JP6112003B2 - 冷却機能付き電子装置 - Google Patents

Description

本明細書では、動作すると発熱する半導体ユニットをケース内に収容した電子装置であって、ケース内に半導体ユニットを冷却する冷媒が流れる通路を備えている電子装置を開示する。

インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等を、半導体装置を組み合わせた半導体ユニットで構成する技術が開発されている。大電力用のインバータ等を構成する半導体ユニットは、動作すると発熱することから冷却する必要がある。
特許文献１の技術では、流路形成体に半導体ユニットを固定して半導体ユニットを冷却する技術が開示されている。流路形成体には上面が開放された冷媒通路が形成されており、流路形成体に半導体ユニットを固定すると、半導体ユニットによって冷媒通路が閉じられ、冷媒が半導体ユニットに接しながら流れる。
半導体ユニットは、モータ等の外部機器に電気的に接続する必要がある。特許文献１の技術では、半導体ユニットに端子を固定している。その端子は半導体ユニット内の半導体に接続されており、端子にはボルト穴が形成されている。そのボルト穴にボルトをねじ込むことによって、外部機器に向けて延びる導電体を端子に固定する。

特開２０１１−１７７００４号公報

特許文献１の技術では、半導体ユニットが露出しており、端子も露出している。端子が露出していることから、外部機器に向けて延びる導電体を端子に固定するのに格別の工夫を要さない。単純に、ボルト穴にボルトをねじ込めばよい。
インバータ装置等の耐久性・信頼性を向上させるためには、半導体ユニットをケース内に収容することが好ましい。半導体ユニットをケース内に収容する場合には、ケース内に冷媒通路を設ける必要がある。また、半導体ユニットと外部機器を接続するためには、ケースの壁を貫通してケースの内外に亘って延びる導電体（以下では外部出力用バスバという）を設ける必要があり、その外部出力用バスバを半導体ユニット側の導電体（以下ではバスバという）にケース内で連結する必要がある。

半導体ユニットをケース内に収容しようとすると、種々の問題に直面する。
（１）ケース内で外部出力用バスバとバスバをボルトとナットで連結する際に金属粉が発生し、その金属粉がケース内を移動して短絡事故等を発生させることがある。
（２）ケース内に半導体ユニットを固定するとケースを基準にして半導体ユニットが位置決めされる。外部出力用バスバまでケースを基準にして位置決めすると、製造公差等によって半導体ユニットと外部出力用バスバの位置関係がずれることがあり、外部出力用バスバとバスバを連結した際に、外部出力用バスバとバスバの一方または双方に曲げ応力等が発生することがある。それを避けるためには、半導体ユニットを基準にして外部出力用バスバの位置を決める必要があるが、ケース内で連結しなければならず、実現することは難しい。
（３）ケースに小型化が要請させており、外部出力用バスバとバスバの連結部分と、冷媒通路の位置関係によって、スペース効率が大きく変化する。

本明細書では、半導体ユニットをケース内に収容する場合に生じる上記の問題を解決する技術を開示する。

本明細書で開示する電子装置は、ケースと半導体ユニットと外部出力用バスバと連結ボルトと袋ナットを備えている。
ケースの底面には、上面が開放された略U字形状の冷媒通路が形成されている。また、ケースの側壁と冷媒通路によって囲まれた位置に、袋ナット収容用の凹部が形成されている。
半導体ユニットは、冷媒通路の開放された上面を塞ぐ位置と姿勢で、ケースに固定されている。半導体ユニットからは、バスバが延びている。
外部出力用バスバは、ケースの側壁を貫通しており、ケースの内外に亘って延びている。
袋ナット収容用の凹部に袋ナットが収容されており、ケース内で、連結ボルトがバスバと外部出力用バスバを貫通して袋ナットに螺合している。連結ボルトの頭部と袋ナットとによってバスバと外部出力用バスバを密着させている。

上記によると、下記の作用が得られる。
（１）外部出力用バスバとバスバをボルトとナットで連結する際に発生する金属粉は、袋ナット内に格納させ、ケース内を移動することがない。
（２）ケース内で待ち受けている袋ナットにボルトをねじ込んで外部出力用バスバとバスバを密着させるために、半導体ユニットを基準にして外部出力用バスバが位置決めされ、外部出力用バスバとバスバの一方または双方に曲げ応力が作用することがない。
（３）外部出力用バスバとバスバの連結部分が、略Ｕ字形状の冷媒通路の内側に配置されている。スペース使用効率が高く、ケースを小型化できる。

