JPH0786475A - 半導体冷却装置およびそれを用いた車両 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】車両などが傾斜して半導体冷却装置が傾斜して
も冷却性能を十分維持できる半導体冷却装置を提供する
ことにある。 【構成】冷却容器２と凝縮器３を連絡管４、蒸気分離部
１７を介して連絡し、冷却容器２内の冷媒液の沸騰によ
って半導体素子１を冷却する装置において、凝縮器のヘ
ッダ８と、蒸気分離部１７とを液戻り管２０、２１によ
って連絡し、凝縮液をヘッダ８側から蒸気分離部１７側
へ戻り易くする。 【効果】液戻りを良好にしたため、冷却効率が向上し、
線路が傾斜している場合においても、冷却容器内の液冷
媒が不足しないため、半導体素子の破損を防ぐことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を冷却する
半導体冷却装置およびそれを用いた車両に係わり、特に
冷却装置内に冷媒液を封入して、その冷媒の沸騰現象に
よって素子を冷却する半導体冷却装置およびそれを用い
た車両に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体素子の冷却装置の一例とし
て、例えば特公昭６１−２６２２６号公報に記載されて
いるように、冷却装置と半導体素子がスタック状に積層
され、それらが沸騰する液体が封入された容器内に配置
されているものがある。沸騰した冷媒ガスを凝縮させる
ための装置は、特公昭６１−２６２２６号公報に記載の
ように容器外側に配置されているものと特公昭６１−３
８８６５号公報に記載されているように、沸騰部の容器
と凝縮器が、連絡管で連絡されているものとがある。

【０００３】一方、実公昭６１−３０２９４号公報、実
公昭６１−３０２９５号公報、実公昭６１−２０７７８
号公報、あるいは特公昭６１−３７７９３号公報に記載
されているように、半導体素子と冷却フィンをその内壁
に有し冷媒液を封入した容器がスタック状に積層され、
それぞれの容器が凝縮器と連絡されているものがある。
上記した４例の公知例では、凝縮器は一つ配置されてい
るが、特公昭６３−６１７８０号公報、特公昭６３−３
８８６４号公報に記載されている例では、冷却フィン容
器のそれぞれに凝縮器が配置され、凝縮器と冷却フィン
容器とは一対一に対応するようになっている。特公昭６
３−６１７８０号公報、特公昭６３−３８８６４号公報
に記載のように、半導体素子と沸騰部容器とを別々に構
成した方が、半導体素子のメンテナンスが楽になるなど
の利点がある。

【０００４】又、特開昭６１−２３１３７３号公報に
は、液冷媒中に発熱体を浸漬させ、一方のヘッダを蒸気
の通る通路と液戻りの通路を兼用させ、凝縮器の下方の
内部にヘッダ間を連通する液戻り管を設けることが開示
されている。

【０００５】又、特開平４−２５１１７８号公報には、
蒸発器にサイリスタ素子を取付け、凝縮器の一方のヘッ
ダに連通させ、凝縮器を傾けるとともに、一方のヘッダ
の下部に蒸発器と連通する液戻り管を設けたものが開示
されている。

【０００６】又、大容量半導体素子の沸騰冷却装置の先
行的な装置の代表例として特願平４−１６９１号に記載
のものがある。この装置は、図１７、図１８、図１９に
示されるように構成されている。すなわち、半導体素子
１が複数個積層され、半導体素子１の間に冷却容器２が
スタックされており、内側から押圧することにより押し
付けられ、冷却容器２と凝縮器３は、連絡管４、蒸気分
離部１７を介して連絡され、凝縮器３は、伝熱管（図示
せず）と冷却フィン６及び左右のヘッダ７、８により構
成されている。連絡管４は、外管９、内管１０により構
成される二重管になっており、冷却容器２の側面と蒸気
分離部１７とを接続している。一方、蒸気分離部１７
は、上面側に蒸気通路管１８が、側面側に液通路管１９
が設けられ、凝縮器５の一方のヘッダ７と連絡している
ようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電力用半導体素子では
騒音の低減を図るため、コンピュータなどＬＳＩ素子で
は演算速度の向上を図るため、集積密度は高くなる傾向
にあり、それに伴って、半導体素子の電気入力は増大す
る傾向がある。素子の発熱量が増加した場合、従来の冷
却装置のままでは素子の温度が上昇して許容値を超えて
しまうという問題が生じる。この対策として、半導体冷
却装置の冷却効率向上を図る必要がある。ところが、冷
媒液の沸騰によって熱を伝える装置においては、沸騰す
べき冷媒液が凝縮器側から冷却容器側へ戻らないと、伝
熱性能が低下してしまうという問題がある。

【０００８】特に、車両用の電力半導体の場合は、線路
がカーブしている場合など、車両がカーブの中心側へ傾
く場合が多く、新幹線などの高速車両の場合に、この傾
きが大きくなる傾向がある。又、車両に冷却装置が設置
される場合には、半導体素子が車両の内側、凝縮器３が
車両の外側に設置されることが多く、車両が傾くとどち
らか一方の凝縮器の位置が下がってしまう。

