JP5211568B2 - 電力変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置及びその製造方法に関する。

従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを確保するため大きな駆動電流が必要となってきている。それ故、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。

そこで、図１５に示すごとく、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュール９２１を均一に冷却することができるように、冷却媒体の供給及び排出を担う一対のヘッダ９２３の間に多数の冷却管９２２が配置されている電力変換装置９が提案されている（特許文献１、２参照）。そして、該電力変換装置９は、冷却管９２２の間に半導体モジュール９２１を挟持した半導体積層ユニット９２と、該半導体積層ユニット９２の積層方向の端部に半導体積層ユニット９２を積層方向に加圧するばね部材９３２とを有する。

ばね部材９３２は、半導体積層ユニット９２側に凸の状態で湾曲した押圧部９３４と、該押圧部９３４の両端に形成された支承部９３３とを有する。支承部９３３は電力変換装置９の筐体９１１内に配された支承ピン９１３に係止させてあり、ばね部材９３２は、押圧部９３４において冷却管９２２と半導体モジュール９２１とを積層方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。支承ピン９１３は、筐体９１１の内壁９１２とばね部材９３２の支承部９３３との間に挟持された状態で配設されている。

電力変換装置９を組み立てるに当たっては、電力変換装置９の筐体９１１内に半導体積層ユニット９２を配置した後、ばね部材９３２を半導体積層ユニット９２の積層方向の端部に配置する。次いで、ばね部材９３２を変位（弾性変形）させつつ、ばね部材９３２の押圧部９３４において半導体積層ユニット９２を積層方向に押圧する。そして、ばね部材９３２の支承部９３３の後方位置における筐体９１１内に支承ピン９１３を配置する。
次いで、ばね部材９３２を減圧方向に復元させながら、ばね部材９３２の支承部９３３を支承ピン９１３に支承させる。これにより、ばね部材９３２は、所定の変位において、所定の押圧力を半導体積層ユニット９２に与えた状態で落ち着く。

ここで、上記ばね部材９３２を弾性変形させるに当っては、図１６に示すごとく、一対の支承部９３３の内側における後面に押圧治具４０を当接させて、半導体積層ユニット９２側へ押圧治具４０を押し込む。そして、一対の支承ピン９１３を、一対の支承部９３３の後方かつ押圧治具４０の両側方において、筐体９１１内に配置する。つまり、押圧治具４０によってばね部材９３２を押圧している状態で、筐体９１１に支承ピン９１３を配設する必要があるため、押圧治具４０は、その内側、すなわち支承部９３３の内側においてばね部材９３２に当接させるのである。

しかしながら、押圧治具４０を支承部９３３の内側においてばね部材９３２に当接させて、ばね部材９３２を弾性変形させようとすると、支承部９３３における荷重よりも大きい荷重をかける必要がある。その結果、このばね部材９３２を配設する工程において、半導体積層ユニット９２に過大な荷重がかかってしまい、場合によっては、冷却管９２２が変形してしまったり、半導体モジュール９２１が破損してしまったりするおそれがある。また、ばね部材９３２の配設工程において、押圧治具４０を押圧する際に用いられるロードセルやサーボモータなどに高いスペックが要求されるという問題もある。

また、半導体積層ユニット９２は、複数の半導体モジュール９２１と複数の冷却管９２２とを交互に積層してなるため、その積層方向の寸法公差（積層公差）は、各半導体モジュール９２１の寸法公差と各冷却管９２２の寸法公差との積算値となり、大きな値となることがある。そこで、この積層公差内におけるあらゆる半導体積層ユニット９１に対して、ばね部材９３２によって適切な押圧力を与えることができるようにする必要がある。

ところが、上記のごとく、押圧治具４０を支承部９３３の内側においてばね部材９３２に当接させて、ばね部材９３２を弾性変形させようとすると、押圧治具４０による荷重の変化に対するばね部材９３２の変位量が小さいため、上記半導体積層ユニット９２の積層公差が大きいと、適切な押圧力を半導体積層ユニット９２に付与することが困難となる。その結果、半導体積層ユニット９２の積層方向の寸法に応じて、ばね部材９３２の支承部９３２を支承する支承ピン９１３として、直径の異なる多種類の支承ピン９１３を用意する必要がある。それ故、製造コストが高くなると共に、生産効率が低下するという問題がある。

