(57)【要約】【課題】パワー素子からの伝熱経路における接合部を容易に分解することができ、メンテナンスにおける作業負担を軽減可能とするパワー素子放熱構造、パワー素子放熱構造の分解方法、および電気機器を得ること。【解決手段】パワー素子１が発する熱を放散させるパワー素子放熱構造であって、放熱器である第１ヒートシンク２と、パワー素子１と一体とされ、かつ放熱器に配置された板部材である第２ヒートシンク３と、放熱器に配置された板部材を、板部材側から放熱器に共締め固定する固定ねじ６と、を有し、固定ねじ６は、板部材に形成された貫通孔７に固定ねじ６の軸を貫通させ、放熱器に形成されたねじ穴８に軸の先端部がねじ込まれることで、放熱器に板状材を固定し、貫通孔７は、固定ねじ６の軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじをねじ込み可能に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー素子が発する熱を放散させるパワー素子放熱構造であって、
放熱器と、
前記パワー素子と一体とされ、かつ前記放熱器に配置された板部材と、
前記放熱器に配置された前記板部材を、前記板部材側から前記放熱器に共締め固定する固定ねじと、を有し、
前記固定ねじは、前記板部材に形成された貫通孔に前記固定ねじの軸を貫通させ、前記放熱器に形成されたねじ穴に前記軸の先端部がねじ込まれることで、前記放熱器に前記板状材を固定し、
前記貫通孔は、前記固定ねじの前記軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじをねじ込み可能に形成されていることを特徴とするパワー素子放熱構造。
【請求項２】
前記板部材は、前記パワー素子からの熱を前記放熱器へ伝播させる平板ヒートシンクであることを特徴とする請求項１に記載のパワー素子放熱構造。
【請求項３】
前記放熱器と前記板部材とは、互いに接合され、
前記放熱器と前記板部材との間の接合部に、熱伝導性グリスが塗布されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワー素子放熱構造。
【請求項４】
放熱器と、
パワー素子と一体とされ、かつ前記放熱器に配置された板部材と、
前記放熱器に配置された前記板部材を、前記板部材側から前記放熱器に共締め固定する固定ねじと、を有するパワー素子放熱構造の分解方法であって、
前記板部材に形成された貫通孔に前記固定ねじの軸を貫通させ、前記放熱器に形成されたねじ穴に前記軸の先端部がねじ込まれることで、前記放熱器に前記板部材を固定している前記固定ねじを、前記ねじ穴および前記貫通孔から取り外す工程と、
前記固定ねじの前記軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじを、前記貫通孔にねじ込むことで、前記放熱器から前記板部材を引き剥がす工程と、を含むことを特徴とするパワー素子放熱構造の分解方法。
【請求項５】
パワー素子と、
前記パワー素子が発する熱を放散させるパワー素子放熱構造と、を有し、
前記パワー素子放熱構造は、
放熱器と、
前記パワー素子と一体とされ、かつ前記放熱器に配置された板部材と、
前記放熱器に配置された前記板部材を、前記板部材側から前記放熱器に共締め固定する固定ねじと、を有し、
前記固定ねじは、前記板部材に形成された貫通孔に前記固定ねじの軸を貫通させ、前記放熱器に形成されたねじ穴に前記軸の先端部がねじ込まれることで、前記放熱器に前記板部材を固定し、
前記貫通孔は、前記固定ねじの前記軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじをねじ込み可能に形成されていることを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー素子放熱構造、パワー素子放熱構造の分解方法、および電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置等の電気機器で使用されるパワー素子、例えばパワーMOSFET、IGBT等は、動作時における発熱量が大きいことから、パワー素子を備える装置には、パワー素子放熱構造が設けられている。かかる放熱構造には、例えば、パワー素子の背面側に取り付けられたヒートシンクが備えられており、ヒートシンクから装置外部へ熱を放出する。
【０００３】
