JP4944119B2 - 移動体用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両などの移動体に搭載された半導体素子などの発熱体を冷却するための移動体用冷却装置に関し、詳しくは上記移動体が走行することによって生じる走行風を利用した移動体用冷却装置に関するものである。

従来の鉄道車両などの移動体に搭載された半導体素子などの発熱体を冷却するための移動体用冷却装置においては、半導体素子から発生した熱を放熱する冷却フィンが、車両の進行方向に対して平行に配置される構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５８４７１（段落番号００２５及び図１）

上記のような従来の移動体用冷却装置においては、冷却フィン間に流入する走行風は平板状フィンとの摩擦などにより圧力損失が大きく充分な風量を確保できず、冷却性能が低下するという問題があった。また、上流側での熱交換のため走行風の温度が上昇し、下流側では冷却能力が低下するという問題があった。下流側での平板状フィンの冷却能力が低下すると、下流側半導体素子の温度保護装置が動作する可能性がある。温度保護装置の動作を防止するためには、冷却フィンの表面積つまり冷却器の体積を大きくして熱容量を増大させ、冷却能力を満足させる必要が生じるが、これは質量増加、コスト増加等につながるなどの問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、移動体の移動にともない発生する走行風を効率的に利用して冷却性能を向上させることができる移動体用冷却装置を得ることを目的とする。

この発明に係る移動体冷却装置においては、移動体に取り付けられるものであって、冷却すべき発熱体が取り付けられる発熱体取り付け部とこの発熱体取り付け部に対し発熱体が取り付けられる側とは反対側に設けられるとともに移動体の移動方向に対し傾斜させた方向の溝を形成する複数の冷却フィンを有する冷却フィンブロック部とを備え、冷却フィンブロック部に走行風を通すための移動体の移動方向と平行な方向のスロット及び移動体の移動方向と直交する方向のスロットを設けて冷却フィンブロック部を分割したものである。

この発明は、移動体に取り付けられるものであって、冷却すべき発熱体が取り付けられる発熱体取り付け部とこの発熱体取り付け部に対し発熱体が取り付けられる側とは反対側に設けられるとともに移動体の移動方向に対し傾斜させた方向の溝を形成する複数の冷却フィンを有する冷却フィンブロック部とを備え、冷却フィンブロック部に走行風を通すための移動体の移動方向と平行な方向のスロット及び移動体の移動方向と直交する方向のスロットを設けて冷却フィンブロック部を分割したので、溝の長さが短くなり通風の圧力損が減少し風量が増加する。また、溝の両側の平板状フィンから奪うべき熱量も少なくなる。従って、走行風の温度上昇も小さくなり、冷却性能が向上する。

車載用冷却装置を示す説明図である。 車載用冷却装置のヒートシンクの詳細構成を示す構成図である。 この発明の実施の形態２である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。 この発明の実施の形態３である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。 この発明の実施の形態４である車載用冷却装置のヒートシンク装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態５である車載用冷却装置のヒートシンク装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態６である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。 この発明の実施の形態７である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は車両に取り付けられた移動体用冷却装置としての車載用冷却装置を示す説明図、図２は車載用冷却装置のヒートシンクの詳細構成を示す構成図である。図１において、ドア１ａが設けられた移動体としての電車の車体１の床下に電気機器ボックス２が、取りつけ金具100により取り付けられている。電気機器ボックス２の側面にヒートシンク４が固定されている。車体１の床下には、別の電気機器ボックス７が取り付けられている。

ヒートシンク４は、平板状の基底部４ａと、この基底部４ａと一体に設けられた冷却フィンブロック部４ｂを有する。冷却フィンブロック部４ｂは、車体１の移動方向Ａと所定の角度θ（図２）をなすように配設された互いに平行な複数の平板状フィン４ｃにて構成され、この平板状フィン４ｃにより車体１の移動とともに発生する空気流である走行風が流通する（詳細後述）溝４ｆが形成されている。基底部４ａに放熱すべき熱の発生源である半導体素子５がこの実施の形態では４個固着されている。なお、車体１の移動方向Ａに対して平板状フィン４ｃによって形成される溝４ｆの方向Ｂがθ（この例では３０°）傾いた状態で斜めに配置していている。

