JPH0878587A - 電力用半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体素子ユニットの外形を増やすことなく、
冷却効果を上げて、半導体素子ユニットが組み込まれた
半導体電力変換装置の定格の低下を防ぐ。 【構成】各冷却ブロック３の後面に接続された絶縁がい
し７に対し、上中下と３箇所のパイプ挿入穴を形成す
る。このうち、中間のパイプ挿入穴には、従来と同様に
湾曲されていないパイプ４Ｂの前端を挿入するが、絶縁
がいし７の上下に形成された挿入穴には、前端が略Ｚ字
状に折曲されたパイプ４Ａ，４Ｃを挿入して、放熱フィ
ン５Ａが挿入されているパイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの中間
から後端の部分は、放熱ブロック３の後方から見てパイ
プ４Ｃが右上方、パイプ４Ｂが中央、パイプ４Ａが左下
方となるように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータなどに組み
込まれる電力用半導体冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来のインバータに組み込まれ
る電力用半導体冷却装置の１アーム分を示す接続図、図
８は、図７に示すように接続され組み立てられた従来の
電力用半導体冷却装置の一例を示す平面図である。

【０００３】このうち、図７において、陽極側がＰ側端
子導体６Ｂに接続されたゲートターンオフサイリスタ
（以下、ＧＴＯと表わす）素子１には、ダイオード（以
下、Ｄｄと表わす）素子２が逆並列に接続されて上アー
ムを構成している。

【０００４】同様に、陰極側がＰ側端子導体６Ａに接続
されたＧＴＯ素子１にも、Ｄｄ素子２が逆並列に接続さ
れている。上アームのＧＴＯ素子１の陰極側と下アーム
のＧＴＯ素子１の陽極側には、導体６を介して出力側端
子導体６Ｃが接続されている。

【０００５】これらの上下アームが三組で、三相のブリ
ッジ回路が構成され、出力側端子導体６Ｃには、図示し
ない三相誘導電動機などの負荷が接続されている。

【０００６】次に、図８とこの図８のＤ−Ｄ断面を示す
図９において、所定の間隔に横に配置された３個の冷却
ブロック３の下面の間には、破線で示す帯板状の導体６
がそれぞれ接続されている。また、中間に位置する冷却
ブロック３の前端には、出力側端子導体６Ｃが固定され
ている。

【０００７】中間に位置する冷却ブロック３と左右の冷
却ブロック３の間には、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２が互
いに重ねられた状態で挿入されている。このうち、中間
に位置する冷却ブロック３と左側の冷却ブロック３の間
に挿入されたＧＴＯ素子１とＤｄ素子２の間には、Ｎ側
端子導体６Ａの上部が挿入され、中間に位置する冷却ブ
ロック３と右側の冷却ブロック３の間に挿入されたＧＴ
Ｏ素子１とＤｄ素子２の間には、Ｐ側端子導体６Ｂが挿
入されている。

【０００８】各冷却ブロック３には、後面から前面方向
に３本のパイプ３ａが上中下段に挿入されている。これ
らのパイプ３ａには、冷媒としての純水が注入されてい
る。各冷却ブロック３の後面から突き出た３本のパイプ
３ａの後端には、絶縁がいし７が挿入され、各がいし７
の後面には、３本のパイプ４Ｇの前端が挿入され、各が
いし７に形成された貫通穴を介して各パイプ３ａに接続
されている。３本のパイプ４Ｇの中間から後端には、図
９で示す長方形の放熱フィン５Ｃが挿入され接合されて
いる。

【０００９】このように構成された電力用半導体冷却装
置においては、図８において紙面直交方向の下側に設け
られた図示しない冷却用ファンによって上昇する冷却空
気によって、各放熱フィン５Ｃとパイプ４Ｇは冷却され
る。

【００１０】一方、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２への通電
で発生した熱は、冷却ブロック３を介して各冷却ブロッ
ク３に挿入された各パイプ３ａを経て、この各パイプ３
ａに注入された純水に伝達される。

【００１１】この熱で気化した純水の蒸気は、各パイプ
３ａからこの各パイプ３ａに絶縁がいし７を介して接続
された各パイプ４Ｇに流入する。すると、この蒸気の流
入によって加熱された各パイプ４Ｇの熱は、各パイプ４
Ｇの外周を経て、この各パイプ４Ｇが貫通した放熱フィ
ン５Ｃに伝達され、この放熱フィン５Ｃは、前述した冷
却ファンによって上昇し、放熱フィン５Ｃを経て上方に
排出される冷却空気によって冷却される。

【００１２】この結果冷却された各パイプ４Ｇの内部の
蒸気は、各パイプ４Ｇの内周に触れて冷却され、凝縮し
て液化する。この液化した純水は、各パイプ４Ｇの内部
を流下して、各絶縁がいし７を経て各パイプ３ａに環流
する。

