JPH04101450A - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、半導体素子７回路素子、電気回路等の一時的
過熱を防止するための冷却装置に関する。

Ｂ１発明の概要 本発明は、放熱フィンが一体に設けられた伝熱基板に、
（１）直接縦方向の貫通孔を設けると共に、この孔の下
部に網を介してパレットを設け、又は（２）伝熱基板に
片持支持した外側チューブの底部に内側チューブを片持
支持させ、この内側チューブ内にピストンとピストンを
伝熱基板方向へ付勢するばねを設け、前記（１）の貫通
孔内、又は（２）の内側チューブのピストンと伝導熱板
との間に、過熱時の熱を吸収して所定温度で液化する蓄
熱剤を入れ、半導体素子等が一時的に過熱した場合の熱
を蓄熱剤で吸収し半導体素子等の過熱を防止すると共に
、液化した蓄熱剤をパレット又は内外チューブ間に回収
し、再利用しうるようにしたものである。

Ｃ２従来の技術 パワートランジスタ　サイリスタ等の電力変換用半導体
素子は、過熱を防ぐために、熱伝導率の高いアルミ等で
できた放熱フィンを有する放熱器を取り伺けているか、
フィンから空気への熱伝達能率は極めて低く放熱に時間
がかかるため、−時的に熱をフィンの内部に蓄えておか
なければならないので、フィンの肉厚を厚くするなどし
て体積を稼いである程度の熱容量を持たせている。

Ｄ０発明が解決しようとする課題 しかし、この熱容量を持たせたフィンの肉厚は、平常状
態においては不必要に厚いため、本来ならばもっと小さ
くてよいはずの放熱フィン部分が異常に大ぎくなるため
、この放熱器を取り付けた半導体素子を使用した制御盤
等の盤目体が大きくなり、小型軽量化の妨げとなってい
た。

本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、放熱フィンの熱容
量を大きくすることなく半導体素子等の一時的過熱を冷
却しうる冷却装置を提供することにある。

８５課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明における冷却装置は
、放熱フィンが一体に設けられた縦方向の貫通孔を有す
る伝熱基板と、この伝熱基板の下面の前記貫通孔の開口
部に金網を介して着脱可能に設けられたパレットと、前
記伝熱基板の貫通孔内にフレークにして詰め込まれた過
熱時の熱を吸収して所定温度で液化する蓄熱剤とよりな
るものである。

また、同様の目的で、冷却装置は、半導体素子等か取着
される伝熱基板に放熱フィンが一体に設けられた放熱器
と、前記伝熱基板の裏面に片持支持された通気孔を有す
る有底の外側チューブと、この外側チューブの底部に片
持支持された外チューブ及び前記伝熱基板との間に夫々
隙間ができるように設けられた内側チューブと、この内
側チューブ内に設けられたピストン及びこのピストンを
伝熱基板方向に付勢する圧縮ばねと、前記内側チューブ
内に設けられ前記ピストンを介して圧縮ばねにより伝熱
基板側に付勢された過熱時の熱を吸収して所定温度で液
化する蓄熱剤とより構成してもよい。

Ｆ０作用 （１）伝熱基板に取着される半導体素子等の通常時の発
熱は放熱フィンにより放熱される。

半導体素子が過熱するとフィンによる放熱が間に合わな
くなり放熱器温度が上昇する。このとき伝熱基板の貫通
孔内に設けられている固体の蓄熱剤は液化時の潜熱によ
り吸熱する。このため、蓄熱剤に固体（同相）分が残っ
ている間は蓄熱剤の液化温度以上に加熱されることがな
い。したがって、半導体素子は一時的過熱により熱破壊
されることはない。

液化した蓄熱剤は金網を通ってパレットに回収されるの
で、固相化して再利用することかできる。

（２）伝熱基板に取着される半導体素子等の通常時の発
熱は放熱フィンより放熱される。

半導体素子等が過熱するとフィンによる放熱が間に合わ
なくなり放熱器温度が」二昇する。このとき内側チュー
ブと伝熱基板との間に設けられた固体の蓄熱剤は液化時
の潜熱により吸熱する。蓄熱剤はばねによりピストンを
介して伝熱基板に押し付けられているので、伝熱基板に
接している方から液化する。液化した蓄熱剤は内側と外
側チューブ間に流れ出すので、常に固相分が伝熱基板に
当接している。したがって、固相分の残っている間は伝
熱基板の温度は液化温度以上に上昇しないので、半導体
素子等は一時的過熱により熱破壊されることがない。

