JP2002164487A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JP2002164487A
JP2002164487A JP2000359391A JP2000359391A JP2002164487A JP 2002164487 A JP2002164487 A JP 2002164487A JP 2000359391 A JP2000359391 A JP 2000359391A JP 2000359391 A JP2000359391 A JP 2000359391A JP 2002164487 A JP2002164487 A JP 2002164487A
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cooling
plates
heat
cooling body
spacers
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JP2000359391A
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English (en)
Inventor
Atsushi Kanda
神田  淳
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】沸騰冷却装置を使用せずに、発熱体から生じる
熱を効率良く除去できるようにすることにある。 【解決手段】平行に並べたアルミ板11,1213の間
に複数の円柱状間隔材15等挟んで冷却体10を構成
し、これに却体に冷却用気体を流して発熱体の熱を奪
う。各アルミ板の間に波形間隔材22を挿入して複数の
区画を形成し、各区画に冷却用気体を分流させる。この
波形間隔材22あるいは鋸歯状間隔材23を挿入し、冷
却用空気の流れを乱流にして発熱除去の効率を向上させ
る。また冷却体を構成するアルミ板の数と間隔材の数を
増減させ、間隔材の形状を変更することで、発熱体が発
生する熱量に対する対応が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、発熱体に接触し
た冷却体に冷却用気体を流して前記発熱体を冷却する冷
却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】トランジスタ,サイリスタあるいはダイ
オードなどの半導体素子を組み合わせることで、インバ
ータなどの電力変換装置が構成される。従来は速度制御
が困難であった誘導電動機も、インバータを使用すれば
簡単に所望の速度が得られるから、産業用や民生用に多
数使用されるようになった。しかし、半導体素子はその
接合部温度が規定値を越えると破壊してその機能を喪失
してしまう。ところが半導体素子の熱容量は極めて小さ
いから、当該半導体素子の損失により生じる熱を素早く
取り去ることができる冷却装置が必要である。そこで、
インバータと誘導電動機の組合せで駆動される電気車を
例にして、以下で本発明の冷却装置の詳細を説明する。
【0003】電気車を走行させる電動機用のインバータ
は大容量であるから、高耐圧で大電流を通流できる平形
半導体を使用する。しかしこの大容量インバータを車両
床下の狭い空間に設置しなければならないので、平形半
導体の冷却には沸騰冷却装置を使用することが多い。図
9は平形半導体と沸騰冷却装置との組合せでなる従来の
電力変換装置の概略を示した外観図である。図9の従来
例において、複数(図9では2個)の平形半導体1と複
数(図9では3個)の冷却体2とを交互に積み重ね、こ
れらの両端には抑え板4を設け、これら両抑え板4を締
め付け棒5で締め付ける際に、ばね3を介して締め付け
ることにより、平形半導体1と冷却体2とは密着し、平
形半導体1の熱が冷却体2へ伝えられる。冷却体2の内
部には液体の冷媒(例えばフロン)が封入されており、
平形半導体1からの熱エネルギーはこの冷媒を沸騰・気
化させるのに費やされる。気化した冷媒は二重管で構成
されているフレキシブルチューブ9の外側管を上昇し、
管板8の上に設置した凝縮器7へ導かれる。凝縮器7の
外側に冷却用空気を流すことで、凝縮器7内部の冷媒は
液体に戻る。この液化した冷媒はフレキシブルチューブ
9の内側管を下降して冷却体2へ戻る。この動作の繰り
返しで、平形半導体1の熱は冷却用空気に移され、大気
中に放散される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】沸騰冷却装置は、平形
半導体で構成している大容量の電力変換装置が発生する
熱を、比較的小形の装置で効率良く除去できるのである
が、次のような欠点を有する。すなわち、 (a)冷却体2
と凝縮器7とフレキシブルチューブ9とは一体化した高
真空容器を構成しなければならないが、構造が複雑であ
ることから製作に熟練と手間が必要であるし、容器の腐
食や破損により真空度が低下すれば冷却性能が低下する
ので、保守・点検に手間がかかる。 (b)冷媒であるフロ
ンはオゾン層を破壊するし、これの代替品であるフロロ
カーボンは温暖化係数が大で地球温暖化をもたらすな
ど、環境に悪影響を与える。 (c)フロンやフロロカーボ
ンの代わりに水を冷媒にすれば、環境への悪影響は避け
られるが、摂氏零度以下で凍結する不具合がある。
【0005】そこで此の発明の目的は、沸騰冷却装置を
使用せずに、発熱体から生じる熱を効率良く除去できる
ようにすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明の冷却装置は、熱伝導の良好な材料でな
る複数の板を平行に並べ、隣接した板のそれぞれの間に
も熱伝導の良好な材料でなる複数の間隔材を挟んで冷却
体を構成し、この冷却体に発熱体を接触させ、これら各
板の間に冷却用気体を流すものとする。
【0007】前記各板の間に挿入される間隔材は、前記
冷却用気体の流入口から流出口までが連続していて、各
板の間に複数の区画が形成されるものとする。前記冷却
体に接触する発熱体が発生する熱量に対応して、該冷却
体を構成する板の数と間隔材の数と各板の間隔とを増減
させるか、または複数の該冷却体を重ねるものとする。
【0008】前記冷却体を構成する間隔材は、前記各板
の間を流れる冷却用気体が乱流となる形状にする。前記
冷却体と平形半導体とを交互に積み重ね、これらを両端
から加圧する。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は本発明の冷却体の第1実施
例を表した構造図であって、請求項1に対応する。図1
に図示の冷却体は、熱伝導の良好な材料として例えばア
ルミニウムを使用して構成する。この第1実施例では、
3枚のアルミ板11,12,13を平行に並べ、アルミ
板11と12の間隔と、アルミニウム板(以下ではアル
ミ板と略称する)12と13の間隔とがそれぞれ所定寸
法を維持するように、隣接する各アルミ板の間にアルミ
ニウム製の円柱状間隔材15を挿入し、各アルミ板と各
円柱状間隔材とを溶接などにより固着させ、更に各アル
ミ板の上側には上板17を、下側には下板18を設ける
ことで冷却体10を形成させる。これら上板17と下板
18も熱伝導の良好な材料を使用することが望ましい
が、上板17と下板18を設けない場合もある。アルミ
板11の外面に発熱体を接触させ、アルミ板11と12
の間ならびにアルミ板12と13の間とに冷却用空気を
矢印方向に流せば、発熱体から冷却体10へ移動した熱
は冷却用空気により取り除かれる。
【0010】図2は図1に図示の冷却体よりも大きな熱
量を放散できる本発明の冷却体の第2実施例を表した構
造図であって、請求項2に対応する。この第2実施例で
はアルミ板14が追加されていること,図示はしていな
いが円柱状間隔材15の数を増加させていること,なら
びに円柱状間隔材15の長さ寸法が大(すなわちアルミ
板の間隔が広い)であることが、前述の第1実施例とは
異なっている。これらにより、当該第2実施例による冷
却体の表面積は、図1に図示の第1実施例の冷却体10
の表面積よりも大となって、より大きな熱量を発熱体か
ら取り除くことができる。
【0011】このようにアルミ板の枚数増加,円柱状間
隔材15の数量増加,円柱状間隔材15の長さ寸法増
大,あるいは間隔材の表面積をより大きくする形状変更
等により、当該冷却体が取り去ることができる熱量を、
より一層増大させることができる。これとは逆に、取り
去る熱量が少ない場合はアルミ板の枚数減少,円柱状間
隔材15の数量減少,円柱状間隔材15の長さの短縮等
の変更を行えば良い。
【0012】図3は本発明の冷却体の第3実施例を表し
た構造図であって、請求項3に対応する。図3に図示の
第3実施例は、図1に図示の冷却体10の2組を重ね合
わせた場合であって、この構成により図1に図示の冷却
体よりも大きな熱量を放散させることができる。すなわ
ちユニット化された冷却体の積み重ね数を増減させるこ
とにより、発熱体から取り去る熱量の大小に対応させる
ことが容易になる。
【0013】図4は本発明の冷却体の第4実施例を表し
た構造図であって、請求項4に対応する。この第4実施
例では、アルミ板11,12,13と上板16および下
板17とで箱状の冷却体20を形成し、各アルミ板の間
隔を維持するための間隔材として、矢印方向に流れる冷
却空気の流入口から流出口まで連続している直線間隔材
21の複数個が、各アルミ板の間に挿入される。冷却用
空気は、この直線間隔材21により仕切られた複数の区
画に分かれて流れることになり、その冷却効果は図1に
図示の第1実施例よりも向上する。
【0014】図5は本発明の冷却体の第5実施例を表し
た構造図であって、請求項5に対応する。この図5はア
ルミ板を取り除くことで間隔材のみを図示している。冷
却体を構成している各アルミ板の間隔を維持するための
間隔材として、矢印方向に流れる冷却空気の流入口から
流出口まで連続している波形間隔材22の複数個が、各
アルミ板の間に挿入される。冷却用空気は、この波形間
隔材22により仕切られた複数の区画に分かれて流れる
のであるが、この仕切られた各区画を通流する冷却用空
気の流れは乱流となるから、直線間隔材21を使用した
第4実施例よりも大きな冷却効果が得られる。
【0015】図6は図5で既述の第5実施例の応用例を
表した構成図であって、この図6はアルミ板を取り除く
ことで間隔材のみを図示している。冷却体を構成してい
る各アルミ板の間隔を維持するべく、冷却空気の流入口
から流出口まで連続している間隔材の形状が、図5で図
示の波形間隔材22とは異なった鋸歯状間隔材23であ
るが、この鋸歯状間隔材23により仕切られた各区画を
通流する冷却用空気の流れも乱流となり、大きな冷却効
果が得られる。
【0016】図7は図1で既述の第1実施例の応用例を
表した構成図であって、この図7はアルミ板を取り除く
ことで間隔材のみを図示している。冷却体を構成してい
