JP2015043377A - 冷却器付きリアクトル - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、柔軟な放熱シート５を介して冷却器が取り付けられている冷却器付きリアクトル１において、放熱シート５の周縁が千切れないようにする技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する冷却器付きリアクトル１は、平坦な一側面１１ａ（１１ｂ）を有するコイル４ａ（４ｂ）を備えている。平坦な一側面１１ａ（１１ｂ）は放熱シート５を挟んで冷却器２に面している。コイル軸線方向からみたときにコイル４ａ（４ｂ）の平坦な一側面１１ａ（１１ｂ）の両端に段差１４ａ（１４ｂ）が設けられており、段差１４ａ（１４ｂ）と冷却器２との間の空間が放熱シート５で満たされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、リアクトルに関する。リアクトルは、コイルを利用した受動素子であり、インダクタと呼ばれることもある。

リアクトルは、力率改善、高調波電流の抑制（直流電流の平滑化）等のために用いられる。リアクトルは、また、直流電圧を昇圧する回路に用いられることもある。

リアクトルは電気自動車の電子装置に用いられることもある。電気自動車はモータを駆動力とするため、駆動回路にリアクトルを備えることが多い。電気自動車では、数十キロワットクラスの高出力モータを利用するため、その駆動回路に用いるリアクトルも大容量となる。それゆえ、リアクトルの発熱量が大きい。なお、本明細書では、「電気自動車」には、モータとともにエンジンを備えるハイブリッド車、及び、燃料電池車を含む。

冷却のためにリアクトルに冷却器を取り付けることがある。なお、冷却器は、内部を冷媒が流れるタイプもあれば、単なる放熱板の場合もあり得る。後者の場合、リアクトルを固定する筐体（リアクトルを含む電子装置の筺体）が放熱板として機能する場合もある。例えば、特許文献１では、リアクトルは筐体とコイルの間に伝熱シートを備え、伝熱シートを介してコイルの熱を筐体へ拡散させることが提案されている。また、特許文献２では、コイルの側面とコアの側面を放熱性の接着剤で筐体の底板に固定することが提案されている。この技術では、接着剤がコイルの熱を筐体に拡散させる機能を果たす。

特開２０１３−１１８２０８号公報 特開２０１２−２３２６７号公報

最近の放熱シートの中には、柔軟性が高く引張強さの低い材質のものがある。例えば、サーコン（登録商標）と呼ばれるシリコンベースの放熱シートは、熱伝導率が１７Ｗ／ｍ・Ｋと高いが、引張強さは１〜１０ＭＰａ程度である。ここで、引張強さは、破断するまでに要する応力の大きさで表される。ちなみに、天然ゴムの引張強さは１〜２０ＭＰａ程度である。他方、伝熱性を高めるには、放熱シートを挟んでコイルを冷却器に強く圧接する必要がある。さらに、放熱性を高めるには、冷却器に対向するコイルの一側面の全体が確実に放熱シートに接する必要がある。放熱シートの大きさは、冷却器に対向するコイルの一側面よりも広いことが好ましい。放熱シートのサイズをコイル一側面よりも大きくすると、放熱シートにおいて、コイルの一側面からはみ出る部分が生じる。コイルは冷却器に強く圧接されることが好ましいが、圧接する力が強すぎると、そのはみ出る部分が振動等により引きちぎられ、コイルを設置した筐体内部で自由に動き回る異物となる虞がある。特に、車載の電子装置では、振動が大きいため、振動によって異物が筺体内を移動し、他のデバイスと接触する虞がある。本明細書は、引張強さの低い放熱シートを使った場合にその放熱シートの周縁が引きちぎれないようにする技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、柔軟な放熱シートを介して冷却器に取り付けられているリアクトル（以下、冷却器付きリアクトルと称する）を対象とする。ここで、柔軟な放熱シートとは、典型的には、引張強さが約２０ＭＰａ以下の放熱シートを対象とする。本明細書が開示する冷却器付きリアクトルは、平坦な一側面を有するコイルを備えたリアクトルであって当該平坦な一側面が柔軟な放熱シートを挟んで冷却器に面している。コイルはコイル軸線方向からみたときにコイルの平坦な一側面の両端に段差が設けられている。放熱シートはコイルと冷却器の間に挟まれることで変形し、段差と冷却器との間の空間も放熱シートで満たされている。また、放熱シートの大きさはコイルの平坦な一側面よりも大きい。つまり、コイルの平坦な一側面に直交する方向から視たとき、放熱シートは、コイルの平坦な一側面の外側に拡がっている。よって、コイルの外側には放熱シートのはみ出る部分が存在する。

