車載用電力変換装置の冷却装置および鉄道車両用電力変換装置
【課題】小型化および性能の向上を図ることができる車載用電力変換装置の提供。
【解決手段】冷却装置２０は、放熱ベース１４の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０の冷却に用いられる。冷媒６が収納された沸騰容器１の底面は、車載用電力変換装置１０の放熱面に熱的に接触している。沸騰容器１から冷媒を流出する蒸気パイプ４ａは、沸騰容器１の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられる。熱交換器２１に設けられた複数の伝熱管３は、沸騰容器１の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置され、蒸気パイプ４ａの冷媒を冷却風の風上側へと導く。また、伝熱管３の外周面には、冷却風を熱交換器２１の沸騰容器１に対向しない側から沸騰容器１に対向する側へ通過させる複数の放熱フィン２が設けられている。
【解決手段】冷却装置２０は、放熱ベース１４の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０の冷却に用いられる。冷媒６が収納された沸騰容器１の底面は、車載用電力変換装置１０の放熱面に熱的に接触している。沸騰容器１から冷媒を流出する蒸気パイプ４ａは、沸騰容器１の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられる。熱交換器２１に設けられた複数の伝熱管３は、沸騰容器１の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置され、蒸気パイプ４ａの冷媒を冷却風の風上側へと導く。また、伝熱管３の外周面には、冷却風を熱交換器２１の沸騰容器１に対向しない側から沸騰容器１に対向する側へ通過させる複数の放熱フィン２が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車，あるいは鉄道車両など搭載される車載用電力変換装置の冷却装置、および、鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車，あるいは鉄道車両においては，車両の動力源としてモータを搭載し，モータに供給する電力を制御するための，インバータなどの電力変換装置が備えられている。電力変換装置は，ＩＧＢＴなどの電力用半導体を含むパワーモジュールとそのパワーモジュールを駆動する駆動回路，それらを制御する制御回路，および電流平滑化のためのコンデンサを備えている。
【０００３】
これらの回路に用いられる電子部品は高温に弱いため冷却する必要がある。大容量で発熱量が大きい電力変換装置では，冷却液を循環させる液冷構造の冷却器や，密閉容器中で冷媒が気液二相状態となるよう充填される，通称「沸騰冷却」と呼ばれる方式を採用する冷却装置を備えるものもが知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６４６４７４号明細書
【特許文献２】特許第３５１３８４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置は、冷却対象の上部に設けられた熱交換器に対して、さらに上方から送風機によって冷却風を送風する構成のため、送風機を含めた高さ方向の寸法が大きくなり、電気自動車のボンネット内に収納可能に構成するのは困難であった。また、熱交換器への流入空気の流れ方向が沸騰容器の上面に対して垂直なのに対し，流出空気は沸騰容器の上面に対して略平行となることから，空気の流れを略直角に曲げるための流体の抵抗が発生してしまうことで風量が低下し，冷却性能を損なうという課題もあった。
【０００６】
また、特許文献２には車載用電力変換装置の冷却装置が記載されているが、車両前方から後方へと流れる冷却風を冷媒熱交換器に導くようにしている。しかしながら、冷媒放熱器が電力変換装置に対して垂直に設けられているため、ボンネット高さ方向が大きくなりやすいという欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置の冷却装置であって、冷媒が収納され、底面が車載用電力変換装置の放熱面に熱的に接触している冷媒槽と、冷媒槽の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられて、該冷媒槽から冷媒を流出する第１の配管と、冷媒槽の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の第２の配管を有し、第１の配管の冷媒を複数の第２の配管により冷却風の風上側へと導く熱交換器と、熱交換器の冷媒を冷媒槽へ戻す手段と、を備え、熱交換器は、第２の配管の外周面に設けられて、冷却風を該熱交換器の冷媒槽に対向しない側から冷媒槽に対向する側へ通過させる複数の放熱フィンを有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、冷却装置は、冷媒槽内の冷媒が電力変換装置からの熱により沸騰蒸発する沸騰冷却方式の冷却装置であって、冷媒槽の上面の冷却風の流れの風上側に設けられて、複数の第２の配管の冷媒を冷媒槽へ戻す、第１の配管よりも短い第３の配管を、熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として設け、複数の放熱フィンの傾きを冷却風の流れに対して平行に設定したことを特徴とする。
請求項３の発明による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置と、請求項２に記載の冷却装置を冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニットと、冷却ユニットのいずれか一方の冷却装置により冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニットと、冷却ユニットの他方の冷却装置により冷却され、コンバータユニットから出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニットと、を備え、冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置の熱交換器を通過した冷却風が、冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置の熱交換器に流入しないように、２つの冷却装置の各熱交換器を冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置したことを特徴とする。
請求項４の発明による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットと、電力変換ユニットの放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置と、冷却装置の熱交換に冷却風を送風する送風装置と、を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項２に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、車載用電力変換装置は、鉄道車両の床下に放熱面が垂直となるように設けられ、第３の配管が第１の配管よりも垂直方向下側に配置されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、熱交換器の冷媒を冷媒槽へ戻す手段として、冷媒を冷媒槽と熱交換器との間で循環させる循環ポンプを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、車載用電力変換装置を冷却する冷却装置において、小型化および性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による車載用電力変換装置の冷却装置の第１の実施の形態を示す図。
【図２】冷却装置２０を車両前方側から見た図。
【図３】図２のＡ１−Ａ１断面図。
【図４】図３のＡ２−Ａ２断面図。
【図５】放熱フィン２の取り付け部の形状を示す図。
【図６】対向流の場合と並行流の場合の冷媒温度を概念的に示す図。
【図７】冷媒強制循環方式の冷却装置１２０を示す図である。
【図８】本実施形態による冷却装置の第３の実施の形態示を示す図。
【図９】第３の実施の形態の第１の変形例を示す図。
【図１０】第３の実施の形態の第２の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明による車載用電力変換装置の冷却装置の第１の実施の形態を示す図であって、冷却装置を電気自動車に適用した場合を示す。図１は、本実施形態の電力変換装置を含む電気自動車の全部ボンネット部分を車両側面から見た図である。電気自動車１００１のボンネットの内部には、車両走行用モータ１０４を駆動するための電力変換装置１０が設けられている。後述するように、電力変換装置１０には、インバータ回路等を構成する電子部品が設けられている。電力変換装置１０には、電力変換装置１０を冷却するための冷却装置２０が設けられている。冷却装置２０の車両後方側には、冷却装置２０に対して冷却風を供給するための送風機１０３が設けられている。なお、本実施の形態では冷却風を送風機１０３で発生させているが、走行中に車両前方から取り入れられる走行風を冷却風として利用しても良い。電力変換装置１０は、配線短縮による軽量化および耐ノイズ性向上の観点から、車両走行用モータ１０４に近接した位置、例えば、車両走行用モータ１０４の略上部に配置される。
