CN103430302A - 按压单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够吸收制造按压对象时的尺寸偏差且能够通过简单的结构实现薄型化的按压单元。按压单元按压半导体层叠单元，在该半导体层叠单元中交替地层叠有半导体元件模块、和与该半导体元件模块相接触来冷却该半导体模块的冷却管，该按压单元具备：弹簧部件，形成为将线材卷绕而成的线圈状，且螺距角周期性发生变化；和框架部件，安装上述弹簧部件的端部。

Description

按压单元
技术领域
本发明涉及适用于使用半导体元件构成的电力转换装置并按压半导体元件和冷却管使两者粘合的按压单元。
背景技术
作为生成电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的驱动电力的电力转换装置(功率模块)，已知DC-DC转换器和逆变器。这些电力转换装置有时会在驱动时在包括IGBT等半导体元件在内的半导体模块中流过较大的驱动电流。因此，冷却驱动时的半导体模块来抑制发热很重要。
在现有技术中，已知如下冷却构造：为了抑制半导体模块的发热，交替地层叠半导体模块和冷却体，通过采用由盘簧(disc spring)构成的按压单元从该层叠方向的一侧进行按压，从而使半导体模块和冷却体粘合，由此进行冷却(例如，参照专利文献1)。盘簧具有负荷几乎不变的弯曲区域，所以能够吸收因电力转换装置的制造偏差(层叠方向的尺寸公差)引起的尺寸的不同(例如，参照专利文献2)。
在先专利文献
专利文献
专利文献1：JP特开平10-107194号公报
专利文献2：JP特开2001-167745号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
但是，由于盘簧在径向上对称扩展，所以在不能确保按压单元用的足够的空间的情况下，必需使用直径较小的多个盘簧，存在结构变复杂的问题。
为了解决该问题，使按压单元成为能小型结构，例如考虑使用等螺距(pitch)的卷簧(coil spring)。但是，在将等螺距的卷簧用作通常的压缩弹簧的情况下，由于负荷-弯曲特性为线性，所以负荷会随着弹簧的弯曲量而发生变化，不能充分吸收电力转换装置中的制造偏差，有可能会引起以下情况：按压力较弱而冷却不充分，或者按压力较强而导致半导体元件和冷却管发生劣化。
本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，提供一种能够吸收按压对象的制造时的尺寸偏差并且能够通过简单的结构来实现小型化的按压单元。
(用于解决问题的手段)
为了解决上述课题并达成目的，本发明的按压单元按压半导体层叠单元，在该半导体层叠单元中交替地层叠有半导体元件模块、和与该半导体元件模块相接触来冷却该半导体模块的冷却管，该按压单元具备：弹簧部件，形成为将线材卷绕而成的线圈状，且螺距角周期性发生变化；和框架部件，安装上述弹簧部件。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，上述弹簧部件在两端部具有钩，上述框架部件具有从搭载上述弹簧部件的面突出并能够钩住上述钩的突起部。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，上述弹簧部件的两端部在与中心线正交的方向上延伸，上述框架部件具有能够供上述弹簧部件的两端部插入的孔部。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，上述框架部件包括从搭载上述弹簧部件的表面突出并具有相当于上述弹簧部件的规定部分的螺距的宽度的肋条。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，上述框架部件具有容纳上述弹簧部件的一部分的槽部。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，还具备将钢丝编织为网状而成且在与上述框架部件之间夹持上述弹簧部件的网状弹簧(mesh spring)。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，具备多个上述弹簧部件，在上述框架部件中多个上述弹簧部件安装成彼此的中心线平行。