【０００９】すなわち、車両が傾かない場合は、凝縮器
３を構成する伝熱管５は、ヘッダ７、８の間を連絡して
おり、複数段であり水平になっている。ヘッダ７側から
伝熱管５内へ導かれた冷媒の蒸気は、冷却フィン６の外
側の空気によって冷却され、伝熱管５内で凝縮液化し、
液化された冷媒液はヘッダ８の底部側に溜ることにな
る。この冷媒液は、凝縮器３の最下段伝熱管５ａの底部
を流れてヘッダ７へ導かれ、液通路管１９を通って、最
終的に冷却容器２側へ導かれて液戻りが行われる。

【００１０】特開昭６１−２３１３７３号公報に記載の
ものは、蒸気の通路と凝縮液戻り通路が同一場所に形成
されているため、上昇する蒸気ににより液戻りが阻害さ
れやすく、蒸気と液冷媒の混在したものが、凝縮管を流
れやすく効率が悪いものであった。又、傾斜が大きい場
合は、それにつれて凝縮器も大きく構成しなければなら
ない。

【００１１】特開平４−２５１１７８号公報に記載のも
のは、蒸発器とヘッダとが直接連通しているため、傾き
に対し蒸発器の液面が影響されやすく、傾斜が大きい場
合には、対応できないものである。又、上記２つのもの
は発熱体を２つの冷却器で冷却するようにはできないも
のであった。

【００１２】これに対して上記したように、車両が傾い
た場合は、相対的に連絡管４側が高い位置に、最下段伝
熱管５ａ側が低い位置になってしまい、自然循環で行わ
れている凝縮液の液戻り機構がうまく機能しなくなる。
このため、前述したように、図１７に示す従来の装置で
は、伝熱管が左上がりの状態になっているため、最下段
伝熱管５ａの管内が液で満たされ、沸騰すべき冷媒液が
凝縮器３側から冷却容器２側へ戻りにくくなり、凝縮性
能が低下するため、結果的に冷却性能が低下して、半導
体素子の破損を招く。

【００１３】又、電力変換装置の場合は、半導体素子が
オン、オフする際に、回路内を転流する電流のインダク
タンスが半導体素子の遮断特性に大きく影響する。個々
の半導体素子をつなぐ配線の長さが長いほどインダクタ
ンスが大きくなるため、これを低減するには個々の半導
体素子を可能な限り接近させて配置し、配線を短くする
のが望ましい。この場合にも、冷却装置の伝熱性能が高
くないと半導体素子を接近することができない。

【００１４】又、上記したような冷却装置が多段に積ま
れた場合、下段に位置する冷却装置の凝縮器を通過した
空気は暖められることになり、その温められた空気が上
段側の冷却装置の凝縮器に導かれるため、上段側の伝熱
性能が低下してしまう。冷却装置が多段に積まれる場
合、空気流が序々に加熱されるための性能低下という問
題がある。

【００１５】本発明の第１の目的は、車両などが大きく
傾斜して半導体冷却装置が大きく傾斜しても冷却性能を
十分維持できる半導体冷却装置を提供することにある。

【００１６】本発明の第２の目的は、電力変換装置など
の場合、車両などが傾斜して半導体冷却装置が傾斜して
も冷却性能を十分維持しつつ、個々の半導体素子をつな
ぐ配線の長さを短くし、個々の半導体素子を可能な限り
接近させて配置させることができる半導体冷却装置を提
供することにある。

【００１７】本発明の第３の目的は、冷却装置が多段に
積まれる場合でも、冷却性能を十分維持できる半導体冷
却装置を提供することにある。

【００１８】本発明の第４の目的は、冷却装置がこの傾
斜時に高い冷却性能を有することによって重量の重い高
速車両の駆動が可能になる車両を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の半導体冷却装置は、複数個の半導体
素子の間に積層された複数個の冷媒液が封入された冷却
容器と、該冷却容器の側面に取り付けられた連絡管によ
って連絡された蒸気分離部と、該蒸気分離部と少なくと
も１つ凝縮器とが蒸気通路管と液通路管とによって連結
され、前記冷媒の沸騰によって半導体素子を冷却する半
導体冷却装置において、前記凝縮器が複数の伝熱管と該
伝熱管の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィン
によって構成されるものであって、一方のヘッダの下部
に前記液連通管が設けられ、他方のヘッダの下部に前記
蒸気分離部と連通する液戻り管が設けられていることを
特徴とするものである。

【００２０】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成されるものであって、前記伝熱管のうち少なくと
も最下部に位置する伝熱管を傾斜して設けるとともに、
前記液連通管の連通している方の伝熱管の取付け位置を
他方のヘッダの前記伝熱管の取付け位置よりも下方に位
置するように構成し、 かつ前記液連通管と最下部に位
置する伝熱管を一方のヘッダの下面近くに設けた こと
を特徴とするものである。

