JP4011272B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両床下に設置される電力変換装置の半導体素子を冷却する半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両駆動用の電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を半導体素子のスイッチングにより変換し、車両駆動用の電動機に電力を供給するものである。この電力変換装置は鉄道車両床下に設置される。電力変換装置の半導体素子より発生する熱は、半導体冷却装置により外気へ放散するようにしている。
【０００３】
半導体冷却装置は、複数個の冷却器を車両進行方向に並べて配置されて形成される。冷却器は、電力変換装置の半導体素子の発熱を受熱部で受熱し、車両の走行風により放熱部で放散するものである。
【０００４】
すなわち、冷却器は半導体素子の取り付く受熱部と装置外部へ排熱を行う放熱部とから構成され、鉄道車両床下に設置される車両駆動用では、多くの場合、冷却器の放熱部が車両床下の車両側方側となるよう設置され、自然冷却により放熱部から大気へ熱放散する方式が採られている。
【０００５】
これは、放熱部の冷却を自然冷却として送風機を使用しないことで、機器のメンテナンス作業が不要となるようにするためであり、車両側方側へ配置するのは、車両床下へ排熱がこもることなく車両走行時の走行風を受けやすくすることを考慮したものである。
【０００６】
図６は従来の半導体冷却装置の説明図であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図６（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。図６（ａ）に示すように、半導体冷却装置は、複数個（３個）の冷却器１が車両進行方向に並んで配置されて形成されている。図６（ａ）では冷却器１の放熱部の外観が示されており、各々の冷却器１の放熱部は、受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、このヒートパイプ２に取り付けられた放熱フィン３とから構成されている。
【０００７】
図６（ｂ）に示すように、冷却器１は、複数個の半導体素子４が取り付けられた受熱部５と、大気へ熱放散する放熱部６とで構成される。放熱部６は、受熱部５の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、ヒートパイプ２に取り付けられた複数個の放熱フィン３とから形成される。放熱フィン３では、受熱部５からヒートパイプ２を介して輸送されてきた熱を放熱する。
【０００８】
冷却器１の受熱部５は、電力変換装置箱体７の密閉部８へ収納される。これは、半導体素子４とその周辺部品を汚損のない環境に置くためである。一方、放熱部６は車体の側方側の電力変換装置箱体７の開放部９に配置され、効率良く大気へ熱放散ができるようにしている。つまり、車両床下に排熱がこもり床下の配線や配管等を暖めることがないようにしている。なお、密閉部８と開放部９との間は境界板１０により区分され、開放部９の走行風が通らない部分（走行風と平行になる部分）には保護カバー１１が設けられている。
【０００９】
ここで、受熱部５にはヒートパイプ２の一方の端部が埋め込まれ、もう一方側には多数枚の放熱フィン３が取り付けられる。ヒートパイプ２は受熱部５側が下方となるよう傾けて設置され、ヒートパイプ２内部に封入された冷媒は受熱部５側で半導体素子４から発生する熱により蒸発し、放熱部６の放熱フィン３側で凝縮して大気へ熱放散を行うことになる。凝縮した冷媒はヒートパイプ２内部を重力により受熱部５側へと戻るサイクルを繰り返す。
【００１０】
放熱フィン３は自然冷却により大気へ熱放散を行うため、地面に対しほぼ垂直に設置され、放熱フィン３間を上昇気流が通り易くなるようにしている。ヒートパイプ２は放熱フィン３を貫通して接続されるので、ほぼ水平に取り付けられるが、前述の如く蒸発部である受熱部５側を若干下方に傾け、放熱フィン３側で凝縮した冷媒を受熱部５側へ戻すようにしている。
【００１１】
このように構成される半導体冷却装置は、半導体素子実装部である受熱部５は電力変換装置箱体７の内部（密閉部）に、放熱部６は電力変換装置箱体７の外部（開放部）に境界板１０を境として取り付けられる。
【００１２】
電力変換装置の箱体７は鉄道車両の車体１２の床下に放熱部６が車体側方側となる向きに艤装される。また、車体床下には電力変換装置等の機器が艤装可能なスペースとして艤装限界１３があり、冷却器１を含めた電力変換装置はこの艤装限界１３内に取り付けられることになる。艤装限界１３は、図６（ｂ）に示すように、一般に下方コーナー部が面取りされた形となっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の半導体冷却装置では放熱部６が車体の側方側に設置されており、多数枚の放熱フィン３が車体中央側（冷却器受熱都側）から車体側方側（冷却器先端側）へと所定のピッチで並んで取り付いているので、フィンピッチやパイプピッチの関係で、走行風の入風効率が悪くなることがある。この場合、風下側の冷却器まで風が流れないことがある。
【００１４】
また、走行風の流れが悪い箇所は、冷却器１の上段が下段の放熱のあおりを受け、冷却効率が悪くなることがある。
【００１５】
本発明の目的は、車両走行風を有効に利用し冷却性能の向上した小形軽量の半導体冷却装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置は、鉄道車両床下に設置された電力変換装置の半導体素子の発熱を受熱部で受熱し車両の走行風により放熱部で放散する冷却器が車両進行方向に複数個並んで配置された半導体冷却装置において、前記冷却器の放熱部は、前記受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプと、前記冷却器の放熱部の上段と下段とに２分割して前記ヒートパイプに取り付けられ前記受熱部から輸送された熱を放熱する放熱フィンと、２分割した放熱フィンの間に形成され鉄道車両が走行したときに走行風を流し下段の放熱フィンからの上昇気流による放熱の一部を走行風により熱放散させる走行風通路とを設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１の発明に係わる半導体冷却装置においては、
