JP7273151B2 - 移動体用の冷却装置及び鉄道車両用の電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体用の冷却装置及び鉄道車両用の電力変換装置に関する。

自励振動ヒートパイプは、一般的に、ミリメートル・オーダーの径を有する細径流路により構成されており、表面張力により液柱と気柱が交互に存在する状態で作動液が封入されている。流路中には、複数の受熱部（高温部）および放熱部（低温部）が交互に設けられており、受熱部における沸騰あるいは蒸発による圧力上昇と、放熱部における凝縮による圧力減少により、液柱と気柱が自励的に振動し、それにより熱の輸送を行うことができる。

自励振動ヒートパイプは、一般的なヒートパイプとは異なり、重力による還流を必要としないため、設置姿勢の自由度が高いという利点を持つ。また、一般的なヒートパイプに比べて流路を細径化しても伝熱性能を維持できることから、小型化が可能であるといった利点を持つ。

従来の自励振動ヒートパイプ冷却装置として、特許文献１には、多孔扁平管の内部に一筆書き蛇行流路を構成し、流路の端部に接続した作動液注入細管から作動液を注入する構成を持つ自励振動ヒートパイプが開示されている。また、特許文献２には、複数のパワー半導体素子を受熱部材の一方側の面に配置し、受熱部材の他方側の反対面に自励振動ヒートパイプからなる放熱部を設置した構造を持つ電力変換装置が開示されている。

特開平９－４９６９２号公報 国際公開第２０１８／０９７２７１号

本願発明者は、自励振動ヒートパイプを備えた冷却装置を、鉄道車両等の移動体に搭載する際の課題について鋭意検討した結果、次の知見を得た。

自励振動ヒートパイプを備えた冷却装置を鉄道車両等に搭載する際、走行時に生じる振動による流路の破損や、飛来物等の衝突による流路の破損を抑制することが求められる。例えば特許文献１に記載の自励振動ヒートパイプのように、流路の端部に作動液注入細管を接続する構成では、比較的強度の弱い作動液注入細管が破損しやすいという課題がある。この作動液注入細管が破損すると、流路内の作動液が外部に漏れ出し、自励振動ヒートパイプの性能が悪化することが懸念される。

これに対し、作動液注入細管の強度を上げるために、作動液注入細管の外径および肉厚を大きくする対策も考えられる。しかしながら、作動液注入細管は、自励振動ヒートパイプの伝熱性能に寄与する部分ではないことから、外径及び肉厚を大きくした作動液注入細管への作動液の流入量が増えることで、受熱部での作動液量が不足し、冷却性能が悪化することが懸念される。

また、特許文献１には、多孔扁平管の端部の隔壁を、一条おき又は複数条おきに所定長さで切除し、端部を圧潰、溶接により密閉する構造が記載されているが、このような構造は製作難易度が高く、製作に手間がかかる。

一方、特許文献２には、作動液を注入、封止するための方法および構造については記載されていない。したがって、自励振動ヒートパイプの伝熱性能を向上させた上で、流路の端部を確実に封止して作動液の漏れを抑制する構造が望まれている。

本発明は、移動体に使用する自励振動ヒートパイプの信頼性を向上させ、かつ製造しやすい、移動体用の冷却装置及び鉄道車両用の電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかる移動体用の冷却装置の一つは、内部に密閉流路を備え、前記密閉流路内に作動液を封入した自励振動ヒートパイプと、発熱源に接続された受熱板とを備え、
前記自励振動ヒートパイプの端部は、前記受熱板と密着するように圧潰されて封止されており、
前記受熱板は、前記自励振動ヒートパイプの端部と接する位置に、突起部を備えている、ことにより達成される。

更に代表的な本発明にかかる移動体用の冷却装置は、内部に密閉流路を備え、前記密閉流路内に作動液を封入した自励振動ヒートパイプと、発熱源に接続された受熱板とを備え、
前記自励振動ヒートパイプの端部は、前記受熱板と密着するように圧潰されて封止されており、
前記受熱板には、前記自励振動ヒートパイプの端部と対応する位置に、溝を備え、前記溝内に圧潰部材を配置している、ことにより達成される。

