(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を内部に密封してなる沸騰冷却体と半導体素子とを加圧により接触させ、前記半導体素子の温度上昇を前記冷媒の沸騰により抑制する圧接形沸騰冷却体の密閉方法において、
前記圧接形沸騰冷却体は、充填する冷媒に対する耐腐食性と高い熱伝導性とを備えた金属のブロックで構成し、
不活性ガス雰囲気中での溶接加工または不活性ガス雰囲気中でのろう付け加工により前記金属ブロックを密閉し、
前記金属ブロックの前記溶接加工またはろう付け加工する部分には、熱容量を減少させる熱容量低減加工、あるいは前記金属ブロックの前記溶接加工またはろう付け加工する部分と加工しない部分との間の熱抵抗を大きくする熱抵抗増大加工を、予め施しておくことを特徴とする圧接形沸騰冷却体の密閉方法。
【請求項２】
前記不活性ガス雰囲気中での溶接またはろう付けを、ＴＩＧ溶接または燐ろう棒を使用するＴＩＧろう付けで行うことを特徴とする請求項１に記載の圧接形沸騰冷却体の密閉方法。
【請求項３】
前記熱容量低減加工は、前記金属ブロックの前記溶接加工部分またはろう付け加工部分の厚さを他よりも薄くすることを特徴とする請求項１に記載の圧接形沸騰冷却体の密閉方法。
【請求項４】
前記熱抵抗増大加工は、前記金属ブロックの前記溶接加工部分またはろう付け加工部分とこれらの加工を行わない部分との間に、肉厚の薄い部分を設けることを特徴とする請求項１に記載の圧接形沸騰冷却体の密閉方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、沸騰冷却体を半導体素子に圧接させ、冷媒の沸騰で半導体素子の温度上昇を抑制している圧接形沸騰冷却体の密閉方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を使用して電力を変換する技術は急速に進歩しており、例えばパルス幅変調制御を行うインバータでは、その出力交流の電圧や周波数を自由に変えることができるから、従来は極めて困難であった誘導電動機の回転速度を自由に制御できるようになった。よって産業界や輸送業界では、インバータと誘導電動機の組み合わせで各種機械を駆動する装置が多用されるようになった。そこで、以下では電気車を例にして本発明の詳細を説明する。
【０００３】
電気車は、その走行速度を自由に変えることができなければならないから、従来は、回転速度の制御が容易に行える直流電動機を使用していた。しかし直流電動機は整流子やブラシなどを備えているから、構造が複雑で保守・点検に手間がかかり、使用上の制約も多いし、高価でもあった。一方、誘導電動機は構造が簡単で堅牢であり、保守・点検の手間を大幅に削減できるので、前述したようにインバータと組み合わせれば速度制御が簡単に行えるようになったことから、電気車への適用が増大している。ところで電気車の運転速度を向上させたり、加減速時間を短縮させるには、電動機容量を増大させねばならない。従って、半導体素子の容量も電動機容量に対応して大きくなってきている。
【０００４】
前述のインバータを構成する半導体素子として、例えばゲートターンオフサイリスタ（以下ではＧＴＯサイリスタと略記する）がある。通電中のＧＴＯサイリスタの接合部温度が所定値を越えると熱破壊してその機能を喪失するが、一般にＧＴＯサイリスタの熱容量は小さいから、通流電流が増大した場合に、ごく短時間で接合部温度が限界値を越えてしまう恐れがある。そこでＧＴＯサイリスタを効率良く冷却して温度を所定値以内に抑制することが極めて重要になってくる。ところで大容量のＧＴＯサイリスタは平板形状である。この平形ＧＴＯサイリスタの一方の面をアノード電極面，他方の面をカソード電極面とし、沸騰冷却装置の冷却体部分をこの平形ＧＴＯサイリスタの各電極面に圧着させ、冷媒が沸騰する際の気化熱で当該平形ＧＴＯサイリスタの温度上昇を抑制する。
【０００５】
図８は沸騰冷却装置の従来構造の概略を示した構造図であって、下側に発熱体を冷却する冷却部，上側に凝縮部があり、これら冷却部と凝縮部とを連結部で結合した構成である。
