JP4615425B2 - 整合変圧器 - Google Patents

Description

この発明は、電源と負荷の整合を取るための整合変圧器に関し、特に被加熱物を誘導加熱する加熱装置と高周波電源との間に挿入される整合変圧器に関する。

高周波電源から高周波加熱装置に電力を効率的に供給するためには負荷整合（インピーダンスマッチング）を行う必要があり、その目的で一般に図７に示すように、インバータ６５を備えた高周波電源６２から共振コンデンサ６６、高周波ケーブル６７および整合変圧器（マッチングトランス）６８を介して高周波誘導加熱コイル６１に高周波電力が供給される。このような整合変圧器６８の使用についは、例えば特許文献１に記載されている。
特開平１１−１６７９８０号公報

ところで、高周波加熱装置で用いられる整合変圧器は、水冷銅管により巻線を構成した変圧器が一般に用いられ、鉄心も同様の水冷銅管により冷却される。ところが、従来の整合変圧器は環状鉄心に１次巻線と２次巻線とを個別に巻き付けるものであるため、鉄心の冷却には別途冷却配管を必要とし、冷却系統が複雑になり外形も大形になるという問題があった。

そこで、この発明の課題は、整合変圧器の冷却系統を改善して構造を簡素化し、冷却効率を高めながら小型化を図ることにある。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、導電性の内管と外管の間に環状の内部空間の形成された二重管を備え、この二重管の一端側を前記内管と外管との間に導電性の底板を結合して閉塞することにより前記内管と外管とで構成されたＵ字断面の環状体により２次巻線を形成し、前記二重管の他端側の内管と外管との間を絶縁性キャップで塞ぎ前記二重管の外管と内管の間の内部空間に冷却水を通水する通水管を連通接続するとともに、前記内管と外管の他端側にそれぞれ負荷側端子を設け、かつ、前記二重管の内外周間に１次巻線を巻き付けたことを特徴とする。
この請求項１の発明は、二重管の一端を底板で閉塞して形成したＵ字断面の環状体を２次巻線とするもので、この２次巻線は１ターン（Ｕ字状）のコイルが環状に連続した構成となっている。従って、薄肉の二重管でも大きな通電路断面積を得ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記二重管の外管と内管の間の内部空間に磁性材からなる環状の鉄心を組み込んだものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記内管の内周面に軸方向に沿わせて導電性の第１の管を接合し、この第１の管の前記底板側の端部をＵ字状に折り返して前記二重管の外管と内管の間の内部空間に通じさせるとともに反対側の端部に負荷側端子の一方を形成し、また前記外管の外周面に軸方向に沿わせて導電性の第２の管を接合し、この第２の管の前記底板側の端部を冷却水配管の一方の接続端とするとともに反対側の端部にもう一方の前記負荷側端子を形成し、更に前記二重管の内部空間に通じるもう一方の冷却水配管の接続端を取付け、前記のいずれか一方の冷却水配管の接続端から供給した冷却水を前記二重管の内部空間及び前記第１および第２の管を経由させて他方の冷却水配管の接続端から排出するようにしたことを特徴とするものである。

そして請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記負荷接続端子に水冷式の加熱コイルを接続し、この加熱コイルに前記冷却水を同時に通水するようにしたことを特徴とするものである。

さらに、請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項の発明において、変圧器全体を絶縁ケースに収容し、この絶縁ケースに運搬用の持ち手を取り付けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、二重管の一端を底板で閉塞して形成したＵ字断面の環状体を２次巻線とするもので、この２次巻線は１ターン（Ｕ字状）のコイルが環状に連続した構成となっている。従って、薄肉の二重管でも大きな通電路断面積を得ることができるので、大電流の整合変圧器を小形にできる効果がある。
また、２次巻線を構成する２重管の外管と内管の間の内部空間を冷却水の通水路とし、ここに冷却水を通すことによって２次巻線およびその中に納められた鉄心を効果的に冷却することができるとともに、組み合わせを選択することにより、２次巻線だけでなく負荷である誘導加熱コイルおよび１次巻線の冷却水回路を共通にすることができるため、冷却水配管の構成が簡単となり、整合変圧器の小形軽量化を図ることができる。

