JP2023177175A - プレーナ構造コイルユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と冷却性能に優れたプレーナ構造のコイルを使用するコイルユニットを提供することにある。【解決手段】複数の板状コイル層を備えるプレーナ構造コイルが筐体内に配置されるプレーナ構造コイルユニットおいて、前記複数の板状コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されている板状コイル部が、前記筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されている。【選択図】図１

Description

本発明は、高周波で動作させるプレーナ構造のコイルを使用するインダクタ及びトランスに関するものである。

近年、電気部品の小型・軽量化および高性能化が進められており、インダクタやトランスにおいても小形化・高性能化が必須の課題である。これらのインダクタやトランスに高周波による通電が行われる場合には、これらに使用されているコイルのコイル材を従来から使用されてきたように、円形断面のワイヤーで構成すると、高周波動作により生じる表皮効果により、ワイヤーの断面積を有効的に使用することができず、小形化が阻害されるという問題が生じる。そのため、近年使用されているのが、導体を高周波で動作させることにより生ずる表皮効果の生じる厚さ程度としたプレーナ構造としたコイルである。このコイルも使用される用途によっては大電流による通電や高出力が要求されるが、表皮効果による銅損が増加することから、銅損に伴う発熱を放散させることが必要になる。発熱を放散させる方法として、特許文献１の特表２００４－５１５９０６号公報に示されているように、銅またはアルミニウムで形成された平板状の一次コイルおよび二次コイルの内部に形成されている通路を循環する空気または水によって冷却させる方法が知られている。

特表２００４－５１５９０６号公報

平板状コイルの内部に空気または水が通過する通路を形成するとコイル自体の構造が複雑となり、コイル自体の厚みを薄くすることも限界が生じすることから小型化の妨げになる。本発明が解決しようとする課題は、小型化と冷却性能に優れたプレーナ構造のコイルを使用するコイルユニットを提供することにある。

本発明は、以下のとおりである。
（１）複数の板状コイル層を備えるプレーナ構造コイルが筐体内に配置されるプレーナ構造コイルユニットおいて、前記複数の板状コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されている板状コイル部が、前記筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造コイルユニット。板状コイル部が液状流動体に浸漬されていることから、コイル層が冷却用のフィンの役割を担うことができ、効率的に銅損によって生じる熱を放散させることができる。液状流動体としては、トランス油、シリコーンオイル、液体を分散媒とするコロイドであるゾル（以下「乳濁コロイド）ともいう。有機溶媒を用いたオルガノゾルでることが好ましい）等を使用することができる。特に、絶縁性を有する流動体であることが望ましい。

（２）前記板状コイル層の板面に沿うベクトルが、鉛直方向成分を有するように前記トランスユニットが取り付けられる取り付け部を筐体に備えていてもよい。プレーナ構造コイルユニットが内部に配置された板状コイル層を鉛直方向に並ぶように取り付けられるため、板状コイル部の熱によって暖められた液状流動体が対流しやすくなることから、板状コイル部の冷却がより効率的に行われる。

（３）前記液状流動体は、前記筐体内の上部に空間を有するように入れられており、前記板状コイル層の板面に沿うベクトルが、前記液状流動体液面に対して垂直方向成分を有するように筐体に前記板状コイル層が備えられていてもよい。板状コイル層が鉛直方向に並んでいるため、板状コイル層の熱によって暖められた液状流動体が対流しやすくなることから、板状コイル層の冷却がより効率的に行われる。また、筐体の上部に空間があるため、熱によって暖められた液状流動体の膨張を吸収し、筐体内部の内圧が過度に高まることを防ぐことができる。

（４）前記コイル層の相互に離間する距離が０．３５ｍｍ以上であることが好ましい。板状コイル層の相互に離間する距離を０．３５ｍｍ以上にすることで、液状流動体の対流がよりスムーズに行われることから、コイル層の冷却がより効率的に行われる。

（５）前記筐体に前記液状流動体の冷却ユニットが備えられていてもよい。筐体に液状流動体を冷却するための冷却ユニットを設けることで、冷却性能をより向上させることができる。

（６）前記液状流動体は、シリコーンオイルであるとよい。シリコーンオイルの特性としては、鉱油系または植物系の油に比べて、温度による粘度の変化が非常に少ないこと、表面張力が小さいこと、体積膨張率が大きく、比重が温度によって大きく変化することが挙げられる。温度による粘度の変化が非常に少ないことから、使用時の温度上昇による冷却性能の変化を抑えることができる。また、表面張力が小さいため、板状コイル層やコアとの濡れ性が良いことから、銅損や鉄損による発熱をより効率良くシリコーンオイルに伝えることができる。さらに、体積膨張率が大きいことから、銅損や鉄損によって温度が上昇するにつれ、対流がより活発になるため、冷却を効率的に行うことができる。