特開２００５−１４３２４４号公報 特開２００７−１６６８１９号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体積層ユニットを加圧する加圧部材の配設を小さい力で容易に行うことができると共に、製造コスト、生産効率に優れた電力変換装置及びその製造方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置を製造する方法であって、
上記電力変換装置の筐体に上記半導体積層ユニットを配置した後、
上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有する加圧部材を配置し、
上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
上記ばね部材における上記支承部よりも外側の一対のばね端部に押圧治具を当接させて上記ばね端部を上記当接プレート側へ押し込むことにより上記ばね部材を弾性変形させた状態で、上記一対の支承部の後方位置において上記筐体内に一対の支承体を配設し、
次いで、上記押圧治具を後退させて上記ばね部材が復元する方向に上記一対の支承部を変位させることにより、該支承部と上記筐体の内壁との間に上記支承体が挟持される状態で、上記支承部を上記支承体に支承させることを特徴とする電力変換装置の製造方法にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置の製造方法においては、上記加圧部材を筐体に取付ける際に、上記ばね部材における上記支承部よりも外側の一対のばね端部に押圧治具を当接させて上記ばね端部を上記当接プレート側へ押し込むことにより上記ばね部材を弾性変形させる。すなわち、ばね端部を押圧治具によって押圧することにより、ばね部材を弾性変形させる。これにより、比較的小さい荷重でばね部材を大きく弾性変形させることができる。つまり、支承部よりも内側の部分において押圧する場合に比べて、小さい荷重でばね部材を大きく弾性変形させることができる。

それ故、加圧部材を配設する工程において、押圧治具による押圧力を低減して、半導体積層ユニットに過大な荷重がかかることを防ぎ、冷却管の変形や、半導体モジュールの破損のおそれを排除することができる。また、ばね部材の配設工程において、押圧治具を押圧する際に用いられるロードセルやサーボモータなどにも特に高いスペックが要求されなくなるという利点もある。

また、半導体積層ユニットは、複数の半導体モジュールと複数の冷却管とを交互に積層してなるため、その積層方向の寸法公差（積層公差）は、各半導体モジュールの寸法公差と各冷却管の寸法公差との積算値となり、大きな値となることがある。そこで、この積層公差内におけるあらゆる半導体積層ユニットに対して、ばね部材によって適切な押圧力を与えることができるようにする必要がある。

本発明においては、上記のごとく、押圧治具を支承部の外側のばね端部に当接して、ばね部材を弾性変形させるため、押圧治具による荷重の変化に対するばね部材の変位量を大きくすることができる。そのため、上記半導体積層ユニットの積層公差が大きくても、適切な押圧力を半導体積層ユニットに付与することが容易となる。すなわち、半導体積層ユニットの積層方向の寸法が小さいときには、ばね部材へ付与する押圧力を比較的小さくして、ばね部材の弾性変形の変位量を小さくする。一方、半導体積層ユニットの積層方向の寸法が大きいときには、ばね部材へ付与する押圧力を比較的大きくして、ばね部材の弾性変形の変位量を大きくする。このとき、ばね部材の弾性力が小さくなりすぎず、また、押圧治具による押圧力が大きくなりすぎることを防ぐことができる。

その結果、半導体積層ユニットの積層方向の寸法に応じて、ばね部材の支承部を支承する支承体として、大きさの異なる支承体を多種類用意する必要がなくなる。すなわち、少ない種類の支承体によって、半導体積層ユニットの積層方向の寸法に対応することができる。それ故、製造コストを低減し、生産効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体積層ユニットを加圧する加圧部材の配設を小さい力で容易に行うことができると共に、製造コスト、生産効率に優れた電力変換装置の製造方法を提供することができる。

第２の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込むときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項４）。
また、上記ばね部材は、自然長における上記一対のばね端部の間の距離をＡとし、自然長における上記一対の支承部の間の距離をＢとしたとき、Ａ≧１．２２Ｂを満たすことが好ましい（請求項５）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ばね部材は、一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置している。そして、上記一対のばね端部の間の距離Ａと、上記一対の支承部の間の距離Ｂとは、Ａ≧１．２２Ｂを満たすことが好ましい。この場合、上記一対のばね端部は、上記支承体の配設位置よりも充分に外側に配置される。これにより、半導体積層ユニットの一端に加圧部材を配置して押圧する際に、多少の寸法公差や配置のずれが生じても、支承体に干渉することなく、一対のばね端部に押圧治具を確実に当接させることができる。これにより、押圧治具によって上記一対のばね端部を上記当接プレート側へ確実に押圧することができる。

