(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、
電子機器手段の両側に接触するように設けられた冷却手段に冷媒を接触させて、前記電子機器手段からの発熱に応じて前記冷媒を沸騰させて気化し、気化した冷媒を凝縮液化することによって前記電子機器手段を冷却するように構成された電子機器冷却装置において、
前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留する冷却体で構成されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記冷媒を貯留する容器内に前記冷却手段が浸漬されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項４】
減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、
電子機器手段とこの電子機器手段を冷却する冷却手段とを交互に積層することによって構成されたスタック手段と、
前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を凝縮液化する凝縮手段と、
前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を前記凝縮手段に導く連結管手段と、
前記凝縮手段で凝縮液化された冷媒を前記冷却手段に還流する液戻し管手段とから構成される電子機器冷却装置において、
前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留可能な冷却体で構成され、前記冷却体がそれぞれ前記連結管手段及び前記液戻し管手段によって個別に前記凝縮手段に接続されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記冷媒を貯留する容器内に前記スタック手段が浸漬されていることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項７】
請求項５において、
前記凝縮手段と前記冷却体との間に前記液戻し管手段によって還流する前記凝縮液化された冷媒を貯留する貯留手段を設けたことを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項８】
減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、
電子機器手段の両側に接触するように設けられた冷却手段に冷媒を接触させて、前記電子機器手段からの発熱に応じて前記冷媒を沸騰させて気化し、気化した冷媒を凝縮液化することによって前記電子機器手段を冷却するように構成された電子機器冷却装置において、
前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されており、かつ、
前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留する冷却体で構成されているとともに、
前記冷媒が水であることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項９】
減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、
電子機器手段とこの電子機器手段を冷却する冷却手段とを交互に積層することによって構成されたスタック手段と、
前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を凝縮液化する凝縮手段と、
前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を前記凝縮手段に導く連結管手段と、
前記凝縮手段で凝縮液化された冷媒を前記冷却手段に還流する液戻し管手段とから構成される電子機器冷却装置において、
前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されており、かつ、
前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留可能な冷却体で構成され、前記冷却体がそれぞれ前記連結管手段及び前記液戻し管手段によって個別に前記凝縮手段に接続されているとともに、
前記冷媒が水であることを特徴とする電子機器冷却装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記凝縮手段と前記冷却体との間に前記液戻し管手段によって還流する前記凝縮液化された冷媒を貯留する貯留手段を設けたことを特徴とする電子機器冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電鉄用として地上に設置される電力変換装置等の電子機器を冷却する電子機器冷却装置に係り、特に半導体素子などの発熱電子機器を沸騰冷却方式の冷却体に接触させて冷却する電子機器冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電鉄用として地上に設置される電力変換装置は、パワー半導体素子、抵抗器やコンデンサなどの補助回路用電子機器などで構成され、雨水等が浸入しない様に密閉された筐体内に収納されている。