JPH07235790A - 電子機器冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷媒液を噴霧して冷却することにより小型軽
量化と冷却能力の増大をはかる。 【構成】筐体２１内に電力変換用の大容量半導体素子２
２を搭載したコールドプレート２３と、半導体素子２２
に付随する補機回路用の電子機器２４を収納した密閉容
器２５とを配設し、それらの下方に配管２６を介して冷
媒液タンク２７および冷媒液循環ポンプ２８を配設す
る。密閉容器２５内の電子機器２４に対向する位置に、
ヘッダ３１と一体に形成された噴霧ノズル３２を配設
し、外部に設置された空冷熱交換器３３により冷却され
た冷媒液３６を噴霧ノズル３２から電子機器２４へ噴霧
して冷却する。滴下した冷媒液３６は冷媒液タンク２７
へ集められ、冷媒液循環ポンプ２８により空冷熱交換器
３３へ送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両に搭載される
電力変換装置等の電子機器を冷却する電子機器冷却装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、鉄道車両に搭載される電力変換装
置用の冷却装置として、図２に示される装置が知られて
いる。これは密閉容器１内にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔ
ｅｄＧａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒ）やＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ ｔｈｙｒ
ｉｓｔｏｒ）等の大容量の半導体素子２を冷媒液３とと
もに収納したものである。密閉容器１の上部にヘッダ４
が、さらにその上方にもヘッダ５が配設され、ヘッダ
４，５間は複数の凝縮管６により接続され、凝縮管６の
外周には放熱フィン７が形成されている。半導体素子２
は主気密端子８により密閉容器１に支持されている。半
導体素子２に付随する補機回路用の電子機器１１は、密
閉容器１の外部に設置され、１対の補助気密端子９を介
して半導体素子２に接続されている。

【０００３】この電子機器１１にも放熱フィン１２が形
成されている。このように構成された冷却装置は、半導
体素子２が発熱すると、冷媒液３を沸騰させ、それによ
り気化した冷媒ガス１３は上昇し上部の凝縮管６で冷や
されて凝縮し、再び下方へ滴下する。なお、凝縮管６は
放熱フィン７により冷却される。また、密閉容器１の外
の電子機器１１の発熱は、放熱フィン１２により冷却さ
れる。これら放熱フィン７，１２は、車両の走行により
相対的に発生する空気流により冷却されるが、必要によ
っては、図示しない送風ファンにより強制冷却されるこ
ともある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
鉄道車両の高速化につれて、車両の軽量化と車両に搭載
される電力変換装置の大容量化が要求され、それにとも
ない電力変換装置用の冷却装置についても、小型軽量化
と冷却能力の向上が要求されてきた。そのため、図２に
示した冷却装置では、特に補機回路を構成する電子機器
１１の発熱が増大する分、放熱フィン１２の放熱面積を
拡大しなければならず、装置全体が大型化し小型軽量化
に逆行してしまうという問題があった。本発明は上記問
題点を解決するためになされたもので、その目的とする
ところは、小型軽量であってしかも冷却能力の大きな電
子機器冷却装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明は、電子機器を収納する密閉容器と、密
閉容器内の電子機器に対向する位置に設置された冷媒液
噴霧ノズルと、密閉容器よりも低い位置に設置されて密
閉容器内の冷媒液が流入する冷媒液タンクと、冷媒液タ
ンクに吸入口が接続された冷媒液循環ポンプと、冷媒液
循環ポンプの吐出口と密閉容器内の冷媒液噴霧ノズルと
の間に接続され、内部を通過する冷媒液を外気により冷
却する空冷熱交換器と、冷媒液循環ポンプと空冷熱交換
器および空冷熱交換器と冷媒液噴霧ノズルとの間を接続
する冷媒液配管とを備えたことを特徴とする。

【０００６】第２の発明は、第１の発明において、内部
に冷媒液を通過させる通路が形成されたコールドプレー
トを密閉容器と並列に接続し、電力変換用の大容量半導
体素子をコールドプレート上に搭載するとともに、大容
量半導体素子に付随する補機回路用電子機器を密閉容器
内に収納したことを特徴とする。ここで、冷媒液として
はパーフロロカーボンを用いることが好ましい。