それ故、上述したごとく、加圧部材を配設する工程において、押圧治具による押圧力を低減して、半導体積層ユニットに過大な荷重がかかることを防ぎ、冷却管の変形や、半導体モジュールの破損のおそれを排除することができる。また、ばね部材の配設工程において、押圧治具を押圧する際に用いられるロードセルやサーボモータなどにも特に高いスペックが要求されなくなるという利点もある。
さらに、半導体積層ユニットの積層方向の寸法に応じて、ばね部材の支承部を支承する支承体として、直径の異なる支承体を多種類用意する必要がなくなり、製造コストを低減し、生産効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体積層ユニットを加圧する加圧部材の配設を小さい力で容易に行うことができると共に、製造コスト、生産効率に優れた電力変換装置を提供することができる。
第３の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込んで上記ばね部材を弾性変形させるときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置しており、
上記ばね部材は、上記ばね端部における上記支承体側の面と端面との間の角部に、曲面を設けてなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項６）。
第４の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込んで上記ばね部材を弾性変形させるときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置しており、
上記ばね部材は、上記支承部と上記ばね端部との間に、上記支承体側に凸となるように屈曲した屈曲部を設けてなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項７）。

第１の発明（請求項１）及び第２の発明（請求項４）、第３の発明（請求項６）、第４の発明（請求項７）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
なお、上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していてもよいし、絶縁材等を介して密着していてもよい。
また、本明細書において、特に断らない限り、半導体積層ユニットを押圧する方向を前方、その反対を後方として説明する。

また、第１の発明において、上記ばね部材は、上記ばね端部における上記支承体側の面と端面との間の角部に、曲面を設けてなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記押圧治具を上記ばね端部に安定して当接させることができ、より確実にばね部材を弾性変形させることができる。

また、上記ばね部材は、上記支承部と上記ばね端部との間に、上記支承体側に凸となるように屈曲した屈曲部を設けてなることが好ましい（請求項３）。
この場合にも、上記押圧治具を上記ばね端部に安定して当接させることができ、より確実にばね部材を弾性変形させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置及びその製造方法につき、図１〜図１２を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図３に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１と、該半導体モジュール２１を冷却する冷却管２２とを交互に積層してなる半導体積層ユニット２を有する。

半導体積層ユニット２の積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニット２を積層方向に加圧する加圧部材３が配されている。
該加圧部材３は、冷却管２２の主面に当接する当接面３１１を有する当接プレート３１と、該当接プレート３１における当接面３１１と反対側の面に配されたばね部材３２とを有する。

ばね部材３２は、図２〜図４に示すごとく、当接プレート３１側に凸の状態で湾曲した押圧部３２１と、該押圧部３２１の両端に形成された支承部３２２とを有する。
図３、図４に示すごとく、ばね部材３２は、電力変換装置１の筐体１１の内壁１１１との間に介在される一対の支承体としての支承ピン１３に支承部３２２を支承させると共に当接プレート３１に押圧部３２１を当接させて、当接プレート３１を支承ピン１３から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。
ばね部材３２は、一対のばね端部３２３を支承ピン１３よりも外方に配置している。

そして、図４に示すごとく、自然長における一対のばね端部３２３の間の距離をＡとし、自然長における一対の支承部３２２の間の距離をＢとしたとき、Ａ≧１．２２Ｂを満たす。ここで、一対の支承部３２２の間の距離Ｂは、支承ピン１３と支承部３２２との接触部の中心同士の間の距離をいうものとする。なお、図４に記載した寸法Ａ、Ｂは、ばね部材３２に荷重をかけていない自由状態における長さを示している。後述する図１２における寸法Ａ、Ｂについても同様である。
また、上記一対の支承ピン１３は円柱形状を有する。

