状態で受熱器２２に再び還流することから、受熱器２２内部の伝熱面におけるバーンアウトを抑制し、かつ除熱限界値を増大させることも可能となる。これにより、冷却装置は、良好な放熱性能を発揮することができる。
【００３３】
凝縮器および放熱器を受熱器２２に対して水平方向側方に配置することにより、冷却装置の配置制約の緩和と小型化を図ることができる。自然循環型の冷却装置を提供することにある。凝縮器２４の流入部は、蒸気により高温状態となり、逆に、流出部は、放熱器２６で冷却された冷媒が流通する冷媒還流管側に連通している。そのため、凝縮器２４の流入口と流出口とで圧力差が生じ易くなり、凝縮器への蒸気流入量を増大することが可能となり、冷媒を効率よく凝縮および循環し、冷却能力の向上を図ることができる。冷媒流量が微小流量の場合、放熱器内部で熱輸送が促進され、冷媒循環の安定化を図ることができる。  
以上のことから、配置制約の緩和と小型化を図り、かつ良好な放熱性能を発揮できる自然循環型の冷却装置が得られる。
【００３４】
次に、他の実施形態に係る自然循環型の冷却装置について説明する。  
以下に説明する他の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一の構成要素あるいは相当する構成部材には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３５】
（第２の実施形態）  
図７は、第２の実施形態に係る自然循環型の冷却装置１０を示している。  
この図に示すように、第２の実施形態によれば、自然循環型の冷却装置１０は、複数個の半導体素子３６を冷却する場合における構成となっている。すなわち、冷却装置１０は、２つの受熱器２２を備え、これらの受熱器２２は同一平面上に並んで配置されている。各受熱器２２の受熱面３０ａ上に半導体素子３６が実装されている。２つの受熱器２２の受熱面３０ａは、同一平面上に位置している。２つの受熱器２２間に、凝縮器２４および放熱器２６が配置され、受熱器２２の受熱面３０ａとほぼ同一平面上に位置している。各受熱器２２は、蒸気流通管５８および冷媒還流管を介して凝縮器２４および放熱器２６に接続され、凝縮器２４の２つの流出口は、それぞれ凝縮液流通管６０を介して冷媒還流管に接続されている。つまり、２つの受熱器２２に対して、凝縮器２４と放熱器２６を１つずつで賄うことになる。また、凝縮器２４と放熱器２６を一体ものとして扱い、その直近もしくは、通風ダクトを介して、外部に送風機２８が設置されている。
【００３６】
本実施形態において、図示はしないが、冷却装置１０を複数個並列配置し、それらをひとつのモジュールとして組み込み、その外部に送風機２８を設置した構成としてもよい。  
なお、冷却装置の他の構成および各構成要素の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００３７】
上記のように構成された冷却装置１０によれば、２つの受熱器２２は凝縮器２４および放熱器２６の両側面に配置されることにより、受熱器２２から送出される蒸気１０２が２つの蒸気流通管５８から集約し、凝縮器２４へ流入する。また、受熱器２２から流出する高温状態となった冷媒３４は、放熱器２６へ２つの凝縮液流通管６０を介して流入し、放熱器２６により熱交換される。その後、サブクール状態となった冷媒３４は２つに分岐され、各々の冷媒還流管７０を介して受熱器２２へと再び戻り、循環ループ作用を成す。
【００３８】
また、冷却装置１０を複数個並列配置することで、中央部に設置されている、凝縮器２４および放熱器２６を一体化させた状態において強制空冷による冷却が可能となる。この場合、放熱量の大小により送風機２８の出力を可変させることで制御する。これ以外の作用については、第１の実施形態と同様となる。
【００３９】
第２の実施形態に係る冷却装置１０によれば、２つの受熱器２２に対して、凝縮器２４および放熱器２６を１つずつ設置することで、効率よく、かつ良好な放熱性能を発揮することができる。また、冷却装置の放熱性能に対する装置体積の縮小化、つまり実装スペースの低減を図ることができる。更に、冷却装置を複数個を並列配置し、送風機２８により冷却風３１を送風することで、半導体素子３６の個数に対する冷却装置の冷却効率向上へつながり、冷却装置の小型化、低コスト化が可能となる。その他、第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４０】
（第３の実施形態）  
図８は、第３の実施形態に係る自然循環型の冷却装置を示す側面図、図９は、受熱器上部の構造を示す断面図である。
【００４１】
第３の実施形態によれば、冷却装置１０の凝縮器２４および放熱器２６は、受熱器２２の背面側に設置され、上部に凝縮器２４、その下部に放熱器２６が配置されている。凝縮器２４および放熱器２６を冷却するための送風機２８が凝縮器２４および放熱器２６に対向して配置され、凝縮器２４と放熱器２６とを一体的に空冷する。また、図示はしないが、半導体素子３６が実装されている受熱器２２の受熱面３０ａに対して、凝縮器２４および放熱器２６を横に並列配置する構成とし、凝縮器２４から流出する凝縮液が冷媒還流管７０へ直接流下する構成としてもよい。この場合、放熱器２６から流出したサブクール状態の冷媒３４が、凝縮器２４へ逆流するのを防止するために、冷媒還流管７０の内部に逆流防止弁を設置してもよい。
