(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却媒体用流路が形成される冷却フィンと平形状の半導体素子とを交互に積層し、内部に冷却媒体用流路が形成される電極板を、前記冷却フィンの側面に一体的に連結して構成される半導体スタックであって、
内部に冷却媒体用連通路が形成されるとともに、１つの面に前記冷却媒体用連通路の入口と出口とが形成されるアダプタ部材を備え、
前記冷却フィンおよび前記電極板は、それぞれの前記冷却媒体用流路の入口および出口が、該冷却フィンと該電極板との連結面以外の側面に形成されるとともに、
前記アダプタ部材は、２つの前記冷却フィン同士および／または１つの該冷却フィンと前記電極板とを連結し、前記半導体スタック内で前記冷却媒体用流路に沿って冷却媒体を直列に流すことを特徴とする半導体スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に冷却媒体用流路が形成される冷却フィンと平形状の半導体素子とを交互に積層し、内部に冷却媒体用流路が形成される電極板を、前記冷却フィンの側面に一体的に連結して構成される半導体スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、溶接トランス等に使用される半導体スタックは、平形状の半導体素子を複数の冷却フィン間に加圧挟持するように構成されており、前記冷却フィン内の流路を流れる冷却水（冷却媒体）を介して、前記半導体素子から発生する熱を冷却している。
【０００３】
この種の半導体スタックでは、通常、各冷却フィンの水路同士がゴムホースにより接続されている。このため、各冷却フィンの側面からゴムホースの湾曲部分が大きく突出してしまい、半導体スタック全体が大型化するとともに、前記ゴムホースの湾曲部分に亀裂等が発生し易いという不具合があった。
【０００４】
そこで、この種の不具合を回避するために、種々の提案がなされており、例えば、特許第３０５０６８１号公報に開示されている半導体スタックが知られている。この従来技術では、水冷フィンの水路の出入口が穿設されている側縁部の略全体に連結部材をあてがうようにして固定し、この連結部材により前記水冷フィンの複数個を連結し、前記連結部材の内部に各水冷フィンの水路の出入口同士を連結して前記各水冷フィンの水路に冷却水を順次通過させる連結水路を形成している。これにより、連結部材が水冷フィンの側方へ出っ張るだけであり、装置全体としては側方に嵩張ることがない、としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の従来技術では、冷却フィンと連結部材との接触面（連結面）に水路の出入口が存在している。このため、冷却フィンおよび連結部材を電極として構成しようとする際、前記冷却フィンと前記連結部材との接触面積が小さくなってしまい、所望の大電流を確実に流すことができないという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、容易に小型化を図るとともに、冷却フィンと電極板との接触面積を有効に確保することが可能な半導体スタックを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体スタックでは、冷却フィンおよび電極板のそれぞれの冷却媒体用流路の入口および出口が、前記冷却フィンと前記電極板との連結面以外の側面に形成されている。そして、内部に冷却媒体用連通路が形成されるとともに、１つの面に前記冷却媒体用連通路の入口と出口とが設けられたアダプタ部材を備えており、前記アダプタ部材が、２つの冷却フィン同士および／または１つの冷却フィンと電極板とを連結し、半導体スタック内の冷却媒体用流路に沿って冷却媒体を直列に流すように構成されている。
【０００８】
これにより、冷却フィンと電極板との接触面積を大きく確保することができ、所望の大電流を確実に流すことが可能になる。しかも、ゴムホースを不要にして半導体スタック全体を有効に小型化するとともに、冷却フィンと電極板とが連結された状態で、アダプタ部材を取り外すことができるため、メンテナンス等が容易に遂行可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体スタック１０が組み付けられた溶接トランス１２の一部断面正面図であり、図２は、前記溶接トランス１２の一部断面側面図である。
【００１０】
溶接トランス１２は、積層鋼板からなるカットコア１４ａ、１４ｂと、このカットコア１４ａ、１４ｂに組み合わされる一次コイル１６ａ、１６ｂおよび二次コイル１８とを備える。一次コイル１６ａ、１６ｂおよび二次コイル１８は、一対で構成されており、前記一次コイル１６ａ、１６ｂに一次側入力端子２０が接続されるとともに、前記二次コイル１８には、半導体スタック１０が接続されている。
【００１１】
