JP5380715B2 - 半導体デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、電池あるいは半導体デバイスの冷却構造に関する。
蓄電池には、円筒型電池、角型電池など種々の形状の電池が開発され広く使用されている。そして、比較的小容量の電池には、耐圧性や封口の容易さの点から円筒型が採用され、比較的大容量の電池には、取扱いの容易性から角型が採用されている。
また蓄電池の電極構造に着目すれば、大別して、積層タイプと捲回タイプの２つのタイプが広く使用されている。すなわち積層タイプの電池は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が電池ケースに収納されている。積層タイプの電池の多くは角型の電池ケースを有している。一方捲回タイプの電池は、正極と負極がセパレータを挟みつつ渦巻状に巻き取られた状態で電池ケースに収納されている。捲回タイプの電池ケースは円筒型のものもあるし角型のものもある。
特許文献１および特許文献２に、円筒型捲回電池に関する技術が開示されている。すなわち、図１において、蓄電池１は、電池ケース２内に配置された正極３、負極４、セパレータ５および電解液を主な構成要素としている。そして電池ケース２は、上部に開口部２ａを有する概ね円筒状の容器であり、その底面部が負極端子にとなっている。帯状の正極３と負極４とはセパレータ５を挟みつつ渦巻き状に巻き取られた状態で電池ケース２内に収納されている。また、電池ケースの開口部２ａは、電池ケース２内に電解液が注入された状態で、封口板７により液密に封鎖されている。なお、封口板７の上面に設けたキャップ６が正極端子となる。正極端子は図示しないリード線により正極３に接続されている。
蓄電池の冷却構造については種々の方法が提案されている。その多くは、蓄電池を複数個組み合わせてモジュール化した組電池に関するものである。これは蓄電池をモジュール化して大容量化すると、蓄電池の温度上昇が問題となるからである。組電池の冷却構造については、組電池を収納した容器の表面に突起を設けて冷却空気の流れに乱れを生じさせて放熱をよくする方法（例えば、特許文献３）、隣り合う組電池の間に穴開きの金属製の冷却板を介在させて冷却空気の通路を設ける方法（例えば、特許文献３、４）もしくは収納容器の外部に突出する冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）等が提案されている。
特許文献６には、正極と負極の間にセパレータを介在させた角型積層電池ユニットにおいて、当該電池ユニットの間に冷却板を設けて、その冷却板に冷媒の流路を設けてなる電池ユニット積層体の冷却構造が開示されている。
特許文献７には、シート状のヒートシンクを正極と負極に配して、セパレータと共に捲回してなる円筒型捲回電池の発明が開示されている。
特開２００２−１９８０４４号公報 特開２００４−１０３３５０号公報 特開２００９−０１６２８５号公報 特開２００３−００７３５５号公報 特開２００１−１４３７６９号公報 国際公開２００８／０９９６０９号公報 特開平１１−１４４７７１号公報
田村英雄監修 「電子とイオンの機能化学シリーズVol.１ ニッケル水素二次電池のすべて」エヌ・ティー・エス発行 ２００５年
電池の構成要素のひとつであるセパレータは、正極と負極の短絡を防止し、電解液を保持して正極と負極間のイオン伝導を行う役割を有し、電池にとって重要なパーツであるところ、ポリアミド繊維またはポリオレフィン繊維等の合成繊維の不織布を素材として採用しているので、正極や負極（以下、総称して電極という）の電極と比べてその熱伝導度は小さく、熱を伝え難い。
図１に示す捲回電池の冷却構造に言及すれば、電池内部で発生した熱は電池ケースから放熱される必要がある。しかし、捲回電池は電極とセパレータが多重に積層されている。多層に重ねられたセパレータを経て良好に熱伝達を行うことは困難である。図２は、電池表面（ケース）から中心部に向けての電池内部の温度勾配の状況を説明するための模式図である。図２によれば、円筒型捲回電池においてケースおよび電極は熱伝導度が高いので大きな温度勾配は生じないが、セパレータは熱伝導度が低いので大きな温度勾配を生じる。このため、中心部に行くほど高温となっていることがわかる。
すなわち、捲回電池の電池ケースの表面温度は周囲温度に近いものの、中心部分の温度は高く、特に充放電状態においてはかなり高温となる。電池ケースの外側を冷却しても、電池内部は必要な程度に冷却されず高温となる。電極は温度が高くなると動作しなくなる。一般に、蓄電池に使用されている水素吸蔵合金においては（例えば、ミッシュメタル合金あるいはランタン・ニッケル合金など）、６０℃以上になると充電しなくなる。
