JP7099385B2

JP7099385B2 - 加圧部材

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Publication number: JP7099385B2
Application number: JP2019063162A
Authority: JP
Inventors: 和基坂本; 秀晃立花; 大貴梅田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2039-03-28
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Description

本発明は、加圧部材に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。そして、特許文献１には、電力変換装置として、電力変換回路を構成する半導体モジュールと冷却管とを積層してなる積層ユニットと、積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材とを備えるものが開示されている。加圧部材は、積層ユニットにおける積層方向の一方側である後方に配され、積層ユニットを積層方向における後方と反対側である前方に向かって加圧している。これにより、半導体モジュールと冷却管との密着性が高まり、冷却効率を向上させることができる。

特許文献１に記載の加圧部材は、弾性部材とプレートとを有する。弾性部材は、板バネからなり、積層ユニットに積層方向の加圧力を印加する。プレートは、積層ユニットと弾性部材との間に配され、積層ユニットの後端に配された冷却管の後面に対面して当接する当接板部と、当接板部の幅方向の両端のそれぞれから後方に立設する一対のリブ板部とを有する。プレートは、加圧部材の加圧力を積層方向の積層ユニットの後端に配された冷却管の後面から積層ユニットに作用させるために設けられたものである。これにより、積層ユニットは全体が均等に積層方向に加圧され、その結果、半導体モジュールが全体的に均等に冷却される。

特開２０１４－１１９３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加圧部材のプレートは、当接板部におけるリブ板部に隣接する部位は比較的剛性が高い一方、当接板部におけるリブ板部に隣接しない部位は比較的剛性が低い。それにもかかわらず、加圧部材の弾性部材は、当接板部におけるリブ板部に隣接する部位（すなわち当接板部における幅方向の両端部）と、当接板部におけるリブ板部に隣接しない部位（すなわち当接板部における幅方向の中央部）とを均等に押圧している。そのため、当接板部におけるリブ板部に隣接しない部位が前方に向かって突出するよう塑性変形するおそれがある。この場合、加圧部材から冷却管の後面への加圧力が冷却管の後面の一部に集中し、積層ユニット全体を均等に加圧できなくなる結果、半導体モジュールの冷却に偏りが生じるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、プレートの変形を抑制できる加圧部材を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電力変換回路の一部を構成する電子部品（５１）と前記電子部品を冷却する冷却管（５２１）とを交互に積層した積層ユニット（５０）を前記積層ユニットの積層方向（Ｘ）に加圧するための加圧部材（１）であって、
前記積層ユニットの前記積層方向の端面に対面して当接する当接板部（２１）と、前記当接板部の幅方向（Ｚ）における前記当接板部の端部から前記積層方向に立設したリブ板部（２２）とを有するプレート（２）と、
前記積層方向における前記プレートの前記積層ユニットが配された側と反対側に配され、前記プレートを前記積層ユニット側に向かって押圧する弾性部材（３）と、を備え、
前記当接板部の前記弾性部材側の面である板内面（２１１）は、前記当接板部の長手方向（Ｙ）における前記当接板部と前記弾性部材との当接領域（Ｒ）において、前記リブ板部から離れた位置に形成されて、前記弾性部材と間隔を介して前記積層方向に対向する凹面（２１１ａ）を有する、加圧部材にある。

前記態様において、当接板部の板内面は、前記当接領域において、リブ板部から離れた位置に形成されて、弾性部材と間隔を介して積層方向に対向する凹面を有する。これにより、当接板部におけるリブ板部から離れた部位、すなわち当接板部において比較的剛性の低い部位に、弾性部材からの押圧力が直接作用することを防止することができる。それゆえ、プレートの変形を抑制することができる。

以上のごとく、前記態様によれば、プレートの変形を抑制できる加圧部材を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、加圧部材の斜視図。実施形態１における、加圧部材の平面図。実施形態１における、加圧部材のＺ方向に直交する断面であって、凹面を通らない断面図。実施形態１における、加圧部材のＺ方向に直交する断面であって、凹面を通る断面図。図４の、固定金具周辺の拡大図。図２の、Ｖ－Ｖ線矢視断面図。実施形態１における、プレートの背面図。実施形態１における、電力変換装置の平面図。図８の、IV－IV線矢視断面図。比較形態における、加圧部材のＺ方向に直交する断面であって、図４に対応する図。比較形態における、加圧部材のＹ方向に直交する断面であって、図６に対応する図。比較形態における、電力変換装置のＹ方向に直交する断面の一部を拡大した図。