冷却器の受熱部の熱は、ヒートパイプを介して冷却器の放熱部の上段と下段とに２分割して設けられた放熱フィンに輸送され熱交換される。そして、鉄道車両が走行したときに、上段及び下段に２分割した放熱フィンの間に形成された走行通路に走行風が流れ、下段の放熱フィンからの上昇気流による放熱の一部を走行風により熱放散させ、効率よく冷却を行う。
【００２０】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１の発明において、前記走行風通路は、車両進行方向に対し他の冷却器の走行風通路とそれぞれ連通していることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１の発明の作用に加え、冷却器の受熱部の熱は、ヒートパイプを介して２分割された上段および下段のそれぞれの放熱フィンに輸送され熱交換される。そして、２分割された上段および下段の放熱フィンとの間に形成された走行風通路は他の冷却器の走行風通路と連通しているので、複数個並んだ冷却器を走行風が連続して通過でき冷却効果を高める。
【００２２】
請求項３の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１の発明において、前記走行風通路は、前記受熱部側の放熱フィンは一体構造とし、その先端部の放熱フィンを上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィンの間に形成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１の発明の作用に加え、走行風の通過が期待できない受熱部側の放熱フィンを一体構造とすることにより、その部分の放熱面積を広げ、自然対流によるフィン効率を高め冷却効果を高める。
【００２４】
請求項４の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項３の発明において、前記受熱部側の一体構造の放熱フィンにヒートパイプを付設したことを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項３の発明の作用に加え、受熱部の中央部の熱をヒートパイプにより一体構造の放熱フィンに熱輸送し、冷却効果を高める。
【００２６】
請求項５の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項３または請求項４の発明において、前記受熱部側の一体構造の放熱フィンのピッチを狭く、２分割した放熱フィンのピッチを広くしたことを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項３または請求項４の発明の作用に加え、放熱フィンのピッチを狭くした受熱部側の一体構造の放熱フィンおよび放熱フィンのピッチを広くした２分割の放熱フィンへの走行風の通過効率が向上し、冷却効果を高める。
【００２８】
請求項６の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項の発明において、前記２分割された放熱フィンを貫通するヒートパイプは、長さが異なるヒートパイプを交互に組み合わせて構成したことを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１乃至請求項５のいずれか１項の発明の作用に加え、放熱フィンを貫通する長さが異なるヒートパイプを交互に組み合わせて放熱フィンとの熱交換を効率的に行うと共に、走行風の通過効率を向上させ冷却効果を高める。
【００３０】
請求項７の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明において、前記冷却器の受熱部の半導体素子取付け面の反対面に凹凸のスリットを設けたことを特徴とする。
【００３１】
請求項７の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明の作用に加え、受熱部の凹凸スリットにより、受熱部の表面積が大きくなり、瞬時ピークロス時のヒートパイプにて熱輸送できない分の温度上昇をその受熱部表面より放熱し冷却効果を高める。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図１（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
【００３３】
この第１の実施の形態は、図６に示す従来例に対し、各々の冷却器１の冷却フィン３を２分割し中央部に走行風通路１４を設け、冷却器１の受熱部５の半導体素子取付け面の反対面に凹凸のスリット１５を設けたものである。
【００３４】
図１（ａ）には冷却器１の放熱部の外観が示されており、半導体冷却装置は、複数個（３個）の冷却器１が車両進行方向に並んで配置されて形成されている。そして、各々の冷却器１は冷却フィン３が２分割され、中央部に走行風通路１４が形成されている。この走行風通路１４は、車両進行方向に対し他の冷却器１の走行風通路１４とそれぞれ同じ位置に設けられ、従って各々の走行風通路１４は連通している。また、各々の冷却器１の放熱部は、受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、このヒートパイプ２に取り付けられた放熱フィン３とから構成されている。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、冷却器ｌは電力変換装置箱体７に取り付けられ、その電力変換装置箱体７の境界板１０を境にして、内部側は密閉部８となり外部側は開放部９となる。冷却器１は半導体素子４の取り付く受熱部５と放熱部６とからなり、放熱部６は２分割された多数枚の放熱フィン３により構成される。すなわち、放熱フィン３を上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィン３の間に走行風通路１４が形成されている。２分割された放熱フィン３は車体１２に対して車体側面側となるよう配置され、保護カバー１１に保護されて艤装限界１３内に収まるよう艤装される。