パワー半導体素子は、通電中に接合部温度が所定温度を超えると熱破壊してその機能を喪失するので、接合部温度が所定温度よりも高くならないように沸騰冷却方式によって強制的に冷却されている。通常、パワー半導体素子は平型ＧＴＯサイリスタなどで構成されており、この平型ＧＴＯサイリスタと冷却体とを交互に積層することによって半導体スタックを構成し、この半導体スタックを沸騰冷却方式で冷却している。沸騰冷却方式には浸漬式の一括冷却方式と個別冷却方式がある。個別冷却方式は、半導体スタックを構成する複数の冷却体内部に低沸点の冷媒を封入し、この冷却体と放熱凝縮器との間を連結管及び液戻し管で個別に接続したものである。一括冷却方式は、低沸点の冷媒を封入した容器内に半導体スタックを浸漬させて、容器と放熱凝縮器との間を連結管及び液戻し管で共通に接続したものである。
【０００３】
図５は、個別冷却方式によって半導体スタックを冷却する従来の電子機器冷却装置の概略を示す一部断面図である。図６は、図５の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図である。図５では平型パワー半導体素子１０，１２以外の断面構造が示されており、図６では共通凝縮器２５の断面構造が示されている。図において、２個の平型パワー半導体素子１０，１２を、絶縁板となる窒化アルミニウム（ＡＬＮ）板１４〜１７を介して沸騰冷却装置２０の冷却体２２〜２４に加圧接触させることによって、冷却体２２、ＡＬＮ板１４、平型パワー半導体素子１０、ＡＬＮ板１５、冷却体２３、ＡＬＮ板１６、平型パワー半導体素子１２、ＡＬＮ板１７、冷却体２４からなる積層体、すなわち半導体スタックが構成されている。沸騰冷却装置２０は、共通凝縮器２５、ベローズ気相管を含む連結管２６〜２８、液戻し管２９〜３１及び冷却体２２〜２４から構成される。平型パワー半導体素子１０，１２の発熱はＡＬＮ板１４〜１７を介して冷却体２２〜２４に伝達する。冷却体２２〜２４内部では、その熱によって冷媒５が沸騰して気化する。気化した冷媒５の蒸気は、連結管２６〜２８を上昇して共通凝縮器２５に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒５は、共通凝縮器２５に一時的に貯留され、液戻し管２９〜３１を介して冷却体２２〜２４に落下して戻るようになっている。沸騰冷却装置２０は、冷却体２２〜２４で冷媒５を沸騰させて気化し、共通凝縮器２５でそれを液化させることによって、平型パワー半導体素子１０，１２の温度上昇を抑制している。
【０００４】
図７は、一括冷却方式によって半導体スタックを冷却する従来の電子機器冷却装置の概略を示す一部断面図である。図８は、図７の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図である。図７及び図８では平型パワー半導体素子１０，１２及び冷却体３２〜３４以外の断面構造が示されている。図において、２個の平型パワー半導体素子１０，１２を、冷媒５を通過させる縦方向に開口を有する筒状体から構成される冷却体３２〜３４に加圧接触させることによって、冷却体３２、平型パワー半導体素子１０、冷却体３３、平型パワー半導体素子１２、冷却体３４からなる半導体スタックが構成されている。図７及び図８の半導体スタックは、冷媒５に熱を伝達する冷却体３２〜３４と平型パワー半導体素子１０、１２との間にＡＬＮ板が存在せず、冷却体３２〜３４が冷媒５を貯留しないという点を除けば、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２と冷却体３２〜３４とが加圧接触された積層体で構成されているという点で、図５及び図６のものと共通している。
【０００５】
沸騰冷却装置４０は、凝縮器４２、密閉容器４４及びこれらを接続する連結管４６から構成される。平型パワー半導体素子１０，１２の発熱は冷却体３２〜３４に伝達する。冷却体３２〜３４の筒内部では、その熱によって冷媒５が沸騰して気化する。気化した冷媒５の蒸気は、冷却体３２〜３４内部から発生し、矢印４７〜４９のように連結管４６を上昇して凝縮器４２に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒５は、点線矢印４３，４５に示すように凝縮器４２から連結管４６を介して密閉容器４４内に落下して戻るようになっている。このように沸騰冷却装置４０は、冷却体３２〜３４で冷媒５を沸騰させて気化し、凝縮器４２でそれを液化させることによって、平型パワー半導体素子１０，１２の温度上昇を抑制している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術では、電力変換装置の運転開始時に、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の温度がオーバーシュートするという現象が発生していた。図９は、平型パワー半導体素子１０，１２の通電によって発生した熱量に応じて冷却体２２〜２４，３２〜３４が示す温度変化の様子を示す図である。図から明らかなように、平型パワー半導体素子１０，１２の通電開始時に平型パワー半導体素子１０，１２が発熱し、冷却体２２〜２４又は冷却体３２〜３４に接する冷媒５の温度が急激に上昇する、いわゆるオーバーシュート現象５１を示す。この現象は、発熱体である平型ＧＴＯサイリスタにとっては冷却不良により破壊を生じる可能性もあるため、好ましくないばかりでなく、個別冷却方式の場合には、特に真空容器の一部分である冷却体に急激な温度変化を与え、真空容器の破壊、内圧上昇、冷却不良といった不具合を発生させる原因ともなり、問題であった。