本発明によれば、移動体に使用する自励振動ヒートパイプの信頼性を向上させ、かつ製造しやすい、移動体用の冷却装置及び鉄道車両用の電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、実施形態１における、鉄道車両に搭載された電力変換装置の断面図である。 図２は、実施形態１における、冷却装置を示す斜視図である。 図３は、実施形態１における、冷却装置を示す斜視図である。 図４は、実施形態１における、自励振動ヒートパイプの流路構造を示す、図３におけるＡ－Ａ断面図である。 図５Ａは、本実施形態における、自励振動ヒートパイプの製造工程の一部を示す図である。 図５Ｂは、実施形態１における、圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。 図６は、実施形態２における、圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。 図７は、実施形態３における、圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。 図８は、実施形態３における、圧潰部の溝から圧潰部材を取り除いた状態を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。 図９は、実施形態４における、溶接封止部の構造を示す、斜視図である。 図１０Ａは、実施形態５における、保護カバーを分解した状態での冷却装置を鉄道車両の進行方向から見た断面図である。 図１０Ｂは、実施形態５における、保護カバーを取り付けた冷却装置を鉄道車両の進行方向から見た断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書中、「圧潰」とは、型や工具により材料を押圧して変形させ、その変形状態が残存することをいう。

［実施形態１］
図１は、本実施形態における、移動体としての鉄道車両に搭載された電力変換装置の断面図である。電力変換装置１は、鉄道車両２の床下等に設置され、鉄道車両２を駆動する電動機（図示せず）に供給する電力の周波数を変えることにより、電動機の回転速度の制御を行う。電力変換装置１の内部には、電力変換回路を構成する複数の半導体素子３と、電気部品群４が設置される。半導体素子３は、通電時およびＯＮ／ＯＦＦ切替時に熱損失を発生し、この熱損失を外気に放熱することで発熱源となる。そこで、半導体素子３は冷却装置５に取り付けられて冷却が行われる。

冷却装置５には、鉄道車両２が走行した際に発生する走行風８が、図１の紙面垂直方向に供給され、半導体素子３から発生する熱損失を放熱する。鉄道車両２は、前後いずれの方向にも移動するので、それに伴う方向に走行風が生じることになる。半導体素子３は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等である。

冷却装置５について説明する。図２および図３は、本実施形態における、冷却装置５を示す斜視図である。冷却装置５は、受熱板６、自励振動ヒートパイプ７、コルゲートフィン９で構成される。受熱板６、自励振動ヒートパイプ７、コルゲートフィン９は、例えば、アルミニウム合金、銅、等の金属から成る。複数の半導体素子３が、グリース等の部材（図示せず）を介して、ねじ等（図示せず）によって、受熱板６の一方の面に固定される。受熱板６の他方の面には、自励振動ヒートパイプ７がロウ付け等により接合される。

自励振動ヒートパイプ７は細長い中空板状の構造をしており、長手方向に向かって交互に折り曲げられて波形を形成している。自励振動ヒートパイプ７は折り曲げることにより向かい合う表面を有し、この表面同士を連結するようにして、コルゲートフィン９がロウ付け等により接合される。このような構成とすることで、自励振動ヒートパイプ７には、受熱板６と接する部分である受熱部と、コルゲートフィン９と接する部分である放熱部とが交互に設けられることとなる。

更に、自励振動ヒートパイプを波形に形成するに当たっては、多穴扁平管に対して曲げ工程を用いることなく、同じ長さを持つストレート形状の多穴扁平管を複数本厚み方向に並列に設置することによって構成してもよい。すなわち、複数本厚み方向に並列に設置した多穴扁平管の両端部それぞれを、多穴扁平管側にスリットを備えた端部封止部材のような部材を使用して固定し、このスリットにより多穴扁平管の両端それぞれにおいて隣接する多穴扁平管の端部同士を交互に連通させることにより、作動液の移動を可能にする。このようにして、流路が矩形波状に形成される（多穴扁平管の長手方向に沿って交互に折り返して延在する）密閉流路を持つ自励振動ヒートパイプを形成することができる。

自励振動ヒートパイプ７の内部構造について説明する。図４は、本実施形態における、自励振動ヒートパイプの流路構造を示す、図３のＡ－Ａ断面図である。図４では、自励振動ヒートパイプ７は、隔壁により仕切られて並行並列に整列し、端部を相互に連通させた流路（密閉流路）１０を内部に有する例が図示されている。ただし本発明は、このような流路構造に限定されず、流路１０は、隔壁により仕切られて並行並列に整列した、各列で相互に連通の無い密閉された複数の流路として構成されていても良い。また、流路１０は部分的に連通していても良い。流路１０の断面寸法、および各流路の間隔はミリメートル・オーダーであり、流路長は流路径に比べて十分に長い。

