JP2008286480A

JP2008286480A - 電力変換装置の冷却装置

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Publication number: JP2008286480A
Application number: JP2007132459A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Aihara; 一雄粟飯原
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】冷却媒体として純水を用いた純水沸騰式冷却装置を氷点下の低温環境で使用した場合においても、冷却媒体の純水が凍結することなく良好に運転できる装置を提供する。
【解決手段】熱的に結合された被冷却体１からの熱を受けて、内部に冷却媒体として封入された液相の純水を気相の純水に変換する受熱器１０と、この受熱器１０と気密的に連通して結合され、この受熱体から送られてきた前記気相の純水の熱を外気へ放熱してこの気相の純水を凝縮し、液相の純水に変換して前記受熱体へ戻す放熱器３０とを備えた純水沸騰冷却装置において、外気温度が０℃近傍以下のときに前記放熱器３０にこれが満たされる量の非凝縮性ガス４０を減圧封入して、前記被冷却体の発熱がない状態において前記受熱器か１０からこの放熱器３０内へ前記気相に変換された純水が入り込むことがないように前記非凝縮性ガスにより前記純水を前記受熱器１０内に押し込める。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷却媒体の相変化を利用して冷却を行う沸騰・凝縮式冷却装置（以下においては、簡略のために沸騰式冷却装置と称する）を用いた電力変換装置の冷却装置に関し、特に冷却媒体として純水を使用した純水沸騰式冷却装置を使用した冷却装置に関する。

これまで、電力変換装置の冷却に使用される、冷却媒体の相変化を利用した沸騰式冷却装置においては、一般に、特許文献１に記載されるように、冷却媒体としてフッ化炭素等の有機媒体が使用されることが多かった。しかし、このような有機系冷却媒体は、大きい温暖化係数を持っているため、沸騰式冷却装置の製作時または廃棄時等に機器から漏れ出した場合、地球環境の温暖化を招くという問題がある。

このため、昨今では特許文献２に記載されるように、沸騰式冷却装置における冷却媒体として、温暖化係数がゼロの水が使用されるようになってきた。また、沸騰冷却特性は有機系よりも水の方が高い性能を有しているため、この点からも冷却媒体として水がより注目されているところである。また、従来、水は電気絶縁性がないためには使用されなかったが、近年、ファインセラミックス等の高熱伝導性電気絶縁材が開発されたことにより沸騰式冷却装置の冷却媒体として水が使用可能となった。

純水を冷却媒体とする純水沸騰式冷却装置を使用した電力変換装置の冷却装置の従来例を図４に示す。この従来例は特許文献１に示されたものである。

この図４において、１０１は被冷却体としての電力変換装置を構成する平形半導体素子、１１１は平形半導体素子１０１の発生熱を受熱する受熱ブロック、１２１はこの受熱ブロック１１１で受熱した熱により発生する水蒸気の気泡、１０４は、平形半導体素子１０１と受熱ブロック１１１とを、外部接続電極１０２および高熱伝導性電気絶縁板１０３とともに一体的に締め付けてスタック１００を構成する締め付けボルト、１０５はスタック１００の支持板、１１２は受熱ブロック１１１に連通され、冷却媒体としての純水１２０を貯留する密封容器である。この密封容器１１２は、受熱ブロック１１１とともに内部に封入された冷却媒体の純水１２０を液相から気相に変換する受熱器１１０を構成する。ここで純水とは水を高度に精製して不純物を除いた純粋な水をいう。１１５は発生した水蒸気の気泡１２１を集めて通すための気相管、１１６は気相から液相に変換された純水を通すための液相管、１２２は気泡１２１が集約した水蒸気、１２３は気相から液相に変換された純水の凝縮水、１３３は上流側ヘッダ１３１と下流側ヘッダ１３２とに連通して設けられた放熱管である。この放熱管１３３の外周には多数の放熱フィン１３４が設けられている。ヘッダ１３１および１３２と放熱管１３３とにより、気相の純水を冷却して、凝縮することにより液相の純水に変換する放熱器１３０を構成する。受熱ブロック１１１および密封容器１１２で構成された受熱器１１０とこの放熱器１３０とは、気相管１１５および液相管１１６により気密的に連通結合され、気密的に密閉された閉ループの冷却媒体循環路を構成する。

