JP2013157573A

JP2013157573A - 蓄熱冷却器

Info

Publication number: JP2013157573A
Application number: JP2012019324A
Authority: JP
Inventors: Yuta Ichikura; 優太市倉; Kazuya Kotani; 和也小谷; Yasuhei Koyama; 泰平小山; Haruhiko Fujito; 春彦藤戸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15

Abstract

【課題】十分な冷却機能を有し、かつ小型・軽量化を可能とすることができる蓄熱冷却
器を提供することである。
【解決手段】実施形態の蓄熱冷却器１２は、冷却フィン５が一側面に設けられているフ
ィンベース６からなる放熱部７と、放熱部７の冷却フィン５とは異なる面と接続し、内部
に空洞４を有する蓄熱部２と、蓄熱部２の空洞４内に備えられ、融点が被冷却対象の許容
温度以下である蓄熱材４と、蓄熱部２の放熱部７と接続している反対側の面に接続される
発熱部１とを有している。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、蓄熱冷却器に関する。

一般に電力変換装置は、動作時に熱損失を発生するような半導体素子等で構成される発熱
部と、受熱部と放熱部から成る冷却器で構成される。受熱部は、発熱部から発生する熱を
受熱する銅板など熱伝導率の高いもので構成される。放熱部は、受熱部が受け取った熱を
放散する複数のフィン等で構成される。

また、この冷却器の発熱部と放熱部の間に、物質の相変化によって蓄熱する蓄熱材を埋め
込んだ蓄熱部を設けた蓄熱冷却器が開発されている。蓄熱部は、蓄熱材の潜熱を利用して
発熱部で発生した熱を一旦蓄熱することで、発熱部の温度上昇を抑えている。

しかしながら、この方法では発熱部と放熱部間に蓄熱部を設けるため、発熱部と放熱部の
熱抵抗が大きくなるという課題がある。（例えば特許文献１図４参照）
この課題の解決策として、発熱部と放熱部を隣接した構成とし、蓄熱部を別途設け、その
蓄熱部と発熱部はヒートパイプでつなぐ方法がある。これにより、発熱部と放熱部の間に
蓄熱部を配置しないことで熱抵抗を低減することができる。（特許文献１参照）しかしな
がら、蓄熱部を別配置とすることで冷却器全体の体積が増えるという課題があった。

そのため、冷却器の熱抵抗を抑制しながら、冷却器全体の体積を増加させない構成として
、発熱源からの受熱部に低融点金属からなる蓄熱材を埋め込むというものがある。（特許
文献２参照）。

特開２０００−２３２２８６号公報特開２００５−９３８４８号公報

しかしながら、上述の低融点金属を蓄熱材として用いる蓄熱冷却器は、低融点金属は比重
がアルミの３倍と重く、小型軽量化には向かない。

軽量な蓄熱材としては、例えばパラフィンなどの高分子材料がある。しかし、パラフィン
は熱伝導率が低融点金属の１／５０〜１／１００と低いため、物質の相変化が発熱部から
の熱が放熱部まで伝導されず、発熱部の半導体素子等が損傷してしまうおれがあった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、十分な冷却機能を有し、
かつ小型・軽量化を可能とする蓄熱冷却器を提供することを目的とする。

実施形態の蓄熱冷却器は、冷却フィンが一側面に設けられているフィンベースからなる放
熱部と、放熱部の冷却フィンとは異なる面と接続し、内部に空洞を有する蓄熱部と、蓄熱
部の空洞内に備えられ、融点が被冷却対象の許容温度以下である蓄熱材と、蓄熱部の放熱
部と接続している反対側の面に接続される発熱部とを有している。

第１の実施形態の蓄熱冷却器を鉄道車両に配置した際の鉄道車両全体図。図１のＸ−Ｘ断面図であり、第１の実施形態の蓄熱冷却器を鉄道車両に配置した際の側面断面図。（ａ）第１の実施形態の蓄熱冷却器の全体構成を示す斜視図。（ｂ）第１の実施形態の蓄熱冷却器の正面断面図。（ｃ）第１の実施形態の蓄熱冷却器の側面断面図。（ａ）発熱部の負荷パターン。（ｂ）発熱部に負荷が生じたときの発熱部温度を示す図。第２の実施形態の蓄熱冷却器の正面図断面図（ａ）第３の実施形態の蓄熱冷却器の正面断面図。（ｂ）第３の実施形態の蓄熱冷却器の側面断面図（ａ）発熱部内の発熱装置の配置位置を示した図。（ｂ）発熱部内の発熱装置の配置位置を示した変形図。フィンベース上の発熱部の位置による、走行時の温度分布の図。