自励振動ヒートパイプ７の流路１０内には、作動液（図示せず）が所定量封入される。作動液としては、例えば、水、アルコール類、ブタン等の炭化水素類、ハイドロフルオロカーボン類、ハイドロフルオロエーテル類、ハイドロフルオロオレフィン類、パーフルオロケトン類等を用いる。

自励振動ヒートパイプ７の端部の封止構造について説明する。図５Ａは、本実施形態における、自励振動ヒートパイプの製造工程の一部を示す図であり、図５Ｂは、本実施形態における、自励振動ヒートパイプの圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。

製造時において、自励振動ヒートパイプ７の端部近傍の部位１８を、受熱板６上にロウ付けにより固定する（第１の工程）。かかる状態で、自励振動ヒートパイプ７の端部１９（図５Ａに点線で図示）の下面は、受熱板６上に密着した状態になる。この状態で、作動液を自励振動ヒートパイプ７内の流路１０に注入する（第２の工程）。

次いで、受熱板６を定盤ＰＬ等の上面に載置し、図５Ａの上方からプレス機などの型ＤＩを自励振動ヒートパイプ７の端部１９に接近させ、高圧力を印加する（第３の工程）。これにより、図５Ｂに示すように、自励振動ヒートパイプ７の端部が圧潰されて塑性変形し、流路１０が密閉される。圧潰された自励振動ヒートパイプ７の端部を圧潰部１１とする（図５Ｂ）。

実施形態１の効果について説明する。自励振動ヒートパイプ７の端部を、受熱板６に接した状態で圧潰し、流路１０を密閉することで、該端部が薄い先細形状になることから、破損の原因となる飛来物等が正面から衝突しづらくなる。

また、自励振動ヒートパイプ７の端部と受熱板６が接した状態となっているので、自励振動ヒートパイプ７の端部が受熱板６から離間した構成と比べ、走行する鉄道車両２から振動を受けた際に、受熱板６と自励振動ヒートパイプ７の接合部に生じる応力を小さく抑えることができる。

また、特許文献１に記載されているような作動液注入細管を有しないことから、伝熱性能に寄与しない部分への作動液の流入を回避でき、作動液の使用量を抑えつつ自励振動ヒートパイプ７の十分な伝熱性能を確保することができる。

また、圧潰により自励振動ヒートパイプ７が潰れることで、受熱板６と自励振動ヒートパイプ７の端部の接合面積が拡大するため、圧潰部１１の伝熱性能が向上する。

以上の効果は、受熱板６に接した状態で自励振動ヒートパイプ７の端部を圧潰することのみで得られるため、製作性が良い。

さらに、作動液の効果について説明する。電気鉄道車両用の電力変換装置の冷却装置に自励振動ヒートパイプを適用する場合に、作動液としては、ハイドロフルオロオレフィン（以下、ＨＦＯという）類である冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）を用いることが望ましい。以下に、冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）を用いる利点について述べる。

（ａ）冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）は臨界温度が１７０℃程度であることから、パワー半導体モジュールを１７０℃程度まで上昇させて使用する際にも、自励振動ヒートパイプ７の伝熱性能を維持することができる。

（ｂ）冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）は塩素を含有していないことから、アルミニウム合金に対し化学的に安定しており、自励振動ヒートパイプ７の材質としてアルミニウム合金を用いる際には、流路内から自励振動ヒートパイプ７を腐食させることなく、長期間にわたり伝熱性能を維持することができる。

（ｃ）冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）は不燃性、低毒性であることから、飛来物の衝突等により一部の流路が破損し、作動液が大気中に放出された場合においても安全性を確保することができる。

（ｄ）冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）は他の一部の作動液で必要な脱気工程を必要としないため、自励振動ヒートパイプ７を製造する際の工程を少なくすることができる。