ケース底面と半導体ユニットの間にオーリングを介在させて気密性を向上させる場合がある。また、固定ボルトが半導体ユニットを貫通してケース底面に形成されているねじ穴に螺合することによって、半導ユニットがケースに固定され、半導体ユニットとケースの間でオーリングが圧縮されていることがある。
この場合、袋ナットが袋ナット収容用の凹部から連結ボルトの頭部に向けて引き寄せられて外部出力用バスバとバスバを連結していることが好ましい。
この場合、袋ナットが変位可能であり、ケース内に半導体ユニットを固定する際に、外部出力用バスバとバスバの一方または双方に曲げ応力等が作用することを防止できる。
半導体ユニットは一個の部品であってもよい。下面が冷媒通路を塞ぐ形状であれば、その部品自体で冷媒通路を塞ぐことができる。これに代えて、半導体モジュールと、半導体モジュールに固定されるプレートによって、冷媒通路を塞ぐ半導体ユニットを構成してもよい。

上記の電子装置は、ケース内に金属粉が拡散することがなく、外部出力用バスバとバスバの一方または双方に不要な応力が作用することもなく、信頼性・耐久性が高い。しかもケースが小型化されている。
本明細書で開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明を実施するための形態、及び実施例にて詳しく説明する。

実施例の電子装置の分解斜視図を示す。 袋ナットと連結ボルト周辺の断面図を示す。 変形例の図２に対応する図を示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を下記に列記する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれが独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。
（特徴１）外部出力用バスバは、外部機器に接続されている機器側導電体とバスバを連結する中継板である。
（特徴２）外部出力用バスバとバスバには、連結ボルトの軸部が貫通する貫通孔が形成されている。
（特徴３）半導体モジュールとプレートには、固定ボルトの軸部が貫通する貫通孔が形成されている。
（特徴４）袋ナットの断面が多角形である。
（特徴５）プレートに、袋ナットが通過する開孔が形成されている。
（特徴６）開孔の縁を形成する２辺が袋ナットの回転を禁止する。
（特徴７）先に袋ナットを収容し、次いでプレートを被せる。プレートに形成されている開孔の縁の下側に、袋ナットをガイドにしてプレートの位置を変えるガイド用傾斜面が形成されている
（特徴８）先にプレートを被せ、次いで袋ナットを収容する。プレートに形成されている開孔の縁の上側に、プレートをガイドにして袋ナットの位置を変えるガイド用傾斜面が形成されている。
（特徴９）先に外部出力用バスバをセットし、次いで半導体モジュールを収容する。
（特徴１０）先に半導体モジュールを収容し、次いで外部出力用バスバをセットする。
（特徴１１）半導体モジュールの下面が、冷媒通路を塞ぐ形状である。半導体モジュール自体が、冷媒通路を塞ぐ半導体ユニットとなっている。

図１は、実施例の電子装置の分解斜視図を示し、ケース１０、オーリング３０、半導体ユニット１００、袋ナット５０、外部出力用バスバ６０、連結ボルト８０、固定ボルト群９０を備えている。半導体ユニット１００は、プレート４０と、半導体モジュール７０を組み合わせたものである。図１は、各部品の形状を模式化して簡単化しており、実際の形状は複雑である。

ケース１０は、略長方形の底板１４と、その４辺から立ち上がる４枚の側壁１２を備えている。図１では、図示の明瞭化のために、左前側の側壁と右前側の側壁の図示を省略している。ケース１０は、プレート４０と半導体モジュール７０を収容する最小限の大きさに形成されている。

底板１４から、平面視すると略Ｕ字形状の流路外壁（縦壁）１６が延びている。流路外壁１６の対称軸上に流路内壁（縦壁）１８が延びている。流路内壁１８の右側の端部は途中で終わっている。流路外壁１６と流路内壁１８と底板１４によって、略Ｕ字形状の冷媒通路１９が形成されている。ケース１０に形成されている冷媒通路１９の上部は開放されている。流路外壁１６と流路内壁１８の左側の端部は、左後側の側壁１２ａに連なっている。流路外壁１６が側壁１２ａに連なる２点の間では、側壁１２ａに沿って伸びる基部壁２０が形成されている。側壁１２ａと基部壁２０には、冷媒流入用の開孔（入口）２２と冷媒流出用の開孔（出口）２４が形成されている。後記するプレート４０によって冷媒通路１９が閉じられた状態で入口２２から冷媒が送り込まれると、冷媒は矢印に示すように冷媒通路１９を流れ、出口２４から排出される。流路外壁１６と基部壁２０の上面には後記するオーリングを収容する溝が形成されている。

側壁１２ａと略Ｕ字形状の冷媒通路１９によって囲まれている位置、すなわち、流路内壁１８と基部壁２０が接する位置に、袋ナット５０を収容しておく凹部２６が形成されている。凹部２６は、流路内壁１８から基部壁２０に亘る部分の上面に形成されている。
側壁１２ａの中間高さには、外部出力用バスバ６０が通過する開孔２９が形成されている。また底板１４には、プレート４０と半導体モジュール７０を底板１４に固定する固定ボルト群９０をねじ込むねじ穴群２８が形成されている。

