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JP7513482B2 - Cooler for moving body, power conversion device for railway vehicle, cooling method for moving body, and cooling method for power conversion device for railway vehicle - Google Patents
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JP7513482B2 - Cooler for moving body, power conversion device for railway vehicle, cooling method for moving body, and cooling method for power conversion device for railway vehicle - Google Patents

Cooler for moving body, power conversion device for railway vehicle, cooling method for moving body, and cooling method for power conversion device for railway vehicle Download PDF

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Description

本発明は、移動体用冷却器、鉄道車両用電力変換装置、移動体用冷却方法、及び鉄道車両用電力変換装置の冷却方法に関する。 The present invention relates to a cooling device for a moving body, a power conversion device for a railway vehicle, a cooling method for a moving body, and a cooling method for a power conversion device for a railway vehicle.

鉄道車両の床下には、駆動用電動機に供給する電力を制御する電力変換装置が設置される。電力変換装置には、電流のスイッチングを行って直流/交流の変換を行う半導体素子が設置される。 A power conversion device that controls the power supplied to the traction motor is installed under the floor of the railway vehicle. The power conversion device is equipped with semiconductor elements that perform current switching to convert between DC and AC.

半導体素子は、通電時及びスイッチング時に熱が発生し、この熱により半導体素子が高温になると、変換効率の低下や素子破壊が懸念されるため、半導体素子を所定の温度範囲になるように冷却する必要がある。このような半導体素子を用いた電力変換装置は、車両の床下等に搭載されることが多く、搭載スペースが制約されるため、よりコンパクトで効率の良い冷却器を具備することが必要である。 Semiconductor elements generate heat when current is applied and when switching occurs. If the semiconductor elements become too hot due to this heat, there is a concern that the conversion efficiency may decrease or the elements may be destroyed, so the semiconductor elements must be cooled to maintain a specified temperature range. Power conversion devices using such semiconductor elements are often mounted under the floor of a vehicle, etc., and since mounting space is limited, it is necessary to provide a more compact and efficient cooler.

鉄道車両の床下に搭載される半導体素子等の発熱源を有する電力変換回路(車両用半導体装置)に付設される冷却器の一例として、鉄道車両が走行したとき複数個の冷却器の放熱フィンの上方に走行風を流す整風板を設けた、車両用半導体装置の冷却装置の構造が特許文献1に開示されている。これにより、後段の冷却器の放熱フィンに前段の冷却器の放熱フィンで熱交換された熱風が流れ込むことがなくなり、冷却効率が向上する、すなわち、あおり熱による冷却効率の低下を避けけられる、との効果が示されている。 As an example of a cooler attached to a power conversion circuit (vehicle semiconductor device) having a heat source such as a semiconductor element mounted under the floor of a railway vehicle, Patent Document 1 discloses a structure of a cooling device for a vehicle semiconductor device, which is provided with a baffle plate that directs the running wind above the heat dissipation fins of multiple coolers when the railway vehicle is moving. This prevents hot air that has been heat exchanged by the heat dissipation fins of the front stage cooler from flowing into the heat dissipation fins of the rear stage cooler, improving the cooling efficiency, i.e., preventing a decrease in cooling efficiency due to wind heat.

特開2001-24124号公報JP 2001-24124 A

特許文献1の構造は、放熱フィンの間への通風作用は、車両の走行風を積極的に活用した作用でなく、もっぱら、熱交換後の温度上昇に伴って膨張し、比重が軽くなった空気の浮力で生じる自然対流の作用にとどまる構造である。そのため、前段の放熱フィンで熱交換された熱風が後段の放熱フィンへ流れ込むことによって、冷却効率が低下する現象、すなわち、あおり熱の害は低減されたとしても、走行風を生かして冷却効率を高める効果は得られなかった。 In the structure of Patent Document 1, the ventilation action between the heat dissipation fins does not actively utilize the wind from the vehicle as it travels, but is limited to the action of natural convection caused by the buoyancy of the air that expands with the rise in temperature after heat exchange and becomes lighter in specific gravity. Therefore, even if the phenomenon in which the cooling efficiency decreases when the hot air that has been heat exchanged in the front heat dissipation fins flows into the rear heat dissipation fins, i.e., the damage caused by wind, is reduced, the effect of improving the cooling efficiency by utilizing the wind from the vehicle is not obtained.

本発明は、上述した課題を解決するためのものであり、走行風を効率良く取り込んで冷却効率を高めた移動体用冷却器を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a cooling device for a moving body that efficiently takes in the wind generated by the vehicle while it is moving, thereby improving cooling efficiency.

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冷却器の一つは、移動体の床下に備わる発熱源を冷却する移動体用冷却器であって、発熱源に対する受熱板と、受熱板の放熱フィンと、受熱板と放熱フィンとの移動体の移動方向の端面を覆い、受熱板の上方に走行風を誘導する導風体と、受熱板と放熱フィンの側面に位置する側板と、側板に対する底板と、を備え、導風体と底板との間に走行風を取り込む開口が設けられている。 To solve the above problems, one representative mobile body cooler according to the present invention is a mobile body cooler that cools a heat source provided under the floor of a mobile body, and includes a heat receiving plate for the heat source, heat dissipation fins for the heat receiving plate, an air guide that covers the end faces of the heat receiving plate and the heat dissipation fins in the direction of movement of the mobile body and guides the traveling air above the heat receiving plate, side plates located on the sides of the heat receiving plate and the heat dissipation fins, and a bottom plate for the side plates, and an opening is provided between the air guide and the bottom plate to take in the traveling air.

本発明によれば、走行風を効率良く取り込んで冷却効率を高めた移動体用冷却器を提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。 The present invention provides a cooling device for a moving object that efficiently takes in the wind generated by the vehicle while it is moving, improving the cooling efficiency. Problems, configurations, and effects other than those described above will become clear from the description of the embodiments below.

本発明の実施例1に係る鉄道車両用電力変換装置について、鉄道車両の移動方向を基準にした正面模式図である。1 is a schematic front view of a railway vehicle power conversion device according to a first embodiment of the present invention, taken along the line corresponding to the direction of movement of the railway vehicle. 図1の鉄道車両用電力変換装置における発熱源と移動体用冷却器の関係を示す斜視図である。2 is a perspective view showing a relationship between a heat source and a moving body cooler in the railcar power conversion device of FIG. 1 . 図1の鉄道車両用電力変換装置について、概略構成を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the railcar power conversion device of FIG. 1 . 図1の鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。2 is a schematic diagram of the railcar power converter of FIG. 1 as viewed from the sleeper direction. FIG. 本発明の実施例2に係る鉄道車両用電力変換装置について、概略構成を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of a railway vehicle power conversion device according to a second embodiment of the present invention. 図5の鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。6 is a schematic diagram of the railcar power converter of FIG. 5 as viewed from the sleeper direction. 本発明の実施例3において、ヒートパイプを用いた移動体用冷却器と発熱源との関係を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing a relationship between a heat source and a moving body cooler using a heat pipe in a third embodiment of the present invention. 本発明の実施例3に係る鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a railway vehicle power conversion device according to a third embodiment of the present invention, as viewed from the sleeper direction. 本発明の実施例4において、自励振動ヒートパイプを用いた移動体用冷却器と発熱源との関係を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing the relationship between a heat source and a moving body cooler using a self-excited oscillating heat pipe in a fourth embodiment of the present invention. 本発明の実施例4に係る鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram of a railway vehicle power conversion device according to a fourth embodiment of the present invention, as viewed from the sleeper direction. 本発明の実施例5に係る鉄道車両用電力変換装置について、鉄道車両の移動方向を基準にした正面模式図である。FIG. 11 is a schematic front view of a railway vehicle power conversion device according to a fifth embodiment of the present invention, taken along the line corresponding to the direction of movement of the railway vehicle. 図11の鉄道車両用電力変換装置における発熱源と移動体用冷却器の関係を示す斜視図である。12 is a perspective view showing the relationship between a heat source and a moving body cooler in the railcar power conversion device of FIG. 11 . 図11の鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。12 is a schematic diagram of the railcar power converter of FIG. 11 viewed from the sleeper direction. FIG. 本発明の実施例6に係る鉄道車両用電力変換装置について、鉄道車両の移動方向を基準にした正面模式図である。FIG. 13 is a schematic front view of a railway vehicle power conversion device according to a sixth embodiment of the present invention, taken along the line corresponding to the direction of movement of the railway vehicle. 図14の鉄道車両用電力変換装置における発熱源と移動体用冷却器の関係を示す斜視図である。15 is a perspective view showing the relationship between a heat source and a moving body cooler in the railcar power converter of FIG. 14 . 図14の鉄道車両用電力変換装置を枕木方向から見た模式図である。15 is a schematic diagram of the railcar power converter of FIG. 14 viewed from the sleeper direction. FIG. 図14の電力変換装置の内部を枕木方向から見た模式図である。15 is a schematic diagram of the inside of the power conversion device of FIG. 14 as viewed from the sleeper direction.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。実施例1は図1~図4に示し、実施例2は図5~図6に示し、実施例3は図7~図8に示し、実施例4は図9~図10に示し、実施例5は図11~図13に示し、実施例6は図14~図17に示している。なお、鉄道車両用電力変換装置(以下「電力変換装置」ともいう)の符号について、実施例1では1A、実施例2では1B、実施例3では1C、実施例4では1D、実施例5では1E、実施例6では1F、とするが、実施例1~実施例6を区別しない場合は1とする。また、移動体用冷却器(以下「冷却器」ともいう)の符号について、実施例1及び実施例2では6A、実施例3では6B、実施例4では6C、実施例5では6D、実施例6では6E、とするが、実施例1~実施例6を区別しない場合は6とする。 Below, the embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Example 1 is shown in Figs. 1 to 4, Example 2 is shown in Figs. 5 to 6, Example 3 is shown in Figs. 7 to 8, Example 4 is shown in Figs. 9 to 10, Example 5 is shown in Figs. 11 to 13, and Example 6 is shown in Figs. 14 to 17. The reference numerals of the electric power converter for rail vehicles (hereinafter also referred to as "electric power converter") are 1A in Example 1, 1B in Example 2, 1C in Example 3, 1D in Example 4, 1E in Example 5, and 1F in Example 6, but 1 is used when Examples 1 to 6 are not differentiated. The reference numerals of the cooler for a moving body (hereinafter also referred to as "cooler") are 6A in Examples 1 and 2, 6B in Example 3, 6C in Example 4, 6D in Example 5, and 6E in Example 6, but 6 is used when Examples 1 to 6 are not differentiated.

