JP2006041314A

JP2006041314A - インダクタ素子及び電子機器

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Publication number: JP2006041314A
Application number: JP2004221210A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ota; 俊幸太田
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】循環機構を外部に設けることなく、高い冷却能力でコイルを効率的に冷却できるインダクタ素子を提供する。
【解決手段】二次巻線28そのものを、ヒートパイプ72により構成する。二次巻線28から熱が発生すると、コンテナ71内に封入された作動媒体が加熱部である巻線部74の周辺で蒸発し、その蒸気が低温の冷却部（扁平部77）に流動して放熱凝縮すると共に、扁平部77の周辺に溜まる作動流体は毛細管力により巻線部74へと円滑に運ばれる。このように、ヒートパイプ72の冷却部である扁平部77を放熱フィン76で適宜冷やしておけば、外部に作動媒体の循環機構がなくても二次巻線28の温度上昇を効果的に抑制できる。
【選択図】図３

Description

この発明は、変圧器や変流器を含む変成器，チョークコイル，リアクトルなどの巻線を有し、冷却を必要とする低電圧・大電流用変圧器に代表される各種のインダクタ素子と、このインダクタ素子を組み込んだ電子機器に関する。

一般に、この種のインダクタ素子は、スイッチング電源装置を含む各種電源装置における変圧器や、インバータトランスや、チョークコイルとして幅広く使用されている。こうしたインダクタ素子は、巻線部であるコイルの温度上昇を抑えるために、例えば冷却ファンからの冷風をヒートシンク付きのコイルに当てる空冷方式や、コイルを含む変圧器全体を油浸する油冷方式が従来から知られている。

ところが、上記空冷方式によるものでは、冷却ファンの冷却能力がさほど大きくないため、特に電源装置で利用される変圧器の二次巻線のように、低電圧で大電流を流すコイルの場合には、温度上昇を十分に抑制することができない。また、油冷方式は空冷方式に比べて冷却能力が高いが、冷却油を冷却するための熱交換装置が必要となり、冷却油の管理と共に、コンパクトな形状には適さない問題がある。

こうした問題に対し、例えば特許文献１には、レーザー発振器の電源装置に使用されるインダクタ素子に関し、銅などのチューブでコイルを製造し、そのチューブ内に冷却水を流して通電中のコイルを冷却する方式が示されている。
特開平８−１６７５２９号公報

上記従来技術では、コイルの通電中にチューブ内の冷却水を絶えず循環する機構が外部に必要となるため、電源装置の限られたスペース内に、こうした循環機構を収容することが困難になる。また上記特許文献１では、絶縁体で被覆された導電線によりコイルを構成する一方で、この導電線が螺旋状に巻き付けられる円筒部材の内部に冷却水を流通させたインダクタ素子も提案されているが、この場合も冷却性能を維持するために、円筒部材の内部に適宜温度の冷却水を循環させ続けなければならず、結局は循環機構が外部に必要となる弊害を解消することはできない。

本発明は上記の課題に着目してなされたもので、循環機構を外部に設けることなく、高い冷却能力でコイルを効率的に冷却できるインダクタ素子を提供することを第１の目的とする。

また、本発明の第２の目的は、上記第１の目的を達成したインダクタ素子を組み込むことで、コンパクトな構造を実現できる電子機器を提供することにある。

請求項１のインダクタ素子は、第１の目的を達成するために、螺旋状のコイルを備えたインダクタ素子において、導電性のコンテナ内に作動媒体を封入してなるヒートパイプにより前記コイルを構成したことを特徴とする。

この場合、コイルそのものがヒートパイプにより構成されるため、コイルへの通電により、当該コイルから熱が発生すると、コンテナ内に封入された作動媒体が加熱部周辺で蒸発し、その蒸気が低温の冷却部に流動して放熱凝縮すると共に、冷却部に溜まる作動流体は毛細管力により加熱部へと円滑に運ばれる。このように、ヒートパイプの冷却部を適宜冷やしておけば、作動媒体はコンテナ内に封入された状態になっており、外部に作動媒体の循環機構がなくてもコイルの温度上昇を効果的に抑制できる。

