JPS59945A - 半導体沸騰冷却装置 - 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】 本発明は、半導体沸騰冷却装置、特に、凝縮性冷却媒体
の液相と気相との間の相変化を利用して、半導体を冷却
すると共にスナバ−回路が設けられている半導体沸騰冷
却装置に関するものである。

一般に半導体沸騰冷却装置では、密封容器内に半導体を
収納し、この半導体を浸漬するようにして冷媒１例えば
、７０ンＲ／／Ｊ等の凝□縮性冷媒を封入して構成され
る。

このような装置において、半導体が通電により発熱する
と、冷媒はその熱によって沸騰して液相から気相に相変
化し、その際、半導体より潜熱に相当する熱を奪うこと
によって、半導体を冷却する。このために、密封容器の
上部には、凝縮器が設けられており、密封容器内で相変
化した気相冷媒は、上部に設置の凝縮器に流入し、凝縮
器外部の空気等へ潜熱を放出して冷媒は凝縮液化して液
相冷媒となり、再び密封容器内に戻る。このように、冷
媒が液相と気相との相変化により、密封容器と凝縮器と
の間を循環して密封容器内に収納した半導体の熱を凝縮
器に効率よく伝達し放散する。

一方、半導体は、サージ電圧抑制等の目的をもって、半
導体に並列にスナバ−回路が設げられている。

添付図面第１図はこのスナバ−回路の一例を示す構成図
であって、図において、符号／はサイリスタ、ゲートタ
ーンオフサ４イリスタＣＧＴＯザイリスタ）、ダイオー
ド等の半導体、コ、３．ダはスナバ−回路を構成する部
品であって、コはコンデンサ、３はダイオード、４１は
抵抗器を示す。

いま、半導体／が直流高圧大電流回路をＯＮ　−０ＦＦ
　制御する半導体、例えば、ＧＴＯサイリスタの場合に
ついて説明すると“、高速でスイッチング動作を行なう
と半導体の両端に異常電圧が発生し、この電圧が半導体
の許容電圧を越えると、半導体が半導体ｌに並列して接
続されているが、このスナバ−回路の内、特に、コンデ
ンサコとダイオード３と半導体ｌとによって形成される
閉回路を構成する配線は極力短かくする方が好ましい。

このスナバ−回路の配線が長（なると配線インダクタン
スが増大してサージ電圧吸収効果が低下し、半導体ｌは
破壊する危険性が生じる。

しかるに、従来の半導体沸騰冷却装置では、密封容器内
に半導体／を内蔵し、スナバ−回路の構成部品は密封容
器外に設置して、密封容器の壁部に設けた気密ブッシン
グを介して、半導体ｌとスナバ−回路の部品であるコン
デンサコ、ダイオード３、抵抗器ダとを配線で接続して
いるために、配線長さを短かくするのにもおのずと限界
があり、半導体ｌのサージ電圧吸収効果が十分得られな
いという欠点があった。

このような従来の半導体沸騰冷却装置の構成を示すと添
付図面第１図のとおりである。

図において符号１０は密封容器、／／は凝縮器、ｌコは
密封容器ＩＯ内で発生した気相冷媒を凝縮器ｔ、ｉに導
くための蒸気管、ｉｓは凝縮器１．ｌで凝縮した液相冷
媒を密封容器ＩＯに戻すための液管を示す。また、密封
容器１０内には、半導体ｌと液相の凝縮性冷媒／４１と
を封入し、液相冷媒／ｌによって、半導体ｌが十分浸漬
されるように、所定量の液相冷媒７４Ｅ″が封入されて
いる。更に、密封容器ｌＯの上部空間及び凝縮器／ｌの
内部には、空気等の非凝縮性気体が混入することなく、
気相冷媒ｉｑａが満たされるように構成される。

