JP4862751B2 - リアクトルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リアクトルとその製造方法に関するものである。

電力変換回路のリアクトルは、一般に平面視が略横長環状のリアクトルコアの２つの長手部にコイルが形成された姿勢でケース内に収容されている。このリアクトルコアは複数の電磁鋼板の積層体もしくは圧粉磁心からなる分割コアから構成されており、各分割コア間には非磁性素材のギャップ板が介装されており、ギャップ板とコアは接着剤にて接着固定されてリアクトルコアが形成されている。

このケースの下面（底面）には放熱板（ヒートシンク）が設けてあり、コイルに電流が印加した際の発熱を該コイルまたはリアクトルコアからこの放熱板を介して外部へ逃がす構造が一般的である。

ところで、ケースとケース内に収容されたリアクトルコアの間には封止用の樹脂モールドが形成されており、上記する放熱作用は具体的には、コイルまたはリアクトルコアから樹脂モールド体を介して放熱板に伝熱し、放熱板を介して放熱するものである。なお、このような構成のリアクトルとして、例えば特許文献１，２を挙げることができる。

特開２００４−１９３３２２号公報 特開２００４−９５５７０号公報

上記する特許文献１，２をはじめ、従来のリアクトルを構成する樹脂モールド体は一種類の素材樹脂にて成形されている。ところで、この樹脂モールド体にクラックが生じるとこのクラックを介して外部から水分がリアクトル内部へ浸入し、ショートの大きな原因となることから、この樹脂モールド体には上記する放熱性能のほかに、耐クラック性能も要求されている。

一般に、その放熱性を高めようとすれば樹脂モールド体の硬度を高くすることになるが、硬度が高くなるにつれて該樹脂モールド体の可撓性が低下するため、リアクトル自体の繰り返し振動等に対する耐クラック性は低下する。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ケース内に収容されたリアクトルコアまわりに樹脂モールド体が成形されるリアクトルにおいて、耐クラック性と放熱性の双方に優れた樹脂モールド体を有するリアクトルと、該リアクトルの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるリアクトルは、ケースと、ケース下面に設けられた放熱板と、コイルを備えた姿勢でケース内の放熱板上に載置されたリアクトルコアと、を有するリアクトルにおいて、コイルの上面はケースの側壁上端よりも下方に位置しており、ケース内において、放熱板から少なくともコイルの一部までは相対的に高硬度で高放熱性を有する第一の樹脂モールド体が形成されており、コイルの一部からケースの側壁上端またはその近傍までは相対的に低硬度の第二の樹脂モールド体が形成されていることを特徴とするものである。

ここで、リアクトルコアは、磁性を有するＩ型コアとＵ型コアとが接着剤にて接合された形態、ギャップ板がエアギャップからなる形態などがある。Ｉ型コア、Ｕ型コアは、珪素鋼板を積層してなる積層体から形成してもよく、軟磁性金属粉末または軟磁性金属酸化物粉末が樹脂バインダーで被覆された磁性粉末を加圧成形してなる圧粉磁心から形成してもよい。なお、この軟磁性金属粉末としては、鉄、鉄−シリコン系合金、鉄−窒素系合金、鉄−ニッケル系合金、鉄−炭素系合金、鉄−ホウ素系合金、鉄−コバルト系合金、鉄−リン系合金、鉄−ニッケル−コバルト系合金および鉄−アルミニウム−シリコン系合金などを用いることができる。また、ギャップ板は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）などのセラミックスで成形することができる。

本発明のリアクトルは、その構成部材である樹脂モールド体を要求される機能に応じて上下２つの層で成形するものであり、具体的には、上層は相対的に低硬度のモールド体とすることで耐クラック性を付与させ、下層は相対的に高硬度のモールド体とすることで放熱性を高めるようにしたものである。

上層のモールド体（第二の樹脂モールド体）および下層のモールド体（第一の樹脂モールド体）で硬度を変化させる一方策としては、同素材の樹脂を使用して双方のフィラー含有率を変化させる形態がある。たとえば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂からいずれか一種を選定し、下層のモールド体では上層に比してそのフィラー含有率を高めることにより、下層の放熱性を高めるとともに、上層のモールド体を相対的に低硬度として耐クラック性を向上させることができる。ここで、上層のモールド体に耐クラック性が要求されるのは、樹脂モールド体とリアクトルコアやコイル等との線膨張係数の相違による変形量の相違によってクラックが生じ易く、あるいはリアクトル駆動時の振動によってクラックが生じ易いこと、このクラックは特に樹脂モールド体の上方に生じ易いとともにこの上方で生じたクラックが水道となって既述のごとくショートの主要因となること、によるものである。