【００１１】
１０５は車内空調向けエアコンの熱交換ユニットである。ここでは図示していないが、車両走行用モータ１０４からも大量の熱が発生するため、車両走行用モータ１０４を冷却するための冷却装置もボンネット内に収納されている。このように、電気自動車のボンネットの内部には，周囲外気を取り込んでの冷却あるいは熱交換が必要なコンポーネントが多く実装される一方，周囲外気は，車両前面の限られた部分から取り込むことから，冷却装置を小型化しながら，できるだけ多くの冷却風量を確保することが重要となる。
【００１２】
図２，３は本実施の形態における冷却装置を示す図であり、図２は電力変換装置１０に取り付けられた冷却装置２０を車両前方側から見た図、図３は図２のＡ１−Ａ１断面図である。１０は冷却対象である電力変換装置であり、２０は冷却装置である。
【００１３】
図２，３に示すように、冷却装置２０は、沸騰容器１、沸騰容器１の上面に立設された一対の蒸気パイプ４ａおよび一対の液戻りパイプ４ｂ、蒸気パイプ４ａに接続された蒸気ヘッダ５ａ、液戻りパイプ４ｂに接続された液戻りヘッダ５ｂ、蒸気ヘッダ５ａと液戻りヘッダ５ｂとの間に接続された複数の伝熱管３、および、複数の伝熱管３に架け渡すように取り付けられた複数の放熱フィン２を備えている。なお、液戻りパイプ４ｂは、冷媒蒸気が流れる蒸気パイプ４ａよりも内径が細くなっている。本実施の形態では、伝熱管３および放熱フィン２が熱交換器２１を構成している。
【００１４】
図３に示すように、液戻りパイプ４ｂは蒸気パイプ４ａよりも短く設定されており、冷却風の風上側に設けられた液戻りヘッダ５ｂは、風下側に設けられた蒸気ヘッダ５ａよりも位置が低い。そのため、複数の伝熱管３は、風上側が低くなるように傾斜することになる。複数の伝熱管３に架け渡された放熱フィン２の各々は、傾きがほぼ水平となるように、すなわち、冷却風の流れに対して平行となるように配置されている。冷却装置２０内には冷媒６が封入されており、冷却装置２０内において冷媒６は気液二相状態となっている。沸騰冷却型の冷媒６としては、例えば純水やフッ素系冷媒などが用いられる。
【００１５】
図４は図３のＡ２−Ａ２断面図であり、図５は放熱フィン２の取り付け部の形状を示す図である。伝熱管３は円筒管が用いられているが、図４では斜めに断面されているため、伝熱管３の断面は長円形状になっている。放熱フィン２には長孔形状の切り欠き２ｂが複数形成されており、それらの切り欠き２ｂ内に各伝熱管３が挿入されるように取り付けられる。
【００１６】
切り欠き２ｂには、放熱フィン２よりも厚いＵ字形状のカラー２ａが設けられており、ロー付け等によりこのカラー２ａの部分が伝熱管３と接合される。その結果、放熱フィン２と伝熱管３とが熱的に良好に接続されることになる。また、放熱フィン２に伝熱管挿入用の切り欠き２ｂを設けているため、大量の放熱フィン２を、角度がばらつかないように揃えながら、短時間で容易に接合可能とすることができる。
【００１７】
電力変換装置１０は、車両に搭載されたバッテリ（不図示）からの直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を車両走行用モータ１０４に供給する。図３に示すように、電力変換装置１０には、インバータ回路を構成するパワー半導体素子を有するパワーモジュール１１、パワーモジュール１１を駆動制御する駆動制御回路１２、平滑用のコンデンサモジュール２０３等が設けられている。それらの電子部品は、電力変換装置１０の放熱ベース１４と熱的に接触しており、発生した熱は放熱ベース１４を介して沸騰容器１に伝熱される。なお、図示していないが、電力変換装置１０には、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータや、制御用の油圧ポンプを駆動するモータ等の補機用モータを駆動するための補機用パワーモジュールも含まれている。
【００１８】
図３を参照して、冷却装置２０の冷却動作の概略を説明する。冷却装置２０は、いわゆる沸騰冷却方式を採用しており、沸騰容器１内において液体の状態にある冷媒６は、電力変換装置１０からの熱により蒸発あるいは沸騰して蒸気となり、その潜熱による発生熱が吸収される。沸騰容器１で発生した蒸気は、蒸気パイプ４ａ内を上昇して蒸気ヘッダ５ａに流入する。なお、液戻りヘッダ５ｂに液体の冷媒が溜まっていない時点においては、沸騰容器１内の冷媒蒸気の一部が液戻りパイプ４ｂから液戻りヘッダ５ｂに流れるが、蒸気パイプ４ａを流れる冷媒蒸気の量に比べれば非常に少ない。
【００１９】
蒸気ヘッダ５ａに流入した冷媒蒸気は、蒸気ヘッダ５ａに接続された複数の伝熱管３のそれぞれに流入し、伝熱管３内を他端方向（液戻りヘッダ５ｂの方向）へと流れる。ここで、蒸気ヘッダ５ａを液戻りヘッダ５ｂに対し上方に取り付けることにより、重力差を用いて伝熱管３内で凝縮した冷媒の流れ方向を液戻りヘッダ側に誘導し、流れを一方向に限定することができる。
【００２０】
各伝熱管３の外表面には、上述したように複数の放熱フィン２が固着されている。放熱フィン２を介して周囲の空気（冷却風）と熱交換することにより、冷媒蒸気は電力変換装置１０から受け取った熱を冷却風へと放熱することになる。本実施の形態では、電力変換装置１０および冷却装置２０は、図１に示すように電気自動車１００１のフロントボンネット内に設けられる。熱交換器２１の後方に設けられた送風機１０３を動作させることで、熱交換器２１の前方から後方へと流れる冷却風が形成される。そのため、図３に示すように冷却風が、蒸気ヘッダ５ｂ側から蒸気ヘッダ５ａ側へと吹き付けられることになる。なお、送風機１０３に代えてまたは加えて、走行風取り入れ口を冷却装置２０の前方に設けて、車両走行時の走行風を冷却風として利用しても良い。
【００２１】
冷媒蒸気は伝熱管３における熱交換で放熱することにより凝縮して液体となり、傾斜した伝熱管３を流れ落ちて液戻りヘッダ５ｂに集められる。液戻りヘッダ５ｂに集められた液体冷媒は、液戻りパイプ４ｂを通って沸騰容器１へ戻る。沸騰容器１において冷媒が蒸発し伝熱管３において冷媒が凝縮するこのようなサイクルを繰り返すことにより、電力変換装置１０で発生した熱が冷却風へ放熱される。
【００２２】
図３に示す冷却装置２０では、冷媒槽である沸騰容器１は冷却風の流れに対してほぼ平行に配置されている。そして、熱交換器２１の一部を構成する複数の伝熱管３を、沸騰容器１の上面に対向する位置に、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置し、冷媒蒸気が各伝熱管３内を冷却風の風上側へと導かれるようにした。また、伝熱管３の延在方向と逆方向に流れる冷却風は、伝熱管３の外周面に設けられた放熱フィン２によって、伝熱管３の上側から伝熱管３の下側へと導かれる。すなわち、冷却風は、熱交換を、沸騰容器１に対向しない側から、沸騰容器１に対向する側へと通過する。
【００２３】
放熱フィン２と伝熱管３とで構成される熱交換器２１を上述のような構成とすることにより、車載用電力変換装置１０１の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置されていても、熱交換器２１において冷却風が流入し通過する面積を、沸騰容器１の面積とほぼ同程度とすることができ、熱交換器２１の性能を確保しつつ、熱交換器２１を含む冷却装置２０の高さ方向寸法を小さくすることができる。
【００２４】
本実施の形態の場合、沸騰冷却式の冷却装置２０であるため、伝熱管３を風上側が低くなるように傾斜させて凝縮した冷媒を液戻りヘッダ５ｂに集めるようにしている。放熱フィン２は、冷却風の流れにほぼ平行となるように、傾斜した伝熱管３に対して傾けて設けられている。そのため、冷却風が放熱フィン２を通過する際の曲がりの抵抗がなくなり、風量を増加することが可能となる。また、伝熱管３に対して放熱フィン２が傾いているので、図４に示すように、放熱フィン２と伝熱管３との熱接触面積が大きくなるという利点を有している。さらに、図３に示す冷却装置２０では、冷媒蒸気は、伝熱管３内を冷却風の流れに関して風下から風上へと流れるので、高温冷媒と低温冷媒（冷却風）とが対向流となり、熱交換性能をより向上させることができる。
【００２５】
図６は、高温冷媒と低温冷媒とが対向流の場合と並行流の場合の冷媒温度を概念的に示したものである。図６（ａ）は並行流の場合を示し、図６（ｂ）は対向流の場合を示す。いずれの場合も、縦軸が温度を表し、横軸が冷媒の流れ方向の位置を表している。高温冷媒は伝熱配管３内を流れる冷媒蒸気に対応し、低温冷媒は冷却風に対応する。温度TH1は高温冷媒の入り口温度であり、温度TL1は低温冷媒の入り口温度である。
【００２６】