このように構成された従来の冷却装置において、平形半導体素子１０１は、通電することにより熱を発生する。この熱は平形半導体素子１０１の陽極面及び陰極面に外部接続電極１０２および電気絶縁板１０３を介して圧接されている受熱ブロック１１１に伝達されて、受熱ブロック１１１内に封入された冷却媒体の純水１２０がこの熱を吸収して沸騰し、液相から気相に相変化し、水蒸気の気泡１２１を発生する。相変化した純水は、水蒸気１２２となって気相管１１５を通して放熱器１３０に導かれる。

これにより放熱器１３０内には、水蒸気１２２が充満する。ここで放熱器１３０の放熱管１３３において、その表面に設けられた放熱フィン１３４により二次冷却媒体である空気等と熱交換が行われる。その結果、水蒸気１２２は放熱管１３３を通過しながら外部へ放熱して凝縮し、気相から液相に相変化する。凝縮して液相に戻った純水１２３は、著しく密度が増大し、気圧差と重力との作用により、下流側のヘッダ１３２から落下し、液相管１１６を通して受熱器１１０に戻り、再び沸騰冷却に供される。このような熱輸送サイクルの連続動作により、平形半導体素子１０１が、冷却媒体である純水の液相から気相に変化する際の大きな気化潜熱により良好に冷却される。

しかしながら、このような純水を冷却媒体とする冷却装置においては、冷却媒体が水であるが故に、氷点下の低温環境下で冷却媒体が凍結するという特有の課題が存在する。

即ち、冷却装置が氷点下となる低温環境下におかれた場合、外気温の低下に伴い密閉された冷却系内の温度が低下するとボイル−シャルルの法則（Ｐ∝Ｔ）に従い、内圧がこれに比例して低下する。受熱器内の圧力が低下すると冷却媒体である純水の沸点も低下するため、冷却媒体である純水は氷点下付近の低温状態でも受熱器１１０内にて蒸発し気相化する。そして、放熱器１３０内の温度が受熱器１１０内の温度を下回れば両者間には温度差が生じ、同時に圧力差も生じるため水蒸気１２２は、受熱器１１０から気相管１１５を通って上昇し放熱器１３０へ送られて放熱管１３３内で冷却されて気相の水蒸気が凝縮し、液相化する。このとき放熱器１３０あるいは放熱管１３３の温度が氷点下に低下すると液相化した冷却媒体の純水がその場で凍結することになる。このように、特に放熱器内において液相の純水が凍結すると、図５に示すように、放熱器１３０の放熱管１３３内などに凍結した純水が氷塊１２８として残り、放熱器１３０から受熱器１１０側への液相の純水の戻り量が減少するようになる。更にこのような状態が長時間続いた場合には、最終的に受熱器側での純水の量が不足してドライアウト（液枯れ）となり、装置は冷却能力を失うことになる。

そこで、このような危険を回避するためには、冷却媒体である純水が装置内、特に放熱器内で凍結するのを防止することが重要となる。

氷点下の低温環境下で冷却媒体である水の凍結を防止する手段として特許文献１では、冷却媒体の水の中にアルコール類等の不凍液を混入することが提案されている。しかし、この方法では、水に混入された不凍液が長期に亘って使用することにより沸騰冷却装置の受熱器や放熱器等の内部に付着し、これらの機器の劣化を招き、延いては冷却能力の低下を生じさせる問題がある。

また、特許文献２では、図５に示すように、放熱器１３０に凍結防止用の電気ヒータ１５１を設け、これにより放熱器１３０の温度を氷点下に低下しないように保温して、冷却媒体の水の凍結を防止するようにしている。しかしこの方法では、放熱器を保温するため、放熱器全体の温度を氷点下にしないだけの発熱容量を有する電気ヒータが必要となるため、保温のための電力消費量が多大となる問題がある。

