JPS6214447A

JPS6214447A - 平形電力半導体素子冷却器

Info

Publication number: JPS6214447A
Application number: JP15294685A
Authority: JP
Inventors: Hisateru Akachi; 赤地　久輝
Original assignee: Actronics KK
Current assignee: Actronics KK
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1985-07-11
Publication date: 1987-01-23

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】（イン　産業上の利用分野本発明は電力半導体素子の冷却に用いられる冷却器の構
造に関するものであり、特に受熱ブロックとヒートパイ
プ群と放熱フィン群とで構成されるヒートパイプ式放熱
器の受熱ブロックの構造の改善に関するものである。

（ロ）従来技術一般に発熱素子の冷却に用いられる冷却器は素子から効
率的に熱を受熱しヒートパイプに伝達せしめる為の受熱
用金属ブロックとヒートパイプと放熱フィン群とから構
成される。特にサイリスタに代表される平形電力半導体
素子の冷却器においては多数の素子と多数の受熱用金属
ブロックを交互に積層して冷却スタックとして用いられ
ることが多い。近時は電力半導体素子は大型強力なもの
が開発され、それ等は積層スタックとして構成する為に
平形の円板状に形成されてある。しかもその素子に依る
１個当シの制御電力は大型のものは５００Ｗ−１ｋＷが
通常となっており更匡は１ｋＷ〜１．５　ｋＷの素子も
実用化されようとしている。

これに伴って素子の直径は現用の５Ｏｎ＋〜８０ｉｎか
ら今後Ｖｉ８５朋〜１００ＩＩＩＩに至る素子も実用化
される状勢である。従って受熱ブロックも益々大型化さ
れる傾向にある。受熱ブロックは熱量を受熱してヒート
パイプに伝達する機能と半導体の平面と大きな電力の授
受を低損失で行なう電気伝導の機能をも併せて与える必
要がある。その為に一般には実用金属材料として抜群の
熱伝導率と導電率を有する純銅が受熱ブロックの材料と
して用いられる。

近時の素子１個当りの制御電力容量の増加はフィン群の
放熱面積を増加する必要を生ぜしめフィン群の容積を拡
大せしめる必要を生ぜしめている。

又ヒートパイプの素子１個当りの所要本数も従来１〜２
本でありたが電力容量と共に増大する発熱量に応じて増
加の必要があり最近では４〜６本を必要とする様になり
８本〜１０本のものも実用化される可能性がある。第１
２図及び第１３図は従来の平形電力半導体素子冷却器と
半導体素子がスタック化された場合の配置関係を示す略
図でおる。

図面簡素化の為冷却器と素子のみを示しであるが実際の
使用状態ではスタックは金属ブロックと素子の電接部を
数基の連続的加圧力で締結することに依り電気的及び熱
的に接触熱抵抗を極少ならしめる加圧支持具や電源入出
力端子や架台及び強制対流風の流れを誘導する風洞等多
数の附加部品が加えられるが本図では総べて省略されて
ある。図において１は受熱用金属ブロック、２はヒート
パイプ、３はヒートパイプの放熱部に装着されたフィン
群である。４はプロ・ツタに設けられてあるヒートパイ
プの挿接孔である。５は平形電力半導体素子である。素
子の両側電接面には作動時には大きな電位差があり、夫
々の隣接冷却器は相互に大きな電位差が生じて居るので
、放熱フィン群６は隣接フィン群との間に放′−を生じ
ない様に空間が設けられてろる必要がある。第１２図は
強制対流風向側から眺めた図であり第１３図は矢印で衆
わしである強制対流風向に対して側面から見た図である
。

（ハ）発明が解決しようとする問題点第１２図、第１３図から分かる最も重用な問題点は素子
当りの電力容量が大きくなると受熱用金属ブロックが大
形重量化されるということである。

即ち第１３図から（ａ）素子５の直径が大きくなるとブ
ロックは大形化する。（ｂ）ヒートパイプ本数が増加す
るとブロックは大型化せざるを得ない。又第１２図から
はフィン群の面積を拡大せしめて放熱容量を増大せしめ
る手段としてフィン巾を増大せしめる場合は受熱ブロッ
クの厚さを増加せしめる必要があることが分かる。更に
第１３図からフィン面積増大手段としてフィンの風向に
平行な長さを増加せしめる場合ヒートパイプ間隔をも拡
大せしめないとフィン効率が低下してフィン長さを増加
せしめる効果は失なわれることが分かる。ヒートパイプ
間隔を拡大するには受熱ブロック金拡大せしめる必要が
おる。