【００３６】
また、図１（ｃ）に示すように、受熱部５の半導体素子取付けの反対面に、凹凸スリット１５を設けている。この受熱部５の凹凸スリット１５により、受熱部の５表面積が大きくなり、瞬時ピークロス時のヒートパイプ２にて熱輸送できない分の温度上昇を放熱し冷却効果を高めるようにしている。
【００３７】
半導体素子４より発生する熱は、受熱部５およびヒートパイプ２を介して２分割された放熱フィン３に熱伝導され、２分割された放熱フィン３の表面から大気へと熱放散される。また、半導体素子４の瞬時ピークロス時は、ヒートパイプ２にて熱輸送できない分の温度上昇を受熱部５の凹凸スリット１５の表面より電力変換装置箱体７内へ熱放散される。
【００３８】
ここで、車両駆動用の電力変換装置では、当然、半導体素子４から熱が発生するのは車両走行時であり、車両停止時は半導体素子４は通電されないので損失を発生することはない。一方、車両走行時は車両に対して走行風が車体床下に取り付けられた半導体冷却装置に対し流れる。つまり、周囲から空気が流れ込むことになる。
【００３９】
走行風は、車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的に動くことで車両１２および車両１２と一体になって運動する車両床下に設置された機器類に対して働く。この走行風は車両走行時、２分割された放熱フィン３間および放熱部６の中央部の走行風通路１４を流れることになり、放熱フィン３の表面では空気流速が自然対流のみの時と比較し速くなる。従って、熱伝達率が向上し放熱フィン３の放熱性能が向上する。また、放熱部６の中央部の走行風通路１４では、下段の放熱フィン３からの放熱の一部が上昇気流により上昇した所を走行風により熱放散する。
【００４０】
この第１の実施の形態によれば、車両走行時の走行風が車両進行方向より放熱フィン３間と放熱フィン３の中央部の走行風通路１４とを流れることで、放熱フィン３の上部へのあおりが減少し、放熱フィン３の放熱効率が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能である。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図２（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。この第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対し、受熱部５側の放熱フィン３Ａは一体構造とし、その先端部の放熱フィン３を上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィン３の間に走行風通路１４を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４２】
放熱部６が車体側面側となるように、冷却器１は電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられ、その間に走行風通路１４を形成している。また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａを設けている。つまり、走行風がよく当る側は、第１の実施の形態と同様に、上段と下段とに２分割にした放熱フィン３とし、走行風が当たりにくい受熱部５側の放熱フィンを一体構造の放熱フィン３Ａとしている。
【００４３】
次に作用を説明する。半導体素子４より発生する熱は、受熱部５からヒートパイプ３を介して一体構造の放熱フィン３Ａおよび２分割された放熱フィン３に熱伝導され、これら放熱フィン３Ａ、３の表面から大気へと熱放散される。
【００４４】
第１の実施の形態と同様に、車両走行時の走行風は、車側側では、２分割された放熱フィン３間および２分割された放熱フィン３の中央部の走行風通路１４を流れ、２分割された放熱フィン３から大気への放熱性能が向上する。また、受熱部５側では、一体構造の放熱フィン３Ａを設けていることから放熱面積が広がることにより、放熱性能が向上する。
【００４５】
このように、車両走行時の走行風が車両進行方向より分割された放熱フィン３間と走行風通路１４とを流れることで、分割された放熱フィン３の上部へのあおりが減少し、走行風が流れにくい受熱部５側では、放熱面積を増やしたことにより放熱フィン３Ａの放熱効率が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能となる。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図３（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。この第３の実施の形態は、図２に示す第２の実施の形態に対し、受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａにヒートパイプ２Ａを付設したものである。これにより、受熱部５の中央部の熱をヒートパイプ２Ａにより一体構造の放熱フィン３Ａに熱輸送し冷却効果を高める。その他の構成は、図２に示す第２の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４７】
この第３の実施の形態においても放熱部６が車体側面側となるよう、冷却器１が電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００４８】
また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａが設けられており、一体構造の放熱フィン３Ａの中央部には垂直に貫通するヒートパイプ２Ａが取り付けられている。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段の放熱フィン３に取り付けられたヒートパイプ２より短く構成されている。
【００４９】
次に作用を説明する。半導体素子４より発生する熱は受熱部５からヒートパイプ２を介して２分割された放熱フィン３に熱伝導され、２分割された放熱フィン３の表面から大気へと熱放散される。
