JPS636148B2 - - 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、スナバー回路を備えて
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、フロンR113等の凝縮性冷媒を封入して構成
されている。従つて、半導体が通電により発熱す
ると、凝縮性冷媒は沸騰して液相から気相に相変
化し、この際、発熱している半導体より潜熱を奪
うことにまつて、半導体は冷却される。また、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て気化した気相冷媒は凝縮器
に流入し、凝縮器の外部の空気等へ潜熱を放出す
ることによつて気相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。

このようにして凝縮性冷媒は液相と気相との相
変化により、密封容器と凝縮器との間を循環し、
密封容器内に収納した半導体において発生した熱
を凝縮器に効率よく伝達し、半導体を冷却する。

一方、半導体には、サージ電圧抑制等の目的を
もつて、半導体に対して並列にスナバー回路が設
けられている。

従来の半導体沸騰冷却装置はこのように構成さ
れているが、この構成、特に、そのスナバー回路
についてその一例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
する部品であつて符号２はコンデンサ、３はダイ
オード、４は抵抗器を示す。

今、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
である場合には、高速でスイツチング動作を行な
うと、半導体１の両端には異常電圧が発生し、こ
の異常電圧が半導体１の許容電圧を越えると、半
導体１が破壊する。従つて、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
すように、スナバー回路が半導体１に対して並列
に接続されるが、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。それは、このスナバー回路の
配線が長い場合には、配線インダクタンスが増大
し、サージ電圧吸収効果が低下して、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にあつて
は、添付図面第２図に示すように、密封容器１０
内に半導体１を内蔵し、スナバー回路の構成部
品、すなわち、コンデンサ２、ダイオード３及び
抵抗器４は、いずれも、密封容器１外に設置さ
れ、密封容器１の壁部に設けられた気密ブツシン
グ１１を介して、半導体１とスナバー回路部品２
〜４とを導体（配線）１２，１３ａ，１３ｂ，１
３ｃによつて接続しており、従つて、配線長さを
短かくするのに、おのずと限界があり、その結
果、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。

これについて、従来装置の構成を示す第２図に
基づいて次に詳述する。

図において、符号１０は輸封容器、１１は気密
ブツシング、１２，１３ａ，１３ｂ，１３ｃは配
線用の導体、１４は凝縮器、１４ａは凝縮器１４
を構成するフインチユーブ、１５は密封容器１０
内で発生した気相冷媒１６を凝縮器１４に導くた
めの蒸気管、１７は凝縮器１４で凝縮した液相冷
媒１８を密封容器１０に戻す液管を示す。また、
密封容器１０内には、半導体１と液相の凝縮性冷
媒１８とを封入し、液相冷媒１８内に半導体１が
十分浸漬するように所定量の液相冷媒１８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１４の内部は、空気等の非凝縮性気体が混
合することなく、気相冷媒１６が満たされるよう
に構成されている。

また、密封容器１０の壁部には、気密ブツシン
グ１１が配設され密封容器１０内に格納されてい
る半導体１との間を導体１２によつて電気的に接
続しており、更に、スナバー回路を構成するコン
デンサ２、ダイオード３、抵抗器４及び気密ブツ
シング１１間は導体１３ａ，１３ｂ，１３ｃによ
つて接続されている。

従来の半導体沸騰冷却装置はこのように構成さ
れているが、次にその作用を述べる。

まず、半導体１が発熱すると、半導体１に接触
している液相冷媒１８は沸騰し、液相から気相に
相変換する。その際、半導体１より潜熱を奪うの
で、半導体１は冷却される。一方、相変化した気
相冷媒１６は、密度差のために上方に上昇し、蒸
気管１５を通つて凝縮器１５に導かれる。この気
相冷媒１６は、凝縮器１４の多数のフインチユー
ブ１４ａの外部が空気によつて冷却されているた
めに、凝縮器１４の内部で潜熱を放出し、凝縮し
て液化し、液相冷媒１８となる。この液相冷媒１
８は重力の作用により液管１７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。

以上のように冷媒は相変化を伴いながら密封容
器１０と凝縮器１４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１４に熱伝達して
凝縮器１４の表面より空気中に放散する。

このように、従来の装置においては、半導体１
は、密封容器１０内に内蔵されており、また、コ
ンデンサ２、ダイオード３及ば抵抗器４から成る
スナバー回路は、密封容器１０の外部に設置され
ているために、これらは、図に示すように、導体
１３ａ，１３ｂ，１３ｃの長い配線により接続さ
れなければならなかつた。