これ等の点から大容量の平形−カキ導体冷却器の従来構
造の問題点は受熱ブロックの大形化にあることが良く分
かる。又この大形化はその金属材料が殆どの場合純銅で
あることに因り電量過大の原因となりスタック全体の重
量化が重大な問題点となりつ＼ある。

近時は受熱ブロックの大形化に対し根本対策とはならな
いが少しでも放熱効率を向上せしめてブロックの大形化
を減少させる為比較的小形のヒートパイプ゛を多列多段
化せしめる例が採用され始めている。これは放熱フィン
群中において強制対流の風の流れに乱流を発生せしめ熱
伝達率を増加させ、実質的にフィン面積を拡大せしめた
と同様の効果を発揮させる。その状態を第１４図、第１
５因子面図のブロック１に設けられたヒートパイ１挿接
孔群４によって示しである。第１４図は１列３本の従来
のヒートパイプ配列を示し、ｅＫ１５図は２列３段の碁
盤目配列を示す。第１４図のブロック１ｒ：使用した場
合は大径のヒートパイプ３本が配列される。又ブロック
が６１９大型化するのを防ぐ為ヒートパイプの直径の大
きさに比較して間隔が狭くなっている。強制対ｃＬ熱伝
達率は直径が大きい程低下することは一般に知られてい
る通りであり、又フィン面の中でヒートパイプが一部に
偏在している場合、フィン面にフィン効率の悪い部分が
発生しフィン全体としてのフィン効率が低下する。第１
５図の２列３段の場合、ヒートパイプが細いことから熱
伝達車が向上し、ヒートパイプ間の乱流発生に因っても
熱伝達率は向上する。

又フィン面におけるヒートパイプが分散配置されてある
ことに因ってフィン全体としてのフィン効率が向上する
。然し第１５図から分かる様にフィン動車改善の為に列
間隔を保持させる為には受熱ブロックを厚肉化させる必
要がめる。この点からも放熱能力向上の為には受熱ブロ
ックの大型化、重量化が必要なことが分かる。

現在の受熱ブロックの階選べは他にも重要な問題点が残
されており、ヒートパイプ式冷却器のこの分野における
利用を妨けて０る。その一つは銅ブロックの機械加工の
困難さである。特沃挿接孔の形成は最も困難な作業の一
つとされており、冷却器のコスト高の大きな歎因を占め
ている。その第２の問題点は挿接孔区対するヒートパイ
プ挿接作業の困難さでおる。この挿接作業は単なる挿入
にや接Ｎ赴犠る接着では大きな接触熱抵抗が発生し実用的
に実施が不可能である。通常は挿入後の拡管に依る方法
、焼ばめに依る方法、はんだ接着に依る方法等が採用さ
れる。然し何れの場合にも挿入体がヒートパイプである
点からその作業はヒートバイ１の作動液の飽和蒸気がコ
ンテナの許容内圧以上ｙｃ上昇しない温度範囲で実施す
る必要がめる為に極めて困難な作業となる。比較的容易
な作業方法としては低温はん友に依る挿接が最も多用式
れるがこれも決して容易ではない。例えば水作動液鋼コ
ンテナのヒートパイプの許容内圧は１８０゜〜２００℃
であるが、融点１４３℃の低融点はんだの実用接着温度
は２００℃前後であり、極めて困難な且つ熟練を要する
作業でめることが分かる純アルミニウムは熱伝導率が最
も銅に近く且つ軽量であるが受熱ブロックとして高性能
冷却時には全く使用されないのはヒートパイ１の挿着が
はんだ接着で実施することが不可能なことに依る。

