(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設けたことを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項２】
前記熱伝導体は、前記短いヒートパイプに隣接され、この短いヒートパイプに取付けられた放熱フィンを介して短いヒートパイプに熱的に接続されたことを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項３】
前記熱伝導体は、銅やアルミニューム等の熱伝導率の大きい金属棒が用いられ、前記短いヒートパイプにほぼ同じ長さで隣接されたことを特徴とする請求項１記載のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項４】
前記熱伝導体は、前記放熱フィンより厚肉の熱伝導部材を介して前記短いヒートパイプに接続されたことを特徴とする請求項１または３に記載のヒートパイプ式冷却装置。
【請求項５】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプに封入された冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設け、この熱伝導体は、銅やアルミニューム等の熱伝導率の大きい金属棒が用いられ、前記短いヒートパイプにほぼ同じ長さで隣接され、この短いヒートパイプに取付けられた放熱フィンを介して短いヒートパイプに熱的に接続されたことを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項６】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは３種類以上の異なる放熱能力を有するように構成してなり、この構成は前記複数の放熱フィン全てが取付けられたヒートパイプと、前記複数の放熱フィンのうちの一部が取付けられたヒートパイプと、中実の金属棒とで構成されていることを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項７】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプと最も短い第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記最も短い第３ヒートパイプを設けたことを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項８】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプとこの短い第２ヒートパイプより厚肉の短い第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記最も短い第３ヒートパイプを設けたことを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項９】
発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプと非凝縮ガスを封入した第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記非凝縮ガスを封入した第３ヒートパイプを設けたことを特徴とするヒートパイプ式冷却装置。
【請求項１０】
直流電力を変換して電動機を制御するための電力変換回路と、前記電力変換回路を冷却するためのヒートパイプ式冷却装置とを備え、電気鉄道車両の床下等に設置される電力変換装置において、前記ヒートパイプ式冷却装置は、前記電力変換回路を構成する半導体素子が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを有し、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ヒートパイプ式冷却装置及び電力変換装置に係り、特に電気鉄道車両の床下部等に設置するヒートパイプ式冷却装置及び電力変換装置に好適なものである。
背景技術
従来の電気鉄道車両の床下部等に設置する電力変換装置のヒートパイプ式冷却装置としては、例えば特開平７−１７６６６０号公報に記載されているように、車両用インバータにスイッチング素子として使用される複数の半導体素子が固定される受熱ブロックに複数の長短ヒートパイプを挿入して固定され、この長短ヒートパイプに複数の放熱フィンが設けられたもの（第１従来技術）、この短いヒートパイプの代りに肉厚の厚い長いヒートパイプが用いられたもの（第２従来技術）、あるいは単なる長い金属棒が用いられたもの（第３従来技術）が公知である。