（７）前記板状コイル部は、前記コイル層の中央に円環部が形成されており、複数の該コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されることによって中央空間部が形成されており、前記板状コイル部と前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造インダクタ部が筐体内に配置されるとともに、該筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造インダクタユニットであってもよい。
前記複数の板状コイル層と前記コアとの間に、樹脂又はセラミックで形成された絶縁部が備えられていてもよい。樹脂又はセラミックは、液状流動体よりも伝熱率が高いため、コアで生じた熱をコイル部に伝えて冷却性能を向上させることができる。

（８）前記板状コイル部は、前記コイル層の中央に円環部が形成されており、複数の該コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されることによって中央空間部が形成されるとともに、相互に電気接続された一次側コイル層と相互に電気接続された二次側コイル層を構成しており、前記板状コイル部と前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造トランス部が筐体内に配置されるとともに、該筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造トランスユニットであってもよい。

（７）または（８）のように構成することによって、インダクタ部またはトランス部が液状流動体に浸漬することになる。通電時にはコア芯部にヒステリシス損や渦電流損による発熱が生じるため、液状流動体で効率的に冷却することが可能となる。

（９）また、（７）または（８）のコアに前記液状流動体で満たされる穴部が形成されていてもよい。コアに穴を設けて、液状流動体が満たされることで、コアに生じる発熱を効率的に冷却することができる。コアに設ける穴を貫通させるとより効率の良い冷却が可能となる。

（１０）交流入力を直流出力に変換するＡＣＤＣコンバータ部と、前記直流出力の電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ部と、液状流動体が入れられた筐体とを有する電源装置であって、前記ＡＣＤＣコンバータ部は、少なくともチョークコイルと整流素子を有し、前記ＤＣＤＣコンバータ部は、相互に電気接続された複数の板状一次側コイル層および相互に電気接続された複数の板状二次側コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されるとともに、前記各コイル層の中央に円環部が形成されることによって中央空間部が形成され、前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造トランス部と少なくとも共振コイルとスイッチング素子を有し、前記ＡＣＤＣコンバータ部の前記チョークコイルと前記整流素子および前記ＤＣＤＣコンバータ部の前記プレーナ構造トランス部と前記共振コイルと前記スイッチング素子とが前記液状流動体内に浸漬された状態で筐体内に配置すると良い。ＡＣＤＣコンバータ部のチョークコイルと整流素子およびＤＣＤＣコンバータ部のプレーナ構造トランス部と共振コイルとスイッチング素子は、いずれも温度が上昇しやすく、特にＥＶ車の充電に使用される充電器等では、大容量であることが要求されることから、液状流動体に浸漬された状態で一つの筐体内に配置することで効率的に冷却することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、トランスユニットを備える電源、トランスユニットの製造方法などの形態で実現することができる。

トランスユニットの内部構造を示す断面図である。 プレーナ構造トランス部を構成する板状コイル部の積層状態を示す説明図である。 一次側コイル第１層及び一次側コイル第２層の説明図である。 板状コイル部を構成する絶縁層の説明図である。 プレーナ構造トランス部を構成するコア部の説明図である。 プレーナ構造トランス部の構成を示す説明図である。 コア部に冷却穴を設ける場合の一例を示す説明図である。 筐体に冷却ユニットを設けたトランスユニットの状態を示す説明図である。 １個のコアを使用した三段式トランスの説明図である。 ３個のコアを使用した三段式トランスの説明図である。

＜実施形態＞
図１は、実施形態のトランスユニット１０００を構成する筐体５０内にコア１００と板状コイル部２００を用いたプレーナ構造トランス部３００が配置されている状態を示す断面図である。図１には、方向を特定するために、互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、Ｚ軸方向を積層方向、Ｙ軸方向を突出方向ともいう。また、本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向というものとする。ＸＹＺ軸は、図２以降の図面についても同様である。実施形態のトランスユニット１０００は、例えば、パワーエレクトロニクス電源、特にＥＶ用充電ステーションやＥＶ車載充電器、工業用ＩＨ等の高周波電源等に用いるスイッチング電源用のトランスに適用される。

図１に示すように、トランスユニット１０００は、筐体５０内に配置されたコア１００と板状コイル部２００とで構成されたプレーナ構造トランス部３００を備えている。そして、一次側端子１１、１２及び二次側端子２１、２２が筐体蓋部５０２に取付けられて、板状コイル部２００と図示しない外部入出力とに接続されている。具体的には、板状コイル部２００の後述する一次側第１コイル層２ａに形成されている端子部２ａ６の孔部２ａ６ｈに一次側端子１１の一端に形成されているネジ部が差し込まれた状態でナットによって固定されている。また、一次側第６コイル層２ｆに形成されている端子部２ｆ６の孔部２ｆ６ｈに一次側端子１２の一端に形成されているネジ部が差し込まれた状態でナットによって固定されている。同様に、二次側端子２１、２２は、二次側第1コイル層２ｍに形成されている端子部２ｍ６の孔部２ｍ６ｈと二次側第６コイル層２ｒに形成されている端子部２ｒ６の孔部２ｒ６ｈに二次側端子２１、２２の一端に形成されているネジ部が差し込まれた状態でナットによって固定されている。