半導体素子の大容量化に起因する受熱ブロックの大形化
はその熱容量を増加せしめる。これに因って冷却器の熱
応答速度が低下する。然しその一方で一般に銅、アルミ
等の極めて熱伝導率の大きな材料で形成きれている金属
ブロックは負荷の変動をよく吸収して異状な温度上昇を
防止して素子を保護することが出来る。即ち銅、アルミ
゛等の受熱ブロックの大形化は過渡熱抵抗を小さくさせ
て素子の温度の急止！４ヲ防ぐ効果があり、冷却器が完
全に応答して作ｖＪを始める迄の間素子を保躾する能力
が増加する。然し負荷の変動は機器に依りその範囲は限
定さ九て居り、過渡熱抵抗は必ずしも小さい程良いわけ
ではなく、適切な過渡熱抵抗の範囲内であればブロック
許容１は小さく熱応答速度は速い程よいことは云う迄も
ない。然し従来技術によるプロブク病造では受熱ブロッ
クの容積は素子の直径やヒートパイプの本数、フィンの
巾等の如き他の要因で自から決定され、従って熱応答速
度や過渡熱抵抗は制御不可能でろり、これも問題点でめ
った。

本発明は受熱金属ブロックの！１４造を従来構造と全く
変えることに依り従来の受熱ブロックの弔する問題点の
多くｋＭ決すると共にそのｆＩｉ能全改菅せんとするも
のである。従来は受熱ブロックに対するヒートパイプの
挿接方向及び挿接位置及びヒートパイプの放熱部を形成
するフィン群の挿着状態等に関する文献は各種のものが
あったが上述の如き問題点についての解決の為の文献や
、ブロックの構造の改善による上述問題点解決の文献は
本発明者の知る限りでは在存しないので比較対照は省略
する。

受熱ブロックの構造改善に依り本発明が解決又は改善せ
んとする問題点は次の如くである。

（＆）ヒートパイプの受熱部と受熱ブロックの挿着の容
易化に依る作業性の改善と挿着部の接触熱抵抗の改善（ｂＪ受熱ブロックの機械加工の容易化に依る低価格化（Ｃ）受熱部の一部又は全体のアルミ化を可能とするこ
とに依るブロック重量の軽量化（ｄ）冷却器の熱応答速度、及び過渡熱抵抗値を設計時
点で所望の値に設定することを可能くする。

に）問題点を解決する為の手段本発明に係る平形電力半導体多１子冷却器の構造に依っ
て問題点を解決する為には適用されるべき該冷却器の基
本構造を限定する必要がある。従来構造における小容量
の冷却器でヒートパイプの１〜２本が挿着されてあるも
のに線適用しても無意味であるか効果は極めて少ない。

即ち本発明は受熱用金属ブロックとヒートパイプ群と放
熱フィン群とから構成され、ヒートパイプ群の各受熱部
は受熱用ブロックに設けられてある挿接孔群に挿着され
てあり、ヒートパイプ群の各放熱部はそれ等の長さ方向
には相互並列に配置され、長さ方向に対して直交する平
面においては碁盤目配列が千鳥配列になる様に配置され
て個別又は共通のフィン群が形成されてある如き平形電
力半導体素子冷却器に適用される。この場合に発生する
前述の如き問題点全解決する為の手段は冷却器の受熱ブ
ロックが次の如く構成されてあることである。

（ａ）ブロックは２枚の電接片と必要な場合にそれ等に
挾持されてある何枚かのスペーサ片の少く共２枚以上の
構成片の積層構造であること。

（ｂ）電接片の夫々の外側面は電接面としてスムースな
平面に形成されてあり、該電接面金片して半導体素子と
受熱ブロックとは相互に電気的に且つ熱的に接触接続さ
れるものであること。

（Ｃ）それ等の構成片の何れかにヒートパイプ接続構造
が設けられてあること。具体的には電接片にヒートパイ
プの受熱部群を挿接する挿接孔群が設けられてあるか、
電接片かスペーサ片に設けられたＵ字溝群と隣接構成片
の平面とで形成された挿接孔群が設けられてあるか、又
は電接片とスペーサ片の双方に設けられた半円形Ｕ字溝
群により合わせ形成された挿接孔群が設けられてあるこ
と。又ヒートパイプの受熱ｍｋ組合わせてそのま＼電接
片として形成されてあってもよい。

（ｄ）電接片に対する電力入出力端子を有する構造体が
構成片の何れかに設けられておるか、電接片とスペーサ
片に挾持された副スペーサ片に設けられてあるか何れか
でおることい（ｅ）電接片は可能な限り薄肉に形成すると共に両外側
の電接面間の距離即ちフィン平面内におけるヒートパイ
プ配列の列間距離の基本はスペーサ片の厚さで決定され
る様になっていること。