【００２１】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成されるものであって、一方のヘッダの下部に前記
液連通管が設けられ、他方のヘッダの下部に前記冷却容
器の下部と連通する液戻り管が設けられていることを特
徴とするものである。

【００２２】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成され、該冷却フィンに取り付ける伝熱管のピッチ
がほぼ等しく形成されているものであって、前記液連通
管によって連通されている一方のヘッダの下部が、他方
のヘッダの下部より低くなるように構成され、 かつ前
記液連通管と前記伝熱管の最下部の伝熱管の一方のヘッ
ダの下面近くに取り付けた ことを特徴とするものであ
る。

【００２３】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成されるものであって、一方のヘッダの下部に前記
液連通管によって連通される一方のヘッダの下部と、他
方のヘッダの下部とを連通する液戻り管が設けられてい
ることを特徴とするものである。

【００２４】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成されるものであって、前記蒸気連通管と連通され
ている一方のヘッダが上部に位置し、前記液連通管と連
通されている他方のヘッダが下部に位置するように構成
されていることを特徴とするものである。

【００２５】又、前記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管
の両端側に設けられた２つのヘッダと冷却フィンによっ
て構成されるものであって、一方のヘッダの下部に前記
液連通管が設けられ、他方のヘッダに前記冷却容器に液
冷媒を戻すための少なくとも１つの液戻り管を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００２６】又、前記連絡管が内管と外管の二重構造に
構成されているものである。又、前記複数の伝熱管のう
ち他方のヘッダに取り付けられている位置が、前記蒸気
分離部の冷媒液面よりも高くなるように構成したことを
特徴とするものである。又、前記複数の伝熱管が、連絡
管と連通しているヘッダの方が他方のヘッダよりも低く
なるように配置されていることを特徴とするものであ
る。又、前記凝縮器が傾斜されて前記蒸気分離部に取り
付けられていることを特徴とするものである。又、蒸気
分離部と凝縮器とが傾斜されて前記冷却容器に取り付け
られていることを特徴とするものである。又、前記液戻
り管が複数個設けられていることを特徴とするものであ
る。

【００２７】上記第２の目的を達成するために、本発明
の半導体冷却装置は、前記冷却容器が積層状に接する前
記半導体素子と、他の半導体素子を近接させて配置され
る配線されものであって、前記冷却容器により３つ以上
の半導体素子を冷却するように構成されていることを特
徴とするものである。

【００２８】上記第３の目的を達成するために、本発明
の半導体冷却装置は、請求項１から１４のいずれかに記
載の半導体冷却装置が多段に配置されるものであって、
空気流入口から流入した空気が各半導体冷却装置の凝縮
器にそれぞれ独立して流入するように流路を構成したこ
とを特徴とするものである。

【００２９】上記第４の目的を達成するために、本発明
の車両は、請求項１から１４のいずれかに記載の半導体
冷却装置が多段に配置されるものであって、空気流入口
から流入した空気が各半導体冷却装置の凝縮器にそれぞ
れ独立して流入するように車両内の流路を構成したこと
を特徴とするものである。又、前記車両が２階建高速車
両であるものである。

【００３０】

【作用】第１の目的を達成するために上記のように構成
しているので、半導体冷却装置が傾斜して用いられた場
合、凝縮器に取り付けられた２つのヘッダのうち、液通
路管と連通する側のヘッダから離れた方の凝縮液が溜る
側のヘッダが、それとは反対側のヘッダよりも低くなっ
てしまうことがあるが、凝縮液が溜る側のヘッダと、蒸
気分離部等を液戻り管で連絡しているので、凝縮液がた
まる側のヘッダが低くなっていても、凝縮液が蒸気分離
部側へ流れ、最終的には凝縮液、つまり冷媒液が冷却容
器側へ戻る。このようにして、半導体冷却装置が傾いた
場合でも、冷却容器の液冷媒が不足することなく、高い
冷却性能を保つことができる。

【００３１】第２の目的を達成するために、上記のよう
に構成しているので、１つの冷却容器に例えば２つの半
導体素子を取り付けると、半導体素子相互をつなぐ電気
配線を短くなる。この配線が短いと、その部分のインダ
クタンスが小さくなり、半導体素子がオン、オフすると
きの半導体遮断特性が良好になる。

【００３２】第３の目的を達成するために、上記のよう
に構成しているので、冷却装置が多段に構成される場合
でも、各冷却装置に新しい空気が流入し、つまり１つの
冷却装置で暖められた空気が、次段の冷却装置へは流入
しないので、半導体冷却装置が傾斜した場合でも冷却容
器の液冷媒が不足することなく、半導体冷却装置の冷却
性能を高性能に維持できる。

