(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路を有するヒートシンク間に金属薄板よりなり端子間が蛇行して複数の曲がり部を有する抵抗体を配置し、上記抵抗体を上記ヒートシンク内を流通する冷媒で冷却するようにした水冷抵抗器において、上記ヒートシンクの冷媒流路は上記抵抗体の電流密度の大きい部分と対応する位置に形成されていることを特徴とする水冷抵抗器。
【請求項２】
上記抵抗体の端子部はヒートシンクに接する面が他の部分より大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載の水冷抵抗器。
【請求項３】
上記ヒートシンクには上記抵抗体の端子部と接する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水冷抵抗器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、大型回転機の回転制御装置に使用され、ヒートシンクで冷却される水冷抵抗器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は特開平１１−８７５８５号公報に示された従来の水冷抵抗器が適用された、例えば、大型回転機の回転数制御装置の構成を示す正面図、図１３は図１２中の抵抗体をヒートシンク冷却するようにした状態で示す平面図、図１４は図１３中の抵抗体の電流密度分布を示す模式図、図１５は図１３中の抵抗体の発熱集中部に亀裂が発生した状態を示す平面図、図１６は図１５中の抵抗体に発生した亀裂から破断した状態を示す平面図である。
【０００３】
図１２において、１は半導体で形成された半導体素子、２は半導体素子１に圧接された陽極、３は陽極２と対向する側に圧接された陰極、４はセラミックスで形成された絶縁碍子、５は半導体素子１からの発熱を冷却する銅で形成された主回路用銅ヒートシンク、６はボルト、７はナット、８は主回路締付用上板、９は主回路締付用下板、１０はヒートシンク５間を連結し可橈性を有するテフロンチューブであり、これらで主回路部を形成している。
【０００４】
また、１１は金属製の抵抗体、１２は抵抗体１１からの発熱を冷却するように形成された抵抗用アルミヒートシンク、１３は抵抗締付用上板、１４は抵抗締付用下板であり、これらで水冷抵抗器を形成している。そして、この水冷抵抗器で主回路に溜った電荷を消費するようにしている。１５は一次側冷却水を貯水する一次側冷却水用タンク、１６は一次側冷却水用タンク１５内の一次側冷却水を主回路部、水冷抵抗器へと送り、経路内を循環させる一次側ポンプ、１７は一次側配管、１８は二次側冷却に用いる工業用水を取り入れるバルブ、１９は二次側配管、２０は一次側冷却水と二次側冷却水の熱交換を行う熱交換器である。
【０００５】
次に動作について説明する。図１２において、一次側冷却水は、一次側冷却水用タンク１５から一次側ポンプ１６に流入する。その後一次側ポンプ１６で加圧されて吐出され、一次側配管１７を通って主回路用銅ヒートシンク５に流入する。そして、半導体素子１からの発熱を冷却すると、テフロンチューブ１０を通過し、スタック構造内の他の主回路用銅ヒートシンク５に流入し、同様に半導体素子１からの発熱を冷却する。さらに、一次側冷却水はテフロンチューブ１０を介して水冷抵抗器の抵抗用アルミヒートシンク１２へ流入し、抵抗体１１からの発熱を冷却すると、テフロンチューブ１０を通過してスタック構造内の他の抵抗用アルミヒートシンク１２に流入し、同様に抵抗体１１からの発熱を冷却する。抵抗体１１からの発熱を冷却した後、一次側冷却水と二次側冷却水の熱交換を行う熱交換器２０へ流入する。熱交換器２０では、一次側冷却水が主回路部及び水冷抵抗器で奪った熱量を二次側冷却水で冷却する。
【０００６】
ここで、水冷抵抗器の抵抗体１１は、図１３に示すように端子部１１ａから端子部１１ｂに向かって通電される。この通電時に抵抗体１１には蛇行した曲がり部があるため、抵抗体１１内では図１４に電流密度が低い部分を濃く、また、電流密度が高い部分を淡く示すように電流密度の分布が発生し、曲がり部内側の電流密度の高い部分が大きく発熱する。発熱量Ｑは、電流Ｉの２乗に比例し、Ｑ＝Ｉ２Ｒで表される。なお、Ｒは抵抗体１３の抵抗値である。
【０００７】
抵抗体１１における電流密度の分布は、図１４に示すように曲がり部の内側に電流が集中し、電流密度のピーク値は端子部１１ａの約５倍になっている。温度により抵抗値が変化しないと仮定すると発熱量は２５倍になる。
すなわち、局所的な発熱（ホットスポット）があり、長時間にわたって水冷抵抗器を使用すると、抵抗体が破損する恐れがあった。
