JP4098534B2 - 移動体用冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、列車などの移動体に搭載された半導体素子などの発熱体を冷却するための移動体用冷却装置に関し、詳しくは上記移動体が走行することにより生じる走行風を利用した移動体用冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２０〜図２４は、特開２００１−３３２８８３号公報に開示された、走行風を利用した従来の列車用冷却装置を説明するものであって、図２０は列車用冷却装置の斜視図、図２１は後記する電気機器ボックスの内部側から見た当該装置の斜視図、図２２は図２０あるいは図２１の矢印Ａの方向から当該装置の側面図、図２３は走行風の後記する平板状フィン間での風速値の変化を示すグラフ、図２４は列車の車速、または半導体素子の発熱量の経時変化を示すグラフである。
【０００３】
図２０および図２１において、１は列車、２は列車１に取り付けられた列車用冷却装置である。一部分のみが示された列車１は、列車本体１１、ドア１２、窓１３、列車本体１１の下部に設置された電気機器ボックス１４、および電気機器ボックス１４を列車本体１１に取り付けるための取付け金具１５から構成されており、列車用冷却装置２は、電気機器ボックス１４の側面に取り付けられた基底部２１、および基底部２１に固定された複数の平板状フィン２２から構成されている。複数の平板状フィン２２は、列車１の走行方向（矢印Ｄ）において互いに等間隔で且つ並行に延在しており、また電気機器ボックス１４に含まれた発熱源たる半導体素子１６は、基底部２１の裏面に取り付けられている（図２１参照）。Ｗは走行風を、１７は軌道をそれぞれ示す。
【０００４】
次に上記従来技術の動作について説明する。半導体素子１６から発生した熱は、基底部２１を経由してこれに固定された複数の平板状フィン２２に伝導され、ついで平板状フィン２２間を流れる走行風Ｗに伝達され、かくして半導体素子１６が冷却される。列車用冷却装置２は、冷媒が使用されていないのでその構造が簡単であり、メンテナンスコストが安く、しかも環境への負荷を低減するなど、優れた長所がある。
【０００５】
ところで上記した従来の列車用冷却装置２では、平板状フィン２２間へ流入した走行風Ｗは、平板状フィン２２間を流れる行程において当該フィン２２の表面との摩擦により風速が漸次減速し、当該フィン２２の下流側ほど冷却性能が低下する問題がある。図２２には、平板状フィン２２間を流れる走行風Ｗの走行方向、つまり流体力学用語でいう流線を示しており、図２３には、平板状フィン２２の入口ａから出口ｂに至る行程を横軸とし、平板状フィン２２間における走行風Ｗの風速値を縦軸に示す。
【０００６】
走行風Ｗは、図２３に示す通り、その風速値が変化するが、これを平板状フィン２２間に流入する前の領域Ｗ１、平板状フィン２２間に流入して風速が漸次低下する領域Ｗ２、低下した風速が外部の走行風と混合しながら逓増していく領域Ｗ３に３分類される。さらに領域Ｗ２は、ある程度風速が確保されている領域Ｗ２１と、風速が大きく低下した領域Ｗ２２に分類される。領域Ｗ２１に該当する個所に配置された半導体素子１６１(図２１参照)は、走行風Ｗがある程度確保されているため冷却が行われるが、領域Ｗ２２に該当する個所に配置された半導体素子１６２は殆ど走行風Ｗが得られないため実質的に冷却されず、半導体素子１６２の温度は非常に上昇して熱暴走する問題がある。かかる熱暴走を防止するには、列車用冷却装置２のサイズを大きくする必要が生じ、それは重量増加、コスト増加などの問題が生じる。
【０００７】
また半導体素子１６は、一般的に常に一定の熱量を出すわけではなく、その発熱量は列車１の巡航速度に基づいて変化する。しかして列車用冷却装置２を上記発熱量が最大値となる場合を想定して設計すると、当該装置２は大型化して、発熱量が少ない時間においては過剰スペックとなる問題がある。
【０００８】
また次の問題もある。図２４は、横軸に時間、縦軸に列車１の車速あるいは半導体素子１６の発熱量を示し、Ｌ１は列車の車速、Ｌ２は半導体素子１６中のコンバータ素子（図示せず）からの発熱量、Ｌ３は当該素子１６中のインバータ素子（図示せず）からの発熱量、の各経時的変化を示すグラフである。一方、上記列車の運行パターンは、加速時Ｓ１、一定速度巡航時Ｓ２、減速時Ｓ３、および停車時Ｓ４、に大きく４分類される。上記コンバータ素子は、車速が増えると発熱量が段階的に増加する傾向にあり、上記インバータ素子はその逆で車速が低くなるほど発熱量が増える傾向にある。コンバータ素子は、発熱量が高い高速巡航時は走行風Ｗが得られるために良好に冷却されるが、インバータ素子においては走行風Ｗが得られ難い低速巡航時において発熱量が高いためにそれの冷却不足が生じる。つまりインバータ素子の発熱挙動に対応して低速巡航時でも充分な冷却能力を満たすためには、列車用冷却装置２を大型化する必要があって、重量増加、コスト増加などの問題が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における如上の問題点を解決するためになされたものであり、大幅なコストアップを要することなく、走行風を利用して移動体に搭載された発熱体を高効率で冷却することができる移動体用冷却装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る移動体用冷却装置は、移動体の走行方向に延在した複数の平板状フィンを有し、且つ上記移動体の走行により生じる走行風を上記平板状フィン間に流して上記移動体に搭載された発熱体を冷却する移動体用冷却装置であって、上記走行風の上記平板状フィン間に流れる風量を増大させるように送風する送風手段が設けられ、上記送風手段は上記平板状フィンの上記移動体の走行方向における中間に設けられると共に、左右両回転が可能な両回転送風機であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記送風手段は、異物の衝突を防止する対異物保護カバーで覆われていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項３に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記発熱体の温度を検知するセンサ、および上記センサにより検知された上記温度に応じて上記送風手段を稼動させる制御手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項４に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記複数の平板状フィンは、上記移動体の外壁に設けられた窪み内に設置されており、且つ上記窪みの、上記平板状フィンの間に上記走行風が流入する壁面は、上記移動体の外壁面に対して７°〜９０°の俯角で傾斜していることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項５に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が１％以上４０％未満であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項６に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が４０％以上９５％未満であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項７に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記走行風による上記両回転送風機の上記羽根の回転により生じる電力を充電可能な二次電池が設けられたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下において、前記図２０〜図２４における部位または表示と同じ部位または表示に就いては同じ符号を付して説明を省略する。
【００１８】
参考例１．
図１〜図３は、本発明の移動体用冷却装置についての参考例１を説明するものであって、図１は移動体用冷却装置の一例としての列車用冷却装置の斜視図、図２は図１の矢印Ａの方向から見た一部概略側面図、図３は走行風の平板状フィン間における風速値の変化を示すグラフである。
【００１９】
図１および図２において、３は通常の一方方向に回転する軸流送風機（以下、一方回転送風機）である。参考例１における基底部２１および平板状フィン２２は、前記図１９における平板状フィン２２の列車１の走行方向における中央辺りの一部を除去した状態に相当し、一方回転送風機３は、かく除去された個所に２基設置されており、且つ平板状フィン２２の他端ｂの方向に送風する機能をなす。平板状フィン２２は、上流側フィン２２１と下流側フィン２２２とから構成されている。しかして参考例１は、前記図２０〜図２４にて説明された従来技術とは、平板状フィン２２の中央辺りに一方回転送風機３が設けられた点において異なり、その他の構成は同じである。なお列車１は或る速度で走行しているが、図１は列車１のその速度を仮に零として走行風Ｗのみが移動している様子を示している。
