JP3951082B2 - ソリッドステートリレー装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、合成樹脂製ケース内に半導体パワー素子を収容してなるソケット装着型のソリッドステートリレーの大容量化を可能とするための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、ソリッドステートリレー（以下ＳＳＲという）は、フォトカプラと半導体スイッチを主体として構成され、負荷のオン・オフ制御に使用される。その特徴は、フォトカプラで入出力を電気的に分離しているため、ノイズに強く、また、可動部分がなく磨耗がないため、騒音を発せず静かであり、かつ高信頼、高寿命、高頻度開閉が可能である等、種々の有利さを備える反面、半導体で構成されているため、リレー接点のオン抵抗に相当する電力消費が大きく、かなり発熱するため放熱が必要となると言う欠点がある。
【０００３】
従って、従来では、図１６に示すように、半導体パワー素子や制御回路等を収容したＳＳＲのケース１は、熱による破損を防ぎ、部品の長寿命化を図るために、銅やアルミニウム等の高熱伝導性金属からなるヒートシンク２を介してＤＩＮレール４に装着されるのが一般的である。なお、図において、３はＤＩＮレール４を介することなく制御盤の底面等に直接取り付ける際の取付部材である。
【０００４】
ところで、昨今、通常の電磁リレーの代替品としてソケット装着型のＳＳＲが要望されている。このソケット装着型のＳＳＲは、図１７に示すように、ＤＩＮレール４に取り付けられた樹脂製ソケット５に対して、ＳＳＲを収容する樹脂製ケース１をプラグピン（図示せず）を介して着脱自在に装着できるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
既存の制御盤は、ソケットや周辺スペースの規格が標準化されているため、図１６に示すように、ＳＳＲのケース１とＤＩＮレール４との間にヒートシンク２を介在させて放熱効果を促進すると言う構造は採用できない。そのため、図１７に示す樹脂製ケース１に収容されたソケット装着タイプのＳＳＲの場合、熱の逃げ場がないことから、数アンペア程度のものでないと実現は困難である。
【０００６】
本発明の目的は、合成樹脂製ケース内に半導体パワー素子を収容してなるソケット装着型のＳＳＲの大容量化を達成し、既存の電磁リレーとの互換性を高めることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の請求項１に記載の発明は、プラグピンが突出する底版と４つの側板と天板とを有する直方体状の合成樹脂製ケース内に半導体パワー素子を収容してなるソケット装着型のソリッドステートリレーと、このソリッドステートリレーに対して着脱自在に装着可能なヒートシンクとを含み、
前記ヒートシンクは、複数の放熱フィンを有するヒートシンクベース部の放熱フィンと反対側の面に肉厚の差込プレート部を一体に突出形成してなるものであり、
前記合成樹脂製ケースの天板には、前記ヒートシンクの差込プレートを挿入するための細長状の窓が開設され、
前記合成樹脂製ケース内には、前記半導体パワー素子の放熱板が熱結合されて搭載された高熱伝導材料からなるバネ材が設けられると共に、
前記バネ材は、ケースの天板と側板と底板の内壁面に沿って配設され、かつ天板の窓に対応するように、窓の幅に対応する間隔を隔てて内方に向けて折曲形成されてなる一対のプレート状のサポート部を有すると共に、これらのサポート部は互いに接近する方向にバネ付勢されており、
それにより、ケース天板の窓から挿入されたヒートシンクの差込プレート部を、バネ材の一対のサポート部で受け入れて狭持することにより、半導体パワー素子からヒートシンクの放熱フィンへ至る伝熱経路が形成される、ことを特徴とするものである。
【０００８】
従って、請求項１に記載の発明によれば、ケース天板の窓から挿入されたヒートシンクの差込プレート部を、バネ材の一対のサポート部で受け入れて狭持することにより、半導体パワー素子からヒートシンクの放熱フィンへ至る伝熱経路が形成される半導体パワー素子に熱結合された放熱部がケースの窓を通じて外気に通じているため、ケース内部に熱が蓄熱されることなく、放熱部を通じて熱は外部に放熱され、高容量型ＳＳＲが実現可能となる。加えて、ヒートシンクは、ケースの天板上に装着されるため、ソケットが密に隣接して配置されている場合にも、ヒートシンクの取り付けスペースに制約を受けることもない。