【００１３】以下、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２への通電
による熱で、この環流した純水は前述したように気化し
て各パイプ４Ｇの内部に流入し、凝縮，液化の相変化と
流下，上昇，環流のサイクルを繰り返す。

【００１４】この純水の相変化によって冷却された各ブ
ロック３によって、この各ブロック３の間に挟持された
各ＧＴＯ素子１と各Ｄｄ素子２は、各冷却ブロック３に
よって冷却される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成された電力用半導体冷却装置においては、図９にお
いて、矢印Ｆで示すように、放熱フィン５Ｃの下方から
この放熱フィン５Ｃの間を上方に貫流する冷却空気で直
接冷却される下端のパイプ４Ｇは、このパイプ４Ｇに隣
接した放熱フィン５Ｃの下部で冷却されるので、効果的
に冷却される。

【００１６】しかし、中央部に位置するパイプ４Ｇは、
このパイプ４Ｇの下側のパイプ４Ｇや放熱フィン５Ｃで
加熱された冷却空気によって冷却されるので、下端に位
置するパイプ４Ｇと比べると冷却効果が低下する。さら
に、上端に位置するパイプ４Ｇは、このパイプ４Ｇの下
側となる中央部のパイプ４Ｇと下端のパイプ４Ｇによっ
て加熱された冷却空気で冷却されるので、冷却効果は更
に低下する。

【００１７】したがって、上中下に位置するパイプ４Ｇ
全体としての冷却効果が低下するので、冷却ブロック３
の冷却効果も低下し、これらの冷却ブロック３によって
冷却される各ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２の冷却が不十分
となって、これらのＧＴＯ素子１とＤｄ素子２の特性が
低下するおそれがある。すると、電力用半導体素子ユニ
ットを定格で使用できなくなるおそれがある。

【００１８】そのため、もし、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子
２を一段上の定格の素子に変える方法も考えられるが、
すると、電力用半導体素子ユニットの外形の増加によっ
て、半導体電力変換装置の外形も大きくなるので、例え
ば、先端車両の狭い収納スペースに搭載されるインバー
タなどには採用できない。

【００１９】そこで、本発明の目的は、電力用半導体素
子ユニットの外形を増やすことなく、冷却効果を上げ
て、半導体電力変換装置の定格の低下を防ぐことのでき
る電力用半導体冷却装置を得ることである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明の
電力用半導体冷却装置は、電力用半導体素子が取り付け
られた冷却ブロックの側面と直交する他の側面に複数本
のヒートパイプの基端が取り付けられ、ヒートパイプの
後部に放熱板が挿入された電力用半導体冷却装置におい
て、ヒートパイプの基端をＺ字状に形成し、ヒートパイ
プの後半を放熱板を冷却する流体の流れの方向に対して
斜めに配置したことを特徴とする。

【００２１】また、請求項２に記載の発明の電力用半導
体冷却装置は、ヒートパイプの後半の断面形状を放熱板
を冷却する流体の流れの方向に長い長円形としたことを
特徴とする。

【００２２】

【作用】請求項１に記載の発明においては、各ヒートパ
イプの後部とこのヒートパイプの熱を吸収する放熱板
は、隣接したヒートパイプ及びこのヒートパイプの熱を
吸収する放熱板の熱の影響を受けることなく、冷却流体
によってそれぞれ直接冷却される。

【００２３】また、請求項２に記載の発明においては、
各ヒートパイプの後部とこのヒートパイプの熱を吸収す
る放熱板は、隣接したヒートパイプ及びこのヒートパイ
プの熱を吸収する放熱板の熱の影響を受けることなく、
冷却流体によってそれぞれ直接冷却されるとともに、長
円形となるヒートパイプによって冷却流体の圧力損失は
低減し、ヒートパイプと冷却流体の接触面積は増加す
る。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の電力用半導体冷却装置の一実
施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の電力
用半導体冷却装置を示す平面図で、従来の技術で示した
図８に対応する図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図で、同
じく図９に対応する図である。なお、電力用半導体素子
の接続は、図７で示した接続図と同一である。

【００２５】図１及び図２において、従来の技術で示し
た図８及び図９と異なるところは、気化した冷媒が流入
するパイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち、上下のパイプ４
Ａ，４Ｃの配置と形状である。したがって、他は図８及
び図９と同一であり、この同一部分には、同一符号を付
して説明を省略する。

【００２６】図１及び図２において、絶縁がいし７の後
面に前端が挿入されたパイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうち、
上端に位置するパイプ４Ａは、前端が略Ｚ字状に折り曲
げられて、中間から後端までは、図１において左側に位
置し、図２においては左側の前方に位置している。

【００２７】同様に、下端の絶縁がいし７の後面に前端
が挿入されたパイプ４Ｃも、パイプ４Ａと同一品のパイ
プ４Ｃが使用され、中間から後端までは、図１において
右側下部に位置し、図２においては右側の後方に位置し
ている。