また、上層および下層で異種樹脂材料を使用する場合でも、フィラー含有率を変化させて双方の硬度を変化させることができる。

なお、使用されるフィラー素材としては、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素などがある。

耐クラック性に関し、上下層ともに高硬度とし、上層の樹脂モールド体の耐クラック性を極めて硬く成形することで耐クラック性を高めるというアプローチも考えられるが、この場合、既述のごとく樹脂モールド体とリアクトルコアとの変形量の差異に起因するクラックへの対応には限界があること、樹脂モールド体を高硬度にするには限界があって十分な耐クラック性を有する硬度までは期待できないこと、などの理由から、上層の樹脂モールド体を低硬度として変形追随性をもたせるのが好ましい。

また、下層の樹脂モールド体は、放熱板から少なくともコイルの一部まで、たとえばコイルの下面レベルまで成形されてもよいし、コイルの上面またはその途中レベルまで成形されてもよいが、少なくともコイルの一部と接触するまでの高さを有し、その上方で上層の樹脂モールド体がコイルおよびリアクトルコアを完全に包囲してケースの側壁上端またはその近傍レベルまでの高さを有した形態で成形される。

また、第一、第二の樹脂モールド体双方の樹脂素材は同材質であることが好ましい。これは樹脂の硬化阻害を防止するためであり、異種素材の場合には硬化阻害が生じる可能性が相対的に高くなる。なお、ここでいう硬化阻害とは、上下層の界面部分が硬化せず、粘度の低い状態が維持されることによってリアクトルの強度低下に繋がることを意味する。

また、上層の樹脂モールド体（第二の樹脂モールド体）のフィラー含有率は、５０％未満であり、たとえば０％でもよい。第二の樹脂モールド体には放熱効果を期待していないからである。一方、下層の樹脂モールド体（第一の樹脂モールド体）のフィラー含有率は少なくとも５０％以上であり、具体的には要求される放熱性能に応じて適宜調整されるものである。

さらに、第一の樹脂モールド体と第二の樹脂モールド体でフィラー含有率を変化させることで齎される比重比（第二の樹脂モールド体の比重／第一の樹脂モールド体の比重）は０．８５以下に設定されていることが好ましい。

たとえば双方ともにウレタン樹脂を使用する場合に、第一の樹脂モールド体のフィラー含有率を６２％、第二の樹脂モールド体のフィラー含有率を４１％とすることで、比重比が０．８５となる。

本発明者等の実験によれば、上記比重比を０．８５以下とすることで、第一、第二の樹脂モールド体の混合を効果的に抑制できることが実証されており、さらには、クラックが発生するまでの駆動サイクル数に関する所定の基準値（耐久性の一指標となる基準）を満足することが実証されている。

また、本発明によるリアクトルの製造方法は、ケースと、ケース下面に設けられた放熱板と、コイルを備えた姿勢でケース内の放熱板上に載置されたリアクトルコアと、を有するリアクトルであって、コイルの上面はケースの側壁上端よりも下方に位置しており、ケース内において、放熱板から少なくともコイルの一部までは相対的に高硬度で高放熱性を有する第一の樹脂モールド体が形成されており、コイルの一部からケースの側壁上端またはその近傍までは相対的に低硬度の第二の樹脂モールド体が形成されている、リアクトルの製造方法において、第一の樹脂モールド体を形成する樹脂と、第二の樹脂モールド体を形成する樹脂を同時に硬化させることを特徴とするものである。

第一の樹脂モールド体を形成する樹脂と、第二の樹脂モールド体を形成する樹脂を同時に硬化させることによってその界面にボイドが生じ難くなり、放熱性能の低下を抑止することができる。

なお、第一、第二の樹脂モールド体をともに同素材の樹脂から成形するとともに、第一の樹脂モールド体を形成する樹脂のフィラー含有率を相対的に高くすることが好ましいことは既述の通りである。

本発明の製造方法は、従来のリアクトルの製造方法に比して別途の機器等を要するものではなく、上下の樹脂層でフィラー含有率を変化させ、双方の樹脂を同時に硬化させるだけの極めて簡易な方法によるものであり、製造コストを高騰させるものではない。

以上の説明から理解できるように、本発明のリアクトルおよびその製造方法によれば、耐クラック性と放熱性に優れたリアクトルを簡易に得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のリアクトルの縦断図であり、図２は第一、第二の樹脂モールド体を同時硬化させた場合と別工程で硬化させた場合のリアクトル温度の相違に関する実験結果である。図３は第一、第二の樹脂モールド体の比重比と耐久試験であるクラック発生サイクル数に関する実験結果であり、図４は第二の樹脂モールド体のフィラー含有率とクラック発生サイクル数に関する実験結果である。

図１は本発明のリアクトルの一実施の形態の縦断図である。このリアクトルコア１０は、その下方から、内部にラジエータ等からのクーリング水を還流させる冷却器１と、この冷却器１に固定された放熱板２、この放熱板２の上面でエポキシ系の接着剤を介して接着固定され、コイル５が形成されたリアクトルコア４、コイル５を含むリアクトルコア４を封止するための樹脂モールド体６と、この樹脂モールド体６を包囲するケース３とから大略構成されている。