以下、この発明の実施の形態を、図に示す実施例を用いて説明する。

図１および図２は、この発明の実施例１を示す構成図である。
図１および図２において、１および２は、整合変圧器ＭＴを構成する１次巻線および２次巻線である。

先ず、図１に詳細を示す２次巻線２の構成を説明する。図１は２次巻線２の構成を示すもので、（ａ）は、その縦断面図、（ｂ）はその側面図である。この図１において、２１および２２は導電性の２重管を構成する外管および内管である。この外管２１と内管２２は、一方端（左端）間がやはり導電性のリング状底板２３により結合され、外管２１と内管２２とが電気的に接続されるとともに機械的に閉塞されることによって、断面Ｕ字形の環状体となった２次巻線２を形成する。そして、外管２１の外周面および内管２２の内周面にそれぞれ導電板２８、２９を接合し、その他方端（右端）側に２重管の外側まで引き出して２次側（負荷側）接続端子２８ａ、２９ａを設ける。この２次巻線２は１ターン（Ｕ字状）のコイルが環状に連続した構成となっているので、薄肉の二重管でも大きな通電路断面積とすることができる。

また、２重管の開口された他方端（右端）側の外管２１と内管２２との間をリング状の絶縁性キャップ２５で塞ぐため、外管２１の端部にその厚さを補うためにリング状のカラー２４をろう付けなどにより結合し、このカラー２４と内管２２との間に、絶縁性キャップ２５を嵌入する。この絶縁性キャップ２４の内、外周面に設けた環状溝にＯリング２６を装着することにより、キャップと２重管との間を封止する。そして、カラー２４の内周に設けられた溝にＣリング２７を装着することにより絶縁性キャップ２５を外管２１に係止して、絶縁性キャップ２５が２重管から抜け出さないようにする。これにより、２重管の外管２１と内管２２の間に内部空間３０が形成される。

この形成された内部空間３０を冷却水通路として利用するために、この実施例１においては、外管２１の外周に銅管により構成された通水管３１と３２を接合し、一方の通水管３１は、２重管の右端側において外管２１を貫通させて２重管の内部空間３０に連通され、他方の通水管３２は左端側において外管２１を貫通して内部空間３０に連通されている。通水管３１および３２のそれぞれのもう一方の端は冷却水配管に接続される接続端となる。

例えば、通水管３１側から冷却水を供給するようにすると、冷却水は２重管の右端側から内部空間３０に入り、左端側へ流れ、通水管３２から流出する。このように内部空間３０を流れる冷却水により２次巻線を構成する外管２１および内管２２が直接冷却され、２次巻線２を効率よく冷却することができる。

整合変圧器ＭＴを構成するためには、この２次巻線２に１次巻線を電磁的に結合することが必要である。

図２は、前記１次巻線２に１次巻線１を巻き込んだ構成を示すものである。（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。

１次巻線１を構成する導体は、内部に冷却水を通水可能にするため銅管で形成され、予め２次巻線２を構成する２重管の外周から内周へ巻き込み可能に成形された分割導体１１〜１６を相互に銅管接続具１７により接続し、例えば図２（ｂ）に示すように連続して６ターンの巻線を構成する。各導体は２次巻線２と絶縁するために、絶縁チューブを被覆するなどして所定の絶縁が施されている。巻き始めの導体１１と巻き終わりの導体１６の端部に１次側（電源）接続端子１８、１９が設けられ、図示しない高周波電源からの給電線に接続される。

このように構成すると、１次巻線１と２次巻線２が電磁的に結合され、両巻線の巻数比で電力の変成がおこなわれる。１次巻線１に供給される高周波電力が供給されると、２次巻線２を構成する外管２１および内管２２から引き出された２次側接続端子２８ａおよび２９ａからこれに接続された高周波加熱装置の加熱コイルに両巻線の巻数比例えば６：１に応じて変成された高周波電力を供給することができる。

