JPS6081847A - 沸騰冷媒式冷却装置 - Google Patents

沸騰冷媒式冷却装置

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Publication number
JPS6081847A
JPS6081847A JP58190534A JP19053483A JPS6081847A JP S6081847 A JPS6081847 A JP S6081847A JP 58190534 A JP58190534 A JP 58190534A JP 19053483 A JP19053483 A JP 19053483A JP S6081847 A JPS6081847 A JP S6081847A
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JP
Japan
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refrigerant
coolant
liquid phase
reed switch
boiling
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Pending
Application number
JP58190534A
Other languages
English (en)
Inventor
Izumi Azuma
東 泉
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6081847A publication Critical patent/JPS6081847A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10WGENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/73Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は密閉された容器内において半導体素子が沸騰冷
媒中に浸され、該冷媒の気液の相変化を伴なう循環を利
用して前記半導体素子の冷却を行なう沸騰冷媒式冷却装
置に関する。この種の冷却装置においては牛導体素子の
過熱を防止するために如何なる場合にも、前記半導体素
子並びにその冷却体が常に前記沸騰冷媒の液相部分の内
部に完全に浸されていることが必要である。
〔従来技術とその問題点〕
従来この種の沸騰冷媒式冷却装置として第1図に示す如
きものが知られている。即ち発熱源となる半導体素子1
と該素子1に接合され該素子1に発生した熱を外部に伝
達する冷却体2とから構成された半導体スタックが適宜
の手段4により密閉容器8内に保持される。前記半導体
スタックのリード線3は密閉容器8の一方の壁に設けら
れた気密端子10を介して外部の電源に接続される。ま
た密閉容器8の内部には前記半導体素子1の冷却体2が
伝達する熱を吸収して沸騰気化する冷媒5の所定量が貯
留され、前記半導体スタックは前記冷媒5中に完全に浸
されている。更に密閉容器8の上部にはその外周に多数
の放熱フィン13を備え前記半導体素子1の冷却体2の
伝達する熱を吸収して沸騰気化した冷媒5の気相部分が
導びがれる凝縮管12が複数個配置される。
前記の如くにして構成された半導体素子の沸騰冷媒式冷
却装置においては、半導体素子1の冷却体2が伝達する
熱を吸収して沸騰気化した冷媒5の気相部分は密閉容器
8の内部の圧力差により上部の凝縮管12の内部に移動
し、放熱フィン13を備えた凝縮管12の内壁に接して
熱を奪われ凝縮再液化して重力の作用により下部の密閉
容器8内の液相部分に還流する。前記の如き気液の相変
化を伴なう冷媒5の循環に際して、半導体素子1の損失
熱は該素子1の冷却体2における沸騰熱伝達並びに凝縮
管12における凝縮熱伝達と凝縮管外壁の放熱フィン1
3における対流熱伝速とにより大気中に伝達放散される
。その際沸騰冷媒5として通常使用される70ンR−1
13の場合には、前記半導体スタックに通電しない無倉
荷状態においては密閉容器8の内部圧力は大気圧以下に
保持されているが、前記半導体スタックに通電して負荷
状態にした場合に密閉容器8内の温度が上昇して、47
.6℃以上に達すると、密閉容器8の内部圧力は大気圧
よりも高くなり前記冷媒5が外部に漏えいして前記容器
8内における冷媒5の液相表面が低下し、前記半導体ス
タックを構成する半導体素子1の冷却体2の一部が前記
冷媒5の液相表面上に露出することがある。その場合に
は冷却体2の前記冷媒5の液相部分に接触する面積が減
少し冷却体2における沸騰熱伝達の効率が低下して半導
体素子1が過熱する虞れが生ずる。
前記の如き欠点を除去するために、従来の沸騰冷媒式冷
却装置においては第1図に示す如く半導体素子1の冷却
体2あるいはリード線3に温度センサ19を結合し、密
閉容器8の壁に設けられた気密端子20を介して前記セ
ンサ19のリード線を外部に引出し、該リード線によっ
て温度センサ19の検出値を取り出し、前記検出値にも