オーリング３０は、流路外壁１６と基部壁２０の上面に形成されているオーリング収容溝に沿っておかれる。
その上に、プレート４０が置かれる。プレート４０には、袋ナット５０が通過する開孔４２が形成されている。開孔４２の縁を形成する２辺はほぼ平行に延びており、断面が多角形の袋ナットの外周に当接し、袋ナット５０の回転を禁止する。プレート４０には、固定ボルト群９０が貫通する貫通孔群４８が形成されている。
プレート４０を載置したら、次に袋ナット５０をセットする。袋ナット５０は、断面がほぼ正方形であり、開孔４２を通過して収容用の凹部２６に収容される。図２に示すように、プレート４０の開孔４２を形成する縁の上側には、プレート４０をガイドにして袋ナット５０の位置を変えるガイド用傾斜面４４が形成されており、袋ナット５０をセットしやすくしている。

図１に示すように、袋ナット５０をセットしたら、ケース１０の外部から開孔２９に外部出力用バスバ６０を挿入する。外部出力用バスバ６０は、ケースの側壁１２ａを貫通し、ケース１０の内外に亘って延びることになる。外部出力用バスバ６０は、外部機器に接続されている機器側導電体であってもよいし、機器側導電体とバスバを連結する中継板であってもよい。外部出力用バスバ６０には、連結ボルト８０の軸部が貫通する貫通孔６２が形成されている。

次に半導体モジュール７０をケース１０内に収容する、半導体モジュール７０からは側壁１２ａに向けて延びるバスバ７２が延びている。バスバ７２には、連結ボルト８０の軸部が貫通する貫通孔７４が形成されている。半導体モジュール７０をケース１０内に収容すると、バスバ７２の貫通孔７４と、外部出力用バスバ６０の貫通孔６２と、凹部２６に収容されている袋ナット５０が、同一直線上に揃う位置関係に調整されている。半導体モジュール７０には、固定ボルト群９０が貫通する貫通孔群７８が形成されている。

その状態で、バスバ７２の貫通孔７４と外部出力用バスバ６０の貫通孔６２に連結ボルト８０を挿入して連結ボルト８０を回転させる。すると、連結ボルト８０が袋ナット５０にねじ込まれる。袋ナット５０はプレート４０によって回転しないように規制されている。

連結ボルト８０をナット５０にねじ込む際に金属粉が発生する場合がある。そのためにねじ穴が貫通しているナットを用いると、金属粉がケース１０内に拡散することになる。金属粉がケース内に拡散すると、短絡事故の原因となりえる。本実施例では、袋ナットを用いているために、ボルトをナットにねじ込む際に発生する金属粉は袋ナット５０内に格納され、ケース１０内に拡散することがない。短絡事故等の発生を防止している。

連結ボルト８０を袋ナット５０にねじ込んでいくと連結ボルト８０の頭部と袋ナット５０の間に導電体６０，７２が挟み込まれる。その結果、バスバ７２と外部出力用バスバ６０が密着し、バスバ７２と外部出力用バスバ６０が電気的に接続される。
図２は、連結ボルト８０の頭部と袋ナット５０の間に、バスバ７２と外部出力用バスバ６０を挟み込んで両者を密着させた状態を示す。外部出力用バスバ６０は、バスバ７２に対して位置決めされる。バスバ７２と外部出力用バスバ６０には、曲げ応力が作用しない。
図２に示すように、連結ボルト８０を袋ナット５０にねじ込んでいくと袋ナット５０が引き上げられ、外部出力用バスバ６０とプレート４０の間には間隔Ｌ１が確保され、袋ナット５０とケース１０の間に間隔Ｌ２が形成されている。その後に半導体モジュール７０ないしバスバ７２が変位しても、バスバ７２と外部出力用バスバ６０に曲げ応力が作用しない。
バスバ７２と外部出力用バスバ６０は、略Ｕ字形状の冷媒流路１９の中央部分を使って連結される。略Ｕ字形状の冷媒流路１９の中央部分は、冷媒流路１９を形成するのに不可欠な領域であり、その領域を使って連結する。バスバ７２と外部出力用バスバ６０を連結するためのスペースを余分に必要とすることがないので、ケース１０を最小限の大きさに小型化することができる。