さらに、特許文献３には、純水沸騰式冷却装置と同じ原理の純水を冷却媒体とするヒートパイプを用いた冷却装置における凍結防止手段が示されている。ここに示された凍結防止手段は、ヒートパイプの密封管内に冷却媒体としての純水と共に非凝縮性ガスを少量封入してヒートパイプを可変コンダクタンスヒートパイプ（ＶＣＨＰ）とするものである。

このＶＣＨＰを用いた冷却装置は、図６に示すように構成されている。すなわち、図６において、２０１は、電力変換装置を構成する平型半導体素子である。この半導体素子２０１の両極面にそれぞれ外部接続電極２０２、高熱伝導性電気絶縁板２０３を介して冷却体２０６を圧接して半導体スタック２００が構成される。ここでは、半導体素子２０１が１個しか示されていないが、半導体スタック２００は、通常は複数個の半導体素子を備える。

２１０はＶＣＨＰであり、密封された管２１１内に冷却媒体としての純水２２０と非凝縮性ガス２４０を一緒に封入して構成される。このＶＣＨＰ２１０は、受熱端となる下端部を半導体スタック２００の冷却体２０６に結合し、放熱端となる上端部に放熱フィン２１４を設けている。

半導体素子２０１が通電により発熱すると、この熱が、冷却体２０６を介してＶＣＨＰ２１０に伝達され、内部に封入された冷却媒体の純水２２０がこの熱を吸収して沸騰して気相の水蒸気２２１に相変化する。この水蒸気２２１はその圧力により管２１１内に封入された非凝縮性ガス２４０を圧縮して上方の放熱端側へ上昇する（図７参照）。

ＶＣＨＰ２１０の放熱端側に達した純水の水蒸気２２１は、放熱フィン２１４から内部の熱を外気へ放熱して凝縮され液相の純水（凝縮水）２２２に戻される。液相に戻された純水（凝縮水）２２２は、管２１１の内壁面を伝ってその重力により受熱端の純水２２０の溜部へ戻り、再び半導体素子の沸騰冷却を行うようになる。ＶＣＨＰ２１０は、このよう熱輸送サイクルにより半導体素子２０１の冷却を行う。

しかして、電力変換装置が無負荷の状態となり、半導体素子２０１の発熱がなくなると、ＶＣＨＰ２００の受熱端における純水２２０の気相の水蒸気の発生が減少するため、管２１０内の圧力が低下し、図６に示すように、非凝縮性ガス２４０が管２１０内の受熱端の受熱端側に溜まった純水２２０の上面まで拡散し、液相または気相の純水が放熱端部へ入り込まないように管２１０の下方の受熱端側に押し込められるようになる。この状態で周囲温度の低下により放熱フィン２１４の設けられた放熱端部の温度が氷点下になっても、この部分には純水がないため凍結が防止される。このため、受熱端部において純水の量が不足することがなくなる。したがって、ＶＣＨＰを用いた冷却装置によれば、純水を冷却媒体とするものであっても、低温環境下でも冷却性能の低下はなく、安定に冷却を行うことができる。

しかしながら、このようなＶＣＨＰは、直径が１６〜２０ｍｍ、長さが１０００〜１５００ｍｍ程度の細くて長い密封管で構成されるため、１本当たりの内部空間の容積が小さいことや、密封管内での冷却媒体の流れ、すなわち気相の冷却媒体の流れと、気相から液相に戻された冷却媒体の流れが、互いに対向する向きとなり、互いの流れが阻害されるため、熱輸送効率が低下され、かつ熱輸送が制限されることにより熱輸送量を大きくできない問題を有する。

また、ＶＣＨＰにおいては、非凝縮性ガスの封入された部分は熱伝導に寄与しないので、半導体素子の通電運転中には、図７に示すように、純水から変換された気相の水蒸気２２１が、密封管２１０の放熱端の放熱フィン２１４の設けられた部分との接触面積を拡大して放熱効果を高めるために、密封管２１０を放熱フィン２１４の設けられた部分から先に大きく張り出させ、この張り出し部分２１０Ａに非凝縮性ガスを押し込むようにすることが必要となる。このため、ＶＣＨＰを組み込んだ冷却装置は、その高さが張り出し部分の分だけ高くなり、また、電力変換装置の半導体素子スタックの冷却装置にＶＣＨＰを組み込んで必要な熱輸送量を確保するために１素子当たり２組のＶＣＨＰ冷却体を組み込むことが必要となること等により、冷却装置が大形となる問題がある。
特開平５−３２６７７３号公報特開２００３−１４８８８３号公報特開２００４−２５４４５１号公報