【００５０】
車両走行時の走行風は車両走行時、車側側では各々の放熱フィン３間および走行風通路１４を流れ、大気への放熱性能が向上する。また、放熱フィン３の受熱部５側では、上下段より短いヒートパイプ２Ａとそれに貫通する放熱フィン３Ａにより放熱が行われる。
【００５１】
この第３の実施の形態によれば、車両走行時の走行風が車両進行方向より放熱フィン３間と走行風通路１ ４を流れることで、上段の放熱フィン３上部へのあおりが減少し、走行風が流れにくい受熱部５側では、上下段より短いヒートパイプ２Ａにより、受熱部５中段の熱を放熱フィン３Ａに熱輸送する。これにより、受熱部５から放熱フィン３、３Ａへの熱輸送能力が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図４（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【００５３】
この第４の実施の形態は、図３に示す第３の実施の形態に対し、受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａのピッチを狭く、２分割した放熱フィン３のピッチを広くしたものである。これにより、ピッチを狭くした受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａおよびピッチを広くした２分割の放熱フィン３への走行風の通過効率が向上し冷却効果を高める。その他の構成は、図３に示す第３の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５４】
冷却器１は、放熱部６が車体側面側となるように電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００５５】
放熱部５の受熱部６側には、一体構造とした放熱フィン３Ａを構成し、その一体構造の放熱フィン３Ａの中央部に垂直に貫通するヒートパイプ２Ａを設ける。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段のヒートパイプ２より短く形成されている。車側側の上下段の放熱フィン３は、その取付けピッチが、受熱部５側の放熱フィン３Ａの取付けピッチより広く取り付けている。
【００５６】
従って、放熱フィン３間の走行風の流れが向上し、放熱フィン３の放熱効率が向上し、冷却器の小形化や高性能化が可能となる。
【００５７】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図５（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【００５８】
この第５の実施の形態は、図４に示す第４の実施の形態に対し、２分割された放熱フィン３を貫通するヒートパイプは、長さが異なるヒートパイプ２ａ、２ｂを交互に組み合わせて構成したものである。これにより、放熱フィン３との熱交換を効率的に行うと共に、走行風の通過効率を向上させ冷却効果を高める。その他の構成は、図４に示す第４の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５９】
この第５の実施の形態においても、冷却器１は、放熱部６が車体側面側となるように電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００６０】
また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａが設けられており、一体構造の放熱フィン３Ａの中央部には垂直に貫通するヒートパイプ２Ａが取り付けられている。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段の放熱フィン３に取り付けられたヒートパイプ２より短く構成されている。また、２分割された上下段の放熱フィン３には、垂直に貫通する長さが異なるヒートパイプ２ａ、２ｂを交互に設けている。これにより、放熱フィン３間の走行風の流れが向上し、放熱フィンの放熱効率を向上させる。
【００６１】
以上の説明では、第４の実施の形態に対してヒートパイプ２ａ、２ｂの長さを異なるようにしたが、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態に対しても同様に適用できることは言うまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、車両走行時の走行風を有効に冷却器の冷却風として活用できるので、装置の小形軽量化が図れる。例えば、ブロアの削除により装置の構成が簡素化され、部品種類や部品点数の少ない信頼性の向上した装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図６】従来の半導体冷却装置の説明図。
【符号の説明】
１…冷却器、２…ヒートパイプ、３…放熱フィン、４…半導体素子、５…受熱部、６…放熱部、７…電力変換装置箱体、８…密閉部、９…開放部、１０…境界板、１１…保護カバー、１２…車体、１３…艤装限界、１４…走行風通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両床下に設置される電力変換装置の半導体素子を冷却する半導体冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両駆動用の電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を半導体素子のスイッチングにより変換し、車両駆動用の電動機に電力を供給するものである。この電力変換装置は鉄道車両床下に設置される。電力変換装置の半導体素子より発生する熱は、半導体冷却装置により外気へ放散するようにしている。
【０００３】
半導体冷却装置は、複数個の冷却器を車両進行方向に並べて配置されて形成される。冷却器は、電力変換装置の半導体素子の発熱を受熱部で受熱し、車両の走行風により放熱部で放散するものである。
【０００４】