パワー素子とヒートシンクとの間の伝熱経路における部材間の接合部には、パワー素子からの放熱性を高めるための熱伝導性部材である熱伝導性グリスが塗布されていることがある。部品の交換等のメンテナンスのためにその接合部を分解する必要がある場合に、熱伝導性グリスの表面張力等の作用によって、接合を引き剥がすことが困難となる場合がある。かかる接合部を分解するために力を加えることで、パワー素子の周囲の部品、例えば、パワー素子が搭載されている基板に応力がかかり、故障の原因となる場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６８７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、パワー素子からの伝熱経路における接合部を容易に分解することができ、メンテナンスにおける作業負担を軽減可能とするパワー素子放熱構造、パワー素子放熱構造の分解方法、および電気機器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、パワー素子が発する熱を放散させるパワー素子放熱構造であって、放熱器と、前記パワー素子と一体とされ、かつ前記放熱器に配置された板部材と、前記放熱器に配置された前記板部材を、前記板部材側から前記放熱器に共締め固定する固定ねじと、を有し、前記固定ねじは、前記板部材に形成された貫通孔に前記固定ねじの軸を貫通させ、前記放熱器に形成されたねじ穴に前記軸の先端部がねじ込まれることで、前記放熱器に前記板状材を固定し、前記貫通孔は、前記固定ねじの前記軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじをねじ込み可能に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、パワー素子放熱構造は、貫通孔から固定ねじを取り外してから、固定ねじの軸の径に対して大きい径の軸を備える分解用ねじをねじ込み可能とする。放熱器に形成されたねじ穴は固定ねじの軸をねじ込み可能とされており、ねじ穴の径は分解用ねじの軸の径より小さい。分解用ねじの軸の先端部が板部材と放熱器との接合部に到達してから、さらに分解用ねじを貫通孔へねじ込んでいくと、分解用ねじの軸力によって、放熱器から板部材が引き剥がされる。これにより、パワー素子からの伝熱経路における接合部を容易に分解することができ、メンテナンスにおける作業負担を軽減できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる電気機器に設けられているパワー素子放熱構造を示す断面図である。
【図２】図２は、第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクから固定ねじを取り除いた状態を示す図である。
【図３】図３は、パワー素子放熱構造を分解している状態を示す図である。
【図４】図４は、第２ヒートシンクに分解用ねじを取り付けるときの状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明にかかるパワー素子放熱構造、パワー素子放熱構造の分解方法、および電気機器の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる電気機器に設けられているパワー素子放熱構造を示す断面図である。電気機器は、例えば電力変換装置（パワーコンディショナ）である。電力変換装置は、パワー素子１と、パワー素子放熱構造を備える。パワー素子放熱構造は、パワー素子１が発する熱を、電力変換装置の製品筐体（図示省略）の外部へ放散させる。パワー素子１は、動作時に発熱する素子、例えば、パワーMOSFET、IGBT等とする。
【００１１】
パワー素子放熱構造は、放熱器である第１ヒートシンク２、第２ヒートシンク３、および固定ねじ６を備える。第１ヒートシンク２は、製品筐体に設置されている。第１ヒートシンク２は、製品筐体の内部で発生したパワー素子１からの熱を、製品筐体の外部にて放出する。例えば、第１ヒートシンク２は、第２ヒートシンク３が配置される側とは反対側に形成されたフィンを備える。
【００１２】
パワー素子１は、第２ヒートシンク３の上に取り付けられ、第２ヒートシンク３と一体とされている。第２ヒートシンク３は、第１ヒートシンク２より小型であって、かつ平板をなす平板ヒートシンクである。第２ヒートシンク３は、第１ヒートシンク２の上に配置されている。本実施の形態では、第２ヒートシンク３は、パワー素子１からの熱を第１ヒートシンク２へ伝播させるとともに、パワー素子１が設けられた板部材でもある。
