JPH09283677A - 電力用半導体装置の冷却装置 - Google Patents
電力用半導体装置の冷却装置Info
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- JPH09283677A JPH09283677A JP8087899A JP8789996A JPH09283677A JP H09283677 A JPH09283677 A JP H09283677A JP 8087899 A JP8087899 A JP 8087899A JP 8789996 A JP8789996 A JP 8789996A JP H09283677 A JPH09283677 A JP H09283677A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互に積
層して構成した半導体素子スタックの冷却装置として、
高い冷却性が得られ、しかも設置，保守面でも優れた効
果を発揮する電力用半導体装置の冷却装置を提供する。 【解決手段】複数個の平形半導体素子２と冷却体３とを
交互に積層してなる半導体素子スタック１を気密容器５
に封入した絶縁性の一次冷媒４の液相中に浸漬するとと
もに、その冷媒蒸気４ａで満たされている気密容器内の
上部気相空間に冷媒蒸気凝縮用の熱交換器６を収設し、
該熱交換器と別置の放熱用熱交換器７との間で液体の二
次冷媒９を循環送流することにより、通電に伴って発生
する半導体素子の損失熱を、一次冷媒との間の沸騰熱伝
達，二次冷媒との間の凝縮熱伝達を経て別置の放熱用熱
交換より大気側に放熱する。
層して構成した半導体素子スタックの冷却装置として、
高い冷却性が得られ、しかも設置，保守面でも優れた効
果を発揮する電力用半導体装置の冷却装置を提供する。 【解決手段】複数個の平形半導体素子２と冷却体３とを
交互に積層してなる半導体素子スタック１を気密容器５
に封入した絶縁性の一次冷媒４の液相中に浸漬するとと
もに、その冷媒蒸気４ａで満たされている気密容器内の
上部気相空間に冷媒蒸気凝縮用の熱交換器６を収設し、
該熱交換器と別置の放熱用熱交換器７との間で液体の二
次冷媒９を循環送流することにより、通電に伴って発生
する半導体素子の損失熱を、一次冷媒との間の沸騰熱伝
達，二次冷媒との間の凝縮熱伝達を経て別置の放熱用熱
交換より大気側に放熱する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電気鉄道車
両に搭載する主変換装置を実施対象とした電力用半導体
装置の冷却装置に関する。
両に搭載する主変換装置を実施対象とした電力用半導体
装置の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気鉄道車両に搭載する主変換装置の電
力用半導体装置には、平形サイリスタなどで構成した平
形半導体素子スタックが多く採用されている。また、そ
の半導体素子スタックの冷却方式として、浸漬沸騰冷却
方式、ヒートパイプ冷却方式、個別フィン沸騰冷却方式
などが知られている。
力用半導体装置には、平形サイリスタなどで構成した平
形半導体素子スタックが多く採用されている。また、そ
の半導体素子スタックの冷却方式として、浸漬沸騰冷却
方式、ヒートパイプ冷却方式、個別フィン沸騰冷却方式
などが知られている。
【０００３】ここで、従来の電力用半導体装置に採用し
ている浸漬沸騰冷却方式は、複数個の半導体素子と冷却
体とを交互に積層して構成した半導体素子スタックを、
フッ化炭素，フロンなどの絶縁性冷媒液を封入した気密
容器内の冷媒液中に浸漬配置し、冷却体に伝熱した半導
体素子の損失熱を、沸騰熱伝達により冷媒側に伝熱して
大気側に放熱するようにしたもので、冷媒の蒸気空間と
なる前記気密容器の上部を空冷式の凝縮放熱部として外
気を強制通風し、ここで冷媒蒸気を凝縮させて最終的に
半導体素子の損失熱を大気側に放熱するようにしてい
る。
ている浸漬沸騰冷却方式は、複数個の半導体素子と冷却
体とを交互に積層して構成した半導体素子スタックを、
フッ化炭素，フロンなどの絶縁性冷媒液を封入した気密
容器内の冷媒液中に浸漬配置し、冷却体に伝熱した半導
体素子の損失熱を、沸騰熱伝達により冷媒側に伝熱して
大気側に放熱するようにしたもので、冷媒の蒸気空間と
なる前記気密容器の上部を空冷式の凝縮放熱部として外
気を強制通風し、ここで冷媒蒸気を凝縮させて最終的に
半導体素子の損失熱を大気側に放熱するようにしてい
る。
【０００４】また、個別フィン沸騰冷却方式は、半導体
素子スタックに組み込んだ冷却体をポケット状の中空体
として各冷却体ごとにポケットの中に冷媒液を溜めると
ともに、各冷却体を蛇腹状パイプを介して上方に配した
