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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung befaßt sich mit Kühlvorrichtungen
zum Kühlen von Wärme erzeugenden Elementen, wie
z. B. Halbleitervorrichtungen.
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Stand der Technik
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Eine
elektrische Stromwandlervorrichtung, wie zum Beispiel ein Stromrichter
oder ein Inverter, die einen Schaltvorgang mittels einer Halbleitervorrichtung
ausführt, wird als elektrische Energiequelle für
einen Elektromotor auf dem Gebiet der allgemeinen Industrie verwendet.
Eine in einer elektrischen Stromwandlervorrichtung, wie einem Stromrichter oder
einem Inverter, verwendete Halbleitervorrichtung, wie zum Beispiel
ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate), ein Thyristor,
ein Transistor oder eine Diode, erzeugt Wärme, wobei das
Ausmaß der Wärmeerzeugung bei einem Anstieg der
Ausgangsleistung ebenfalls ansteigt; daher ist eine wirksame Kühlung
der Halbleitervorrichtung wichtig. Hierbei wird ein IPM (intelligentes
Leistungsmodul), das aus einer Halbleitervorrichtung in modularer
Ausführung mit einer Treiberschaltung konfiguriert ist,
ebenfalls als Halbleitervorrichtung verstanden.
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Bei
einer herkömmlichen Kühlvorrichtung wird ein System
in der Praxis verwendet, bei dem ein Wärmerohr zum Einsatz
kommt. Das Wärmerohr weist eine Ausbildung auf, bei der
Kühlmittel in ein Rohr eingeschlossen ist, das aufrecht
stehend angeordnet ist; ein zu kühlendes Zielobjekt wird
mit einem unteren Bereich des Rohrs in Kontakt gebracht; und eine
Rippe oder dergleichen wärmeabführende Konstruktion
ist in seinem oberen Bereich vorgesehen. Das in dem Rohr eingeschlossene
Kühlmittel wird in dem unteren Bereich durch die von dem
zu kühlenden Zielobjekt aufgenommene Wärme verdunstet.
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Das
verdunstete Kühlmittel bewegt sich in Richtung auf den
oberen Bereich des Rohrs und kehrt dann an dem oberen Bereich des
Rohrs in den flüssigen Zustand zurück, ohne seine
Wärme zu verlieren, und anschließend sammelt sich
das im flüssigen Zustand befindliche Kühlmittel,
nachdem dieses die Innenwand des Rohrs entlang geströmt
ist, in dem unteren Bereich. Das gesammelte Kühlmittel wird
dann wieder verdunstet.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird bei dem Wärmerohr durch Verdunsten
des Kühlmittels die Wärme von dem unteren Bereich
zu dem oberen Bereich übertragen und dann von dem oberen
Bereich nach außen abgeführt, so daß das
zu kühlende Zielobjekt, das mit dem unteren Bereich in
Berührung gebracht ist, gekühlt wird.
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Bei
einer Kühlvorrichtung, bei der ein Wärmerohr verwendet
wird, ist eine Leiterplatte, an der eine Wärme erzeugende
Halbleitervorrichtung angebracht ist, horizontal derart angeordnet,
daß die Halbleitervorrichtung nach unten weist, so daß das
Wärmerohr derart angeordnet wird, daß es mit der
nach oben weisenden Basisfläche der Leiterplatte in Kontakt
gebracht wird (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
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Eine
Kühlvorrichtung, die für eine elektrische Stromwandlervorrichtung
für ein Elektroschienenfahrzeug verwendet wird, wird ebenfalls
bereits in der Praxis verwendet und beinhaltet eine Wärmeaufnahmeplatte
mit einem Strömungskanal zum Hindurchströmenlassen
von Kühlflüssigkeit durch diesen sowie mit einer
daran angebrachten Halbleitervorrichtung, einen Wärmetauscher
für den Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit
von der Wärmeaufnahmeplatte und der Luft, eine Pumpe zum
Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zwischen der Wärmeaufnahmeplatte
und dem Wärmetauscher, sowie eine Gebläseeinrichtung
zum Blasen von Kühlluft zu dem Wärmetauscher,
wobei mehrere Sätze von Wärmeaufnahmeplatten,
Wärmetauschern, Pumpen und Gebläseeinrichtungen
rechtwinklig zu der Längsausrichtung des Fahrzeugkörpers
kollinear angeordnet sind.
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Diese
Kühlvorrichtung ist derart konfiguriert, daß Luft
durch die Seitenfläche des Fahrzeugkörpers eingeleitet
wird, wobei die Gebläseeinrichtung und die Wärmeaufnahmeplatte
zusammen parallel zu der Längsausrichtung des Fahrzeugkörpers
angeordnet sind und einander zugewandt gegenüberliegen,
während der Wärmetauscher und die Wärmeaufnahmeplatte
in der Längsausrichtung des Fahrzeugkörpers rechtwinklig
zueinander angeordnet sind (siehe zum Beispiel Patentdokument 2).