すなわち、冷却器は半導体素子の取り付く受熱部と装置外部へ排熱を行う放熱部とから構成され、鉄道車両床下に設置される車両駆動用では、多くの場合、冷却器の放熱部が車両床下の車両側方側となるよう設置され、自然冷却により放熱部から大気へ熱放散する方式が採られている。
【０００５】
これは、放熱部の冷却を自然冷却として送風機を使用しないことで、機器のメンテナンス作業が不要となるようにするためであり、車両側方側へ配置するのは、車両床下へ排熱がこもることなく車両走行時の走行風を受けやすくすることを考慮したものである。
【０００６】
図６は従来の半導体冷却装置の説明図であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図６（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。図６（ａ）に示すように、半導体冷却装置は、複数個（３個）の冷却器１が車両進行方向に並んで配置されて形成されている。図６（ａ）では冷却器１の放熱部の外観が示されており、各々の冷却器１の放熱部は、受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、このヒートパイプ２に取り付けられた放熱フィン３とから構成されている。
【０００７】
図６（ｂ）に示すように、冷却器１は、複数個の半導体素子４が取り付けられた受熱部５と、大気へ熱放散する放熱部６とで構成される。放熱部６は、受熱部５の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、ヒートパイプ２に取り付けられた複数個の放熱フィン３とから形成される。放熱フィン３では、受熱部５からヒートパイプ２を介して輸送されてきた熱を放熱する。
【０００８】
冷却器１の受熱部５は、電力変換装置箱体７の密閉部８へ収納される。これは、半導体素子４とその周辺部品を汚損のない環境に置くためである。一方、放熱部６は車体の側方側の電力変換装置箱体７の開放部９に配置され、効率良く大気へ熱放散ができるようにしている。つまり、車両床下に排熱がこもり床下の配線や配管等を暖めることがないようにしている。なお、密閉部８と開放部９との間は境界板１０により区分され、開放部９の走行風が通らない部分（走行風と平行になる部分）には保護カバー１１が設けられている。
【０００９】
ここで、受熱部５にはヒートパイプ２の一方の端部が埋め込まれ、もう一方側には多数枚の放熱フィン３が取り付けられる。ヒートパイプ２は受熱部５側が下方となるよう傾けて設置され、ヒートパイプ２内部に封入された冷媒は受熱部５側で半導体素子４から発生する熱により蒸発し、放熱部６の放熱フィン３側で凝縮して大気へ熱放散を行うことになる。凝縮した冷媒はヒートパイプ２内部を重力により受熱部５側へと戻るサイクルを繰り返す。
【００１０】
放熱フィン３は自然冷却により大気へ熱放散を行うため、地面に対しほぼ垂直に設置され、放熱フィン３間を上昇気流が通り易くなるようにしている。ヒートパイプ２は放熱フィン３を貫通して接続されるので、ほぼ水平に取り付けられるが、前述の如く蒸発部である受熱部５側を若干下方に傾け、放熱フィン３側で凝縮した冷媒を受熱部５側へ戻すようにしている。
【００１１】
このように構成される半導体冷却装置は、半導体素子実装部である受熱部５は電力変換装置箱体７の内部（密閉部）に、放熱部６は電力変換装置箱体７の外部（開放部）に境界板１０を境として取り付けられる。
【００１２】
電力変換装置の箱体７は鉄道車両の車体１２の床下に放熱部６が車体側方側となる向きに艤装される。また、車体床下には電力変換装置等の機器が艤装可能なスペースとして艤装限界１３があり、冷却器１を含めた電力変換装置はこの艤装限界１３内に取り付けられることになる。艤装限界１３は、図６（ｂ）に示すように、一般に下方コーナー部が面取りされた形となっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の半導体冷却装置では放熱部６が車体の側方側に設置されており、多数枚の放熱フィン３が車体中央側（冷却器受熱都側）から車体側方側（冷却器先端側）へと所定のピッチで並んで取り付いているので、フィンピッチやパイプピッチの関係で、走行風の入風効率が悪くなることがある。この場合、風下側の冷却器まで風が流れないことがある。
【００１４】
また、走行風の流れが悪い箇所は、冷却器１の上段が下段の放熱のあおりを受け、冷却効率が悪くなることがある。
【００１５】
本発明の目的は、車両走行風を有効に利用し冷却性能の向上した小形軽量の半導体冷却装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置は、鉄道車両床下に設置された電力変換装置の半導体素子の発熱を受熱部で受熱し車両の走行風により放熱部で放散する冷却器が車両進行方向に複数個並んで配置された半導体冷却装置において、前記冷却器の放熱部は、前記受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプと、前記冷却器の放熱部の上段と下段とに２分割して前記ヒートパイプに取り付けられ前記受熱部から輸送された熱を放熱する放熱フィンと、２分割した放熱フィンの間に形成され鉄道車両が走行したときに走行風を流し下段の放熱フィンからの上昇気流による放熱の一部を走行風により熱放散させる走行風通路とを設けたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１の発明に係わる半導体冷却装置においては、
冷却器の受熱部の熱は、ヒートパイプを介して冷却器の放熱部の上段と下段とに２分割して設けられた放熱フィンに輸送され熱交換される。そして、鉄道車両が走行したときに、上段及び下段に２分割した放熱フィンの間に形成された走行通路に走行風が流れ、下段の放熱フィンからの上昇気流による放熱の一部を走行風により熱放散させ、効率よく冷却を行う。
【００２０】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１の発明において、前記走行風通路は、車両進行方向に対し他の冷却器の走行風通路とそれぞれ連通していることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１の発明の作用に加え、冷却器の受熱部の熱は、ヒートパイプを介して２分割された上段および下段のそれぞれの放熱フィンに輸送され熱交換される。そして、２分割された上段および下段の放熱フィンとの間に形成された走行風通路は他の冷却器の走行風通路と連通しているので、複数個並んだ冷却器を走行風が連続して通過でき冷却効果を高める。
