JPH0653376A - 半導体素子冷却ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】冷却空気の流れの方向による半導体素子の冷却
のばらつきを減らす。 【構成】吸熱ブロック２の下部の外面に複数個の半導体
素子８を取り付ける。吸熱ブロック２の内部は中空と
し、下部に冷媒１を注入する。吸熱ブロック２の上部の
側面には、凝縮部４と放熱板６Ａを交互に隣接した放熱
部３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、例えば、ゲートターン
オフサイリスタなどの半導体素子を冷却する半導体素子
冷却ユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のヒートパイプを使った半導体素子
冷却ユニットの正面図を図８（ａ）に、この図８（ａ）
の左側図面を図８（ｂ）に示す。

【０００３】図８（ａ），（ｂ）において、正方形の板
状の吸熱ブロック22の前面には、半導体素子８としての
ゲートターンオフサイリスタが上下（注；図８（ａ）に
おいて左側が上側）２列に取り付けられている。吸熱ブ
ロック22の右側面（注；図８（ａ），（ｂ）において後
方）には、２本の熱輸送管24の基端が挿入されている。

【０００４】この熱輸送管24の基端には、冷媒１として
の蒸留水が注入され、熱輸送管24の吸熱ブロック22から
突き出た部分には、略正方形の板状の複数の放熱板26が
挿着されている。

【０００５】このように構成された半導体素子冷却ユニ
ットにおいては、熱輸送管24の先端がやや上方になるよ
うにして、図示しない半導体電力変換装置に組み込まれ
る。すると、図８（ｂ）の矢印29Ａで示す冷却空気は、
各放熱板26の間を図８（ｂ）の矢印29Ｂに示すように上
方に貫流して、各放熱板26を介して各熱輸送管24を冷却
する。

【０００６】一方、半導体素子８の通電やＯＮ・ＯＦＦ
によって発生した熱は、吸熱ブロック22を介して冷媒１
に吸収され、この熱で沸騰し気化した水蒸気は、矢印29
Ｃ，29Ｄに示すように、熱輸送管24の内部を上昇する。
すると、この水蒸気は、熱輸送管24の内面に触れて冷却
され、凝縮して、この熱輸送管24の内壁を流下し、吸熱
ブロック22に挿入された熱輸送管24の基端に滴下して貯
留される。

【０００７】この熱輸送管24の基端に貯留された冷媒１
は、半導体素子８の熱を吸収した熱輸送管24の基端の熱
で加熱され、沸騰して、以下、上述した気化・上昇・冷
却・凝縮・滴下の相変化と移動を繰り返して、半導体素
子８は冷却される。

【０００８】ところで、このように電力変換装置に組み
込まれる半導体素子８は、ますます大容量・高速化して
いるが、電力変換装置の容量に応じて耐電圧値と通電客
量を上げるために、複数の半導体素子８が直並列に接続
される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された半導体素子冷却ユニットにおいては、次のよ
うな問題がある。すなわち、 (1) 吸熱ブロック22に挿入された熱輸送管24の基部の外
表面と、吸熱ブロック22との間の接触部に介在する熱抵
抗層で、吸熱ブロック22と熱輸送管24との間の熱伝導率
が下がる。 (2) 冷媒１の吸熱部は、熱輸送管24の基部の内周だけで
あるので、面積が限られ、沸騰部分が限られる。 (3) 気化した冷媒１が上昇する通路は、熱輸送管24の断
面に限られるので、狭く、熱輸送量が制限される。

【００１０】(4) 複数本の熱輸送管24のうち、上方と下
方（又は、冷却空気の上流側と下流側）の熱輸送管24で
は、冷却温度に差が生じ（注；上方の熱輸送管24は、下
方に位置する熱輸送管24の影響を受けて加熱される）、
上方の熱輸送管24の熱輸送量が低下する。 (5) 冷却空気の流れの方向が限定されるので、電力変換
装置に組み込まれるとき、熱輸送管24の本数や配置が制
約される。 したがって、従来の半導体素子冷却ユニットにおいて
は、設計値と実施例値に開きが出て、設計や製作をやり
直さなければならなくなるおそれもある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、冷却効果を上
げ、冷却空気の流れの方向による半導体素子の冷却のば
らつきを減らすことのできる半導体素子冷却ユニットを
得ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、相変化する冷
媒が注入された吸熱ブロックの片側の外面に複数の半導
体素子が取り付けられ、吸熱ブロックの内部で気化した
冷媒が冷却され凝縮される放熱部が吸熱ブロックの他側
に設けられた半導体素子冷却ユニットにおいて、吸熱ブ
ロックを角筒状として下部に液化した冷媒を貯留し、吸
熱ブロックの上部の側面に、放熱部を連結したことを特
徴とする。

