JP7430521B2 - Cooling devices and power conversion devices for mobile objects - Google Patents
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Description
本発明は、移動体用の冷却装置及び電力変換装置に関する。 The present invention relates to a cooling device and a power conversion device for a moving body.
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を備え、この細径流路内に、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。流路に沿って、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、それにより受熱部と放熱部との間で熱を輸送することができる。 Self-excited vibration heat pipes generally have a narrow flow path with a diameter on the order of millimeters, and the working fluid is sealed in this narrow flow path in a state where liquid columns and air columns alternate due to surface tension. has been done. A plurality of heat receiving parts (high temperature parts) and heat radiation parts (low temperature parts) are provided alternately along the flow path, and the liquid is The column and the air column vibrate self-excited, thereby allowing heat to be transported between the heat receiving section and the heat radiating section.
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。 Unlike general heat pipes, self-excited vibration heat pipes do not require circulation due to gravity, so they have the advantage of having a high degree of freedom in installation orientation. Furthermore, compared to general heat pipes, heat transfer performance can be maintained even if the diameter of the flow path is made smaller, so it has the advantage of being able to be made smaller.
特許文献1には、多穴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を備えた冷却装置が開示されている。また、特許文献2および特許文献3には、自励振動ヒートパイプを備えた冷却装置の構造が開示されている。
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。 The inventor of the present application has made the following findings as a result of intensive study on the problems encountered when mounting a cooling device equipped with a self-excited vibration heat pipe on a moving object such as a railway vehicle.
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場合、走行時に生じる振動が比較的大きいため、その振動対策が課題となる。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振動により破損するおそれがある。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。
When a cooling device equipped with a self-excited vibrating heat pipe is mounted on a moving object such as a railway vehicle, the vibrations generated during running are relatively large, so countermeasures against the vibrations become an issue. For example, in a configuration in which a working fluid injection capillary is connected to an end of a flow path as in the self-excited vibration heat pipe described in
一方、特許文献2および特許文献3には、作動液注入細管については開示されていない。しかし、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場合には、生産性の良い簡素な構造で、かつ対振動性に優れた構造が同様の理由により求められる。
On the other hand,
さらに、本願発明者の検討結果によれば、自励振動ヒートパイプでは、流路内部に封入された作動液が、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生じる圧力差により自励振動するが、流路内の圧力の不均衡を生じさせるために、受熱量あるいは放熱量が他と比べて不均衡となる箇所を設けることで、作動液の始動性および冷却性能が向上することが判明した。 Furthermore, according to the study results of the inventor of the present invention, in a self-oscillating heat pipe, the pressure of the working fluid sealed inside the flow path increases due to boiling or evaporation in the heat receiving section, and pressure decreases due to condensation in the heat dissipating section. Self-excited vibration occurs due to the pressure difference, but by creating a pressure imbalance in the flow path, creating a location where the amount of heat received or released is unbalanced compared to others, it improves the startability and cooling of the hydraulic fluid. It was found that performance improved.
本発明は、生産性の良い簡素な構造で、振動に対する強度信頼性を向上させ、かつ冷却性能の良い移動体用の冷却装置及び電力変換装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cooling device and a power conversion device for a moving object, which have a simple structure with good productivity, improve strength reliability against vibration, and have good cooling performance.
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、内部に作動液を封入し長手方向に沿って交互に折り返しつつ延在する密閉流路を備えた自励振動ヒートパイプと、前記自励振動ヒートパイプ及び発熱源に接続された受熱板とを有し、前記自励振動ヒートパイプは、少なくとも一方の端部に端部立ち上がり部を有しており、前記端部立ち上がり部の高さは、前記自励振動ヒートパイプの最大高さよりも低く、前記自励振動ヒートパイプの端部立ち上がり部には、作動液を注入するための注入管が接合されており、前記自励振動ヒートパイプは複数設けられ、複数の前記自励振動ヒートパイプは前記注入管を介して連通する、ことにより達成される。
In order to solve the above problems, one of the typical cooling devices for a moving body according to the present invention includes a sealed flow path that seals a working fluid inside and extends while turning back and forth alternately along the longitudinal direction. a self-excited oscillating heat pipe, and a heat receiving plate connected to the self-excited oscillating heat pipe and a heat generation source, and the self-exciting oscillating heat pipe has an end rising portion at at least one end. The height of the rising end portion is lower than the maximum height of the self-excited oscillating heat pipe, and the rising end portion of the self-exciting oscillating heat pipe includes an injection pipe for injecting a working fluid. This is achieved by providing a plurality of self-excited oscillating heat pipes, and communicating with each other via the injection pipe .
