JPH0897338A - 電力用半導体機器の冷却装置 - Google Patents
電力用半導体機器の冷却装置Info
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- JPH0897338A JPH0897338A JP22855194A JP22855194A JPH0897338A JP H0897338 A JPH0897338 A JP H0897338A JP 22855194 A JP22855194 A JP 22855194A JP 22855194 A JP22855194 A JP 22855194A JP H0897338 A JPH0897338 A JP H0897338A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】主冷却媒体に安価な絶縁油を用いた簡易な油入
タンクを使用しつつ、しかも半導体素子の発熱を沸騰冷
却方式並に効率よく除熱できるようにした電力用半導体
機器の冷却装置を提供する。 【構成】複数個の平形パワー半導体素子２で構成した半
導体スタック１を絶縁油１０に浸漬して油入タンク１１
に収容するとともに、前記の半導体スタックに対し、半
導体素子を挟んでその両側の電極面にヒートシンクとし
て機能するヒートパイプ式放熱体を圧接して組み込み、
該ヒートパイプ式放熱体に封入した作動液の沸騰，凝縮
サイクルを利用して半導体素子の局部発熱を周囲の絶縁
油中に分散放熱させて除熱するとともに、絶縁油が受熱
した熱は油入タンクのラジエータ１１ａを通じて大気側
に放熱させる。
タンクを使用しつつ、しかも半導体素子の発熱を沸騰冷
却方式並に効率よく除熱できるようにした電力用半導体
機器の冷却装置を提供する。 【構成】複数個の平形パワー半導体素子２で構成した半
導体スタック１を絶縁油１０に浸漬して油入タンク１１
に収容するとともに、前記の半導体スタックに対し、半
導体素子を挟んでその両側の電極面にヒートシンクとし
て機能するヒートパイプ式放熱体を圧接して組み込み、
該ヒートパイプ式放熱体に封入した作動液の沸騰，凝縮
サイクルを利用して半導体素子の局部発熱を周囲の絶縁
油中に分散放熱させて除熱するとともに、絶縁油が受熱
した熱は油入タンクのラジエータ１１ａを通じて大気側
に放熱させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電鉄変電所用の
整流装置，あるいは車両搭載用のチョッパ，インバータ
装置として用いるサイリスタ，ダイオード，ＩＧＢＴな
どの平形パワー半導体素子で構成した電力用半導体機器
の冷却装置に関する。
整流装置，あるいは車両搭載用のチョッパ，インバータ
装置として用いるサイリスタ，ダイオード，ＩＧＢＴな
どの平形パワー半導体素子で構成した電力用半導体機器
の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】頭記した電力用半導体機器の冷却方式と
して、従来より空冷，水冷，油冷，沸騰冷却方式などが
知られている。図３は、前記冷却方式の代表例として沸
騰冷却方式を採用した半導体機器の冷却装置を示すもの
である。図において、１はサイリスタ，ダイオードなど
の平形パワー半導体素子２を複数個積層して構成した半
導体スタック、３は半導体素子１を挟んでその両側の電
極面に圧接した放熱体（金属製の基体に縦方向のトンネ
ル３ａを穿孔したヒートシンク）、４は絶縁体、５はス
タックの端板、６はスタッドボルト、７は加圧ばねであ
る。そして、前記構成の半導体スタック１は、弗化炭素
系の冷媒液８を封入した密閉構造のタンク９に収容し、
かつタンク９の上部には冷媒蒸気の凝縮部として機能す
るラジエータ９ａを備えている。
して、従来より空冷，水冷，油冷，沸騰冷却方式などが
知られている。図３は、前記冷却方式の代表例として沸
騰冷却方式を採用した半導体機器の冷却装置を示すもの
である。図において、１はサイリスタ，ダイオードなど
の平形パワー半導体素子２を複数個積層して構成した半
導体スタック、３は半導体素子１を挟んでその両側の電
極面に圧接した放熱体（金属製の基体に縦方向のトンネ
ル３ａを穿孔したヒートシンク）、４は絶縁体、５はス
タックの端板、６はスタッドボルト、７は加圧ばねであ
る。そして、前記構成の半導体スタック１は、弗化炭素
系の冷媒液８を封入した密閉構造のタンク９に収容し、
かつタンク９の上部には冷媒蒸気の凝縮部として機能す
るラジエータ９ａを備えている。
【０００３】上記の構成で、半導体素子２が通電により
発熱すると、発生熱は放熱体３を介して冷媒液８に熱伝
達される。そして、放熱体３の壁面に接する冷媒液は熱
流束の増加に伴って沸騰し、その気化潜熱により半導体
