JPS5911654A - 直並列フロ−冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はサイリスタ素子等の半導体を使用した電力用
半導体あるいは血流送電用サイリスタパルプ等に係り、
特にサイリスタ素子ジャンクションの温度を均一化し、
冷却に必要な風量調整を行い、補機切刃を軽減し、冷却
効率の向上を図った電、刃用半導体装置あるいは直流送
電用サイリスタパルプ等の冷却フロ一方式の改良に関す
る。

サイリスタ素子等の半導体を使用した霜、刃用半導体装
置あるいは直流送電用パルプ等の冷却装置をその冷却方
式で分類すると、水冷却、油冷却および空冷却とに大別
され、これらのうち水冷却や油冷却の場合には直列フロ
一方式又は直並列フロ一方式が、また空冷却の場合並列
フロ一方式か通常多く使用されている。

水冷却の場合、冷却性能が優れているので良く利用され
ているが、通常、１．刃用半導体装置は高電圧下で運転
されるために、絶縁の問題が非宮に困難であり、その解
決が技術的課題となっている。

また油冷却の場合、半導体装置が絶縁油中に浸漬される
ために、重量も重く、しかも保守点検のときなど装置か
ら絶縁油を抜いても部品に油が付着しているために、そ
の取扱いが煩雑となるという欠点がある。

さらに空冷却の場合、大気開放型の並列フロ一方式が多
く採用されているが、この並列７０一方式の場合、複数
個のサイリスタ素子の温度差が小さいという利点はある
が、冷却必要風量を多く必要とし、しかも、冷却構造が
大規模になるという欠点があった。さらにサイリスタ素
子を非常に多く使用している電力用半導体装１μでは、
サイリスク素子の冷却フィンに一様に冷却風量が供給さ
れない状態（偏流）になる危険性がある。このような状
態では、当然ながら各サイリスタ素子ジャンクションの
温度は不均一となるために、サイリスク素子の電気的特
性に悪影響を与えると同時に、サイリスタ素子ジャンク
ションの温度が異常に高＜（１２５℃程度）なれば、サ
イリスタ素子が壊れることになる。かかる問題を解消す
るために、予じめ冷却風量を多く供給することとなるの
で、補機動力、例えばブロアの動力を太き（せざるを得
ないという欠点もあった。

また直列フロ一方式の場合、従来装置として第１図から
第４図に示すものがあった。図において１はタンクであ
り、上部タンク２および下部タンク３とを有する。４は
後述するサイリスタ素子の発熱を外部へ放熱する冷却器
であり、上部タンク２に連通されていると共にファン４
ａが設けられている。５は下部タンク３と冷却器４との
間に接続配置され、冷却用の気体を循環させるブロアで
ある。６はモジュールであり、モジュール絶縁風洞７と
、このモジュール絶縁風洞７に収納されたサイリスタ素
子８および冷却フィン９とから成り、絶縁支柱１０に支
えられている。上記モジュール絶縁風洞７は、第２図、
第３図示のようＫ、上記サイリスタ索子８や冷却フィン
９を収納する収納室７ａと、この収納室７ａＫ狭まれた
電気部品１１が収納される電気部品収納室１ｂとを有し
、この電気部品収納室７ｂは第３図に示すようにその底
面全体はメクラ蓋７ｃが設けられ、気体は両側に設けら
れた収納室１ａのみに流れるように形成されている。そ
して積み上げられたモジュール６の収納室７ａを連通さ
せた半導体冷却風洞１２が形成されている。１３は気体
をモジュール６へ導く絶縁風洞であり、積み上げられた
モジュール６を支持すると共にモジュール６に流れる電
流を絶縁する。

１４をまモジュール６を流通した気体を冷却器４へ導く
吹き出し風洞である。

次匠この従来の直列フロー冷却装置の動作につ（・て説
明する。

ブロア５から送り出された冷却用の気体は、ます、下部
タンク３に入り、絶縁風洞１３から各モジュール６の収
納室Ｉａ内へ導かれる。

この際、気体は各モジュール６の収納室７ａのみ、即ち
、半導体冷却風洞１２を通過し、この通過中にサイリス
タ素子８で発生した熱を奪いながら上方へ移動し吹き出
し風洞１４に集められることとなる。従って、このとき
冷却用の気体は熱容聞と風調および総発熱量によって決
定される量だけ温度上昇している。この温度上昇した気
体は冷却器４を通過する際に外気と熱交換されて、再び
冷却されブロア５から再び循環を繰り返すこととなる。