【０００７】

【作用】第１の発明においては、冷媒液循環ポンプが作
動すると、冷媒液タンクの冷媒液が空冷熱交換器へ圧送
される。冷媒液は空冷熱交換器において外気により冷却
されてから、密閉容器内の冷媒液噴霧ノズルに送られ
て、電子機器に噴出される。ミストとなった冷媒液が電
子機器に付着することにより電子機器は冷却され、温め
られた冷媒液は密閉容器内の下方へ滴下してから冷媒液
タンクへ流れ込む。

【０００８】第２の発明においては、内部に冷媒液が通
過する液路を形成するとともに電力変換用の大容量半導
体素子を搭載したコールドプレートが第１の発明の密閉
容器と並列に接続され、また、大容量半導体素子に付随
する補機回路用電子機器が密閉容器内に収納されること
により、共通の空冷熱交換器を通過した冷媒液により、
大容量半導体素子とその補機回路用電子機器がそれぞれ
冷却される。また、冷媒液にパーフロロカーボンを用い
た場合、動作が安定するとともに冷却効率が向上する。

【０００９】

【実施例】以下、図に沿って本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明に係る電子機器冷却装置の実施例の概
略構成を示す説明図である。図において、２１は筐体で
あり、内部に電力変換用の大容量半導体素子２２を搭載
したコールドプレート２３と、半導体素子２２に付随す
る補機回路用の電子機器２４を収納した密閉容器２５と
が配設され、それらの下方に配管２６を介して冷媒液タ
ンク２７および冷媒液循環ポンプ２８が配設されてい
る。

【００１０】コールドプレート２３は、本出願人がすで
に特開平５−３３５４５４号として提案している電子機
器の冷却装置であり、その構造はコールドプレート２３
の本体内に冷媒液の通路（図示せず）が形成され、この
通路を冷媒液が通過することによりコールドプレート２
３が冷却されて、表面に面接触により搭載されている半
導体素子２２が冷却される。半導体素子２２は１対の補
助気密端子２９により、密閉容器２５内の電子機器２４
に電気的に接続されている。また、密閉容器２５内に
は、電子機器２４に対向する位置に、ヘッダ３１と一体
に形成された噴霧ノズル３２が配設されている。

【００１１】さらに、筐体２１の外部には空冷熱交換器
３３が設置されており、空冷熱交換器３３の入口側は配
管３４により筐体２１内の冷媒液循環ポンプ２８に接続
され、出口側は配管３５により筐体２１内のコールドプ
レート２３および密閉容器２５内のヘッダ３１に接続さ
れている。これらにより冷媒液循環回路が形成され、密
閉容器２５内と冷媒液タンク２７の上部空間以外は冷媒
液３６により満たされている。なお、冷媒液３６は、絶
縁性を有し常温・常圧下では液体であって、しかも熱容
量の大きいことが必要であり、実施例では、沸点１０１
℃のパーフロロカーボンを用いた。

【００１２】次に、実施例の動作について説明する。半
導体素子２２および電子機器２４が起動して発熱が始ま
ると、冷媒液循環ポンプ２８が回転・駆動され、冷媒液
３６が冷媒液タンク２７から吸い込まれ配管３４を介し
て空冷熱交換器３３へ送られる。空冷熱交換器３３で冷
媒液３６は冷却された後、配管３５を介して筐体２１内
のコールドプレート２３および密閉容器２５内のヘッダ
３１に送られる。コールドプレート２３では、冷媒液３
６が内部の通路を通過しながらコールドプレート２３を
冷却することにより、半導体素子２２が冷却される。

【００１３】コールドプレート２３を冷却して温められ
た冷媒液３６は、配管２６を介して冷媒液タンク２７へ
送られる。一方、密閉容器２５内では、ヘッダ３１に送
られた冷媒液３６が噴霧ノズル３２より噴出してミスト
３７となり、電子機器２４の表面に付着して電子機器２
４を冷却してから滴下する。温められて密閉容器２５の
底部に溜まった冷媒液３６は、配管２６を介して冷媒液
タンク２７へ送られる。こうして、それぞれ冷媒液タン
ク２７へ戻ってきた冷媒液３６は再び、冷媒液循環ポン
プ２８へ吸い込まれて循環を繰り返す。

【００１４】上述したようにこの実施例では、半導体素
子２２に付随する補機回路用の電子機器２４について
も、冷媒液３６を噴霧して効率よく冷却するため、電子
機器２４が大容量化されても、冷却装置を小型に構成す
ることが可能になる。また、半導体素子２２および電子
機器２４を同一の冷媒液循環回路により冷却するため、
冷媒液タンク２７、冷媒液循環ポンプ２８および空冷熱
交換器３３が共通となって、その分、装置の小型軽量化
が容易になる。