かかる従来のヒートパイプ式冷却装置において、第１従来技術のものは、作動液の凝固点以下の低温環境下でもヒートパイプが作動するためには、あるしきい値以上の発熱量が必要である。しかし、例えば鉄道車両のように発熱量が状況により変動するような電力変換装置の冷却装置として用いる場合には、その運転状態によって発熱量がしきい値以下となり、冷却装置が作動しないという虞れがあった。同様に鉄道車両への適用においては、走行時の走行風により外気への放熱能力が変動して大きくなる場合が想定され、この場合においては、しきい値以上の発熱量があってもヒートパイプ内の作動液が凝固点まで温度上昇せずにヒートパイプが作動しないという虞れがあった。この対策として、肉厚の厚いヒートパイプを用いた第２従来技術のもの、または、金属棒を用いた第３従来技術のものが考えられる。しかし第２従来技術のものでは、伝熱量を確保するために、肉厚を厚くする必要があり、ヒートパイプとしての性能を低くせざるをえなかった。一方、第３従来技術のものでは、金属棒の熱輸送能力はヒートパイプの数十分の一程度であるため、十分な冷却性能が得られなかった。このため、第２，第３従来技術のものでは放熱フィン面積を大きくするなどの措置が必要であることから、全体を大型化せざるをえないものであった。
発明の開示
本発明の目的は、ヒートパイプ冷媒の凝固点より外気温度が低いような環境下で、電力変換装置の発熱量が動作条件により変動したり、または走行時に冷却装置内を通過する走行風によって放熱能力が変化した場合でも、所定の冷却性能を有し、かつ常温作動時においても高い熱輸送能力を有し、しかも、冷却装置全体をコンパクトにすることができるヒートパイプ式冷却装置及び電力変換装置を得ることにある。
上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設けたことにある。
好ましくは、前記熱伝導体は、前記短いヒートパイプに隣接され、この短いヒートパイプに取付けられた放熱フィンを介して短いヒートパイプに熱的に接続された構成にしたことにある。
また、好ましくは、前記熱伝導体は、銅やアルミニューム等の熱伝導率の大きい金属棒が用いられ、前記短いヒートパイプにほぼ同じ長さで隣接された構成にしたことにある。
また、好ましくは、前記熱伝導体は、前記放熱フィンより厚肉の熱伝導部材を介して前記短いヒートパイプに接続された構成にしたことにある。
本発明の第２の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプに封入された冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設け、この熱伝導体は、銅やアルミニューム等の熱伝導率の大きい金属棒が用いられ、前記短いヒートパイプにほぼ同じ長さで隣接され、この短いヒートパイプに取付けられた放熱フィンを介して短いヒートパイプに熱的に接続された構成にしたことにある。
本発明の第３の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは３種類以上の異なる放熱能力を有するように構成したことにある。
本発明の第４の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプと最も短い第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記最も短い第３ヒートパイプを設けた構成にしたことにある。
本発明の第５の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプとこの短い第２ヒートパイプより厚肉の短い第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記最も短い第３ヒートパイプを設けた構成にしたことにある。
本発明の第６の特徴は、発熱体が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを備えたヒートパイプ式冷却装置において、前記ヒートパイプは長い第１ヒートパイプと短い第２ヒートパイプと非凝縮ガスを封入した第３ヒートパイプとを有し、前記短い第２ヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短い第２ヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように前記非凝縮ガスを封入した第３ヒートパイプを設けた構成にしたことにある。
本発明の第５の特徴は、直流電力を変換して電動機を制御するための電力変換回路と、前記電力変換回路を冷却するためのヒートパイプ式冷却装置とを備え、電気鉄道車両の床下等に設置される電力変換装置において、前記ヒートパイプ式冷却装置は、前記電力変換回路を構成する半導体素子が取付けられた熱伝導が良好な受熱部材と、内部に冷媒が封入され、一側を形成する蒸発部がこの受熱部材に熱的に接続して取付けられ、他側を形成する凝縮部が前記受熱部材より突出して設けられた複数のヒートパイプと、前記ヒートパイプの凝縮部に取付けられた複数の放熱フィンとを有し、前記ヒートパイプは長いヒートパイプと短いヒートパイプとを有し、この短いヒートパイプの冷媒の凝固点以下の温度で前記受熱部材から前記短いヒートパイプの凝縮部へ伝熱するように熱伝導体を設けた構成にしたことにある。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明のヒートパイプ冷却装置とこれを用いた電力変換装置の実施例を図面を用いて説明する。
