JP3790225B2 - 放熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相インバータ装置のように６個のスイッチング素子を用いるものにおいて、プリント基板上に１列に配設された６個のスイッチング素子を放熱板に固定するための固定板を備えた放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、空気調和機の圧縮機を能力制御運転する場合、交流電圧を整流器で全波整流し、得られた直流を、インバータ主回路を介して、交流に変換して圧縮機駆動用の電動機に供給するインバータ装置が用いられる。インバータ主回路はトランジスタやＩＧＢＴ等の６個のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたものでなっている。これらのスイッチング素子には大電流が流れるため発熱量が大きく、そのままでは破壊する虞れがある。そこで、アルミニウムなどの熱伝導率の大きい素材でなる放熱板（ヒートシンク）に取り付けて放熱性能を向上させ、素子が所定温度以上にならないような対策が講じられている。
【０００３】
放熱板にスイッチング素子を取り付ける従来例として、一列に配置された４個の発熱素子を、緩衝材を介して、１枚の押さえ板によって放熱板に向けて押しつけると共に、押さえ板の中央部をねじによって放熱板に締め付けて固定する放熱装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この種のもう１つの従来例として、２個の半導体電子部品を単一の弾性部材によって放熱器に押さえつける放熱装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
これらの放熱装置は、複数の発熱素子を同時に放熱板に取り付けるため、これらの発熱素子をねじ等によって個々に放熱板に取り付けるよりも取付けの作業性を向上させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−６８６７１号公報
【特許文献２】
実開平２−９４４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した放熱装置のうち、４個の発熱素子を１枚の押さえ板によって締め付け、固定するものは、素子と押さえ板の間に緩衝材が介挿されているため、素子の厚みにバラツキがあってもこれらの素子のすべてが放熱板に密着させられるが、常に緩衝材を設けなければならないという課題があった。
【０００８】
さらに、２個の素子を弾性部材によって放熱板に取り付けるものは、２個を１セットとしているため、インバータ主回路を構成する６個のスイッチング素子を固定するには３個の弾性部材を用意しなければならなかった。さらに、上述した２種類の放熱装置は素子の締め付け、固定に際して、素子の位置を規制するものがないため、隣接する素子の相互間隔が狭まって絶縁性能が劣化する虞れもあった。
【０００９】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、６個のスイッチング素子間で厚みにばらつきがある場合でも、単一の固定板によって放熱板に確実に密着させることのできる放熱装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、隣接する素子の相互間隔を適切に保持することのできる放熱装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、
プリント基板上に１列に配設された６個のスイッチング素子を放熱板に固定するための固定板を備えた放熱装置において、
固定板は、単一の金属製板体を成形したものでなり、スイッチング素子が配設される方向に細長く形成された基部、この基部の一側方に互いに離隔して延設され、連結部を介して、基部に連結された３個の素子押さえ部を有し、
素子押さえ部は、それぞれ基部の長手方向に２つのスイッチング素子を一組として押さえる横幅を有し、かつ、幅方向中央部にスイッチング素子を挟持して放熱板に締結するねじ用貫通孔が形成され、
連結部は、スイッチング素子を挟持して素子押さえ部を放熱板に締結したとき、放熱板に対して素子押さえ部の傾動を可能にするように素子押さえ部よりも横幅が狭く形成されている、
ことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の適用対象であるインバータ装置の主回路の概略構成を示す回路図である。同図において、３相交流電源１に全波整流型の整流器２が接続され、この整流器２から全波整流された脈流が出力される。この脈流が平滑コンデンサ３によって平滑され、直流がインバータ主回路４に供給される。インバータ主回路４は６個のスイッチング素子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚが３相ブリッジ接続されている。ここで、スイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺが直列接続され、これらの直列接続回路が並列接続され、その両端に直流電圧が印加される。また、スイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺの各相互接続点が電動機５の入力端子に接続されている。
【００１３】
本実施形態はインバータ主回路４を構成するスイッチング素子ＵとＸ、ＶとＹ、ＷとＺをそれぞれ対にして単一の固定板を用いて放熱板に締め付け固定するものである。図２はプリント基板６に実装されるスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚを固定板で保持すると同時に、放熱板に密着させる状態を、整流器２の実装状態と併せて示した斜視図である。図２において、プリント基板６上に整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの被冷却面が同一平面上に位置するように、それぞれの端子を挿入するスルーホールがプリント基板６に形成されている。これらのスルーホールに整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの端子を挿入した状態で各端子がハンダ付けされる。ハンダ付けされた整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚを放熱板７に密着させるために固定板１０Ａが取付けられる。
【００１４】
固定板１０Ａは、素子の配列方向に細長く形成された基部１１と、この基部１１をその長手方向の両端で、プリント基板６上に橋架する一対の脚部１２と、この脚部１２のプリント基板６の素子取付面に当接する足部１３と、基部１１の一側方（下方）に互いに離隔して延設され、連結部を介して、基部に連結された３個の素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７とを備え、これらが１枚の金属板で一体的に折り曲げ成形加工されたものでなっており、足部１３がプリント基板６にプリント基板６の背面からねじ１３ｂでねじ止めされる。
【００１５】
ここで、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２が、固定板１０Ａの素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７と放熱板７とで挟まれた状態でねじ止めされる。放熱板７は後述するように、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２を密着させる取付胴部と、その裏側の放熱フィンとを備えている。素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７はそれぞれねじ用貫通孔を備え、ここにねじを通して放熱板７の取付胴部のねじ孔にねじ込みされる。
【００１６】
図３は固定板１０Ａの詳細な構成を示す斜視図であり、（ａ）はスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２が取り付けられ、放熱板７と対向する背面側を示し、（ｂ）は放熱板７が位置する側とは反対の正面側を示している。ここで、固定板１０Ａは上側部に補強のための折り曲げ部１１ａを有する基部１１の両端に脚部１２が一体的に形成され、さらに、基部１１の下側部に３個の素子押さえ部１５及び整流器押さえ部１７が一体的に形成されている。このうち、脚部１２はその下端に足部１３を備え、この足部１３にはプリント基板６に固定するためのねじ用貫通孔１３ａが設けられている。素子押さえ部１５は２つのスイッチング素子、例えば、Ｗ，Ｚを所定の間隔を持って同時に押さえ得るように幅広に、すなわち、横幅Ａに形成され、その上端部が横幅の狭い、すなわち、横幅がＢ（<<Ａ）に形成された連結部１４を介して、基部１１に連結されている。
【００１７】