風冷式の凝縮放熱部に連通し、冷却体で沸騰，蒸発した
冷媒の蒸気を放熱部で凝縮させ、半導体装置の損失熱を
大気側に放熱する。
素子スタックに組み込んだ冷却体をポケット状の中空体
として各冷却体ごとにポケットの中に冷媒液を溜めると
ともに、各冷却体を蛇腹状パイプを介して上方に配した
風冷式の凝縮放熱部に連通し、冷却体で沸騰，蒸発した
冷媒の蒸気を放熱部で凝縮させ、半導体装置の損失熱を
大気側に放熱する。
【０００５】さらに、ヒートパイプ冷却方式は、ヒート
パイプの一端（蒸発部）を半導体素子スタックに組み込
んだ冷却体に挿入して伝熱結合し、他端の放熱部（凝縮
部）に外気を通風して半導体素子の損失熱をヒートパイ
プを介してその放熱部から大気側に放熱する方式であ
る。
パイプの一端（蒸発部）を半導体素子スタックに組み込
んだ冷却体に挿入して伝熱結合し、他端の放熱部（凝縮
部）に外気を通風して半導体素子の損失熱をヒートパイ
プを介してその放熱部から大気側に放熱する方式であ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の各冷
却方式を採用した従来構成の冷却装置では、半導体素子
スタックの直上に空冷式の凝縮放熱部を構成し、これら
を例えば風胴の中に設置して外気を導風するようにして
いる。このために、半導体素子スタックの配置スペース
が制約されるほか、凝縮放熱部が空冷式であるために装
置全体が大形化し、このことが鉄道車両に搭載する主変
換装置の小形，コンパクト化を推進する上でのネックと
なっている。
却方式を採用した従来構成の冷却装置では、半導体素子
スタックの直上に空冷式の凝縮放熱部を構成し、これら
を例えば風胴の中に設置して外気を導風するようにして
いる。このために、半導体素子スタックの配置スペース
が制約されるほか、凝縮放熱部が空冷式であるために装
置全体が大形化し、このことが鉄道車両に搭載する主変
換装置の小形，コンパクト化を推進する上でのネックと
なっている。
【０００７】また、凝縮放熱部に周囲から外気を導風し
ているために、外気通風と一緒に侵入した塵埃，ごみな
どによる汚染、雨水，雪による湿気が原因で半導体素子
スタックに地絡，短絡事故が発生し易く、そのために頻
繁な保守，点検作業が必要であるなどその保守管理が厄
介である。本発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互に積層
して構成した半導体素子スタックを対象に、高い冷却
性，信頼性が得られ、しかも配置，保守面でも優れた効
果を発揮する電力用半導体装置の冷却装置を提供するこ
とを目的とする。
ているために、外気通風と一緒に侵入した塵埃，ごみな
どによる汚染、雨水，雪による湿気が原因で半導体素子
スタックに地絡，短絡事故が発生し易く、そのために頻
繁な保守，点検作業が必要であるなどその保守管理が厄
介である。本発明は上記の点にかんがみなされたもので
あり、複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互に積層
して構成した半導体素子スタックを対象に、高い冷却
性，信頼性が得られ、しかも配置，保守面でも優れた効
果を発揮する電力用半導体装置の冷却装置を提供するこ
とを目的とする。
【０００８】
【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次記のように構成するものとす
る。 １）浸漬沸騰冷却方式：半導体素子スタックを気密容器
内に封入した絶縁性一次冷媒の液相中に浸漬するととも
に、気密容器内の上部気相空間に一次冷媒の蒸気を凝縮
させる熱交換器を収設し、該熱交換器と別置の放熱用熱
交換器との間で液体の二次冷媒を循環送流することによ
り、半導体素子の損失熱を前記一次，二次冷媒を伝熱し
て放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成する。
に、本発明の冷却装置は次記のように構成するものとす
る。 １）浸漬沸騰冷却方式：半導体素子スタックを気密容器
内に封入した絶縁性一次冷媒の液相中に浸漬するととも
に、気密容器内の上部気相空間に一次冷媒の蒸気を凝縮
させる熱交換器を収設し、該熱交換器と別置の放熱用熱
交換器との間で液体の二次冷媒を循環送流することによ
り、半導体素子の損失熱を前記一次，二次冷媒を伝熱し
て放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成する。
【０００９】２）前項１）において、気密容器内に収設
した熱交換器の一部を絶縁性冷媒の液相中に浸漬させて
冷媒液を同時に冷却する。 ３）半導体素子スタックに組み込んだ冷却体をポケット
状の中空体として絶縁性の一次冷媒液を収容し、かつ半
導体素子スタックの上方には一次冷媒の蒸気凝縮部とし