此外，本发明涉及的按压单元的特征在于，在上述发明中，使具有规定温度的耐热性的无纺布介于上述弹簧部件和上述框架部件之间。
(发明效果)
在本发明中，使用倾斜型的弹簧部件，即，形成将线材卷绕而成的线圈状，且上述线材的中心线与正交于中心线的平面所成的角度、即螺距角周期性地发生变化。该弹簧部件具有负荷大致固定的弯曲范围，并且能够在与弹簧部件的中心线正交的方向(短边方向)上节省空间。因此，能够吸收制造按压对象时的尺寸的偏差，并且能够通过简单的结构实现小型化。
附图说明
图1是表示搭载了本发明的一实施方式涉及的按压单元的电力转换装置的主要部分的结构的图。
图2是表示本发明的一实施方式涉及的按压单元的结构的图。
图3是表示构成本发明的一实施方式涉及的按压单元的一部分的弹簧部件的结构的图。
图4是表示构成本发明的一实施方式涉及的按压单元的一部分的弹簧部件的负荷-弯曲特性的图。
图5是表示本发明的一实施方式的变形例1涉及的按压单元的主要部分的结构的图。
图6是表示本发明的一实施方式的变形例2涉及的按压单元的主要部分的结构的图。
图7是表示本发明的一实施方式的变形例3涉及的按压单元的主要部分的结构的图。
图8是表示本发明的一实施方式的变形例4涉及的按压单元的主要部分的结构的图。
图9是表示本发明的一实施方式的变形例5涉及的按压单元的主要部分的结构的图。
图10是表示形成本发明的一实施方式的变形例6涉及的按压单元的一部分的弹簧部件的结构的图。
图11是表示形成本发明的一实施方式的变形例7涉及的按压单元的一部分的弹簧部件的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明用于实施本发明的方式(以下，称为“实施方式”)。
图1是表示搭载了本发明的一实施方式涉及的按压单元的电力转换装置的主要部分的结构的图。图1所示的电力转换装置1例如是生成在电动汽车用的行驶电动机中流动的驱动电流的装置。
电力转换装置1具备：包括半导体元件的半导体层叠单元2；从半导体层叠单元2的一个侧面按压半导体层叠单元2的按压单元3；介于半导体层叠单元2和按压单元3之间的平板状抵接板4；以及容纳半导体层叠单元2、按压单元3、以及抵接板4的框体5。电力转换装置1除了图示以外，还具有控制半导体模块21的控制电路等。
半导体层叠单元2具有使半导体模块21和冷却管22交替层叠而成的构造。在图1所示的情况下，沿着层叠方向在相邻的冷却管22之间配置2个半导体模块21。
半导体模块21在一对散热板之间配置了电力供给用的IGBT元件、和为了使电动机协调地旋转而设置的续流二极管(fly wheel diode)元件，并且按照该一对散热板露出的方式由树脂进行密封而一体成形。
冷却管22是在内部具有冷媒流径的扁平形状的管。在该冷媒流径中，例如使水或氨等自然冷媒、混入了乙二醇类的防冻剂的水、Fluorinert等氟化碳类冷媒、HCFC123、HFC134a等碳氟化合物类冷媒、甲醇、乙醇等醇类冷媒、或者丙酮等酮类冷媒等冷却介质流通。
多个冷却管22经由沿着半导体层叠单元2的层叠方向延伸的连接导管23而相互连接着。在连接导管23的端部设置与配置在该端部的冷却管22相连的冷媒导入口24以及冷媒排出口25。冷却管22、连接导管23、冷媒导入口24、以及冷媒排出口25例如使用铝来实现。
冷却管22的主面22a通过来自按压单元3的按压力而与半导体模块21的散热板粘合。由此，能够在半导体模块21和冷却管22之间进行热交换。
图2是表示按压单元3的结构的侧面图。图2所示的按压单元3具有：线圈状的弹簧部件31；和安装并固定弹簧部件31的端部的框架部件32。由螺钉6将按压单元3固定在框体5中。
弹簧部件31是倾斜型的线圈弹簧，即，线材的中心线和与该弹簧部件31的中心线正交的平面所构成的角、即螺距角不固定，具有两个不同的螺距角的部分周期性地重复。具体来说，弹簧部件31具有：相互的螺距角不同的第一卷绕部311以及第二卷绕部312；和设置在两端且安装在框架部件32中的弹簧钩部313。
