JPS63116452A

JPS63116452A - 半導体素子冷却装置

Info

Publication number: JPS63116452A
Application number: JP62272894A
Authority: JP
Inventors: クサーフェル　フォーゲル
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1988-05-20
Also published as: FI874753L; EP0268081B1; EP0268081A1; ATE75074T1; DE3778304D1; NO874515L; NO874515D0; FI874753A0; ZA878041B; ES2030692T3; FI874753A7; IN170337B

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】〔産業上の利用分野〕本発明は大容量エレクトロニクスの分野に関スる。本発
明は特に、以下の特徴を備えた大容量半導体素子を冷却
する装置に関する。

即ち、冷却装置は空洞を少なくとも一つ設けた冷却体を含み、前記空洞は、部分的に冷却液が満たされ且つ冷却液の上
方に気体室が具備し、気体室の領域では、冷却体は周囲への有効な熱放射がで
きるように形成され、冷却液は冷却される半導体素子と密接に熱接触する、こ
とによって構成される冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体素子を強力に冷却するのに、種々の方法が知られ
ている。特に、車輌用の用途では、保守の必要がない大
容量電子機器に対する需要がますます高まっている。そ
のため、機器内で発生する出力損失を除去するため、減
化されていない空気を利用しなければならない。しかし
、減化されてない空気によって直接、素子を冷却するの
は汚染の危険があるため除外され、この点に関して、−
次閉鎖冷却循環ループが考えられた。このような閉鎖的
で有効な冷却方法は、長い間、沸騰冷却と呼ばれ、公知
である。

沸騰冷却の場合、冷却されるべき素子は、例えば冷媒Ｒ
１１３のような適当な冷却液を沸騰させる。その際に発
生する蒸気が、間隔を隔てて配置された冷却面で放熱さ
れて凝縮し、凝縮液は冷却液リザーバに戻る。

沸騰冷却によって、小型でスペースをとらず、保守も少
なくて済む、大容量電子機器を実現できた。この冷却技
術の概要は、例えば、Ｊ、ネストラ−（Ｎｅｓｔｌｅｒ）　、Ｐ、ハイネメヤ
ー（Ｈｅｉｎｅｍｅｙｅｒ）、Ｍ、シュタインベーク　
（Ｓｔｅｉｎｗｅｇ）共著の論文（ＢＵＬＬ、　ＳＥＶ
／ＶＳＥ　７２　、　１９８１年、２３９〜２４４ペー
ジ）に開示されている。

この論文に詳述されているように、基本的に、沸騰冷却
法には２つのシステムが知られており、両者を区別する
ため、タンク（ｋｅｓｓｅｌ）冷却とセル（Ｄｏｓｅｎ
）冷却と呼ぶことにする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

タンク冷却（直接的沸騰冷却）の場合は、冷却されるべ
き素子は、気密密閉容器（タンク）内で直接、冷却液に
浸漬される。その際、例えば整流器全体を浸漬すると、
サイリスク及びダイオードが冷却液によって冷却される
だけではなく、整流器の配線及び他の放熱素子も冷却さ
れる。

タンク冷却の長所は、全ての素子の冷媒の温度が均一で
あり、又、主として素子と冷却液との熱接触が密接であ
ることによって、汚染が防止され、更に、冷却体と絶縁
され、且つ構造がコンパクトな点である。

タンク冷却の短所は、素子にアクセスができず、電気的
な導通用に特別な配線が必要であり、且つ各種の整流器
その他の回路用の構造システムを特別に設計しなければ
ならないこと、即ちモジュール化が可能な柔軟性にかけ
ることである。

セル冷却（間接的な沸騰冷却）の場合は、個々の素子（
例えばディスク・サイリスク）のエネルギ損失熱は冷却
液循環ループに接続された、配分された沸騰冷却セルに
排出される。

セル冷却の特徴は、冷却すべき素子を容易に交換でき、
タンク冷却の場合のような電気的配線がないことである
。更に、この構造システムはモジュール化が可能である
。即ち、素子及び冷却用セルを各様に相互に組合わせ、
より大きなユニットとして統合することができる。