【００３３】第４の目的を達成するために、上記のよう
に構成しているので、車両において冷却装置が多段に構
成される場合でも、各冷却装置に新しい空気が流入し、
半導体冷却装置が傾斜した場合でも冷却容器の液冷媒が
不足することなく、半導体冷却装置の冷却性能を高性能
に維持でき、車両を２階建にした場合、車両の重量が増
大するため車輪を駆動するモータの容量が大きくなり、
半導体素子はより大電流を要し発熱量の増大をまねくと
ともに、車両が高速になるほど、線路がカーブしている
ところでの傾斜は大きくなりるが、冷却装置がこの傾斜
時に高い冷却性能を有することによって重量の重い高速
車両の駆動が可能になる。

【００３４】

【実施例】図１から図６を用いて、本発明の一実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例を示す斜視図、図
２は、図１のＡ方向から見た側面図、図３は、車両床下
に取り付けられた例を示す側面図、図４は、車両床下に
取り付けられた例を示す側面図、図５は、本実施例の液
戻り機構を示す横断面図、図６は、本実施例の冷却性能
を説明する図である。

【００３５】図１に示すように、複数個積層された半導
体素子１のそれぞれの間に冷却容器２がスタックされて
おり、内側から押圧することにより押し付けられてい
る。冷却容器２内には、チムニ１５が列状に形成されて
いる冷却素子１４が収納され、列状に形成されたチムニ
１５のうち１つに後述する内管１０の一方の端が差し込
まれるように構成されており、冷却容器２内には冷媒液
１１が封入されている。

【００３６】冷却容器２と凝縮器３との間には蒸気分離
部１７が設けられており、それぞれの冷却容器２蒸気分
離部１７とは、連絡管４を介して連絡されている。この
連絡管４は、外管９と内管１０により構成される二重管
構造になっていて、内管１０と外管８との間は蒸気が流
れる蒸気流路１２が構成されている。蒸気分離部１７は
壁１７ａによって２つの部屋１７ｂ、１７ｃに分離され
ており、内管１０は図２に示すように凝縮器３側の部屋
１７ｂに連通されている。凝縮器３は、図２に示すよう
に伝熱管５、この伝熱管５に取り付けられた冷却フィン
６及び左右のヘッダ７、８により構成されている。ヘッ
ダ７はヘッダ８より長く構成されており、ヘッダ７の下
部の位置は、ヘッダ８の下部の位置よりも低くなるよう
に構成されている。

【００３７】この凝縮器３と蒸気分離部１７とは次のよ
うに連結されている。すなわち、図２に示されているよ
うに蒸気分離部１７の上面側には蒸気通路管１８が複数
本設けられ、一方、蒸気分離部１７の側面側に液通路管
１９が設けられ、蒸気通路管１８、液通路管１９はそれ
ぞれ凝縮器５の一方のヘッダ７と連絡している。ここ
で、液連通管１９はヘッダ７の下部の位置と連絡される
ようになっている。又、図１、図２に示すように、凝縮
器３に取り付けられたヘッダ８と蒸気分離部１７とは、
ヘッダ８と蒸気分離部１７の両端側に設けられた２本の
液戻り管２０、２１によって連絡されている。但し、こ
の液戻り管２０、２１は、図１では２本の場合を示した
が、必要に応じて２本以上の本数設けてもかまわない。

【００３８】ここで、半導体素子１と凝縮器３とは電気
的に絶縁される必要があるため、例えば冷媒液１１とし
て、絶縁性のあるパラフロロカーボン液を用い、連絡管
４の内管１０を例えばテフロンで形成し、外管９の一部
に碍子を使用している。

【００３９】次に、以上のように構成された半導体冷却
装置の動作について説明する。半導体素子１が作動して
発熱が開始される、発熱された熱は冷却容器２側へ伝わ
り、冷媒液１１が沸騰を始める。沸騰により生じた気泡
は、冷却容器２内を上昇し、連絡管４の内管９と外管８
の間で構成される蒸気流路１２内を流れて蒸気分離部１
７側へ移動する。このとき、一部の液体も蒸気とともに
蒸気分離部１７に運ばれるが、蒸気分離部１７において
液体と気体が分離され、蒸気は蒸気通路管１８を通って
ヘッダ７側へ移動する。凝縮器３では、この気体が冷却
されて凝縮して液化する。液化された冷媒液１９は、凝
縮器３の伝熱管５内を流れ、さらにヘッダ７、８内を下
部方向に流れ、凝縮器３の最下部に位置するヘッダ７の
下部から液通路管１９、内管１０内を通って、再び冷却
容器２の底部へ戻る。

【００４０】このようにして、半導体素子１で発熱した
熱を、冷媒液１１の沸騰によって凝縮器３側へ運び、最
終的には、凝縮器３に取り付けられた冷却フィン６の間
を流れる冷却空気側へ伝熱される。このようにして半導
体素子１の温度を所定の温度以下に押えることができ
る。 ここで、本実施例では、ヘッダ８と蒸気分離部１
７とが液戻り管２０、２１によって連絡されているの
で、さらに次のような作用がある。