（実施形態１）
加圧部材及びこれを備えた電力変換装置の実施形態につき、図１～図９を用いて説明する。

本実施形態の加圧部材１は、図８、図９に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する電子部品である半導体モジュール５１と半導体モジュール５１を冷却する冷却管５２１とを交互に積層した積層ユニット５０を積層ユニット５０の積層方向（以後、Ｘ方向という。）に加圧するために用いられる。

以後、Ｘ方向の一方側であって、加圧部材１が積層ユニット５０を押圧する方向を前方といい、その反対側を後方という。なお、前後の方向は便宜的なものであり、加圧部材１及びこれを備えた電力変換装置５が搭載される車両に対する加圧部材１、電力変換装置５の姿勢を限定するものではない。

加圧部材１は、プレート２と弾性部材３とを備える。プレート２は、積層ユニット５０の後面に対面して当接する当接板部２１と、当接板部２１の幅方向（以後、Ｚ方向という。）における当接板部２１の端部からＸ方向に立設したリブ板部２２と、を有する。弾性部材３は、プレート２の後方に配され、プレート２を前方に向かって押圧する。

図２、図４～図６に示すごとく、当接板部２１の後方の面である板内面２１１は、当接板部２１の長手方向（以後、Ｙ方向という。）における当接板部２１と弾性部材３との当接領域Ｒにおいて、リブ板部２２から離れた位置に形成されて、弾性部材３と間隔を介してＸ方向に対向する凹面２１１ａを有する。なお、当接領域Ｒは、加圧部材１が電力変換装置５に組み付けられた状態において、当接板部２１と弾性部材３とが当接する領域を少なくとも含む。
以後、本実施形態につき詳説する。

加圧部材１の弾性部材３及びプレート２は、炭素工具鋼等の金属からなる。図２～図４に示すごとく、弾性部材３は、一枚の板金からなる板バネである。弾性部材３は、その中央部が前方に円弧状に湾曲した押圧部３１と、押圧部３１の両側に形成されて押圧部３１と同方向に湾曲した被支承部３２とを有する。

押圧部３１は、プレート２の当接板部２１に当接するとともに当接板部２１を前方に向かって押圧する部位である。図８に示すごとく、被支承部３２は、電力変換装置５の後述のフレーム５３の支承部５３２ａに支承される部位である。図２～図４に示すごとく、Ｙ方向における押圧部３１の略中央部であって、押圧部３１において最も前方に突出する部位に当接するよう、プレート２が配されている。

図１、図６に示すごとく、プレート２は、一枚の板金をＵ字状に折り曲げた形状を有する。すなわち、プレート２は、Ｘ方向に厚みを有し、かつＹ方向に長尺な一枚の板金の、Ｚ方向の両端部を後方に折り曲げた形状を有する。前述のごとく、プレート２は、当接板部２１とリブ板部２２とを有する。

当接板部２１は、Ｘ方向に厚みを有する板状に形成されている。図７に示すごとく、当接板部２１は、Ｙ方向に長尺に形成されている。図２～図４に示すごとく、当接板部２１は、弾性部材３とＸ方向に対向するよう、弾性部材３の前方に配されている。

図７に示すごとく、当接板部２１の後面である板内面２１１は、ベース面２１１ｂとベース面２１１ｂよりも前方に凹んだ凹面２１１ａとを有する。凹面２１１ａは、Ｚ方向における当接板部２１の中央部に形成されている。凹面２１１ａは、一対のリブ板部２２から離れた位置に形成されている。また、Ｙ方向においても、凹面２１１ａは当接板部２１の中央部に形成されている。そして、ベース面２１１ｂは、凹面２１１ａを囲むよう環状に形成されている。当接板部２１の凹面２１１ａは、例えば、当接板部２１を構成する平板状の部材における、凹面２１１ａとなる部位のみを切削することにより形成することができる。

図３、図４～図６に示すごとく、当接板部２１のベース面２１１ｂにおけるＹ方向の中央部に、弾性部材３の押圧部３１のＹ方向の中央部が当接している。図６に示すごとく、弾性部材３の押圧部３１は、Ｚ方向の両端部において、Ｚ方向における凹面２１１ａの両側に形成されたベース面２１１ｂに当接している。そして、弾性部材３の押圧部３１のＺ方向の中央部は、凹面２１１ａとＸ方向に隙間を設けて対向している。

図４、図５に示すごとく、凹面２１１ａは、Ｙ方向における、弾性部材３と当接板部２１とが当接する当接領域Ｒの両外側まで形成されている。換言すると、Ｙ方向において、当接領域Ｒは、凹面２１１ａの内側に収まるよう配されている。