電池の冷却方法として、電池ケースの表面に突起を設けて熱の放散を良くする方法（例えば、特許文献３）、組電池の間に穴開きの金属板を設けて冷却空気を流して冷却する方法（例えば、特許文献３，４）もしくは冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）が提案されているが、これらはいずれも電池ケースの表面を冷却するのには有効であるが、セパレータによる温度勾配が存在するので、捲回電池においては効果的な冷却方法ということができない。
ヒートシンクを電極と共に捲回する方法（例えば、特許文献７）や、冷却水が流れるパイプを電池内部に収納する方法が提案されている。これらの方法は、電池ケースの表面を冷却するよりは効果的な冷却方法といえるかもしれないが、冷却のためのスペースを必要とし、電池寸法が大きくなり、体積当りの電気容量が低下する。
一般にアルカリ蓄電池においては、密閉化を行うために正極規制を採用しており、正極に比べて多くの負極を必要としている。例えば、ニッケル水素電池の負極には、レアメタルである水素吸蔵合金が使用されており、高価であるとともに原料の安定供給の問題もある。負極のコストは、電極全体の８０％を占めるといわれており、負極の電池価格に及ぼす影響は大きい。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、電池内部および半導体デバイス内部の温度上昇を抑制するとともに、冷却のために電池内および半導体デバイス内部に余分なスペースを必要としないことを解決すべき課題としている。さらには、電池価格に大きな影響を及ぼす負極のコストを低減させることにより、電池価格の低減を図る。
本発明に係る半導体デバイスは、円筒形の外装体の内部にＮ型半導体とＰ型半導体とが前記外装体の軸方向に積層されており、かつ、冷媒を流すための通路を有する導電性の集電体が前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体とを前記外装体の軸方向に貫通している半導体デバイスであって、エミッター層と、コレクター層と、ベース層が、前記外装体の内部軸方向に積層されていて、前記エミッター層は、前記Ｐ型半導体および前記Ｎ型半導体のいずれか一方であって、前記ベース層は、前記エミッター層と前記コレクター層に挟まれており、前記エミッター層と異なる型の半導体であって、前記コレクター層は前記エミッター層と同じ型の半導体であり、前記エミッター層、前記コレクター層、前記ベース層のいずれか１が前記外装体の内面に当接して電気的に接続された第１層であり、他が前記外装体に接触していない第２層および第３層であり、かつ、前記集電体の１が、前記第２層に接触して電気的に接続されており、かつ、前記第１層および前記第３層に接触しておらず、前記集電体の他の１が、前記第３層と接触して電気的に接続されており、かつ、前記第１層および前記第２層に接触していない。
この構成において、エミッターはＮ型またはＰ型いずれか一方の半導体であり、ベースはＮ型またはＰ型の半導体であってエミッターと異なる型（エミッターがＮ型ならＰ型）の半導体であり、コレクターはＮ型またはＰ型半導体であってエミッターと同じ型の半導体である。これにより、ＮＰＮトランジスタまたはＰＮＰトランジスタが構成される。組み合わせの一例を表１に示す。
Figure 0005380715
本発明に係る半導体デバイスは、円筒形の外装体の内部にＮ型半導体とＰ型半導体とが前記外装体の軸方向に積層されており、かつ、冷媒を流すための通路を有する導電性の集電体が前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体とを前記外装体の軸方向に貫通している半導体デバイスであって、前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体のうち一方の半導体は、前記外装体の内面に当接して電気的に接続されているが前記集電体には接触しておらず、かつ、他方の半導体は前記集電体に接触して電気的に接続されているが前記外装体の内面に接触していない。
本発明は、冷却のために余分なスペースを必要とせずに、半導体デバイス内部の温度上昇を抑制することを可能にする。
円筒型積層電池の一部を破断した概略斜視図である。 円筒型捲回電池の温度勾配の状況を模式的に示す図である。 第一実施形態に係るトランジスタを示す概略構成図である。 第二実施形態に係るダイオードを示す概略構成図である。
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
＜第一実施形態＞