【００２８】したがって、これらのパイプ４Ａ，４Ｂ，
４Ｃに後方から挿入された放熱フィン５Ａには、図２に
示すように右上から左下にかけて斜めに図２においては
約30度に傾斜した位置に、これらのパイプ４Ａ，４Ｂ，
４Ｃが貫通する穴があらかじめ形成されている。

【００２９】このように構成された電力用半導体冷却装
置においては、図２の矢印Ｆで示すように、冷却空気で
各放熱フィン５Ａを介して各パイプ４Ａ，４Ｂ、４Ｃが
冷却されるときには、パイプ４Ａは、図２においてこの
パイプ４Ａに近接した放熱フィン５Ａの左側の部分で冷
却される。また、中間部のパイプ４Ｂは、この中間部の
パイプ４Ｂが貫通した放熱フィン５Ａの中間部で冷却さ
れ、さらに、右側のパイプ４Ｃは、このパイプ４Ｃが貫
通した放熱フィン５Ａの右側の部分で冷却される。

【００３０】これらの放熱フィン５Ａの左側及び中間部
と右側は、図２において矢印Ｆで示す冷却空気に対して
ほぼ三等分されるので、各パイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの冷
却条件をほぼ均等にすることができる。したがって、各
パイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃの中間部から後部に流入した気
相の冷媒は、同一条件で凝縮し、液化されるので、左右
と中間部のヒートパイプは均等に冷却される。

【００３１】したがって、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２の
冷却効果を上げることができるので、この電力用半導体
ユニットが組み込まれた半導体電力変換装置の定格の低
下を防ぐことができる。

【００３２】次に、図３は、本発明の電力用半導体冷却
装置の他の実施例を示す平面図で、図１に対応し、図４
は図３のＢ−Ｂ断面図で同じく図２に対応する図であ
る。

【００３３】図３及び図４において、図１及び図２と異
なるところは、冷却ブロック３Ａ及びこの冷却ブロック
３Ａに取り付けられるＧＴＯ素子１、Ｄｄ素子２の配置
である。したがって、パイプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃと冷却フ
ィン５Ａは、図１とほぼ同一である。

【００３４】図３，図４において、図１，図２で示した
冷却ブロック３と比べて前後方向が長い冷却ブロック３
Ａの左右の側面には、ＧＴＯ素子１とＤｄ素子２が対称
的に取り付けられている。このうち、左側のＧＴＯ素子
１とＤｄ素子２は、陰極側を冷却ブロック側して、右側
のＧＴＯ素子とＤｄ素子２は、陽極側を冷却ブロック側
にして取り付けられている。

【００３５】これらのＧＴＯ素子１とＤｄ素子２の外面
側には、Ｐ側端子接続導体６Ａが左側に取り付けられ、
このＰ側端子接続導体６Ａと同一品のＮ側端子接続導体
６Ｂが右側に添設されている。このうち、左側のＧＴＯ
素子１とＤｄ素子２で、図７で示した上アームを構成
し、右側のＧＴＯ素子１とＤｄ素子２で同じく下アーム
を構成している。

【００３６】このように構成された電力用半導体冷却装
置においては、図１で示した左右の冷却ブロック３の外
面側に素子が取り付けられていないために、中間の冷却
ブロック３と比べて加熱源がなく、左右の冷却ブロック
３に挿入されたパイプ３ａの冷却条件に対して、中央の
冷却ブロック３に挿入されたパイプ３ａの冷却条件が低
下しているのに対し、図３で示す冷却ブロック３Ａに挿
入されたパイプ３ｂには、図１で示すパイプ３ａのよう
な冷却条件の差がないので、左右のＧＴＯ素子１とＤｄ
素子２も冷却条件の差がない。

【００３７】さらに、冷却ブロック３Ａが一個となるの
で、電力用半導体冷却装置の外形を小形化することがで
き利点もある。また、パイプ４Ａ，４Ｂ、４Ｃは、本数
を図１，図２と比べて三分の一に減らすことができるの
で、組立が容易となる。

【００３８】次に、図５は、本発明の電力用半導体冷却
装置の異なる他の実施例を示す平面図で、図１及び図３
に対応し、図６は、図５のＣ−Ｃ断面図で、同じく図
２，図４に対応する図である。

