JPH04106965A

JPH04106965A - 冷却装置

Info

Publication number: JPH04106965A
Application number: JP22458090A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Ishikawa; 敏也石川
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1990-08-27
Publication date: 1992-04-08

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１回路素子又は電気回路等の一時
的過熱による熱破壊を防止する冷却装置に関する。

Ｂ１発明の概要本発明の冷却装置は、半導体素子等が異常温度になると
１．マイクロカプセル、ボンベ、圧力タンク或はヒート
パイプ中の管等における殻が破れ、又は溶融栓が溶け、
或いは安全弁か開いて中の液体が噴出し気化して、気化
時の潜熱による吸熱により半導体素子等が取着されてい
る放熱フィン。

伝熱基板、圧力タンク、ヒ１−ドパイブの吸熱部等を冷
却して半導体素子等の熱破壊を防止するものである。

Ｃ１従来の技術従来、パワトランジスタや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ＡＩ等
でできた放熱フィンを有する放熱器を取り付けているか
、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。

Ｂ１発明が解決しようとする課題ところで、前記放熱器のフィンの肉厚は、短絡等により
一時的に高温に過熱する場合も考慮して十分なさに設計
する必要がある。このフィンの肉厚は平常状態において
は不必要に厚いため、本来ならばもっと薄く小さくて良
いはずの放熱フィンの部分が異常に大きくなるため盤目
体も大きくなり、小型軽量化の妨げになっていた。

本発明は、従来放熱器の有するこのような問題点に江み
てなされたものであり、その目的とするところは、小型
軽量にて一時的な過熱に対処しうる冷却装置を提供する
ことにある。

Ｅ１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、半導
体素子等が取着される放熱フィンの表面に、冷却液が内
包され異常温度時に冷却液の膨張等により壊われるマイ
クロカプセルを含有する塗料をマイクロカプセルコロニ
ーが形成されるように斑点状に塗布してなるものである
。

同様の目的で、多数の短柱を介して放熱フィンが設けら
れた半導体素子等が取着される伝熱基板と、前記放熱フ
ィンの中心部に口部が前記伝熱板に当接するように設け
られた異常温度により溶融する溶融栓で封じられた小形
液化ガスボンベとより構成してもよい。

又は、内部に水及び多孔質金属片が収容され異常温度で
動作する安全弁を備えた一方の面に半導体素子等が取着
される圧力タンクと、前記圧力タンクの他方の面に固着
された放熱フィンで構成することもできる。

或いは、半導体素子等が一端に取着され他端側に中心部
に孔の穿いた仕切りを有し前記一端と仕切りとの間の内
面にウィックが施され他端側に放熱フィンが設けられた
ヒートパイプ機能を有する外側パイプと、一端が前記外
側パイプの一端の内面に異常温度で溶融する溶融栓で支
持されると共に他端が前記仕切りの中心部に固着された
極細パイプと、前記外側パイプの仕切りと後端との間に
設げられたピストン及び圧縮ばねと、前記極細パイプと
前記外側パイプにおける仕切りとピストンとの間に入れ
られた冷媒液体と、前記外側パイプに設けられた外側パ
イプの異常内圧を抜くための安全弁とから構成してもよ
い。

Ｆ０作用請求項（１）について、通常時は半導体素子等の熱は放
熱フィンのマイクロコロニーのない部分から放熱される
。半導体素子等が異常過熱すると、マイクロカプセル中
の冷却液が膨張し熱で軟化したマーｊ′クロカプセルの
殻を破って飛び出し周囲の熱を奪って気化し、放熱フィ
ンを急激に冷却して半導体素子等を熱破壊から守る。

請求項（２）について、通常時は半導体素子等の熱は伝
熱板と短柱を通って放熱フィンにより放熱される。半導
体素子等が異常過熱すると、伝熱板に当接している溶融
栓が溶け、ボンベ内の液化ガスか気化すると共に噴出し
、外部に放散する。

このとぎ、伝熱板と短板から熱を急速に奪うため半導体
素子等は熱破壊から守られる。

請求項（３）について、通常時は半導体素子等の熱はタ
ンクを介して放熱フィンにより放熱される。半導体素子
等が異常過熱すると、タンク内の水か沸騰して内圧が急
上昇し、安全弁が開いて水蒸気を放出して内圧を下げ水
温を低下させる。このため、半導体素子等の熱破壊は防
止される。