【００１３】
電力変換装置は、製品の組立を容易とするために、パワー素子１が設けられる第２ヒートシンク３を、外部へ熱を放出する第１ヒートシンク２と熱的に接合する構成としている。パワー素子放熱構造は、パワー素子１からの熱をいったん第２ヒートシンク３へ伝え、第２ヒートシンク３から第１ヒートシンク２へ伝わった熱を製品筐体の外部へ放出する。
【００１４】
第１ヒートシンク２と第２ヒートシンク３とは、熱伝導性グリス５を介して互いに接合されている。熱伝導性グリス５は、例えばシリコンを主成分とする。熱伝導性グリス５は、導電性を高めるための金属粒子、例えば銀等が混入されたものであっても良い。
【００１５】
第１ヒートシンク２および第２ヒートシンク３は、互いの接合面の少なくとも一方に熱伝導性グリス５を塗布してから貼り合わせられることで、互いに接合されている。熱伝導性グリス５は、第１ヒートシンク２および第２ヒートシンク３の間の接合部における隙間を埋めることで、熱抵抗を低下させる。パワー素子１から第１ヒートシンク２への伝熱経路における部材間の接合部に熱伝導性グリス５が塗布されることで、パワー素子１で生じた熱を効率良く外部へ放出させることができる。
【００１６】
取り付けねじ１０は、板バネ状の固定部材１１のうち一端に近い部分を第２ヒートシンク３の上に固定している。固定部材１１のうち取り付けねじ１０が設けられている側とは反対の側が、パワー素子１を第２ヒートシンク３の上に押さえ付けている。取り付けねじ１０および固定部材１１は、第２ヒートシンク３の上にパワー素子１を固定している。これにより、パワー素子１は、熱的および機械的に、第２ヒートシンク３に固定されている。
【００１７】
パワー素子１のリード線９は、基板４に半田付けされている。リード線９は、基板４内の端子（図示省略）と電気的に接続されている。支柱１８は、第２ヒートシンク３に固定されている。支柱１８は、第２ヒートシンク３に対し基板４を一定の間隔で支持するために設けられている。支柱１８には、ねじ穴（図示省略）が設けられている。支持用ねじ１２は、基板４を貫通して、支柱１８のねじ穴にねじ込まれることで、第２ヒートシンク３と基板４とを一定の間隔を保って固定する。これにより、リード線９と基板４との半田付け部分に余分な応力が加わることを防止する。また、パワー素子１と基板４との間に、必要とされる間隔が確保される。
【００１８】
貫通孔７は、第２ヒートシンク３のうちパワー素子１が設けられる領域以外の位置に形成されている。貫通孔７は、第２ヒートシンク３のうちパワー素子１が設けられる側の面と、第１ヒートシンク２に接合される側の面との間を貫く。第１ヒートシンク２には、ねじ穴８が形成されている。固定ねじ６は、第１ヒートシンク２に配置された第２ヒートシンク３を、第２ヒートシンク３側から第１ヒートシンク２に共締め固定する。
【００１９】
図２は、第１ヒートシンクおよび第２ヒートシンクから固定ねじを取り除いた状態を示す図である。ねじ穴８は、固定ねじ６の軸１５の径に合わせて形成されている。ねじ穴８には、固定ねじ６をねじ込み可能なねじ溝が形成されている。貫通孔７の径は、ねじ穴８の径より大きく、かつ固定ねじ６の頭部１３あるいは平座金１４の径より小さい。図１に示すように、固定ねじ６は、貫通孔７に固定ねじ６の軸を貫通させ、ねじ穴８に軸の先端部がねじ込まれることで、第１ヒートシンク２に第２ヒートシンク３を固定する。
【００２０】
次に、パワー素子放熱構造を分解する手順について説明する。電力変換装置は、部品の交換等のメンテナンスのために、第１ヒートシンク２と第２ヒートシンク３との接合部の分解を要することがある。
【００２１】
図３は、パワー素子放熱構造を分解している状態を示す図である。パワー素子放熱構造を分解する手順としては、固定ねじ６を取り外す工程と、貫通孔７に分解用ねじ１６をねじ込むことで第１ヒートシンク２から第２ヒートシンク３を引き剥がす工程とを含む。図３には、図１に示す状態から固定ねじ６を取り外し、貫通孔７に分解用ねじ１６をねじ込んだ状態を示している。
【００２２】
固定ねじ６は、図１に示す状態からドライバー等の工具を使用して、第１ヒートシンク２および第２ヒートシンク３から外される。次に、分解用ねじ１６が、ドライバー等の工具を使用して貫通孔７にねじ込まれる。分解用ねじ１６は、取り外し前の固定ねじ６と同軸上に設けられる。