この冷却気体の循環過程のモジュール部分の冷却特性を
示したのが第４図である。尚、この図はモジュール６を
直列に８段積まれたものが２並列に配置された構造の場
合を示す。

図中、横軸はモジュール６の各段位置を示し、縦軸は気
体の流速および温度上昇を示す。また図中の記号はＶＤ
はフィン前面流速、ｖＦはフィン内流速、ガは気体の温
度上昇、ＴＳＣＲはサイリスタ素子ジャンクション温度
上昇である。

この図から明らかなように、従来の直列フロ一方式の場
合、ＶＤのフィン前面流速やｖＦのフィン内流速が、は
ぼ一定であるため、Ｔｇの気体の温度上昇および’ｒｓ
ｃＲのサイリスタ素子ジャンクション温度上昇が一定の
勾配で温度が高（なっている。例えば１段目モジュール
と８段目モジュールでのサイリスタ素子ジャンクション
温度は約８ｄｅｇの温度差がある。従ってサイリスタ素
子ジャンクション温度にバラツキが生じサイリスタ素子
の電気的特性に悪影響を与える。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除去するた
めになされたもので、直列フロ一方式と並列フロ一方式
の構造を組み合せ、半導体冷却風洞の他に所定位置に気
体導入口を設けたバイパス風洞を設けることにより、サ
イリスタ素子ジャンクションの温度を均一化し、冷却風
量を最小限として、補機動力の軽減化を図り、両方式の
利点を兼ね備えた直並列フロー冷却装置を提供すること
を目的とする。

以下、この発明の一実施例を第５図から第１２図につい
て説明する。

図において、第１図から第４図と同一部分は同−省１号
を以って示す。

この実施例のモジュール絶縁風洞γは６段目から８段目
までは従来のものと同じであるが、１段目から５段目ま
でのものは第６図の底面斜視図に示すように、従来のモ
ジュール絶縁風洞７の中央部のメクラ蓋７Ｃに例えば矩
形間ロアｄが開口され、収納室７ａおよび風洞室７ｅＫ
冷却気体が流通できるように形成されている。１５は積
み上げられたモジュール６の風洞室７ｄを連通形成され
たバイパス風洞であり、下部タンク３に連通してイル。

１６は１段目のモジュール６−■に取付けられた絞り板
であって、冷却気体の流量バランスを調整する。この絞
り板１６は例えば第７図および第８図に示すようにメク
ラ蓋ＩＣの矩形間Ｄ７ｄと対応形状の開口１６ａを有し
、矩形間ロアｄおよび絞り板１６に各々対応して穿設さ
れた丸穴７ｈおよび１６ｂにボルト、ナツト等を介して
絞り板１６で矩形間ロアｄを任意の開口面積に調整する
。

１７は所定位置のモジュール６（この実施例では５段目
のモジュール）のバイパス風洞１５の側壁に開口された
気体導入口であり、下部タンク３からの冷たい気体をバ
イパス風洞１５を介して６段目モジュール以後の半導体
冷却風洞１２へ供給する。この気体導入口１７は第９図
および第１０図に示すように、所定段目のモジュール絶
縁風洞７の風洞室７ｅ側壁に開口され、中央の風洞室７
ｅとその左右に位置する収納室７ａとを連通させている
。

次に、この発明の動作について説明する。

ブロア５から送り出された下部タンク３に入った冷却気
体は絶縁風洞１３を通過してモジュール６の収納室７ａ
を介して半導体冷却風洞１２へ流入するものと、中央部
に設けられたバイパス風洞１５に流入するものとに分流
され金。