【０００７】
なぜ、通電開始時にオーバーシュート現象が発生するのかについて説明する。図１０は、沸騰冷却に用いる冷媒５の蒸気圧−温度特性の概略を示す図である。なお、図１０の横軸及び縦軸は対数表示してある。通常、沸騰冷却装置には、容器内部を減圧した状態で冷媒５が封入されている。従って、大気圧ＰＡの状態における冷媒５の沸騰温度ＴＡよりも十分に低い沸騰温度ＴＣの下で冷却を行うことができるようになっている。ところが、図５〜図８に示すように、従来の沸騰冷却装置２０，４０では、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の上端部から冷媒５の液表面までの高さが約２０〜３０［ｃｍ］であるため、冷媒５の液圧によって冷媒５表面に対して約０．０２〜０．０３［ｋｇｆ／ｃｍ2 ］の圧力差が存在していた。従って、発熱体付近の圧力は、容器内圧力ＰＣに対して液圧ＰＬ分だけ高くなり、沸騰温度も容器内圧力ＰＣ下での沸騰温度ＴＣよりも高い沸騰温度ＴＬを示すようになる。このように発熱体付近の沸騰温度ＴＬが通常の沸騰温度ＴＣよりも高くなるために、上述のようなオーバーシュート現象が発生するのである。このオーバーシュート現象は電力変換装置の起動時の温度が低い程、顕著に現れる。このオーバーシュート現象は、沸騰を開始して蒸気が容器内部に充満し、容器内部の圧力が上昇すると共に液圧と容器内部圧力の比が小さくなるために解消される方向となる。
【０００８】
また、上述の従来技術では、電力変換装置などの電子機器の運転開始時に、冷却体２２〜２４，３２〜３４で発生した蒸気泡が冷媒５の液表面に到達するまでの区間で大きな衝撃音を発生するという現象があった。この現象は、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２からの熱量によって沸騰した冷媒５中に発生した蒸気泡が、冷却体２２〜２４，３２〜３４の上部から冷媒５の液表面まで上昇する間に、潰れることにより発生するものと考えられる。この現象も、前述のオーバーシュート現象の発生原因と同様に、冷却体付近の沸騰部分における圧力が、真空容器内部の圧力よりも発熱体上端部から冷媒５の液表面までの高さに応じた液圧ＰＬ分だけ高くなり、その結果、沸騰を開始する温度が高くなることに起因する。
【０００９】
すなわち、冷却体２２〜２４，３２〜３４では液圧ＰＬ分だけ高い温度にならないと沸騰が開始しない。一方、電子機器の運転開始時には冷媒５の液表面近傍では沸騰が始まらないので、その部分の温度は極めて低い状態にある。冷却体２２〜２４，３２〜３４の温度が容器内部の圧力ＰＣでの沸騰温度ＴＣよりも液圧ＰＬ分だけ高い沸騰温度ＴＬに達した時点で、冷却体２２〜２４，３２〜３４に接する冷媒５の沸騰が始まる。冷却体２２〜２４，３２〜３４の周囲で発生した蒸気泡は冷媒５中を液表面に向かって上昇する。蒸気泡は、冷媒５中を上昇するに従い液圧が減少し、それに応じて体積は膨張する。その一方で、冷媒５中を上昇中の蒸気泡は冷媒５の液表面付近の低い温度の液と接触し、そこで熱量を徐々に奪われ、蒸気泡の状態を維持することができなくなり、液表面付近の冷媒５中で凝縮／液化してしまい、冷媒５中に存在した蒸気泡が一瞬にして消滅することになる。このように急激に蒸気泡が消滅するために冷媒５の液表面付近で大きな衝撃音が発生する。この衝撃音が真空容器の壁面近傍で発生した場合、蒸気泡が潰れる際に発生する衝撃波によって真空容器内壁面が浸食される可能性があり問題となっていた。また、電子機器の設置される場所によっては衝撃音による騒音という問題もあった。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、電力変換装置などの電子機器の運転開始時に沸騰温度のオーバーシュート現象や衝撃音が発生するのを抑制することのできる電子機器冷却装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された電子機器冷却装置の発明は、減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、電子機器手段の両側に接触するように設けられた冷却手段に冷媒を接触させて、前記電子機器手段からの発熱に応じて前記冷媒を沸騰させて気化し、気化した冷媒を凝縮液化することによって前記電子機器手段を冷却するように構成された電子機器冷却装置において、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されているものである。この電子機器冷却装置は、平型ＧＴＯサイリスタなどのパワー半導体素子の両側に接触するように冷却手段を交互に積層して設けることによって半導体スタックを構成し、この冷却手段を沸騰冷却方式で冷却するものである。