JP3469475B2

JP3469475B2 - 鉄道車両用半導体冷却装置

Info

Publication number: JP3469475B2
Application number: JP25687998A
Authority: JP
Inventors: 隆橋本; 和明福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2003-11-25
Anticipated expiration: 2018-09-10
Also published as: JP2000092819A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両床下に設
置される半導体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両床下に設置される車両駆動用の
電力変換装置は、鉄道架線から入力される電力を半導体
素子のスイッチングにより変換し、車両駆動用の電動機
を制御するもので、半導体素子より発生する熱を効率良
く外気へ逃がす為、電力変換装置の構成要素として半導
体冷却装置は重要な役割をもつ。

【０００３】半導体冷却装置は、半導体素子とその周辺
回路部品を収納し、冷却の手段として冷却器を有したも
ので、冷却器は半導体素子の取り付く受熱部分と装置外
部ヘ排熱を行う放熱部とから成るが、鉄道車両床下に設
置される車両駆動用では、冷却器の放熱部が車両床下の
車両側方側となるよう設置され、自然冷却により放熱部
から大気へ熱放散する方式をとることが多い。

【０００４】これは、放熱部の冷却を自然冷却として送
風機を使用しないことで、機器のメンテナンス作業が不
要となることを目的としており、車両側方側へ配置する
の理由は、車両床下へ排熱がこもることなく車両走行時
の走行風を受けやすくすることを考慮したものである。

【０００５】具体的な構成を図を用いて説明する。

【０００６】図２３（ａ）〜（ｃ）に従来装置を示す。
図２３（ａ）は従来装置を示す斜視図で車体に取り付い
ている状態を示す。図２３（ｂ）は図２３（ａ）中のＡ
２３−Ａ２３線に沿う断面、つまり枕木長手方向の断面
図である。図２３（ｃ）は図２３（ａ）の水平方向の断
面（装置平面図）である。

【０００７】冷却器１は複数個の半導体素子２が取り付
く受熱部３と大気へ熱放散する放熱部４′とで構成され
る。半導体素子２とその周辺部品は汚損等の無い環境と
する為、冷却器１の受熱部３の少なくとも半導体素子２
の取り付く部分は装置の密閉部へ収納される必要があ
る。一方、放熱部４′は装置の開放部へ配置し効率良く
大気へ熱放散する必要がある。

【０００８】さらに車両床下にこの排熱がこもり床下の
配線、配管等を暖める事がないように、放熱部４′が車
体側方側となるよう構成されている。

【０００９】受熱部３から放熱部４′へ効率良く熱輸送
する為、冷却器１は冷媒の相変化を利用したヒートパイ
プ方式が採用されることが多い。すなわち、受熱部３に
はヒートパイプ５の一方の端部が埋め込まれ、もう一方
側には多数枚の放熱フィン６が取り付けられる。ヒート
パイプ５は受熱部３側が下方となるよう傾けて設置さ
れ、ヒートパイプ５内部に封入された冷媒は受熱部３側
で半導体素子２から発生する熱により蒸発し、放熱フィ
ン６側で凝縮して大気へ熱放散をおこなうことになる。
凝縮した冷媒はヒートパイプ５内部を重力により受熱部
３側へともどるサイクルをくりかえす。

【００１０】放熱フィン６は自然冷却により大気へ熱放
散を行う為、地面に対しほぼ垂直に設置され、放熱フィ
ン６間を上昇気流が通りやすくなっている。

【００１１】ヒートパイプ５は放熱フィン６を貫通して
接続されるのでほぼ水平となるが、前述の如く蒸発部側
を若干下方に傾け、放熱フィン６側で凝縮した冷媒が受
熱部３側へもどるようになっている。

【００１２】以上により構成される半導体冷却装置は電
力変換装置の箱体７に、半導体素子実装部は箱体７の内
部（密閉部）に、冷却器の放熱部４′は箱体７の外部
（開放部）となるよう、受熱部３を境として取り付けら
れる。電力変換装置の箱体７は鉄道車両の車体８の床下
に放熱部４′が車体側方側となる向きに艤装される。又
車体床下には電力変換装置等の機器が艤装可能なスペー
スとして艤装限界９があり、冷却器１を含め装置はこの
艤装限界９内に取り付けられることになる。艤装限界９
は一般に下方コーナー部が面取りされた形となってい
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】鉄道車両の床下に設置
される半導体冷却装置では、車両走行時の走行風を大気
側への熱放散効率向上に利用することが考えられるが、
従来装置では放熱部４′が装置の車側側に設置されてい
るにもかかわらず、多数枚の放熱フィン６が車体中央側
（冷却器受熱部側）から車体側方側（冷却器先端側）へ
と所定のビッチで並んで取り付いており、走行風がはい
りこむ奥側となる冷却器受熱部側の放熱フィン間には走
行風がはいりこみにくい構造となっていた。

【００１４】つまり、冷却器の最も先端の放熱フィンに
は走行風があたるが、それより内側の冷却器根元側の放
熱フィンには先端の放熱フィンにさえぎられて走行風が
はいりこみにくく有効に走行風を利用できない欠点があ
った。

【００１５】冷却器がレール方向に複数個並ぶ場合は、
特に車両進行方向後方側の冷却器では放熱部の根元側へ
走行風が流れにくい構成である。

【００１６】また、冷却器内部に冷媒を封入し、気密接
続をするので、気密度不良による冷媒漏れでの冷却器異
常温度上昇が引き起こす素子破壊が起きないよう、冷却
器には高い信頼性が要求される。

【００１７】さらに、冷媒には通常、水あるいはパーフ
ロロカーボン系の冷媒が使用されるが、低温環境下での
冷媒凍結による冷却不能、環境問題対応等の理由から、
冷媒を不要とした冷却方式の適用が、冷却器構成の簡素
化の点からも望ましい。

【００１８】本発明は上記問題点を解消し、車両走行風
を有効に利用した冷却性能の向上した小形軽量の半導体
冷却装置を提供することを目的としたものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明では鉄道車両の床
下に設置される車両駆動用電力変換装置において、車両
走行時の走行風を有効に冷却器部に取り入れ、冷却器放
熱フィン間をこの走行風が流れるよう冷却器を構成した
もので、冷媒の相変化を利用した熱輸送手段を使わず
に、冷却器を部品種類、数の少ない簡略な冷却器とし信
頼性向上、簡易な製造方法を可能にしたものである。

【００２０】請求項１に対応する半導体冷却装置は、冷
却器の放熱フィン部分は電力変換装置の車体側方側にあ
り、冷却器の１つの内面に，複数個の半導体素子を平面
的に（実質的に面接触させた状態で）取り付け、その面
はその下方が車体中央側、上方が車体側方側となるよう
垂直から傾けて設置されており、冷却器の反対の面（外
面）は大気へ熱放散する為の多数の放熱フィンが上下方
向に所定間隔を存して形成されており、各放熱フィンは
形状がほぼ平板状の同一外形の板フィンで、ほぼ水平に
上下に並んで配置され、車両走行時、冷却装置に対して
空気が相対的に動き、放熱フィンが水平な向きとして構
成してあるので、空気抵抗が小さく有効に放熱フィン間
を空気が流れ、半導体素子の発熱を大気ヘ熱放散するこ
とができる。かつ、車両走行風が充分に得られないとき
も上下に並んだ放熱フィンは上方にいくにしたがって、
車体側方側へつきだして設置されていることになるの
で、自然冷却時の上昇気流に対しても有効な放熱フィン
といえる。これら放熱フィンは先端側が上方となるよう
傾けた場合、上下の放熱フィン間の空気は車両進行方向
だけでなく、上方にも流れることが可能で、自然冷却時
の冷却効果を高める効果をもつ。

