JPS636145B2 - - Google Patents

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ー回路が設け
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、例えば、フロンR113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、冷媒はその熱によつて沸騰して液相
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つて、半導体を冷却す
る。このために、気密容器の上部には、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
つて、半導体に並列にスナバー回路が設けられて
いる。

添付図面第１図はこのスナバー回路の一例を示
す構成図であつて、図において、符号１はサイリ
スタ、ゲートターンオフサイリスタ（GTOサイ
リスタ）、ダイオード等の半導体、２，３，４は
スナバー回路を構成する部品であつて、２はコン
デンサ、３はダイオード、４は抵抗器を示す。

いま、半導体１が直流高圧大電流回路をON−
OFF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、高速でスイツチング
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
導体が破壊する。この半導体の両端に発生する異
常電圧を吸収するために、第１図に示すスナバー
回路が半導体１に並列して接続されているが、こ
のスナバー回路の内、特に、コンデンサ２とダイ
オード３と半導体１とによつ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。
このスナバー回路の配線が長くなると配線インダ
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１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１を内蔵し、スナバー回路の構
成部品は密封容器外に設置して、密封容器の壁部
に設けた気密ブツシングを介して、半導体１とス
ナバー回路の部品であるコンデンサ２、ダイオー
ド３、抵抗器４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１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つた。

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２図のとおりである。

図において符号１０は密封容器、１１は凝縮
器、１２は密封容器１０内で発生した気相冷媒を
凝縮器１１に導くための蒸気管、１３は凝縮器１
１で凝縮した液相冷媒を密封容器１０に戻すため
の液管を示す。また、密封容器１０内には、半導
体１と液相の凝縮性冷媒１４とを封入し、液相冷
媒１４によつて、半導体１が十分浸漬されるよう
に、所定量の液相冷媒１４が封入されている。更
に、密封容器１０の上部空間及び凝縮器１１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１４ａが満たされるように構成され
る。

また、密封容器１０の壁部には、ブツシング１
５が配設されており、密封容器１０内に格納され
ている半導体１との間を導体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、次にその作用について述べる。

まず、半導体１が通電等によつて発熱すると、
半導体１に接触している液相冷媒１４は沸騰し、
液相から気相に相変換する。この時、半導体１よ
り潜熱に相当する熱を奪うので、半導体１は冷却
される。一方、相変換して気相となつた気相冷媒
１４ａは、密度差のために、上方に上昇し蒸気管
１２を通つて凝縮器１１に導かれる。凝縮器１１
は多数のフインチユーブ１１ａより構成されてお
り、また、このフインチユーブ１１ａの外部は空
気によつて冷却されているために、気相冷媒１４
ａは凝縮器１１の内部で潜熱を放出して凝縮し液
化して液相冷媒１４となる。

この液相冷媒１４は、重力の作用により、液管
１３を通つて密封容器１０に戻り、再び、半導体
１の冷却に当たる。

以上のように、冷媒１４は相変化を伴いながら
密封容器１０と凝縮器１１との間を循環し、半導
体１で発生した熱量を効率よく凝縮器１１に熱伝
達し、凝縮器１１の表面より空気中に放散する。

一方、第２図に示す従来装置では、密封容器１
０内に半導体１を内蔵しているために、密封容器
１０の外部に設置されているコンデンサ２、ダイ
オード３及び抵抗器４から成るスナバー回路を構
成するために図に示すように、これらスナバー回
路とブツシング１５との間に導体１７ａ，１７
ｂ，１７ｃが配線している。

しかしながら、スナバー回路の内ダイオード３
及びコンデンサ２と半導体１とによつて形成され
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１−導体１６−ブツシング１５
−導体１７ａ−ダイオード３−導体１７ｂ−コン
デンサ２−導体１７ｃ−ブツシング１５−導体１
６−半導体１の配線経路によつてスナバー回路が
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つた。

このような従来装置における欠点を改善するた
めに、第３図に示すように、密封容器１０内に半
導体１と共にダイオード３及びコンデンサ２を収
納し、これらの部品間を導体１７ａ，１７ｂ，１
７ｃによつて配線する方法が考えられる。なお、
抵抗器４は密封容器１０外に設置し、ブツシング
１５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
１にダイオード３及びコンデンサ２を近接して配
設することが可能であり、従つて、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ON−OFF動作を高速で行な
う半導体のスナバー回路には、数100アンペア
の高周波電流であるピーク電流が流れる。従つ
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、ブツシング付きの天板と称する
金属板によつて、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１０
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
によつて、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
スナバー用コンデンサのように比較的小形（通
常大きさは約150×100×50mm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つて、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、従つて、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
チツク等の誘電体で構成されているために、エ
レメントの最高許容温度は75〜85℃と比較的低
温度である。一方、半導体の許容温度は125〜
150℃であり、沸騰冷却装置における冷媒温度
は一般に70〜75℃に設定される。従つて、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70〜75℃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
なつて、コンデンサの許容温度を越えることに
なる。従つて、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、従つて、上記(2)項の凝縮器の大
形化とも合わせて、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
−113を使用した場合、冷媒温度が47℃を越る
と、容器内圧力が外気圧に比べて高くなる。従
つて、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つたものが、コンデ
ンサを収納することにより、容器の内容積が大
きくなつ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１０内にコンデンサ２及びダイオ
ード３を収納する方法は、半導体１、コンデンサ
２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、従つて、実用性
に欠ける方法ということができる。