【００４１】図１、図２に示した半導体冷却装置２２
は、鉄道車両などに適用された場合、車両の床下に取り
付けられることが多い。図３、図４に半導体冷却装置２
２が車両床下に取り付けられた場合の例を示す。冷却装
置２２は、鉄道車両２３の床下の一方、又は左右に取り
付けられる。 図３は、水平な地面に対して鉄道車両２
３が動いている場合を示しており、この場合は、上記し
たように、液戻り管２０、２１を設けなくても、冷却装
置２２は、素子の発熱量を十分に放熱することができ
る。

【００４２】これに対し、図４は鉄道車両２３の線路が
カーブしている時に傾斜している地面に対して鉄道車両
２３が動いている場合を示しており、線路のカーブして
いる方向に地面が傾斜している場合を示している。図４
に示す例で、右側に配置されている半導体冷却装置２２
においては、凝縮器３内の伝熱管５は、ヘッダ８側が低
く、ヘッダ７側が高くなっている。従って、液戻り管２
０、２１が設けられていない場合、ヘッダ８に液冷媒が
溜り、蒸気分離部１７に凝縮液の液戻りがうまく機能し
なくなる。沸騰すべき冷媒液が凝縮器３側から冷却容器
２側へ戻らないと、伝熱性能が低下し、半導体素子１の
破損を招く。また、電力変換装置の場合は、半導体素子
がオン、オフする際に、回路内を転流する電流のインダ
クタンスが半導体素子の遮断特性に大きく影響する。

【００４３】本実施例では、液戻り管２０、２１をヘッ
ダ８の下部と気液分離部１７の下部を連絡するように設
けているので、図５に示すように、このような場合にも
十分機能する液戻り機構を有する。すなわち、最下段の
伝熱管５からの液戻りが機能しなくなった場合でも、液
戻り管２０、２１が次のように機能する。伝熱管５内で
凝縮液化してヘッダ８に溜った冷媒液は、液戻り管２
０、２１を通って、蒸気分離部１７に戻り易くなる。蒸
気分離部１７に戻った冷媒液は、内管１０を通って冷却
容器２側に戻り、沸騰して蒸気になり、蒸気流路１２、
蒸気分離部１７、蒸気通路管１８の順に通ってヘッダ７
へ導かれて循環系路を形成する。

【００４４】以上のように、本実施例によれば、凝縮液
が溜る側のヘッダ下部と、蒸気分離部１７の下部を液戻
り管２０、２１で連絡しているので、凝縮液がたまる側
のヘッダが低くなっていても、凝縮液が蒸気分離部１７
側へ流れて、凝縮液、つまり冷媒液が冷却容器２側へ確
実に戻る。このようにして、車両がどちらに傾いた場合
でも、冷却容器２で沸騰すべき冷媒液が不足することが
なくなるため、凝縮性能は低下することがなく、冷却性
能を維持して半導体素子の破損を防ぐことができる。

【００４５】又、車両が傾かない場合でも液戻り管２
０、２１が設けられているので、ヘッダ８の凝縮液を蒸
気分離部１７に速く戻すことができるので、伝熱性能を
向上できる。

【００４６】図６は、冷却装置２２の最大放熱量を図４
に示す傾斜角度θに対して、液戻り管２０、２１を設け
た場合と、液戻り管２０、２１を設けない従来の装置と
を比較して示したものである。図６に示すように、液戻
り管を設けない（ロ）の場合は、傾斜角度θの値がおお
よそ６°より大きくなると、最大放熱量は３０００Ｗ程
度から急激に低下することになる。一方、液戻り管２
０、２１が設けられている（イ）の場合、傾斜角度θの
値が６°を超えて８°になっても、最大放熱量は３００
０Ｗ程度を確保できることが分かる。又、逆に傾いた場
合でも液戻りを確保できる。

【００４７】本発明の他の実施例を図７により説明す
る。図７は、本実施例を示す半導体冷却装置の斜視図で
ある。

【００４８】本実施例では、図１に示す実施例に対し、
次の点が配慮されている。すなわち、電力変換装置の半
導体素子がオン、オフする際に、回路内を転流する電流
のインダクタンスが、半導体素子の遮断特性に大きく影
響する。個々の半導体素子をつなぐ配線の長さが長いほ
どインダクタンスが大きくなるため、これを低減するに
は個々の半導体素子を可能な限り接近させて配置し、配
線を短くするのが望ましい。そこで本実施例では、図７
に示すように、１つの冷却容器２の半導体素子１との接
触部面積を拡大するように構成し、その面上に別の半導
体素子１ａを取り付けることにより、半導体素子相互間
の配線長さを短くするようにしている。