【００２０】
次に動作について説明する。以下においては、列車１が矢印Ｄの方向に進行している場合について説明を行い、逆方向に進行する場合は上流側と下流側が入れ替わるだけ（但し、一方回転送風機３の送風方向を逆にする必要がある。）なので説明は省略する。参考例１と従来技術との違いを明確にするために、図２〜図３と前記図２２〜図２３とを対比しながら説明する。一方回転送風機３を使用しない従来技術では、前記図２２に示すように平板状フィン２２間に流入した走行風Ｗは途中から当該フィン２２の外部空間へ漏れ出す。これに対して参考例１では、途中から外部へ漏れかかっていた走行風Ｗは、図２に示す通り、一方回転送風機３の吸引力により当該フィン２２側に引き戻されて一方回転送風機３の羽根間を通過して再び下流側フィン２２２間を通過し、平板状フィン２２の他端ｂに向かって流れる。この結果、走行風Ｗの風速値は、図３と図２３との対比から明らかなように従来技術と比較して全般的に大きくなっている。
【００２１】
以上のように、参考例１の列車用冷却装置２は、列車１に使用されている半導体素子１６の発熱を走行風Ｗを利用して効率よく大気へ放出するので、大幅なコストアップを要することなく上流側フィン２２１は勿論のこと、下流側フィン２２２も良好に冷却される。
【００２２】
実施の形態１．
本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１の斜視図は、前記図１にて示される。但し実施の形態１では、前記送風手段の他の例として、左右両回転が可能な両回転軸流送風機（以下、両回転送風機）３が用いられ、この点において参考例１と異なり、その他の構成は同じである。両回転送風機３としては、例えば左右の回転において同等の送風能力を有する対称羽根を備えたものが用いられる。実施の形態１では、両回転送風機３が稼動する際には当該送風機３の送風方向と走行風の向きが常に一致するように回転方向が自動制御されるので、列車１の走行方向に変更があっても両回転送風機３を取付け直す必要がない利点がある。
【００２３】
実施の形態２．
図４は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態２の斜視図であって、前記送風手段として、実施の形態１において用いられた両回転送風機３（以下、送風機３）が平板状フィン２２の中間に設けられた２基に加えて、上流側フィン２２１の入口ａに２基と下流側フィン２２２の出口ｂに２基の合計６基が設けられた点において参考例１または実施の形態１と異なり、その他の構成は同じである。６基の送風機３を採用することにより、下流側フィン２２２における走行風Ｗの漏れ防止効果が大きく向上する。しかも送風機３の設置は、冷媒を循環させる場合の設備コストと比較すると極めて低コストであるので、６基の送風機３を採用することによりコストアップを僅かに抑えつつ、平板状フィン２２全体の、特に下流側フィン２２２の冷却性能を向上させることができるため、一層高効率の列車用冷却装置２が得られる。
【００２４】
参考例１、実施の形態１、および実施の形態２においては、一箇所に２基の両回転送風機３が設けられたが、これは一般的な送風機が円形あるいは正方形の枠で構成されているのに対して、平板状フィン２２の正面形状が長方形であるため２基の設置にしたに過ぎない。また上記送風機として、３枚羽根のものが例示されたが、羽根の枚数や形状には特に制限はない。よって送風機は、列車１に取付けられた列車用冷却装置２の形状に応じて自由にレイアウトすればよく、その設置個数や種類などに制限はない。また参考例１、実施 の形態１、および実施の形態２においては、移動体として列車を例示したが、列車以外にエレベータ、モノレールあるいはその他の双方向型移動体類、自動車、航空機、高速艇あるいはその他の１方向型移動体類などであってもよい。
【００２５】
実施の形態３．
図５は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態３の斜視図であって、４は前記対異物保護カバーの一例としての飛石防止カバーであって、送風機３が飛石防止カバー４で覆われている点において参考例１または実施の形態１と異なり、その他の構成は同じである。飛石防止カバー４は、通気性の無い金属製平板で構成されている。図５において、Ｆは飛石、矢印ｆは飛石Ｆの飛散方向を示す。
【００２６】
次に動作について説明する。列車１は、走行する際に線路上の石や落下物の衝突を受けることが稀にある。それは、列車１の車体からの風圧、自然現象による風圧、あるいは車体に付着した雪・泥などの落下などにより、線路上の石が舞い上がって車体に衝突することにより生じる。いずれの原因によるにせよ、飛石によって送風機３が破壊される可能性があるが、飛石防止カバー４によりかかる問題は解決する。以上のように実施の形態３では、送風機３は飛石防止カバー４で覆われているため、飛石が送風機３に衝突してそれが破壊されることを防止することができるので、送風機３の故障による冷却性能不足が回避され、送風機３の交換のコスト低減だけでなく、冷却の信頼性が向上する。
【００２７】
なお飛石防止カバー４は、金属製以外にも、飛石に耐えうる強度を有する材料製のもであればよく、飛石に対する強度さえ確保できれば網あるいはネットなどを用いても同様の効果を得ることができる。さらに本発明において前記対異物保護カバーとしては、飛石以外にも送風機３などの送風手段を破損あるいは破壊する飛来物の可能性がある場合には、かかる飛来物の大きさ、飛来速度などを考慮してその構造や構成材料を適宜決めればよい。
【００２８】
実施の形態４．
図６は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態４を説明するものであって、２３は発熱源たる半導体素子１６と基底部２１との間に設置された温度センサ（点線で示す）、２４は制御装置である。温度センサ２３は、半導体素子１６の列車１（図１など参照）の走行中における温度を常時測定し、その測定結果を制御装置２４に入力し、制御装置２４では半導体素子１６の温度が基準値を超えると送風機３を稼動するように電力を供給し、半導体素子１６の温度が基準値未満であると上記電力供給を停止して送風機３を止める機能をなす。
【００２９】
次に動作について説明する。列車用冷却装置２は、走行風Ｗによる半導体素子１６の冷却が必要な場合、例えば列車１が低速運航する時に稼動すればよいのであって、それ以外の時間、例えば冬場における列車１の始動時、にはその必要はない。温度センサ２３および制御装置２４を設けて必要時のみ送風機３を稼動させることにより送風機３の騒音を低減できるだけでなく、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図７および図８は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態５を説明するものであって、図７は実施の形態５において用いられた送風機３の羽根および回転軸のみの正面図であり、図８は図７の側面図である。図７および図８において、３１は送風機３の羽根、３２は回転軸、３３は羽根３１間の空間、矢印ｇは送風機３の送風方向である。回転軸３２には、モータ（図示せず）などが格納されており、電力供給によってモータの稼動制御が可能なように構成されている。実施の形態５で用いられる送風機３の羽根３１は、図７からわかるように、それの送風方向ｇの投影面積が空間３３の面積に比べて小さいものである。
【００３１】
次に動作について説明する。羽根３１のようにそれの上記投影面積が少なく構成されている場合は、送風機３が停止しているときの走行風Ｗ（図１など参照）が羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が小さく、走行風Ｗの風速はそれほど低下しない効果がある。よって、前記実施の形態４において説明したように送風機３を稼動させるまでもない場合における走行風Ｗ自体に基づく冷却効果を有効活用することができる。
【００３２】
なお、羽根３１の上記投影面積が過小であると、送風機３の稼動に基づく前記参考例１および実施の形態１において説明した作用が低下し、逆に投影面積が過大であると、走行風Ｗが羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が大きくなる。よって羽根３１の３枚の各先端を結ぶピッチ円３４の面積中に占める上記３枚の合計投影面積が１％以上４０％未満、特に３％以上２０％未満であることが好ましい。
【００３３】
実施の形態６．
図９および図１０は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態６を説明するものであって、図９は実施の形態６において用いられた送風機３の羽根および回転軸のみの正面図であり、図１０は図９の側面図である。図９および図１０において、３１は送風機３の羽根、３２は回転軸、３３は羽根３１間の空間、矢印ｇは送風機３の送風方向である。回転軸３２には、モータなどが格納されており、電力供給によってモータの稼動制御が可能なように構成されている。