本発明は、上記した従来装置における欠点を改
善し、しかも、半導体１とスナバー回路との配線
長を短かくして配線インダクタンスの減少を図
り、もつて、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ー回路用コン
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４図に基づいて説明する。

図において、密封容器１０内には、半導体１と
スナバー用ダイオード３とを収納し、液相冷媒１
４を充填する。また、密封容器１０の壁部にはブ
ツシング１５を設け、このブツシング１５と半導
体１の端子との間を導体１６によつて接続してあ
る。

また、スナバー用コンデンサ２は、そのケース
２ｉがケース板２ｃ，２ｄ，２ｅから構成され、
ケース２ｉの内部にコンデンサエレメント２ａを
収納させると共に絶縁油２ｈを充填して構成され
ている。更に、ケース板２ｃには貫通した気密ブ
ツシング２ｂを、また、ケース板２ｅには貫通ブ
ツシング２ｆをそれぞれ設け、これらのブツシン
グ２ｂと２ｅとはそれぞれコンデンサエレメント
２ａの端子に導体２ｇによつて接続されている。

また、密封容器１０には、所定の部分に開放部
１０ａを設け、この開放部１０ａを閉塞するよう
にコンデンサ２のケース板２ｃを気密に溶接して
いる。

従つて、コンデンサ２の気密ブツシング２ｂ
は、密封容器１０内に突出して構成され、この気
密ブツシング２ｂと半導体１の端子Ｂ及びダイオ
ード３とに、導体１６ａにより配線する。一方、
ダイオード３と半導体１の端子Ａとの間にも、導
体１６ａにより配線する。

なお、コンデンサ２を密封容器１０に溶接する
場合、溶接熱によつてコンデンサ２内のコンデン
サエレメント２ａを熱劣化させる恐れがあるため
に、コンデンサ２の製作は次のようにすればよ
い。

まず、ケース板２ｃと２ｄとを溶接等の方法に
よつて接合し、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、コンデンサエレメント２
ａと貫通気密ブツシング２ｂとの間を導体２ｇに
よつて配線接続し、ケース板２ｅに設置の貫通ブ
ツシング２ｆとコンデンサエレメント２ａとの間
も導体２ｇによつて配線接続する。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
だ付け等の方法によつて接合し密閉する。このよ
うにして、コンデンサ２を構成した後、図示して
いない油口より絶縁油を真空注入し、油口を閉塞
すればコンデンサ２が完成する。

なお、ブツシング２ｆは、高価な気密ブツシン
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、このブツシング２ｆをケース板
２ｅに取り付けているが、これに限るものではな
く、ケース板２ｄに取り付けてもよく、この場合
では、コンデンサエレメント２ａとブツシング２
ｆとの配線が容易に行なえる。また、スナバー回
路用の抵抗器４は、一方の端子とコンデンサ２の
ブツシング２ｆとの間を、また、他方の端子とブ
ツシング１５との間を導体１７で配線することに
より、半導体１に対してダイオード３、コンデン
サ２及び抵抗器４からなるスナバー回路が構成さ
れる。

本発明の半導体沸騰冷却装置、特に、そのスナ
バー回路は、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２の気密ブツシング２ｂを密封容
器１０内に、半導体１の端子に向かつて突出さ
せているために、第２図に示す従来装置に比べ
て、スナバー回路の配線長を著しく短かくする
ことができ、従つて、配線インダクタンスの低
減によつ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２のケース板２ｃ，２ｄ，２ｅで
構成されるケース２ｉの内、一面のケース板２
ｃのみが密封容器１０内の液相冷媒１４に接触
しているから、液相冷媒１４からコンデンサ２
に受ける熱影響は少なくなる。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２ｄ，２ｅ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り、従つて、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、従つて、製造工
数も少なく、また、製作期間も短く、従つて、
経済的な製作が可能となる。

(4) 密封容器１０とコンデンサ２のケース板２ｃ
との溶接接合部及び気密ブツシング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２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つて
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２のケース２ｉのケース板
２ｄと２ｅとの間を分離して開封することによ
り、コンデンサエレメント２ａを容易に交換す
ることが可能であり、従つて、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４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２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４を密封容器１０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２ｆ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４図は、密封容器１
０とコンデンサ２との接合の一形態を示したもの
であつて、第４図に示す以外の接合方法、接合形
状によつても、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、半導体とスナバー回路との構成の一
例を示す回路構成図、第２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４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。 １……半導体、２……コンデンサ、２ａ……コ
ンデンサエレメント、２ｂ……気密ブツシング、
２ｃ，２ｄ，２ｅ……ケース板、２ｆ，１５……
ブツシング、２ｈ……絶縁油、２ｉ……ケース、
３……ダイオード、４……抵抗器、１０……密封
容器、１０ａ……開放部。なお、各図中、同一符
号は同一又は相当部分を示す。

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ー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ー回路用コンデンサ
   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。 ２ 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個の気密ブツシングが
   設けられ、この気密ブツ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ー回路用
   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
   密ブツシングを設け、且つ、閉塞部分以外の壁部
   にブツシングを設けている特許請求の範囲第１項
   又は第２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３項のいずれかに
   記載の半導体沸騰冷却装置。