JP2014011221A - 冷却構造を有するコイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多層のコイル３を具えたコイル装置において、コイル内の温度分布を均一化する。
【解決手段】本発明に係る冷却構造を有するコイル装置において、導線３０は、内部に冷却用流体の流路３５を有する中空導線３０であって、コイル３は、巻軸方向に繰り返し並ぶ複数の単位コイル部３１を具え、各単位コイル部３１は、中空導線３０を渦巻き状に巻回して形成される互いに内周長の異なる複数の単位巻部３２、３３、３４を具え、内周長の大きな単位巻部の内側に内周長の小さな単位巻部の少なくとも一部が侵入しており、隣接する２つの単位コイル部３１、３１は、最外周の単位巻部３４、３４どうし若しくは最内周の単位巻部３２、３２どうしで、互いに繋がっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却水等によって冷却することが可能な冷却構造を有するコイル装置に関するものである。

従来、図７に示す如きコイル装置が知られている。該コイル装置は、一対のＵ字状のコア片(２)(２)を互いに突き合わせてなる環状の磁性コア(１)の周囲に、表面被覆された導線(70)を多層に巻回してなる一対のコイル(７)(７)を装着したものであって、該コイル(７)(７)は一対のボビン(８)(８)の周囲に巻回されている。

該コイル装置において、一対のコイル(７)は渡り線(72)を介して互いに繋がっており、一方のコイル(７)から一方の引出し線(71)が引き出されると共に、他方のコイル(７)から他方の引出し線(73)が引き出されている。
該コイル装置は、導線(70)に通電することによって、リアクトルとして機能する。

しかしながら、この様なコイル装置は導線(70)に大電流が流れることによって発熱し、発熱による過大な温度上昇によって、抵抗値の増大や寿命の短縮等の問題が生じる。
そこで、導線を中空導線として、該中空導線に冷却水を流すことによって、コイル装置を冷却することが提案されている(特許文献１)。

特開平７−３０７２３２号公報

ところで、コイル装置においては、図８に示す如くコイル(７)を複数(図８では３層)のコイル層(74)(75)(76)から形成して巻数を増大させることが行なわれる。この場合、コイル(７)を形成する導線の全長が長くなるにつれて、コイル(７)からの発熱が大きくなる。

しかしながら、図８に示すコイル装置においては、第１層(74)が第２層(75)によって覆われ、第２層(75)が第３層(76)によって覆われているため、第１層(74)の導線の表面から発生する熱が第２層(75)や第３層(76)によって遮蔽されることになる。

又、通電によって、コイル(７)が装着される磁性コア(図示省略)も渦電流の発生によって発熱するが、磁性コアは、コイル(７)の第１層(74)、第２層(75)及び第３層(76)によって覆われているため、磁性コアから発生する熱がコイル(７)の第１層(74)、第２層(75)及び第３層(76)によって遮蔽されることになる。

この結果、図８に示すコイル装置では、コイル(７)の第１層(74)の導線が最も大きく温度上昇し、コイル(７)内の温度分布に大きな偏りが生じる。

そこで、図８に示す如く複数(図示する例では３層)のコイル層(74)(75)(76)からなるコイル装置において中空導線を採用し、該中空導線に冷却水を流す冷却構造を装備することが考えられる。
この場合、冷却水は、図８に１〜２９の数字で示すコイル(７)の巻線順序に従って、コイル(７)の第１層(74)から第２層(75)を経て第３層(76)に流れ、或いは逆に、第３層(76)から第２層(75)を経て第１層(74)に流れ、これに伴う熱交換によって、温度上昇した導線は、その内部から冷却水によって冷却されることになる。

ところが、上述の冷却構造を有するコイル装置においても、依然としてコイル内の不均一な温度分布が解消されない問題があった。

本発明の目的は、コイル内の温度分布を従来よりも均一に近づけることが出来る冷却構造を有するコイル装置を提供することである。

出願人は、上記目的を達成するべく鋭意研究を行なった結果、次の知見を得ることで本発明の完成に至った。
Ａ．導線の内部を流れる冷却水と導線の内周面との間の熱交換による冷却効果(以下、水冷効果という)によって、導線が冷却されるが、冷却水によって奪われた熱が冷却水と共に出口に向かって運搬される過程で、導線の外周面と外気との間の熱交換による冷却効果(以下、空冷効果という)により、外気へ熱が放散されるので、コイルに対する冷却効果は、水冷効果と空冷効果が重畳された複合的なものとなる。

Ｂ．導線の断面における温度分布は、表皮効果により、外周面側の温度が高くなる傾向にあるため、空冷効果もコイルの冷却に大きく寄与しているが、図８に示す従来のコイル装置のコイル(７)では、最も温度が上昇する第１層(74)が第２層(75)によって覆われ、第２層(75)が第３層(76)によって覆われているため、空冷効果は、最内周の第１層(74)で最も小さく、最外層の第３層(76)で最も大きなものとなる。

