JP5697063B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子を冷却する冷却装置に関し、特に、鉄道車両、航空機、船舶等の移動体に搭載された電力変換装置等の電子部品を、空冷で冷却する冷却装置に関する。

鉄道車両などの移動体は、駆動用のモータ等の制御を行うために、電力制御筐体内にＩＧＢＴなどのパワーデバイスやその他の電子部品からなる電力制御装置を備えている。これらの電子部品は熱損失によって発熱するため、強制空冷や車両移動によって発生する風を利用して、取り付けられた電気部品を効率良く冷却するように発熱体に冷却装置が設けられている。

従来の冷却装置の一例を図１２に示す。図１２に示す冷却装置は、受熱ブロック２、ヒートパイプ３、フィン４で構成され、走行風を用いて冷却するに当たって、Ｕ字型ヒートパイプを進行方向（風の流れ方向）に水平に並べて構成したものである。また、図１３とは異なる構成として、Ｌ字型のヒートパイプを、進行方向に垂直に並べて構成した冷却装置も提案されている（特許文献１の図８等参照）。

特開平１０−２２３８１４号公報

ところで、図１２に示した従来の冷却装置では、ヒートパイプの本数が増えた場合、風の流れの妨げとなり、通風による抵抗（通風抵抗）増加の影響から下流側素子の温度が高くなってしまうという傾向があった。また、図１３に示したＬ字型ヒートパイプを進行方向に垂直に並べるものでは、フィンとヒートパイプの接合本数が減るため、フィン効率が低下するとともに、フィンとヒートパイプの接合箇所が偏るため、耐振動性にも課題があった。

本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、通風抵抗を小さく抑えるとともに、フィンとヒートパイプとの接触面積を十分に確保し、冷却能力と耐振動性を向上させた冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、発熱体に熱的に接続される受熱ブロックと、前記受熱ブロックの表面に立設され、前記受熱ブロックから受熱して熱輸送を行うヒートパイプ群と、前記ヒートパイプ群に設けられた複数のフィンと、を備え、前記ヒートパイプ群を構成するヒートパイプは、屈曲する底部と直線状のストレート部とを有するＵ字型ヒートパイプであり、前記Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面が、入射する風向き方向に対して垂直方向にして前記受熱ブロックに立設され、かつ、隣接する前記ヒートパイプが風向き方向に対して重畳して配置され、さらに、前記受熱ブロックにおける前記ヒートパイプ群の取付面を垂直にした場合に、前記ストレート部がいずれも上方に傾けて設けられていることを特徴とする。

以上のような態様では、Ｕ字型で形成されるヒートパイプのＵ字面を、受熱ブロックに対し、風の流れ方向に対して垂直に配置し、さらに、隣接するヒートパイプが風向き方向に対して重畳して配置されることで、通風抵抗を小さく抑えることが可能となる。すなわち、従来は、Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面を風の流れ方向に平行に配置していたが、ヒートパイプの本数を増やすと受熱ブロック上でヒートパイプが密集し、通風抵抗が大きくなっていた。この点、本態様では、Ｕ字型ヒートパイプに形成される２本のストレート部の間隔は確保されるので、ヒートパイプの本数を増やしたとしても風の通り道が確保され、通風抵抗を抑えることが可能である。

また、Ｕ字型ヒートパイプを用いることで、フィンとヒートパイプの接触面積が十分確保できるため、フィン効率も高めることが可能となり、また、フィンとヒートパイプの接合箇所が増えるため、耐振動性も向上する。

本発明の他の態様は、上記の態様において、前記ヒートパイプ群は、屈曲する部分を備えた底部と直線状のストレート部とを有するＬ字型ヒートパイプをさらに備え、前記Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面と前記Ｌ字型ヒートパイプのＬ字面とを入射する風向き方向に対して垂直方向にして、前記Ｕ字型ヒートパイプと前記Ｌ字型ヒートパイプとが交互に前記受熱ブロックに立設され、かつ、前記受熱ブロックにおける前記ヒートパイプ群の取付面を重力方向に対して垂直にした場合に、前記Ｕ字型ヒートパイプ及び前記Ｌ字型ヒートパイプの前記ストレート部がいずれも上方に傾けて設けられていることを特徴とする。