【０００６】
冷却部は、銅やアルミニュ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た冷却体１で構成しているが、内部の仕切り板２も冷却体１と一体化して同時に削り出されている。金属ブロックから削り出し加工をするのは、冷却の対象であるＧＴＯサイリスタと冷却体１との間に極めて大きな荷重を与えて両者を圧接しても変形を生じないようにするためであって、金属板を折り曲げ加工して形成した箱体では強度が不足するから、使用に耐えない。この冷却体１の下端には底蓋３を，また上端には上蓋４を取り付けて密閉し、その内部を真空にし、絶縁性冷媒として例えば符号９なるフロロカーボンを封入する。このフロロカーボン９が気化する際の潜熱がＧＴＯサイリスタの発熱を奪うことで、当該ＧＴＯサイリスタの温度が過度に上昇するのを抑制することができる。
【０００７】
気化したフロロカーボン９は、連結部を経て上部の凝縮部へ導かれ、この凝縮部で外気（又は冷却水など）により冷却されて液体に戻る。この液化したフロロカーボン９は重力により連結部内を落下して再び冷却体１へ戻る。なお、実際の凝縮部は密閉構造であるし、多数のＧＴＯサイリスタでインバータスタックを構成する場合に、個々のＧＴＯサイリスタごとに別個の冷却部と連結部とを備えるが、凝縮部は多数のＧＴＯサイリスタに共通して設置するのが一般的である。しかしこの凝縮部は本発明とは無関係であるから、図８では省略した凝縮部を図示している。
【０００８】
冷却部と凝縮部とを結合している連結部は２重構造の管であって、冷却体１で加熱されて気化したフロロカーボン９は内側管と外側管との間を上昇するので、この部分を気相管と称する。また内側管は凝縮部で液化されたフロロカーボン９が落下して冷却体１へ戻るための液戻し管８である。前述したように、フロロカーボン９は電気絶縁性が良好であるから、連結部の一部を絶縁するならば、電位が異なる多数のＧＴＯサイリスタに対して凝縮部を共通に使用することが可能になる。そこで連結部に絶縁管５を挿入して、冷却部と凝縮部との間を絶縁する。なお、温度変化による各部の膨張・収縮を吸収するために、連結部にはベローズ６も挿入する。符号７は連結部と凝縮部とを結合するための継ぎ手である。図８に図示の連結部は、気相管の内部に液戻し管８を設けた２重管の構造であるが、気相管と液戻し管８とを別個に設置した構造にすることもできる。
【０００９】
図９は図８に図示の従来の沸騰冷却装置に記載の冷却部の構造を示した構造図である。冷却部の主要部分である冷却体１は、図示のように機械加工を容易にするために、その上端と下端は開放した構造であるから、冷却体１と仕切り板２の機械加工終了後に底蓋３と上蓋４を冷却体１に溶接加工またはろう付け加工することで密閉した箱体に仕上げる。冷却体１の一方の平面１Ａまたはこれの反対側の平面がＧＴＯサイリスタの電極面と接触する面であり、ＧＴＯサイリスタの発生熱はこの接触平面１Ａから仕切り板２へ伝えられ、フロロカーボン９を加熱・蒸発させることにより、ＧＴＯサイリスタの温度上昇を抑制する。なお図示していない気相管と液戻し管８とでなる連結部を取り付けるための連結部取付け穴４Ａが上蓋４には開口している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＴＯサイリスタの温度上昇を抑制するために、沸騰冷却装置の冷却部を当該ＧＴＯサイリスタの電極面に高荷重で圧接するので、この冷却部の本体である冷却体１は、金属ブロックから機械加工により削り出し、図９で図示の構造を得ている。ここで仕切り板２はフロロカーボン９との接触面積の増大により冷却効果を向上させると共に、圧接したときの箱体強度も増大させるのであるが、そのために多くの矩形穴を削り出さなければならないので、加工に手間と時間がかかる欠点がある。また、気密構造にするために、底蓋３と上蓋４とを冷却体１と一体化させるべく、溶接またはろう付けを行う。溶接またはろう付け作業を行う際は母材の温度を高くしなければならないことから、高温により母材の強度が低下する不具合がある。前述したように、冷却体１は高い荷重でＧＴＯサイリスタに圧接するので、高温による強度低下を肉厚を大きくすることで回避するのであるが、肉厚の増加により重量と外形寸法の増大を招く不都合を生じている。
