JP6527931B1 - 水冷式変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率が高く、かつ小型化が可能な水冷式変圧器を提供する。【解決手段】水冷式変圧器は、変圧器本体と、この変圧器本体の底面に設けられる導電性コールドプレートとで構成される。変圧器本体の二次側巻線の中点タップは導電性コールドプレートに電気的熱的に接続される。変圧器本体には、一次側巻線と二次側巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルが設けられ、この放熱コイルの端子は、導電性コールドプレートに熱的に接続される。【選択図】図２

Description

この発明は、溶接機、メッキ用電源など、二次側定格出力電流が数十〜数百アンペア程度の電源に使用され、小型で冷却効率の高い水冷式変圧器に関する。

上記のような電源に使用される低損失の小型の変圧器を設計しようとすると、変圧器の巻線に流れる電流による発熱量が無視出来ない程度となるため、一般に冷却を必要とする。冷却には空冷用ファンを使った強制空冷方式や冷却用媒体（水等）を使って熱交換を行う水冷方式があるが、後者の方が冷却効率は高い。そこで、従来は、水冷方式として、例えば、二次側巻線間に冷却用媒体（水等）の通路を配置する構造が提案されていた（特許文献１）。また、内部に冷却用媒体（水等）を循環させるようにした導電性コールドプレートを、変圧器本体とは別に一次側巻線と二次側巻線にそれぞれ対応して配置し、各巻線を、対応する導電性コールドプレートに直接接続する方法が提案されていた（特許文献２）。

上記いずれも、変圧器の運転時に発熱する巻線を、水などの冷却用媒体を使って直接冷却するため冷却効率が高い。

特開２００８−１７７１８４号公報 特開平１０−４１１４５号公報

しかしながら、特許文献１のように、二次側巻線間に冷却用媒体（水等）の通路を配置する構造は、変圧器全体の大型化を避けられず、また、変圧器本体の設計が複雑化するのを避けられない。また、特許文献２のように、一次側巻線と二次側巻線をそれぞれ導電性コールドプレートに電気的熱的に接続する構造では、導電性コールドプレートを２つ設けることが必要であるため、小型化・コスト面で不利になるとともに、各コールドプレート間の絶縁処理が必要となる等、全体の構造が複雑となる。

この発明の目的は、冷却効率が高く、かつ小型化が可能な水冷式変圧器を提供することにある。

この発明の水冷式変圧器は、変圧器本体の二次側巻線が中点タップを備えたものであり、前記変圧器本体の底面には表面が導電性金属板で構成された導電性コールドプレートが配置される。また、前記変圧器本体の一次側巻線と二次側巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルが設けられる。

前記中点タップが前記コールドプレートの表面に電気的熱的に接続され、前記放熱コイルの端子は前記導電性コールドプレートに熱的に接続される。電気的熱的に接続されるとは、絶縁シート等を介さずに電気的に導通するように直接接続されることを意味し、熱的に接続されるとは、熱伝導されるように接続されることを意味し、直接接続されるパターンと、絶縁シート等の中間物を介して間接的に接続されるパターンを含む。

上記構成の水冷式変圧器では、二次側巻線の一方の端子である（基準電位となる端子等）中点タップが導電性コールドプレートの表面に絶縁シート等を介さずに直接接続され、一次側巻線と二次側巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルが導電性コールドプレートの表面に直接（電気的に導通するように）又は間接（絶縁シートなどを介して）に熱的接続される。放熱コイルは、巻線間で絶縁シートにより絶縁されているため、電位的にはニュートラルである。

導電性コールドプレートの表面は二次側巻線の一方の端子の電位（グランド電位である基準電位等）となる。変圧器運転中に二次側巻線には大電流が流れ、この巻線自身とコアに発した熱（ジュール熱）は、導電性コールドプレート内の冷却用媒体と熱交換が行われることにより放熱される。また、変圧器本体の一次側巻線と二次側巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルにも、一次側巻線、二次側巻線、コアから伝熱されるため、この熱が熱的接続された導電性コールドプレートにより放熱される。