図３は、本発明の第一実施形態に係るトランジスタを示す概略構成図である。図３に示すトランジスタ１８０は、外装体と集電体と外装体内部に収納される半導体を主な構成要素として備えている。外装体１８１は、円管１８２と、円管１８２の開口部１８２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材１８６とから構成されている。円管１８２と蓋部材１８６は鉄でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材１８６の外径は円管１８２の開口部１８２ｃの内径より少し大きく、蓋部材１８６は半導体１８３，１８４，１８５の収納後に円管開口部１８２ｃにおいて絞まり嵌めされている。
半導体１８３，１８４，１８５は、円管１８２の軸方向（図３のＸ方向）に積層して外装体１８１の内部に収納されている。半導体１８３、半導体１８５、半導体１８４はいずれも２つの穴の開いた、円盤状の形状を有している。半導体１８３の外径は円管１８２の内径よりも大きく、半導体１８３の外縁部１８３ｃは円管１８２の内面１８２ａと接触しており、半導体１８３は円管１８２に電気的に接続されている（図３（ｂ）参照）。一方、半導体１８４と半導体１８５の外径は円管１８２の内径より小さく、半導体１８４、１８５は円管１８２に接触していない。
２つの棒状の集電体１８７、１８９はいずれも、鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料でできており、軸部１８７ａ、１８９ａと軸部１８７ａ、１８９ａの両端に位置する端部１８７ｂ、１８９ｂとを有している。ニッケルメッキを施すことにより、接触面における電気抵抗を小さくすることができる。集電体１８７、１８９の軸部１８７ａ、１８９ａは、半導体１８３、１８４，１８５を、外装体１８１の軸方向（図３のＸ方向）に貫通している。軸部１８７ａ、１８９ａの外径は、いずれも半導体１８３に設けた穴１８３ａ、１８３ｂの径より小さいので、半導体１８３は集電体１８７、１８９と接触していない。電気的に絶縁状態にある。
一方、軸部１８７ａの外径は、半導体１８４に設けた穴１８４ａの径より大きく、集電体１８７は半導体の穴１８４ａの周縁部に接触している。半導体１８４と集電体１８７は、電気的に接続されている。また、軸部１８７ａの外径は、半導体１８５に設けた穴１８５ａの径より小さく、半導体１８５とは接触していない。半導体１８５と集電体１８７は、電気的に絶縁されている。更に、軸部１８９ａの外径は、半導体１８４に設けた穴１８４ｂの径より小さく、集電体１８９は半導体１８４と接触していない。半導体１８４と集電体１８９は、電気的に絶縁されている。また、軸部１８９ａの外径は、半導体１８５に設けた穴１８５ｂの径より大きいので、集電体１８９は半導体の穴１８５ｂの周縁部に接触している。半導体１８５と集電体１８９は、電気的に接続されている。
集電体の端部１８７ｂ、１８９ｂは蓋部材に設けられた穴を貫通して、トランジスタ１８０の外方に突出して、それぞれベース端子１８７ｂおよびコレクター端子１８９ｂとして機能する。円管１８２はエミッター端子として機能する。ベース端子１８７ｂ、コレクター端子１８９ｂおよび円管１８２が、蓋部材１８６を介して互いに電気的に接続されて短絡するのを防止するために、ベース端子１８７ｂおよびコレクター端子１８９ｂと蓋部材１８６の間には絶縁材１８８が設けられている。トランジスタ１８０はコレクター端子１８９ｂをコレクターとし、ベース端子１８７ｂをベースとし、円管をエミッターとするトランジスタとして作用する。また、半導体１８３で発生する熱は直接円管１８２に伝えられ、半導体１８４、１８５で発生する熱は半導体１８３を介して円管１８２に伝えられるので、半導体１８３，１８４，１８５の温度上昇は抑制される。
本実施形態において、半導体１８３と半導体１８５をＮ型半導体とし、半導体１８４をＰ型半導体としてもよく、また、半導体１８３と半導体１８５をＰ型半導体とし、半導体１８４をＮ型半導体としてもよい。前者はＮＰＮトランジスタになり、後者はＰＮＰトランジスタとなる。
＜第二実施形態＞
図４は、本発明の第二実施形態に係るダイオードを示す概略構成図である。図４に示すダイオード１９１は、外装体と集電体と外装体内部に収納される半導体を主な構成要素として備えている。外装体１９５は、円管１９２と、円管１９２の開口部１９２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材１９６とから構成されている。円管１９２と蓋部材１９６は鉄でできているが、他の金属であってもよい。蓋部材１９６の外径は円管１９２の開口部１９２ｃの内径より少し大きく、蓋部材１９６は半導体１９３，１９４の収納後に円管開口部１９２ｃにおいて絞まり嵌めされている。
半導体１９３，１９４は、円管１９２の軸方向（図４のＸ方向）に積層して外装体１９５の内方に収納されている。半導体１９３、半導体１９４はいずれも中央に穴の開いた、円盤状の形状を有している。半導体１９３の外径は円管１９２の内径よりも大きく、半導体の外縁部１９３ｂは円管１９２の内面１９２ａと接触している。半導体１９３と円管１９２は電気的に接続されている。一方、半導体１９４の外径は円管１９２の内径より小さく、半導体の外縁部１９４ｂは円管の内面１９２ａに接触していない。