て各冷却体に連通する気密容器を設置するととにも、気
密容器内に熱交換器を収設し、該熱交換器と別置の放熱
用熱交換器との間で液体の二次冷媒を循環送流すること
により、半導体素子の損失熱を前記一次，二次冷媒を伝
熱して放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成す
る。
した熱交換器の一部を絶縁性冷媒の液相中に浸漬させて
冷媒液を同時に冷却する。 ３）半導体素子スタックに組み込んだ冷却体をポケット
状の中空体として絶縁性の一次冷媒液を収容し、かつ半
導体素子スタックの上方には一次冷媒の蒸気凝縮部とし
て各冷却体に連通する気密容器を設置するととにも、気
密容器内に熱交換器を収設し、該熱交換器と別置の放熱
用熱交換器との間で液体の二次冷媒を循環送流すること
により、半導体素子の損失熱を前記一次，二次冷媒を伝
熱して放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成す
る。
【００１０】４）前項３）において、各冷却体と共通気
密容器との間を可撓性管継手を介して連通接続し、気密
容器に加わる振動，外力などが半導体素子スタックに直
接伝わらないようにする。 ５）前項１),３）の構成において、気密容器内に収設し
た熱交換器は、そのチューブ外表面に冷媒蒸気の凝縮促
進機構を形成したベアチューブ形熱交換器、あるいはフ
ィン付きチューブ形熱交換器として、冷媒蒸気と二次冷
媒との間の伝熱性を高める。
密容器との間を可撓性管継手を介して連通接続し、気密
容器に加わる振動，外力などが半導体素子スタックに直
接伝わらないようにする。 ５）前項１),３）の構成において、気密容器内に収設し
た熱交換器は、そのチューブ外表面に冷媒蒸気の凝縮促
進機構を形成したベアチューブ形熱交換器、あるいはフ
ィン付きチューブ形熱交換器として、冷媒蒸気と二次冷
媒との間の伝熱性を高める。
【００１１】６）半導体素子スタックを組み込んだ冷却
体ごとにヒートパイプを伝熱結合して引き出すととも
に、該ヒートパイプの凝縮部を包囲して冷媒ジャケット
を取付け、この冷媒ジャケットと別置の放熱用熱交換器
との間で液体の二次冷媒を循環送流することにより、半
導体素子の損失熱をヒートパイプ，二次冷媒を伝熱して
放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成する。
体ごとにヒートパイプを伝熱結合して引き出すととも
に、該ヒートパイプの凝縮部を包囲して冷媒ジャケット
を取付け、この冷媒ジャケットと別置の放熱用熱交換器
との間で液体の二次冷媒を循環送流することにより、半
導体素子の損失熱をヒートパイプ，二次冷媒を伝熱して
放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構成する。
【００１２】７）前項６）において、冷媒ジャケット
は、各ヒートパイプごとに独立して設けるか、あるいは
各ヒートパイプにまたがってその凝縮部を包囲する共通
な冷媒ジャケットとなし、かつ各ヒートパイプの蒸発部
と凝縮部との間を電気的に絶縁して二次冷媒による半導
体素子の短絡を防ぐように構成する。また、ヒートパイ
プと冷媒ジャケットを流れる二次冷媒との間の伝熱性を
高めるための手段として、ヒートパイプの凝縮部の外周
面に溝を形成して二次冷媒との間で乱流熱伝達させるよ
うにするのがよい。
は、各ヒートパイプごとに独立して設けるか、あるいは
各ヒートパイプにまたがってその凝縮部を包囲する共通
な冷媒ジャケットとなし、かつ各ヒートパイプの蒸発部
と凝縮部との間を電気的に絶縁して二次冷媒による半導
体素子の短絡を防ぐように構成する。また、ヒートパイ
プと冷媒ジャケットを流れる二次冷媒との間の伝熱性を
高めるための手段として、ヒートパイプの凝縮部の外周
面に溝を形成して二次冷媒との間で乱流熱伝達させるよ
うにするのがよい。
【００１３】上記構成の冷却装置によれば、半導体素子
スタックに組み込んだ冷却体と絶縁性冷媒との間の沸騰
熱伝達により、半導体素子の損失熱が一次冷媒の蒸発潜
熱の形で除熱され、またその冷媒蒸気は凝縮潜熱の形で
二次冷媒に凝縮熱伝達し、さらに二次冷媒は別置した放
熱用熱交換器との間で循環し、最終的に放熱用熱交換器
より大気中に放熱される。つまり、発熱源である半導体
素子スタックと放熱用熱交換器とを分離して別な位置に
分散配置することが可能であり、これにより半導体装置
を設置する際の条件が緩和されるとともに、半導体装置
自身を外気通風路内に配置する必要がないので、外気通
風による塵埃汚損，湿気などの影響で電気系統の事故発
生のおそれもなくなるなど、信頼性も向上する。
スタックに組み込んだ冷却体と絶縁性冷媒との間の沸騰