- Patentdokument 1 Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP-A-2002-134670
- Patentdokument 2 Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP-A-1997-246767
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende
Probleme
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Bei
der das Wärmerohr verwendenden Kühlvorrichtung
muß das Wärmerohr vertikal angeordnet werden,
und die Leiterplatte muß horizontal angeordnet werden,
und aus diesem Grund ist für das Wärmerohr eine
Höhe erforderlich, die etwa gleich 10 cm oder höher
als dieser Wert ist; aus diesem Grund ist es schwierig, die Leiterplatten
in überlappender Relation anzuordnen. Der Betrag der Wärmeerzeugung der
Halbleitervorrichtung sowie die für die Anbringung der
Halbleitervorrichtung erforderliche Fläche stehen fest,
und aus diesem Grund sind die Höhe und das Volumen des
Wärmerohrs durch den Wärmeerzeugungsbetrag pro
Flächeneinheit bestimmt; somit ist bisher auch ein vorbestimmtes
Volumen für die Kühlvorrichtung erforderlich,
um der einen vorbestimmten Wärmeerzeugungsbetrag aufweisenden Leiterplatte
Rechnung zu tragen.
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Bei
der Kühlvorrichtung, bei der die Kühlflüssigkeit
unter Verwendung der Pumpe zirkuliert wird, ist Raum für
Zubehör, wie zum Beispiel die Pumpe und einen Reservetank
für die Kühlflüssigkeit, erforderlich.
Außerdem sind der Wärmetauscher und die Wärmeaufnahmeplatte
rechtwinklig zueinander angeordnet, und es ist eine vorbestimmte
Fläche für den Wärmetauscher erforderlich;
aus diesem Grund konnte ein Set aus der Wärmeaufnahmeplatte,
dem Wärmetauscher, der Pumpe und der Gebläseeinrichtung
nicht mit einer besonders geringen Spaltbeabstandung angeordnet
werden.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Kühlvorrichtung,
deren zum Realisieren eines vorbestimmten Kühlfähigkeitsniveaus
erforderliches Volumen kleiner ist als bei einer herkömmlichen
Vorrichtung.
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Mittel zum Lösen
der Aufgabe
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Eine
Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet eine Vielzahl von Kühlmodulen, von
denen jedes eine Kühleinheit zum Kühlen eines
Wärme erzeugenden Elements mittels Kühlmittel
sowie eine Abstrahleinheit zum Abstrahlen von Wärme von
dem sich in der Kühleinheit erwärmenden Kühlmittel
aufweist, wobei die Kühlmodule nach Art von Pumpen vom
Blasen-Typ ausgebildet sind, bei denen das Kühlmittel zwischen
der Abstrahleinheit und der Kühleinheit dadurch zirkuliert,
daß das Kühlmittel in der Kühleinheit
zum Sieden gebracht wird, wobei die Abstrahleinheiten Seite an Seite
nebeneinander angeordnet sind und wobei ein Kühlgebläse
zum Erzeugen eines Luftstroms vorhanden ist, der gegen die Abstrahleinheit
geblasen wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
beinhaltet die Vielzahl von Kühlmodulen, von denen jedes
eine Kühleinheit zum Kühlen des Wärme
erzeugenden Elements mittels des Kühlmittels sowie eine
Abstrahleinheit zum Abstrahlen von Wärme von dem in der
Kühleinheit erwärmten Kühlmittel aufweist,
wobei die Kühlmodule in Form von Pumpen vom Blasen-Typ
ausgebildet sind, bei denen das Kühlmittel zwischen der
Abstrahleinheit und der Kühleinheit zirkuliert wird, indem
das Kühlmittel in der Kühleinheit zum Sieden gebracht
wird, wobei die Abstrahleinheiten Seite an Seite angeordnet sind
und wobei man einen Effekt dahingehend erhält, daß das zum
Erzielen eines vorbestimmten Kühlfähigkeitsniveaus
erforderliche Volumen der Vorrichtung geringer ist als bei einer
herkömmlichen Vorrichtung.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Darstellung zur Erläuterung eines Zustands, in dem eine
elektrische Stromwandlervorrichtung, die eine Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden
Erfindung verwendet, an einem Elektroschienenfahrzeug angebracht ist;
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2 eine
Perspektivansicht zur Erläuterung der Konfiguration der
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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3 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung der Konfiguration der
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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4 eine
Perspektivansicht zur Erläuterung eines Kühlmoduls
mit daran angebrachten Halbleitervorrichtungen zum Bilden der elektrischen Stromwandlervorrichtung,
die die Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung verwendet;
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5 eine
Ansicht zur Erläuterung einer Konfiguration des bei der
Kühlvorrichtung verwendeten Kühlmoduls sowie der
Strömung von Kühlmittel durch diese hindurch gemäß Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Perspektivansicht zur Erläuterung einer Konfiguration einer
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die eine Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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7 eine
Perspektivansicht zur Erläuterung einer Konfiguration einer
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die eine Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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8 eine
Draufsicht zur Erläuterung der Konfiguration der elektrischen
Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
3 der vorliegenden Erfindung verwendet, bei Betrachtung vom Boden
der Vorrichtung;
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9 eine
Perspektivansicht zur Erläuterung einer Konfiguration einer
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die eine Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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10 eine
Draufsicht zur Erläuterung der Konfiguration der elektrischen
Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
4 der vorliegenden Erfindung verwendet, bei Betrachtung vom Boden
der Vorrichtung; und
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11 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung der Konfiguration der
elektrischen Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden
Erfindung verwendet.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Ausführungsbeispiel 1
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 5 wird ein
Fall erläutert, in dem eine Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung bei einer elektrischen Stromwandlervorrichtung
mit einem Stromrichter und einem Inverter für ein Elektroschienenfahrzeug
verwendet wird. 1 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung
der elektrischen Stromwandlervorrichtung, bei der die Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 1 verwendet
wird. Dabei zeigt 1(a) eine Seitenansicht,
während 1(b) eine Draufsicht
gesehen von unten zeigt.