図６（ａ）に示す並行流の場合は、図３の状況において冷却風の風上（ｘ＝０）から風下（ｘ＝x1）の方向に冷媒蒸気が流れる場合に対応しており、高温冷媒の入り口（ｘ＝０）における高温冷媒と低温冷媒との温度差ΔT1は、ΔT1＝TH1−TL1となっている。高温冷媒は低温冷媒との熱交換によって温度が低下し、逆に低温冷媒は温度が上昇する。そのため、高温冷媒の出口（ｘ＝x1）における温度差ΔT2＝TH2−TL2は、上述したΔT1と比べて小さくなっている。
【００２７】
一方、図６（ｂ）に示す対向流の場合にも、高温冷媒の入り口（ｘ＝x1）における温度および低温冷媒の入り口（ｘ＝０）における温度は、それぞれ図６（ａ）に示す高温冷媒入り口温度TH1および低温冷媒入り口温度TL1と等しいとする。高温冷媒の温度は、低温冷媒との間の熱交換により低下し、出口においてTH2となる。低温冷媒の温度は、高温冷媒との間の熱交換により上昇し、出口においてTL2となる。
【００２８】
高温冷媒から低温冷媒への熱移動は、それらの間の温度差に依存する。図６（ａ）に示す並行流の場合には、高温冷媒入り口での温度差ΔT1は大きいが、出口に近づくにつれて大きく変化し、出口付近の温度差ΔT1はかなり小さくなる。一方、図６（ｂ）に示す対向流の場合には、高温冷媒の入り口から出口に渡って温度差が大きく変化することがない。そのため、入り口から出口までのトータルでの熱交換量を比較した場合、対向流の方が大きいことが知られている。
【００２９】
本実施の形態では、冷却風の流れに対して、冷媒蒸気の流れが風下から風上に流れるように伝熱管３を配置したことで、冷媒蒸気と冷却風との関係を上述のような対向流となるようにした。その結果、熱交換器２１における放熱性能（熱交換率）が向上し、冷却装置２０の性能向上を図ることができる。
【００３０】
−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、沸騰冷却式の冷却装置２０について説明したが、沸騰冷却方式でなくても本発明を適用することができる。図７に示す冷却装置１２０では、液体冷媒（例えば、冷却水）を循環ポンプ７により強制循環させる方式が採用されている。なお、図３に示す構成要素と同一の構成要素には同一符号を付した。電力変換装置１０と冷媒との熱交換は、冷媒槽１２１によって行われる。冷媒槽１２１の上方には熱交換器２１が設けられており、複数の伝熱管３は、冷却風の流れの風下側に配置された冷媒ヘッド５ｃと風上側に設けられた冷媒ヘッド５ｄを接続している。冷媒ヘッド５ｃは、冷媒配管４によって冷媒槽１２１の上面の風下側位置に接続されている。一方、冷媒ヘッド５ｄは、冷媒配管４および循環ポンプ７を介して冷媒槽１２１の風上側に接続されている。
【００３１】
本実施の形態では、冷媒をポンプ７で強制循環させる方法を用いているので、伝熱管３を傾斜させる必要は無く、冷媒槽１２１に沿ってほぼ平行に配置されている。そのため、伝熱管３内の冷媒の流れと冷却風の流れとが対向流となり、熱交換率の向上を図ることができる。また、放熱フィン２は伝熱管３に対して斜めに固定されている。そのため、車両前方（図示左側）からの冷却風は放熱フィン２によって曲げられ、伝熱管３の上側から下側へと通過し、放熱フィン２からの放熱がより大きくなるような構成とされている。
【００３２】
このように、放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０を冷却する冷却装置において、熱交換器２１を冷却風の流れにほぼ平行に配置するとともに、放熱フィン２によって冷却風が熱交換器２１を通過するような構成としたので、高い冷却性を確保することができるとともに、冷却装置の高さ方向寸法を小さくすることができる。その結果、配置スペースの限られた車両ボンネット内に、冷却装置を容易に収納することができる。
【００３３】
−第３の実施の形態−
図８は，本実施形態による冷却装置の第３の実施の形態示を示したものであり、鉄道車両の搭載される電力変換装置の冷却に適用したものである。鉄道車両においては，客室スペースを広げて乗客定員数を増やすために，電気鉄道車両（以下では、電気車と称する）を駆動する電力変換装置は客室床下部に設置されることが多い。そのため、実装において高さ方向の寸法が制限される。
【００３４】
図８は、電気車を進行方向から見た断面概略図である。電気車の車体１００３の床下には、電力変換装置が納められる筐体４００が取付けられる。筐体４００の一方の側面には吸気口４０１が設けられ、他方の側面には排気口４０２が設けられている。筐体４００には、通風ダクト１０６が設けられており、通風ダクト１０６の一方の開口に送風機２０３が取り付けられ、他方の開口は排気口４０２に連通されている。送風機２０３は、給気口４０１から冷却風を吸込み、通風ダクト１０６を通して排気口４０２から排出するように設けられている。
【００３５】
通風ダクト１０６の下部外側には、電力変換装置１０が配置され、電力変換装置１０の上側に設けられた冷却装置２０は通風ダクト１０６内に配置されている。本実施の形態における冷却装置２０も、図３に示した冷却装置２０と同一構造の沸騰冷却方式の冷却装置である。電気車の場合には、供給された交流電力をコンバータで直流電力に変換した後にインバータで交流電力に変換するようにしているので、電力変換装置１０にはコンバータユニットとインバータユニットとが設けられている。
【００３６】
本実施の形態においても、熱交換器の熱交換率を高めることで冷却装置２０の性能向上を図りつつ、冷却装置２０の高さ寸法を小さくできる。そのため、電気車の車体１００３の床下に設けられる筐体４００の高さ寸法を抑えることができる。
【００３７】
図９は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、コンバータユニットとインバータユニットをそれぞれ別の冷却装置で冷却するように構成した。コンバータユニット４１１およびインバータユニット４１２は、通風ダクト１０６の下部外側に図示左右方向に、すなわち冷却風の流れの方向に沿って並べられている。風上側に配置されたコンバータユニット４１１を冷却する冷却装置２０Ａは、図３に示した冷却装置２０と同一構成を有している。一方、風下側に設けられたインバータユニット４１２の冷却装置２０Ｂは、配管４ａ，４ｂの長さを冷却装置２０Ａの対応する配管よりも長くし、熱交換器２１Ｂが、熱交換器２１Ａよりも上方となるように構成されている。
【００３８】
そのため、通風ダクト１０６の下側を流れる冷却風は冷却器２０Ａの熱交換器２１Ａへと流入し、通風ダクト１０６の上側を流れる冷却風が、風下側に配置された冷却器２０Ｂの熱交換器２１Ｂに流入する。各熱交換器２１Ａ，２１Ｂを通過して暖められた冷却風は、排気口４０２から排出される。
【００３９】
このように、本実施の形態では、冷却風の流れに沿って２つの冷却装置２０Ａ，２０Ｂが配置された場合であっても、熱交換器２１Ａ，２１Ｂが流れ方向に重ならないように、流れに対して垂直な方向にずらすことで、いずれの熱交換器にも外気から導入された冷却風を直接流入させることができる。さらに、第１の実施の形態でも説明したように、熱交換器２１Ａ，２１Ｂを冷却風の流れ方向に沿って配置したことにより、冷却装置の高さを小さくすることができ、通風ダクト１０６の高さ寸法を低減することができる。
【００４０】
なお、図９に示す例では、風下側の冷却装置２０Ｂの熱交換器２１Ｂを上方にずらしたが、熱交換器２１Ａ，２１Ｂのどちらを上方にずらしても構わない。また、図９では冷却装置を２つ並べて用いる場合を例に示したが、例えば、走行用モータのコンバータおよびインバータに加えて、空調用のインバータをさらに並列配置する場合などのように、３つ以上の場合にも同様に適用することができる。
【００４１】
図１０は、電気車に用いられる冷却装置の第２の変形例を示したものである。図１０は電気車を進行方向から見た断面概略図であり、冷却装置２０Ｃは、図３の冷却装置２０と同一構成の冷却装置である。ただし、取り付け姿勢が図３の場合と異なっている。床下に設けられた電力変換装置１０の放熱面（図３に示す放熱ベース１４の表面）は、床に対して垂直に設けられており、冷却装置２０Ｃの沸騰容器１も垂直に設けられている。そして、伝熱管３の沸騰容器１に対する高さは、図示下側で低く、図示上側で高くなるように構成されている。
【００４２】
第２の変形例では、走行中は走行風が冷却風として利用されるが、停車中は自然対流による空気の流れによって冷却されるような構成になっている。走行風の流れは伝熱管３の延在方向に対して垂直となっているので、伝熱管３のいずれの位置においても同様の熱交換率となる。一方、停車中の空気の流れは、図示下側から上方へと流れるので、図３で説明した場合の冷却風と同様の関係になり、同様の効果を奏することができる。特に、第２の変形例の形態は、停車中でも冷却効果を発揮することができるので、空調装置の電力変換装置のように、電気車が停車中でも走行中と同様の発熱があるものについて効果的である。
【００４３】
冷却装置２０Ｃは熱交換器２１Ｃが傾斜して設けられており、冷却装置２０Ｃの図示左右方向の寸法を小さくすることができる。鉄道車両の場合には車両限界を超えないような寸法とする必要があるが、熱交換器２１Ｃの高さを小さくできるとともに、熱交換器２１Ｃの図示下側が内側に絞られるような傾斜構造となっているため、車両限界に沿うような外観形状が可能となる。
【００４４】