【００２１】請求項２に対応する半導体冷却装置は、冷
却器の放熱フィン部分は電力変換装置の車体側方側にあ
り、冷却器の１つの内面に複数個の半導体素子を平面的
に取り付け、その外面は大気へ熱放散する為の多数の放
熱フィンが所定間隔で形成されており、各放熱フィンは
形状がほぼ平板状の板フィンで、ほぼ水平に上下に並ん
で構成しており、車両走行時、冷却装置に対して空気が
相対的に動き、放熱フィンが水平な向きとして構成して
あるので、空気抵抗が小さく有効に放熱フィン間を空気
が流れ、半導体素子の発熱を大気ヘ良好に熱放散するこ
とができる。これら放熱フィンは先端側が上方となるよ
う傾けた場合、上下の放熱フィン間の空気は車両進行方
向だけでなく、上方にも流れることが可能で、自然冷却
時の冷却効果を高める効果をもつ。

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】請求項３に対応する半導体冷却装置は、請
求項１又は２において、冷却器にはインバータ回路ある
いはコンバータ回路の一相分の半導体素子が取り付けら
れ、この冷却器を３個あるいは２個横に並べ、放熱フィ
ン部分は相毎にまとまって、となりの放熱フィン部分と
は間隔があくよう構成したもので、この空隙部分を上下
に空気が流れることが可能となり、請求項２同様、自然
冷却時の放熱効果も確保される。

【００２６】請求項４に対応する半導体冷却装置は、請
求項１又は２において、インバータ回路あるいはコンバ
ータ回路の上アーム側の半導体素子を一方の冷却器に取
り付け、もう一方の冷却器には下アーム側の複数相の半
導体素子を取り付け、冷却器を近接して並べて構成する
ことで、冷却器を分割した前項同様の効果に加えて、一
個の冷却器にとりつく半導体素子群の片側の電位が共通
となる為、電気的接続が容易に行える。

【００２７】なお、請求項４において、前記半導体素子
は対向する２面が電極面となる平形形状の素子で、下ア
ーム側の半導体素子はその負極側を前記冷却器に向けて
セラミックス板等の絶縁物をはさまずに、直接取り付け
るものであってもよい。この場合、前項で説明したよう
に半導体素子の片側が同じ電位となり、下アーム側では
それがアース電位であることから絶縁不要の構成が可能
となる。

【００２８】請求項５に対応する半導体冷却装置は、請
求項４において、下アーム側の半導体素子を取り付けた
冷却器は、上アーム側の半導体素子を取り付けた冷却器
よりも小さく、電力変換装置の車体側方側に下アーム側
の冷却器を下に、上アーム側の冷却器を上に、上下に並
べて配置したもので、下アーム側は冷却器と半導体素子
の間に入る介在物（セラミックス板、接続導体等）が不
要となる為、上アームに比べこの部分での温度差が小さ
くなり、冷却器が小形化できることになる。一方、鉄道
車両の床下の装置設置可能スペース（艤装限界）は、一
般に、断面形状で下方が面取りされたものであり、下側
に下アーム側の小形の方の冷却器を配置することで、艤
装限界を有効に活用した部品配置が可能となる。

【００２９】請求項６に対応する半導体冷却装置は、請
求項４において、２個の冷却器はー方は電力変換装置の
車体側方側に、もう一方の冷却器は電力変換装置の下方
に、それぞれの半導体素子が電力変換装置内部で近接す
るよう冷却器を配置したもので、冷却上は、走行風が有
効に活用できる電力変換装置の下方と車体側方とに冷却
器を配置することで、いずれも良好に冷却でき、それぞ
れの冷却器に取り付けられた半導体素子は電力変換装置
内部でそれぞれの端子が直近で接続できるよう立体的な
近接配置が可能となる。

【００３０】

【００３１】請求項７に対応する半導体冷却装置は、請
求項１又は２において、放熱フィンは先端側の幅が根元
側の幅よりも小さくなっており、先端側の温度の低い側
よりも、発熱源である半導体素子に近い根元側の温度の
高い側の方が、冷却に寄与するところ大であるため、フ
ィン効率を考慮したフィン形状である。加えて、この冷
却器が横に並んだ時を考えると、となりあう冷却器の先
端部分での間隔が大きいことで、この部分より走行風が
放熱フィン根元側へ流れ込むことも期待でき冷却効率が
良くなる。

【００３２】

【００３３】

【００３４】また請求項１又は２において、放熱フィン
には一部分を一辺を残して切り込みを入れ９０度以下の
角度で上方に折り曲げた形状の切り起こしを設ければ、
放熱フィンの上下方向に空気が移動することが可能であ
るのに加え、フィン表面積を減らすことなく穴を設けた
ことになるので、冷却効率がさらに向上することにな
る。さらにこのものにおいて、切り起こしは折れ線とな
る一辺より切り込み部分が放熱フィン先端側で、切り起
こしの面は車両進行方向に対して平行にすれば、切り起
こし部分は半導体素子に近い側つまり高温側が接続され
たまま、残り部分を切り起こすので、放熱フィンを伝わ
る熱の流れに有効的であり、この部分での冷却効率が高
い。またこのものにおいて、放熱フィンに設けられた切
り起こしは隣り合う上下の放熱フィンで異なる位置とす
れば、請求項７と同様、下からの空気の移動は上の放熱
フィン表面を流れながら穴を通って上ヘと移動していく
ので放熱フィンの冷却効率はさらに向上する。

【００３５】

【００３６】

【００３７】

【００３８】請求項８に対応する半導体冷却装置は、請
求項１又は２において、放熱フィンは板の内部に冷媒の
流路が形成されその流路には作動液が封入されたもの
で、冷却器形状はこれまで述べてきた単なる板状の放熱
フィンの場合と同じような形であるが、放熱フィンの先
端まで根元側と温度差がつくことなくフィン効率の良い
冷却器となる。

【００３９】請求項９に対応する半導体冷却装置は、請
求項１又は２において、半導体素子の取り付く冷却器の
ベース部分は厚みが一様でなく、半導体素子の取り付く
面は平面であるが、その反対の面つまり放熱フィン側の
面が平らでなく、半導体素子の取り付いている部分の中
心部分が最も厚みが大きく、半導体素子から離れた位置
ではそれより厚みが小さくなるようにしたもので、半導
体素子取り付けベース部分の温度勾配を考慮し、放熱フ
ィンのフィン効率を高めるよう半導体素子から遠ざかっ
た部位（半導体素子との温度勾配が大きく温度は低い）
ではベース部分の厚みを薄くしてその部分に取り付く放
熱フィンと半導体素子の温度勾配を大きくすることなく
効率的に冷却できる。加えて、平形形状の半導体素子を
冷却器に向かって押圧する場合、冷却器には曲げ応力が
かかるが、ベース部分の中央が厚いことからたわみも軽
減され、半導体素子の圧接力分布が一様になる利点もも
つ。

【００４０】

【００４１】

【００４２】

【００４３】

【００４４】

【００４５】請求項１０に対応する半導体冷却装置は、
請求項１または２において、半導体素子は対向する２面
が電極面となる平形形状の素子で、片面を冷却器に押圧
されるが、半導体素子のもう一方の面には主冷却器に比
ぺ小形の補助放熱フィンをはさみこんだもので、半導体
素子から発生する発熱量が一定でなく、瞬時的な過負荷
（ピーク損失）時にその過負荷による瞬時的な温度上昇
を抑制する機能をもつ。

