JP2011155117A

JP2011155117A - コイルの放熱構造

Info

Publication number: JP2011155117A
Application number: JP2010015337A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takiguchi; 敬瀧口; Kiyoko Hayashi; 聖子林; Mikio Kitaoka; 幹雄北岡; Tomotsugu Ota; 智嗣大田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】製品サイズを大きくせず、コイルの巻数に制限を受けることもなく、高い放熱性能を発揮することができ、しかも、製品化した際の実装が容易であり、特殊な部品を使用せずに、安価に実現できるコイルの放熱構造を提供する。
【解決手段】コイル１０を構成する巻線１２、１３に対して一端側を熱的に接続した状態で、金属細線２０ａの束よりなる熱引き出し線２０をコイル１０に付設し、熱引き出し線の他端部をコイルの外部に引き出して筐体等に接続できるようにした。熱引き出し線を構成する金属細線の太さｄを、コイルに流れる交流電流の周波数ｆに対して下式から得られる寸法値である表皮深さδの２倍以下に設定した。
δ＝｛２／（２πｆμσ）｝^1/2
但し、μ：金属細線の材料の透磁率
σ：金属細線の材料の導電率
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、電子機器や電気機器に使用されるコイルの放熱構造に関するものである。

コイルを用いた製品においては、コイルを構成する電線の発熱により製品温度が上昇することがあり、温度が上昇し過ぎると、製品を構成する材料の損傷や劣化を来したり、製品特性の悪化を招いたりすることがある。このため、コイルの温度を抑えるように、一般的には次のような対策が講じられている。

（１）コイルを構成する電線を太くする。
（２）コイルを構成する電線の巻数を減らす。
（３）コイルを構成する電線の一部または全てを熱伝導率が高く表面積の大きな銅板で構成し、その銅板を筐体などの冷却構造物に熱的に接触させて放熱させる。
（４）コイルを構成する電線部分を熱伝導率の高いモールド樹脂材でインサートモールドし、当該モールド品を筐体等の冷却構造物に熱的に接触させて放熱させる。
（５）冷却ファン等によりコイルを強制冷却する。

また、それらの対策とは別に、コイルの巻線の間などに一定形状を有する放熱部材を介在させて、その放熱部材を介して巻線の熱を外部に放出させさせるものもある（特許文献１、２参照）。

特開２００２−８３７２１号公報特開２００８−４７８２６号公報

ところで、上述した従来の対策には次のような問題があった。
（１）電線を太くすると、製品が大きくなる。
（２）製品の特性を維持したまま、コイルの巻数を減らすためには、コア（磁路断面積）を大きくする必要があり、その結果、製品が大きくなる。
（３）電線の一部または全てを銅板で構成する場合、銅板自体が発熱源になる上、銅板の加工費が嵩んだり、コイルの巻数が限られて、必要な性能を発揮することができなくなったりする等の不具合がある。
（４）電線部分を熱伝導率の高いモールド樹脂材でインサートモールドする場合、材料費や加工費のためコスト増になる。
（５）冷却ファン等により強制冷却する場合、冷却ファン等の余計な部品が必要であり、製品のコスト増やサイズ増になる。

また、特許文献１や特許文献２に記載のものは、熱を伝達する放熱部材が一定形状の特殊な固形部品であるために、その加工や組み付けに余計な手間やコストがかかったり、製品の実装に面倒が伴ったりする問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、製品サイズを特に大きくせずにすむと共に、コイルの巻数に制限を受けることもなく、高い放熱性能を発揮することができ、しかも、製品化した際の実装が容易であり、特殊な部品を使用せずに、安価に実現できるコイルの放熱構造を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、コイルを構成する電線に対して一部を熱的に接続した状態で、金属細線の束よりなる熱引き出し線を上記コイルに付設し、該熱引き出し線の他の一部を上記コイルの外部に引き出したことを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載のコイルの放熱構造であって、上記熱引き出し線を構成する上記金属細線の太さｄを、上記コイルに流れる交流電流の周波数ｆに対して下式から得られる寸法値である表皮深さδの２倍以下に設定したことを特徴とするものである。
δ＝｛２／（２πｆμσ）｝^1/2
但し、μ：金属細線の材料の透磁率
σ：金属細線の材料の導電率

請求項１の発明によれば、コイルの外部に引き出した熱引き出し線の端部（他の一部に相当）を、コイル外部の筐体等の放熱構造物（冷却構造物）と接触させた状態でコイルを実装することにより、コイルの巻線で発生する熱を、熱引き出し線を通して直接に外部（筐体等）へ効率良く逃がすことができ、コイルの温度を下げることができる。