图3是表示弹簧部件31的构成的图。如图3所示，第一卷绕部311以及第二卷绕部312以通过弹簧部件31的中心线的方式将弹簧部件31分为两部分的平面P作为边界面，位于该边界面的不同的一侧。因此，从中心线延伸的方向观察弹簧部件31时的外形成为圆形形状或椭圆形状。在图3所示的情况下，弹簧部件31形成椭圆形状。使用例如硅／铬钢等弹簧钢来实现弹簧部件31。
图4是表示弹簧部件31的负荷-弯曲特性的图。在图4所示的负荷-弯曲特性曲线L中，横轴表示弯曲量，而纵轴表示负荷。如图4所示，弹簧部件31中，弯曲量D1～D2下的负荷取与F0大致相等的值。根据具有这种负荷-弯曲特性的弹簧部件31，由于在弯曲量D1～D2下取大致恒定负荷，所以在该弯曲量的区域中能够得到稳定的负荷。
接着，参照图2说明框架部件32。框架部件32在搭载弹簧部件31的面上具有钩住弹簧钩部313的凸部(boss)32a。此外，在框架部件32的端部设置能够分别使用于固定在框体5中的螺钉螺合的多个螺钉孔32b。例如通过树脂实现框架部件32。
在以上说明的本发明的一实施方式中，使用倾斜型弹簧部件，即，形成将线材卷绕的线圈状，且上述线材的中心线与正交于中心线的平面所成的角度、即螺距角周期性地发生变化。该弹簧部件具有负荷大致恒定的弯曲范围，并且能够在与弹簧部件的中心线正交的方向(短边方向)上节省空间。因此，能够吸收制造按压对象时的尺寸的偏差，即使面对热膨胀引起的位移，也能够始终以恒定的负荷进行按压，并且能够通过简单的结构实现小型化。因此，能够提供始终维持稳定的冷却特性的同时适于小型化的电力转换装置。
此外，根据本实施方式，通过在弹簧部件的端部设置钩，从而安装并固定在框架部件中，所以如果在组装电力转换装置时将框架部件安装在框体中，则弹簧部件不会因重力而降落。因此，能够飞跃性地提高电力转换装置的组装性。另外，钩形状不限于上述，可以适当变更钩面。该情况下，当然也可以变更钩住钩的一侧的框架部件的结构。
图5是表示本实施方式的变形例1中的按压单元的主要部分的结构的图。图5所示的按压单元100具备：弹簧部件101；框架部件102；以及将弹簧部件101安装在框架部件102中的固定部件103。弹簧部件101是与弹簧部件31相同的倾斜型的线圈弹簧，具有第一卷绕部111以及第二卷绕部112。固定部件103沿着弹簧部件101的中心线贯通弹簧部件101，两端固定于框架部件102。
图6是表示本实施方式的变形例2中的按压单元的结构的图。图6所示的按压单元200具备：弹簧部件201；框架部件202。弹簧部件201是与弹簧部件31相同的倾斜型的线圈弹簧，具有第一卷绕部211以及第二卷绕部212。弹簧部件201的两侧的端部201a在与弹簧部件201的中心线正交的方向上以直线状延伸。框架部件202具有从弹簧部件201的搭载面穿过的孔部202a。弹簧部件201通过将端部201a插入弹簧部件201的孔部202a中，由此被安装于框架部件202。
图7是表示本实施方式的变形例3中的按压单元的结构的图。图7所示的按压单元300具备弹簧部件301和框架部件302。弹簧部件301是与弹簧部件31相同的倾斜型的线圈弹簧，具有第一卷绕部311以及第二卷绕部312。在框架部件302中设置多个从搭载弹簧部件301的面向与该面正交的方向突出的肋条302a。肋条302a在图7的左右方向上的宽度比弹簧部件301的螺距大一些。因此，弹簧部件301在肋条302a的位置处加宽螺距来夹持了肋条302a的状态下被固定于框架部件302。另外，肋条可以形成为圆柱形状，也可以形成为棱柱形状。
图8是表示本实施方式的变形例4中的按压单元的结构的图。图8所示的按压单元400具有弹簧部件301和框架部件401。框架部件401具有固定并保持弹簧部件301的槽部401a。槽部401a形成越靠底面槽宽越宽的燕尾槽形状，保持弹簧部件301的三分之二左右的部分。
图9是表示本实施方式的变形例5中的按压单元的主要部分的结构的图。图9所示的按压单元500具备弹簧部件301、框架部件501、以及网状弹簧502。网状弹簧502将不锈钢线材编织成网状而成形。在网状弹簧502中设置多个与弹簧部件301的螺距相对应的孔部502a。将弹簧部件301搭载到框架部件501的搭载面之后，使该弹簧部件301通过孔部502a，由此将网状弹簧502固定到框架部件501的搭载面上。网状弹簧502的固定方法例如有采用插钉来阻止四角的方法，但是并不限于该方法。根据本变形例5，由网状弹簧502将弹簧部件301安装于框架部件501，所以弹簧部件301能够在随着外力弯曲时自由运动。