図１、図４～図７に示すごとく、Ｘ方向から見たときの当接板部２１の中央には、当接板部２１をＸ方向に貫通するプレート側貫通孔２１２が形成されている。また、図７に示すごとく、プレート側貫通孔２１２は、Ｘ方向から見たときの凹面２１１ａの中央に位置している。図４～図７に示すごとく、プレート側貫通孔２１２は、前方の径が後方の径よりも大きくなる段状に形成されている。

また、図４～図６に示すごとく、Ｘ方向から見たときの弾性部材３の中央部には、弾性部材３をＸ方向に貫通するバネ側貫通孔３１１が形成されている。バネ側貫通孔３１１は、弾性部材３における、最も前方に突出した部位に形成されている。プレート側貫通孔２１２とバネ側貫通孔３１１とは、互いにＸ方向に重なる位置に配されている。そして、弾性部材３とプレート２とは、プレート側貫通孔２１２とバネ側貫通孔３１１との内側に挿入された固定金具４によって互いに固定されている。

図５に示すごとく、固定金具４は、Ｘ方向の中央に形成された円柱状部４０と、円柱状部４０の前方に形成されたフランジ部４１と、円柱状部４０の後方に形成されたかしめ部４２とを有する。円柱状部４０は、段状のプレート側貫通孔２１２に係合しており、これにより、固定金具４は、プレート側貫通孔２１２及びバネ側貫通孔３１１から後方に抜けないように構成されている。フランジ部４１の前面は、当接板部２１の前面と面一、或いは当接板部２１の前面よりも後方に収まるよう形成されている。

また、かしめ部４２は、バネ側貫通孔３１１から後方に突出しており、かつ、バネ側貫通孔３１１よりも径が大きくなるよう形成されている。これにより、固定金具４は、プレート側貫通孔２１２及びバネ側貫通孔３１１から前方に抜けないように構成されている。そして、当接板部２１と弾性部材３とは、かしめ部４２におけるフランジ部４１とかしめ部４２とに挟まれるよう、かしめ部４２によって互いに固定されている。

加工前のかしめ部４２は、図５に二点鎖線で示すごとく、円柱状部４０と径を等しくする円柱状に形成されている。そして、この加工前のかしめ部４２の後面を叩いて広げることにより、かしめ部４２の外径をバネ側貫通孔３１１よりも大きくしている。

図１、図６、図７に示すごとく、当接板部２１のＺ方向の両端から後方に、リブ板部２２が形成されている。すなわち、加圧部材１において、リブ板部２２は、一対形成されている。リブ板部２２は、当接板部のＺ方向の端縁におけるＹ方向の全体から形成されている。リブ板部２２は、Ｚ方向に厚みを有し、Ｙ方向に長尺に形成されている。一対のリブ板部２２は、互いにＺ方向に対向している。

リブ板部２２の短手方向（すなわちＸ方向）の長さは、当接板部２１の短手方向（すなわちＺ方向）の長さよりも短い。リブ板部２２は、弾性部材３の一部とＺ方向に重なる位置に形成されている。

次に、図８、図９を用いて、本実施形態の加圧部材１を備える電力変換装置５につき説明する。

電力変換装置５は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載され、直流電源と車両の駆動源としての三相交流回転電機との間の電力変換を行うものとすることができる。

電力変換装置５は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール５１と、半導体モジュール５１を冷却する冷却管５２１とを交互にＸ方向に積層した積層ユニット５０と、積層ユニット５０をＸ方向に加圧する前述の加圧部材１とを備える。また、電力変換装置５は、積層ユニット５０及び加圧部材１を内側に配置するフレーム５３を備える。

半導体モジュール５１は、ＩＧＢＴ（すなわち、ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子やＦＷＤ（すなわち、ＦｒｅｅＷｈｅｅｌｉｎｇＤｉｏｄｅ）等のダイオード等の素子をモールド樹脂で封止してなる。半導体モジュール５１は、Ｘ方向に厚みを有する板状を呈している。半導体モジュール５１は、素子に流れる電流等によって発熱する。半導体モジュール５１は、Ｘ方向の両側から冷却管５２１によって挟持されている。これにより、半導体モジュール５１は、その両面から冷却される。

図示は省略するが、冷却管５２１と半導体モジュール５１との間には、これらの間の熱伝導性を向上させるためのグリスが配されている。グリスは、冷却管５２１と半導体モジュール５１との間に隙間ができることに起因して半導体モジュール５１から冷却管５２１への熱伝導性が低下することを抑制させるためのものである。

冷却管５２１は、Ｙ方向に長尺であり、Ｘ方向に厚みを有する。複数の冷却管５２１は、Ｘ方向に所定間隔で配されており、Ｘ方向に隣接する冷却管５２１の間の空間に半導体モジュール５１が配されている。

