JP5653852B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子を強制空冷で冷却する冷却装置に関し、より具体的には、鉄道車両、航空機、船舶等の移動体に搭載された電力変換装置等の発熱する電気部品を、強制空冷で冷却する冷却装置に関するものである。

従来の冷却装置として、図６（a）（b）に示す冷却装置４１（以下、従来例１という）がある。この従来例１は、平板状の受熱ブロック４２と、受熱ブロック４２の表面に複数立設された側面視Ｕ字状のヒートパイプ４３と、ヒートパイプ４３へ受熱ブロック４２表面に対して平行な方向に取り付けられた複数の放熱フィン４５を有する放熱フィン群４６とからなる。各放熱フィン４５間の放熱フィンピッチは、いずれの部分も均一となるように形成されている（特許文献１）。

従来例１の冷却装置４１では、冷却性能を向上させるために、放熱フィン群４６の放熱面積を増やす必要がある。このとき、放熱面積を増やすには、冷却風の流れ方向に放熱フィン４５の寸法を長くする必要がある。しかし、放熱フィン４５の寸法を冷却風の流れ方向に長くすると、放熱フィン４５間を流れる冷却風の圧力は、風下側へと進むにつれて著しく低下してしまう。従って、従来例１の冷却装置４１では、風下側と風上側とで冷却能力が大きく相違してしまう。例えば、受熱ブロック４２に冷却風の風上側と風下側にそれぞれ発熱する電気部品（発熱素子）を実装する（図６（b）では、冷却風の風上側に並列に３個及び風下側に並列に３個）と、風下側に配置された発熱素子４００−２は、放熱フィン４５による冷却風の圧力損失によって、風上側に配置された発熱素子４００−１と比較して冷却されにくく、温度の低下が抑えられてしまうという問題があった。

そこで、図８に示すように、冷却風の流れ方向の放熱フィン４５の寸法を短くする冷却装置４１´（以下、従来例２という）では、冷却風の圧力損失が低減されるので、風下側に配置された発熱素子４００−２に対する冷却能力は従来例１よりも向上する。しかし、従来例２では、放熱フィンの寸法とヒートパイプの配置との関係から、風上側と風下側に配置された側面視Ｕ字状のヒートパイプ４３を側面視Ｌ字状のヒートパイプ４３´に代える必要が生じるので、風上側に配置された発熱素子４００−１に対する冷却能力が低下してしまうという問題があった。

特開平９−１１９７８５号公報

このように、従来の冷却装置では、風上側に配置された発熱素子に対する冷却能力または風下側に配置された発熱素子に対する冷却能力が低下してしまう。従って、冷却装置に複数の発熱素子を実装すると、受熱ブロックの部位、つまり、発熱素子の実装位置によっては、十分に冷却できない発熱素子が存在してしまう。

本発明は上記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、放熱面積を増やさなくても、冷却風の風上側の冷却能力、冷却風の風下側の冷却能力ともに優れ、被冷却体である発熱素子を複数実装しても、その温度差を低減できる冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の態様は、発熱素子に熱的に接続できる受熱ブロックと、底部が前記受熱ブロックに熱的に接続された側面視Ｕ字状ヒートパイプと、前記側面視Ｕ字状ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンを複数有する放熱フィン群とを備え、前記受熱ブロックの表面に対して平行な方向に冷却風の流れが設定される冷却装置であって、前記放熱フィン群のうち、前記冷却風の風上側の部位と冷却風の風下側の部位との中間部が、前記冷却風の風上側の部位の放熱フィンピッチ及び前記冷却風の風下側の部位の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備え、前記放熱フィンの表面が、前記冷却風の流れ方向に対して平行方向であることを特徴とする冷却装置である。

この態様では、放熱フィン群に、放熱フィンピッチの異なる部位が設けられている。すなわち、冷却装置の構成要素である１つの放熱フィン群のうち、冷却風の風上側の部位（「風上部」ということがある。）と冷却風の風下側の部位（「風下部」ということがある。）との中間部における放熱フィンのピッチは、中間部より冷却風の風上側の部位の放熱フィンのピッチよりも小さく、かつ中間部より冷却風の風下側の部位の放熱フィンのピッチよりも小さくなっている。

このように、放熱フィン群の中間部の放熱フィンピッチを、同じ放熱フィン群の風上側の部位の放熱フィンピッチ及び同じ放熱フィン群の風下側の部位の放熱フィンピッチより小さくすることで、放熱フィン群中を流れる冷却風の圧力、風力が、放熱フィン群の風下側へと進むにつれて低下するのを抑制する。

この態様では、放熱フィン群の風上部の放熱フィンピッチは中間部の放熱フィンピッチよりも相対的に大きいので、放熱フィン群の風上部では、冷却風は相対的に円滑に流れる。放熱フィン群の風上部を円滑に通り抜けた冷却風は、放熱フィン群の風上部の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備えた中間部へ流れる。このとき、中間部の放熱フィンピッチは風上部の放熱フィンピッチより相対的に小さいので、中間部では放熱フィンが冷却風の流れの抵抗となる。しかし、風下部は中間部の放熱フィンピッチよりも相対的に大きい放熱フィンピッチである、すなわち、風下部の放熱フィン間の間隔は中間部の放熱フィン間の間隔よりも広いため、冷却風は中間部を抜けやすく、中間部にて冷却風の圧力が損失するのを抑えることができる。よって、風下部にて冷却風の圧力、風力が低下するのを抑制できると考えられる。また、放熱フィン群の放熱フィンは、中間部に対して風上部と風下部がともに相対的に大きい放熱フィンピッチを有した配置になっているので、冷却風の風向きが逆になった場合でも、同様の効果が得られる。