【００３４】
実施の形態６で用いられる送風機３の羽根３１は、図９からわかるように、実施の形態５の場合とは逆に、それの送風方向ｇの投影面積が空間３３の面積に比べて大きいものである。
【００３５】
次に動作について説明する。羽根３１のようにそれの上記投影面積が大きく構成されている場合は、送風機３の回転数が低くても大風量を稼ぐことができる。つまり、下流側フィン２２２（図２など参照）に頻繁に冷却不足が生じる場合においても低回転数で良好に冷却することができる。よって実施の形態７は、常時あるいは頻繁に送風機３を稼動させる場合において、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００３６】
なお羽根３１の上記投影面積が過小であると、上記の作用が低下し、逆に投影面積が過大であると、走行風Ｗ（図１など参照）が羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が大きくなる。よって羽根３１の３枚の先端を結ぶピッチ円３４の面積中に占めるその３枚の合計投影面積が４０％以上９５％未満、特に６０％以上９０％未満であることが好ましい。
【００３７】
実施の形態７．
図１１は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態７の説明図（前記図１の矢印Ａの方向から見た他の一部概略側面図）である。図１１において、５は列車１（図１など参照）の進行方向に合わせて送風機３の回転方向を反転制御するための制御装置、６は二次電池、７は主電力線である。
【００３８】
次に動作について説明する。前述したように半導体素子１６の発熱量は、半導体素子の種類により列車１の走行速度に応じて変化するため、送風機３を常に稼動させる必要はない。つまり、冷却性能が十分な時は送風機３には電力を供給する必要はなく、むしろ走行風Ｗ（図１など参照）は、送風機３を通過する際にその羽根を回転させるので、実施の形態７ではその際に発生した電力は二次電池６に充電され、この充電電力は送風機３を稼動することに用いられる。
【００３９】
以上のように、実施の形態７では、充放電可能な二次電池６を備えているので、冷却能力が十分な時間に走行風Ｗによって発電された電力を二次電池６に充電しておき、冷却能力が不足したときに充電された電力を使用することができるので、主電力線７から供給される使用電力量を大幅に低減することができる。なお、二次電池６としては、繰り返し充電・放電可能なものであれば何でも良く、例えばニッケルカドミウム二次電池、鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などが挙げられる。
【００４０】
実施の形態８．
図１２〜図１４は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態８を説明するものであって、図１２は列車用冷却装置の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）、図１３は図１２の矢印Ｂの方向から見た一部概略側面図、図１４は実施の形態８の効果を説明するための図１３に対応する参考側面図である。
【００４１】
図１２〜図１４において、１は新幹線電車の列車、１１は列車本体、１３は窓、Ｍは列車本体１１に施された新幹線電車に特徴的な塗装、１８は列車本体１１の底面、１９は底面１８に設けられた窪み、２は窪み１９内に設置された列車用冷却装置である。列車用冷却装置２は、基底部２１、基底部２１に固定された複数の平板状フィン２２、および平板状フィン２２の入口と出口ａ、ｂの２箇所に設けられた送風機３とから構成されており、基底部２１が、窪み１９の底面１９１の内側に設けられた電気ボックス（図示せず）と密接するように窪み１９内に設置されている。また上記電気機器ボックス内の半導体素子１６は、図１３、図１４に示す通り、基底部２１裏面に密着状態で取付けられている。図１４の参考側面図は、送風機３が設けられていない状態を示す。
【００４２】
窪み１９は、その平板状フィン２２間に走行風Ｗが流入する壁面１９２および走行風Ｗが流出する壁面１９３が、図示する通り、底面１８に対して傾斜している。壁面１９２、壁面１９３の各傾斜は、走行風Ｗが平板状フィン２２間に流入、流出するための誘導スロープとして作用する。
【００４３】
次に実施の形態８の動作について図１４を参照しながら説明する。新幹線電車は、高速で走行する際の空気の抵抗をできるだけ小さくし且つ低騒音化するため、列車本体１１から突起を出さず平坦にする努力、即ち平滑化がなされている。実施の形態８の列車用冷却装置２は、窪み１９内に設置されることによりかかる平滑化に寄与する。
【００４４】
新幹線電車が例えば２７０ｋｍ／ｈの速度で走行した場合の走行風Ｗは、約４０ｍ／ｓにも及ぶ。ところで、かかる高走行風のもとで送風機３が設けられておらず、且つ壁面１９２の底面１８に対する傾斜角、即ち俯角θが数度程度でもあると、図１４に示すように、走行風Ｗは窪み１９の面１９２、１９１沿って流動することができず、空気が淀んだ剥離領域ＤＳ部が生じて、走行風Ｗの大部分は平板状フィン２２間に入らずその上端面上をかすめ去さって、平板状フィン２２の冷却に寄与しない問題が生じる。この場合、壁面１９２の俯角θを小さくすれば、上記の問題は幾分改善されるが、その場合は壁面１９２（および壁面１９３）の長さが大きくなって窪み１９の全長が過大となる別の問題が生じる。これに対して図１３に示すように送風機３を設けると、壁面１９２の俯角が数度程度では勿論のこと、９０度近くであっても送風機３による誘風作用により走行風Ｗは面１９２、１９１に沿って流れて平板状フィン２２間に流入する。
【００４５】
壁面１９２の俯角を大きくし得ることは、窪み１９の全長を小さくし得ること、換言すると列車用冷却装置２をコンパクト化し得ることに繋がる。したがって送風機３は、当該装置２においては、新幹線電車の平滑化に寄与しつつ、当該装置２のコンパクト化と冷却の高性能化にも寄与する効果を奏する。なお当該装置２のコンパクト化と冷却の高性能化とは、その本質において二律背反的であって、両効果をバランスさせる観点から、壁面１９２の俯角は、７〜９０度程度、特に１０〜４５度程度が好ましい。上記においては、壁面１９２の俯角について述べたが、新幹線電車が双方向運転される場合には、壁面１９３についても壁面１９２と同様のことが当てはまる。
【００４６】
実施の形態９．
図１５は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態９を説明するものであって、前記図１３に対応する他の一部概略側面図である。図１５において、点線で示す１９２１および１９３１は、それぞれ壁面１９２および壁面１９３に設けられた吸気口、３は各吸気口１９２１、１９３１の内部（列車本体１１内）のそれぞれに設けられた送風機である。送風機３は、外気を上記吸気口から列車本体１１内に吸引する機能をなし、この機能により走行風Ｗは壁面１９２、１９１に沿って流れて平板状フィン２２間に流入し易くなる。よって送風機３は、前記実施の形態８における送風機３と実質的に同じような誘風作用をなす。なお実施の形態９において用いられる送風機３は、その外気吸引力が過大であると、走行風Ｗの平板状フィン２２間に流入する量よりも列車本体１１内に吸引される量の方が多くなるので、前記実施の形態８において用いられる送風機３より小型のものが好ましい。
【００４７】
実施の形態１０．
図１６は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１０の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）である。実施の形態１０は、前記実施の形態８とは、送風機３が前記参考例１の場合と同様に平板状フィン２２の中間に設置されている点において異なり、その他の構成は同じである。送風機３を平板状フィン２２の中間、即ち上流側フィン２２１と下流側フィン２２２の間に設置するだけでも実施の形態８と実質的に同様の効果を得ることができる。
【００４８】
実施の形態１１．
図１７は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１１の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）である。実施の形態１１は、前記実施の形態１０とは、送風機３（図１６参照）が飛石防止カバー４で覆われている点において異なり、その他の構成は同じである。送風機３が飛石防止カバー４で覆われていることにより、前記実施の形態３において説明した効果が得られる。
【００４９】
参考例２．
図１８および図１９は、本発明の移動体用冷却装置についての参考例２を説明するものであって、図１８は列車用冷却装置の斜視図、図１９は図１８の矢印Ａの方向から見た一部概略側面図である。
【００５０】