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2 zeigt
eine Perspektivansicht zur Erläuterung der Konfiguration
der elektrischen Stromwandlervorrichtung, die die Kühlvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel 1 verwendet.
Eine Perspektivansicht der gesamten Konfiguration ist in 2(a) dargestellt, und die Konfiguration
eines einzelnen Kühlmoduls, an dem eine vorbestimmte Anzahl
von Halbleitervorrichtungen angebracht ist, ist in 2(b) dargestellt.
Eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie X-X gemäß 1(b) ist in 3 gezeigt.
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4 zeigt
eine Perspektivansicht des Kühlmoduls in einem Zustand,
in dem die Halbleitervorrichtungen angebracht sind, zum Bilden der
Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung. 5 zeigt
eine Ansicht zur Erläuterung der Konfiguration des in der
Kühlvorrichtung verwendeten Kühlmoduls sowie der
Strömung von Kühlmittel, das bei der elektrischen
Stromwandlervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1 der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Wie
in 1(a) gezeigt ist, ist eine elektrische
Stromwandlervorrichtung 100 unter dem Fahrzeugkörper
eines Elektroschienenfahrzeugs angebracht. Wie in 1(b) gezeigt,
ist etwa in der oberen Hälfte der Darstellung der elektrischen
Stromwandlervorrichtung 100 eine Hauptschaltungseinheit 1 vorgesehen,
die ein Gehäuse 1A aufweist, in dem eine Halbleitervorrichtung,
die eine Hauptschaltung zum Wandeln von elektrischem Strom bildet,
und ein Kühlmechanismus der Halbleitervorrichtung angebracht
sind.
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Etwa
im Zentrum der Bodenfläche der elektrischen Stromwandlervorrichtung 100 ist
ein Gebläse 2 als Kühlgebläse
zum Erzeugen von Wind bzw. eines Luftstroms vorgesehen, wobei dieses
mit der Hauptschaltungseinheit 1 in Kontakt steht, um eine Kühlung
durch den Kühlmechanismus zu erzielen. Eine elektrische
Komponente 3 ist unter der Hauptschaltungseinheit 1 in
einer das Gebläse 2 umgebenden Weise angeordnet.
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Dabei
handelt es sich bei der elektrischen Komponente 3 um ein
elektrisches Teil, das zum Konfigurieren der elektrischen Stromwandlervorrichtung
erforderlich ist. An den Kühlmodulen 6 angebrachte
Halbleitervorrichtungen sowie separat plazierte Kondensatoren sind
jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Wie
in 1(a) zu sehen, ist in der Seitenfläche
der Hauptschaltungseinheit 1 eine Öffnung 1B (in 1 nicht
dargestellt) in dem Gehäuse 1A vorgesehen, durch
die das Gebläse 2 Luft von außen ansaugt,
und ein Filter 1C ist an der Öffnung 1B angebracht,
um das Eindringen von Staub usw. in das Innere der Hauptschaltungseinheit 1 zu
verhindern. Wie in 3 dargestellt ist, sind Kanäle 4 als
Windkanäle in der Hauptschaltungseinheit 1 vorgesehen, um
Außenluft von der Öffnung 1B zu dem Gebläse 2 strömen
zu lassen.
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Die
Außenluft, die von der in der Seitenfläche des
Elektroschienenfahrzeugs vorgesehenen Öffnung 1B angesaugt
wird, strömt durch die die Hauptschaltungseinheit 1 durchziehenden
Kanäle 4, kühlt die die Hauptschaltung
bildenden Halbleitervorrichtungen und wird durch das Gebläse 2 von
dem unteren Bereich des Elektroschienenfahrzeugs nach außen
geleitet. Das Gebläse 2, bei dem ein Motor im Zentrum
von diesem angeordnet ist, ist derart ausgebildet, daß Rotoren
beidseits des Motors vorhanden sind. Die Rotoren saugen Luft von
der Motorseite her an und geben diese durch die Zentrifugalkraft
nach außen ab.
