(57)【要約】  押圧対象の製造時の寸法のばらつきを吸収することができるとともに、簡易な構成によって薄型化を実現することができる押圧ユニットを提供する。押圧ユニットは、半導体素子モジュールと、該半導体素子モジュールに接触して該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層した半導体積層ユニットを押圧する押圧ユニットであって、線材を巻回したコイル状をなし、ピッチ角が周期的に変化するばね部材と、前記ばね部材の端部が取り付けられるハウジング部材と、を備える。
2012124783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子モジュールと、該半導体素子モジュールに接触して該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層した半導体積層ユニットを押圧する押圧ユニットであって、
線材を巻回したコイル状をなし、ピッチ角が周期的に変化するばね部材と、
前記ばね部材が取り付けられるハウジング部材と、
を備えたことを特徴とする押圧ユニット。
【請求項２】
前記ばね部材は、両端部にフックを有し、
前記ハウジング部材は、前記ばね部材が載置される面から突出し、前記フックを掛止可能な突起部を有することを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項３】
前記ばね部材は、両端部が中心線と直交する方向に延びており、
前記ハウジング部材は、前記ばね部材の両端部を挿入可能な穴部を有することを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項４】
前記ハウジング部材は、
前記ばね部材を載置する表面から突出し、前記ばね部材の所定部分のピッチに相当する幅を有するリブを含むことを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項５】
前記ハウジング部材は、
前記ばね部材の一部を収容する溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項６】
鋼線をメッシュ状に編み込んでなり、前記ハウジング部材との間で前記ばね部材を挟持するメッシュばねをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項７】
前記ばね部材を複数備え、
互いの中心線が平行となるように前記ハウジング部材に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載の押圧ユニット。
【請求項８】
前記ばね部材と前記ハウジング部材との間に、所定温度における耐熱性を有する不織布を介在させたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の押圧ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を用いて構成される電力変換装置に適用され、半導体素子と冷却管を押圧して両者を密着させる押圧ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）の駆動電力を生成する電力変換装置（パワーモジュール）として、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等が知られている。これらの電力変換装置は、駆動時にＩＧＢＴ等の半導体素子を含む半導体モジュールに大きな駆動電流が流れることがある。このため、駆動時の半導体モジュールを冷却して発熱を抑えることが重要である。【０００３】
従来、半導体モジュールの発熱を抑えるために、半導体モジュールと冷却体を交互に積層し、その積層方向の一方の側から皿ばねからなる押圧ユニットで押圧することによって半導体モジュールと冷却体とを密着させて冷却する冷却構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。皿ばねは、荷重がほとんど変わらないたわみ領域を有しているため、電力変換装置の製造ばらつき（積層方向の寸法公差）に起因した寸法の違いを吸収することができる（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１０７１９４号公報
【特許文献２】特開２００１−１６７７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、皿ばねは径方向に対称に広がるため、押圧ユニット用の十分なスペースを確保できない場合には、径が小さい複数の皿ばねを使用しなければならず、構成が複雑になってしまうという問題があった。【０００６】
