JP3879080B2 - 車両用発熱電気品の冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用発熱電気品の冷却装置に関し、特に車両床下に艤装される床下機器のように、機器の艤装限界（車両限界）により機器内部に設置される冷却装置の寸法・配置が制約される場合に好適な車両用発熱電気品の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両において特開平6−163770号公報で知られるように、発熱電気品を含む床下機器内部の収納品は、床下機器の寸法が艤装限界に収まるような筺体内での配置・個々の構成品の寸法という制約があり、個々の収納品の小形化と高密度実装が図られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、車両における床下機器には艤装限界（車両限界）という寸法上の制約があるため、その筺体内部に収納される発熱電気品の冷却装置について高効率でコンパクトな形状が要求される。
【０００４】
従来、ヒートパイプの冷却性能として最も過酷な条件となる車両停止時の自然対流冷却に対応した冷却器では、同一形状の放熱フィンを複数枚ヒートパイプに設けていた。その際、フィンピッチに関しては、フィン間をつめすぎると自然対流冷却による放熱を損なうため、放熱性能を保ち且つ高密度にフィンを配置できるフィンピッチとなっている。そのため、同じ冷却器構成においては、必要な冷却容量に応じて放熱性能を得るために、許容範囲内でフィンを高さ・幅方向に延ばすことでフィンの表面積を増やす必要性がある。しかし、その手法ではフィンの表面積増加に伴い冷却器全体が大型なものとなってしまい、特に外形寸法が制約される車両の床下機器では不適なものとなる。
【０００５】
そこで本発明は、車両走行による車両用発熱電気品の発熱特性と、それに伴う冷却器の放熱特性を考慮したフィン構成とすることで、外形寸法が制約された場合においても発熱電気品の発熱量に対し、車両走行に沿った車両用発熱電気品の冷却効率を向上し得ることにより、外径寸法の小形化が可能な車両用発熱電気品の冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、第一の放熱フィン間に第一の放熱フィ
ンよりも表面積の小さな第二の放熱フィンを設け、第二の放熱フィン形状は、車
両走行時の走行風と同方向になる方向の長さを第一の放熱フィンと同じ長さとし、
車両走行時の走行風と垂直になる方向の長さを第一の放熱フィンより短くすると
共に、ヒートパイプの放熱部を当該第二の放熱フィンの放熱面の中央部に取り付
け、車両走行時の走行における第一の放熱フィン間の走行風による該第一の放熱
フィンの放熱表面積が増大するようにした。
ここで、第二の放熱フィンは、第一の放熱フィンの設けられている範囲内の一
部に設ける。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の冷却器１は図１に示すように、金属製の冷却ブロック２で形成しており、具体的にはアルミニウム等の金属を用いて構成している。冷却ブロックの一側面には車両に使用される大容量半導体等の発熱量の大きい電気品３を装着しており、他側面にはヒートパイプ挿入用の孔を設け、その孔に（銅と水で構成された）ヒートパイプ４の受熱部４ａを取り付けている。ヒートパイプの他端の放熱部４ｂには２種類の形状（表面積が異なる）の銅フィン５、６が圧入されている。
【０００８】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図２は車両全体の断面を示している。車輪を主電動機で駆動する鉄道車両１０では、車両運行に必要となる機器類をレールと客室の間となるスペースを利用し、その大半（一部を除く）を客室の下部となる床下に配置される。パワー半導体等の電気品を用いて主電動機を駆動制御する車両用制御装置２０においても同様に、他の機器類と共に車体床下に艤装される。したがって、車両の運行に支障なく、且つ床下に艤装する他の機器との兼ね合いから、各機器は艤装限界と呼ばれる寸法限界が設定されている。
【０００９】
図３は車両用制御装置２０の断面を示したものである。制御装置は外気の流入を防ぐ密閉部３１と、発熱箇所の冷却を目的に外気を取り入れる開放部３２で構成されている。密閉部では各種電気品により高電圧の回路構成がとられているため、塵埃や湿気から保護するために外気の流入を防ぐ構造となっている。開放部では、密閉部内の電気品が発熱するため、電気品自身が高温となることから保護するため熱を開放部側へ移動させ、開放部内へ取り入れた外気へ放熱させている。従って、車両用発熱電気品の冷却装置３０は電気品が装着される一側面が密閉部内となり、他側面が放熱するための開放部内となる。
【００１０】