【００４９】本実施例の場合、１つの冷却容器２で３つ
の半導体素子１、１、１ａの発熱する熱を冷却するよう
に構成するため、液戻り管２０、２１を設けることがさ
らに重要となり、この効果により達成される。つまり、
従来の装置では冷却能力が十分でないため、冷却容器２
と半導体素子１を交互に同一軸方向に積層してスタック
を構成せざるを得なかったため、個々の半導体素子相互
間の配線は冷却容器２部を迂回しなければならず、配線
長が長くなっていた。これに対し、本実施例では配線長
さ短くすることができ、インダクタンスの低減を図るこ
とができるため、半導体素子の障害を少なくすることが
できる。この結果、半導体素子がオン、オフするときの
半導体遮断特性が良好になる。

【００５０】本発明の他の実施例を図８から図１１によ
り説明する。図８は本実施例を示す半導体冷却装置の横
断面図、図９から図１１はそれぞれ図８に示す実施例の
変形例を示す横断面図である。

【００５１】図８に示す実施例では、液戻り管２０、２
１を設ける代りに、凝縮器３内の伝熱管５のうち、最下
部の伝熱管５ａをヘッダ８よりヘッダ７の方が低くなる
ように、傾めに配置しヘッダ８側に溜った冷媒液をヘッ
ダ７側に流れ易くするように構成している。このとき、
伝熱管５ａのヘッダ７の取付け位置は、ヘッダ７の底面
すなわち下面近くで液連通管１９の取付け位置とほぼ同
位置になるように設定されている。このように構成する
ことにより、車両が傾斜した場合などでヘッダ８がヘッ
ダ７に対して低くなった場合でも、冷媒液が冷却容器２
側へ戻り易くなり、又、伝熱管５ａからの液戻りに対し
てヘッダ７に有効に溜められ、又、液連通管１９を介し
て気液分離部１７へ戻すことができる。半導体冷却装置
２２の性能向上を図ることができる。

【００５２】図９は、図８に示す実施例の変形例を示
す。図８に示す実施例では、冷却フィン６に、最下段の
伝熱管５ａを挿入するための穴を設ける場合に、５ａの
伝熱管のみが傾斜しているため、それぞれの冷却フィン
６の穴ピッチが異なり、加工および組み立てる場合に困
難をともなう。これに対し、図９に示す実施例の場合
は、図９に示すように、３本の伝熱管を共に傾め傾斜さ
せて配置するため、冷却フィンに設ける穴のピッチが各
フィンともに等しくなり、フィンを加工するとき、フィ
ンを組み立てるとき容易に行うことができる。

【００５３】図１０は、図８に示す実施例の変形例を示
す。図１０に示す実施例では、凝縮器３の伝熱管５、冷
却フィン６、ヘッダ７、８の構成は、図１に示す実施例
の場合と同様であるが、凝縮器３を蒸気分離部１７に取
り付ける際に、伝熱管５の方向が、連絡管４の方向に対
して、ヘッダ８の方がヘッダ７よりも高くなるようにや
や傾めになるように配置する。このように構成すること
により、ヘッダ８に溜った冷媒液を冷却容器２側へ流れ
易くすることができる。

【００５４】図１１は図１０に示す実施例の変形例を示
す。図１０に示す実施例が、凝縮器３を蒸気分離部１７
に取り付ける際に、伝熱管５の方向が、連絡管４の方向
に対して、ヘッダ８の方がヘッダ７よりも高くなるよう
にやや傾めになるように配置しおり、蒸気通路管１８、
液通路管１９の製法、取り付け法がやや複雑になるのに
対し、本実施例では、蒸気分離部１７と凝縮器３との相
対関係は図１に示す場合と同様にして、冷却容器２に対
して連絡管４の取り付け方を、ヘッダ７に対しヘッダ８
が上方にくるように取り付けている。このように構成す
ることにより、ヘッダ８に溜った冷媒液を冷却容器２側
へ流れ易くすることができる。

【００５５】本発明の他の実施例を図１２により説明す
る。図１２は本実施例の横断面図である。本実施例で
は、ヘッダ８と冷却容器２の底部とを連絡するように液
戻り管２０を設けたものである。本実施例においてもヘ
ッダ８の下部と蒸気分離部１７とを連絡するようにした
図１に示す実施例と冷却性能はほぼ同等であるが、本実
施例では各冷却容器２に液戻り管２０を設けなければな
らない点でやや構成が複雑になる。

【００５６】本発明の他の実施例を図１３により説明す
る。図１３は本実施例の横断面図である。本実施例で
は、ヘッダ８とヘッダ７とを連絡するように液戻り管２
０を設うけたものである。このように構成しても、ヘッ
ダ８と蒸気分離部１７とを連絡するようにした場合と、
冷却性能はほぼ同等である。