なお、「熱伝導部材」とは、熱伝導性に優れた部材であり、例えば、ヒートパイプや、２５℃の熱伝導率が１００W／（ｍ・K）以上の金属（例えば、アルミニウム、銅）が挙げられる。

本発明の態様は、前記風上側の部位の放熱フィンピッチと前記風下側の部位の放熱フィンピッチが、同じであることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様は、前記風上側の部位の放熱フィンピッチ及び前記風下側の部位の放熱フィンピッチが、前記中間部の放熱フィンピッチの整数倍であることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様は、発熱素子に熱的に接続できる受熱ブロックと、底部が前記受熱ブロックに熱的に接続された側面視Ｕ字状ヒートパイプと、前記側面視Ｕ字状ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンを複数有する放熱フィン群とを備え、前記受熱ブロックの表面に対して平行な方向に冷却風の流れが設定される冷却装置であって、前記放熱フィン群が、前記冷却風の流れ方向に沿って複数縦列配置され、前記複数の放熱フィン群のうち、前記冷却風の風上側と風下側との中間部に配置された放熱フィン群が、前記冷却風の風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチ及び前記冷却風の風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備え、前記放熱フィンの表面が、前記冷却風の流れ方向に対して平行方向であることを特徴とする冷却装置である。

この態様では、複数の放熱フィン群のうち、少なくとも一つの放熱フィン群について、放熱フィンのピッチが、他の放熱フィン群の放熱フィンのピッチとは異なっている。すなわち、冷却風の流れ方向に対して平行またはほぼ平行に並べられた複数の放熱フィン群のうち、冷却風の風上側と風下側との中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンのピッチは、中間部より冷却風の風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンのピッチよりも小さく、かつ中間部より冷却風の風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンのピッチよりも小さくなっている。

このように、冷却風の流れ方向に対して平行方向に複数設けられた放熱フィン群のうち、前記中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチを、その風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチ及びその風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチより小さくすることで、放熱フィン群中を流れる冷却風の圧力、風力が、風下方向に配置された放熱フィン群中へ進むにつれて低下するのを抑制する。

この態様にて、風下側に配置された放熱フィン群中において冷却風の圧力、風力の低下を抑制できるメカニズムについて説明する。風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチは中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチよりも相対的に大きいので、風上側の放熱フィン群中では、冷却風は相対的に円滑に流れる。風上側の放熱フィン群を円滑に通り抜けた冷却風は、風上側の放熱フィン群の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備え、この風上側の放熱フィン群の風下側に配置された別の放熱フィン群、すなわち、中間部に配置された放熱フィン群へ流れる。このとき、中間部の放熱フィン群の放熱フィンピッチは風上側の放熱フィン群の放熱フィンピッチより相対的に小さいので、中間部の放熱フィン群では、放熱フィンが冷却風の流れの抵抗となる。しかし、風下側に配置された放熱フィン群は、中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチよりも相対的に大きい放熱フィンピッチである、すなわち、風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィン間の間隔は中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィン間の間隔よりも広いため、冷却風は中間部に配置された放熱フィン群中を抜けやすく、中間部に配置された放熱フィン群中にて冷却風の圧力が損失するのを抑えることができる。よって、風下側の放熱フィン群中において冷却風の圧力、風力が低下するのを抑制できると考えられる。また、中間部に配置された放熱フィン群に対して、風上側に配置された放熱フィン群と風下側に配置された放熱フィン群はともに相対的に大きい放熱フィンピッチを有しているので、冷却風の風向きが逆になった場合でも、同様の効果が得られる。

なお、明細書中、「放熱フィン群」とは、各放熱フィンまたは各放熱フィンの所定部位を冷却風の流れ方向に対して垂直方向に直線上に複数並べた放熱フィンの一群を意味する。

本発明の態様は、前記風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチと前記風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチが、同じであることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様は、前記風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチ及び前記風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチが、前記中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチの整数倍であることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様は、前記熱伝導部材が、ヒートパイプであることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様は、前記ヒートパイプが、側面視Ｕ字状またはＬ字状であることを特徴とする冷却装置である。

本発明の態様によれば、冷却風の風上側の冷却能力と冷却風の風下側の冷却能力が、ともに優れるので、一つの冷却装置に発熱量の異なる発熱素子が複数実装されても、冷却風の風下側に実装された発熱素子がその風上側に実装された発熱素子よりも冷却されにくくなるのを防止できる。また、発熱素子の実装位置の違いによる冷却能力の差異を低減できるので、相対的に発熱量の多い発熱素子が、相対的に発熱量の少ない他の発熱素子よりも冷却されにくくなるのを抑制でき、発熱素子間の温度差を均一化できる。また、放熱面積を小さくしても冷却能力が向上する、すなわち、放熱フィンの面積を従来よりも小さくしても冷却能力が向上するので、冷却装置の小型化、軽量化ができ、製造コストも低減できる。さらに、風上側の放熱フィンピッチと風下側の放熱フィンピッチを従来よりも広く設定できるので、冷却風の圧力が、放熱フィンにより損失するのを抑えることができ、風下側の冷却能力を向上させることができる。