また、密封容器ｉｏの壁部には、ブッシングｌＳが配設
されており、密封容器ｌｏ内に格納されている半導体ｌ
どの間を導体１６で電気的に接続している。

従来の半導体沸騰冷却装置は上記のように構成されてい
るが１次にその作用について述べる。

まず、半導体ｌが通電等によって発熱すると、半導体ｌ
に接触している液相冷媒ｌダは沸騰し、液相から気相に
相変換する。この時、半導体／より潜熱に相当する熱を
奪うので、半導体ｌは冷却される。一方、相変換して気
相となった気相冷媒／４Ｉａは、密度差のために、上方
に上昇し蒸気管／λを通って凝縮器／／に導かれる。凝
縮器／／は多数のフィンチューブ／／ａより構成されて
おり、また、このフィンチューブｌ／ａの外部は空気に
よって冷却されているために、気相冷媒／４！ａは凝縮
器／／の内部で潜熱を放出して凝縮し液化して液相冷媒
／４１となる。

この液相冷媒ｌダは、重力の作用により、液管１３を通
って密封容器ＩＯに戻り１、再び、半導体ｌの冷却に当
たる。

以上のように、冷媒ｌｌは相変化を伴いながら密封容器
１０と凝縮器／ｌどの８を循環し、半導体Ｉで発生した
熱量を効率よく凝縮器／／に熱伝達し、凝縮器／／の表
面より空気中に放散する。

一方、第一図に示す従来装置では、密封容器１０内に半
導体ｌを内蔵しているために、密封容器／θの外部に設
置されているコンデンサコ、ダイオード３及び抵抗器ダ
から成るスナバ−回路を構成するために図に示すように
、これらスナバ−回路とブッシングｌＳとの間に導体／
　７　ａ　ｅ　／　？　ｂ　＋／？Ｃが配線している。

しかしながら、スナバ−回路の内ダイオード３及びコン
デンサコと半導体ｌとによって形成される閉回路は特に
インダクタンスを小さくすることが必要であるのにもか
かわらず、このような従来装置では、半導体ｌ−導体／
６−ブッシング／、ｌｔ−導体／７ａ−ダイオード３−
導体／？ｂ−コンデンサコー導体／７ｃｍブッシング／
Ｓ−導体／　Ａ−４−導体ｌの配Ｓ経路によってスナバ
−回路が構成されているために、配線をこの範囲内でで
きるだけ短かくしても、インダクタンスの低減にはおの
ずから限界があり、その結果、サージ電圧吸収効果が十
分得られないという欠点があった。

このような従来装置における欠点を改曽するために、第
３図に示すように、密封容器１０内に半導体ｌと共にダ
イオード３及びコンデンサコを収納し、これらの部品間
を導体／　？　ａ　＊　／　７　ｂ　＋　／　？　ｃに
よって配線する方法が考えられる。なお、抵抗器ダは密
耐容器ＩＯ外に設置し、ブッシングｌＳを介して図に示
すように配線される。

このような第３図に示す方法によると、半導体／にダイ
オード３及びコンデンサコを近接して配設することが可
能であり、従って、配線インダクタンスを小さくするこ
とができてサージ電圧吸収効果が増大するという特長は
ある。しかしながら、この方法によると、次のような欠
点がある。すなわち。

（１）直流電圧回路で０Ｎ−ＯＦＦ動作を高速で行なう
半導体のスナバ−回路には、Ｗｋ１００アンペアの高周
波電流であるピーク電流が流れる。従って、コンデンサ
は耐電圧性と冷却性との点から、金属ケース内にコンデ
ンサ素子と絶縁油とを封入した、いわゆる、油入コンデ
ンサが用いられている。このような油入コンデンサは、
通常一端が開放した金属ケースの内部にコンデンサ素子
を入れ、ブッシング付きの天板と称する金属板によって
、金属ケースの開放部をはんだ付けにより閉塞し絶縁油
、を充填して製作されている。