この発明では、巻線間に冷却用媒体の通路を設けないため、変圧器が大型化しない。また、二次側巻線を導電性コールドプレートの表面に電気的熱的に接続するため、二次側巻線から導電性コールドプレートまでの放熱抵抗が最小となり、放熱効果が高くなる。また、一次巻線と二次巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルも導電性コールドプレートの表面に熱的に接続するため、一次側巻線や二次側巻線自身で発熱する熱や、コアに発した熱など変圧器内の熱を補助的に放熱出来る。

この発明の実施形態の水冷式変圧器が使用される電源の回路図 変圧器の概略外観図 変圧器の正面図 変圧器本体の概略断面図 変圧器の巻線回路図 変圧器の巻線一部断面図 一次側放熱コイルの展開図 二次側巻線の展開図

図１は、この発明の実施形態の水冷式変圧器が使用される電源の回路図である。

この電源は、水冷式変圧器（以下、変圧器）１の一次側にインバータ回路２が接続され、二次側に負荷３が接続されている。変圧器１の二次側巻線は二次側巻線出力端子ｄ、ｆと二次側巻線中点タップｅを備え、二次側巻線中点タップｅを基準電位（グランド電位）とし、二次側巻線出力端子ｄ、ｆの出力を整流する二相半波整流回路４が接続されている。変圧器１の一次側巻線は一次側巻線入力端子ａ、ｃと一次側巻線中点タップｂを備え、インバータ回路２の出力がこの一次側巻線入力端子ａ、ｃに入力する。

図２は、変圧器１の概略外観図である。

変圧器１は、変圧器本体１０と、変圧器本体１０の底部に設けられた、一般にコールドプレートと称される導電性コールドプレート１１とを備えている。導電性コールドプレート１１は、全体が平板状であって、外表面が熱伝導率の大きい銅またはアルミ等の導電性金属で構成され、その内面には水等の冷却用媒体が電気的に絶縁されて収納されている。電気的に絶縁する構造としては、例えばコールドプレート内壁面を電気的絶縁シート被膜で覆ったり、コールドプレートの内壁を熱伝導率の大きいアルマイト等の絶縁体で構成することが考えられる。

導電性コールドプレート１１の前面側部には冷却用媒体である水の入力部１１ａと出力部１１ｂが設けられ、これらの入出力部に金属製の冷却用媒体パイプ１２（１２ａ、１２ｂ）が接続され、冷却用媒体パイプ１２は図外の冷却水循環装置に接続されている。冷却用の水は、冷却用媒体パイプ１２ａから入力部１１ａに入力し、変圧器本体１０で発熱した熱をコールドプレート１１内の水が吸熱することで熱変換される。熱変換により暖められた水は出力部１１ｂから冷却用媒体パイプ１２ｂに出力される。冷却用媒体パイプ１２ｂ内の暖められた水は冷却水循環装置内で冷却されて再び冷却用媒体パイプ１２ａから入力部１１ａに入力される。

本実施形態では、入力部１１ａと出力部１１ｂは、樹脂等の電気的絶縁性材料で構成され、冷却用媒体パイプ１２ａ、１２ｂと導電性コールドプレート１１とを絶縁している。

導電性コールドプレート１１の表面には、銅製のブスバー５の一端５ａが接続されている。このブスバー５の他端５ｂは負荷が接続される端子部６に接続されている。

変圧器本体１０は、一次側巻線、二次側巻線の他に、後述する放熱コイルが、それらの一次側巻線、二次側巻線と絶縁されて巻回されている。二次側巻線中点タップｅと、放熱コイルの端子ｇ１，ｇ２は、導電性コールドプレート１１の表面に電気的に導通するようにネジで固定されている。

図３、図４は、それぞれ変圧器の正面図、変圧器本体の概略断面図を示している。また、図５は変圧器の巻線回路図、図６は巻線の一部断面図を示している。図７、図８は、それぞれ放熱コイル、二次側巻線の展開図（図７（Ａ）、図８（Ａ））と側面図（図７（Ｂ）、図８（Ｂ））を示している。