連結ボルト８０と袋ナット５０を利用してバスバ７２と外部出力用バスバ６０を連結したら、半導体モジュール７０に形成されている貫通孔群７８とプレート４０に形成されている貫通孔群４８に固定ボルト群９０を挿入し、ケース１０に形成されているねじ穴群２８にねじ込む。それによって、半導体モジュール７０とプレート４０の双方が一度にケース１０に固定される。また、プレート４０とケース１０の間でオーリング３０が圧縮され、冷媒流路１９を流れる冷媒が、半導体モジュール７０側に漏れ出ることを防止できる。この段階で、冷媒通路１９の開放された上面が半導体ユニット１００によって閉じられ、半導体ユニット１００が冷媒通路１９を閉じる位置と姿勢でケース１０に固定される。
半導体モジュール７０をケース１０に固定する際に、半導体モジュール７０ないし半導体ユニット１００は位置を変える。外部出力用バスバ６０は半導体モジュール７０に連結されているために、半導体モジュール７０が位置を変えても、バスバ６０，７２に曲げ応力が作用することはない。以上の終了後に、図示しない上部ケースをケース１０に固定してケースを閉じる。

（変形例）
先に袋ナット５０を凹部２６に収容し、その後にプレート４０を収容してもよい。この場合は、図３に示すように、プレート４０に形成されている開孔４２を形成する縁の下側に袋ナット５０をガイドにしてプレート４０の位置を変えるガイド用傾斜面４６を形成しておくことが好ましい。
また、先に半導体モジュール７０を収容し、次いで外部出力用バスバ６０を挿入してもよい。その場合は、図３に示すように、バスバ７２の上に外部出力用バスバ６０が重なる位置関係としてもよい。
また、先に半導体モジュール７０とプレート４０をケース１０に固定し、その後に、バスバ７２と外部出力用バスバ６０を連結してもよい。
本実施例では、外部出力用バスバ６０がケース１０の内外に亘って延びるようにするために、開孔２９を利用する。開孔２９の上方が開放されていてもよい。図示しない上部ケースをケース１０に固定してケースを閉じた状態で、外部出力用バスバ６０がケースの壁を貫通してケースの内外に亘って延びるものであればよい。
本実施例では、ケース底面に直接に冷媒通路を画定する壁を形成している。これに代えて、冷媒通路を画定する壁が形成されている部材をケース本体に固定してもよい。その部材をケース本体に固定することで、底面に冷媒通路を画定する壁が形成されているケースを構成してもよい。
また、本実施例では、プレート４０と半導体モジュール７０で半導体ユニット１００を構成しているが、両者を一体化してもよい。半導体モジュール７０の底面の形状を、冷媒通路の開放された上面を塞ぐ形状とすることによって、プレート４０と半導体モジュール７０が一体化された半導体ユニット１００を得ることができる。あるいは、ケース１０の外側でプレート４０と半導体モジュール７０を結合して半導体ユニット１００を構成し、その半導体ユニット１００をケース１０に固定してもよい。
本実施例では、固定ボルト群９０が半導体モジュール７０とプレート４０を貫通する。半導体モジュール７０とプレート４０をケース１０に固定する構造は様々に変形することができる。

以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：ケース
１２：側壁
１４：底板
１６：流路外壁
１８：流路内壁
１９：冷媒通路
２０：基部壁
２２：入口
２４：出口
２６：凹部
２８：ねじ穴
２９：開孔
３０：オーリング
４０：プレート
４２：開孔
４４：ガイド面
４６：ガイド面
４８：貫通孔
５０：袋ナット
６０：外部出力用バスバ
６２：貫通孔
７０：半導体モジュール
７２：バスバ
７４：貫通孔
７８：貫通孔
８０：連結ボルト
９０：固定ボルト
１００：半導体ユニット

Claims (3)

1. ケースと半導体ユニットと外部出力用バスバと連結ボルトと袋ナットを備えており、
   前記ケースの底面に、上面が開放された略U字形状の冷媒通路が形成されており、
   前記ケースの側壁と前記冷媒通路によって囲まれた位置に、袋ナット収容用の凹部が形成されており、
   前記半導体ユニットが、前記冷媒通路の開放された上面を塞ぐ位置と姿勢で前記ケースに固定されており、
   前記半導体ユニットから、バスバが延びており、
   前記外部出力用バスバは、前記ケースの側壁を貫通しており、
   前記袋ナット収容用の凹部に前記袋ナットが収容されており、
   前記ケース内で、前記連結ボルトが前記バスバと前記外部出力用バスバを貫通して前記袋ナットに螺合しており、前記連結ボルトの頭部と前記袋ナットによって前記バスバと前記外部出力用バスバを密着させている冷却機能付き電子装置。
2. 前記ケースの底面と前記半導体ユニットの間に、オーリングが介在しており、
   固定ボルトが、前記半導体ユニットを貫通して前記ケースの底面に形成されているねじ穴に螺合しており、
   前記固定ボルトによって、前記半導体ユニットが前記ケースに固定され、前記オーリングが前記ケースと前記半導体ユニットの間で圧縮されており、
   前記袋ナットが前記袋ナット収容用の凹部から前記連結ボルトの頭部に向けて引き寄せられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却機能付き電子装置。
3. 前記半導体ユニットが、半導体モジュールと、半導体モジュールに固定されるプレートで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却機能付き電子装置。

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