また、筐体容器部５０１の底面及び筐体蓋部５０２の内面側には４本の位置決めピン５５の両端を差し込む孔があけられた位置決めプレート５１、５２が取り付けられている。板状コイル部２００は、後述するように板状コイル部２００を構成する一次側コイル層、二次側コイル層の各層及び二種類の絶縁板に備えられている位置決め部に開けられた孔部に、これら４本の位置決めピン５５が挿通され、これら位置決めピン５５の端が位置決めプレートに差し込まれた状態で筐体５０に取り付けられている。６層の一次側コイル層および６層の二次側コイル層が積層されるため、各コイル層の各円環部によって中央空間部２０１が形成され、コア１００は、コア芯部１０２がこの中央空間部２０１に挿通されるように配置されている。

筐体５０の側面下部には、図示しない取り付けステーが取り付けられており、トランスユニット１０００を立てた状態で使用するように設置することができる。このような設置状態になっているため、板状コイル部２００を構成する板状のコイル層の板面に沿うベクトルが、鉛直方向を向くようになっている。また、筐体５０内には、シリコーンオイル６０が入れられており、コア１００と板状コイル部２００は、このシリコーンオイル６０に浸漬されている。シリコーンオイル６０は筐体５０内に入れられた後に真空脱泡を行っており、相互に離間した状態で並列に配置されている各コイル層間の絶縁を確保している。なお、筐体容器部５０１の開口端面には、シールリング５０３が配置されており、筐体蓋部５０２との間にできる隙間からシリコーンオイル６０が漏洩しないように気密性を確保している。本実施形態では、比較的大電力が要求される電源に使用されるトランスであることから筐体５０を金属で構成しているため、位置決めプレート５１、５２をセラミックで構成したが、筐体５０を樹脂等の絶縁材料で形成する場合には、コア１００の鉄損による発熱をより効果的に放散させるために、銅で構成しても良い。なお、筐体５０を樹脂等の絶縁材料で形成する場合には、位置決めプレートを省略して、筐体５０に位置決めピン５５が挿通される穴を設けても良い。

トランスユニット１０００の使用時に鉄損及び銅損によるコア１００及び板状コイル部２００の温度上昇に伴って、シリコーンオイル６０は、温度が上昇し膨張する。筐体５０内に空間なくシリコーンオイル６０が充填されていると、筐体５０内の圧力が上昇し、シリコーンオイル６０の漏洩する可能性もある。このため、筐体５０の上部に空間ができる程度の量でシリコーンオイル６０を入れても良い。この場合には、シリコーンオイル６０の液面に対して板状コイル部２００の板面に沿うベクトルが、鉛直方向を向くようになっている。なお、この場合でも、コア１００と板状コイル部２００は完全にシリコーンオイル６０に浸漬した状態になっており、空間に突出していないことが好ましい。

また、鉄損及び銅損による温度上昇は、コア１００及び板状コイル部２００の部位によって不均一に生じるため、それに伴ってシリコーンオイルの温度上昇も不均一となる。このため、板状コイル部２００は、温度の高い位置に接しているシリコーンオイルの対流を起こしやすいように、板状コイル部２００の板面に沿うベクトルが、鉛直方向を向くように配置されていることが好ましい。

使用するシリコーンオイルは、ジメチルシリコーンの中粘度品であり、中粘度品の中でも粘度が低く対流しやすくするために、２５℃における動粘度が１０～１００ｍｍ^２／ｓとなっている市販品を使用した。

板状コイル部２００は、図２に示すように、６層の一次側コイル層と、６層の二次側コイル層と、一次側コイル層と二次側コイル層との各層の間に後述する絶縁板が配置された状態で積層されている。厚み０．１５ｍｍの銅板で形成されている一次側コイル層の各層と二次側コイル層の各層は、同一の形状をしており、上下を逆にして積層されている。このため、図３（ａ）に一次側コイル第１層２ａを示し、図３（ｂ）に一次側コイル第２層２ｂを示し、図３（ｃ）に一次側コイル第３層２ｃを示して、各板状コイル層を代表して説明する。