沸騰冷却方式には浸漬式の一括冷却方式と個別冷却方式があるが、いずれの方式も冷却手段に対して低沸点の冷媒が接触するように構成されている。この発明の電子機器冷却装置は、この冷媒の液表面高さが従来のものよりも格段に低い位置となるように構成してある。すなわち、個別冷却方式の場合には、それぞれの冷却手段に封入される冷媒の液表面高さをその冷却手段の上端部付近よりも低くし、一括冷却方式の場合には、冷媒の液表面高さが冷却手段の上端部付近よりも低くなるように半導体スタックを冷媒中に浸漬させる。これによって、冷媒が発熱体に接触して気化する位置から冷媒５の液表面までの高さが小さくなるため、冷媒の液圧による圧力差も小さくなり、運転開始時にオーバーシュート現象や衝撃音が発生しないようにすることができる。
【００１２】
請求項１に記載された電子機器冷却装置の発明は、上記のように、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されている。電子機器手段で発生した熱量は冷却手段と電子機器手段との接触箇所で最も効率的に冷却手段に伝達し、その部分で冷媒が最も効率的に気化されるので、冷媒の液表面高さをこのような範囲に設定することによって、効率的な冷却動作を行わせることができる。
【００１４】
請求項２に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項１において、前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留する冷却体で構成されているものである。これは、電子機器冷却装置を個別冷却方式のものに限定するものである。請求項３に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項１において、前記冷媒を貯留する容器内に前記冷却手段が浸漬されているものである。これは、電子機器冷却装置を一括冷却方式のものに限定するものである。
【００１５】
請求項４に記載された電子機器冷却装置の発明は、減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、電子機器手段とこの電子機器手段を冷却する冷却手段とを交互に積層することによって構成されたスタック手段と、前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を凝縮液化する凝縮手段と、前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を前記凝縮手段に導く連結管手段と、前記凝縮手段で凝縮液化された冷媒を前記冷却手段に還流する液戻し管手段とから構成される電子機器冷却装置において、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されているものである。これは、電子機器冷却装置の構成をより具体的にしたものであり、凝縮手段と連結管手段と液戻し管手段を用いてスタック手段の冷却手段を冷却するように構成されたものである。なお、電子機器冷却装置の中には連結管手段と液戻し管手段とが別々に設けてあるものもあれば、二重管の構造をしているものもある。このような構成の電子機器冷却装置においても請求項１に記載の発明と同様に、冷媒の液表面高さを冷却手段の上端部付近よりも低い位置にすることによって、運転開始時にオーバーシュート現象や衝撃音が発生しないようにすることができる。
【００１６】
請求項４に記載された電子機器冷却装置の発明は、上記のように、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されている。これは、請求項１に記載の発明と同様にして、冷媒の液表面高さの範囲を設定したものである。
【００１８】
請求項５に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項４において、前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留可能な冷却体で構成され、前記冷却体がそれぞれ前記連結管手段及び前記液戻し管手段によって個別に前記凝縮手段に接続されているものである。これは、電子機器冷却装置を個別冷却方式のものに限定するものである。
【００１９】
請求項６に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項４において、前記冷媒を貯留する容器内に前記スタック手段が浸漬されているものである。これは、電子機器冷却装置を一括冷却方式のものに限定するものである。
【００２０】
請求項７に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項５において、前記凝縮手段と前記冷却体との間に前記液戻し管手段によって還流する前記凝縮液化された冷媒を貯留する貯留手段を設けたものである。個別冷却方式の電子機器冷却装置の場合には、冷却手段に封入可能な冷媒量が限定されるので、このように別個に貯留手段を設け、冷媒量を大きくすることによって、冷媒の蒸発による液表面低下を少なくしている。