図８に示すごとく、隣り合う冷却管５２１同士は、Ｙ方向の両端部同士において、連結管５２２を介して連結され、１つの冷却器５２を構成している。冷却器５２は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属からなる。

冷却器５２の前端に配設された冷却管５２１のＹ方向の両側部には、冷却器５２へ冷却媒体を導入する導入管５２３と、冷却器５２から冷却媒体を排出する排出管５２４とが連結されている。導入管５２３と排出管５２４とは、積層方向Ｘへ突出形成されている。冷却器５２は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。

導入管５２３から冷却器５２に導入された冷却媒体は、連結管５２２を適宜通り、各冷却管５２１に分配されると共にその長手方向に流通する。そして、各冷却管５２１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール５１との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管５２２を適宜通り、排出管５２４に導かれ、冷却器５２から排出される。

冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート（登録商標）等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

積層ユニット５０は、Ｘ方向の両側及びＹ方向の両側から、フレーム５３によって囲われている。フレーム５３は、前方壁部５３１、後方壁部５３２、及び一対の側方壁部５３３を有する。

図８、図９に示すごとく、前方壁部５３１は、積層ユニット５０の最前に配された冷却管５２１の前面に対面して当接する。前方壁部５３１は、加圧部材１との間に積層ユニット５０を挟持しており、加圧部材１の加圧力を受ける部分である。

後方壁部５３２は、前方壁部５３１に対向するとともに、積層ユニット５０の後方に配されている。積層ユニット５０と後方壁部５３２との間に、加圧部材１が配されており、後方壁部５３２は、加圧部材１を支承している。

図８に示すごとく、一対の側方壁部５３３は、前方壁部５３１と後方壁部５３２との両端部同士をＸ方向に連結するとともに、積層ユニット５０のＹ方向の両側に配されている。

後方壁部５３２には、前方に突出する一対の支承部５３２ａが形成されている。一対の支承部５３２ａは、弾性部材３の一対の被支承部３２を後方から支承している。

加圧部材１は、後方壁部５３２の一対の支承部５３２ａと冷却器５２の後端に配された冷却管５２１との間に配されている。加圧部材１の当接板部２１の前面は、後端冷却管５２１ａの後面に面接触している。図９に示すごとく、当接板部２１の前面のＺ方向の寸法は、後端冷却管５２１ａの後面のＺ方向の寸法と同等であり、図８に示すごとく、当接板部２１の前面のＹ方向の寸法は、後端冷却管５２１ａの後面のＹ方向の寸法と同等である。そして、当接板部２１の前面の略全体は、後端冷却管５２１ａの後面の略全体に当接している。

電力変換装置５において、加圧部材１の弾性部材３は、Ｘ方向に圧縮された状態で、当接板部２１と後方壁部５３２の一対の支承部５３２ａとの間に配されている。これにより、弾性部材３の復元力が当接板部２１を介して積層ユニット５０に作用している。積層ユニット５０は、加圧部材１と前方壁部５３１との間に挟まれ、加圧部材１からの加圧力によってＸ方向に圧縮される。これにより、積層ユニット５０の半導体モジュール５１と冷却管５２１との密着性が高まり、半導体モジュール５１の冷却性を向上させることができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本実施形態において、当接板部２１の板内面２１１は、Ｙ方向における当接板部２１と弾性部材３とが当接する当接領域Ｒにおいて、リブ板部２２から離れた位置に形成されて、弾性部材３と間隔を介してＸ方向に対向する凹面２１１ａを有する。これにより、当接板部２１におけるリブ板部２２から離れた部位、すなわち当接板部２１において比較的剛性の低い部位に、弾性部材３からの押圧力が直接作用することを防止することができる。それゆえ、プレート２の変形を抑制することができる。

一方、図１１、図１２に示すごとく、本実施形態とは異なり、当接板部２１の板内面２１１が凹面を有さない場合、図１１に示すごとく、弾性部材３がＺ方向の全体において当接板部２１の板内面２１１に当接する。ここで、当接板部２１は、Ｚ方向の両端部はリブ板部２２に近接しており、リブ板部２２によって補強されるため比較的剛性が高い一方、Ｚ方向の中央部はリブ板部２２から離れており、比較的剛性が低くなる。そのため、弾性部材３がＺ方向の全体において当接板部２１の板内面２１１を押圧した場合、剛性が弱い当接板部２１のＺ方向の中央部が前方に向かって塑性変形しやすい。

