JP2562180B2 - 沸騰冷却形半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サイリスタ，ダイオードなどの半導体素子
から発生する熱を液体冷媒の沸騰／凝縮作用で系外に除
熱するようにした沸騰冷却形半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

まず、頭記した沸騰冷却形半導体装置の従来構成を第
４図，第５図により説明する。図において１は半導体素
子のスタック組立体であり、サイリスタなどの半導体素
子２と熱伝導性の高い金属で作られた平板状の冷却体３
とを交互に重ね合わせた積層体が絶縁板４を介して左右
の端板５の間に加圧挟持されている。なお、６はスタッ
ク締結用のスタッド、７は加圧力を与える皿ばね、８は
スタックの両端に配した端子板である。

一方、上記のスタック組立体１は、図示のように横置
姿勢でフロンなどの液体冷媒９に浸漬して容器10内に収
容設置されており、これらで沸騰冷却形半導体装置を構
成している。なお、11は前記端子板８に接続した容器10
よりの外部引出し端子、12は容器10の上部空間の外周面
より張り出す放熱フィンである。

かかる構成による沸騰冷却作用は周知であり、半導体
素子２の通電により発生した熱は、冷却体３に伝熱し、
ここから冷却体３の表面に接する液体冷媒９へ沸騰伝熱
される。一方、この沸騰伝熱の過程で生じた冷媒蒸気は
気泡となり、その浮力で冷媒液中を上昇して容器10の上
部空間に放散される。また容器10の上部空間に充満する
冷媒蒸気13は容器10の壁面へ凝縮伝熱して凝縮し、再び
液相に状態変化して液中に還流するとともに、容器10に
伝熱された熱は放熱フィン12より系外（大気中）に放散
される。このような液体冷媒の蒸気／凝縮サイクルによ
る潜熱での熱授受により、半導体素子２の発生熱が系外
に除熱される。なお、前記した沸騰熱伝達は主として核
沸騰の領域で進行し、冷媒は冷却体３の伝熱面で表面沸
騰する。

一方、前記した冷却体３について、液体冷媒９と接す
る伝熱面積を増大させ、併せて伝熱促進を図るために、
第５図のように冷却体３の内部（厚さ方向の中央部）
に、半導体素子の当接面31に沿って平行に並ぶ複数の冷
媒通路穴32を穿孔したものが既に実施されている。なお
この冷媒通路穴32は、第４図に示すようにスタック組立
体１を容器10内に据付けた状態で上下方向に向くように
定めてある。これにより冷却体３と液体冷媒９との間の
伝熱面積が増加し、かつこれに冷媒通路穴32の煙突効果
による冷媒の流動も加わって冷却体３と液体冷媒９との
間の伝熱が促進され、冷却性能を高めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来装置の冷媒としては一般に冷
媒として優れた特性を有するフロンを使用しているが、
昨今ではフロンの使用が国際的に規制される傾向にある
ことから、フロンに代わる冷媒，例えば弗化炭素冷媒の
採用が検討されている。しかして弗化炭素冷媒の熱伝導
率はフロンに比べて低く、かつ弗化炭素冷媒を使用した
場合の沸騰熱伝達率は、フロンの場合に比べて約2/3程
度に低下する。したがって従来構造のままでフロンを使
用した場合と同等な沸騰冷却効果を得るには、沸騰熱伝
達率の低下分だけ冷却体を大形寸法にして伝熱面積を増
加させるなどの手段を講じる必要があり、結果的に半導
体装置の全体構造が大形化してしまう。

本発明は上記の点にがんがみ成されたものであり、冷
却体に穿孔した冷媒通路穴に改良の手を加えることによ
り、同じ形状，寸法の冷却体で、冷媒との間の有効伝熱
面積を増加させ、併せて沸騰伝熱の有効促進が図れるよ
うにした冷却性能の高い沸騰冷却形半導体装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の沸騰冷却形半導
体装置においては、半導体素子とともに積層してスタッ
ク組立体を構成する冷却体の内部に、半導体素子との当
接面に沿い、かつ穴内壁面を歯列の高さが1mm程度の歯
列面と成した冷媒通路穴を穿孔して構成するものとす
る。

〔作用〕

上記の構成で、冷媒通路穴の内壁面に形成した歯列
は、雌ねじ，あるいは内歯歯車の歯として形成されたも
のである。これにより冷媒と接する冷媒通路穴の伝熱面
積は、歯列の高さを1mm程度とすると、穴内壁面が平坦
面である同じ内径を冷媒通路穴と比べて約1.8倍に増大
する。また、この歯列により形成された穴内壁面の凹凸
は冷媒の気泡発生の核として有効に働き、それだけ気泡
発生点が増加する。さらに沸騰伝熱過程で煙突効果によ
り冷媒通路穴の中を上昇流動する冷媒流に対して前記の
歯列面による攪乱作用が加わり、表面沸騰して冷却体の
伝熱面に生じた気泡の泡切れがよくなる。この結果、前
記作用の操業効果により冷却体と冷媒との間の沸騰伝熱
より一層促進されるようになり、沸騰冷却効果が高ま
る。

