JP2014532306A - ヒートシンク支持体を備えるコイル状電子パワー部品 - Google Patents

Abstract

基部（２）に取り付けられることが意図されたコイル状電子パワー部品（３）であって、その周りに複数の巻線（３２）が磁気コイルを形成するように巻き付けられている、軸方向に延在する磁気コア（３１）と、前記基部（２）の上に取り付けるための少なくとも１つのブラケット（４）とを備え、部品（３）の動作中、磁気コア（３１）からおよび／または複数の巻線（３２）から基部（２）へ熱量を放出するために、前記取付けブラケットが、磁気コアおよび／または複数の巻線（３２）と熱接触している少なくとも１つの放出表面（Ｓ１、Ｓ２）を備え、取付けブラケット（４）は、４００Ｗｍ−１Ｋ−１よりも高い等価熱伝導率を有する、コイル状電子パワー部品（３）。

Description

本発明は、航空応用のための電子パワー部品を熱的に制御する分野に関する。

航空機は、従来、多数の電子パワー部品、特にフライト指令または電気信号のフィルタリングを実行するための電子パワー部品を備えている。航空応用のための電子パワー部品は、数十キロワットの電力を出すことができる。従来、電子パワー部品は、一時的に数秒の持続時間の間使用され、これにより低量のジュール熱が発生し、この熱は、電子部品の質量によって吸収される。電子パワー部品の温度は、若干増加するだけであり、このことは、電子パワー部品の動作に悪影響を及ぼさない。

航空機製造業者の進化する必要性に対処するために、電子パワー部品は、数分の持続時間の間永続的に使用されることが提案されている。実際に数分の使用後、電子パワー部品の温度は、限界温度に達するまで上昇し、その温度を超えると、電子部品の動作は、もはや最適ではなくなる。

電子パワー部品の中で、特に信号のフィルタリングに使用されるコイル状電子部品は、温度の上昇によって影響を受ける。図１を参照すると、以下においてコイル状部品１と呼ばれるコイル状電子パワー部品１が、以下においてトロイダルコア１１と呼ばれるトーリック磁気コア１１を備え、その周りに銅で作られることが好ましい金属巻線１２が巻き付けられている。実際に１１０℃を超えると、トロイダルコア１１の磁気特性が低下し、コイル状部品１の動作は、もはや最適ではなくなる。

コイル状部品１は、従来からコイル状部品１の巻線１２を基部２に接続する取付けタブ１３を備え、この取付けタブ１３上にコイル状部品１が取り付けられている。基部２の温度は、動作中、コイル状部品１の温度よりも低い。熱的条件の点から、基部２は、ヒートシンクを形成している。動作に際しては、コイル状部品１のトロイダルコア１１および巻線１２が熱くなる。図１に示すように、巻線１２のみが取付けタブ１３と接触しており、これにより、熱量を巻線１２から基部２に放出できるようになる。一方、ジュール効果によりトロイダルコア１１に生成される熱量は、十分には放出されない。実際、トロイダルコア１１から取付けタブ１３に熱量を放出するために、前記熱量は、巻線１２を通って移動しなければならない。このアセンブリよって生じる熱抵抗は、極めて高い。したがってコイル状部品１の温度は、高いままであり、このことが、コイル状部品１が最適に動作することを妨げる。

これらの不利な点を克服するために、第１の解決策は、ジュール効果によって引き起こされる損失を低減するためにコイル状部品の直径を増加させることにある。このタイプの解決策は、コイル状部品の質量および寸法を増加させ、望ましくない。第２の解決策は、回転ファンを使用してコイル状部品を冷却するための空気の流れを生成することにある。航空応用に回転ファンを一体化することには、信頼性の点で不利な点があり、したがって、この解決策も、除外される。第３の解決策は、その中にコイル状部品が埋め込まれることになる樹脂、例えばエポキシタイプの樹脂を使用することである。実際にこのタイプ樹脂は、コイル状部品の加熱を十分に制限できるようにしない。

本発明の目的は、部品が振動、加速度および−５０℃〜＋１１０℃の間で変動する外部温度を受ける航空応用に適合性がある機械的強度を確保しながら、動作中の温度が調整されるコイル状電子パワー部品を作り出すことである。本発明の別の目的は、より軽量でよりコンパクトなコイル状部品を提供することである。