【００１１】
沸騰冷却に適している絶縁性冷媒としてフロン１１３やフロロカーボンがあるが、フロン１１３は規制の対象になっていて新規の適用は困難である。またフロロカーボンは安定度が高い特徴を持つために温暖化係数が大であって環境を悪化させる恐れがあり、これも使用規制が強化されることになるであろう。そこで環境を悪化させる恐れのない水，または水を主体とする溶液を冷媒に採用することになるが、水は導電性であるため絶縁対策を行う必要があるし、容器の腐食対策も必要になる欠点を有する。
【００１２】
そこでこの発明の目的は、沸騰冷却装置の冷却体の強度と冷却能力を向上させつつ加工と密閉を容易にすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧接形沸騰冷却体は、充填する冷媒に対する耐腐食性と高い熱伝導性とを備えた金属ブロックで構成し、不活性ガス雰囲気中での溶接加工か、または不活性ガス雰囲気中でのろう付け加工で密閉構造にするが、前記金属ブロックを溶接かろう付けする部分の熱容量を低減させる加工を施す。または、前記金属ブロックを溶接かろう付けする部分としない部分との間に、熱抵抗を大きくする加工を施す。
【００１４】
前記不活性ガス雰囲気中での溶接またはろう付けは、ＴＩＧ溶接または燐ろう棒を使用するＴＩＧろう付けとする。
前記金属ブロックの溶接部分またはろう付け部分の厚さを、他の部分よりも薄くして前記作業を行う部分の熱容量を低減させる。
前記金属ブロックの溶接部分またはろう付け部分と、これらの作業を行わない部分との間に、肉厚の薄い部分を設けて熱抵抗を増大させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の冷却体の構造図である。沸騰冷却装置に封入する冷媒が水または水を主体にした水溶液の場合は、アルミニュウムは熱伝導特性が良好で比重も小さいから、装置を軽量化できるが水に腐食され易いので採用できない。そこで銅または銅合金のブロックを使用し、冷却体１０を作成する。すなわち外形を直方体状にした冷却体１０の上端部に上側凹部１１を加工し、下端部には下側凹部１２を加工し、次いで上側凹部１１と下側凹部１２とを連結する複数の連結穴１３を開口させるのであるが、この連結穴１３の表面には、図示は省略しているが角が立っていて、表面積が増える形状の加工を施す。
【００１６】
上蓋１４で上側凹部１１を覆って溶接などにより密閉し、底蓋１５で下側凹部１２を覆って同じく溶接などによりこれを密閉し、内部に冷媒（導電性冷媒と絶縁性冷媒のいずれでも可）を注入すれば冷却体１０が完成する。なお、上蓋１４には気化した冷媒を凝縮器へ送る気相管を取り付けるための気相管用穴１４Ａを開口し、底蓋１５には液化した冷媒を凝縮器から戻すための液戻し管を取り付けるための液戻し管用穴１５Ａを開口している。図１の第１実施例では気相管と液戻し管とを別個に取りつける構造であるが、図８で既述の従来例のように、気相管と液戻し管とを一体化した二重管であっても差し支えないのは勿論である。但し二重管にすると液戻し管を下側凹部１２に達するまで挿入するスペースが必要になるので、連結穴１３の本数を減らさなければならないから、その分だけ冷却能力が減少することになる。
【００１７】
冷却体１０の冷却面１０Ａ（またはこれの反対側の面）にＧＴＯサイリスタの電極面を圧接すると、その発生熱は冷却面１０Ａから連結穴１３へ伝わり、連結穴１３の表面に接触している冷媒を気化させることで、ＧＴＯサイリスタの温度上昇を抑制することができる。ところでこのような沸騰冷却装置では、
第１に冷媒と冷却体との接触面積を大きくすること。
第２に冷媒と冷却体との接触部に細かい気泡を大量に発生させること。