請求項２の発明は、第２の目的を達成するために、請求項１記載のインダクタ素子を筐体の内部に収容した電子機器を対象としている。

この場合、インダクタ素子を収容した筐体の内部には循環機構を設ける必要がなく、ヒートパイプによる高い冷却能力を有しつつも、電子機器としてコンパクトな構造を実現できる。

請求項１の発明によれば、循環機構を外部に設けることなく、高い冷却能力でコイルを効率的に冷却できるインダクタ素子を提供できる。

請求項２の発明によれば、ヒートパイプによる高い冷却能力を維持しつつも、コンパクトな構造を実現できる電子機器を提供することにある。

以下、本発明におけるインダクタ素子及びこのインダクタ素子を組み込んだ電子機器の好ましい実施形態について、添付図面である図１〜図４を参照しながら説明する。なお、本実施例における電子機器は負荷に所望の出力電圧を供給するスイッチング電源装置であり、またこのスイッチング電源装置に収容されるインダクタ素子は、装置の一次側と二次側とを絶縁する主トランス（変圧器）である。

先ず、スイッチング電源装置全体の概略的な構成を、図１のブロック図に基づき説明する。同図において、本実施例における電源装置１は、例えば電源ケースとカバーとを組み合わせてなる筺体２の内部に、各々独立した複数のモジュールを備えている。そのモジュールとは、入力電圧ラインに侵入するノイズを効果的に抑制，遮断するノイズフィルタモジュールとなるラインフィルタ部11と、主トランス12を含む高調波抑制機能を備えた入力側モジュール25となるコンバータ部13と、コンバータ部13の後段に並列接続される一乃至複数の出力側モジュール14ａ〜14ｎと、電源装置の付加機能として任意の出力側モジュール14ａ〜14ｎに補助的に設けられる補助モジュールとしてのオプションボード16とにより概ね構成される。そして、これらのモジュールを構成する各構成要素は、いずれも筺体２の内部において機構的に独立しており、その各々が筺体２に対して着脱可能に設けられている。

個々のモジュールの構成について説明すると、ノイズフィルタ部11は商用電源からの交流入力電圧が印加される入力端子17を外部に露出して備えていると共に、チョークコイルやコンデンサなどを組み合わせた周知のノイズフィルタ回路（図示せず）を内蔵している。そして、入力端子17からの交流入力電圧に含まれるノイズ成分を抑制，遮断して、後段のコンバータ部13に送り出す機能を有している。

コンバータ部13は、内蔵するスイッチング素子（図示せず）などの発熱部品を効果的に放熱できるように、冷却ファン23に臨んで設けられる。また、このコンバータ部13は、ラインフィルタ部11から供給される交流入力電圧の電流波形と電圧波形とを近づけて、高調波電流を抑制した後、スイッチング素子のスイッチングにより主トランス12の一次巻線24に直流入力電圧を断続的に印加する機能を有する。一次巻線24は、主トランス12の磁性部材であるコア27に電気的に絶縁して着脱可能に設けられるが、この一次巻線24の両端部は筺体２に着脱可能に設けられる入力側モジュール25に予め半田付け接続される。

出力側モジュール14ａ〜14ｎは、筺体２の一側に一乃至複数個並設され、個々の出力側モジュール14ａ〜14ｎから一乃至複数個の出力端子34を介して、外部に直流出力電圧が取り出せるようになっている。この出力側モジュール14ａ〜14ｎの設置数は、電源ケース１の設置スペースが許す限りいくらでも可能であり、どの位置にどの出力側モジュール14ａ〜14ｎを設置するのかは任意である。また、各出力側モジュール14ａ〜14ｎには、主トランス12の二次巻線28の両端部が半田付けなどにより接続される。