また、図２、図４に示すごとく、ばね部材３２は、複数枚の板ばねを積層してなる。即ち、ばね部材３２は、当接プレート３１に当接する前方板ばね３３と、該前方板ばね３３の後方に配された後方板ばね３４とからなる。前方板ばね３３は、少なくとも前方板ばね３３の両端部３３１において後方板ばね３４に接触している。また、前方板ばね３３と後方板ばね３４とは、互いにリベット（図示略）によって留め付けられている。

後方板ばね３４は、中央部が大きな円弧状に湾曲してなると共に、長さ方向の両端部が小さな円弧状に湾曲してなる。また、前方板ばね３３は、円弧状に湾曲してなり、その曲率半径は、上記後方板ばね３４の中央部における円弧の曲率半径よりも若干小さい。そして、前方板ばね３３は、後方板ばね３４の中央部の前方に重ね合わせるように配置されている。これにより、前方板ばね３３は、その両端部３３１において後方板ばね３４に当接する。

また、当接プレート３１は、半導体積層ユニット２の積層方向の端部に配された冷却管２２の主面に面接触できるような平坦な当接面３１１を有する。
そして、当接プレート３１及びばね部材３２は、いずれも、炭素工具鋼（ＳＫ８５、旧ＳＫ５）等の金属からなる。

また、加圧部材３は、図３に示すごとく、ばね部材３２の中央の押圧部３２１を当接プレート３１に当接させ、当接プレート３１の当接面３１１を半導体積層ユニット２に当接させた状態で電力変換装置１内に組み付けられる。また、ばね部材３２の支承部３２２を電力変換装置１の筐体１１内に配された２個の支承ピン１３に係止させている。支承ピン１３はばね部材３２の支承部３２２と筐体１１の内壁１１１との間に挟持されている。そして、ばね部材３２は、中央部の押圧部３２１において、当接プレート３１を介して半導体積層ユニット２を積層方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。

また、図３に示すごとく、半導体積層ユニット２は、半導体モジュール２１を両面から挟持するように冷却管２２を複数配設してなる。即ち、冷却管２２と半導体モジュール２１とが交互に積層されている。各冷却管２２は、内部に冷媒流路（図示略）を設けてなる扁平形状の管である。この冷媒流路に、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の冷却媒体を流通させることができるよう構成してある。

また、冷却器２２０は、複数の冷却管２２の両端をそれぞれ連結パイプ２２２によって連結して、２箇所のヘッダ部２２３を形成してなる。また、該２箇所のヘッダ部２２３の端部には、半導体積層ユニット２の一方の端部に配された冷却管２２に接続された、冷媒導入口２２４と冷媒排出口２２５とがそれぞれ設けてある。

これらの冷却管２２と連結パイプ２２２と冷媒導入口２２４と冷媒排出口２２５とによって、アルミニウム製の冷却器２２０が構成されている。
そして、半導体モジュール２１は、冷却器２２０における隣り合う冷却管２２の間に２個づつ並列配置された状態で挟持されている。半導体モジュール２１は両面に放熱板を露出させており、この放熱板と扁平形状の上記冷却管２２の主面２２１とを密着させることにより、両者の間で熱交換を行うことができるよう構成されている。
なお、冷却器２２０においては、例えば連結パイプ２２２を蛇腹状にしたり、連結パイプ２２２と冷却管２２との取付部にダイヤフラム部を設けたりすることにより、隣り合う冷却管２２の間の間隔をある程度変化させることができるよう構成してある。

次に、本例の電力変換装置の製造方法につき説明する。
まず、電力変換装置１の筐体１１に半導体積層ユニット２を配置する。
次いで、図１に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層方向の一方の端部に、当接プレート３１とばね部材３２とを有する加圧部材３を配置する。

次いで、ばね部材３２における一対のばね端部３２３に押圧治具４を当接させてばね端部３２３を当接プレート３１側へ押し込む。これによりばね部材３２を弾性変形させた状態で、一対の支承部３２２の後方位置において筐体１１内に一対の支承ピン１３を配置する。
次いで、押圧治具４を後退させてばね部材３２が復元する方向に一対の支承部３２２を変位させることにより、該支承部３２２と筐体１１の内壁１１１との間に支承ピン１３が挟持される状態で支承ピン１３に支承させる。
以上により、図１に示すごとく、半導体積層ユニット２が加圧部材３によって積層方向に加圧された電力変換装置１を得る。