この問題を解決して押圧ユニットを小型化可能な構成とするためには、例えば等ピッチのコイルばねを用いることが考えられる。しかしながら、等ピッチのコイルばねを通常の圧縮ばねとして用いる場合には、荷重−たわみ特性が線形であるため、ばねのたわみ量に応じて荷重が変化してしまい、電力変換装置における製造ばらつきを十分に吸収することができず、押圧力が弱くて冷却が不十分になったり、押圧力が強くて半導体素子や冷却管の劣化を招いたりする恐れがあった。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、押圧対象の製造時の寸法のばらつきを吸収することができるとともに、簡易な構成によって小型化を実現することができる押圧ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る押圧ユニットは、半導体素子モジュールと、該半導体素子モジュールに接触して該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層した半導体積層ユニットを押圧する押圧ユニットであって、線材を巻回したコイル状をなし、ピッチ角が周期的に変化するばね部材と、前記ばね部材が取り付けられるハウジング部材と、を備えたことを特徴とする。【０００９】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ばね部材は、両端部にフックを有し、前記ハウジング部材は、前記ばね部材が載置される面から突出し、前記フックを掛止可能な突起部を有することを特徴とする。【００１０】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ばね部材は、両端部が中心線と直交する方向に延びており、前記ハウジング部材は、前記ばね部材の両端部を挿入可能な穴部を有することを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ハウジング部材は、前記ばね部材を載置する表面から突出し、前記ばね部材の所定部分のピッチに相当する幅を有するリブを含むことを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ハウジング部材は、前記ばね部材の一部を収容する溝部を有することを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、鋼線をメッシュ状に編み込んでなり、前記ハウジング部材との間で前記ばね部材を挟持するメッシュばねをさらに備えたことを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ばね部材を複数備え、互いの中心線が平行となるように前記ハウジング部材に取り付けられたことを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る押圧ユニットは、上記発明において、前記ばね部材と前記ハウジング部材との間に、所定温度における耐熱性を有する不織布を介在させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、線材を巻回したコイル状をなし、中心線と直交する平面に対して前記線材の中心線がなす角度であるピッチ角が周期的に変化する傾斜型のばね部材を用いている。このばね部材は、荷重が略一定であるようなたわみ範囲を有するとともに、ばね部材の中心線と直交する方向（短手方向）の省スペース化することができる。したがって、押圧対象の製造時の寸法のばらつきを吸収することができるとともに、簡易な構成によって小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る押圧ユニットが搭載される電力変換装置の要部の構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態に係る押圧ユニットの構成を示す図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の荷重−たわみ特性を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態の変形例１に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態の変形例２に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施の形態の変形例３に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施の形態の変形例４に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施の形態の変形例５に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施の形態の変形例６に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施の形態の変形例７に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態に係る押圧ユニットが搭載される電力変換装置の要部の構成を示す図である。同図に示す電力変換装置１は、例えば、電気自動車用の走行モータに流す駆動電流を生成する装置である。
【００２０】
電力変換装置１は半導体素子を含む半導体積層ユニット２と、半導体積層ユニット２を一方の側面から半導体積層ユニット２を押圧する押圧ユニット３と、半導体積層ユニット２と押圧ユニット３との間に介在する平板状の当接板４と、半導体積層ユニット２、押圧ユニット３および当接板４を収容する筐体５とを備える。電力変換装置１は、図示した以外にも、半導体モジュール２１を制御する制御回路等を有する。
【００２１】
半導体積層ユニット２は、半導体モジュール２１と冷却管２２とを交互に積層した構造を有する。図１に示す場合、積層方向に沿って隣接する冷却管２２の間に２個の半導体モジュール２１が配置される。
【００２２】