変圧器本体１０は、周知のＥコア１００の２つを対向配置させ、その内側にボビン１０１を配置し、ボビン１０１に銅製の一次側巻線ＮＰ１、ＮＰ２と二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２とを巻回することで構成される。変圧器本体１０のＥコア１００の外側は金属カバー１０２で覆われ、この金属カバー１０２は、シリコン等の絶縁放熱シート１０３を介して、導電性コールドプレート１１の表面にネジ１０４、１０５により取付けられている。

また、変圧器本体１０の上部には、一次側巻線入力端子ａ、ｃ、一次側巻線中点タップｂと、二次側巻線出力端子ｄ、ｆが露出し、変圧器本体１０の下部には、二次側巻線中点タップｅが露出している。二次側巻線中点タップｅは、その露出した部分でＬ字型に折り曲げられて、ネジ１０６により導電性コールドプレート１１の表面に電気的に導通するように固定されている。電気的に導通するように固定されていることにより、この部分は、電気的熱的に接続されている構造となる。Ｌ字型に折り曲げられた部分は少なくとも数センチの長さに設定されて、この部分が導電性コールドプレート１１の表面に密着するように固定されている。これにより、二次側巻線中点タップｅと導電性コールドプレート１１の表面との電気的及び熱的な抵抗は限りなく小さく出来る。

本実施形態では、後述するように一次側巻線と二次側巻線との間に絶縁された状態で放熱コイル１１１（１１１ａ、１１１ｂ）が巻回されている（図６、図７）。この放熱コイル１１１の端子ｇ１、ｇ２が変圧器本体１０の下部に露出し、その露出した部分でＬ字型に折り曲げられて、ネジ１１３により導電性コールドプレート１１の表面に熱的に接続されるように固定されている。

図６に示すように、変圧器本体１０には、一次側巻線ＮＰ１、ＮＰ２と二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２がそれぞれ絶縁を確保してボビン１０１に巻回されている。すなわち、ボビン１０１の内側から、ＮＰ１、ＮＳ１、ＮＳ２、ＮＰ２の順に絶縁シートであるプリプレグ１０７〜１１０を介してボビン１０１に巻回されている。本実施形態では、さらに放熱コイル１１１（１１１ａ、１１１ｂ）がプリプレグによって絶縁された状態でボビン１０１に巻回されている。

より詳細には、一次側巻線ＮＰ１と二次側巻線ＮＳ１との間にはプリプレグ１０７が二重に巻回され、二次側巻線ＮＳ１とＮＳ２間にはプリプレグ１０８が巻回され、二次側巻線ＮＳ２と一次側巻線ＮＰ２との間にはプリプレグ１０９が二重に巻回され、一次側巻線ＮＰ２の外側にはプリプレグ１１０が巻回されている。また、放熱コイル１１１ａは二重のプリプレグ１０７の間に巻回され、放熱コイル１１１ｂは二重のプリプレグ１０９の間に巻回されている。

さらに、各巻線及び放熱コイル１１１（１１１ａ、１１１ｂ）と、ボビン１０１の側壁面１０１ａ、１０１ｂとの間には、絶縁を図るための空隙１１２ａ、１１２ｂが形成されている。

放熱コイル１１１は、一次側巻線ＮＰ１、ＮＰ２等と同様に銅製で構成されるが、熱伝導特性が良くて、軽量、加工容易なアルミニウム等で構成することも可能である。また、必ずしも電気的な導電性がなくても良く、熱伝導特性の良好なアルマイト等で構成することも可能である。

なお、図６では、各巻線、放熱コイル、各プリプレグ等の間に隙間が示されているが、実際は密着させてある。

図３に示すように、放熱コイル１１１の端子ｇ１、ｇ２は、その露出した部分でＬ字型に折り曲げられて、ネジ１１３により導電性コールドプレート１１の表面に直接接続されている。端子ｇ１、ｇ２のＬ字型に折り曲げられた部分は少なくとも数センチの長さに設定されて、この部分が導電性コールドプレート１１の表面に密着するように固定されている。これにより、放熱コイル１１１の端子ｇ１、ｇ２と導電性コールドプレート１１の表面との熱的な抵抗は限りなく小さく出来る。端子ｇ１、ｇ２は、ネジ１１３により導電性コールドプレート１１の表面に直接接続されているため、二次側巻線中点タップｅと同様に、導電性コールドプレート１１との接続では熱的な抵抗も限りなく小さく出来る。なお、端子ｇ１、ｇ２は、シリコン等の絶縁放熱シートを介して間接的に導電性コールドプレート１１に固定しても良い。この場合でも、端子ｇ１、ｇ２は導電性コールドプレート１１に熱的に接続される。

