JPH06268127A

JPH06268127A - 電力用半導体素子の冷却体

Info

Publication number: JPH06268127A
Application number: JP5361993A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Matsumoto; 寿彰松本; Masayuki Imura; 正幸伊村; Kenji Kijima; 研二木島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却液の流量を増加させることなく冷却能力を
向上させた冷却体を提供する。【構成】主体部21は、銅またはアルミニウムで平板状に
形成され、両面を平型半導体との接触面21ａとしてい
る。この主体部21には、冷却液が流れる貫流路22を設
け、この両端部に絶縁パイプまたは絶縁主パイプを接続
するための口出部10，10を設ける。また、貫流路22に
は、複数箇所に断面形状で円弧とした凹部22ａを設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子のうちでも
両面に接触電極を有する平型半導体素子の両面に接触さ
せて冷却を行う冷却体に係り、特に冷却媒体がある液
体、例えば水が内部を貫流することにより冷却を行うよ
うにした半導体素子の冷却体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように最近における半導体素子の
発達はめざましく、年々大電流高電圧化と大容量化さ
れ、現在では光で直接点弧できる6000Ｖ−2500Ａまたは
それ以上の半導体素子が開発され、現に実用に供されて
いる。

【０００３】このような大容量の半導体素子では、僅か
数10cm² の小さい電極面から数kW以上の熱損失が発生す
る。したがって、このような半導体素子においては、こ
の小さい電極面から大量の熱を奪う、より効率の良好な
冷却体を得られるかが重要になっている。以下、従来の
この種の液体による内部貫流型冷却体について、図９乃
至図14を参照して説明する。

【０００４】図９において、１はこの種の液体による内
部貫流型冷却体（以下、冷却体という）で、冷却体１
は、例えばダイオ―ド，サイリスタ，ＧＴＯ等の平型半
導体素子２と交互に積み重ねてスタック３を構成し、こ
のスタック３の両端から数トンの圧力で圧接されてい
る。一方、冷却体１は、絶縁パイプ４を介して相互に接
続されている。このように構成されたスタック３におい
て、例えば水のような冷却液５は、絶縁主パイプ６を介
して熱交換器７に至る経路で循環する。なお、８は冷却
液５を循環させるための循環ポンプである。

【０００５】ところで、冷却体１には種々の構成のもの
があり、以下図10乃至図14を参照して説明する。図10
は、冷却体１Ａの外観を示す斜視図である。同図に示す
ように冷却体１Ａは、熱伝導性，導電性の優れた例えば
銅またはアルミニウムで平板状に形成された両面を平型
半導体素子との接触面９ａとした主体部９Ａと、この主
体部９Ａの内部に設けた貫流路（図示しない）の両端と
なる部分に絶縁パイプまたは絶縁主パイプを接続するた
めの口出部10，10を設けている。冷却液は、一方の口出
部10から流入し、貫流路（図示しない）に沿って流れ、
他方の口出部10より流出する。

【０００６】図11は、主体部９Ａを示し、（ａ）は水平
断面図、（ｂ）はそのＭ−Ｍ断面図である。両図
（ａ），（ｂ）に示すように主体部９Ａには、蛇行状の
貫流路11が設けられている。この貫流路11の両端に、そ
れぞれ上記した口出部（図10に符号10で示す）が設けら
れる。

【０００７】図12は、図11とは異なる冷却体１Ｂの主体
部９Ｂを示し、（ａ）は水平断面図、（ｂ）はそのＮ−
Ｎ断面図、（ｃ）はそのＰ−Ｐ断面図である。同図
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように主体部９Ｂは、両
面を平型半導体素子との接触面９ａとし、内部の離れた
位置に平行した集合流路12，12を設け、この集合流路1
2，12を直交する方向で平行した複数の貫流路13で接続
している。なお、集合流路12は、一方の端部は開口して
絶縁パイプまたは絶縁主パイプを接続するための口出部
（図10に符号10で示す）が設けられ、他方の端部は閉止
されている。

【０００８】図13は、図12および図13とはさらに異なる
冷却体１Ｃの主体部９Ｃを示し、（ａ）は水平断面図、
（ｂ）は同図（ａ）の点Ｒ₁ から点Ｒ₂ までの貫流路に
沿った主体部９Ｃの部分断面図、（ｃ）はＳ−Ｓ断面図
である。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように主体
部９Ｃは、両面を平型半導体素子との接触面９ａとし、
内部には、半円部と直線部とから構成され、かつ一線状
に接続された貫流路14を設けている。この貫流路14の両
端の開口部には、絶縁パイプまたは絶縁主パイプを接続
するための口出部（図10に符号10で示す）が設けられ、
一方の口出部から流入した冷却液は、同図（ａ）や図14
に矢印で示すように往路15から復路16へと流れ、他方の
口出部から流出する。