本発明は、基部に取り付けられることが意図されたコイル状電子パワー部品であって、その周りに複数の巻線が磁気コイルを形成するように巻き付けられている、軸方向に延在する磁気コアと、前記基部に取り付けるための少なくとも１つのブラケットとを備え、この部品の動作中、熱量を磁気コアおよび／または複数の巻線から基部へ放出するように、前記取付けブラケットが、磁気コアおよび／または複数の巻線と熱接触している少なくとも１つの放出表面を備え、この部品において取付けブラケットが、４００Ｗｍ^−１Ｋ^−１、好ましくは６００Ｗｍ^−１Ｋ^−１よりも高い等価熱伝導率を有するコイル状電子パワー部品に関する。

熱伝導率の値は、取付けブラケットが熱量を熱源からヒートシンクに導く主方向に従って定義される。従来、熱伝導率は、周囲温度２０℃で決定される。

高い等価熱伝導率を有する取付けブラケットは、振動に耐えることを可能にしながら、コイル状部品から熱量を効果的に放出することを可能にする。取付けブラケットが１つの要素のみから構成される場合、単一要素の材料の熱伝導率は、等価熱伝導率に相当する。取付けブラケットが複数の要素（例えば、取付けタブおよび熱放出デバイス）を備える場合、等価熱伝導率は、これらの要素のすべての熱伝導率に相当する。

取付けブラケットは、誘導により熱くならないように非磁性であることが好ましい。

取付けブラケットは、複合材料で作られていることがより好ましい。このタイプの材料は、受動的であるという利点を有し、振動に対する高い耐性を有する。さらに、複合材料は容易に機械加工され得るので、選択された任意の形状の取付けブラケットを得ることが可能である。

取付けブラケットは、カーボンナノチューブ、炭素繊維、ダイヤモンド微粒子およびグラファイト微粒子から選択された高い熱伝導率を有する微粒子が加えられた複合材料を備えることが好ましい。そのような材料は、高い熱伝導率を有し、コイル状部品が振動、加速度および−５０℃〜＋１１０℃の間で変動する外部温度を受ける航空応用と適合性がある。

取付けブラケットは、等価熱伝導率を増加させ、これにより熱量の放出を促進するために、二相熱放出デバイスを備えることがより好ましい。

二相熱放出デバイスはヒートパイプであることが好ましい。

本発明の第１の態様によると、二相熱放出デバイスは脈動ヒートパイプである。

本発明の別の態様によると、二相熱放出デバイスは蒸気チャンバである。

第１の態様によると、取付けブラケットは基部の上に取り付けるための少なくとも１つのタブを備えているので、二相熱放出デバイスは、取付けタブの上に取り付けられ、これにより熱放出デバイスのメンテナンスが向上する。

第２の態様によると、取付けブラケットは基部の上に取り付けるための少なくとも１つのタブを備えているので、二相熱放出デバイスは取付けタブと一体化され、これにより取付けブラケットの等価熱伝導率を増加させることが可能になる。

部品の動作中、磁気コアからおよび複数の巻線から基部へ熱量を放出するように、取付けブラケットは、磁気コアと熱接触している第１の放出表面と、複数の巻線と熱接触している第２の放出表面とを備えることが好ましい。

取付けブラケットの放出表面は、磁気コアからおよび巻線から熱量を直接放出することを可能にし、これにより電子パワー部品の熱的調整が向上する。有利なことには、放出表面の存在は、コイル状電子パワー部品の質量または寸法を増加させない。したがって、磁気コアにより生成された熱は、巻線を通過しないが、その代わりに取付けブラケットにより直接放出される。

第１の放出表面は、ほぼ磁気コアの軸方向断面に等しいことが好ましい。したがって、熱放出能力（大きい放出表面）と質量および寸法（削減放出表面）の限度との間の妥協が確保される。

巻線は、磁気コアおよび取付けブラケットの周りに巻かれ、これにより取付けブラケットを巻線および磁気コアと接触させることが可能になることが好ましい。さらに、巻線を巻き付けることにより、有利なことには、取付けブラケットおよび磁気コアを共に保持することが可能になる。