なお、図面には座標軸を記載しており、走行(移動)方向Xはレールが設置される方向であり鉄道車両(移動体)2の移動方向を示し、枕木方向Yはレールとレールをつなぐ枕木が設置される方向を示し、高さ方向Zは鉛直上向きの方向を示している。また、電力変換装置1とは、電力変換回路に冷却器を組み合わせたものをいう。電力変換回路は、主に半導体スイッチング素子等の発熱源3を有するインバータやコンバータであり、制御基板まで含むが冷却器は含めない。冷却器は、もっぱら冷却のみを目的とした機能部位をいう。 The coordinate axes are shown in the drawing, with the running (moving) direction X being the direction in which the rails are installed and indicating the direction in which the railway vehicle (moving body) 2 moves, the sleeper direction Y being the direction in which the sleepers connecting the rails are installed, and the height direction Z indicating the vertical upward direction. Furthermore, the power conversion device 1 refers to a combination of a power conversion circuit with a cooler. The power conversion circuit is primarily an inverter or converter that has a heat source 3 such as a semiconductor switching element, and includes a control board but does not include a cooler. The cooler refers to a functional part whose sole purpose is cooling.

図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置1Aについて、鉄道車両2の移動方向を基準にした正面模式図である。電力変換装置1A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。 Figure 1 is a schematic front view of a power conversion device 1A according to a first embodiment of the present invention, taken along the direction of movement of a railway vehicle 2. The power conversion device 1A is installed under the floor of the railway vehicle 2, and controls the rotation speed of an electric motor (not shown) that drives the railway vehicle 2 by changing the frequency of the power supplied to the electric motor.

電力変換装置1Aの内部には、電力変換回路を構成する複数の半導体素子(発熱源)3と、コンデンサ4と、制御基板5等のほか、半導体素子3の通電制御に必要な電気部品が設置される。半導体素子3は、通電時及び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3(同一符号)となる。 Inside the power conversion device 1A, there are installed multiple semiconductor elements (heat sources) 3 that make up the power conversion circuit, a capacitor 4, a control board 5, etc., as well as electrical components necessary for controlling the flow of current to the semiconductor elements 3. The semiconductor elements 3 generate heat loss when current is applied and when they are switched ON/OFF, and this heat loss is dissipated into the outside air, becoming the heat source 3 (same symbol).

冷却器6Aは電力変換装置1Aの側面に配置される。冷却器6Aには、鉄道車両2が走行した際に発生する走行風9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、前後何れの方向にも移動するので、移動方向で決まる走行風9が生じることになる。 The cooler 6A is placed on the side of the power conversion device 1A. The cooler 6A is supplied with the wind 9 generated when the railcar 2 moves in a direction perpendicular to the plane of the paper in FIG. 1, and dissipates the heat loss generated by the semiconductor element 3. The railcar 2 moves in both forward and backward directions, so the wind 9 generated is determined by the direction of movement.

また、電力変換装置1A及び冷却器6Aは、それらを搭載した鉄道車両2が走行中に、線路脇の周囲構造物と干渉しない位置に設置される。すなわち、電力変換装置1A及び冷却器6Aは、鉄道車両2の側面に対し、枕木方向の内側に収まる範囲に設置される。このため、冷却器6Aは、鉄道車両2の車体床面10の下部に配置される。 The power conversion device 1A and the cooler 6A are also installed in a position where they do not interfere with surrounding structures beside the tracks while the railway vehicle 2 carrying them is in motion. In other words, the power conversion device 1A and the cooler 6A are installed within an area that fits inside the side of the railway vehicle 2 in the direction of the sleepers. For this reason, the cooler 6A is placed under the car body floor surface 10 of the railway vehicle 2.

図2は、図1の電力変換装置1Aにおける発熱源3と移動体用冷却器6Aの関係を示す斜視図である。冷却器6Aは、受熱板7と放熱フィン8で構成される。受熱板7は、複数の半導体素子3が同一面に取り付けられた状態で、一例として、高さ方向に立てた姿勢を維持するように電力変換装置1Aに設置される。 Figure 2 is a perspective view showing the relationship between the heat source 3 and the mobile cooler 6A in the power conversion device 1A of Figure 1. The cooler 6A is composed of a heat receiving plate 7 and heat dissipation fins 8. The heat receiving plate 7 is installed in the power conversion device 1A so that, as an example, it maintains an upright position in the vertical direction with multiple semiconductor elements 3 attached to the same surface.

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。放熱フィン8は上下方向に通風させ易く設置され、放熱フィン8の間に空気を供給することで、半導体素子3から発生した熱損失が空中に放熱される。 The semiconductor element 3 is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). The heat dissipation fins 8 are installed to facilitate ventilation in the vertical direction, and by supplying air between the heat dissipation fins 8, the heat loss generated by the semiconductor element 3 is dissipated into the air.

図3は、図1の電力変換装置1Aについて、概略構成を示す斜視図である。図3では、電力変換装置1Aの上部に位置する鉄道車両2を図示せず省略している。走行方向に対する冷却器6Aの前段、及び後段のそれぞれには、走行方向から見た冷却器6Aの投影面を覆う範囲に、導風スロープ(以下、「導風体」ともいう)11が設置される。前段と後段の導風スロープ11は、各々対称の形状である。 Figure 3 is a perspective view showing the schematic configuration of the power conversion device 1A of Figure 1. In Figure 3, the railway vehicle 2 located above the power conversion device 1A is not shown. At the front and rear stages of the cooler 6A in the running direction, air guide slopes (hereinafter also referred to as "air guide bodies") 11 are installed in an area covering the projection surface of the cooler 6A as seen from the running direction. The front and rear air guide slopes 11 are symmetrical in shape.

また、冷却器6Aの枕木方向側には側板13が配置され、冷却器6Aの下側には底板12が設置されている。側板13は、冷却器6Aや導風スロープ11よりも広い範囲を覆う大きさである。このように、冷却器6Aは、導風スロープ11、側板13、及び底板12に覆われており、走行方向、枕木方向、及び下面からは直接見えない位置に配置される。また、導風スロープ11の下側と、底板12と、側板13と、に囲まれた空間には、走行風9を取り込むための開口14が設けられる。 A side plate 13 is disposed on the sleeper side of the cooler 6A, and a bottom plate 12 is installed below the cooler 6A. The side plate 13 is large enough to cover a larger area than the cooler 6A and the air guide slope 11. In this way, the cooler 6A is covered by the air guide slope 11, side plate 13, and bottom plate 12, and is disposed in a position that is not directly visible from the running direction, sleeper direction, or underneath. An opening 14 is provided in the space surrounded by the underside of the air guide slope 11, the bottom plate 12, and the side plate 13 to take in the running wind 9.

図4は、図1の電力変換装置1Aを枕木方向から見た模式図である。図4では、側板13を図示せず省略している。放熱フィン8は、通風して放熱する空冷効果を高めるため、空気に触れる高温部の表面積を広く確保できて、しかもコンパクトにまとめられる集合体に形成される。その集合体の外形は概ね直方体であり、通常使用時の姿勢では鉛直面と水平面が得られる。なお、直方体の鉛直面は4面ともに通風を遮断される。 Figure 4 is a schematic diagram of the power conversion device 1A of Figure 1, seen from the sleeper direction. In Figure 4, the side panels 13 are not shown. The heat dissipation fins 8 are formed into a compact assembly that ensures a large surface area for the high-temperature parts exposed to air, in order to enhance the air-cooling effect of dissipating heat through ventilation. The outer shape of the assembly is roughly a rectangular parallelepiped, and in the normal usage position, it has vertical and horizontal surfaces. All four vertical faces of the rectangular parallelepiped are blocked from ventilation.

