JPWO2007116461A1 - 冷却器 - Google Patents

Abstract

本発明は、発熱体（７）を冷媒により冷却する冷却部（６Ａ）、冷却部（６Ａ）で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部（６Ｃ）を有し、冷却部（６Ｃ）で冷媒を沸騰させることにより、放熱部（６Ｃ）と冷却部（６Ａ）との間で冷媒を循環させる気泡ポンプを備えた冷却器に関するものであり、放熱部（６Ｃ）が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュール（６）と、放熱部（６Ｃ）にあたる風を発生させる冷却ファン（２）とを備える。

Description

この発明は、半導体素子などの発熱体を冷却する冷却器に関するものである。

一般産業分野での電動機用の電源としてコンバータやインバータなどの半導体素子による
スイッチングを行う電力変換装置が使用される。コンバータやインバータなどの電力変換装置で使用されるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、サイリスタ、トランジスタ、ダイオードなどの半導体素子は発熱し、高出力化に伴い発熱量も大きくなり、半導体素子を効率よく冷却することが重要である。なお、駆動回路などまで含めて半導体素子をモジュール化したＩＰＭ(Intelligent Power Module)も、半導体素子に含まれるとする。

従来の冷却器には、ヒートパイプを利用して行っているものがある。ヒートパイプとは、上下方向に立てた管の中に冷媒を密封して、管の下部に冷却対象物を接触させ、管の上部にフィンなどの放熱効率がよい構造を備えたものである。管に密閉された冷媒は、下部で冷却対象物から熱を与えられて蒸発する。蒸発した冷媒は管の上部に移動し、管の上部で熱を奪われて液体に戻り、管の内壁を伝って下部に溜まる。溜まった冷媒は、再度、蒸発する。このように、ヒートパイプでは、冷媒を蒸発させることにより熱を下部から上部に移動させ、上部から外部に熱を放出して下部に接触させた冷却対象物を冷却する。

ヒートパイプを利用した冷却器では、発熱する半導体素子が実装された回路基板を半導体素子が下を向くように水平に配置し、上を向いた回路基板の裏側にヒートパイプを接触させるようにしている。（例えば、特許文献１を参照）
また、内部に冷却液を流す流路を有する半導体素子が取り付けられる受熱板と、受熱板からの冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、受熱板と熱交換器との間で冷却液を循環させるポンプと、熱交換器に対して冷却風を送風する送風手段とを備え、受熱板、熱交換器、ポンプ及び送風手段の複数の組を車体の長手方向に直角に並べて配置した電気車用電力変換装置に用いられる冷却器もある。この冷却器では、車体の側面から風を取り込み、送風手段と熱交換器はともに車体の長手方向に平行であり互いに向かい合っており、熱交換器と車体の長手方向に配置された受熱板は直交する位置関係にある。（例えば、特許文献２を参照）

特開２００２−１３４６７０号公報。 特開平９−２４６７６７号公報。

ヒートパイプを用いた冷却器では、ヒートパイプを垂直に回路基板を水平に向ける必要があり、ヒートパイプに１０ｃｍ程度以上の高さを要するので、回路基板を重ねて配置することが困難であった。半導体素子の発熱量と半導体素子を搭載するために必要な面積が決まり、面積あたりの発熱量からヒートパイプの高さ及び体積が決まるので、所定の発熱量の回路基板に対して冷却器にも所定体積が必要であった。

ポンプを用いて冷却液を循環させる冷却器では、ポンプと冷却液のリザーブタンクなどの付属設備にスペースが必要であった。また、熱交換器と受熱板が直交し、熱交換器には所定の面積が必要なので、受熱板、熱交換器、ポンプ及び送風手段の組をあまり小さい間隔で配置することができなかった。
本発明は、所定の冷却能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなる冷却器を得ることを目的とする。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものである。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものなので、所定の冷却能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