が、冷却効果を大きくするのに有効である。冷媒との接触面積を大きくする第１の方法は周知であるから省略し、第２の方法について述べる。
【００１８】
冷媒は冷却体１０と接触することで、その接触部から受け取る熱で気化して気泡を生じる。この気泡は成長してある程度の大きさになれば接触部から分離して上昇し、そのあとを液体の冷媒が覆う。この液体冷媒が加熱されて再び気泡となる過程を繰り返す。液体が気化するときの潜熱は極めて大きいから、気泡が発生したら小さいうちに直ぐに接触面から分離して新たな気泡を生じることを繰り返させれば、すなわち細かい気泡を次々と大量に発生させれば、大きな気泡が間欠的に発生する場合よりも冷却効果は大である。冷媒との接触部が角張っていると、滑らかな表面に比して気泡が発生し易く、且つ発生した気泡も小さいうちに分離して上昇する。それ故、連結穴１３の冷媒との接触部には角張った部分が多く存在する加工を施すことで、細かい気泡を大量に発生させることができる。すなわち、大きな冷却効果を得ることができる。
【００１９】
図２は本発明の連結穴の縦断面構造図であって、連結穴部分を縦に切断した断面を表している。冷却体１０の上側凹部１１と下側凹部１２との間に開口している連結穴１３の形状を円形にすれば、図９で既述の従来例に比べて加工が極めて容易になる。断面が円形の連結穴１３にねじ山２１を加工するのも容易であり、角張っている部分を多くするために、ねじの山部分と谷部分はシャープに仕上げる。この第２実施例でのねじ山２１は三角形状であるが、矩形形状や台形形状のねじ山を加工しても差し支えないのは勿論である。
【００２０】
図３は本発明の他の連結穴の横断面構造図であって、連結穴を横に切断した断面を表している。この図３では、連結穴１３の断面を加工が容易な円形にしているが、多角形や楕円などの形状であっても差し支えない。この連結穴１３の周囲には、その全長にわたって複数の溝２２を加工するのであるが、この溝２２は角張っていれば、その形状に制限は無い。
【００２１】
図４は本発明の実施例を表した構造図であって、冷却体１０と上蓋１４とを密閉するように接合する場合を図示している。すなわち、冷却体１０の上側凹部１１を上蓋１４で覆い、接合部に不活性ガス３５（例えばアルゴン）を吹きつけ、この雰囲気中でタングステン電極３４と燐ろう棒３３を使用したろう付け（いわゆるＴＩＧろう付け）により、冷却体１０と上蓋１４とを密閉した接合を行う。
【００２２】
ここで上蓋１４に段差部３１を設けているので、接合部の肉厚が他の部分よりも薄くなる。その結果、接合部の熱容量が他の部分よりも小さくなる。熱容量が小さくなれば加熱時間が短縮されるから、接合部の温度が所定値になったときでも、他の部分の温度を低い値に抑制できる。また、冷却体１０にも溝部３２を設けて接合部付近の肉厚を局部的に薄くしているので、前述と同様に接合部の熱容量を他の部分よりも小さくできるし、接合部と他の部分との間の熱抵抗が大きくなる。熱抵抗が大きければ、接合部を加熱したときに他の部分へ熱が逃げるのを抑制できるから、接合部の加熱時間の短縮と、他の部分の温度上昇を抑制できて、温度により強度が低下する不都合も回避できる。
【００２３】
図５は絶縁性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する従来例を示した構造図であるが、図示を簡略化するために、スタックではなくて、１個のＧＴＯサイリスタのアノード電極とカソード電極に別個の沸騰冷却装置を圧接して冷却する場合を示している。
【００２４】