【００４６】請求項１１に対応する半導体冷却装置は、
請求項１０において、補助放熱フィンは主冷却器の放熱
フィンと直交する向きすなわち上下方向にフィン間を空
気が流れる形状としたもので装置密閉部はその密閉部内
を移動する空気の流れに合わせたフィン形状とし補助放
熱フィンの性能を向上してより半導体素子の温度上昇を
抑制することを可能にしている。

【００４７】請求項１２に対応する半導体冷却装置は、
請求項１０において、補助放熱フィンは半導体素子の一
方の電極取り出し用として電気的に接続され、導体を兼
用したもので、部品点数の削減につながる。

【００４８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）（請求項
１，３に対応）（構成）図１（ａ）に本発明の第１の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）中のＡ１−
Ａ１線に沿う断面図（半導体冷却器の縦断面図）を示
す。

【００４９】冷却器１ａは電力変換装置の箱体７に取り
付けられ、その箱体７の内部側は密閉部、外部側は開放
部となる。冷却器１ａは半導体素子２の取り付く受熱部
３ａと放熱部４とからなり、放熱部４は多数枚（複数
枚）の放熱フィン６ａにより構成される。

【００５０】受熱部３ａはその下方が車体中央側、その
上方が車体側方側となるよう箱体７に対し傾いて取り付
けられる。冷却フィン６ａはほぼ平板状の板フィン形状
で、多数枚が所定の間隔でほぼ水平に受熱部３ａに接続
された形で構成される。受熱部３ａと放熱部４は金属材
料により一体に成形されていてもよい。車体８に対して
は放熱フィン６ａが車体側方側となるよう配置され、艤
装限界９内におさまるよう艤装される。

【００５１】本実施形態では、１個の冷却器１ａにはイ
ンバータ回路１相分の半導体素子２が実装され、この冷
却器１ａが３個並んで３相のインバータ回路を構成す
る。車両の前後方向に３個並んだ冷却器１ａの放熱部４
は、互いに間隔をあけて並ぶよう受熱部３ａの幅（レー
ル長手方向の寸法）よりも放熱フィン６ａの幅は小さく
構成されている。（作用）半導体素子２より発生する熱は受熱部３ａを介
して放熱フィン６ａに熱伝導され、放熱フィン６ａの表
面から大気へと熱放散される。車両駆動用の電力変換装
置では、当然、半導体素子２から熱が発生するのは車両
走行時であり、車両停止時は半導体素子２は通電されな
いので損失を発生することはない。車両走行時は車両に
対して走行風が車体床下に取り付けられた装置に対し流
れる。つまり、周囲から空気が流れ込むことになる。走
行風は、車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的
に動くことで車両及び、車両と一体になって運動する物
（車両床下に設置された機器類）に対して、はたらくも
のである。

【００５２】この走行風は、車両走行時、放熱フィン６
ａ間を流れることになり、放熱フィン６ａの表面では空
気流速が（自然対流のみの時と比較し）速くなり、熱伝
達率が向上し放熱フィン６ａの放熱性能が向上する。放
熱フィン６ａは水平な向きであるため、走行風はフィン
６ａの先端から根元側へはいりこんでくることが可能
で、従来、ヒートパイプを使った冷却器では先端側の放
熱フィンに遮られて根元側の放熱フィンには流れにくか
った走行風が本実施形態では放熱フィンの向きが水平で
あることから根元側まで流れ込み放熱フィン６ａの全域
にわたって走行風を利用できる。

【００５３】又、車両が低速で走行時は、充分な走行風
が得られず、放熱フィン６ａから大気へは自然対流によ
る放熱が支配的になる場合があるが、冷却器１ａは相毎
に分割して構成してあり、放熱フィン６ａがとなりあう
放熱フィン６ａとの間に間隔を設けているので、この部
分を自然対流時の上昇気流が通り、放熱フィン６ａヘ空
気が流れ込み自然対流による放熱を行うことが可能であ
る。

【００５４】さらに、放熱フィン６ａは上方の放熱フィ
ンになるにしたがって、より車体側方側へ設置されてお
り、自然対流による空気の流れは下方から上方へ向かう
際に放熱フィン６ａに沿って流れ、自然対流時の上昇気
流に対しても放熱フィン６ａは有効に大気へ熱放散可能
である。（効果）本実施形態によれば、車両走行時の走行風が有
効に放熱フィン６ａ間を流れることでフィン効率が向上
し、冷却器の小形化、高性能化が可能である。

【００５５】フィン効率が向上することで、冷媒の相変
化を利用した冷却器（放熱フィン全域を同一温度として
フィン効率を向上する）とする必要がなくなり、冷媒を
使わない冷却器が可能となる。冷媒には耐凍結性が要求
されたり、耐環境性が要求されたりするが、本実施形態
の冷却器にはそういった問題が皆無となる。又、冷媒を
封入する為の気密接続部分がなくなり、冷媒漏れの管理
が不要となる。

【００５６】冷却器構成部品は大幅に削減され、信頼性
が向上する利点もある。

【００５７】受熱部が傾斜して装置の箱体に取り付くこ
とで、半導体素子の取り付く面を、垂直に取り付く場合
と比較して広くとれ、半導体素子の実装スペースが充分
とれることで、半導体素子の取付にも自由度の多い設計
が可能である。（第２の実施の形態）（請求項２，３に対応）（構成）図２（ａ）に本発明の第２の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ２−Ａ２線
に沿う断面図（半導体冷却器の縦断面図）を示す。

【００５８】本実施形態でも第１の実施形態と同様、放
熱部４が車体側方側となるよう、冷却器１ｂが電力変換
装置の箱体７に取り付けられ、受熱部３ｂの半導体素子
２の取り付く内側の面の反対側の面（外面側）には多数
枚の放熱フィン６ｂが設けられる。受熱部３ｂは本実施
形態では垂直に箱体７に取り付けられ、これにほぼ平板
状の板フィン形状の多数枚の放熱フィン６ｂが所定の間
隔で水平に設けられている。放熱フィン６ｂは金属材料
によって受熱部３ｂと一体に成形されていてもよい。

【００５９】本実施形態でも、１個の冷却器１ｂにはイ
ンバータ回路１相分の半導体素子２が実装され、この冷
却器１ｂが３個並んで３相のインバータ回路を構成す
る。車両の前後方向に３個並んだ冷却器１ｂの放熱部４
は、互いに間隔をあけて並ぶよう受熱部３ｂの幅（レー
ル方向の寸法）よりも放熱フィン６ｂの幅は小さく構成
されている。（作用）半導体素子２から発生する熱は受熱部３ｂを介
して放熱フィン６ｂに熱伝導により伝わり、第１の実施
形態と同様、車両走行時の走行風が放熱フィン６ｂ間を
流れることで放熱フィン６ｂから大気への放熱性能が向
上する。又、これも第１の実施形態と同様に、冷却器１
ｂは相毎に分割して構成してあり、放熱フィン６ｂがと
なりあう放熱フィン６ｂとの間に間隔を設けているの
で、この部分を自然対流時の上昇気流が通り、放熱フィ
ン６ｂへ空気が流れ込み自然対流による放熱を行うこと
が可能であるので、車両の低速走行時で走行風が充分に
得られない場合は、自然対流効果により放熱フィン６ｂ
から大気への熱放散が行われる。（効果）第１の実施形態と同様、走行風を利用し、放熱
フィン６ｂのフィン効率が向上することで、冷却器の小
形化、高性能化が達成でき、冷媒を使わない冷却器が可
能となる。

【００６０】又、本実施形態では半導体素子の取り付く
面は垂直で、箱体内部の密閉部は長方形断面のスペース
が与えられることになり、この部分に収納される半導体
素子周辺回路部品がデッドスペースの少ない効率のよい
実装が可能である。