また、請求項８に記載された電子機器冷却装置の発明は、減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、電子機器手段の両側に接触するように設けられた冷却手段に冷媒を接触させて、前記電子機器手段からの発熱に応じて前記冷媒を沸騰させて気化し、気化した冷媒を凝縮液化することによって前記電子機器手段を冷却するように構成された電子機器冷却装置において、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されており、かつ、前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留する冷却体で構成されているとともに、前記冷媒が水であるものである。
また、請求項９に記載された電子機器冷却装置の発明は、減圧した状態で封入された冷媒を用いた沸騰冷却方式の電子機器冷却装置であって、電子機器手段とこの電子機器手段を冷却する冷却手段とを交互に積層することによって構成されたスタック手段と、前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を凝縮液化する凝縮手段と、前記冷却手段で沸騰し気化された冷媒の蒸気を前記凝縮手段に導く連結管手段と、前記凝縮手段で凝縮液化された冷媒を前記冷却手段に還流する液戻し管手段とから構成される電子機器冷却装置において、前記冷媒の液表面高さが前記冷却手段と前記電子機器手段とが互いに接触する箇所の最上端から最下端までの範囲内に存在するように構成されており、かつ、前記冷却手段のそれぞれが冷媒を貯留可能な冷却体で構成され、前記冷却体がそれぞれ前記連結管手段及び前記液戻し管手段によって個別に前記凝縮手段に接続されているとともに、前記冷媒が水であるものである。
また、請求項１０に記載された電子機器冷却装置の発明は、請求項９において、前記凝縮手段と前記冷却体との間に前記液戻し管手段によって還流する前記凝縮液化された冷媒を貯留する貯留手段を設けたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図１は、沸騰冷却方式にて個別にパワー半導体素子を冷却するように構成された電子機器冷却装置の概略構成を示す図である。図２は、図１の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図である。図１と図２では、冷媒の液表面高さがそれぞれ異なる場合が示されているが、これらはそれぞれ冷媒の封入量の違いによる異なる実施例に対応するものである。図１では冷却体７１〜７３の断面構造が示されており、図２では冷却体７３、連結管７７、共通凝縮器２５、液戻し管７９、貯留容器８０及び容器連結管８１の断面構造が示されている。図では、サイリスタ又はダイオードなどの２個の平型パワー半導体素子１０，１２を絶縁板となる窒化アルミニウム（ＡＬＮ）板１４〜１７を介して沸騰冷却装置７０の冷却体７１〜７３に加圧接触させることによって、冷却体７１、ＡＬＮ板１４、平型パワー半導体素子１０、ＡＬＮ板１５、冷却体７２、ＡＬＮ板１６、平型パワー半導体素子１２、ＡＬＮ板１７、冷却体７３からなる積層体、すなわち半導体スタックが構成されている。
【００２２】
図１において、冷却体７１の右側面はＡＬＮ板１４を介して平型パワー半導体素子１０のカソード導体１０Ｋ側に、冷却体７１の左側面は加圧接触部材（図示せず）に、冷却体７２の左側面はＡＬＮ板１５を介して平型パワー半導体素子１０のアノード導体１０Ａに、冷却体７２の右側面はＡＬＮ板１６を介して平型パワー半導体素子１２のカソード導体１２Ｋに、冷却体７３の左側面はＡＬＮ板１７を介して平型パワー半導体素子１２のアノード導体１２Ａに、冷却体７３の右側面は加圧接触部材（図示せず）にそれぞれ接している。平型パワー半導体素子１０，１２のアノード導体１０Ａ，１２Ａ及びカソード導体１０Ｋ，１２Ｋは、その面の平坦及び平面度等が規定されていると共に経時的にその状態が変化しないことが要求されているため、一般的には、可撓性を示さない不可撓性の１枚の銅板で構成されている。なお、図示していないが、平型パワー半導体素子１０のアノード導体１０Ａと平型パワー半導体素子１２のカソード導体１２Ｋとは互いに屈曲加工され、アノード導体１０Ａとカソード導体１２Ｋに応力が掛からないようにスペーサーを介してボルトとナットで締め付け接続されている。
【００２３】
沸騰冷却装置７０は、冷却体７１〜７３、共通凝縮器７４、ベローズ気相管を含む連結管７５〜７７、液戻し管７８，７９、貯留容器８０及び容器連結管８１〜８３から構成される。冷却体７１〜７３は、銅又は銅合金やアルミニウムなどの金属ブロックを機械加工により箱型に削り出し、その内部に放熱用のフィンや仕切り板を多数有し、そこに冷媒５を貯留するような構成になっている。この冷媒５にはエチレングリコール水溶液や水などの導電性冷媒が使用される。従って、平型パワー半導体素子１０，１２と冷却体７１〜７３との間には、絶縁用のＡＬＮ板１４〜１７が挿入されている。冷媒５にフロンやフロロカーボンなどの絶縁性冷媒を使用する場合には、このＡＬＮ板１４〜１７は省略することができる。
【００２４】