各出力側モジュール14ａ〜14ｎは、この主トランス12の二次巻線28の他に、主トランス12の二次側回路や帰還回路を構成する各種電子部品を実装した主基板や、出力電圧の可変設定，過電流保護及び過電圧保護，ならびにリモートセンシングなどの補助機能を有する回路部品を実装した補助基板（いずれも図示せず）などが設けられる。前記オプションボード16は、この出力側モジュール14ａ〜14ｎの補助基板と、前記入力側モジュール25のプリント基板にそれぞれ半田付けなどにより接続され、前記補助基板が有する複数の補助機能のうち、任意の補助機能を選択的に実現できる機能を備えている。

図２は、入力側から出力側への電力伝送を行なう主トランス12周辺の構成をあらわしたものである。同図において、51は主トランス12の外郭をなす合成樹脂製の外ケースである。この外ケース51は有底状で、底部には入力側モジュール25のプリント基板に着脱する複数の弾性片52が突出形成される。また、外ケース51の内部には、コア27を構成する断面がＥ形のコア下部材53と、このコア下部材53の上部に設けられる断面がＩ形のコア上部材54が収容保持される。コア27は、中心部の円筒形状をなす主脚55と、主脚55の両側にある一対の側脚56を有し、周知の閉ざされた磁気回路を形成している。また、外ケース51は、側脚56を設けていないコア27の前後方向に位置して、コ字状に切り開いた開口部57が形成される。コア27の主脚55は円筒状である必要はないが、前述の一次巻線24や二次巻線28の先端部が複数挿脱できる形状となっている。

入力側モジュール25に接続された一次巻線24は、合成樹脂からなる円板状のボビン61と、このボビン61の中央円筒部62に巻回される線材63とにより構成される。ボビン61は、後述する二次巻線28と共に主トランス12のコア27に複数積層できるように、二次巻線28と同様に比較的平板状に形成される。また、導線を絶縁物で覆った線材63は、ボビン61に形成した上下一対のフランジ64間において、放射方向に拡がって螺旋状に配設される。これらのボビン61および線材63を構成する絶縁物により、一次巻線24は外部と電気的に絶縁される。上部のフランジ64には、扇状の切欠部65が形成されており、この切欠部65の基端より放射方向に、線材63の巻き始めおよび巻き終り端部を挾持する一対の係止片66が形成される。係止部66には、線材63の巻き始め端部を中央円筒部62の近傍に案内すると共に、線材63の巻き終り端部を係止片66側に案内する案内部としての切込み67が形成されており、この切込み67により線材63をボビン61に簡単に巻回できるようになっている。なお、68は、コア上部材54をコア下部材53の上部に保持させる金属製の弾性片である。

一次巻線24は、本実施例のように同一のものを電気的に並列接続して、複数使用してもよい。これにより、一次巻線24の電流容量を簡単に増やすことができる。また、一次巻線24と同一の部品を用いて、主トランス12の補助巻線とすることもできる。この場合も、補助巻線をコア27の主脚55に取り付けるだけでよいので、製造時の工数増加を最小限にすることができる。

出力側モジュール14ａ〜14ｎに接続された二次巻線28は、熱伝導性および導電性に優れた例えば銅製のコンテナ71に、イオン交換水などの作動媒体を封入してなるヒートパイプ72により構成される。ここで、ヒートパイプ72の構成を、図３や図４をも参照しながらさらに詳しく説明すると、コンテナ71は全体がパイプ状に形成されると共に、その両端部にはコンテナ71の内部を密封状態に密閉するための封止部73が形成される。本実施例では、この封止部73を出力側モジュール14ａ〜14ｎの主基板との接続部としている。

