JPS6322684Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 本考案は、沸騰冷却半導体装置、特に、その密
閉された冷却系への空気混入による冷却性能低下
を検出する装置を備えた沸騰冷却半導体装置に関
するものである。

〔従来技術〕

従来の沸騰冷却半導体装置の概要を示すと第１
図Ａ及び第１図Ｂに示すとおりである。

図において、符号１は半導体素子、２は半導体
素子１及び冷却片３を装置から絶縁するためにこ
れらの両側に設けられた絶縁スペーサ、３は発熱
する半導体素子１を冷却する冷却片で半導体素子
１と交互に積層し、これらの両端を絶縁スペーサ
２を介して締付機構４により圧接して、半導体ス
タツク５を構成している。

また、冷却片３は内部が中空で絶縁管６を介し
て液溜７に連通して取り付けられており、絶縁管
６は接地電位となる液溜７と冷却片３とを電気的
に絶縁する。

液溜７の上部には凝縮器８が設けられ、凝縮器
８は気相管９と液相管１０とにより液溜７に連通
接続されている。

このように、冷却片３、絶縁管６、液溜７、気
相管９、凝縮器８及び液相管１０は連通して１個
の密閉容器を構成しており、液溜７より下方に
は、電気絶縁性のすぐれた液相の凝縮性冷却媒体
（以下、単に冷媒という）１１が充満している。

また、凝縮器８の上部には、空気溜１２が設け
られている。更に、凝縮器８のフイン部１３は気
化した凝縮性冷却媒体（以下、単に冷媒蒸気とい
う）１４を冷却するための２次冷却媒体である冷
却風１５が通過する。

従来装置は、上記のように構成されるが、次に
その動作について説明する。

まず、半導体素子１に通電することにより発生
した熱は、冷却片３に伝わり、その内部に充満し
ている冷媒１１に熱を伝え気化させて冷媒蒸気１
４とし、一方、半導体素子１はこのときの気化熱
により熱をうばわれて冷却される。

このようにして、冷却片３の内部で気化して生
じた冷媒蒸気１４は、絶縁管６、液溜７、気相管
９を経て凝縮器８に達し、ここで、２次冷却媒体
の冷却風１５で冷され凝縮液化して冷媒１１とな
り、液相管１０を経て液溜７に戻り、再び沸騰熱
伝達に供することになる。

しかし、このような従来装置においては、１次
冷却系を構成する構成部品数が多く、従つて、完
全な密閉容器は期し難く、その結果、長年月の使
用中にはスローリークが発生する。例えば、冷媒
にフロン113を使用した場合には、密閉容器のリ
ーク規定を10^-2lu sec、装置停止８時間／１日、
冷媒温度70℃で20年間使用するものとすると、空
気の装置中への漏洩は概ね1.6となり、けれだ
けの空気が、密閉容器内に混入することになる。

このために、半導体装置の使用年数及び、リー
クにより浸入する空気量を想定して、凝縮器８に
はその上部に空気溜１２を設けている。

このようにして密閉容器内に浸入した空気量が
予想を越えて多い場合、又は何らかの原因で密閉
容器に亀裂が生じた場合等には、空気溜１２の容
積を越えて凝縮器８内に侵入し、その有効放熱面
積を減少させ、凝縮器の冷却性能を低下させ、そ
の結果は、半導体素子の破壊につながる。

しかるに冷却性能低下の要因としては、上記の
他に、凝縮器の汚損、２次冷却媒体量の減少も考
えられ、従つて、冷却性能低下の原因は判然とし
ないのが現状である。

〔考案の概要〕

本考案は、このような従来装置における欠点に
鑑みてなされ、空気溜の空気が冷媒蒸気の上昇に
よつて冷媒蒸気にまき込まれることがなく、少な
くとも空気が予定量以上に侵入していないことを
確認し得る沸騰冷却半導体装置を得ることを目的
としてなされたものであつて、そのために、空気
溜と凝縮器との間に多数の小穴を設けた隔壁を設
け、且つ、空気溜及び液溜に各々感温部を設け、
この２個の感温部の温度を検出し、その温度差を
所定値と比較することにより、空気の密閉容器内
への予定以上の侵入を検知し、且つ、空気溜の空
気の冷媒蒸気への混入を阻止するようにした沸騰
冷却半導体装置を提供するものである。

〔考案の実施例〕

以下、本考案をその一実施例を示す図に基づい
て説明する。

第２図Ａ及び第２図Ｂにおいて、半導体素子
１、絶縁スペーサ２、冷却片３、締付機構４、半
導体スタツク５、絶縁管６、凝縮器８、冷却風１
５、気相管９、液相管１０、冷媒１１、フイン１
３、冷媒蒸気１４、冷却風１５はいずれも従来装
置におけるそれらと同等のものであり、また、冷
却片３、絶縁管６、液溜、気相管９、凝縮器８及
び液相管１０が１個の密閉容器を構成しているこ
と、並びに、液溜より下方には電気絶縁性のすぐ
れたフロン等の冷媒１１が充満しており、更に、
凝縮器８の上部には空気溜が設けられていること
も、従来装置における場合と同様であるが、空気
溜２１と凝縮器８との間には第３図にも示すよう
に、多数の小穴２２が設けられた隔壁２３が設け
られており、また、空気溜２１の下方及び液溜２
４には、その容器壁に、先端が閉塞された管２
５，２６が内側に向かつて突出して設けられると
共に管２５，２６の内部先端に、第４図に示すよ
うに、空気溜感温部２７及び液溜感温部２８を装
着し、空気溜及び液溜感温部２７，２８はリード
線２９によつて温度差計測装置例えば温度差継電
器３０に接続している。