【００６１】さらに冷却器の放熱フィンは受熱部に対し
て直角に設置されるので、冷却器自体の形状もシンプル
で製造しやすい形状である。（第３の実施の形態）（請求項２，３に対応）（構成）図３（ａ）に本発明の第３の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図３（ｂ）に図３（ａ）のＡ３−Ａ３線
に沿う断面図（半導体冷却器の縦断面図）を示す。

【００６２】本実施形態では冷却器１ｃの放熱部４は箱
体７の下方に配置される。受熱部３ｃの片側（箱体７の
内面側）に半導体素子２が取り付けられ、その反対の面
（箱体７の外面側）に放熱フィン６ｃが受熱部３ｃに対
し直角に多数枚設けられるのは第２の実施形態と同様で
ある。放熱フィン６ｃは他の全ての実施形態と同様に放
熱フィン６ｃは受熱部３ｃと一体に成形されているとよ
い。（作用）車体床下の艤装限界９内の最下方は地面に最も
近く走行風が最も有効に活用できる。つまり走行風は、
車両走行時、車両の周囲の空気が車両と相対的に動くこ
とで車両及び、車両と一体になって運動する物（車両床
下に設置された機器類）に対して流れるものであるが、
静止している地面との間が最も空気が相対的に動くこと
になる。

【００６３】本実施形態では放熱フィン６ｃ間を車両走
行時の地面との相対的な空気の動きによる走行風が流れ
放熱フィン６ｃのフィン効率が向上する。（効果）走行風によるフィン効率の向上によって、冷却器の小形
化、高性能化が可能になるが、走行風を最も得やすい艤
装限界最下部にこの放熱部分があることで、その効果は
前述の実施形態以上の効果がある。（第４の実施の形態）（請求項３に対応）図４（ａ）に本発明の第４の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図４（ｂ）に半導体冷却器単体の斜視図
を示す。

【００６４】本実施形態では、冷却器１ｄは第２の実施
形態と同様に箱体７にとりつけられるが、冷却器１ｄの
車体側方側の面には丸棒形状（ピンフィン）の放熱フィ
ン６ｄが多数本、所定の間隔で受熱部３ｄに垂直に縦横
に並んでいる。この場合、放熱フィン６ｄは地面に対し
てほぼ水平となる。

【００６５】本実施形態では、放熱フィン６ｄ間を水平
方向、上下方向の何れにも空気が流れることが可能とな
り、走行風での冷却、車両低速走行時の自然対流何れの
場合でも、放熱フィン６ｄは有効に放熱可能なフィン形
状である。（第５の実施の形態）（請求項３に対応）図５（ａ）に本発明の第５の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図５（ｂ）に半導体冷却器単体の斜視図
を示す。

【００６６】本実施形態では多数の幅の狭い板状の放熱
フィン６ｅが受熱部３ｅに垂直に所定の間隔で縦横に並
んだ構成の冷却器１ｅが箱体７に取り付けられる。第４
の実施形態同様、放熱フィン６ｅ間を水平方向、上下方
向の何れにも空気が流れることが可能で、走行風での冷
却、車両低速走行時の自然対流何れの場合でも、放熱フ
ィン６ｅは有効に放熱可能なフィン形状である。（第６の実施の形態）（請求項３に対応）図６（ａ）に本発明の第６の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図６（ｂ）に半導体冷却器単体の斜視図
を示す。

【００６７】本実施形態の冷却器１ｆは、幅の狭い板状
のフィンをその途中で９０度ひねることにより、放熱フ
ィン６ｆを構成している。符号６ｆ′はひねり部を示し
ている。すなわち、受熱部３ｆ側（根元側）は放熱フィ
ン６ｆは垂直向きで、先端側は水平向きとなるよう多数
の放熱フィン６ｆが所定の間隔で受熱部３ｆに取り付け
られ、冷却器１ｆを構成している。

【００６８】本実施形態でも第４，５の実施形態と同
様、走行風冷却、自然対流冷却の何れにも対応可能な冷
却器としているが、特に走行風の流れやすい放熱フィン
先端側ではフィンは水平方向で走行風の妨げとならぬ向
きとし、自然対流はフィンの温度上昇により発生する上
昇気流によるもので、発熱源に近いフィン根元側がより
自然対流効果があることから、フィン根元は垂直方向の
フィンの向きとし、自然対流効果を充分活かす構成とし
ている。さらに放熱フィン６ｆの中間のひねり部分に空
気が流れるとそのフィン曲面部分で乱流を促進する効果
も得られる。（第７の実施の形態）（請求項４，５に対応）（構成）図７（ａ）に本発明の第７の実施形態が適用される回路
図を、図７（ｂ）に本発明の第７の実施形態の半導体冷
却器の断面図を示す。

【００６９】本実施形態は、図７（ａ）に示すように、
半導体素子２ａが２個直列に接続され、その両端が電源
の正極、負極に接続され、中間点が出力としてモータヘ
接続される半導体スイッチング回路（１相分）が並列に
３相接続されたインバータ回路からなる電力変換装置で
ある。

【００７０】図７（ｂ）に示すように、本実施形態で
は、車体８の床下に艤装される電力変換装置の箱体７に
取り付く冷却器は上下２段に分かれて、車体側方側に放
熱部がくるよう設置される。本実施形態では、半導体素
子２ａは対向する２面が電極面となる平形半導体素子
で、この電極面を冷却器に押圧して冷却を行う。

【００７１】上側の冷却器１ｇの受熱部３ｇには電力変
換回路の上アーム側の半導体素子２ａが、下側の冷却器
１ｈの受熱部３ｈには電力変換回路の下アーム側の半導
体素子２ａが押圧される。上アーム側の半導体素子２ａ
は受熱部３ｇとの間に、熱伝導良好なセラミックス絶縁
板１０と導体１１を挟んで押圧され、下アーム側の半導
体素子２ａはその負極側が受熱部３ｈに絶縁することな
く直接押圧される。

【００７２】上側の冷却器１ｇ、下側の冷却器１ｈとも
受熱部３ｇ、３ｈの車体側方側にはそれぞれ放熱フィン
６ｇ、６ｈが多数枚構成されるが、その大きさは上側の
冷却器１ｇの放熱フィン６ｇの方が、下側の冷却器１ｈ
の放熱フィン６ｈよりも大きい。（放熱フィン高さが高
い。又は放熱フィン枚数が多い。）（作用）上アーム側の半導体素子２ａから発生する熱は
導体１１とセラミックス絶縁板１０を介して冷却器１ｇ
の受熱部３ｇに熱伝導され、放熱フィン６ｇより大気ヘ
熱放散され、下アーム側の半導体素子２ａより発生する
熱は直接、冷却器１ｈの受熱部３ｈに熱伝導され、放熱
フィン６ｈより大気へ熱放散される。前述の実施形態と
同様、走行風を利用し大気への熱放散が効率良く行われ
る。

【００７３】上アーム側の半導体素子２ａと下アーム側
の半導体素子２ａとは許容される温度上昇値は同一であ
るが、下アーム側は冷却器１ｈと半導体素子２ａとの間
に介在するものがなく、冷却器１ｈに要求される放熱性
能は、上アーム側の冷却器１ｇと比較し同一性能でなく
低い性能でも許容される。

【００７４】そこで、下アーム側の放熱フィン６ｈは、
上アーム側の放熱フィン６ｈと比較して、フィン高さを
低く、又はフィン枚数を少なくする等の方法により放熱
部４の小形化が可能となる。

