JP6229839B2 - 巻線部品 - Google Patents

Description

本発明は、電子電気機器類に用いられる巻線部品に係り、特に大電流電源装置に用いられる巻線部品に関するものである。

磁気回路を構成するコイルとコアとを備えたインダクタやトランス等の巻線部品においては、使用時の発熱によって製品温度が上昇し、その構成部材の耐熱温度を超えると損傷や劣化を招くおそれがある。

一方、近年この種の巻線部品に対しては、小型化および軽量化が強く要請されている。ところが、上記巻線部品の小型化および軽量化を図るために、コイルの線径を小さくしたり、コアを小型化したりしようとすると、上記発熱量が増加して、製品温度もより一層高くなるという弊害を生じる。

そこで、例えば大電流仕様のような発熱量が大きい巻線部品にあっては、下記特許文献１、２に見られるように、コアの底面を、放熱機能を有する筐体に接触させることにより、当該巻線部品から発生した熱を外部に逃がす構造が多く採用されている。

ところで、上記放熱用の筐体にコアを接触させて放熱させる巻線部品の取付構造においては、筐体と接触するコアの底面側の温度は低くなるものの、底面から離れた個所（特に上面近傍）のコアの温度は、底面ほどに低下させることができない。また、交流磁場がコア内を流れる場合には、鉄損（コアの発熱）が発生する。そして、自己発熱によるコアの上面における温度は、熱路長の約２乗に比例して決まるために、コアの高さ寸法が２倍になると、上記コア温度差は約４倍にもなってしまうという問題点もある。

そこで従来、上記問題点を解決する方策の一例として、図５に示すように、一対のＥ型コア５１、５２によって閉磁路を形成させるインダクタ（コイルの図示を省略する。）５０を、下側のコア５２の底面５２ａを放熱用のヒートシンク５３上に載置して取り付け、さらに上側のコア５１の上面５１ａおよび外足の側面５１ｂから下側のコア５２の外足の側面５２ｂを経てヒートシンク５３まで至る金属板５４を設けた構成が提案されている。

上記従来のインダクタ５０の取付構造によれば、一般にコア５１、５２として使用されるフェライト材の熱伝導率は、約５Ｗ／ｍ・ｋであるのに対して、金属板５４の熱伝導率は上記フェライト材よりも高いために、上側のコア５１で発生した熱の一部を金属板５４に流すことにより、コア５１、５２の温度を低減させることができるという利点がある。

しかしながら、上記上下部コア５１、５２は、上記フェライト材を粉末焼結によって製造されるために、一般的な機械部品と比べて寸法公差が大きく、例えば大電力用の大型コアにおいては上記寸法公差が±１ｍｍ以上になることもある。この場合に、図５に示すように、上下部コア５１、５２を組み合わせたインダクタ５０にあっては、上下部コア５１、５２間で寸法差が生じ、金属板５４と下側のコア５２の外足の側面５２ｂとの間に大きな隙間Ｌが生じてしまう。

この結果、上側のコア５１と金属板５４は互いに接触しているために、円滑に熱の伝導が行われるものの、下側のコア５２から金属板５４へは熱が伝わり難く、コア５２と金属板５４との間の熱抵抗が大きくなって、十分なコア温度の低減効果が得られなくなるという問題点があった。

特開２００９−２０６３０８号公報 特開２０１１−６１０９６号公報

そこで、本発明者等は、図６（ａ）に示すようなコア４０の底面４０ａを放熱構造物４１に載置して取り付けた巻線部品（同様にコイルの図示を省略する。）４２において、コア４０に生じる温度分布を調べたところ、鉄損（交流磁束によるコア自体の発熱）によるコア４０の温度分布は、図６（ｂ）に示すように放物線状になることが判った。したがって、熱路を単位距離（例えば１ｍｍ）進む時の温度変化は、Ｘ＝０近傍（すなわち、コア４０の底面側）では大きく、Ｘ＝Ｌ近傍（すなわち、コア４０の上部側）では小さくなる。

これは、コア４０の熱は、上部から放熱構造物４１と接触している底部４０ａ側へと流れるが、コア４０が自己発熱体であるために、当該コア４０の底部に向かうにしたがって、上部からの累積熱量が大きくなり、この結果、単位距離当たりの温度差が大きくなるためであると考えられる。