導風スロープ11は、移動体2の移動方向を基準として直方体の前後方向それぞれに仮想する直方体の投影面を覆う範囲に設置される。側板13は、走行(移動)方向を基準として直方体の側面を被覆する。底板12は、直方体の底面から所定隙間を確保するように離間して平行に設置される。 The wind guide slope 11 is installed in an area that covers the projection surface of the rectangular parallelepiped in both the front and rear directions of the rectangular parallelepiped based on the direction of movement of the moving body 2. The side plates 13 cover the sides of the rectangular parallelepiped based on the running (movement) direction. The bottom plate 12 is installed parallel to and spaced apart from the bottom surface of the rectangular parallelepiped to ensure a specified gap.

導風スロープ11は、直方体の天面を形成する前後両方の辺それぞれに接続された基端から、終点の端部に向けて延設される。移動体2の移動方向を基準に導風スロープ11を側面視すると、直方体の中心から離れるにつれて下り勾配である。換言すれば、冷却器6Aにおいて、導風スロープ11は、床面10の下側と間に形成される上部空間の鉛直方向の断面積が、直方体から前後方向に離れるにつれて大きくなるように構成される。 The air guide slope 11 extends from a base end connected to each of the front and rear sides that form the top surface of the rectangular parallelepiped toward the end of the terminal point. When the air guide slope 11 is viewed from the side with respect to the direction of movement of the moving body 2 as a reference, it slopes downward as it moves away from the center of the rectangular parallelepiped. In other words, in the cooler 6A, the air guide slope 11 is configured so that the vertical cross-sectional area of the upper space formed between the lower side of the floor surface 10 and the slope increases as it moves away from the rectangular parallelepiped in the front-rear direction.

また、導風スロープ11について、さらに換言すれば、走行(移動)方向を基準として、冷却器6Aを前後に離れた何れかの方向から直方体の中心を見た場合、導風スロープ11は、車体床面10の下側と冷却器6Aの間の上部空間15の断面積が、徐々に小さくなるように、斜め方向に設置されている。これにより、導風スロープ11の上部に供給された走行風9は、上部空間15に向かうにつれ加速される。 In other words, the wind guide slope 11 is installed at an angle so that when the center of the rectangular parallelepiped is viewed from either the front or rear of the cooler 6A, with the driving (movement) direction as the reference, the cross-sectional area of the upper space 15 between the underside of the vehicle body floor surface 10 and the cooler 6A gradually decreases. As a result, the driving wind 9 supplied to the upper part of the wind guide slope 11 is accelerated as it approaches the upper space 15.

また、走行風9は開口14から冷却器6Aの下部空間16に供給され、一部は放熱フィン8の間に供給され、一部は後段側の開口14から外部に排出される。また、山形の導風スロープ11の頂部の上面と、冷却器6Aの上面は同程度の高さに配置される。 The running wind 9 is supplied from the opening 14 to the lower space 16 of the cooler 6A, part of it is supplied between the heat dissipation fins 8, and part of it is discharged to the outside from the opening 14 on the rear side. The top surface of the mountain-shaped wind guide slope 11 and the top surface of the cooler 6A are positioned at approximately the same height.

実施例1の効果について説明する。冷却器6Aは、導風スロープ11、側板13、及び底板12により覆われている。また、冷却器6Aは、走行方向、枕木方向、及び下面から直接見えない位置に配置されている。したがって、冷却器6Aには、レール周囲に設置されたバラスト石等の飛来物が直接衝突することが無くなる。そのため、冷却器6Aの破損を抑制することができ、信頼性が向上する。 The effects of Example 1 will be explained. The cooler 6A is covered by the air guide slope 11, the side plate 13, and the bottom plate 12. The cooler 6A is also placed in a position that is not directly visible in the running direction, in the sleeper direction, or from the bottom. Therefore, the cooler 6A is not directly hit by flying objects such as ballast stones installed around the rail. Therefore, damage to the cooler 6A can be suppressed, and reliability is improved.

導風スロープ11の上面と、車体床面10の下側との間に形成された通風路は、冷却器6Aの上部空間15で縊れる構成である。このような通風路の縊れた箇所、すなわち、冷却器6Aの上部空間15で走行風9が加速されることで、上部空間15の静圧が低下する。この作用により、冷却器6Aの上部空間15と下部空間16との間で圧力差が生じ、導風スロープ11の下側の開口14から冷却器6Aの下部空間16に取り込まれた走行風9が、冷却器6Aの放熱フィン8の間を通過する上昇気流17が発生し、上部空間15に吸い上げられる。このとき、直方体の底面から天面に向けてのみ通風される。 The ventilation passage formed between the upper surface of the wind guide slope 11 and the underside of the vehicle body floor surface 10 is configured to be constricted in the upper space 15 of the cooler 6A. The static pressure in the upper space 15 decreases as the traveling wind 9 accelerates at the constricted portion of the ventilation passage, i.e., in the upper space 15 of the cooler 6A. This action creates a pressure difference between the upper space 15 and the lower space 16 of the cooler 6A, and the traveling wind 9 taken in from the opening 14 on the lower side of the wind guide slope 11 into the lower space 16 of the cooler 6A generates an ascending air current 17 that passes between the heat dissipation fins 8 of the cooler 6A and is sucked up into the upper space 15. At this time, the air is ventilated only from the bottom surface of the rectangular parallelepiped to the top surface.

これにより、放熱フィン8の間に走行風9が効率よく供給され、冷却効率が向上する。また、冷却器6Aの後段にも、図4に示す枕木方向から見て、前段と対称な山形の導風スロープ11を設置することで、鉄道車両2が反対方向に走行した場合においても、同様に上昇気流17を発生させる効果が得られるため、走行方向によらず放熱フィン8の間に走行風が効率よく供給され、冷却効率の良い冷却器を提供することができる。 This allows the running wind 9 to be efficiently supplied between the heat dissipation fins 8, improving cooling efficiency. Also, by installing a mountain-shaped wind guide slope 11 symmetrical to the front section when viewed from the sleeper direction as shown in Figure 4 at the rear section of the cooler 6A, the effect of generating an updraft 17 can be obtained in the same way even when the railway vehicle 2 is traveling in the opposite direction, so that the running wind can be efficiently supplied between the heat dissipation fins 8 regardless of the traveling direction, and a cooler with good cooling efficiency can be provided.

また、側板13が、冷却器6Aや導風スロープ11よりも広い範囲を覆う大きさであることにより、開口14から取り込んだ走行風9や、導風スロープ11の上部から取り込んだ走行風9が、枕木方向に流出するのを防いでいる。仮に枕木方向に走行風9が流出すると、上部空間15と下部空間16の圧力差が生じづらくなり、放熱フィン8の間に走行風9が効率よく供給されなくなるため、側板13の設置により、冷却効率が向上する。 In addition, the side panels 13 are large enough to cover a wider area than the cooler 6A and the air guide slope 11, preventing the traveling wind 9 taken in through the opening 14 and the traveling wind 9 taken in from the top of the air guide slope 11 from flowing out in the direction of the sleepers. If the traveling wind 9 flowed out in the direction of the sleepers, it would be difficult to create a pressure difference between the upper space 15 and the lower space 16, and the traveling wind 9 would not be efficiently supplied between the heat dissipation fins 8. Therefore, the installation of the side panels 13 improves cooling efficiency.

また、導風スロープ11の上部で加速された走行風9が剥離すると、上部空間15と下部空間16の圧力差が生じ難くなり、放熱フィン8の間に走行風9が効率よく供給されなくなる。導風スロープ11の上面と、冷却器6Aの上面は同程度の高さに配置されることにより、導風スロープ11の上部で加速された走行風9が剥離することを抑制することができる。 In addition, if the accelerated running wind 9 at the top of the air guide slope 11 separates, it becomes difficult to create a pressure difference between the upper space 15 and the lower space 16, and the running wind 9 is not efficiently supplied between the heat dissipation fins 8. By arranging the upper surface of the air guide slope 11 and the upper surface of the cooler 6A at approximately the same height, it is possible to prevent the accelerated running wind 9 at the top of the air guide slope 11 from separating.

図5は、本発明の実施例2に係る電力変換装置1Bについて、概略構成を示す斜視図である。また、図6は、図5の電力変換装置1Bを枕木方向から見た模式図である。車体床面10と冷却器6Aの上部空間15には、実施例1よりも上部空間15の断面積をさらに小さくするための天井板18が設置される。 Figure 5 is a perspective view showing the schematic configuration of a power conversion device 1B according to a second embodiment of the present invention. Also, Figure 6 is a schematic view of the power conversion device 1B of Figure 5 as seen from the sleeper direction. A ceiling plate 18 is installed in the upper space 15 of the car body floor surface 10 and the cooler 6A to further reduce the cross-sectional area of the upper space 15 compared to the first embodiment.