【００７５】一方、下アーム側の半導体素子２ａの負極
側は電力変換回路の最もマイナス側の電位、すなわちア
ース電位であり、本実施形態の（構成）で述べたよう
に、冷却器１ｈに押圧するに際し、電気的絶縁の必要性
が無く、半導体素子２ａは直接、冷却器１ｈの受熱部３
ｈに押圧でき、その受熱部３ｈは直接、箱体７へ取付可
能である。（複数相の下アーム側の半導体素子を相互に
絶縁することなく同一電位の冷却器にとりつけることも
勿論可能である。）上アーム側の半導体素子２ａと冷却
器１ｇの受熱部３ｇとの間では電気的絶縁を確保するた
めセラミックス絶縁板１０が介在され、絶縁沿面距離を
考慮して受熱部３ｇ自体が、下アーム側の受熱部３ｈよ
りも大きくなる。（言い換えれば設置可能な放熱フィン
枚数は上アーム側の冷却器のほうが多い）さらに、艤装限界９と放熱フィン６ｇ、６ｈとの関係を
考えると、上アーム側の放熱フィン６ｇの方が配置上も
上側に配置され、艤装限界９の下側のコーナー部との関
係からフィン高さも上アーム側の放熱フィン６ｇの方
が、下アーム側の放熱フィン６ｈよりもフィン高さが高
くできる（車体側方側にのばせる）。

【００７６】前述のように、上アーム側と下アーム側と
では冷却器１ｇ、１ｈに要求される放熱性能は異なり、
上アーム側の方が下アーム側よりも高い放熱性能を有し
ていることが必要で、構成上必然的に許容される冷却器
の大きさと条件が合致する。又、車両低速走行時の走行
風が不充分な条件下での冷却性能を考えても、上方側に
位置する冷却器１ｇは少なからずその下方に位置する冷
却器１ｈの排風温度上昇の影響をうけることからも上方
の冷却器の方が大きく構成できることは望ましい。（効果）車両走行時の走行風を有効に利用して冷却器の小形、高
性能化が実現できることは、これまで述べてきた実施形
態と同様であるが、本実施形態では、平形素子を使用し
た際の効率的な半導体素子の冷却器への設置方法を提供
しており、半導体冷却装置全体の小形化、高性能化（む
だのない構成）が可能となる。加えて、車体側方側（比
較的、触手が予想される部位）はアース電位部品で構成
されるので、製品安全上も好ましい。（第８の実施の形態）（請求項６に対応）（構成）図８（ａ）に本発明の第８の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す斜視図を、図８（ｂ）に図８（ａ）のＡ８―Ａ８線
に沿う断面図（半導体冷却器の縦断面図）を示す。

【００７７】本実施形態は、第７の実施形態と同様に、
半導体素子２ａは平形素子で、上アーム側と下アーム側
とで冷却器を分割して構成するが、上アーム側、下アー
ム側両方共、半導体素子２ａは電気的絶縁無しで直接、
冷却器１ｉ，１ｊの受熱部３ｉ，３ｊに押圧される。

【００７８】下アーム側の半導体素子２ａは、第７の実
施形態で述べたと同じ理由からその負極側を直接冷却器
１ｊの受熱部３ｊに押圧され、箱体７に対しては車体側
方側にその放熱部４が配置されるよう冷却器１ｊが設置
される。

【００７９】一方、上アーム側の半導体素子２ａも下ア
ーム側と同様に、直接、冷却器１ｉの受熱部３ｉに押圧
されるが、冷却器１ｉは箱体７に対しては、絶縁物１２
を介して絶縁取付され、放熱部４が下方となるよう箱体
７の下部に設置される。又、下アーム側の半導体素子２
ａは、複数相を有する電力変換回路で全ての相において
冷却器の電位はアース電位となり、同一の冷却器への集
約が可能であり、上アーム側の半導体素子２ａもその正
極側を冷却器１ｉの受熱部３ｉへ押圧すれば、複数相に
おいて同一電位となり、冷却器の集約は可能であること
は言うまでもない。（作用）車両走行時の走行風が有効に活用できる部位で
ある車体側方側と下方側とに冷却器１ｉ，１ｊの放熱フ
ィン６ｉ，６ｊが設置されており、何れの冷却器でも放
熱フィン間を走行風が流れることで有効に冷却可能であ
ることはこれまで述べてきた実施形態と同様である。

【００８０】電気的絶縁に関しては、下アーム側の半導
体素子２ａについてはその冷却器側電位はアース電位で
あり、冷却器１ｊの放熱フィン６ｊが車体側方側に位置
していることは、第７の実施形態と同様である。一方、
上アーム側の半導体素子２ａを直接、冷却器に押圧した
ことで、冷却器１ｉは電位をもつが、箱体７に対しては
絶縁物１２で絶縁取付されており、設置事故の心配はな
い。又、箱体７の下部に取り付くことで、触手の恐れの
ない車体下方側へ冷却器１ｉが配置することになるの
で、製品安全を配慮した製品となる。（効果）車両走行時の走行風利用による冷却については、これま
で述べてきた実施形態と同様の効果があるが、加えて、
平形素子で構成する際の部品点数の削減（セラミックス
絶縁板不要）、上アーム、下アーム両方の半導体素子の
冷却器への直接取付による冷却器の小形化が可能であ
る。さらに、箱体７内部で上アーム側、下アーム側の半
導体素子が立体配置となり、電気的接続がより短い導体
で接続可能になり、素子回りの立体インダクタンス実装
が可能となる。（第９の実施の形態）（請求項１，２に対応）図９に本発明の第９の実施形態の半導体冷却器の断面図
を示す。

【００８１】本実施形態は、冷却器１ｋの受熱部３ｋに
半導体素子２が取り付けられ車体側方側に放熱部４がく
るよう構成されているが、冷却器１ｋの放熱フィン６ｋ
は水平ではなく、その先端側が上方となるよう傾いて構
成されている。

【００８２】車両走行時の走行風利用に加え、放熱フィ
ン６ｋ間の空気が放熱フィン表面に沿って上方、先端側
へ流れやすくしていることで、自然冷却時の冷却効果を
向上したものである。（第１０の実施の形態）（請求項７に対応）図１０に本発明の第１０の実施形態の半導体冷却器が電
力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示
す斜視図を示す。

【００８３】本実施形態は、冷却器１ｌを複数個並べて
箱体７に設置したものであり、放熱フィン６ｌは板状の
フィンを水平にある間隔で設置しているが、放熱フィン
６ｌの先端側の幅は根元側（受熱部３ｌ側）の幅よりも
小さく、それぞれの冷却器１ｌの放熱フィン６ｌ間に、
車体側方へいくにしたがって広くなる間隔を設けたもの
である。

【００８４】この間隔部分により、車両低速時の充分な
走行風が得られない状態での自然冷却効果を増している
のは、第１の実施形態で既に述べた通りであるが、加え
て、走行風の放熱フィンへの取り込みに関しても隣り合
う放熱フィン間の間隔が車体側方側ほど広くなっている
ので、冷却器の受熱部側、根元側の放熱フィン部分にま
で走行風が入り込みやすいという利点がある。又、放熱
フィンのフィン効率からも、先端側は根元側に比べて冷
却に寄与する度合いは低く、その意味からも効率的なフ
ィン形状となる。（第１１の実施の形態）図１１に本発明の第１１の実施形態の半導体冷却器単体
の斜視図を示す。