本発明によれば、生産性の良い簡素な構造で、振動に対する強度信頼性を向上させ、かつ冷却性能の良い移動体用の冷却装置及び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。
According to the present invention, it is possible to provide a cooling device and a power conversion device for a moving body that have a simple structure with good productivity, improve strength reliability against vibration, and have good cooling performance.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be made clear by the following description of the embodiments.
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。また、「高さ」とは、受熱板の自励振動ヒートパイプが取り付けられた面から、その法線方向に沿った距離をいう。また、「自励振動ヒートパイプの最大高さ」とは、自励振動ヒートパイプの立ち上がり部の中で、受熱板から遠位端までの長さが最も長いものの高さをいう。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in this specification, "crushing" refers to pressing and deforming a material with a die or tool, and the deformed state remains. Moreover, "height" refers to the distance along the normal direction from the surface of the heat receiving plate to which the self-excited vibration heat pipe is attached. Moreover, the "maximum height of the self-excited oscillating heat pipe" refers to the height of the longest length from the heat receiving plate to the distal end among the rising parts of the self-excited oscillating heat pipe.
[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機能を備える。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切替時に熱損失が生じ、この時発生した熱が放熱することで発熱源となる。半導体素子3は過熱により特性が劣化したり、製品寿命が縮むおそれがあるため、通常は冷却装置5を取り付けて冷却が行われる。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power conversion device mounted on a railway vehicle as a moving body in this embodiment. The
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、それにより半導体素子3から発生する熱を放熱して空冷が行われる。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8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。
Running
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、複数の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。
The
自励振動ヒートパイプ7は細長い多穴扁平管(流路部材)を有し、本実施形態では多穴扁平管及び流路が、長手方向に向かって周期的に複数回交互に折り曲げられて延在し波形状に形成されている。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。この自励振動ヒートパイプ7とコルゲートフィン9の間に走行風8が供給されて熱交換が行われ、放熱される。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。
なお、同じ長さを持つストレート形状の多穴扁平管(流路部材)を複数本、並行して設置し、連結管を介して、隣接する多穴扁平管の上端同士を交互に作動液が移動可能に接合するとともに、隣接する多穴扁平管の下端同士を交互に作動液が移動可能に接合することにより、矩形波状に蛇行する(長手方向に沿って交互に折り返されて延在する)密閉流路を持つ自励振動ヒートパイプを形成することもできる。このような自励振動ヒートパイプは、多穴扁平管の曲げ工程を有しないため生産効率が高い。
The self-excited
In addition, multiple straight multi-hole flat tubes (flow path members) with the same length are installed in parallel, and the working fluid is alternately supplied to the upper ends of adjacent multi-hole flat tubes via connecting pipes. By movably joining the lower ends of adjacent multi-hole flat tubes and movably joining the working fluid alternately, the pipes meander in a rectangular wave shape (alternately folded back and extended along the longitudinal direction). It is also possible to form a self-oscillating heat pipe with a closed channel. Such a self-excited vibration heat pipe has high production efficiency because it does not require a bending process for a multi-hole flat tube.