熱伝達により、半導体素子の損失熱が一次冷媒の蒸発潜
熱の形で除熱され、またその冷媒蒸気は凝縮潜熱の形で
二次冷媒に凝縮熱伝達し、さらに二次冷媒は別置した放
熱用熱交換器との間で循環し、最終的に放熱用熱交換器
より大気中に放熱される。つまり、発熱源である半導体
素子スタックと放熱用熱交換器とを分離して別な位置に
分散配置することが可能であり、これにより半導体装置
を設置する際の条件が緩和されるとともに、半導体装置
自身を外気通風路内に配置する必要がないので、外気通
風による塵埃汚損，湿気などの影響で電気系統の事故発
生のおそれもなくなるなど、信頼性も向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を先記した
形態別に図面に基づいて説明する。 〔実施例１〕図１は本発明の請求項１に対応する浸漬沸
騰冷却方式の実施例を示すものである。図において、１
は半導体素子スタックであり、この半導体素子スタック
１はサイリスタなどの平形半導体素子２と冷却体３とを
交互に積層して加圧した組立体として構成されている。
そして、この半導体素子スタック１はフロン，フッ化炭
素などの絶縁性一次冷媒液４を減圧封入した気密容器５
の中で、冷媒の液面下，つまり冷媒の液相中に浸漬する
ように収容配置されている。また、冷媒蒸気で満たされ
ている気密容器５の上部空間には熱交換器６が配管され
ており、該熱交換器６と別置（気密容器５と分離して別
な箇所に配置）した放熱用熱交換器（風冷冷却器）７と
の間で循環ポンプ８を介して水などの二次冷媒９を循環
するようにしている。また、冷却体３は上下面を開口し
てその内部に冷媒液が対流するようにした筒状体であ
る。なお、この実施例では、気密容器５の蒸気空間に配
管した熱交換器６には、冷媒蒸気の凝縮を促進するため
の機構としてチューブの外表面に例えば凹凸を形成し、
伝熱面積の増化，並びに乱流熱伝達させるようにしたベ
アチューブ形熱交換器が用いられている。
形態別に図面に基づいて説明する。 〔実施例１〕図１は本発明の請求項１に対応する浸漬沸
騰冷却方式の実施例を示すものである。図において、１
は半導体素子スタックであり、この半導体素子スタック
１はサイリスタなどの平形半導体素子２と冷却体３とを
交互に積層して加圧した組立体として構成されている。
そして、この半導体素子スタック１はフロン，フッ化炭
素などの絶縁性一次冷媒液４を減圧封入した気密容器５
の中で、冷媒の液面下，つまり冷媒の液相中に浸漬する
ように収容配置されている。また、冷媒蒸気で満たされ
ている気密容器５の上部空間には熱交換器６が配管され
ており、該熱交換器６と別置（気密容器５と分離して別
な箇所に配置）した放熱用熱交換器（風冷冷却器）７と
の間で循環ポンプ８を介して水などの二次冷媒９を循環
するようにしている。また、冷却体３は上下面を開口し
てその内部に冷媒液が対流するようにした筒状体であ
る。なお、この実施例では、気密容器５の蒸気空間に配
管した熱交換器６には、冷媒蒸気の凝縮を促進するため
の機構としてチューブの外表面に例えば凹凸を形成し、
伝熱面積の増化，並びに乱流熱伝達させるようにしたベ
アチューブ形熱交換器が用いられている。
【００１５】かかる構成で、半導体素子２の通電に伴っ
て発生する損失熱は冷却体３から絶縁性冷媒４に潜熱の
形で沸騰熱伝達し、その冷媒蒸気４ａは気密容器５の上
部空間に拡散し、ここに配管した熱交換器６に流れる二
次冷媒９との熱交換により凝縮，液化して容器内の底部
に流下する。一方、冷媒蒸気４ａと熱交換して半導体素
子２の損失熱を受熱した二次冷媒９は、熱交換器６と別
置の放熱用熱交換器７との間で循環ポンプ８により送流
され、この循環過程で放熱用熱交換器７より大気側に放
熱される。
て発生する損失熱は冷却体３から絶縁性冷媒４に潜熱の
形で沸騰熱伝達し、その冷媒蒸気４ａは気密容器５の上
部空間に拡散し、ここに配管した熱交換器６に流れる二
次冷媒９との熱交換により凝縮，液化して容器内の底部
に流下する。一方、冷媒蒸気４ａと熱交換して半導体素
子２の損失熱を受熱した二次冷媒９は、熱交換器６と別
置の放熱用熱交換器７との間で循環ポンプ８により送流
され、この循環過程で放熱用熱交換器７より大気側に放
熱される。
【００１６】〔実施例２〕図２は前記実施例１の応用実
施例を示すものであり、この実施例においては、気密容
器５の冷媒蒸気空間に配置した熱交換器６が、そのチュ
ーブにフィン６ａを設けたフィン付きチューブ形熱交換
器であり、その一部が冷媒４の液中に浸漬するように配
管されている。かかる構成により、実施例１で述べた機
能に加えて気密容器５の底部側に溜まっている液相の一
次冷媒４が二次冷媒９と熱交換して冷却される。
施例を示すものであり、この実施例においては、気密容