図１８および図１９において、８は平板状フィン２２の列車１の走行方向における先端面上に設けられた風誘導板であって、参考例２は、前記参考例１とは、風誘導板８を有する点において異なり、その他の構成は同じである。図１８では、上流側フィン２２１と下流側フィン２２２の間に設置された送風機３は、風誘導板８の裏側に位置する。風誘導板８は、上流側フィン２２１上に設けられた風誘導板部分８１と下流側フィン２２２上に設けられた風誘導板部分８２との２部分から構成されており、当該両部分８１、８２とも平板状フィン２２の先端面に対して互いに平行に傾斜した複数の板材８１１、８２１からそれぞれ構成されている。但し、板材８１１と、板材８２１とは、列車１が双方向に進行することを考慮して図１８および図１９に示す通り、傾斜方向が互いに逆となっている。
【００５１】
次に動作について説明する。風誘導板８が設けられていない前記参考例１においても、走行風Ｗの一部は平板状フィン２２間に流入するが、風誘導板部分８１が設けられたことにより参考例１においては平板状フィン２２の外部を素通りしていた走行風Ｗの一部までもが８１１間から平板状フィン２２間に取込まれ、上流側フィン２２１および下流側フィン２２２間を流れ、このために半導体素子１６は一層良好に冷却されるので列車用冷却装置２の小型化が可能となる。その際、送風機３は、風誘導板８により平板状フィン２２間に取込まれた走行風Ｗの多くが下流側フィン２２２間を流れるように作用する。
【００５２】
本発明において風誘導板８が設けられる場合、移動体が１方向型移動体でも双方向型移動体でも、風誘導板８を構成する板材は、走行風Ｗの平板状フィン２２間への取り込みの観点から一方方向にのみ傾斜して設置されことが好ましい。しかし双方向型移動体では、移動体の運転の度に上記板材の傾斜方向を変更する装置あるいは手間を必要とする問題がある。これに対して、参考例２における板材８１１と板材８２１とのように傾斜方向を互いに逆にしておくと、上記の問題が解消する。なおその場合、下流側フィン２２２間を流れる走行風Ｗの一部は、図１９に示すように、板材８２１間から外部に流出するが、本発明者らの実験によれば風誘導板部分８１による走行風Ｗの取り込み風量が板材８２１間からの流出風量を大きく上回るので前記した良好な冷却効果が達成される。なお板材８１１の傾斜角度（板材８２１も同じ、但し傾斜方向は逆）は、５〜６０度程度、特に７〜３０度程度が好ましい。
【００５３】
また本発明おいて風誘導板８が設けられる場合、送風機３などの送風手段を省略しても風誘導板８のみによる走行風Ｗの平板状フィン２２間への取り込み作用により半導体素子などの各種発熱体を冷却することができる。しかし送風手段を併用することにより、一層効果的な冷却効果が達成される。送風手段を併用する場合には、前記参考例１および実施の形態１において開示された諸技術の一部あるいは全部が併用されてよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る移動体用冷却装置は、以上説明した通り、移動体の走行方向に延在した複数の平板状フィンを有し、且つ上記移動体の走行により生じる走行風を上記平板状フィン間に流して上記移動体に搭載された発熱体を冷却する移動体用冷却装置であって、上記走行風の上記平板状フィン間に流れる風量を増大させるように送風する送風手段が設けられ、上記送風手段は上記平板状フィンの上記移動体の走行方向における中間に設けられると共に、左右両回転が可能な両回転送風機であることを特徴とするものであるので、送風手段を使用しない従来技術では、平板状フィン間に流入した走行風は途中から当該フィンの外部空間へ漏れ出す問題のあるところ、送風手段を使用することにより走行風の平板状フィン間における風量あるいは風速値が増大して、大幅なコストアップを要することなく上流側フィンは勿論のこと、下流側フィンも良好に冷却される効果がある。
【００５５】
また上記送風手段は、飛石などの異物の衝突を防止する対異物保護カバーで覆われていると、送風手段の異物の衝突による故障や破壊が防止され、送風手段の交換コスト低減だけでなく、冷却の信頼性が向上する。
【００５６】
また上記発熱体の温度を検知するセンサ、および上記センサにより検知された上記温度に応じて上記送風手段を稼動させる制御手段が設けられていると、必要時のみ送風手段を稼動させることにより年間の総電力消費量を低減することができる。
【００５７】
また上記複数の平板状フィンは、上記移動体の外壁に設けられた窪み内に設置されており、且つ上記窪みの、上記平板状フィンの間に上記走行風が流入する壁面は、上記移動体の外壁面に対して７°〜９０°の俯角で傾斜しているものであると、上記移動体が例えば新幹線電車である場合、それの平滑化に寄与しつつ本発明の移動体用冷却装置のコンパクト化と冷却の高性能化にも寄与する効果がある。
【００５８】
また上記送風手段は、移動体が自動車、航空機、高速艇あるいはその他の１方向型移動体類、および列車、エレベータ、モノレールあるいはその他の双方向型移動体類である場合に適している。
【００５９】
また上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が１％以上４０％未満であると、上記送風機が停止しているときの走行風が羽根間を通過する際に受ける抵抗が小さく、走行風の風速はそれほど低下しない効果がある。よって、送風機を稼動させるまでもない場合における走行風自体に基づく冷却効果を有効活用することができる。
【００６０】
また上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が４０％以上９５％未満であると、送風機の回転数が低くても大風量を稼ぐことができるので、常時あるいは頻繁に送風機を稼動させる場合において、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００６１】
また上記両回転送風機の上記羽根の回転により生じる電力を充電可能な二次電池が設けられたものであると、冷却能力が十分な時間に走行風によって発電された電力を二次電池に充電しておき、冷却能力が不足したときに充電された電力を使用することができるので、主電力線から供給される使用電力量を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における参考例１および実施の形態１の斜視図。
【図２】 図１の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図３】 走行風の風速値の変化を示すグラフ。
【図４】 本発明の実施の形態２の斜視図。
【図５】 本発明の実施の形態３の斜視図。
【図６】 本発明の実施の形態４の説明図。
【図７】 本発明の実施の形態５において用いられた送風機の羽根および回転軸の正面図。
【図８】 図７の側面図。
【図９】 本発明の実施の形態６において用いられた送風機の羽根および回転軸の正面図。
【図１０】 図９の側面図。
【図１１】 本発明の実施の形態７の説明図。
【図１２】 本発明の実施の形態８の斜視図。
【図１３】 図１２の矢印Ｂの方向から見た側面図。
【図１４】 実施の形態８の効果を説明するため参考側面図。
【図１５】 本発明の実施の形態９の側面図。
【図１６】 本発明の実施の形態１０の斜視図。
【図１７】 本発明の実施の形態１１の斜視図。
【図１８】 本発明における参考例２の斜視図。
【図１９】 図１８の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図２０】 従来の車載用冷却装置の斜視図。
【図２１】 図２０の裏側から見た斜視図。
【図２２】 図２０あるいは図２１の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図２３】 走行風の風速値の変化を示すグラフ。
【図２４】 列車の車速（または半導体素子の発熱量）の経時変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 列車、１１ 列車本体、１２ ドア、１３ 窓、１４ 電気機器ボックス、
１６ 半導体素子、１７ 軌道、１８ 底面、１９ 窪み、２ 列車用冷却装置、
２１ 基底部、２２ 平板状フィン、３ 送風機、４ 飛石防止カバー、
２３ 温度センサ、２４ 制御装置、５ 制御装置、６ 二次電池、８ 風誘導板、
Ｗ 走行風。
【発明の属する技術分野】
本発明は、列車などの移動体に搭載された半導体素子などの発熱体を冷却するための移動体用冷却装置に関し、詳しくは上記移動体が走行することにより生じる走行風を利用した移動体用冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２０〜図２４は、特開２００１−３３２８８３号公報に開示された、走行風を利用した従来の列車用冷却装置を説明するものであって、図２０は列車用冷却装置の斜視図、図２１は後記する電気機器ボックスの内部側から見た当該装置の斜視図、図２２は図２０あるいは図２１の矢印Ａの方向から当該装置の側面図、図２３は走行風の後記する平板状フィン間での風速値の変化を示すグラフ、図２４は列車の車速、または半導体素子の発熱量の経時変化を示すグラフである。