素子２から熱を奪う。また、沸騰により生じた冷媒蒸気
は気泡となって冷媒液９の中を上昇し、液面より抜け出
た後に圧力の低いラジエータ９ａに移動し、ここで大気
との熱交換により凝縮，液化し、さらに重力によりタン
ク９内に還流するように蒸発，凝縮サイクルを繰り返
す。
発熱すると、発生熱は放熱体３を介して冷媒液８に熱伝
達される。そして、放熱体３の壁面に接する冷媒液は熱
流束の増加に伴って沸騰し、その気化潜熱により半導体
素子２から熱を奪う。また、沸騰により生じた冷媒蒸気
は気泡となって冷媒液９の中を上昇し、液面より抜け出
た後に圧力の低いラジエータ９ａに移動し、ここで大気
との熱交換により凝縮，液化し、さらに重力によりタン
ク９内に還流するように蒸発，凝縮サイクルを繰り返
す。
【０００４】かかる沸騰冷却方式は、風冷方式によるフ
ァン騒音，水冷方式による電気絶縁性の問題もなく、ま
た絶縁油に比べて高い伝熱性能が得られるなどの利点が
あり、最近では多く採用されている。
ァン騒音，水冷方式による電気絶縁性の問題もなく、ま
た絶縁油に比べて高い伝熱性能が得られるなどの利点が
あり、最近では多く採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した沸
騰冷却方式の冷却装置は、空冷，水冷，油冷方式に比べ
て高い冷却性能が得られる反面、化学的な冷媒を用いる
ために、半導体機器を収容するタンクとして気密構造の
圧力容器に準じた容器が必要で、かつ非凝縮性の空気混
入を防ぐためにタンク内の脱気処理を要するなど、その
取扱い，保守管理が厄介である。
騰冷却方式の冷却装置は、空冷，水冷，油冷方式に比べ
て高い冷却性能が得られる反面、化学的な冷媒を用いる
ために、半導体機器を収容するタンクとして気密構造の
圧力容器に準じた容器が必要で、かつ非凝縮性の空気混
入を防ぐためにタンク内の脱気処理を要するなど、その
取扱い，保守管理が厄介である。
【０００６】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記課題を解決し、主冷却媒体に安
価な絶縁油を用いた簡易な油入タンクを使用しつつ、し
かも半導体素子の発熱を沸騰冷却方式並に効率よく除熱
できるようにした電力用半導体機器の冷却装置を提供す
ることにある。
であり、その目的は前記課題を解決し、主冷却媒体に安
価な絶縁油を用いた簡易な油入タンクを使用しつつ、し
かも半導体素子の発熱を沸騰冷却方式並に効率よく除熱
できるようにした電力用半導体機器の冷却装置を提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の冷却装置は、複数個の平形パワー半導体素
子で構成した半導体スタックを絶縁油に浸漬して油入タ
ンクに収容するとともに、半導体素子を挟んでその両側
の電極面にヒートシンクとして機能するヒートパイプ式
放熱体を介装して構成するものとする。
に、本発明の冷却装置は、複数個の平形パワー半導体素
子で構成した半導体スタックを絶縁油に浸漬して油入タ
ンクに収容するとともに、半導体素子を挟んでその両側
の電極面にヒートシンクとして機能するヒートパイプ式
放熱体を介装して構成するものとする。
【０００８】そして、前記のヒートパイプ式放熱体は、
作動液を収容して半導体素子の端面に接触する蒸発部
と、蒸発部の上部に連ねて絶縁油中に浸漬させた放熱フ
ィン付き凝縮部とから構成するものとし、また、前記蒸
発部の内壁面には沸騰伝熱を促進する凹凸面を形成する
のがよい。
作動液を収容して半導体素子の端面に接触する蒸発部
と、蒸発部の上部に連ねて絶縁油中に浸漬させた放熱フ
ィン付き凝縮部とから構成するものとし、また、前記蒸
発部の内壁面には沸騰伝熱を促進する凹凸面を形成する
のがよい。
【０００９】
【作用】上記の構成で、半導体素子の通電により発生し
た熱は、半導体素子の電極面に圧接したヒートパイプ式
放熱体の蒸発部を介してヒートパイプ作動液に伝熱され
るとともに、作動液は沸騰により蒸気となって低温側の
凝縮部に移動し、放熱フィンから周囲の絶縁油中に放熱
して凝縮，液化した後、重力により蒸発部に還流する。
つまり、パワー半導体素子に発生した局部発熱は、ヒー
トパイプ式放熱体に封入した作動液の沸騰，凝縮サイク
ルにより逸早く半導体素子から除熱されて、半導体スタ
ックを浸漬した絶縁油中に分散放熱される。また、放熱
体からの受熱で昇温した絶縁油は油入タンク内で自然対
流，あるいはポンプにより強制対流し、タンクに付設し
たラジエータを通じて大気中に放熱して冷却される。
た熱は、半導体素子の電極面に圧接したヒートパイプ式
放熱体の蒸発部を介してヒートパイプ作動液に伝熱され
るとともに、作動液は沸騰により蒸気となって低温側の
