(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む１対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するねじ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルトから成ることを特徴とする平型半導体素子用スタック。
【請求項２】
対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む１対のヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫々取り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の対向する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段付ボルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テーパ状の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテーパ付ボルトとから構成した素子交換冶具であることを特徴とする平型半導体素子用スタック。
【請求項３】
前記ヒートシンクと前記平型半導体素子との接触面におけるヒートシンク表面であって前記平型半導体素子のポスト直径の外側に輪状の溝を設けた請求項１に記載の平型半導体素子用スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平型半導体素子とヒートシンクを交互に積層し弾性的な押圧力（加圧力）を加えてなる平型半導体素子用スタックに係り、特に素子の交換を容易に行うことができ、また加圧の再設定を正確に行うことが可能な平型半導体素子用スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を用いて構成した電力変換装置は大容量化（高電圧化）の傾向にあり、それに伴い多数個の半導体素子が用いられるようになってきている。この電力変換装置は複数個の平型半導体素子と、その平型半導体素子を冷却するためのヒートシンクを交互に積層して構成した積層体に弾性的な押圧力を負荷する加圧機構部、フレームとしてのスタッドボルト及び加圧支持板等から構成してなる平型半導体素子用スタック（以下単にスタックと言う）を電力変換装置の回路構成要素として多数使用している。
【０００３】
以下、電力変換装置に使用している従来の半導体スタック例を、図１１を用いて説明する。スタック１は複数個の平型半導体素子３及ぴヒートシンク４を交互に積層して構成した積層体と、この積層体の両端に配置した電気回路接続端子となる導体５と、その外側に絶縁スペーサ６を配置し、一方の端部に設けられるばねの取付け座も兼ねた球面座９と皿ばね７とこれらを両端部で支持する加圧支持板８Ａ，８Ｂとスタッドボルト２、固定ナット１１Ａ、１１Ｂとから構成されている。
【０００４】
このように構成された平型半導体素子用スタック１に弾性的な加圧力を保持させる方法は２種類ある。一つはスタッドボルト２に取付けた固定ナット１１Ｂを締めて下部の加圧支持板８Ｂを固定した後、図示しないプレス機により所定の加圧力を上部の加圧支持板８Ａに加える方法である。この状態ではスタッドボルト２には引張力は加わっていない。
【０００５】
次に固定ナット１１Ａをプレス機で加圧した状態で締め、プレス機の加圧を抜き、プレス機を取り去る。これによりスタッドボルト２には加圧力の反力としての引張力と伸びが生じる。そのため、スタッドボルト２の伸び分を見込んで所定の押圧力を加える。
【０００６】
もう一つの方法は、スタッドボルト２の固定ナット１１Ａを規定の締付けトルクで直接加圧するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電力変換装置に用いられているＧＴＯやＩＧＢＴ、サイリスタ等の平型半導体素子は、冷却のためのヒートシンクや通電のための導体と共に数トンという高荷重で加圧して使用するが、素子の破壊等で故障した場合には素子を交換する必要がある。この交換作業は、スタッドによる加圧力を抜いて、スタックの一部またはその殆どを分解して行なう。
【０００８】
分解するまでもない場合は平型半導体素子とヒートシンクの間に隙間を設け、平型半導体素子を引き抜いて交換する。この隙間を設けるときに加圧力を抜いてもスタックのヒートシンクや平型半導体素子の自重は数十キロありこれを支持するための治具を必要とした。
【０００９】
また、素子交換は電力変換装置の設置場所で行なわれるため、サイリスタバルブの場合それが高所であったり、或いはインバータ等の場合では盤内に取付けた状態で作業することが多く、そのため作業スペースが限られ交換作業に用いる装置や冶具を小型軽量にする必要があった。