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2(a) zeigt eine Perspektivansicht der elektrischen
Stromwandlervorrichtung 100, wobei der Fahrzeugkörper,
das Gehäuse 1A sowie Teile für die elektrische
Verschaltung des Elektroschienenfahrzeugs weggelassen sind. Eine
vorbestimmte Anzahl (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
6) von Kühlmodulen 6, in denen Halbleitervorrichtungen als
Wärme erzeugende Elemente angebracht sind, die jeweils
einen Schaltvorgang zum Wandeln des elektrischen Stroms ausführen,
ist in Breitenrichtung angeordnet, wobei Sätze von derart
angeordneten Kühlmodulen in zwei Reihen vorgesehen sind.
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Kondensatoren 5 als
Wechselstromquelle für einen Inverter sind auf der Hauptschaltungseinheit 1 angeordnet.
Was die Kondensatoren 5 anbelangt, die auf den Kühlmodulen 6 auf
der rückseitigen Reihe vorgesehen sind, so sind diese in
der Zeichnung weggelassen. Halbleitervorrichtungen 7 (in 2(b) nicht dargestellt) sind an den Kühlmodulen 6 derart angebracht,
daß die einen Oberflächen der Vorrichtungen mit
den Modulen in Kontakt stehen und Verdrahtungsplatten 8 für
die elektrische Verdrahtung mit den jeweiligen anderen Oberflächen
der Vorrichtungen verbunden sind.
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Hierbei
können die Spalte zwischen den angeordneten Kühlmodulen 6 enger
gewählt werden, wenn die elektrische Isolierung sichergestellt
ist. Die Reihe der Kühlmodule 6 ist an dem Gehäuse 1A oder einem
Festlegeelement aus geeignetem Material festgelegt.
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In 4 ist
das Kühlmodul 6 mit einer Kühleinheit 6A,
an der eine vorbestimmte Anzahl (bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
3) von Halbleitervorrichtungen 7 angebracht ist, mit einem
Wärmetauscher 6B für den Wärmeaustausch
zwischen die Kühleinheit 6A verlassendem und in
diese eintretendem Kühlmittel sowie mit einer Abstrahleinheit 6C zum
Abstrahlen von Wärme von dem durch die Kühleinheit 6A erwärmten
Kühlmittel ausgebildet.
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Die
Kühleinheit 6A, der Wärmetauscher 6B und
die Abstrahleinheit 6C sind etwa in der gleichen Ebene
angeordnet, wobei die Kühleinheit 6A in der Nähe
der Abstrahleinheit 6C angeordnet ist und der Wärmetauscher 6B über
der Kühleinheit 6A angeordnet ist. In 2(b) ist ein Zustand veranschaulicht,
in dem auch die Verdrahtungsplatte 8 angebracht ist, durch
die die Halbleitervorrichtungen 7 die elektrische Schaltung
bilden können, während 4 einen
Zustand veranschaulicht, in dem die Verdrahtungsplatte 8 nicht
angebracht ist.
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Wie
in 3 zu sehen ist, sind die Abstrahleinheiten 6C jeweils
im Inneren eines jeden Kanals 4 angeordnet, wobei sie durch
den die Kanäle 4 durchströmenden Luftstrom
gekühlt werden. Da die Abstrahleinheiten 6C in
zwei Reihen angeordnet sind, sind die Kanäle 4 innerhalb
der Hauptschaltungseinheit 1 auf zwei Bereiche verteilt.
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Die
an einem Kühlmodul 6 angebrachten Halbleitervorrichtungen
sollten bei einer elektrischen Schaltung, wie zum Beispiel einer
Einzelphase oder einem Einzelarm eines Stromrichters oder eines
Inverters, nahe beieinander angeordnet sein. Infolgedessen können
der Widerstand und die Induktanz der elektrischen Schaltung reduziert
werden, und auch die Verdrahtung läßt sich in
einfacherer Weise ausführen. Ein einzelner Baustein oder
ein einzelnes Gehäuse, in dem eine Vielzahl von Vorrichtungen
untergebracht ist, kann an dem Kühlmodul 6 angebracht werden.
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Die
Fläche der Kühleinheit 6A und der Abstrahleinheit 6C eines
einzelnen Kühlmoduls 6 sowie die Anzahl von Kühlmodulen 6 sind
derart vorgegeben, daß alle anzubringenden Halbleitervorrichtungen 7 angebracht
werden können, eine abgeschätzte Menge an Wärme,
die von den angebrachten Halbleitervorrichtungen 7 erzeugt
wird, von der Kühleinrichtung 6C abgeführt
werden kann und das Gesamtvolumen möglichst klein ist.