この構成によれば、冷却器に面しているコイルの一側面の中央における放熱シートの厚みと比較して、段差と冷却器との間における厚みを厚くすることができる。つまり、コイル一側面の中央では放熱シートを従来と同じ厚みにしながら、端部では一側面と冷却器に挟まれる放熱シートの厚みを厚くすることができる。端部においてコイル一側面と冷却器に挟まれている放熱シートの厚みを厚くすることで、その部分に続くはみ出し部分を千切れ難くすることができる。

また、本明細書が開示する冷却器付きリアクトルでは、上記の構造とは逆に、コイル軸線方向からみたときに平坦な一側面の両端に対向する冷却器面にコイルから離れる方向の段差が設けられてもよい。段差とコイルの平坦な一側面との間も放熱シートで満たされている。コイルの端部に段差を設けることと冷却器側に段差を設けることは、いずれも、コイルと冷却器に挟まれる放熱シートの厚みを、コイル一側面の中央では薄くし、一側面の端部で厚くする、という点で同一の技術的思想である。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

冷却器付きリアクトルの上面図である。 冷却器付きリアクトルの模式的側面図である。 第１実施例における図１の矢印IIIの方向から視た冷却器付きリアクトルの縦断面図である。 第２実施例における図１の矢印IIIの方向から視た冷却器付きリアクトルの縦断面図である。

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の冷却器付きリアクトル１を説明する。以下、「冷却器付きリアクトル１」を単に「リアクトル１」と称する。また、冷却器を除いたものを、「リアクトル本体３」と称する。図１は、リアクトル１の上面図であり、図２は、リアクトル１の模式的側面図である。なお、図２は、リアクトル１の冷却器２のみ断面で示しており、他の部品は側面図として描いてある。また、図における座標軸は、Ｘ軸、Ｙ軸が水平方向を示しており、Ｚ軸が垂直方向を示している。Ｘ軸方向がリアクトル本体３のコイル軸線方向と一致している。

リアクトル１は、電気自動車において、バッテリの直流電圧を昇圧し、さらに交流に変換してモータに供給するパワーコントロールユニットに内蔵された電圧コンバータ回路の一部品である。図１に示すようにリアクトル１は、リアクトル本体３と、冷却器２と、放熱シート５を備えている。放熱シート５は、リアクトル本体３と冷却器２の間に備えられている。なお、冷却器２は、パワーコントロールユニットの筺体であり、リアクトル本体３はその筐体に固定されている。筐体は、リアクトル本体３の熱を散逸させる冷却器の役割を果たしているので、本明細書では符号２が示す部品を冷却器と称する。なお、各図面では、筐体の一部、即ち、リアクトルを取り付ける部分だけを冷却器２として描いてある。筐体（冷却器２）には、冷媒を通す冷媒流路が備えられていることもある。

リアクトル本体３は、一部が平行な円環状のコア６の平行部位の夫々をボビン７が覆っており、そのボビン７にコイル４ａ、４ｂが取り付けられている構造を有している。導線１０を巻き掛けるボビン７は、２本のコアカバー８ａ、８ｂと、フランジ９ａ、９ｂで構成されている。２本の筒状のコアカバー８ａ、８ｂは平行に並んでおり、その両端がフランジ９ａ、９ｂと連結されている。ボビン７は樹脂で作られており、コアカバー８ａ、８ｂは中空である。円環状のコア６の平行部位が、２本のコアカバー８ａ、８ｂを通っている。コア６は鉄製である。なお、図から明らかなとおり、フランジ９ａ、９ｂはコアカバー８ａ、８ｂから外周方向に延出している部分である。

コアカバー８ａ、８ｂに導線１０が巻き掛けられてコイル４ａ、４ｂが形成される。２つのコイル４ａ、４ｂは平行に並んでいる。リアクトル本体３は幾何学的には２個のコイル４ａ、４ｂを有するが、それらのコイルは１本の導線１０で構成されており、電気的には一つのコイルに相当する。本実施例では、導線１０は、平角線である。図２、図３に示されているようにコイル４ａは、Ｘ軸（コイル軸線）に平行で平坦な下面１１ａを有している。下面１１ａは放熱シート５を挟んで冷却器２に面している。下面１１ａは全面で放熱シート５に接触している。同様にコイル４ｂも平坦な下面１１ｂを有し、全面で放熱シート５に接触している。なお、コイル４ａ、４ｂのＸ軸方向から視た時の断面形状は、図３に示される通りであり、詳細は後述する。