この場合、連結部１４は基部１１から斜め下方に傾斜して延出し、かつ、その先端部が略鉛直に下方に折り曲げられた形状を有し、素子押さえ部１５は基部１１と平行にして、素子の表面の形状に合わせて段差を付けて折り曲げ加工されている。また、連結部１４の近傍で、横幅方向の中心部にねじ用貫通孔１６が設けられている。このねじ用貫通孔１６は、素子押さえ部１５によって固定される一対のスイッチング素子の間の隙間に位置している。ここで、連結部１４の横幅Ｂを狭くした理由は、一対のスイッチング素子、例えば、Ｗ，Ｚの厚みが異なる場合でも、これらのスイッチング素子Ｗ，Ｚの両方に、ねじによる締め付け力が作用するような捻れを起こさ、スイッチング素子Ｗ，Ｚの両方の厚さが他より厚かったり、薄かったりしたときに曲がりを生じさせたりすることにある。さらに、素子押さえ部１５の下端部はスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの形名表示部Ｎの見分けができるように、この形名表示部Ｎを避けて押さえる端部形状を有している。整流器２を押さえるための整流器押さえ部１７も、素子押さえ部１５と略同様に形成され、整流器２は、その中央上部に設けられている固定用孔を貫通するねじによって、整流器押さえ部１７を介して固定される。
【００１８】
ここで、本実施形態に係る放熱装置をプリント基板へ装着する手順を説明する。先ず、図４に示すように、プリント基板６に形成された所定のスルーホールに整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの冷却面が同一の方向、すなわち、外側を向くように各端子を挿入する。図５はこれらの端子をハンダ付けする場合に、各冷却面を同一平面上に揃えるための位置合わせ冶具２０の概略構成を示す斜視図である。この位置合わせ冶具２０は素子の形状に合わせて下方に段差を有する平面部２１を有し、両端部に位置決め突起２２が、その中間部に複数の位置決め突起２３がそれぞれ形成され、これらの位置決め突起間が、整流器嵌挿部２Ｓ、素子嵌挿部ＵＳ，ＸＳ，ＶＳ，ＹＳ，ＷＳ，ＺＳになっている。図６はこの位置合わせ冶具２０の整流器嵌挿部２Ｓ、素子嵌挿部ＵＳ，ＸＳ，ＶＳ，ＹＳ，ＷＳ，ＺＳにそれぞれ整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚが嵌り込むようにしてプリント基板６上に保持し、この状態で各端子をプリント基板６にハンダ付けをする。
【００１９】
次に、位置合わせ冶具２０を除去し、その代わりに図３に詳細を示す固定板１０Ａを、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２の表面に固定板１０Ａの裏面が対向するように載置し、足部１３のねじ用貫通孔１３ａにねじを挿入してプリント基板６にねじ止めすることによって、固定板１０Ａを固定する。続いて、図７にその断面を示すように、外側に放熱フィン７２〜７９を有する放熱板７の取付胴部７１をスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚ及び整流器２の裏面に、絶縁シート９を介して、押し当てる。この状態でねじ用貫通孔１６にねじを挿入して放熱板７のねじ孔（図示を省略）にねじ込むことにより、スイッチング素子Ｕ，Ｘ、Ｖ，Ｙ、Ｗ，Ｚの２個を一組として素子押さえ部１５と取付胴部７１とで挟持し、ねじ用貫通孔１８にねじを挿入して放熱板７のねじ孔にねじ込むことにより、整流器２を整流器押さえ部１７と取付胴部７１とで挟持する。これによって、整流器２及びスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの被冷却面が放熱板７の整流器押さえ部１７に密着される。
【００２０】
図８は厚みの異なるスイッチング素子が放熱板７の取付胴部７１に密着せしめられる状態を示したもので、例えば、スイッチング素子Ｕ，Ｗ，Ｚの厚みがｔ１で、スイッチング素子Ｘの厚みがｔ２（＞ｔ１）で、スイッチング素子Ｖ，Ｙの厚みがｔ３（＞ｔ２）であったとする。このとき、対をなして素子押さえ部１５によって固定されるスイッチング素子Ｕ，Ｘ，は互いにその厚みが異なったとしても、ねじ３０によって素子押さえ部１５を締め付けたとき、この素子押さえ部１５を基部１１に連結する連結部１４の捻れによってそれぞれの接触面が取付胴部７１に密着されることになる。また、対をなして素子押さえ部１５によって固定されるスイッチング素子Ｖ，Ｙは他と比較して最も厚みが大きく、スイッチング素子Ｗ，Ｚは他と比較して最も厚みが小さいが、対になるものどうしの厚みが等しいため連結部１４の曲がりのみによってそれぞれの接触面が取付胴部７１に密着されることになる。
【００２１】
一般に、スイッチング素子のパッケージの厚みは均一に製造されるが、完全に同一寸法に製造することは困難であり、ある程度の許容誤差が存在する。この許容誤差は１ｍｍ以内であるが、この僅かな厚みの差によってスイッチング素子が放熱板７に十分に密着しなかった場合、その素子が熱破壊を起こすため、素子と放熱板７とは確実に密着させる必要がある。なお、素子と放熱板７との間には絶縁シート９が介在するが、この絶縁シート９は熱伝達率が高く、極めて薄い厚みが均一なシートでなるため、素子と放熱板７との密着性に悪影響を及ぼすことがないことから上述の説明では省略している。
【００２２】