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Da
die Temperatur der Kühlluft für das näher bei
der Öffnung plazierte Kühlmodul 6 niedriger
ist und die Kühlleistungsfähigkeit von diesem
höher ist, kann die in dem Kühlmodul 6 erzeugte
Wärmemenge derart vorgesehen sein, daß die Wärmemenge
um so höher ist, je näher das Kühlmodul
bei der Öffnung angeordnet ist, und die Wärmemenge
um so geringer ist, desto weiter das Kühlmodul von der Öffnung
entfernt ist.
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Eine
Konfiguration des Kühlmoduls 6 wird unter Bezugnahme
auf 5 erläutert. In der Kühleinheit 6A ist
eine Vielzahl von Wärmeaufnahmerohren 6D, durch
die das Kühlmittel hindurch strömt, in Längsrichtung
mit einer vorbestimmten Beabstandung angeordnet, wobei diese in
einem Bereich vorgesehen sind, in dem die in gestrichelten Linien
dargestellten Halbleitervorrichtungen 7 angebracht sind, und
die Wärmeaufnahmerohre 6D sind an ihren unteren
Enden mit einem einzigen Rohr 6E verbunden und an ihren
oberen Enden mit dem Wärmetauscher 6B verbunden.
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In
dem Wärmetauscher 6B, dessen äußere Formgebung
zylindrisch ist, sind zwei Trennplatten 6F mit identischer
Formgebung an jeweiligen Stellen mit einer vorbestimmten Beabstandung
von den beiden Enden des Wärmetauschers vorgesehen. Die beiden
Trennplatten 6F weisen eine vorbestimmte Anzahl von kreisförmigen Öffnungen
auf, von denen jede mit einem zylindrischen Rohr 6G verbunden
ist.
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Das
Innere des Wärmetauschers 6B, das durch die beiden
Trennplatten 6F abgetrennt ist, ist zur Innenseite und
zur Außenseite des Rohrs 6G verschieden; das heißt,
da das Innere des Rohrs 6G mit der Außenseite
der Trennplatten 6F verbunden ist, unterscheidet sich das
Innere des Wärmetauschers 6B durch zwei Bereiche.
Die in der Kühleinheit 6A angeordneten Wärmeaufnahmerohre 6D sind
in dem Bereich, der sandwichartig zwischen den beiden Trennplatten 6F eingeschlossen
ist, mit der Außenseite der Rohre 6G verbunden.
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Das
mit der Kühleinheit 6A verbundene Rohr 6E ist
mit dem rechten Bereich der in der Zeichnung auf der rechten Seite
angeordneten Trennplatte 6F verbunden. Ein Rohr 6H,
das mit dem Boden der Abstrahleinheit 6C verbunden ist,
ist mit dem Boden des unmittelbar rechten Bereichs der auf der linken
Seite angeordneten Trennplatte 6F verbunden. Ein mit der Abstrahleinheit 6C verbundenes
Rohr 6J ist mit dem linken Bereich der auf der linken Seite
angeordneten Trennplatte 6F verbunden.
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In
der Abstrahleinheit 6C ist eine Vielzahl von Wärmeabstrahlrohren 6K vorgesehen,
die in Längsrichtung mit einer vorbestimmten Beabstandung
angeordnet sind, wobei die Wärmeabstrahlrohre 6K an ihrer
Oberseite mit dem Rohr 6J verbunden sind und an ihrer Unterseite
mit dem Rohr 6H verbunden sind. Wärmeabstrahlrippen 6L,
die jeweils zwischen den Wärmeabstrahlrohren 6K angeordnet
sind, sind zum Erhöhen des Wärmeabstrahlungsbetrages
vorgesehen.
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Die
Formgebung der Wärmeabstrahlrippen 6L ist derart
vorgegeben, daß durch die Kanäle 4 hindurchströmende
Kühlluft hindurchgeleitet werden kann, der Druckverlust
beim Hindurchströmen der Luft durch die Wärmeabstrahlrippen 6L innerhalb
eines zulässigen Bereichs liegt und der Wärmeabstrahlungsbetrag
erhöht ist.
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Die
Kühlmittelströmung ist ebenfalls in 5 dargestellt.
In den Wärmeaufnahmerohren 6D, die in der Kühleinheit 6A enthalten
sind, wird das Kühlmittel durch die in den Halbleitervorrichtungen
erzeugte Wärme erhitzt und beginnt dann zu sieden. Der
durch das Sieden erzeugte Kühlmitteldampf bewegt sich nach
oben in Richtung zu dem oberen Wärmetauscher 6B,
und das flüssige Kühlmittel wird ebenfalls in
Richtung auf den Wärmetauscher 6B bewegt, indem
es durch die Kühlmittel-Dampfblasen mitgenommen wird.