【００１０】
従来、加圧力はボルトの締付けトルクやばねの変位量を直接読んで検出していた。近年、平型半導体素子は大容量化に伴い直径が大きくなり加圧力も直径の２乗倍で増大していること等から、確実に加圧できて、その加圧力を表示確認できる構造が要求されるようになってきている。
【００１１】
本発明は、上記点に鑑みてなされたもので、積層体の自重を確実に保持でき、素子交換を容易に行うことができ、また再加圧力を検出し確認することができる平型半導体素子用スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明における平型半導体素子用スタックは、対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む１対のヒートシンクの四隅に設けた貫通穴に挿入した支柱と、ヒートシンク側面に穿った前記貫通穴に直交するねじ穴にねじ込まれる一部テーパのついたテーパ付ボルトから成ることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、スタック側面のボルトをねじ込むとテーパ部のくさび効果で小さな力で平型半導体素子３とヒートシンクを分離することができる。
【００１８】
請求項２の発明における平型半導体素子用スタックは、対向配置した加圧支持板間に複数個の平型半導体素子とヒートシンクとを交互に積層した積層体を配置し、この積層体の両端に導体及び絶縁スペーサを配置し、少なくとも一方の絶縁スペーサと前記一方の加圧支持板間に加圧のための弾性体を配置し、前記対向する加圧支持板間を連結するように設けたスタッドボルトの締め付けにより前記弾性体を圧縮して積層体に加圧力を付加すると共に前記加圧力を保持するようにし、一端側に設けた大径球面座が前記積層体に当接し他側が前記弾性体を貫通するとともに加圧支持板を貫通して外方に突出するねじ部を有し且つ前記加圧支持板から突出するねじ部に取り付けられる盤部材を備えた加圧力判断部材を設け、前記平型半導体素子を挟む一対のヒートシンク間に設けられヒートシンクと平型半導体素子の間に隙間をつくる隙間形成手段を有し、前記隙間形成手段は、前記平型半導体素子を挟む１対のヒートシンクの側面であって且つ対向する側面に夫々取り付けられる角材と、前記一対のヒートシンク間の対向する前記角材間に配置される段付ボルトと、この段付ボルトに対して直角方向に前記角材に穿った一部テーパ状の貫通穴に挿通されヒートシンクにねじ込まれるテーパ付ボルトとから構成した素子交換冶具であることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、ボルトをねじ込んだ角材の側面に一部テーパの付いたボルトをねじ込むことで角材とねじ込んだボルトのテーパ部のくさび効果によりヒートシンクと平型半導体素子間に隙間を設け、平型半導体素子を交換することができる。また、素子交換後は素子交換冶具を取外すことができるので各種ヒートシンクに取付け可能である。
【００２０】
請求項３の発明における平型半導体素子用スタックは、請求項１に記載の平型半導体素子用スタックにおいて、前記ヒートシンクと前記平型半導体素子との接触面におけるヒートシンク表面であって前記平型半導体素子のポスト直径の外側に輪状の溝を設けたことを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、ヒートシンクは平型半導体素子のポスト面と常に同じ面積で接触するため良好な接触状態が再現できるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１、２は、本発明の第１、第２、第３の実施の態様を示す図である。図において、スタック１は、２本または４本のスタッドボルト２及び固定ナット１１Ａ、１１Ｂで連結固定される加圧支持板8Ａ、８Ｂでスタッキングのためのフレームを構成し、このフレームの前記加圧支持板８Ａ、８Ｂの対向面間に複数個の平型半導体素子３とヒートシンク４とを交互に積層して構成した積層体の両端部に電気回路接続端子となる導体５と絶縁スペーサ６を挟み込む。
【００２３】
前記積層体下部の絶縁スペーサ６と加圧支持板８Ｂ間に、詳細を図２で示す目盛円盤１０がねじ込まれる球面座９を有する加圧力判断部材９０と皿ばね７を挿入配置する。
【００２４】
図２において加圧力判断部材９０は一側が絶縁スペーサ６に当接する大径の球面座９と、反当接面側にねじ部９Ａを一体に設けて構成してあり、このねじ部９Ａの自由端は皿ばね７及び加圧支持板８Ｂに設けた貫通穴を貫通して加圧支持板８Ｂの外方に突出している。このねじ部９Ａの外方突出部に、周囲に目盛を刻んだ目盛円盤１０をねじ込んでいる。
【００２５】
尚、上記実施の態様では、ねじ部９Ａはその全長に亘りねじ部としたが、前記目盛円盤１０が所定量移動できる範囲内でねじが形成されていればよい。
【００２６】