【００３９】図５及び図６において、図１及び図２と異
なるところは、パイプ４Ｄ，４Ｅ，４Ｆの断面形状で、
他は、図１及び図２と同一である。

【００４０】すなわち、パイプ４Ｄ，４Ｅ，４Ｆは、断
面形状が長円形となっていて、図５において紙面直交方
向の幅が広く、紙面と平行な方向の幅が狭くなってい
る。

【００４１】この場合には、図１及び図２と同様に、図
１の紙面の下方から上方に対して、図６で示す矢印Ｆに
示すように上昇する冷却空気に対して、冷却流路の抵抗
が減少して、冷却空気の流速を上げることができるだけ
でなく、冷却空気の流れる方向の接触面積が広くなるの
で、パイプ４Ｄ，４Ｅ，４Ｆの冷却効果を上げることが
できる利点がある。また、パイプ４Ｄ，４Ｅ，４Ｆは、
重力方向の断面係数が増えるので、放熱部全体としての
強度を上げることができる利点もある。

【００４２】この場合には、絶縁がいし７に対し、前面
側に円形の挿入穴を形成し、後面側には上下方向に長い
長円形を形成して、パイプ４Ｄ，４Ｅ，４Ｆへの挿着・
固定に対応することができる。

【００４３】なお、上記実施例においては、冷却ブロッ
クの後方に絶縁がいしを介して突設される３本のパイプ
は、冷却ブロックの前方又は後方から見て、斜めに配置
した例で説明したが、図２，図４，図６において、絶縁
がいし７から水平に横に突き出した部分を約45度傾斜さ
せて、中央部分から後端までの配置を水平にしてもよ
い。

【００４４】この場合には、各パイプに接触する冷却空
気の温度条件を更に均等にすることができる。

【００４５】

【発明の効果】以上、請求項１に記載の発明によれば、
電力用半導体素子が取り付けられた冷却ブロックの側面
と直交する他の側面に複数本のヒートパイプの基端が取
り付けられ、ヒートパイプの後部に放熱板が挿入された
電力用半導体冷却装置において、ヒートパイプの基端を
Ｚ字状に形成し、ヒートパイプの後半を放熱板を冷却す
る流体の流れの方向に対して斜めに配置することで、各
ヒートパイプの後部とこのヒートパイプの熱を吸収する
放熱板が隣接したヒートパイプ及びこのヒートパイプの
熱を吸収する放熱板の影響を受けることなく、冷却流体
によってそれぞれ直接冷却されるので、ユニットの外形
を増やすことなく、半導体電力変換装置の定格の低下を
防ぐことのできる電力用半導体冷却装置を得ることがで
きる。

【００４６】また、請求項２に記載の発明によれば、電
力用半導体素子が取り付けられた冷却ブロックの側面と
直交する他の側面に複数本のヒートパイプの基端が取り
付けられ、ヒートパイプの後部に放熱板が挿入された電
力用半導体冷却装置において、ヒートパイプの基端をＺ
字状に形成し、ヒートパイプの後半を放熱板を冷却する
冷却流体の流れの方向に対し斜めに配置するとともに、
ヒートパイプの後半の断面形状を放熱板を冷却する冷却
流体の流れの方向に長い長円形とすることで、各ヒート
パイプの後部とこのヒートパイプの熱を吸収する放熱板
の影響を受けることなく、冷却流体によってそれぞれ直
接冷却され、長円形となるヒートパイプによって冷却風
の圧力損失を減らしヒートパイプと冷却流体との接触面
積を増やしたので、ユニットの外形を増やすことなく、
半導体電力変換装置の定格の低下を防ぐことのできる電
力用半導体冷却装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明の電力用半導体冷却装置
の一実施例を示す平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】請求項１に記載の発明の電力用半導体冷却装置
の他の実施例を示す平面図。

【図４】図３のＢ−Ｂ断面図。

【図５】請求項２に記載の発明の電力用半導体冷却装置
の一実施例を示す平面図。

【図６】図５のＣ−Ｃ断面図。

【図７】従来の電力用半導体冷却装置の接続例を示す
図。

【図８】従来の電力用半導体冷却装置の一例を示す平面
図。

【図９】図８のＤ−Ｄ断面図。

【符号の説明】

１…ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）素子、２…
ダイオード（Ｄｄ）素子、３…冷却ブロック、３ａ，３
ｂ，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ…パイプ、５
Ａ，５Ｂ，５Ｃ…放熱フィン、６…導体、６Ａ…Ｐ側端
子導体、６Ｂ…Ｎ側端子導体、７…絶縁がいし。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福田 和明 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力用半導体素子が取り付けられた冷却
   ブロックの側面と直交する他の側面に複数本のヒートパ
   イプの基端が取り付けられ、前記ヒートパイプの後部に
   放熱板が挿入された電力用半導体冷却装置において、前
   記ヒートパイプの基端をＺ字状に形成し、前記ヒートパ
   イプの後半を前記放熱板を冷却する流体の流れの方向に
   対して斜めに配置したことを特徴とする電力用半導体冷
   却装置。
2. 【請求項２】 ヒートパイプの後半の断面形状を放熱板
   を冷却する流体の流れの方向に長い長円形としたことを
   特徴とする請求項１に記載の電力用半導体冷却装置。