【０００３】
図２０および図２１において、１は列車、２は列車１に取り付けられた列車用冷却装置である。一部分のみが示された列車１は、列車本体１１、ドア１２、窓１３、列車本体１１の下部に設置された電気機器ボックス１４、および電気機器ボックス１４を列車本体１１に取り付けるための取付け金具１５から構成されており、列車用冷却装置２は、電気機器ボックス１４の側面に取り付けられた基底部２１、および基底部２１に固定された複数の平板状フィン２２から構成されている。複数の平板状フィン２２は、列車１の走行方向（矢印Ｄ）において互いに等間隔で且つ並行に延在しており、また電気機器ボックス１４に含まれた発熱源たる半導体素子１６は、基底部２１の裏面に取り付けられている（図２１参照）。Ｗは走行風を、１７は軌道をそれぞれ示す。
【０００４】
次に上記従来技術の動作について説明する。半導体素子１６から発生した熱は、基底部２１を経由してこれに固定された複数の平板状フィン２２に伝導され、ついで平板状フィン２２間を流れる走行風Ｗに伝達され、かくして半導体素子１６が冷却される。列車用冷却装置２は、冷媒が使用されていないのでその構造が簡単であり、メンテナンスコストが安く、しかも環境への負荷を低減するなど、優れた長所がある。
【０００５】
ところで上記した従来の列車用冷却装置２では、平板状フィン２２間へ流入した走行風Ｗは、平板状フィン２２間を流れる行程において当該フィン２２の表面との摩擦により風速が漸次減速し、当該フィン２２の下流側ほど冷却性能が低下する問題がある。図２２には、平板状フィン２２間を流れる走行風Ｗの走行方向、つまり流体力学用語でいう流線を示しており、図２３には、平板状フィン２２の入口ａから出口ｂに至る行程を横軸とし、平板状フィン２２間における走行風Ｗの風速値を縦軸に示す。
【０００６】
走行風Ｗは、図２３に示す通り、その風速値が変化するが、これを平板状フィン２２間に流入する前の領域Ｗ１、平板状フィン２２間に流入して風速が漸次低下する領域Ｗ２、低下した風速が外部の走行風と混合しながら逓増していく領域Ｗ３に３分類される。さらに領域Ｗ２は、ある程度風速が確保されている領域Ｗ２１と、風速が大きく低下した領域Ｗ２２に分類される。領域Ｗ２１に該当する個所に配置された半導体素子１６１(図２１参照)は、走行風Ｗがある程度確保されているため冷却が行われるが、領域Ｗ２２に該当する個所に配置された半導体素子１６２は殆ど走行風Ｗが得られないため実質的に冷却されず、半導体素子１６２の温度は非常に上昇して熱暴走する問題がある。かかる熱暴走を防止するには、列車用冷却装置２のサイズを大きくする必要が生じ、それは重量増加、コスト増加などの問題が生じる。
【０００７】
また半導体素子１６は、一般的に常に一定の熱量を出すわけではなく、その発熱量は列車１の巡航速度に基づいて変化する。しかして列車用冷却装置２を上記発熱量が最大値となる場合を想定して設計すると、当該装置２は大型化して、発熱量が少ない時間においては過剰スペックとなる問題がある。
【０００８】
また次の問題もある。図２４は、横軸に時間、縦軸に列車１の車速あるいは半導体素子１６の発熱量を示し、Ｌ１は列車の車速、Ｌ２は半導体素子１６中のコンバータ素子（図示せず）からの発熱量、Ｌ３は当該素子１６中のインバータ素子（図示せず）からの発熱量、の各経時的変化を示すグラフである。一方、上記列車の運行パターンは、加速時Ｓ１、一定速度巡航時Ｓ２、減速時Ｓ３、および停車時Ｓ４、に大きく４分類される。上記コンバータ素子は、車速が増えると発熱量が段階的に増加する傾向にあり、上記インバータ素子はその逆で車速が低くなるほど発熱量が増える傾向にある。コンバータ素子は、発熱量が高い高速巡航時は走行風Ｗが得られるために良好に冷却されるが、インバータ素子においては走行風Ｗが得られ難い低速巡航時において発熱量が高いためにそれの冷却不足が生じる。つまりインバータ素子の発熱挙動に対応して低速巡航時でも充分な冷却能力を満たすためには、列車用冷却装置２を大型化する必要があって、重量増加、コスト増加などの問題が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における如上の問題点を解決するためになされたものであり、大幅なコストアップを要することなく、走行風を利用して移動体に搭載された発熱体を高効率で冷却することができる移動体用冷却装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る移動体用冷却装置は、移動体の走行方向に延在した複数の平板状フィンを有し、且つ上記移動体の走行により生じる走行風を上記平板状フィン間に流して上記移動体に搭載された発熱体を冷却する移動体用冷却装置であって、上記走行風の上記平板状フィン間に流れる風量を増大させるように送風する送風手段が設けられ、上記送風手段は上記平板状フィンの上記移動体の走行方向における中間に設けられると共に、左右両回転が可能な両回転送風機であることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記送風手段は、異物の衝突を防止する対異物保護カバーで覆われていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項３に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記発熱体の温度を検知するセンサ、および上記センサにより検知された上記温度に応じて上記送風手段を稼動させる制御手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項４に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記複数の平板状フィンは、上記移動体の外壁に設けられた窪み内に設置されており、且つ上記窪みの、上記平板状フィンの間に上記走行風が流入する壁面は、上記移動体の外壁面に対して７°〜９０°の俯角で傾斜していることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項５に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が１％以上４０％未満であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項６に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が４０％以上９５％未満であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項７に係る移動体用冷却装置は、請求項1において、上記走行風による上記両回転送風機の上記羽根の回転により生じる電力を充電可能な二次電池が設けられたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下において、前記図２０〜図２４における部位または表示と同じ部位または表示に就いては同じ符号を付して説明を省略する。
【００１８】
参考例１．
図１〜図３は、本発明の移動体用冷却装置についての参考例１を説明するものであって、図１は移動体用冷却装置の一例としての列車用冷却装置の斜視図、図２は図１の矢印Ａの方向から見た一部概略側面図、図３は走行風の平板状フィン間における風速値の変化を示すグラフである。
【００１９】
図１および図２において、３は通常の一方方向に回転する軸流送風機（以下、一方回転送風機）である。参考例１における基底部２１および平板状フィン２２は、前記図１９における平板状フィン２２の列車１の走行方向における中央辺りの一部を除去した状態に相当し、一方回転送風機３は、かく除去された個所に２基設置されており、且つ平板状フィン２２の他端ｂの方向に送風する機能をなす。平板状フィン２２は、上流側フィン２２１と下流側フィン２２２とから構成されている。しかして参考例１は、前記図２０〜図２４にて説明された従来技術とは、平板状フィン２２の中央辺りに一方回転送風機３が設けられた点において異なり、その他の構成は同じである。なお列車１は或る速度で走行しているが、図１は列車１のその速度を仮に零として走行風Ｗのみが移動している様子を示している。
【００２０】
次に動作について説明する。以下においては、列車１が矢印Ｄの方向に進行している場合について説明を行い、逆方向に進行する場合は上流側と下流側が入れ替わるだけ（但し、一方回転送風機３の送風方向を逆にする必要がある。）なので説明は省略する。参考例１と従来技術との違いを明確にするために、図２〜図３と前記図２２〜図２３とを対比しながら説明する。一方回転送風機３を使用しない従来技術では、前記図２２に示すように平板状フィン２２間に流入した走行風Ｗは途中から当該フィン２２の外部空間へ漏れ出す。これに対して参考例１では、途中から外部へ漏れかかっていた走行風Ｗは、図２に示す通り、一方回転送風機３の吸引力により当該フィン２２側に引き戻されて一方回転送風機３の羽根間を通過して再び下流側フィン２２２間を通過し、平板状フィン２２の他端ｂに向かって流れる。この結果、走行風Ｗの風速値は、図３と図２３との対比から明らかなように従来技術と比較して全般的に大きくなっている。