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端部の流路構造を示す、図3における点線で囲われた部分のA矢視断面図である。自励振動ヒートパイプ7の内部には、隔壁11により仕切られた複数の流路10が並行して整列している。各流路10の断面形状は矩形あるいは円形で、各流路10の断面寸法および隔壁11の厚さはミリメートル・オーダーであり、各流路10の長さは流路径に比べて十分に長い。自励振動ヒートパイプ7の端部には、端部封止部材12が接合される。端部封止部材12には、連通流路13が設けられ、自励振動ヒートパイプ7の内部の流路10は連通流路13により各々相互に連通される。
The internal structure of the self-excited
自励振動ヒートパイプ7の多穴扁平管の密封された流路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。
A predetermined amount of working fluid (not shown) is sealed in the sealed
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5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断面図であり、図6は、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。自励振動ヒートパイプ7の端部は、受熱板6の表面から自励振動ヒートパイプ7の最大高さ(端部立ち上がり部14以外の立ち上がり部15)よりも低い位置まで垂直に立ち上げられる(すなわち受熱板6の表面から所定距離だけ離間するまで延在する)。以降、この立ち上げられた部分を端部立ち上がり部14と称する。なお、端部立ち上がり部14は、受熱板6の表面に対して必ずしも垂直に限らず、傾いていてもよい。
端部立ち上がり部14は、固定部材19により、端部立ち上がり部14に対し隣り合う立ち上がり部15と連結される。この固定部材19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と同様に、アルミニウム合金、銅、等の熱伝導性のある金属、または樹脂から成る。固定部材19を金属製とすることで、放熱性や熱伝導性が確保され熱の輸送性が高まる。一方、固定部材19を樹脂製とすれば、端部立ち上がり部14の固定が容易になる。
また、端部立ち上がり部14に接合される端部封止部材12には、作動液を注入する際に使用する注入管16が設けられる。注入管16は、端部立ち上がり部14に対し垂直方向に(すなわち水平に)向くよう配置される。
The sealing structure of the end of the self-excited
The
Further, the
製造時において、注入管16から作動液を所定量注入した後、圧潰工具17により注入管16を上下から挟み、加圧する。これにより、図6に示すように、注入管16が圧潰されて塑性変形し、圧潰封止部18が形成されて密閉封止される。この際、注入管16および圧潰封止部18は、受熱板6を法線方向に沿って投影した際の投影面(受熱板6の投影面という)内に配置されることが望ましい。
During manufacturing, after a predetermined amount of working fluid is injected from the
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、端部立ち上がり部14以外の立ち上がり部15よりも低い位置まで垂直に立ち上げ、注入管16を備える端部封止部材12を接合する構成とすることで、注入管16を圧潰する際に、圧潰工具17により注入管16を上下から挟む作業が容易となり、それにより生産性が向上する。
The effects of the first embodiment will be explained. By raising the end of the self-excited
一方で、自励振動ヒートパイプ7の端部を立ち上げると、鉄道車両2の走行時に発生する振動により、自励振動ヒートパイプ7、特にカンチレバー状となる端部立ち上がり部14が加振される。実施形態1によれば、端部立ち上がり部14と、それに隣り合う立ち上がり部15とを固定部材19により連結し補強することで、端部立ち上がり部14が制振され、それにより受熱板6と自励振動ヒートパイプ7との接合部に発生する応力を小さくすることができ、走行時の振動に対する強度信頼性が向上する。
On the other hand, when the end of the self-excited vibrating
また、固定部材19を金属のように熱伝導性のある材質とすることで、コルゲートフィン9と同じように固定部材19からも放熱されるようになる。また、自励振動ヒートパイプ7の端部立ち上がり部14の高さを、自励振動ヒートパイプ7の最大高さ、つまり端部以外の立ち上がり部15よりも低くして固定部材19を接合することで、端部と、端部以外の部分とにおいて、接合されるコルゲートフィン9と固定部材19の表面積の差により、放熱能力の不均衡が生じる。これにより、流路10内の圧力の不均衡が生じやすくなるため、作動液の始動性および冷却性能が向上する。端部立ち上がり部14の高さは、自励振動ヒートパイプ7の最大高さの1/2以下であると好ましく、更に1/3以下であるとより好ましい。
Furthermore, by making the fixing