【０００９】しかして、上述した図11に示す冷却主体９
Ａを有する冷却体１Ａは、比較的小さい発熱の半導体素
子の冷却に採用され、上述した図12および図13に示す冷
却主体１Ｂおよび１Ｃをそれぞれ有する冷却体１Ｂ，１
Ｃは、比較的大きい発熱の半導体素子の冷却に採用され
ている。また、図12に示す冷却主体９Ｂを有する冷却体
１Ｂは、給水側と排水側の集合流路12，12の間を貫流路
13が並列に連通しているので、冷却体１Ｂ内に冷却媒体
である例えば水を流通させるための圧力が小さい。その
ため、大量の冷却媒体である例えば水を冷却体１Ｂに流
通させることができ、半導体素子を冷却することによる
冷却媒体である例えば水の温度上昇が小さい。一方、図
13に示す冷却主体９Ｃを有する冷却体１Ｃは、往路部分
15と復路部分16とが交互に配列されているため、熱が平
均化され、半導体素子に対して理想的な冷却をすること
ができ、熱ストレスが小さくなるという特徴がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように半導体素子の電極面からの発熱密度は大容量化
につれて次第に増加しており、冷却効率の高い冷却体が
要求されている。ところが、従来の冷却体で冷却効率を
向上させるには、冷却液の流量を増加させればよいが、
装置全体の冷却液總量が増大するのと配管が大口径化
し、装置体積が増大するのみでなく、冷却液を循環させ
るためのポンプを大形化させる必要があり、装置の大形
化，高コスト化という欠点があった。また、冷却液の流
量を増加させても所望の冷却能力を得られないことがあ
り、従来よりさらに高効率の冷却体の開発が強く望まれ
ていた。

【００１１】そこで、本発明の第１の目的は、内部貫流
型の半導体素子の冷却体において、冷却液流量を増加さ
せることなく冷却能力を向上させた半導体素子の冷却体
を提供することにある。

【００１２】また、本発明の第２の目的は、内部貫流形
の半導体素子の冷却体において、冷却液流量を増加させ
ることなく冷却能力を向上させ、しかも低冷却液供給圧
力で大量の冷却液を流通させることができる半導体素子
の冷却体を提供することにある。

【００１３】さらに、本発明の第３の目的は、内部貫流
形の半導体素子の冷却体において、冷却液流量を増加さ
せることなく冷却能力を向上させ、しかも冷却面各部の
温度が均一化した半導体素子の冷却体を提供することに
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、第１の発明は、内部に冷却液を流通させる流路
を設けた電力用半導体素子の冷却体において、流路に断
面形状が変化する部分を設けるようにしたことを特徴と
するものである。

【００１５】上記第２の目的を達成するため、第２の発
明は、内部に冷却液を流通させる流路を設けた電力用半
導体素子の冷却体において、冷却液を供給する第１の集
合流路と排水する第２の集合流路を備え、第１の集合流
路と第２の集合流路を並列して連通する液冷流路を設
け、この液冷流路に断面形状が変化する部分を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１６】上記第３の目的を達成するため、第３の発
明は、内部に冷却液を流通させる流路を設けた電力用半
導体素子の冷却体において、冷却液を供給する少なくと
も一本の給水流路と排水復路とが隣接して配列され、給
水往路と排水復路に断面形状が変化する部分を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１７】

【作用】上記第１の発明においては、冷却液の流路に断
面形状が変化する部分を設けていることにより、冷却液
の流れを乱し強制対流による熱伝達率を大きくさせ、ま
た、冷却液との接液面積を増加させて伝熱量を増大させ
ることができる。

【００１８】上記第２の発明においては、液冷流路に断
面形状が変化する部分を設けていることにより、冷却液
の流れを乱し強制対流による熱伝達率を大きくさせ、ま
た、冷却液との接液面積を増加させて伝熱量を増大さ
せ、さらに、液冷流路が第１の集合流路と第２の集合流
路との間に並列して設けていることにより、大量の冷却
液を小さな冷却液供給圧力で流通させることができる。

