JP2550162B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は大電流用の大型サイリスタ等の半導体装置の
冷却に好適な沸騰冷却装置に係り、特に、半導体装置の
冷却性能の向上を図ることができる沸騰冷却装置に関す
る。

（従来の技術） 近年、大電流用サイリスタ等の大容量の半導体装置で
はその電力容量増大化に伴って、これら半導体装置の発
生する損失熱が増大しているのでこの半導体装置を冷却
する冷却手段の冷却性能の向上が重要な課題となってい
る。

通常、半導体装置は、その複数個を放熱自在のヒート
シンクを介して直列に連結し、半導体装置とヒートシン
クはその接続面間の接触電気抵抗、および接触熱抵抗を
低減させるために加圧されて接合されている。

このヒートシンクを冷却する冷却方式としては半導体
装置の大容量化に伴って、空冷フィン方式、ヒートパイ
プ付空冷フィン方式、フロン等、冷媒中にヒートシンク
を浸漬し、このヒートシンクを沸騰冷却する沸騰冷却方
式等がある。

近年、多く見られるこの種の沸騰冷却方式としては、
フロン等の電気抵抗の大きな冷媒液中にサイリスタ等の
半導体装置およびヒートシンクを浸漬し、冷媒液の沸騰
により半導体装置の発熱を冷却する方式がある。

第３図はこのような従来の冷却沸騰方式のヒートシン
ク１の形状の一例を示しており、このヒートシンク１は
幅広直方体の本体２の幅広側面の前面3aと後面3bを図示
しない半導体装置の一発熱面をそれぞれ接触させて受熱
する受熱面に構成している。

また、ヒートシンク１は、本体２の軸方向に貫通する
貫通孔４を本体２の幅方向に複数個並設している。

これら貫通孔４は、平面形状が円形をなし、主たる沸
騰伝熱面となる。なお、受熱面をなす前面3aと後面3bと
がそれぞれ接触する図示しない半導体装置の接触端面が
円形なので、これら受熱面3a,3bと半導体装置の接触端
面との間に所要の座を介在させることもある。

次に、このように構成された従来のヒートシンク１の
動作原理を第４図に基づいて説明する。

半導体装置５にて発生した損失熱は、図中小矢印に示
すように、その接合端面を経てヒートシンク１の受熱面
3a,3bに伝熱され、本体２の熱伝導によりその全体に伝
熱される。

そして、このヒートシンク１により受熱された受熱
は、このヒートシンク１を浸漬せしめている冷却媒体、
例えばフロン113等との接触面では、冷却媒体側へ伝熱
されるから、その単位面積当りの熱流量、すなわち、熱
流速に応じて対流熱伝達、沸騰熱伝達とその伝熱形態を
変えて行く。

また、本体２内の複数の貫通孔４の内周面は半導体装
置５からの熱伝導距離が短いために熱流束も大きく最も
活発な沸騰伝熱面となる。

さらに、上記以外のヒートシンク１の外表面において
も当然沸騰が発生し、半導体装置５の冷却に寄与するこ
とは勿論である。

そして、冷媒液中のヒートシンク１の水平方向の熱伝
導経路は、本体２の肉厚から貫通孔４の直径を差し引い
た値の平板内の熱伝導にほぼ等しいので、本体２の水平
方向の熱伝導が制限されることになる。

なお、貫通孔４はその内部での蒸気泡の流出を高める
目的で縦方向（軸方向）に穿設されている。

そして、ヒートシンク１の放熱性能の向上を図るため
に、ヒートシンク１の大型化を図ることが考えられる
が、ヒートシンク１の寸法を水平方向に拡大した場合に
は、冷媒液の沸騰がヒートシンク１の中心部のみで発生
するので、本体２の熱伝導性を改良しない限りヒートシ
ンク１の端部での冷媒液の沸騰が発生しないことがわか
った。

また、ヒートシンク１の縦方向の寸法を拡大した場合
には、熱伝導性能の低下は少ないが貫通孔４内部に発生
した蒸気泡が上部へ行くほどに充満し、この場合もさほ
ど有効な冷却効果は得られない。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来のヒートシンク沸騰冷却方式のように、
本体２の熱伝導と本体２内部での沸騰伝熱面とで、半導
体装置５を主に冷却する方式では、半導体装置５の発熱
量がヒートシンク１の冷却能力を超えて増大する場合に
は、ヒートシンク１の単なる寸法的拡大では冷却性能に
限界がある。