以上の態様では、上記態様に加えて、Ｕ字型ヒートパイプの配置をベースにしつつ、Ｌ字型ヒートパイプを組み合わせることにより、風路抵抗の調整を行うことが可能になる。これにより、さらなる冷却効率の向上が可能になる。特に、風速が低下することで、冷却効率が相対的に低くなる下流側においてＬ字型のヒートパイプを組み合わせることで、上下流での冷却効率の均等化に寄与することができる。

本発明の他の態様は、上記のいずれかの態様において、前記受熱ブロック上に複数立設された前記ヒートパイプ群の前記底部に、前記風向き方向に沿って、複数の前記ヒートパイプを熱的に接続する均熱部材を設けたことを特徴とする。

以上のような態様では、均熱部材をヒートパイプ群の底部に積層することで風向き方向の一層の均熱化が可能となる。なお、均熱部材が均熱ヒートパイプであると、風向き方向の均熱化の効果がさらに高まる。

以上のような本発明によれば、通風抵抗を小さく抑えるとともに、フィンとヒートパイプとの接触面積を十分に確保し、冷却能力と耐振動性を向上させた冷却装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す背面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す底面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す右側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を示す左側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置におけるヒートパイプの配置を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る冷却装置を示す模式図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。 本発明の第３の実施形態に係る冷却装置を示す模式図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。 本発明の第４の実施形態に係る冷却装置を示す模式図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。 従来の冷却装置を示す模式図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。 従来の冷却装置を示す模式図（ａ）及び左側面図（ｂ）である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という。）について、図１〜図１０を参照して説明する。

［１．第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る冷却装置１は、図１に示すように、発熱体を構成する電子部品に熱的に接続される受熱ブロック２と、受熱ブロック２の表面に立設され、受熱ブロック２から受熱して熱輸送を行うヒートパイプ３と、ヒートパイプ３に設けられた複数のフィン４とを備える。ヒートパイプ３は、受熱ブロック２上に複数立設されることでヒートパイプ群を形成する。

受熱ブロック２は、図３の背面図に示すように、方形状のアルミブロックにより形成され、図に破線で示すように、裏面側に発熱体となる電子部品を複数（ここでは、６つ。）取り付けるための取付箇所Ｈを備える。なお、破線の枠に沿って８つ設けられた円は、電子部品の取付穴を示す。受熱ブロック２の表面側には、図２の正面図及び図８の模式図に示すように、上述した電子部品の配置に併せ、ヒートパイプ３を図２および図８の矢印で示す風向Ｆに平行な方向に各２列ヒートパイプ群を設けて、原則として、この２列で構成されるヒートパイプ群の各列のそれぞれにフィン４が設けられている。なお、風向Ｆについては、矢印と逆方向の風向であってもよい。以下の説明においても同様である。

ヒートパイプ３は、図６及び図７の左右側面図に表れるとおり、屈曲する底部３１と直線状のストレート部３２とを有するＵ字型である。また、図８に示すように、ヒートパイプ３は、Ｕ字型のＵ字面を、図中に矢印で示す風向Ｆに対して垂直方向に配置して受熱ブロック２に立設されている。さらに、ヒートパイプ３は、隣接するパイプ間で、風向き方向に対して重畳して配置されており、望ましくは、ヒートパイプ３のストレート部３２が風向Ｆに対して直線上に配置される。

また、図６及び図７に示すように、使用状態として、ヒートパイプ３の取付面である受熱ブロック２を垂直方向にした場合、ストレート部３２がいずれも上方に傾いた状態になるように、ヒートパイプ３のＵ字型が形成されている。

ここで、この上方への傾き角度は、水平面に対して７〜１０度程度である。これは、本実施形態の冷却装置１が設置される対象の鉄道車両等の線路に設けられたカント（傾き角）より大きくなるように設計された角度である。すなわち、当該カント角よりヒートパイプ３のストレート部３２の傾き角度が小さい場合には、ヒートパイプ３の受熱側が放熱側よりも高くなってしまいトップヒート状態になるため、これを防ぎ、ボトムヒート状態を維持するべく、上述のような角度に設定している。

フィン４は、図１に示すように、この２列で構成されるヒートパイプ群の各列のそれぞれに設けられており、各列において、図４及び図５にも表れるように、所定のピッチで積層して配置されている。各フィン４には、ヒートパイプ３を圧入するためのバーリングがヒートパイプ３に対応する位置に複数設けられている。フィン４は、このバーリングにおいてヒートパイプ３を圧入することにより、ヒートパイプ３と圧着固定されている。