電力変換装置1Bや車体床面10の周辺の構成部材との配置の兼ね合いから、上部空間15の断面積をそれほど小さくできない場合もある。その場合、天井板18により上部空間15の断面積をさらに小さくすることで、実施例1と同様に、上部空間15と下部空間16との間に生じる圧力差を確保できる。その結果、電力変換装置1Bは、冷却器6Aを構成する放熱フィン8の間に走行風9が効率よく供給されるので、冷却効率を向上できる。 In some cases, the cross-sectional area of the upper space 15 cannot be made very small due to the balance between the arrangement of the power conversion device 1B and the surrounding components of the vehicle floor surface 10. In such cases, the cross-sectional area of the upper space 15 can be further reduced by using the ceiling plate 18, thereby ensuring the pressure difference between the upper space 15 and the lower space 16, as in Example 1. As a result, the power conversion device 1B can improve cooling efficiency by efficiently supplying the running wind 9 between the heat dissipation fins 8 that make up the cooler 6A.

図7は、本発明の実施例3において、ヒートパイプを用いた冷却器6Bと発熱源3との関係を示す斜視図である。また、図8は、本発明の実施例3に係る電力変換装置1Cを枕木方向から見た模式図である。 Figure 7 is a perspective view showing the relationship between a heat source 3 and a cooler 6B using a heat pipe in the third embodiment of the present invention. Also, Figure 8 is a schematic diagram of a power conversion device 1C according to the third embodiment of the present invention, viewed from the sleeper direction.

実施例3の冷却器6Bは、受熱板7から放熱フィン8に熱を伝えるためのヒートパイプ19を複数備える。ヒートパイプは一般的に、銅製の管の中に、作動液として純水、エタノール、メタノール等が封入される。これにより、放熱フィン8の間への走行風9の供給を阻害することなく、冷却効率を向上することができる。 The cooler 6B of the third embodiment has multiple heat pipes 19 for transferring heat from the heat receiving plate 7 to the heat dissipation fins 8. Heat pipes generally have a copper tube filled with pure water, ethanol, methanol, or the like as a working fluid. This improves the cooling efficiency without impeding the supply of the running wind 9 between the heat dissipation fins 8.

図9は、本発明の実施例4において、自励振動ヒートパイプ20を用いた冷却器6Cと発熱源3との関係を示す斜視図である。また、図10は、本発明の実施例4に係る電力変換装置1Dを枕木方向から見た模式図である。 Figure 9 is a perspective view showing the relationship between a cooler 6C using a self-excited oscillating heat pipe 20 and a heat source 3 in the fourth embodiment of the present invention. Also, Figure 10 is a schematic diagram of a power conversion device 1D according to the fourth embodiment of the present invention, viewed from the sleeper direction.

実施例4の冷却器6Cは、放熱フィン8の代わりに自励振動ヒートパイプ20を複数備える。自励振動ヒートパイプ20は、受熱板7側を第一連結板21、反対側を第二連結板22で保持された多孔扁平管で構成される。この自励振動ヒートパイプ20は、第一連結板21、第二連結板22の間、すなわち、温度が高くなる受熱側と、冷却風が通過する放熱側とを交互に通過する蛇行流路(図示せず)を内部に備える。 The cooler 6C of Example 4 has multiple self-excited oscillating heat pipes 20 instead of heat dissipation fins 8. The self-excited oscillating heat pipes 20 are composed of a porous flat tube held by a first connecting plate 21 on the heat receiving plate 7 side and a second connecting plate 22 on the opposite side. This self-excited oscillating heat pipe 20 has a serpentine flow path (not shown) inside that alternates between the first connecting plate 21 and the second connecting plate 22, i.e., the heat receiving side where the temperature increases and the heat dissipation side through which cooling air passes.

あるいは、第一連結板21、第二連結板22に、隣り合う自励振動ヒートパイプ20の中の流路をつなげる連結流路(図示せず)を設けて、複数の自励振動ヒートパイプ20をつなげた流路が、温度が高くなる受熱側と、冷却風が通過する放熱側とを交互に通過する構成としても良い。 Alternatively, a connecting flow path (not shown) that connects the flow paths in adjacent self-excited oscillating heat pipes 20 may be provided on the first connecting plate 21 and the second connecting plate 22, so that the flow path connecting multiple self-excited oscillating heat pipes 20 alternates between the heat receiving side, where the temperature is high, and the heat dissipating side, where cooling air passes through.

流路の中には、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 flow path. Examples of working fluids that can be used include water, alcohols, hydrocarbons such as butane, hydrofluorocarbons, hydrofluoroethers, hydrofluoroolefins, and perfluoroketones.

実施例4の効果を説明する。実施例3のようなヒートパイプ19では、重力により作動液を受熱板7側に還流させる必要があるため、ヒートパイプ19は高さ方向に角度を付けて設置する必要があり、デッドスペースが生まれる。 The effect of Example 4 will be explained. In the case of the heat pipe 19 as in Example 3, the working fluid needs to be returned to the heat receiving plate 7 side by gravity, so the heat pipe 19 needs to be installed at an angle in the vertical direction, which creates dead space.

一方、自励振動ヒートパイプ20は、内部の作動液の沸騰に伴う圧力差により、作動液を受熱板7側に還流させる。そのため、自励振動ヒートパイプ20ではヒートパイプ19のように高さ方向に角度をつけて設置する必要がない。 On the other hand, the self-excited oscillating heat pipe 20 circulates the working fluid to the heat receiving plate 7 side due to the pressure difference caused by the boiling of the working fluid inside. Therefore, the self-excited oscillating heat pipe 20 does not need to be installed at an angle in the vertical direction like the heat pipe 19.

これにより、冷却器6の設置スペースを小型化することができる。また、自励振動ヒートパイプ20の間には放熱フィン8を設置しても良く、放熱フィン8を設置することで放熱面積が拡大し、冷却効率を向上することができる。 This allows the installation space for the cooler 6 to be reduced. In addition, heat dissipation fins 8 may be installed between the self-excited oscillating heat pipes 20, which increases the heat dissipation area and improves cooling efficiency.

なお、実施例4の冷却器6C、及び後述する実施例6の冷却器6Eは、何れも放熱フィン8の代わりに多孔扁平管による複数の自励振動ヒートパイプ20で構成される。この自励振動ヒートパイプ20は、その外形が多孔扁平管による折り曲げたリボン状であるため、リボン状の放熱フィンと考えても良い。 The cooler 6C of Example 4 and the cooler 6E of Example 6 described below are both configured with multiple self-excited oscillating heat pipes 20 made of porous flat tubes instead of heat dissipation fins 8. The self-excited oscillating heat pipes 20 have an external shape like a folded ribbon made of porous flat tubes, so they can be considered as ribbon-shaped heat dissipation fins.

図11は、本発明の実施例5に係る電力変換装置1Eについて、鉄道車両の移動方向を基準にした正面模式図である。図12は、図11の電力変換装置1Eにおける発熱源3と移動体用冷却器の関係を示す斜視図である。 Figure 11 is a schematic front view of a power conversion device 1E according to a fifth embodiment of the present invention, based on the direction of travel of a railway vehicle. Figure 12 is a perspective view showing the relationship between the heat source 3 and the moving body cooler in the power conversion device 1E of Figure 11.

図13は、図11の電力変換装置1Eを枕木方向から見た模式図である。図11では、電力変換装置1Eの中に設置されるコンデンサ4や制御基板5は図示せず省略している。実施例5の電力変換装置1Eにおいて、受熱板7は水平方向に設置され、複数の半導体素子3が受熱板7の同一面に設置される。 Figure 13 is a schematic diagram of the power conversion device 1E of Figure 11 as viewed from the sleeper direction. In Figure 11, the capacitor 4 and control board 5 installed in the power conversion device 1E are not shown. In the power conversion device 1E of Example 5, the heat receiving plate 7 is installed horizontally, and multiple semiconductor elements 3 are installed on the same surface of the heat receiving plate 7.

実施例5の電力変換装置1Eにおいて、ヒートパイプ19の片側は受熱板7に埋設され、もう片側は電力変換装置1Eの側面側に突出するように設置され、突出した部分には複数の放熱フィン8が設置される。また、図11に示すように、ヒートパイプ19の突出した部分は、高さ方向に角度をつけて設置される。 In the power conversion device 1E of the fifth embodiment, one side of the heat pipe 19 is embedded in the heat receiving plate 7, and the other side is installed so as to protrude from the side of the power conversion device 1E, and multiple heat dissipation fins 8 are installed on the protruding part. Also, as shown in FIG. 11, the protruding part of the heat pipe 19 is installed at an angle in the height direction.