【００８５】本実施形態は、冷却器１ｍの放熱フィン６
ｍに穴１３を設けた例である。

【００８６】車両走行時の走行風利用に関しては、これ
まで述べてきた実施形態と同様の効果があり、受熱部３
ｍ側から伝わる熱を効果的に放熱できるが、加えて穴１
３を放熱フィン６ｍに設けたことで、放熱部４を自然対
流時の上昇気流も通ることになり、車両低速走行時、走
行風が充分得られない場合の性能低下を防止するもので
ある。さらに、本実施形態では、上下に隣り合う放熱フ
ィン６ｍで穴１３の位置が同一ではなくずれていること
から、上昇気流が放熱フィン６ｍの表面を流れながら上
側へと流れていくので放熱フィン６ｍの放熱効果は向上
する。（第１２の実施の形態）図１２に本発明の第１２の実施形態の半導体冷却器単体
の斜視図を示す。

【００８７】本実施形態では、冷却器１ｎの放熱フィン
６ｎに切り起こし１４を設け、第１１の実施形態と同様
の自然対流時の冷却効果を向上したものである。切り起
こし１４は放熱フィンの一部分を一辺を残してくりぬ
き、その部分のみを放熱フィン６ｎに対し曲げたもの
で、本実施形態では、四角形の１辺を残してくりぬき、
切り起こし１４を構成している。

【００８８】半導体素子から発生する熱は当然、放熱フ
ィン６ｎの根元側すなわち受熱部３ｎ側から熱伝導によ
りフィン先端側へと熱輸送されるので、切り起こし１４
はフィン根元側の１辺を残し、フィン先端側を曲げるほ
うが放熱フィン６ｎの熱輸送上効率が良い。又、この切
り起こし１４により放熱フィン６ｎに設けられたくりぬ
き部分（穴１４ｎ）を空気が上昇することになるが、こ
の空気の流れを遮らずに効率良くフィン表面を通るよう
にする為、切り起こし１４は上方に９０度以下の角度で
曲げている。９０度以下の角度としているのは、走行風
がフィン根元側へ流れ込むことも考慮し、それに対して
抵抗とならぬよう配慮したためである。

【００８９】本実施形態では第１１の実施形態と同様、
放熱フィン群を上下に空気が流れることが可能となり、
自然冷却時の冷却性能も確保される。さらに切り起こし
１４は単なる穴と違って放熱面積が減少しないので、さ
らに冷却効果が向上するという利点がある。又、本実施
形態では切り起こし１４は放熱フィン６ｎの同一箇所に
設けた例としているが、第１１の実施形態と同様、上下
に隣り合う放熱フィン６ｎで切り起こし１４の位置を異
なる位置として、上方に移動する空気を効率良くフィン
表面を流れるような構成も可能である。（第１３の実施の形態）図１３に本発明の第１３の実施形態の半導体冷却器単体
の斜視図を示す。

【００９０】本実施形態では、冷却器１ｏの放熱フィン
６ｏに、受熱部３ｏ寄りの根元側から先端へつながるス
リット１５を設けたものである。本実施形態でも、この
スリット１５の部分が第１１の実施形態での穴１３、第
１２の実施形態での切り起こし１４のくりぬき部分の穴
１４ｎと同様、空気を上下方向に流す役目をもつことに
なり、自然冷却時での放熱性能の確保につながる。（第１４の実施の形態）図１４に本発明の第１４の実施形態の半導体冷却器単体
の斜視図を示す。

【００９１】本実施形態の冷却器１ｐでは、第１３の実
施形態の構成に加えて、スリット１５により分割される
放熱フィン６ｐを受熱部３ｐ寄りのスリット１５の根元
部分から部分的に曲げた形状とし、その曲げ角度は隣り
合う分割された放熱フィン部分で異なる角度としてい
る。この場合、第１３の実施形態で説明した効果に加え
て、放熱フィン６ｐの曲げにより角度の異なる分割され
たフィン部分での乱流効果があり、さらに放熱性能は向
上する。（第１５の実施の形態）図１５に本発明の第１５の実施形態の半導体冷却器単体
の斜視図を示す。

【００９２】本実施形態では、冷却器１ｑの多数枚の放
熱フィン６ｑの先端側を熱伝導良好な棒１６（例えばア
ルミニウム合金あるいは銅などに代表される金属製丸
棒）で接続することによって、放熱フィン６ｑの多数枚
に対し温度上昇値を均一化する効果がある。

【００９３】半導体素子から発生する熱は熱伝導により
受熱部３ｑを介して放熱フィン６ｑに伝わる為、半導体
素子の実装部分から遠い位置にある放熱フィン６ｑの冷
却効果は少なくなるが、本実施形態によればその放熱フ
ィン６ｑにもこの棒１６により熱伝導が行われ冷却能力
の向上が可能である。

【００９４】さらに多数枚の放熱フィン６ｑが先端側で
棒１６により互いに機械的に拘束しあうことで、放熱フ
ィン群の剛性アップにつながり、車両走行時の振動条件
に対し、機械的破壊等がなく、振動による騒音の発生を
防止する働きもある。（第１６の実施の形態）（請求項８に対応）図１６（ａ）に本発明の第１６の実施形態の半導体冷却
器の縦断面図を示す。図１６（ｂ）に図１６（ａ）のＡ
１６部分の詳細断面図を示す。

【００９５】本実施形態では、冷却器１ｒは半導体素子
２の取り付く受熱部３ｒとそれに多数枚の放熱フィン６
ｒが先端側が上になるよう角度をつけて設けられるが、
放熱フィン６ｒはその内部に空洞１７をもっており、こ
の空洞１７の部分に冷媒１８が封入される。つまりこの
空洞１７が冷媒１８の流路となり、放熱フィン６ｒのそ
れぞれはヒートパイプ化されている。

【００９６】本実施形態によれば、冷媒１８の相変化に
より熱が根元側から先端側へとつたわるのでフィン効率
が向上し高性能の冷却器が可能である。放熱フィン６ｒ
は先端を上方に傾け、第９の実施形態で述べた効果をも
つことはもちろん、放熱フィン６ｒの内、数枚のみを、
この実施形態のようにヒートパイプ化し、第１５の実施
形態を適用し、先端側を棒で接続し、放熱フィン６ｒ全
体の放熱性能向上につなげることも可能である。（この
時、先端側を接続する棒は第１５の実施形態で述べた金
属製丸棒以外にも、もちろん丸棒形状のヒートパイプで
の構成も、もちろん可能である。）（第１７の実施の形態）（請求項９に対応）図１７に本発明の第１７の実施形態の半導体冷却器の縦
断面図を示す。

【００９７】本実施形態では、冷却器１ｓの受熱部３ｓ
は半導体素子２の実装される部分では厚みが大きく、半
導体素子２から遠ざかるにつれて厚みがうすくなるよ
う、一様の厚みではない。もちろん、受熱部３ｓの半導
体素子２の取り付く側の面は平面であり、放熱フィン６
ｓ側の面が平らでない構造で厚みをかえている。従って
フィン高さ同一の放熱フィン６ｓを多数枚つけると、放
熱フィン６ｓ先端部分は車体側方側への突き出し度合い
が異なる。

【００９８】本実施形態では、半導体素子２を取り付け
る受熱部３ｓ部分の温度勾配を考慮し、放熱フィン６ｓ
のフィン効率を高めるよう半導体素子２から遠ざかった
部位（半導体素子との温度勾配が大きく温度は低い）で
はべース部分の厚みを薄くしてその部分に取り付く放熱
フィン６ｓと半導体素子２の温度勾配を大きくすること
なく効率的に冷却できる。加えて、平形形状の半導体素
子を使う際は、冷却器に向かって押圧する為、冷却器に
は曲げ応力がかかるが、受熱部の厚みが半導体素子の押
圧される中央部分が厚いことからたわみも軽減され、半
導体素子の圧接力分布が一様になる利点ももつ。（第１８の実施の形態）図１８に本発明の第１８の実施形態の半導体冷却器の縦
断面図を示す。