器５の冷媒蒸気空間に配置した熱交換器６が、そのチュ
ーブにフィン６ａを設けたフィン付きチューブ形熱交換
器であり、その一部が冷媒４の液中に浸漬するように配
管されている。かかる構成により、実施例１で述べた機
能に加えて気密容器５の底部側に溜まっている液相の一
次冷媒４が二次冷媒９と熱交換して冷却される。
【００１７】〔実施例３〕図３は本発明の請求項３に対
応する個別フィン沸騰冷却方式の実施例を示すものであ
る。この実施例においては、半導体素子スタック１に組
み込んだ冷却体３がポケット状の中空体でここに絶縁性
の一次冷媒４を収容している。また、各冷却体３の液溜
部は個々に蛇腹状の可撓性管継手１０を介して半導体素
子スタック１の上方に配置した冷媒蒸気の凝縮部となる
共通な気密容器１１に連通接続されており、かつ該気密
容器１１には先記の各実施例と同様に放熱用熱交換器７
との間で二次冷媒９を流す熱交換器６を収設した構成に
なる。なお、１２は半導体素子スタック１の収容ケース
である。
応する個別フィン沸騰冷却方式の実施例を示すものであ
る。この実施例においては、半導体素子スタック１に組
み込んだ冷却体３がポケット状の中空体でここに絶縁性
の一次冷媒４を収容している。また、各冷却体３の液溜
部は個々に蛇腹状の可撓性管継手１０を介して半導体素
子スタック１の上方に配置した冷媒蒸気の凝縮部となる
共通な気密容器１１に連通接続されており、かつ該気密
容器１１には先記の各実施例と同様に放熱用熱交換器７
との間で二次冷媒９を流す熱交換器６を収設した構成に
なる。なお、１２は半導体素子スタック１の収容ケース
である。
【００１８】かかる構成で、半導体素子２の通電に伴っ
て発生する損失熱は冷却体３を介して一次冷媒４に沸騰
熱伝達するとともに、その冷媒蒸気は気密容器１１に拡
散し、ここで熱交換器６を通流する二次冷媒９と熱交換
して凝縮，液化し、再び冷却体３のポケット内に還流す
る。また、熱交換器６を介して二次冷媒９に伝熱した半
導体素子２は放熱用熱交換器７を通じて大気中に放熱さ
れる。
て発生する損失熱は冷却体３を介して一次冷媒４に沸騰
熱伝達するとともに、その冷媒蒸気は気密容器１１に拡
散し、ここで熱交換器６を通流する二次冷媒９と熱交換
して凝縮，液化し、再び冷却体３のポケット内に還流す
る。また、熱交換器６を介して二次冷媒９に伝熱した半
導体素子２は放熱用熱交換器７を通じて大気中に放熱さ
れる。
【００１９】〔実施例４〕図４は本発明の請求項７に対
応するヒートパイプ冷却方式の実施例を示すものであ
る。この実施例においては、半導体素子スタック１に組
み込んだ冷却体３に対して、各冷却体ごとにヒートパイ
プ１３の蒸発部１３ａが伝熱的に挿入結合されており、
さらに半導体素子スタック１の収容ケース１２から上方
に引き出したヒートパイプ１３の凝縮部１３ｂを包囲し
て各ヒートパイプごとに液体の二次冷媒９を流す冷媒ジ
ャケット１４が設けてある。そして、二次冷媒９は循環
ポンプ８により各冷媒ジャケット１４の間を直列に通流
して放熱用熱交換器７との間に循環送流される。なお、
ヒートパイプ１３には先記実施例で述べた絶縁性冷媒４
が作動液として封入されている。
応するヒートパイプ冷却方式の実施例を示すものであ
る。この実施例においては、半導体素子スタック１に組
み込んだ冷却体３に対して、各冷却体ごとにヒートパイ
プ１３の蒸発部１３ａが伝熱的に挿入結合されており、
さらに半導体素子スタック１の収容ケース１２から上方
に引き出したヒートパイプ１３の凝縮部１３ｂを包囲し
て各ヒートパイプごとに液体の二次冷媒９を流す冷媒ジ
ャケット１４が設けてある。そして、二次冷媒９は循環
ポンプ８により各冷媒ジャケット１４の間を直列に通流
して放熱用熱交換器７との間に循環送流される。なお、
ヒートパイプ１３には先記実施例で述べた絶縁性冷媒４
が作動液として封入されている。
【００２０】かかる構成で、半導体素子２に発生した損
失熱は、冷却体３からヒートパイプ１３の蒸発部１３ａ
に伝熱して冷媒４の作動液を蒸発させ、その冷媒蒸気４
ａはヒートパイプの凝縮部１３ｂに拡散し、冷媒ジャケ
ット１４を通流する二次冷媒９との熱交換により凝縮，
液化して蒸発部１３ａに還流する。また、ヒートパイプ
１３を介して二次冷媒９に伝熱した半導体素子２の損失
熱は、先記の各実施例と同様に循環送流の過程で放熱用
熱交換器７を通じて大気中に放熱される。
失熱は、冷却体３からヒートパイプ１３の蒸発部１３ａ
に伝熱して冷媒４の作動液を蒸発させ、その冷媒蒸気４
ａはヒートパイプの凝縮部１３ｂに拡散し、冷媒ジャケ
ット１４を通流する二次冷媒９との熱交換により凝縮，
液化して蒸発部１３ａに還流する。また、ヒートパイプ
１３を介して二次冷媒９に伝熱した半導体素子２の損失
熱は、先記の各実施例と同様に循環送流の過程で放熱用