図３乃至図５に示すように、半導体スタック１０は、二次コイル１８のマイナス側の端部１８ａ、１８ｂに接続される冷却フィン２２、２４と、前記冷却フィン２２、２４の両側面にそれぞれ配置される平形状の半導体素子２６ａ、２６ｂを挟持固定する冷却フィン２８、３０および３２、３４と、前記冷却フィン２８、３０、３２および３４の側面２８ａ、３０ａ、３２ａおよび３４ａに一体的に連結される電極板３６とを備える。
【００１２】
冷却フィン２２、２４、２８、３０、３２および３４は、銅板で構成されており、前記冷却フィン２８、３０、３２および３４が電極板３６とともにプラス側電極を構成しており、それぞれの表面には腐蝕等の防止のためにニッケルメッキ処理が施されている。
【００１３】
図６および図７に示すように、冷却フィン２２、２４の側面２２ａ、２４ａは、平坦状に構成されており、それぞれ同一側（前面側）の側面２２ｂ、２４ｂには、冷却媒体用流路３８、４０の入口３８ａ、４０ａおよび出口３８ｂ、４０ｂが形成される。流路３８は、水平方向から鉛直上方向に屈曲し、さらに水平方向に向かう一方、流路４０は、水平方向から鉛直下方向に屈曲した後、再度、水平方向に向かうように構成される（図５参照）。側面２２ｂ、２４ｂには、入口３８ａ、４０ａおよび出口３８ｂ、４０ｂを挟んでねじ孔４２ａ、４４ａおよび４２ｂ、４４ｂが形成される。
【００１４】
冷却フィン２２の下端部には、側面２２ｂとは反対側の側面側に下方向に向かって取り付け部４６が膨出形成されるとともに、冷却フィン２４の下端部には、側面２４ｂ側に下方向に向かって取り付け部４８が膨出形成される。取り付け部４６、４８には、二次コイル１８の端部１８ａ、１８ｂ（図４参照）にねじ止め固定するためのねじ孔５０、５２がそれぞれ２つずつ貫通形成されている。冷却フィン２２、２４の面内には、流路３８、４０の外方に位置して取り付け用貫通孔５４が４箇所に形成されている。
【００１５】
図８に示すように、冷却フィン２８、３４は、側面２８ａ、３４ａのそれぞれに同一の間隔だけ離間して一対のねじ孔５６が形成される。冷却フィン２８、３４の内部には、冷却媒体用流路５８、６０が設けられる。この流路５８、６０は、水平方向に延在した後、鉛直下方向に屈曲し、さらに水平方向に指向するとともに、鉛直上方向から水平方向に屈曲して形成される。
【００１６】
冷却フィン２８の前面側である側面２８ｂに流路５８の入口５８ａが形成され、この側面２８ｂとは反対側である後面側の側面２８ｃには、前記流路５８の出口５８ｂが形成される。冷却フィン３４の前面側である側面３４ｂには、流路６０の出口６０ｂが設けられる一方、この側面３４ｂとは反対側である後面側の側面３４ｃには、前記流路６０の入口６０ａが設けられている。
【００１７】
側面２８ｃ、３４ｃには、それぞれの出口５８ｂおよび入口６０ａを挟んで一対のねじ孔６２、６４が設けられる。冷却フィン２８、３４の面内には、流路５８、６０の外方に位置して貫通孔５４が形成されている。
【００１８】
図９に示すように、冷却フィン３０、３２は、側面３０ａ、３２ａのそれぞれに同一の間隔だけ離間して一対のねじ孔５６が形成されるとともに、それぞれの内部には、冷却媒体用流路６６、６８が形成される。流路６６、６８は、水平方向に延在した後、鉛直方向に屈曲し、さらに水平方向に向かうように形成されている。前面側の側面３０ｂ、３２ｂには、出口６６ｂと入口６８ａとが設けられる一方、後面側の側面３０ｃ、３２ｃには、入口６６ａおよび出口６８ｂが設けられている。冷却フィン３０、３２の面内には、流路６６、６８の外方に位置して貫通孔５４が４箇所に形成されている。
【００１９】
図１０に示すように、電極板３６は、一端側にプラス側の出力端子部７０が設けられるとともに、内部に冷却媒体用流路７２が形成される。流路７２は、前面側の側面３６ｂに入口７２ａと出口７２ｂとを設けており、内部で２度屈曲してリターン流路を構成している。側面３６ｂには、入口７２ａおよび出口７２ｂを挟んでそれぞれ一対のねじ孔７３ａ、７３ｂが形成される。電極板３６の面内には、それぞれ一対の孔部７４ａ、７４ｂ、７４ｃおよび７４ｄが互いに所定間隔ずつ離間して貫通形成される。
【００２０】
電極板３６の連結面３６ａには、孔部７４ａ、７４ｂ、７４ｃおよび７４ｄに対応してそれぞれ冷却フィン２８、３０、３２および３４が配置され、ボルト７６が各ねじ孔５６にねじ込まれることにより、前記冷却フィン２８、３０、３２および３４が前記電極板３６に固定される（図３参照）。冷却フィン２２、２４と電極板３６とは、第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂを介して互いに連結されている。
【００２１】
第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂは、ポリアセタール等の耐熱性樹脂で構成されており、図１１に示すように、ブロック状に設定されるとともに、内部に冷却媒体用連通路８２ａ、８２ｂが形成される。第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂの１つの面８４ａ、８４ｂには、連通路８２ａ、８２ｂの入口８６ａ、８６ｂと出口８８ａ、８８ｂとが互いに上下を逆にして設けられている。入口８６ａ、８６ｂおよび出口８８ａ、８８ｂを周回してリング溝９０が形成され、各リング溝９０にはＯリング９２が挿入される（図１１および図１２参照）。