ベローズ気相管を含む連結管７５〜７７は、それぞれの冷却体７１〜７３と共通凝縮器７４とを接続するものであり、Ｌ字型に屈曲しており、その一端部が冷却体７１〜７３の上面中央部に接続され、他端部が共通凝縮器７４の側面上部に接続されている。冷却体７１〜７３で加熱沸騰して気化した冷媒５の蒸気は、連結管７５〜７７内部を矢印８４に沿って共通凝縮器７４に導かれる。連結管７５〜７７の途中に設けられたベローズ気相管は、温度変化による各部の膨張・収縮などを吸収するものである。なお、ベローズ気相管以外にも、冷却体７１〜７３と共通凝縮器７４との間を絶縁するための絶縁管を連結管７５〜７７の途中に設ける場合がある。
【００２５】
共通凝縮器７４は、大気との間で熱交換を行って気化した冷媒５を凝縮させて液化するものである。共通凝縮器７４には、冷却体７１〜７３で発生した冷媒５の蒸気が連結管７５〜７７を介して導入され、そこで液化された冷媒が液戻し管７８，７９を介して貯留容器８０に戻される。図では、共通凝縮器７４に内蔵されるラジエターなどについては省略してある。液戻し管７８，７９は、共通凝縮器７４と貯留容器８０とを接続するものであり、共通凝縮器７４内部で凝縮液化された冷媒を貯留容器８０に戻すものである。貯留容器８０は、凝縮液化された冷媒を貯留するものである。この貯留容器８０を設けることによって、封入可能な冷媒量の限定された冷却体７１〜７３の容積を大きくして冷媒５の蒸発による液表面低下を極力小さくすることができる。容器連結管８１〜８３は、それぞれの冷却体７１〜７３と貯留容器８０との間を接続するものである。
【００２６】
平型パワー半導体素子１０，１２からの発熱はＡＬＮ板１４〜１７を介して冷却体７１〜７３に伝達する。冷却体７１〜７３では、これらの熱によって冷媒５が沸騰して気化し、蒸気が発生する。発生した蒸気は、連結管７５〜７７内を上昇して共通凝縮器７４に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒５は、液戻し管７８，７９を介して貯留容器８０に落下して、容器連結管８１〜８３を介して各冷却体７１〜７３に戻されるようになっている。このようにして、沸騰冷却装置７０は、冷却体７１〜７３で冷媒５を沸騰させて気化し、共通凝縮器７４でそれを液化させることによって、平型パワー半導体素子１０，１２の温度上昇を抑制している。
【００２７】
図１に示す本実施の形態に係る電子機器冷却装置が従来のものと異なる点は、冷却体７１〜７３内の冷媒５の液表面高さが発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの上端面とほぼ等しくなるように、冷媒５が封入されている点である。図２に示す本実施の形態に係る電子機器冷却装置が従来のものと異なる点は、冷却体７１〜７３内の冷媒５の液表面高さが発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のほぼ中央付近となるように、冷媒５が封入されている点である。すなわち、従来の電子機器冷却装置は、図５及び図６に示すように冷媒５が冷却体２２〜２４内部及び連結管２６〜２８内部に充填され、さらに冷媒５の液表面が共通凝縮器２５内に存在するように封入されていた。これに対してこの実施の形態に係る電子機器冷却装置は、冷媒５が冷却体７１〜７３内部にのみ存在するように封入されている。
【００２８】
この場合に、冷媒５の封入量は、最大の場合で冷却体７１〜７３の最上端部付近であればよく、最小の場合で発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分、すなわち平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの平坦部と冷却体７１〜７３とが互いに接触する箇所の最下端付近であればよい。また、冷媒５の液表面高さは必ずしも冷却体７１〜７３の最上端部付近である必要はなく、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分（平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの平坦部）と冷却体７１〜７３とが互いに接触する箇所の最上端付近であってもよい。さらに、図２に示すように冷媒５の液表面が発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分のほぼ中央付近に位置する場合に十分にその効果を発揮する。
【００２９】
次に、冷媒５中に半導体スタックを浸漬させて冷却する一括冷却方式の電子機器冷却装置について説明する。図３は、沸騰冷却方式にて一括でパワー半導体素子を冷却するように構成された電子機器冷却装置の概略構成を示す図である。図４は、図３の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図である。図３及び図４では、凝縮器４２と密閉容器４４の断面構造が示されている。図３と図４では、冷媒５の液表面高さがそれぞれ異なる場合が示されているが、これらはそれぞれ冷媒５の封入量の違いによる異なる実施例に対応するものである。図では、サイリスタ又はダイオードなどの２個の平型パワー半導体素子１０，１２と冷却体３２〜３４とを交互に配置して加圧接触させることによって、冷却体３２、平型パワー半導体素子１０、冷却体３３、平型パワー半導体素子１２、冷却体３４からなる積層体、すなわち半導体スタックが構成されている。冷却体３２〜３４は、銅又は銅合金やアルミニウムなどの金属ブロックを機械加工によって削り出すことによって作られた、縦方向に開口を有する筒状体で構成されており、筒状体の内壁面に沿って冷媒５が通過するようになっている。図３において、冷却体３２の右側面は平型パワー半導体素子１０のカソード導体１０Ｋ側に、冷却体３２の左側面は加圧接触部材（図示せず）に、冷却体３３の左側面は平型パワー半導体素子１０のアノード導体１０Ａに、冷却体３３の右側面は平型パワー半導体素子１２のカソード導体１２Ｋに、冷却体３４の左側面は平型パワー半導体素子１２のアノード導体１２Ａに、冷却体３４の右側面は加圧接触部材（図示せず）にそれぞれ加圧接触している。