その短所は、冷却セルが素子から絶縁しておらず、冷却
セル、蒸気管及び予備容器から成るシステム全体が比較
的複雑で、コンパクトでない構成となることである。

本発明の目的は、タンク冷却とセル冷却の基本的な利点
を統合し、それ故、コンパクトな構造と効率のよい冷却
と、簡便さとモジュール性とを兼ね備えた半導体素子用
の冷却装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、冒頭に述べた種類の装置において、冷却体
内の空洞の片側に開口部を設け、空洞の前記開口部は熱
伝導体によって閉鎖され、熱伝導体の空洞側は冷却液と
接触しており、熱伝導体の空洞と反対の側は半導体素子
と熱結合され、熱伝導体は冷却体と電気的に絶縁されている、ことによ
り達成される。

従って本発明の核心は、コンパクトな構造のタンク冷却
を基本にして、素子をタンクの空洞の外側に配設するが
、空洞を密閉する熱伝導体を介して冷却液と密接な熱接
触を保持する構成にある。

タンク冷却における素子と冷却体（タンク）の隔離は、
熱伝導体と冷却体との電気絶縁によって達成される。

本発明による装置の好ましい実施例では、熱伝導体と冷
却体との間に絶縁中間体が設けられている。

本発明の別の好ましい実施例では、冷却体は仮の形状を
有し、板の片側には複数個の冷却フィンが設けられ、複
数個の空洞が板の別の側がら冷却体内部に延在し、空洞
は絶縁中間層と共に板の冷却フィンとは反対側に位置す
る大容量半導体モジュールによって閉鎖され、且つ、大
容量半導体モジュールは夫々、個々のモジュール素子を
担持する熱良導体の基板を有し、この基板は空洞内の冷
却液と接触し、熱放熱体を形成している。

その他の実施例は実施態様項に開示される。

次に、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明す
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の好ましい実施例による冷却装置の概略
横断面図を示す。エネルギ損失熱を発する半導体素子６
を冷却するための冷却装置は、基本的な構成部品として
、内部に空洞４を有する冷却体１と、熱伝導体５と、絶
縁中間体３とを含む。

空洞４を備えた冷却体１は片側、第１図では下方、が開
放されている。この開口部は、絶縁中間体３を介して、
冷却体１に密接に連結され、且つ空洞４を外側がら気密
に密閉する熱伝導体５によって閉鎖されている。

熱伝導体５の空洞４とは反対の側には、半導体素子６が
熱伝達抵抗をできるだけ少なくして、固定されている。

熱伝導体５の空洞４側は作動温度範囲で沸騰する冷却液
８と接触しており、前記冷却体は空洞４を部分的に満た
し、上方には冷却過程で発生した蒸気が循環する適当な
気体室７が設けられる。

気体室７の領域で冷却体１の外側には、蒸気が凝縮する
際に内壁に発生する熱が容易に周囲に伝達されるように
複数の冷却フィン２が配置されている。又、冷却体１を
熱交換器として形成することもできる。

同様の理由から、第１図の装置の熱伝導体５は、空洞４
内に突出するように形成される。熱伝達に関与する面積
を拡張するため、補助的に、更に、冷却フィンを熱伝導
体５の冷却液８内に突出する側に備えても良い。

熱伝導体５と冷却体１は好ましくは熱良導材料、特に銅
又はアルミニウム、から成る。絶縁中間体３は、例えば
プラスチック又はセラミック製であるのが良い。

熱伝導体５と絶縁中間Ｎ３と冷却体１とは相互に接着、
はんだ付け（絶縁中間層がセラミック製である場合）、
又は適当なワッシャと共にボルト止めされる。

第１図と別の構成では、冷却体１自体を絶縁材料で形成
することによって、絶縁中間層自体が全く省略される。

今日では通例の数キロボルトのバイアス電圧の場合でも
冷却体１と半導体素子６との間の絶縁を維持するのに重
要なことは、従来の絶縁において公知であるような適宜
の成形によって、特に絶縁中間体の外側で十分な沿面距
離が常に確保されていることである。

冷却液８としては、Ｒ１１３の名称で知られた（商品名
、フリゲン１１３　　（Ｆｒｉｇｅｎ　１１３）　、カ
ルトロン（Ｋａｌｔｒｏｎ　１１３）、又はフレオンＴ
　Ｆ　（ＦｒｅｏｎＴＦ）　）のような比較的低温で沸
騰する冷媒を使用するのが有利である。

重量、価格又は安全性の点で液体の容積をできるだけ小
さく保つ必要がある場合には、第２図に示すように、第
１図の拡がった空洞４に代えて、熱伝導体５と冷却体１
との間に延在し、且つ冷媒の蒸気を介して熱伝達を達成
する複数の相互に連通ずる冷却管９を設けるのが良い。