しかしながら、沸騰冷却装置の密封容器ＩＯ内に内蔵す
るコンデンサは、コンデンサ内の絶縁油が漏出して冷媒
中に混入すると沸騰冷却効果が著しく低下し、また、逆
に冷媒蒸気がコンデンサの内部に浸入すると、冷媒であ
るフロンによって、コンデンサエレメントが腐蝕劣化す
る危険性を生ずるために、コンデンサのケースは完全気
密構造とする必要がある。このためにはコンデンサのケ
ースを従来のようにはんだ付けで密封しても、十分な気
密性が確保できないために、溶接する必要が生じる。し
かしながらスナバ−用コンデンサのように比較的小形（
通常大きさは約１ｓｏｘｉｏｏｘ！Ｏｍｍの直方体）の
ものでは、金属ケースと天板とを溶接するとなれば、溶
接の際発生する高温度の熱によって、内部のコンデンサ
エレメントが熱劣化を起こす危険性が生ずる。また、こ
の熱劣化を防ぐためには、ケースを大きくして溶接点と
エレメントとの間に十分な距離を設けて断熱材を挿入す
れば可能であるが、コンデンサが著しく大きくなり、従
って、非常に不経済な設計となる。゛（２）　　コンデ
ンサのエレメントは、通常紙、プラスチック等の誘電体
で構成さ１れているために、エレメントの最高許容温度
は７Ｓ〜ｔｔｓ℃と比較的低温度である。一方、半導体
の許容温度は７２３〜７３０℃であり、沸騰冷却装置に
おける冷媒温度は一般に７０〜？ｊ℃に設定されろう従
って、密封容器内にコンデンサを収納すると、コンデン
サケースの壁面温度が冷媒温度の７０〜？ｊ℃となり、
更に、コンデンサ自体の発熱により、エレメント中心温
度はケースの冷媒温度よりも高くなって、コンデンサの
許容温度を越えることになる。

従って、コンデンサのエレメント中心温度を許容温度以
下にするとなれば、冷媒温度を低く設定しなければなら
ず、そのためには、凝縮器を大きくすることが必要とな
り、半導体沸騰冷却装置そのものが大形化して重量が増
大し、極めて不経済な装置となる。

（３）　　コンデンサを密封容器内に入れると密封容器
が大きくなり、従って、上記１１１項の凝縮器の大形化
とも合わせそ、ますます半導体沸騰冷却装置は大形化す
る。

更に、沸騰冷却装置は、冷媒であるフロンＲ−／／３を
使用した場合、冷媒温度がダ７℃を越ると、容器内圧力
が外気圧に比べて高くなる。従って、沸騰冷却装置は労
働安全衛生法に定める圧力容器の規制を受けるが、密封
容器内にコンデンサを収納しないものでは容器の内容積
が小さく圧力容器としての規制を受けない、いわゆる、
簡易容器の範囲内にあったものが、コンデソ（を収納す
ることにより、容器の内容積が大きくなって圧力容器と
しての規制を受けることになる。このように、圧力容器
としての規制を受けると、検査義務を生じ、この結果、
製作期間が長くなると共に。

製作工数も増加して製作コストが増大する。

このように、第３図に示すところの構成、すなわち、密
封容器ＩＯ内にコンデンサー及びダイオード３を収納す
る方法は、半導体ｌ、コンデンサコ及びダイオード３よ
り成る閉回路の配線を短かくする方法としては適してい
るが、その反面において、上記のような欠点を有し、従
って、実用性に欠ける方法ということができる。

本発明は、上記した従来装装置における欠点を改曽し、
しかも、半導体ｌとスナバ−回路との配線長を短か（し
て配線インダクタンスの減少を図り、もって、サージ電
圧吸収効果を向上させるのに好適な半導体沸騰冷却装置
を提供することを、その目的とするものである。

本発明は、この目的を達成するために、密封容器の一部
を開放して開放部を設け、この開放部に、開放部を閉塞
するようにスナバ−回路用コンデンサのケースが接合さ
れていることを特徴とするものである。

以下、本発明をその構成の一実施例を示す添付図面第ｑ
図に基づいて説明する。

図において、密封容器ＩＯ内には、半導体ｌとスナバ−
用ダイオード３とを収納し、液相冷媒ｌＩＩを充填する
。また、密封容器ＩＯの壁部にはブッシング／Ｓを設け
、このブッシングｌｓと半導体ｌの端子との間を導体７
Ａによって接続しである。