なお、図６及び図７の左右側面図に示すように、２列に設けられたフィン４は、それぞれ、２つのヒートパイプ３に対して圧入固定されたピッチや枚数は同等であるが、上述のように、ヒートパイプ３のストレート部３２が、水平方向に対して所定の傾きをつけて形成されているため、端部から３枚のフィン４は、段違いになって形成されている。

以上のような本実施形態の冷却装置１では、Ｕ字型で形成されるヒートパイプ３のＵ字面を、受熱ブロック２に対し、風向Ｆに対して垂直に配置し、さらに、隣接するヒートパイプ３が風向Ｆに対して重畳して配置されることで、通風抵抗を小さく抑えることが可能となる。すなわち、図１２に示したように、従来は、Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面を風向Ｆに平行に配置していたが、ヒートパイプの本数を増やすと受熱ブロック上でヒートパイプが密集し、通風抵抗が大きくなっていた。この点、本実施形態では、ヒートパイプ３の２本のストレート部３２の間隔は確保されるので、ヒートパイプ３の本数を増やしたとしても風の通り道が確保され、通風抵抗を抑えることが可能である。

また、Ｕ字型ヒートパイプ３を用いることで、フィン４とヒートパイプ３の接触面積が十分確保できるため、フィン効率も高めることが可能となり、同時に、フィン４とヒートパイプ３の接合箇所が増えるため、耐振動性も向上する。

なお、Ｕ字型ヒートパイプを、Ｕ字面を垂直にして設置した場合、下方に位置する屈曲部分に作動液が溜まって、特に凍結時には、パイプ膨れが懸念されるが、この点は、ヒートパイプ３に毛細管力の高いウィックを用いることで抑制可能である。

［２．第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る冷却装置２０について、図９を参照して説明する。本実施形態の冷却装置２０は、第１の実施形態において示した冷却装置１０に形成されたヒートパイプ群におけるＵ字型ヒートパイプ３の一部に、Ｌ字型ヒートパイプ５を用いた態様である。

図９（ａ）に示すように、冷却装置２０において、ヒートパイプ群をなすヒートパイプ３及びヒートパイプ５の平面上の配置構成は同様であり、図に矢印で示すとおり、入射する風向Ｆに対してヒートパイプのＵ字面又はＬ字面を垂直方向にして受熱ブロック２に立設されている。また、隣接するヒートパイプ３又は５は、風向き方向に対して重畳して配置され、ヒートパイプ群を形成する。

冷却装置２０においては、図中上方から、Ｌ字型ヒートパイプ５を風向き方向に一列配置し、その下方にＵ字型のヒートパイプ３を同風向き方向に一列配置し、この２列のヒートパイプ群の組み合わせを、そのさらに下方の列において繰り返して構成している。

本実施形態においては、このＵ字型のヒートパイプ３と、Ｌ字型のヒートパイプ５とを、如何に組み合わせてヒートパイプ群を構成するかは、任意であり、例えば、風の上流側にＵ字型のヒートパイプ３を設け、下流側にＬ字型のヒートパイプ５を設けるなどの組み合わせも可能である。すなわち、入射する風向Ｆに対してヒートパイプのＵ字面又はＬ字面を垂直方向にし、かつ、隣接するヒートパイプ３又は５は、風向Ｆに対して重畳して設けている限りは、第１の実施形態で示したＵ字型ヒートパイプ３の配置をベースとしつつ、この構成中のＵ字型ヒートパイプ３を、適宜Ｌ字型ヒートパイプ５に置き換えて用いることで構成することが可能である。

以上のような本実施形態の冷却装置２０によれば、第１の実施形態の作用効果に加えて、Ｕ字型ヒートパイプ３の配置をベースにしつつ、Ｌ字型ヒートパイプ５を組み合わせてヒートパイプ群を形成することにより、風路抵抗の調整を行うことが可能になる。これにより、さらなる冷却効率の向上が可能になる。特に、風速が低下することで、冷却効率が相対的に低くなる下流側においてＬ字型ヒートパイプ５を組み合わせることで、上下流での冷却効率の均等化に寄与することができる。