集電体１９７は、鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料の円管でできており、外装体１９５の内部ある中央部１９７ａと外装体１９５の外部にある端部１９７ｂとを有している。ニッケルメッキを施すことにより、接触面における電気抵抗を小さくすることができる。集電体１９７の中央部１９７ａは、半導体１９３、１９４を、外装体１９５の軸方向（図４のＸ方向）に貫通している。
中央部１９７ａの外径は、半導体１９３に設けた穴１９３ａの径より小さいので、半導体の穴１９３ａの周縁部は集電体１９７と接触していない。半導体１９３と集電体１９７は、電気的に絶縁されている。一方、中央部１９７ａの外径は、半導体１９４に設けた穴１９４ａの径より大きいので、集電体１９７は半導体の穴１９４ａの周縁部に接触している。半導体１９３と集電体１９７は、電気的に接続されている。
半導体１９３がＰ型半導体で構成され、半導体１９４がＮ型半導体で構成されている。集電体の端部１９７ｂは蓋部材に設けられた穴を貫通して、ダイオード１９１の外方に突出してカソード端子１９７ｂとして機能する。円管１９２はアノード端子として機能する。集電体１９７と円管１９２が、蓋部材１９６を介して互いに電気的に接続されて短絡するのを防止するために、集電体１９７と蓋部材１９６の間には絶縁材１９８が設けられている。
円管で構成された集電体１９７の内部には、冷媒を流すための通路が形成されている。半導体１９３で発生する熱は円管１９２に伝えられ、半導体１９４で発生する熱は集電体１９７に伝えられる。円管１９２および集電体１９７を冷却空気等で冷却することにより、半導体の温度上昇は抑制される。
本実施形態において、半導体１９３をＰ型半導体で構成し、半導体１９４をＮ型半導体で構成したが、半導体１９３をＮ型半導体で構成し、半導体１９４をＰ型半導体で構成してもよい。この場合は、集電体の端部１９７ｂはアノード端子として機能し、円管１９２はカソード端子として機能する。
本発明に係る半導体デバイスは、産業用のみならず民生用の半導体デバイスとしてとして好適に用いることができる。
１ 蓄電池
２ 電池ケース
３ 正極
４ 負極
５ セパレータ
６ キャップ
７ 封口板
１８０ トランジスタ
１８１ 外装体
１８２ 円管
１８３、１８４、１８５ 半導体
１８６ 蓋部材
１８７ 集電体
１８８ 絶縁材
１８９ 集電体
１９１ ダイオード
１９２ 円管
１９３、１９４ 半導体
１９５ 外装体
１９６ 蓋部材
１９７ 集電体
１９８ 絶縁材

Claims (2)

  1. 円筒形の外装体の内部にＮ型半導体とＰ型半導体とが前記外装体の軸方向に積層されており、かつ、冷媒を流すための通路を有する導電性の集電体が前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体とを前記外装体の軸方向に貫通している半導体デバイスであって、
    エミッター層と、コレクター層と、ベース層が、前記外装体の内部軸方向に積層されていて、
    前記エミッター層は、前記Ｐ型半導体および前記Ｎ型半導体のいずれか一方であって、
    前記ベース層は、前記エミッター層と前記コレクター層に挟まれており、前記エミッター層と異なる型の半導体であって、
    前記コレクター層は前記エミッター層と同じ型の半導体であり、
    前記エミッター層、前記コレクター層、前記ベース層のいずれか１が前記外装体の内面に当接して電気的に接続された第１層であり、
    他が前記外装体に接触していない第２層および第３層であり、かつ、
    前記集電体の１が、前記第２層に接触して電気的に接続されており、かつ、前記第１層および前記第３層に接触しておらず、
    前記集電体の他の１が、前記第３層と接触して電気的に接続されており、かつ、前記第１層および前記第２層に接触していない半導体デバイス。
  2. 円筒形の外装体の内部にＮ型半導体とＰ型半導体とが前記外装体の軸方向に積層されており、かつ、冷媒を流すための通路を有する導電性の集電体が前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体とを前記外装体の軸方向に貫通している半導体デバイスであって、
    前記Ｎ型半導体と前記Ｐ型半導体のうち一方の半導体は、前記外装体の内面に当接して電気的に接続されているが前記集電体には接触しておらず、かつ、他方の半導体は前記集電体に接触して電気的に接続されているが前記外装体の内面に接触していない半導体デバイス。
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