ここで、樹脂モールド体６は上層の第二の樹脂モールド体６２と下層の第一の樹脂モールド体６１の２層から構成されており、その界面は図示する実施例ではリアクトルコア４の中間レベルに設定されている。尤も、この界面レベルはコイル５の下面レベルであってもよいし、コイル５の上面レベルであってもよく、少なくとも下層の第一の樹脂モールド体６１がコイル５と接触するようにレベルが設定される。

第一の樹脂モールド体６１、第二の樹脂モールド体６２はともにウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂のいずれかをその主素材とし、この樹脂素材内に窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素のいずれかで形成されたフィラーを含有してなる材料で成形されている。

第一の樹脂モールド体６１、第二の樹脂モールド体６２はそれぞれに要求される機能を異にしている。下層の第一の樹脂モールド体６１はコイル５およびリアクトルコア４からの熱量を放熱板２に効果的に放熱する性能を有することであり、上層の第二の樹脂モールド体６２は樹脂モールド体６の上部で水道を形成するようなクラックの発生を防止できる耐クラック性能を有することである。

上記各性能を上下層の樹脂モールド体６２，６１に付与させるために、下層の第一の樹脂モールド体６１ではフィラー含有率を少なくとも５０％以上とし、上層の第二の樹脂モールド体６２ではフィラー含有率を５０％未満（０％であってもよい）とする。また同時に、下層の第一の樹脂モールド体６１の比重に対する上層の第二の樹脂モールド体６２の比重、すなわち、比重比（第二の樹脂モールド体の比重／第一の樹脂モールド体の比重）が０．８５以下となる条件で上下層の含有フィラー量を設定する。さらに、上下層の樹脂モールド体６２，６１は成形型内で同時硬化させるようにして加圧成形する。

上記３つのフィラー含有条件および製造条件で上下層の樹脂モールド体６２，６１を成形することにより次の効果を得ることができる。フィラー含有条件に関して言えば、一つには、上下層の樹脂材料の型内混合を抑制でき、もって上下各層の要求性能を確保することができること、他の一つは、クラックが発生するまでの駆動サイクル数、すなわち耐久性を向上できることである。一方、製造条件に関して言えば、上下層を同時硬化させることでその界面にボイドを生じ難くでき、もって放熱性の低下を抑止できることである。界面にボイドが生じてしまうと、ここで熱ひきが阻害される結果、所要の放熱性能を期待し難くなる。なお、この同時硬化に関しては、樹脂を同素材、たとえば上下層ともにウレタン樹脂を使用するといった方策も重要である。異種素材樹脂では同時硬化を図ることが難しいからである。

また、上下層の樹脂モールド体を異種素材樹脂で成形してもよいが、この場合、硬化阻害を齎す樹脂の組み合わせを避ける必要がある。硬化阻害を齎す樹脂の組み合わせとしてはウレタン樹脂とシリコン樹脂などを挙げることができる。

[第一、第二の樹脂モールド体を同時硬化させた場合と別工程で硬化させた場合のリアクトル温度の相違に関する実験とその結果]
本発明者等は、ウレタン樹脂でフィラー含有率が７０％の第一の樹脂モールド体とウレタン樹脂でフィラー含有率が０％の第二の樹脂モールド体で図１で示すリアクトルを製造し、リアクトルを駆動させた際のコイル上方での温度を測定した。ここで、樹脂モールド体の加圧成形過程において、一つは別工程で上下層の樹脂モールド体を硬化させてリアクトルを製造し、他の一つは上下層の樹脂モールド体を同時硬化させて製造した。

ここで、基準温度を１３０℃に設定し、双方のリアクトルのコイル上方での温度がこの基準値を満足するか否かを検証した。なお、当該基準温度は、リアクトルの負荷率調整をおこなってリアクトル構成部材等への温度影響を緩和する必要がない上限温度である。

実験の結果を図２に示している。図より、上下層の樹脂モールド体を別工程で硬化させた場合には、基準温度を大幅に超過しておよそ１５０℃弱程度まで温度が上昇することが確認された。これは、上下層で別々に樹脂を硬化させることでその界面にボイドが生じ、これが熱ひきを阻害することで放熱性が低下したものと特定できる。

一方、上下層を同時硬化させた場合には、上昇温度を１２０℃弱に抑えることができた。別工程で硬化させた比較例に比して、ボイドの発生が抑止されたために放熱性の低下が抑えられたものと特定できる。