とづいて緊急の場合適宜の手段を介して前記半導体スタ
ックへの通電を遮断し半導体素子1の過熱を防止する如
くにされている。
しかしながら上記の如き過熱防止手段においては、半導
体素子1の冷却体2あるいはリード線3には高電圧が印
加されるから温度センサ19を含む温度検出回路と受信
部との間に絶縁変圧器(図示せず)を設けることが必要
になるという欠点を伴なう。更に前記の如き過熱防止装
置においては、前記半導体スタックに通電が行なわれて
いない状態において何らかの原因により沸騰冷媒5が減
量してその液相部分の表面が低下し、半導体素子1の冷
却体2の一部が前記液相部分の表面上に露出する所謂液
枯れの状態になっている場合に前記半導体スタックに通
電すると、温度センサ19の結合された半導体素子1の
冷却体2あるいはリード線3の温度が上昇し温度センサ
19が所定の危険温度を検出して保護動作を行なわせる
より以前に半導体素子1が過熱するため、この場合半導
体素子を熱的破壊から保護することができないという欠
点もある。
〔発明の目的〕
(5) 本発明は従来の沸騰冷媒式冷却装置の有する前記の如き
欠点に鑑み、密閉容器内に収納された半導体スタックが
浸される沸騰冷媒の液相表面が前記半導体スタックの半
導体素子の冷却に必要なレベルを維持しているか否かを
確実に検出し、前記冷媒の減量にもとづく前記半導体素
子の過熱を防止するとともに、前記冷媒の液相表面のレ
ベルを検出する手段に引き出し線の気密端子並びに絶縁
変圧器を必要としない構成の簡単な半導体素子の沸騰冷
媒式冷却装置を提供することを目的とする。
〔発明の要点〕
本発明は前記の目的を達成するために首記の沸騰冷媒式
冷却装置において、前記密閉容器内の前記沸騰冷媒の液
相表面に対して垂直に設けられ前記容器の内部において
は密閉された非磁性体からなるパイプの内部の前記冷媒
の液相表面の所定のレベルにほぼ対応する位置にリード
スイッチを固定し、該リードスイッチのリード線を前記
密閉容器の上部器壁を介して外部に引き出すとともに、
永久磁石を備え前記冷媒の液相表面のレベルの上tl 下運動に従って常に前記パイプに沿って上下し得る7四
−トを設けることにより、前記冷媒が何らかの原因によ
り減量して該冷媒の液相表面のレベルが低下した場合、
常時は前記リードスイッチとほぼ同一の位置を占めてい
る前記フ四−トが前記パイプに沿って降下し前記リード
スイッチから遠ざかる結果、前記リードスイッチが動作
して前記リード線を介して適宜の手段を作動させ、前記
半導体スタックの通電を遮断して前記半導体素子の過熱
を防止する。
〔発明の実施例〕
次に図面に表わされた実施例にもとづいて本発明の詳細
な説明する。第2図において通電時に発熱源となる半導
体素子1と該半導体素子に接合され該素子に発生した熱
を外部に伝達する冷却体2とから構成された半導体スタ
ックが適宜の手段4により密閉容器8の内部に保持され
ている。前記牛導体スタックのリード線3は密閉容器8
の一方の器壁に設けられた気密端子10を介して外部の
電源に接続される。また密閉容器8の内部には前記半導
体素子の冷却体2が伝達する熱を吸収して沸騰気化する
冷媒5の所定量が貯留され、前記半導体スタックは前記
冷媒5の内部に完全に浸されている。更に密閉容器8の
上部にはその外周に多数の放熱フィン13を備え半導体
素子1の冷却体2から熱を吸収して沸騰気化した冷媒5
の気相部分が導びかれる凝縮管12が複数個配置される
更に密閉容器8の上部器壁には第3図にその詳細を示す
如く前記冷媒の液相表面に対して垂直に設けられ前記容
器の内部においては密閉された非磁性体からなるパイプ
14が設けられ、該パイプ14の内部にはリードスイッ
チ17が前記冷媒の液相表面のレベルにほぼ対応する位
置に固定され、適宜の手段によりリードスイッチ17の
リード119が前記上部器壁を介して外部に引き出され
る。また前記パイプ14に対し同心状に永久磁石を内蔵
したリング状のフロート15が前記冷媒5の液相表面の
上下速動に従って常に前記パイプに沿って上下し得る如
く配置される。
前記の如くに構成された本発明の沸騰冷媒式冷却装置に
おいては既に第1図の従来の冷却装置について説明した
如く、半導体素子1の冷却体2の伝達する熱を吸収して
沸騰気化した冷媒5の気相部分は密閉容器8内の圧力兼
により上部の凝縮管12の内部に移動し、放熱フィン1
6を備えた前記凝縮管12の内壁に接して熱を奪われ、
凝縮再液化し重力の作用により下部の密閉容器8内の前
記冷媒5の液相部分に還流する。前記の如き気液の相変
化を伴なう冷媒5の循環に際して半導体素子1の損失熱
は前記冷却体2における沸騰熱伝達並びに凝縮管12に
おける凝縮熱伝達と凝縮管の放熱フィン1ろにおける対
流熱伝達とにより大気中に伝達放散される。その際既に
説明した如く沸騰冷媒5として70ンR−113を使用
する場合前記半導体スタックに通電しない無負荷状態で
は密閉容器8の内部圧力は大気圧以下に保持されている
が、前記半導体スタックに通電して負荷状態にした場合
に密閉容器8の湿度が上昇して47.6℃以上に達する
と密閉容器8の内部圧力が大気圧よりも高くなり、前記