【０００９】
本願の請求項２に記載の発明は、前記差込プレート部と前記一対のサポート部との接触面のそれぞれには、熱伝導性に優れた塗料がコーティングされている、ことを特徴とするものである。
【００１０】
従って、請求項２に記載の発明によれば、ヒートシンクの挿抜容易性乃至着脱容易性を維持しつつも、伝熱経路の熱抵抗を低減させ、放熱効率を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に至る過程で本発明者等が創案した参考例、並びに、本発明係るＳＳＲの実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１，図２は本発明に至る過程で本発明者等が創案したＳＳＲを説明するための第１の参考例を示すもので、図１はＳＳＲを取り付けた状態を示す斜視図、図２はＳＳＲの放熱部の構成を示す要部断面図である。
【００１３】
図１において、ＳＳＲ１０は、合成樹脂製ケース１１内に半導体パワー素子１２や図示しない制御回路等が組み込まれており、ソケット２０に着脱自在に装着され、このソケット２０は、裏面に設けられている図示しない取付金具によりレール３０に装着されている。
【００１４】
更に詳しくは、レール３０としては、形状、寸法が規格により統一されたＤＩＮレールが使用されており、制御盤等の壁面に長手方向に間隔をおいてビス３１を締め付けることにより固定され、ソケット２０は、上下に複数のネジ付き端子２１が備わっており、このネジ付き端子２１に図示しない電線が接続される。
【００１５】
ところで、本実施形態におけるＳＳＲ１０は、合成樹脂製ケース１１の天板１１ａの中央に矩形の窓１３が開設されているとともに、合成樹脂製ケース１１内に内装されている半導体パワー素子１２にアルミ合金等の熱伝導特性に優れた放熱板４０が半導体パワー素子１２と熱結合されており、この放熱板４０は、合成樹脂製ケース１１の窓１３を通じて外部に臨んでいる。尚、符号１２１は半導体パワー素子１２の端子ピンを示す。
【００１６】
ここで、放熱板４０と半導体パワー素子１２との間の熱結合は、エポキシ系の接着剤で固着しても良いが、図２に示すように、シリコーン基材に酸化アルミ等の粒子を充填したインターフェース材４１を介在させるのが好ましい。また、他の熱結合手段、例えば、導熱パッドを挟んでクリップもしくはビスなどで固着する方法や、熱伝導性両面テープを使用する方法を採用しても良い。
【００１７】
このように、第１の参考例によれば、半導体パワー素子１２と熱結合された放熱板４０がケース１１の窓１３を通じて外部に臨んでいるため、放熱板４０からの放熱により、ＳＳＲ１０の部品寿命を長期化させることができるとともに、ＳＳＲ１０の破損を未然に防止できるという効果がある。
【００１８】
従って、このＳＳＲ１０は、既存のレール３０、ソケット２０を使用して、電磁リレーの代替品として使用することができ、ＳＳＲ特有の欠点である発熱対策を窓１３をケース１１に開設し、半導体パワー素子１２と熱結合させた放熱板４０をこの窓１３を通じて外部に臨ませることにより、優れた放熱作用が得られ、電磁リレーに対する互換性を達成できる。
【００１９】
尚、上記合成樹脂製ケース１１内部は、樹脂封止されていても、また、中空構造であっても良く、また、半導体パワー素子１２は図示しない支持機構によりケース１１内に支持固定されている。
【００２０】
次いで、図３乃至図５は本発明に至る過程で本発明者等が創案した第２の参考例を示すもので、図３はＳＳＲをソケットに装着した状態を示すケース内部を透視した全体図、図４は更に放熱効果を高めたＳＳＲをソケットに装着した状態を示すケース内部を透視した全体図、図５はその放熱部の構成を示す断面図である。
【００２１】
まず、図３に示すＳＳＲ１０は、合成樹脂製ケース１１の両側板１１ｂに窓１３が開設されており、双方の窓１３に対応して半導体パワー素子１２と熱結合させた放熱板４０がこの窓１３を通じて外部に臨むように構成されている。
【００２２】
従って、第１の実施形態では合成樹脂製ケース１１の天板１１ａに窓１３を開設するという構成であったが、この第２の実施形態では合成樹脂製ケース１１の両側板１１ｂに窓１３を開設し、放熱板４０の放熱面積を増大させることにより、より優れた放熱作用が期待でき、第１の実施形態のものに比べ容量の大きなＳＳＲ１０に適用することができる。尚、合成樹脂製ケース１１内部の構成や、レール３０、ソケット２０に対する取付構造及び熱結合手段については上述した第１の実施形態と同一構成を援用できるため、詳細な説明は省略する。