本実施の態様によれば、スタック１への加圧力付与は例えばスタッドボルト２の固定ナット１１Ｂを締めて下部の加圧支持板８Ｂを固定した後、プレス機により所定の圧力を上部の加圧支持板８Ａに加え、この状態で固定ナット１１Ａを締め付けることによって与えられる。即ち下部加圧板８Ｂが皿ばね７を圧縮し、その反発力が球面座９を介して積層体に与えられる。
【００２７】
ここで加圧力が加えられたかどうか判断する加圧力判断手段部の説明をする。図２に示すように積層体が加圧され球面座９を介して皿ばね７が圧縮されることにより、球面座９のねじ部９Ａにねじ込まれている目盛円板１０と加圧支持板８との間に隙間Ｇが生じる。この隙間Ｇが何ｍｍあるかを測定すれば、前もって確認されているばねの加圧力―変位特性から、ばね変位＝隙間として加圧力を求め判断することができる。
【００２８】
例えば、目盛円板１０を回転して、この隙間Ｇを下部加圧支持板８Ｂに接触するまでねじ込む。今、圧縮変位量が６ｍｍのときの加圧力が６トンの皿ばねを用いた場合、ねじピッチが３ｍｍであると、この目盛円板１０は２回転する。また、この目盛円板１０が６０度回転すると５００キログラム加圧されることになる。
【００２９】
このように加圧時に目盛円板１０が加圧支持板８Ｂに接触するまでねじ込むだけで、スタック組立時や素子交換時の加圧力のチェックなど、いかなる状態のときでも加圧力を測定することができる。尚、加圧力測定後は、積層体の熱膨張収縮による皿ばね７の伸縮を妨げないように目盛円板１０を所定の位置まで緩めるか取外しておくのが好ましい。
【００３０】
一方、加圧力を固定して平型半導体素子３に加圧力が加わらないようにする手段部につき説明する。この操作は、前記加圧力が加えられたかどうか判断する手段である図２に示す目盛円板１０を加圧後締め付けることによって行う。この状態で固定ナットによる加圧力を抜くと加圧力は皿ばねを圧縮したままスタック内に固定され、積層体には皿ばねの反力としての圧縮力が作用しなくなる。
【００３１】
前記加圧は、図示しないが上部加圧支持板８Ａを固定ナット１１Ａを緩めた状態で外部から圧縮し、目的の加圧力に達した時にナット１１Ａを締めて加圧力を保持する。一方加圧力を抜く場合は、上部加圧支持板８Ａを加圧した状態でナット１１Ａを緩めて行う。
【００３２】
図３、図４、図５は、ヒートシンク４と平型半導体素子３の間に隙間をつくる手段の実施の態様を示す平型半導体素子とヒートシンク部の一部の正面図、平面図、及び側面図である。
【００３３】
図３、図４および図５において、一つの平型半導体素子３の両側に位置するヒートシンク４の夫々四隅に互いに対向する貫通穴４０を設けている。この各貫通穴４０に直交するねじ穴１３０をヒートシンク４の側面から穿ってある。そしてねじ穴１３０にはテーパ付ボルト１３がねじ込まれる。
【００３４】
１２Ａ、１２Ｂは前記貫通穴４０に夫々挿入される一端部に丸み加工を施した円弧部を有する支柱で、この支柱１２Ａ、１２Ｂの前記一端部はテーパ付ボルト１３を所定量ねじ込んだ時にボルト１３のテーパ部と接触するようになっている。
【００３５】
従って更にボルト１３をねじ込んでいくとこれによって支柱１２Ａ、１２Ｂの他端面間が強く当接するものである。換言すればテーパ付ボルト１３を外す方向に回動させそのテーパ部が貫通穴４０の位置より外方に位置してねじ部が貫通穴４０に位置しているときは支柱１２Ａ、１２Ｂの他端面間は殆ど単に接触しているだけの状態である。
【００３６】
上記実施の態様においては特定の平型半導体素子の両側に位置するヒートシンクに隙間を形成することについて説明したが、各ヒートシンクに同様の構成を設けるようにしても良いことは勿論である。
【００３７】
図３において断面で示す上方のヒートシンク４にねじ込まれているテーパ付ボルト１３は、完全にねじ込まれている状態を示し、下方のヒートシンク４のテーパ付ボルト１３はねじ込み初期の状態を示している。
【００３８】
前記支柱１２Ａ、１２Ｂが一直線上に当接したときの全長は、平型半導体素子３をヒートシンク４間から取り出すに必要な間隔を形成するに充分な長さ即ち平型半導体素子３に前記間隔分を加算した長さに設定してある。
【００３９】
本実施の態様によれば取り出そうとする平型半導体素子３の上下のヒートシンク４に支柱１２Ａと支柱１２Ｂを挿入した後、テーパ付ボルト１３をヒートシンク４にねじ込むと、ねじ込み初期では支柱１２Ａと支柱１２Ｂの円弧部はねじ部と接触し、更にねじ込みを進めると前記支柱の円弧部はボルト１３のテーパ部と接触する。
【００４０】
この状態になるとボルト１３のテーパ部が支柱１２Ａ、１２Ｂを貫通穴４０から押し出すように力が作用し、上下のヒートシンク４に挿入した支柱同士が押されて平型半導体素子３を挟んで配置されているヒートシンク４間の間隔を広げようとする。
【００４１】