凝縮部に移動し、放熱フィンから周囲の絶縁油中に放熱
して凝縮，液化した後、重力により蒸発部に還流する。
つまり、パワー半導体素子に発生した局部発熱は、ヒー
トパイプ式放熱体に封入した作動液の沸騰，凝縮サイク
ルにより逸早く半導体素子から除熱されて、半導体スタ
ックを浸漬した絶縁油中に分散放熱される。また、放熱
体からの受熱で昇温した絶縁油は油入タンク内で自然対
流，あるいはポンプにより強制対流し、タンクに付設し
たラジエータを通じて大気中に放熱して冷却される。
【００１０】これにより、主冷却媒体に変圧器油などに
採用されているものと同様な絶縁油を採用しつつ、パワ
ー半導体素子の発生熱を効果的に除熱できる。しかも、
油入タンク自身は沸騰冷却方式のタンクのように密閉構
造の圧力容器とする必要がなく、かつ脱気処理も不要で
その取扱い，保全管理が簡易となる。
採用されているものと同様な絶縁油を採用しつつ、パワ
ー半導体素子の発生熱を効果的に除熱できる。しかも、
油入タンク自身は沸騰冷却方式のタンクのように密閉構
造の圧力容器とする必要がなく、かつ脱気処理も不要で
その取扱い，保全管理が簡易となる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図１，図２に基づい
て説明する。なお、実施例の図中で図３に対応する同一
部品には同じ符号が付してある。すなわち、図１の構成
においては、複数個の半導体素子２で構成した半導体ス
タック１が絶縁油１０を満たした油入タンク（非圧力容
器）１１の底部に収容されている。なお、１１ａは油入
タンク１１のラジエータ、１２は油入タンク１１の呼吸
口に接続した除湿器である。
て説明する。なお、実施例の図中で図３に対応する同一
部品には同じ符号が付してある。すなわち、図１の構成
においては、複数個の半導体素子２で構成した半導体ス
タック１が絶縁油１０を満たした油入タンク（非圧力容
器）１１の底部に収容されている。なお、１１ａは油入
タンク１１のラジエータ、１２は油入タンク１１の呼吸
口に接続した除湿器である。
【００１２】また、半導体スタック１には、半導体素子
２を挟んでその両側の電極面に圧接するように、ヒート
シンクとして機能するヒートパイプ式放熱体１３が半導
体素子２と交互に配列して介装されている。ここで、ヒ
ートパイプ式放熱体１３は、図２で示すように中空構造
になる平板状の蒸発部１３ａと、連通管１３ｂを介して
蒸発部１３ａの上部側に接続した凝縮部１３ｃからな
り、かつ蒸発部１３ａには複数箇所に穿孔した縦穴に作
動液（沸点が例えば５６℃程度の弗化炭素系冷媒）１３
ｄを封入し、凝縮部１３ｃの外周には放熱フィン１３ｅ
を備えてた構造であり、前記の蒸発部１３ａが加圧ばね
７を介して半導体素子２の電極面と圧接するように半導
体スタック１に組み込まれている。
２を挟んでその両側の電極面に圧接するように、ヒート
シンクとして機能するヒートパイプ式放熱体１３が半導
体素子２と交互に配列して介装されている。ここで、ヒ
ートパイプ式放熱体１３は、図２で示すように中空構造
になる平板状の蒸発部１３ａと、連通管１３ｂを介して
蒸発部１３ａの上部側に接続した凝縮部１３ｃからな
り、かつ蒸発部１３ａには複数箇所に穿孔した縦穴に作
動液（沸点が例えば５６℃程度の弗化炭素系冷媒）１３
ｄを封入し、凝縮部１３ｃの外周には放熱フィン１３ｅ
を備えてた構造であり、前記の蒸発部１３ａが加圧ばね
７を介して半導体素子２の電極面と圧接するように半導
体スタック１に組み込まれている。
【００１３】かかる構成で、通電により半導体素子２が
発熱すると、発熱がヒートパイプ式放熱体１３の蒸発部
１３ａに伝熱して作動液３ｄを沸騰させるとともに、沸
騰により生じた蒸気は気泡となって作動液中を上昇して
その液面から凝縮部１３ｃに移動し、ここで周囲の絶縁
油１０に放熱して凝縮，液化した後に、重力により蒸発
部１３ａに還流して再び蒸発するように沸騰，凝縮サイ
クルを繰り返す。これにより半導体素子２に生じた局部
発熱はヒートパイプ式放熱体１３を介してその凝縮部１
３ｃまで熱輸送され、ここから絶縁油１０に向けて分散
放熱される。一方、放熱体１３からの受熱で昇温した絶
縁油１０は油入タンク１１の中で自然対流，ないしはポ
ンプ（図示せず）により強制対流し、ラジエータ１１ａ
を通じて大気との熱交換により冷却される。
発熱すると、発熱がヒートパイプ式放熱体１３の蒸発部
１３ａに伝熱して作動液３ｄを沸騰させるとともに、沸
騰により生じた蒸気は気泡となって作動液中を上昇して
その液面から凝縮部１３ｃに移動し、ここで周囲の絶縁
油１０に放熱して凝縮，液化した後に、重力により蒸発
部１３ａに還流して再び蒸発するように沸騰，凝縮サイ
クルを繰り返す。これにより半導体素子２に生じた局部
発熱はヒートパイプ式放熱体１３を介してその凝縮部１