本考案装置は、上記のように構成されるが、次
にその動作について説明する。

まず、半導体素子１への通電による発熱は、冷
却片３に伝わつてその内部に充満している冷媒１
１を等温の冷媒蒸気１４に相変化させる。この冷
媒蒸気１４は、絶縁管６、液溜２４、気相管９を
経て凝縮器８に至り、ここで２次冷却媒体の冷却
風１５で冷されて凝縮液化し、等温の冷媒１１に
相変化する。この凝縮液化した冷媒１１は、液相
管１０を経て液溜２４に戻り、再び沸騰熱伝達に
供する。

このように密閉容器内には凝縮性冷却媒体が等
温の冷媒１１若しくは冷媒蒸気１４の状態におい
て充満している。

しかし何らかの原因により気密が破れた場合、
あるいは、長期間のスローリーフにより密閉容器
内に空気が混入すると、空気は凝縮器８上部の空
気溜２１に溜まつている。この空気の量が多くな
ると空気溜２１から溢れて空気層が凝縮器８の放
熱部にまで達し、その結果、有効放熱面積を減少
させ、冷却性能の低下を来たす。

このようにして空気が混入した場合の空気層の
温度は、冷媒１１の温度より低いために、ここに
冷媒１１の温度と空気溜２１の空気層の温度との
間に温度差を生じる。

この状態において、空気溜感温部２７と、液溜
感温部２８とにおける検測温度信号は、リード線
２９によつて、温度差継電器３０に送られて計測
され、その温度差が所定の温度差に至つた場合に
は、半導体装置への通電回路を開路する等の保護
回路を動作させる。

また、気相管９を介して冷媒蒸気１４が凝縮器
８内に入つたとき、凝縮器８内への混入空気や空
気溜２１内の空気は、隔壁２３があるために、冷
媒蒸気１４によりかきまぜられることもなく、ま
た、冷媒蒸気１４内に空気をまき込むことも防止
している。

更に、両感温部２７，２８は、凝縮性冷媒媒体
に触れる場合にはその材質等に制約を受けるが、
本考案装置においては両感温部２７，２８共凝縮
性冷却媒体には触れず、また、従つて、両感温部
のリード線２９も密閉容器の壁部を貫通して外へ
の引出しを必要とせず、その結果、構造上の信頼
性低下につながる要因となるのを避けることがで
き、しかも、半導体装置外気温の影響を極力避け
るように構成されている。

〔考案の効果〕

以上のように、本考案によれば、空気が密閉容
器内に混入した場合、空気が、空気溜と凝縮器と
の間の隔壁により冷媒蒸気にまき込まれることも
なく、また、空気溜及び液溜の内部に先端が閉塞
し且つそれ先端内部にそれぞれの感温部を装着し
た管を突出させて構成したために、感温部の材質
に制約を受けることもなく、また、従つて、密閉
容器の構造上の信頼性を低下させることもなく、
更には、外気温の影響も少なくしかも、確実に空
気溜及び液溜の内部温度を検出することができる
ために、空気混入による確実な温度を検出して温
度差を計測することができ、それによつて、所定
温度差との比較により温度差継電器を動作させて
空気混入を表示すると共に、例えば、保護回路を
動作させ、未然に半導体素子の破壊を防止するこ
とが可能である沸騰冷却体半導装置が得られると
いう効果を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは従来の沸騰冷却体半導装置の一例の
概略一部断面正面図、第１図Ｂは第１図Ａの右側
面図、第２図Ａは本考案による沸騰冷却体半導装
置の一実施例の概略一部断面正面図、第２図Ｂは
第１図Ａの右側面図、第３図は第２図Ａの隔壁２
３の外面斜視図、第４図は第２図Ａの空気溜及び
液溜感温部２７，２８の取付けを示す管２５，２
６の断面図である。 １……半導体素子、３……冷却片、５……半導
体スタツク、７，２４……液溜、８……凝縮器、
９……気相管、１０……液相管、１１……液相の
凝縮性冷却媒体（冷媒）、１２，２１……空気溜、
１４……気化した凝縮性冷却媒体（冷媒蒸気）、
１５……冷却風、２２……小穴、２３……隔壁、
２５，２６……管、２７……空気溜感温部、２８
……液溜感温部、２９……リード線、３０……温
度差計測装置（温度差継電器）。なお、各図中、
同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 半導体素子と冷却片を交互に積層した半導体ス
   タツクと、個々の冷却片を絶縁管を介して通過す
   る液溜と、上部に空気溜を有する凝縮器と、凝縮
   器と液溜とを連通する気相管及び液相管とから成
   ると共に冷却片、液溜、凝縮器、気相管及び液相
   管により１個の密閉容器を形成し、且つ、この密
   閉容器内部に凝縮性冷却媒体を封入した沸騰冷却
   半導体装置において、空気溜と凝縮器との間に設
   けられた多数の小穴を有する隔壁と、空気溜及び
   液溜のそれぞれの容器壁に内部に向かつて突出し
   て設け且つ先端を閉塞すると共にこの先端内部に
   それぞれ空気溜感温部及び液溜感温部を装着した
   管と、空気溜感温部及び液溜感温部により検出し
   た温度の温度差を計測する温度差計測装置とを備
   えていることを特徴とする沸騰冷却半導体装置。