【００２２】
第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂには、入口８６ａ、８６ｂおよび出口８８ａ、８８ｂを挟んでそれぞれ一対の貫通孔９４ａ、９４ｂが形成され、前記貫通孔９４ａ、９４ｂにボルト９６ａ、９６ｂが挿入される。ボルト９６ａ、９６ｂの先端側は、電極板３６のねじ孔７４ａ、７４ｂと、冷却フィン２２、２４のねじ孔４２ｂ、４４ａにねじ込まれる。
【００２３】
第１アダプタ部材８０ａの入口８６ａは、冷却フィン２２の出口３８ｂに連通するとともに、この第１アダプタ部材８０ａの出口８８ａは、電極板３６の入口７２ａに連通する（図５参照）。第１アダプタ部材８０ｂの入口８６ｂは、電極板３６の出口７２ｂに連通するとともに、この第１アダプタ部材８０ｂの出口８８ｂは、冷却フィン２４の入口４０ａに連通している。
【００２４】
冷却フィン２２と３０および冷却フィン２４と３２は、それぞれ第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂを介して連結される。図１１に示すように、第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂは、ポリアセタール等の耐熱性樹脂で形成されるブロック体で構成されており、その内部には、冷却媒体用連通路１００ａ、１００ｂが形成される。第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂの１つの面１０２ａ、１０２ｂには、連通路１００ａ、１００ｂの入口１０４ａ、１０４ｂと出口１０６ａ、１０６ｂとが形成される。なお、第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂと同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂは、それぞれ冷却フィン３０の出口６６ｂと冷却フィン２２の入口３８ａ、および冷却フィン２４の出口４０ｂと冷却フィン３２の入口６８ａとを連通している（図５参照）。
【００２６】
冷却フィン２８と３０および冷却フィン３２と３４とは、それぞれ第３アダプタ部材１１０ａ、１１０ｂを介して連結される。第３アダプタ部材１１０ａ、１１０ｂは、図１１に示すように、内部に冷却媒体用連通路１１２ａ、１１２ｂを有するとともに、前記第３アダプタ部材１１０ａ、１１０ｂの１つの面１１４ａ、１１４ｂには、前記連通路１１２ａ、１１２ｂの入口１１６ａ、１１６ｂと出口１１８ａ、１１８ｂとが形成される。第３アダプタ部材１１０ａは、冷却フィン２８の出口５８ｂと冷却フィン３０の入口６６ａとを連通する一方、第３アダプタ部材１１０ｂは、冷却フィン３２の出口６８ｂと冷却フィン３４の入口６０ａとを連通する（図５参照）。
【００２７】
二次コイル１８内には、冷却媒体用流路１２０が形成され、この流路１２０の入口１２０ａと冷却フィン３４の出口６０ｂとが管路１２２を介して連通する。流路１２０の出口１２０ｂには、マイナス側の出力端子部１２４内に形成されている通路１２６が連通し、この通路１２６の出口１２６ａに図示しない排出用管路が接続される。
【００２８】
図１乃至図３に示すように、冷却フィン３０、３２間および冷却フィン２８、３４の外方に絶縁板１２８が配置されるとともに、積層方向（図１中、矢印Ａ方向）両端にステンレス鋼材製の第１および第２支持板１３０ａ、１３０ｂが配置される。第１および第２支持板１３０ａ、１３０ｂは、貫通孔５４に一体的に挿入される締め付けボルト１３２を介して固定されている。
【００２９】
このように構成される半導体スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
半導体スタック１０は、溶接トランス１２に組み込まれるとともに、プラス側の出力端子部７０およびマイナス側の出力端子部１２４に図示しない溶接ガンが連結され、例えば、抵抗溶接作業が行われる。その際、半導体素子２６ａ、２６ｂから発生する熱は、冷却フィン２２、２４、２８、３０、３２および３４を介して冷却されている。
【００３１】
具体的には、主に図５に示すように、冷却フィン２８の入口５８ａに供給された冷却媒体（例えば、冷却水）は、この冷却フィン２８の内部に形成されている通路５８を通って出口５８ｂから第３アダプタ部材１１０ａの入口１１６ａに導入される。冷却媒体は、連通路１１２ａを通って出口１１８ａから冷却フィン３０の流路６６に供給される。この流路６６の出口６６ｂには、第２アダプタ部材９８ａの内部に形成された連通路１００ａが連通しており、冷却媒体はこの連通路１００ａを介して冷却フィン２２の流路３８に導入される。