ここでのヒートパイプ72は、インダクタ素子のコイルとしての機能を発揮するように、前記コア27の主脚55に着脱可能な螺旋状の巻線部74を備えていると共に、巻線部74の両端から前記封止部73に至る延長部75が、出力側モジュール14ａ〜14ｎから外方に延びるようにして設けられている。また、この延長部75の途中には、前記冷却ファン23に臨んで設けたブロック状の放熱フィン76との熱的な接続を容易にするために、潰し加工による扁平部77が形成される。本実施例では、巻線部74の一端及び他端から延びるそれぞれの延長部75に、放熱部である放熱フィン76を取付ける構成になっているが、一方の延長部75にのみ放熱フィン76を取付けてもよい。また、扁平部77によるヒートパイプ72の熱輸送能力の低下を避けるために、ヒートパイプ72への潰し加工は行なわず、円筒状のコンテナ71に合せて放熱フィン76の外形を加工形成してもよい。なお、コンテナ71の表面には、外部との電気的な絶縁性を確保するために、封止部73を除く部分に絶縁体を被覆形成するのが好ましい。こうして、主トランス12のコア27に出力側モジュール14ａ〜14ｃの二次巻線28を複数積み重ねることができ、容易に多出力化を実現できる。

図４に示すように、ヒートパイプ72の内部には中空状の蒸気通路81が形成されていると共に、コンテナ71の内壁に沿って、ワイヤメッシュからなるウィック82が設けられる。このウィック82は、コンテナ71内における作動媒体を加熱部から凝縮部へと還流させるためのもので、同様の機能を発揮するものならば、例えばワイヤメッシュに代わって、コンテナ71の内壁面に形成した溝をウィック82としてもよい。蒸気通路81内の蒸気が流れる方向Ｆ１と、ウィック82における作動媒体の流れる方向Ｆ２は逆になっており、これによりコンテナ71の内部で、音速による速やかな熱移動が実現する。

次に、上記構成における電源装置の作用について説明する。筺体２には予め検査の完了した入力側モジュール25が、冷却ファン23などと共に組み込まれる。このとき入力側モジュール25のプリント基板には、コア下部材53を収容した外ケース51が弾性片52により装着されている。また、主トランス12の出力側においては、複数種の出力側モジュール14ａ〜14ｎのなかから、選択した例えば３種類の出力側モジュール14ａ〜14ｃを、筺体２の予め決められた設置スペースに並設する。さらに、特定の出力側モジュール14ａに付加機能を持たせる必要がある場合は、これに見合うオプションボード16を選択して、その出力側モジュール14ａおよび入力側モジュール25に当該オプションボード16を取り付ける。

上述の電源装置１の筺体２への各組み立て体の取り付けが完了した後、最後に主トランス12のコア27を利用して、入力側と出力側の連結作業が行なわれる。これは、機構的に各々独立した入力側モジュール25の一次巻線24や、出力側モジュール14ａ〜14ｃの二次巻線28を、コア27の主脚55に順次装着するだけでよい。その後、弾性片68によりコア下部材53の上部にコア上部材54を取り付けることで、入力側モジュール25および出力側モジュール14ａ〜14ｃの組立て完了と同時に、主トランス12の組立ても完了する。

その後、入力端子17から所定の交流入力電圧を印加すると、ラインフィルタ部11によりノイズ成分を除去された交流入力電圧がコンバータ部13に供給され、主トランス12の一次巻線24に直流電圧が断続的に印加される。この一次巻線24と二次巻線28はコア27により磁気的に結合されているので、各出力側モジュール14ａ〜14ｎに繋がる二次巻線28のヒートパイプ72に対し、電気的に絶縁された状態で電力が伝送され、各出力側モジュール14ａ〜14ｎの出力端子34から所望の出力電圧が取り出される。