（Ｃ１）上述したように本実施の形態では、図３に示すように、放熱ベース１４の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０の冷却装置２０であって、冷媒６が収納され、底面が車載用電力変換装置１０の放熱面に熱的に接触している冷媒槽としての沸騰容器１と、沸騰容器１の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられて、沸騰容器１から冷媒を流出する蒸気パイプ４ａと、沸騰容器１の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の伝熱管３を有し、蒸気パイプ４ａの冷媒を複数の伝熱管３により冷却風の風上側へと導く熱交換器２１と、熱交換器２１の冷媒を沸騰容器１へ戻す手段としての液戻りパイプ４ｂと、を備え、熱交換器２１は、伝熱管３の外周面に設けられて、冷却風を熱交換器２１の沸騰容器１に対向しない側から沸騰容器１に対向する側へ通過させる複数の放熱フィン２を有する。
【００４５】
放熱フィン２と伝熱管３とで構成される熱交換器２１を上述のような構成とすることにより、車載用電力変換装置１０１の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置されていても、熱交換器２１において冷却風が流入し通過する面積を、沸騰容器１の面積とほぼ同程度とすることができ、熱交換器２１の性能を高性能に維持しつつ、熱交換器２１を含む冷却装置２０の高さ方向寸法を小さくすることができる。
【００４６】
（Ｃ２）蒸気パイプ４ａのよりも液戻りパイプ４ｂを短くすることにより熱交換器２１を傾斜させ、複数の放熱フィン２の傾きを冷却風の流れに対して平行に設定することで、放熱フィン２による抵抗が減少し、風量を増加させることができる。
【００４７】
（Ｃ３）図９に示すように、本実施の形態の鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置２０３と、図３に記載の冷却装置２０を冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニット２０Ａ，２０Ｂと、この冷却ユニットの一方の冷却装置２０Ａにより冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニット４１１と、冷却ユニットの他方の冷却装置２０Ｂにより冷却され、コンバータユニット４１１から出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニット４１２と、を備える。そして、冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置２０Ａの熱交換器２１Ａを通過した冷却風が、冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置２０Ｂの熱交換器２１Ｂに流入しないように、２つの冷却装置の各熱交換器２１Ａ，２１Ｂを冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置した。
【００４８】
熱交換器２０Ｂは、熱交換器２０Ａに対して冷却風の流れに垂直な方向にずれているので、熱交換器２０Ａを通過した暖められた冷却風が流入するのを防止でき、送風機２０３からの冷却風が直接流入するので、風下側の熱交換器２０Ｂも、風上側の熱交換器２０Ａと同様の熱交換率を達成することができる。
【００４９】
（Ｃ４）図８に示す鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両１００３の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットである電力変換装置１０と、電力変換装置１０の放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置２０と、冷却装置２０の熱交換器に冷却風を送風する送風装置２０３と、を備える。冷却装置２０は熱交換器が冷却風の流れに沿って傾斜して設けられ、放熱フィンの角度は流れに平行となっている。その結果。熱交換器の熱交換率を高めることで冷却装置２０の性能向上を図りつつ、冷却装置２０の高さ寸法を小さくできる。そのため、電気車の車体１００３の床下に設けられる筐体４００の高さ寸法を抑えることができる。
【００５０】
（Ｃ５）また、電力変換装置１０が図１０に示すように鉄道車両１００３の床下に放熱面が垂直となるように設けられ手いる場合、配管４ｂが配管４ａよりも垂直方向下側に配置されるように、冷却装置２０Ｃは配置されている。そのため、冷却装置２０Ｃの図示左右方向の寸法を小さくすることができる。冷却装置２０Ｃの一部が、車両限界の外側にはみ出すのを防止することができる。
【００５１】
（Ｃ６）また、図７に示すように、熱交換器１２０の冷媒を冷媒槽１２１へ戻す手段として、冷媒を冷媒槽１２１と熱交換器１２０との間で循環させる循環ポンプ７を設けることにより、熱交換器１２０の傾斜角を小さくすることができ、傾斜角＝０度とすることも可能である。そのため、冷却装置の高さ寸法を小さくすることができる。
【００５２】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１：沸騰容器、２：放熱フィン、２ａ：カラー、３：伝熱管、４：冷媒配管、４ａ：蒸気パイプ、４ｂ：液戻りパイプ、５ａ：蒸気ヘッダ、５ｂ：液戻りヘッダ、６：冷媒、７：循環ポンプ、１０：電力変換装置、１１：パワーモジュール、１４：放熱ベース、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，１２０：冷却装置、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２０Ｃ：熱交換器、１０３，２０３：送風機、１０４：車両走行用モータ、１０６：通風ダクト、１２１：冷媒槽、４００：筐体、４１１：コンバータユニット、４１２：インバータユニット、１００１：電気自動車、１００３：車体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車，あるいは鉄道車両など搭載される車載用電力変換装置の冷却装置、および、鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッド自動車，あるいは鉄道車両においては，車両の動力源としてモータを搭載し，モータに供給する電力を制御するための，インバータなどの電力変換装置が備えられている。電力変換装置は，ＩＧＢＴなどの電力用半導体を含むパワーモジュールとそのパワーモジュールを駆動する駆動回路，それらを制御する制御回路，および電流平滑化のためのコンデンサを備えている。
【０００３】
これらの回路に用いられる電子部品は高温に弱いため冷却する必要がある。大容量で発熱量が大きい電力変換装置では，冷却液を循環させる液冷構造の冷却器や，密閉容器中で冷媒が気液二相状態となるよう充填される，通称「沸騰冷却」と呼ばれる方式を採用する冷却装置を備えるものもが知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６４６４７４号明細書
【特許文献２】特許第３５１３８４６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置は、冷却対象の上部に設けられた熱交換器に対して、さらに上方から送風機によって冷却風を送風する構成のため、送風機を含めた高さ方向の寸法が大きくなり、電気自動車のボンネット内に収納可能に構成するのは困難であった。また、熱交換器への流入空気の流れ方向が沸騰容器の上面に対して垂直なのに対し，流出空気は沸騰容器の上面に対して略平行となることから，空気の流れを略直角に曲げるための流体の抵抗が発生してしまうことで風量が低下し，冷却性能を損なうという課題もあった。
【０００６】
また、特許文献２には車載用電力変換装置の冷却装置が記載されているが、車両前方から後方へと流れる冷却風を冷媒熱交換器に導くようにしている。しかしながら、冷媒放熱器が電力変換装置に対して垂直に設けられているため、ボンネット高さ方向が大きくなりやすいという欠点を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置の冷却装置であって、冷媒が収納され、底面が車載用電力変換装置の放熱面に熱的に接触している冷媒槽と、冷媒槽の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられて、該冷媒槽から冷媒を流出する第１の配管と、冷媒槽の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の第２の配管を有し、第１の配管の冷媒を複数の第２の配管により冷却風の風上側へと導く熱交換器と、熱交換器の冷媒を冷媒槽へ戻す手段と、を備え、熱交換器は、第２の配管の外周面に設けられて、冷却風を該熱交換器の冷媒槽に対向しない側から冷媒槽に対向する側へ通過させる複数の放熱フィンを有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、冷却装置は、冷媒槽内の冷媒が電力変換装置からの熱により沸騰蒸発する沸騰冷却方式の冷却装置であって、冷媒槽の上面の冷却風の流れの風上側に設けられて、複数の第２の配管の冷媒を冷媒槽へ戻す、第１の配管よりも短い第３の配管を、熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として設け、複数の放熱フィンの傾きを冷却風の流れに対して平行に設定したことを特徴とする。