以下、本発明に係る蓄熱冷却器の実施例について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）（請求項１〜３対応）
第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の
蓄熱冷却器を鉄道車両に配置した際の鉄道車両の全体図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断
面を示した断面図である。図３（ａ）は、第１の実施形態の蓄熱冷却器の全体構成を示す
斜視図である。図３（ｂ）は、第１の実施形態の蓄熱冷却器の正面断面図。図３（ｃ）は
、第１の実施形態の蓄熱冷却器の側面断面図である。図４は、第１の実施形態の蓄熱冷却
器の負荷パターンと冷却器温度を示す図である。

（構成）
図１を用いて蓄熱冷却器を鉄道車両に適用する際の設置方法を説明する。鉄道車両１０
は天井部外側には架線電力を収電するためのパンタグラフ２０が設置されている。また、
鉄道車両１０の床下には長手方向の端部に車輪１６が取り付けられている。鉄道車両１０
床下の長手方向中央部には電力変換装置１１が取り付けられている。電力変換装置１１内
には蓄熱冷却器１２が取り付けられている。

次に図２を用いて蓄熱冷却器１２が鉄道車両１０の床下に取り付けられている構造につい
て説明する。図２に示すように、鉄道車両１０の床下には、電力変換装置筐体１１が取り
付けられ、電力変換装置筐体１１には発熱部１、蓄熱部２、冷却フィン５、フィンベース
６を有する蓄熱冷却器１２及び、冷却器カバー１３が設けられている。

フィンベース６は電力変換装置筐体１１に固定されて取り付けられている。フィンベース
６の一つの側面には、フィンベース６の側面をほぼ覆うように蓄熱部２が接着して取り付
けられている。蓄熱部２のフィンベース６とは反対側の側面には半導体素子等から成る発
熱部１がねじ等で固定して取り付けられている。また、フィンベース６の蓄熱部６が取り
付けられていないもう一方の側面には、薄い金属板である冷却フィン５が複数枚、冷却フ
ィン５の広い面と鉄道車両１０の床下面が平行となるように、接着して取り付けられてい
る。このとき、冷却フィン５は電力変換装置筐体１１より外部に突出するように位置して
いる。冷却器カバー１３は、電力変換装置筐体１１の外側側面から冷却フィン５全体を覆
うように電力変換装置筐体１１に取り付けられている。

このように鉄道車両１０に取付けられている蓄熱冷却器１２の詳細構造を図３（ａ
）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。

図３（ａ）に蓄熱冷却器１２の全体構成を示す。発熱部１は、例えば鉄道車両の電力変換
装置のような、発熱を伴う半導体素子であり、起動停止を繰返す間欠動作を行うものであ
る。蓄熱部２の側面には放熱部７が取り付けられる。放熱部７は、蓄熱部２と隣接して取
付けられるフィンベース６と、フィンベース６が蓄熱部２と接している反対側の側面に設
けられる冷却フィン５を有している。この蓄熱部２と放熱部７をまとめて蓄熱冷却器１２
とする。放熱部７から蓄熱部２を挟んだ反対側の面に、発熱部１が取り付けられる。

図３（ｂ）、（ｃ）に前述した蓄熱冷却器の断面図を示す。蓄熱部２は内部に蓄熱材４を
挿入するための挿入口２ａがあり、挿入口２ａへ蓄熱材２を入れたのち冷却カバー３で密
閉する構造となっている。冷却カバー３は、発熱部１が蓄熱部２を介して冷却フィン５へ
の伝熱の妨げとならない位置に、蓄熱部２にボルト等で固定される。また、冷却カバー３
は減圧器挿入孔３ａが設けられている。減圧器挿入孔３ａには、蓄熱部２ａの挿入口と接
続され、蓄熱材４を挿入した蓄熱部内部を減圧するための吸気穴９ａとバルブ９ｂを有す
る減圧器９が取り付けられる。

また、蓄熱材４には融点が発熱部１の許容温度以下で、かつ常温で固体の物質を用いる。
蓄熱材４が入れられた空洞内は、蓄熱材４の融解速度が速くなる圧力まで減圧されている
。たとえば、パラフィンを蓄熱材４として用いる場合は、空洞内の圧力を５０ｋＰａ以下
にする。蓄熱冷却器１２の冷却動作中は、バルブは閉じられ空気の入排出は行われない。