【００１９】上記第３の発明においては、給水流路と排
水復路に断面形状が変化する部分を設けていることによ
り、冷却液の流れを乱し強制対流による熱伝達率を大き
くさせ、また、給水往路と排水復路を隣接して配列して
いることにより、冷却液の流れは対向流となり熱交換率
が高く、冷却体の温度上昇が平均化されて電力用半導体
素子に対しても最も望ましい冷却となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例を示す斜視図である。
同図において、20Ａは冷却体で、この冷却体20Ａは、熱
伝導性，導電性の優れた銅またはアルミニウムで平板状
に形成されて両面を平型半導体素子との接触面21ａとし
た主体部21Ａと、この主体部21Ａに設けた貫流路22の両
端となる部分に絶縁パイプまたは絶縁主パイプを接続す
るための口出部10を設けている。冷却液は、一方の口出
部10から流入し、貫流路22に沿って流れ、他方の口出部
10より流出する。

【００２１】図２は、主体部21Ａを示し、（ａ）は水平
断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。同図
（ａ），（ｂ）に示すように主体部21Ａには、貫流路22
が設けられ、この両端にそれぞれ上記した口出部（図１
に符号10で示す）が設けられる。また、貫流路22は、蛇
行状でかつ中間の複数箇所で対向する面に断面形状で円
弧とした凹部22ａを設け、この凹部22ａにより貫流路22
の断面形状を変化させている。

【００２２】以上のように構成された冷却体20Ａは、貫
流路22の断面形状の変化により、冷却液の流れが乱さ
れ、強制対流による熱伝達率が大きくなり、また、冷却
液との接液面積が広がって伝熱量が増加するので、冷却
能力が向上する。

【００２３】図３は、冷却体20Ａと図11に示す主体部９
Ａを有する従来の冷却体１Ａの何れも蛇行状の貫流路を
設けたものの冷却性能〔熱抵抗比（Ｒ_fin ′／Ｒ_o ，Ｒ
_fin″／Ｒ_o ）−冷却液流量比（Ｑ′／Ｑ₁ ，Ｑ″／Ｑ₁
）を示したものである。なお、この冷却性能における
条件は、次の通りである。 (1) 貫流路の長さは両者共同じとした。 (2) 冷却体内における冷却液と冷却体との接液面積は、
冷却体20Ａの方を冷却体１Ａの 1.5倍とした。 (3) 冷却体20Ａの貫流路断面形状は、従来の冷却体１Ａ
の貫流路幅の最大で約２倍の広がり部を図２（ａ）に示
すように複数箇所に設けた。

【００２４】図３において、縦軸は、冷却体１Ａの熱抵
抗Ｒ_fin ′および冷却体20Ａの熱抵抗Ｒ_fin ″を定数Ｒ
_o で割った値、すなわち（Ｒ_fin ′／Ｒ_o ，Ｒ_fin ″／
Ｒ_o）である。ここで、Ｒ_o は、図11に示す主体部９Ａ
の低流量時における熱抵抗値である。熱抵抗は、小さい
程冷却液の温度と接触面での温度差が小さく冷却効率が
高いことを示すので、（Ｒ_fin ′／Ｒ_o ，Ｒ_fin ″／Ｒ
_o ）の値も小さい程冷却効率が高いことを示す。

【００２５】また、横軸は、冷却体１Ａの冷却液の流量
Ｑ′および冷却体20Ａの流量Ｑ″を定数Ｑ₁ で割った
値、すなわち（Ｑ′／Ｑ₁ ，Ｑ″／Ｑ₁ ）である。ここ
で、Ｑ₁ は冷却体１Ａの定格流量である。

【００２６】以上から明らかなように、冷却体20Ａは、
同じ冷却液流量で従来の冷却体１Ａのほぼ半分の熱抵抗
となっており、冷却能力が向上していることが分る。な
お、上述した実施例（以下、第１実施例という）は、貫
流路22に設ける断面形状の変化部を、断面形状で円弧と
した凹部22ａで形成したが、本発明はこれに限定される
ものではない。

【００２７】図４は、本発明の他の実施例（以下、第２
実施例という）である冷却体20Ｂの主体部21Ｂ（ただ
し、その一部）を示し、（ａ）は部分水平断面図、
（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はそのＣ−Ｃ断面図
である。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように主体
部21Ｂには、対向する面を鋸刃状とし突起部23ａを有す
る貫流路23を設けている。この突起部23ａにより貫流路
23に断面形状の変化部を形成している。