図１に示すごとく、押圧治具４は、一対の押圧凸部４１を設けてなる。そして、これら一対の押圧凸部４１を、筐体１１の内側においてばね部材３２のばね端部３２３の後方に挿入する。そして、一対の押圧凸部４１を一対のばね端部３２３に当接させて押圧する。押圧治具４によってばね部材３２を弾性変形させた状態で、支承部３２２の後方位置であって押圧凸部４１の内側において、一対の支承ピン１３を筐体１１に配置する。

また、押圧治具４の押圧の際にはロードセルを用い、一定の押圧力によって押圧治具４を介して半導体積層ユニット２を押圧する。このとき、半導体積層ユニット２は、各連結パイプ２２２が少しずつ圧縮変形して、隣り合う冷却管２２の間の間隔が縮まる。そして、半導体積層ユニット２の積層方向の寸法が縮む。
そして、加圧部材３を配設した後における加圧部材３による半導体積層ユニット２への押圧力は、半導体モジュール２１の冷却効率を充分に確保することができると共に半導体積層ユニット２の変形を防ぐことができる所定の範囲内（本例においては、２．１〜５ｋＮ）となるようにする。
なお、所定の押圧力を付与したときの半導体積層ユニット２の積層寸法の変化がある程度予測できる場合には、押圧治具４の押圧は、一定の変位量にて行うこともできる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の電力変換装置の製造方法においては、図５に示すごとく、上記加圧部材３を筐体１３に取付ける際に、ばね部材３２における支承部３２２よりも外側の一対のばね端部３２３に押圧治具４を当接させてばね端部３２３を当接プレート３１側へ押し込むことによりばね部材３２を弾性変形させる。すなわち、ばね端部３２３を押圧治具４によって押圧することにより、ばね部材３２を弾性変形させる。これにより、比較的小さい荷重でばね部材３２を大きく弾性変形させることができる。

つまり、図６に示すごとく、支承部３２２よりも内側の部分に押圧治具４０を当接させて押圧する場合に比べて、小さい荷重でばね部材３２を大きく弾性変形させることができる。
このことにつき、図７を用いて説明する。
基本的に、ばね部材３２においては、当接部材３１に当接する押圧部３２１の中央部分からの距離が長い位置ほど、小さな力で大きく変位させることができる。それ故、支承部３２２において押圧する場合の荷重−変位曲線Ｌ０と、支承部３２２よりも内側において押圧する場合の荷重−変位曲線Ｌ１と、支承部３２２よりも外側（ばね端部３２３）において押圧する場合の荷重−変位曲線Ｌ２とは、図７のようになる。すなわち、ばね部材３２への押圧治具４の当接部が外側へ行くほど、荷重に対する変位の大きさが大きくなる。

なお、各押圧位置における荷重−変位特性は、各曲線に付した矢印の方向に進み、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有する。
なお、図７においては、上限値の５ｋＮまで押圧治具４による押圧を行ったときの荷重−変位曲線を示している。

図７に示すごとく、本例のように押圧治具４による押圧をばね端部３２３において行った場合（曲線Ｌ２、図５参照）には、押圧治具４による押圧を支承部３２２よりも内側において行った場合（曲線Ｌ１、図６参照）よりも、同じ押圧力でばね部材３２を大きく変位させることができる。それ故、加圧部材３を配設する工程において、押圧治具４による押圧力を低減して、半導体積層ユニット２に過大な荷重がかかることを防ぎ、冷却管２２の変形や、半導体モジュール２１の破損のおそれを排除することができる。また、ばね部材３２の配設工程において、押圧治具４を押圧する際に用いられるロードセルやサーボモータなどにも特に高いスペックが要求されなくなるという利点もある。

また、半導体積層ユニット２は、図３に示すごとく、複数の半導体モジュール２１と複数の冷却管２２とを交互に積層してなるため、その積層方向の寸法公差（積層公差）は、各半導体モジュールの寸法公差と各冷却管の寸法公差との積算値となり、大きな値となることがある。そこで、この積層公差内におけるあらゆる半導体積層ユニット２に対して、ばね部材３２によって適切な押圧力（２．１〜５ｋＮ）を与えることができるようにする必要がある。