る各アルミ板の間隔を維持する間隔材の形状が、図1で
図示の円柱状間隔材15とは異なった三角柱間隔材24
であるが、この三角柱間隔材24はアルミ板の間を通流
する冷却用空気の流れを乱流にする効果がある。なお、
図1に図示の円柱状間隔材15も通流する冷却用空気の
流れを乱流にする効果がある。
【0017】図8は本発明の冷却体の第6実施例を表し
た構造図であって、請求項6に対応する。図8におい
て、2個の平形半導体31,32と、3個の本発明によ
る冷却体41,42,43とを交互に積み重ねている。
なお、図示は省略しているが、平形半導体31,32は
その両面に主電極を導出する銅バーと、この銅バーと各
冷却体41,42,43とを絶縁する絶縁体とを介して
各冷却体41,42,43に接している。これらの両端
には抑え板4を設け、これら両抑え板4を締め付け棒5
で締め付ける際に、ばね3を介して締め付けることによ
り、各平形半導体31,32と各冷却体41,42,4
3とは密着し、各平形半導体の熱が各冷却体へ伝えられ
る。各冷却体へ冷却用空気を流すことにより、平形半導
体から冷却体へ移動した熱は大気中に放散される。
【0018】中央の冷却体42はその両側にある平形半
導体31と32からの熱を受け取るが、左側の冷却体4
1は平形半導体31からの熱を受け取るだけであり、右
側の冷却体43も平形半導体32からの熱を受け取るだ
けである。そこで大量の熱を放散する必要がある冷却体
42は4列構成とし、熱放散量が少ない両側の冷却体4
1と43は3列構成にすることで、装置全体の寸法を縮
小している。
【0019】
【発明の効果】平形半導体等が発生する大量の熱を効率
良く放散させるために、従来から沸騰冷却装置が多用さ
れているが、この沸騰冷却装置の冷媒にはフロンやフロ
ロカーボン等を使用するので、環境を汚染する恐れがあ
る。そこで環境汚染の心配が無い水を使用すれば凍結す
る恐れがあるし、沸騰冷却装置そのものが複雑で製作や
保守に手間がかかる欠点があった。これに対して本発明
では、冷却用空気の流れに乱流を発生させる等の工夫を
施すことで、発熱体が発生する熱を効率良く除去するの
で、構造が複雑で製作や保守に手間のかかる沸騰冷却装
置の使用を回避できる効果が得られる。更にフロンやフ
ロロカーボンなどの冷媒を使用しないので、環境汚染を
避けることができる効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の冷却体の第1実施例を表した構造図
【図2】図1に図示の冷却体よりも大きな熱量を放散で
きる本発明の冷却体の第2実施例を表した構造図
【図3】本発明の冷却体の第3実施例を表した構造図
【図4】本発明の冷却体の第4実施例を表した構造図
【図5】本発明の冷却体の第5実施例を表した構造図
【図6】図5で既述の第5実施例の応用例を表した構成
【図7】図1で既述の第1実施例の応用例を表した構成
【図8】本発明の冷却体の第6実施例を表した構造図
【図9】平形半導体と沸騰冷却装置との組合せでなる従
来の電力変換装置の概略を示した外観図
【符号の説明】
1,31,32 平形半導体 2,10,20 冷却体 3 ばね 4 抑え板 5 締め付け棒 7 凝縮器 8 管板 9 フレキシブルチューブ 11,12,13,14 アルミ板 15 円柱状間隔材 16 上板 17 下板 21 直線間隔材 22 波形間隔材 23 鋸歯状間隔材 24 三角柱間隔材 41,42,43 冷却体

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱伝導の良好な材料でなる複数の板を平行
    に並べ、隣接した板のそれぞれの間に、同じく熱伝導の
    良好な材料でなる複数の間隔材を挟んで冷却体を構成
    し、この冷却体に発熱体を接触させ、これら各板の間に
    冷却用気体を流すことを特徴とする冷却装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の冷却装置において、 前記冷却体に接触する発熱体が発生する熱量に対応し
    て、該冷却体を構成する板の数と間隔材の数と各板の間
    隔とを増減させることを特徴とする冷却装置。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2に記載の冷却装置
    において、 前記冷却体に接触する発熱体が発生する熱量に対応し
    て、複数の該冷却体を重ねることを特徴とする冷却装
    置。
  4. 【請求項4】請求項1乃至請求項3に記載の冷却装置に
    おいて、 前記各板の間に挿入される間隔材は、前記冷却用気体の
    流入口から流出口までが連続した間隔材とし、前記各板
    の間に複数の区画が形成されることを特徴とする冷却装
    置。
  5. 【請求項5】請求項1乃至請求項4に記載の冷却装置に
    おいて、 前記冷却体を構成する間隔材は、前記各板の間を流れる
    冷却用気体が乱流となる形状にすることを特徴とする冷
    却装置。
  6. 【請求項6】請求項1乃至請求項5に記載の冷却装置に
    おいて、 前記冷却体と平形半導体とを交互に積み重ね、これらを
    両端から加圧することを特徴とする冷却装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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