しかるに、スナバー回路の内、ダイオード３、
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
要であるが、上記のような従来の装置において
は、半導体１−導体１２−気密ブツシング１１−
導体１３ａ−ダイオード３−導体１３ｂ−コンデ
ンサ２−導体１３ｃ−気密ブツシング１１−導体
１２−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、配線をいくら短かくし
ても、インダクタンスの低減には限界があり、従
つてサージ電圧吸収効果が十分に得られないとい
う欠点があつた。

このような従来の装置における欠点を改善する
ために、添付図面第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１３a′，
１３b′，１３c′によつて配線する方法が考へられ
る。なお、抵抗器４は容器１０外に設置し、気密
ブツシング１１を介して図に示すように配線され
る。このような方法によると、半導体１にダイオ
ード３及びコンデンサ２を近接して配線すること
が可能となるために、配線インダクタンスは小さ
くなり、サージ電圧吸収効果はたしかに増大する
という特長は生ずる。しかし、その反面、この方
法には次に示すような欠点を有している。すなわ
ち、 (1) コンデンサのエレメントを構成する材料は誘
電体としてプラスチツクフイルムや紙が用いら
れ、また、電極は誘電体に亜鉛等の金属を蒸着
して構成されるか又は極薄のアルミ箔が使用さ
れる。これらの材料は冷媒例えばフロンR113
に触れると腐食し、コンデンサとしての電気特
性が著しく低下する。従つて、コンデンサを密
封容器内に収納する場合には、金属ケースの中
にコンデンサエレメントを収納し、冷却材とし
て絶縁油を封入した。いわゆる、油入コンデン
サを用いなければならない。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り金属ケースの開放部
をはんだ付けによつて閉塞し、絶縁油を充填し
て製作される。

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、このコンデンサ内
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をきたし、また、逆に冷
媒蒸気がコンデンサの内部に侵入すると、フロ
ン等の冷媒によつて、コンデンサエレメントが
腐食劣化する危険性が生ずるために、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、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、溶接の際に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
を起こす危険性がある。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
入すれば可能ではあるが、コンデンサが著しく
大きくな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つてエレ
メント中心温度はケースの冷媒温度より高くな
り、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、このため凝縮器を大
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、従つて、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、上記第２項に述べた凝縮器の大
形化とも合せて、ますます半導体沸騰冷却装置
が大形化する。更に、沸騰冷却装置は冷媒とし
てフロンＲ−113を使用した場合には、冷媒温
度が47℃を越ると密封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
適用されない、いわゆる、簡易容器の範囲内に
あつたものが、コンデンサ等を密封容器内に収
納することにより、密封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
り、また、製作工数の増加と共に製作コストが
増大する。

このように、第３図に示したとおり、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、ダイ
オード３から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、
上記のような各欠点を有し、従つて、この方法
は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する好適な半
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
器の半導体に近接した壁部に上記半導体と接続さ
れる気密ブツシングを設け、上記密封容器の上記
気密ブツシング設置の壁部外に近接してスナバー
回路用コンデンサを設置し、上記コンデンサの端
子と上記気密ブツシングとを直接接続して、上記
密封容器内の上記半導体と上記密封容器外の上記
コンデンサとを配線接続してスナバー回路を構成
していることを特徴としているものである。

以下、本発明のそ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、半導体１とス
ナバー用ダイオード３とを収納すると共に液相冷
媒１８を充填する。密封容器１０の壁部には気密
ブツシング１１を設け、この気密ブツシング１１
と半導体１の端子との間を導体１２によつて接続
する。

一方半導体１の端子Ａ及びＢの近接した密封容
器１０の壁部に上記半導体１に接続の気密ブツシ
ング２１ａ及び２１ｂを設け、この気密ブツシン
グ２１ｂと半導体１のＢ端子とを導体２２ｂによ
り、また、ダイオード３を介して半導体１のＡ端
子と気密ブツシング２１ａとを導体２２ａによつ
て接続する。また、上記気密ブツシング２１ａ，
２１ｂに近接して密封容器１０の壁部に、断熱材
２３を介してスナバー用コンデンサ２が設けられ
ており、このコンデンサ２の端子導体２Ｄ及び２
Ｅと上記気密ブツシング２１ａ，２１ｂとが直接
接続されており、この接続ははんだ付け又はねじ
止めによつて接続される。なお、このコンデンサ
２は、電極の構成によつて、添付図面第５図に示
すような箔電極形と金属蒸着形とがある。

また、密封容器１０の壁部とコンデンサ２との
間に断熱材２３を介在させた理由は、コンデンサ
２を密封容器１０に密着させると、密封容器１０
の壁部を介して液相冷媒１８の温度がコンデンサ
２に熱伝導されるから、これを防止するために、
密封容器１０とコンデンサ２との間に断熱材２３
を設置して断熱することが望ましいことによる。