例えば図１５に示すようにホットスポット部に熱疲労による亀裂１１ｃが発生し、この状態に陥ると亀裂１１ｃが進行し、亀裂１１ｃ部分の抵抗値も上昇して、やがて図１６に示すように破断１１ｄが発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水冷抵抗器は以上のように、図１４に示すように抵抗体１１の曲率半径の小さい曲がり部の内側部に電流が集中し、その部分の発熱が局部的に大きくなるので、抵抗体１１の発熱の繰り返しにより、図１５に示すように熱疲労破壊が進行するという問題点があった。
【０００９】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、抵抗体の蛇行曲がり部の電流密度を緩和して熱疲労破壊を防止することが可能な水冷抵抗器を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係わる水冷抵抗器は、冷媒流路を有するヒートシンク間に金属薄板よりなり端子部間が蛇行して複数の曲がり部を有する抵抗体を配置し、抵抗体をヒートシンク内を流通する冷媒で冷却するようにした水冷抵抗器において、ヒートシンクの冷媒流路は抵抗体の電流密度の大きい部分と対応する位置に形成されたものである。
【００１１】
また、この発明の請求項２に係わる水冷抵抗器は、請求項１において、互いに接続される抵抗体の端子部はヒートシンクに接する面が他の部分より大きく形成されたものである。
【００１２】
また、この発明の請求項３に係わる水冷抵抗器は、請求項１または請求項２において、ヒートシンクには抵抗体の端子部と接する突出部が形成されたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係わる水冷抵抗器の構成を示す正面図、図２は図１中抵抗体を示す平面図、図３は図２中の抵抗体の電流密度の分布を示す模式図である。
【００１４】
図１において、２１はＮｉ−Ｃｒなどの金属薄板で形成された抵抗体、２２は抵抗体２１からの発熱を冷却するアルミで形成された複数のヒートシンク、２３は抵抗締付用上板、２４は抵抗締付用下板であり、上板２３と下板２４とはボルト２５とナットで一体に積層固定されることにより、水冷抵抗器が形成される。そして、各ヒートシンク２２の両端部は、流体の流通可能にテフロンチューブ２７で接続され、最下側のヒートシンク２２はテフロンチューブ２８で図示しない主回路部と、また、最上部のヒートシンク２２は一次配管２９によって図示しない熱交換器とそれぞれ接続される。
【００１５】
抵抗体２１を示す図２において、２１ａ，２１ｂはそれぞれ所定の幅で両端部に形成された端子部で、両端子部２１ａ，２１ｂ間は端子部２１ａ，２１ｂより小さい幅で蛇行するように、所定の曲率半径で形成された複数の曲がり部２１ｃと、この曲がり部２１ｃ間を接続した直線部２１ｄで接続され、この直線部２１ｄと各端子部２１ａ，２１ｂとは同様の曲率半径で接続されている。
そして、上記のように端子部２１ａ，２１ｂの幅が曲がり部２１ｃ、直線部２１ｄより幅広に形成されているので、ヒートシンク２２との接触面積は大きくなっている。
【００１６】
この抵抗体２１は、端子部２１ａから端子部２１ｂに向けて通電される。この通電時に抵抗体２１に曲がり部２１ｃが存在するので、抵抗体２１内では電流密度の分布が発生し、電流密度の高い部分が大きく発熱する。この発熱量Ｑは、電流をＩ、抵抗体２１の抵抗値をＲとした場合、Ｑ＝Ｉ２Ｒで表される。
【００１７】
この抵抗体２１の通電時の電流密度の解析結果は、図３に電流密度が低い部分を濃く、電流密度が高い部分を淡く示すように、曲がり部２１ｃにおける電流密度はほぼ均一化され、電流密度のピーク値は、平均値の約３倍程度となり、温度により抵抗値が変化しないと仮定すると、発熱量は従来の９／２５、すなわち１／３以下になる。
【００１８】
以上のように実施の形態１によれば、抵抗体２１の発熱集中部２１ｃの局所的な発熱（ホットスポット）の発生を抑制することができるので、長時間にわたって使用しても抵抗体２１が損傷するのを防止することができる。
【００１９】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係わる水冷抵抗器の抵抗体とヒートシンクの流路との関係を示す平面図である。
図において、抵抗体２１は実施の形態１で説明したものと同様である。２２は抵抗体２１を挟んで配置されるヒートシンクで、両端部に冷媒の流入口３０ａと吐出口３０ｂ，及び流入口３０ａと吐出口３０ｂ間を連結する流路２２ｂが形成されている。この流路２２ｂは抵抗体２１に通電時に電流密度が大きく、発熱量の大きい曲がり部２１ｃと対応した位置に配置されている。