本実施形態では、一次側巻線ＮＰ１、ＮＰ２は、各６ターン、二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２は、各１ターンで、二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２は銅板４枚を重ね合わせて構成されている。図８に示すように、二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２は、二次側巻線出力端子ｄ、ｆが上部に設けられ、二次側巻線中点タップｅが下部中央部に設けられ、長さは１ターン分である。また、図７に示すように、放熱コイル１１１ａ、１１１ｂそれぞれは、その下部に端子ｇ１、ｇ２が設けられ、それぞれの長さは１ターン分である。

変圧器本体１０は、以上のように構成されているため、大電流の流れる二次側巻線ＮＳ１、ＮＳ２は、導電性コールドプレート１１の表面に直接接続されることによって、放熱効果が極めて良い。また、導電性コールドプレート１１の表面は、銅またはアルミ等の導電性金属で構成され、面積も広いため、この部分での電気的抵抗は非常に小さく、ブスバー５の接続位置までの距離が長くても損失は小さい。したがって、ブスバー５の一端５ａの接続位置は制限されることがなく設計が容易となる。

本実施形態では、一次側巻線ＮＰ１と二次側巻線ＮＳ１間に、及び一次側巻線ＮＰ２と二次側巻線ＮＳ２間に、絶縁シートであるプリプレグ１０７及び１０９を介して放熱コイル１１１ａ、１１１ｂを巻回し、放熱コイル１１１ａ、１１１ｂの端子ｇ１、ｇ２を導電性コールドプレート１１の表面に熱的に接続している。これにより、放熱コイル１１１ａ、１１１ｂも変圧器本体内の熱（巻線で生じる熱やコアで生じる熱）を放熱するため、変圧器全体の放熱効果がさらに高まる。さらに、本実施形態では放熱コイル１１１ａ、１１１ｂを絶縁シートを介さずに導電性コールドプレート１１の表面に直接取り付けているため、放熱性がより一層高まる。

また、導電性コールドプレート１１は、変圧器本体１０の下部に取付けられる、全体として平板状であることから、変圧器１の全体の大型化を避けることが出来、さらに、変圧器本体１０内に冷却用媒体の通路を設ける必要がないため変圧器全体の設計が容易である。

１−変圧器
１０−変圧器本体
１１−導電性コールドプレート
１０７〜１１０−プリプレグ（絶縁シート）
１１１（１１１ａ、１１１ｂ）−放熱コイル
ＮＰ１、ＮＰ２−一次側巻線
ＮＳ１、ＮＳ２−二次側巻線
ｅ−二次側巻線の中点タップ

Claims (4)

1. 一次側巻線と二次側巻線が巻回された変圧器本体と、
   表面が導電性金属板で構成され、内部に電気的に絶縁された冷却用媒体が循環する導電性コールドプレートと、を備え、
   前記導電性コールドプレートは、前記変圧器本体の底面に設けられ、
   前記変圧器本体は、前記一次側巻線と二次側巻線間に絶縁シートを介して巻回された放熱コイルを備え、
   前記二次側巻線の一方の端子は前記導電性コールドプレートの表面に電気的熱的に接続され、前記放熱コイルの端子は前記導電性コールドプレートの表面に熱的に接続された水冷式変圧器。
2. 前記二次側巻線の一方の端子は、Ｌ形状に折り曲げられ、折り曲げられた平板部が前記導電性コールドプレートの表面に密着するようにして固定されている請求項１記載の水冷式変圧器。
3. 前記導電性コールドプレートの冷却用媒体入出力部が冷却用媒体パイプと絶縁されている、請求項１または２記載の水冷式変圧器。
4. 前記二次側巻線は中点タップを備え、前記二次側巻線の一方の端子が前記中点タップである、請求項１〜３のいずれかに記載の水冷式変圧器。

Images