JP3692281B2

JP3692281B2 - 高周波トランス

Info

Publication number: JP3692281B2
Application number: JP2000185714A
Authority: JP
Inventors: 誠木之下; 隆浩山岡; 一弘杉本
Original assignee: 三誠産業株式会社
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002008923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コアの放熱性が良いので巻線の焼損事故が少ない高周波トランスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波トランスは、一般に、発生周波数が約１ｋＨｚから約６０ＧＨｚまでのように広範囲であり、種々の構造のものが存在する。このため、高周波トランスで用いる巻線には、耐熱性のフッ素樹脂で絶縁被覆した線材、通常のエナメル線材または幅広の帯状導体、エナメル線を数十本から数百本束ねたリッツ線、または数ｋＷ以上の大電力用としては水冷式の金属パイプなどが知られ、用途に応じて適宜に選択することを要する。
【０００３】
例えば、高周波誘導加熱装置用として、コアの中足と一致させて数回巻き付けた板状導体によって二次巻線を形成し、この板状導体をそのまま一次巻線のボビンとする高周波トランスが存在する。この高周波トランスでは、一次巻線を板状導体の外周面に巻き付け、その一次巻線と平行に冷却パイプをロウ付けで固定する。この高周波トランスは、二次巻線の板状導体に高電流が流れて発熱しやすく、この発熱を冷却パイプに水を流すだけで抑えることが難しく、出力パワーを抑制することで汎用性が低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、プラズマ用ＲＦ電源に用いる高周波トランスは、出力が１ｋＷ前後にすぎなくてもやはり発熱しやすく、巻線の温度が２００℃前後になり、一時的に３００℃近辺まで達する。この高周波トランスでは、一般に、巻線にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で絶縁被覆した線材を用いている。このＰＦＴＥは、−９０〜２６０℃の広範な温度範囲にわたって連続使用が可能であるけれども、高温の環境が続くと結晶性を失い、機械強度が徐々に低下してくる。
【０００５】
この高周波トランスにおいて、被覆材のＰＦＴＥが長期間の高温環境での使用によって熱損傷されると、巻線である金属線同士が直接接触して焼損事故が発生する。このため、冷却ファンを用いて高周波トランスを空冷することが行われている。しかしながら、ファンからの送風は、コアに直接吹き付けても冷却効果が小さく、被覆材のＰＦＴＥが２００℃前後の高温環境において熱損傷されることを阻止できない。送風による冷却効果を高めるには、トランスの小型化に反して巻線を板状導体にし、その板状導体の面積を大きくすることを要するため、コストアップにつながってしまう。
【０００６】
本発明は、高周波トランスに関する従来の問題点を改善するために提案されたものであり、放熱性が良好で巻線が焼損することが少なく、耐久性の優れた高周波トランスを提供することを目的としている。本発明の他の目的は、ノイズが少ない小型の高周波トランスを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る乾式の高周波トランスは、内鉄型または外鉄型のフェライトコアと、各コアに巻き付ける一次側および二次側導体である巻線と、外面側に多数本のフィンを分散立設したヒートシンク材とを備える。この高周波トランスでは、両導体を巻き付けたコアの少なくとも一方の側面にヒートシンク材の下面を密に貼り付け、冷却ファンからの送風をヒートシンク材のフィン間を通過させて両導体を空冷する。好ましくは、磁心であるフェライトを水平に設置し、一次側および二次側導体である巻線を巻き付けたコアの三方の側面にヒートシンク材の下面を密に接着する。
【０００８】
本発明において、ヒートシンク材とは、一般にアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い金属からなり、送風による冷却効果を高めるように外周側に多数本のフィンを立設した冷却用部品を意味する。ヒートシンク材は、アルミニウム板や銅板を冷間鍛造によって一体的に成形しても、薄い金属シートを所望の形状まで折り曲げたり溶接によって形成してもよい。各フィンは、一般に下壁部に対してほぼ垂直方向に立設させ、冷風との接触面積を高めるために、送風方向に対して平行に並列させると好ましい。