上述の如き本発明に係る平形電力半導体素子冷却器の受
熱ブロックの基本的な構造を第１−図に例示しである。

図において１−１．１−２は電接片でその外側平面には
半導体素子を加圧的に接触せしめるスムース面である電
接面６が設けられてある。又夫々の電接片にはヒートパ
イプの受熱部全挿接する為の挿接孔群４−１．４−３．
４−５及び４−２．４−４．４−６が並列に設けられて
ある。図匝おいては挿接孔は垂直に設けられてあるがこ
れはヒートパイプの放熱部の位置に依っては水平方向に
設けられる場合もある。１−３はスペーサ片であって、
ヒートパイプが直線状である場合にも、曲げられである
場合でも放熱部におけるヒートパイプ配列の列間隔は、
基本的にはスペーサ片の淳さに依って決定される様にな
っている。

電接片１−１．１−２は当然電気及び熱の良導体である
金属で形成されてめるが、スペーサ片１−６は冷却器の
便用されるａ器に応じて金属、非金Ｍｋ問わず如何なる
素材で形成されてあっても良い。７は電力入出力端子で
図ではスペーサ片に設けられてある。該端子は電接片に
設けられてあっても良く、又電接片とスペーサ片とに挾
持された６ｍ＋１スペ一サ片に設けられてあっても良い
。スペーサ片１−３と電接片１−１．１−２は密に接着
されて全体として積層体受熱ブロックを形成している。

図の如く電力入出力端子７がスペーサ片に設けられてあ
る場合は積層用接着材は電気伝導性の良好な接着材であ
る必要があり金属はんだ、導電性接着材等が用いられる
。当然この場合スペーサ片は良導電率の金属が用いられ
る。スペーサ片が絶縁物で形成されてある場合は電気絶
縁性接着材を用いても良いがこの場合は電力入出力端子
７は電接片１−１．１−２に夫々に設けられるか、副構
成片であるスペーサ片に設けられる。又積層手段として
は必ずしも接着材によらず、ボルト等に依る締結による
ものであっても良い。

（ホ）　作用第１図の如き基本構造に構成された本発明に係る冷却器
の受熱ブロックは次の如き作用を発揮する。

（ａＪヒートバイブの挿接作業が容易確実となる。ヒー
トパイプの挿接は熱抵抗を小さくする為に一般にははん
だ挿着される。この場合なヒートパイプも受熱ブロック
も共にはんだ熔融温度より充分に高い温度に加熱して金
属はんだの流動性を良くして実施する。この場合熱容量
の大きなブロック全体に挿接する必要がなく軽量小形で
熱容量の小さな電接片とヒートパイプを挿接すれば良い
ので作業性は著しく改善され、挿着孔内に空気が残留す
る等の作業ミスの発生も解消する。

（ｂ）電接片が小形軽量であるから挿接孔の切削が容易
であり精度の高い仕上げが可能となる。又ヒートパイプ
外径と挿接孔内壁間の間隙を小さくすることが出来るの
で熱抵抗の小さな挿着が可能となる。又後述する実施例
で示す如く、挿接孔は電接片に設けたＵ字溝群で形成し
ても良く、更に電接片とスペーサ片と双方に設けた半円
形Ｕ字溝の組合わせに依り形成しても良い。従って純銅
や純アルミに削孔する場合に比較して作業が容易である
。

又これ等の場合は削孔内に挿入する場合と異なり、ヒー
トバイブに充分な加圧力を加えて圧入することが出来る
ので、ヒートノ（イブ外壁とＵ字溝内壁との間隙は零に
近づけることが出来るので接触熱抵抗も零に近づけるこ
とが可能となり冷却器の性能が向上する。

（Ｃ）　［接片及びスペーサ片が小形軽量であるので挿
接孔、Ｕ字溝の形成も含めて構成片は押出成形が可能と
なる゛。特に素材としてアルミ材を使用する場合は押出
成形は非常に容易となる。一方で厳近の新技術として５
ｎ−Ｐｂ系のはんだでアルミニウムと異種金属間、アル
ミニウム相互間のはんだ接着を容易にするはんだ合金が
実用化市販され始めている。従って本発明に係る積層形
受熱ブロックは全アルミ又はアルミ−銅で構成すること
が可能となった。又アルミ挿接孔に対する銅コンテナヒ
ートバイブの）・ンダ挿接も容易となっている。この様
にして構成嘔れた受熱ブロックを採用することに依り本
発明に係る冷却器は従来構造の冷却器に比べて大巾に軽
量化することが出来る。