図４は従来の車両用発熱電気品の冷却装置の側面図である。パワー半導体を始めとする発熱量の大きな電気品は、使用温度範囲内で素子を保護するために、発熱電気品→冷却ブロック→ヒートパイプ→フィン→外気という経路で熱輸送をしていき、最終的に外気へ放熱する。ここで、従来のフィン構成は、最大発熱量に対して最も厳しい冷却条件となる自然対流冷却を想定した構成としている。その際の最も効率的なフィン構成とするため、フィンピッチは放熱フィン表面からの空気の自然対流の境界層が、対面し合う放熱フィン同士のフィン間で干渉し合わない間隔として同じ形状の放熱フィンを密に配置している。また、発熱量に応じてフィンの長さ（表面積）を変えることで必要な放熱量（冷却容量）を得た。しかし、放熱量はフィンの表面積に大きく依存されるため、電気品の発熱量が大きくなるとその分外形が大きな冷却器を必要としてきた。しかし、主電動機を駆動制御する車両用制御装置では、実際には車両走行によって電気品の発熱量が大きくなり、その際の冷却装置の冷却状態は、最も厳しい冷却条件となる自然対流冷却ではなく、走行によって得られる走行風によってより大きな放熱効果を得られる空冷条件となる。
【００１１】
図５は、本発明における車両用発熱電気品の冷却装置の側面図で、発熱量が大となる際に必要となるフィンの表面積増加分を、自然対流冷却に対応して密となっている第一の放熱フィン５間に、さらに小型の第二の放熱フィン６を入れることで補う形をとり、冷却装置の外形を従来構成のものに対し、よりコンパクトな形状とした。自然対流冷却に対応して密となっているフィン間に小形フィンを挿入する効果としては、フィンにおける冷却条件が自然対流冷却に近いとき（車両が停止状態に近いとき）には、必要となる冷却容量もより少ないため自然対流冷却に対して大きな阻害とならない程度の高さのフィンとした。また、発熱量が大きくなる車両走行時には、走行によってフィン間に走行風が得られるため、フィンの表面積が増大したことにより、より大きな放熱量を得られる構成となっている。
【００１２】
図６は実施例の他の一例で、図５については全体に第二の（小形）放熱フィンを挿入しているのに対し、一部のみ第二の（小形）放熱フィンを挿入していることを特徴としている。図５の場合にはフィン全体に走行風が入り込む場合の構成であるのに対し、艤装上の制約等からフィン間に走行風の流入しやすい部分と流入しにくい部分が生じてしまう際に、走行風が流入しやすい部分のみ第二の（小形）放熱フィンを挿入することで、自冷・空冷の両条件に対してより効率的なフィン構成とするものである。
【００１３】
図７は実施例の他の一例で、自冷・空冷の両条件に対してより効率的なフィン構成とする際に、一種類の第二の（小形）放熱フィンのみを挿入するのではなく、複数、及び／又は複数種類の第二の（小形）放熱フィンの組み合わせを採用するものである。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の車両用電気品の冷却装置は、自冷・空冷に対してより高効率に放熱するために第二の（小形）放熱フィンを挿入することで、より高密度なフィン実装とし、外形として従来構成よりコンパクトにすることが可能である。
また、それに伴い、冷却ブロック、ヒートパイプ等もフィンの高密度化により、縮小可能となり、軽量化、コスト低減を図ることができる。
また、放熱効率によって依存される冷却ブロック上の電気品実装が、熱抵抗値の改善により高密度実装が可能となり、電気品回路の回路長の縮小化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷却装置の一実施の形態を示す斜視図。
【図２】車両における床下機器の艤装状態の一例を示す車体の断面図。
【図３】車両の床下機器における発熱電気品が収納されている部分の断面図。
【図４】従来の車両用発熱電気品の冷却装置の側面図。
【図５】請求項２に対する実施例を示す図（図１の側面図）。
【図６】請求項３に対する実施例を示す図。
【図７】請求項４に対する実施例を示す図。
【符号の説明】
１…車両用発熱電気品の冷却装置、２…冷却ブロック、３…発熱電気品、４…ヒートパイプ、４ａ…ヒートパイプ受熱部、４ｂ…ヒートパイプ放熱部、５…第一の放熱フィン、６…第二の放熱フィン、６ａ…第二の放熱フィンＡ、６ｂ…第二の放熱フィンＢ、１０…鉄道車両、２０…床下機器、３０…従来の車両用発熱電気品の冷却装置、３１…密閉部、３２…開放部。

Claims (2)

1. 発熱電気品を一側面に取り付け、他側面にヒートパイプの受熱部を取り付けた冷却ブロックを備え、前記ヒートパイプの放熱部に間隔をとって複数枚の第一の放熱フィンを備えると共に、前記ヒートパイプの放熱部を前記第一の放熱フィンの放熱面の中央部に取り付けた鉄道車両に艤装される車両用発熱電気品の冷却装置において、
   前記第一の放熱フィン間に第一の放熱フィンよりも表面積の小さな第二の放熱フィンを設け、
   該第二の放熱フィン形状は、車両走行時の走行風と同方向になる方向の長さを 前記第一の放熱フィンと同じ長さとし、車両走行時の走行風と垂直になる方向の 長さを前記第一の放熱フィンより短くすると共に、前記ヒートパイプの放熱部を 当該第二の放熱フィンの放熱面の中央部に取り付け、
   車両走行時の走行における前記第一の放熱フィン間の走行風による該第一の放 熱フィンの放熱表面積が増大するようにしたことを特徴とする車両用発熱電気品の冷却装置。
2. 前記第二の放熱フィンは、前記第一の放熱フィンの設けられている範囲内の一部に設けることを特徴とする請求項１記載の車両用発熱電気品の冷却装置。

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