このように、受熱板7を水平方向に設置することで、冷却器6Dの高さ方向の設置スペースを削減し、電力変換装置1Eを小型化することができる。また、ヒートパイプ19を受熱板7の中に埋設することで、冷却効率の向上とコンパクト化との両立も図れる。 In this way, by installing the heat receiving plate 7 horizontally, the installation space in the height direction of the cooler 6D can be reduced, and the power conversion device 1E can be made smaller. In addition, by embedding the heat pipe 19 in the heat receiving plate 7, it is possible to achieve both improved cooling efficiency and compactness.

なお、本実施例では、受熱板7の同一面に複数の半導体素子3が設置される構成を示したが、受熱板7の対向する二面に、それぞれ半導体素子3を取り付ける構成(不図示)としても良く、これにより冷却器6の枕木方向の設置スペースを削減し、電力変換装置1Eを小型化することができる。 In this embodiment, multiple semiconductor elements 3 are installed on the same surface of the heat receiving plate 7, but a configuration (not shown) in which semiconductor elements 3 are attached to two opposing surfaces of the heat receiving plate 7 can also be used, thereby reducing the installation space in the direction of the sleepers of the cooler 6 and making the power conversion device 1E smaller.

図14は、本発明の実施例6に係る電力変換装置1Fについて、鉄道車両の移動方向を基準にした正面模式図である。図15は、図14の電力変換装置1Fにおける発熱源3と移動体用冷却器の関係を示す斜視図である。 Figure 14 is a schematic front view of a power conversion device 1F according to a sixth embodiment of the present invention, based on the direction of movement of a railway vehicle. Figure 15 is a perspective view showing the relationship between the heat source 3 and the moving body cooler in the power conversion device 1F of Figure 14.

図16は、図14の電力変換装置1Fを枕木方向から見た模式図である。実施例6における、電力変換装置1F及び冷却器を示す、枕木方向から見た模式図である。図14では、電力変換装置1Fの中に設置されるコンデンサ4や制御基板5は図示せず省略している。 Figure 16 is a schematic diagram of the power conversion device 1F in Figure 14 as seen from the sleeper direction. It is a schematic diagram of the power conversion device 1F and the cooler in Example 6 as seen from the sleeper direction. In Figure 14, the capacitor 4 and the control board 5 installed in the power conversion device 1F are not shown.

受熱板7は水平方向に設置され、複数の半導体素子3が受熱板7の同一面に設置される。自励振動ヒートパイプ20の片側は受熱板7に埋設され、もう片側は電力変換装置1Fの側面側に突出するように設置され、両端を第一連結板21及び第二連結板22で保持される。 The heat receiving plate 7 is installed horizontally, and multiple semiconductor elements 3 are installed on the same surface of the heat receiving plate 7. One side of the self-excited oscillating heat pipe 20 is embedded in the heat receiving plate 7, and the other side is installed so as to protrude from the side of the power conversion device 1F, and both ends are held by the first connecting plate 21 and the second connecting plate 22.

自励振動ヒートパイプ20は、第一連結板21と第二連結板22との間、すなわち、温度が高くなる受熱側と、冷却風が通過する放熱側とを交互に通過する蛇行流路(図示せず)を内部に備える。自励振動ヒートパイプ20の蛇行流路は、単一である必要はなく、複数の蛇行流路が並列又は直列に連結構成されていても良い。 The self-excited oscillating heat pipe 20 has a serpentine flow path (not shown) between the first connecting plate 21 and the second connecting plate 22, that is, between the heat receiving side where the temperature is high and the heat releasing side through which the cooling air passes. The self-excited oscillating heat pipe 20 does not need to have a single serpentine flow path, and may have multiple serpentine flow paths connected in parallel or series.

すなわち、複数の自励振動ヒートパイプ20をつなげた流路が、温度の高くなる受熱側と、冷却風の通過する放熱側とを交互に通過する構成としても良い。そのためには、第一連結板21、及び第二連結板22のそれぞれに、隣り合う自励振動ヒートパイプ20の中の流路を折り返してつなげる連結流路(図示せず)を設けて、蛇行流路に形成すると良い。 In other words, the flow path connecting multiple self-excited oscillating heat pipes 20 may be configured to alternate between the heat receiving side where the temperature is high and the heat dissipation side through which cooling air passes. To achieve this, it is recommended to provide a connecting flow path (not shown) on each of the first connecting plate 21 and the second connecting plate 22 that folds back and connects the flow paths in the adjacent self-excited oscillating heat pipes 20 to form a serpentine flow path.

流路の中には、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の少なくとも何れかが好適である。 A predetermined amount of working fluid (not shown) is sealed in the flow path. As the working fluid, for example, at least one of water, alcohols, hydrocarbons such as butane, hydrofluorocarbons, hydrofluoroethers, hydrofluoroolefins, perfluoroketones, etc. is suitable.

実施例6の効果を説明する。実施例4と同様に、自励振動ヒートパイプ20ではヒートパイプ19のように基端と末端の間に急勾配を設ける必要がないため、接系の自由度が高く、冷却器6Eの設置スペースを小型化することができる。また、自励振動ヒートパイプ20の間には放熱フィン8を設置しても良く、放熱フィン8を設置することで放熱面積が拡大し、冷却効率を向上することができる。 The effect of Example 6 will be explained. As in Example 4, the self-excited oscillating heat pipe 20 does not require a steep gradient between the base end and the end end as in the heat pipe 19, so there is a high degree of freedom in the connection system and the installation space for the cooler 6E can be reduced. In addition, heat dissipation fins 8 may be installed between the self-excited oscillating heat pipes 20, and installing the heat dissipation fins 8 increases the heat dissipation area and improves the cooling efficiency.

また、図17は、図14の電力変換装置1Fの内部を枕木方向から見た模式図である。コンデンサ4及び制御基板5は、半導体素子3に対し走行方向の両側に設置される。このような構成とすることで、電力変換装置1Fは、コンデンサ4、制御基板5の設置スペースを、高さ方向、枕木方向に縮小できる。その結果、電力変換装置1Fを小型化することができる。 Also, FIG. 17 is a schematic diagram of the inside of the power conversion device 1F in FIG. 14, viewed from the sleeper direction. The capacitor 4 and control board 5 are installed on both sides of the semiconductor element 3 in the running direction. With this configuration, the power conversion device 1F can reduce the installation space for the capacitor 4 and control board 5 in the height direction and sleeper direction. As a result, the power conversion device 1F can be made smaller.

また、電力変換装置1Fは、半導体素子3とコンデンサ4をつなぐ主回路電線23、半導体素子3と制御基板5をつなぐ制御電線24の形状まで単純化し、小型化できる。その結果、配線のインダクタンスを低減することもできる。 In addition, the power conversion device 1F can be made smaller by simplifying the shapes of the main circuit wires 23 that connect the semiconductor elements 3 and the capacitors 4, and the control wires 24 that connect the semiconductor elements 3 and the control board 5. As a result, the inductance of the wiring can also be reduced.

本発明の実施形態に係る移動体用冷却器(以下、「本冷却器」ともいう)6は、つぎのように総括できる。
[1]移動体2の床下に備わる発熱源3を冷却する移動体用冷却器6であって、発熱源3に対する受熱板7と、受熱板7に熱的に接続された放熱フィン8と、受熱板7と放熱フィン8との移動体2の移動方向の端面を覆い、受熱板7の上方に走行風を誘導する導風体11と、受熱板7と放熱フィン8の側面に位置する側板13と、側板13に対する底板12と、を備え、導風体11と底板12との間に走行風を取り込む開口14が設けられている。このような構成の本冷却器6は、走行風を効率良く取り込んで冷却効率を高めることができる。
The cooling device for a moving body (hereinafter, also referred to as "the cooling device") 6 according to the embodiment of the present invention can be summarized as follows.
[1] A moving body cooler 6 for cooling a heat source 3 provided under the floor of a moving body 2, comprising a heat receiving plate 7 for the heat source 3, a heat dissipation fin 8 thermally connected to the heat receiving plate 7, an air guide 11 covering the end faces of the heat receiving plate 7 and the heat dissipation fin 8 in the moving direction of the moving body 2 and guiding the traveling wind above the heat receiving plate 7, a side plate 13 positioned on the side of the heat receiving plate 7 and the heat dissipation fin 8, and a bottom plate 12 for the side plate 13, and an opening 14 for taking in the traveling wind is provided between the air guide 11 and the bottom plate 12. The cooler 6 configured in this way can efficiently take in the traveling wind to increase cooling efficiency.

[2]本冷却器6Aは、床面10を有する移動体2の床下に備わる発熱源3を冷却する移動体用冷却器6Aであり、受熱板7と、放熱フィン8と、導風スロープ(導風体)11と、側板13と、底板12と、を備える。受熱板7は、発熱源3となる複数の半導体素子3が配置されており、それらの発熱源3から熱伝導されて温度上昇する。放熱フィン8は、受熱板7から熱伝導されて温度上昇するが、高温部に通風して放熱することにより、発熱源3の熱を奪って冷却する。 [2] This cooler 6A is a cooler 6A for a moving body that cools a heat source 3 provided under the floor of a moving body 2 having a floor surface 10, and includes a heat receiving plate 7, heat dissipation fins 8, an air guide slope (air guide) 11, a side plate 13, and a bottom plate 12. The heat receiving plate 7 has a plurality of semiconductor elements 3 arranged thereon that serve as heat sources 3, and the temperature of the heat receiving plate 7 rises due to thermal conduction from the heat sources 3. The heat dissipation fins 8 also rise in temperature due to thermal conduction from the heat receiving plate 7, but by ventilating the high-temperature portion and dissipating the heat, they remove the heat from the heat source 3 and cool it.