なお、スナバー用抵抗器４は密封容器１０の外
部に設置し、気密ブツシング１１と２１ａとの間
に導体２４により配線接続する。

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ているため
に、次に示すような特徴すなわち効果を有してい
る。

(1) 半導体１の端子Ａ及びＢの近傍の位置に、気
密ブツシング２１ａ，２１ｂを設け、密封容器
１０の外部に、上記気密ブツシング２１ａ，２
１ｂに直接コンデンサ２の端子導体２Ｄ，２Ｅ
を接続して構成するために、密封容器１０内に
配設した半導体１及びダイオード３と密封容器
１０の外部に設けたコンデンサ２との配線長が
非常に短くなり、従つて、配線インダクタンス
の低減により、スナバー回路におけるサージ電
圧吸収効果が大きく増大する。

(2) コンデンサ２は密封容器１０の外壁に断熱材
２３を介して取り付けられるから、密封容器１
０内の冷媒からの熱影響が少なく、また、コン
デンサ２自体の発熱もコンデンサ取付面以外の
露出面より外気に対し熱放散するために、温度
が低くなり信頼性が向上する。

(3) コンデンサ２は、電極の端面に端子導体を直
接はんだ付け等の方法により接続されているた
めに、コンデンサ自体のインダクタンスの小さ
いものが製作可能となる。従来のものは、コン
デンサエレメントを金属ケース内に収納し、金
属ケースに設けたブツシングとコンデンサエレ
メントとを可撓性を有するリード線で接続して
いたために、リード線の断面積が比較的細く、
また、電極端面の一部に前記リード線がはんだ
付け等の方法で点接続されているために、ブツ
シングとエレメントとの間のインダクタンスが
比較的大きいものであつたが、これに対して本
発明のものでは、金属ケースを用いず、従つ
て、ブツシングも不要となり、コンデンサエレ
メントから板状の端子導体を直接コンデンサエ
レメントの電極端面に面的に接続されているた
めに、電極端面の端子導体の接続面積が従来の
ものに比べてはるかに大きくすることができ
る。この端子導体と電極端面との接続面積が大
きいことは電極が巻回して構成されていること
から、電極の各部分に対し、端子導体より直接
給電が行なわれることを意味し、インダクタン
スが小さくできることになる。

(4) 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、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
ることが可能となり、従つて、製作期間も短か
く且つ経済的な製作が可能となる。

(5) 万一、コンデンサ２が故障すると、第３図に
示す方法では密封容器を開放し、内部に収納の
コンデンサを交換又は修理した後、再密封し、
冷媒を真空注入しなければならないが、本発明
の装置においては、密封容器を開封することを
要さず、そのまま、コンデンサ２の端子導体２
Ｄ，２Ｅと気密ブツシング２１ａ，２１ｂとの
接続を切り放すことにより、容易にコンデンサ
２の交換が可能となり、従つて、修理期間の短
縮と修理費用の大幅な改善とが可能となる。

以上のように、本発明の半導体沸騰冷却装置に
おいては、数々の特徴を有しており、極めて実用
性の高い有効なものであ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、
スナバー回路の配線が短かくできるのであれば、
密封容器１０のいかなる方向に配設しても差し支
えなく、また、ダイオード３を密封容器１０内に
収納した場合を示したが、これも密封容器内に限
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内に収納し
て構成することも差し支えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体とスナバー回路の一例を示す回
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、第５図は箔電極形
コンデンサの縦断面図である。 １……半導体、２……コンデンサ、３……ダイ
オード、４……抵抗器、１０……密封容器、１
１，２１ａ，２１ｂ……気密ブツシング、１２，
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３a′，１３b′，１３
c′，１７，２２ａ，２２ｂ……導体、１４……凝
縮器、１６……気相冷媒、１８……液相冷媒、２
３……断熱材。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 密封容器内に封入された冷却媒体に浸漬して
   収納された半導体を、上記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
   器に熱伝達することにより冷却すると共にスナバ
   ー回路を備えている半導体沸騰冷却装置におい
   て、上記密封容器の上記半導体に近接した壁部に
   上記半導体と接続される気密ブツシングを設け、
   上記密封容器の上記気密ブツシング設置の壁部外
   に近接してスナバー回路用コンデンサを設置し、
   上記コンデンサの端子と上記気密ブツシングを直
   接接続して、上記密封容器内の上記半導体と上記
   密封容器外の上記コンデンサとを配線接続してス
   ナバー回路を構成していることを特徴とする半導
   体沸騰冷却装置。 ２ 密封容器の気密ブツシング設置の壁部外に近
   接して設置されたスナバー回路用コンデンサが、
   上記壁部との間に断熱材を介して設置されている
   特許請求の範囲第１項記載の半導体沸騰冷却装
   置。