【００２０】
以上のように実施の形態２によれば、抵抗体２１の電流密度が高く発熱が集中する曲がり部２１ｃを積極的に冷却することができるので、局部的な発熱を抑制し抵抗体２１の損傷を防止することにより、長寿命化を図ることができる。
【００２１】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係わる水冷抵抗器の抵抗体の温度測定点を示す図、図６は図５中の各温度測定点における温度曲線図である。
図５において、抵抗体２１及びヒートシンク２２は、上記実施の形態２で説明したものと同様である。
【００２２】
ここで実施の形態３は、抵抗体２１に発熱が集中する曲がり部２１ｃの電流密度を、端子部２１ａ，２１ｂの平均電流密度の３倍以下にする曲がり部２１ｃの曲率半径を求めるものである。
図５に示すように、端子部２１ａの所定の位置を測定点Ａ、端子部２１ａに近い曲がり部２１ｃの内側を測定点Ｂ、端子部２１ｂの所定の位置を測定点Ｃ、端子部２１ｂに近い曲がり部２１ｃの内側を測定点Ｄ、中央の曲がり部２１ｃと接続された直線部２１ｄを測定点Ｅとして、各測定点Ａ〜Ｅに熱電対３１をスポット溶接し、ヒートシンク２２に端子部２１ａに近い側から５リットル／分の冷却水を流し、抵抗体２１に１７ＫＷ連続通電した場合の抵抗体の温度を測定し、図６に示すように、各測定点Ａ〜Ｅのおける温度曲線３２，３３，３４，３５を得た。
【００２３】
ここで、温度曲線３２は従来の抵抗体１１の各測定点における温度曲線、３３は抵抗体２１の曲率半径を端子部２１ａの平均電流密度の４倍とした場合の各測定点における温度曲線、３４は抵抗体２１の曲率半径を端子部２１ａの平均電流密度の３倍とした場合の各測定点における温度曲線、３５は抵抗体２１の曲率半径を端子部２１ａの平均電流の２倍とした場合の各測定点における温度曲線である。
【００２４】
図６では、従来の曲率半径の小さい抵抗体１１、および端子部２１ａの平均電流密度の４倍、３倍、２倍になる曲がり部２１ｃの曲率半径を有する抵抗体２１を用いて実験した。このように、端子部２１ａの平均電流密度の３倍になる曲がり部２１ｃを有する抵抗体２１では、平均電流密度の２倍になる曲率半径を有する抵抗体２１との差が小さくなるので、抵抗体２１の発熱集中部２１ｃの電流密度が、端子部２１ａの平均電流密度の３倍以上にならない曲率半径を選択した。
【００２５】
以上のように実施の形態３によれば、抵抗体２１の曲がり部２１ｃの電流密度が、端子部２１ａの３倍以上にならない曲率半径を選択したので、過剰な発熱による抵抗体２１の損傷を防止することができる。
【００２６】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係わる水冷抵抗器を示す正面図である。
図に示す水冷抵抗器は、複数の抵抗体２１とヒートシンク２２とを給水可能に交互に積み重ね、抵抗体２１の端子部２１ａをヒートシンク２２の突出部２２ａで挟み、ボルト及びナットで一体に接続するようにしたものである。
抵抗体２１の端子部２１ａの一方の面は開放のまま配置されるとともに、他方の面は隣接する二段目ヒートシンク２２の突出部２２ａと接触するように配置されているので、一方の面からは直接大気中へ、他方の面はシンクタンク２２の突出部２２ａに放熱される。
【００２７】
以上のように実施の形態４によれば、抵抗体２１の端子部２１ａの一方の面は大気中に、他方の面はヒートシンク２２の突出部２２ａから放熱されるので、冷却面積の増大が図られ冷却が促進される。
【００２８】
実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５に係わる水冷抵抗器を示す正面図、図９は図８の抵抗体に使用されるヒートシンクを示す平面図、図１０は図９の抵抗体の左側面図である。
図８に示す水冷抵抗器は、複数の抵抗体２１とヒートシンク３６とを給水可能に交互に積み重ね、抵抗体２１の端子部２１ａ及び２１ｂをヒートシンク３６の各突出部３６ａ，３６ｂ，３６ｃで挟み、ボルト及びナットで一体に接続するようにしたものである。
【００２９】
このヒートシンク３６は、図９及び図１０に示すように、内部に冷媒流路を有する本体の一端側に本体と同一厚さの突出部３６ａが、他端側の両端には本体の半分の厚さの突出部３６ｂ，３６ｃが厚さ方向に互い違いとなるようにそれぞれ形成され、両突出部３６ａ，３６ｂは抵抗体２１の端子部２１ａ，２１ｂにそれぞれ接触するように配置されている。