その際に、上記熱引き出し線は、金属細線の束で構成されており、通常の電線と同様に柔軟性を有するものであるため、電線と同じように配索して筐体等の放熱構造物に接続することができ、高い放熱性能を保ちながらのコイルの実装が容易にできるようになる。

また、入手の容易な金属細線の束（例えばリッツ線）で熱引き出し線を構成しており、特殊な一定形状の部品を使用しているわけではないので、安価に放熱構造を実現できる上に、製品サイズの増大も招かずにすむ。また、電線の代わりに銅板でコイルを構成するわけでもないので、コイルの巻数に制限を受けることも勿論なく、所要の性能を発揮させることができる。

このように、コイルの発熱量が大きくなった場合にもコイルの温度の低減を図れることから、コイルを用いた製品（例えばトランス）の小型化や低コスト化が図れるようになり、特に大電力用コイルなどの発熱量が大きなコイルを用いた製品において高い有用性を発揮できる。

さらに、請求項２の発明によれば、熱引き出し線を構成する金属細線の太さを表皮深さδの２倍以下に設定したので、コイルが発生する漏洩磁束による発熱（渦電流による発熱）を有効に抑制することができる。また、金属細線の１本の太さは漏洩磁束による発熱を抑えるレベルに設定するものの、金属細線を多数束にして熱引き出し線を構成しているので、自身の発熱を低減しながら、熱伝導路の断面積を十分に確保することができて、所要の放熱性能を得ることができる。

本発明の一実施形態の放熱構造を含んだコイルの構成図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図である。図１のコイルを用いた製品であるトランスを基板に実装した状態を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ矢視図である。本発明の他の実施形態の放熱構造を含んだコイルの側断面図で、（ａ）は１本の熱引き出し線の両端分をコイルボビンの両端から外部に引き出して放熱構造物に接続できるようにした例を示す図、（ｂ）は２本の熱引き出し線の各片端部をコイルボビンの両端からそれぞれ外部に引き出して放熱構造物に接続できるようにした例を示す図である。図３に示した２例のいずれかのコイルを用いたトランスを基板に実装した状態を示す側面図である。図４の類似例を示す図で、２本の熱引き出し線の各片端部をコイルボビンの片側端部から共に引き出したトランスを筐体に実装し、コイルボビンに装着したコアを筐体に直に接触させて、コアを通して放熱させるようにした例を示す側面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は実施形態の放熱構造を含んだコイルの構成図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図である。

図１に示すように、このコイル１０は、絶縁樹脂等の絶縁材料で構成されたコイルボビン１１と、コイルボビン１１に２層に巻かれた内周側の第１巻線１２及び外周側の第２巻線１３と、第１巻線１２及び第２巻線１３に熱的に接続された形態でコイルボビン１１に取り付けられた熱引き出し線２０とから構成されている。

ここで、コイルボビン１１は、中空円筒状の胴部１１ａと、その胴部１１ａの軸方向両端に配置されたフランジ１１ｂとを有するもので、コイルボビン１１の胴部１１ａの外周にそれぞれ順番に電線を巻き付けることで、第１巻線１２及び第２巻線１３が構成されている。

また、熱引き出し線２０は、銅またはアルミニウムなどの熱伝導性の高い金属細線２０ａを多数束にしたもの（例えばリッツ線）で、長さ方向の一端側（一部）をコイルボビン１１の胴部１１ａの外周に沿わせて配置し、その上から第１巻線１２及び第２巻線１３を巻き付けることで、第１巻線１２及び第２巻線１３と熱的に接続された関係に保たれている。

特に、図１（ｂ）に示すように、金属細線２０ａの束の一端側をコイルボビン１１の周方向にばらしながら分散させて配置し、その上に第１巻線１２及び第２巻線１３を巻き付けるようにすれば、第１巻線１２及び第２巻線１３の周方向における広い範囲を有効に熱引き出し線２０の一端側に熱的に接続することができる。

また、熱引き出し線２０の他方の端部（他の一部）は、コイルボビン１１のフランジ１１ｂに形成した通孔１１ｃから外部に引き出されており、その端部には圧着端子２１が取り付けられている。また、熱引き出し線２０と第１巻線１２との間、第１巻線１２と第２巻線１３との間、及び、第２巻線１３の外周には、それぞれ電気的絶縁を確保する目的で絶縁テープ１４が巻かれている。テープの厚さは薄いため、熱抵抗は大きくなく、第１巻線１２、第２巻線１３で発生した熱は、容易に熱引き出し線２０へと伝わる。絶縁テープ１４の代わりに、高い熱伝導率を持つ薄いインシュレータや樹脂材を配設してもよい。