【００５７】本発明の他の実施例を図１４、図１５によ
り説明する。図１４は本実施例の横断面図、図１５は図
１４において矢視Ａから見た正面図である。本実施例に
おいては、ヘッダ７が上方、ヘッダ８が下方に配置さ
れ、伝熱管５がほぼ鉛直方向に配置されている。このよ
うに構成することにより、冷却装置２２が傾いて配置さ
れたときでも、ヘッダ８に溜った冷媒液が冷却容器２に
戻り易くすることができる。なお、本実施例の場合、冷
却フィン５が水平に配置されるようになるため、ファン
のない自然空冷の冷却では、冷却効率が悪いため、ファ
ン２５を備えて空気を流すように構成するのがよい。

【００５８】本発明の他の実施例を図１６により説明す
る。図１６は本実施例の部分断面図である。図３、図４
についても説明したように、半導体冷却装置２２は、鉄
道車両の床下に配置される場合が多い。しかし、次期新
幹線などでは、輸送量向上のため、２階建新幹線が計画
されており、その場合は、床下のスペースが極度に狭く
なるため、半導体冷却装置２２を車両の両端、つまり車
両接続部近くに多段に積み込むと良い。図１６は半導体
冷却装置２２を多段に積んだ例を示しており、２つの半
導体冷却装置２２ａ、２２ｂについて部分的に図示して
いる。凝縮器３で暖められた空気が、後段の冷却装置の
凝縮器へ流れていかないように、各冷却装置２２ａ、２
２ｂ…に対応するように、ファン２５ａ、２５ｂ…を備
えており、ファン２５ａ、２５ｂ…によって送風された
空気の流れ２６ａ、２６ｂ…を集めて、冷却装置の設置
筐体２７の外へ排出するように構成している。このよう
にして、各冷却装置２２の凝縮器３ａ、３ｂ…には常に
新しい空気２８ａ、２８ｂ…が流れこむようにする。こ
のように構成することにより、冷却装置２２ａ、２２ｂ
…が多段に積層された場合でも、各冷却装置の冷却性能
が低下するのを防止することが可能になる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば第
１に、車両がカーブ等で大きく傾斜した場合において
も、凝縮器に溜った冷媒液を冷却容器側へ容易に戻すこ
とが可能になり、あるいは凝縮器の最下段の伝熱管内が
冷媒液で充満するようなことを防止でき、冷却容器内の
液冷媒が不足することがなく、これによって、凝縮性能
の向上できるため、半導体素子の冷却性能の向上を図れ
る。

【００６０】又、例えば次世代新幹線において、車両を
２階建にした場合、車両の重量が増大するため車輪を駆
動するモータの容量が大きくなり、半導体素子はより大
電流を要し発熱量の増大をまねくとともに、車両が高速
になるほど、線路がカーブしているところでの傾斜は大
きくなり、冷却装置がこの傾斜時に高い冷却性能を有す
ることによって重量の重い高速車両の駆動が可能になる
効果を奏する。

【００６１】第２に、１つの冷却容器の冷却性能の向上
を図れるため、１つの冷却容器に複数個の半導体素子の
取り付けが可能となるとともに、半導体素子相互間の配
線を短くでき、インダクタンスの低減が図れるため、電
力変換装置などの場合、半導体素子の遮断特性を良くす
ることができる。

【００６２】第３に、凝縮器のフィンを冷却する空気を
上流側の凝縮器を冷却して暖まった空気が流れないよう
にしているので、各冷却装置の冷却性能が低下するのを
防止することが可能になる。