図３および図４は、この発明の実施例２を示すものである。この実施例２の構成は、基本的には、前記した実施例１のものと変わらない。この実施例２の異なる点は、整合変圧器ＭＴにおける磁束の漏洩を抑えて高効率の変成が行えるように、２次巻線を構成する２重管の内部空間３０に磁性材からなる環状の鉄心４を所要数組み込んでいる点である。これらの鉄心４は絶縁シート４２を介して内管２２に嵌め合わされ、軸方向の両端を絶縁カラー４３と絶縁性キャップ２５によって固定され、２次巻線２に対して絶縁されている。また鉄心４の相互間には、絶縁リング４４を間に介挿している。この絶縁リング４４の外径は、図に示すとおり、鉄心４の外径よりも小さなものとしている。なお、絶縁リング４４は省略することも可能であるが、実施例のように絶縁リング４４を設けることにより、各鉄心４の相互間に隙間ができ、鉄心４と冷却水との接触面積が増えるので、絶縁リング４４が無い場合と比べて冷却効率がよくなる。

鉄心の絶縁構造は、前記した構造に限るものではなく、例えば、環状の鉄心の全体を予め絶縁樹脂等で被覆しておくようにすると、絶縁シート４２および絶縁リング４４を省くことができ、構成を簡単にすることができる。
この実施例２によれば、鉄心を設けることによって、１次巻線１と２次巻線２の電磁的結合が強くなるとともに磁束の漏洩が抑制されるため変成効率が高くなる。また鉄心の納められる２重管の内部空間３０には、実施例１の場合と同様に、通水管３１、３２からは冷却水が供給され、水冷されるため鉄心の冷却も２次巻線２と同時に効率よく行うことができる。

図５に、この発明の実施例３を示す。この実施例の構成も、基本的には、前記２つの実施例と同じである。この実施例３において前記２つの実施例と異なるところは、整合変圧器ＭＴの２次巻線２の２次側接続端子２８ａ、２９ａに負荷として水冷式の加熱コイル５を接続した場合の冷却水回路の構成である。

加熱コイル５を構成する導体も、内部に冷却水が通水可能なように銅管で構成されている。そして２次巻線２を構成する外管２１および内管２２に設けられた２次側（負荷）接続端子２８ａ、２９ａを構成する導体２８、２９も銅管で構成する。外管２１の外周面に軸方向に沿って接合された導体２８は、２重管の両端の外側まで引き出される。内管２２の内周面に軸方向に沿って接合された導体２９は、一端が２重管の外側でＵ字状に折り返され、底板２３を貫通して冷却水流路となる２重管の内部空間３０に連通される。他端は２重管の外側まで引き出され、加熱コイル５に対する一方の接続端子２９ａとなる。通水管３１は、前の２つの実施例と同様に２重管の内部空間３０に連通される。導体２８の一端は加熱コイル５と他方の接続端子２８ａを形成し、他端は冷却水配管の接続端となる。
図示するように加熱コイル５の両端を、それぞれ引き出し導体２８、２９の接続端子２８ａ、２９ａに冷却水の流通が可能で、かつ電気的接続も行うことのできる結合具５１および５２により結合する。

これにより、２次巻線２の冷却水回路と加熱コイル５の冷却水回路とが直列に接続され、共通の回路となる。このため、図示しない冷却水供給装置から通水管３１の一端に冷却水が供給されると、冷却水は、矢印で示すように通水管３１の他端から２重管の内部空間３０に入り、内部空間３０の底板２３側から引き出し導体２９のＵ字部分から内部へ入り、この導体２９の他方端から加熱コイル５を介して外管２１に接合された引き出し導体２８の一端へ流れ、この導体２８の他方端から冷却水供給装置へ戻る経路で流れる。

このように整合変圧器ＭＴの２次巻線とこれに接続される水冷式の加熱コイル等の加熱装置との冷却水回路を共通にできるため、冷却水配管の構成が簡単となる。

なお、図６はこの図５の実施例３を発展させたもので、変圧器の１次巻線１の冷却水回路まで共通の回路にした例である。
この図６は、構造を理解しやすくするために整合変圧器ＭＴを一部を切り欠いて模式的な斜視図として示している。

２重管で構成された２次巻線２の外周と内周に１次巻線１を所要のターン数巻き込んでいる。この１次巻線の両端の引き出し部１１ａ、１６ａには１次側（電源）接続端子１１ｅ、１６ｅと配水接続端１１ｗ、１６ｗが設けられている。冷却水の通水可能な構成の２次側引き出し導体２８、２９に形成された２次側（負荷）接続端子２８ａ、２９ａには前記実施例３の場合と同様に加熱コイル５が電気回路および冷却水回路の両方を接続する結合具５１、５２により結合されている。