また、仮に、端部立ち上がり部14を、端部以外の立ち上がり部15よりも高く配置した場合、あるいは注入管16および圧潰封止部18を、受熱板6の投影面より外にはみ出して配置した場合、冷却装置5の外形形状が不定形になることから取り扱い性が悪化する他、鉄道車両2に搭載した際に注入管16および圧潰封止部18に飛来物が衝突しやすくなる。これに対し実施形態1のように、端部立ち上がり部14をそれ以外の立ち上がり部15よりも低くし、注入管16および圧潰封止部18を受熱板6の投影面内に配置することで、取り扱い性が向上するとともに、破損の原因となる飛来物等が注入管16および圧潰封止部18に衝突しづらくなるため、強度信頼性が向上する。
Furthermore, if the
また、特許文献1に記載されているように自励振動ヒートパイプ7の端部に対し、流路10に沿う方向に注入管16を直接接合する構造とした場合、自励振動ヒートパイプ7の厚みが比較的薄いことから、振動が比較的大きい用途に用いられる場合など注入管16との接合強度を保つことが困難となる。実施形態1のように、端部封止部材12を介して注入管16を接合することで、端部封止部材12と注入管16の接合強度を保つことができ、強度信頼性が向上する。
Furthermore, when the
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。 Furthermore, the effects of hydraulic fluid will be explained. When applying a self-excited vibration heat pipe to a cooling device of a power conversion device for an electric railway vehicle, it is possible to use a refrigerant number R1336mzz (Z), which is a hydrofluoroolefin (hereinafter referred to as HFO), as the working fluid. desirable. The advantages of using refrigerant number R1336mzz (Z) will be described below.
(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。
(a) Since the critical temperature of refrigerant number R1336mzz (Z) is approximately 170°C, the heat transfer performance of the self-oscillating
(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。
(b) Since refrigerant number R1336mzz (Z) does not contain chlorine, it is chemically stable with respect to aluminum alloy, and when using aluminum alloy as the material for the self-excited
(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。 (c) Refrigerant number R1336mzz (Z) is non-flammable and has low toxicity, so even if some of the flow paths are damaged due to a collision with a flying object and the working fluid is released into the atmosphere, safety is maintained. can be secured.
(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。
(d) Since the refrigerant number R1336mzz (Z) does not require the degassing step that is required with some other working fluids, the number of steps in manufacturing the self-excited
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。 In addition, as a working fluid, instead of refrigerant number R1336mzz (Z), refrigerant number R1224yd (Z), R1234yf, R1234ze (E), R1123, R1234ze (Z), R1336mzz (E), R1233zd (Z) or R123 3zd(Z ) may also be used. HFOs have a low global warming potential and ozone layer depletion potential, so even if some flow paths are damaged by a collision with a flying object and the hydraulic fluid is released into the atmosphere, the impact on the environment will be reduced. be able to.