本発明の態様によれば、風上側の放熱フィンピッチと風下側の放熱フィンピッチとが同じであることにより、風下側の冷却能力を風上側の冷却能力に、より近づけることができる。従って、風上側と風下側の冷却能力をより均一化できる。

本発明の態様によれば、風上側と風下側の放熱フィンピッチが、その中間部の放熱フィンピッチの整数倍なので、中間部の放熱フィンピッチと風上側・風下側の放熱フィンピッチの位相を揃えることが可能となり、放熱フィン群中を流れる冷却風の圧力が、放熱フィンにより損失するのを抑えることができる。

本発明の第１実施形態例に係る冷却装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態例に係る冷却装置であって、複数の発熱素子を取り付けた状態の側面図である。 本発明の第１実施形態例に係る冷却装置であって、複数の発熱素子を取り付けた状態の平面図である。 本発明の第２実施形態例に係る冷却装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態例に係る冷却装置であって、複数の発熱素子を取り付けた状態の側面図である。 （a）図は従来例に係る冷却装置の斜視図、（b）図は従来例に係る冷却装置に複数の発熱素子を実装した状態を示す説明図である。 従来例に係る冷却装置であって、複数の発熱素子を取り付けた状態の平面図である。 他の従来例に係る冷却装置の斜視図である。 他の従来例に係る冷却装置であって、複数の発熱素子を取り付けた状態の平面図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係る冷却装置について図１〜３を用いながら説明する。図１、２に示すように、本発明の第１実施形態例に係る冷却装置１は、ヒートパイプ式冷却装置であって、平板状の受熱ブロック２と、受熱ブロック２の表面に鉛直方向に取り付けられた複数のヒートパイプ３と、ヒートパイプ３に取り付けられた複数の放熱フィン５、５´とを備えている。ヒートパイプ３の形状は、側面視Ｕ字状（側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１）または側面視Ｌ字状（側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２）となっている。第１実施形態例に係る冷却装置１では、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１について、いずれも寸法と形状が同じであり、側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２について、いずれも寸法と形状が同じである。ヒートパイプ３は、側面視Ｕ字状またはＬ字状となっている側面部が冷却風の流れ方向に対して平行となるように、直線上に複数配列されて、１つのヒートパイプ群４が形成されている。

１つのヒートパイプ群４を構成するヒートパイプ３の数は、必要とする冷却能力及び冷却装置１のサイズに応じて適宜選択可能である。図３に示すように、冷却装置１に設けられたヒートパイプ群４には、３つの側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１からなるヒートパイプ群４−１と、３つの側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１に加えて冷却風の最も風上側に側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２が１つ配置されたヒートパイプ群４−２との２パターンがある。ヒートパイプ群４−１及びヒートパイプ群４−２は、いずれも冷却風の流れ方向に対して直交方向に複数列（図では１７列）設けられている。また、ヒートパイプ群４−１とヒートパイプ群４−２とは、交互に配置されている。従って、冷却装置１では、受熱ブロック２に、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１が５１個、側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２が８個、取り付けられている。さらに、ヒートパイプ群４−１とヒートパイプ群４−２は、冷却風の流れ方向に対して平行方向に特定間隔ずれた配置関係となっている。なお、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１と側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２について、上記のような、いずれも同じ寸法と形状を有している態様に限定はされず、障害物の回避等、必要に応じて、所定の側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１と側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２の寸法、形状を、適宜、変更させてもよい。

放熱フィン５、５´は、矩形の薄板である。放熱フィン５、５´は、その表面が冷却風の流れ方向に対して平行方向またはほぼ平行方向となるよう取り付けられている。また、放熱フィン５、５´の表面は、受熱ブロック２の表面に対して平行方向またはほぼ平行方向となっている。この放熱フィン５、５´が、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に所定間隔で複数並べられて、１つの放熱フィン群６が形成されている。これにより、冷却風が放熱フィン群６中を円滑に流れる構成となっている。