【００２３】
次いで、図４，図５は本発明に係るＳＳＲ１０の第２の参考例の変形例を示すもので、放熱板４０の外側面にヒートシンク５０を熱結合させて、より効率の良い放熱作用を達成したことが特徴である。
【００２４】
すなわち、図４，図５に示すように、半導体パワー素子１２にアルミ合金等からなる放熱板４０がインターフェース材４１を介して熱結合され、合成樹脂製ケース１１の側板１１ｂに設けられた窓１３から外部に放熱板４０が臨んでいることは、図３に示す参考例と同一構成であるが、この変形例においては、窓１３は、放熱板４０の外形以上の大型の窓１３として形成されており、合成樹脂製ケース１１の側板１１ｂの外側にヒートシンク５０が接着止め、あるいはビス止め等により固定され、更に、このヒートシンク５０のヒートシンクベース部５１と放熱板４０とが熱結合されている。
【００２５】
また、本実施形態では、熱伝導性に優れたシリコーン基材に酸化アルミを充填したインターフェース材４２を介して放熱板４０とヒートシンク５０のヒートシンクベース部５１とが熱結合している。尚、ヒートシンク５０はアルミ合金を素材として肉厚のヒートシンクベース部５１と複数の放熱フィン５２とを押出・鍛造等で一体に成形されており、図５中符号５３はヒートシンク５０をケース１１に取り付けるビスを示す。
【００２６】
従って、この参考例によれば、半導体パワー素子１２の電力損失等により発生する熱は、放熱板４０に効率良く伝達され、更に、放熱板４０と熱結合しているヒートシンク５０に伝達されるため、ヒートシンク５０の放熱フィン５２の包絡体積に応じた放熱が促進でき、ＳＳＲ１０の放熱をより有効に達成することができ、特に、５アンペア以上の大容量型のＳＳＲ１０に適用することも可能である。
【００２７】
次いで、図６乃至図１０は、本発明に至る過程で本発明者等が創案した第３の参考例を示すもので、図６はソケットにＳＳＲを装着した状態を示す正面図、図７はソケットにＳＳＲを装着した状態を示す側面図、図８はＳＳＲの内部構成を示す説明図、図９はヒートシンク取付前のケースの側面図、図１０はヒートシンク形状並びにヒートシンクをケースに取り付ける状態を示す説明図である。
【００２８】
この実施形態においては、ソケット装着型のＳＳＲ１０において、大容量型のＳＳＲ１０の放熱作用を更に促進させたもので、図６，図７に示すように、レール３０に取り付けられているソケット２０にＳＳＲ１０が着脱可能に装着されるが、このＳＳＲ１０の放熱器として合成樹脂製ケース１１の天板１１ａ及び側板１１ｂの３面に沿ってケース１１内の発熱部と熱結合する断面コ字型ヒートシンク５０を設けたことが特徴である。具体的な構成については、まず、ケース１１には、側板１１ｂにそれぞれ窓１３が開設されているとともに、ヒートシンク５０を係着する係止溝１４がケース１１の天板１１ａと両端板１１ｂの三箇所に細長状に形成されている。
【００２９】
尚、図９中符号１５は複数のプラグピンであり、符号１６は位置決め用のセンターコラムである。
【００３０】
そして、このケース１１は、中空構造であり、樹脂封止がされておらず、ケース１１の天板１１ａ、側板１１ｂの内面に沿って、熱伝導性に優れたバネ材６０が収容されている（図８参照）。このバネ材６０も熱伝導性に優れたアルミ合金が好ましいが、特に、バネ性と高い熱伝導性を備えていれば材料を限定するものではなく、このバネ材６０は、ケース１１の窓１３に相当する部位が外部に突出するように突部６１が左右側に設けられており、この突部６１の内面側に半導体パワー素子１２と熱結合した放熱板４０がこれも熱結合により固着されている。
【００３１】
更に、このバネ材６０は、図８で図示する矢印方向にバネ付勢されているため、半導体パワー素子１２に取り付けた放熱板４０を設置した部位（突部６１）が常時外方に突出する方向に付勢されることになる。
【００３２】
次いで、このケース１１の天板１１ａ及び側板１１ｂに嵌め込むヒートシンク５０は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートシンクベース部５１が断面コ字状でケース１１の３面を包囲する形状をなし、ヒートシンクベース部５１には所望の包絡体積を確保できるように、放熱フィン５２が突設形成されており、ケース１１の天板１１ａ及び側板１１ｂに設けられている係止溝１４に相当する箇所に突条５４が突設されている。このヒートシンク５０も押出・鍛造等により所要形状に成形されており、この実施形態においては、図１０（ｃ）に示すように、ケース１１の天板１１ａ、側板１１ｂを包囲するようにヒートシンク５０を取り付ければ、ヒートシンク５０の３箇所に設けた突条５４がケース１１の係止溝１４に嵌り込みワンタッチで取り付けることができる。