そこで本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的は冷却性能の向上を図ることができる沸騰冷却
装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） すなわち本発明は、複数の半導体装置同士を連結し
て、これら半導体装置の発熱を放熱せしめる、貫通孔を
有するヒートシンクと、このヒートシンクに連結された
複数の半導体装置を浸漬せしめて沸騰冷却する高電気抵
抗性の冷媒液を収容するタンクと、このタンク内の冷媒
液を強制循環させる再循環装置とを有することを特徴と
する。

（作用） タンク内の冷媒液中に浸漬された複数の半導体装置が
発熱すると、これら発熱がヒートシンクに受熱され、こ
のヒートシンクの貫通孔内部で激しく沸騰し、ヒートシ
ンクおよび複数の半導体装置を冷却する。

ここで、複数の半導体装置の発熱（損失熱流束）が増
大すると、ヒートシンクの貫通孔内部だけでなく、その
側面も激しく沸騰する。このとき、ヒートシンクの貫通
孔内部では沸騰現象が核沸騰域を超え、遷移・膜沸騰へ
と移行し、熱伝達性能（冷却性能）が低下する。

そこで、再循環装置によりタンク内の冷媒液に対流を
強制的に発生させる。

この対流により圧送された冷媒液をバーンアウト点に
達する熱流束を増大させるとともに、熱伝達性能（冷却
性能）を向上させる。ここで、バーンアウトとは沸騰現
象が核沸騰域から遷移沸騰域に移行する限界点であり、
この限界点から熱伝達性能が低下するものである。

したがって、本発明によれば、冷媒液の沸騰を生ずる
ヒートシンクの放熱面（特に貫通孔）に強制的に対流を
発生させることにより、全ヒートシンクによる冷却性能
を全体的に高め、半導体装置の温度を有効に冷却するこ
とができる。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図および第２図に基づいて
説明する。

第１図は本発明の一実施例の全体構成を示す全体構成
図であり、図において、タンク11内には電気抵抗の高い
冷媒液であるフロン液12を収容している。

このフロン液12中には、複数個の半導体装置５を放熱
自在のヒートシンク１をそれぞれ介して直列に接続した
ものを浸漬している。

これら半導体装置５とヒートシンク１は両接続面間の
接触電気抵抗および接触熱抵抗を低減させるために加圧
されて接合されている。

また、これらヒートシンク１は第３図に示すように複
数の貫通孔を穿設しており、フロン液12を各貫通孔内を
通液させるようになっている。

一方、タンク11の底部には各ヒートシンク１の各貫通
孔４に対応する部分にて複数のライザ管13のノズルを設
けており、各ライザ管13の外端部はこれらを集合するヘ
ッダ管14に接続されている。

ヘッダ管14には再循環ポンプ15を介装しており、この
再循環ポンプ15の運転によりタンク11内のフロン液12を
強制的に循環させ、タンク11内にフロン液12の対流を強
制的に発生させるようになっている。

したがって、タンク11内のフロン液12に対流が発生す
ると、フロン液12が各ヒートシンク１の貫通孔４内を図
中下方から上方へ向けて流通し、各ヒートシンク１およ
び半導体装置５の各外面に対流を生ぜしめ、沸騰熱伝達
性能すなわち冷却性能を向上させることができ、半導体
装置５を高精度で冷却することができる。

なお、ヘッダ管14の外周には第２図に示すように冷却
フィン16を所要のピッチで複数枚設けてもよく、これに
よれば、ヘッダ管14内を流れるフロン液12を冷却フィン
16により冷却し、本発明装置の冷却性能の一層の向上を
図ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、貫通孔を有するヒート
シンクを介して、複数の半導体装置をそれぞれ連結し、
これをタンク内の冷媒液中に浸漬し、この冷媒液に再循
環ポンプにより強制的に対流を発生させるので、ヒート
シンクおよび半導体装置の熱伝達性能すなわち冷却性能
の著しい向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例の全体構
成図、第２図は第１図の変形例を示す全体構成図、第３
図は一般的なヒートシンクの構成を示す斜視図、第４図
は第３図で示すヒートシンクの熱の流れを示す一部拡大
平面図である。 １……ヒートシンク、５……半導体装置、11……タン
ク、12……フロン液、13……ライザ管、14……ヘッダ
管、15……再循環ポンプ、16……冷却フィン。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の半導体装置同士を連結して、これら
   半導体装置の発熱を放熱せしめる、貫通孔を有するヒー
   トシンクと、このヒートシンクに連結された複数の半導
   体装置を浸漬せしめて沸騰冷却する高電気抵抗性の冷媒
   液を収容するタンクと、このタンク内の冷媒液を強制循
   環させる再循環装置とを有することを特徴とする沸騰冷
   却装置。