したがって、図６（ａ）に示す巻線部品においては、累積熱量が大きくなるコア４０の下部において、コア４０の下部の熱路の断面積を増大させて、コア４０下部の熱抵抗を低減化させることができれば、コア４０全体の温度を下げることができるとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、コア発熱量が大きな用途であっても、従来と比較してコア温度の低減化を図ることができ、よって小型化および軽量化も図ることが可能になる巻線部材を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、コイルと、このコイルの外周を囲繞して閉磁路を形成する一対の上下部コアとを有し、上記下部コアの底面が放熱機能を有する筐体に載置される巻線部品において、上記上下部コアの外周面のうちの上記下部コアの外側面のみに、上記下部コアよりも熱伝導率の高い金属板を取り付けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記上下部コアが、Ｅ型コアであり、上記下部コアの外足の外側面に上記金属板が取り付けられていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記金属板が、シリコン系の接着剤によって上記下部コアの外側面に貼着されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記上下部コアが、フェライトコアであり、かつ上記金属板が、銅板またはアルミニウム板であることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、一対の上下部コアを有する巻線部品において、放熱機能を有する筐体に載置される下部コアの外側面に、当該コアよりも熱伝導率の高い金属板を設けているために、製造時に、寸法公差によって上下部コアの外側面間に段差が形成されている場合においても、上記金属板の全面を下部コアの外側面に密着させることができる。

これにより、上部コアからの累積熱量が大きくなる上記下部コアにおいて、熱路の断面積を増大させることで、下部コアの熱抵抗が下がり、コア全体の温度を下げることができる。

この結果、コア発熱量が大きな用途であっても、従来と比較してコア温度の低減化を図ることができる。これを換言すれば、発熱量が大きくなっても、当該巻線部品の温度の温度上昇を抑制することができるために、小型化および軽量化を図ることが可能になる。

なお、下部コアの外側面に上記金属板を設けるに際しては、局部的には上記外側面と金属板との間に僅かな隙間が生じてしまう。このため、上記隙間に、熱伝導率が小さい空気が介在して両者間の熱抵抗を下げることにより、上述したコア温度の低減効果が低下するおそれがある。

この点、請求項３に記載の発明によれば、金属板を良熱伝導率のシリコン系の接着剤によって下部コアの外側面に貼着しているために、上記隙間を空気よりも熱伝導率が大きい媒体（接着剤）によって満たすことにより両者間の熱抵抗の低下を防ぐことができる。

加えて、上記巻線部品の使用時に、コアと金属板の熱膨張率が異なることに起因して両者間に相対変位が生じても、上記シリコン系の接着剤は、耐熱性および弾性を有しているために、上記相対変位によって弾性に劣る上記コアに過度の応力が生じることも防止することができる。

本発明の一実施形態を示す全体の斜視図である。 図１の縦断面図である。 本発明の他の実施例を示す縦断面図である。 本発明の実施例において用いた巻線部品の取付形態を示す斜視図である。 従来の巻線部品を示す縦断面図である。 （ａ）は放熱構造物に設置した巻線部品のコアの熱の流れを模式的に示す縦断面図であり、（ｂ）は上記コアに生じる温度分布を示すグラフである。

図１および図２は、本発明に係る巻線部品をインダクタに適用した一実施形態を示すもので、図中符号１はこのインダクタが載置される筐体である。
この筐体１は、図示されない水冷用の冷却水の流路または空冷用のフィンによって放熱機能を付与されたダイキャスト製の部材で、上面がインダクタ３の載置面１ａとなっている。

他方、本実施形態のインダクタ３は、コイルが巻回されたボビン２の外周に、一対の上下部コア４、５が配置されたもので、下部コア５の底面が、筐体１の載置面１ａ上に設置されている。ここで、一対の上下部コア４、５は、フェライト材によって形成されたＥ型コアで、中足４ａ、５ａがボビン２の中心孔に挿入されるとともに、外足４ｂ、５ｂがボビン２の外周に軸線方向に沿って配置されて互いの先端面を当接させることにより、コイル２の外周を囲繞して閉磁路を形成するように配置されている。

そして、このインダクタ３においては、下部コア５の外足５ｂの外側面６に、当該下部コア５よりも熱伝導率の高い銅またはアルミニウム（アルミニウム合金を含む。）からなる金属板７が取り付けられている。この金属板７は、下部コア５の外足５ｂの外側面６と略等しい寸法形状に形成されたもので、上記外側面６にシリコン系の接着剤によって貼着されている。この際に、上記接着剤を塗布した後に、両者を一定の圧力で加圧して、上記接着剤の層の厚さを極力薄くし、かつ一定厚化することが望ましい。

以上の構成からなるインダクタ３によれば、放熱機能を有する筐体１に載置される下部コア５の外足５ｂの外側面６に、コアよりも熱伝導率の高い金属板７を設けているために、製造時に、寸法公差によって上下部コア４、５の外足４ｂ、５ｂの外側面間に段差が形成されている場合においても、金属板７の全面を下部コア５の外足５ｂの外側面６に密着させることができる。