【００３３】
そして、ヒートシンク５０をケース１１の外側面に取り付けた状態においては、バネ材６０の突部６１がケース１１の窓１３を通じて、ヒートシンク５０のヒートシンクベース部５１と接触し、バネ材６０のバネ圧がかかり、ヒートシンク５０とバネ材６０の突部６１とは強接触状態にあり、半導体パワー素子１２での発熱作用による熱は放熱板４０、バネ材６０に伝達された後、ヒートシンク５０に有効に伝熱され、この実施形態におけるヒートシンク５０の包絡体積により大きな放熱効果が期待できる。
【００３４】
従って、この実施形態によれば、ヒートシンク５０の包絡体積を確保する意味でヒートシンクスペースは若干必要になるものの、ＳＳＲ１０の発熱を外部に有効に放熱することができ、かつヒートシンク５０の取り付けもワンタッチで行なえるという実用的価値が大きい。尚、バネ材６０とヒートシンク５０との接続面が熱結合となるように、導熱性塗料等を接触面にコーティング処理すれば、より効率良く放熱を促進できる。
【００３５】
次に、図１１乃至図１５は本発明に係るＳＳＲ１０の実施形態を示すもので、図１１はＳＳＲをソケットに装着した正面図、図１２はＳＳＲをソケットに装着した側面図、図１３はＳＳＲの内部構成を示す透視図、図１４（ａ）はケースの正面図、図１４（ｂ）はケースの側面図、図１５はケースにヒートシンクを装着する状態を示す説明図である。
【００３６】
この第４の実施形態においては、図１１，図１２に示すように、レール１３に取り付けられているソケット２０にＳＳＲ１０を装着した後、ＳＳＲ１０のケース１１の天板１１ａにヒートシンク５０を取り付けるという構成である。
【００３７】
まず、ケース１１の構造について図１３，図１４を基に説明すると、ケース１１の天板１１ａのほぼ中央に上下方向に沿って細長状の窓１３が開設されているとともに、ケース１１内部には、ケース１１の天板１１ａ、側板１１ｂ、底板１１ｃの内壁面に沿って配設されたバネ材６０が設けられており、このバネ材６０に半導体パワー素子１２に取り付けられた放熱板４０がその内面側に熱結合されているとともに、ケース１１の窓１３に対応するように窓１３の幅に等しい間隔を有する一対のプレート状のサポート部６２が内方に向けて折曲形成されている。そして、このバネ材６０は、図１３中矢印方向で示すように、一対のサポート部６２が相互に接近する方向にバネ付勢されていることが特徴である。
【００３８】
一方、このケース１１に取り付けるヒートシンク５０は、複数の放熱フィン５２を有するヒートシンクベース部５１の放熱フィン反対側面のほぼ中央に肉厚の差込プレート部５５が一体形成されている。尚、ヒートシンク５０は押出成形でも、鍛造成形でもどちらで成形しても良い。
【００３９】
そして、この差込プレート部５５をケース１１の天板１１ａに設けた窓１３内に差し込めば、肉厚の差込プレート部５５の両面はバネ材６０のサポート部６２により挟持され、ヒートシンク５０の差込プレート部５５は受熱基片として作用するとともに、バネ材６０のサポート部６２は放熱部として作用する。
【００４０】
その結果、ケース１１内の半導体パワー素子１２の熱は放熱板４０、バネ材６０に加わり、バネ材６０のサポート部６２と強接触しているヒートシンク５０の差込プレート部５５に伝達され、このヒートシンク５０を通じて外部に有効に放熱され、効率の良い放熱が行なえることになる。尚、この実施形態においても、差込みプレート部５５とサポート部６２の接触面には、熱伝導性に優れた塗料がコーティング処理されていれば、熱結合により放熱効果を更にアップできる。
【００４１】
従って、この第４の実施形態によれば、ヒートシンク５０のスペースが少なくて済み、また、ヒートシンク５０の取付構造も簡素化できるという利点がある。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、合成樹脂製ケース内に半導体パワー素子を収容してなるソケット装着型のＳＳＲにおいて、ケースに放熱用の窓を設け、半導体パワー素子と熱結合させた放熱部を窓から外部に臨ませることにより、放熱機能をもたせるとともに、この放熱部と熱結合させて更に放熱効果を上げるヒートシンクを熱結合させるという放熱構造を採用したため、ソケット装着型のＳＳＲの大容量化を可能にするとともに、電磁リレーへの互換性を高めることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に至る過程で本発明者等が創案したＳＳＲの第１の参考例を示す全体図である。