なお、ボビン７のフランジ９ａ、９ｂの外側の４箇所に支持金具１６が取り付けられている。支持金具１６にはボルト孔が形成されている。ボビン７は、この金具１６を介して、ボルト１７によって、冷却器２に固定されている。

図２、図３に示されているようにコイル４ａ、４ｂと冷却器２の間には放熱シート５が配置されている。別言すれば、コイル４ａ、４ｂは、放熱シート５を介して間接的に冷却器２に接している。放熱シート５は、シリコンをベースとしたラバー状のシートであり、熱伝導率が高く、柔軟性が高い。放熱シートの一例は、サーコン（登録商標）シートである。放熱シート５の熱伝導率は１７Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、放熱シート５の柔軟性は、ゴム硬度（ＪＩＳ Ａ）で表すと、約２０~１００Ｈｓ程度である。コイル４ａ、４ｂと冷却器２の間に柔軟で熱伝導率が高い放熱シート５が挟まれることによって、コイル４ａ、４ｂの隣接する巻かれた導線間の窪みにも放熱シート５が密着する。よって、コイル４ａ、４ｂから冷却器２への熱伝導が促進される。

コイル４ａ、４ｂの形状について説明する。コイル４ａは略四角柱に形成され、冷却器２と面している平坦な下面１１ａのＸ軸に平行な両端に、コイル４ａの内側に向かって窪むように段差面１４ａが形成されている。別言すると、コイル４ａのＸ軸に平行な外周面は、下面１１ａと、上面１２ａと、２つの側面１３ａと、２つの段差面１４ａと、２つの角面１５ａと、を有している。下面１１ａと上面１２ａと側面１３ａは平面である。上面１２ａは下面１１ａに平行である。側面１３ａは下面１１ａ及び上面１２ａと垂直である。角面１５ａのＺ軸方向の断面形状は、円弧形状である。段差面１４ａは、下面１１ａと側面１３ａを繋ぐ湾曲面である。段差面１４ａのＺ軸方向の断面形状は、３つの変曲点を有し、一段の下面１１ａと平行な面が形成されている。上面１２ａの両端には２つ角面１５ａがそれぞれ繋がっており、その先には、側面１３ａの一端がそれぞれ繋がっている。下面１１ａの両端には２つの段差面１４ａがそれぞれ繋がっており、その先には、側面１３ａの他端がそれぞれ繋がっている。よって、コイル４ａのＸ軸に平行な外周面は、下面１１ａと、上面１２ａと、２つの側面１３ａと、２つの段差面１４ａと、２つの角面１５ａにより一巡している。コイル４ｂもコイル４ａと同様の形状で形成されている。コイル４ｂのＸ軸に平行な外周面は、下面１１ｂと、上面１２ｂと、２つの側面１３ｂと、２つの段差面１４ｂと、２つの角面１５ｂにより一巡している。

放熱シート５は、リアクトル本体３と冷却器２の間を満たすように、リアクトル本体３と冷却器２の間の形状に合わせて変形している。放熱シート５は、コイル４ａの下面１１ａと段差面１４ａ及びコイル４ｂの下面１１ｂと段差面１４ｂの全面を覆うように配置されている。放熱シート５のＹ軸方向の幅は、コイル４ａの外方の側面１３ａからコイル４ｂの外方の側面１３ｂまでの幅よりも大きい。放熱シート５のＸ軸方向の幅は、コイル４ａ、４ｂのＸ軸方向の幅と等しい。つまり、放熱シート５はコイル４ａ、４ｂの外方の側面１３ａ、１３ｂよりはみ出しており、はみ出し部１６ａ、１６ｂを有している。

放熱シート５のはみ出し部１６ａは、コイル４ａの外方の側面１３ａから冷却器２の表面に下した面を作用面にして、振動により繰り返し応力が作用する。作用する応力が放熱シート５の許容応力を超えると、はみ出し部１６ａが千切れる虞がある。本実施例では段差面１４ａが設けられることにより段差面１４ａの下面１１ａと平行な面と冷却器２の間の距離１８ａが長くなり、その部分の放熱シート５の厚みが厚くなる。よって、放熱シート５の作用面の面積を広くすることができ、千切れに対する耐久性を高めることができる。また、はみ出し部１６ａを有することで、コイル４ａと冷却器２との間の絶縁の沿面距離を確保することができる。距離１８ａが長くなることで、はみ出し部１６ａのＺ軸方向の厚みを厚くすることができる。この厚みにより、コイル４ａと冷却器２の間における沿面距離を長くすることができる。沿面距離を十分に長くすることができれば、はみ出し部１６ａのＹ軸方向の厚みを薄くすることができる。よって、はみ出し部１６ａの千切れに対する耐久性をさらに高めることができる。また、段差面１４ａにより、コイル４ａの下面１１ａと冷却器２の間の距離１９ａは距離１８ａよりも短くすることができ、コイル４ａの放熱性を従来と同程度に確保することができる。