３ｃまで熱輸送され、ここから絶縁油１０に向けて分散
放熱される。一方、放熱体１３からの受熱で昇温した絶
縁油１０は油入タンク１１の中で自然対流，ないしはポ
ンプ（図示せず）により強制対流し、ラジエータ１１ａ
を通じて大気との熱交換により冷却される。
【００１４】なお、ヒートパイプ式放熱体１３に付いて
は、図２で示すように作動液を封入した蒸発部１３ａの
内壁面に蒸気の気泡発生を促進するように凹凸部１３ｆ
を形成して粗面化することで、蒸発部１３ａでの沸騰伝
熱性をより一層高めることができる。
は、図２で示すように作動液を封入した蒸発部１３ａの
内壁面に蒸気の気泡発生を促進するように凹凸部１３ｆ
を形成して粗面化することで、蒸発部１３ａでの沸騰伝
熱性をより一層高めることができる。
【００１５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の冷却装置に
よれば、次記の効果を奏する。 （１）主冷却媒体として安価な絶縁油を採用しつつ、パ
ワー半導体素子の通電に伴う局部発熱を、ヒートパイプ
式放熱体を熱輸送体としてその作動液の沸騰，凝縮サイ
クルにより絶縁油中に分散放熱することができ、これに
より絶縁油に浸漬した電力用半導体機器を従来より実施
されている沸騰冷却方式並の高い冷却能力が得られる。
よれば、次記の効果を奏する。 （１）主冷却媒体として安価な絶縁油を採用しつつ、パ
ワー半導体素子の通電に伴う局部発熱を、ヒートパイプ
式放熱体を熱輸送体としてその作動液の沸騰，凝縮サイ
クルにより絶縁油中に分散放熱することができ、これに
より絶縁油に浸漬した電力用半導体機器を従来より実施
されている沸騰冷却方式並の高い冷却能力が得られる。
【００１６】（２）油入タンク自身は沸騰冷却方式のよ
うに密閉構造の圧力容器とする必要がなく、変圧器など
の油入機器と同様な簡易なタンクで十分対応できる。し
かも、冷却媒体に絶縁油を採用することで、例えば電鉄
用の変電所設備として整流器と変圧器などを同じ油入タ
ンク内に一括収容して構成することも可能である。
うに密閉構造の圧力容器とする必要がなく、変圧器など
の油入機器と同様な簡易なタンクで十分対応できる。し
かも、冷却媒体に絶縁油を採用することで、例えば電鉄
用の変電所設備として整流器と変圧器などを同じ油入タ
ンク内に一括収容して構成することも可能である。
【図１】本発明実施例の構成図
【図２】図１におけるヒートパイプ式放熱体の詳細構造
図
図
【図３】従来より実施されている沸騰冷却方式による電
力用半導体機器の冷却装置の構成図。
力用半導体機器の冷却装置の構成図。
１ 半導体スタック ２ 平形パワー半導体素子 １０ 絶縁油 １１ 油入タンク １１ａ ラジエータ １３ ヒートパイプ式放熱体 １３ａ 蒸発部 １３ｃ 凝縮部 １３ｄ 作動液 １３ｅ 放熱フィン １３ｆ 凹凸部
Claims (3)
- 【請求項１】複数個の平形パワー半導体素子で構成した
半導体スタックを絶縁油に浸漬して油入タンクに収容す
るとともに、半導体素子を挟んでその両側の電極面にヒ
ートシンクとして機能するヒートパイプ式放熱体を介装
したことを特徴とする電力用半導体機器の冷却装置。 - 【請求項２】請求項１記載の冷却装置において、ヒート
パイプ式放熱体が、作動液を収容して半導体素子の端面
に接触する蒸発部と、蒸発部の上部に連ねて絶縁油中に
浸漬させた放熱フィン付き凝縮部とからなることを特徴
とする電力用半導体機器の冷却装置。 - 【請求項３】請求項２記載の冷却装置において、蒸発部
の内壁面に沸騰伝熱を促進する凹凸面を形成したことを
特徴とする電力用半導体機器の冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22855194A JPH0897338A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 電力用半導体機器の冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22855194A JPH0897338A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 電力用半導体機器の冷却装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0897338A true JPH0897338A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16878151