本発明は、このような従来装置における各種の問題点を解消するために、冷却媒体として純水を用いた純水沸騰式冷却装置を組み込んだ電力変換装置の冷却装置において、凍結防止手段として可変コンダクタンスヒートパイプの技術を採用することにより、氷点下となる低温環境におかれても、冷却媒体の純水が凍結して冷却不能に陥ることなく安全に運転することができ、かつ熱輸送効率が高く、小形化が可能な電力変換装置の冷却装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、この発明は、電力変換装置の半導体素子と熱的に結合され、この半導体素子から熱を受けて内部に封入された液相の冷却媒体を気相の冷却媒体に変換する気密的に構成された受熱器と、気相の冷却媒体の熱を外部へ放熱してこの気相の冷却媒体を凝縮し液相の冷却媒体に変換する気密的に構成された放熱器とを、前記受熱器において気相に変換された冷却媒体を前記放熱器へ送る気相管と、前記放熱器において液相に変換された冷却媒体を前記受熱器へ戻す液相管とにより相互に連通させて結合し、前記冷却媒体が一方向に環流する気密的な閉ループの冷却媒体循環路を形成してなる電力変換装置の冷却装置において、前記受熱器内に冷却媒体として液相の純水を減圧して封入するとともに、前記放熱器内に、前記半導体素子が発熱しない状態において前記受熱器内の液相の純水または気相に変換された純水が前記放熱器内へ入り込まないように、この液相または気相の純水を前記受熱器側に押し込めておくことのできるだけの量の非凝縮性ガスを減圧して封入したことを特徴とするものである。

この非凝縮性ガスの封入量は、外気温度が０℃近傍の温度となる条件において決定すると、封入量を最小限にすることができる。

この発明においては、放熱器を１対の上流ヘッダおよび下流ヘッダとこの１対のヘッダ間に連通して連結された複数の放熱管とにより構成し、前記放熱管内で気相から液相に変換された純水がこの管内を上流ヘッダ側から下流ヘッダ側へ向かって流れるように、前記放熱管を上流ヘッダ側から下流ヘッダ側へ下降するように傾斜させたようにするのがよい。

また、この発明においては、冷却装置の少なくとも前記受熱器部分を閉鎖的な筐体内に収容し、この筐体内にヒータなどの保温手段を設置して前記受熱器の温度を凍結温度以下に低下しないように保温するようにしてもよい。

この発明によれば、電力変換装置に組み込まれた純水沸騰式冷却装置の受熱器内に冷却媒体としての純水を封入するとともに放熱器内に非凝縮性ガスを封入して、液相または気相の純水が放熱器内に入り込まないように受熱器内に押し込めるようにしているため、装置の温度が氷点下に低下しても、放熱器内での純水の凍結が防止される。この結果、放熱器へ還流した冷却媒体の純水はここに留って受熱器へ戻らなくなることがないため、受熱器における冷却媒体としての純水の貯留量が不足（液枯れ）することがなくなり、冷却不能に陥る危険がなくなり、常に安定した冷却能力を維持することができる。そして何よりも、冷却媒体に温暖化係数がゼロである水を冷却媒体に使用することにより、地球温暖化を抑制できる効果が大きい。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２に、この発明の実施例による電力変換装置の冷却装置の構成を示す。

図１および図２において、１は、電力変換装置を構成する電力用の平型半導体素子である。この複数個の平型半導体素子１は、それぞれ両極面に外部接続電極２、高熱伝導性電気絶縁板３および純水沸騰式冷却装置の受熱器１０を構成する受熱ブロック１１を介して水平に並置され、両端から図示しない締付手段により締め付けられ、相互に加圧接触された一体的な半導体スタックを構成する。これにより、平型半導体素子１と外部接続電極２および受熱ブロック１１がそれぞれ電気的および熱的に結合される。