図３（ａ）に示すように、一次側コイル第１層２ａは円環状の巻線部２ａ１の中央に円環部２ａ２が形成されている。円環部２ａ２には、後述するコア芯部１０２が挿通されるが、コア芯部１０２との絶縁を保つために、円環部２ａ２の内径は、コア芯部１０２の外径よりもやや大きく形成されている。そして、巻線部２ａ１から突出した状態で第１電極接続部２ａ４及び第２電極接続部２ａ５が形成されている。第１電極接続部２ａ４及び第２電極接続部２ａ５には、中央に夫々孔部２ａ４ｈ、２ａ５ｈが形成されている。円環部２ａ２の右端の位置には、上部に伸びるスリット２ａ３が巻線部２ａ１に形成されており、第１電極接続部２ａ４と第２電極接続部２ａ５との間に、このスリット２ａ３が延在している。

また、一次側コイル第１層２ａの４隅には巻線部２ａ１からＸ軸と平行な方向に突出する状態で位置決め部２ａ７が形成されており、これらの位置決め部２ａ７には孔部２ａ７ｈが形成されている。そして、右上の位置する位置決め部２ａ７及び右下に位置する位置決め部２ａ７の間、左上に位置する位置決め部２ａ７及び左下に位置する位置決め部２ａ７の間には巻線部２ａ１の外周側左右に湾曲部２ａ８が形成されている。２か所の湾曲部２ａ８で形成される外径は、後述するコア外周部１０３との絶縁を保つために、コア外周部１０３の内径よりもやや小さく形成されている。そして、第１電極接続部２ａ４のスリット２ａ３から離れる方向への隣側には、端子部２ａ６が第１電極接続部２ａ４と同電位となるように形成されている。端子部２ａ６には孔部２ａ６ｈが形成されており、一次側端子１１の一端がこの孔部２ａ６ｈに差し込まれた状態で接続される。

図３（ｂ）に示すように、一次側コイル第２層２ｂにも同様に巻線部２ｂ１と円環部２ｂ２と第1電極接続部２ｂ４及び第２電極接続部２ｂ５と４隅の位置決め部２ｂ７が形成されており、端子部は設けられていない。スリット２ｂ３は円環部２ｂ２の右端に形成されており、一次側コイル第１層２ａと一次側コイル第２層２ｂとを積層した際に、一次側コイル第１層の第１電極接続部２ａ４と一次側コイル第２層の第1電極接続部２ｂ４とが重なる位置に形成されている。そして、右上の位置する位置決め部２ｂ７及び右下に位置する位置決め部２ｂ７の間、左上に位置する位置決め部２ｂ７及び左下に位置する位置決め部２ｂ７の間には巻線部２ｂ１の外周側左右に湾曲部２ｂ８が形成されている。

また、図３（ｃ）に示すように、一次側コイル第３層２ｃにも同様に巻線部２ｃ１と円環部２ｃ２と第1電極接続部２ｃ４及び第２電極接続部２ｃ５と４隅の位置決め部２ｃ７が形成されており、端子部は設けられていない。スリット２ｃ３は円環部２ｂ２の右端から一次側コイル第２層２ｂに形成されている第２電極接続部２ｂ５の幅分だけ左側にずれた位置に形成されており、一次側コイル第２層２ｂと一次側コイル第３層２ｃとを積層した際に、一次側コイル第２層の第２電極接続部２ｂ５と一次側コイル第３層の第1電極接続部２ｃ４とが重なるように配置されている。そして、右上の位置する位置決め部２ｃ７及び右下に位置する位置決め部２ｃ７の間、左上に位置する位置決め部２ｃ７及び左下に位置する位置決め部２ｃ７の間には巻線部２ｃ１の外周側左右に湾曲部２ｃ８が形成されている。

以下同様に、一次側コイル第４層２ｃおよび一次側コイル部第５層２ｅにも、巻線部２ｄ１、２ｅ１と円環部２ｄ２、２ｅ２と第1電極接続部２ｄ４、２ｅ４と第２電極接続部２ｄ５、２ｅ５と４隅の位置決め部２ｄ７、２ｅ７とが形成されており、端子部は設けられていない。隣接する一次側コイル各層を積層した際に、各層の第２電極接続部と第1電極接続部とが重なる位置に第１電極接続部２ｄ４、２ｅ４と第２電極接続部２ｄ５、２ｅ５とが形成され、それに伴って、各層のスリット２ｄ３、２ｅ３は位置が左側にずれた位置に形成されている。そして、右上の位置する位置決め部２ｄ７、２ｅ７及び右下に位置する位置決め部２ｄ７、２ｅ７の間、左上に位置する位置決め部２ｄ７、２ｅ７及び左下に位置する位置決め部２ｄ７、２ｅ７の間には巻線部２ｄ１、２ｅ１の外周側左右に湾曲部２ｄ８、２ｅ８が形成されている。