放熱フィン8は、通風して放熱する空冷効果を高めるため、空気に触れる高温部の表面積を広く確保できて、しかもコンパクトにまとめられる集合体に形成される。その集合体の外形は概ね直方体であり、通常使用時の姿勢では鉛直面と水平面が得られる。 The heat dissipation fins 8 are formed into a compact assembly that ensures a large surface area for the high-temperature parts exposed to air, in order to improve the air-cooling effect of dissipating heat through ventilation. The outer shape of the assembly is roughly a rectangular parallelepiped, and when in normal use, it has vertical and horizontal surfaces.

本冷却器6Aの放熱フィン8は、その直方体の底面から天面に向けてのみ、新鮮な冷風を滑らかに連続通風することにより効率的な空冷効果を発揮する。逆に、空冷効果の阻害要因は、第1に連続して設置された他の冷却器から吹き出されるあおり熱、第2に通風速度の低下、といった点がある。本冷却器6Aは、これらの阻害要因を排除する。 The heat dissipation fins 8 of this cooler 6A provide an efficient air-cooling effect by smoothly and continuously ventilating fresh, cool air only from the bottom surface of the rectangular parallelepiped to the top surface. Conversely, factors that impede the air-cooling effect include, first, the heat blown out from other coolers installed in series, and, second, a decrease in the air flow speed. This cooler 6A eliminates these impeding factors.

導風体11は、移動体2の移動方向を基準として直方体の前後方向それぞれに仮想する直方体の投影面を覆う範囲に設置される。側板13は、移動方向を基準として直方体の側面を被覆する。底板12は、直方体の底面から離間して平行に設置される。 The air guide 11 is installed in an area that covers the projection surface of the rectangular parallelepiped in both the front and rear directions of the rectangular parallelepiped based on the direction of movement of the moving body 2. The side plates 13 cover the sides of the rectangular parallelepiped based on the direction of movement. The bottom plate 12 is installed parallel to and spaced apart from the bottom surface of the rectangular parallelepiped.

また、本冷却器6は、図3~図6、図8、図10、図13、及び図16に示すように、直方体の下部空間に走行風9を取り込むための開口14が設けられる。この開口14は、導風体11の下側と、底板12と、側板13と、で囲まれた位置に設けられる。 As shown in Figures 3 to 6, 8, 10, 13, and 16, the cooler 6 has an opening 14 for taking in the running wind 9 in the lower space of the rectangular parallelepiped. This opening 14 is provided in a position surrounded by the lower side of the air guide 11, the bottom plate 12, and the side plate 13.

導風体11は、直方体の天面を形成する前後両方の辺それぞれに接続された基端から、終点の端部に向けて延設される。移動体2の移動方向を基準に導風体11を側面視すると、直方体の中心から離れるにつれて下り勾配である。 The air guide 11 extends from its base end connected to both the front and rear sides that form the top surface of the rectangular parallelepiped toward its end point. When the air guide 11 is viewed from the side with respect to the direction of movement of the moving body 2, it slopes downward as it moves away from the center of the rectangular parallelepiped.

換言すれば、本冷却器6Aにおいて、導風体11は、床面10の下側と間に形成される上部空間の鉛直方向の断面積が、直方体から前後方向に離れるにつれて大きくなるように構成される。しかも、導風体11の上面と、冷却器6Aの上面は同程度の高さに配置されることにより、導風体11の上部で加速された走行風9が剥離することを抑制することができる。 In other words, in this cooler 6A, the air guide 11 is configured so that the vertical cross-sectional area of the upper space formed between the air guide 11 and the underside of the floor surface 10 increases as it moves away from the rectangular parallelepiped in the front-to-rear direction. Moreover, by arranging the upper surface of the air guide 11 and the upper surface of the cooler 6A at approximately the same height, it is possible to prevent the accelerated running wind 9 from separating from the upper part of the air guide 11.

本冷却器6Aにおいて、図4、図6、図8、図10、図13、及び図16に示すように、導風体11の上側と、床面10の下側と、間に形成される上部空間は、移動体2の移動方向が前後の何れであっても、走行風9により、多くの冷却風を取り込める。 As shown in Figures 4, 6, 8, 10, 13, and 16, in this cooler 6A, the upper space formed between the upper side of the air guide 11 and the lower side of the floor surface 10 can take in a large amount of cooling air due to the running wind 9, regardless of whether the moving body 2 is moving forward or backward.

取り込まれた冷却風は、漏斗状に縊れた直方体の天面の上部空間で風速を高め、局部的に気圧を低下させる。つまり、本冷却器6Aは、ベルヌーイの定理により、流体の速度が増加すると圧力が下がる原理を応用している。 The cooling air that is taken in increases its speed in the space above the top surface of the funnel-shaped rectangular parallelepiped, lowering the air pressure locally. In other words, this cooler 6A applies the principle of Bernoulli's theorem, which states that as the speed of a fluid increases, its pressure decreases.

一方、直方体の下部空間に取り込まれた走行風9は、開口14の位置が低いので、上述のあおり熱の影響が少なく、新鮮な冷風であることが期待できる。したがって、空冷効果について、第1の阻害要因であったあおり熱が解消される。 On the other hand, the wind 9 taken into the lower space of the rectangular parallelepiped is expected to be fresh and cool air, with less of an effect from the wind heat mentioned above, because the opening 14 is located low. Therefore, the wind heat, which was the first impediment to the air cooling effect, is eliminated.

この冷風は、直方体の底面から吸い込まれて、高温の放熱フィン8を冷却しながら熱風となって上昇する。このとき、直方体の天面は、上述のように局部的に低下した気圧により、熱風が直方体の天面から効率良く吸い出される。その結果、空冷効果について、第2の阻害要因である通風速度の低下も解消される。 This cool air is sucked in from the bottom of the rectangular parallelepiped, and rises as hot air while cooling the high-temperature heat dissipation fins 8. At this time, the hot air is efficiently sucked out from the top surface of the rectangular parallelepiped due to the locally reduced air pressure as described above. As a result, the second impediment to the air cooling effect, the reduction in ventilation speed, is also eliminated.

また、本冷却器6Aには、つぎの懸念を解消する効果もある。例えば、特許文献1のような構造の車両用半導体装置の冷却装置が鉄道車両の床下に設置される場合、線路周囲のバラスト等の飛来物が冷却器に衝突して損傷させ、冷却効率が著しく悪化することが懸念される。 The present cooler 6A also has the effect of resolving the following concerns. For example, if a cooling device for vehicle semiconductor devices having a structure like that of Patent Document 1 is installed under the floor of a railway vehicle, there is a concern that flying objects such as ballast around the tracks will collide with and damage the cooler, resulting in a significant deterioration in cooling efficiency.

具体的には、冷却器の放熱フィンに飛来物が衝突して変形した場合、フィン間への冷却風の供給が阻害され、冷却効率が悪化する。さらに、内部に作動液を封入したヒートパイプを冷却器の伝熱手段として具備している場合、そのヒートパイプに飛来物が衝突して破損すると、内部の作動液が外部に漏れ出し、冷却効率が著しく悪化する。 Specifically, if a flying object collides with the heat dissipation fins of a cooler and deforms them, the supply of cooling air between the fins is hindered, and cooling efficiency deteriorates. Furthermore, if the cooler is equipped with a heat pipe filled with working fluid as its heat transfer means, if a flying object collides with the heat pipe and breaks it, the working fluid inside will leak out, significantly worsening cooling efficiency.

これに対し、本冷却器6Aは、側方を覆う側板13と、下部空間16を覆う底板12と、による防御効果により、飛来物が本冷却器6Aに衝突して損傷させて冷却効率を悪化させる懸念を解消できる。このように、本冷却器6Aは、冷却器に飛来物を衝突させずに、かつ走行風を効率良く取り込むことで、信頼性と冷却効率を向上させることができる。 In response to this, the cooler 6A has a protective effect provided by the side panels 13 that cover the sides and the bottom panel 12 that covers the lower space 16, eliminating the concern that flying objects will collide with and damage the cooler 6A, thereby reducing cooling efficiency. In this way, the cooler 6A can improve reliability and cooling efficiency by efficiently taking in the wind generated by traveling without allowing flying objects to collide with the cooler.

本冷却器6は、上述のように、直方体の天面と床面10の下側と間に形成された上部空間において、その鉛直方向、すなわち、水平通風路の断面積は、直方体から前後方向に離れるにつれて大きくなるように構成されている。 As described above, this cooler 6 is configured so that in the upper space formed between the top surface of the rectangular parallelepiped and the underside of the floor surface 10, the cross-sectional area of the vertical direction, i.e., the horizontal ventilation passage, increases with increasing distance from the rectangular parallelepiped in the front-to-rear direction.