熱交換器７を通じて大気中に放熱される。
【００２１】なお、この場合にヒートパイプ１３の凝縮
部１３ｂと冷媒ジャケット１４を流れる二次冷媒９との
間の伝熱性を高めるために、図５で示すようにヒートパ
イプ１３の凝縮部の周面全域に多数条の周溝１３ｃを形
成し、二次冷媒９との間で乱流熱伝達させて熱伝達を高
めるようにしている。 〔実施例５〕図６は先記した実施例４の応用実施例を示
すものである。この実施例においては、ヒートパイプ１
３の凝縮部１３ａに設けて二次冷媒９を流す冷媒ジャケ
ットが、各ヒートパイプ１３にまたがる共通冷媒ジャケ
ット１５として構成されており、かつ各ヒートパイプ１
３ごとにその蒸発部１３ａと凝縮部１３ｂとの間に絶縁
ジョイント１３ｄを介挿して電気的に絶縁している。
部１３ｂと冷媒ジャケット１４を流れる二次冷媒９との
間の伝熱性を高めるために、図５で示すようにヒートパ
イプ１３の凝縮部の周面全域に多数条の周溝１３ｃを形
成し、二次冷媒９との間で乱流熱伝達させて熱伝達を高
めるようにしている。 〔実施例５〕図６は先記した実施例４の応用実施例を示
すものである。この実施例においては、ヒートパイプ１
３の凝縮部１３ａに設けて二次冷媒９を流す冷媒ジャケ
ットが、各ヒートパイプ１３にまたがる共通冷媒ジャケ
ット１５として構成されており、かつ各ヒートパイプ１
３ごとにその蒸発部１３ａと凝縮部１３ｂとの間に絶縁
ジョイント１３ｄを介挿して電気的に絶縁している。
【００２２】かかる構成による冷却動作は先記実施例４
と同様であるが、ヒートパイプ１３の蒸発部１３ａと凝
縮部１３ｂとの間に絶縁ジョイント１３ｄを介挿したこ
とにより、二次冷媒９として非絶縁性冷媒を用いた場合
でも、半導体素子スタック１に組み込んだ半導体素子２
が電気的に短絡されるようなことがない。
と同様であるが、ヒートパイプ１３の蒸発部１３ａと凝
縮部１３ｂとの間に絶縁ジョイント１３ｄを介挿したこ
とにより、二次冷媒９として非絶縁性冷媒を用いた場合
でも、半導体素子スタック１に組み込んだ半導体素子２
が電気的に短絡されるようなことがない。
【００２３】
【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、半導体素子の損失熱を冷却体を介して絶縁性冷
媒に沸騰熱伝達させた上で、その冷媒蒸気を液体の二次
冷媒との熱交換により凝縮させ、二次冷媒が受熱した半
導体素子の損失熱を半導体素子スタックの収容ケースか
ら離した別置の放熱用熱交換器を通じて大気側に放熱す
るようにしたので、半導体素子スタック，放熱用熱交換
器の配置に関する制約条件が緩和される。
よれば、半導体素子の損失熱を冷却体を介して絶縁性冷
媒に沸騰熱伝達させた上で、その冷媒蒸気を液体の二次
冷媒との熱交換により凝縮させ、二次冷媒が受熱した半
導体素子の損失熱を半導体素子スタックの収容ケースか
ら離した別置の放熱用熱交換器を通じて大気側に放熱す
るようにしたので、半導体素子スタック，放熱用熱交換
器の配置に関する制約条件が緩和される。
【００２４】したがって、当該電力用半導体装置を電気
鉄道車両に搭載する主変換装置に実施する場合に、その
配置条件に高い自由度が得られるので、装置の小形化設
計が可能となる。また、半導体素子スタックを組み込ん
だ収容ケースを、従来装置のように空冷の外気通風路内
に配置する必要がなく、これにより従来装置で問題とな
っていた外気通風に伴う塵埃汚損，雨水の湿気などに起
因する半導体素子スタックの地絡，短絡などの事故発生
問題も解消でき、これにより保守，点検作業の簡便化，
および信頼性の向上が図れる。
鉄道車両に搭載する主変換装置に実施する場合に、その
配置条件に高い自由度が得られるので、装置の小形化設
計が可能となる。また、半導体素子スタックを組み込ん
だ収容ケースを、従来装置のように空冷の外気通風路内
に配置する必要がなく、これにより従来装置で問題とな
っていた外気通風に伴う塵埃汚損，雨水の湿気などに起
因する半導体素子スタックの地絡，短絡などの事故発生
問題も解消でき、これにより保守，点検作業の簡便化，
および信頼性の向上が図れる。
【図１】本発明の実施例１に対応した浸漬沸騰冷却方式
の冷却装置の構成図
の冷却装置の構成図
【図２】本発明の実施例２に対応した浸漬沸騰冷却方式
の冷却装置の構成図
の冷却装置の構成図
【図３】本発明の実施例３に対応した個別フィン沸騰冷
却方式の冷却装置の構成図
却方式の冷却装置の構成図
【図４】本発明の実施例４に対応したヒートパイプ冷却
方式の冷却装置の構成図
方式の冷却装置の構成図
【図５】図４におけるヒートパイプの凝縮部の詳細構造
図
図
【図６】本発明の実施例５に対応するヒートパイプ冷却
方式の冷却装置の構成図
方式の冷却装置の構成図