ここで、抵抗体２１の端子部２１ｂの一方の面はヒートソンク３６の突出部３６ｃと接触し、他方の面は隣接する二段目のヒートシンク３６の突出部３６ａと接触するように配置されているので、両面がヒートシンク３６の各突出部３６ａと３６ｃによって冷却される。
【００３０】
以上のように実施の形態５によれば、抵抗体２１の端子部２１ａ，２１ｂの両面は、それぞれヒートシンク３６の突出部３６ａ，３６ｂ，３６ｃによって冷却することができるので、冷却面積の増大がさらに図られ、冷却が促進される。
【００３１】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６に係わる水冷抵抗器の抵抗体とヒートシンクの流路との関係を示す図である。
図に示すように、ヒートシンク３７は、従来の抵抗体１１における温度の高くなる部分と対応した位置に冷媒流路３７ａを配置することにより、従来の抵抗体１１に適用しても温度上昇を抑制することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明の請求項１によれば、冷媒流路を有するヒートシンク間に金属薄板よりなり端子部間が蛇行して複数の曲がり部を有する抵抗体を配置し、抵抗体をヒートシンク内を流通する冷媒で冷却するようにした抵抗器において、ヒートシンクの冷媒流路は抵抗体の電流密度の大きい部分と対応する位置に形成された構成としたので、抵抗体の発熱量の大きい曲がり部を積極的に冷却することができるので、局部的な発熱を抑制し抵抗体の損傷を防止することができ、長寿命化を図ることが可能な水冷抵抗器を提供することができる。
【００３３】
また、この発明の請求項２によれば、請求項１において、互いに接続される抵抗器の端子部はヒートシンクに接する面が他の部分より大きく形成された構成としたので、端子部の冷却面積の増大が図られ、冷却の促進が可能な水冷抵抗器を提供することができる。
【００３４】
また、この発明の請求項３によれば、請求項１または請求項２において、ヒートシンクには抵抗体の端子部と接する突出部が形成された構成としたので、端子部の冷却面積の増大がさらに図られ、冷却の促進が可能な水冷抵抗器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係わる水冷抵抗器を示す正面図である。
【図２】  図１中の抵抗体の構成を示す平面図である。
【図３】  図２の抵抗体の電流密度分布を示す模式図である。
【図４】  この発明の実施の形態２に係わる水冷抵抗器の抵抗体とヒートシンクの流路との関係を示す平面図である。
【図５】  この発明の実施の形態３に係わる水冷抵抗器の抵抗体の温度測定点を示す図である。
【図６】  図５中の各温度測定点における温度曲線図である。
【図７】  この発明の実施の形態４に係わる水冷抵抗器を示す正面図である。
【図８】  この発明の実施の形態５に係わる水冷抵抗器を示す正面図である。
【図９】  図８中のヒートシンクを示す平面図である。
【図１０】  図８のヒートシンクの左側面図である。
【図１１】  この発明の実施の形態６に係わる抵抗体とヒートシンクとの関係を示す平面図である。
【図１２】  従来の水冷抵抗器を示す正面図である。
【図１３】  従来の抵抗体とヒートシンクとの関係を示す図である。
【図１４】  従来の抵抗体の電流密度分布を示す模式図である。
【図１５】  従来の抵抗体に亀裂が発生した状態を示す図である。
【図１６】  従来の抵抗体の亀裂から破断した状態を示す図である。
【符号の説明】
２１  抵抗体、２１ａ，２１ｂ  端子部、２１ｃ  曲がり部、２２  ヒートシンク、
２２ａ  突出部、２２ｂ  冷媒流路。
【図１】
0003831572.tif 000002
【図２】
0003831572.tif 000003
【図３】
0003831572.tif 000004
【図４】
0003831572.tif 000005
【図５】
0003831572.tif 000006
【図６】
0003831572.tif 000007
【図７】
0003831572.tif 000008
【図８】
0003831572.tif 000009
【図９】
0003831572.tif 000010
【図１０】
0003831572.tif 000011
【図１１】
0003831572.tif 000012
【図１２】
0003831572.tif 000013
【図１３】
0003831572.tif 000014
【図１４】
0003831572.tif 000015
【図１５】
0003831572.tif 000016
【図１６】
0003831572.tif 000017