液化した蓄熱剤は外側チューブの通気孔より圧縮空気を
瞬間的に吹き込むことにより内側筒内に押し込み固相化
して再利用することができる。

Ｇ、実施例 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

実施例１ 第１図について、１０は冷却装置、Ａ、Ａ・・・はこの
放熱器に取着された半導体素子、１１は冷却装置１０の
ＡＩ製本体で、半導体素子Ａ、Ａ・・・が取り付けられ
る伝熱基板部１２の後側に立設された多数のフィン１３
，１．３・・・と、基板部１２内に縦方向に穿設された
複数の貫通孔１４．１４・・・とよりできている。

１５は貫通孔１４，１．４・・・内に設けられた結晶状
の固体をフレーク状にした蓄熱材で、第３図に示すよう
な蓄熱量−温度特性を有し、融点Ｔｍが通常時の基板部
１２の温度より高いものを使用する。１６は貫通孔１４
．１４・・・内から液化して流出してくる蓄熱材１５を
受けるガラス又はプラスチック製の透明なパレットで、
第２図に示すように、フレーク状態の蓄熱材１５が入ら
ないように上部開口部に目の細かい金網１７を枠１８に
より取り伺け、ねじにより本体１１の下面に固着しであ
る。

次に、この冷却装置の動作について説明する。

通常時の半導体素子Ａ、Ａ・・・の発熱はフィン１３．
１３・・・によって放熱され伝熱基板１２の温度は蓄熱
材１５の融点より低く保たれている。

この状態において、半導体素子回路に短絡事故等が発生
し、半導体素子Ａ、Ａ・・・が異常発熱すると、フィン
１３．１３・・・による放熱では間に合わなくなるが、
蓄熱材１５が固体から液体となる際の潜熱として多量の
熱を吸収して化学的エネルギとして蓄熱するので、前記
異常発熱が一時的なものであれば、半導体素子Ａ、Ａ・
・・の温度を蓄熱材１５の融点Ｔｍ温度に押さえること
ができる。

蓄熱材１５は上記蓄熱時に固体＋液体の状態となるので
、この液体となった蓄熱材は金網１７を通って透明なパ
レット１６内に溜まるので、液化した蓄熱材の量は目測
で確かめることかできる。

パレット１６内に蓄熱材が一杯に溜まったら本体１１か
ら取り外して蓄熱材を取り出し、再び結晶化させること
により蓄えられていた熱を外に取り出すことができる。

このときの熱はそのまま捨てても良いが暖房等に別途利
用することができる。

再び結晶化した蓄熱材はフレーク状にして本体の貫通孔
１４．１４・・・内に詰め込み、パレット１６を本体１
１に取着することにより、冷却装置１０を最初の状態に
戻すことかできる。

なお、本体１１の材料はＡＩの他Ｃｕ等を用いることが
できる。また、金網１７は薄板に穴を多数開けたもので
もよい。

実施例２ 第４図について、２０は冷却装置、Ａはこの冷却装置に
取着された半導体素子である。２１は半導体素子Ａが取
り付けられるＡＩ製伝熱基板、２２．２２・・は伝熱基
板２１の後側の中心部を除く部分に立設されたＡＩ製製
放ラフインある。伝熱基板２１の後側中心部には片持支
持された底２３１及び空気抜き穴２３−２を有するＡＩ
製製画側チューブ２３片持支持されていて、この外側チ
ューブ２３の中には間には隙間ａが形成されると共に伝
熱基板２１との間に隙間すが形成されるように外側チュ
ーブの底２３−１にＡｌ製内側チューブ２４が片持支持
されている。この内側チューブ内には、テフロン製のピ
ストン２５と、このピストンを伝熱基板２１方向に付勢
する圧縮ばね２６と、ピストン２５で付勢された固相の
蓄熱材２７が設けられいる。蓄熱材２７は実施例１にお
ける蓄熱材と同等の特性を有するものを使用する。

次に、この冷却装置の動作について説明する。

通常時の半導体素子Ａの発熱は伝熱基板２１を通ってフ
ィン２２．２２・・・によって放熱されており、蓄熱材
２７は固相状態にある。

この状態において半導体素子回路に短絡事故等が発生し
、半導体素子Ａが異常過熱すると、固相の蓄熱材２７は
伝熱基板２１に直接接触している面から温度上昇し、固
相から液相になる際の潜熱によって大きな熱の吸収をす
る。しかして、蓄勢材２７は、第５図に示すように、圧
縮ばね２６によりピストン２５を介して伺勢されている
ので、液化した蓄熱材２７′から順次外側チューブ２３
と内側チューブ２４との間に送り出され、常に固相蓄熱
材の新しい面が伝熱基板２１に接触することになる。こ
のため伝熱基板２１の熱は熱抵抗の大きい液相の蓄熱材
を介さずに固相の蓄熱ｔ１２７に伝わるため、速やかに
半導体素子Ａの熱を除去することができる。このため、
異常発熱が一時的なものであれば、半導体素子Ａ温度を
蓄熱材の融点温度に押さえることができる。外側チュー
ブ２３と内側チューブ２４との間の空気は空気抜き穴２
３−２から排出される。