【０００９】
本発明の高周波トランスは、一般に、発生周波数が３００ｋＨｚから６０ＭＨｚである。例えば、発生周波数約２０ＭＨｚ以上のような比較的高い周波数を対象とする際には、内鉄型または外鉄型のフェライトコアと、各コアに巻き付ける一次側および二次側導体である巻線と、両導体と間接または直接的に接触するペルチェ素子と、外面側に多数本のフィンを分散立設したヒートシンク材とを備える。この高周波トランスでは、両導体を巻き付けたコアの少なくとも一方の側面にペルチェ素子を介してヒートシンク材の下面を密に貼り付け、冷却ファンからの送風をヒートシンク材のフィン間を通過させて両導体を空冷する。
【００１０】
ペルチェ素子とは、直流電流を流すことによって両面に温度差を作り出すセラミックス材であり、それ自体に冷却能力はない。ペルチェ素子は、一方の面が冷却され、他方の面が加熱されることにより、一般に小型の冷蔵庫やＣＰＵの冷却に使われている。ペルチェ素子は、電気のみで冷却できるうえに、冷却面がマイナス数十度にも達する。
【００１１】
本発明の高周波トランスは、外鉄型のフェライトコアと、該コアに巻き付ける一次側および二次側導体である巻線とを備え、コアの外面側に多数本のフィンを直接立設してもよい。この場合に、冷却ファンからの送風は、コア外面側のフィン間を通過させて両導体を空冷する。各フィンは、コアを刻設して該コアと一体に形成しても、コアと別個のフィン用材をコア表面に溶接、ネジ止め、嵌め込み、接着などで取り付けてもよい。
【００１２】
本発明の高周波トランスは、内鉄型のフェライトコアを用いてもよく、一次側および二次側導体を巻き付けたコアの外周にヒートシンク材を嵌合して貼り付け、冷却ファンからの送風をヒートシンク材のフィン間を通過させて両導体を空冷する。この構成の高周波トランスでは、両導体を巻き付けたコアの外周にペルチェ素子を介してヒートシンク材を嵌合して貼り付け、冷却ファンからの送風をヒートシンク材のフィン間を通過させて両導体を効果的に冷却することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る乾式の高周波トランス１は、図１に例示するように、フェライトコア２と、各コアに巻き付ける一次側および二次側導体である巻線５，５’（図４）と、外面側に多数本のフィンを分散立設したヒートシンク材７とを備える。フェライトコアは、内鉄型または外鉄型のいずれでもよく、外鉄型として図１または図３のような並列形状、図７のようなメガネコアなど、内鉄型として図１０のような環状コアのいずれでもよい。本発明の高周波トランスについて、図７のようにコア自体の外面側に多数本のフィンを直接立設することも可能である。
【００１４】
フェライトコア２には、一次側および二次側導体である各巻線５，５’として、通常、耐熱性のフッ素樹脂で絶縁被覆した線材を巻き付ける。フッ素樹脂としてはＰＴＦＥ、ＰＦＥＰ、ＰＦＴＥＥ、ＰＶＦ、ＰＶｄＦなどであればよい。この巻線は、例えば、通常のエナメル線材またはエナメル線を数十本から数百本束ねたリッツ線なども使用可能である。本発明において、図３，図４，図７、図９，図１０で巻線を示しているが、これらはいずれも概略で一部のみを示し、正確な比率で図示したものではない。
【００１５】
ヒートシンク材７は、図１のように全体を一体的に成形しても、複数のパーツを組み合わせて構成してもよい。このヒートシンク材は、フェライトコアの複数の側面に密接させる場合、複数のパーツから構成する場合があり、各パーツはアリ溝や接着剤などで組み立てても、ボルト・ナットで全体を締着して組み立てもよい。
【００１６】
ヒートシンク材７は、フェライトコアの少なくとも一方の側面にヒートシンク材の下面を密に貼り付け、例えば、図１のようにフェライトコア２の三方の側面を取り囲んでも、図９のようにフェライトコアの一側面だけに密に接触させてもよい。このヒートシンク材は、フェライトコアの四側面を取り囲んでもよく、例えば、図１０ではコアの外周面を取り囲んでいる。
【００１７】
フィン８の形状は、一般に、図１に示すように細長い矩形状の正面形状を有し、長手方向に連続して平行に延びている。これらのフィンは、図５に示すように断続的に形成することも可能である。図５に示すフィン１７は、それぞれが水平断面において中央部が多少膨らんだ翼状である。また、これらのフィンは、多数本の垂直棒状体が等間隔に並んだ平行列からなり、各列をそれぞれずらしながら配置してもよい。