まず、第１０図を用いて、本発明を適用する電力変換装置を説明する。インバータ１０１を有する主回路は、直流き電区間を走行する電気鉄道車両の床下に設置する電力変換装置を構成し、パンタグラフ１０６に、遮断器１０５，フィルタリアクトル１０４及びフィルタコンデンサ１０２を介して接続され、直流電力が供給される。このインバータ１０１は、例えばＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子１０１ａや逆並列ダイオード１０１ｂ等の電力用半導体素子により構成されており、入力された直流電力を正，負，中性の３つのレベルを有するパルスを出力することによりＰＷＭ変調された可変電圧可変周波数の３相交流電力に変換して出力する。電気車を駆動する交流電動機１０３は、インバータ１０１に接続され、可変電圧可変周波数の交流電力を入力することによってその回転が制御され、電気車が力行される。また、交流電動機１０３が発電機として動作する回生時は、上記力行時とは反対にエネルギーがパンタグラフ１０６に戻される。
かかる電力変換装置は、冷却系にとってみれば、主回路を構成する各素子全てが発熱体であり、これらが密に実装されると熱的に厳しいものとなるので、ヒートパイプ式冷却装置を備えている。また、これらの発熱は常に一定という訳ではなく、例えば乗車率や線路状況により大きく変動すると共に、走行時の冷却風等の影響によりヒートパイプ式冷却装置の放熱部の放熱能力も時々刻々と変動する。これらの要因により、ヒートパイプ内に封入された冷媒が凝固しないような温度域では、電力変換装置の発熱に対してヒートパイプ式冷却装置の良好な冷却機能が作用するが、冷媒の凝固点以下の温度域では、ヒートパイプが作動できず、電力変換装置が過熱してしまう恐れがある。本発明では、ヒートパイプ内の冷媒の凝固点以下及び以上において、良好な冷却機能を有して電力変換装置の過熱を防止するものである。
次に、第１図を用いて本発明のヒートパイプ式冷却装置の第１実施例の構成を説明する。電力変換装置は、主回路のインバータ２０１とヒートパイプ式冷却装置１０とを備えている。主回路のインバータ２０１を構成する６つの半導体モジュール５を図に示してある。冷却装置は、受熱部材４と、複数の略Ｌ字型ヒートパイプ１と、ヒートパイプ１と同一円筒形状の中実の金属棒２と、ヒートパイプ１および金属棒２の放熱部に取り付けられた放熱フィン３とを備えて構成されている。ヒートパイプ１は、放熱部が長く、全ての放熱フィン３が取り付けられている複数のヒートパイプ１ａと、放熱部が短く、受熱部材４寄りの一部の放熱フィン３しか取り付けられていない複数のヒートパイプ１ｂの２種類で構成されている。このヒートパイプ１ａ，１ｂは内部の冷媒から外気への放熱を良好にするために薄肉のもので形成されている。金属機２は、短いヒートパイプ１ｂと同じ長さで、短いヒートパイプ群１ｂの個々のパイプに隣接してヒートパイプ１ｂと同様に配置されており、取り付けられる放熱フィン３も短いヒートパイプ１ｂと共有している。金属棒２は、銅やアルミニウムなど、熱伝導率の大きい部材が用いられる。ヒートパイプ１は、略垂直な受熱部と略水平な凝縮部よりなっている。ヒートパイプ１の受熱部は、受熱部材４に熱的に接続して取り付けられている。また、ヒートパイプ１の凝縮部は、放熱フィン２が取り付けられると共に、車両が傾斜した場合でも凝縮部から受熱部への液戻りを円滑に行う為、凝縮部の先端寄りが若干上方に位置するように若干傾斜して設けられる。ヒートパイプ１内に封入される冷媒としては、例えば水や、フロン系，パーフレオロカーボン系等の流体が用いる。本実施例では、漏出することがあっても環境への影響の少ない水が作動液として用いられている。受熱部材４の他側には電力変換器の主回路のインバータ２０１を構成する半導体モジュール５等が熱的に接続されて取り付けられている。
次に、第２図から第４図を用いて、かかるヒートパイプ式冷却装置の動作特性について説明する。なお、第２図はヒートパイプ１及び金属棒２を垂直に模式的に図示してある。