取付けブラケットの周りに巻き付けられている巻線を損傷する危険を低減するために、第２の放出表面が、少なくとも一部において湾曲していることがより好ましい。

本発明の一態様によると、取付けブラケットは、軸方向に延在する熱接触リングであって、リングの第１および第２の横断フェースが、それぞれ第１の放出表面と第２の放出表面の一部とを形成する熱接触リングを備える。したがって、リングの一方のフェースは、磁気コアの横断フェースと接触しながら、リングの他方のフェースは、巻線と接触している。

熱接触リングは、丸みのあるリムによって第２の横断フェースに接続されている軸方向の表面を有することが好ましい。丸みのあるリムは、第２の放出表面を共に形成する、リングの第２の横断フェースおよび軸方向の表面の周りに巻き付けられた巻線を損傷する危険を低減することを可能にする。さらに、丸みのあるリムは、フィレットとも呼ばれるが、巻線と第２の放出表面との間の接触が向上することを可能にする。

本発明の別の態様によると、熱界面材料、好ましくは放熱グリースが、第１の放出表面と磁気コアとの間に置かれる。このタイプの熱界面材料は、磁気コアから熱量を放出する能力が向上することを可能にする。

取付けブラケットは、磁気コアの一端部に取り付けられることが好ましい。磁気コアの一端部に取付けブラケットを取り付けることにより、コアの磁気性能が影響を受けないままであることが可能になる。

取付けブラケットは、基部の上に取り付けるための少なくとも１つのタブを備えることがより好ましい。取付けタブは、一方で放出表面により取り出される熱量が、基部の上に導かれることを可能にし、他方で部品が取り付けられている航空機の動作に関連した振動および加速度に抵抗することを可能にする。

部品は２つの取付けブラケットを備えているので、前記取付けブラケットは磁気コアの端部に取り付けられることがより好ましい。２つのブラケットがあるので、コイル状部品が、その質量および寸法を限定しながら、振動および加速度を受ける環境において効果的に固定されることが可能になる。

本発明は、単に例として与えられた以下の説明を、添付の図面を参照して読むことによってよりよく理解されるであろう。

従来技術によるコイル状電子パワー部品の断面図である（これについてすでに解説した）。 水平位置における本発明によるコイル状電子パワー部品の概略的図であり、巻線の一部のみを示している。 図２のコイル状電子パワー部品の軸方向断面図である。 垂直位置に置ける本発明によるコイル状電子パワー部品の概略図であり、巻線の一部のみを示す。

図面は、本発明を実行するために詳細なやり方で本発明を開示しているが、当然ながら、必要であれば前記図面が本発明をよりよく規定するのに使用されることが可能であることに留意されたい。

図２は、本発明による航空応用のコイル状電子パワー部品３の第１の実施形態を示し、この航空応用においてコイル状部品３は振動、加速度、および−５０℃〜＋１１０℃の間で変動する外部温度を受ける。

コイル状部品３は、以下ではトロイダルコア３１と呼ばれるトーリック磁気コア３１を備え、この磁気コアの周りにコイルを形成するために複数の巻線３２が巻き付けられる。この例では、トロイダルコア３１は、Ｘ軸および円形の断面を有する長手方向の円筒体の形態をとる。トロイダルコア３１は、フェライトなどの磁性材料から作られている。複数の巻線３２は、好ましくは銅で作られるが、図２に示すように、従来通り、磁気コイルを形成するためにトロイダルコア３１の周りに巻き付けられる。このタイプのコイルは、例えば、電気信号のフィルタリング動作を実行するために誘導により電流を生成することができる。

コイル状部品３は、ヒートシンクとして機能する構造上の基部２に取り付けられ、前記基部は航空機と一体であることが好ましい。図２および図３を参照すると、基部２は、水平の平面状プレートである。しかしながら、基部２は、当然ながら様々な形態であってもよい。図２および図３を参照すると、本発明のこの第１の実施形態では、コイル状部品３のトロイダルコア３１のＸ軸は、基部２に対して水平に延在する。コイル状部品３は基部２上で水平位置に取り付けられると考えられている。