（ｄ）本発明に係る冷却器の受熱ブロックにおいてスペ
ーサ片として熱絶縁物で形成したものヲ使用する場合は
受熱ブロック全体として、実質的な熱容量は大巾に小さ
なものとなり冷却器の熱応答速度は著しく早くなる。然
し熱入力の変動が大きく、変動速就が熱応答速度より早
い場合は対すする能力が不足して半導体素子の温度は大
巾に変動する。

これは過渡熱抵抗値の増大ｔ−ｍ味する。逆にスペーサ
片が純銅で構成されてある場合はブロック全体の熱容量
は増加し又熱吸収速度も速くなり、熱本発明に係る積層
形受熱プロヴクはスペーサ片を熱絶縁体と熱伝導性の良
好な金属とを適切に組合わせたり、又熱容量の異なる金
属を組合わぜたりすることにより熱応答性や過渡熱抵抗
特性に調整することが可能となる。これ等の特性は冷却
器にとりてｖｔ要な特性であるにも係わらず従来構造の
ものでは全く調整不可能でおった。

＜６）電接片の構造を標準化し、スペーサ片の厚さ、材
質等を変えることに依り各種の半導体冷却器に対応させ
ることが出来る。即ち精密さや複雑な構造が要求される
電接片は同−構造にて量産化し、スペーサの厚さを変え
ることに依り放熱量のＪＡなる（フィン面積の異なる）
冷却器に対応させることが出来る。又平形半導体素子の
厚さに応じてスペーサ片の厚さを加減することに依り冷
却装置の他の部分は全く同−設計の１＼で対応させるこ
とも可能である。

（へ）実施例第１実施例第２図は本発明実施例の基本的構造を示した第１図の平
面略図である。各部の機能は既に説明した通りであるが
電接片１−１．１−２の夫々に設けられた挿接孔群４−
１〜４−６は従来構造の半導体素子冷却器に比べて細い
直径の挿接孔が多数段けられであるので！接面からヒー
トバイブ群の異面に至る距離が小さくすることが出来る
特徴がある。従って電接片は酸１薄肉であって、電接面
。

ヒートパイプ間の熱抵抗が小さくすることが出来ると共
に熱応答速度が早い特徴がある。

又電接片をアルミニウムで形成する場合は挿接孔が設け
られた状態で押出加工により形成することが容易でるり
、機械加工費が少なくてすむ点も利点である。この実施
例は全アルミ化が容易であるが特に高性能が要求される
場合は電接片は純銅を用いる方が望ましい。

第２実施例第３図は挿接孔４−１．〜４−６が電接片１−１．１−
２に設けられたＵ字溝で形成された実施例について示し
である。その場合のヒー　トノ＜イブ２−２．２−４の
挿接状態は第４図及び第５図に示してるる。何れの場合
もスペーサ片１−６の両面は平滑であり、スペーサ片と
Ｕ字溝で形成された挿接孔にヒートバイブは挿接されて
める。第４図では挿接孔の形状に応じてヒートノ＜イブ
２−２゜２−４はか１はこ状に変形せしめて熱接触を向
上せしめておる。第５図ではヒートノ（イブの半円はＵ
字＃４を完全に接触し、残りの半円は間隙部をはんだ合
金で充填して熱接触を向上せしめである。

この実施例では挿接時にプレス等による加圧に依って挿
接孔とヒートパイプの接触を完全ならしめることが出来
るので第１実施例匡おける挿入構造より接触熱抵抗を小
さくすることが出来る。更にはんだや熱伝導性接着材全
併用して微小空隙を充填すれば接触熱抵抗は無視出来る
程に小さくすることが出来る。該実施例の構造も押出成
形が容易であるから電接片を安価に量産することが出来
る。

又純銅電接片の如く押出加工が困難である場合も機械切
削が容易で量産化に適している。

第３実施例第６図はＵ字溝群４−１．〜４−６がスペーサ片１−３
に設けられてある実施例を示す。この場合電接片１−１
．１−２は平板薄板で形成される。

ヒートパイプの挿着状態は第４図、第５図と同様である
。図においては電力入出力端子７は副スペーサ片と一体
化して２枚のスペーサ片に挾持されてあるがスペーサ片
は一体化されておっても良い。