【００２１】
以上のように、参考例１の列車用冷却装置２は、列車１に使用されている半導体素子１６の発熱を走行風Ｗを利用して効率よく大気へ放出するので、大幅なコストアップを要することなく上流側フィン２２１は勿論のこと、下流側フィン２２２も良好に冷却される。
【００２２】
実施の形態１．
本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１の斜視図は、前記図１にて示される。但し実施の形態１では、前記送風手段の他の例として、左右両回転が可能な両回転軸流送風機（以下、両回転送風機）３が用いられ、この点において参考例１と異なり、その他の構成は同じである。両回転送風機３としては、例えば左右の回転において同等の送風能力を有する対称羽根を備えたものが用いられる。実施の形態１では、両回転送風機３が稼動する際には当該送風機３の送風方向と走行風の向きが常に一致するように回転方向が自動制御されるので、列車１の走行方向に変更があっても両回転送風機３を取付け直す必要がない利点がある。
【００２３】
実施の形態２．
図４は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態２の斜視図であって、前記送風手段として、実施の形態１において用いられた両回転送風機３（以下、送風機３）が平板状フィン２２の中間に設けられた２基に加えて、上流側フィン２２１の入口ａに２基と下流側フィン２２２の出口ｂに２基の合計６基が設けられた点において参考例１または実施の形態１と異なり、その他の構成は同じである。６基の送風機３を採用することにより、下流側フィン２２２における走行風Ｗの漏れ防止効果が大きく向上する。しかも送風機３の設置は、冷媒を循環させる場合の設備コストと比較すると極めて低コストであるので、６基の送風機３を採用することによりコストアップを僅かに抑えつつ、平板状フィン２２全体の、特に下流側フィン２２２の冷却性能を向上させることができるため、一層高効率の列車用冷却装置２が得られる。
【００２４】
参考例１、実施の形態１、および実施の形態２においては、一箇所に２基の両回転送風機３が設けられたが、これは一般的な送風機が円形あるいは正方形の枠で構成されているのに対して、平板状フィン２２の正面形状が長方形であるため２基の設置にしたに過ぎない。また上記送風機として、３枚羽根のものが例示されたが、羽根の枚数や形状には特に制限はない。よって送風機は、列車１に取付けられた列車用冷却装置２の形状に応じて自由にレイアウトすればよく、その設置個数や種類などに制限はない。また参考例１、実施 の形態１、および実施の形態２においては、移動体として列車を例示したが、列車以外にエレベータ、モノレールあるいはその他の双方向型移動体類、自動車、航空機、高速艇あるいはその他の１方向型移動体類などであってもよい。
【００２５】
実施の形態３．
図５は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態３の斜視図であって、４は前記対異物保護カバーの一例としての飛石防止カバーであって、送風機３が飛石防止カバー４で覆われている点において参考例１または実施の形態１と異なり、その他の構成は同じである。飛石防止カバー４は、通気性の無い金属製平板で構成されている。図５において、Ｆは飛石、矢印ｆは飛石Ｆの飛散方向を示す。
【００２６】
次に動作について説明する。列車１は、走行する際に線路上の石や落下物の衝突を受けることが稀にある。それは、列車１の車体からの風圧、自然現象による風圧、あるいは車体に付着した雪・泥などの落下などにより、線路上の石が舞い上がって車体に衝突することにより生じる。いずれの原因によるにせよ、飛石によって送風機３が破壊される可能性があるが、飛石防止カバー４によりかかる問題は解決する。以上のように実施の形態３では、送風機３は飛石防止カバー４で覆われているため、飛石が送風機３に衝突してそれが破壊されることを防止することができるので、送風機３の故障による冷却性能不足が回避され、送風機３の交換のコスト低減だけでなく、冷却の信頼性が向上する。
【００２７】
なお飛石防止カバー４は、金属製以外にも、飛石に耐えうる強度を有する材料製のもであればよく、飛石に対する強度さえ確保できれば網あるいはネットなどを用いても同様の効果を得ることができる。さらに本発明において前記対異物保護カバーとしては、飛石以外にも送風機３などの送風手段を破損あるいは破壊する飛来物の可能性がある場合には、かかる飛来物の大きさ、飛来速度などを考慮してその構造や構成材料を適宜決めればよい。
【００２８】
実施の形態４．
図６は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態４を説明するものであって、２３は発熱源たる半導体素子１６と基底部２１との間に設置された温度センサ（点線で示す）、２４は制御装置である。温度センサ２３は、半導体素子１６の列車１（図１など参照）の走行中における温度を常時測定し、その測定結果を制御装置２４に入力し、制御装置２４では半導体素子１６の温度が基準値を超えると送風機３を稼動するように電力を供給し、半導体素子１６の温度が基準値未満であると上記電力供給を停止して送風機３を止める機能をなす。
【００２９】
次に動作について説明する。列車用冷却装置２は、走行風Ｗによる半導体素子１６の冷却が必要な場合、例えば列車１が低速運航する時に稼動すればよいのであって、それ以外の時間、例えば冬場における列車１の始動時、にはその必要はない。温度センサ２３および制御装置２４を設けて必要時のみ送風機３を稼動させることにより送風機３の騒音を低減できるだけでなく、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図７および図８は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態５を説明するものであって、図７は実施の形態５において用いられた送風機３の羽根および回転軸のみの正面図であり、図８は図７の側面図である。図７および図８において、３１は送風機３の羽根、３２は回転軸、３３は羽根３１間の空間、矢印ｇは送風機３の送風方向である。回転軸３２には、モータ（図示せず）などが格納されており、電力供給によってモータの稼動制御が可能なように構成されている。実施の形態５で用いられる送風機３の羽根３１は、図７からわかるように、それの送風方向ｇの投影面積が空間３３の面積に比べて小さいものである。
【００３１】
次に動作について説明する。羽根３１のようにそれの上記投影面積が少なく構成されている場合は、送風機３が停止しているときの走行風Ｗ（図１など参照）が羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が小さく、走行風Ｗの風速はそれほど低下しない効果がある。よって、前記実施の形態４において説明したように送風機３を稼動させるまでもない場合における走行風Ｗ自体に基づく冷却効果を有効活用することができる。
【００３２】
なお、羽根３１の上記投影面積が過小であると、送風機３の稼動に基づく前記参考例１および実施の形態１において説明した作用が低下し、逆に投影面積が過大であると、走行風Ｗが羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が大きくなる。よって羽根３１の３枚の各先端を結ぶピッチ円３４の面積中に占める上記３枚の合計投影面積が１％以上４０％未満、特に３％以上２０％未満であることが好ましい。
【００３３】
実施の形態６．
図９および図１０は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態６を説明するものであって、図９は実施の形態６において用いられた送風機３の羽根および回転軸のみの正面図であり、図１０は図９の側面図である。図９および図１０において、３１は送風機３の羽根、３２は回転軸、３３は羽根３１間の空間、矢印ｇは送風機３の送風方向である。回転軸３２には、モータなどが格納されており、電力供給によってモータの稼動制御が可能なように構成されている。
【００３４】
実施の形態６で用いられる送風機３の羽根３１は、図９からわかるように、実施の形態５の場合とは逆に、それの送風方向ｇの投影面積が空間３３の面積に比べて大きいものである。
【００３５】
次に動作について説明する。羽根３１のようにそれの上記投影面積が大きく構成されている場合は、送風機３の回転数が低くても大風量を稼ぐことができる。つまり、下流側フィン２２２（図２など参照）に頻繁に冷却不足が生じる場合においても低回転数で良好に冷却することができる。よって実施の形態７は、常時あるいは頻繁に送風機３を稼動させる場合において、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００３６】