［３．第３及び第４の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る冷却装置３０について、図１０を参照して説明する。本実施形態の冷却装置３０は、第１の実施形態において示した冷却装置１０のＵ字型ヒートパイプ３に構成を付加することにより、さらなる冷却効率の向上を狙った態様である。

具体的には、図１０に示すように、ヒートパイプ３が、受熱ブロック２の取り付けられる部分である底部３１に、風向Ｆに沿って、複数のヒートパイプを熱的に接続する均熱部材６として均熱ヒートパイプを設けたものである。均熱ヒートパイプとしては、風下側から風上側に熱を輸送するもの、各ヒートパイプ３の熱を均熱ヒートパイプの長手方向に拡散させるものなどを用いることができる。なお、図１０において、均熱部材６として均熱ヒートパイプが示されているが、均熱部材６はこの例には限られない。例えば図１１に示すように、均熱部材６は、熱伝導性のよい材料（例えば銅）の棒状体６Ａであってもよく、板状体であってもよい。均熱部材６を熱伝導性のよい材料の棒状体６Ａまたは板状体とすることで、各ヒートパイプ３の熱を均熱部材６の長手方向に拡散させることができる。

本実施形態において、均熱部材６は、ヒートパイプ群を形成するヒートパイプ３の底部の風向き上流から下流に渡って全範囲に、各列２本ずつ設けられている。均熱部材６は、半田付けまたはロウ付け等により、ヒートパイプ３に固定されている。

なお、均熱部材６の風の上下流方向に対する配置範囲や配置本数は、冷却効率との関係で適宜変更可能である。また、均熱部材６は、第２の実施形態において示した冷却装置２０のように、ヒートパイプとして、Ｕ字型のものとＬ字型のものとを組み合わせて用いた実施形態においても、もちろん採用可能である。

以上のような本実施形態によれば、均熱部材６をヒートパイプ３の底部上に配置することで風向き方向の一層の均熱化が可能となる。なお、この効果は、受熱ブロック２の材質より均熱部材６の材質が、熱伝導性に優れるときに顕著となる。さらに、均熱部材６が均熱ヒートパイプであると、風向き方向の均熱化の効果が高まる。

１，２０，３０ 冷却装置
２ 受熱ブロック
２１ 長穴溝
３，５ ヒートパイプ
３１ 底部
３２ ストレート部
４ フィン
６ 均熱部材
Ｈ 電子部品

Claims (3)

1. 発熱体に熱的に接続される受熱ブロックと、
   前記受熱ブロックの表面に立設され、前記受熱ブロックから受熱して熱輸送を行うヒートパイプ群と、
   前記ヒートパイプ群に設けられた複数のフィンと、を備え、
   前記ヒートパイプ群を構成するヒートパイプは、屈曲する底部と直線状のストレート部とを有するＵ字型ヒートパイプであり、前記Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面が、入射する風向き方向に対して垂直方向にして前記受熱ブロックに立設され、かつ、隣接する前記ヒートパイプが風向き方向に対して重畳して配置され、
   さらに、前記受熱ブロックにおける前記ヒートパイプ群の取付面を重力方向に対して垂直にした場合に、前記ストレート部がいずれも上方に傾けて設けられており、
   前記ヒートパイプ群は、屈曲する部分を備えた底部と直線状のストレート部とを有するＬ字型ヒートパイプをさらに備え、
   前記Ｕ字型ヒートパイプのＵ字面と前記Ｌ字型ヒートパイプのＬ字面とが、入射する風向き方向に対して垂直方向にして、前記Ｕ字型ヒートパイプと前記Ｌ字型ヒートパイプとが、入射する風向き方向に対して垂直な方向に交互に前記受熱ブロックに立設され、
   かつ、前記受熱ブロックにおける前記ヒートパイプ群の取付面を重力方向に対して垂直にした場合に、前記Ｕ字型ヒートパイプ及び前記Ｌ字型ヒートパイプの前記ストレート部がいずれも上方に傾けて設けられていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記受熱ブロック上に複数立設された前記ヒートパイプ群の前記底部に、前記風向き方向に沿って、複数のヒートパイプを熱的に接続する均熱部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記均熱部材は均熱ヒートパイプであることを特徴とする、請求項２記載の冷却装置。

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