[実施形態2]
図7は、実施形態2における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。実施形態1との相違点として、本実施形態では、端部封止部材12が、固定部材19を介して、端部立ち上がり部14に対し隣り合う立ち上がり部15と連結される。このような構成においても、実施形態1と同様の効果を得ることができる。また、端部封止部材12及び固定部材19が金属製である場合、放熱性を確保できる。端部封止部材12と端部立ち上がり部14の双方を、隣り合う立ち上がり部15に固定部材19を介して連結してもよい。
[Embodiment 2]
FIG. 7 is a sectional view taken along arrow B of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 3, showing a sealing structure at the end of a self-excited oscillating heat pipe in
[実施形態3]
図8は、実施形態3における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。実施形態1および2との相違点として、本実施形態では、端部封止部材12が、固定部材19を介さずに、端部立ち上がり部14に対し隣り合う立ち上がり部15と直接接合される。このような構成においても、実施形態1と同様の効果を得ることができる。また、端部封止部材12が金属製である場合、放熱性を確保できると共に、端部立ち上がり部14の制振性が高まる。さらに、固定部材19を設置しないため、部品点数を削減でき、生産性が向上する。
[Embodiment 3]
FIG. 8 is a cross-sectional view taken along arrow B of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 3, showing a sealing structure at the end of a self-excited vibrating heat pipe in
[実施形態4]
図9は、実施形態4における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。実施形態1~3との相違点として、本実施形態では、注入管16が、端部立ち上がり部14の向きと同じ方向、すなわち受熱板6に対して垂直方向に向くよう配置される。端部立ち上がり部14と、隣り合う立ち上がり部15の距離が、圧潰工具(図9には図示せず)が入る程度に大きければ、このような構成を実現することができ、実施形態1と同様の効果を得ることができる。また、受熱板6の外寸が小さい場合にも、その投影面内に端部封止部材12を設置しやすくなる。
[Embodiment 4]
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along arrow B of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 3, showing a sealing structure at the end of a self-excited oscillating heat pipe in
[実施形態5]
図10は、実施形態5における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。実施形態1~4との相違点として、本実施形態では、端部立ち上がり部14の先端がさらに90度曲げられており、その先に端部封止部材12を接合している。端部封止部材12及びその近傍の端部立ち上がり部14は、固定部材19を介して受熱板6と連結される。このような構成においても、実施形態1と同様の効果を得ることができる。また、注入管16を上下から挟む圧潰工具17を接近させやすいため、生産性が向上する。
[Embodiment 5]
FIG. 10 is a sectional view taken along arrow B of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 3, showing a sealing structure at the end of a self-excited oscillating heat pipe in
[実施形態6]
図11は、実施形態6における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図3における長破線で囲われた部分のB矢視断面図である。実施形態5との相違点として、本実施形態では、自励振動ヒートパイプ7の端部を圧潰することで圧潰封止部18が形成され、密閉封止される。圧潰封止部18の近傍の自励振動ヒートパイプ7は、固定部材19を介して受熱板6と連結される。このような構成においても、実施形態1と同様の効果を得ることができる。さらに、端部封止部材12を設置しないため、部品点数が削減でき、生産性が向上する。
なお、圧潰封止部18の先端を、点線で示すように溶接して溶接部WDを形成したり、一点鎖線で示すように圧潰封止部18を覆う樹脂製のキャップCPを設けるなどすれば、圧潰封止部18の密封性が高まる。溶接部WDやキャップCPは、本実施形態以外の実施形態において圧潰封止部を覆うように設けることができる。
[Embodiment 6]
FIG. 11 is a cross-sectional view taken along arrow B of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 3, showing a sealing structure at the end of a self-excited oscillating heat pipe in
In addition, if the tip of the crushing sealing
[実施形態7]
図12および図13は、実施形態7における、冷却装置を示す斜視図である。本実施形態は、実施形態1~6に対し、自励振動ヒートパイプ7の設置数を少なくした場合を想定した構成である。
[Embodiment 7]
12 and 13 are perspective views showing a cooling device in