【００１８】
ヒートシンク材７は、図１に示すようにコア２，２と嵌合密接させ、両者の隙間にシリコン樹脂製のシーラント１５を充填させてコア２，２に固定する。シーラント１５には、熱伝導性を上げるために炭素や金属粉末を混入してもよい。ヒートシンク材７とコア２，２とは、熱導電性の両面テープ（図示しない）によって固着してもよく、該両面テープはグラファイトや金属箔を基材とする。図示しないけれども、取付金具によってヒートシンク材７をコア２，２に密着固定し、両者の接触間に炭素や金属粉末を混入したシリコングリスを塗布してもよい。
【００１９】
図９に示すペルチェ素子４４は、直方体形のフェライトコアの上に密に載置し、例えば、シリコン樹脂のシーラントを塗布してフェライトコアと密に接着する。ペルチェ素子４４には直流電流を流し、図９のようにフェライトコアの一側面に介在させるだけならば、その側面よりも多少大きめであると好ましい。このペルチェ素子は、一般に図９のように平坦であり、二側面以上に介在させるにはそれぞれ別個に取り付け、環状に介在させるならば適当に分割して配置すればよい。
【００２０】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。図１および図２に本発明に係る高周波トランス１を例示する。
【００２１】
高周波トランス１は、図３に示すように並列配置の円筒形のフェライトコア２，２からなり、各コアに挿入する金属筒３によって金属プレート４，４と連結し、全体として角環状平面を構成する。金属筒３および金属プレート４は、通常、銅または真鍮製である。
【００２２】
一次側および二次側導体である巻線５，５’は、図３および図４に示すように、フェライトコア２に挿入した金属筒３，３に交互に通してほぼ水平に巻き付け、交互または同心配列にする。これらの巻線５，５’は、耐熱性のＰＴＦＥで絶縁被覆した線材であり、各巻線の巻数は発生周波数３００ｋＨｚで数十回程度である。
【００２３】
ヒートシンク材７（図１）は、冷間鍛造によって外面側に多数本のフィン８を一体的に立設したアルミニウム材であり、フィン８を形成することで空気との接触表面積が非常に大きい。ヒートシンク材７は、図１のように正面から見ると、ほぼ四角形平面を有する。ヒートシンク材７は、フェライトコア２，２の三方の側面を被うような構造であり、図２に示すように各フィン８は長手方向に平行に延び、フェライトコア２，２とほぼ同じ長さである。
【００２４】
フィン８は、いずれも細長い矩形状の正面形状を有し、水平面に設けた垂直フィン１０と、両側面に設けた水平フィン１２，１２とからなる。垂直フィン１０は、水平フィン１２よりも長く、コア２の直径よりも僅かに短い程度の長さであるが、各フィン間はフィン幅の２倍程度の間隔を有する。一方、水平フィン１２は、垂直フィン１０の半分以下の長さであるけれども、各フィンはフィン幅程度の狭い間隔で並んでいる。
【００２５】
このヒートシンク材のフィンは、図２では長手方向に連続して延びているが、図５に示すように断続的に形成することも可能である。図５に示すフィン１７は、水平断面において中央部が多少膨らんだ翼状であり、翼状断面によって各フィンに当たる風がスムースに流れるようになる。
【００２６】
ヒートシンク材７は、図１のように正面から見ると、その下面中央において、コア２，２と嵌合する矩形凹部９を長手方向に有する。凹部９の高さはコア２のそれとほぼ等しく、凹部内壁に円弧状の浅溝１３，１３を形成する。また、凹部９の内寸幅はコア２，２の横幅とほぼ等しく、該凹部の両内側壁に円弧状の浅溝１４をそれぞれ形成する。浅溝１３，１３，１４，１４の形成により、ヒートシンク材７をコア２，２と密接嵌合することができる。
【００２７】
ヒートシンク材７は、コア２，２に対して長手方向から平行に挿入し、両者の間にシリコン樹脂のシーラント１５を塗布してコア２，２と強固に接着する。シーラント１５には、熱伝導性を上げるために炭素や金属粉末を少量混入している。次に、図４に示すように、巻線５を金属筒３，３の一方の端面から、且つ巻線５’を金属筒３，３の他方の端面から、両金属筒を交互に通してほぼ水平に巻き付ける。金属筒３，３内には、あらかじめ絶縁シート（図示しない）を巻き付けておいてもよい。
【００２８】