かくして、本発明に係る放熱装置の第１の実施形態によれば、単一の金属製板体を成形した固定板１０Ａが、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚが配設される方向に細長く形成された基部１１と、この基部１１の一側方に、それぞれ連結部１４を介して連結され、互いに離隔して形成された３個の素子押さえ部１５を有し、これらの素子押さえ部１５が２つのスイッチング素子を一組として押さえるような横幅を有しているのに対して、連結部１４の横幅をより狭く形成したので、ねじで素子押さえ部１５を締め付けたとき、スイッチング素子間で厚みにばらつきがある場合でも、単一の固定板によって放熱板に確実に密着させることができる。
【００２３】
また、３相インバータ装置では６個のスイッチング素子は、同一定格、例えば電流が１５Ａ等、のものを用いる必要があるが、低い定格電流の場合、定格電流が異なっていてもスイッチング素子の外観形状は同一に規格化されていることから製造現場において異なる定格の素子を混在させてしまう可能性がある。そこで、素子押さえ部１５はスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの形名表示部Ｎを避けて押さえる形状を有しているため、メーカーの異なる複数種類のスイッチング素子を採用しても、その型名や定格を目視することができ、取付の間違いを未然に防ぐことができる。
【００２４】
図９は本発明に係る放熱装置の第２の実施形態を説明するために、第１の実施形態と構成を異にする固定板１０Ｂの形状を示す斜視図である。固定板１０Ｂ以外は第１の実施形態と同一であるので、それらの要素に対する図面及びその説明を省略している。また、第１の実施形態を構成する固定板１０Ａと同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２５】
この図９に示した固定板１０Ｂは、素子押さえ部１５の幅方向中央部から、素子取付側、すなわち、放熱板方向に折れ曲がって突出する突出部４１と、素子押さえ部１５の幅方向の両側部から放熱板方向に折れ曲がって延出する腕部４２ａ又は腕部４２ｂを備えている点、基部１１を長手方向の両端で橋架する一対の脚部１２の内側に、プリント基板６に形成された孔（図示せず）に挿入される固定用突起部４３を備えた点が第１の実施形態を構成する固定板１０Ａと構成を異にしている。以下、固定板１０Ａと構成を異にする点について、その機能を説明する。
【００２６】
素子押さえ部１５によって一対のスイッチング素子を締め付けて固定するとき、厚みの違い等によって相互方向に動く場合がある。突出部４１と腕部４２ａ又は腕部４２ｂはこれらのスイッチング素子を適正に位置決めするもので、例えば、図１０に示すように、突出部４１の平面形状を三角形とし、素子押さえ部１５がスイッチング素子側に押しつけられるとこれらのスイッチング素子のそれぞれが突出部４１によって幅方向外側に変位する力を作用させる。このとき、素子押さえ部１５の両側部からスイッチング素子の方向に折れ曲がった腕部４２ａ又は腕部４２ｂに押しつけられる。これによって、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの位置が規制され、素子の相互間隔を適切に保持することができる。 この場合、腕部４２ａ及び腕部４２ｂを同一の高さ位置に形成すると、固定板１０Ｂ自体は単一の金属製板体を折り曲げ成形しているため、素子押さえ部１５の相互間隔を拡げなければならなくなる。この相互間隔を狭めるために、３個の素子押さえ部１５のうち、中央に位置する素子押さえ部１５にはその上端部に腕部４２ｂが形成され、その両側に位置する素子押さえ部１５にはその下端部に腕部４２ａが形成されている。
【００２７】
なお、本実施形態においては素子押さえ部１５の両側部の腕部４２ａまたは４２ｂの取り付けられているプリント基板からの高さを素子押さえ部１５毎に同じとし、隣り合う素子押さえ部１５間でのそれぞれの腕部４２ａと腕部４２ｂの高さを異ならせたが、各素子押さえ部１５の左右の腕部４２ａの高さを異ならせ、隣の素子押さえ部１５と向かい合う腕部どうしの高さを異ならせても同じ効果が得られる。
【００２８】
一方、脚部１２の近傍に形成された固定用突起部４３は、プリント基板６の孔に差し込むと共に、足部１３を基板に当接させた状態でハンダ付けをするもので、これによって、足部１３をプリント基板６にねじ止めする前に固定板１０Ｂの位置決めができる効果がある。
【００２９】
図１０は図８を用いて説明したと同様に、スイッチング素子Ｕ，Ｗ，Ｚの厚みがｔ１で、スイッチング素子Ｘの厚みがｔ２（＞ｔ１）で、スイッチング素子Ｖ，Ｙの厚みがｔ３（＞ｔ２）であったとしても、連結部１４の捻れ又は曲がりによってそれぞれの接触面が取付胴部７１に密着されることを表すと同時に、各腕部４２ａ，４２ｂと突出部４１によりスイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの位置が規制される状態を示した説明図である。