[3]このような構成の本冷却器6Aにおいて、鉛直方向の断面積を小さくするための天井板18が設置されると良い。このように、水平通風路の断面積をより一層狭めることにより、漏斗状に縊れた直方体の天面の上部空間で風速をさらに高められるので、直方体の天面から熱風が吸い出される効率を高められる。 [3] In the present cooler 6A having such a configuration, it is advisable to install a ceiling panel 18 to reduce the cross-sectional area in the vertical direction. In this way, by further narrowing the cross-sectional area of the horizontal ventilation passage, the wind speed can be further increased in the space above the top surface of the funnel-shaped rectangular parallelepiped, thereby increasing the efficiency with which hot air is drawn out from the top surface of the rectangular parallelepiped.

また、本冷却器6Aの上部空間15を覆う天井板18には、飛来物に対するある程度の防御効果がある。なお、「ある程度の防御効果」という理由は、本冷却器6Aでいう、飛来物に対し、側方を覆う側板13と、下部空間16を覆う底板12と、による防御効果の程度よりは、天井板18に対する比較的少ない飛来確率に比例した程度を意味する。したがって、飛来物が本冷却器6Aに衝突して損傷させて冷却効率を悪化させる懸念をさらに改善できる。 The ceiling plate 18 covering the upper space 15 of the present cooler 6A also has a certain degree of defensive effect against flying objects. The reason for "a certain degree of defensive effect" is that it is proportional to the relatively low probability of flying objects hitting the ceiling plate 18, rather than the degree of defensive effect of the side plates 13 covering the sides and the bottom plate 12 covering the lower space 16 of the present cooler 6A. This can therefore further reduce the concern that flying objects will collide with the present cooler 6A, damaging it and worsening the cooling efficiency.

[4]また、本冷却器6Bは、内部に作動液を封入したヒートパイプ19を備えることが好ましい。このヒートパイプ19は、受熱板7から放熱フィン8までの熱伝導の効率を高めるので、当然に冷却効率を高められる。
[5]また、本冷却器6Cのヒートパイプは、図9、図10、図15、及び図16に示すように、受熱板7と放熱フィン8とそれぞれに対して交互に接近する蛇行流路を備えた自励振動ヒートパイプ20であることが好ましい。
[4] The cooler 6B preferably includes a heat pipe 19 filled with a working fluid. The heat pipe 19 increases the efficiency of heat conduction from the heat receiving plate 7 to the heat dissipation fins 8, which naturally increases the cooling efficiency.
[5] Furthermore, it is preferable that the heat pipe of this cooler 6C is a self-excited oscillating heat pipe 20 having a serpentine flow path that alternately approaches the heat receiving plate 7 and the heat dissipation fins 8, as shown in Figures 9, 10, 15, and 16.

このような自励振動ヒートパイプ20は、例えば図11に示すような10度といった低勾配に設定された蛇行流路において、作動液の封入比率を例えば約50%まで高めた気液混合状態であっても、熱移動させる熱媒体としての機能を高効率にすることが可能である。 Such a self-excited oscillating heat pipe 20 can function as a heat transfer medium with high efficiency even in a gas-liquid mixed state in which the ratio of the working fluid enclosed is increased to, for example, about 50% in a serpentine flow path set at a low gradient of, for example, 10 degrees as shown in FIG. 11.

本冷却器6は、低勾配に設定された短区間の蛇行流路に、作動液の封入比率を高くして、冷却効率を高められる。その結果、設計自由度が高く、コンパクトで高効率の冷却器を提供できる。 This cooler 6 has a short, serpentine flow path with a low gradient and a high ratio of hydraulic fluid enclosed in it, which increases the cooling efficiency. As a result, it is possible to provide a compact, highly efficient cooler with a high degree of design freedom.

[6]また、本冷却器6Dは、図1及び図2に示すように、鉛直に固定された受熱板7の同一面に複数の半導体素子3が配置されると良い。
[7]また、本冷却器6Eは、図11、図12及び図14に示すように、水平に固定された受熱板7の同一面、あるいは水平に対向する二面(不図示)に複数の半導体素子3を配置しても良い。本冷却器6B,6Cは、本冷却器6Aに対し、より一層、コンパクトで高効率である。
[6] In addition, in the present cooler 6D, as shown in Figs. 1 and 2, it is preferable that a plurality of semiconductor elements 3 are arranged on the same surface of the heat receiving plate 7 fixed vertically.
[7] In addition, as shown in Figures 11, 12 and 14, the present cooler 6E may have a plurality of semiconductor elements 3 arranged on the same surface or two horizontally opposing surfaces (not shown) of a horizontally fixed heat receiving plate 7. The present coolers 6B and 6C are more compact and efficient than the present cooler 6A.

[8]また、上記[1]~[7]の本冷却器6は、電力変換装置1に採用されることが好ましい。その場合、インバータやコンバータを意味する電力変換回路に本冷却器6を組み合わせたものを電力変換装置1とする。すなわち、本冷却器6は、鉄道車両2の床下に設置された電力変換回路の発熱源3を冷却するために好適である。 [8] Furthermore, the present cooler 6 described above in [1] to [7] is preferably used in the power conversion device 1. In this case, the present cooler 6 is combined with a power conversion circuit, which means an inverter or converter, to form the power conversion device 1. In other words, the present cooler 6 is suitable for cooling the heat source 3 of the power conversion circuit installed under the floor of the railway vehicle 2.

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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail to clearly explain the present invention, and is not necessarily limited to having all of the configurations described.

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、さらに、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、船舶等の移動体用の冷却装置に適用可能である。 It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and furthermore, it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, remove, or replace part of the configuration of each embodiment with another configuration. For example, the present invention is applicable not only to railroad vehicles, but also to cooling devices for moving bodies such as automobiles, aircraft, and ships.

1,1A~1F 鉄道車両用電力変換装置(電力変換装置)、2 鉄道車両(移動体)、3 半導体素子(発熱源)、4 コンデンサ、5 制御基板、6,6A~6E 移動体用冷却器(冷却器)、7 受熱板、8 放熱フィン、9 走行風、10 車体床面、11 導風スロープ(導風体)、12 底板、13 側板、 開口、15 冷却器の上部空間、16 冷却器の下部空間、17 フィン間を通過する上昇気流、18 天井板、19 ヒートパイプ、20 自励振動ヒートパイプ、21 第一連結板、22 第二連結板、23 主回路電線、24 制御電線、X 走行(移動)方向、Y 枕木方向、Z 高さ方向 1, 1A to 1F Railway vehicle power converter (power converter), 2 Railway vehicle (moving body), 3 Semiconductor element (heat source), 4 Capacitor, 5 Control board, 6, 6A to 6E Moving body cooler (cooler), 7 Heat receiving plate, 8 Heat dissipation fin, 9 Running wind, 10 Car body floor, 11 Wind guide slope (wind guide), 12 Bottom plate, 13 Side plate, Opening, 15 Upper space of cooler, 16 Lower space of cooler, 17 Upward air flow passing between fins, 18 Ceiling plate, 19 Heat pipe, 20 Self-excited oscillating heat pipe, 21 First connecting plate, 22 Second connecting plate, 23 Main circuit wire, 24 Control wire, X Running (moving) direction, Y Sleeper direction, Z Height direction

Claims (16)