冷却装置１では、１つの放熱フィン群６は、同一寸法・形状の放熱フィン５、５´が受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に等しい間隔ｔで複数並べられた放熱フィン群部、２つから形成されている。つまり、１つの放熱フィン群６は、風上側放熱フィン群部７と、冷却風の流れ方向に対して平行方向であって、風上側放熱フィン群部７の冷却風の風下側に設けられた風下側放熱フィン群部８と、から形成されている。すなわち、風上側放熱フィン群部７では、放熱フィン５が受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に等間隔ｔにて複数並べられており、風下側放熱フィン群部８では、放熱フィン５´が受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に等間隔ｔにて複数並べられている。風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´とは、同一寸法・形状のものが用いられている。風上側放熱フィン群部７の各放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の各放熱フィン５´とは、相互に、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に上記間隔ｔの半分幅（０．５ｔ）ずれた位置関係にて取り付けられている。そして、風上側放熱フィン群部７の風下側の部位と風下側放熱フィン群部８の風上側の部位とが、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に交互に重複、すなわち、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に交互に積層配置されて積層部９が形成されている。つまり、積層部９では、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５の風下側の所定部位と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´の風上側の所定部位とが、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に、交互に配置されている。このように、冷却装置１の放熱フィン群６は、風上側放熱フィン群部７の風上側部位（すなわち、風上部）と、風下側放熱フィン群部８の風下側部位（すなわち、風下部）と、風上側放熱フィン群部７の風上側部位と風下側放熱フィン群部８の風下側部位との中間部にある積層部９（すなわち、中間部）と、を備えている。

従って、積層部９では、放熱フィン５、５´が受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に、０．５ｔの間隔、すなわち、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５及び風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´の間隔ｔに対して半分の間隔にて、並べられている。従って、風上側放熱フィン群部７の放熱フィンピッチと風下側放熱フィン群部８の放熱フィンピッチとは等しく、積層部９の放熱フィンピッチは、風上側放熱フィン群部７の放熱フィンピッチ及び風下側放熱フィン群部８の放熱フィンピッチの２倍となっている。このように、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´を同一形状とすることで、積層部９が風上部と風下部に対して２倍の放熱フィンピッチを有した配置となり、放熱フィン群６は積層部９を中心にして対称形状とできる。上記対称形状を形成するのに、放熱フィン５、５´の種類を増やすことが不要となり、部品点数を減らすことができる。

風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´とは、相互に、寸法・形状が同じなので、放熱フィン群６の側面部は、放熱フィン５、５´の縁部が、それぞれ揃った状態となっている。

上記放熱フィン５、５´及び受熱ブロック２は、いずれも熱伝導性のよい金属材料の平板であり、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などで製造されている。ヒートパイプ３のコンテナ材料も、放熱フィン５、５´及び受熱ブロック２と同様の金属材料で製造されている。ヒートパイプ３の作動液には、コンテナ材料との適合性に合せた作動液が減圧状態で封入される。例えば、コンテナが銅である場合には、作動液は純水を用いている。

ヒートパイプ３及び放熱フィン５、５´が取り付けられていない側に相当する受熱ブロック２の裏面には、被冷却体である発熱素子１００を実装させることで、冷却装置１と発熱素子１００との熱的接続が可能となる。

第１実施形態例に係る冷却装置１では、放熱フィン５、５´は、冷却風の流れ方向に対して垂直方向の寸法（幅）は５００ｍｍ、冷却風の流れ方向に対して平行方向の寸法（長さ）は３５０ｍｍ、厚さは０．５ｍｍである。風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´は、いずれも、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に等間隔（６ｍｍ間隔）に、複数枚（図１、２に示す実施形態例では１５枚）並べられている。従って、風上部の放熱フィン５間の空隙、風下部の放熱フィン５´間の空隙は、それぞれ５．５ｍｍである。また、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´とが受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に交互に配置されている積層部９では、放熱フィン５、５´が、受熱ブロック２の表面に対して垂直方向に、交互に、等間隔（３ｍｍ間隔）にて、複数枚（図１、２に示す実施形態例では３０枚）並べられている。積層部９の長さは、必要とする冷却能力に応じて適宜選択可能であり、第１実施形態例に係る冷却装置１では２２５ｍｍである。

つまり、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５の長さ３５０ｍｍ及び風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´の長さ３５０ｍｍのうち、風上側放熱フィン群部７の風下側２２５ｍｍと風下側放熱フィン群部８の風上側２２５ｍｍとから、放熱フィン群６の積層部９が形成されている。従って、冷却装置１の放熱フィン群６では、風上側放熱フィン群部７のうち、積層部９を構成している風下側部位以外の部位、すなわち、積層部９を構成していない風上部は１２５ｍｍであり、風下側放熱フィン群部８のうち、積層部９を構成している風上側部位以外の部位、すなわち、積層部９を構成していない風下部は同じく１２５ｍｍである。

また、受熱ブロック２の寸法は、適宜選択可能であるが、冷却装置１では、幅５００ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、厚さ２５ｍｍである。ヒートパイプ３の寸法も、適宜選択可能であるが、冷却装置１では、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１の寸法、側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２の寸法は、いずれも、パイプ径１５．８８ｍｍ、側面視Ｕ字またはＬ字部分の幅方向の寸法１０６ｍｍである。側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１、側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２は、いずれも、パイプの断面形状は円形である。

第１実施形態例に係る冷却装置１では、冷却風が図１〜３の矢印の方向にて供給される。よって、冷却風の流れの向きが、受熱ブロック２表面に対して平行または略平行の方向と一致するように、すなわち、冷却風が放熱フィン５、５´の表面に対して平行または略平行方向に流れるように、冷却装置１は設置される。これにより、冷却風は、それぞれの放熱フィン５、５´間の空隙を円滑に通り抜けることができ、よって、放熱フィン５、５´から熱を効率的に奪うことができる。