また、スナバ−用コンデンサーは、そのケース、２１が
ケース板コＣ，コｄ、コｅから構成され、ケースコ１の
内部にコンデンサニレメントコａを収納させると共に絶
縁油コｈを充填して構成されている。更に、ケース板、
２ｃには貫通した気密プラシンクコｂを、また、ケース
板コｅには貫通プラシンクコｆをそれぞれ設け、これら
のブツシングコｂとコｅとはそれぞれコンデンサエレメ
ントＪａの端子に導体−ｇによって接続されている。

また、密封容器ＩＯには、所定の部分に開放部！Ｏａを
設け、この開放部ｉｏａを閉塞するようにコンデンサー
のケース板−２０を気密に溶接している。

従って、コンデンサコの気密プラシンクコｂは、密封容
器ｌθ内に突出して構成され、この気密ブッシングＪｂ
と半導体ｌの端子Ｂ及びダイオード３とに、導体／６ａ
により配線する。一方、ダイオード３と半導体ｌの端子
Ａとの間にも、導体／Ａａにより配線する。

なお、コンデンサコを密封容器ｉｏに溶接する。

場合、溶接熱によってコンデンサー内のコンデンサニレ
メントコａを熱劣化させる恐れがあるために、コンデン
サコの製作は次のようにすればよい、まず、ケース板コ
Ｃとコｄとを溶接等の方法によって接合し、一端が開放
したケースを形成し、このケースを密封容器１０に気密
に溶接して取り付ける。次に、このケース内にコンデン
サエレメント、２ａを収納した後、コンデンサニレメン
トコａと貫通気密プラシンクコｂとの間を導体−ｇによ
って配線接続し、ケース板コｅに設置の貫通ブッシング
−ｆとコンデンサニレメントコａとの間も導体２ｇによ
って配線接続する。最後にケースの開放部を閉塞するよ
うに、ケース板、２ｅをはんだ付は等の方法によって接
合し密閉する、このようにして、コンデンサコを構成し
た後１図示していない前日より絶縁油を真空注入し、前
日を閉塞すればコンデンサーが完成スル。

なお、プツシングコｆは、高価ま気密ブッシングを用い
る必要はなく、従来のコンデンサに用いている安価なも
のが使用できる。また、第４図に示す実施例では、この
プツシングコｆをケース板コｅに取り付けているが、こ
れに限るものではなく、ケース板コｄに取り付けてもよ
く、この場合テ４１　、　”コンデンサニレメントコａ
とブツシングコｆとの配線が容易に行なえる。また、ス
ナノ（−回路用の抵抗器ダは、一方の端子とコンデンサ
コのプツシングコｆとの間を、また、他方の端子とブッ
シングｌＳとの間を導体１７で配線することにより、半
導体ｌに対してダイオード３、コンデンサー及び抵抗器
ダからなるスナノ（−回路が構成される。

本発明の半導体沸騰冷却装置、特に、そのスナバ−回路
は、以上のように構成されるので、次に示すような特長
を有するという効果を奏することができる。すなわち、 （１）　　コンデンサコの気密ブッシング２ｂを密封容
器１０内に、半導体ｌの端子に向かって突出させている
ために、＃！コ図に示す従来装置に比べて、スナバ−回
路の配線長を著しく短かくすることができ、従って、配
線インダクタンスの低減によってサージ電圧吸収効果を
向上することができる。

（２）　　コンデンサーのケース板コＣ，コｄ、コｅで
構成されるケースコ１の内、−面のケース板コＣのみが
密封容器ｌｏ内の液相冷媒ＩＱに接触しているから、液
相冷媒ｌダからコンデンサコに受ける熱影響は少な（な
る。また、コンデンサ自体の発熱は、空気中に露出して
いるケース板コｄ、コｅ′より熱放散されるので、第３
図に示したコンデンサを密封容器内に収納するものに比
べて、コンデンサエレメントの温度は非常に低く、コン
デンサエレメントの温度が許容温度を越えないように設
計することは極めて容易にできる。

（３）　　密封容器内にコンデンサを内蔵しないために
、密封容器が小形とな′す、従って、労働安全衛生法に
定める圧力容器の規制を受けない簡易容器とすることが
可能であり、従って、製造工数も少なく、また、製作期
間も短く、従って、経済的な製作が可能となる。