【００６３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１のＡから見た側面図である。

【図３】車両床下に取り付けられた例を示す側面図であ
る。

【図４】車両床下に取り付けられた例を示す側面図であ
る。

【図５】本実施例の液戻り機構を示す横断面図である。

【図６】本実施例の冷却性能を説明する図である。

【図７】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の斜
視図である。

【図８】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の横
断面図である。

【図９】図８に示す実施例の変形例を示す横断面図であ
る。

【図１０】図８に示す実施例の変形例を示す横断面図で
ある。

【図１１】図８に示す実施例の変形例を示す横断面図で
ある。

【図１２】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の
横断面図である。

【図１３】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の
横断面図である。

【図１４】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の
横断面図である。

【図１５】図１４をＡ方向から見た正面図である。

【図１６】本発明の他の実施例である半導体冷却装置の
部分断面図である。

【図１７】従来例を示す斜視図である。

【図１８】従来例の動作原理を説明する図である。

【図１９】従来例の動作原理を説明する図である。

【符号の説明】 １…半導体素子、２…冷却容器、３…凝縮器、４…連絡
管、５…伝熱管、５'…最下段伝熱管、７…ヘッダ、８
…ヘッダ、１７…蒸気分離部、１８…蒸気通路管、１９
…液通路管、２０、２１…液戻り管、２４…傾斜角度
θ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板鼻 博 茨城県勝田市堀口832番地の２ 日立シス テムプラザ勝田 日立水戸エンジニアリン グ株式会社内 (72)発明者 徳永 吉克 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社日立 製作所水戸工場内 (72)発明者 鈴木 敦 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 藤岡 和正 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 角田 幸二 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社日立 製作所水戸工場内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、一方のヘッダの下部に前記液連通管が設けら
   れ、他方のヘッダの下部に前記蒸気分離部と連通する液
   戻り管が設けられていることを特徴とする半導体冷却装
   置。
2. 【請求項２】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、前記伝熱管のうち少なくとも最下部に位置する
   伝熱管を傾斜して設けるとともに、前記液連通管の連通
   している方の伝熱管の取付け位置を他方のヘッダの前記
   伝熱管の取付け位置よりも下方に位置するように構成
   し、かつ前記液連通管と最下部に位置する伝熱管を一方
   のヘッダの下面近くに設けたことを特徴とする半導体冷
   却装置。
3. 【請求項３】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、一方のヘッダの下部に前記液連通管が設けら
   れ、他方のヘッダの下部に前記冷却容器の下部と連通す
   る液戻り管が設けられていることを特徴とする半導体冷
   却装置。
4. 【請求項４】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成され、該冷却
   フィンに取り付ける伝熱管のピッチがほぼ等しく形成さ
   れているものであって、前記液連通管によって連通され
   ている一方のヘッダの下部が、他方のヘッダの下部より
   低くなるように構成され、かつ前記液連通管と前記伝熱
   管の最下部の伝熱管の一方のヘッダの下面近くに取り付
   けたことを特徴とする半導体冷却装置。
5. 【請求項５】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、一方のヘッダの下部に前記液連通管によって連
   通される一方のヘッダの下部と、他方のヘッダの下部と
   を連通する液戻り管が設けられていることを特徴とする
   半導体冷却装置。
6. 【請求項６】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、前記蒸気連通管と連通されている一方のヘッダ
   が上部に位置し、前記液連通管と連通されている他方の
   ヘッダが下部に位置するように構成されていることを特
   徴とする半導体冷却装置。
7. 【請求項７】複数個の半導体素子の間に積層された複数
   個の冷媒液が封入された冷却容器と、該冷却容器の側面
   に取り付けられた連絡管によって連絡された蒸気分離部
   と、該蒸気分離部と少なくとも１つ凝縮器とが蒸気通路
   管と液通路管とによって連結され、前記冷媒の沸騰によ
   って半導体素子を冷却する半導体冷却装置において、前
   記凝縮器が複数の伝熱管と該伝熱管の両端側に設けられ
   た２つのヘッダと冷却フィンによって構成されるもので
   あって、一方のヘッダの下部に前記液連通管が設けら
   れ、他方のヘッダに前記冷却容器に液冷媒を戻すための
   少なくとも１つの液戻り管を設けたことを特徴とする半
   導体冷却装置。
8. 【請求項８】前記連絡管が内管と外管の二重構造に構成
   されている請求項１から７のいずれかに記載の半導体冷
   却装置。
9. 【請求項９】前記複数の伝熱管のうち他方のヘッダに取
   り付けられている位置が、前記蒸気分離部の冷媒液面よ
   りも高くなるように構成したことを特徴とする請求項１
   から７のいずれかに記載の半導体冷却装置。
10. 【請求項１０】前記複数の伝熱管が、連絡管と連通して
    いるヘッダの方が他方のヘッダよりも低くなるように配
    置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれ
    かに記載の半導体冷却装置。
11. 【請求項１１】前記凝縮器が傾斜されて前記蒸気分離部
    に取り付けられていることを特徴とする請求項４又は６
    に記載の半導体冷却装置。
12. 【請求項１２】蒸気分離部と凝縮器とが傾斜されて前記
    冷却容器に取り付けられていることを特徴とする請求項
    ４又は６に記載の半導体冷却装置。
13. 【請求項１３】前記液戻り管が複数個設けられているこ
    とを特徴とする請求項１、３、５又は７に記載の半導体
    冷却装置。
14. 【請求項１４】前記冷却容器が積層状に接する前記半導
    体素子と、他の半導体素子を近接させて配置される配線
    されものであって、前記冷却容器により３つ以上の半導
    体素子を冷却するように構成されていることを特徴とす
    る請求項１から７のいずれかに記載の半導体冷却装置。
15. 【請求項１５】請求項１から１４のいずれかに記載の半
    導体冷却装置が多段に配置されるものであって、空気流
    入口から流入した空気が各半導体冷却装置の凝縮器にそ
    れぞれ独立して流入するように流路を構成したことを特
    徴とする半導体冷却装置。
16. 【請求項１６】請求項１から１４のいずれかに記載の半
    導体冷却装置が多段に配置されるものであって、空気流
    入口から流入した空気が各半導体冷却装置の凝縮器にそ
    れぞれ独立して流入するように車両内の流路を構成した
    ことを特徴とする車両。
17. 【請求項１７】前記車両が２階建高速車両である請求項
    １６に記載の車両。