【００４２】
なお、冷却装置の他の構成および各構成要素の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００４３】
上記のように構成された冷却装置１０によれば、受熱器２２で発生した蒸気と気液二相流となった高温状態の冷媒３４は、受熱器２２の背面側に設置された凝縮器２４と放熱器２６の各々へ送出される。この際、図９に示すように、受熱器２２の上部開口から流出した気液二相流で高温状態となった冷媒３４は、仕切り板３８で区切られた収容室４０から流出する際、半導体素子３６が取り付けられた受熱面３０ａとは逆面に対する副流路４４のみを流れる構成としている。そのため、流出した冷媒３４を、冷媒流通管６８を介して放熱器２６に流入しやすくなる。
【００４４】
凝縮器２４および放熱器２６を一体空冷化するための送風機２８をさらにそれら背面に配置し、その冷却風３１が凝縮器２４および放熱器２６のみならず、受熱器２２の半導体素子３６が取り付けられた受熱面３０ａと反対側の面に送風される。その他の要素における作用については、第１の実施形態と同様となる。
【００４５】
以上のように構成された冷却装置１０によれば、凝縮器２４および放熱器２６を受熱器２２の背面側に設置することで、受熱器２２の半導体素子３６の受熱面３０ａに対して、水平方向における装置サイズの縮小化が可能となる。また、受熱器２２内部の液面より邪魔板４２を突出させることで、気液二相流の高温状態である冷媒３４が再び受熱器２２へ逆流することなく、冷媒流通管６８を介して、放熱器２６へと送出することができる。このため、受熱器２２の上部に設置する邪魔板１１が不要になるため、装置内における局所圧力損失を低減でき、冷媒３４の循環効率が改善される。したがって、装置全体として、所望の放熱性能を維持し、かつ装置内の圧力上昇を抑制することができる。その他、第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４６】
（第４の実施形態）  
図１０は、第４の実施形態に係る自然循環型の冷却装置を概略的に示している。この図に示すように、第４の実施形態に係る冷却装置１０では、凝縮器２４および放熱器２６が、受熱器２２の背面側に設置されており、上部に凝縮器２４、下部に放熱器２６が設置されている。凝縮器２４および放熱器２６は、受熱器２２と直交する平面上に設けられている。送風機２８は、受熱器２２の背面側で、凝縮器２４および放熱器２６と対向して配置され、冷却風が凝縮器２４および放熱器２６の両方を通風できるように構成している。この場合、冷却装置１０を複数個並列に配置し、１台の送風機２８にて個々の凝縮器２４および放熱器２６を一体空冷化するとともに、かつ複数個を同時に一括空冷化させるように配置構成してもよい。  
なお、冷却装置の他の構成および各構成要素の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００４７】
上記構成の冷却装置１０では、凝縮器２４および放熱器２６を一体化空冷し、送風機２８による冷却風３１は、凝縮器２４および放熱器２６を通風するとともに、受熱器２２の背面、かつ半導体素子３６が取り付けられた受熱面３０ａと平行な面方向に流れる。冷却装置１０を複数個並列配置した場合では、個々の凝縮器２４と放熱器２６に冷却風３１が通風する。  
上記の構成によれば、前述した第３の実施形態と同様の作用効果を得られるとともに、受熱器２２に対して、側面部から冷却風３１が通風することが可能となるため、その側面部に同様の冷却装置を多並列配置することが容易となる。また、１台の送風機２８にて一括で多数の冷却装置を冷却可能となるため、装置全体としての小型、軽量化につながる。  その他、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４８】
（第５の実施形態）  
図１１は、第５の実施形態に係る自然循環型の冷却装置を概略的に示している。この図に示すように、第５の実施形態に係る冷却装置１０は、互いに対向する向きに配置された２つの受熱器２２と、これら受熱器２２の間、すなわち双方の受熱器２２の背面側に配設された凝縮器２４および放熱器２６と、を備えている。凝縮器２４および放熱器２６は、受熱器２２と直交する平面上に設けられ、上部に凝縮器が配置され、その下部に放熱器２６が配置されている。受熱器２２において、凝縮器２４および放熱器２６が設置されている側の面、つまり、背面には、半導体素子３６が実装されておらず、反対側の受熱面３０ａのみに半導体素子３６が実装されている。これは、もう一方の受熱器２２についても同様の構成となっている。送風機２８は、凝縮器２４および放熱器２６に対向して配置されている。
【００４９】
多数の半導体素子３６を搭載し、かつ上下方向に配置制約がある場合、凝縮器２４および放熱器２６は、水平方向に多並列配置し、側面部に送風機２８を設置し、複数の凝縮器２４および放熱器２６を一体に空冷する構成とする。なお、上記と同様の条件かつ水平方向に配置制約がある場合、複数の凝縮器２４および放熱器２６を鉛直方向に多並列配置し、一体に空冷する構成としてもよい。
【００５０】