（作用）
図４で、蓄熱冷却器１２の作用について説明する。図４（ａ）は鉄道車両１０走行時の発
熱部１に生じる負荷を示したものである。図のＡＢ間は鉄道車両１０が減速して停止し、
発車、加速する際に生じる負荷を表しており、発熱区間とする。ＢＣ間は鉄道車両１０が
高速で惰性運転をする区間であり、発熱部の負荷は小さい。また、高速走行中のため冷却
フィン５に流れる風速が速くなっており、温度が上がった発熱部１と蓄熱部２の冷却が盛
んに行われる冷却期間となる。ＣＤ間は、ＡＢ間と同様にして発熱区間となる。

図４（ｂ）は鉄道車両１０が加減速を繰り返す間の発熱部１の温度変化を示したものであ
る。実線は蓄熱部２のない一般的な冷却器を用いたときの発熱部１の温度、破線は本実施
の形態による蓄熱部２を有する冷却器を用いたときの発熱部１の温度である。

ＡＢ間は走行中の鉄道車両１０が、減速し停止してからまた加速を行う期間で、発熱部１
は高負荷状態となる。発熱部１で生じた熱は蓄熱部２及び放熱部７へ伝わる。このとき、
蓄熱部２内部の蓄熱材４の温度が、蓄熱材４の融点以上に達すると、蓄熱材４の融解が起
きる。すると、発熱部１で生じた熱が、蓄熱材４の潜熱として消費される蓄熱動作が起こ
り、発熱部１の温度上昇が抑制される。また、蓄熱部２の内部を大気圧以下に減圧するこ
とで、蓄熱材４の融解にかかる時間が短縮され、発熱部１の間欠動作に追従することがで
きる。

次に、ＢＣ間は鉄道車両１０が高速かつ定速走行を行う期間で、発熱期間と比べて加減速
は小さくなり、発熱部１は低負荷状態となる。この期間は、高速走行中のため冷却フィン
５に流れる風速が速くなっており、温度が上がった発熱部１と蓄熱部２の冷却が盛んに行
われる冷却期間である。冷却期間に、蓄熱材４の温度が融点以下となり、蓄熱材４が凝固
する。

ＣＤ間で再度、発熱部１が発熱する際には、蓄熱材４は固体に戻っており、蓄熱動作を繰
り返すことができる。

また、蓄熱部２の空洞内部を、蓄熱材４の融解速度が速くなる圧力まで減圧しておくこと
で、発熱区間での蓄熱材４の相変化時間が短くなる。

（効果）
本実施の形態によれば、鉄道車両が発進と停止を繰り返す間に、蓄熱材４が融解と凝固を
繰返すことで、蓄熱部２および発熱部１の温度が蓄熱材４の融点付近に保たれる。また、
蓄熱部２内部を減圧することで、蓄熱材４の相変化速度を速め、短時間で大容量の蓄熱動
作が可能となる。その結果、発熱部１の許容温度を超えることなく、放熱部７を小型化す
ることができる。

（第２の実施形態）（請求項１〜４対応）
図５は、第２の実施形態の冷却器の正面断面図である。尚、図１と同一の構成をとるも
のについては、同符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、第１の実施形態とは、蓄熱部２の内部に多孔質金属１４を配置した点で構
成が異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
多孔質金属１４は、内部に気孔を持つ構造で、例えばアルミニウムやニッケルを材料とす
る、熱伝導率が蓄熱材よりも大きいものである。溶かした蓄熱材４を多孔質金属１４に浸
透させ、冷やして凝固させたものを蓄熱部２の穴に封入する。このとき、熱伝導性を確保
するために、蓄熱部２の内部壁面と多孔質金属１４は接する構造とする。

（作用）
多孔質金属１４を用いることで、蓄熱部２の熱伝導率が大きくなり、発熱部１から蓄熱部
２全体への迅速な伝熱が可能となる。これにより、発熱部１が発熱してから蓄熱材４が融
解するまでの時間の短縮および蓄熱部２の熱抵抗低減効果が得られる。よって、鉄道車両
運転時の蓄熱部動作については、実施例１と同様だが、より短周期の間欠動作に対応でき
る。

（効果）
以上述べた少なくともひとつの実施形態の冷却器によれば、蓄熱部の吸熱作用により、
十分な冷却機能を有し、かつ小型・軽量化を可能とする蓄熱冷却器を提供することが可能
となる。

（第３の実施形態）（請求項１〜５対応）
図６は、第３の実施形態の冷却器の図である。図６（ａ）は正面断面図、図６（ｂ）は側
面断面図を示す。本実施形態は、第１の実施形態とは、蓄熱部２の内部を１つあるいは複
数の仕切り１５で分割した点で構成が異なっている。以下、その点について詳細に説明す
る。