【００２２】
請求項３の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１の発明において、前記走行風通路は、前記受熱部側の放熱フィンは一体構造とし、その先端部の放熱フィンを上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィンの間に形成されたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１の発明の作用に加え、走行風の通過が期待できない受熱部側の放熱フィンを一体構造とすることにより、その部分の放熱面積を広げ、自然対流によるフィン効率を高め冷却効果を高める。
【００２４】
請求項４の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項３の発明において、前記受熱部側の一体構造の放熱フィンにヒートパイプを付設したことを特徴とする。
【００２５】
請求項４の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項３の発明の作用に加え、受熱部の中央部の熱をヒートパイプにより一体構造の放熱フィンに熱輸送し、冷却効果を高める。
【００２６】
請求項５の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項３または請求項４の発明において、前記受熱部側の一体構造の放熱フィンのピッチを狭く、２分割した放熱フィンのピッチを広くしたことを特徴とする。
【００２７】
請求項５の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項３または請求項４の発明の作用に加え、放熱フィンのピッチを狭くした受熱部側の一体構造の放熱フィンおよび放熱フィンのピッチを広くした２分割の放熱フィンへの走行風の通過効率が向上し、冷却効果を高める。
【００２８】
請求項６の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項の発明において、前記２分割された放熱フィンを貫通するヒートパイプは、長さが異なるヒートパイプを交互に組み合わせて構成したことを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１乃至請求項５のいずれか１項の発明の作用に加え、放熱フィンを貫通する長さが異なるヒートパイプを交互に組み合わせて放熱フィンとの熱交換を効率的に行うと共に、走行風の通過効率を向上させ冷却効果を高める。
【００３０】
請求項７の発明に係わる半導体冷却装置は、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明において、前記冷却器の受熱部の半導体素子取付け面の反対面に凹凸のスリットを設けたことを特徴とする。
【００３１】
請求項７の発明に係わる半導体冷却装置においては、請求項１乃至請求項６のいずれか１項の発明の作用に加え、受熱部の凹凸スリットにより、受熱部の表面積が大きくなり、瞬時ピークロス時のヒートパイプにて熱輸送できない分の温度上昇をその受熱部表面より放熱し冷却効果を高める。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図１（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
【００３３】
この第１の実施の形態は、図６に示す従来例に対し、各々の冷却器１の冷却フィン３を２分割し中央部に走行風通路１４を設け、冷却器１の受熱部５の半導体素子取付け面の反対面に凹凸のスリット１５を設けたものである。
【００３４】
図１（ａ）には冷却器１の放熱部の外観が示されており、半導体冷却装置は、複数個（３個）の冷却器１が車両進行方向に並んで配置されて形成されている。そして、各々の冷却器１は冷却フィン３が２分割され、中央部に走行風通路１４が形成されている。この走行風通路１４は、車両進行方向に対し他の冷却器１の走行風通路１４とそれぞれ同じ位置に設けられ、従って各々の走行風通路１４は連通している。また、各々の冷却器１の放熱部は、受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプ２と、このヒートパイプ２に取り付けられた放熱フィン３とから構成されている。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、冷却器ｌは電力変換装置箱体７に取り付けられ、その電力変換装置箱体７の境界板１０を境にして、内部側は密閉部８となり外部側は開放部９となる。冷却器１は半導体素子４の取り付く受熱部５と放熱部６とからなり、放熱部６は２分割された多数枚の放熱フィン３により構成される。すなわち、放熱フィン３を上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィン３の間に走行風通路１４が形成されている。２分割された放熱フィン３は車体１２に対して車体側面側となるよう配置され、保護カバー１１に保護されて艤装限界１３内に収まるよう艤装される。
【００３６】
また、図１（ｃ）に示すように、受熱部５の半導体素子取付けの反対面に、凹凸スリット１５を設けている。この受熱部５の凹凸スリット１５により、受熱部の５表面積が大きくなり、瞬時ピークロス時のヒートパイプ２にて熱輸送できない分の温度上昇を放熱し冷却効果を高めるようにしている。
【００３７】
半導体素子４より発生する熱は、受熱部５およびヒートパイプ２を介して２分割された放熱フィン３に熱伝導され、２分割された放熱フィン３の表面から大気へと熱放散される。また、半導体素子４の瞬時ピークロス時は、ヒートパイプ２にて熱輸送できない分の温度上昇を受熱部５の凹凸スリット１５の表面より電力変換装置箱体７内へ熱放散される。
【００３８】