その場合は電力入出力端子７はスペーサ片と１体化形成
されるか電接片と一体化されるか、スペーサ片と電接片
に挾持される副スペーサ片と一体化される。この実施例
の作用は第２実施例と大差はないが、スペーサ片が電気
及び熱の良導体を素材とするものに限定される。

第４実施例第７図は半円形Ｕ字溝群を電接片１−１．１−２、及び
スペーサ片１−３の両者に設けて挿接孔が形成されてあ
る実施例を示す。この場合はヒートパイプ２の円筒形と
挿接孔が全面的に密接する利点がめるが、Ｕ字溝の形状
、ピッチ等を精密に成形する必要があり、押出成形のみ
では成形不可能でめり押出成形後頁に機械切削を併用す
る必要が生じる。又前述各実施例ではスペーサ片は厚肉
平板のみで良かったものに対し各徨加工を要するので受
熱ブロック全体として構成上の自由度が減少する欠点が
ある。

第５実施例ヒートパイプの構造は必ずしも円筒形のみに限定されな
い。平形や方形のヒートパイプもあれば受熱部のみが平
形又は方形のヒートパイプもある。

本発明にこれ等のヒートパイプを適用する場合は電接片
又はスペーサ片に平形や方形の挿接孔や挿接溝を設ける
ことは極めて困難で実用的ではない。

その様な場合は該ヒートパイプの受熱部群を組合わせて
平板状に成形し、本発明に係る電接片とスペーサ片に挾
持せしめると良い。換言すれば平板状電接板とヒートパ
イプの所定数の方形受熱部を組合わせて一体化せしめて
電接片１に構成すれば良い。第８図はその実施例の受熱
ブロック断面図を示す。図においては方形に近い断面図
であるが、放熱部におけるヒートパイプの段列における
段間隔を大きくする必要ある場合は各方形ヒートパイプ
受熱部はより平板状に近い方形となる。又その為電接片
に加えられる接触熱抵抗減少の為の加圧力に耐えられな
い場合は強力な支持体を兼ねたウィツクや細管が挿入し
て構成される場合もある。

第５実施例は熱伝達にブロックを介することなくヒート
パイプに直接熱入力が行なわれるので熱応答速度が極め
て速い利点がある。本実施例ではスペーサ片に伝達され
る熱量は極めて少ないのでスペーサ片は熱絶縁体でも良
い。但しその場合は図の如く電力入出力端子７−１．７
−２の如く電接片又はヒートパイプに密着し九副スペー
サと一体化して設けられる。

ヒートパイプの平形受熱部、方形受熱部の肉厚が充分に
大きな場合は電接板１−１．１−２．は省略してヒート
パイプ受熱部２−１．２−３．２−５の如く又は２−２
．２−４．２−６が相互に接着されたま＼の構成で電接
片としても良い、この場合は電接面は研削加工により平
滑化させる必要がある。電接面には一般に２０〜３０に
９／ｃａ１位の加圧力が加えられるので、電接板を省略
するかしないかはヒートパイプの受熱部が上記加圧力に
耐えられるか否かで決定される。他の実施例においては
ヒートパイプの放熱部の配列における各段間の距離が過
大である場合、受熱部におけるヒートパイプ間の金属間
熱伝達距離が増加する為熱応答性が低下したり、熱抵抗
値が増加する等の問題が生じるが第５実施例ではその様
な問題は発生しない。その様な場合は第５実施例ではヒ
ートパイプの受熱部は厚さに対して幅の充分に大きな平
形受熱部が用いられる。第９断面図はその様に充分に広
幅の受熱部を採用した場合耐加圧力が小さくなるのを防
ぐ為に耐圧用の金属細管群８を出入しである例を示しで
ある。第１０断面図、第１１断面図は他の実施例に比較
して第５実施例が段間距離を大きくすることの可能な状
態を示しである。

他の実施例第１Ｏ図においては亀接片内匡おけるヒート
パイプの位置は半導体素子５Ｖｃ出来るだけ近接させる
必委があるが第５実施例第１１図においては平形方形断
面受熱部２−１．２−２．２−６の喝又は長さを充分に
太きくＬ、２−１．２−２．２−３の一部分たけが半導
体素子に近接している。又それ等のヒートバイフ゛受熱
部の放熱部のどの位置に設けられてあってもよいので、
図で示した如くヒートパイプの放熱部の間隔は充分に大
きくすることが出来る。この様にして電接部を形成して
おっても受熱部のヒートパイプ特性に依り熱応答性や熱
抵抗値が悪化することが無い点は第５実施例の最も重要
な特徴である。