１ 半導体素子スタック ２ 平形半導体素子 ３ 冷却体 ４ 絶縁性の一次冷媒 ４ａ 冷媒蒸気 ５ 気密容器 ６ 熱交換器 ６ａ フィン ７ 放熱用熱交換器 ８ 循環ポンプ ９ 二次冷媒 １０ 可撓性管継手 １１ 気密容器（凝縮部） １３ ヒートパイプ １３ａ 蒸発部 １３ｂ 凝縮部 １３ｃ 周溝 １３ｄ 絶縁ジョイント １４ 冷媒ジャケット １５ 共通冷媒ジャケット
Claims (10)
- 【請求項１】複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互
に積層した半導体素子スタックを対象とした浸漬沸騰冷
却方式による電力用半導体装置の冷却装置であって、前
記半導体素子スタックを気密容器内に封入した絶縁性一
次冷媒の液相中に浸漬するとともに、気密容器内の上部
気相空間に一次冷媒の蒸気を凝縮させる熱交換器を収設
し、該熱交換器と別置の放熱用熱交換器との間で液体の
二次冷媒を循環送流することにより、半導体素子の損失
熱を前記一次，二次冷媒を伝熱して放熱用熱交換器から
大気側に放熱するよう構成したことを特徴とする電力用
半導体装置の冷却装置。 - 【請求項２】請求項１記載の冷却装置において、気密容
器内に配置した熱交換器の一部を絶縁性一次冷媒の液相
中に浸漬させたことを特徴とする電力用半導体装置の冷
却装置。 - 【請求項３】複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互
に積層した半導体素子スタックを対象とした個別フィン
沸騰冷却方式による電力用半導体装置の冷却装置であっ
て、前記冷却体をポケット状の中空体として絶縁性の一
次冷媒液を収容し、かつ半導体素子スタックの上方には
一次冷媒の蒸気凝縮部として各冷却体に連通する気密容
器を設置するととにも、気密容器内に熱交換器を収設
し、該熱交換器と別置の放熱用熱交換器との間で液体の
二次冷媒を循環送流することにより、半導体素子の損失
熱を前記一次，二次冷媒を伝熱して放熱用熱交換器から
大気側に放熱するよう構成したことを特徴とする電力用
半導体装置の冷却装置。 - 【請求項４】請求項３記載の冷却装置において、各冷却
体と凝縮部の気密容器との間を可撓性管継手を介して連
通接続したことを特徴とする電力用半導体装置の冷却装
置。 - 【請求項５】請求項１，３のいずれかに記載の冷却装置
において、気密容器内に収設した熱交換器が、そのチュ
ーブ外表面に冷媒蒸気の凝縮促進機構を形成したベアチ
ューブ形熱交換器であることを特徴とする電力用半導体
装置の冷却装置。 - 【請求項６】請求項１，３のいずれかに記載の冷却装置
において、気密容器内に収設した熱交換器がフィン付き
チューブ形熱交換器であることを特徴とする電力用半導
体装置の冷却装置。 - 【請求項７】複数個の平形半導体素子と冷却体とを交互
に積層した半導体素子スタックを対象としたヒートパイ
プ冷却方式による電力用半導体装置の冷却装置であっ
て、前記冷却体ごとにヒートパイプを伝熱結合して引き
出すとともに、該ヒートパイプの凝縮部を包囲して冷媒
ジャケットを取付け、この冷媒ジャケットと別置の放熱
用熱交換器との間で液体の二次冷媒を循環送流すること
により、半導体素子の損失熱をヒートパイプ，二次冷媒
を伝熱して放熱用熱交換器から大気側に放熱するよう構
成したことを特徴とする電力用半導体装置の冷却装置。 - 【請求項８】請求項７記載の冷却装置において、冷媒ジ
ャケットを各ヒートパイプごとに独立して設け、その相
互間を直列に連通接続して二次冷媒を通流するようにし
たことを特徴とする電力用半導体装置の冷却装置。 - 【請求項９】請求項７記載の冷却装置において、冷媒ジ
ャケットが各ヒートパイプにまたがってその凝縮部を包
囲する共通な冷媒ジャケットであり、かつ各ヒートパイ
プの蒸発部と凝縮部との間を電気的に絶縁したことを特
徴とする電力用半導体装置の冷却装置。 - 【請求項１０】請求項７記載の冷却装置において、ヒー
トパイプの凝縮部の外周面に二次冷媒との間の伝熱性を
高める溝を形成したことを特徴とする電力用半導体装置
の冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8087899A JPH09283677A (ja) | 1996-04-10 | 1996-04-10 | 電力用半導体装置の冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8087899A JPH09283677A (ja) | 1996-04-10 | 1996-04-10 | 電力用半導体装置の冷却装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09283677A true JPH09283677A (ja) | 1997-10-31 |