このように金属材料よりなる熱引き出し線２０をコイル１０に取り付けた場合、第１巻線１２及び第２巻線１３が発生する漏洩磁束により熱引き出し線２０に渦電流が発生し、それにより熱引き出し線２０自体が発熱する可能性が出てくる。そこで、この熱引き出し線２０の発熱を低減するべく、熱引き出し線２０を構成する金属細線２０ａの１本１本の太さｄを、第１巻線１２及び第２巻線１３に流れる交流電流の周波数ｆに対して下式から得られる寸法値である表皮深さδの２倍以下（ｄ≦２δ）に設定している。

δ＝｛２／（２πｆμσ）｝^1/2
但し、μ：金属細線の材料の透磁率
σ：金属細線の材料の導電率

また、このように熱引き出し線２０を構成する金属細線２０ａの太さを表皮深さδの２倍以下に設定すると、熱引き出し線２０を流れる熱路断面積が小さくなり、熱抵抗が大きくなって熱の流れが悪くなる。そこで、金属細線２０ａを多数本束ねた形にして熱引き出し線２０を構成することで、熱引き出し線２０の発熱を抑えながら、大きな熱路断面積を確保して十分な放熱性能を保つようにしている。

図２は、そのコイル１０を用いた製品であるトランス１を基板６０に実装した状態を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ矢視図である。

このトランス１は、コイル１にコア（鉄心）３０を装着することで構成されており、巻線１２、１３からの引き出し線１８を基板６０の回路部（図示せず）に半田付け接続し、熱引き出し線２０の端部の圧着端子２１を、ネジ２５で放熱構造体としての筐体５０に固定することで実装されている。

このように、コイル１０の外部に引き出した熱引き出し線２０の端部（圧着端子２１）を、コイル１０の外部の筐体５０に接触させた状態でトランス１を実装することにより、コイル１０の巻線１２、１３で発生する熱を、熱引き出し線２０を通して直接に筐体５０へ効率良く逃がすことができ、コイル１０の温度を下げることができる。

この場合、熱引き出し線２０は、金属細線２０ａの束（例えば、リッツ線）で構成されており、通常の電線と同様に柔軟性を有するものであるため、電線と同じように配索して筐体５０に接続することができ、高い放熱性能を保ちながらのコイル製品（トランス１）の実装が容易にできるようになる。

また、入手の容易な金属細線２０ａの束（リッツ線）で熱引き出し線２０を構成しており、特殊な一定形状の部品を使用しているわけではないので、安価に放熱構造を実現できる上に、トランス１のサイズの増大も招かずにすむ。また、電線の代わりに銅板でコイルを構成するわけでもないので、コイル１０の巻線１２、１３の巻数に制限を受けることも勿論なく、所要の性能を発揮させることができる。

このように、コイル１０の発熱量が大きくなった場合にもコイル１０の温度の低減を図れることから、コイル１０を用いた製品である例えばトランス１の小型化や低コスト化が図れるようになり、特に大電力用コイルなどの発熱量が大きなコイルを用いた製品において高い有用性を発揮できる。

また、熱引き出し線２０を構成する金属細線２０ａの太さｄを表皮深さδの２倍以下（ｄ≦２δ）に設定したので、コイル１０が発生する漏洩磁束による発熱（渦電流による発熱）を有効に抑制することができる。また、金属細線２０ａの１本の太さは漏洩磁束による発熱を抑えるレベルに設定するものの、金属細線２０ａを多数束にして熱引き出し線２０を構成しているので、自身の発熱を低減しながら、熱伝導路の断面積を十分に確保することができて、所要の放熱性能を得ることができる。

図３は、本発明の他の実施形態の放熱構造を含んだコイルの側断面図で、（ａ）は１本の熱引き出し線の両端分をコイルボビンの両端から外部に引き出して放熱構造物に接続できるようにした例を示す図、（ｂ）は２本の熱引き出し線の各片端部をコイルボビンの両端からそれぞれ外部に引き出して放熱構造物に接続できるようにした例を示す図である。

図３（ａ）に示すコイル１１０においては、熱引き出し線１２０の長さ方向の中間部（一部）をコイルボビン１１１の胴部１１ａの外周に配置し、その上から第１巻線１２及び第２巻線１３を巻き付けると共に、熱引き出し線１２０の長さ方向の両端部（他の一部）を、コイルボビン１１の両端のフランジ１１ｂの各通孔１１ｃからそれぞれコイルボビン１１の軸方向の両側に引き出しており、それら外部に引き出した両端部にそれぞれ圧着端子２１を取り付けている。