【００３０】
かくして、図９に固定板１０Ｂを示した第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、スイッチング素子Ｕ，Ｘ，Ｖ，Ｙ，Ｗ，Ｚの相互間隔が適正に保持され、また、そのために腕部４２ａ又は腕部４２ｂを設けたとしてもこれらが高さの異なる位置に設けられているため固定板１０Ｂの長手方向の長さが押さえられてプリント基板６の幅を拡げずに済み、さらに、固定用突起部４３を設けたことによって固定板１０Ｂの位置決めがそのねじ止め前にできるという効果も得られる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、６個のスイッチング素子間で厚みにばらつきがある場合でも、単一の固定板によって少ない部品点数で放熱板に確実に密着させることのできる放熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用対象であるインバータ装置の主回路の概略構成を示す回路図。
【図２】本発明に係る放熱装置の第１の実施形態を、整流器の実装状態と併せて示した斜視図。
【図３】第１の実施形態を構成する固定板の詳細な構成を示す斜視図。
【図４】第１の実施形態の装着手順のうち、プリント基板に対するスイッチング素子の組み付け状態を示す斜視図。
【図５】図４に示したスイッチング素子の位置合わせ冶具の構成を示す斜視図。
【図６】図５に示した位置合わせ冶具の適用状態を示す側面図。
【図７】第１の実施形態を構成する放熱板の構成及びその組み付け状態を示す断面図。
【図８】第１の実施形態において、スイッチング素子に厚みの違いがある場合でもそれぞれの接触面が放熱板に密着される状態を示した断面図。
【図９】本発明に係る放熱装置の第２の実施形態を構成する固定板の詳細な構成を示す斜視図。
【図１０】第２の実施形態において、スイッチング素子の接触面が放熱板に密着される状態とあわせて、相互間隔が規制される状態を示した断面図。
【符号の説明】
４ インバータ主回路
６ プリント基板
７ 放熱板
１０Ａ，１０Ｂ 固定板
１１ 基部
１２ 脚部
１３ 足部
１４ 連結部
１５ 素子押さえ部
１６ ねじ用貫通孔
３０ ねじ
４１ 突出部
４２ａ，４２ｂ 腕部
４３ 固定用突起部
Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚ スイッチング素子

Claims (4)

1. プリント基板上に１列に配設された６個のスイッチング素子を放熱板に固定するための固定板を備えた放熱装置において、
   前記固定板は、単一の金属製板体を成形したものでなり、前記スイッチング素子が配設される方向に細長く形成された基部、この基部の一側方に互いに離隔して延設され、連結部を介して、前記基部に連結された３個の素子押さえ部を有し、
   前記素子押さえ部は、それぞれ前記基部の長手方向に２つの前記スイッチング素子を一組として押さえる横幅を有し、かつ、幅方向中央部に前記スイッチング素子を挟持して前記放熱板に締結するねじ用貫通孔が形成され、
   前記連結部は、前記スイッチング素子を挟持して前記素子押さえ部を前記放熱板に締結したとき、前記放熱板に対して前記素子押さえ部の傾動を可能にするように前記素子押さえ部よりも横幅が狭く形成されている、
   ことを特徴とする放熱装置。
2. 前記放熱板に対向する面を裏面としたとき、前記スイッチング素子はその表面に素子の形名が表示され、前記素子押さえ部は前記スイッチング素子の形名表示部を避けて押さえる形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の放熱装置。
3. 前記素子押さえ部は、幅方向中央部から前記放熱板方向に折れ曲がって突出する突出部と、幅方向の両側部から前記放熱板方向に折れ曲がって延出する腕部とを備え、この腕部は、隣り合う素子押さえ部の腕部に対し、異なる高さ位置に設けられ、前記突出部と前記腕部との間にそれぞれ前記スイッチング素子を嵌装することを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱装置。
4. 前記固定板は、前記基部をその長手方向の両端で、前記プリント基板上に橋架する一対の脚部を備え、前記脚部は前記プリント基板の素子取付面に当接する足部と、前記プリント基板に形成された孔に挿入される固定用突起部とを備えた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の放熱装置。

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