【００１３】

【作用】吸熱ブロックの下部は、全領域が、液化した冷
媒の貯留部となり、吸熱ブロックの上部は、全領域が、
貯留部と放熱部の間を移動する気相の冷媒と液相の冷媒
の移動部となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の半導体素子冷却ユニットの一
実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の半
導体素子冷却ユニットを示す平面図、図２（ａ）は、図
１の前面図、また図２（ｂ）は、図２（ａ）の右側面図
である。

【００１５】図１及び図２において、長方形の板状で内
部が空洞の吸熱ブロック２の右側面下部には、半導体素
子８が上下３段２列に取り付けられている。この吸熱ブ
ロック８の下部には、冷媒１が注入され、図２（ｂ）の
Ａ−Ａ断面を示す図３（ａ）に示すように、複数枚の間
隔片７が外壁にろう付けされている。

【００１６】吸熱ブロック２の左側面には、複数板の長
方形の板状の凝縮部４の間に、耐食アルミニウム板から
断面波形に形成された放熱板６Ａがろう付けで取り付け
られている。凝縮部４の図１及び図２（ａ）において右
端は、吸熱ブロック２の上部に連通し、上下は耐食アル
ミニウム板で囲まれ、放熱板６Ａの上下端部は外部と連
通し、周りは、冷却空気の通路５となっている。

【００１７】さらに、各凝縮部４の間には、図２（ａ）
で示すように、耐食アルミニウム板で断面波形に形成さ
れた放熱板６Ｂが上中下と３段にろう付けされ、この放
熱板６Ｂには、上下方向に蜂の巣状の図示しない貫通穴
が設けられ、これらの凝縮部４と通路５などで放熱部３
を形成している。

【００１８】このように構成された半導体素子冷却ユニ
ットにおいては、半導体素子８で発生した熱を吸収した
冷媒１は、従来と同様に吸熱ブロック２の内部で沸騰し
て気化するが、半導体素子８から吸熱ブロック２に伝達
された熱は、この吸熱ブロック２の内周と、この吸熱ブ
ロック２の内部に設けられた間隔片７から伝達されるの
で、吸熱ブロック２の内部のほぼ全領域で沸騰し、気化
する。

【００１９】次に、この気化した冷媒は、図２（ａ）の
矢印10Ａに示すように、吸熱ブロック２の上部に上昇
し、この吸熱ブロック２の上部の側面に取り付けられた
凝縮部４の内部に侵入する。すると、この冷媒は、放熱
板６Ａ，６Ｂで冷却された凝縮部４の内壁に触れて凝縮
し、この凝縮部４の内部を流下して、矢印10Ｂに示すよ
うに、吸熱ブロック２の下部に滴下する。この滴下した
冷媒は、半導体素子８で加熱された吸熱ブロック２の内
周と、間隔片７の外表面で再び温められて、沸騰して上
昇する。以下、上記冷却・凝縮・滴下を繰り返して、半
導体素子８は冷却される。

【００２０】したがって、このように構成された半導体
素子冷却ユニットにおいては、従来の複数本の熱輸送管
の冷却空気の流れの方向に対する位置による相互間の熱
の影響を解消することができるので、半導体素子８の取
付位置による冷却効果のばらつきを減らすことができ
る。

【００２１】また、半導体素子８の取付位置による冷却
効果のばらつきを減らすことができるので、図２（ａ）
において、上下或いは左右の半導体素子８の配列段数や
列数を増やすことができ、半導体電力変換装置の内部の
配列の制約が減るので、設計・製作上の制約が減り、外
形も小形化することができる。

【００２２】図３（ｂ）は、本発明の半導体素子冷却ユ
ニットの他の実施例を示す横断面図で、図３（ａ）に対
応する図である。図３（ｂ）においては、吸熱ブロック
２の下部内面には、半導体素子８の取付面の内側に、熱
伝導性と耐食性のすぐれた金属粒20を焼結結合したもの
が接合されている。この場合にも、金属粒20の外周によ
って、冷媒との接触面を増やすことができ、冷媒への熱
の伝達効果を上げ、冷媒の沸騰を促進し、半導体素子８
の冷却効果を上げることができる。

【００２３】次に、図４（ａ），（ｂ）は、図１及び図
２（ａ），（ｂ）で示した半導体素子冷却ユニットの放
熱部３の取付方向を90°変えて、凝縮部４と放熱板６Ａ
を上下方向に交互に設けたものである。この場合には、
図４（ｂ）において、矢印９Ｃに示すように右側から冷
却空気を放熱板６Ａに送り、矢印９Ｄに示すように左側
に貫流させることで、凝縮部４の内部に流入した冷媒を
冷却し凝縮させる。

【００２４】したがって、この場合には、自然冷却のと
きには、図４（ｂ）の右側又は左側を下側とし、図２と
同様に図４（ａ），（ｂ）のように設置したときには、
図４（ｂ）の右側又は左側に吸気ファン（又は送風ファ
ン）を設置することで、図１，図２で示した半導体素子
冷却ユニットと同様に半導体素子８を冷却することがで
きる。また、図５（ａ），（ｂ）は、本発明の半導体素
子冷却ユニットの更に異なる他の実施例を示す図で、図
２及び図４に対応する図である。