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Das
in den Wärmetauscher 6B eintretende Kühlmittel
strömt außerhalb des Rohrs 6G, und nachdem
die Wärme des Kühlmittels auf die des Rohrs 6G übertragen
worden ist, wird der Kühlmitteldampf in den flüssigen
Zustand zurückgeführt; dadurch wird auch die Temperatur
des Kühlmittels reduziert. Das Kühlmittel strömt
von dem Wärmetauscher 6B durch das Rohr 6H und
tritt in die Abstrahleinheit 6C ein. Die Temperatur des
in die Abstrahleinheit 6C eintretenden Kühlmittels
wird durch Abgabe der Wärme an die Luft weiter reduziert.
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Von
der Abstrahleinheit 6C tritt das Kühlmittel nach
Hindurchströmen durch das Rohr 6J in den Wärmetauscher 6B ein.
Die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Wärmetauscher 6B nach
dem Hindurchströmen durch das Rohr 6J wird aufgrund der
Tatsache, daß das Kühlmittel im Inneren des Rohrs 6G strömt,
durch die Wärme erhöht, die von dem externen Kühlmittel
abgegeben wird. Von dem Wärmetauscher 6B strömt
das Kühlmittel durch das Rohr 6E hindurch zu der
Kühleinheit 6A zurück.
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Das
Kühlmittel wird in den in der Kühleinheit 6A enthaltenen
Wärmeaufnahmerohren 6D zum Sieden gebracht und
bewegt sich nach oben, und der derart bewegte Kühlmitteldampf
kehrt dann durch Abkühlung in den flüssigen Zustand
zurück; somit strömt das Kühlmittel in
konstanter Weise von dem siedenden Bereich in Richtung zu dem Bereich,
in dem der Dampf in den flüssigen Zustand zurückkehrt, wobei
dies zu einer Zirkulation des Kühlmittels führt, ohne
daß eine Pumpe vorhanden ist.
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Ein
solcher Mechanismus zum Zirkulieren des Kühlmittels unter
Verwendung des Siedens des Kühlmittels wird auch als Blasenpumpe
bezeichnet. Unter Verwendung einer Blasenpumpe ist das Vorsehen
einer Pumpe sowie ihrer Zubehöreinrichtungen nicht notwendig,
und die Konstruktion des Kühlmoduls läßt
sich vereinfachen; infolgedessen ist auch die Wartung vereinfacht.
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Hinsichtlich
der Platzersparnis kann zumindest das sonst von der Pumpe usw. eingenommene Volumen
durch die Nutzung der Blasenpumpe reduziert werden. Ferner müssen
in dem Fall, in dem eine Pumpe usw. vorgesehen ist, die Spalte zwischen
den Kühlmodulen 6 unter Berücksichtigung
der Höhe und der Breite der Pumpe usw. festgelegt werden,
und aus diesem Grund könnten die Spalte bzw. Abstände zwischen
den Kühlmodulen 6 nicht ausreichend reduziert
werden; die Abstände zwischen den Kühlmodulen 6 lassen
sich jedoch jeweils auf einer Dicke halten, die in etwa gleich der
Dicke von einem der eigentlichen Kühlmodule 6 ist,
und infolgedessen kann das Volumen, das zum Kühlen einer
vorbestimmten erzeugten Wärmemenge erforderlich ist, geringer
als in dem Fall vorgesehen werden, in dem eine Pumpe vorhanden ist.
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Bei
Verwendung des Wärmerohres war für das Wärmerohrsystem
ein Volumen erforderlich, das man durch Multiplizieren der Fläche
der Kühleinheit, an der die Wärme erzeugenden
Halbleitervorrichtungen angebracht sind, mit der Höhe des
Wärmerohrs erhält; dagegen kann bei der vorliegenden
Vorrichtung das für die Kühlung erforderliche
Volumen reduziert werden, da sichergestellt ist, daß die
Fläche der Abstrahleinheit, die der erzeugten Wärmemenge
entspricht, ausreichend ist und keine Einschränkungen hinsichtlich
der Dicke der Abstrahleinheit bestehen, da reduzierte Dicken für
die Kühleinheit und die Abstrahleinheit vorgesehen sind.
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Der
Betrag der erzeugten Wärme ist entsprechend der Wandlungsleistungsfähigkeit
der elektrischen Stromwandlervorrichtung bestimmt, und das Volumen,
das zum Kühlen einer äquivalenten Menge der erzeugten
Wärme erforderlich ist, läßt sich reduzieren.
Somit kann das Volumen der elektrischen Stromwandlervorrichtung,
deren Wandlungsleistungsfähigkeit äquivalent zu
der einer herkömmlichen Vorrichtung ist, kleiner ausgebildet
werden als bei der herkömmlichen Vorrichtung.