これにより、上部コア４からの累積熱量が大きくなる下部コア５の外足５ｂ部分（図２中に点線楕円形で示す範囲）において、上記金属板７によって熱路の断面積を増大させることができるために、下部コア５の温度が低減し、上下部コア４、５全体の温度を下げることができる。

この結果、コア発熱量が大きな用途であっても、従来と比較して上下部コア４、５の温度の低減化を図ることができる。したがって、発熱量が大きくなっても、インダクタ３全体の温度上昇を抑制することができるために、当該インダクタ３の小型化および軽量化を図ることが可能になる。

加えて、金属板７をシリコン系の接着剤によって下部コア５の外足５ｂの外側面６に貼着しているために、両者間の隙間に熱伝導率が小さい空気が介在して、両者間の熱抵抗を下げることによりコア温度の低減効果が低下することを防ぐことができる。

さらに、インダクタ３の使用時に、下部コア５と金属板７の熱膨張率が異なることに起因して両者間に相対変位が生じても、上記シリコン系の接着剤は、耐熱性および弾性を有しているために、上記相対変位によって弾性に劣る下部コア５に過度の応力が生じることも防止することができる。

なお、上記実施形態においては、下部コア５の外足５ｂの外側面６の全面にわたって金属板７を貼設した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示す他の実施例のように、下部コア５の外足５ｂの外側面６に、上記金属板７よりも高さ寸法が小さい金属板８を、筐体１の載置面１ａとの間に間隔をおいて貼設してもよく、当該構成によっても略同様の作用効果を得ることができる。

図２では、金属板７と載置面１ａとの接触面積が小さく、金属板７と載置面１ａとの間の熱抵抗が大きいため、実効的には金属板７から載置面１ａへの直接流れる熱量は小さい。実際には外足４ｂから外足５ｂに流れ込んだ熱の一部は、外足５ｂの上部にて金属板７へ流れ込み、金属板７を流れた後、外足５ｂの下部にて金属板７から外足５ｂに戻る。すなわち金属板７によって外足５ｂを流れる熱の一部が金属板７を迂回している。熱回路的には、外足５ｂよりも熱伝導率が高い金属板７を並列接続することで、熱抵抗が下げている。このため図２のように金属板７と載置面１ａとの直接接触させなくても略同等の効果が得られる。

なお、本発明は、上述したインダクタ５のみならず、トランス等の他の各種の巻線部品を、放熱機能を有する筐体に取り付ける場合に広く適用することが可能である。

本発明の効果を検証するために、以下の実験を行った。
先ず、図４に示すように、下部に空冷用のフィン１ｂが形成された放熱構造物（筐体）１の載置面１ａに、図１および図２に示したものと同様の構成を有するインダクタ３であって金属板７としてアルミニウム板を用いた本発明の実施例を実装した場合と、上記金属板７を取り付けていない従来例を実装した場合の上下部コア４、５における温度差を計測した。

なお、上記実施例においては、金属板７は、その下端部が筐体１の載置面１ａに直接接触しない状態で下部コア５の外側面に貼着した。また、コアの高さ寸法は、いずれも６０ｍｍである。

上記実験においては、コアの発熱量が１０Ｗの時の、下部コア５の下部と上部コア４の上部における最高温度部との温度差ΔＴを測定した。その結果、上記実施例においては、ΔＴ＝３５．３℃であったのに対して、金属板７を設けていない上記比較例においては、ΔＴ＝４７．３℃であった。したがって、上記実施例によれば、比較例よりも、コアの温度を約２５％低減させ得ることが実証された。

１ 筐体
１ａ 載置面
２ コイルが巻回されたボビン
３ インダクタ（巻線部品）
４ 上部コア
５ 下部コア
５ｂ 外足
６ 外側面
７、８ 金属板

Claims (4)

1. コイルと、このコイルの外周を囲繞して閉磁路を形成する一対の上下部コアとを有し、上記下部コアの底面が放熱機能を有する筐体に載置される巻線部品において、
   上記上下部コアの外周面のうちの上記下部コアの外側面のみに、上記下部コアよりも熱伝導率の高い金属板を取り付けたことを特徴とする巻線部品。
2. 上記上下部コアは、Ｅ型コアであり、上記下部コアの外足の外側面に上記金属板が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の巻線部品。
3. 上記金属板は、シリコン系の接着剤によって上記下部コアの外側面に貼着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の巻線部品。
4. 上記上下部コアは、フェライトコアであり、かつ上記金属板は、銅板またはアルミニウム板であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の巻線部品。

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