本例においては、上記のごとく、押圧治具４を支承部３２２の外側のばね端部３２３に当接して、ばね部材３２を弾性変形させるため、押圧治具４による荷重の変化に対するばね部材３２の変位量を大きくすることができる。
すなわち、本例において、半導体積層ユニット２への加圧部材３による押圧力は、半導体モジュール２１の冷却効率を確保すべく、２．１ｋＮ以上必要であるとする。一方、押圧治具４による半導体積層ユニット２への押圧力の上限値は、半導体積層ユニット２の強度との関係で、５ｋＮ以下であるとする。このとき許容されるばね部材３２の変位の幅は、図５（Ａ）に示す加圧部材３（ばね部材３２）の弾性力が下限値（２．１ｋＮ）のときのばね部材３２の変位と、図５（Ｂ）に示す押圧治具４による半導体積層ユニット２への押圧力が上限値（５ｋＮ）のときのばね部材３２の変位との差ｘｐ２となる。この差ｘｐ２は、図７に示した差ｘｐ２でもある。

一方、図６に示すごとく、支承部３２２よりも内側の部分に押圧治具４０を当接させて押圧する場合には、図６（Ｂ）に示す押圧治具４０による半導体積層ユニット２への押圧力が上限値（５ｋＮ）のときのばね部材３２の変位が小さい。したがって、図６（Ａ）に示す加圧部材３（ばね部材３２）の弾性力が下限値（２．１ｋＮ）のときのばね部材３２の変位と、図６（Ｂ）に示す押圧治具４０による半導体積層ユニット２への押圧力が上限値（５ｋＮ）のときのばね部材３２の変位との差ｘｐ１が小さい。この差ｘｐ１は、図７に示した差ｘｐ１でもある。

このように、本例の場合には、許容される上記ばね部材３２の変位の上限と下限との差ｘｐ２が大きいため、図１１に示すごとく、上記半導体積層ユニット２の積層公差Ｌｃが大きくても、加圧部材３によって適切な押圧力を半導体積層ユニット２に付与することが容易となる。
すなわち、図１１（Ａ）に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層方向の寸法が小さいときには、ばね部材３２へ付与する押圧力を比較的小さくして（例えば押圧力を２．１ｋＮとして）、ばね部材３２の弾性変形の変位量を小さくする。一方、図１１（Ｃ）に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層方向の寸法が大きいときには、ばね部材３２へ付与する押圧力を比較的大きくして（例えば押圧力を５ｋＮとして）、ばね部材３２の弾性変形の変位量を大きくする。このとき、ばね部材３２の弾性力が小さくなりすぎず、また、押圧治具４による押圧力が大きくなりすぎることを防ぐことができる。

その結果、図１０に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層方向の寸法に応じて、ばね部材３２の支承部３２２を支承する支承ピン１３として、直径の異なる支承ピン１３を多種類用意する必要がなくなる。すなわち、少ない種類の支承ピン１３によって、半導体積層ユニット２の積層方向の寸法に対応することができる。それ故、製造コストを低減し、生産効率を向上させることができる。

このことにつき、主として図８〜図１１を用いて説明する。
ばね部材３２の支承部３２２の内側において加圧してばね部材３２を変形させる場合（図６）でも、図８に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層公差Ｌｃが小さいときには、上記の許容範囲内におけるばね部材３２の変位の幅ｘｐ１が小さくても、少ない種類の支承ピン１３で対応できる。例えば、ｘｐ１≧Ｌｃであれば、１種類の支承ピン１３で対応できる。

ところが、図９に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層公差Ｌｃが大きくなり、ｘｐ１＜Ｌｃとなると、１種類の支承ピン１３では対応できず、図９（Ａ）に示すように半導体積層ユニット２の積層寸法が小さいときには、２．１ｋＮの弾性力を生むばね部材３２の変位では、支承ピン１３と半導体積層ユニット２との間に荷重をかけられない。また、図９（Ｃ）に示すように導体積層ユニット２の積層寸法が大きいときには、押圧治具４０によって５ｋＮの荷重をかけたときのばね部材３２の変位では、支承ピン１３と半導体積層ユニット２との間にばね部材３２を配設することができない。