高周波トランス１は、例えば、図６のようにプラズマ用ＲＦ電源装置１６（本発明に関連しない部品は全て省略）の内部において、前方に位置する冷却ファン１８に対して直交するように配列し、且つ底板２０の上に水平に固着する。このため、冷却ファン１８からの送風は、図６の矢印方向に送られ、ヒートシンク材７におけるフィン間の溝２１の中に沿って長手方向に流通し、さらに装置側壁のメッシュ２２を通過して装置外へ出る。
【００２９】
装置１６内において、冷却ファン１８からの送風は、ヒートシンク材７におけるフィン間の溝２１の中に沿って流れ、ヒートシンク材７を介してコア２，２を経て金属筒３，３に巻き付けた巻線５，５’を全長に亘ってほぼ均一に空冷する。この強制空冷により、例えば、発生周波数３００ｋＨｚから６０ＭＨｚまでの高周波トランスにおいて、巻線５，５’を発熱を８０〜約１２０℃まで低下させる。この結果、巻線５，５’の被覆材であるＰＦＴＥは長期間使用しても熱損傷されず、コア２，２に巻いた巻線５，５’の焼損事故を未然に防止する。また、ヒートシンク材７をコア２，２上に被せても、輻射波の発生が増加することはなく、ノイズが少なくなって周波数の安定度が高くなる。
【００３０】
図７および図８は本発明の変形例を示し、高周波トランス２３のフェライトコア２４は通常メガネコアと称する。コア２４は、長手方向に水平に並んだ１対の貫通孔２６，２６を有し、その全体形状はほぼ矩形の横断面で細長い。一次側および二次側導体である巻線２８は、図７に示すように、フェライトコア２４の貫通孔２６，２６に交互に通してほぼ水平に巻き付け、交互または同心配列にする。これらの巻線２８は、耐熱性のＰＴＦＥで絶縁被覆した線材であり、各導体の巻数は発生周波数３００ｋＨｚで数十回程度である。
【００３１】
フェライトコア２４は、図７のように正面から見ると、その三方の側面側に多数本のフィン３０を直接立設し、各フィンは細長い矩形側面を有する。図８に示すように、各フィン３０は、コア２４の全長に亘って長手方向に平行に延びる。多数本のフィン３０は、垂直フィン３２と水平フィン３４，３４とからなり、フィン３２および３４は、いずれもフィン幅の２倍程度の長さであり且つフィン幅程度の間隔で並んでいる。
【００３２】
高周波トランス２３において、冷却ファン（図示しない）からの送風は、コア２４におけるフィン３０，３０間の溝の中に沿って流れ、コア２４を介して巻線２８を全長に亘ってほぼ均一に空冷する。この強制空冷により、巻線２８の発熱を８０〜１２０℃まで低下させる、この結果、各巻線２８の被覆材であるＰＦＴＥは長期間使用しても熱損傷されず、巻線２８の焼損事故を未然に防止する。また、コア２４では、輻射波の発生が増加することはなく、ノイズが少なくなって周波数の安定度が高くなる。
【００３３】
図９は本発明の別の変形例を示し、高周波トランス４０のフェライトコア４１はメガネコアであり、長手方向に水平に並んだ１対の貫通孔４２，４２を有する。貫通孔４２，４２には、一次側および二次側導体である巻線４３を通して、交互または同心配列で巻き付け、巻線４３の巻数は通常十数回である。
【００３４】
公知のペルチェ素子４４は、直方体形のコア４１の上に密に載置し、シリコン樹脂のシーラントを塗布してコア４１と強固に接着する。ペルチェ素子４４の平面形状は、コア４１のそれより若干大きいと冷却効果が高くなるので好ましい。ペルチェ素子４４には、コード４５から直流電流を供給する。ペルチェ素子４４とコア４１との熱伝導が不十分である場合には、純銅製のバッファプレート（図示しない）を介在させてもよい。
【００３５】
ヒートシンク材４６は、ペルチェ素子４４の上に接着する。ヒートシンク材４６の平面形状は、ペルチェ素子４４のそれと同一であり、コア４１のそれより若干大きい。ヒートシンク材４６は、通常、ペルチェ素子４４が高温になりやすいので、冷却効果を高めるためにフィン４８の数が多く且つフィン間の溝５０が深いことが望ましい。
【００３６】
高周波トランス４０に関して、コア４１はペルチェ素子４４によって強く冷却され、該ペルチェ素子に生じた発熱をヒートシンク材４６によって排除する。冷却ファン（図示しない）からの送風は、ヒートシンク材４６におけるフィン間の溝５０の中に沿って流れ、ヒートシンク材４６およびペルチェ素子４４を介してコア４１に巻き付けた両導体をほぼ均一に冷却する。この強制冷却により、例えば、発生周波数２７ＭＨｚ以上の高周波トランスにおいて発熱を１００℃前後に低下させ、各巻線４３の被覆材であるＰＦＴＥの熱損傷を回避し、該巻線の焼損事故を未然に防止する。
【００３７】