受熱器１０の各受熱ブロック１１は、詳細を図２に示すように、内部に縦方向に複数個の冷却媒体の通流路１２が設けられた気密構造体からなり、内部の通流路１２にこれを減圧した状態で冷却媒体としての純水２０が封入されている。この純水は、水を高度に精製して不純物を除いた純粋な水としたものである。受熱ブロック１１の各通流路１２の内周壁には、凹凸加工を施して表面積を拡大し、受熱ブロック１１と冷却媒体として封入された純水２０との熱伝達率を高めるようにしている。そして、各受熱ブロック１１の上端は連結管１４により連結された共通の受熱器ヘッダ１３を介して気相管１５に連通結合され、下端はそれぞれ液相管１６に連通結合されている（図１参照）。

図１に示すように、受熱器１０の上方に、放熱器３０が設けられる。この放熱器３０は、冷却媒体の通流路の上流側に設けられた上流ヘッダ３１および下流側に設けられた下流ヘッダ３２と、内部に冷却媒体通流路を有し、この１対のヘッダ３１，３２間に連通して気密的に結合された複数の放熱管３３とにより構成され、全体が１つの気密構造体を構成する。各放熱管３３には、外周にほぼ等間隔で直角方向に延びた多数の放熱フィン３４が設けられるとともに、上流ヘッダ３１側から下流ヘッダ３２側へ下降するように傾斜され、この管内で凝縮した液が上流ヘッダ３１側から下流ヘッダ３２側へ確実に流下するように構成されている。放熱管３３の傾斜角度は、凝縮水の流下を助けるものであるので、小さい角度で十分である。

このような放熱器３０の上流ヘッダ３１の下端に受熱器１０に結合された気相管１５がこれに連通して気密的に結合され、下流ヘッダ３２の下端に各受熱ブロック１１に結合された液相管１６がこれに連通して気密的に結合されることにより、受熱器１０と放熱器３０が相互に連通結合され、内部に気密的な閉ループの冷却媒体循環通流路を形成する。

この発明では、受熱器１０内の冷却媒体通流路には冷却媒体として純水２０を減圧封入し、放熱器３０内の冷却媒体通流路には、これを減圧した状態で、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性な非凝縮性ガス４０を封入して純水沸騰式冷却装置を構成する。

純水沸騰式冷却装置に封入された純水２０と非凝縮性ガス４０とは、その質量の差によって純水２０が下部の受熱器１０の部分に溜まり、非凝縮性ガスが上部の放熱器３０の部分に溜まる。純水２０および非凝縮性ガス４０の封入量は、次の関係となるようにしている。

すなわち、例えば半導体電力変換装置が停止されているかまたは、運転されていても負荷のかからない無負荷の状態におけるように、平型半導体素子１に通電電流による熱が発生しない状態において、非凝縮性ガス４０が放熱器３０の全体に充満され、この非凝縮性ガス４０の圧力によって、受熱器１０内に封入された冷却媒体としての純水２０が液相または気相の状態で放熱器３０内に入り込まないように受熱器１０の受熱器ヘッダ１３内までに押し込めておくことができるような量とする。この純水２０と非凝縮性ガス４０との封入量は、半導体素子１が発熱しない状態において、純水２０を確実に受熱器１０内に押し込めておくようにするためには、周囲の外気温度が０℃近傍の温度となる温度条件において決めるのがよく、これにより非凝縮性ガスの封入量を最小限にすることができる。

さらに、平型半導体素子１を含む受熱器１０部分を閉鎖筐体５０内に収容し、この筐体５０の中に、結露防止等に使用するヒータ５１を設置し、筐体５内の温度が氷点下とならい温度に保ち、純水を貯留した受熱器１０において凍結が起こらないようにしている。