【００３２】
流路３８の形状に沿って流れた冷却媒体は、第１アダプタ部材８０ａの連通路８２ａから電極板３６の流路７２に流入する。この流路７２の出口７２ｂには、第１アダプタ部材８０ｂの連通路８２ｂが連通しており、冷却媒体はこの連通路８２ｂを通って冷却フィン２４の流路４０に流入する。この冷却媒体は、流路４０の出口４０ｂに連通する第２アダプタ部材９８ｂの連通路１００ｂに導入された後、冷却フィン３２の流路６８に供給される。
【００３３】
さらに、冷却媒体は、流路６８の出口６８ｂに連通する第３アダプタ部材１１０ｂの連通路１１２ｂを介して冷却フィン３４の内部の流路６０に導入され、出口６０ｂから管路１２２を通って二次コイル１８内の流路１２０に導入される。二次コイル１８内の流路１２０を流れて冷却を行った冷却媒体は、出口１２０ｂから出力端子部１２４内の通路１２６を通って出口１２６ａから外部に排出される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、冷却フィン２２、２４、２８、３０、３２および３４と電極板３６とは、それぞれの内部に流路３８、４０、５８、６６、６８および６０と７２とを設けるとともに、それぞれの出入口が前記電極板３６の連結面３６ａ以外の側面に形成されている。
【００３５】
すなわち、図６および図７に示すように、冷却フィン２２、２４では、接触面である側面２２ａ、２４ａ以外の側面２２ｂ、２４ｂに流路３８、４０の入口３８ａ、４０ａと出口３８ｂ、４０ｂとが設けられる。同様に、冷却フィン２８、３４では、図８に示すように、接触面である側面２８ａ、３４ａ以外の側面２８ｂ、３４ｃに流路５８、６０の入口５８ａ、６０ａが設けられる一方、他の側面２８ｃ、３４ｂに出口５８ｂ、６０ｂが形成される。
【００３６】
冷却フィン３０、３２では、図９に示すように、接触面である側面３０ａ、３２ａ以外の側面３０ｃ、３２ｂに流路６６、６８の入口６６ａ、６６ｂが設けられる一方、他の側面３０ｂ、３２ｃに出口６６ｂ、６８ｂが形成される。電極板３６では、図１０に示すように、連結面３６ａ以外の側面３６ｂに流路７２の入口７２ａと出口７２ｂとが形成される。
【００３７】
これにより、冷却フィン２２、２４、２８、３０、３２および３４と電極板３６との接触面積を大きく確保することができ、所望の大電流を確実に流すことが可能になるとともに、半導体スタック１０全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。
【００３８】
しかも、第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂ、第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂおよび第３アダプタ部材１１０ａ、１１０ｂを備えることにより、ゴムホース等を用いる際のように、半導体スタック１０の側面から大きく突出することがない。このため、半導体スタック１０全体を一層小型化することが可能になる。
【００３９】
さらに、第１の実施形態では、半導体スタック１０のメンテナンス作業を容易に遂行することができる。例えば、冷却フィン２８では、流路５８の入口５８ａおよび出口５８ｂが電極板３６に接触する側面２８ａとは異なる側面２８ｂ、２８ｃに形成されている。従って、冷却フィン２８を電極板３６に取り付けた状態で、第３アダプタ部材１１０ａを取り外すことにより、出口５８ｂ側のメンテナンス作業が容易かつ迅速に行われる。
【００４０】
また、第１の実施形態では、図１２に示すように、例えば、電極板３６と第１アダプタ部材８０ａとにおいて、その接合部分には前記第１アダプタ部材８０ａにリング溝９０を形成して、このリング溝９０にＯリング９２を介装することにより、冷却媒体の漏れを防止することができる。
【００４１】
そこで、図１３に示す第２の実施形態では、電極板３６の側面３６ｂに流路７２を囲繞してリング溝９０ａが形成され、このリング溝９０ａにＯリング９２ａを介装している。これにより、電極板３６と第１アダプタ部材８０ａとの間から冷却媒体が漏れることを確実に阻止することが可能になる。
【００４２】
さらにまた、Ｏリング９２、９２ａを用いるシール構造に代えて、図１４に示す第３の実施形態を採用することができる。
【００４３】
この第３の実施形態では、電極板３６の側面３６ｂに、流路７２に連通する周溝１３４が形成されており、この周溝１３４に対応して入口７２ａが構成される。第１アダプタ部材８０ａでは、連通路８２ａの出口８８ａに対応して電極板３６側に突出する突起部１３６が膨出形成される。突起部１３６の膨出長さＳ１は、電極板３６の周溝１３４の深さＳ２に対してＳ１＞Ｓ２の関係を有するとともに、前記突起部１３６の直径ｔ１は、前記周溝１３４の外口直径ｔ２に対してｔ１＞ｔ２の関係になるように設定されている。
【００４４】