【００３０】
沸騰冷却装置８０は、凝縮器４２、密閉容器４４及びこれらを接続する連結管４６から構成される。凝縮器４２は、大気との間で熱交換を行って気化した冷媒５を凝縮させて液化するものである。図では、凝縮器４２に内蔵されるラジエターなどについては省略してある。密閉容器４４は、フロンやフロロカーボンなどの絶縁性冷媒を貯留するものである。図３では、密閉容器４４内の冷媒５の液表面は発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分のほぼ中央付近に位置するように封入されている。図４では、密閉容器４４内の冷媒５の液表面は発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の最下端付近に位置するように封入されている。連結管４６は、密閉容器４４と凝縮器４２とを接続するものであり、その一端部が密閉容器４４の上面中央部に接続され、他端部が凝縮器４２の下面中央部に接続されている。平型パワー半導体素子１０，１２の発熱は冷却体３２〜３４に伝達する。冷却体３２〜３４の筒内部では、その熱によって冷媒５が沸騰して気化し、その蒸気が発生する。発生した冷媒５の蒸気は、冷却体３２〜３４内部を出て、矢印４７〜４９のように連結管４６を上昇して凝縮器４２に導かれ、そこで液化される。液化された冷媒５は、点線矢印４３，４５に示すように凝縮器４２から連結管４６を介して密閉容器４４内に落下して戻るようになっている。このように沸騰冷却装置８０は、冷却体３２〜３４で冷媒５を沸騰させて気化し、凝縮器４２でそれを液化させることによって、平型パワー半導体素子１０，１２の温度上昇を抑制している。
【００３１】
図３に示す本実施の形態に係る電子機器冷却装置が従来のものと異なる点は、密閉容器４４内の冷媒５の液表面高さが発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のほぼ中央付近と接するように冷媒５が封入されている点である。図４に示す本実施の形態に係る電子機器冷却装置が従来のものと異なる点は、密閉容器４４内の冷媒５の液表面高さが発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの下端面とほぼ等しくなるように、冷媒５が封入されている点である。すなわち、従来の電子機器冷却装置は、図７及び図８に示すように平型パワー半導体素子１０，１２の上端部から冷媒５の液表面までの高さが約２０〜３０［ｃｍ］程度となるように冷媒５が封入されていた。これに対して、図３の実施の形態に係る電子機器冷却装置では、冷媒５が密閉容器４４内の約半分程度又はそれ以下しか封入されていない。
【００３２】
この場合も図１及び図２の実施の形態の場合と同様に、冷媒５の封入量は、最大の場合で冷却体３２〜３４の最上端部付近であればよく、最小の場合で図４に示すように発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分、すなわち平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの平坦部と冷却体３２〜３４とが互いに接触する箇所の最下端付近であればよい。また、冷媒５の液表面高さは必ずしも冷却体３２〜３４の最上端部付近である必要はなく、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分（平型パワー半導体素子１０，１２のカソード導体１０Ｋ，１２Ｋ及びアノード導体１０Ａ，１２Ａの平坦部）と冷却体３２〜３４とが互いに接触する箇所の最上端付近であってもよい。さらに、図３に示すように冷媒５の液表面が発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の発熱部分のほぼ中央付近に位置する場合に十分にその効果を発揮する。
【００３３】
以上のように、発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２の高さ方向の寸法が約９０［ｍｍ］程度であることから、その上端部と下端部との間における液圧による圧力差は約０．００９［ｋｇｆ／ｃｍ2 ］となり、従来技術の項で説明した、冷媒５表面までの液圧の圧力差、約０．０２〜０．０３［ｋｇｆ／ｃｍ2 ］に比べると小さい値となるので、運転開始時にオーバーシュート現象や衝撃音が発生することはなくなる。また、図２や図４のように冷媒５の液表面高さを発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のほぼ中央付近とすることによって、その圧力差は約０．００４５［ｋｇｆ／ｃｍ2 ］程度となり、運転開始時にオーバーシュート現象や衝撃音が発生することを抑制する効果は非常に大きい。なお、この場合の冷媒５の液表面高さは、蒸発する液量、共通凝縮部７４や凝縮部４２に付着する液量、及び冷却体７１〜７３，３２〜３４の壁面に常時冷媒５が付着する液量などに基づいて決定される。