このような電力変換装置の冷却装置に使用する純水沸騰式冷却装置は、原理的には次のように動作する。

電力変換装置が運転されると、半導体素子１が、これに通電される負荷電流の大きさに応じて発熱するので、この熱を受けて受熱器１０の受熱ブロック１１内の純水２０が加熱される。純水２０が沸騰温度に達して沸騰し、気相の水蒸気に変換されるとき、その大きな気化潜熱により半導体素子１の熱を吸収し、これを冷却する。純水２０が気相に変換されて水蒸気２１になると、受熱器１０内の圧力が上昇し、純水の気相の水蒸気２１が受熱器１０に連通された気相管１５を通して、放熱器３０の上流ヘッダ３１へ送られる。このヘッダ３１に送られた純水の気相の水蒸気２１が、放熱管３３を通して下流ヘッダ３２へ送られる過程で、放熱管３３に設けられた放熱フィン３４から外気へ放熱して冷却されることにより、凝縮し液相の純水に変換される。液相に変換された純水は、放熱管３３内をその重力により下流ヘッダ３２側へ流れ、ここに集められ、これに連結された各液相管１６を通して、受熱器１０へ戻り、再び、被冷却体の半導体素子１の熱を吸収し、放熱器３０へ熱を運ぶ作用を繰り返し行う。このような熱輸送サイクルの連続動作により、半導体素子１を有効に冷却することができる。

次に、この実施例における純水沸騰式冷却装置の動作の詳細を、図３を参照して説明する。

電力変換装置を構成する半導体素子１とこれに外部接続電極２、高熱伝導性電気絶縁板３を介して圧接された受熱器１０とは、閉鎖筐体５０内に収容されている（図１参照）。筐体５０の内部には結露防止等に使用するヒータ５１が設置され、これにより内部の温度が外気の温度より僅かに高いかほぼ等しい温度に保たれ、外気温度が０℃近傍の温度以下に低下しても、受熱器１０の温度が、これに貯留された冷却媒体である純水２０が凍結しないように０℃以上の温度となるようにして、筐体５０内において結露および凍結が発生するのを防止している。

まず、半導体素子１により構成された電力変換装置が、運転を停止しているか、または無負荷で運転されている場合には、半導体素子１には負荷電流が流れないため、半導体素子１は発熱しない。このような状態では、純水沸騰式冷却装置の内部に封入された純水２０および非凝縮性ガス４０の封入量が、純水２０および非凝縮性ガス４０が、図３（ａ）に示すような状態で平衡するように調整されている。すなわち、この状態では、半導体素子１の発熱がないので受熱体１０は、周囲の外気温度とほぼ同じ温度となるため、受熱器１０内の純水はこの温度における飽和蒸気圧となるまで僅かに蒸発し、受熱器１０の受熱器ヘッダ１３内の液相の純水２０の水面上に微少の気相の水蒸気の領域Ｂ_０が形成される。放熱器３０内に封入された非凝縮性ガス４０が、受熱器１０内の冷却媒体である純水２０および水蒸気２１を押圧して、水蒸気領域Ｂ_０の上面が気相管１５に達しないように受熱器１０のヘッダ１３内に押し込めるので、液相または気相の純水が放熱器３０の上流ヘッダ３１内に入り込まないようになる。このため、半導体素子１が無負荷状態にあるときは、放熱器３０内および、放熱器３０と受熱器２０との間の中間部の空間が全て非凝縮性ガス４０で充満され、液相の純水２０または、気相の純水(水蒸気)２１が放熱器３０内に入り込むことがないので、周囲温度が氷点下に低下しても、放熱器３０内では、純水の凍結は起こらない。また、冷却媒体の純水で充たされた受熱器１０は、ヒータ５１により０℃以上の温度に保たれているので、ここでも純水２０の凍結は防止される。

次に、電力変換装置に軽い負荷が加わり、半導体素子１に軽負荷電流が流れると、半導体素子１がその負荷電流に応じて発熱する。この半導体素子１の発生する熱を受けて受熱器１０における受熱ブロック１１が、その中で、液相の純水２０を沸騰させ、これを気相の水蒸気２１に変換することにより半導体素子１の熱を吸収する。液相の純水２０が気相の水蒸気２１に変換されることにより、受熱器１０の内部圧力が上昇する。この圧力により、気相の水蒸気２１が気相管１５を上昇して放熱器３０へ送られる。これによって放熱器３０内の非凝縮性ガス４０が圧縮されて、図３（ｂ）に示すように放熱器３０の下流ヘッダ３２側へ押し寄せられるため、放熱器３０の下流ヘッダ３２側に非凝縮性ガス領域Ｃ_Ｌが形成される。放熱器３０の上流ヘッダ３１側の残りの部分は、純水の気相の水蒸気２１の充満された水蒸気領域Ｂ_Ｌとなる。