実施形態1~6との相違点について説明する。図14は、実施形態7における、自励振動ヒートパイプの一端部の封止構造を示す、図12における長破線で囲われた部分のC矢視断面図である。また、図15は、実施形態7における、自励振動ヒートパイプの一端部の封止構造を示す、図12における点線で囲われた部分のD矢視断面図である。本実施形態では、自励振動ヒートパイプ7の端部立ち上がり部14に対し、端面に沿う方向に注入管16が直接接合される。注入管16は、図15に示すように2つの自励振動ヒートパイプ7を連結する形で接合され、各自励振動ヒートパイプ7を相互に連通する連通流路13を形成する。注入管16は、流路10の並び方向、すなわち立ち上がり方向に垂直な方向を向いている。注入管16に作動液を所定量注入した後、圧潰することで圧潰封止部18を形成して密閉封止する。比較的振動が小さい用途においては、上記実施形態のように端部封止部材12を設けることなく、端部立ち上がり部14に直接、注入管16を接合することができる。
Differences from
実施形態7の自励振動ヒートパイプ7の他端部の構造について説明する。図16は、実施形態7における、自励振動ヒートパイプの他端部の封止構造を示す、図13における長破線で囲われた部分のE矢視断面図である。また、図17は、実施形態7における、自励振動ヒートパイプの他端部の封止構造を示す、図13における点線で囲われた部分のF矢視断面図である。自励振動ヒートパイプ7の他端部における端部立ち上がり部14の先端には、注入管を有しない端部封止構造12’が接合される。端部封止構造12’には、連通流路13が設けられ、各自励振動ヒートパイプ7の内部の流路10は連通流路13により連通される。ここでは、単一の端部封止構造12’の連通流路13に仕切りを設け、一方の自励振動ヒートパイプ7の流路10と、他方の自励振動ヒートパイプ7の流路10とを互いに連通しないようにしている。ただし、連通流路13の仕切りを省略してもよい。
The structure of the other end of the self-excited
本実施形態の構成とすることでも、実施形態1と同様の効果を得ることができる。また、端部封止構造12’において連通流路13の仕切りを省略し、各自励振動ヒートパイプ7を相互に連通する連通流路13を形成した場合、反対の端部側から複数の自励振動ヒートパイプ7に対し一度に作動液を注入することができるため、生産性が向上する。なお、自励振動ヒートパイプ7の両端部に、注入管を有する端部封止部材12を設けてもよい。
Even with the configuration of this embodiment, the same effects as in
[実施形態8]
図18は、実施形態8における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図12における点線で囲われた部分のD矢視断面図である。実施形態7との相違点として、本実施形態では、一つの自励振動ヒートパイプ7につき注入管16が1本ずつ接合され、圧潰により各注入管16が個別に封止される。注入管16等により複数の自励振動ヒートパイプ7が連通可能に接合されている場合、一つの自励振動ヒートパイプ7に飛来物等が衝突して流路が破損した場合に、他の自励振動ヒートパイプ7からも作動液が漏洩してしまうため、冷却性能悪化が大きくなる。これに対し、一つの自励振動ヒートパイプ7につき注入管16が1本ずつ接合され、各々が独立して封止される構成とすることで、破損時の冷却性能悪化を抑えることができる。
なお、上述した端部封止部材を設ける構成においても、図15,17,18に示すものと同様な構成とすることができる。
[Embodiment 8]
FIG. 18 is a sectional view taken along arrow D of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 12, showing a sealing structure for the end of a self-excited vibrating heat pipe in
Note that even in the configuration in which the end sealing member described above is provided, the configuration can be similar to that shown in FIGS. 15, 17, and 18.
[実施形態9]
図19は、実施形態9における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図12における長破線で囲われた部分のC矢視断面図である。実施形態7との相違点として、自励振動ヒートパイプ7の端部立ち上がり部14の立ち上がり高さを極力小さくし、固定部材19を設けずに、自励振動ヒートパイプ7の端面に沿う方向に注入管16が直接接合される。端部立ち上がり部14の立ち上がり高さが低いため加振されにくく、そのため受熱板6と自励振動ヒートパイプ7との接合部に発生する応力が、接合部を破損させるほど大きくならない場合は、固定部材を設置しないことで、部品点数が削減できるため、生産性が向上する。
[Embodiment 9]
FIG. 19 is a cross-sectional view taken along arrow C of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 12, showing a sealing structure at the end of a self-excited oscillating heat pipe in
[実施形態10]
図20は、実施形態10における、自励振動ヒートパイプの端部の封止構造を示す、図12における長破線で囲われた部分のC矢視断面図である。本実施形態では、実施形態5のように、自励振動ヒートパイプ7の端部立ち上がり部14の先端をさらに90度曲げ、その先の端面に沿う方向に注入管16が直接接合され、固定部材19を介して端部立ち上がり部14と受熱板6とが連結される。このような構成においても、実施形態1と同様の効果を得ることができる。固定部材19を介して注入管16と受熱板6とを連結してもよい。
[Embodiment 10]
FIG. 20 is a cross-sectional view taken along arrow C of a portion surrounded by a long broken line in FIG. 12, showing the sealing structure of the end of the self-excited oscillating heat pipe in
[実施形態11]