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22855194A Pending JPH0897338A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 電力用半導体機器の冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0897338A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100680866B1 (ko) * | 2005-10-31 | 2007-02-09 | (주) 브이에스아이 | 하전입자 발생장치의 절연유조 |
| JP2009532655A (ja) * | 2006-04-04 | 2009-09-10 | エフィシャント・エナジー・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | ヒートポンプ |
| EP2161745A1 (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-10 | Converteam Technology Ltd | Stack assemblies containing semiconductor devices |
| JP2012007882A (ja) * | 2011-08-01 | 2012-01-12 | Efficient Energy Gmbh | ヒートポンプ |
| JPWO2011145618A1 (ja) * | 2010-05-19 | 2013-07-22 | 日本電気株式会社 | 沸騰冷却器 |
| US10015912B2 (en) | 2016-04-13 | 2018-07-03 | Fujitsu Limited | Data center with liquid immersion tank and control method of the data center based on temperature difference |
-
1994
- 1994-09-26 JP JP22855194A patent/JPH0897338A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100680866B1 (ko) * | 2005-10-31 | 2007-02-09 | (주) 브이에스아이 | 하전입자 발생장치의 절연유조 |
| JP2009532655A (ja) * | 2006-04-04 | 2009-09-10 | エフィシャント・エナジー・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング | ヒートポンプ |
| US9222483B2 (en) | 2006-04-04 | 2015-12-29 | Efficient Energy Gmbh | Heat pump |
| US10337746B2 (en) | 2006-04-04 | 2019-07-02 | Efficient Energy Gmbh | Heat pump |
| EP2161745A1 (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-10 | Converteam Technology Ltd | Stack assemblies containing semiconductor devices |
| CN101673730A (zh) * | 2008-09-08 | 2010-03-17 | 康弗蒂姆技术有限公司 | 包括半导体器件的堆叠组件 |
| JP2010080956A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-04-08 | Converteam Technology Ltd | 半導体素子を実装した積層体 |
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| JP2012007882A (ja) * | 2011-08-01 | 2012-01-12 | Efficient Energy Gmbh | ヒートポンプ |
| US10015912B2 (en) | 2016-04-13 | 2018-07-03 | Fujitsu Limited | Data center with liquid immersion tank and control method of the data center based on temperature difference |
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