一次側コイル第６層２ｆは、図３（ａ）に示す一次側コイル第１層２ａを巻線部２ａ１の中点を通るＹ軸に対して左右対称となる形状となっており、巻線部２ｆ１と円環部２ｆ２と第1電極接続部２ｆ４及び第２電極接続部２ｆ５と４隅の位置決め部２ｆ７、端子部２ｆ６が形成されている。そして、右上の位置する位置決め部２ｆ７及び右下に位置する位置決め部２ｆ７の間、左上に位置する位置決め部２ｆ７及び左下に位置する位置決め部２ｆ７の間には巻線部２ｆ１の外周側左右に湾曲部２ｆ８が形成されている。円環部２ｆ２の左端の位置には、上部に伸びるスリット２ｆ３が巻線部２ｆ１に形成されており、第１電極接続部２ｆ４と第２電極接続部２ｆ５との間に、このスリット２ｆ３が延在している。また、端子部２ｆ６には孔部２ｆ６ｈが形成されており、一次側端子１２の一端がこの孔部２ｆ６ｈに差し込まれた状態で接続される。

コア及び各コイル層の間を一定の間隔に保持するために用いられる絶縁板は、厚み０．５ｍｍのセラミックで形成されており、図３に示すように、板状コイル部２００の両端に積層される２枚の端部絶縁板３０１と各コイル層の間に配置される２２枚の中間絶縁板３０２とで構成されている。

端部絶縁板３ａは、積層された際に一次側第1コイル層２ａ及び一次側第６コイル層２ｆの巻線部２ａ１、２ｆ１の形状に倣うように形成された中間部３ａ１と、位置決め部２ａ７、２ｆ７の形状に倣うように、中間部３ａ１からＸ軸と平行な方向に４隅に突出する形態で形成された位置決め部３ａ２及び位置決め部３ａ２に夫々形成された孔部３ａ２ｈが形成されている。また、中間部３ａ１中央には、後述するコア芯部１０２が挿通される円環部３ａ３が形成されている。この円環部３ａ３の内径は、コア芯部１０２の外径と略同一になっている。また、円環部３ａ３の外径は、コア外周部１０３の内径と略同一になっている。このような径方向の寸法関係となっているため、筐体５０に取付けられた際にコイル層の各層とコア芯部１０２及びコア外周部１０３とが一定の間隔を隔てて取り付けることができる。

コイル層の各層の間に配置される中間絶縁板３ｂは、積層された際に一次側及び二次側各コイル層の各巻線部の形状に倣うように形成された中間部３ｂ１と、一次側及び二次側各コイル層の各位置決め部の形状に倣うように、中間部３ｂ１からＸ軸と平行な方向に突出する状態で上下２か所に形成された位置決め部３ｂ２及び位置決め部３ｂ２に夫々形成された孔部３ｂ２ｈが形成されている。そして、この中間絶縁板３ｂを２枚用い、一枚を表裏反転させた上で同じ層間に所定の間隔をあけて配置している。なお、中間部３ｂ１は、ハンドリング時に折れない程度の狭い幅に設定している。中間部３ｂ１を狭く設定することで、各コイル層が直接シリコーンオイル６０に接する面積を広くすることができるため、銅損による発熱をより効率的に放散させることができる。

端部絶縁版３ａ及び中間絶縁版３ｂの厚みを０．３８ｍｍとしたことから、シリコーンオイル６０の対流を確保できる。シリコーンオイル６０の動粘度が小さいほど、各コイル層の間隔を狭くしても、シリコーンオイル６０の対流を確保することができるが、対流させるためには、シリコーンオイル６０と各コイル層の材料との濡れ性も影響してくることから、各コイル層の間隔は０．３５ｍｍ以上に設定されていることが好ましいが、より好ましくは０．５０ｍｍ以上に設定されているとよい。

コア２００は、フェライト等の磁性材料から形成されており、図５に示すように、コア本体部１０１とコア蓋部１０５とから構成されている。コア本体部１０１は、板状コイル部２００各層の中央に形成された円環部２ａ２、２ｂ２、２ｃ２、２ｄ２、２ｅ２、２ｆ２、２ｍ２、２ｎ２、２ｏ２、２ｐ２、２ｑ２、２ｒ２に挿通されるコア芯部１０２と板状コイル部２００各層の湾曲部２ａ８、２ｂ８、２ｃ８、２ｄ８、２ｅ８、２ｆ８、２ｍ８、２ｎ８、２ｏ８、２ｐ８、２ｑ８、２ｒ８を外側から囲むコア外周部１０３及び、コア芯部１０２とコア外周部１０３とを繋ぐコア連接部１０４とで構成されている。コア外周部１０３の内面側は、コイル層各層に形成されている湾曲部に沿うように曲面形状となっている。また、コア蓋部１０５は板状コイル部２００をコア本体部１０１に収容した後にコア芯部１０２とコア外周部１０３とに跨るように配置される。