１次巻線１の一方の配水接続端１６ｗと２次巻線２に接合された通水管３１とを絶縁チューブ３５により接続し、もう一方の配水接続端１１ｗを図示しない冷却水供給装置に接続された冷却水供給配管に接続する。冷却水供給装置の冷却水戻り絶縁チューブに２次側引き出し導体２８の配水接続端２８ｗを接続する。

これにより、冷却水供給装置から供給される冷却水は、矢印で示すように、１次巻線１の配水接続端１１ｗ−１次巻線１−配水接続端子１６ｗ―絶縁チューブ３５−通水管３１−２次巻線を構成する２重管の内部空間３０−２次側引き出し導体２９−加熱コイル５−２次側引き出し導体２８の経路で流れ、１次巻線１、２次巻線２および加熱コイルの冷却水回路が直列接続され共通となる。
したがって、この実施例４によれば、整合変圧器ＭＴの１次巻線、２次巻線および鉄心並び加熱装置の加熱コイルの冷却水回路を共通の１つの回路に構成できるので、冷却水配管の構成を簡単にすることができ装置の小形化が可能となる。

前記各実施例として説明した整合変圧器ＭＴは、全体を絶縁材製ケースに収納するのがよく、そしてこのケースに可搬用ハンドルと取付け、可搬可能な構成とすることができる。

この発明の実施例１による整合変圧器の２次巻線の構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 この発明の実施例１による整合変圧器の構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 この発明の実施例２による整合変圧器の２次巻線の構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 この発明の実施例２による整合変圧器の構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 この発明の実施例３による整合変圧器の構成を示す縦断面図である。 この発明の実施例４による整合変圧器の構成を示す一部断面を含む斜視図である。 高周波誘導加熱装置の一般的な構成を示すブロック回路図である。

ＭＴ 整合変圧器
１ １次巻線
２ ２次巻線
２１ 外管
２２ 内管
２３ 底板
２５ 絶縁キャップ
２８、２９ ２次側引き出し導体
３０ 内部空間
３１、３２ 通水管
４ 鉄心
５ 加熱コイル

Claims (5)

1. 導電性の内管と外管の間に環状の内部空間の形成された二重管を備え、この二重管の一端側を前記内管と外管との間に導電性の底板を結合して閉塞することにより前記内管と外管とで構成されたＵ字断面の環状体により２次巻線を形成し、前記二重管の他端側の内管と外管との間を絶縁性キャップで塞ぎ前記二重管の外管と内管の間の内部空間に冷却水を通水する通水管を連通接続するとともに、前記内管と外管の他端側にそれぞれ負荷側端子を設け、かつ、前記二重管の内外周間に１次巻線を巻き付けたことを特徴とする整合変圧器。
2. 前記二重管の外管と内管の間の内部空間に磁性材からなる環状の鉄心を組み込んだことを特徴とする請求項１記載の整合変圧器。
3. 前記内管の内周面に軸方向に沿わせて導電性の第１の管を接合し、この第１の管の前記底板側の端部をＵ字状に折り返して前記二重管の外管と内管の間の冷却水の通水路に通じさせるとともに反対側の端部に負荷側端子の一方を形成し、また前記外管の外周面に軸方向に沿わせて導電性の第２の管を接合し、この第２の管の前記底板側の端部を冷却水配管の一方の接続端とするとともに反対側の端部にもう一方の前記負荷側端子を形成し、更に前記二重管の冷却水の通水路に通じるもう一方の冷却水配管の接続端を取付け、前記のいずれか一方の冷却水配管の接続端から供給した冷却水を前記二重管の内部空間及び前記第１および第２の管を経由させて他方の冷却水配管の接続端から排出するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の整合変圧器。
4. 前記負荷側端子に水冷式の加熱コイルを接続し、この加熱コイルに前記冷却水を同時に
   通水するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の整合変圧器。
5. 変圧器全体を絶縁ケースに収容し、この絶縁ケースに運搬用の持ち手を取り付けたこと
   を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の整合変圧器。

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