次に、第１実施形態例に係る冷却装置１に複数の発熱量の発熱素子を実装した場合について、図３を用いて説明する。受熱ブロック２の冷却風の風上側の部位と風下側の部位のそれぞれに冷却風の流れ方向に対して直交方向に３個ずつ、合計６個の発熱素子１００が実装されている場合を例にとって説明する。

各発熱素子１００から放出された熱は、各発熱素子１００と熱的に接続された受熱ブロック２に伝達される。受熱ブロック２に伝達された熱は、受熱ブロック２と熱的に接続されたヒートパイプ３の底部に相当する加熱部へ伝達される。すると、ヒートパイプ３の熱輸送系が作動し、ヒートパイプ３の加熱部に吸収された熱は、該加熱部から延びているヒートパイプ３の冷却部を介して、冷却風の流れを受けている、ヒートパイプ３と熱的に接続された放熱フィン５、５´へと伝達され、放熱フィン５、５´から冷却装置１の外部へと放出される。

このように、第１実施形態例に係る冷却装置１に、冷却風の流れ方向に対して直交方向に３個並べられた発熱素子１００の列が、冷却風の流れ方向に対して平行方向に２列実装されている場合、風上側に実装された発熱素子１００−１の上昇温度は３５．６℃、風下側に実装された発熱素子１００−２の上昇温度は３５．２℃であり、発熱素子１００−１と発熱素子１００−２の上昇温度差は０．４℃であった。

一方、従来例１については、図６（b）、図７に示すように、第１実施形態例に係る冷却装置１との比較のために、放熱フィン群６に代えて、幅５００ｍｍ×長さ５００ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの放熱フィン４５を冷却装置１の積層部９と同じ間隔にて積層部９と同じく３０枚取り付けて放熱フィン群４６を形成し、さらに側面視Ｌ字状ヒートパイプを全て側面視Ｕ字状ヒートパイプ４３に置き換えた、すなわち、側面視Ｕ字状ヒートパイプ４３を５９個設置した以外は、冷却装置１と同様の構成とした。さらに、受熱ブロック４２に冷却装置１と同じ発熱素子４００を同じ配置関係にて実装した。

従来例１では、風上側に実装された発熱素子４００−１の上昇温度は３１．０℃、風下側に実装された発熱素子４００−２の上昇温度は３９．０℃であり、発熱素子４００−１と発熱素子４００−２の上昇温度差は８．０℃であった。従来例１では、放熱フィン４５によって冷却風の圧力が大きく損失した結果、風下側の発熱素子４００−２は、風上側の発熱素子４００−１と比較して冷却されにくくなったためである。

さらに、従来例２の冷却装置４１´についても、図８、９に示すように、第１実施形態例に係る冷却装置１との比較のために、受熱ブロック４２に従来例１と同じ発熱素子４００を同じ配置関係にて実装した。従来例２の冷却装置４１´については、放熱フィン群６に代えて、幅５００ｍｍ×長さ３５０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの放熱フィン４５を、冷却装置１の積層部９と同じ間隔にて３０枚取り付けて放熱フィン群４６を形成し、さらに、３つの側面視Ｕ字状ヒートパイプからなるヒートパイプ群のうち冷却風の最も風上側にある側面視Ｕ字状ヒートパイプをそれぞれ側面視Ｌ字状ヒートパイプ４３´に置き換え、３つの側面視Ｕ字状ヒートパイプに加えて最も風上側に側面視Ｌ字状ヒートパイプが１つ配置されたヒートパイプ群のうち最も風下側にある側面視Ｕ字状ヒートパイプをそれぞれ側面視Ｌ字状ヒートパイプ４３´に置き換えた、すなわち側面視Ｕ字状ヒートパイプ４３を３４個、側面視Ｌ字状ヒートパイプ２５個とした以外は、冷却装置１と同様の構成とした。

従来例２では、風上側に実装された発熱素子４００−１の上昇温度は３７．０℃、風下側に実装された発熱素子４００−２の上昇温度は３３．０℃であり、発熱素子４００−１と発熱素子４００−２の上昇温度差は４．０℃であった。従来例２では、放熱フィンの長さが短いことから、風上側の側面視Ｕ字状のヒートパイプ４３を側面視Ｌ字状のヒートパイプ４３´に代える必要が生じるので、風上側に配置された発熱素子４００−１に対する冷却能力が低下してしまうためである。

上記より、本発明の実施形態例に係る冷却装置１では、上記従来例１、２と比較して、風上側に実装された発熱素子と風下側に実装された発熱素子間の上昇温度差が大きく低減した。放熱フィンピッチが風上側の放熱フィンピッチより相対的に小さい積層部９では、放熱フィン５、５´が冷却風の流れの抵抗となる。しかし、風下部は積層部９の放熱フィンピッチよりも相対的に大きい放熱フィンピッチであるため、冷却風は積層部９を抜けやすく、積層部９にて冷却風の圧力が損失するのを抑えることができる。よって、風下側に実装された発熱素子の温度上昇をより抑えることができると考えられる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る冷却装置２１について、図４、５を用いながら説明する。上記第１実施形態例の冷却装置１では、放熱フィン群６は、風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５の風下側部位と風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´の風上側部位とが、受熱ブロック２２の表面に対して垂直方向に交互に配置されて積層部９が形成されることで、風上側放熱フィン群部７の風上側部位と、風下側放熱フィン群部８の風下側部位と、上記各部位の中間部である積層部９と、３つの部位を備えていたが、これに代えて、図４、５に示すように、上記３つの部位を、それぞれ、別体の放熱フィン群として備えた冷却装置２１としてもよい。