この発明の実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置を電車に取り付けた状態での図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する断面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置を構成する半導体素子を搭載した冷却モジュールの斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器で使用する冷却モジュールの構成と冷媒の流れを説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する下から見た平面図である。 この発明の実施の形態４に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する下から見た平面図である。 この発明の実施の形態４に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する断面図である。

符号の説明

１００：電力変換装置、 １ ：主回路ユニット
１Ａ：筐体（固定部材）、 １Ｂ：開口部
１Ｃ：フィルタ、 ２ ：ブロワ（冷却ファン）
３ ：電装品、 ４ ：ダクト（風洞）
５ ：コンデンサ、 ６ ：冷却モジュール
６Ａ：冷却部、 ６Ｂ：熱交換器
６Ｃ：放熱部、 ６Ｄ：受熱管
６Ｅ：配管、 ６Ｆ：仕切り板
６Ｇ：配管、 ６Ｈ：配管
６Ｊ：配管、 ６Ｋ：放熱管
６Ｌ：放熱フィン、 ７ ：半導体素子
８ ：配線基板

実施の形態１．
この発明による実施の形態１に係る冷却器を、コンバータとインバータを有する電車用の電力変換装置に適用した場合で図１〜図５により説明する。図１は、実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置を説明する図である。図１(a)に側面図を示し、図１(b)に下から見た平面図を示す。図２は、実施の形態１に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図２(a)に全体の斜視図を示し、図２(b)に所定個の半導体素子を搭載した１個の冷却モジュールの斜視図を示す。図３には、図１(b)のＸＸ断面における断面図を示す。図４は、この発明の実施の形態１に係る冷却器を構成する冷却モジュールの半導体素子を搭載した状態での斜視図である。図５は、この発明の実施の形態１に係る冷却器で使用する冷却モジュールの構成と冷媒の流れを説明する図である。

図１(a)に示すように、電車の車体の下側に電力変換装置１００が取り付けられる。図１(b)から分かるように、電力変換装置１００の図における上側の約半分には、電力変換を行う主回路を構成する半導体素子と半導体素子の冷却機構を筐体１Ａに収納した主回路ユニット１が有る。電力変換装置１００の下面のほぼ中央には、主回路ユニット１と接して冷却機構で冷却を行うための風を発生させる冷却ファンであるブロワ２が有る。主回路ユニット１の下側にはブロワ２を囲むように、電装品３を配置している。なお、電装品３とは電力変換装置を構成するために必要な電気部品である。ただし、冷却モジュール６に搭載された半導体素子と、別置されるコンデンサを除く。

図１(a)から分かるように、主回路ユニット１の側面には、筐体１Ａにはブロワ２が外気を吸込む開口部１Ｂ（図１では図示せず）があり、この開口部１Ｂには塵埃などを主回路ユニット１の内部に入れないためのフィルタ１Ｃを取り付けている。図３に示すように、主回路ユニット１には開口部１Ｂからブロワ２へ外気を流すための風洞であるダクト４を設けている。電車の側面にある開口部１Ｂから吸い込まれた外気は、主回路ユニット１を貫通するダクト４を通って主回路を構成する半導体素子を冷却して、ブロワ２により電車の下側に排出される。ブロワ２は、中央にモータを配置し、モータの両側に回転翼を備えた構造とする。回転翼は、モータ側から空気を吸込んで遠心力により外側に空気を吐き出す。

図２(a)は、電車の車体や筐体１Ａや電気的な接続を行う部品などを省略した、電力変換装置１００の斜視図である。主回路ユニット１の内部には、電力変換のためのスイッチング動作を行う発熱体である半導体素子を搭載した冷却モジュール６が所定個（この実施の形態では６個）を横に並べたものが２列に並べられている。主回路ユニット１の上には、インバータの直流電源となるコンデンサ５を配置している。なお、奥側にある列の冷却モジュール６の上にあるコンデンサ５は、図示を省略している。半導体素子７（図２(b)には図示せず）は、片面が冷却モジュール６に密着して搭載され、もう片面には電気的な配線を行う配線基板８が接続する。なお、並べた冷却モジュール６の間隔は、電気的な絶縁ができればどれだけ近づけてもよい。冷却モジュール６の列は、筐体１Ａや適切な部材により構成される固定部材により固定される。