この力によって平型半導体素子３とヒートシンク４間に隙間ｇが形成され平型半導体素子３を交換することができる。尚、図５に示すように支柱１２Ａ、１２Ｂの当接面を凸部と凹部を設けた嵌め合い構造とすることで支柱同士の結合を確実なものにし安全な素子交換作業をすることができる。ここでは直立したスタックで説明したが横置きのスタックの場合でも同様の効果が得られる。
【００４２】
図６は、ヒートシンクと平型半導体素子３の間に隙間をつくる手段の異なる実施の形態を示す正面図で、図７は平面図、図８は側面図である。この実施の態様では素子交換冶具１６を用いて隙間を形成するものである。
【００４３】
素子交換冶具１６は、ヒートシンク４の側面における対向する側面にテーパ付ボルト１３によって取付けられるが、ヒートシンク４の前記対向する側面に取付けられる角材１５と、上下の角材１５間に配置される段付きボルト１４から構成されている。
【００４４】
角材１５の側面には、テーパ付ボルト１３がねじ込まれる角材１５を貫通するテーパ１３０Ａを有する貫通穴１３０を設けている。一方角材１５のスタック締め付け方向には、角材１５を貫通するねじ穴を穿つてある。そして対向する角材１５の前記ねじ穴間に段付ボルト１４を、段付ボルト１４の段部１４Ａが一方のヒートシンク４の上面に当接するようにねじ込んで素子交換冶具１６が構成される。
【００４５】
次に本実施の態様による平型半導体素子３の取り出しについて説明する。図６、図７、図８は平型半導体素子３の上下のヒートシンク４に素子交換冶具１６を取付けた状態を示している。そして図６で、上のヒートシンクに対しては、テーパ付ボルト１３をねじ込み完了した状態を、下のヒートシンク４にはテーパ付ボルト１３を取付けた状態を示したものである。
【００４６】
ヒートシンク４と平型半導体素子３との間に隙間をつくるには、ヒートシンク４の側面にテーパ付ボルト１３を用いて素子交換冶具１６を位置決めした後、段付ボルト１４を上下角材１５を押し広げるように長さをねじ部であわせた後に、テーパ付ボルト１３をヒートシンク側面にねじ込む。
【００４７】
これによりテーパ付ボルト１３は角材１５のテーパ穴１３０に沿ってねじ込まれ、角材１５とこれにねじ込まれている段付ボルト１４には上下のヒートシンク４同士を押し広げる力が加わり、ヒートシンク４と平型半導体素子３の間に隙間ｇをつくる。
【００４８】
このようにヒートシンク４のねじ穴に素子交換冶具１６を側面からねじ込むことで素子交換を行うことができる。またヒートシンク４に素子交換冶具１６をねじで取付けるため脱着可能となる。
【００４９】
図９および図１０は本発明による更に他の実施の態様を示すもので、ヒートシンク４の平型半導体素子３当接面に輪状の溝１７を設けたものである。輪状の溝１７の内側の径は平型半導体素子３のポスト径と同等か少し小さめとし、外形は内径より数ｍｍ大きくしている。
【００５０】
この構成により、平型半導体素子３とヒートシンク４が接触する面が、素子交換後も同じ面で接触させることができるため圧接分布が変化することなく安定した圧接状態を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればスタックに組み込まれた平型半導体素子の素子交換をスタックを分解することなく側面から確実に行うことができる。また素子交換後の加圧力を検出し表示できるため、現地での素子交換後の加圧力を正確に再設定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平型半導体素子用スタックの構成図。
【図２】図１に記載の平型半導体素子用スタックの加圧力保持機構部分の拡大図。
【図３】平型半導体素子用スタックの素子交換部分を示す図。
【図４】図３の素子交換部分の平面図。
【図５】素子交換部分の他の実施の態様を示す側面図。
【図６】素子交換部分の異なる実施の態様を示す構成図。
【図７】平型半導体素子用スタックの素子交換冶具の取付け状態を示す平面図。
【図８】図７に記載の平型半導体素子用スタックの素子交換状態を示す側面図。
【図９】ヒートシンクの実施の態様を示す斜視図。
【図１０】図９に記載の平型半導体素子用スタックのヒートシンクと平型半導体素子とを積層した状態を示す断面図。
【図１１】従来の平型半導体素子用スタックの構成図。
【符号の説明】
１…スタック
２…スタッドボルト
３…平型半導体素子
４…ヒートシンク
４０…貫通穴
５…導体
６…絶縁スペーサ
７…さらぱね
８Ａ、８Ｂ…加圧支持板
９…球面座
９０…加圧力判断部材
１０…目盛円板
１１…固定ナット
１２Ａ、１２Ｂ…支柱
１３…テーパ付ボルト
１３０…貫通穴
１４…段付ボルト
１４Ａ…段部
１５…角材
１６…素子交換治具
【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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【図１１】
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