【００９９】本実施形態では、冷却器１ｔの放熱フィン
６ｔのフィン高さに関し、多数枚の放熱フィン６ｔの長
さを互いに異ならせている。すなわち、半導体素子２の
取り付く部分（受熱部３ｔ側）の中心部分が最も長く、
半導体素子２から離れた位置では短くしたもので、半導
体素子２からの位置により放熱フィン６ｔは冷却へ寄与
する度合いが異なるので、半導体素子２から遠い側に位
置する放熱フィン６ｔは長さを短くして小形化したもの
である。

【０１００】冷却器全体として効率の良い構成が可能と
なるだけでなく、本実施形態でも、平形形状の半導体素
子を使う際は、冷却器に向かって押圧する為、冷却器に
は曲げ応力がかかるが、この曲げに対して放熱フィンは
梁の働きをすることになる。フィン高さが高いほど断面
係数の大きい梁となり、最も曲げ力のかかる半導体素子
中央部分で冷却器の剛性は高く、結果、たわみが軽減さ
れ、半導体素子の圧接力分布が一様になる利点ももつ。（第１９の実施の形態）図１９（ａ）に本発明の第１９の実施形態の半導体冷却
器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状
態を示す正面図を示し、図１９（ｂ）に図１９（ａ）の
左側面図を、図１９（ｃ）に図１９（ａ）のＢ１９−Ｂ
１９線に沿う断面図を示す。

【０１０１】本実施形態では、冷却器１には保護カバ−
１９が冷却器１を覆うように取り付けられ、保護カバ−
１９には内外を通気可能とする多数の穴１９ａが設けら
れ、保護カバ−１９の車体側方側となる面の内側には地
面に垂直で冷却器側に傾けた板状の導風板２０が設けら
れている。導風板２０は保護カバ−１９の内側、車両進
行方向に対し中央付近に設けられ、中央部分が冷却器１
側に凸となる形状に曲がった板状のものである。

【０１０２】本実施形態は、導風板２０を用いて、車両
走行時の走行風を効果的に冷却器１側に取り入れるよう
にしたものである。

【０１０３】本実施形態によれば、車両の走行方向が何
れの場合でも保護カバ−１９に設けた導風板２０の内側
の面に沿って走行風が冷却器１側へ導かれ、走行風を風
下側（装置の後部側）の冷却器１にも充分供給できる。（第２０の実施の形態）図２０（ａ）に本発明の第２０の実施形態の半導体冷却
器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状
態を示す正面図を示し、図２０（ｂ）に図２０（ａ）の
Ｂ２０−Ｂ２０線に沿う断面図を示す。

【０１０４】本実施形態は、電力変換装置の車体側方側
に複数個の冷却器１が配置される場合で、装置の箱体７
の両端（進行方向に対し）に冷却器１を分けて取り付
け、それぞれに、内外を通気可能とする多数の穴１９ａ
が設けられた保護カバ−１９を取り付ける。保護カバ−
１９の車体側方側となる面の内側には装置の両端に位置
する冷却器１の近くに、地面に垂直で冷却器１側に傾け
た板状の導風板２０ａが設げられる。その傾ける方向は
電力変換装置の両端側が車体中央側（放熱フィン部
側）、電力変換装置の中央側が車体側方側となるように
対称的な傾きとしている。（つまり、装置の端部に配置
された冷却器１を向く方向に傾いている。）車両走行
時、走行風の最も得にくい最後部（車両が何れの方向に
も走行することを考えると、当然、電力変換装置の両端
部分となる）の冷却器１に、導風板２０ａが向くこと
で、何れの方向に車両が走行する場合も、走行風が進行
方向最後部の冷却器にも供給される構成となり、走行風
を有効に利用した冷却が可能である。（第２１の実施の形態）図２１に本発明の第２１の実施形態の電力変換装置の平
面図方向の断面図を示す。

【０１０５】本実施形態は、横に並んだ複数個の冷却器
の内中央の冷却器１ｕはその両端の隣り合う冷却器１よ
りも小さく（放熱フィンの高さが低く）、保護カバ−１
９の内側に設けられた導風板２０の凸部にあわせ、中央
部分の冷却器１ｕの放熱フィン高さが他の部分よりも小
さくなるよう構成したものである。

【０１０６】走行方向に対し、最も走行風の得にくい最
後部にあたる冷却器１に、導風板２０の向きがあってい
ることに加え、すぐ前に位置する冷却器が小さく（放熱
フィンの高さが低く）、走行風が入りやすくなっている
ことから、より最後部での走行風冷却が効率的となる。（第２２の実施の形態）（請求項１０，１１，１２に対
応）

【０１０７】本実施形態は、第２の実施形態で説明した
構成と冷却器１ｂの放熱部４は同じ構成で、相違点は、
半導体素子は平形の半導体素子２ａを用いており、半導
体素子２ａと冷却器１ｂの受熱部３ｂとの間にはセラミ
ックス絶縁板１０、導体１１を介して押圧する構成とし
ている点（これも第７の実施形態で説明した構成）に加
え、半導体素子２の反対側の面にこれまで述べてきた冷
却器と比較すると小形の補助フィン２１を取り付けた点
である。

【０１０８】平形形状の半導体素子を本発明の各実施形
態それぞれに適用する場合、冷却器の構成上、半導体素
子の一方の面を冷却器に押圧することになるので、片面
冷却となる。

【０１０９】構成上も簡易であり、多くの利点をもつ冷
却方式であるが、発生する熱に限度があるのは当然であ
る。特に鉄道車両駆動用の電力変換装置ではその発生損
失は一定では無く車両の走行により変わってくる。損失
の変化に応じて、各部位の温度も変化するが、熱時定数
によりその変化の応答は変わり、半導体素子の内部、及
びその近傍では瞬時的な熱負荷に対して温度上昇してし
まう。それを考慮して冷却器１ｂの所要性能が決まるこ
とになるが、瞬時的な温度上昇がおさえられれば、当
然、冷却器１ｂの許容最高温度をあげることができ、冷
却器の小形化につながる。

【０１１０】そこで、本実施形態に示す補助フィン２１
を半導体素子のもう一方の面に取り付けることで、主冷
却を行う冷却器１ｂと比べて、小形の冷却器でも、熱時
定数が小さいことから、瞬時的な過負荷（ピーク損失）
に対しては、主冷却フィンと同等以上に冷却能力をもっ
ており、ピーク損失時の過渡的な素子温度上昇を抑制す
ることが可能となる。ひいては、主冷却フィンの所用熱
処理能力を軽減でき、冷却器の小形化、装置の小形化に
つながる。

【０１１１】又、補助フィン２１のフィンの向きは装置
の箱体７内を循環する空気により冷却されるので、少な
くとも上下に空気が流れるよう垂直な向きにはフィン溝
２２が設けられており、主冷却の為の冷却器１ｂとはフ
ィンの向きは異なる。又、補助フィン２１は通常アルミ
ニウム又は銅製の熱伝導良好な金属をその材料とし、箱
体内部であることから、電気的絶縁することなく直接半
導体素子２ａに押圧されるので、電極として使用でき
る。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば車両走行時の走行風を有
効に冷却器の冷却風として活用でき、装置の小形軽量化
につながるだけでなく、装置の構成が簡素化され、部品
種類、部品点数の少ない信頼性の向上した装置が実現で
きる。