このように、車体１の移動方向Ａに対して平板状フィン４ｃによって形成される溝４ｆの方向を傾けることにより、溝４ｆ内に流入した走行風は図２に示すように溝４ｆ内を矢印Ｃのように通り抜ける。半導体素子５から発生した熱は、ヒートシンク４の基底部４ａより平板状フィン４ｃに伝導され、平板状フィン４ｃ間に形成された溝４ｆに流入してきた走行風との間で熱交換が行われ、放熱されることにより半導体素子５が冷却される。なお、車体１が逆方向に進行した場合は上流側と下流側が入れ替わる。

このように、平板状フィン４ｃの向きＢが車体１の走行方向Ａに対して斜めになるようにして配置することにより、溝４ｆの長さが短くなり、圧力損失が減少するので溝４ｆを通過する走行風（冷却風）の流量が増え、またヒートシンク４の下流側でも、平板状フィン４ｃの側面を流れる新鮮な走行風を取り入れ冷却性能を向上させることができる。さらに、従来のヒートシンクで問題となっていた上流側での平板状フィン４ｃとの熱交換による走行風の温度上昇による下流側の冷却能力低下の問題が軽減される。よって、冷却性能が向上し、ヒートシンクの小形軽量化を図ることができる。

上記説明及び図１、２では、平板状フィン４ｃによる溝４ｆの方向を、走行風が電機機器ボックス２の左上側から電機機器ボックス２の右下側へ向かう方向としているが、この方向に限られるものではなく、電機機器ボックス２の左下側から電機機器ボックス２の右上側へ向かう方向としてもよいし、車体１の移動方向Ａと溝４ｆのなす角度θも適宜選定すればよい。また、基底部４ａと冷却フィンブロック部４ｂとを一体に形成せず、基底部４ａと冷却フィンブロック部４ｂと別々に製作し、基底部４ａに冷却フィンブロック部４ｂを両者の間で所定の熱伝導率が確保されるようにして固着してもよい。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。図３に示すヒートシンクが図１に示した電気機器ボックス２の側面に実施の形態１におけるヒートシンク４と同様にして固定されている。図３において、ヒートシンク１４は、基底部４ａと基底部４ａに所定の間隔を置いて設けられた４つの冷却フィンブロック部１４ｂを有している。このヒートシンク１４は、図２における冷却フィンブロック部４ｂに十字をなすように走行風を通すための移動体１の移動方向と平行な方向及び直交する方向のスロット４ｄ，４ｅを設けて４つの冷却フィンブロック部１４ｂに分割した形にしたものであり、平板状フィン１４ｃの平均長さは平板状フィン４ｃの平均長さの４５％、平板状フィン１４ｃの間隔は平板状フィン４ｃと同じであり、溝１４ｆの幅は図２のヒートシンク４の溝４ｆと同じ幅である。

４つの冷却フィンブロック部１４ｂの平板状フィン１４ｃを合計した表面積は、図２の平板状フィン４ｃの約８１％であるが、同じ程度の冷却性能を得ることができる。詳細は後述する。基底部４ａの冷却フィンブロック部１４ｂと反対側には４個の半導体素子５がその中心を各冷却フィンブロック部１４ｂの中心と一致させて固着されている。このようなヒートシンク１４は、例えばアルミニューム合金の精密鋳造で製作される。

次に、動作について説明する。半導体素子５から発生した熱は、ヒートシンク１４の基底部４ａからこれと一体に形成された平板状フィン１４ｃに伝導され、溝１４ｆに流入してきた走行風との間で熱交換が行われ、冷却が行われる。このように、図２の冷却フィンブロック部４ｂに走行風が通過しうるスロット４ｄ，４ｅを設け、４つの冷却フィンブロック部１４ｂに分割した形にすると、溝１４ｆの平均長さが溝４ｆの４５％となり、走行風が溝１４ｆ内を通過するときの圧力損失が小さくなり、風量が増加し、冷却効率が向上する。また、冷却フィンブロック部１４ｂは車体１の移動方向すなわち走行風の流入方向に平行なスロット４ｄにて上下２つに分割された形（全体では４分割の形）とされているので、冷却フィンブロック部１４ｂで図２の冷却フィンブロック部４ｂと同じ熱量を奪うとすれば、溝１４ｆの出口における走行風の温度上昇は半分になる。従って、平板状フィン１４ｃの下流側でも、効率的な熱交換が行える。平板状フィン１４ｃの面積が小さくても平板状フィン４ｃと同じ程度の冷却性能が確保され、ヒートシンク１４の一層の小型・軽量化を実現できる。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図である。図４において、ヒートシンク２４は、基底部４ａと、車体１の移動方向と平行な方向及び直交する方向に設けられたスロット４ｇ及びスロット４ｈにて区切られた計４つの冷却フィンブロック部２４ｂを有している。このようなヒートシンク２４は、図３における下方の２つの冷却フィンブロック部２４ｂの冷却フィン２４ｃにて形成された溝２４ｆの方向と上方の冷却フィンブロック部２４ｂの冷却フィン２４ｃにて形成された溝２４ｆの方向とがスロット４ｇに関し線対称になるように配設したものである。