ここで、車両駆動用の電力変換装置では、当然、半導体素子４から熱が発生するのは車両走行時であり、車両停止時は半導体素子４は通電されないので損失を発生することはない。一方、車両走行時は車両に対して走行風が車体床下に取り付けられた半導体冷却装置に対し流れる。つまり、周囲から空気が流れ込むことになる。
【００３９】
走行風は、車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的に動くことで車両１２および車両１２と一体になって運動する車両床下に設置された機器類に対して働く。この走行風は車両走行時、２分割された放熱フィン３間および放熱部６の中央部の走行風通路１４を流れることになり、放熱フィン３の表面では空気流速が自然対流のみの時と比較し速くなる。従って、熱伝達率が向上し放熱フィン３の放熱性能が向上する。また、放熱部６の中央部の走行風通路１４では、下段の放熱フィン３からの放熱の一部が上昇気流により上昇した所を走行風により熱放散する。
【００４０】
この第１の実施の形態によれば、車両走行時の走行風が車両進行方向より放熱フィン３間と放熱フィン３の中央部の走行風通路１４とを流れることで、放熱フィン３の上部へのあおりが減少し、放熱フィン３の放熱効率が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能である。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図２（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。この第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対し、受熱部５側の放熱フィン３Ａは一体構造とし、その先端部の放熱フィン３を上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィン３の間に走行風通路１４を形成したものである。その他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４２】
放熱部６が車体側面側となるように、冷却器１は電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられ、その間に走行風通路１４を形成している。また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａを設けている。つまり、走行風がよく当る側は、第１の実施の形態と同様に、上段と下段とに２分割にした放熱フィン３とし、走行風が当たりにくい受熱部５側の放熱フィンを一体構造の放熱フィン３Ａとしている。
【００４３】
次に作用を説明する。半導体素子４より発生する熱は、受熱部５からヒートパイプ３を介して一体構造の放熱フィン３Ａおよび２分割された放熱フィン３に熱伝導され、これら放熱フィン３Ａ、３の表面から大気へと熱放散される。
【００４４】
第１の実施の形態と同様に、車両走行時の走行風は、車側側では、２分割された放熱フィン３間および２分割された放熱フィン３の中央部の走行風通路１４を流れ、２分割された放熱フィン３から大気への放熱性能が向上する。また、受熱部５側では、一体構造の放熱フィン３Ａを設けていることから放熱面積が広がることにより、放熱性能が向上する。
【００４５】
このように、車両走行時の走行風が車両進行方向より分割された放熱フィン３間と走行風通路１４とを流れることで、分割された放熱フィン３の上部へのあおりが減少し、走行風が流れにくい受熱部５側では、放熱面積を増やしたことにより放熱フィン３Ａの放熱効率が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能となる。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図３（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。この第３の実施の形態は、図２に示す第２の実施の形態に対し、受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａにヒートパイプ２Ａを付設したものである。これにより、受熱部５の中央部の熱をヒートパイプ２Ａにより一体構造の放熱フィン３Ａに熱輸送し冷却効果を高める。その他の構成は、図２に示す第２の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４７】
この第３の実施の形態においても放熱部６が車体側面側となるよう、冷却器１が電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００４８】
また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａが設けられており、一体構造の放熱フィン３Ａの中央部には垂直に貫通するヒートパイプ２Ａが取り付けられている。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段の放熱フィン３に取り付けられたヒートパイプ２より短く構成されている。
【００４９】
次に作用を説明する。半導体素子４より発生する熱は受熱部５からヒートパイプ２を介して２分割された放熱フィン３に熱伝導され、２分割された放熱フィン３の表面から大気へと熱放散される。
【００５０】
車両走行時の走行風は車両走行時、車側側では各々の放熱フィン３間および走行風通路１４を流れ、大気への放熱性能が向上する。また、放熱フィン３の受熱部５側では、上下段より短いヒートパイプ２Ａとそれに貫通する放熱フィン３Ａにより放熱が行われる。
【００５１】
この第３の実施の形態によれば、車両走行時の走行風が車両進行方向より放熱フィン３間と走行風通路１ ４を流れることで、上段の放熱フィン３上部へのあおりが減少し、走行風が流れにくい受熱部５側では、上下段より短いヒートパイプ２Ａにより、受熱部５中段の熱を放熱フィン３Ａに熱輸送する。これにより、受熱部５から放熱フィン３、３Ａへの熱輸送能力が向上し、冷却器１の小形化や高性能化が可能となる。
【００５２】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図４（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【００５３】