この例では、コイル状部品３は、同一の２つの取付けブラケット４を備え、これらの取付けブラケットは、トロイダルコア３１が、振動および加速度を受けるときにしっかりと保持されることが可能であるように、図２および図３に示すようにコイル状部品３の前記トロイダルコア３１の横方向端部に取り付けられる。

各取付けブラケット４は、Ｘ軸に沿って軸方向に延在するとともに、トロイダルコア３１からおよび複数の巻線３２から基部２へ並列で熱量を放出するためにトロイダルコア３１と熱接触する第１の放出表面Ｓ１と、複数の巻線３２と熱接触する第２の放出表面Ｓ２とを備える円形リング４１を備える。

各取付けブラケット４は、円形リング４１と一体であるとともに、基部２に取り付けることが可能な取付けタブ４２をさらに備える。取付けタブ４２の寸法は、振動および加速度の場合コイル状部品３の機械的強度を確保するほどのものである。この例では、取付けブラケット４は、放熱を向上させるために、シングルピースの形をしているが、取付けブラケット４は、当然ながらモジュールであってもよい。

取付けブラケット４は、巻線３２とトロイダルコア３１との間における誘導現象を妨害しないように非磁性材料、好ましくはアルミニウムで作られることが好ましい。有利なことには、誘導によって生成される自己加熱は、非磁性材料に対して無視できるほどのものである。アルミニウムは、有利なことには高い熱伝導率ならびに航空応用に適合性がある密度を有する。

より一般に、機械的な応力に耐えることを可能にしながら、コイル状部品３の温度を効果的に調整することを可能にするために、取付けブラケット４は、４００Ｗｍ^−１Ｋ^−１よりも高い等価熱伝導率を有する。等価熱伝導率は、６００Ｗｍ^−１Ｋ^−１よりも高いことが好ましい。

取付けブラケットは、磁気誘導によるブラケットの加熱を制限するために非磁性であることが好ましい。

第１の態様によると、取付けブラケットは、ダイヤモンド微粒子、カーボンナノチューブ、炭素繊維およびグラファイト微粒子から選択された高い熱伝導率を有する微粒子が加えられた複合材料から作られる。微粒子の選択は、熱伝導率と微粒子の価格との間の妥協に起因し、この価格は熱伝導率に依存している。このタイプの複合材料は、受動的であり、したがって振動に対して高い耐性を有する。さらに、複合材料は容易に機械加工できるので、選ばれた任意の形状の取付けブラケットを得ることが可能である。

二相熱放出デバイスが取付けブラケット上に取り付けられ、相変化により約５０００Ｗｍ^−１Ｋ^−１の等価熱伝導率が、到達されることを可能にし、このことがコイル状部品３の温度が最適に調整されることを可能にすることが好ましい。二相熱放出デバイスは、低コストのヒートパイプであり、その動作が制御され、したがって高い信頼性を確保することが好ましい。ヒートパイプの一方の側は、取付けタブ４２に接続され、他方の側が基部２に接続されることが好ましい。

高い熱伝導率性能を得るために、二相熱放出デバイスは、より高い性能およびより高いコストを有する脈動ヒートパイプ、または蒸気チャンバであることが好ましく、蒸気チャンバの性能は、ヒートシンク／熱源表面の比が高い構成に対するヒートパイプの性能よりも高く、蒸気チャンバのコストはヒートパイプのコストよりも高い。

この例では、円形リング４１は、トロイダルコア３１の横方向表面と接触している第１の放出表面Ｓ１を形成する、第１の横断表面を有する。したがって、動作中にトロイダルコア３１により蓄積される熱量が、円形リング４１の第１の横断表面を介して取付けブラケット４に直接送られる。熱放出を最適化するために円形リング４１は、トロイダルコア３１の軸方向断面にほぼ等しい軸方向断面を有する。円形リング４１の断面はまた、当然ながらトロイダルコア３１の断面よりも小さくてもよい。リング４１の厚さは、コイル状部品３の質量を限定しながら、効果的な熱放出を可能にするように設定される。リング４１の厚さを約２〜３ｍｍにするという良い妥協が確保される。