冷媒5が外部に漏えいして前/ M X 記容器8内における冷媒5の液相表面が低下し前記半導
体素子1の冷却体2の一部が前記液相表面上に露出する
ことがある。その場合には冷却体2の前記冷媒5の液相
部分に接触する面積が減少し冷却体における沸騰熱伝達
の効率が低下して半導体素子1が過熱する虞れが生ずる
前記の如き事態に対し本発明の冷却装置においては、密
閉容器8の上部器壁に設けられその内部にリードスイッ
チ17の固定されたパイプ14に沿って運動し得る永久
磁石を内蔵したリング状のフロート15が前記冷媒5の
液相表面の低下に従って降下しリードスイッチ17から
遠ざかる結果、フロート15内の永久磁石のリードスイ
ッチ17に及ぼす磁力が弱まり終にリードスイッチが動
作するに至る。その結果密閉容器8の外部に引き出され
たリード線19を介して適宜の手段を作動させることに
より前記牛導体スタックの通電が遮断され、半導体素子
の過熱が確実に防止される。
その際密閉容器8から沸騰冷媒5を抜き取った如き場合
あるいは前記冷媒の液相表面のレベルが過度に低下して
密閉管14に同心状に配置されたリング状のフロート1
5が前記密閉管から離脱するのを防止するため密閉管1
4の下端にストッパ18を設けるのが良い。
〔発明の効果〕
本発明は以上に説明した如く、密閉された容器内におい
て半導体素子が沸騰冷媒中に浸され、該冷媒の気液の相
変化を伴なう循環を利用して前記半導体素子の冷却を行
なう沸騰冷媒式冷却装置において、前記密閉容器内の前
記沸騰冷媒の液相表面に対して画直に設けられ前記容器
の内部においては密閉された非磁性体からなるパイプの
内部の前記冷媒の液相表面の所定のレベルにほぼ対応す
る位置にリードスイッチを固定し、該リードスイッチの
リード線を前記密閉容器の上部器壁を介して外部に引き
出すとともに、永久磁石を備え前記冷媒の液相表面の上
下運動に従って常に前記パイプに沿って上下し得るフロ
ートを設けることにより、半導体素子の過熱を防止する
ための密閉容器内の沸騰冷媒の液相表面のレベルを検出
するフロ(11) 一トと該フロートにより作動するリードスイッチとから
なるレベル検出部を半導体スタックから独立して配置す
ることができ、前記液相表面のレベル検出回路にリード
線のための気密端子や絶縁変圧器を設ける必要がないか
ら構成が簡単で経済的であるとともに、半導体素子の冷
媒減量にもとづく過熱を直接前記冷媒の液相表面のレベ
ルを検出することにより防止するものであるがら、半導
体スタックの通常の通電時は勿論のこと、該スタックに
対する通電開始直後においても半導体素子の過熱を確実
に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の沸騰冷媒式冷却装置の概略縦断面図、第
2図は本発明の沸騰冷媒式冷却装置の概略縦断面図、更
に第3図は本発明の沸騰冷媒式冷却装置の沸騰冷媒の液
相表面のレベル検出装置の概略縦断面図をそれぞれに表
わす。 1:半導体素子、2:冷却体、5:沸騰冷媒、8:密閉
容器、14:パイプ、15:フロート、16:10’\
剛1zk 第3図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)密閉された容器内において牛導体素子が沸騰冷媒中
    に浸され、該冷媒の気液の相変化を伴なう循環を利用し
    て前記半導体素子の冷却を行なう沸騰冷媒式冷却装置に
    おいて、前記密閉容器内の前記沸騰冷媒の液相表面に対
    して垂直に設けられかつ前記容器の内部においては密閉
    された非磁性体からなるバイブの内部の前記冷媒の液相
    表面の所定のレベルにほぼ対応する位置にリードスイッ
    チを固定し、該リードスイッチのリード線を前記密閉容
    器の上部器壁を介して外部に引き出すとともに、永久磁
    石を備え前記冷媒の液相表面のレベルの上下運動に従っ
    て常に前記パイプに沿って上下し得るフロートを設けて
    なることを特徴とする沸騰冷媒式冷却装置0
JP58190534A 1983-10-12 1983-10-12 沸騰冷媒式冷却装置 Pending JPS6081847A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3229103A4 (en) * 2014-12-05 2018-07-11 Exascaler Inc. Electronic apparatus cooling device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3229103A4 (en) * 2014-12-05 2018-07-11 Exascaler Inc. Electronic apparatus cooling device
US10123453B2 (en) 2014-12-05 2018-11-06 Exascaler Inc. Electronic apparatus cooling system

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