なお羽根３１の上記投影面積が過小であると、上記の作用が低下し、逆に投影面積が過大であると、走行風Ｗ（図１など参照）が羽根３１間を通過する際に受ける抵抗が大きくなる。よって羽根３１の３枚の先端を結ぶピッチ円３４の面積中に占めるその３枚の合計投影面積が４０％以上９５％未満、特に６０％以上９０％未満であることが好ましい。
【００３７】
実施の形態７．
図１１は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態７の説明図（前記図１の矢印Ａの方向から見た他の一部概略側面図）である。図１１において、５は列車１（図１など参照）の進行方向に合わせて送風機３の回転方向を反転制御するための制御装置、６は二次電池、７は主電力線である。
【００３８】
次に動作について説明する。前述したように半導体素子１６の発熱量は、半導体素子の種類により列車１の走行速度に応じて変化するため、送風機３を常に稼動させる必要はない。つまり、冷却性能が十分な時は送風機３には電力を供給する必要はなく、むしろ走行風Ｗ（図１など参照）は、送風機３を通過する際にその羽根を回転させるので、実施の形態７ではその際に発生した電力は二次電池６に充電され、この充電電力は送風機３を稼動することに用いられる。
【００３９】
以上のように、実施の形態７では、充放電可能な二次電池６を備えているので、冷却能力が十分な時間に走行風Ｗによって発電された電力を二次電池６に充電しておき、冷却能力が不足したときに充電された電力を使用することができるので、主電力線７から供給される使用電力量を大幅に低減することができる。なお、二次電池６としては、繰り返し充電・放電可能なものであれば何でも良く、例えばニッケルカドミウム二次電池、鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などが挙げられる。
【００４０】
実施の形態８．
図１２〜図１４は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態８を説明するものであって、図１２は列車用冷却装置の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）、図１３は図１２の矢印Ｂの方向から見た一部概略側面図、図１４は実施の形態８の効果を説明するための図１３に対応する参考側面図である。
【００４１】
図１２〜図１４において、１は新幹線電車の列車、１１は列車本体、１３は窓、Ｍは列車本体１１に施された新幹線電車に特徴的な塗装、１８は列車本体１１の底面、１９は底面１８に設けられた窪み、２は窪み１９内に設置された列車用冷却装置である。列車用冷却装置２は、基底部２１、基底部２１に固定された複数の平板状フィン２２、および平板状フィン２２の入口と出口ａ、ｂの２箇所に設けられた送風機３とから構成されており、基底部２１が、窪み１９の底面１９１の内側に設けられた電気ボックス（図示せず）と密接するように窪み１９内に設置されている。また上記電気機器ボックス内の半導体素子１６は、図１３、図１４に示す通り、基底部２１裏面に密着状態で取付けられている。図１４の参考側面図は、送風機３が設けられていない状態を示す。
【００４２】
窪み１９は、その平板状フィン２２間に走行風Ｗが流入する壁面１９２および走行風Ｗが流出する壁面１９３が、図示する通り、底面１８に対して傾斜している。壁面１９２、壁面１９３の各傾斜は、走行風Ｗが平板状フィン２２間に流入、流出するための誘導スロープとして作用する。
【００４３】
次に実施の形態８の動作について図１４を参照しながら説明する。新幹線電車は、高速で走行する際の空気の抵抗をできるだけ小さくし且つ低騒音化するため、列車本体１１から突起を出さず平坦にする努力、即ち平滑化がなされている。実施の形態８の列車用冷却装置２は、窪み１９内に設置されることによりかかる平滑化に寄与する。
【００４４】
新幹線電車が例えば２７０ｋｍ／ｈの速度で走行した場合の走行風Ｗは、約４０ｍ／ｓにも及ぶ。ところで、かかる高走行風のもとで送風機３が設けられておらず、且つ壁面１９２の底面１８に対する傾斜角、即ち俯角θが数度程度でもあると、図１４に示すように、走行風Ｗは窪み１９の面１９２、１９１沿って流動することができず、空気が淀んだ剥離領域ＤＳ部が生じて、走行風Ｗの大部分は平板状フィン２２間に入らずその上端面上をかすめ去さって、平板状フィン２２の冷却に寄与しない問題が生じる。この場合、壁面１９２の俯角θを小さくすれば、上記の問題は幾分改善されるが、その場合は壁面１９２（および壁面１９３）の長さが大きくなって窪み１９の全長が過大となる別の問題が生じる。これに対して図１３に示すように送風機３を設けると、壁面１９２の俯角が数度程度では勿論のこと、９０度近くであっても送風機３による誘風作用により走行風Ｗは面１９２、１９１に沿って流れて平板状フィン２２間に流入する。
【００４５】
壁面１９２の俯角を大きくし得ることは、窪み１９の全長を小さくし得ること、換言すると列車用冷却装置２をコンパクト化し得ることに繋がる。したがって送風機３は、当該装置２においては、新幹線電車の平滑化に寄与しつつ、当該装置２のコンパクト化と冷却の高性能化にも寄与する効果を奏する。なお当該装置２のコンパクト化と冷却の高性能化とは、その本質において二律背反的であって、両効果をバランスさせる観点から、壁面１９２の俯角は、７〜９０度程度、特に１０〜４５度程度が好ましい。上記においては、壁面１９２の俯角について述べたが、新幹線電車が双方向運転される場合には、壁面１９３についても壁面１９２と同様のことが当てはまる。
【００４６】
実施の形態９．
図１５は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態９を説明するものであって、前記図１３に対応する他の一部概略側面図である。図１５において、点線で示す１９２１および１９３１は、それぞれ壁面１９２および壁面１９３に設けられた吸気口、３は各吸気口１９２１、１９３１の内部（列車本体１１内）のそれぞれに設けられた送風機である。送風機３は、外気を上記吸気口から列車本体１１内に吸引する機能をなし、この機能により走行風Ｗは壁面１９２、１９１に沿って流れて平板状フィン２２間に流入し易くなる。よって送風機３は、前記実施の形態８における送風機３と実質的に同じような誘風作用をなす。なお実施の形態９において用いられる送風機３は、その外気吸引力が過大であると、走行風Ｗの平板状フィン２２間に流入する量よりも列車本体１１内に吸引される量の方が多くなるので、前記実施の形態８において用いられる送風機３より小型のものが好ましい。
【００４７】
実施の形態１０．
図１６は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１０の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）である。実施の形態１０は、前記実施の形態８とは、送風機３が前記参考例１の場合と同様に平板状フィン２２の中間に設置されている点において異なり、その他の構成は同じである。送風機３を平板状フィン２２の中間、即ち上流側フィン２２１と下流側フィン２２２の間に設置するだけでも実施の形態８と実質的に同様の効果を得ることができる。
【００４８】
実施の形態１１．
図１７は、本発明の移動体用冷却装置例としての列車用冷却装置についての実施の形態１１の斜視図（新幹線電車を地面から上向き斜めに見上げた斜視図）である。実施の形態１１は、前記実施の形態１０とは、送風機３（図１６参照）が飛石防止カバー４で覆われている点において異なり、その他の構成は同じである。送風機３が飛石防止カバー４で覆われていることにより、前記実施の形態３において説明した効果が得られる。
【００４９】
参考例２．
図１８および図１９は、本発明の移動体用冷却装置についての参考例２を説明するものであって、図１８は列車用冷却装置の斜視図、図１９は図１８の矢印Ａの方向から見た一部概略側面図である。
【００５０】
図１８および図１９において、８は平板状フィン２２の列車１の走行方向における先端面上に設けられた風誘導板であって、参考例２は、前記参考例１とは、風誘導板８を有する点において異なり、その他の構成は同じである。図１８では、上流側フィン２２１と下流側フィン２２２の間に設置された送風機３は、風誘導板８の裏側に位置する。風誘導板８は、上流側フィン２２１上に設けられた風誘導板部分８１と下流側フィン２２２上に設けられた風誘導板部分８２との２部分から構成されており、当該両部分８１、８２とも平板状フィン２２の先端面に対して互いに平行に傾斜した複数の板材８１１、８２１からそれぞれ構成されている。但し、板材８１１と、板材８２１とは、列車１が双方向に進行することを考慮して図１８および図１９に示す通り、傾斜方向が互いに逆となっている。
【００５１】