図１０に示す高周波トランス５２では、環状のフェライトコア５４を使用し、該コアは適宜の厚みを有する。コア５４には、一次側および二次側導体である巻線５６，５８を巻き付け、該コアの外周に半割状のヒートシンク材６０，６０を嵌合して貼り付ける。ヒートシンク材６０，６０の外周側には、多数本のフィン６２を放射状に分散させて立設している。
【００３８】
コア５４の外周面には、シリコン樹脂のシーラントを塗布し、ヒートシンク材６０，６０を嵌合して強固に接着する。高周波トランス５２は、図１０のように立脚した状態で取り付け、冷却ファン（図示しない）からの送風をヒートシンク材６０，６０の各フィン６２間を通過させて、巻線５６，５８を空冷する。この結果、巻線５６，５８の被覆材であるＰＦＴＥは長期間使用しても熱損傷されず、コア５４に巻いた巻線５６，５８の焼損事故を未然に防止する。
【００３９】
図示しないけれども、高周波トランス５２において、両巻線を巻き付けた環状コアの外周に、ペルチェ素子を介してヒートシンク材を嵌合して貼り付けてもよい。この場合、乾式の高周波トランスの発生周波数が約２０ＭＨｚ以上であっても、一次側および二次側導体の発熱を１００℃前後に低下させ、トランスの熱損事故を未然に防止できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る高周波トランスは、フェライトコア自体またはコアに取り付けたヒートシンク材の外面側に多数本のフィンを分散立設することにより、冷却ファンからの送風をコア自体またはヒートシンク材におけるフィン間の溝の中に沿って流通させる。この結果、コアに直接または間接的に巻き付けた両導体を全長に亘ってほぼ均一に空冷し、両導体である巻線の発熱温度を８０〜１２０℃に低下させる。この強制空冷により、各巻線の被覆材であるフッ素樹脂は長期間使用しても熱損傷されなくなり、コアに巻いた巻線の焼損事故を未然に防止する。
【００４１】
本発明の高周波トランスにおいて、ヒートシンク材とフェライトコアとの間にペルチェ素子を介在させると、該コアに巻き付けた両導体をいっそう効果的に冷却できる。この場合、高周波トランスの発生周波数が約２０ＭＨｚ以上であっても、一次側および二次側導体の発熱を１００℃前後に抑制し、被覆材の熱損傷を回避して巻線の焼損事故を防ぐことにより、高周波トランスの熱損事故を未然に防止する。
【００４２】
本発明の高周波トランスでは、コアに多数のフィンを形成したりまたはヒートシンク材をフェライトコア上に被せても、輻射波の発生が増加することはない。本発明の高周波トランスを用いると、ノイズが少なくなって周波数の安定度が高くなり、プラズマ用ＲＦ電源としていっそう好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒートシンク材を貼り付けた高周波トランスについて巻線を省略して示す概略正面図である。
【図２】図１の高周波トランスの側面図である。
【図３】本発明を適用する高周波トランスを例示する概略正面図である。
【図４】図３の高周波トランスの側面図である。
【図５】ヒートシンク材の変形例を示す水平断面図である。
【図６】高周波トランスを設置したプラズマ用ＲＦ電源装置の要部を示す水平断面図である。
【図７】高周波トランスの変形例を示す概略正面図である。
【図８】図７の高周波トランスの側面図である。
【図９】高周波トランスの別の変形例を示す概略正面図である。
【図１０】高周波トランスのさらに別の変形例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１高周波トランス
２，２フェライトコア
３，３金属筒
４，４金属プレート
５，５’ 巻線
７ヒートシンク材
８フィン

Claims

乾式の高周波トランスにおいて、それぞれ金属筒を挿入した並列配置の円筒形フェライトコアと、各コアの両金属筒に交互に通してほぼ水平に巻き付ける一次側および二次側導体である巻線と、外面側に多数本のフィンを分散立設し且つ矩形凹部を長手方向に有するヒートシンク材とを備え、該ヒートシンク材の矩形凹部内壁に円弧状の２個の浅溝を形成するとともに、該凹部の両内側壁に円弧状の浅溝をそれぞれ形成することにより、ヒートシンク材を並列配置の円筒形コアに対して長手方向から平行に挿入して密接嵌合するとともに、シーラントを塗布してヒートシンク材とコアとを強固に接着し、冷却ファンからの送風をヒートシンク材のフィン間を通過させて両導体を冷却する高周波トランス。
内鉄型または外鉄型のフェライトコアを水平に設置し、一次側および二次側導体である巻線を巻き付けたコアの三方の側面にヒートシンク材の下面を密に接着する請求項１記載の高周波トランス。