【図２】 図１におけるＳＳＲにおける放熱部の構成を示す部分断面図である。
【図３】 本発明に至る過程で本発明者等が創案したＳＳＲの第２の参考例を示すケース内部を透視した全体図である。
【図４】 図３に示すＳＳＲの変形例を示すケース内部を透視した全体図である。
【図５】 図４に示すＳＳＲにおける放熱部の構造を示す部分断面図である。
【図６】 本発明に至る過程で本発明者等が創案したＳＳＲの第３の参考例を示すもので、ＳＳＲをソケットに装着した状態を示す正面図である。
【図７】 図６に示すＳＳＲをソケットに装着した状態を示す側面図である。
【図８】 図６に示すＳＳＲにおけるケース内部を透視した状態を示す説明図である。
【図９】 図６に示すＳＳＲを示す側面図である。
【図１０】 （ａ）図６に示すＳＳＲに取り付けるヒートシンクの正面図、（ｂ）同ヒートシンクの平面図、（ｃ）同ヒートシンクをＳＳＲに取り付ける状態を示す説明図である。
【図１１】 本発明に係るＳＳＲの実施形態を示すもので、ＳＳＲをソケットに装着した状態を示す正面図である。
【図１２】 図１１に示すＳＳＲをソケットに取り付けた状態を示す側面図である。
【図１３】 図１１に示すＳＳＲのケース内部を透視した状態を示す説明図である。
【図１４】 図１１に示すＳＳＲの（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図１５】 図１１に示すＳＳＲにヒートシンクを取り付ける状態を示す側面図である。
【図１６】 従来のＳＳＲを示す斜視図である。
【図１７】 従来のソケット装着型ＳＳＲを示す斜視図である。
【符号の説明】
１０ ＳＳＲ
１１ 合成樹脂製ケース
１１ａ 天板
１１ｂ 側板
１１ｃ 底板
１２ 半導体パワー素子
１３ 窓
１４ 係止溝
２０ ソケット
２１ ネジ付き端子
３０ レール
３１ ビス
４０ 放熱板
４１，４２ インターフェース材
５０ ヒートシンク
５１ ヒートシンクベース部
５２ 放熱フィン
５５ 差込プレート部
６０ バネ材
６１ 突部
６２ サポート部

Claims (2)

1. プラグピン（１５）が突出する底版（１１ｃ）と４つの側板（１１ｂ）と天板（１１ａ）とを有する直方体状の合成樹脂製ケース（１１）内に半導体パワー素子（１２）を収容してなるソケット装着型のソリッドステートリレー（１０）と、このソリッドステートリレー（１０）に対して着脱自在に装着可能なヒートシンク（５０）とを含み、
   前記ヒートシンクは、複数の放熱フィン（５２）を有するヒートシンクベース部（５１）の放熱フィンと反対側の面に肉厚の差込プレート部（５５）を一体に突出形成してなるものであり、
   前記合成樹脂製ケースの天板（１１ａ）には、前記ヒートシンクの差込プレート部（５５）を挿入するための細長状の窓（１３）が開設され、
   前記合成樹脂製ケース内には、前記半導体パワー素子の放熱板（４０）が熱結合されて搭載された高熱伝導材料からなるバネ材（６０）が設けられると共に、
   前記バネ材（６０）は、ケースの天板（１１ａ）と側板（１１ｂ）と底板（１１ｃ）の内壁面に沿って配設され、かつ天板（１１ａ）の窓（１３）に対応するように、窓（１３）の幅に対応する間隔を隔てて内方に向けて折曲形成されてなる一対のプレート状のサポート部（６２，６２）を有すると共に、これらのサポート部（６２，６２）は互いに接近する方向にバネ付勢されており、
   それにより、ケース天板の窓（１３）から挿入されたヒートシンクの差込プレート部（５５）を、バネ材の一対のサポート部（６２，６２）で受け入れて狭持することにより、半導体パワー素子（１２）からヒートシンクの放熱フィン（５２）へ至る伝熱経路が形成される、ことを特徴とするソリッドステートリレー装置。
2. 前記差込プレート部（５５）と前記一対のサポート部（６２，６２）との接触面のそれぞれには、熱伝導性に優れた塗料がコーティングされている、ことを特徴とする請求項１に記載のソリッドステートリレー装置。

Images