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Da
die in einer Doppelreihe vorgesehenen Abstrahleinheiten nahe beieinander
angeordnet sind, kann ein einziges Gebläse für
die in zwei Reihen vorhandenen Teile verwendet werden, d. h. die
Anzahl der Teile läßt sich reduzieren, und dadurch
wiederum lassen sich die Kosten vermindern, und die Zuverlässigkeit
kann verbessert werden. Selbst in einem Fall, in dem die Abstrahleinheiten
in einer einzigen Reihe angeordnet sind, kann durch Anordnen der
Abstrahleinheiten seitlich nebeneinander wiederum ein solcher Vorteil
dahingehend erzielt werden, daß ein einziges Gebläse
für eine Vielzahl von Abstrahleinheiten ausreichend ist.
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Obwohl
die Kühlmodule wie angegeben in zwei Reihen angeordnet
worden sind, können diese auch in einer einzigen Reihe
oder in mehr als zwei Reihen angeordnet werden. Die Abstrahleinheiten der
in zwei Reihen angeordneten Kühlmodule sind nahe beieinander
angeordnet, wobei die in zwei Reihen vorhandenen Kühlmodule
dafür konfiguriert sind, von einem einzigen Gebläse
gekühlt zu werden, jedoch kann auch ein Gebläse
für jede Reihe der Kühlmodule oder für
jede vorbestimmte Anzahl von Kühlmodulen vorgesehen werden.
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Obwohl
die Kühleinheit und die Abstrahleinheit des Kühlmoduls
seitlich etwa in derselben Ebene angeordnet worden sind, können
die Kühleinheit und die Abstrahleinheit auch unter Bildung
eines vorbestimmten Winkels zwischen sich angeordnet werden und
in etwa parallel zueinander in jeweils voneinander verschiedenen
Ebenen angeordnet werden oder auch übereinander oder schräg
und seitlich zueinander angeordnet werden.
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Obwohl
ein Fall beschrieben worden ist, bei dem die Kühlvorrichtung
bei der an einem Elektroschienenfahrzeug angebrachten Stromwandlervorrichtung
angebracht ist, kann die Vorrichtung auch bei einer Stromwandlervorrichtung
Anwendung finden, die an einer anderen Maschine als einem Elektroschienenfahrzeug
angebracht ist, oder auch bei einer andere Vorrichtung als einer
elektrischen Stromwandlervorrichtung. Zum Beispiel kann die Vorrichtung
zum Kühlen einer elektrischen Platte usw. verwendet werden,
an der eine Wärme erzeugende Halbleitervorrichtung angebracht
ist.
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Die
Vorrichtung kann auch bei einem anderen Wärme erzeugenden
Element als einer Halbleitervorrichtung angewendet werden. Die Kühlvorrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einem
beliebigen zu kühlenden Wärme erzeugenden Element
Anwendung finden, solange sich das Wärme erzeugende Element
mit der Kühleinheit in Kontakt bringen läßt.
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Die
vorstehende Beschreibung gilt auch für die weiteren Ausführungsbeispiele.
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Ausführungsbeispiel 2
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In
dem Ausführungsbeispiel 2 ist ein Fall veranschaulicht,
in dem die Konfiguration gemäß Ausführungsbeispiel
1 derart verändert ist, daß das Gebläse
für jede Reihe von angeordneten Kühlmodulen vorgesehen
ist. 6 zeigt eine Perspektivansicht zur Erläuterung
der Konfiguration einer elektrischen Stromwandlervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
2.
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Es
werden nur die Unterschiede gegenüber der 2 gemäß Ausführungsbeispiel
1 erläutert. Die in zwei Reihen vorgesehenen Kühlmodule 6 sind derart
angeordnet, daß die Abstrahleinheiten 6C voneinander
getrennt sind, und jedes Gebläse 2 ist rückseitig
von jeder Reihe der Abstrahleinheiten 6C angeordnet, wie
dies in der Zeichnung dargestellt ist.
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Es
läßt sich wiederum ein Effekt erzielen, daß die
Kühlmodule 6 in ähnlicher Weise wie bei
dem Ausführungsbeispiel 1 kompakt vorgesehen werden können
(das Volumen der Kühlvorrichtung, das zum Kühlen
einer vorbestimmten erzeugten Wärmemenge erforderlich ist,
läßt sich reduzieren).
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Ausführungsbeispiel 3
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In
dem Ausführungsbeispiel 3 ist ein Fall veranschaulicht,
in dem die Konfiguration gemäß Ausführungsbeispiel
1 verändert ist, indem ein Gebläse für
jede vorbestimmte Anzahl von Kühlmodulen vorgesehen ist,
so daß die Modularität des Kühlmoduls weiter
verbessert ist. 7 zeigt eine Perspektivansicht
zur Erläuterung der Konfiguration einer elektrischen Stromwandlervorrichtung,
die eine Kühlvorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
4 verwendet. 8 zeigt eine von unten gesehene
Draufsicht auf die Hauptschaltungseinheit 1.