図４において、冷却モジュール６は、所定個（この実施の形態では３個）の半導体素子７を搭載した冷却部６Ａと、冷却部６Ａから出た冷媒と冷却部６Ａに入る冷媒との間で熱交換を行う熱交換器６Ｂと、冷却部６Ａで加熱された冷媒から熱を放熱させる放熱部６Ｃとから構成される。冷却部６Ａ、熱交換器６Ｂ及び放熱部６Ｃは、ほぼ同一平面上に配置され、冷却部６Ａと放熱部６Ｃとが互いに横にあり、冷却部６Ａの上側に熱交換器６Ｂが有る。なお、図２(b)では半導体素子７が電気回路を構成できるようにする配線基板８も付けた状態で図示していたが、図４では配線基板８を外した状態で図示している。

図３から分かるように、放熱部６Ｃはダクト４の内部に有り、ダクト４を通る風により冷却される。放熱部６Ｃが２列あるので、主回路ユニット１の内部ではダクト４は２個に分離されている。

１個の冷却モジュール６に搭載する半導体素子は、コンバータやインバータなどの１相や１アームなどの電気回路上で近くに配置されるものとする。そうすることにより、電気回路の抵抗やインダクタンスを低減でき、配線も容易になる。複数の素子を１個のパッケージにまとめたものを冷却モジュール６に搭載してもよい。１個の冷却モジュール６の冷却部６Ａと放熱部６Ｃの面積と冷却モジュール６の枚数は、搭載すべき半導体素子７をすべて搭載でき、搭載した半導体素子７の想定する発熱量を放熱部６Ｃから放熱でき、全体の体積ができるだけ小さくなるように決める。なお、開口部に近い方の冷却モジュール６の方が冷却する空気の温度が低く冷却能力が高いので、開口部に近い方の冷却モジュール６での発熱量が大きく、開口部から遠くなるほど発熱量が小さくなるようにしてもよい。

図５により、冷却モジュール６の構成を説明する。冷却部６Ａでは破線で示された半導体素子７が搭載される部分に縦に所定の間隔で冷媒が流れる複数の受熱管６Ｄが設けられ、受熱管６Ｄはその下端で１本の配管６Ｅに接続され、上端で熱交換器６Ｂに接続される。
熱交換器６Ｂは、外形が円筒状で、両端から所定の距離にそれぞれ１枚の同じ形状の仕切り板６Ｆが有る。２枚の仕切り板６Ｆには所定個の円形の穴があり、この穴には円形の配管６Ｇが接続されている。２枚の仕切り板６Ｆで挟まれた熱交換器６Ｂの内部は配管６Ｇの内側と外側に区分され、配管６Ｇの内側は仕切り板６Ｆの外側とつながっているので、熱交換器６Ｂの内部は２つに区分されることになる。冷却部６Ａからの受熱管６Ｄは、２枚の仕切り板６Ｆで挟まれた部分で配管６Ｇの外側に接続される。図における右側にある仕切り板６Ｆの右側の部分には、冷却部６Ａへの配管６Ｅが接続される。左側の仕切り板６Ｆのすぐ右側下部には、放熱部６Ｃの下側に接続される配管６Ｈが接続される。左側にある仕切り板６Ｆの左側の部分には、放熱部６Ｃからの配管６Ｊが接続される。

放熱部６Ｃは、縦に所定の間隔で配置された複数の放熱管６Ｋが有り、放熱管６Ｋは上側で配管６Ｊに接続し、下側で配管６Ｈに接続する。放熱管６Ｋの間には、放熱量を大きくするため放熱フィン６Ｌを設ける。放熱フィン６Ｌの形状は、ダクト４を通る冷却風を通すことができ、放熱フィン６Ｌを通過する際の圧力損失が許容できる範囲内であり、放熱量が大きくなるような形状とする。