【００１５】さらには、冷却される半導体素子２２およ
び電子機器２４が収納されている筐体２１と、空冷熱交
換器３３とが配管３４，３５により接続されているた
め、筐体２１の位置に制限されることなく空冷熱交換器
３３を最適な場所に設置できる。例えば、実施例の冷却
装置を鉄道車両に搭載する場合、通常、筐体２１は床下
に設置されるが、空冷熱交換器３３については、メンテ
が容易なように床下以外の位置でしかも冷却効率が良い
場所に設置し、その間を配管３４，３５により接続する
ことができる。

【００１６】また、冷媒液３６の顕熱を利用して冷却が
行われるため、密閉容器２５内もほぼ大気圧となり、密
閉容器２５が圧力容器である必要がない。そのため、冷
媒液３６の交換や補充が容易になるとともに、密閉容器
２５以外の冷媒液循環回路の各部についても保守が容易
になる。なお、この実施例の電子機器冷却装置を鉄道車
両に搭載する場合は、空冷熱交換器３３は車両の走行に
より発生する空気流により冷却されるが、風量が不足で
あれば送風ファンにより強制冷却する。同様に、電子機
器冷却装置を地上に設置される場合も、送風ファンによ
り強制冷却する。

【００１７】

【発明の効果】以上述べたように第１の発明によれば、
密閉容器内の電子機器に噴霧ノズルにより冷媒液を噴霧
して冷却することにより、少量の冷媒液で効率良く冷却
することができる。また、密閉容器と空冷熱交換器とが
配管により接続されるため、密閉容器の設置位置に限定
されることなく最適な位置に空冷熱交換器を設置するこ
とが可能となる。それにより、設置スペースに余裕の少
ない車両に搭載する場合、空冷熱交換器の設置位置が制
限されない分、設置が容易になる。さらには、主として
冷媒液の顕熱を利用して冷却するため冷媒液の常温・常
圧での循環が可能となる。それにより、密閉容器が圧力
容器とならず、冷媒液の補充等の保守作業が容易にな
る。

【００１８】第２の発明によれば、電力変換用の大容量
半導体素子をコールドプレートに設置するとともに、大
容量半導体素子に付随する補機回路用電子機器を噴霧ノ
ズルにより冷却する密閉容器内に収納し、それらを並列
に接続して冷媒液を循環させて冷却することにより、冷
媒液タンク、冷媒液循環ポンプおよび空冷熱交換器が共
通して使用され、装置の構成が簡単になる。その結果、
鉄道車両等の電力変換設備の大容量化の要望に対しても
充分対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例の概略構成を示す説明図で
ある。

【図２】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

２１ 筐体 ２２ 大容量半導体素子 ２３ コールドプレート ２４ 電子機器 ２５ 密閉容器 ２６ 配管 ２７ 冷媒液タンク ２８ 冷媒液循環ポンプ ２９ 補助気密端子 ３１ ヘッダ ３２ 噴霧ノズル ３３ 空冷熱交換器 ３４，３５ 配管 ３６ 冷媒液 ３７ ミスト

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子機器を収納する密閉容器と、 密閉容器内の電子機器に対向する位置に設置された冷媒
   液噴霧ノズルと、 密閉容器よりも低い位置に設置されて密閉容器内の冷媒
   液が流入する冷媒液タンクと、 冷媒液タンクに吸入口が接続された冷媒液循環ポンプ
   と、冷媒液循環ポンプの吐出口と密閉容器内の冷媒液噴
   霧ノズルとの間に接続され、内部を通過する冷媒液を外
   気により冷却する空冷熱交換器と、冷媒液循環ポンプと
   空冷熱交換器および空冷熱交換器と冷媒液噴霧ノズルと
   の間を接続する冷媒液配管と、 を備えたことを特徴とする電子機器冷却装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子機器冷却装置におい
   て、内部に冷媒液を通過させる通路が形成されたコール
   ドプレートを密閉容器と並列に接続し、電力変換用の大
   容量半導体素子をコールドプレート上に搭載するととも
   に、大容量半導体素子に付随する補機回路用電子機器を
   密閉容器内に収納したことを特徴とする電子機器冷却装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の電子機器冷却装
   置において、冷媒液がパーフロロカーボンである電子機
   器冷却装置。