そのため、図１０（Ａ）に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層寸法が小さいときには、直径の大きい支承ピン１３を用いる必要が生じ、図１０（Ｃ）に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層寸法が大きいときには、直径の小さい支承ピン１３を用いる必要が生じる。
この問題は、許容範囲内におけるばね部材３２の変位の幅ｘｐ（上述のｘｐ１、ｘｐ２）に対するＬｃの大きさが大きくなればなるほど大きくなる。すなわち、Ｌｃ／ｘｐが１以下（すなわちｘｐ≧Ｌｃ）であれば、上述のごとく、支承ピン１３の直径は１種類で対応できる。しかしながら、Ｌｃ／ｘｐが１を超えると支承ピン１３の直径は、２種類以上必要となる。具体的には、必要な支承ピン１３の直径の種類の最低数Ｎｐは、Ｎｐ≧（Ｌｃ／ｘｐ）を満たす最小の自然数となる。

したがって、逆に言うと、ｘｐを大きくすることによって、必要な支承ピン１３の直径の種類の最低数Ｎｐを小さくすることができる。つまり、本発明のように、ばね端部３２３において押圧部材４によってばね部材３２を押圧するようにすることで、荷重に対するばね部材３２の変位を大きくして、ｘｐを大きくすることにより、半導体積層ユニット２における積層公差Ｌｃが大きくなっても、用意すべき支承ピン１３を少なくすることができる。

また、ばね部材３２は、一対のばね端部３２３を支承ピン１３よりも外方に配置している。そして、自然長における一対のばね端部３２３の間の距離Ａと、自然長における一対の支承部３２２の間の距離Ｂとは、Ａ≧１．２２Ｂを満たす。そのため、一対のばね端部３２３は、支承ピン１３の配設位置よりも充分に外側に配置される。これにより、半導体積層ユニット２の一端に加圧部材３を配置して押圧する際に、多少の寸法公差や配置のずれが生じても、支承ピン１３に干渉することなく、一対のばね端部に押圧治具４を確実に当接させることができる。これにより、押圧治具４によって一対のばね端部３２３を当接プレート３１側へ確実に押圧することができる。

すなわち、仮に、図１２に示すごとく、一対のばね端部３２３の間の距離Ａが、一対の支承部３２２の間の距離Ｂに対して小さいと、押圧治具４をばね端部３２３に対して確実に当接させることが困難となる。すなわち、押圧治具４を一対の支承ピン１３の外側からばね端部３２３に当接させることが困難となる。特に、大きな直径の支承ピン１３を用いたとき、ばね部材３２等の寸法公差や配置のずれを考慮すると、押圧治具４をばね端部３２３に当接させることが困難となる。
これに対して、本発明においては、Ａ≧１．２２Ｂを満たしているため、多少の寸法公差や配置のずれが生じても、一対のばね端部に押圧治具４を確実に当接させることができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体積層ユニットを加圧する加圧部材の配設を小さい力で容易に行うことができると共に、製造コスト、生産効率に優れた電力変換装置及びその製造方法を提供することができる。

なお、上記実施例１において、許容されるばね部材３２の弾性力の下限値を２．１ｋＮ、許容される押圧治具による半導体積層ユニット２への押圧力の上限値を５ｋＮとしたが、これらの値は例示であり、本発明は、これに限定されるものではない。
また、上記実施例１において、ばね部材の支承部を支承する支承体として、円柱形状の支承ピン１３を用いる例を示したが、上記支承体としては、例えば三角柱形状、四角柱形状、半円柱形状、楕円柱形状等、円柱形状以外の形状のものを用いることもできる。