円形リング４１は、第１の横断フェースと反対側に第２の横断フェースを備え、リング４１の２つの横断フェースは、図２に示すように内側の軸方向の表面ＳＩおよび外側の軸方向の表面ＳＥにより接続されている。さらに図２を参照すると、図２および図３に示すように取付けブラケット４のトロイダルコア３１および円形リング４１は、その周りに巻線３２が巻き付けられている軸方向の円筒体を形成し、巻線３２は、巻線３２からの熱量を放出するためにトロイダルコア３１の軸方向の表面および第２の横断表面の両方、ならびに円形リング４１の軸方向の表面ＳＩ、ＳＥと接触している。第２の横断表面ならびに内側の軸方向の表面ＳＩおよび外側の軸方向の表面ＳＥは共に各取付けブラケット４の第２の熱放出表面Ｓ２を形成する。

図３を参照すると、リング４１の第２の横断表面は、内側のリム６１により内側の軸方向の表面ＳＩに、また外側のリム６２により外側の軸方向の表面ＳＥに接続されている。リム６１，６２は、巻線３２がリング４１の周りに巻き付けられる場合、巻線３２を損傷する危険を低減するために丸みがあることが好ましい。当然ながら、リム６１，６２の一方のみが、丸みがあってもよい。より一般には、取付けブラケット４および巻線３２を接触させる第２の放出表面Ｓ２は、巻線３２を損傷させる危険を低減し、取付けブラケット４と巻線３２との間の熱接触を向上させるために湾曲している。

取付けブラケット４の取付けタブ４２は、図２に示すように基部２に接続する手段、好ましくは基部２に取り付けるためのねじを受容することができる取付け穴５を備えることが好ましい。この例では、取付けブラケット４のトロイダルコア３１およびリング４１は、巻線３２の巻き付けにより共に保持される。取付けブラケット４は、巻線３２がトロイダルコア３１および取付けブラケット４のリング４１の周りに巻き付けられることを可能にするために、トロイダルコア３１および２つの取付けブラケット４を共に保持することができる保持手段（図示せず）を備えることが好ましい。長手方向にねじ山を切ったロッドが、２つの取付けブラケット４の間でそれらの間の軸方向の距離を調整するようにねじで締められ、このことがトロイダルコア３１および巻線３２の巻き付けを保持することを可能にすることが好ましい。図２を参照すると、取付けタブ４２は、この中にねじ山を切ったロッドが締められることを可能にするための長手方向のねじ山６を備える。

この例では、各取付けブラケット４は、１つの取付けタブ４２を備えるが、当然ながらいくつかの取付けタブを備えてもよい。例として、取付けブラケット４は、基部２以外のヒートシンクに接続される取付けタブ４２を収容してもよい。取付けタブ４２は、同様に周囲の空気を使用して熱の移動を向上させるためのフィンを備えてもよい。

熱界面材料、好ましくはＢｅｒｑｕｉｓｔ社のＧａｐ Ｆｉｌｌｅｒ １５００タイプの放熱グリースが、リング４１へのトロイダルコア３１の熱放出を向上させるために、第１の放出表面Ｓ１（この例では、リング４１の第１の横断フェース）とトロイダルコア３１との間に置かれることが好ましい。実際、トロイダルコア３１は、従来、取付けブラケット４を用いて一様な押圧を可能にするための満足の行く表面仕上げを有していない。熱界面材料を加えることにより、トロイダルコア３１の表面仕上げを向上させることができ、これにより信頼できる熱放出が確保される。

同様に、熱界面材料は、熱量を基部２に移動させることを可能にするために、取付けタブ４２と基部２との間に塗布され得る。

取付けブラケット４は、製造中、トーリック磁気コア３１の端部に取り付けられ、各リング４１の第１の横断フェースは、トロイダルコア３１の端部の横断フェースに接触するようになる。放熱グリースが界面に付着されることが好ましい。次いで、銅ワイヤが、巻線３２を形成するように、リング４１およびトロイダルコア３１により形成される円筒形のアセンブリの周りに巻き付けられる。航空機に取り付けられる場合、コイル状部品３は、穴５を介してその取付け脚４２をねじで締め付けることによって基部２に取り付けられる。次いで、巻線３２は、例えばパワー変換器のフィルタリング動作を実行するために、他の電子パワー部品に接続される。定常状態動作にあるとき、熱量が、ジュール効果によりトロイダルコア３１および巻線３２に生成され、熱量は、取付け脚４２に移動され、次いでヒートシンクを形成する基部２に導かれるために、取付けブラケット４のリング４１により、直接放出され、これによりコイル状部品３の温度が動作中、調整されることが可能になる。