純水の気相の水蒸気２１は、水蒸気領域Ｂ_Ｌにおいて放熱管３３と接触することにより放熱フィン３４から外気へ放熱して冷却されるため、ここで凝縮されて液相の純水に変換される。液相に変換された純水は水滴２２となって、その重力により放熱管３３を下流ヘッダ３２側へ流下し、ここから液相管１６を通して受熱器１０へ戻される。放熱管３３は、上流ヘッダ３１側から下流ヘッダ３２側へ下降するように傾斜されているので、放熱管３３内で液相に戻された純水の凝縮水が管内を上流ヘッダ３１側から下流ヘッダ３２側へ確実、かつ円滑に流下するようになる。また、このとき液相に戻された純水の水滴（凝縮水）２２は、放熱管３３の内周の最下面に集中して流れるようになるので、水滴２２による気相の純水の水蒸気２１と放熱管３３との接触面積の減縮が僅少となり水蒸気２１から放熱管３３への熱伝達率の低下はほとんどない。

さらに電力変換装置にかかる負荷量が定格負荷付近まで増加した重負荷状態になると、半導体素子１に流れる負荷電流がさらに増大するので、半導体素子１の発熱量がさらに大きくなる。このような重負荷状態では、受熱器１０での受熱量の増加により、液相の純水２０の沸騰による気相の水蒸気への変換量が増大するので、受熱器１０内の圧力がさらに上昇する。このため、気相管１５を通して、放熱器３０内へ送られた気相の水蒸気２１が放熱器３０内の非凝縮性ガス４０をさらに圧縮するので、非凝縮性ガス４０は、図３（ｃ）に示すように、さらに放熱器３０の下流ヘッダ３２側に押し寄せられ、ほぼ下流ヘッダ３２に集中して非凝縮性ガス領域Ｃ_Ｈが形成される。これにより、放熱器３０における気相の水蒸気２１と放熱管３３との接触面積が拡大するため、水蒸気２１の放熱管３３での放熱が一層高まって、重負荷となって発熱量の増大した半導体素子１を十分に冷却することができるので、半導体素子１の温度を許容された温度の範囲内に保つことができる。

放熱管３３内で冷却、凝縮されて、液相に変換された純水は水滴２２となって、その重力により、放熱管３３内を流下し、下流ヘッダ３２に集められて、液相管１６を通して受熱器１０へ戻されて、半導体素子１の発生熱を吸収して輸送する動作を繰り返し行う。

前記の説明から明らかなように、この実施例においては、純水沸騰式冷却装置の受熱器１０および放熱器３０内に、冷却媒体としての純水２０と一緒に凍結防止用に封入された非凝縮性ガス４０の放熱器３０内における容積が、受熱器１０の温度の変化に応じて変化して、気相に変換された純水の水蒸気２１と放熱器の放熱管３３との接触面積が調整されるようになる。このため、大気の温度が０℃近傍の温度以下に低下した低温状態においては、非凝縮性ガス４０を放熱器３０の全体に充満させて、ここに液相の純水または気相の水蒸気が入り込まないようにこれらを受熱器１０内に押し込めるため、純水が放熱器内で凍結するのを防止することができる。そして半導体素子１の発熱が大きくなり、温度が上昇するのに伴って内部の圧力上昇により純水の気相に変換された水蒸気が、放熱器３０内に侵入し、非凝縮性ガスを圧縮してその容積を縮減し、自動的に水蒸気２１と放熱器３０との接触面積を拡大して、放熱効果を増大させるようにするので、非凝縮性ガスの封入による冷却効果への影響はほとんどない。また、半導体素子１が許容される最大の発熱量となったとき、放熱器３０の下流ヘッダ３２の容積を、非凝縮性ガス４０がこの下流ヘッダ３２内に収まるような容積にしておくと、放熱管３３の全部が有効に放熱作用をすることができるので、放熱器３０を大きくすることなく半導体素子の発熱量の増大に対応することができるようになる。