Ｃ．図８に示す従来のコイル装置では、コイル(７)の内部を流れる冷却水が、各コイル層を順次通過するが、この冷却水の流れは、各コイル層内における巻軸に沿う方向の流れが主体的であり、巻軸と直交する方向の流れは殆ど存在しないので、冷却水の流れに伴う各コイル層間の熱交換が殆ど発生せず、これによって、最内周のコイル層と最外周のコイル層の間で、複合的な冷却効果に大きな差が存在する。
この結果、従来のコイル装置では、最内周のコイル層と最外周のコイル層の間で大きな温度差が生じていたのである。

本発明の冷却構造を有するコイル装置は、少なくとも１本の導線を多層に巻回してなるコイルを具え、
前記導線は、内部に冷却用流体の流路を有する中空導線であって、前記コイルは、巻軸方向に繰り返し並ぶ複数の単位コイル部を具え、各単位コイル部は、中空導線を渦巻き状に巻回して形成される互いに内周長の異なる複数の単位巻部を具え、内周長の大きな単位巻部の内側に内周長の小さな単位巻部の少なくとも一部が侵入しており、隣接する２つの単位コイル部は、最外周の単位巻部どうし若しくは最内周の単位巻部どうしで、互いに繋がっている。
具体的態様において、前記コイルは、磁性コアの周囲に巻装されている。

本発明のコイル装置は、前記中空導線に交流の電流が通電されることによってリアクトルとして機能し、若しくは前記コイルを１次巻線若しくは２次巻線として２次巻線若しくは１次巻線との組合せにより変圧器として機能する。
該コイル装置においては、通電によって中空導線が発熱するが、中空導線への通電と同時若しくは適時に、中空導線内の流路に冷却用の流体が流され、中空導線と冷却用流体との間の熱交換によって、中空導線が冷却される。

本発明のコイル装置においては、コイルが、内周側から外周側へ向かって巻軸と交叉する方向に積層された外向き巻回単位コイル部と、外周側から内周側へ向かって巻軸と交叉する方向に積層された内向き巻回単位コイル部とを、巻軸方向へ交互に並べて構成されているので、中空導線の流路の一端から他端へ向かって冷却用流体を流すと、該流体は、導線の巻線経路に沿って、外向き巻回単位コイル部と内向き巻回単位コイル部とを交互に流れる。

そして、各単位コイル部では、最内周の単位巻部から最外周の単位巻部へ向かって冷却用流体が流れ、或いは最外周の単位巻部から最内周の単位巻部へ向かって冷却用流体が流れる。
この様にして、コイル内を流れる冷却用流体は、全ての単位コイル部を通過する過程で、最内周の単位巻部と最外周の単位巻部との間で往復を繰り返すことになる。
この冷却用流体の流れによって、最内周の単位巻部から最外周の単位巻部へ向かって、或いは最内周の単位巻部から最外周の単位巻部へ向かって、熱が運搬される。

ここで、単位コイル部の最内周の単位巻部は、その外周側に位置する１或いは複数の単位巻部によって覆われているため、中空導体の外周面と外気との間の熱交換による空冷効果は低く、温度が上昇する傾向にあるのに対し、最外周の単位巻部は、比較的高い空冷効果を受けて、温度上昇が抑制される傾向にある。

従って、上記コイル装置においては、上述の如く最内周の単位巻部と最外周の単位巻部との間で冷却用流体が往復を繰り返す過程で、コイルが、冷却用流体による冷却効果と外気による空冷効果とが重畳された複合的な冷却効果を受けることにより、最内周のコイル層と最外周のコイル層との温度差が縮小されることになる。

本発明に係る冷却構造を有するコイル装置によれば、コイル内の温度分布を従来よりも均一に近づけることが出来る。

図１は、本発明の一実施態様であるコイル装置の斜視図である。 図２は、該コイル装置の断面図である。 図３は、該コイル装置を構成するコイルの製造方法を表わす図である。 図４は、本発明の他の実施態様であるコイル装置の一部を示す断面図である。 図５は、該コイル装置を構成するコイルの巻線順序を表わす図である。 図６は、該コイル装置の外観を示す斜視図である。 図７は、従来のコイル装置を示す斜視図である。 図８は、該コイル装置を構成するコイルの巻線順序を示す図である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１に示すコイル装置は、磁性圧粉や磁性積層板からなるコア(６)の周囲に、表面が絶縁被覆された銅製の中空導線(30)を多層に巻回してなるコイル(３)を巻装したものであって、中空導線(30)は断面円形に形成されている。