このとき、半導体冷却風洞１２内を通過していく冷却気
体は上方へ移動するに伴って、収納室７２に収納された
サイリスタ素子９０発熱によって温度は上昇するが、他
方、バイパス風洞１５を通過する冷却気体は温度上昇す
ることなく、この実施例では５段目モジュール６−■に
設げられた気体導入口１７を通過してモジュール６の収
納室７ａに流れ込むまでは加熱されることがないので、
冷気のままで６段目モジュール以後の半導体冷却用風洞
１２に供給されることとなる。

従って、６段目モジュール６−■以後の収納室７ａＫは
バイパス風洞１５から気体導入口１７を介して供給され
る冷たい気体と、下段のモジュール６０半導体冷却風洞
１２を通過して来た加熱された気体との両者が流れ込む
ことによって、冷却フィン９の熱抵抗も小さくなり、結
果的にはサイリスタ素子ジャンクション温度が低（なる
。この冷却気体の循環過程におけるモジュール部の冷却
特性を示したのが第１１図である。

１段目モジュール６−■から５段目モジュール６−■で
は、収納室７ａに供給される冷却気体の流量がバイパス
Ｊ虱洞１５を通過する流量分減少するので、フィン前面
流速ＶＤ、フィン内流速ＶＦが低（なっている。この影
響を受けてサイリスタ素子ジャンクション温度上昇Ｔ’
ｓｃＲが従来のものより約５ｄｅｇ＠［が高くなってい
る。しかし、６段目モジュール６−■からは再び気体導
入口１７から冷気が供給されるために、流速が速（なり
、サイリスタ素子ジャンクション温度上昇ＴＳＣＲが従
来の直列フロ一方式の場合と同じような冷却特性となっ
ている。

この第１１図から明らかなように、サイリスタ素子ジャ
ンクション温度上昇ＴＳＣＲが１段目モジュール６−■
から８段目モジュール６−■にわたって、はぼ一様な温
度分布となっている。

そこで、この発明の直並列フロ一方式の場合、モジュー
ル６とバイパス風洞１５のそれぞれを通過する冷却気体
の流量バランスを考慮することが重要である。この圧力
損失のバランスを調整する手段として上記絞り根１６を
設けたり、また、気体導入「」１１の開Ｕ面積を調整す
ることも有効である。

また第１２図は従来の直夕（１フロ一万式とこの発明に
係る山並列フロ一方式とを同一性能のブロアを使用して
比較した特性曲想を示１゜ 図中１８はブロア５のＱ−□Ｈ凹曲線１９は従来の直列
フロ一方式の圧力損失特性曲線、２０はこの発明に係る
直並列フロ一方式の圧力損失特性曲線を示す。

この的並列フロ一方式の場合、実測などの結果より第１
し」で示した従来の直列フロ一方式の場合よりも）−Ｅ
力損失かΔＨだけ小さくなるため、その結果として、ブ
ロア５の流量がΔＱだけ大きくなる。例えば、最小限の
必要流量をＱｌとする。この流量Ｑ１のみ供給するので
あれは、予め、この増量分ΔＱだけ、ブロア５の動力を
小さくすることが可能となる。

即ち、従来の直列フロ一方式の場合の動力はＰ１＝　”
”−（ＫＷ）で与えられる。これに対し６１２０ｎ て最小限の必要ωＬ蛍をＱ】とすれば直並列フローまた
特にブロア５の動力を軽減しないとすれば、流量の増量
分ΔＱに相当する分だけ、サイリスタ素子ジャンクショ
ン温度上昇ＴＳＣＲは低くなることになる。

以上のようにこの発明によれば、直列フロ一方式と並列
フロ一方式の構造を組み合せ、サイリスタ等の半導体を
冷却する半導体冷却風洞の他Ｋ　Ｈｒ定位置に気体導入
口を設けたバイパス風洞を設けたので、サイリスタ素子
ジャンクションの温度を均一化し、電気的特性を向上さ
せ、また冷却風量を最小限とし、動力の軽減化し、冷却
効率を向上させる等の惨めて優れた効果がある。