蓄熱材２７が全て液相になりヒユーズとしての役目を終
えたら、空気抜ぎ穴２３−２に高圧の圧縮空気を衝撃的
に注入する。すると液相蓄熱材２７′は一気に内側チュ
ーブ２４の中に押し込まれ、ピストン２５を介してばね
２６を圧縮する。空気の圧力か十分大きければ、ばね２
６が完全に圧縮されると共に液相蓄熱材２７′か圧縮さ
れる。

液相蓄熱材２７′は急激な圧力上昇変化を受けると融点
温度が上昇して晶析を開始し潜熱を放出して固相化し、
第４図の状態に戻り熱ヒユーズとして再利用できる。潜
熱の放熱時の温度は過熱時の温度よりも低いので、半導
体素子が破壊される心配はない。そしてこのとき発生し
た熱は放熱フィン２２．２２・・を介して空気中に放散
される。

ただし、この固相化する操作は半導体素子Ａを使用して
いないときに行わなければならない。

なお、伝熱基板２１．フィン２２．外側チューブ２３．
内側チューブ２４の材料としてはＡＩの他に、伝熱基板
２１．フィンではＣｕが、また外側チューブ２３．内側
チューブ２４はＣｕ又はＳＵＳ等が使用できる。また、
ピストン２５としてはテフロンの他にナイロン等が使用
できる。

Ｈ１発明の効果 本発明は、上述のとおり構成されているので、次に記載
する効果を奏する。

（１）短絡等による半導体素子等の過熱時の熱を蓄熱剤
に潜熱として蓄えることで吸収するため、熱を放熱フィ
ンの内部に一時的に蓄えておく必要がなく、放熱フィン
の熱容量を従来のものより小さくすることかできる。こ
のため、ヒートシンク全体の体積が小さくなり放熱フィ
ンを小型軽量化することができる。

（２）蓄熱剤が液化した状態で潜熱を蓄えておけるので
、そのまま保存したり、輸送したりすることができる。

このため任意の時間に任意の場所で熱を取り出せるので
、暖房、給湯、保温などの用途に適用することができ、
熱の有効利用ができる。

（３）請求項（２）の冷却装置は、ピストンとばねによ
り固相の蓄熱材が順次送り出される機構のため、速やか
に熱を除去することができる。

（４）また、蓄熱剤が全て液相になったら、圧縮空気を
通気孔から衝撃的に注入することで蓄熱剤に晶析を開始
させて潜熱を放出させることで繰り返し利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１にかかる冷却装置を示す斜視
図、第２図は同冷却装置のパレットを示す斜視図、第３
図は蓄熱拐の特性を示す線図、第４図は実施例２にかか
る冷却装置を示す断面図、第５図は同冷却装置の過熱時
の動作状態を示す断面図である。 Ａ・・・半導体素子、１０．２０・・冷却装置、１１・
・本体、１２．２１・・・伝熱基板、１３．２２・・・
フィン、１４・・・貫通孔、１５，２７．２７′・・・
蓄熱剤、１Ｇ・・・パレット、１７・・・網、１８・・
枠、２３・・・外側デユープ、２４・・内側チューブ、
２５・・・ピストン、２６・・ばね。 外１名 くローへ内寸膿■ト■

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）放熱フィンが一体に設けられた縦方向の貫通孔を
   有する伝熱基板と、 この伝熱基板の下面の前記貫通孔の開口部に金網を介し
   て着脱可能に設けられたパレットと、前記伝熱基板の貫
   通孔内にフレークにして詰め込まれた過熱時の熱を吸収
   して所定温度で液化する蓄熱剤とよりなることを特徴と
   した冷却装置。
2. （２）放熱フィンが設けられた伝熱基板と、前記伝熱基
   板の裏面に片持支持された通気孔を有する有底の外側チ
   ューブと、 この外側チューブの底部に片持支持され外チューブ及び
   前記伝熱基板との間に夫々隙間ができるように設けられ
   た内側チューブと、 この内側チューブ内に設けられたピストン及びこのピス
   トンを伝熱基板方向に付勢する圧縮ばねと、 前記内側チューブ内に設けられ前記ピストンを介して圧
   縮ばねにより伝熱基板側に付勢された過熱時の熱を吸収
   して所定温度で液化する蓄熱剤とよりなることを特徴と
   した冷却装置。