また、図１０に示すごとく、本実施形態においては、当接板部２１のＹ方向の中央部に弾性部材３の押圧部３１が当接しているため、前述の変形は、Ｙ方向における当接板部２１の中央部で生じる。なお、図１０、図１１においては、変形前の弾性部材３、プレート２の外形を二点鎖線で表している。

前述のような当接板部２１の変形が生じた場合、図１２に示すごとく、当接板部２１は、変形により前方へ突出した部位のみにおいて、積層ユニット５０の後端冷却管５２１ａの後面に当接することとなる。こうなると、積層ユニット５０全体を均等に加圧できなくなる結果、半導体モジュール５１の冷却に偏りが生じるおそれがある。

さらに、加圧部材１から積層ユニット５０への加圧力に偏りが生じることで、半導体モジュール５１と冷却管５２１との間に配されたグリス６の厚みにも偏りが生じる。すなわち、グリス６における、加圧部材１が積層ユニット５０を押圧する部位とＸ方向に重なる部位は、加圧部材１の押圧力が作用しやすく、より押し広げられやすい。一方で、グリス６における、加圧部材１が積層ユニット５０を押圧する部位とＸ方向に重ならない部位については、加圧部材１の押圧力が作用し難く、押し広げられにくい。そのため、グリス６の厚みがＸ方向に直交する方向において均等とならず、冷却管５２１と半導体モジュール５１との間の伝熱性が低下するおそれがある。本実施形態は、プレート２の変形を抑制することで、かかる問題を解決することができる。

また、リブ板部２２は、当接板部２１におけるＺ方向の両端からＸ方向に立設している。当接板部２１全体としての剛性を高めることができる。そして、凹面２１１ａは、各リブ板部２２から離れた位置に形成されている。それゆえ、当接板部２１における比較的強度の低くなりやすい部位に、弾性部材３からの力が加わることを防止でき、その結果、加圧部材１の変形を抑制することができる。

また、凹面２１１ａは、当接領域Ｒにおける少なくとも板内面２１１におけるＹ方向の中央位置に形成されている。当接領域Ｒにおいて、板内面２１１のＹ方向の中央部は、最もリブ板部２２から離れる部位であり、剛性が弱くなりやすい。かかる部位に凹面２１１ａを設けることにより、当接板部２１の変形を効果的に抑制することができる。

また、Ｙ方向において、凹面２１１ａは、当接領域Ｒの両側に突出するよう形成されている。それゆえ、弾性部材３が当接板部２１におけるリブ板部２２から離れた部位に当接することを確実に防止しやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、プレートの変形を抑制できる加圧部材を提供することができる。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

例えば、前記実施形態において、積層ユニットにおいて冷却管と共に積層される電子部品は半導体モジュールとしたが、これに限られない。例えば積層ユニットが備える電子部品として、半導体モジュールの他に、電力変換回路を構成するコンデンサやリアクトル等をさらに有していてもよい。

また、前記実施形態において、弾性部材は板バネ部材で構成したが、コイルバネ等、他の弾性部材を採用することも可能である。

１加圧部材
２プレート
２１当接板部
２１１板内面
２１１ａ凹面
２２リブ板部
３弾性部材
５０積層ユニット
５１半導体モジュール（電子部品）
５２１冷却管

Claims

電力変換回路の一部を構成する電子部品（５１）と前記電子部品を冷却する冷却管（５２１）とを交互に積層した積層ユニット（５０）を前記積層ユニットの積層方向（Ｘ）に加圧するための加圧部材（１）であって、
前記積層ユニットの前記積層方向の端面に対面して当接する当接板部（２１）と、前記当接板部の幅方向（Ｚ）における前記当接板部の端部から前記積層方向に立設したリブ板部（２２）とを有するプレート（２）と、
前記積層方向における前記プレートの前記積層ユニットが配された側と反対側に配され、前記プレートを前記積層ユニット側に向かって押圧する弾性部材（３）と、を備え、
前記当接板部の前記弾性部材側の面である板内面（２１１）は、前記当接板部の長手方向（Ｙ）における前記当接板部と前記弾性部材との当接領域（Ｒ）において、前記リブ板部から離れた位置に形成されて、前記弾性部材と間隔を介して前記積層方向に対向する凹面（２１１ａ）を有する、加圧部材。
前記リブ板部は、前記当接板部における前記幅方向の両端から前記積層方向に立設しており、前記凹面は、前記当接領域における前記各リブ板部から離れた位置に形成されている、請求項１に記載の加圧部材。
前記凹面は、前記当接領域における少なくとも前記板内面における前記幅方向の中央位置に形成されている、請求項２に記載の加圧部材。
前記凹面は、前記長手方向における前記当接領域の両外側まで形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の加圧部材。