第１図の概略図によって特徴が容易に確認できる部品を
備えた本発明による装置の実証済みの実施例を第３図に
示す。

第３図は図面の右側を占め、背型１０によって左側と隔
絶されている空気管１９の断面図である。

空気管１９には矢印方向に空気、とくに減化されていな
い空気が貫流する。

空気管１９の内部には、外側に冷却フィン２を備えた冷
却体１が配設されている。冷却体１は、管壁１０の開口
部に、空洞４の開放側が管壁の開口部を通じて外側がら
接近できるように、適当なワッシャ１１によって固定さ
れている。

冷却体１の開放側には、フランジ状の絶縁中間体３がワ
ッシャ１１によってボルト止めされ、絶縁中間体の側部
には、空洞４内に、従って冷却液８内に貫通し且つ円錐
状に延びる部材が突出する熱伝導体５がボルト止めされ
ている。

この例では、公知の構造の大容量ディスク・サイリスタ
は、電気接触面が広い面積で熱伝導体５と当接するよう
に、熱伝導体５の外側に配設されている。

この例から、公知のタンク冷却とは異なり、素子の代り
に熱伝導体５が代行的に冷却液８に浸漬するタンク状の
冷却構造の特徴を理解できよう。

本発明による冷却装置の、自動車内のアンダフロア構造
用の実証済みの別の実施例を第４図に示す。この図から
明らかであるように、自動車１３の下側に冷却装置が取
付けられている。この例では、冷却体１は、耐性の見地
より錆止めスチール板から成り、その冷却フィンが気流
に対して突出している。

床部の空間を所定通りに確保するために、電気配線１２
と絶縁中間層３　（この例では沿面経路が延長されてい
る）と熱伝導体５とを伴なう半導体素子６は内側に斜め
に取付けられている。電子部品目体は補助ケーシング２
０によって保護されている。

半導体モジュール全体の冷却用に特に構成された実用に
極めて有利な本発明の実施例を、第５Ａ図、第５Ｂ図に
外形斜視図及び断面図で示す。

この例では、冷却体１は、仮の片側（第５Ａ図では裏側
）に複数個の冷却フィン２を備えた細長い仮（５Ａ図）
の形状を有している。板の別の側では、例えばフライス
削りによって、複数個の空洞４ａ、４ｂが埋設されてお
り、該空洞は冷却されるモジュールと適合する寸法にな
っている。

まず、片側が開放された空洞４ａ、４ｂはフレームの形
態の絶縁中間体３上に取付けられた大容量半導体モジュ
ール１Ｂによって閉鎖される。

気密に密閉された大容量半導体モジュール１８（第５Ａ
図ではカバーを省略し、第５Ｂ図では点線でのみ示す）
の内部には例えばディスク状のサイリスタ素子１４（Ｇ
ＴＯ等）と、ディスク状の補足素子１５（ダイオード等
）と方形の抵抗体１６とが、例えば金属又はセラミック
基板等の共通の基板上に配設されている。基板は、空洞
４の側が冷却液８と接触している熱伝導体５　（第５Ｂ
図）の役割も兼ねている。

特に強く熱を発生する素子（例えばサイリスタ素子１４
）の場合は、このモジュール素子の基板の空洞側の部位
には、表面積を拡張するため補助的な溝１７　（第５Ｂ
図）又はフィンを設けるのが良い。

〔発明の効果〕

この実施形態によって、コンパクトで極めて高効率の冷
却装置に対応するコンパクトなモジュール機器を利用で
きる。

その際、絶縁中間層３は、絶縁が必要な金属基板を備え
たモジュールの場合にだけ必要であり、それに対して、
セラミック基板のモジュールの場合には、基本的に、絶
縁中間層は省くことが可能であることは自明である。