図５には、冷媒の流れも示している。冷却部６Ａにある受熱管６Ｄでは、半導体素子で発生する熱により冷媒が加熱され沸騰する。沸騰により発生した冷媒蒸気は上方の熱交換器６Ｂの方に移動し、冷媒蒸気の気泡に引きずられて液体の冷媒も熱交換器６Ｂの方に移動する。熱交換器６Ｂに入った冷媒は配管６Ｇの外側に有り、配管６Ｇの内側の冷媒に熱を与えて冷媒蒸気は液体に戻り、温度も下がる。熱交換器６Ｂから出た冷媒は、配管６Ｈを通って放熱部６Ｃに入る。放熱部６Ｃに入った冷媒は、空気に熱を与えて温度がさらに下がる。放熱部６Ｃを出た冷媒は、配管６Ｅを通って熱交換器６Ｂに入る。配管６Ｅから熱交換器６Ｂに入った冷媒は、配管６Ｇの内側を通り外側の冷媒から熱をもらって、温度が上昇する。熱交換器６Ｂから配管６Ｅを通って冷却部６Ａに戻る。

冷却部６Ａにある受熱管６Ｄで冷媒が沸騰して上方に移動し、移動した冷媒蒸気は冷却されて液体に戻るので、沸騰する箇所から液体に戻る箇所に向けて定常的に冷媒が流れることになり、ポンプを設けなくても冷媒が循環する。このような冷媒の沸騰を利用して冷媒を循環させる機構を、気泡ポンプとも呼ぶ。気泡ポンプを用いることにより、ポンプ及びその付帯設備などが不要になり、冷却モジュールの構造が簡単になり、メンテナンスが容易になる。

省スペースに関しては、気泡ポンプを用いることにより、少なくともポンプなどの分の体積を小さくできる。また、ポンプなどがある場合には、ポンプなどの縦横の大きさを考慮して冷却モジュール６の間の間隔を決める必要があり、冷却モジュール６の間の間隔をあまり小さくできなかったのが、冷却モジュール６間の間隔を冷却モジュール６自体の厚み程度に抑えることが可能になり、所定の発熱量を冷却するために必要な体積をポンプがある場合よりも小さくできる。ヒートパイプを使用する場合には、発熱体を搭載して冷却する冷却部の面積にヒートパイプの高さを掛けた体積がヒートパイプに必要だったのに対して、発熱量に応じた面積の放熱部を確保すればよく、放熱部の厚さに関する制約条件は無いので、冷却部及び放熱部の厚さを薄くすれば、冷却のために必要な体積を小さくできる。

２列の放熱部が互いに近接するように配置したので、２列に対してブロワが１個でよく、部品点数を削減でき、コストを低く信頼性を高くすることができる。放熱部が１列だけの場合でも、放熱部を重ねているので、複数の放熱部に対して１個のブロワでよいというメリットがある。
冷却モジュールを２列に配置したが、１列や３列以上でもよい。２列の冷却モジュールの放熱部を隣接させて、１個のブロワで２列の冷却モジュールを冷却するようにしたが、冷却モジュールの列ごとや、所定個の冷却モジュールごとなどにブロワを設けるようにしてもよい。