上記のように、多数並列配置した個々の冷却装置１０では、２つの受熱器２２から発生した蒸気１０２は、凝縮器２４において凝縮され液体となり受熱器２２の流入口へと流下する。また、受熱器２２で気液二相流の高温状態となった冷媒３４は、冷媒流通管６８を介して放熱器２６の流入口へ送出され、放熱器で熱交換され温度低下によりサブクール状態となった後、両受熱器２２へと還流する。多数並列配置された冷却装置は、送風機２８を設置し、強制空冷により外部空気と熱交換がなされる。なお、上下方向に配置制約がある場合、水平方向に多並列配置し、側面に送風機２８を設置し、送風させ、排風を装置側部外へと逃がす。
【００５１】
第５の実施形態に係る冷却装置１０によれば、２つの受熱器２２に対して、凝縮器２４と放熱器２６を背面側に配置し、すなわち２つの受熱器２２で凝縮器２４と放熱器２６を挟み込む構成にすることで、水平方向に対する装置サイズを縮小することが可能となる。この構成において、装置の配置制約がある場合でも、水平方向もしくは、鉛直方向に多並列配置させることができ、半導体素子数の増加に対する設計の自由度が向上する。また、凝縮器２４と放熱器２６の側面もしくは下面に対して、送風機２８を設置することで、外部送風機器の設置自由度も向上する。
【００５２】
前記のような構成では、凝縮器２４および放熱器２６の冷却のみならず、受熱器２２へも送風が可能となる。そのため、冷却装置内の温度レベルを低下させ、半導体素子の許容温度をさらに小さくすることができる。更に、受熱器２２の内部の冷媒３４をサブクール状態にすることで、除熱限界値を増大させることも可能となる。その他、第５の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００５３】
（第６の実施形態）  
図１２は、第５の実施形態に係る自然循環型の冷却装置を概略的に示している。この図に示すように、第５の実施形態に係る冷却装置１０は、同一平面上に設けられた受熱器２２、凝縮器２４、放熱器２６を備え、これは互いに接近して連結され、ユニット化されている。第５の実施形態において、冷却装置１０の他の構成および各構成要素の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００５４】
上記の構成によれば、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得られるとともに、装置を１ユニット化することにより、小型、軽量化を図ることができる。
【００５５】
（第７の実施形態）
図１３は、第７の実施形態に係る自然循環型の冷却装置を搭載した鉄道車両を概略的に示している。本実施形態によれば、冷却装置１０の受熱器２２は、車体１６の床下に艤装された電力変換装置２０の筐体２１内に配置され、受熱器２２の受熱面に発熱体としての複数の半導体素子が実装されている。冷却装置１０の凝縮器２４および放熱器２６は、筐体２１の外側で、受熱器２２の水平方向側方に配置されている。車体１６は、走行風を導く通風ダクト８０を有し、凝縮器２４および放熱器２６は、この通風ダクト８０内に配置されている。これにより、凝縮器２４および放熱器２６は、通風ダクト８０内を流れる走行風により一体に冷却される。この場合、送風機２８は省略することができる。
【００５６】
冷却装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。このように構成された冷却装置によれば、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、送風機を省略し、製造コストの低減、および設置スペースの低減を図ることができる。
【００５７】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。  
冷却装置の冷却対象となる発熱体は、電力変換装置の半導体素子に限らず、他の発熱体としてもよい。受熱器および受熱面を構成する材料は、前述した実施形態に限定されることなく、種々選択可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…冷却装置、１２…台車、１６…車体、２０…電力変換装置、２２…受熱器、
２４…凝縮器、２６…放熱器、２８…送風機、３０…容器本体、３０ａ…受熱面、
３２…上容器、３６…半導体素子、３８…仕切り板、４０…収容室、４２…邪魔板、
４４…副流路、４６…蒸気排出口、４８…冷媒流出口、５０…冷媒流入口、
５４…放熱フィン、５６ａ…流入口、５６ｂ…流出口、５８…蒸気流通管、
６０…凝縮液流通管、６２…放熱管、６８…冷媒流通管、７０…冷媒還流管、
【図１】
2013247148.tif 000003
【図２】
2013247148.tif 000004
【図３】
2013247148.tif 000005
【図４】
2013247148.tif 000006
【図５】
2013247148.tif 000007
【図６】
2013247148.tif 000008
【図７】
2013247148.tif 000009
【図８】
2013247148.tif 000010
【図９】
2013247148.tif 000011
【図１０】
2013247148.tif 000012
【図１１】
2013247148.tif 000013
【図１２】
2013247148.tif 000014
【図１３】
2013247148.tif 000015