まず、第３図を用いてヒートパイプ式冷却装置の各部の温度が時間の経過によってどのように変化するかを説明する。第３図においては、外気温度−５０℃の状態で、かつ電力変換装置が長時間動作していない状況下で、電力変換装置が動作を開始し、半導体モジュール５等の発熱量Ｑが少しずつ上昇していきながら所定の発熱量に達する場合（図中の一点鎖線にて表示）の冷却装置１０の第２図に示す各部のＨＢ部，ＨＬ部，ＨＳ部及びＣＳ部の温度の時間変化を表したものである。ここで、ビートパイプ１の冷媒としては純水、金属棒としては銅を用いており、冷却装置１０の冷却性能指標としては半導体モジュール５の取り付けられる受熱部材４の許容温度が８０℃以下になることとしている。図中の実線は冷却装置１０の各部の温度変化曲線であり、ＡＨＢは受熱部材のＨＢ部、ＡＨＬは長いヒートパイプ１ａの放熱部先端ＨＳ部、ＡＨＳは短いヒートパイプ１ｂの放熱部先端ＨＳ部、ＡＣＳは金属棒２の放熱部先端ＣＳ部の温度変化曲線をそれぞれ示す。冷却装置１０は、半導体モジュール５等の発熱が開始されると、その発熱を受けて受熱部材４のＨＳ部がＡＨＢのように温度上昇する。また、ヒートパイプ１ａ，１ｂ及び金属棒２のＨＬ部，ＨＳ部及びＣＳ部がＡＨＬ，ＡＨＳ及びＡＣＳのように温度上昇する。このようにして各部とも温度上昇していき、受熱部材４の温度が０℃近傍に達すると、ビートパイプ１ａ，１ｂの蒸発部で凍結している冷媒が蒸発部にて融解を開始して液体となり、さらには蒸発を開始する。このとき気体となった冷媒は蒸発潜熱の移動により放熱部である凝縮部へ熱輸送を開始する。しかし、このときのヒートパイプ１ａ，１ｂの先端はまだ０℃以下であり、凝縮部に移動した水は、ヒートパイプ１ａ，１ｂの先端部で凝縮した後に凍結してしまい、蒸発部へ還流できなくなってしまう。このようにして蒸発部において冷媒が全て蒸発してしまうと、蒸発部で液枯れが発生し、ヒートパイプ１ａ，１ｂが動作しなくなってしまう。そのため、冷却装置１０は、主に受熱部材４から金属棒２への熱伝導により、金属棒２に取り付けられた放熱フィン３へ伝熱して外気へ放熱するため、金属棒２の温度ＡＣＳが外気より高い温度となる。このように、冷却装置１０は、冷却性能が著しく低下した状態となるが、外気温度が低いため、受熱部材４の温度は設定値の８０℃以下に保たれる。なお、短かいヒートパイプ１ｂは、金属棒２に取り付けられた放熱フィン３からの伝熱により、その温度ＡＨＳが金属棒２の温度ＡＣＳとほぼ同じとなる。
次に、第４図を用いてヒートパイプ式冷却装置の各部の温度が外気温度によってどのように変化するかを説明する。第４図は、第３図に示す−５０℃の状態で電力変換装置が動作し、冷却装置のヒートパイプ部が作動に失敗して蒸発部に冷媒が凍結した状態において、発熱量Ｑが一定のまま外気温度が徐々に上昇して＋４０℃まで達する場合の冷却装置の各部の温度変化を示したものである。
まず、外気温度ＢＡＲが−５０℃の状態（動作点▲１▼）においては、第３図の受熱部材４の温度ＡＨＢが安定した状態であり、短い金属棒２の先端温度ＢＣＳは、受熱部材４からの熱伝導により外気温度ＢＡＲに比べ高くなっている。また、短いヒートパイプ１ｂの先端温度ＢＨＳは、金属棒２から流入する熱により暖められ、金属棒２とほぼ同じ温度となる。この状態で外気温度ＢＡＲが徐々に上昇していくと、冷却装置１０の各部の温度も上昇していき、外気温度ＢＡＲが０℃に達する前に受熱部材４の温度ＢＨＢが許容温度８０℃を越えようとする（動作点▲２▼）。しかし、本実施例によれば、受熱部材４の温度ＢＨＢが許容温度８０℃を越える前に金属棒２及び短いヒートパイプ１ｂ全体が０℃以上になるように構成されているため、短いヒートパイプ１ｂの凝縮部で凍結している冷媒が融解してヒートパイプとして作動を開始する。その結果、受熱部材４の温度ＢＨＢはこの動作点▲２▼を境に急激に低下することができるので、許容温度８０℃を越えることがない。この動作点▲２▼から外気温度ＢＡＲが上昇すると、冷却装置１０の各部の温度も上昇し、受熱部材４の温度ＢＨＢが上昇してその許容温度８０℃に近づくが、この許容温度８０℃を越える前に、外気温度ＢＡＲが０℃に到達するように構成されているので、長いヒートパイプ１ａの先端温度ＢＨＬが０℃以上となり、長いヒートパイプ１ａもヒートパイプとしての動作を開始する（動作点▲３▼）。この結果、受熱部材４の温度ＢＨＢは、この動作点▲３▼を境に急激に低下することができるので、許容温度８０℃を越えることがない。長いヒートパイプ１ａに取り付けられる放熱フィン３の設定は、外気温度４０℃で受熱部材４の温度ＢＨＢが８０℃以下となるように設定されている。
このように、短いヒートパイプ１ｂを短い金属棒２で加熱するようにしたので、外気温度が冷媒の凝固点以下の低温時において、発熱量が変動して低下しても、あるいは走行風の変動により放熱量が大きくなっても、受熱部材４の温度が許容温度以下で短いヒートパイプ１ｂを作動することができ、これにより所定の冷却性能を得ることができる。また、長いヒートパイプ１ａも作動するので所定の冷却性能が得られ、これにより、全ての温度域で所定の冷却性能を有することが可能となる。
次に、第５図を用いて本発明のヒートパイプ式冷却装置の第２実施例を説明する。本実施例における冷却装置は、第１実施例における金属棒２の代替として、さらに短いヒートパイプ１ｃを配置したものである。発熱量や放熱能力の変化が極端に低いしきい値以下にはならない使用状態に用いられる冷却装置においては、外気温度が冷媒の凝固点以下の状態で受熱部材４からの伝熱により最も短いヒートパイプの温度を外気温度よりも高くし、この最も短いヒートパイプ１ｃで短いヒートパイプ１ｂを加熱することにより、短いヒートパイプ１ｂを外気温度より低い温度で冷媒の凝固点以上にすることが可能である。ビートパイプのみで構成することにより金属棒を用いる場合と比較して軽量化が図れる。