（第２実施例）第２実施例のリアクトル２０について、第１実施例と構造が相違する点について説明する。コイル４ｃ、４ｄは略四角柱の形状である。コイル４ｃ、４ｄの下面１１ｃ、１１ｄは、放熱シート５ｃを挟んで冷却器２と面している。コイル４ｃ、４ｄは同様の形状をしているので、以下、コイル４ｃについて説明する。下面１１ｃに対向する冷却器２の対向面２２ｃのＹ軸方向の両端に、コイル４ｃから離れる方向に段差面２１ｃが設けられている。対向面２２ｃのＹ軸方向の幅は、下面１１ｃのＹ軸方向の幅よりも小さい。段差面２１ｃの下端は、対向面２２ｃと平行な底面２３ｃに繋がっている。別言すると、下面１１ｃのＹ軸方向の両端に対向する冷却器２の面に、Ｚ軸の正方向に膨らんだ凸部が設けられている。凸部のＹ軸方向の幅は、コイル４ｃのＹ軸方向の幅より小さい。凸部のＸ軸と平行な側面が段差面２１ｃとなる。コイル４ｄの下面１１ｄに対向する冷却器２の対向面２２ｄにも、コイル４ｃと同様に段差面２１ｄが設けられる。

本実施例では段差面２１ｃが設けられることにより下面１１ｃと底面２３ｃの間の距離１８ｃが長くなることで、放熱シート５の作用面の面積を広くすることができる。また、距離１８ｃが長くなることで、コイル４ｃと冷却器２の絶縁の沿面距離を確保しつつ、はみ出し部１６ｃのＹ軸方向の厚みを短くすることができる。よって、第１実施例と同様に、はみ出し部１６ｃの千切れに対する耐久性を高めることができる。また、段差面２１ｃにより、下面１１ｃと対向面１７ｃの間の距離１９ｃは距離１８ｃよりも短くすることができ、第１実施例と同様にコイル４ｃの放熱性を従来と同程度に確保することができる。

実施例のリアクトルに関する留意点を述べる。実施例の冷却器２は、リアクトル本体３が搭載されるパワーコントロールユニットの筐体であったが、冷却器２は筐体を兼ねるものでなくともよい。また、第１実施例のリアクトル１が有したコイルの段差面１４ａ（１４ｂ）は、２段以上の段差であってもよい。同様に、第２実施例の冷却器２ｃが有する段差面２１ｃも、２段以上の段差であってもよい。

第１実施例において、コイルの一側面の端部における段差面は、冷却器表面と平行である。段差面は冷却器の表面に対して平行であることが好ましいが、冷却器の表面に対して多少は傾斜していてもよい。段差面の傾斜の角度は、冷却器の表面に対して４５度以下であることが好ましい。段差面の傾斜の角度が４５度以下であれば、段差面と冷却器表面との間から放熱シートが押し出されることなく挟持される可能性が高いからである。第２実施例における、冷却器面に設けられたコイルから離れる方向の段差の面についても同様である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：冷却器付きリアクトル
２：冷却器（筐体）
３：リアクトル本体
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：コイル
５：放熱シート
６：コア
７：ボビン
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：下面
１４ａ、１４ｂ、２１ｃ、２１ｄ：段差面（段差）

Claims (1)

1. 平坦な一側面を有するコイルを備えたリアクトルであって当該平坦な一側面が放熱シートを挟んで冷却器に面している冷却器付きリアクトルであり、
   コイル軸線方向からみたときにコイルの前記平坦な一側面の両端に段差が設けられており当該段差と冷却器との間の空間まで前記放熱シートで満たされている、あるいは、コイル軸線方向からみたときに前記平坦な一側面の両端に対向する冷却器面にコイルから離れる方向の段差が設けられており当該段差とコイル側面との間まで前記放熱シートで満たされている、
   ことを特徴とする冷却器付きリアクトル。

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