冷却装置２１は、放熱フィン２５を等間隔に並べた、すなわち、等しいピッチにて放熱フィン２５を複数設けた放熱フィン群２６が、冷却風の流れ方向に対して平行方向に複数（図では３個）縦列配置されている。放熱フィン２５は、矩形の薄板である。放熱フィン２５は、その表面が冷却風の流れ方向に対して平行方向またはほぼ平行方向となるよう取り付けられている。また、放熱フィン２５の表面は、受熱ブロック２２の表面に対して平行方向またはほぼ平行方向となっている。冷却装置２１でも、上記冷却装置１と同様に、それぞれの放熱フィン２５はヒートパイプ２３、すなわち、側面視Ｕ字状ヒートパイプ２３−１と側面視Ｌ字状ヒートパイプ２３−２に取り付けられている。また、ヒートパイプ２３及び放熱フィン２５が取り付けられていない側に相当する受熱ブロック２２の裏面には、被冷却体である発熱素子２００‐１、２００−２を実装させることで、熱的接続が可能となる。

複数の放熱フィン２５が取り付けられた３つの放熱フィン群２６のうち、第１放熱フィン群２６−１の構成要素である各第１放熱フィン２５−１の形状・寸法は相互に同一であり、第１放熱フィン群２６−１の側面部は、第１放熱フィン２５−１の縁部がそれぞれ揃った状態となっている。複数の放熱フィン２５が取り付けられた３つの放熱フィン群２６のうち、第２放熱フィン群２６−２の構成要素である第２放熱フィン２５−２の形状・寸法は相互に同一であり、第２放熱フィン群２６−２の側面部は、第２放熱フィン２５−２の縁部がそれぞれ揃った状態となっている。複数の放熱フィン２５が取り付けられた３つの放熱フィン群２６のうち、第３放熱フィン群２６−３の構成要素である第３放熱フィン２５−３の形状・寸法は相互に同一であり、第３放熱フィン群２６−３の側面部は、第３放熱フィン２５−２の縁部がそれぞれ揃った状態となっている。また、各放熱フィン群２６、すなわち、第１放熱フィン群２６−１、第２放熱フィン群２６−２及び第３放熱フィン群２６−３は相互に別体なので、第１放熱フィン群２６−１と第２放熱フィン群２６−２の間、第２放熱フィン群２６−２と第３放熱フィン群２６−３の間には、それぞれ、受熱ブロック２２の表面に対して垂直方向の空隙が形成されている。

冷却風の最も風上側に配置された第１放熱フィン群２６−１では、第１放熱フィン２５−１が、所定の等間隔ｔにて所定の枚数（図５では、冷却装置１の風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５の枚数と同じである１５枚）取り付けられている。冷却装置２１では、第１放熱フィン２５−１のピッチは、冷却装置１の風上側放熱フィン群部７の放熱フィン５のピッチに相当している。第１放熱フィン２５−１の長さは適宜選択可能であるが、冷却装置２１では、風上側放熱フィン群部７の風上側部位の長さとなっている。

第１放熱フィン群２６−１の風下側に隣接して配置された第２放熱フィン群２６−２では、第２放熱フィン２５−２が、前記間隔ｔよりも狭い等間隔ｔ´にて第１放熱フィン群２６−１よりも多い所定枚数（図５では、冷却装置１の積層部９の放熱フィン５、５´の枚数と同じである３０枚）取り付けられている。冷却装置２１では、第２放熱フィン２５−２のピッチは、積層部９の放熱フィン５、５´のピッチに相当している。第２放熱フィン２５−２の長さは適宜選択可能であるが、冷却装置２１では、積層部９の長さとなっている。

第２放熱フィン群２６−２の風下側に隣接して配置された、すなわち、冷却風の最も風下側に配置された第３放熱フィン群２６−３では、第３放熱フィン２５−３が、所定の等間隔ｔにて所定の枚数（図５では、冷却装置１の風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´の枚数と同じである１５枚）取り付けられている。冷却装置２１では、第３放熱フィン２５−３のピッチは、風下側放熱フィン群部８の放熱フィン５´のピッチに相当している。第３放熱フィン２５−３の長さは適宜選択可能であるが、冷却装置２１では、風下側放熱フィン群部８の風下側部位の長さとなっている。

冷却装置２１では、第１放熱フィン群２６−１の第１放熱フィン２５−１のピッチと第３放熱フィン群２６−３の第３放熱フィン２５−３のピッチは同じであって、第２放熱フィン群２６−２の第２放熱フィン２５−２のピッチよりも大きくなっている。また、冷却装置２１では、第２放熱フィン群２６−２の放熱フィン２５−２のピッチは、第１放熱フィン群２６−１及び第３放熱フィン群２６−３のピッチと整数倍の関係（図５では２倍の関係であり、よって、間隔ｔ´＝０．５ｔ）となっている。