【００２３】
図４は、第２ヒートシンクに分解用ねじを取り付けるときの状態を示す図である。貫通孔７は、分解用ねじ１６の軸１７の径に合わせて形成されている。貫通孔７には、分解用ねじ１６をねじ込み可能なねじ溝が形成されている。
【００２４】
貫通孔７への分解用ねじ１６のねじ込みを進めると、軸１７の先端が第１ヒートシンク２の接合面に到達する。軸１７の径は、第１ヒートシンク２のねじ穴８の径より大きいため、ねじ穴８の入り口より下への軸１７の進行は阻止される。
【００２５】
軸１７の先端が第１ヒートシンク２に到達してからさらに貫通孔７にて分解用ねじ１６の締め付けを続けることで、分解用ねじ１６の回転に応じた軸力の作用によって、分解用ねじ１６の頭部側へ第２ヒートシンク３が押し上げられる。第１ヒートシンク２は、軸１７の先端が到達していることで、分解用ねじ１６の頭部側への押し上げが阻止されて、押し下げられる力が軸１７から加わる。これにより、第１ヒートシンク２と第２ヒートシンク３との間には、分解用ねじ１６の位置から徐々に隙間が生じていき、第１ヒートシンク２から第２ヒートシンク３が引き剥がされる。
【００２６】
パワー素子放熱構造は、熱伝導性グリス５の表面張力が作用することで、第１ヒートシンク２と第２ヒートシンク３との接合を引き剥がすことが困難となる場合がある。また、熱伝導性グリス５が経年変化により固化することで、固化した熱伝導性グリス５が接合部を固着させている場合もあり得る。
【００２７】
パワー素子放熱構造は、基板４にパワー素子１が実装された状態のまま、パワー素子１と一体の第２ヒートシンク３が取り外されることがある。例えば基板４を持ち上げることで第２ヒートシンク３を取り外そうとした場合に、上記のような表面張力に対抗するような応力、あるいは固化した熱伝導性グリス５を破壊するための力が基板４に加わることで、基板４を損傷させることがあり得る。例えば、リード線９と基板４との半田付け部分が損傷することがある。基板４あるいはパワー素子１への応力の負荷が、電力変換装置の故障の原因となる場合もある。
【００２８】
本実施の形態によると、分解用ねじ１６を利用することで、第１ヒートシンク２と第２ヒートシンク３とに分解用ねじ１６の軸力を直接作用させて、第１ヒートシンク２から第２ヒートシンク３を引き剥がすことができる。パワー素子放熱構造は、パワー素子１および基板４への力の負荷をできるだけ少なくしつつ、接合を分解することが可能となる。
【００２９】
パワー素子放熱構造は、固定ねじ６の貫通孔７を分解用ねじ１６のねじ穴にも兼用させる。パワー素子放熱構造は、分解用ねじ１６のためのねじ穴を別途形成する必要がないため、第２ヒートシンク３に孔を形成する加工工程を増やさなくても済む。第２ヒートシンク３に形成される孔の数を増やさなくても良いため、第２ヒートシンク３にスペースが少ない場合にも適している。
【００３０】
以上により、パワー素子放熱構造は、パワー素子１からの伝熱経路における接合部を容易に分解することができ、メンテナンスにおける作業負担を軽減できるという効果を奏する。
【００３１】
なお、パワー素子１と一体とされる板部材は、第２ヒートシンク３である平板ヒートシンクである場合に限られない。板部材は、平板ヒートシンク以外のいずれの平板であっても良い。板部材の材料として伝熱性材料、例えば金属材料あるいは伝熱性樹脂材料等を適用することで、パワー素子放熱構造は、パワー素子１からの熱を第１ヒートシンク２へ効率良く伝播させることができる。
【００３２】
電気機器は、電力変換装置以外に、熱を発生させる電気部品を備えるいずれの装置であっても良い。パワー素子放熱構造の分解方法は、ヒートシンクから部材を取り外す場合に限られず、ヒートシンク以外の構造から部材を取り外す場合に応用しても良い。
【符号の説明】
【００３３】
１  パワー素子、２  第１ヒートシンク、３  第２ヒートシンク、４  基板、５  熱伝導性グリス、６  固定ねじ、７  貫通孔、８  ねじ穴、９  リード線、１０  取り付けねじ、１１  固定部材、１２  支持用ねじ、１３  頭部、１４  平座金、１５  軸、１６  分解用ねじ、１７  軸、１８  支柱。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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