この第４の実施の形態は、図３に示す第３の実施の形態に対し、受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａのピッチを狭く、２分割した放熱フィン３のピッチを広くしたものである。これにより、ピッチを狭くした受熱部５側の一体構造の放熱フィン３Ａおよびピッチを広くした２分割の放熱フィン３への走行風の通過効率が向上し冷却効果を高める。その他の構成は、図３に示す第３の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５４】
冷却器１は、放熱部６が車体側面側となるように電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００５５】
放熱部５の受熱部６側には、一体構造とした放熱フィン３Ａを構成し、その一体構造の放熱フィン３Ａの中央部に垂直に貫通するヒートパイプ２Ａを設ける。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段のヒートパイプ２より短く形成されている。車側側の上下段の放熱フィン３は、その取付けピッチが、受熱部５側の放熱フィン３Ａの取付けピッチより広く取り付けている。
【００５６】
従って、放熱フィン３間の走行風の流れが向上し、放熱フィン３の放熱効率が向上し、冷却器の小形化や高性能化が可能となる。
【００５７】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図であり、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は車両の床下に取り付けられた状態で図５（ａ）の矢印Ａ方向から見た側面図である。
【００５８】
この第５の実施の形態は、図４に示す第４の実施の形態に対し、２分割された放熱フィン３を貫通するヒートパイプは、長さが異なるヒートパイプ２ａ、２ｂを交互に組み合わせて構成したものである。これにより、放熱フィン３との熱交換を効率的に行うと共に、走行風の通過効率を向上させ冷却効果を高める。その他の構成は、図４に示す第４の実施の形態と同一であるので、同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５９】
この第５の実施の形態においても、冷却器１は、放熱部６が車体側面側となるように電力変換装置箱体７に取り付けられ、受熱部５の半導体素子４の取り付く面の反対側の面には２分割された放熱フィン３が設けられる。
【００６０】
また、放熱部６の受熱部５側には一体構造の放熱フィン３Ａが設けられており、一体構造の放熱フィン３Ａの中央部には垂直に貫通するヒートパイプ２Ａが取り付けられている。このヒートパイプ２Ａは、上段および下段の放熱フィン３に取り付けられたヒートパイプ２より短く構成されている。また、２分割された上下段の放熱フィン３には、垂直に貫通する長さが異なるヒートパイプ２ａ、２ｂを交互に設けている。これにより、放熱フィン３間の走行風の流れが向上し、放熱フィンの放熱効率を向上させる。
【００６１】
以上の説明では、第４の実施の形態に対してヒートパイプ２ａ、２ｂの長さを異なるようにしたが、第１の実施の形態乃至第３の実施の形態に対しても同様に適用できることは言うまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、車両走行時の走行風を有効に冷却器の冷却風として活用できるので、装置の小形軽量化が図れる。例えば、ブロアの削除により装置の構成が簡素化され、部品種類や部品点数の少ない信頼性の向上した装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わる半導体冷却装置の説明図。
【図６】従来の半導体冷却装置の説明図。
【符号の説明】
１…冷却器、２…ヒートパイプ、３…放熱フィン、４…半導体素子、５…受熱部、６…放熱部、７…電力変換装置箱体、８…密閉部、９…開放部、１０…境界板、１１…保護カバー、１２…車体、１３…艤装限界、１４…走行風通路
Claims (7)
- 鉄道車両床下に設置された電力変換装置の半導体素子の発熱を受熱部で受熱し車両の走行風により放熱部で放散する冷却器が車両進行方向に複数個並んで配置された半導体冷却装置において、前記冷却器の放熱部は、前記受熱部の熱を車両の側方側に輸送するヒートパイプと、前記冷却器の放熱部の上段と下段とに２分割して前記ヒートパイプに取り付けられ前記受熱部から輸送された熱を放熱する放熱フィンと、２分割した放熱フィンの間に形成され鉄道車両が走行したときに走行風を流し下段の放熱フィンからの上昇気流による放熱の一部を走行風により熱放散させる走行風通路とを設けたことを特徴とする半導体冷却装置。
- 前記走行風通路は、車両進行方向に対し他の冷却器の走行風通路とそれぞれ連通していることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記走行風通路は、前記受熱部側の放熱フィンは一体構造とし、その先端部の放熱フィンを上段と下段とに２分割して、２分割した放熱フィンの間に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
- 前記受熱部側の一体構造の放熱フィンにヒートパイプを付設したことを特徴とする請求項３に記載の半導体冷却装置。
- 前記受熱部側の一体構造の放熱フィンのピッチを狭く、２分割した放熱フィンのピッチを広くしたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体冷却装置。
- 前記２分割された放熱フィンを貫通するヒートパイプは、長さが異なるヒートパイプを交互に組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
- 前記冷却器の受熱部の半導体素子取付け面の反対面に凹凸のスリットを設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体冷却装置。
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