さらに、第２放熱フィン群２６−２は、第１放熱フィン群２６−１及び第３放熱フィン群２６−３と、相互に、放熱フィンのピッチの位相が揃えられている。つまり、それぞれの第１放熱フィン２５−１の同一平面上には、第２放熱フィン群２６−２のうち所定の第２放熱フィン２５−２が配置されている。一方で、第１放熱フィン群２６−１の第１放熱フィン２５−１と第３放熱フィン群２６−３の第３放熱フィン２５−３は、相互に、受熱ブロック２２の表面に対して垂直方向に上記間隔ｔの半分幅（０．５ｔ）ずれた位置関係にて取り付けられている。従って、第１放熱フィン２５−１と同一平面上にない第２放熱フィン２５−２は、第３放熱フィン２５−３と同一平面上に配置されている。

第２実施形態例に係る冷却装置２１においても、第２放熱フィン２５−２のピッチが第１放熱フィン２５−１のピッチより相対的に小さい第２放熱フィン群２６−２では、第２放熱フィン２５−２が冷却風の流れの抵抗となる。しかし、第３放熱フィン群２６−３は、第２放熱フィン群２６−２の放熱フィンピッチよりも相対的に大きい放熱フィンピッチであるため、冷却風は第２放熱フィン群２６−２中を抜けやすく、第２放熱フィン群２６−２中にて冷却風の圧力が損失するのを抑えることができる。よって、第３放熱フィン群２６−３の部位にて冷却風の圧力、風力が低下するのを抑制できると考えられる。その結果、風下側に実装された発熱素子の温度上昇をより抑えることができると考えられる。

次に、本発明の冷却装置の製造方法例について説明する。ここでは、実施形態例１の冷却装置１を例にとって説明する。受熱ブロック２の表面には、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１及び側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２の取り付け位置に対応する箇所に、それぞれ凹部が形成されている。凹部は、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１または側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２の底部と嵌合可能な寸法・形状となっている。

まず、受熱ブロック２表面のそれぞれの凹部に、側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１または側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２の底部を嵌め込むことで、受熱ブロック２表面に対して鉛直方向に複数の側面視Ｕ字状ヒートパイプ３−１及び側面視Ｌ字状ヒートパイプ３−２（以下、ヒートパイプ３）を立設、固定する。これにより、ヒートパイプ３の底部表面と受熱ブロック２が当接し、ヒートパイプ３と受熱ブロック２が熱的に接続された状態となる。放熱フィン５、５´には、それぞれ、ヒートパイプ３のパイプの断面形状に対応した形状の孔部が、ヒートパイプ３の寸法とその配置に対応した所定位置に設けられている。全ての凹部にヒートパイプ３を立設、固定後、固定されたヒートパイプ３を、放熱フィン５、５´の孔部に嵌めて、放熱フィン５、５´をヒートパイプ３に取り付ける。このとき、風上側放熱フィン群部７を構成する放熱フィン５と風下側放熱フィン群部８を構成する放熱フィン５´とを交互に取り付けて積層部９を形成する。ヒートパイプ３の表面が放熱フィン５、５´の孔部内壁面と当接することで、ヒートパイプ３と放熱フィン５、５´とが熱的に接続される。このように、受熱ブロックへヒートパイプを設置し、設置されたヒートパイプに放熱フィンを取り付けることで本発明の冷却装置を製造する。

次に、本発明の冷却装置の使用方法を説明する。ここでは、本発明の上記実施形態例に係る冷却装置１、２１が、移動体（例えば鉄道車両）に搭載された電気部品（例えば電力変換装置）を冷却する使用方法を例にとって説明する。鉄道車両の床下面には外部と遮断された電力制御用の筐体が固定され、筐体内には電力変換装置等、電力を制御するための各種電気部品が格納されている。これら電気部品は稼動時に発熱し、そのまま発熱を放置すると昇温して正常な作動ができなくなるばかりか、最悪の場合には素子が熱により破壊される可能性がある。そこで、これら電気部品を冷却する必要がある。

冷却装置１、２１の受熱ブロック２、２２裏面側に前記電気部品（以下、発熱素子という）を当接させて受熱ブロック２、２２と熱的に接続する。発熱素子が格納された筐体内には、冷却装置１、２１に冷却風を供給するためのファンが設置されている。このとき、ファンから送風された冷却風の流れ方向が、受熱ブロック２、２２表面に対して平行方向となるように、ファンと冷却装置１、２１を設置する。本発明の冷却装置は、特に、上記筐体内に格納された発熱素子を冷却する場合に、冷却装置の風下側部位にて効率よく冷却風の合流ができるので、確実に発熱素子の冷却を均一化できる。