該コイル装置は、コイル(３)に高周波電流を流すことによってリアクトルとして機能するものであり、コイル(３)の一方の引出し線(30a)から他方の引出し線(30b)に向かって冷却水を流すことによって、コイル(３)の冷却が行なわれる。
尚、コイル(３)の周囲には、コイル(３)の表面から発生する熱を放散するために必要な外気空間が確保されている。

コイル(３)は、図３(ａ)(ｂ)に示す方法によって製造される。
先ず、図３(ａ)に示す如く１本の中空導線を渦巻き状に巻回することにより、互いに異なる内周長を有する第１単位巻部(32)、第２単位巻部(33)及び第３単位巻部(34)を、巻軸方向に連続して形成すると共に、これら複数の単位巻部(32)(33)(34)からなる単位コイル部を、巻軸方向に連続して形成して、空芯コイルの中間製品を作製する。

次に、該中間製品を巻軸方向に圧縮して、図３(ｂ)の如く、第３単位巻部(34)の内側に第２単位巻部(33)を押し込み、該第２単位巻部(33)の内側に第１単位巻部(32)を押し込むことにより、複数のコイル層(図示する例では３層)からなる空芯コイルの完成品を得る。
そして、この様にして作製されたコイル(３)を図１に示す如くコア(６)の外周に装着することによって、コイル装置を完成する。

該コイル装置は、図２に示す如く、巻軸方向に繰り返し並ぶ複数の単位コイル部(31)を具え、各単位コイル部(31)は、中空導線(30)を渦巻き状に巻回して形成される互いに内周長の異なる複数(図示する例では３つ)の単位巻部(32)(33)(34)を具え、内周長の最も大きな単位巻部(34)の内側にその次に内周長が大きな単位巻部(33)が侵入しており、該単位巻部(33)の内側に最も内周長の小さな単位巻部(32)が侵入している。

そして、隣接する２つの単位コイル部(31)(31)は、最外周の単位巻部(34)(34)どうし、若しくは最内周の単位巻部(32)(32)どうしで、互いに繋がっており、中空導線(30)の内部には、全長に亘って流路(35)が延びている。

該コイル装置のコイル(３)においては、図３(ｂ)の如く、内周側から外周側へ向かって中空導線を渦巻き状に巻回してなる外向き巻回単位コイル部(31a)と、外周側から内周側へ向かって中空導線を渦巻き状に巻回してなる内向き巻回単位コイル部(31b)とが巻軸方向へ交互に並ぶことになる。

従って、この様なコイル(３)に冷却水を流すことにより、冷却水は、例えば外向き巻回単位コイル部(31a)を内周側から外周側へ向かって流れると共に、内向き巻回単位コイル部(31b)を外周側から内周側へ向かって流れ、全ての単位コイル部(31)を通過する過程で、最内周の単位巻部(32)と最外周の単位巻部(34)の間で往復を繰り返す。

この過程で、各単位巻部では、その内周面で冷却水との間の熱交換が行なわれると共に、その外周面で外気との間の熱交換が行なわれ、水冷と空冷が重畳した複合的な冷却効果によってコイル(３)の冷却が行なわれる。

ここで、各単位コイル部(31)の最内周の単位巻部(32)は、その外周側に位置する単位巻部(33)(34)によって覆われているため、最内周の単位巻部(32)が受ける空冷効果は低いが、最外周の単位巻部(34)は比較的大きな空冷効果を受けることになる。

上記コイル装置において、コイル(３)内の冷却水の流れは、図３(ｂ)に示す巻線順序により、巻軸に沿う方向の流れは殆ど存在せず、巻軸と交叉する方向の流れが主体的であって、最内周の単位巻部(32)から最外周の単位巻部(34)へ向かって流れる冷却水が、最内周の単位巻部(32)から奪った熱を最外周の単位巻部(34)まで運搬し、最外周の該単位巻部(34)では、その高い空冷効果によって外気へ熱が放散される。

従って、上述の如く最内周の単位巻部(32)と最外周の単位巻部(34)の間で冷却水が往復を繰り返すことによって、冷却水による冷却効果と外気による空冷効果とが重畳された複合的な冷却効果を受けて、最内周の単位巻部(32)の温度と最外周の単位巻部(34)の温度との差が緩和されることになる。

この結果、コイル(３)における温度分布が均一化され、局所的な加熱に起因するコイル(３)の抵抗値の増大が抑制されると共に、コイル(３)の寿命が従来よりも延びることになる。

図４〜図６は、本発明の他の実施形態であるコイル装置に用いるコイル(４)を表わしており、該コイル装置は、該コイル(４)を１次巻線若しくは２次巻線として、変圧器を構成するものである。