図21は、実施形態11における、保護カバーを分解した状態での冷却装置を示す斜視図である。また、図22は、実施形態11における、保護カバーを取り付けた冷却装置を示す斜視図である。本実施形態の冷却装置5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20を設けている。保護カバー20は、自励振動ヒートパイプ7に対し、走行風の流れ方向(鉄道車両の進行方向)に対向して、所定寸法の通風孔21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は、通風孔21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。
[Embodiment 11]
FIG. 21 is a perspective view showing the cooling device in the eleventh embodiment with the protective cover disassembled. Further, FIG. 22 is a perspective view showing a cooling device with a protective cover attached in
このように保護カバー20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21を設けることで、保護カバー20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。
By providing the
また、図22に記載の保護カバー20には、鉛直方向(走行風と垂直な方向)にも対向して通風孔21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20の下面の通風孔21から上面の通風孔21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。
Further, the
一方、図22に記載の保護カバー20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22には、通風孔21は設けられていない。この面22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22に通風孔21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。
On the other hand, in the
[実施形態12]
図23は、実施形態12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。実施形態1では、発熱源である半導体素子3に対し、冷却装置5が水平向きに配置されるのに対し、本実施形態では、発熱源である半導体素子3に対し冷却装置5が鉛直方向下向きに配置され、電力変換装置1の底面から自励振動ヒートパイプ7がせり出して配置され、走行風8により放熱される。自励振動ヒートパイプ7は、流路内の圧力差により作動液が動作するため、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、設置姿勢による冷却性能への影響が小さい。電力変換装置1の側面の寸法制約が厳しく、冷却装置5を設置できる空間が無い場合は、本実施形態のように冷却装置5を電力変換装置1の底面に配置しても、冷却性能を維持することができる。
[Embodiment 12]
FIG. 23 is a sectional view of a power conversion device mounted on a railway vehicle in
[実施形態13]
図24は、実施形態13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。本実施形態では、冷却装置5が電力変換装置1の内部に設置され、発熱源である半導体素子3に対し冷却装置5が鉛直方向上向きに配置される。送風機23により冷却風24が自励振動ヒートパイプ7に供給されて放熱され、熱を受け取った冷却風24は電力変換装置1の側面から排気される。電力変換装置1の側面および底面の寸法制約が厳しく、冷却装置5を設置できる空間が無い場合は、本実施形態のように冷却装置5を電力変換装置1の内部に配置しても、冷却性能を維持することができる。
[Embodiment 13]
FIG. 24 is a cross-sectional view of a power conversion device mounted on a railway vehicle in
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。 Note that the present invention is not limited to the embodiments described above, and includes various modifications. For example, the embodiments described above are described in detail to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to having all the configurations described. Further, it is possible to replace a part of the configuration in one embodiment with the configuration in another embodiment, and it is also possible to add the configuration in another embodiment to the configuration in one embodiment. . Furthermore, it is also possible to add, delete, or replace some of the configurations in each embodiment with other configurations. For example, the present invention is applicable not only to railway vehicles but also to cooling devices for moving bodies such as automobiles, aircraft, and ships.