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Es
werden nur die Unterschiede gegenüber 2 gemäß Ausführungsbeispiel
1 erläutert. Da die Gebläse 2 unter dem
Kühlmodul 1 angeordnet sind, sind sie in der Perspektivansicht
nicht zu sehen. Wie in 8 in der Draufsicht von unten
zu sehen ist, sind zwei Gebläse 2 für
jeweils zwei Kühlmodule 1 vorhanden.
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Man
erhält wiederum einen Effekt, daß die Kühlmodule 6 in ähnlicher
Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 kompakt vorgesehen
werden können. Da ferner ein Gebläse pro vorbestimmte
Anzahl von Kühlmodulen vorhanden ist, erhält man
wiederum einen Effekt, daß die modulare Ausbildung in Abhängigkeit
von dem Gebläsesatz und der vorbestimmten Anzahl von Kühlmodulen
weiter verbessert wird.
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Ausführungsbeispiel 4
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In
dem Ausführungsbeispiel 4 ist ein Fall veranschaulicht,
in dem die Konfiguration gemäß Ausführungsbeispiel
3 derart verändert ist, daß Außenluft durch
die beiden Seitenflächen des Elektroschienenfahrzeugs eingeleitet
wird. 9 zeigt eine Perspektivansicht zur Erläuterung
der Konfiguration einer elektrischen Stromwandlervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
4. 10 zeigt eine von unten gesehene Draufsicht auf
die Hauptschaltungseinheit 1. 11 zeigt
eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Luftströmung
im Inneren der Hauptschaltungseinheit 1.
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Es
werden nur die Unterschiede gegenüber der 7 und
der 8 gemäß Ausführungsbeispiel 3
erläutert. Die Hauptschaltungseinheit 1 ist rechtwinklig
zu der Bewegungsrichtung des Elektroschienenfahrzeugs angeordnet,
so daß die Abstrahleinheiten 6C der Kühlmodule 6 an
einer Seitenfläche des Elektroschienenfahrzeugs angeordnet
sind. Das Gebläse 2 bewirkt ein Ansaugen von Außenluft
durch die beiden Seitenflächen des Elektroschienenfahrzeugs,
um die Luft dann in Richtung nach unten aus der elektrischen Stromwandlervorrichtung
auszuleiten.
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Man
erhält wiederum den Effekt, daß die Kühlmodule 6 in ähnlicher
Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 kompakt vorgesehen
werden können. Da ferner ein Gebläse pro vorbestimmte
Anzahl von Kühlmodulen vorgesehen ist, wird wiederum ein Effekt
erzielt, daß die modulare Ausbildung in Abhängigkeit
von dem Gebläsesatz und der vorbestimmten Anzahl von Kühlmodulen
weiter verbessert ist. Da ferner Außenluft durch die beiden
Bereiche, d. h. beiden Seitenflächen des Elektroschienenfahrzeugs eingeleitet
werden kann, kann eine größere Menge an Außenluft
angesaugt werden, wobei dies zu dem Effekt führt, daß sich
eine verbesserte Kühleffizienz ergibt.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung schafft eine Kühlvorrichtung mit einer Vielzahl
von Kühlmodulen (6), die Kühleinheiten
(6A) zum Kühlen von Wärme erzeugenden Elementen
(7) mittels Kühlmittel sowie Abstrahlungseinheiten
(6C) zum Abstrahlen von Wärme von dem in den Kühleinheiten
(6A) erwärmten Kühlmittel aufweist, wobei
es sich bei der Vielzahl von Kühlmodulen um solche vom
Blasenpumpen-Typ handelt, bei denen das Kühlmittel zwischen
den Abstrahleinheiten (6C) und den Kühleinheiten
(6A) zirkuliert, indem das Kühlmittel in den Kühleinheiten
(6A) zum Sieden gebracht wird, wobei die Abstrahleinheiten
(6C) Seite an Seite angeordnet sind und wobei ein Kühlgebläse (2)
zum Erzeugen eines Luftstroms vorhanden ist, der gegen die Abstrahleinheiten
(6C) geblasen wird.
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- 100
- elektrische
Stromwandlervorrichtung
- 1
- Hauptschaltungseinheit
- 1A
- Gehäuse
(Festlegeelement)
- 1B
- Öffnung
- 1C
- Filter
- 2
- Gebläse
(Kühlgebläse)
- 3
- elektrische
Komponente
- 4
- Kanal
(Windkanal)
- 5
- Kondensator
- 6
- Kühlmodul
- 6A
- Kühleinheit
- 6B
- Wärmetauscher
- 6C
- Abstrahleinheit
- 6D
- Wärmeaufnahmerohr
- 6E
- Rohr
- 6F
- Trennwand
- 6G
- Rohr
- 6H
- Rohr
- 6J
- Rohr
- 6K
- Wärmeabstrahlrohr
- 6L
- Wärmeabstrahlrippe
- 7
- Halbleitervorrichtung
- 8
- Verdrahtungsplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-134670
A [0008]
- - JP 1997-246767 A [0008]