板状コイル部２００は、図２に示す順番で一次側第１～６コイル層と二次側第１～６コイル層が配置されており、図３に示す順番で両端に、端部絶縁板３ｂが配置され、各コイル層の間に２枚の中間絶縁板３ｂが配置されて積層されている。即ち、端部絶縁板３ａ、一次側第１コイル層２ａ、中間絶縁板３ｂ、二次側第1コイル層２ｍ、中間絶縁板３ｂ、二次側第２コイル層２ｎ、中間絶縁板３ｂ、一次側第２コイル層２ｂ、中間絶縁板３ｂ、一次側第３コイル層２ｃ、中間絶縁板３ｂ、二次側第３コイル層２ｏ、中間絶縁板３ｂ、二次側第４コイル層２ｐ、中間絶縁板３ｂ、一次側第４コイル層２ｄ、中間絶縁板３ｂ、一次側第５コイル層２ｅ、中間絶縁板３ｂ、二次側第５コイル層２ｑ、中間絶縁板３ｂ、二次側第６コイル層２ｒ、中間絶縁板３ｂ、一次側第６コイル層２ｆ、端部絶縁板３ａの順に積層されている。また、図６に示すように、積層する際に、各コイル層及び絶縁板に設けられている４か所それぞれの位置決め部を、一次側第１～第６コイル層の電極接続部が板状コイル部におけるＸ軸方向プラス側に、二次側第１～第６コイル層の電極接続部が板状コイル部におけるＸ軸方向マイナス側に分かれるように、各位置決め部の孔部に位置決ピン５５が挿通されて重ねられている。このため、各コイル層及び絶縁板は回転しないように固定されている。そして、コア本体部１００とコア蓋部１０５とが配置されている。

各層の各電極接続部は隣接する層の各電極接続部に電気接続されている。すなわち、一次側第１コイル層２ａの第１電極接続部２ａ４と一次側第２コイル層２ｂの第１電極接続部２ｂ４とが夫々に設けられた孔部２ａ４ｈ、２ｂ４ｈを半田で埋めることによって接続され、一次側第１コイル層２ａの第２電極接続部２ａ５と一次側第２コイル層２ｂの第２電極接続部２ａ５とが夫々に設けられた孔部２ａ５ｈ、２ｂ５ｈを半田で埋めることによって接続されている。また、一次側第２コイル層２ｂの第２電極接続部２ｂ５と一次側第３コイル層２ｃの第１電極接続部２ｃ４とが同様に接続され、一次側第３コイル層２ｃの第２電極接続部２ｃ５と一次側第４コイル層２ｄの第１電極接続部２ｄ４とが同様に接続され、さらに一次側第４コイル層２ｄの第２電極接続部２ｄ５と一次側第５コイル層２ｅの第１電極接続部２ｅ４とが同様に接続されている。そして、一次側第５コイル層２ｅの第１電極接続部２ｅ４と一次側第６コイル層２ｆの第１電極接続部２ｆ４とが接続され、一次側第５コイル層２ｅの第２電極接続部２ｅ５と一次側第６コイル層２ｆの第２電極接続部２ｆ５とが接続されている。したがって、一次側第１コイル層２ａと一次側第２コイル層２ｂ及び一次側第５コイル層２ｅと一次側第６コイル層２ｆとは並列接続されており、一次側第２コイル層２ｂから一次側第５コイル層２ｅまでは直列接続されている。また、二次側第１～第６コイル層も同様に接続されているため、二次側第１コイル層２ｍと二次側第２コイル層２ｎ及び二次側第５コイル層２ｑと二次側第６コイル層２ｒとは並列接続されており、二次側第２コイル層２ｎから二次側第５コイル層２ｑまでは直列接続されている。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

本実施形態では、図１に示すトランスユニットの例を説明したが、コア１００を用いずに一次側コイル層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆと、２枚の端部絶縁板３ａおよび１０枚の中間絶縁板３ｂを用いた板状コイル部２００を位置決めピン５５と位置決めプレート５１、５２によって筐体５０に配置したプレーナ構造コイルユニットとしても良い。このコイルユニットは、インダクタとして使用することができる。

また、図２に示す各コイル層は、銅板で形成したが、セラミック板上に銅の配線層を形成することでコイル層としてもよい。また、コア芯部１０２と各コイル層との間には空間が空いており、シリコーンオイル６０が存在しているが、シリコーンオイルの熱伝導率は一般的に低い値であるため、コア芯部１０２の鉄損による発熱を効率的に放散させることが十分ではない場合がある。そのため、樹脂やセラミック等のシリコーンオイルよりも熱伝導率の高い絶縁材料で形成した円環を用いてコア芯部１０２と各コイル層との間には空間を埋めると良い。

図３に示すように、本実施形態では、一次側コイル層と二次側コイル層との巻線比を１：１としたことから、本トランスユニットは、昇圧降圧を行わないで使用する絶縁型ＤＣＤＣコンバータとなるが、適宜巻線比を変更することで、昇圧降圧を行うこととしても良い。