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:隔壁
12:端部封止部材
13:連通流路
14:自励振動ヒートパイプ7の端部立ち上がり部
15:端部立ち上がり部14と隣り合う立ち上がり部
16:注入管
17:圧潰工具
18:圧潰封止部
19:固定部材
20:保護カバー
21:通風孔
22:保護カバーの、受熱板6に接している側とは反対側(対向する側)の面
23:送風機
24:冷却風
1: Power conversion device 2: Railway vehicle 3: Semiconductor element 4: Electrical component group 5: Cooling device 6: Heat receiving plate 7: Self-excited vibration heat pipe 8: Traveling wind 9: Corrugate fin 10: Channel 11: Partition wall 12: End sealing member 13: Communication channel 14:
Claims (12)
前記自励振動ヒートパイプは、少なくとも一方の端部に端部立ち上がり部を有しており、前記端部立ち上がり部の高さは、前記自励振動ヒートパイプの最大高さよりも低く、
前記自励振動ヒートパイプの端部立ち上がり部には、作動液を注入するための注入管が接合されており、
前記自励振動ヒートパイプは複数設けられ、複数の前記自励振動ヒートパイプは前記注入管を介して連通する、
ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 A self-excited oscillating heat pipe having a sealed flow path that encloses a working fluid inside and extends while turning back and forth alternately along the longitudinal direction, and a heat receiving plate connected to the self-excited oscillating heat pipe and a heat generation source. death,
The self-excited oscillating heat pipe has an end rising portion at at least one end, and the height of the end rising portion is lower than the maximum height of the self-exciting oscillating heat pipe,
An injection pipe for injecting a working fluid is connected to a rising end portion of the self-excited vibration heat pipe,
A plurality of the self-excited oscillating heat pipes are provided, and the plurality of self-exciting oscillating heat pipes communicate with each other via the injection pipe.
A cooling device for a moving object, which is characterized by:
前記端部立ち上がり部が、固定部材を介して、前記自励振動ヒートパイプの立ち上がり部、あるいは前記受熱板に固定される、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to claim 1,
A cooling device for a moving body, wherein the end rising portion is fixed to the rising portion of the self-excited oscillating heat pipe or the heat receiving plate via a fixing member.
前記固定部材は金属製または樹脂製である、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to claim 2,
A cooling device for a moving object, wherein the fixing member is made of metal or resin.
前記注入管は、前記自励振動ヒートパイプの立ち上がり方向に対し垂直方向に向くように設置されている、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 3 ,
A cooling device for a moving body, characterized in that the injection pipe is installed so as to face perpendicularly to the rising direction of the self-excited vibration heat pipe.
前記注入管は、圧潰により封止されている、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 4 ,
A cooling device for a moving body, characterized in that the injection pipe is sealed by crushing.
前記注入管が圧潰により封止された後、溶接あるいは樹脂により圧潰封止部が覆われていることを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to claim 5 ,
A cooling device for a moving body, characterized in that after the injection pipe is sealed by crushing, the crushing sealing part is covered by welding or resin.
前記注入管は、前記受熱板の投影面内に配置されている、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 6 ,
A cooling device for a moving body, characterized in that the injection pipe is arranged within a projection plane of the heat receiving plate.
前記自励振動ヒートパイプに対し、冷却風の流れ方向に通風孔を備えた保護カバーを有する、ことを特徴とする、移動体用の冷却装置。 The cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 7 ,
A cooling device for a moving body, comprising a protective cover provided with ventilation holes in the direction of flow of cooling air for the self-excited oscillating heat pipe.
前記保護カバーには、前記自励振動ヒートパイプに対し鉛直方向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。 The cooling device for a moving body according to claim 8 ,
A cooling device for a moving body, characterized in that the protective cover is provided with ventilation holes on an upper surface and a lower surface in a vertical direction relative to the self-excited vibration heat pipe.
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。 The cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 9 ,
A cooling device for a mobile object, wherein the working fluid is a hydrofluoroolefin.
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、電力変換装置。 A cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 10 ,
A power conversion device comprising: a power conversion circuit including a semiconductor element that is the heat generation source.
前記冷却装置の前記自励振動ヒートパイプに対し、冷却風を供給する送風装置を有する、ことを特徴とする、電力変換装置。 The power conversion device according to claim 11 ,
A power conversion device comprising: a blower device that supplies cooling air to the self-excited oscillating heat pipe of the cooling device.
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