図５の従来例において、平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード電極面にはアノード側沸騰冷却装置４８を圧接し、カソード電極面にはカソード側沸騰冷却装置４９を圧接している。アノード側沸騰冷却装置４８は冷却体４１，絶縁気相管４３および液戻し管４５で構成し、カソード側沸騰冷却装置４９は冷却体４２，絶縁気相管４４および液戻し管４６で構成しているが、これら両沸騰冷却装置４８，４９には共通の共通凝縮器４７を備える。また、これらの内部には絶縁性冷媒としてフロロカーボン９を封入している。なお符号４０Ａは平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード端子であり、符号４０Ｋはカソード端子である。冷媒であるフロロカーボン９は絶縁物であるけれども、金属製の気相管を使用すると、共通凝縮器４７を介して電位の異なる平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード電極とカソード電極は短絡となる。よって気相管の一部に絶縁気相管４３，４４を使用して短絡を回避している。
【００２５】
図６は本発明の導電性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する場合を表した構造図であるが、図示を簡略化するために、スタックではなくて、１個のＧＴＯサイリスタのアノード電極とカソード電極に別個の沸騰冷却装置を圧接して冷却する場合を示している。
【００２６】
図６において、平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード電極面にはアノード側沸騰冷却装置５４を圧接し、カソード電極面にはカソード側沸騰冷却装置５５を圧接している。アノード側沸騰冷却装置５４は冷却体４１，気相管５１および液戻し管４５で構成し、カソード側沸騰冷却装置５５は冷却体４２，気相管５２および液戻し管４６で構成しているが、これら両沸騰冷却装置５４，５５には共通の共通凝縮器４７を備える。また、これらの内部には導電性冷媒を封入するのであるが、導電性冷媒としては水または水を主体とする溶液が最も一般的である。そこで、例えば低温でも凍結しないエチレングリコール水溶液５３を封入する。なお符号４０Ａは平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード端子であり、符号４０Ｋはカソード端子である。冷媒であるエチレングリコール水溶液５３は導電性であるから、平形ＧＴＯサイリスタ４０のアノード電極と冷却体４１との間には絶縁用のちっ化アルミニュウム板（以下ではＡＬＮ板と略記する）５０を挿入する。カソード電極と冷却体４２との間にもＡＬＮ板５０を挿入する。ＡＬＮ板５０は絶縁性と共に熱伝導性も良好であることから、ＧＴＯサイリスタ４０と冷却体４１または４２との間に挿入することにより、スタックに組み上げた場合でも短絡することはない。なお、熱による膨張・収縮を緩和するベローズ気相管の図示は省略している。
【００２７】
図７は本発明の他の導電性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する場合を表した構造図であるが、図示を簡略化するために、図６で既述の第５実施例と同様に、スタックではなくて、１個のＧＴＯサイリスタのアノード電極とカソード電極に別個の沸騰冷却装置を圧接して冷却する場合を示している。
【００２８】
図７において、平形ＧＴＯサイリスタ６０のアノード電極面にはアノード側沸騰冷却装置６４を圧接し、カソード電極面にはカソード側沸騰冷却装置６５を圧接している。アノード側沸騰冷却装置６４は冷却体４１，ベローズ気相管６１および液戻し管４５で構成し、カソード側沸騰冷却装置６５は冷却体４２，ベローズ気相管６２および液戻し管４６で構成しているが、これら両沸騰冷却装置６４，６５には共通の共通凝縮器６３を備える。また、これらの内部には導電性冷媒としてエチレングリコール水溶液５３を封入している。なお符号６０Ａは平形ＧＴＯサイリスタ６０のアノード端子であり、符号６０Ｋはカソード端子である。冷媒であるエチレングリコール水溶液５３は導電性であるから、平形ＧＴＯサイリスタ６０のアノード電極と冷却体４１との間には絶縁用のＡＬＮ板５０を挿入する。カソード電極と冷却体４２との間にもＡＬＮ板５０を挿入する。
【００２９】