このように、１本の熱引き出し線２０を用いながらも、その両端部をコイルボビン１１１の外部にそれぞれ引き出して、筐体に接続できるようにしている場合は、熱引き出し線２０で受け取った巻線１２、１３からの熱を、より効率良く筐体に逃がすことができるようになる。

また、図３（ｂ）に示すコイル２１０においては、熱引き出し線２０を２本用い、一方の熱引き出し線２０の一端側（一部）をコイルボビン２１１の胴部１１ａの外周に配置して、その上から第１巻線１２及び第２巻線１３を巻き付けると共に、他方の熱引き出し線２０の一端側（一部）を第２巻線１３の外周に配設し、両方の熱引き出し線２０の他端側（他の一部）を、コイルボビン２１１の両端のフランジ１１ｂの各通孔１１ｃからそれぞれコイルボビン１１の軸方向の両側に引き出し、それら外部に引き出した両端部にそれぞれ圧着端子２１を取り付けている。

このように、２本の熱引き出し線２０を用いた場合は、熱引き出し線２０を通しての放熱経路の断面積が、１本の熱引き出し線を使用する場合の２倍になるので、２倍の熱量を逃がすことができる。

図４は、図３（ａ）、（ｂ）に示すコイル１１０、２１０を用いて構成したトランス１０１、２０１の実装状態を示す側面図である。
このトランス１０１、２０１においては、コイルボビンの軸方向の両側に熱引き出し線１２０、２０の端部がそれぞれ引き出されているので、コイル１１０、２１０の軸線方向を基板６０に沿わせてトランス１０１、２０１を配置することにより、両側に引き出した熱引き出し線１２０、２０の端部の圧着端子２１を容易に筐体５０に熱的に接続することができる。図示例の場合、圧着端子２１を基板６０にネジ２５で固定し、熱伝導性の高いスペーサ５５を圧着端子２１と筐体５０の間に介在させることで、圧着端子２１と筐体５０を熱的に接続している。

図５は、図４の類似例を示す図である。
このトランス３０１においては、コイル３１０の軸線方向の片端側から熱引き出し線２０の２つの端部を外部に引き出している。このようにコイル３１０の軸線方向の片端側から熱引き出し線２０の２つの端部を外部に引き出した場合、コイル３１０の軸線方向を筐体５０に垂直に立てた姿勢でトランス３０１を実装することにより、熱引き出し線２０の２つの端部を筐体５０に近づけることができるので、短い距離で筐体５０に熱引き出し線２０を熱的に接続することができる。また、矢印Ｐで示す箇所のように、コア３０を直接筐体５０に接触させることにより、コア３０を通してコイル３１０の熱を逃がすことができる。そのため、一層トランス３０１の温度上昇を抑制することができる。

次に、コイルに熱引き出し線を設けた場合と、設けない場合の温度上昇の実験例について簡単に述べる。
比較したコイルは、熱引き出し線を有するものと有しないものの２種類である。
熱引き出し線を有するコイルは、熱引き出し線を構成する金属細線としてΦ０．１ｍｍの銅線を１０００本束ねたものをコイルボビンに取り付け、その上に絶縁テープを巻いて、絶縁テープの上に第１巻線及び第２巻線を巻いたものであり、熱引き出し線の端部に取り付けた圧着端子を筐体にネジで固定することで実装し、その状態で実験した。コイルに熱引き出し線を設けない場合は、熱引き出し線がない点を除いては、ある場合と同様の条件で実験した。

その結果、熱引き出し線なしの場合の製品温度は９２℃であったものが、熱引き出し線ありの場合の製品温度は６８℃に抑制できることが分かった。

１０、１１０、２１０、３１０コイル
１２第１巻線（電線）
１３第２巻線（電線）
２０、１２０熱引き出し線
２０ａ金属細線

Claims

コイルを構成する電線に対して一部を熱的に接続した状態で、金属細線の束よりなる熱引き出し線を上記コイルに付設し、該熱引き出し線の他の一部を上記コイルの外部に引き出したことを特徴とするコイルの放熱構造。
請求項１に記載のコイルの放熱構造であって、
上記熱引き出し線を構成する上記金属細線の太さｄを、上記コイルに流れる交流電流の周波数ｆに対して下式から得られる寸法値である表皮深さδの２倍以下に設定したことを特徴とするコイルの放熱構造。
δ＝｛２／（２πｆμσ）｝^1/2
但し、μ：金属細線の材料の透磁率
σ：金属細線の材料の導電率