半導体モジュール２１は、電力供給用のＩＧＢＴ素子と、モータを円滑に回転させるために設けられるフライホイールダイオード素子とを一対の放熱板の間に配置し、その一対の放熱板が露出するように樹脂によって封止されて一体成形されている。
【００２３】
冷却管２２は、内部に冷媒流路を有する扁平な形状の管である。この冷媒流路には、例えば水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、またはアセトン等のケトン系冷媒等の冷却媒体を流通させる。
【００２４】
複数の冷却管２２は、半導体積層ユニット２の積層方向に沿って延びる連結パイプ２３を介して相互に連結している。連結パイプ２３の端部には、その端部に配された冷却管２２に接続する冷媒導入口２４および冷媒排出口２５が設けられている。冷却管２２、連結パイプ２３、冷媒導入口２４および冷媒排出口２５は、例えばアルミニウムを用いて実現される。
【００２５】
冷却管２２の主面２２ａは、押圧ユニット３からの押圧力によって半導体モジュール２１の放熱板と密着している。これにより、半導体モジュール２１と冷却管２２との間で熱交換を行うことができる。
【００２６】
図２は、押圧ユニット３の構成を示す側面図である。同図に示す押圧ユニット３は、コイル状のばね部材３１と、ばね部材３１の端部を取り付けて固定するハウジング部材３２と、を有する。押圧ユニット３は、ねじ６によって筐体５に固定されている。
【００２７】
ばね部材３１は、線材の中心線が当該ばね部材３１の中心線に直交する平面となす角であるピッチ角が一定ではなく、二つの異なるピッチ角を有する部分が周期的に繰り返す傾斜型のコイルばねである。具体的には、ばね部材３１は、互いのピッチ角が異なる第１巻回部３１１および第２巻回部３１２と、両端に設けられ、ハウジング部材３２に取り付けられるばねフック部３１３とを有する。
【００２８】
図３は、ばね部材３１の構成を示す図である。図３に示すように、第１巻回部３１１および第２巻回部３１２は、ばね部材３１の中心線が通過するようにばね部材３１を二分する平面Ｐを境界面として該境界面の異なる側に位置する。このため、ばね部材３１を中心線が延びる方向から見たときの外形は、円形状または楕円形状をなす。図３に示す場合、ばね部材３１は楕円形状をなしている。ばね部材３１は、例えばシリコン・クロム鋼などのばね鋼を用いて実現される。
【００２９】
図４は、ばね部材３１の荷重−たわみ特性を示す図である。図４に示す荷重―たわみ特性曲線Ｌにおいては、横軸がたわみ量を表す一方、縦軸が荷重を表している。図４に示すように、ばね部材３１は、たわみ量Ｄ1〜Ｄ2における荷重がＦ0とほぼ等しい値をとる。このような荷重−たわみ特性を有するばね部材３１によれば、たわみ量Ｄ1〜Ｄ2において略定荷重を取るため、このたわみ量の領域で安定した荷重を得ることができる。
【００３０】
次に、ハウジング部材３２について、図２を参照して説明する。ハウジング部材３２は、ばね部材３１を載置する面上にばねフック部３１３を掛止するボス部３２ａを有する。また、ハウジング部材３２の端部には、筐体５に固定するためのねじをそれぞれ螺合可能な複数のねじ孔３２ｂが設けられている。ハウジング部材３２は、例えば樹脂によって実現される。
【００３１】
以上説明した本発明の一実施の形態においては、線材を巻回したコイル状をなし、中心線と直交する平面に対して前記線材の中心線がなす角度であるピッチ角が周期的に変化する傾斜型のばね部材を用いている。このばね部材は、荷重が略一定であるようなたわみ範囲を有するとともに、ばね部材の中心線と直交する方向（短手方向）の省スペース化することができる。したがって、押圧対象の製造時の寸法のばらつきを吸収し、熱膨張による変位に対しても、常に一定の荷重で押し付けることができるとともに、簡易な構成によって小型化を実現することができる。したがって、常に安定した冷却特性を維持しつつ、小型化に適した電力変換装置を提供することができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、ばね部材の端部にフックを設けることによってハウジング部材に取り付けて固定しているため、電力変換装置を組み付ける際にハウジング部材を筐体に取り付けてしまえば、ばね部材が重力によって落下してしまうことがない。したがって、電力変換装置の組み付け性を飛躍的に向上させることができる。なお、フック形状は上述したものに限られるわけではなく、フック面を適宜変更可能である。その場合、フックが掛止される側のハウジング部材の構成も変更されることは勿論である。
【００３３】
図５は、本実施の形態の変形例１に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。同図に示す押圧ユニット１００は、ばね部材１０１と、ハウジング部材１０２と、ばね部材１０１をハウジング部材１０２に取り付ける固定部材１０３とを備える。ばね部材１０１は、ばね部材３１と同様の傾斜型のコイルばねであり、第１巻回部１１１および第２巻回部１１２を有する。固定部材１０３は、ばね部材１０１の中心線に沿ってばね部材１０１を貫通し、両端がハウジング部材１０２に固定される。
【００３４】
図６は、本実施の形態の変形例２に係る押圧ユニットの構成を示す図である。同図に示す押圧ユニット２００は、ばね部材２０１と、ハウジング部材２０２とを備える。ばね部材２０１は、ばね部材３１と同様の傾斜型のコイルばねであり、第１巻回部２１１および第２巻回部２１２を有する。ばね部材２０１の両側の端部２０１ａは、ばね部材２０１の中心線と直交する方向に直線状に延びている。ハウジング部材２０２は、ばね部材２０１の載置面から穿設された穴部２０２ａを有する。ばね部材２０１は、端部２０１ａをばね部材２０１の穴部２０２ａに挿入することによってハウジング部材２０２に取り付けられる。