平形ＧＴＯサイリスタ６０の容量が増大するのに従って、アノード端子６０Ａとカソード端子６０Ｋに接続する導体も太くなり、この導体の接続工事の際や接続後もアノード端子６０Ａとカソード端子６０Ｋには、接続した導体から曲げ応力を受ける。これら各端子とＡＬＮ板５０とが密着している（図６参照）場合は、端子にかかる曲げ応力がＡＬＮ板５０にもかかってこれを破損させる恐れがある。ＡＬＮ板５０にクラックが入ったり破損したりすると平形ＧＴＯサイリスタ６０の電極面と冷却体４１，４２との間の沿面絶縁距離が不足し、接地事故を生じる恐れがある。そこで本発明の第５実施例では、平形ＧＴＯサイリスタ４０の各端子とＡＬＮ板５０との間にｄなるギャップを予め設けて、端子にかかる曲げ応力がＡＬＮ板５０へ伝達されるのを回避している。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却体を密閉する際に、ＴＩＧ溶接，あるいは燐ろう棒を使用するＴＩＧろう付けを採用することと、ＴＩＧ溶接，あるいはＴＩＧろう付け部分の熱容量を減少させる形状に加工したり、他の部分への熱の移動を抑える形状に加工することで、ＴＩＧ溶接やＴＩＧろう付けにより冷却体を密閉する際の加熱量を減少できるので、冷却体の温度上昇の抑制と、温度上昇に伴う強度低下を抑制できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の冷却体の構造図
【図２】  本発明の連結穴の縦断面構造図
【図３】  本発明の他の連結穴の横断面構造図
【図４】  本発明の実施例を表した構造図
【図５】  絶縁性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する従来例を示した構造図
【図６】  本発明の導電性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する場合を表した構造図
【図７】  本発明の他の導電性冷媒を使用した沸騰冷却装置でＧＴＯサイリスタのスタックを冷却する場合を表した構造図
【図８】  沸騰冷却装置の従来構造の概略を示した構造図
【図９】  図８に図示の従来の沸騰冷却装置に記載の冷却部の構造を示した構造図
【符号の説明】
１，１０        冷却体
１Ａ            平面
２              仕切り板
３，１５        底蓋
４，１４        上蓋
４Ａ            連結部取付け穴
５              絶縁管
６              ベローズ
７              継ぎ手
８，４５，４６  液戻し管
９              絶縁性冷媒としてのフロロカーボン
１１              上側凹部
１２              下側凹部
１３              連結穴
１４Ａ            気相管用穴
１５Ａ            液戻し管用穴
２１              ねじ山
２２              溝
３１              段差部
３２              溝部
３３              燐ろう棒
３４              タングステン電極
３５              不活性ガス
４１，４２        冷却体
４３，４４        絶縁気相管
４７，６３        共通凝縮器
４８，６４        アノード側沸騰冷却装置
４９，６５        カソード側沸騰冷却装置
４０，６０        平形ＧＴＯサイリスタ
４０Ａ，６０Ａ    アノード端子
４０Ｋ，６０Ｋ    カソード端子
５０              ＡＬＮ板
５１，５２        気相管
５３              導電性冷媒としてのエチレングリコール水溶液
６１，６２        ベローズ気相管
【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】
0003858514.tif 000010