次に、本発明のその他の実施態様例について説明する。上記各実施形態例では、積層部及び第２放熱フィン群の放熱フィンピッチは等間隔であって、その風上側の放熱フィンピッチ及びその風下側の放熱フィンピッチよりも小さい間隔にて放熱フィンが取り付けられていたが、これに代えて、積層部及び第２放熱フィン群の放熱フィンピッチの一部を大きくしてもよい。すなわち、積層部の一部及び第２放熱フィン群の一部について、放熱フィンの間隔を積層部の他の部位及び第２放熱フィン群の他の部位より大きくしてもよい。このとき、大きくした放熱フィンの間隔は、その風上側の放熱フィンの間隔及びその風下側の放熱フィンの間隔と同じとしてもよい。これにより、積層部中及び第２放熱フィン群中での冷却風の流れがより円滑となり、発熱素子間の温度差をより均一化できる。

例えば、風上側放熱フィン群部７の複数の放熱フィン５のうち、一部の放熱フィン５の積層部９に対応する部位について、第２放熱フィン群２６−２の複数の第２放熱フィン２５−２のうち、一部の第２放熱フィン２５について、それぞれ、平面視凹形状、凸形状または凹凸の繰り返し形状に切り出し、凹部、凸部が冷却風の風下側を向くよう配置することで、積層部９及び第２放熱フィン群２６−２の放熱フィンの一部の間隔を大きくすることができる。また、冷却装置２１の場合には、第２放熱フィン２６−２の一部をヒートパイプ２３に取り付けないことで、一部の放熱フィンピッチを広げることができる。

また、上記各実施形態例では、風上側の部位の放熱フィンピッチと風下側の部位の放熱フィンピッチとは同じであったが、これに代えて、上記部位間の放熱フィンピッチを相違させてもよい。

また、上記各実施形態例では、ヒートパイプ群は冷却風の流れ方向に対して直交方向に複数列設けられ、ヒートパイプ群は冷却風の流れ方向に対して平行方向に交互に特定間隔ずらした状態としたが、ヒートパイプの配置関係はこれに限定されず、適宜選択可能である。例えば、上記配置関係に代えて、ヒートパイプ群は、冷却風の流れ方向に対して直交方向以外の所定の角度ずらした状態にて複数列並べてもよい。上記各実施形態例では、熱伝導部材として、ヒートパイプを用いたが、これに代えて、熱伝導性に優れた金属、例えば、２５℃の熱伝導率が１００W／（ｍ・K）以上である、アルミニウム、銅などを用いてもよい。また、上記各実施形態例では、放熱フィン群において放熱フィンは等間隔に配置されていたが、放熱フィンの間隔に適宜変化を設けてもよい。

冷却風の風上側の部位と風下側の部位に発熱素子が実装されても、風下側の部位に実装された発熱素子を確実に冷却でき、各発熱素子間の温度が均一化されるので、多種類の発熱素子を冷却する冷却装置、例えば、鉄道車両に搭載された多数の発熱体を強制空冷で冷却する冷却装置などの分野で利用価値が高い。

１、２１ 冷却装置
２、２２ 受熱ブロック
３、２３ ヒートパイプ
５、５´、２５ 放熱フィン
６、２６ 放熱フィン群
７ 風上側放熱フィン群部
８ 風下側放熱フィン群部
９ 積層部
２６−１ 第１放熱フィン群
２６−２ 第２放熱フィン群
２６−３ 第３放熱フィン群

Claims (6)

1. 発熱素子に熱的に接続できる受熱ブロックと、底部が前記受熱ブロックに熱的に接続された側面視Ｕ字状ヒートパイプと、前記側面視Ｕ字状ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンを複数有する放熱フィン群とを備え、前記受熱ブロックの表面に対して平行な方向に冷却風の流れが設定される冷却装置であって、
   前記放熱フィン群のうち、前記冷却風の風上側の部位と風下側の部位との中間部が、前記冷却風の風上側の部位の放熱フィンピッチ及び前記冷却風の風下側の部位の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備え、前記放熱フィンの表面が、前記冷却風の流れ方向に対して平行方向であることを特徴とする冷却装置。
2. 前記風上側の部位の放熱フィンピッチと前記風下側の部位の放熱フィンピッチが、同じであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記風上側の部位の放熱フィンピッチ及び前記風下側の部位の放熱フィンピッチが、前記中間部の放熱フィンピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 発熱素子に熱的に接続できる受熱ブロックと、底部が前記受熱ブロックに熱的に接続された側面視Ｕ字状ヒートパイプと、前記側面視Ｕ字状ヒートパイプに熱的に接続された放熱フィンを複数有する放熱フィン群とを備え、前記受熱ブロックの表面に対して平行な方向に冷却風の流れが設定される冷却装置であって、
   前記放熱フィン群が、前記冷却風の流れ方向に沿って複数縦列配置され、前記複数の放熱フィン群のうち、前記冷却風の風上側と風下側との中間部に配置された放熱フィン群が、前記冷却風の風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチ及び前記冷却風の風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチよりも小さい放熱フィンピッチを備え、前記放熱フィンの表面が、前記冷却風の流れ方向に対して平行方向であることを特徴とする冷却装置。
5. 前記風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチと前記風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチが、同じであることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記風上側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチ及び前記風下側に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチが、前記中間部に配置された放熱フィン群の放熱フィンピッチの整数倍であることを特徴とする請求項４または５に記載の冷却装置。

Images