また、図５に示すコア１００では、冷却穴を設けない場合について示しているが、冷却穴を設ける場合の例を図７に示す。コア芯部１０２には軸線方向中央に貫通孔１０２ｈが設けられている。コア連通部１０４の厚み方向中央にも、長手方向に図示しない貫通孔が設けられており、その貫通孔が外部に繋がるようにコア外周部１０３にも貫通孔１０３ｘが設けられている。また、コア連通部１０４の貫通孔が、コア芯部の軸線方向中央に設けた貫通孔１０２ｈに繋がるようにコア芯部の側面にも図示しない貫通孔が設けられている。

蓋部１０５には、中央にコア芯部１０２に設けられた貫通孔１０２ｈと連通するように貫通孔１０５ｈが設けられている。また、蓋部１０５の側面にも厚み方向中央に、貫通孔１０５ｈと連通するように貫通孔１０５ｘが設けられている。これらの各貫通孔が連通していることから、各貫通孔の内部がシリコーンオイル６０に浸漬されている。

また、図７に示すコア外周部１０３、コア連通部１０４および蓋部１０５に設けられた貫通孔１０３ｘ、１０５ｘはｘ軸方向に設けてあるが、ｚ軸方向に設けても良い。ｚ軸方向に設けることで、シリコーンオイルが対流しやすくなることから、コアの冷却性能を向上させることができる。

図８に示すように、筐体５０に冷却ユニット７０を備えていても良い。この実施態様では、筐体内部の上部に銅パイプ製のヒートパイプ７１がシリコーンオイル６０に浸漬するように図のＹ軸方向に配置されている。筐体５０は、筐体容器部５０の上部に円筒形のヒートシンク７２が配置されており、ヒートパイプ７１の一端側がヒートシンク７２の内部を通るように接続されている。トランスは一般に、谷型のコアロス温度特性の中で低ロス領域で使用される。本変形例のように冷却ユニット７０を追加することで数十％の冷却効率を上げることができることから、より出力を向上させることも可能となる。

また、図９に示すように、1個のコア１００と３個の板状コイル部２００を重ねて用いることで、三段式トランスとすることもできる。更に、図１０に示すように、３個のコア本体部１０１と３個の板状コイル部２００及び１個のコア蓋部１０５を重ねて用いることで三段式トランスとすることもできる。

ＥＶ車の充電に使用される充電器等にトランスユニット１０００を用いることができる。このような充電器に使用されるＡＣＤＣ電源装置は、一般に、交流の入力電圧を整流・平滑して直流の出力電圧に変換するＡＣＤＣコンバータ部と、この直流出力電圧を再度高周波のＡＣ電圧に変換して、再び整流・平滑して所望の直流電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ部とを持っている。このＡＣＤＣコンバータ部には、少なくともチョークコイルとスイッチング素子が用いられている。また、ＤＣＤＣコンバータ部では、ＡＣＤＣコンバータ部から出力された直流電圧を、トランスの一次側を含む電流共振型ＬＬＣコンバータ回路によって交流電圧に変換し、トランスの二次側がフルブリッジダイオード整流回路に接続されて直流電圧として出力される。ＬＬＣコンバータ回路にはスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されているダイオードと共振コイルが用いられる。

本変形例では、ＤＣＤＣコンバータ部のトランスに前述したプレーナ構造トランス部３００を使用して、スイッチング素子とダイオードと共振コイル及びＡＣＤＣコンバータ部のチョークコイルとスイッチング素子と共に筐体中に配置してある。そして、これらの各部品は筐体中に入れられているシリコーンオイル６０に浸漬されている。これらの部品は、大容量であることが要求されることから、いずれも温度が上昇しやすく、液状流動体に浸漬された状態で一つの筐体内に配置することで効率的に冷却することができる。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１１、１２…一次側端子
２１、２２…二次側端子
５０…筐体
５０１…筐体容器部
５０２…筐体蓋部
５０３…シールリング
５１、５２…位置決めプレート
５５…位置決めピン
６０…シリコーンオイル
７０…冷却ユニット
７１…ヒートパイプ
７２…ヒートシンク
１００…コア
１０１…コア本体部
１０２…コア芯部
１０３…コア外周部
１０４…コア連接部
１０５…コア蓋部
２００…板状コイル部
２０１…中央空間部
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ…一次側第１～６コイル層
２ａ１、２ｂ１、２ｃ１、２ｄ１、２ｅ１、２ｆ１…巻線部
２ａ２、２ｂ２、２ｃ２、２ｄ２、２ｅ２、２ｆ２…円環部
２ａ３、２ｂ３、２ｃ３、２ｄ３、２ｅ３、２ｆ３…スリット
２ａ４、２ｂ４、２ｃ４、２ｄ４、２ｅ４、２ｆ４…第１電極接続部
２ａ５、２ｂ５、２ｃ５、２ｄ５、２ｅ５、２ｆ５…第２電極接続部
２ｍ、２ｎ、２ｏ、２ｐ、２ｑ、２ｒ…二次側第１～６コイル層
２ｍ１、２ｎ１、２ｏ１、２ｐ１、２ｑ１、２ｒ１…巻線部
２ｍ２、２ｎ２、２ｏ２、２ｐ２、２ｑ２、２ｒ２…円環部
２ｍ３、２ｎ３、２ｏ３、２ｐ３、２ｑ３、２ｒ３…スリット
２ａ６、２ｆ６…端子部
２ａ７、２ｂ７、２ｃ７、２ｄ７、２ｅ７、２ｆ７…位置決め部
２ａ８、２ｂ８、２ｃ８、２ｄ８、２ｅ８、２ｆ８…湾曲部
３ａ…端部絶縁板
３ａ１…中間部
３ａ２…位置決め部
３ａ３…円環部
３ｂ…中間絶縁板
３ｂ１…中間部
３ｂ２…位置決め部
３００…プレーナ構造トランス部
１０００…トランスユニット