なお、作動液として、冷媒番号Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）の代わりに、冷媒番号Ｒ１２２４ｙｄ（Ｚ）、Ｒ１２３４ｙｆ、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１１２３、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｚ）、Ｒ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）、Ｒ１２３３ｚｄ（Ｚ）またはＲ１２３３ｚｄ（Ｚ）などのＨＦＯ類を用いてもよい。ＨＦＯ類は地球温暖化係数およびオゾン層破壊係数が低いことから、飛来物の衝突等により一部の流路が破損し作動液が大気中に放出された場合においても環境への影響を小さくすることができる。

［実施形態２］
図６は、実施形態２における、圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。本実施形態は、実施形態１に対し、受熱板６の上の圧潰部１１に当たる位置に、突起部１２を設けたものである。このような突起部１２は、受熱板６を機械加工で削り出すことによって形成できる他、溶接などで受熱板６上に隆起を形成した後に、機械加工で整形することによって得ることができる。

自励振動ヒートパイプ７の端部は、受熱板６および突起部１２に接した状態で、プレス機の型（図５Ａ参照）などにより上方から高圧力で押圧され、圧潰して圧潰部１１が形成され、流路１０が密閉される。

突起部１２を設けることで、実施形態１における効果に加え、圧潰の際に、プレス機の型と突起部１２との間で挟持される自励振動ヒートパイプ７の端部に応力が集中し、小さなプレス圧でも適切に圧潰できるようになるため、圧潰部１１の密封性が向上する。

なお、図６に図示される突起部１２が圧潰部１１に接する面は曲面で構成されているが、突起部１２に平面である部分があっても同様の効果を得られる。それ以外の構成は、上述した実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

［実施形態３］
図７は、実施形態３における、圧潰部の構造を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。本実施形態は、実施形態２で図示した突起部１２の代わりに、受熱板６の上に設けた溝１３に、受熱板６とは別部材である圧潰部材１４を設置したものである。ＳＵＳなどの鉄系の素材からなる圧潰部材１４は、溝１３に圧入などで固定されて受熱板６の一部を構成するものであり、受熱板６に突起部を形成するよりも低コストで形成できる。

自励振動ヒートパイプ７の端部近傍が受熱板６に接し、その端部が圧潰部材１４に接した状態で、プレス機の型（図５Ａ参照）などにより上方から高圧力で押圧され、圧潰して圧潰部１１が形成され、流路１０が密閉される。

圧潰部材１４を用いることで、実施形態２と同様に、小さなプレス圧でも適切に圧潰できるようになるため、圧潰部１１の密封性が向上する。

なお、図７に図示される圧潰部材１４が圧潰部１１に接する面は曲面で構成されているが、圧潰部材１４に平面である部分があっても同様の効果を得られる。

（変形例）
図８は、実施形態３における、圧潰部の溝から圧潰部材を取り除いた状態を示す、図４のＢ－Ｂ断面図である。この変形例では、自励振動ヒートパイプ７の端部の圧潰後に、圧潰部材１４を溝１３から取り除いている。これにより、鉄道車両２が走行した際の振動等により、溝１３内で圧潰部材１４が振れて騒音等が発生することを防止することができる。

なお、図８に点線で示すように、圧潰部材１４を溝１３から取り除いた後に、圧潰部１１を折り曲げて溝１３内に一部が密着するまで折り込むようにすれば、飛来物等が圧潰部１１に衝接することを有効に抑制できる。

［実施形態４］
図９は、実施形態４における、溶接封止部の構造を示す、斜視図である。本実施形態は、摩擦撹拌接合などの溶接により、自励振動ヒートパイプ７の端部を封止する構造である。受熱板６には、自励振動ヒートパイプ７の端部が収まる深さ、幅を有する溝１３が設けられており、自励振動ヒートパイプ７の端部は溝１３の中に設置される。

この状態で、自励振動ヒートパイプ７の端部に、回転する工具を接近させ、工具から自励振動ヒートパイプ７の端部を溝１３に押圧力を付与しつつ、自励振動ヒートパイプ７の幅方向の相対移動させることで、当接部に発生した摩擦熱により自励振動ヒートパイプ７の端部を受熱板６に溶接することができる。このため、自励振動ヒートパイプ７の端部および受熱板６には、溶接痕１５が残る。

本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を得ることができる他、自励振動ヒートパイプ７の端部が受熱板６に溶着することで、より強固な接合が可能であり、また熱伝導率も高まる。