次に、第６図を用いて本発明のヒートパイプ式冷却装置の第３実施例を説明する。本実施例における冷却装置は、第１実施例における金属棒２の代替として、隣接する短いヒートパイプ１ｂに対し、同じ長さでかつパイプの肉圧が厚いヒートパイプ１ｄを配置したものである。この構成により、パイプ肉圧が厚くなることで、このヒートパイプの放熱能力が小さくなると同時に、冷媒が凝固する際にも、パイプ肉圧部の熱伝導により隣接するヒートパイプの暖機が促進されるものである。
次に、第７図を用いて本発明のヒートパイプ式冷却装置の第４実施例を説明する。本実施例における冷却装置は、第１実施例において、金属棒２と対になって隣接する短いヒートパイプ１ｂとの間の熱伝導を促進するための熱伝導部材７を取り付けたものである。この構成により、短いヒートパイプ１ｂの暖機がより促進され、短いヒートパイプ１ｂの作動領域が広がる。その結果、受熱部材４の温度を低下できるので、冷却装置がよりコンパクトに構成される。
次に第９図を用いて本発明のヒートパイプ式冷却装置の第５実施例を説明する。本実施例における冷却装置は、第１実施例において、短いヒートパイプ１ｂと対になって隣接する金属棒２の代わりに非凝縮ガスを封入した可変コンダクタンスヒートパイプ１ｅを配置したものである。可変コンダクタンスヒートパイプ１ｅは、冷媒蒸気圧の低い低温下においては凝縮部にガスが充満するため、放熱能力が自然に小さくなる。そのため、低発熱時やフィン部放熱能力が一時的に向上した場合においても安定に作動することができるものである。
次に、第９図を用いて本発明の電力変換装置を電気鉄道車両に採用した構成について説明する。第９図は電力変換装置を搭載した車両の電気車の進行方向から見た断面概略図であり、本実施例によるヒートパイプ式冷却装置の斜視図を図中に拡大して詳細に示した。車体１０７の床下には、電力変換装置１００が設置されている。この電力変換装置１００は、第１０図に示す主回路と、第１図に示すものを若干変更した２段式ヒートパイプを用いた冷却装置１０とを備えている。本実施例では高さ方向が特に小さくなるような実装形態を有しているため、図中に示すように、本冷却装置を２段に縦積みして電力変換装置全体のコンパクト化を図っている。
以上は、直流をき電して交流電動機である誘導電動機を駆動するインバータシステムにおける電力変換装置についての実施例を説明したが、本発明はこれに限定されず、交流をき電して誘導電動機を駆動するコンバータ・インバータシステムにおいても適用することができる。また、上記説明したインバータは２レベルの電力変換器としたが３レベル電力変換器であってもよい。更に、スイッチング素子はとしてＩＧＢＴを始め、パワートランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の平面実装かつ片面冷却のパッケージ構造を採用するスイッチング素子全般について適用できる。
本発明によれば、ヒートパイプ冷媒の凝固点より外気温度が低いような環境下で、電力変換装置の発熱量が動作条件により変動したり、または走行時に冷却装置内を通過する走行風によって放熱能力が変化した場合でも、所定の冷却性能を有し、かつ常温作動時においても高い熱輸送能力を有し、しかも、冷却装置筐体を含む全体をコンパクトにすることができるヒートパイプ式冷却装置及び電力変換装置が得られる。
なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施する事ができる。そのため、本明細書に記載した好ましい実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示されており、その特許請求の範囲の意味の中に入る全ての変形例は本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のヒートパイプ式冷却装置の第１実施例の斜視図である。
第２図は第１図の冷却装置の動作を説明するための構成模式図である。
第３図は第２図の冷却装置の低温下での冷却装置各部の温度の時間変化を示す特性図である。
第４図は第２図の冷却装置の外気温度に対する温度特性を示す図である。
第５図は本発明のヒートパイプ式冷却装置の第２実施例を示す断面図である。
第６図は本発明のヒートパイプ式冷却装置の第３実施例を示す断面図である。
第７図は本発明のヒートパイプ式冷却装置の第４実施例を示す断面図である。
第８図は本発明のヒートパイプ式冷却装置の第５実施例を示す断面図である。
第９図は本発明の電力変換装置を電気鉄道車両に適用した構成図である。
第１０図は本発明の第１実施例における電力変換装置の主回路図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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