（構成）
本実施例は、図６に示すように、第１の実施形態の蓄熱部２に金属製の仕切り１５を設け
た構造となっている。仕切り１５は、蓄熱部２内部を、放熱部７のフィンベース６に接す
る面から発熱部１に接する面までつなぐ形で分割する構造となっている。このとき仕切り
１５の厚みと仕切り１５によって分割された蓄熱部２の長さを図６（ａ）の仕切り長さａ
と蓄熱部の分割部分長さｂで示す。このとき仕切り長さａと蓄熱部の分割部分長さｂの関
係は仕切り長さａ＞蓄熱部の分割部分長さｂとする。

また、図６の（ｂ）に示すような前述した仕切り１５に部分的な切欠きを設けたＹ字型の
仕切り１５ａは、蓄熱部２の内部を完全に分割することがない。

仕切り１５の材料は、例えばアルミニウムのような、蓄熱部２と同じ材料とし、蓄熱部２
と一体化、もしくは、別に作った仕切り１５を蓄熱部２にロウ付け等で取り付けるものと
する。仕切り１５を、発熱部１から放熱部７までの伝熱経路として接触させることで発熱
部１からの熱を直接放熱部７へ伝える構造としている。

（作用）
本実施形態の作用を説明する。まず、図４で示した発熱期間において、発熱部１で発生し
た熱は、蓄熱部２の底面へ接触させた仕切り１５を伝わり、放熱部７で放熱される。その
とき、放熱部７で放熱しきれない熱が蓄熱材４で蓄熱される。第１の実施形態では、蓄熱
材４への伝熱は、蓄熱部２の底面および側面からのみであったが、本実施形態では、蓄熱
部２の内部へ配置された仕切り１５の側面からも伝熱が行われる。この仕切り１５を設け
たことにより、第１の実施形態と比較して蓄熱部２の熱伝導率が向上し、発熱部１から放
熱部７までの熱抵抗が低減される。

次に、発熱部１の損失が小さくなる冷却期間では、仕切り１５を伝って、発熱部１を放熱
部５が直接冷やす伝熱経路と蓄熱材４を放熱部５が凝固させる伝熱経路がある。これによ
り、液状の蓄熱材４をより早く凝固させることができる。

また、仕切り１５に切り欠けを設けることで、製造時において蓄熱部２への蓄熱材４の注
入を容易にすることができる。これは、複数に分割された蓄熱部２内部のうち、１カ所の
穴からすべての部分に蓄熱材４を注入することができるためである。

（効果）
本実施の形態のように、蓄熱部２の内部へ仕切り１５を配置することは、蓄熱部２内部の
熱伝導率を向上させ、第２の実施形態に示した多孔質金属１４の配置と同じ効果を持つ。
また、仕切り１５を切り欠けのある構造とすることで、蓄熱冷却器１２の製造を容易にす
ることができる。これにより、小型・軽量な蓄熱冷却器を低コストで提供することが可能
となる。

また、本実施形態の変形例として図６（ｃ）に示すような前述の仕切り１５に部分的な切
欠きを設けたＸ字型の仕切り１５ｂが挙げられる。Ｘ字型の場合、発熱部１との接触部分
と放熱部７との接触部分が大きく、より効率的に熱伝達が行われる。そのため、仕切り１
５の厚みについても、仕切り長さａ≦蓄熱部の分割部分長さｂという関係で本実施形態の
作用・効果を得ることが可能となる。

（第４の実施形態）（請求項６対応）
本実施形態は、第１〜第３の実施形態を鉄道用冷却器に適用する際に、第１〜第３の実施
形態で記載した蓄熱部２を複数有する場合、その配置方法に関わるものである。特に、鉄
道車両用電力変換装置１１のフィンベース６上において、走行時により高温となるところ
に限定して蓄熱部２２を配置するものである。

（構成）
図７（ａ）は、発熱部１側から蓄熱冷却器１２を見た発熱部１内の発熱装置の配置位置を
示した図である。図中、鉄道車両１０の進行方向と水平な方向をＸ方向とする。発熱装置
１１１は、Ｘ方向に発熱装置１１１ａ、発熱装置１１１ｂ、発熱装置１１１ｃ、発熱装置
１１１ｄの順分で配置される。この４つの発熱装置１１１が３列分の計１２個の発熱装置
１１１が発熱部１に配置されている。このとき発熱装置１１１ａ及び発熱装置１１１ｄは
発熱装置１１１ｂ及び発熱装置１１１ｃよりも高い発熱量を有している。