アセンブリの良好な機械的強度を確保するために、コイル状部品３は、樹脂に含浸されることができる。

図４は、本発明によるコイル状部品３’の第２の実施形態を示す。第１の実施形態と同様に、コイル状部品３’は、その周りに巻線３２’が巻き付けられているトーリック磁気コア３１’を備える。コイル状部品３’のこの第２の実施形態では、トロイダルコア３１’のＸ軸は、図４に示すように基部２に直交して延在する。コイル状部品３’は、基部２上で垂直の位置に取り付けられると考えられている。

第１の実施形態と対照的に、コイル状部品３’は、相異なる２つの取付けブラケット８，９を備える。コイル状部品３’は、この実施形態のリングに同様の円形リング８１と、リング８１を基部２に接続するとともに、対角線状に反対側にある２つの上側取付けタブ８２とを備える上側取付けブラケット８を備える。コイル状部品３’は、第１の実施形態のリングに同様の円形リング９１と、リング９１を基部２に接続する２つの下側取付けタブ９２とを備える下側取付けブラケット９をさらに備える。

上側取付けタブ８２は、この例では、巻線３２の巻き付けを妨害することなく基部２を接続することを可能にするように湾曲している。下側取付けタブ９２は、この例では、基部２の上で支持されるだけであり、取付け手段を備えておらず、上側取付けタブ８２を取り付けることによりコイル状部品が基部２に保持されることが確保される。

本発明によるコイル状部品３，３’は、基部２の上で水平にまたは垂直に取り付けられることができるので、このことは寸法の点から極めて有利である。

Claims (10)

1. 基部（２）の上に取り付けられることが意図されたコイル状電子パワー部品（３，３’）にして、その周りに複数の巻線（３２，３２’）が磁気コイルを形成するように巻き付けられている、軸方向に延在する磁気コア（３１，３１’）と、前記基部（２）の上に取り付けるための少なくとも１つのブラケット（４，８，９）とを備え、部品（３，３’）の動作中、磁気コア（３１，３１’）からおよび／または複数の巻線（３２，３２’）から基部（２）へ熱量を放出するために、前記取付けブラケットは、磁気コアおよび／または複数の巻線（３２，３２’）に熱接触している少なくとも１つの放出表面（Ｓ１、Ｓ２）を備える、前記コイル状電子パワー部品（３，３’）であって、取付けブラケット（４，８，９）が、４００Ｗｍ^−１Ｋ^−１よりも高い等価熱伝導率を有することを特徴とする、コイル状電子パワー部品（３，３’）。
2. 取付けブラケット（４，８，９）が非磁性である請求項１に記載の部品。
3. 取付けブラケット（４，８，９）が複合材料で作られている、請求項１または請求項２のいずれかに記載の部品。
4. 取付けブラケット（４，８、９）が、カーボンナノチューブ、炭素繊維、ダイヤモンド微粒子およびグラファイト微粒子から選択された高い熱伝導率を有する微粒子が加えられた複合材料を備える請求項３に記載の部品。
5. 取付けブラケット（４，８，９）が二相熱放出デバイスを備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の部品。
6. 二相熱放出デバイスがヒートパイプである、請求項５に記載の部品。
7. 二相熱放出デバイスが脈動ヒートパイプである、請求項６に記載の部品。
8. 二相熱放出デバイスが蒸気チャンバである、請求項７に記載の部品。
9. 取付けブラケット（４，８，９）が基部（２）の上に取り付けるための少なくとも１つのタブ（４２，８２，９２）を備えているので、二相熱放出デバイスは取付けタブ（４２，８２，９２）の上に取り付けられる、請求項５〜８のいずれか一項に記載の部品。
10. 取付けブラケット（４，８，９）が基部（２）の上に取り付けるための少なくとも１つのタブ（４２，８２，９２）を備えているので、二相熱放出デバイスは取付けタブ（４２，８２，９２）に一体化される、請求項５〜８のいずれか一項に記載の部品。

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