次に動作について説明する。風誘導板８が設けられていない前記参考例１においても、走行風Ｗの一部は平板状フィン２２間に流入するが、風誘導板部分８１が設けられたことにより参考例１においては平板状フィン２２の外部を素通りしていた走行風Ｗの一部までもが８１１間から平板状フィン２２間に取込まれ、上流側フィン２２１および下流側フィン２２２間を流れ、このために半導体素子１６は一層良好に冷却されるので列車用冷却装置２の小型化が可能となる。その際、送風機３は、風誘導板８により平板状フィン２２間に取込まれた走行風Ｗの多くが下流側フィン２２２間を流れるように作用する。
【００５２】
本発明において風誘導板８が設けられる場合、移動体が１方向型移動体でも双方向型移動体でも、風誘導板８を構成する板材は、走行風Ｗの平板状フィン２２間への取り込みの観点から一方方向にのみ傾斜して設置されことが好ましい。しかし双方向型移動体では、移動体の運転の度に上記板材の傾斜方向を変更する装置あるいは手間を必要とする問題がある。これに対して、参考例２における板材８１１と板材８２１とのように傾斜方向を互いに逆にしておくと、上記の問題が解消する。なおその場合、下流側フィン２２２間を流れる走行風Ｗの一部は、図１９に示すように、板材８２１間から外部に流出するが、本発明者らの実験によれば風誘導板部分８１による走行風Ｗの取り込み風量が板材８２１間からの流出風量を大きく上回るので前記した良好な冷却効果が達成される。なお板材８１１の傾斜角度（板材８２１も同じ、但し傾斜方向は逆）は、５〜６０度程度、特に７〜３０度程度が好ましい。
【００５３】
また本発明おいて風誘導板８が設けられる場合、送風機３などの送風手段を省略しても風誘導板８のみによる走行風Ｗの平板状フィン２２間への取り込み作用により半導体素子などの各種発熱体を冷却することができる。しかし送風手段を併用することにより、一層効果的な冷却効果が達成される。送風手段を併用する場合には、前記参考例１および実施の形態１において開示された諸技術の一部あるいは全部が併用されてよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る移動体用冷却装置は、以上説明した通り、移動体の走行方向に延在した複数の平板状フィンを有し、且つ上記移動体の走行により生じる走行風を上記平板状フィン間に流して上記移動体に搭載された発熱体を冷却する移動体用冷却装置であって、上記走行風の上記平板状フィン間に流れる風量を増大させるように送風する送風手段が設けられ、上記送風手段は上記平板状フィンの上記移動体の走行方向における中間に設けられると共に、左右両回転が可能な両回転送風機であることを特徴とするものであるので、送風手段を使用しない従来技術では、平板状フィン間に流入した走行風は途中から当該フィンの外部空間へ漏れ出す問題のあるところ、送風手段を使用することにより走行風の平板状フィン間における風量あるいは風速値が増大して、大幅なコストアップを要することなく上流側フィンは勿論のこと、下流側フィンも良好に冷却される効果がある。
【００５５】
また上記送風手段は、飛石などの異物の衝突を防止する対異物保護カバーで覆われていると、送風手段の異物の衝突による故障や破壊が防止され、送風手段の交換コスト低減だけでなく、冷却の信頼性が向上する。
【００５６】
また上記発熱体の温度を検知するセンサ、および上記センサにより検知された上記温度に応じて上記送風手段を稼動させる制御手段が設けられていると、必要時のみ送風手段を稼動させることにより年間の総電力消費量を低減することができる。
【００５７】
また上記複数の平板状フィンは、上記移動体の外壁に設けられた窪み内に設置されており、且つ上記窪みの、上記平板状フィンの間に上記走行風が流入する壁面は、上記移動体の外壁面に対して７°〜９０°の俯角で傾斜しているものであると、上記移動体が例えば新幹線電車である場合、それの平滑化に寄与しつつ本発明の移動体用冷却装置のコンパクト化と冷却の高性能化にも寄与する効果がある。
【００５８】
また上記送風手段は、移動体が自動車、航空機、高速艇あるいはその他の１方向型移動体類、および列車、エレベータ、モノレールあるいはその他の双方向型移動体類である場合に適している。
【００５９】
また上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が１％以上４０％未満であると、上記送風機が停止しているときの走行風が羽根間を通過する際に受ける抵抗が小さく、走行風の風速はそれほど低下しない効果がある。よって、送風機を稼動させるまでもない場合における走行風自体に基づく冷却効果を有効活用することができる。
【００６０】
また上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が４０％以上９５％未満であると、送風機の回転数が低くても大風量を稼ぐことができるので、常時あるいは頻繁に送風機を稼動させる場合において、年間の総電力消費量を低減することができる。
【００６１】
また上記両回転送風機の上記羽根の回転により生じる電力を充電可能な二次電池が設けられたものであると、冷却能力が十分な時間に走行風によって発電された電力を二次電池に充電しておき、冷却能力が不足したときに充電された電力を使用することができるので、主電力線から供給される使用電力量を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明における参考例１および実施の形態１の斜視図。
【図２】 図１の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図３】 走行風の風速値の変化を示すグラフ。
【図４】 本発明の実施の形態２の斜視図。
【図５】 本発明の実施の形態３の斜視図。
【図６】 本発明の実施の形態４の説明図。
【図７】 本発明の実施の形態５において用いられた送風機の羽根および回転軸の正面図。
【図８】 図７の側面図。
【図９】 本発明の実施の形態６において用いられた送風機の羽根および回転軸の正面図。
【図１０】 図９の側面図。
【図１１】 本発明の実施の形態７の説明図。
【図１２】 本発明の実施の形態８の斜視図。
【図１３】 図１２の矢印Ｂの方向から見た側面図。
【図１４】 実施の形態８の効果を説明するため参考側面図。
【図１５】 本発明の実施の形態９の側面図。
【図１６】 本発明の実施の形態１０の斜視図。
【図１７】 本発明の実施の形態１１の斜視図。
【図１８】 本発明における参考例２の斜視図。
【図１９】 図１８の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図２０】 従来の車載用冷却装置の斜視図。
【図２１】 図２０の裏側から見た斜視図。
【図２２】 図２０あるいは図２１の矢印Ａの方向から見た側面図。
【図２３】 走行風の風速値の変化を示すグラフ。
【図２４】 列車の車速（または半導体素子の発熱量）の経時変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 列車、１１ 列車本体、１２ ドア、１３ 窓、１４ 電気機器ボックス、
１６ 半導体素子、１７ 軌道、１８ 底面、１９ 窪み、２ 列車用冷却装置、
２１ 基底部、２２ 平板状フィン、３ 送風機、４ 飛石防止カバー、
２３ 温度センサ、２４ 制御装置、５ 制御装置、６ 二次電池、８ 風誘導板、
Ｗ 走行風。
Claims (7)
- 移動体の走行方向に延在した複数の平板状フィンを有し、且つ上記移動体の走行により生じる走行風を上記平板状フィン間に流して上記移動体に搭載された発熱体を冷却する移動体用冷却装置であって、上記走行風の上記平板状フィン間に流れる風量を増大させるように送風する送風手段が設けられ、上記送風手段は上記平板状フィンの上記移動体の走行方向における中間に設けられると共に、左右両回転が可能な両回転送風機であることを特徴とする移動体用冷却装置。
- 上記送風手段は、異物の衝突を防止する対異物保護カバーで覆われていることを特徴とする請求項1記載の移動体用冷却装置。
- 上記発熱体の温度を検知するセンサ、および上記センサにより検知された上記温度に応じて上記送風手段を稼動させる制御手段が設けられたことを特徴とする請求項1記載の移動体用冷却装置。
- 上記複数の平板状フィンは、上記移動体の外壁に設けられた窪み内に設置されており、且つ上記窪みの、上記平板状フィンの間に上記走行風が流入する壁面は、上記移動体の外壁面に対して７°〜９０°の俯角で傾斜していることを特徴とする請求項１記載の移動体用冷却装置。
- 上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が１％以上４０％未満であることを特徴とする請求項１記載の移動体用冷却装置。
- 上記両回転送風機は、複数枚の羽根を有し、且つこれら複数枚の羽根の各先端を結ぶピッチ円の面積中に占める上記複数枚の羽根の上記送風方向における合計投影面積が４０％以上９５％未満であることを特徴とする請求項１記載の移動体用冷却装置。
- 上記走行風による上記両回転送風機の上記羽根の回転により生じる電力を充電可能な二次電池が設けられたことを特徴とする請求項１記載の移動体用冷却装置。
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