【００２５】図５（ａ），（ｂ）において、吸熱ブロッ
ク２の内部には、図５（ｂ）に示すように、半導体素子
18Ａの側と半導体素子18Ｂの側に仕切り12で仕切られ、
半導体素子18Ａの側と、半導体素子18Ｂの側では、沸騰
温度の異なる冷媒11Ａ，11Bが注入されている。また、
仕切り12で仕切られた各室の内部には、図５（ａ）に示
すように仕切り13が設けられている。

【００２６】この場合には、半導体素子18Ａ，18Ｂの熱
を吸収して沸騰し気化した冷媒11Ａ，11Ｂは、図５
（ａ）の矢印10Ｆに示すように、仕切り13の右側を上昇
して放熱部３に流入し、冷却され凝縮した後、矢印10Ｇ
に示すように、仕切り13の左側から吸熱ブロック２の基
部に滴下する。

【００２７】したがって、許容上昇温度の高い半導体素
子の側に、高沸点の冷媒を注入することで、内部の圧力
上昇を抑えるとともに、各定格・特性に応じた冷却を行
うことができる利点がある。

【００２８】図６は、図１，図２で示した半導体素子冷
却ユニットを箱体16に収納し、この箱体16の下部に、半
導体電力変換装置の他の電気部品を収納したユニット14
を収納し、箱体16の天井部には、排気用のファン15を設
けた例を示す。この場合には、図２（ａ）で示した放熱
部３の下方のスペースを活用できるので、半導体電力変
換装置の外形を小形化することができる利点がある。

【００２９】次に、図７は、本発明の半導体素子冷却ユ
ニットの更に異なる他の実施例を示し、吸熱部２と放熱
部３を分離し、複数本の蒸気管17Ａと液管17Ｂで連結し
たときを示す。

【００３０】この場合には、半導体電力変換装置の設計
時において、電気部品の配置の制約を緩和すことができ
るので、半導体電力変換装置の設計や製作及び保守点検
を容易にすることができる利点がある。

【００３１】

【発明の効果】以上、本発明によれば、相変化する冷媒
が注入された吸熱ブロックの片側の外面に複数の半導体
素子が取り付けられ、吸熱ブロックの内部で気化した冷
媒が冷却され凝縮される放熱部が吸熱ブロックの他側に
設けられた半導体素子冷却ユニットにおいて、吸熱ブロ
ックを角筒状として下部に液化した冷媒を貯留し、吸熱
ブロックの上部の側面に、放熱部を連結することで、吸
熱ブロックの下部の全領域を、液化した冷媒の貯留部と
し、吸熱ブロックの上部の全領域を、貯留部と放熱部の
間を移動する気相の冷媒と液相の冷媒の移動部としたの
で、半導体素子の取付位置による冷却のばらつきを減ら
し、冷却効果を上げることのできる半導体素子冷却ユニ
ットを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子冷却ユニットの一実施例を
示す平面図。

【図２】（ａ）は、本発明の半導体素子冷却ユニットの
正面図、（ｂ）は、（ａ）の右側面図。

【図３】（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）
は、本発明の半導体素子冷却ユニットの他の実施例を示
す部分断面図。

【図４】（ａ）は、本発明の半導体素子冷却ユニットの
異なる他の実施例を示す正面図。（ｂ）は、（ａ）の右
側面図。

【図５】（ａ）は、本発明の半導体素子冷却ユニットの
更に異なる他の実施例を示す正面図。（ｂ）は、（ａ）
の右側面図。

【図６】（ａ）は、本発明の半導体素子冷却ユニットの
更に異なる他の実施例を示す正面図。（ｂ）は、（ａ）
の右側面図。

【図７】本発明の半導体素子冷却ユニットの更に異なる
他の実施例を示す平面図。

【図８】（ａ）は、従来の半導体素子冷却ユニットの一
例を示す図。（ｂ）は、（ａ）の右側面図。

【符号の説明】

１…冷媒、２…吸熱ブロック、３…放熱部、４…凝縮
部、５…冷却空気の通路、６Ａ，６Ｂ…放熱板、７…間
隔片、８…半導体素子、９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ…冷却
空気、10Ａ…気相の冷媒、10Ｂ…凝縮した冷媒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相変化する冷媒が注入された吸熱ブロッ
   クの片側の外面に複数の半導体素子が取り付けられ、前
   記吸熱ブロックの内部で気化した前記冷媒が冷却され凝
   縮される放熱部が前記吸熱ブロックの他側に設けられた
   半導体素子冷却ユニットにおいて、前記吸熱ブロックを
   角筒状として下部に液化した前記冷媒を貯留し、前記吸
   熱ブロックの上部の側面に、前記放熱部を連結したこと
   を特徴とする半導体素子冷却ユニット。