請求項３の発明による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置と、請求項２に記載の冷却装置を冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニットと、冷却ユニットのいずれか一方の冷却装置により冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニットと、冷却ユニットの他方の冷却装置により冷却され、コンバータユニットから出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニットと、を備え、冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置の熱交換器を通過した冷却風が、冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置の熱交換器に流入しないように、２つの冷却装置の各熱交換器を冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置したことを特徴とする。
請求項４の発明による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットと、電力変換ユニットの放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置と、冷却装置の熱交換に冷却風を送風する送風装置と、を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項２に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、車載用電力変換装置は、鉄道車両の床下に放熱面が垂直となるように設けられ、第３の配管が第１の配管よりも垂直方向下側に配置されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、熱交換器の冷媒を冷媒槽へ戻す手段として、冷媒を冷媒槽と熱交換器との間で循環させる循環ポンプを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、車載用電力変換装置を冷却する冷却装置において、小型化および性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による車載用電力変換装置の冷却装置の第１の実施の形態を示す図。
【図２】冷却装置２０を車両前方側から見た図。
【図３】図２のＡ１−Ａ１断面図。
【図４】図３のＡ２−Ａ２断面図。
【図５】放熱フィン２の取り付け部の形状を示す図。
【図６】対向流の場合と並行流の場合の冷媒温度を概念的に示す図。
【図７】冷媒強制循環方式の冷却装置１２０を示す図である。
【図８】本実施形態による冷却装置の第３の実施の形態示を示す図。
【図９】第３の実施の形態の第１の変形例を示す図。
【図１０】第３の実施の形態の第２の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本発明による車載用電力変換装置の冷却装置の第１の実施の形態を示す図であって、冷却装置を電気自動車に適用した場合を示す。図１は、本実施形態の電力変換装置を含む電気自動車の全部ボンネット部分を車両側面から見た図である。電気自動車１００１のボンネットの内部には、車両走行用モータ１０４を駆動するための電力変換装置１０が設けられている。後述するように、電力変換装置１０には、インバータ回路等を構成する電子部品が設けられている。電力変換装置１０には、電力変換装置１０を冷却するための冷却装置２０が設けられている。冷却装置２０の車両後方側には、冷却装置２０に対して冷却風を供給するための送風機１０３が設けられている。なお、本実施の形態では冷却風を送風機１０３で発生させているが、走行中に車両前方から取り入れられる走行風を冷却風として利用しても良い。電力変換装置１０は、配線短縮による軽量化および耐ノイズ性向上の観点から、車両走行用モータ１０４に近接した位置、例えば、車両走行用モータ１０４の略上部に配置される。
【００１１】
１０５は車内空調向けエアコンの熱交換ユニットである。ここでは図示していないが、車両走行用モータ１０４からも大量の熱が発生するため、車両走行用モータ１０４を冷却するための冷却装置もボンネット内に収納されている。このように、電気自動車のボンネットの内部には，周囲外気を取り込んでの冷却あるいは熱交換が必要なコンポーネントが多く実装される一方，周囲外気は，車両前面の限られた部分から取り込むことから，冷却装置を小型化しながら，できるだけ多くの冷却風量を確保することが重要となる。
【００１２】
図２，３は本実施の形態における冷却装置を示す図であり、図２は電力変換装置１０に取り付けられた冷却装置２０を車両前方側から見た図、図３は図２のＡ１−Ａ１断面図である。１０は冷却対象である電力変換装置であり、２０は冷却装置である。
【００１３】
図２，３に示すように、冷却装置２０は、沸騰容器１、沸騰容器１の上面に立設された一対の蒸気パイプ４ａおよび一対の液戻りパイプ４ｂ、蒸気パイプ４ａに接続された蒸気ヘッダ５ａ、液戻りパイプ４ｂに接続された液戻りヘッダ５ｂ、蒸気ヘッダ５ａと液戻りヘッダ５ｂとの間に接続された複数の伝熱管３、および、複数の伝熱管３に架け渡すように取り付けられた複数の放熱フィン２を備えている。なお、液戻りパイプ４ｂは、冷媒蒸気が流れる蒸気パイプ４ａよりも内径が細くなっている。本実施の形態では、伝熱管３および放熱フィン２が熱交換器２１を構成している。
【００１４】
図３に示すように、液戻りパイプ４ｂは蒸気パイプ４ａよりも短く設定されており、冷却風の風上側に設けられた液戻りヘッダ５ｂは、風下側に設けられた蒸気ヘッダ５ａよりも位置が低い。そのため、複数の伝熱管３は、風上側が低くなるように傾斜することになる。複数の伝熱管３に架け渡された放熱フィン２の各々は、傾きがほぼ水平となるように、すなわち、冷却風の流れに対して平行となるように配置されている。冷却装置２０内には冷媒６が封入されており、冷却装置２０内において冷媒６は気液二相状態となっている。沸騰冷却型の冷媒６としては、例えば純水やフッ素系冷媒などが用いられる。
【００１５】
図４は図３のＡ２−Ａ２断面図であり、図５は放熱フィン２の取り付け部の形状を示す図である。伝熱管３は円筒管が用いられているが、図４では斜めに断面されているため、伝熱管３の断面は長円形状になっている。放熱フィン２には長孔形状の切り欠き２ｂが複数形成されており、それらの切り欠き２ｂ内に各伝熱管３が挿入されるように取り付けられる。
【００１６】
切り欠き２ｂには、放熱フィン２よりも厚いＵ字形状のカラー２ａが設けられており、ロー付け等によりこのカラー２ａの部分が伝熱管３と接合される。その結果、放熱フィン２と伝熱管３とが熱的に良好に接続されることになる。また、放熱フィン２に伝熱管挿入用の切り欠き２ｂを設けているため、大量の放熱フィン２を、角度がばらつかないように揃えながら、短時間で容易に接合可能とすることができる。
【００１７】
電力変換装置１０は、車両に搭載されたバッテリ（不図示）からの直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を車両走行用モータ１０４に供給する。図３に示すように、電力変換装置１０には、インバータ回路を構成するパワー半導体素子を有するパワーモジュール１１、パワーモジュール１１を駆動制御する駆動制御回路１２、平滑用のコンデンサモジュール２０３等が設けられている。それらの電子部品は、電力変換装置１０の放熱ベース１４と熱的に接触しており、発生した熱は放熱ベース１４を介して沸騰容器１に伝熱される。なお、図示していないが、電力変換装置１０には、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータや、制御用の油圧ポンプを駆動するモータ等の補機用モータを駆動するための補機用パワーモジュールも含まれている。
【００１８】
図３を参照して、冷却装置２０の冷却動作の概略を説明する。冷却装置２０は、いわゆる沸騰冷却方式を採用しており、沸騰容器１内において液体の状態にある冷媒６は、電力変換装置１０からの熱により蒸発あるいは沸騰して蒸気となり、その潜熱による発生熱が吸収される。沸騰容器１で発生した蒸気は、蒸気パイプ４ａ内を上昇して蒸気ヘッダ５ａに流入する。なお、液戻りヘッダ５ｂに液体の冷媒が溜まっていない時点においては、沸騰容器１内の冷媒蒸気の一部が液戻りパイプ４ｂから液戻りヘッダ５ｂに流れるが、蒸気パイプ４ａを流れる冷媒蒸気の量に比べれば非常に少ない。
【００１９】