請求項（４）について、通常時は半導体素子等の熱はヒ
ートパイプとして機能する内側にウィックを有する外側
パイプにより放熱フィンに伝達されフィンより放熱され
る。半導体素子等が異常加熱すると、溶融栓が溶はピス
トンを介して圧縮ばねで加圧された冷媒液体は極細パイ
プより噴出し、吸熱側の高温面に当って気化し吸熱側を
急速に冷却する。このため、半導体素子等の熱破壊は防
止される。液体の気化により外側パイプ内圧が高まると
安全弁か作動し内圧は安全に保たれる。

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図において、Ａは半導体素子、１０は冷却装置であ
る。１１は半導体素子に取着された比較的薄い放熱フィ
ン、１２は斑点状にフィン１１の表面に冷却液内包の塗
料を塗布したマイクロカプセルコロニーである。このマ
イクロカプセルコロニー１２は、第２図に示すように、
水、アンモニア等の比熱の大きい冷却液１４を内包した
マイクロカプセル１３を第３図に示すように、エポキシ
等の接着剤をマトリックス１５とした塗料に分散し塗布
したものである。

マイクロカプセル１３の材質には、ガラス、シリカ、シ
ラス、アルミナ２、ジルユニア等の無機系と、カーボン
、フェノール、塩化ビニリデン、アクリルニトリル等の
有機系があり、粒度は５〜３０μｍ位のものを使用する
。マトリックス１５には熱に比較的に強いエポキシが適
当である。

通常時、半導体素子Ａの発熱は第４図（ａ）に示すよう
に、放熱フィン１１を通して放熱する。

このため、マイクロカプセルコロニー１２はこの通常時
の放熱の妨げにならない程度にその大きさを小さくとり
、斑点の間隔が第１図示のように広くなるようになって
いる。

短絡事故等が発生し、半導体素子Ａが異常過熱した場合
１．第４図（ｂ）に示すように、直ちにマイクロカプセ
ル１３内の冷却液が膨張し、熱で軟化したマイクロカプ
セル１３の殻を破って外に飛び出し周囲の熱を奪って気
化するため、放熱フィン１１は急激に冷却され、半導体
素子Ａが熱で破壊されることから保護される。

マイクロカプセル１３の熱強度と冷却液の熱膨張率を適
宜に調整することによって急速冷却時の温度設定値を決
めることができる。

実施例２第５図において、Ａは半導体素子、２０は冷却装置であ
る。２１はこの半導体素子に取付けられた放熱フ・ｔン
２４を有する半導体素子が取着されるＡＡ’、Ｃｕ等よ
りなる伝熱板、２２は伝熱板２１と放熱フィンとを接続
する短柱、２５は放熱フィンに設けられたＮ２．Ｃｏ２
．Ａ、等の液化ガス２７入りの小形液化ガスボンベであ
る。

液化ガスボンベ２５、第８図に示すように、口が半田、
熱可塑性樹脂よりなる溶融栓２６で塞がれており、放熱
フ・ｔン２３の中央部に設けられた雌ねじ２８（第７図
）に口部の雄ねじ２９が螺合し、溶融栓２６が伝熱板２
１に当接するように設けられている。

通常時、半導体素子Ａの発熱は放熱フィン２３を通して
放熱する。ガスボンベの溶融栓２５はこの時点の温度で
は溶けずに、半導体素子の破壊寸前の温度で溶けるよう
に調合されている。

短絡事故が発生し、半導体素子Ａが異常加熱し半導体素
子が破壊される寸前の温度になると溶融栓２６が溶け、
次の瞬間に小形液化ガスボンベ２５内の圧縮された流化
ガスが気化すると共に噴出し、短柱２３の間をすり抜け
て外部に放散する。

このとき、ガスは伝熱板２２と短柱２３から熱を急速に
奪うため半導体素子Ａを一時的異常加熱による熱破壊を
防止することができる。

溶融栓２６の溶けた破片はこの時の圧力によって吹ぎ飛
ばされる。短柱２２はガス流に活流を作って効率的に熱
交換を行うので、細く数が多い程表面櫂が大きくなるの
で効果的である。小形液化ガスボンベ２５は作動後はカ
ートリッヂ式に外して取り替えればまた、最初の状態に
できる。

実施例３第９図において、Ａは半導体素子、３０は冷却装置であ
る。３Ｉは片面に半導体素子が取着され他の片面に放熱
フィン３２が設けられた熱伝導率の良いＦｌ、Ｃ，、Ａ
Ｉ等よりなる圧力タンクである。