そして、突起部１３６を周溝１３４に圧入すると、樹脂系材料で構成されている第１アダプタ部材８０ａの突起部１３６は、弾性変形して周溝１３４に液密に嵌合することができる。これにより、簡単な構成で、冷却媒体の漏れを確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００４５】
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る半導体スタック１４０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る半導体スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
半導体スタック１４０では、上記の半導体スタック１０を構成する第１アダプタ部材８０ａ、８０ｂと、第２アダプタ部材９８ａ、９８ｂとを一体的に構成する第１アダプタ部材１４２ａ、１４２ｂを備えている。第１アダプタ部材１４２ａ、１４２ｂの内部には、流路８２ａ、８２ｂと１００ａ、１００ｂとが設けられており、前記第１アダプタ部材１４２ａは、冷却フィン３０の流路６６を冷却フィン２２の流路５８を介して電極板３６の流路７２に連通する一方、前記第１アダプタ部材１４２ｂは、前記流路７２を冷却フィン２４の流路４０を介して冷却フィン３２の流路６８に連通する機能を有している。
【００４７】
これにより、第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、部品数を有効に削減することが可能になるという利点がある。
【００４８】
【発明の効果】
本発明に係る半導体スタックでは、冷却フィンおよび電極板のそれぞれの冷却媒体用流路の出入口が、前記冷却フィンと前記電極板との連結面以外の側面に形成されている。これにより、冷却フィンと電極板との接触面積を大きく確保することができ、所望の大電流を確実に流すことが可能になるとともに、半導体スタック全体の小型化を容易に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体スタックが組み付けられた溶接トランスの一部断面正面図である。
【図２】前記溶接トランスの一部断面側面図である。
【図３】半導体スタックの分解斜視図である。
【図４】前記半導体スタックの正面図である。
【図５】前記半導体スタック内の流路説明図である。
【図６】冷却フィンの斜視図である。
【図７】別の冷却フィンの斜視図である。
【図８】さらに別の冷却フィンの斜視図である。
【図９】また別の冷却フィンの斜視図である。
【図１０】電極板の斜視図である。
【図１１】前記半導体スタックを構成するアダプタ部材の分解斜視説明図である。
【図１２】電極板と前記アダプタ部材とのシール構造の説明図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る半導体スタックを構成するシール構造の説明図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る半導体スタックを構成するシール構造の説明図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係る半導体スタックの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、１４０…半導体スタック
１２…溶接トランス
１６ａ、１６ｂ…一次コイル
１８…二次コイル
２２、２４、２８、３０、３２、３４…冷却フィン
２６ａ、２６ｂ…半導体素子
２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２８ａ、３０ａ、３２ａ、３４ａ…側面
３６…電極板
３８、４０、５８、６０、６６、６８、７２、１２０…流路
３８ａ、４０ａ、５８ａ、６０ａ、６６ａ、６８ａ、７２ａ、８６ａ、８６ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ…入口
３８ｂ、４０ｂ、５８ｂ、６０ｂ、６６ｂ、６８ｂ、７２ｂ、８８ａ、８８ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ…出口
５４…貫通孔
５６…ねじ孔
８０ａ、８０ｂ、９８ａ、９８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、１４２ａ、１４２ｂ…アダプタ部材
８２ａ、８２ｂ、１００ａ、１００ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…連通路
８４ａ、８４ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…面
９０、９０ａ…リング溝
９２、９２ａ…Ｏリング
１３４…周溝
１３６…突起部
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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