スロット４ｇの幅すなわち冷却フィンブロック部２４ｂの上下方向の間隔をスロット４ｈの幅よりも所定寸法広くしているが、これら４つの冷却フィンブロック部２４ｂの上下及び左右方向の間隔は、冷却フィンブロック部２４ｂの大きさに応じて適宜決定する。その他の構成については、図３に示した実施の形態２と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。このようなヒートシンク２４は、例えばアルミニューム合金の精密鋳造で製作される。

このヒートシンク２４においては、図４に矢印Ｃで示すように走行風がヒートシンク２４の上下両側の側面から流入し、中央部のスロット４ｇにて合流して矢印Ｄのようにヒートシンク２４の右端から流出する。この実施の形態においては、上方の冷却フィンブロック部２４ｂから流出した走行風と下方の冷却フィンブロック部２４ｂから流出した走行風とが合流して排出されるので、上方の冷却フィンブロック部２４ｂから流出した走行風が下方の冷却フィンブロック部２４ｂに混入するのを防止でき、冷却性能をさらに向上させることができる。車体１の移動方向が逆になったときは走行風の流れが逆になるが、同様の作用効果を奏する。

なお、上記実施の形態２及び３では、基底部４ａが一枚の板で構成されたものを示したが、取り付けられる半導体素子５の数に合わせて４つに分割し、４つに分割した基底部にそれぞれ上記冷却フィンブロック部１４ｂ，２４ｂを設けたものにしてもよい。

実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４である車載用冷却装置のヒートシンク装置を示す構成図である。図５に示すヒートシンク装置が図１に示した電気機器ボックス２の側面に実施の形態１におけるヒートシンク４と同様にして固定されている。図５において、ヒートシンク装置４１は、図２に示したヒートシンク４にルーバ９を設けたものである。ルーバ９は、矩形の薄板状の導風板９ａを有する。導風板９ａは、冷却フィンブロック部４ｂの上方外側にあって各平板状フィン４ｃの端部から突出させてかつ平板状フィン４ｃの延長線上にあるようにして設けられている。各導風板９ａは、全て同じ寸法である。

次に、動作について説明する。半導体素子５から発生した熱は、ヒートシンク４の基底部４ａから平板状フィン４ｃに伝導され、平板状フィン４ｃ間の溝４ｆに流入してきた走行風との間で熱交換が行われ、冷却が行われる。ルーバ９を設置することにより、平板状フィン４ｃから離れた部分を通過していた走行風を強制的に、平板状フィン４ｃ間の溝４ｆに導風することができ、より多くの走行風が得られ、冷却能力が大きくなる。

実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５である車載用冷却装置のヒートシンク装置を示す構成図である。図６において、ヒートシンク装置５１は、図２に示したヒートシンク４にルーバ１９を設けたものである。ルーバ１９は、矩形の薄板状の導風板１９ａを有する。導風板１９ａは、冷却フィンブロック部４ｂの上方外側にあって各平板状フィン４ｃの端部から突出させてかつ平板状フィン４ｃの延長線上にあるようにして設けられている。冷却フィンブロック部４ｂの上方側端部に設けられた導風板１９ａは走行風の下流側に行くに従い突出寸法が次第に大きくなり、冷却フィンブロック部４ｂの下方側端部に設けられた導風板１９ａは走行風の下流側に行くに従い突出寸法が次第に小さくされている。