蒸気ヘッダ５ａに流入した冷媒蒸気は、蒸気ヘッダ５ａに接続された複数の伝熱管３のそれぞれに流入し、伝熱管３内を他端方向（液戻りヘッダ５ｂの方向）へと流れる。ここで、蒸気ヘッダ５ａを液戻りヘッダ５ｂに対し上方に取り付けることにより、重力差を用いて伝熱管３内で凝縮した冷媒の流れ方向を液戻りヘッダ側に誘導し、流れを一方向に限定することができる。
【００２０】
各伝熱管３の外表面には、上述したように複数の放熱フィン２が固着されている。放熱フィン２を介して周囲の空気（冷却風）と熱交換することにより、冷媒蒸気は電力変換装置１０から受け取った熱を冷却風へと放熱することになる。本実施の形態では、電力変換装置１０および冷却装置２０は、図１に示すように電気自動車１００１のフロントボンネット内に設けられる。熱交換器２１の後方に設けられた送風機１０３を動作させることで、熱交換器２１の前方から後方へと流れる冷却風が形成される。そのため、図３に示すように冷却風が、蒸気ヘッダ５ｂ側から蒸気ヘッダ５ａ側へと吹き付けられることになる。なお、送風機１０３に代えてまたは加えて、走行風取り入れ口を冷却装置２０の前方に設けて、車両走行時の走行風を冷却風として利用しても良い。
【００２１】
冷媒蒸気は伝熱管３における熱交換で放熱することにより凝縮して液体となり、傾斜した伝熱管３を流れ落ちて液戻りヘッダ５ｂに集められる。液戻りヘッダ５ｂに集められた液体冷媒は、液戻りパイプ４ｂを通って沸騰容器１へ戻る。沸騰容器１において冷媒が蒸発し伝熱管３において冷媒が凝縮するこのようなサイクルを繰り返すことにより、電力変換装置１０で発生した熱が冷却風へ放熱される。
【００２２】
図３に示す冷却装置２０では、冷媒槽である沸騰容器１は冷却風の流れに対してほぼ平行に配置されている。そして、熱交換器２１の一部を構成する複数の伝熱管３を、沸騰容器１の上面に対向する位置に、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置し、冷媒蒸気が各伝熱管３内を冷却風の風上側へと導かれるようにした。また、伝熱管３の延在方向と逆方向に流れる冷却風は、伝熱管３の外周面に設けられた放熱フィン２によって、伝熱管３の上側から伝熱管３の下側へと導かれる。すなわち、冷却風は、熱交換を、沸騰容器１に対向しない側から、沸騰容器１に対向する側へと通過する。
【００２３】
放熱フィン２と伝熱管３とで構成される熱交換器２１を上述のような構成とすることにより、車載用電力変換装置１０１の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置されていても、熱交換器２１において冷却風が流入し通過する面積を、沸騰容器１の面積とほぼ同程度とすることができ、熱交換器２１の性能を確保しつつ、熱交換器２１を含む冷却装置２０の高さ方向寸法を小さくすることができる。
【００２４】
本実施の形態の場合、沸騰冷却式の冷却装置２０であるため、伝熱管３を風上側が低くなるように傾斜させて凝縮した冷媒を液戻りヘッダ５ｂに集めるようにしている。放熱フィン２は、冷却風の流れにほぼ平行となるように、傾斜した伝熱管３に対して傾けて設けられている。そのため、冷却風が放熱フィン２を通過する際の曲がりの抵抗がなくなり、風量を増加することが可能となる。また、伝熱管３に対して放熱フィン２が傾いているので、図４に示すように、放熱フィン２と伝熱管３との熱接触面積が大きくなるという利点を有している。さらに、図３に示す冷却装置２０では、冷媒蒸気は、伝熱管３内を冷却風の流れに関して風下から風上へと流れるので、高温冷媒と低温冷媒（冷却風）とが対向流となり、熱交換性能をより向上させることができる。
【００２５】
図６は、高温冷媒と低温冷媒とが対向流の場合と並行流の場合の冷媒温度を概念的に示したものである。図６（ａ）は並行流の場合を示し、図６（ｂ）は対向流の場合を示す。いずれの場合も、縦軸が温度を表し、横軸が冷媒の流れ方向の位置を表している。高温冷媒は伝熱配管３内を流れる冷媒蒸気に対応し、低温冷媒は冷却風に対応する。温度TH1は高温冷媒の入り口温度であり、温度TL1は低温冷媒の入り口温度である。
【００２６】
図６（ａ）に示す並行流の場合は、図３の状況において冷却風の風上（ｘ＝０）から風下（ｘ＝x1）の方向に冷媒蒸気が流れる場合に対応しており、高温冷媒の入り口（ｘ＝０）における高温冷媒と低温冷媒との温度差ΔT1は、ΔT1＝TH1−TL1となっている。高温冷媒は低温冷媒との熱交換によって温度が低下し、逆に低温冷媒は温度が上昇する。そのため、高温冷媒の出口（ｘ＝x1）における温度差ΔT2＝TH2−TL2は、上述したΔT1と比べて小さくなっている。
【００２７】
一方、図６（ｂ）に示す対向流の場合にも、高温冷媒の入り口（ｘ＝x1）における温度および低温冷媒の入り口（ｘ＝０）における温度は、それぞれ図６（ａ）に示す高温冷媒入り口温度TH1および低温冷媒入り口温度TL1と等しいとする。高温冷媒の温度は、低温冷媒との間の熱交換により低下し、出口においてTH2となる。低温冷媒の温度は、高温冷媒との間の熱交換により上昇し、出口においてTL2となる。
【００２８】
高温冷媒から低温冷媒への熱移動は、それらの間の温度差に依存する。図６（ａ）に示す並行流の場合には、高温冷媒入り口での温度差ΔT1は大きいが、出口に近づくにつれて大きく変化し、出口付近の温度差ΔT1はかなり小さくなる。一方、図６（ｂ）に示す対向流の場合には、高温冷媒の入り口から出口に渡って温度差が大きく変化することがない。そのため、入り口から出口までのトータルでの熱交換量を比較した場合、対向流の方が大きいことが知られている。
【００２９】
本実施の形態では、冷却風の流れに対して、冷媒蒸気の流れが風下から風上に流れるように伝熱管３を配置したことで、冷媒蒸気と冷却風との関係を上述のような対向流となるようにした。その結果、熱交換器２１における放熱性能（熱交換率）が向上し、冷却装置２０の性能向上を図ることができる。
【００３０】
−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、沸騰冷却式の冷却装置２０について説明したが、沸騰冷却方式でなくても本発明を適用することができる。図７に示す冷却装置１２０では、液体冷媒（例えば、冷却水）を循環ポンプ７により強制循環させる方式が採用されている。なお、図３に示す構成要素と同一の構成要素には同一符号を付した。電力変換装置１０と冷媒との熱交換は、冷媒槽１２１によって行われる。冷媒槽１２１の上方には熱交換器２１が設けられており、複数の伝熱管３は、冷却風の流れの風下側に配置された冷媒ヘッド５ｃと風上側に設けられた冷媒ヘッド５ｄを接続している。冷媒ヘッド５ｃは、冷媒配管４によって冷媒槽１２１の上面の風下側位置に接続されている。一方、冷媒ヘッド５ｄは、冷媒配管４および循環ポンプ７を介して冷媒槽１２１の風上側に接続されている。
【００３１】
本実施の形態では、冷媒をポンプ７で強制循環させる方法を用いているので、伝熱管３を傾斜させる必要は無く、冷媒槽１２１に沿ってほぼ平行に配置されている。そのため、伝熱管３内の冷媒の流れと冷却風の流れとが対向流となり、熱交換率の向上を図ることができる。また、放熱フィン２は伝熱管３に対して斜めに固定されている。そのため、車両前方（図示左側）からの冷却風は放熱フィン２によって曲げられ、伝熱管３の上側から下側へと通過し、放熱フィン２からの放熱がより大きくなるような構成とされている。
【００３２】
このように、放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０を冷却する冷却装置において、熱交換器２１を冷却風の流れにほぼ平行に配置するとともに、放熱フィン２によって冷却風が熱交換器２１を通過するような構成としたので、高い冷却性を確保することができるとともに、冷却装置の高さ方向寸法を小さくすることができる。その結果、配置スペースの限られた車両ボンネット内に、冷却装置を容易に収納することができる。
【００３３】
−第３の実施の形態−
図８は，本実施形態による冷却装置の第３の実施の形態示を示したものであり、鉄道車両の搭載される電力変換装置の冷却に適用したものである。鉄道車両においては，客室スペースを広げて乗客定員数を増やすために，電気鉄道車両（以下では、電気車と称する）を駆動する電力変換装置は客室床下部に設置されることが多い。そのため、実装において高さ方向の寸法が制限される。
【００３４】
図８は、電気車を進行方向から見た断面概略図である。電気車の車体１００３の床下には、電力変換装置が納められる筐体４００が取付けられる。筐体４００の一方の側面には吸気口４０１が設けられ、他方の側面には排気口４０２が設けられている。筐体４００には、通風ダクト１０６が設けられており、通風ダクト１０６の一方の開口に送風機２０３が取り付けられ、他方の開口は排気口４０２に連通されている。送風機２０３は、給気口４０１から冷却風を吸込み、通風ダクト１０６を通して排気口４０２から排出するように設けられている。
【００３５】
通風ダクト１０６の下部外側には、電力変換装置１０が配置され、電力変換装置１０の上側に設けられた冷却装置２０は通風ダクト１０６内に配置されている。本実施の形態における冷却装置２０も、図３に示した冷却装置２０と同一構造の沸騰冷却方式の冷却装置である。電気車の場合には、供給された交流電力をコンバータで直流電力に変換した後にインバータで交流電力に変換するようにしているので、電力変換装置１０にはコンバータユニットとインバータユニットとが設けられている。