【００３４】
例えば、冷媒５としてよく使われているパーフロロカーボンは水などに比べてその蒸発潜熱が小さいために、パーフロロカーボンのような冷媒を使用した場合には、電力変換装置の運転開始前の冷媒５の液表面が発熱体の上端付近にあったとしても、運転開始後に多量のフロロカーボン液が蒸発することにより、冷媒５の液表面が大きく低下し、発熱体の下端部よりも低くなることが十分に考えられる。従って、このような場合には、冷媒５を貯留する冷却体７１〜７３、貯留容器８０又は密閉容器４４の容積を適当な大きさに設定する必要がある。運転開始前の冷媒５の液表面の高さをＨ１とし、運転開始後の冷媒５の液表面の高さをＨ２としたときに、その平均値（Ｈ１＋Ｈ２）／２が発熱体である平型パワー半導体素子１０，１２のほぼ中央付近となるように冷媒５を封入してもよい。また、図１及び図２に示したような個別冷却方式の電子機器冷却装置の場合には、冷媒５として蒸発潜熱の大きな水などを使用することによって、電力変換装置の運転開始後の冷媒５の蒸発量を低く抑えることができ、運転開始後の冷媒５の液表面低下幅を小さくすることができるので、好ましい。
【００３５】
上述の実施の形態では、スタック構造体として、平型パワー半導体素子と冷却体の積層体から構成される半導体スタックを例に説明したが、これに限らず、これ以外の半導体スタック、ダイオード整流器スタック、半導体スイッチスタックなどの各スタックを構成する電子機器冷却装置にも同様に適用することができる。上述の実施の形態では、半導体スタックが２個の平型パワー半導体素子と３個の冷却体によって構成された場合について説明したが、これ以上の個数の平型パワー半導体素子及び冷却体から構成される半導体スタックにも同様に適用することができる。図１及び図２の実施の形態では、共通凝縮器を貯留容器の上側に設ける場合について説明したが、共通凝縮器と貯留容器が一体に構成されていてもよい。また、貯留容器は省略されていてもよい。さらに、共通凝縮器が冷却体の上側に配置され、そこから、液戻し管を介して貯留容器側に液化された冷媒が戻されるように構成されていてもよい。図３及び図４の実施の形態では、凝縮器と密閉容器を連結管で接続する場合について説明したが、凝縮器で液化された冷媒を密閉容器に戻すための戻し管が別個に設けてあってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の電子機器冷却装置によれば、電力変換装置などの電子機器の運転開始時に沸騰温度のオーバーシュート現象や衝撃音が発生するのを抑制することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  沸騰冷却方式にて個別にパワー半導体素子を冷却するように構成された電子機器冷却装置の概略構成を示す図
【図２】  図１の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図
【図３】  沸騰冷却方式にて一括でパワー半導体素子を冷却するように構成された電子機器冷却装置の概略構成を示す図
【図４】  図３の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図
【図５】  個別冷却方式によって半導体スタックを冷却する従来の電子機器冷却装置の概略を示す一部断面図
【図６】  図５の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図
【図７】  一括冷却方式によって半導体スタックを冷却する従来の電子機器冷却装置の概略を示す一部断面図
【図８】  図７の電子機器冷却装置を右方向から見た一部断面図
【図９】  平型パワー半導体素子の通電によって発生した熱量に応じて冷却
【図１０】  沸騰冷却に用いる冷媒の蒸気圧−温度特性の概略を示す図
【符号の説明】
５                      冷媒
１０，１２              平型パワー半導体素子
１０Ａ，１２Ａ          アノード導体
１０Ｋ，１２Ｋ          カソード導体
１４〜１７              ＡＬＮ板
３２〜３４，７１〜７３  冷却体
４２，７４              共通凝縮器
４４                    密閉容器
７５〜７７              連結管
７８，７９              液戻し管
８０                    貯留容器
８１〜８３              容器連結管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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