（４）　　密封容器１０とコンデンサコのケース板、２
ｃとの溶接接合部及び気密ブッシング２ｂのみ気密構造
とすればよく、他の部分は従来のコンデンサ技術で簡易
に製作可能であるから、比較的安価に製作が可能である
。

（５）　　万一、コンデンサコが故障した場合には、第
３図に示す従来装置を改善したものにあっては、密封容
器を開放し、コンデンサを取り出して交換又は修理した
後、再度密封して冷媒を真空注入しなければならないが
、本発明装置においては、コンデンサーのケースコ１の
ケース板コｄとコｅとの間を分離して開封することによ
り、コンデンサニレメントコａ１に容易に交換すること
が可能であり、従って、修理が容易となる。

以上述べたように、本発明の半導体沸騰冷却装置では、
数々の特長を有しており、極めて実用性の高い半導体沸
騰冷却装置が得られるという効果を有している。

なお、第参図に示す実施例においては、密封容器１０の
下方にコンデンサーを配設しているが。

必ずしもこれに限る必要はなく、密封容器１０のいかな
る方向に配設することも可能である。

また、同実施例では、ダイオード３を密封容器１０内に
収納した場合を示しているが、これも上記に限る必要は
なく、密封容器外に設置しても差し支えない。

更に、抵抗器ダを密封容器／θ内に内蔵してもよく、こ
の場合はコンデンサのブツシングコ４ｆが不要となるこ
とは容易に理解できよう。

また、上記実施例を示す第参図は、密封容器１０とコン
デンサコとの接合の一形１Ｉｌｔｌ−示したものであっ
て、第４図に示す以外の接合方法、接合形状によっても
１本発明の構成及び効果に、何ら影響を与えるものでは
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半導体とスナバ−回路との構成の一例を示す
回路構成図、第一図は従来の半導体沸騰冷却装置の構成
を示す縦断面説明図、第３図は従来装置の欠点を改良す
るための一方法を示す装置の縦断面構造説明図、第１図
は本発明の半導体沸騰冷却装置の一実施例を示す縦断面
構成説明図である。 ／・・半導に、Ｊ−・コンデンサ、−ａ・・コンデンサ
エレメント、Ｊｂ−・気密ブッシング、ノＣ，コｄ、コ
ｅ・・ケース板、Ｊｆ、／ｊ・・ブッシング、コｈ＠愉
絶縁油、−１＠−ケース、３・・ダイオード、ダ・・抵
抗器、１０．拳密封容器、／θａ・・開放部。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　　葛　　野　　信　　− 焔１図 ム 焔２図 １ 手続補正書（自発） 昭和５７年１１月１９日 １、事件の表示　　　　特願昭　Ｓクー／１０１０３号
３、補正をする者 図　　面 ｌｌａ」と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１）　　密封容器内に半導体と上記半導体を浸漬する
   冷却媒体とを収納し、冷却媒体の液相と気相との相変化
   を利用して半導体に発生した熱を凝縮器に熱伝達すると
   共にスナバ−回路が設けられている半導体沸騰冷却装置
   において、上記密封容器の一部を開放にして開放部を設
   け、この開放部に、開放部を閉塞するようにスナバ−回
   路用コンデンサのケースが接合されていることを特徴と
   する半導体沸騰冷却装置。 １２１　　密封容器の開放部を閉塞しているコンデンサ
   のケースには、少くとも１個の気密ブッシングが設けら
   れ、この気密ブッシングを介して密封容器内の半導体及
   び半導体に接続するスナバ−回路用部品のいずれかと、
   コンデンサのケース内のコンデンサエレメントとが電気
   的に接続されている特許請求の範囲第１項記載の半導体
   沸騰冷却装置。 （３）密封容器の開放部を閉塞しているコンデンサのケ
   ースには、上記閉塞部分のケースの壁部に気密ブッシン
   グを設け、且つ、閉塞部分以外の壁部にブッシングを設
   けている特許請求の範囲第１項又は第一項記載の半導体
   沸騰冷却装置。 （４）　　コンデンサは絶縁油等の冷却材が封入されて
   いる特許請求の範囲第１項〜第Ｊ項のいずれかに記載の
   半導体沸騰冷却装置。