図５に示した実施の形態４においては、導風板９ａは平板状フィン４ｃからすべて所定寸法だけ平板状フィン４ｂの方向に突出するようにしているが、例えば図６のように上流側に位置する平板状フィン４ｃから下流側に位置する平板状フィン４ｃにかけて、導風板１９ａの突出寸法を徐々に変えれば、走行風の流れが改善されさらに導風効果が大きくなる。

実施の形態６．
図７は、この発明の実施の形態６である車載用冷却装置のヒートシンクを示す構成図であり、図７（ａ）はヒートシンクの平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の切断線Ｅ−Ｅにおける断面を矢印Ｇ方向から見て示した断面図である。なお、図７（ｂ）においては、半導体素子５の図示を省略している。図７において、ヒートシンク６４は基底部４ａ及びこれと一体に設けられた冷却フィンブロック部６４ｂを有する。冷却フィンブロック部６４ｂは、横方向から見たとき、図7（ｂ）に示すようにその長さ方向に基底板４ａからの高さを正弦波状に変えた平板状フィン６４ｃａ及びこれと高さの変える位置を変え互いに山と谷が逆になるようにした平板状フィン６４ｃｂとを交互に配設したものである。平板状フィン６４ｃａ，６４ｃｂにより溝６４ｆが形成されている。その他の構成については、図２に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

このように、形状を交互に変えた平板状フィン６４ｃａ，６４ｃｂを設けることにより、溝６４ｆへの導風効果を高めることができ、より多くの走行風が溝６４ｆ内を通過して冷却効果が向上する。

実施の形態７．
図８は、この発明の実施の形態７である車載用冷却装置のヒートシンクの側断面図である。図８においては、半導体素子５の図示を省略している。図８において、ヒートシンク７４は基底板４ａとこれと一体に設けられた冷却フィンブロック部７４ｂを有する。冷却フィンブロック部７４ｂの平板状フィン７４ｃａは、横方向から見たとき、基底板４ａからの高さを図８に示すように平板状フィンの長さ方向に三角波状に変える。平板状フィン７４ｃｂは、平板状フィン７４ｃａと高さの変る位置が異なり山と谷が互いに逆の関係にある。冷却フィンブロック部７４ｂは、これら平板状フィン７４ｃａ，７４ｃｂを交互に配設したものである。平板状フィン７４ｃａ，７４ｃｂにより溝７４ｆが形成されている。その他の構成については、図２に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。

このように、形状を交互に変え平板状フィン７４ｃａ，７４ｃｂを設けることにより、溝７４ｆへの導風効果を高めることができ、より多くの走行風が溝７４ｆ内を通過して冷却効果が向上する。
なお、以上の各実施の形態では、移動体が電車の車体である場合について説明したが、自動車やその他の移動体であっても同様の効果を奏する。

Claims (6)

1. 移動体に取り付けられるものであって、冷却すべき発熱体が取り付けられる発熱体取り付け部と
   この発熱体取り付け部に対し上記発熱体が取り付けられる側とは反対側に設けられるとともに上記移動体の移動方向に対し傾斜させた方向の溝を形成する複数の冷却フィンを有する冷却フィンブロック部とを備え、
   上記冷却フィンブロック部に走行風を通すための上記移動体の移動方向と平行な方向のスロット及び上記移動体の移動方向と直交する方向のスロットを設けて上記冷却フィンブロック部を分割したことを特徴とする移動体冷却装置。
2. 上記複数の冷却フィンは上記移動体の移動方向と平行な方向のスロットに対する傾斜の方向が互いに逆である上記溝を形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の移動体冷却装置。
3. 上記溝の延長方向に上記冷却フィンから突出して導風部材を設けたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の移動体冷却装置。
4. 走行風の上流側に位置する上記冷却フィンから下流側に位置する上記冷却フィンにかけて上記導風部材の突出寸法を変えたことを特徴とする請求項３記載の移動体冷却装置。
5. 上記冷却フィンは、上記発熱体取り付け部からの高さを上記溝の長さ方向に変えるようにするとともに、隣り合った上記冷却フィンの関係においては高さの変わる位置を変え、山と谷が互いに逆の関係になるようにされたものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の移動体冷却装置。
6. 上記冷却フィンは正弦波状又は三角波状に形成されたことを特徴とする請求項５記載の移動体冷却装置。

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