图10是表示形成本实施方式的变形例6中的按压单元的一部分的弹簧部件的结构的图。图10所示的弹簧部件601具有第一卷绕部611以及第二卷绕部612，并且在两端具有与弹簧部件601的中心线平行地延伸的端部601a。此外，弹簧部件601是与弹簧部件31相同的倾斜型的线圈弹簧，具有第一卷绕部611以及第二卷绕部612。
图11是表示形成本实施方式的变形例7中的按压单元的一部分的弹簧部件的结构的图。图11所示的弹簧部件701是与弹簧部件31相同的倾斜型的线圈弹簧，具有第一卷绕部711以及第二卷绕部712，并且在两端具有以比第一卷绕部711和第二卷绕部712更小的直径进行卷绕的端部701a。
图10以及图11分别所示的弹簧部件601以及701可以与上述情况同样地使用框架部件来固定，也可以直接安装在电力转换装置的框体中。
以上说明的变形例1～7起到与本实施方式相同的效果。
另外，在本发明中，在弹簧部件与框架部件和抵接板之间，也可以插入具有150～200℃左右的耐热性的无纺布。通过插入这样的无纺布，能够防止由于振动等而在弹簧部件与抵接板和框架部件之间产生的反常音。
此外，在本发明中，可以适当研磨弹簧部件和其他部件(框架部件、抵接板等)的接触面。
此外，在本发明中，成为弹簧部件的材料的线材的剖面可以形成矩形的角线形状，剖面也可以形成椭圆形状。这样，能够根据容许应力等来适当变更线材的形状。
符号说明：
1  电力转换装置
2 半导体层叠单元
3、100、200、300、400、500  按压单元
4  抵接板
5  框体
6  螺钉
21  半导体模块
22  冷却管
23  连接导管
24  冷媒导入口
25  冷媒排出口
31、101、201、301、601、701  弹簧部件
32、102、202、302、401、501  框架部件
103  固定部件
111、211、311、611、711  第一卷绕部
112、212、312、612、712  第二卷绕部
302a  肋条
313  弹簧钩部
401a  槽部
502  网状弹簧

Claims (8)

1.一种按压单元，其按压半导体层叠单元，在该半导体层叠单元中交替地层叠有半导体元件模块、和与该半导体元件模块相接触来冷却该半导体模块的冷却管，该按压单元的特征在于，具备：
弹簧部件，形成为将线材卷绕而成的线圈状，且螺距角周期性发生变化；和
框架部件，安装上述弹簧部件。
2.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
上述弹簧部件在两端部具有钩，
上述框架部件具有从搭载上述弹簧部件的面突出并能够钩住上述钩的突起部。
3.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
上述弹簧部件的两端部在与中心线正交的方向上延伸，
上述框架部件具有能够供上述弹簧部件的两端部插入的孔部。
4.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
上述框架部件包括从搭载上述弹簧部件的表面突出并具有相当于上述弹簧部件的规定部分的螺距的宽度的肋条。
5.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
上述框架部件具有容纳上述弹簧部件的一部分的槽部。
6.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
所述按压单元还具备将钢丝编织为网状而成且在与上述框架部件之间夹持上述弹簧部件的网状弹簧。
7.根据权利要求1所述的按压单元，其特征在于，
所述按压单元具备多个上述弹簧部件，
在上述框架部件中多个上述弹簧部件安装成彼此的中心线平行。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的按压单元，其特征在于，
使具有规定温度的耐热性的无纺布介于上述弹簧部件和上述框架部件之间。
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