Claims (16)

1. 複数のコイル層を備えるプレーナ構造コイルが筐体内に配置されるプレーナ構造コイルユニットおいて、
   前記複数のコイル層が相互に離間した状態で並列に配置された板状コイル部が、前記筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造コイルユニット。
2. 前記コイル層の板面に沿うベクトルが、鉛直方向成分を有するように前記プレーナ構造コイルユニットが取り付けられる取り付け部を筐体に備えていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ構造コイルユニット。
3. 前記液状流動体は、前記筐体内の上部に空間を有するように入れられており、前記コイル層の板面に沿うベクトルが、前記液状流動体の液面に対して垂直方向成分を有するように筐体に前記板状コイル部が備えられていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ構造コイルユニット。
4. 前記コイル層の相互に離間する距離が０．３５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ構造コイルユニット。
5. 前記筐体に前記液状流動体の冷却ユニットが備えられていることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ構造コイルユニット。
6. 前記液状流動体は、シリコーンオイルであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ構造コイルユニット。
7. 請求項1に記載の板状コイル部は、前記コイル層の中央に円環部が形成されており、複数の該コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されることによって中央空間部が形成されており、前記板状コイル部と前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造インダクタ部が筐体内に配置されるとともに、該筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造インダクタユニット。
8. 前記コアに前記液状流動体で満たされる穴部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のプレーナ構造インダクタユニット。
9. 前記複数のコイル層と前記コアとの間に、樹脂又はセラミックで形成された絶縁部が備えられていることを特徴とする請求項７に記載のプレーナ構造コイルユニット。
10. 前記液状流動体は、シリコーンオイルであることを特徴とする請求項７に記載のプレーナ構造インダクタユニット。
11. 請求項1に記載の板状コイル部は、前記コイル層の中央に円環部が形成されており、複数の該コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されることによって中央空間部が形成されるとともに、相互に電気接続された一次側コイル層と相互に電気接続された二次側コイル層を構成しており、前記板状コイル部と前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造トランス部が筐体内に配置されるとともに、該筐体内に入れられた液状流動体に浸漬されていることを特徴とするプレーナ構造トランスユニット。
12. 前記コアに前記液状流動体で満たされる穴部が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のプレーナ構造トランスユニット。
13. 前記複数のコイル層と前記コアとの間に、樹脂又はセラミックで形成された絶縁部が備えられていることを特徴とする請求項１１に記載のプレーナ構造トランスユニット。
14. 前記筐体内に、前記プレーナ構造トランス部の一次側に接続されるスイッチング素子が前記液状流動体に浸漬された状態で備えられていることを特徴とする請求項１１に記載のプレーナ構造トランスユニット。
15. 前記液状流動体は、シリコーンオイルであることを特徴とする請求項１１に記載のプレーナ構造トランスユニット。
16. 交流入力を直流出力に変換するＡＣＤＣコンバータ部と、前記直流出力の電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ部と、液状流動体が入れられた筐体とを有する電源装置であって、前記ＡＣＤＣコンバータ部は、少なくともチョークコイルと整流素子を有し、前記ＤＣＤＣコンバータ部は、相互に電気接続された複数の板状一次側コイル層および相互に電気接続された複数の板状二次側コイル層が相互に離間した状態で並列に配置されるとともに、前記各コイル層の中央に円環部が形成されることによって中央空間部が形成され、前記中央空間部を通るコアを備えるプレーナ構造トランス部と、少なくとも共振コイルとスイッチング素子を有し、前記ＡＣＤＣコンバータ部の前記チョークコイルと前記整流素子及び前記ＤＣＤＣコンバータ部の前記プレーナ構造トランス部と前記共振コイルと前記スイッチング素子とが前記筐体内に前記液状流動体内に浸漬された状態で配置されていることを特徴とする電源装置。
    
    

Images