〔実施例〕

第１図ないし第３図は本発明実施例による冷却体の構
造を示すものであり、第５図と同様に半導体素子の当接
面31に沿って冷却体35の厚さ方向の中央部には複数の冷
媒通路穴34が穿孔されている。なお、冷却体35を第４図
に示したスタック組立体へ組込むに際しては、従来と同
様に冷媒通路穴34が上下方向に向くようにして組み込ま
れる。ここで、本発明により、前記した冷媒通路穴34は
第３図に明示されているように雌ねじのねじ穴であり、
その穴内壁面に雌ねじ状の歯列33が形成されている。な
お、歯列33は雌ねじの代わりに内歯歯車の歯列として形
成してもよい。いずれの場合でも冷媒通路穴34の内壁面
が凹凸状の歯列面となる。ここで、第３図における歯列
33としてのねじ山の高さを1mm程度とすると、冷媒通路
穴34の冷媒との間の伝熱面積は、同じ内径で内壁面が平
坦な冷媒通路穴（従来の冷媒通路穴）と比べて約1.8倍
に増加する。

かかる構成により、第４図で説明したように半導体素
子の発生熱が当接面31を経て冷却体35に熱伝達される
と、冷媒通路穴34の伝熱面よりここに接する液体冷媒と
の間で対流による伝熱が生じる。ここで冷却体35の壁面
が液体冷媒の飽和温度以上であれば、冷媒は表面沸騰し
て壁面上に気泡が発生し、沸騰伝熱が行われる。一方、
冷却体35からの伝熱で冷媒通路穴34内を満たしている冷
媒の温度も上昇し、これにより容器内での上下に液体密
度差が生じていわゆる煙突効果が働き、液体冷媒が冷媒
通路穴34の中の上昇通流するようになる。

ところで、本発明により、冷媒通路穴34の内壁面には
前記のように歯列33が形成されていることから、冷媒と
の有効伝熱面積が増加し、かつ歯列33による凹凸面が気
泡発生の核として有効に働いて気泡発生点にも大幅に増
える。しかも冷媒通路穴34の煙突効果により穴内を上昇
する冷媒流に対して歯列33が攪乱効果を与えることか
ら、表面沸騰により生じた気泡は壁面上に停滞すること
なく直ちに剥離するように気泡の切れがよくなり、これ
らの相乗効果で沸騰伝熱が促進される。

この結果、沸騰冷却系での沸騰冷却効率が向上し、冷
却体35自体の寸法小形化が可能になる、ないしは冷媒を
フロンから弗化炭素冷媒に替えた場合でも同等な冷却性
能を確保できる。また半導体装置に過負荷が加わった場
合でも、冷却体35と液体冷媒との間の熱抵抗が低い状態
に維持されるので、それだけ過負荷耐量が高まる。なお
この点について発明者が行った従来装置との対比実験結
果より、熱抵抗がほぼ半減することが確認されている。

なお、図示実施例では、一枚の冷却体35について冷媒
通路穴34を横一列に穿孔した例を示したが、この冷媒通
路穴列を二列，ないしそれ以上の複数列として、各穴に
対してその内壁面に歯列を形成することにより、冷却性
能より一層高めることができる。

〔発明の効果〕

本発明の沸騰冷却形半導体装置は、以上説明したよう
に構成されているので、次記の効果を奏する。

すなわち、半導体素子とともに積層してスタック組立
体を構成する冷却体の内部に、半導体素子との当接面に
沿い、かつ穴内壁面を歯列の高さが1mm程度の歯列面と
成した冷媒通路穴を穿孔して構成したことにより、従来
の構成と比べて液体冷媒との間の有効伝熱面積の増大，
並びに沸騰伝熱の促進が図れる。これにより、フロンに
比べて熱伝導率の低い弗化炭素冷媒の使用にも対応可能
な小形で沸騰冷却効率の高い沸騰冷却形半導体装置が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例によるスタック組立体に組み込ま
れた冷却体の断面図、第２図は第１図の平面図、第３図
は第１図における冷媒通路穴の拡大断面図、第４図は沸
騰冷却形半導体装置全体の構成図、第５図は従来におけ
る冷却体の斜視図である。図において、１ ：スタック組立体、2:半導体素子、3,35:冷却体、31:
半導体素子の当接面、32,34:冷媒通路穴、33:歯列、9:
液体冷媒、10:容器、12:放熱フィン、13:冷媒蒸気。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体素子と平板状の冷却体とを交互に積
   層してなるスタック組立体を液体冷媒に浸積して容器内
   に収容し、半導体素子の発生熱を冷却体を介して冷媒へ
   沸騰伝熱させ、さらに冷媒蒸気を系外への放熱面上に凝
   縮伝熱させて除熱するようにした沸騰冷却形半導体装置
   において、前記冷却体の内部に、半導体素子との当接面
   に沿い、かつ穴内壁面を歯列の高さが1mm程度の歯列面
   と成した冷媒通路穴列を穿孔したことを特徴とする沸騰
   冷却形半導体装置。