第６実施例前述の如く本発明に係る冷却器は全アルミ化が容易であ
る。然しコストダウンの為には上述各実施例においてス
ペーサ片を安価なアルミニウム合金音用いることが望ま
しい。即ち電力入出力端子を一体化した構成片が電接片
と接着されてある如き実施例の場合スペーサ片には高電
導性は要求されない。その場合は再熔解アルミニウムの
如き不純物を多量に含んだアルミニウム合金で形成され
たスペーサ片を用いても本発明に係る冷却装置の構成に
は何等の支障なく、冷却器の軽量化を実施することが可
能である。又電接片は純銅で形成し、スペーサ片はアル
ミニウム屑の再熔解金属であっても性能上は何等の支障
はない。

第７実施例前述の如き各実施例図においてスペーサ片の一部又は全
部全熱絶縁材料で構成する場合、冷却器の熱応答性を改
善したり、過渡熱抵抗値を任意の値に設定することが可
能となる。これ等の目的の為に夫々に適切な熱伝導率や
熱容量の素材音用いてスペーサ片を形成することにより
所定の熱応答性や過渡熱抵抗値を得ることは可能である
。然し最も実用的な構成は熱絶縁材料と熱伝導性の良好
な材料の複合材料でスペーサ片が構成された構造である
。即ち熱絶縁材料は冷却器の熱応答特性を向上せしめる
ものであり、熱伝導性が良好で熱容量の大きな材料は熱
入力の急激な変動や急激な熱入力の断続に対してダンパ
ーの役目を果たすもので、それ等に最も簡便に対応させ
る構造としてはスペーサ片を分割構成し、熱絶縁材料と
伝熱材料の許容１比に依り対応させることが最も実用的
である。

（ト）発明の効果上述各項に詳述し九如き本発明に係る平形電力半導体素
子冷却器の構造は数多くの作用効果全発揮するものであ
るがｍ要な効果について要約すれば次の如くである。

（ａ）大型化した受熱ブロックについて積層体ブロック
化されることにより、性能上重要な役目のめる電接部に
ついては小型軽量化により高い精度で能率よく裏作する
ことが可能となり、他の部分については低品位安価な素
材や市販金属板１ｆｒ０２用することが可能となり冷却
器全体としてコストバホーマンスが向上し性能も改善さ
れる。

（ｂ）鋼とアルミニウムの画素材に依る複合ブロック、
純アルミニウムとアルミニウム合金に依る複合ブロック
、用途によっては全アルミニウムブロック等の如く構成
することが可能となり素子冷却器の重量の大半を占める
ブロックを大幅に＠量化することが出来る。平形半導体
素子とその冷却器を交互に多数積層し、スタフクとして
使用される平形　　　　”電力半導体素子冷却器が＠証
化されることは該冷却器が適用される機器にとって極め
て重要な効果である。