【００２８】図５は、本発明のさらに異なる他の実施例
（以下、第３実施例という）である冷却体20Ｃの主体部
21Ｃ（ただし、その一部）を示し、（ａ）は部分水平断
面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ断面図、（ｃ）はそのＥ−Ｅ
断面図である。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
に主体部21Ｃには、突出部24ａ，24ｂを有する貫流路24
を設けている。この突出部24ａは水平断面において２個
の突出部を並列させている。また、突出部24ｂは、突出
部24ａ，24ａの中間で、かつ並列された２個の突出部の
中間に配置されるように設けられている。これら突出部
24ａ，24ｂにより貫流路24に断面形状の変化部を形成し
ている。

【００２９】図６は、本発明のさらに異なる他の実施例
（以下、第４実施例という）である冷却体20Ｄの主体部
21Ｄ（ただし、その一部）を示し、（ａ）は部分水平断
面図、（ｂ）はそのＦ−Ｆ断面図、（ｃ）はそのＧ−Ｇ
断面図である。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すよう
に主体部21Ｄには、対向する面を波状とし、この中間に
円柱状の障害部25ａを有する貫流路25を設けている。波
状の面と障害部25ａにより貫流路25に断面形状の変化部
を形成している。

【００３０】以上のように構成されている各実施例は、
貫流路に冷却液の流れを乱すような断面形状の変化部や
突起もしくは障害部を設けたことによる乱流効果と、こ
のような断面としたことによる冷却液と冷却体との接液
面積増加効果と相乗効果により、冷却体の冷却効果を向
上させることができる。

【００３１】図７は、本発明のさらに異なる他の実施例
（以下、第５実施例という）である冷却体20Ｅの主体部
21Ｅを示し、（ａ）は水平断面図、（ｂ）はそのＨ−Ｈ
断面図、（ｃ）はそのＪ−Ｊ断面図である。同図
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように主体部21Ｅは、両
面を平型半導体素子との接触面21ａとし、内部の離れた
位置に平行した集合流路26，26を設け、この集合流路2
6，26を直交する方向で平行した複数の貫流路27で接続
している。この貫流路27は、中間の複数箇所で対向する
面に断面形状で円弧とした凹部27ａを設け、断面形状を
変化させている。

【００３２】以上のように構成された第５実施例は、貫
流路27の断面形状の変化により、冷却液の流れが乱され
強制対流による熱伝達率が大きくなり、また、冷却液と
冷却体との接液面積が広がり伝熱量が増加するので、冷
却能力が向上すると共に、冷却液の圧力が低くてもよい
という利点がある。換言すれば、大量の冷却液を冷却体
に流通させることができるので、半導体素子を冷却する
ことによる冷却媒体の温度上昇が小さくなる。なお、貫
流路27を、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）〜図６（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示すような断面形状としてもよいこと
は、説明するまでもない。

【００３３】図８は、本発明のさらに異なる他の実施例
（以下、第６実施例という）である冷却体20Ｆの主体部
21Ｆを示し、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は、同図
（ａ）の点Ｋ₁ から点Ｋ₂ までの貫流路に沿った部分断
面図、同図（ｃ）は、Ｌ−Ｌ断面図である。同図
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように主体部21Ｆは、両
面を平型半導体素子との接触面21ａとし、内部には、半
円部と直線部とから構成され、かつ一線状に接続された
貫流路28を設けている。この貫流路28は、対向面に断面
形状で円弧とした凹部28ａを形成している。なお、貫流
路28の両端の開口部には、絶縁パイプまたは絶縁主パイ
プを接続するための口出部（図１に符号10で示す）が設
けられ、一方の口出部から流入した冷却液が同図（ａ）
に矢印で示すように往路15から復路16へと流れ、他方の
口出部から流出する。

【００３４】以上のように構成された第６実施例では、
貫流路28の断面形状の変化により、冷却液の流れが乱さ
れ強制対流による熱伝達率が大きくなり、また、冷却液
と冷却体との接液面積が広がり伝熱量が増加するので冷
却能力が向上し、冷却液の往路部分29と復路部分30が交
互に配列されているので、冷却液としての流れは対向流
となり熱交換率が高く、さらに冷却体の温度が平均化さ
れて半導体素子に対し理想的な冷却となる利点がある。
なお、貫流路28を、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）〜図６
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような断面形状としても
よいことは、説明するまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように第１の発明によれ
ば、冷却液の流路に断面形状が変化する部分を設けてい
るので、冷却液の流れを乱し強制対流による熱伝達率を
大きくさせ、また、冷却液との接液面積を増加させて伝
熱量を増大させ、冷却能力を向上した電力用半導体素子
の冷却体を提供することができる。