上記一連の動作で、主トランス12は一次巻線24に比べて二次巻線28のターン数が少ないので、ヒートパイプ72で構成した二次巻線28には一次巻線24よりも大きな電流が流れる。その際、螺旋状に巻かれたヒートパイプ72の巻線部74で温度が上昇すると、この巻線部74となるコンテナ71の内部で水（作動媒体）が蒸発して蒸発潜熱が奪われ、巻線部74における温度上昇が抑制される。当該コンテナ71内部の蒸気は、温度の低い箇所である扁平部77に移動し、そこで凝縮して水に戻るが、このときに凝縮潜熱を放出しながら、熱が扁平部77に移動する。扁平部77に達した熱は、この扁平部77と熱的に接続する放熱フィン76に速やかに伝達された後、冷却ファン23からの送風により熱交換される。また、扁平部77周辺に凝縮した水が集中するため、蒸発により水が減少した巻線部74との間で毛細管力が発生し、水がウィック82に沿って扁平部77から巻線部74側に運ばれる。こうして、外部に専用の循環装置を設けなくても、ヒートパイプ72の持つ優れた熱輸送能力により、巻線部74を効率的に冷却することが可能になる。また、コンテナ71は作動媒体である水を真空状態で封止するだけでなく、主トランス12の導電部としての機能も果たしているので、優れた冷却能力を持ちながら、主トランス12をコンパクトな形状にすることができる。

以上のように本実施例では、螺旋状のコイルである二次巻線28を備えたインダクタ素子としての主トランス12において、導電性のコンテナ71内に作動媒体である水を封入して熱輸送を行なうヒートパイプ72を、二次巻線28として設けている。

このようにすると、二次巻線28そのものがヒートパイプ72により構成されるため、二次巻線28への通電により、当該二次巻線28から熱が発生すると、コンテナ71内に封入された作動媒体が加熱部である巻線部74の周辺で蒸発し、その蒸気が低温の冷却部（扁平部77）に流動して放熱凝縮すると共に、扁平部77の周辺に溜まる作動流体は毛細管力によりウィック82に沿って巻線部74へと円滑に運ばれる。このように、ヒートパイプ72の冷却部である扁平部77を放熱フィン76などで適宜冷やしておけば、作動媒体はコンテナ71内に封入された状態になっており、外部に作動媒体の循環機構がなくても二次巻線28の温度上昇を効果的に抑制できる。

また本実施例では、ヒートパイプ72の両端にある封止部73を、例えば二次側モジュール14ａ〜14ｎの主基板などの被取付部に半田付け接続する接続部としているので、コイルである二次巻線28の両端部における電気的な接続を極めて容易に行なうことができる。

さらに本実施例では、例えば電源装置１のような電子機器の筐体２内部に主トランス12を収容している。

この場合、インダクタ素子である主トランス12を収容した筐体２の内部には循環機構を設ける必要がなく、ヒートパイプ72による高い冷却能力を有しつつも、電子機器としてコンパクトな構造を実現できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば実施例において、巻線部74を扁平状にして、コア27の主脚55に装着できる一次巻線24や二次巻線28の個数を増やすようにしてもよい。また、インダクタ素子としては実施例に示す電源装置の主トランスの他に、各種電子機器に組み込まれる変成器，チョークコイル，リアクトルに適用してもよい。さらに、コイルとしては実施例のような二次巻線28に限らず、あらゆるインダクタ素子の巻線体に適用できる。

本発明の好ましい一実施例を示す電源装置のブロック構成図である。同上、図１の電源装置に組み込まれる主トランスの分解斜視図である。同上、ヒートパイプに放熱フィンを熱的に接続した状態を示す要部の正面図である。同上、ヒートパイプの一部を切欠いた斜視図である。

符号の説明

１電源装置（電子機器）
２筺体
12 主トランス（インダクタ素子）
28 二次巻線（コイル）
71 コンテナ
72 ヒートパイプ

Claims

螺旋状のコイルを備えたインダクタ素子において、導電性のコンテナ内に作動媒体を封入してなるヒートパイプにより前記コイルを構成したことを特徴とするインダクタ素子。
前記請求項１記載のインダクタ素子を筐体の内部に収容したことを特徴とする電子機器。