（Ｃ）従来不可能でめった半導体素子冷却器の熱応答性
能の設定や負荷の急激な変動に対しダンパーとしての性
能である過渡熱抵抗値の設定が設計段階で可能になり、
高価な純銅、純アルミニウム等の無駄な使用を省くこと
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はともに本発明の第１実施例金示し
、第１図は斜視図、第２図は平面略図、第３図、第４図
、第５図はともに本発明の第２実施例を示し、第３図は
平面略図、第４図は一部断面略図、第５図は一部断面略
図、第６図は本発明のｔｊ４３実施例を示す平面略図、
第７図は本発明の第４実施例を示す平面略図、第８図〜
第１１図はともに本発明の第５実施例を示す断面略図、
第１２図および第１３図はともに従来の冷却器の一例を
示し、第１２図は正面略図、第１３図は側面略図、第１
４図および第１５図はともに従来のヒートパイプ配列を
示−ｊ説明図である。１−１．１−２・［＆片、１−３　・・・スペーサ片、
２・・・ヒートパイプ、２−１〜２−６・・・ヒートパ
イプの方形受熱部、３・・・フィン群、４・・・挿接孔
、４−１〜４−６・・・挿接孔群、５・・・平形電力半
導体素子、６・・・電接面、７・・・電力入出力端子、
８−１〜８−３・・・金属細管群。第５図賀２′Ｘ杏色イｆｊの一部Ｉｈ１−各の藁３史８セイ９
：ｌｆ）平ｈｉ１名Ｂ第７図窯５１梵脅′３の断面時侶第１２図イＬ未旬ｋｉ／）正ｆｆｎ嶋い第１４図第１３図イ更釆木ル迫のイ蓼・〕〕６ｂ−各す第１５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）受熱用金属ブロックとヒートパイプ群と放熱フィ
ン群とから構成されてあり、ヒートパイプ群の各受熱部
と受熱用金属ブロックとは所定の装着手段によって低い
熱抵抗で、相互に熱的に接続されてあり、ヒートパイプ
群の各放熱部はそれ等の長さ方向には相互並列に配置さ
れ、長さ方向に対し直交する平面上では碁盤目配列か千
鳥配列に整列配置されて個別又は共通に放熱フィン群が
設けられてある平形半導体素子冷却器において、受熱用
金属ブロックは平形電力半導体素子と伝熱的に且つ導電
的に接触接続される為の電接面がその片側の面に設けら
れ、熱伝導性及び電気伝導性の良好な金属からなる２枚
の電接片と、該電接片の電接面を外側にした２枚に挾持
されてあるスペーサ片とを主たる構成片とし、これ等に
所定の副構成片が挾持されてある場合もあり、スペーサ
片が省略されてある場合もある少く共２枚以上の構成片
からなる積層体ブロックであり、それ等の構成片の何れ
かにヒートパイプを装着する手段と電力入出力手段とが
設けられてあることを特徴とする平形電力半導体素子冷
却器。
（２）前記、電接片に設けられた削孔群を挿接孔群とす
るか、電接片に設けられたｕ字溝群とスペーサ片の平面
で形成される削孔群を挿接孔群とするか、スペーサ片に
設けられたｕ字溝群と電接片の一平面とで形成される削
孔群を挿接孔群とするか、又は電接片に設けられた半円
形ｕ字溝群とスペーサ片に設けられた半円形ｕ字溝群と
で形成される円筒形削孔群を挿接孔群とし、該挿接孔群
の夫々にヒートパイプ群の夫々の受熱部が挿着されてあ
り、これをヒートパイプの装着手段としてあることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載された平形電力半
導体素子冷却器。
（３）前記ヒートパイプ群には夫々の受熱部が平板形状
又は方形断面形状に形成されたヒートパイプが用いられ
てあり、電接片としてはこれ等が組合わせられて平板状
に構成されたものか、これ等が組合わせられた平板と電
接用平板とが組合わせられて平板状に構成されたものが
用いられてあり、ヒートパイプ装着手段としてはそれ等
の受熱部相互間か、それ等の受熱部と電接用平板の相互
間が密接して熔接か、ろう接された構造を装着手段とし
てあることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載さ
れた平形電力半導体素子冷却器。
（４）前記電力入出力端子が一体となって形成されてあ
る金属板が、電接片とスペーサ片との間か、分割され積
層体化されたスペーサ片の間かの何れかの間に副構成片
として挾持されてそれ等の全体が積層体ブロックとして
構成されてあることを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載された平形電力半導体素子冷却器。
（５）前記電接片は純銅又は純アルミニウムを素材とし
、スペーサ片は純アルミニウム又はアルミニウム合金を
素材として構成されてあることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載された平形電力半導体素子冷却器。
（６）前記スペーサ片として非金属材料、熱絶縁材料を
も含む各種素材が用いられて、スペーサ片が平形半導体
素子冷却器の熱応答特性加減及び過渡熱抵抗特性加減の
為の構造体として構成されてあることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載された平形電力半導体素子冷却
器。
（７）前記受熱用ブロックの所定の構成片にはその全表
面に防食用及び接着用はんだの下地層としてＰｂ−Ｓｎ
合金を主体とした第１次はんだ層が鍍金されてあり、積
層体ブロック形成の為の接着部はＰｂ−Ｓｎ合金に対し
濡れ性の良好な第２次はんだ層に依り接着されてあり、
該第２次はんだとしてはその融点が、その温度によりヒ
ートパイプの作動液が発生する飽和蒸気圧がヒートパイ
プコンテナの許容内圧力より低圧を示す温度である種類
のはんだが使用されてあることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載された平形電力半導体素子冷却器。