圧力タンク３１は、安全弁３３及び水注入栓３４を備え
ており、第１０図に示すように、安全弁３３はタンク３
２の口部を塞くシリコーンゴム等よりなるボール弁３５
とこのボール弁を口部へ押し付ける調圧ばね３６及びボ
ール弁３５が開いたとき出てくる蒸気を抜く蒸気抜き穴
３７を有し、タンク３１の内部にはＡＩ、Ｃ１等の熱伝
導率の良い多孔質金属片３８が挿入されており、その間
に水３９が満たされている。

通常時の半導体素子Ａの発熱はボンベ３１を通して放熱
フィン３２より放熱される。ただし、比熱の大きい水３
９かタンク３１の中に入っているので、通常のフィンよ
りも小さいものでよい。半導体素子Ａから発した熱は一
度水の熱容量に蓄えられながら徐々に放熱フィン３２を
通して外気に放散されて行く。このため、タンク３１の
内圧は成る程度大きくなるが、この時点での内圧では安
全弁３３が開かないようにセットシである。

短絡事故等が発生し半導体素子Ａが異常加熱すると、タ
ンク３１内の水は、沸騰−気化（気化の潜熱により熱吸
収）−タンク内の圧力上昇（水の沸点上昇）−安全弁開
一水蒸気放出一タンク内の圧力低下−水の沸点低下−気
化（水温低下）−気化（熱の吸収）→タンク内の圧力上
昇→安全弁開−水蒸気放出一以下繰り返しにより熱の吸
収−放出が行なわれる。このサイクルにより半導体素子
を熱破壊から守ることができる。水が減ってきたら注入
口３４から注ぎ足せばよい。

実施例４第１１図において、Ａは半導体素子、４０は冷却装置で
ある。４１は前端に半導体素子Ａが取着されたＣ、、Ｓ
ＵＳ、ＡＩ等よりなる外側パイプ、４２はパイプ４１の
後端近くに設けた放熱フィン、４３はパイプ４１の内側
に設けた金銅、多孔質金属、縦溝等からなるウィック、
４４は一端が吸熱側面に半田、熱可塑性謝脂等の溶融栓
４５に仮止め的に支えられ他端がパイプ４１と一体に構
成された孔を有する仕切り４６に固着された極細パイプ
、４７は仕切り４６の後側に設けられたピストン、４８
はピストン４７を前方へ付勢する圧縮ばね、４９は仕切
り４６とピストン４６及び極細パイプ４４内に入れられ
た水、　　Ｃ２Ｈ５０Ｈ、Ｎ　Ｈ３等の冷媒液体、５０
はパイプ４１の後端に設けた空気穴、５１はパイプ４１
に設けた安全弁である。

パイプ４１のウィック４３の入っている部分には上記冷
媒液体と同種の冷媒液体か少し入っており、パイプ４１
はこの冷媒液体とウィック４３によりヒートパイプとし
て機能するようになっている。

しかして、通常時、半導体素子Ａの発熱はヒートパイプ
の作用で伝熱し放熱フィン４２より放熱される。ただし
、溶融栓４５はこの通常時の吸熱側温度では溶けない組
成のものとなっている。

短絡事故等が発生し半導体素子Ａが異常加熱すると、溶
融栓４５が溶け、圧縮ばね４８による圧力のかかった冷
媒液体４９が極細パイプ４４を通って噴出し、吸熱側の
高温面に当り、冷媒液体の冷却効果及び気化によって吸
熱側の高温面を急速に冷却する。冷媒液体の気化により
上昇したパイプ４１内圧は安全弁５１が作動して抜かれ
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。

■請求項（１）の冷却装置においては、半導体素子等の
過熱時の熱を、マイクロカプセル内の冷却液の気化によ
って放散するため、放熱フィンの温度が急激に低下する
ので、半導体素子の熱破壊を防止できる。また、−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なり
、フィンの熱容量を従来のものより小さくできるので、
ヒートシンク全体の体積が小さくなり、小型軽量化がで
きる。

■請求項（２）の冷却装置においては、半導体素子等の
過熱時の熱を液化ガスが気化するときの熱吸収によって
急激に冷却するため、半導体素子の熱破壊を防止できる
。また、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
できるので、ヒートシンク全体の体積が小さくなり、小
型軽量化かできる。

■また、小形液化ガスボンベはカートリッチ式として交
換しうるのでメンテナンスが容易である。

■請求項（３）の冷却装置においては、タンク内部に熱
容量の大きい水が入っているので、従来の放熱フ１′ン
よりもずっと小さい体積の放熱フィンで良く、放熱フィ
ンを小型、軽量化できる。