【００３６】また第２の発明によれば、冷却流路に断面
形状が変化する部分を設けているので、上記第１の発明
と同様の効果が得られ、さらに、液冷流路を第１の集合
流路と第２の集合流路に並列して設けているので、冷却
液の供給圧力が低くてもよく、かつ大量の冷却液を流通
可能とした電力用半導体素子の冷却体を提供することが
できる。

【００３７】さらに、第３の発明によれば、給水往路と
排水復路に断面形状が変化する部分を設けることによ
り、上記第１の発明と同様の効果が得られ、また、給水
往路と排水復路を隣接して配列していることにより、冷
却液として流れが対向流となり熱交換率高く、冷却体の
温度上昇を平均化して電力用半導体素子にとって最も望
ましい冷却を可能とした電力用半導体素子の冷却体を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の一実施例の要部を示し、（ａ）は水平
断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明の一実施例と従来の冷却能力を示す特性
図。

【図４】本発明の他の実施例（第２実施例）の要部を示
し、（ａ）は部分水平断面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面
図、（ｃ）はそのＣ−Ｃ断面図。

【図５】本発明のさらに異なる他の実施例（第３実施
例）の要部を示し、（ａ）は部分水平断面図、（ｂ）は
そのＤ−Ｄ断面図、（ｃ）はそのＥ−Ｅ断面図。

【図６】本発明のさらに異なる他の実施例（第４実施
例）の要部を示し、（ａ）は部分水平断面図、（ｂ）は
そのＦ−Ｆ断面図、（ｃ）はそのＧ−Ｇ断面図。

【図７】本発明のさらに異なる他の実施例（第５実施
例）の要部を示し、（ａ）は水平断面図、（ｂ）はその
Ｈ−Ｈ断面図、（ｃ）はそのＪ−Ｊ断面図。

【図８】本発明のさらに異なる他の実施例（第６実施
例）の要部を示し、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は部分
断面図、（ｃ）はＬ−Ｌ断面図。

【図９】電力用半導体素子，冷却体およびスタックの構
成図。

【図１０】従来の冷却体を示す斜視図。

【図１１】従来の冷却体の要部を示し、（ａ）は水平断
面図、（ｂ）はそのＭ−Ｍ断面図。

【図１２】従来の他の冷却体の要部を示し、（ａ）は水
平断面図、（ｂ）はそのＮ−Ｎ断面図、（ｃ）はそのＰ
−Ｐ断面図。

【図１３】従来のさらに異なる冷却体の要部を示し、
（ａ）は水平断面図、（ｂ）はその部分断面図、（ｃ）
はそのＳ−Ｓ断面図。

【図１４】図13に示す冷却体の流路を示す説明図。

【符号の説明】

２…平型半導体素子、４…絶縁パイプ、６…絶縁主パイ
プ、10…口出部、20Ａ，20Ｂ，20Ｃ，20Ｄ，20Ｅ，20Ｆ
…冷却体、21Ａ，21Ｂ，21Ｃ，21Ｄ，21Ｅ，21Ｆ…主体
部、22，23，24，25，27，28…貫流路、22ａ，27ａ，28
ａ…凹部、23ａ…突起部、24ａ，24ｂ…突出部、25ａ…
障害部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に冷却液を流通させる流路を設けた
電力用半導体素子の冷却体において、前記流路に断面形
状が変化する部分を設けたことを特徴とする電力用半導
体素子の冷却体。
【請求項２】内部に冷却液を流通させる流路を設けた
電力用半導体素子において、前記冷却液を供給する第１
の集合流路と排水する第２の集合流路を備え、前記第１
の集合流路と前記第２の集合流路を並列して連通する液
冷流路を設け、この液冷流路に断面形状が変化する部分
を設けたことを特徴とする電力用半導体素子の冷却体。
【請求項３】内部に冷却液を流通させる流路を設けた
電力用半導体素子の冷却体において、前記冷却液を供給
する少なくとも一本の給水往路と排水復路とが隣接して
配列され、前記給水往路と前記排水復路に断面形状が変
化する部分を設けたことを特徴とする電力用半導体素子
の冷却体。