移動体の床下に備わる発熱源を冷却する移動体用冷却器であって、
前記発熱源に対する受熱板と、
該受熱板の放熱フィンと、
前記受熱板と放熱フィンとの前記移動体の移動方向の端面を覆い、前記受熱板の上方に走行風を誘導する導風体と、
前記受熱板と放熱フィンの側面に位置する側板と、
前記側板に対する底板と、
を備え、
前記導風体と前記底板との間に走行風を取り込む開口が設けられている、
移動体用冷却器。
A cooling device for a moving body that cools a heat source provided under a floor of a moving body, comprising:
A heat receiving plate for the heat source;
A heat dissipation fin of the heat receiving plate;
a wind guide that covers the end faces of the heat receiving plate and the heat dissipation fins in the moving direction of the moving body and guides the traveling wind above the heat receiving plate;
a side plate located on a side surface of the heat receiving plate and the heat dissipating fin;
A bottom plate for the side plate;
Equipped with
An opening is provided between the air guide body and the bottom plate to take in the running wind.
Cooler for mobile objects.
前記放熱フィンは、前記発熱源となる複数の半導体素子が配置された受熱板と、該受熱板から熱伝導される集合体の外形が鉛直面と水平面を有する直方体であり、該直方体の底面から天面に向けて通風することにより放熱し、
前記導風体は、前記移動体の移動方向を基準として前記直方体の前後方向それぞれに仮想する前記直方体の投影面を覆う範囲に設置され、
前記側板は、前記移動方向を基準として前記直方体の側面を被覆し、
前記底板は、前記直方体の底面から離間して平行に設置され、
前記開口は前記導風体の下側と、前記底板と、前記側板と、で囲まれた位置に、前記直方体の下部空間に走行風を取り込むように設けられ、
前記導風体は、前記直方体の天面を形成する前後の辺に接続され、床面の下側と間に形成される上部空間の鉛直方向の断面積が前記直方体から前後方向に離れるにつれて大きくなるように構成された、
請求項1に記載の移動体用冷却器。
The heat dissipation fin has a heat receiving plate on which the semiconductor elements serving as the heat source are arranged, and an outer shape of the assembly to which heat is transferred from the heat receiving plate is a rectangular parallelepiped having vertical and horizontal surfaces, and dissipates heat by passing air from the bottom surface of the rectangular parallelepiped to the top surface,
The air guide body is installed in a range covering a virtual projection surface of the rectangular parallelepiped in each of the front and rear directions of the rectangular parallelepiped based on the moving direction of the moving body,
the side plate covers a side surface of the rectangular parallelepiped with respect to the moving direction;
The bottom plate is disposed parallel to and spaced apart from the bottom surface of the rectangular parallelepiped,
The opening is provided at a position surrounded by the lower side of the air guide body, the bottom plate, and the side plate so as to take in the running wind into the lower space of the rectangular parallelepiped,
The air guide is connected to the front and rear sides that form the top surface of the rectangular parallelepiped, and the vertical cross-sectional area of the upper space formed between the air guide and the underside of the floor surface increases as the air guide moves away from the rectangular parallelepiped in the front-rear direction.
The cooling device for a moving body according to claim 1.
前記床面の下側と間に形成された前記上部空間には、前記断面積を小さくするための天井板が設置される、
請求項2に記載の移動体用冷却器。
A ceiling plate is installed in the upper space formed between the lower side of the floor surface and the upper space to reduce the cross-sectional area.
The cooling device for a moving body according to claim 2.
内部に作動液を封入したヒートパイプを備える、
請求項2又3に記載の移動体用冷却器。
Equipped with a heat pipe with a working fluid sealed inside,
4. The cooling device for a moving body according to claim 2 or 3.
前記ヒートパイプは自励振動ヒートパイプであり、
前記受熱板と前記放熱フィンとそれぞれに対して交互に接近する蛇行流路を備えた、
請求項4に記載の移動体用冷却器。
The heat pipe is a self-excited oscillating heat pipe,
A meandering flow path is provided which alternately approaches the heat receiving plate and the heat dissipating fins,
The cooling device for a moving body according to claim 4.
鉛直に固定された前記受熱板の同一面に複数の前記半導体素子が配置された、
請求項2に記載の移動体用冷却器。
A plurality of the semiconductor elements are arranged on the same surface of the heat receiving plate fixed vertically.
The cooling device for a moving body according to claim 2.
水平に固定された前記受熱板の同一面、あるいは対向する二面に複数の前記半導体素子が配置された、
請求項2に記載の移動体用冷却器。
A plurality of the semiconductor elements are arranged on the same surface or two opposing surfaces of the heat receiving plate fixed horizontally.
The cooling device for a moving body according to claim 2.
前記移動体は鉄道車両であり、該鉄道車両の床下に設置された電力変換回路の前記発熱源を冷却するために、
請求項1~7の何れか一項に記載の移動体用冷却器を備えた、
鉄道車両用電力変換装置。
The moving body is a railway vehicle, and in order to cool the heat source of a power conversion circuit installed under a floor of the railway vehicle,
A cooling device for a moving body according to any one of claims 1 to 7,
Power conversion equipment for railway vehicles.
移動体の床下に備わる発熱源を冷却する移動体用冷却方法であって、
受熱板により前記発熱源から熱を受け、
前記受熱板と放熱フィンとの前記移動体の移動方向の端面を覆うとともに前記受熱板の上方に配設された導風体により走行風を誘導し、
前記受熱板と前記放熱フィンの側面に位置する側板と、前記側板に対する底板と、より囲まれて、前記導風体と前記底板との間に設けられた開口から走行風を取り込む、
移動体用冷却方法。
A method for cooling a heat source provided under a floor of a moving body, comprising the steps of:
A heat receiving plate receives heat from the heat source,
An air guide body covers the end faces of the heat receiving plate and the heat dissipation fins in the moving direction of the moving body and guides the traveling air by an air guide body disposed above the heat receiving plate;
The heat receiving plate and the heat dissipation fin are surrounded by a side plate located on a side of the side plate and a bottom plate facing the side plate, and the airflow is taken in through an opening provided between the air guide and the bottom plate.
Cooling method for mobile objects.
集合体の外形が鉛直面と水平面を有する直方体である前記放熱フィンと、
前記移動体の移動方向を基準として前記直方体の前後方向それぞれに仮想する前記直方体の投影面を覆う範囲に設置された前記導風体と、
前記移動方向を基準として前記直方体の側面を被覆する前記側板と、
前記直方体の底面から離間して平行に設置される前記底板と、
を用い、
前記導風体は、前記直方体の天面を形成する前後の辺に接続され、床面の下側と間に形成される上部空間の鉛直方向の断面積が前記直方体から前後方向に離れるにつれて大きくなるような漏斗状に延在し、
前記移動体の移動に伴う走行風は、前記導風体の上側と前記床下の下側との間に形成された前記上部空間のうち前記漏斗状に縊れた前記直方体の天面を通過するときに静圧が低下し、
前記導風体の下側と、前記底板と、前記側板と、で囲まれた位置で、前記直方体の下部空間に設けられた開口から前記走行風を取り込み、
前記走行風を前記直方体の前記底面から前記天面へ向けて上昇させる、
請求項9に記載の移動体用冷却方法。
The heat dissipation fin assembly has an outer shape of a rectangular parallelepiped having vertical and horizontal surfaces;
The air guide body is installed in a range covering a virtual projection surface of the rectangular parallelepiped in each of the front and rear directions of the rectangular parallelepiped based on the moving direction of the moving body;
The side plate covers a side surface of the rectangular parallelepiped based on the moving direction;
The bottom plate is disposed parallel to and spaced apart from the bottom surface of the rectangular parallelepiped;
Using
The air guide is connected to the front and rear sides that form the top surface of the rectangular parallelepiped, and extends in a funnel shape such that the vertical cross-sectional area of the upper space formed between the air guide and the underside of the floor surface increases as it moves away from the rectangular parallelepiped in the front-rear direction,
The static pressure of the traveling wind caused by the movement of the moving body is reduced when passing through the top surface of the funnel-shaped rectangular parallelepiped in the upper space formed between the upper side of the air guide body and the lower side of the underfloor,
The running wind is taken in through an opening provided in a lower space of the rectangular parallelepiped at a position surrounded by a lower side of the air guide body, the bottom plate, and the side plate,
The traveling wind is caused to rise from the bottom surface of the rectangular parallelepiped toward the top surface.
The cooling method for a moving body according to claim 9.
前記床面の下側と間に天井板を介挿することにより前記上部空間に形成される前記断面積を小さくする、
請求項10に記載の移動体用冷却方法。
The cross-sectional area formed in the upper space is reduced by inserting a ceiling plate between the underside of the floor surface and the ceiling plate.
The cooling method for a moving body according to claim 10.
内部に作動液を封入したヒートパイプを用いる、
請求項10又11に記載の移動体用冷却方法。
Using a heat pipe with a working fluid sealed inside,
12. A method for cooling a moving body according to claim 10 or 11.
前記ヒートパイプとして、
前記受熱板と前記放熱フィンとそれぞれに対して交互に接近する蛇行流路を備えた自励振動ヒートパイプを用いた、
請求項12に記載の移動体用冷却方法。
The heat pipe may be
A self-excited oscillating heat pipe having a meandering flow path that alternately approaches the heat receiving plate and the heat dissipating fin,
The cooling method for a moving body according to claim 12.
鉛直に固定された同一面に複数の半導体素子が配置された前記受熱板を用いた、
請求項10に記載の移動体用冷却方法。
A heat receiving plate having a plurality of semiconductor elements arranged on the same surface fixed vertically is used.
The cooling method for a moving body according to claim 10.
水平に固定された同一面、あるいは対向する二面に複数の半導体素子が配置された前記受熱板を用いた、
請求項10に記載の移動体用冷却方法。
A heat receiving plate having a plurality of semiconductor elements arranged on the same surface or two opposing surfaces fixed horizontally is used.
The cooling method for a moving body according to claim 10.
前記移動体は鉄道車両であり、該鉄道車両の床下に設置された電力変換回路の前記発熱源を冷却するために、
請求項9~15の何れか一項に記載の移動体用冷却方法を用いた、
鉄道車両用電力変換装置の冷却方法。
The moving body is a railway vehicle, and in order to cool the heat source of a power conversion circuit installed under a floor of the railway vehicle,
Using the moving body cooling method according to any one of claims 9 to 15,
A method for cooling a power conversion device for a railway vehicle.
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