【００３６】
本実施の形態においても、熱交換器の熱交換率を高めることで冷却装置２０の性能向上を図りつつ、冷却装置２０の高さ寸法を小さくできる。そのため、電気車の車体１００３の床下に設けられる筐体４００の高さ寸法を抑えることができる。
【００３７】
図９は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。第１の変形例では、コンバータユニットとインバータユニットをそれぞれ別の冷却装置で冷却するように構成した。コンバータユニット４１１およびインバータユニット４１２は、通風ダクト１０６の下部外側に図示左右方向に、すなわち冷却風の流れの方向に沿って並べられている。風上側に配置されたコンバータユニット４１１を冷却する冷却装置２０Ａは、図３に示した冷却装置２０と同一構成を有している。一方、風下側に設けられたインバータユニット４１２の冷却装置２０Ｂは、配管４ａ，４ｂの長さを冷却装置２０Ａの対応する配管よりも長くし、熱交換器２１Ｂが、熱交換器２１Ａよりも上方となるように構成されている。
【００３８】
そのため、通風ダクト１０６の下側を流れる冷却風は冷却器２０Ａの熱交換器２１Ａへと流入し、通風ダクト１０６の上側を流れる冷却風が、風下側に配置された冷却器２０Ｂの熱交換器２１Ｂに流入する。各熱交換器２１Ａ，２１Ｂを通過して暖められた冷却風は、排気口４０２から排出される。
【００３９】
このように、本実施の形態では、冷却風の流れに沿って２つの冷却装置２０Ａ，２０Ｂが配置された場合であっても、熱交換器２１Ａ，２１Ｂが流れ方向に重ならないように、流れに対して垂直な方向にずらすことで、いずれの熱交換器にも外気から導入された冷却風を直接流入させることができる。さらに、第１の実施の形態でも説明したように、熱交換器２１Ａ，２１Ｂを冷却風の流れ方向に沿って配置したことにより、冷却装置の高さを小さくすることができ、通風ダクト１０６の高さ寸法を低減することができる。
【００４０】
なお、図９に示す例では、風下側の冷却装置２０Ｂの熱交換器２１Ｂを上方にずらしたが、熱交換器２１Ａ，２１Ｂのどちらを上方にずらしても構わない。また、図９では冷却装置を２つ並べて用いる場合を例に示したが、例えば、走行用モータのコンバータおよびインバータに加えて、空調用のインバータをさらに並列配置する場合などのように、３つ以上の場合にも同様に適用することができる。
【００４１】
図１０は、電気車に用いられる冷却装置の第２の変形例を示したものである。図１０は電気車を進行方向から見た断面概略図であり、冷却装置２０Ｃは、図３の冷却装置２０と同一構成の冷却装置である。ただし、取り付け姿勢が図３の場合と異なっている。床下に設けられた電力変換装置１０の放熱面（図３に示す放熱ベース１４の表面）は、床に対して垂直に設けられており、冷却装置２０Ｃの沸騰容器１も垂直に設けられている。そして、伝熱管３の沸騰容器１に対する高さは、図示下側で低く、図示上側で高くなるように構成されている。
【００４２】
第２の変形例では、走行中は走行風が冷却風として利用されるが、停車中は自然対流による空気の流れによって冷却されるような構成になっている。走行風の流れは伝熱管３の延在方向に対して垂直となっているので、伝熱管３のいずれの位置においても同様の熱交換率となる。一方、停車中の空気の流れは、図示下側から上方へと流れるので、図３で説明した場合の冷却風と同様の関係になり、同様の効果を奏することができる。特に、第２の変形例の形態は、停車中でも冷却効果を発揮することができるので、空調装置の電力変換装置のように、電気車が停車中でも走行中と同様の発熱があるものについて効果的である。
【００４３】
冷却装置２０Ｃは熱交換器２１Ｃが傾斜して設けられており、冷却装置２０Ｃの図示左右方向の寸法を小さくすることができる。鉄道車両の場合には車両限界を超えないような寸法とする必要があるが、熱交換器２１Ｃの高さを小さくできるとともに、熱交換器２１Ｃの図示下側が内側に絞られるような傾斜構造となっているため、車両限界に沿うような外観形状が可能となる。
【００４４】
（Ｃ１）上述したように本実施の形態では、図３に示すように、放熱ベース１４の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置１０の冷却装置２０であって、冷媒６が収納され、底面が車載用電力変換装置１０の放熱面に熱的に接触している冷媒槽としての沸騰容器１と、沸騰容器１の上面であって冷却風の流れの風下側に設けられて、沸騰容器１から冷媒を流出する蒸気パイプ４ａと、沸騰容器１の上面に対向するとともに、該上面に沿って冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の伝熱管３を有し、蒸気パイプ４ａの冷媒を複数の伝熱管３により冷却風の風上側へと導く熱交換器２１と、熱交換器２１の冷媒を沸騰容器１へ戻す手段としての液戻りパイプ４ｂと、を備え、熱交換器２１は、伝熱管３の外周面に設けられて、冷却風を熱交換器２１の沸騰容器１に対向しない側から沸騰容器１に対向する側へ通過させる複数の放熱フィン２を有する。
【００４５】
放熱フィン２と伝熱管３とで構成される熱交換器２１を上述のような構成とすることにより、車載用電力変換装置１０１の放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置されていても、熱交換器２１において冷却風が流入し通過する面積を、沸騰容器１の面積とほぼ同程度とすることができ、熱交換器２１の性能を高性能に維持しつつ、熱交換器２１を含む冷却装置２０の高さ方向寸法を小さくすることができる。
【００４６】
（Ｃ２）蒸気パイプ４ａのよりも液戻りパイプ４ｂを短くすることにより熱交換器２１を傾斜させ、複数の放熱フィン２の傾きを冷却風の流れに対して平行に設定することで、放熱フィン２による抵抗が減少し、風量を増加させることができる。
【００４７】
（Ｃ３）図９に示すように、本実施の形態の鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置２０３と、図３に記載の冷却装置２０を冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニット２０Ａ，２０Ｂと、この冷却ユニットの一方の冷却装置２０Ａにより冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニット４１１と、冷却ユニットの他方の冷却装置２０Ｂにより冷却され、コンバータユニット４１１から出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニット４１２と、を備える。そして、冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置２０Ａの熱交換器２１Ａを通過した冷却風が、冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置２０Ｂの熱交換器２１Ｂに流入しないように、２つの冷却装置の各熱交換器２１Ａ，２１Ｂを冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置した。
【００４８】
熱交換器２０Ｂは、熱交換器２０Ａに対して冷却風の流れに垂直な方向にずれているので、熱交換器２０Ａを通過した暖められた冷却風が流入するのを防止でき、送風機２０３からの冷却風が直接流入するので、風下側の熱交換器２０Ｂも、風上側の熱交換器２０Ａと同様の熱交換率を達成することができる。
【００４９】
（Ｃ４）図８に示す鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両１００３の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットである電力変換装置１０と、電力変換装置１０の放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置２０と、冷却装置２０の熱交換器に冷却風を送風する送風装置２０３と、を備える。冷却装置２０は熱交換器が冷却風の流れに沿って傾斜して設けられ、放熱フィンの角度は流れに平行となっている。その結果。熱交換器の熱交換率を高めることで冷却装置２０の性能向上を図りつつ、冷却装置２０の高さ寸法を小さくできる。そのため、電気車の車体１００３の床下に設けられる筐体４００の高さ寸法を抑えることができる。
【００５０】
（Ｃ５）また、電力変換装置１０が図１０に示すように鉄道車両１００３の床下に放熱面が垂直となるように設けられ手いる場合、配管４ｂが配管４ａよりも垂直方向下側に配置されるように、冷却装置２０Ｃは配置されている。そのため、冷却装置２０Ｃの図示左右方向の寸法を小さくすることができる。冷却装置２０Ｃの一部が、車両限界の外側にはみ出すのを防止することができる。
【００５１】
（Ｃ６）また、図７に示すように、熱交換器１２０の冷媒を冷媒槽１２１へ戻す手段として、冷媒を冷媒槽１２１と熱交換器１２０との間で循環させる循環ポンプ７を設けることにより、熱交換器１２０の傾斜角を小さくすることができ、傾斜角＝０度とすることも可能である。そのため、冷却装置の高さ寸法を小さくすることができる。