■また、タンク内部に熱伝導率の高い多孔質金属が挿入
されているので、水に蓄えられた熱を速やかに放熱フィ
ンに伝えることができる。

■更に、半導体素子等の過熱でタンク内部の水が沸騰し
た場合、圧力弁が働いて水蒸気を逃がすと同時に、圧力
低下により水温が低下するので、半導体素子の熱破壊を
防止できる。

■請求項（４）の冷却装置においては、半導体素子等の
過熱時の熱を冷媒液体の注入によって急速に冷却するの
で、従来のヒートパイプを用いたものより過熱時の冷却
効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の実施例１に関するもので、第
１図は冷却装置の斜視図、第２図はマイクロカプセルの
断面図、第３図はマイクロカプセルコロニーの正面部分
拡大図、第４図（ａ）及び（ｂ）は通常放熱及び過熱時
数熱状態の説明図である。第５図〜第８図は実施例２に
関するもので、第５図は冷却装置の側断面図、第６図は
第５図Ｖ−Ｖ断面図、第７図は放熱フィン正面図、第８
図はボンベ側面図である。第９図及び第１０図は実施例
３に関するもので、第９図は冷却装置の斜視図、第１０
図は同側断面図である。第１１図は実施例４に関する放
熱器の側断面図である。Ａ−・・半導体素子、１０，２０，３０．４０−ｉ却装
置、１１，２３，３２．４２・・・放熱フィン、１２・
・・マー１′クロカプセルコロニー、１３・・・マイク
ロカプセル、１４・・・冷却液、１５・・・７トリツク
、２１・・・伝熱板、２２・・短柱、２５・・・液化ガ
スボンベ、２６．４５・・・溶融枠、２７・・・液化ガ
ス、２８・・雌ねじ、２９・・・雄ねじ、３１・・・圧
力タンク、３３．５１・・・安全弁、３５・・・ポール
弁、３６・・・調圧ばね、３７・・・蒸気抜孔、３８・
・・多孔質金属、３９・・・水、４１・・・外側パイプ
、４３・・・ウィック、４４・・・極細ハ・１′プ、４
６・・・仕切り、４７・・・ピストン、４８・・・圧縮
ばね、４９・・・冷媒液体、５ｏ・・・空気孔。第１図（大充巧・）１）Ａ−−−−一干嶌伴素刊１０−−−−一浄即乾豊１１−−−−一教責ペフ、Ａｌン１２−−−−一で１つ口刀フでルコロニー２３−−−放
＊Ａアソ　　　　２９−−一一定わじ１１−−−−一枚
戸ムフ・１ン１２−−−−−フＡｌりＤＤつで、ル］ロニー１３−−
−−一区イク［ｌカブこル１４−−−−倚坪廐１５−−一タト１片・ノクス（ａ）ア君１もケス六Ｎ第３図第４図（ｂ）Ｌ竺睦六然

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体素子等が取着される放熱フインの表面に、
冷却液が内包され異常温度時に冷却液の膨張等により壊
われるマイクロカプセルを含有する塗料をマイクロカプ
セルコロニーが形成されるように斑点状に塗布してなる
ことを特徴とした冷却装置。
（２）多数の短柱を介して放熱フインが設けられた半導
体素子等が取着される伝熱基板と、前記放熱フインの中心部に取着され口部が前記伝熱板に
当接するように設けられた異常温度により溶融する溶融
栓で封じられた小形液化ガスボンベとよりなることを特
徴とした冷却装置。
（３）内部に水及び多孔質金属片が収容され異常温度で
動作する安全弁を備えた一方の面に半導体素子等が取着
される圧力タンクと、前記圧力タンクの他方の面に固着された放熱フインとよ
りなることを特徴とした冷却装置。
（４）半導体素子等が一端に取着され他端側に中心部に
孔の穿いた仕切りを有し前記一端と仕切りとの間の内面
にウイックが施され他端側に放熱フインが設けられたヒ
ートパイプ機能を有する外側パイプと、一端が前記外側パイプの一端の内面に異常温度で溶融す
る溶融栓で支持されると共に他端が前記仕切りの中心部
に固着された極細パイプと、前記外側パイプの仕切りと
後端との間に設けられたピストン及び圧縮ばねと、前記極細パイプと前記外側パイプにおける仕切りとピス
トンとの間に入れられた冷媒液体と、前記外側パイプに
設けられた外側パイプの異常内圧を抜くための安全弁と
からなることを特徴とした熱ヒーズ付放熱器。