尚、上記実施例ではサイリスタ素子を冷却する場合につ
いて説明したが冷却する必要のある半導体すべてにこの
発明を適用することは勿論である。

またモジュール絶縁風洞の矩形開口および絞り根も有効
に流量バランスを調整できるものであれば如何なる構成
であってもよい。

従来０）モジュール絶縁風洞の斜視図、第３図は第２図
のモジュール絶縁風洞を底面からみた斜視図、第４図は
従来の直列フロー冷却装置の冷却特性図、第５図はこの
発明の一実施例の直並列フロー冷却装貨の縦断面図、第
６図、第７図はこの発ψ］のモジュール絶縁風洞の底面
からみた斜視図、第８図は絞り板の斜視図、第９図、第
１０図は気体導入口を有するモジュール絶縁ｊ虱洞の斜
視図、第１１図はこの発明の冷却特性図、第１２図はこ
の発明のブロアの特性曲線図を示す。

１１１１＋１１タンク、５＠−％ジュール、７　ａａ・
・半導体収納室、８・・・サイリスタ素子、１２・・・
半導体冷却風洞、１５・・・バイパスｊ虱洞、１７・・
・気体導入Ｉコ。

なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

代　理　人　　Ｓ　野　信　−（ほか１名）第　ｌ　図 第　２　図 第　３　図 第　７　図 弔　９　図 第　ｌＯ図 ｎ 第　Ｉｆ　　図 第　ｆ２　　口 流量Ｑ 特許庁長官殿 １．事件の表示　　　　特願昭５７−１２０８４１号２
、発明の名称 直並列フロー冷却装置 ３、補正をする者 補正の対象 Ｉ）明細書の特許請求の範囲の欄 り明細書の発明の詳細な説明の欄 １）明細書の図面の簡単な説明の欄 補正の内容 ）別紙の通り特許請求の範囲を補正する。

ｉ）明細書第２頁第８行目、同頁第１０行目、同第３頁
第１行目の「空冷却」とあるのを「空気冷却」と補正す
る。

）明細書第４頁第８行目、同頁第１１行目、同頁第１９
行目、第５頁第１行目、同頁第５行目、同頁第９行目、
同頁第１２行目、同頁第１４行目、第７頁第３行目、同
頁第４行目、同頁第１３行目、同頁第１６行目、同頁第
１８行目、同頁第２０行目、第８頁第１行目、同頁第１
１行目、同頁第１３行目、同頁第１４行目、同頁第１６
行目、同頁第１７行目、第９頁第２行目、同頁第３行目
、同頁第４行目、同頁第６行目、同頁第９行目、同頁第
１７行目、同頁第１９行目、第１０頁第７行目、第１１
頁第２行目、第１２頁第１４行目、同頁第１５行目、第
１３頁第３行目、同頁第８行目、同頁第９行目、同頁第
１３行目、同頁第１５行目、同頁第２０行目の「洞」と
あるのを１胴」と補正する。

７、添付書類の目録 補正後の特許請求の範囲を記載した書面１通 以上 補正後の特許請求の範囲 冷却用の気体の供給口および排出口を有し、該気体を循
環させるタンクと、前記タンク内に縦列に並べられ、サ
イリスタ素子等の半導体を収納する複数のモジュールと
、前記モジュールの半導体収納室を連通し、前記気体を
流通させ前記半導体の冷却を行なう半導体冷却風胴と、
前記モジュールに連通形成され、前記タンクの気体の供
給口に連通したバイパス風胴と、所定位置の前記モジュ
ールのバイパス風胴側面に設けられ、前記供給口からの
新鮮な冷却用の気体を前記半導体冷却風胴に補給する気
体導入口とを備えた直並列フロー冷却装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 冷却用の気体の供給口および排出口を有し、該気体を循
   環させるタンクと、前記タンク内に縦列に並べられ、サ
   イリスタ素子等の半導体を収納する複数のモジュールと
   、前記モジュールの半導体収納室を連通し、前記気体を
   流通させ前記半導体の冷却を行なう半導体冷却風洞と、
   前記モジュールに連通形成され、前記タンクの気体の供
   給口に連通したバイパス風洞と、所定位酋の前記モジュ
   ールのバイパスＪ虱洞１１４１１面に設けられ、前記供
   給口からの新鮮な冷却用の気体を前記半導体冷却風洞に
   補給する気体導入口とを備えた直並列フロー冷却装置。