Family
ID=13927751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8087899A Pending JPH09283677A (ja) | 1996-04-10 | 1996-04-10 | 電力用半導体装置の冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09283677A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002158321A (ja) * | 2000-11-17 | 2002-05-31 | Toyota Motor Corp | 車輌用電気部品の冷却装置 |
| WO2018135327A1 (ja) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | 富士通株式会社 | 液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法 |
| JP2019012470A (ja) * | 2017-06-30 | 2019-01-24 | 富士通株式会社 | 冷却装置、冷却システム及び電子装置の冷却方法 |
| JP2019061439A (ja) * | 2017-09-26 | 2019-04-18 | 富士通株式会社 | 液浸サーバ |
| JP2020176804A (ja) * | 2019-04-22 | 2020-10-29 | 富士通株式会社 | 液浸槽、及び電子機器 |
| US11647579B2 (en) | 2021-05-04 | 2023-05-09 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Chip-on-chip power devices embedded in PCB and cooling systems incorporating the same |
-
1996
- 1996-04-10 JP JP8087899A patent/JPH09283677A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002158321A (ja) * | 2000-11-17 | 2002-05-31 | Toyota Motor Corp | 車輌用電気部品の冷却装置 |
| WO2018135327A1 (ja) * | 2017-01-18 | 2018-07-26 | 富士通株式会社 | 液浸冷却装置、液浸冷却システム及び電子装置の冷却方法 |
| US10888032B2 (en) | 2017-01-18 | 2021-01-05 | Fujitsu Limited | Apparatus for liquid immersion cooling, system for liquid immersion cooling, and method of cooling electronic device |
| JP2019012470A (ja) * | 2017-06-30 | 2019-01-24 | 富士通株式会社 | 冷却装置、冷却システム及び電子装置の冷却方法 |
| JP2019061439A (ja) * | 2017-09-26 | 2019-04-18 | 富士通株式会社 | 液浸サーバ |
| JP2020176804A (ja) * | 2019-04-22 | 2020-10-29 | 富士通株式会社 | 液浸槽、及び電子機器 |
| US11178790B2 (en) | 2019-04-22 | 2021-11-16 | Fujitsu Limited | Immersion tank and electronic apparatus |
| US11647579B2 (en) | 2021-05-04 | 2023-05-09 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Chip-on-chip power devices embedded in PCB and cooling systems incorporating the same |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060119 |
|
| A762 | Written abandonment of application |
Effective date: 20070724 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762 |