総合すると、本発明に基づく冷却装置には次のような利
点がある。

・小さなユニット（冷却体１個当り１〜３個の半導体素
子）を使用することによって、製造、組立て、検査及び
保守の好条件を備えた高度なモジュール性が得られる。

・自動車への取付けを移動自在に設計可能である。

・冷却体はアース電位の上にある。

・機構全体の熱抵抗が少ない。

・熱分散（熱の拡散）が最適である。

・凝縮経路が短かい。

・冷却器の保守が最小限で済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好ましい実施例による冷却装置の概
略図である。第２図は、冷却体内の空洞を、相互に連通ずる複数の冷
却管として形成した、第１図に対応する概略図である。第３図は、強力な気流冷却を備えた自動車のアンダーフ
ロア取付は用の別の実施例を示す。第４図は、気流冷却を備えた自動車のアンダーフロア取
付は用の別の実施例を示す。第５Ａ図及び第５Ｂ図は大容量半導体モジュールを冷却
するための実施例の斜視図（第５Ａ図）、及び横断面図
（５Ｂ図）である。図中符号１・・・・・・冷却体、　　　　　　２・・・・・・冷
却フィン、３・・・・・・絶縁中間体、４．４ａ、４ｂ・・・・・・空洞、５・・・・・・熱伝
導体、６・・・・・・半導体素子、　　　７・・・・・
・気体室、８・・・・・・冷却液、　　　　　　９・・
・・・・冷却管１０・・・・・・冷却管壁、　　　１１
・・・・・・ワッシャ、１２・・・・・・電気接続系、
　　１３・・・・・・自動車、１４・・・・・・サイリ
スク素子（ＧＴＯ）、１５・・・・・・補助素子（ダイ
オード）、１６・・・・・・抵抗体、　　　　　１７・
・・・・・溝、１８・・・・・・大容量半導体モジュー
ル、１９・・・・・・空気管、　　　　２０・・・・・
・ケーシング。ＦＩＧ、４ＦＩＧ、５Ａ

Claims

【特許請求の範囲】１、空洞（４）を少なくとも一つ設けた冷却体（１）を
含み、前記空洞（４）は部分的に冷却液（８）を満たし、且つ
冷却液（８）の上方に気体室（７）を具備し、気体室（７）の領域で、冷却体（１）は周囲への有効な
熱放射ができるように形成され、冷却液（８）は冷却さ
れる半導体素子（６）と密接に熱接触する、ことによっ
て構成される大容量半導体素子の冷却装置において、冷却体（１）内の空洞（４）の片側に開口部を設け、空洞（４）の前記開口部が熱伝導体（５）によって閉鎖
され、熱伝導体（５）の空洞（４）の側が冷却液（８）と接触し、熱伝導体（５）の空洞（４）と反対の側が半導体素子（
６）と熱結合され、熱伝導体（５）は冷却体（１）と電気的に絶縁される、
ことを特徴とする冷却装置。２、熱伝導体（５）と冷却体（１）との間に絶縁中間体
（３）が配設される、ことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の冷却装置。３、冷却体（１）自体が電気絶縁材料から成る、ことを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷却装置。４、冷却体（１）が気体室（７）の領域の外側に複数個
の冷却フィン（２）を具備し、又は熱交換器として形成
されている、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の冷却装置。５、熱伝導体（５）は空洞（４）内に突出し且つ前記熱
伝導体（５）の冷却液（８）と接触する部分は表面が拡
張されている、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の冷却装置。６、冷却液（８）として冷媒Ｒ１１３を使用する、こと
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の冷却装置。７、空洞（４）は相互に連通する複数の冷却管（９）と
して形成されており、前記冷却管（９）は熱伝導体（５
）と冷却体（１）の間に延在する、ことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の冷却装置。８、冷却体（１）と熱伝導体（５）とは熱良導金属、特
にアルミニウム又は銅、から成る、ことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の冷却装置。９、冷却体（１）が板の形状を有し、板の片側には複数個の冷却フィン（２）が配設され、複数個の空洞（４、４ａ、４ｂ）が板の反対側から冷却
体（１）の内部に延びており、空洞（４ａ、４ｂ）は、絶縁中間体（３）と共に板の冷
却リブ（２）とは逆の側に配置された大容量半導体モジ
ュール（１８）によって閉鎖され、大容量半導体モジュール（１８）は夫々、空洞（４、４
ａ、４ｂ）内の冷却液（８）と接触し且つ熱伝導体（５
）を形成する熱良導体の、各モジュール素子（１４、１
５、１６）を担持する基板を有する、ことを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の冷却装置。１０、表面を拡張するための溝（１７）又はフィンを、
大容量半導体モジュール（１８）の強く熱を発する領域
のモジュール素子の基板の、空洞（４、４ａ、４ｂ）側
に設ける、ことを特徴とする特許請求の範囲第９項に記
載の冷却装置。