【０１１３】又、冷媒を使わない冷却方式が採用できる
ので、冷媒封入のための特殊な製造技術が不要になり、
冷媒の漏れ管理等、メンテナンスの向上にもつながる。
さらに冷媒の凍結といった耐環境性を考慮することも無
く、冷媒の及ぼす地球環境ヘの影響も皆無である。加え
て材料の種類がへることで製品の廃棄の際も、問題にな
ることなくリサイクル可能な製品が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はこの発明の第１の実施形態の半導体冷
却器が電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された
状態を示す斜視図。（ｂ）は図１（ａ）のＡ１−Ａ１線
に沿う半導体冷却器の断面図。

【図２】（ａ）は第２の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図２（ａ）のＡ２−Ａ２線に沿う半導
体冷却器の断面図。

【図３】（ａ）は第３の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図３（ａ）のＡ３−Ａ３に沿う半導体
冷却器の断面図。

【図４】（ａ）は第４の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図４（ａ）の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図５】（ａ）は第５の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図５（ａ）の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図６】（ａ）は第６の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図６（ａ）の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図７】（ａ）は第７の実施形態の半導体冷却器の回路
図。（ｂ）は図７（ａ）の回路を備えた半導体冷却器の
断面図。

【図８】（ａ）は第８の実施形態の半導体冷却器が電力
変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す
斜視図。（ｂ）は図８（ａ）のＡ８−Ａ８線に沿う半導
体冷却器の断面図。

【図９】第９の実施形態の半導体冷却器の断面図。

【図１０】第１０の実施形態の半導体冷却器が電力変換
装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を示す斜視
図。

【図１１】第１１の実施形態の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図１２】第１２の実施形態の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図１３】第１３の実施形態の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図１４】第１４の実施形態の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図１５】第１５の実施形態の半導体冷却器単体の斜視
図。

【図１６】（ａ）は第１６の実施形態の半導体冷却器の
断面図。（ｂ）は図１６（ａ）のＡ１６で示す部位の詳
細な断面図。

【図１７】第１７の実施形態の半導体冷却器の断面図。

【図１８】第１８の実施形態の半導体冷却器の断面図。

【図１９】（ａ）は第１９の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す正面図。（ｂ）は図１９（ａ）の側面図。（ｃ）は
図１９（ａ）のＢ１９−Ｂ１９線に沿う断面図。

【図２０】（ａ）は第２０の実施形態の半導体冷却器が
電力変換装置に組み込まれ車体床下に艤装された状態を
示す正面図。（ｂ）は図２０（ａ）のＢ２０−Ｂ２０線
に沿う断面図。

【図２１】第２１の実施形態の電力変換装置の水平方向
の断面図。

【図２２】第２２の実施形態の半導体冷却器の断面図。

【図２３】（ａ）は従来装置を示す斜視図。（ｂ）は図
２３（ａ）のＡ２３−Ａ２３線に沿う断面図。（ｃ）は
図２３（ａ）の水平方向の断面図。

【符号の説明】

１，１ａ〜１ｕ…冷却器２，２ａ…半導体素子３，３ａ〜３ｔ…受熱部４…放熱部５…ヒートパイプ６ａ〜６ｔ…放熱フィン７…箱体８…車体９…艤装限界１０…セラッミックス絶縁板１１…導体１２…絶縁板１３…穴１４…切り起こし１５…スリット１６…棒１７…空洞１８…冷媒１９…保護カバー２０…導風板２１…補助フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−225548（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−53646（ＪＰ，Ｕ) 実開昭56−126856（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−122362（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 1/00 B60L 9/18 H02M 7/5387

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄道車両の床下に設置される車両駆動用電
力変換装置に使われる冷却器を備えた半導体冷却装置に
おいて、前記冷却器の放熱フィン部分は前記電力変換装
置の車体側方側にあり、前記冷却器の１つの内面に複数
個の半導体素子を取り付け、その取り付け面はその下方
が車体中央側、上方が車体側方側となるよう垂直から傾
けて設置されており、前記冷却器の反対側の外面は大気
へ熱放散する為の複数の放熱フィンが上下方向に所定間
隔を存して形成されており、各放熱フィンは平板状の同
一外形の板フィンで、ほぼ水平または先端が上となるよ
うに傾いた姿勢で上下に並んでいることを特徴とする鉄
道車両用半導体冷却装置。
【請求項２】鉄道車両の床下に設置される車両駆動用電
力変換装置に使われる冷却器を備えた半導体冷却装置に
おいて、前記冷却器の放熱フィン部分は前記電力変換装
置の車体側方側にあり、前記冷却器の１つの内面に複数
個の半導体素子を取り付け、その反対側の外面は大気へ
熱放散する為の複数の放熱フィンが所定間隔で形成され
ており、各放熱フィンは平板状の同一外形の板フィン
で、ほぼ水平または先端が上となるように傾いた姿勢で
上下に並んでいることを特徴とする鉄道車両用半導体冷
却装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記冷却器には
インバータ回路あるいはコンバータ回路の一相分の半導
体素子が取り付けられ、この冷却器を３個あるいは２個
横に並べ、前記放熱フィン部分は相毎にまとまって、と
なりの放熱フィン部分とは間隔があいていることを特徴
とする鉄道車両用半導体冷却装置。
【請求項４】請求項１又は２において、インバータ回路
あるいはコンバータ回路の上アーム側の半導体素子を一
方の冷却器に取り付け、もう一方の冷却器には下アーム
側の半導体素子を取り付け、これら冷却器を互いに近接
して並べて配置したことを特徴とする鉄道車両用半導体
冷却装置。
【請求項５】請求項４において、前記下アーム側の半導
体素子を取り付けた冷却器は、上アーム側の半導体素子
を取り付けた冷却器よりも外形が小さく、前記電力変換
装置の車体側方側に下アーム側の冷却器が下に位置し、
上アーム側の冷却器が上に位置するよう上下に並べて配
置したことを特徴とする鉄道車両用半導体冷却装置。
【請求項６】請求項４において、前記２個の冷却器の一
方は前記電力変換装置の車体側方側に、他方の冷却器は
該装置の下方に、それぞれの半導体素子が装置内部で近
接するよう前記冷却器を配置したことを特徴とする鉄道
車両用半導体冷却装置。
【請求項７】請求項１又は２において、前記放熱フィン
は先端側の幅が根元側の幅よりも小さくなっていること
を特徴とする鉄道車両用半導体冷却装置。
【請求項８】請求項１又は２において、前記放熱フィン
はその内部に冷媒の流路が形成されその流路に作動液が
封入されたものであることを特徴とする鉄道車両用半導
体冷却装置。
【請求項９】請求項１又は２において、前記半導体素子
が取り付く前記冷却器のべース部分は厚みが一様でな
く、半導体素子の取り付く面が平面でかつその反対側に
位置する放熱フィン側の面が平らでなく、半導体素子の
取り付いている部分の中心部分が最も厚みが大きく、半
導体素子から離れた位置ではそれより厚みが小さくなる
ように厚みを変化させたことを特徴とする鉄道車両用半
導体冷却装置。
【請求項１０】請求項１又は２において、前記半導体素
子は対向する２面が電極面となる平形形状の素子で、片
面を前記冷却器に押圧し、前記半導体素子のもう一方の
面には主冷却器に比べて小形の補助放熱フィンを設けた
ことを特徴とする鉄道車両用半導体冷却装置。
【請求項１１】請求項１０において、前記補助放熱フィ
ンはそのフィン間を空気が上下方向に流れるように前記
主冷却器の放熱フィンと直交する向きとなるように設け
たことを特徴とする鉄道車両用半導体冷却装置。
【請求項１２】請求項１０において、前記補助放熱フィ
ンは半導体素子の一方の電極取り出し用として電気的に
接続され、導体を兼用したことを特徴とする鉄道車両用
半導体冷却装置。