冷却モジュールの冷却部と放熱部をほぼ同一平面上で横に配置したが、冷却部と放熱部の間に所定の角度を持たせたり、冷却部と放熱部をほぼ平行だが異なる平面上に配置したり、冷却部と放熱部を上下や斜め横に配置したりしてもよい。
電車用の電力変換装置に適用した場合で説明したが、電車用以外の電力変換装置や電力変換装置以外に適用してもよい。例えば、発熱する半導体素子を搭載した電気基板などを冷却するために使用してもよい。半導体素子以外の発熱体の場合に適用してもよい、冷却対象の発熱体が冷却部に接触可能であれば、どのような発熱体に対してもこの発明に係る冷却器は適用できる。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、並べた冷却モジュールの列ごとにブロワを備えるように実施の形態１から変更した場合である。図６は、実施の形態２に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。２列の冷却モジュール６は放熱部６Ｃが離れるように配置され、放熱部６Ｃの列の図における奥側にそれぞれ１個のブロワ２を配置している。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクト（所定の発熱量を冷却するために必要な冷却器の体積を低減できること）にできるという効果がある。

実施の形態３．
この実施の形態３は、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備え、冷却モジュールのモジュール性をさらに高くするように実施の形態１を変更した場合である。図７は、実施の形態３に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図８は、主回路ユニット１を下から見た平面図である。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。ブロワ２を冷却モジュール１の下側に配置するので、斜視図ではブロワ２が見えなくなる。図８の下から見た平面図から分かるように、２個の冷却モジュール１ごとに２個のブロワ２が配置される。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクトにできるという効果がある。さらに、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備えるので、ブロワと所定個の冷却モジュールの組によるモジュール性がより高くなるという効果もある。

実施の形態４．
この実施の形態４は、電車の両側の側面から外気を取り込むように実施の形態３を変更した場合である。図９は、実施の形態４に係る冷却器を用いた電力変換装置の構成を説明する斜視図である。図１０は、主回路ユニット１を下から見た平面図である。図１１は、主回路ユニット１の内部での風の流れを説明するための断面図である。
実施の形態３の場合での図７及び図８と異なる点だけを説明する。冷却モジュール６の放熱部６Ｃが電車の側面側にくるように、主回路ユニット１を電車の進行方向に直交して配置している。ブロワ２は、電車の両側の側面から外気を吸込んで、電力変換装置の下側に排出する。

この実施の形態でも、冷却モジュール６を実施の形態１の場合と同様にコンパクトにできるという効果がある。さらに、所定個の冷却モジュールごとにブロワを備えるので、ブロワと所定個の冷却モジュールの組によるモジュール性がより高くなるという効果もある。さらに、電車の両側面という２箇所から外気を取り込めるので、より大量の外気を取り込めて、冷却能率を向上できるという効果もある。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記冷却部に入る冷媒と前記冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものである。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記冷却部に入る冷媒と前記冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものなので、所定の冷却能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記冷却部に入る冷媒と前記冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられ、前記冷却部と前記放熱部との接続部を固定部材で一体として固定された複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものである。

この発明に係る冷却器は、発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部、該放熱部を出て前記冷却部に入る冷媒と前記冷却部を出て前記放熱部に入る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を有し、前記冷却部と前記放熱部とを横に並ぶように配置し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられ、前記冷却部と前記放熱部との接続部を固定部材で一体として固定された複数の冷却モジュールと、前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えたものなので、所定の冷却能力を実現する上で必要な装置の体積が従来よりも小さくなるという効果が有る。

Claims (5)

1. 発熱体を冷媒により冷却する冷却部、該冷却部で加熱された冷媒から熱を放出させる放熱部を有し、前記冷却部で冷媒を沸騰させることにより前記放熱部と前記冷却部との間で冷媒を循環させる気泡ポンプ型の、前記放熱部が互いに隣接するように重ねられた複数の冷却モジュールと、
   前記放熱部にあたる風を発生させる冷却ファンとを備えた冷却器。
2. 重ねられた前記放熱部の列が隣接するように前記冷却モジュールを複数の列に並べることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 所定個の前記冷却モジュールごとに前記冷却ファンを備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
4. 発熱体を搭載した複数の前記冷却モジュールを固定する固定部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
5. 前記冷却ファンで発生する風を通す風洞を設け、この風洞内に前記放熱部を配置することを特徴とする請求項１に記載の冷却器。

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