【００５２】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５３】
１：沸騰容器、２：放熱フィン、２ａ：カラー、３：伝熱管、４：冷媒配管、４ａ：蒸気パイプ、４ｂ：液戻りパイプ、５ａ：蒸気ヘッダ、５ｂ：液戻りヘッダ、６：冷媒、７：循環ポンプ、１０：電力変換装置、１１：パワーモジュール、１４：放熱ベース、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，１２０：冷却装置、２１，２１Ａ，２１Ｂ，２０Ｃ：熱交換器、１０３，２０３：送風機、１０４：車両走行用モータ、１０６：通風ダクト、１２１：冷媒槽、４００：筐体、４１１：コンバータユニット、４１２：インバータユニット、１００１：電気自動車、１００３：車体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置の冷却装置であって、
冷媒が収納され、底面が前記車載用電力変換装置の放熱面に熱的に接触している冷媒槽と、
前記冷媒槽の上面であって前記冷却風の流れの風下側に設けられて、該冷媒槽から前記冷媒を流出する第１の配管と、
前記冷媒槽の上面に対向するとともに、該上面に沿って前記冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の第２の配管を有し、前記第１の配管の冷媒を前記複数の第２の配管により前記冷却風の風上側へと導く熱交換器と、
前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段と、を備え、
前記熱交換器は、前記第２の配管の外周面に設けられて、前記冷却風を該熱交換器の前記冷媒槽に対向しない側から前記冷媒槽に対向する側へ通過させる複数の放熱フィンを有することを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記冷却装置は、前記冷媒槽内の冷媒が電力変換装置からの熱により沸騰蒸発する沸騰冷却方式の冷却装置であって、
前記冷媒槽の上面の前記冷却風の流れの風上側に設けられて、前記複数の第２の配管の冷媒を前記冷媒槽へ戻す、前記第１の配管よりも短い第３の配管を、前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として設け、
前記複数の放熱フィンの傾きを前記冷却風の流れに対して平行に設定したことを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項３】
鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置と、
請求項２に記載の冷却装置を前記冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニットと、
前記冷却ユニットのいずれか一方の冷却装置により冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニットと、
前記冷却ユニットの他方の冷却装置により冷却され、前記コンバータユニットから出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニットと、を備え、
前記冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置の熱交換器を通過した冷却風が、前記冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置の熱交換器に流入しないように、前記２つの冷却装置の各熱交換器を前記冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
鉄道車両の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットと、
前記電力変換ユニットの放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置と、
前記冷却装置の熱交換に冷却風を送風する送風装置と、を備えたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記車載用電力変換装置は、鉄道車両の床下に前記放熱面が垂直となるように設けられ、
前記第３の配管が前記第１の配管よりも垂直方向下側に配置されていることを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項６】
請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として、冷媒を前記冷媒槽と前記熱交換器との間で循環させる循環ポンプを設けたことを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項１】
放熱面が冷却風の流れにほぼ沿うように配置された車載用電力変換装置の冷却装置であって、
冷媒が収納され、底面が前記車載用電力変換装置の放熱面に熱的に接触している冷媒槽と、
前記冷媒槽の上面であって前記冷却風の流れの風下側に設けられて、該冷媒槽から前記冷媒を流出する第１の配管と、
前記冷媒槽の上面に対向するとともに、該上面に沿って前記冷却風の風下側から風上側に延在するように配置された複数の第２の配管を有し、前記第１の配管の冷媒を前記複数の第２の配管により前記冷却風の風上側へと導く熱交換器と、
前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段と、を備え、
前記熱交換器は、前記第２の配管の外周面に設けられて、前記冷却風を該熱交換器の前記冷媒槽に対向しない側から前記冷媒槽に対向する側へ通過させる複数の放熱フィンを有することを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記冷却装置は、前記冷媒槽内の冷媒が電力変換装置からの熱により沸騰蒸発する沸騰冷却方式の冷却装置であって、
前記冷媒槽の上面の前記冷却風の流れの風上側に設けられて、前記複数の第２の配管の冷媒を前記冷媒槽へ戻す、前記第１の配管よりも短い第３の配管を、前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として設け、
前記複数の放熱フィンの傾きを前記冷却風の流れに対して平行に設定したことを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項３】
鉄道車両の床下に設けられて冷却風を送風する送風装置と、
請求項２に記載の冷却装置を前記冷却風の流れに沿って２つ配置して成る冷却ユニットと、
前記冷却ユニットのいずれか一方の冷却装置により冷却され、給電された交流電力を直流電力に変換するコンバータユニットと、
前記冷却ユニットの他方の冷却装置により冷却され、前記コンバータユニットから出力された直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータユニットと、を備え、
前記冷却ユニットの風上側に配置された冷却装置の熱交換器を通過した冷却風が、前記冷却ユニットの風下側に配置された冷却装置の熱交換器に流入しないように、前記２つの冷却装置の各熱交換器を前記冷却風の流れに垂直な方向に互いにずらして配置したことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
鉄道車両の床下に設けられて、給電された交流電力を一旦直流電力に変換した後に再び交流電力に変換して走行用モータに供給する電力変換ユニットと、
前記電力変換ユニットの放熱面に取り付けられる請求項２に記載の冷却装置と、
前記冷却装置の熱交換に冷却風を送風する送風装置と、を備えたことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項２に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記車載用電力変換装置は、鉄道車両の床下に前記放熱面が垂直となるように設けられ、
前記第３の配管が前記第１の配管よりも垂直方向下側に配置されていることを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【請求項６】
請求項１に記載の車載用電力変換装置の冷却装置において、
前記熱交換器の冷媒を前記冷媒槽へ戻す手段として、冷媒を前記冷媒槽と前記熱交換器との間で循環させる循環ポンプを設けたことを特徴とする車載用電力変換装置の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−５４３１６（Ｐ２０１２−５４３１６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９４０３０（Ｐ２０１０−１９４０３０）
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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