また、蓄熱部２２は３つの蓄熱部２２ａと３つの蓄熱部２２ｂの計６つが配置されること
になる。蓄熱部２２ａは、３つの発熱装置１１１ａのフィンベース６側の面に接する位置
に配置される。また蓄熱部２２ｂについても同様に発熱装置１１１ｄのフィンベース６側
の面に接する位置に配置される。このとき蓄熱部２２については図７（ｂ）の蓄熱部２２
ｃ及び蓄熱部２２ｄ示すように、隣接する蓄熱部２２を一体化し、３つの発熱装置１１１
ごとに設けてもよい。

（作用）
作用粒形態ではめ、る走行時の温度の違いを示したものである。一般図８は、図７のＸ方
向に走行風が向いているときを示した発熱部１の位置Ｘによる走行時の温度の違いを示し
たものである。フィンベース６に複数の発熱部１を配置する場合、風下側ほど高温になる
。前述したＸ方向の走行風の場合は、発熱装置１１１ｄ側が発熱装置１１１の中で最も高
温となる。また、鉄道車両は、前後進行を可能とするため、走行風も鉄道車両の走行方向
によって１８０度変わる。つまり、発熱部１内でも高温になる発熱装置１１１及び蓄熱部
２２は冷却器の両端に位置することで第１の実施形態〜第３の実施形態で述べた作用・効
果を得られることになる。蓄熱部２２を有する発熱部１は、蓄熱部２２の温度が蓄熱材４
の融点に達すると、蓄熱材４が作用して温度上昇が抑えられる。高温となる風下側の発熱
部１に蓄熱部２２を取り付けることで、フィンベース６の温度分布を平準化することがで
きる。

（効果）
本実施の形態のように、冷却器上のある特定の箇所にのみ蓄熱部２を配置することで、フ
ィンベース６上の温度分布を平準化し、冷却性能を向上させることができる。そのため、
小型・軽量化を可能とする蓄熱冷却器１２を提供することが可能となる。また、蓄熱冷却
器１２に複数取り付ける、発熱部１すなわち半導体素子の温度ばらつきを抑えることで、
異常温度による破壊を防ぎ、電力変換装置１２の信頼性向上にもつながる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の冷却器によれば、蓄熱部の吸熱作用により、十
分な冷却機能を有し、かつ小型・軽量化を可能とする蓄熱冷却器を提供することが可能と
なる。

上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定す
るものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施
形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１… 発熱部
１ａ発熱装置
１ｂ発熱装置
１ｃ発熱装置
１ｄ発熱装置
２… 蓄熱部
２ａ挿入口
３… 蓄熱部カバー
３ａ減圧器挿入孔
４… 蓄熱材
５… 冷却フィン
６… フィンベース
７… 放熱部
９減圧器
９ａ… 吸気穴
９ｂ… バルブ
１０… 鉄道車両
１１… 電力変換装置筐体
１２… 蓄熱冷却器
１３… 冷却器カバー
１４… 多孔質金属
１５… 仕切り
２２蓄熱部
２２ａ〜２２ｄ蓄熱部
１１１発熱装置
１１１ａ〜１１１ｄ発熱装置

Claims

冷却フィンが一側面に設けられているフィンベースからなる放熱部と、
前記放熱部の冷却フィンとは異なる面と接続し、内部に空洞を有する蓄熱部と、
前記蓄熱部の空洞内に備えられ、融点が被冷却対象の許容温度以下である蓄熱材と、
前記蓄熱部の前記放熱部と接続している反対側の面に接続される発熱部と、
を有する蓄熱冷却器。
冷却フィンが一側面に設けられているフィンベースからなる放熱部と、
前記放熱部の冷却フィンとは異なる面と接続し、内部に空洞を有する蓄熱部と、
前記蓄熱部の空洞内に備えられ、融点が被冷却対象の許容温度以下である蓄熱材と、
前記蓄熱部の空洞を減圧するために蓄熱部と接続した吸気口およびバルブと、
前記蓄熱部の前記放熱部と接続している反対側の面に接続される発熱部と、
を有する蓄熱冷却器。
前記蓄熱部内に、前記発熱部と前記放熱部を接続する仕切りを設けた請求項１乃至２に記
載された蓄熱冷却器。
前記仕切りは、切欠きが設けられている請求項３に記載された蓄熱冷却器。
前記仕切りは、蓄熱部と同じ材料からなる請求項３または４に記載の蓄熱冷却器。
前記仕切りは、蓄熱部と異なる材料からなる請求項３または４に記載の蓄熱冷却器。
前記蓄熱材は、熱伝導率が蓄熱材よりも高い金属を材料とする多孔質金属が含まれている
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載された蓄熱冷却器。
前記蓄熱部の空洞内を、前記吸気口およびバルブによって５０ｋＰａ以下に減圧する請求
項２乃至７のいずれか１項に記載の蓄熱冷却器。