［実施形態５］
図１０Ａ、１０Ｂは、実施形態５における、保護カバーを備えた冷却装置を、鉄道車両の進行方向から見た断面図である。本実施形態の冷却装置は、自励振動ヒートパイプ７の全体を覆い、受熱板６に取り付けられる筐体状の保護カバー１６を設けている。保護カバー１６は、自励振動ヒートパイプ７に対し、冷却風の流れ方向（鉄道車両の進行方向前後方向）から見た投影面上に、所定寸法の通風孔１７を複数設けている。鉄道車両２の走行時に生じる走行風８（図１）は、通風孔１７を通過して自励振動ヒートパイプ７およびコルゲートフィン９に供給される。

このように保護カバー１６を設けることで、自励振動ヒートパイプ７への飛来物の衝突を抑制することができ、自励振動ヒートパイプ７の信頼性が向上する。また、適切な寸法の通風孔１７を設けることで、保護カバー１６の飛来物に対する強度と、走行風８の通風性とを両立することができる。

また、図１０に記載の保護カバー１６には、上下面にも通風孔１７が設けられている。このような構成とすることで、鉄道車両２が走行して冷却装置５が温度上昇し、その後停車した際に、自然対流により保護カバー１６の下面の通風孔１７から上面の通風孔１７に向かう空気の流れが促進される。この効果により、その後、鉄道車両２が走行を再開する前に冷却装置５の温度がより低くなるため、走行中に達する最高温度を下げることができる。

一方、図１０に記載の保護カバー１６において、受熱板６に接している側とは反対側（対向する側）の面１６ａには、通風孔１７は設けられていない。この面１６ａは、走行風８および自然対流の流れ方向と直交していることから、冷却風の取り込み量よりも飛来物に対する強度を優先した方が鉄道車両２に搭載した際に好適であり、冷却性能を損なうことなく信頼性を向上させることができる。また、この面１６ａに通風孔１７などの開口を設けないことにより、太陽光が冷却装置５に直接照射されるのを防ぎ、晴天時の冷却装置５の温度上昇を小さくすることができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。例えば、本発明は鉄道車両のみならず、自動車、航空機、船舶などの移動体用の冷却装置に適用可能である。

１：電力変換装置
２：鉄道車両
３：半導体素子
４：電気部品群
５：冷却装置
６：受熱板
７：自励振動ヒートパイプ
８：走行風
９：コルゲートフィン
１０：流路
１１：圧潰部
１２：突起部
１３：溝
１４：圧潰部材
１５：溶接痕
１６：保護カバー
１６ａ：保護カバーの、受熱板に接している側とは反対側（対向する側）の面
１７：通風孔
１８：自励振動ヒートパイプの端部近傍の部位
１９：自励振動ヒートパイプの端部

Claims (8)

1. 内部に密閉流路を備え、前記密閉流路内に作動液を封入した自励振動ヒートパイプと、発熱源に接続された受熱板とを備え、
   前記自励振動ヒートパイプの端部は、前記受熱板と密着するように圧潰されて封止されており、
   前記受熱板は、前記自励振動ヒートパイプの端部と接する位置に、突起部を備えている、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
2. 内部に密閉流路を備え、前記密閉流路内に作動液を封入した自励振動ヒートパイプと、発熱源に接続された受熱板とを備え、
   前記自励振動ヒートパイプの端部は、前記受熱板と密着するように圧潰されて封止されており、
   前記受熱板には、前記自励振動ヒートパイプの端部と対応する位置に、溝を備え、前記溝内に圧潰部材を配置している、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の移動体用の冷却装置において、
   前記自励振動ヒートパイプの端部近傍は、前記受熱板とロウ付けされている、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の移動体用の冷却装置において、
   前記自励振動ヒートパイプの端部は塑性変形して、前記受熱板と接している、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の移動体用の冷却装置において、
   前記自励振動ヒートパイプに対し、冷却風の流れ方向から見た投影面上に通風孔を備えた保護カバーを設けている、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
6. 請求項５に記載の移動体用の冷却装置において、
   前記保護カバーには、前記自励振動ヒートパイプに対し上面および下面に通風孔を備えている、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の移動体用の冷却装置において、
   前記作動液が、ハイドロフルオロオレフィン類である、
   ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の移動体用の冷却装置と、
   前記発熱源である半導体素子を含む電力変換回路と、を備えた、
   ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。

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