【００３５】
図７は、本実施の形態の変形例３に係る押圧ユニットの構成を示す図である。同図に示す押圧ユニット３００は、ばね部材３０１と、ハウジング部材３０２とを備える。ばね部材３０１は、ばね部材３１と同様の傾斜型のコイルばねであり、第１巻回部３１１および第２巻回部３１２を有する。ハウジング部材３０２には、ばね部材３０１を載置する面からその面と直交する方向へ突出したリブ３０２ａが複数設けられている。リブ３０２ａの図７の左右方向の幅は、ばね部材３０１のピッチよりも若干大きい。このため、ばね部材３０１は、リブ３０２ａの位置でピッチを広げてリブ３０２を挟み込んだ状態でハウジング部材３０２に固定されている。なお、リブは円柱状をなしていてもよいし、角柱状をなしていてもよい。
【００３６】
図８は、本実施の形態の変形例４に係る押圧ユニットの構成を示す図である。同図に示す押圧ユニット４００は、ばね部材３０１と、ハウジング部材４０１とを有する。ハウジング部材４０１は、ばね部材３０１を固定して保持する溝部４０１ａを有する。溝部４０１ａは、底面へ行くほど溝幅が広がるアリ溝形状をなしており、ばね部材３０１の３分の２程度の部分を保持する。
【００３７】
図９は、本実施の形態の変形例５に係る押圧ユニットの要部の構成を示す図である。同図に示す押圧ユニット５００は、ばね部材３０１と、ハウジング部材５０１と、メッシュばね５０２とを備える。メッシュばね５０２は、ステンレスの線材をメッシュ状に編み込んで成形したものである。メッシュばね５０２には、ばね部材３０１のピッチに対応した孔部５０２ａが複数設けられている。メッシュばね５０２は、ハウジング部材５０１の載置面にばね部材３０１を載置した後、そのばね部材３０１を孔部５０２ａに通してからハウジング部材５０１の載置面に固定される。メッシュばね５０２の固定方法は、例えば四隅をピンで止める方法があるが、その方法に限られるわけではない。本変形例５によれば、ばね部材３０１はメッシュばね５０２によってハウジング部材５０１に取り付けられるため、ばね部材３０１が外力に応じてたわんだときに自由に動くことができる。
【００３８】
図１０は、本実施の形態の変形例６に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の構成を示す図である。同図に示すばね部材６０１は、第１巻回部６１１および第２巻回部６１２を有するとともに、両端においてばね部材６０１の中心線と平行に延びる端部６０１ａを有する。また、ばね部材６０１は、ばね部材３１と同様の傾斜型のコイルばねであり、第１巻回部６１１および第２巻回部６１２を有する。
【００３９】
図１１は、本実施の形態の変形例７に係る押圧ユニットの一部をなすばね部材の構成を示す図である。同図に示すばね部材７０１は、ばね部材３１と同様の傾斜型のコイルばねであり、第１巻回部７１１および第２巻回部７１２を有するとともに、両端において第１巻回部７１１や第２巻回部７１２よりも小さい径で巻かれた端部７０１ａを有する。
【００４０】
図１０および図１１にそれぞれ示すばね部材６０１および７０１は、上述した場合と同様にハウジング部材を用いて固定してもよいし、電力変換装置の筐体に直接取り付けるようにしてもよい。
【００４１】
以上説明した変形例１〜７は、本実施の形態と同様の効果を奏する。
【００４２】
なお、本発明において、ばね部材とハウジング部材および当接板との間に、１５０〜２００℃程度の耐熱性を有する不織布を介在させてもよい。このような不織布を介在させることにより、振動等によってばね部材と当接板およびハウジング部材との間に生じる異音を防止することができる。
【００４３】
また、本発明において、ばね部材と他の部材（ハウジング部材、当接板等）との接触面を適宜研磨してもよい。
【００４４】
また、本発明において、ばね部材の材料となる線材は、断面が矩形の角線形状をなしていてもよいし、断面が楕円形状をなしていてもよい。このように線材の形状は、許容応力等に応じて適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１  電力変換装置
２  半導体積層ユニット
３、１００、２００、３００、４００、５００  押圧ユニット
４  当接板
５  筐体
６  ねじ
２１  半導体モジュール
２２  冷却管
２３  連結パイプ
２４  冷媒導入口
２５  冷媒排出口
３１、１０１、２０１、３０１、６０１、７０１  ばね部材
３２、１０２、２０２、３０２、４０１、５０１  ハウジング部材
１０３  固定部材
１１１、２１１、３１１、６１１、７１１  第１巻回部
１１２、２１２、３１２、６１２、７１２  第２巻回部
３０２ａ  リブ
３１３  ばねフック部
４０１ａ  溝部
５０２  メッシュばね
【図１】
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【図２】
2012124783.tif 000004
【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】
2012124783.tif 000012
【図１１】
2012124783.tif 000013
【国際調査報告】
2012124783.tif 000014
2012124783.tif 000015