（実施例２）
本例は、図１３に示すごとく、ばね部材３２のばね端部３２３における支承ピン１３側の面３２４と端面３２５との間の角部３２６に、曲面を設けた例である。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、押圧治具４をばね端部３２３に安定して当接させることができ、より確実にばね部材３２を弾性変形させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１４に示すごとく、ばね部材３２の支承部３２２とばね端部３２３との間に、支承ピン１３側に凸となるように屈曲した屈曲部３２７を設けた例である。本例においては、ばね端部３２３が半導体積層ユニット２の積層方向に略垂直となる。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、押圧治具４をばね端部３２３に安定して当接させることができ、より確実にばね部材３２を弾性変形させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、電力変換装置の製造方法の説明図。 実施例１における、ばね部材の斜視図。 実施例１における、電力変換装置の説明図。 実施例１における、ばね部材の説明図。 実施例１における、（Ａ）弾性力が下限値であるときのばね部材の説明図、（Ｂ）荷重が上限値であるときのばね部材の説明図。 比較例における、（Ａ）弾性力が下限値であるときのばね部材の説明図、（Ｂ）荷重が上限値であるときのばね部材の説明図。 実施例１における、異なる３箇所でそれぞれ押圧したときのばね部材の荷重−変位特性を示す線図。 比較例における、半導体積層ユニットの積層公差が小さいときのばね部材の配設状態を示す説明図。 比較例における、半導体積層ユニットの積層公差が大きいときのばね部材の配設状態を示す説明図。 比較例における、半導体積層ユニットの積層公差が大きいときに異なる直径の支承体を用いたばね部材の配設状態を示す説明図。 実施例１における、半導体積層ユニットの積層公差が大きいときのばね部材の配設状態を示す説明図。 一対のばね端部の間の距離Ａが一対の支承部の間の距離Ｂに対して充分に大きくない場合の問題点を示す説明図。 実施例２における、ばね部材のばね端部付近の形状を表す説明図。 実施例３における、ばね部材のばね端部付近の形状を表す説明図。 従来例における、電力変換装置の説明図。 従来例における、電力変換装置の製造方法の説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
１１ 筐体
１１１ 内壁
１３ 支承体
２ 半導体積層ユニット
２１ 半導体モジュール
２２ 冷却管
３ 加圧部材
３１ 当接部材
３１１ 当接面
３２ ばね部材
３２１ 押圧部
３２２ 支承部
３２３ ばね端部
４ 押圧部材

Claims (7)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置を製造する方法であって、
   上記電力変換装置の筐体に上記半導体積層ユニットを配置した後、
   上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有する加圧部材を配置し、
   上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
   上記ばね部材における上記支承部よりも外側の一対のばね端部に押圧治具を当接させて上記ばね端部を上記当接プレート側へ押し込むことにより上記ばね部材を弾性変形させた状態で、上記一対の支承部の後方位置において上記筐体内に一対の支承体を配設し、
   次いで、上記押圧治具を後退させて上記ばね部材が復元する方向に上記一対の支承部を変位させることにより、該支承部と上記筐体の内壁との間に上記支承体が挟持される状態で、上記支承部を上記支承体に支承させることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
2. 請求項１において、上記ばね部材は、上記ばね端部における上記支承体側の面と端面との間の角部に、曲面を設けてなることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
3. 請求項１又は２において、上記ばね部材は、上記支承部と上記ばね端部との間に、上記支承体側に凸となるように屈曲した屈曲部を設けてなることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
4. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
   上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
   該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
   上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
   上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
   上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込むときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４において、上記ばね部材は、自然長における上記一対のばね端部の間の距離をＡとし、自然長における上記一対の支承部の間の距離をＢとしたとき、Ａ≧１．２２Ｂを満たすことを特徴とする電力変換装置。
6. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
   上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
   該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
   上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
   上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
   上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込んで上記ばね部材を弾性変形させるときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置しており、
   上記ばね部材は、上記ばね端部における上記支承体側の面と端面との間の角部に、曲面を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
7. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
   上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
   該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
   上記ばね部材は、上記当接プレート側に凸の状態で湾曲した押圧部と、該押圧部の両端に形成された支承部とを有し、
   上記ばね部材は、上記電力変換装置の筐体の内壁と上記支承部との間に介在される一対の支承体に上記支承部を支承させると共に上記当接プレートに上記押圧部を当接させて、上記当接プレートを上記支承体から離れる方向に押圧するように付勢された状態で配設されており、
   上記ばね部材は、該ばね部材を上記当接プレート側に押し込んで上記ばね部材を弾性変形させるときに押圧治具が当接する一対のばね端部を上記支承体よりも外方に配置しており、
   上記ばね部材は、上記支承部と上記ばね端部との間に、上記支承体側に凸となるように屈曲した屈曲部を設けてなることを特徴とする電力変換装置。

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