さらに、この発明においては、冷却装置内に冷却媒体として封入された純水は、受熱器１０−気相管１５−上流ヘッダ３１−放熱管３３−下流ヘッダ３２−液相管１６−受熱器１０の閉ループの冷却媒体循環路を相変化しながら一方向に循環して熱の輸送を行うので、冷却媒体の通流が阻害されることなく円滑に行われるため、熱輸送効率を向上することができる。これに加えて内部空間の容積を大きくすることが容易であるため、冷却装置の熱輸送限界値を高めることができ、装置を大形にすることなく大容量の電力変換装置の冷却装置に適用することができる。

また、この実施例のように、受熱器１０側に保温手段を設けて、受熱器の温度が純水の凍結温度以下に低下しないように保温し、受熱器１０内で冷却媒体の純水が凍結することがないようにしておけば、受熱器１０の純水の凍結に伴う過大な応力による破損がなくなるので、受熱器の機械的強度を低く抑えることができ、コスト低減が図れる。

この発明によれば、冷却媒体として純水を使用した純水沸騰冷却装置を氷点下の低温状態において使用しても放熱器内での冷却媒体の純水の凍結を防止することができるので、受熱器への純水の戻り量の不足による冷却媒体の液枯れによる冷却不能となる現象をなくすことができ、純水沸騰冷却装置を安全にかつ安定に運転することができる。

この発明の実施例による純水沸騰式冷却装置を使用した電力変換装置の冷却装置の構成を示す縦断面図である。図１におけるII−II線の断面図である。この発明の実施例における純水沸騰式冷却装置の動作説明図である。従来の純水沸騰式冷却装置を使用した電力変換装置の冷却装置の構成を示す縦断面図である。図４に示す従来装置の動作説明図である。他の従来装置の構成を示す縦断面図である。図６に示す従来装置の動作説明図である。

符号の説明

１：平型半導体素子
１０：受熱器
１１：受熱ブロック
１２：冷却媒体通流路
１５：気相管
１６：液相管
２０：純水（液相）
２１：水蒸気(気相)
３０：放熱器
３１：上流ヘッダ
３２：下流ヘッダ
３３：放熱管
３４：放熱フィン
４０：非凝縮性ガス
５０：筐体
５１：結露防止用ヒータ

Claims

電力変換装置の半導体素子と熱的に結合され、この半導体素子から熱を受けて内部に封入された液相の冷却媒体を気相の冷却媒体に変換する気密的に構成された受熱器と、気相の冷却媒体の熱を外部へ放熱してこの気相の冷却媒体を凝縮し液相の冷却媒体に変換する気密的に構成された放熱器とを、前記受熱器において気相に変換された冷却媒体を前記放熱器へ送る気相管と、前記放熱器において液相に変換された冷却媒体を前記受熱器へ戻す液相管とにより相互に連通させて結合し、前記冷却媒体が一方向に環流する気密的な閉ループの冷却媒体循環路を形成してなる電力変換装置の冷却装置において、前記受熱器内に冷却媒体として液相の純水を減圧して封入するとともに、前記放熱器内に、前記半導体素子が発熱しない状態において前記受熱器内の液相の純水または気相に変換された純水が前記放熱器内へ入り込まないように、この液相または気相の純水を前記受熱器側に押し込めておくことのできるだけの量の非凝縮性ガスを減圧して封入したことを特徴とする電力変換装置の冷却装置。
前記非凝縮性ガスの封入量を、外気温度が０℃近傍の温度となる条件において決定したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の冷却装置。
前記放熱器が１対の上流ヘッダおよび下流ヘッダとこの１対のヘッダ間に連通して連結された複数の放熱管とにより構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の冷却装置。
前記放熱管内で気相から液相に変換された純水がこの管内を上流ヘッダ側から下流ヘッダ側へ向かって流れるように、前記放熱管を上流ヘッダ側から下流ヘッダ側へ下降するように傾斜させたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置の冷却装置。
前記受熱器を閉鎖的な筐体内に収容し、この筐体内に保温手段を設置し、前記受熱器の温度を純水の凍結温度以上に保温することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の電力変換装置の冷却装置。