該コイル装置のコイル(４)は、表面が絶縁被覆された銅製の中空導線(40)を多層に巻回したものであって、中空導線(40)は断面矩形であり、複数の単位コイル部(41)が巻軸方向に並んでいる。
該コイル装置においては、一端の単位コイル部(41)から他端の単位コイル部(41)へ向けて中空導線(40)の流路(43)に冷却水を流すことによって、コイル(４)の冷却が行なわれる。

該コイル(４)は、例えば図３に示す製造方法と同様の方法によって製造することが可能であり、図５に示す如く、内周側から外周側へ向かって巻軸と直交する面に沿って積層された複数の単位巻部(42)からなる外向き巻回単位コイル部(41a)と、外周側から内周側へ向かって巻軸と直交する面に沿って積層された複数の単位巻部(42)からなる内向き巻回単位コイル部(41b)とが、巻軸方向に交互に並んでいる。

該コイル(４)においては、図６に示す如く、一端の単位コイル部(41)から引出し線(40a)が伸びると共に、他端の単位コイル部(41)から引出し線(40b)が伸び、隣接する２つの単位コイル部(41)(41)は、最外周の単位巻部どうし若しくは最内周の単位巻部どうしが渡り線(44)を介して互いに繋がっている。

上記コイル装置においても、コイル(４)に冷却水を流すことによって、図１〜図３に示すコイル装置と同等の冷却効果が得られ、コイル(４)内の温度分布が均一化される。この結果、コイル(４)の抵抗値の増大が抑制されると共に、コイル(４)の寿命が従来よりも延びることになる。

尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、中空導線の断面形状は、円形や矩形に限らず、楕円等の種々の形状であってもよい。矩形断面の場合、横長の矩形断面に限らず、縦長の矩形断面であってもよい。
又、中空導線内に流す冷却用流体は、冷却水に限らず、周知の種々の冷媒を採用することが出来る。更に、コイル装置の空冷は、自然冷却に限らず、強制冷却であってもよい。

又、例えば図６に示すコイル(４)においては、その両端から伸びる２本の引出し線(40a)(40b)の内、一方の引出し線(40a)が最内周の単位巻部から伸びると共に、他方の引出し線(40b)が最外周の単位巻部から伸びているが、これに限らず、一方の引出し線(40a)が最内周の単位巻部から伸びると共に、他方の引出し線(40b)が最内周の単位巻部から伸びている構成、一方の引出し線(40a)が最外周の単位巻部から伸びると共に、他方の引出し線(40b)が最内周の単位巻部から伸びている構成、或いは、一方の引出し線(40a)が最外周の単位巻部から伸びると共に、他方の引出し線(40b)が最外周の単位巻部から伸びている構成を採用することが出来る。

(３) コイル
(30) 中空導線
(31) 単位コイル部
(32) 単位巻部
(33) 単位巻部
(34) 単位巻部
(35) 流路
(６) コア
(４) コイル
(41) 単位コイル部
(42) 単位巻部
(43) 流路

Claims (7)

1. 少なくとも１本の導線を多層に巻回してなるコイルを具えたコイル装置において、前記導線は、内部に冷却用流体の流路を有する中空導線であって、前記コイルは、巻軸方向に繰り返し並ぶ複数の単位コイル部を具え、各単位コイル部は、中空導線を渦巻き状に巻回して形成される互いに内周長の異なる複数の単位巻部を具え、内周長の大きな単位巻部の内側に内周長の小さな単位巻部の少なくとも一部が侵入しており、隣接する２つの単位コイル部は、最外周の単位巻部どうし若しくは最内周の単位巻部どうしで、互いに繋がっていることを特徴とする、冷却構造を有するコイル装置。
2. 前記コイルは、
   内周側から外周側へ向かって中空導線を渦巻き状に巻回して、巻軸と交叉する方向に積層された複数の単位巻部からなる外向き巻回単位コイル部と、
   外周側から内周側へ向かって中空導線を渦巻き状に巻回して、巻軸と交叉する方向に積層された複数の単位巻部からなる内向き巻回単位コイル部
   とを巻軸方向へ交互に並べて構成されている請求項１に記載のコイル装置。
3. 前記コイルには、巻軸方向の両端に位置する２つの単位コイル部の内、一方の単位コイル部から他方の単位コイル部へ向かって冷却用流体が流される請求項１又は請求項２に記載のコイル装置。
4. 前記コイルは磁性コアの周囲に巻装されている請求項１乃至請求項３の何れかに記載のコイル装置。
5. 前記コイルの両端から伸びる２本の引出し線の内、一方の引出し線が最外周の単位巻部から伸びると共に、他方の引出し線が最外周の単位巻部から伸びている請求項１乃至請求項４の何れかに記載のコイル装置。
6. 前記コイルはリアクトルを構成している請求項１乃至請求項５の何れかに記載のコイル装置。
7. 前記コイルは、変圧器の１次巻線若しくは２次巻線を構成している請求項１乃至請求項５の何れかに記載のコイル装置。

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