[第一、第二の樹脂モールド体の比重比とクラック発生サイクル数に関する実験とその結果]
次いで、本発明者等は、第一、第二の樹脂モールド体の比重比（第二の樹脂モールド体の比重／第一の樹脂モールド体の比重）を多様に変化させてリアクトルを製造し、各リアクトルの樹脂モールド体の上面でクラックが発生するまでの駆動サイクル回数を検証した。ここで、樹脂モールド体はウレタンを主素材とし、比重は上下層でフィラー含有率を変化させることで調整した。ここで、クラックが発生するまでのサイクル数基準値を５００回に設定した。

実験の結果を図３に示している。図より、比重比が０．８５以下で基準サイクル数を満足すること、比重比が０．８５を超えると耐久性が急降下する傾向を示すことが実証された。これは、比重比が高くなること、すなわち上下層でのフィラー含有率が接近することで成形型内で上下各層の樹脂が混合し易くなり、その結果として上層の樹脂モールド体が高硬度となり、変形追随性（耐クラック性）が低下したものと特定できる。

[第二の樹脂モールド体のフィラー含有率とクラック発生サイクル数に関する実験とその結果]
次いで、本発明者等は、下層の第一の樹脂モールド体のフィラー含有率を７０％で規定し、上層の第二の樹脂モールド体のフィラー含有率を多様に変化させてリアクトルを製造し、上記実験と同様に樹脂モールド体の上面でクラックが発生するまでの駆動サイクル回数を検証した。なお、この実験においてもサイクル数基準値は５００回で設定している。

実験の結果を図４に示している。図より、第二の樹脂モールド体のフィラー含有率が５０％未満の場合に基準サイクル数を満足すること、フィラー含有率が５０％以上になると耐久性が急降下する傾向を示すことが実証された。したがって、耐クラック性が要求される上層の樹脂モールド体はウレタン樹脂等の主素材に含有率５０％未満のフィラーを混合した材料で成形されるのがよいと結論付けることができる。

上記するように、本発明のリアクトルを製造することで放熱性能と耐クラック性能の双方に優れたリアクトルを得ることができる。また、このリアクトルの製造方法は、上下層の樹脂モールド体のフィラー含有率を変化させること、成形型内で上下層の樹脂を同時硬化させること、といった極めて簡易な方法によることから何ら製造コストを高騰させるものではない。

また、上記する高品質なリアクトルを例えば生産が急増しているハイブリッド自動車等に搭載することで、品質の高いハイブリッド自動車の量産に寄与できる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のリアクトルの縦断図である。 第一、第二の樹脂モールド体を同時硬化させた場合と別工程で硬化させた場合のリアクトル温度の相違に関する実験結果である。 第一、第二の樹脂モールド体の比重比と耐久試験であるクラック発生サイクル数に関する実験結果である。 第二の樹脂モールド体のフィラー含有率とクラック発生サイクル数に関する実験結果である。

符号の説明

１…放熱器、２…放熱板、３…ケース、４…リアクトルコア、５…コイル、６…樹脂モールド体、６１…第一の樹脂モールド体、６２…第二の樹脂モールド体、１０…リアクトル

Claims (5)

1. ケースと、ケース下面に設けられた放熱板と、コイルを備えた姿勢でケース内の放熱板上に載置されたリアクトルコアと、を有するリアクトルにおいて、
   コイルの上面はケースの側壁上端よりも下方に位置しており、
   ケース内において、放熱板から少なくともコイルの一部までは相対的に高硬度で高放熱性を有する第一の樹脂モールド体が形成されており、コイルの一部からケースの側壁上端またはその近傍までは相対的に低硬度の第二の樹脂モールド体が形成されており、第二の樹脂モールド体の比重／第一の樹脂モールド体の比重が０．８５以下に設定されていて、第一、第二の樹脂モールド体の混合が抑制されているリアクトル。
2. 前記第一、第二の樹脂モールド体は、ともに同素材の樹脂から成形されており、第一の樹脂モールド体を形成する樹脂は相対的にフィラー含有率が高くなっていることを特徴とする請求項１に記載のリアクトル。
3. 請求項２に記載のリアクトルにおいて、
   第二の樹脂モールド体を形成する樹脂のフィラー含有率は５０％未満であり、第一の樹脂モールド体を形成する樹脂のフィラー含有率は５０％以上に設定されていることを特徴とするリアクトル。
4. ケースと、ケース下面に設けられた放熱板と、コイルを備えた姿勢でケース内の放熱板上に載置されたリアクトルコアと、を有するリアクトルであって、コイルの上面はケースの側壁上端よりも下方に位置しており、ケース内において、放熱板から少なくともコイルの一部までは相対的に高硬度で高放熱性を有する第一の樹脂モールド体が形成されており、コイルの一部からケースの側壁上端またはその近傍までは相対的に低硬度の第二の樹脂モールド体が形成されている、リアクトルの製造方法において、
   第一の樹脂モールド体を形成する樹脂と、第二の樹脂モールド体を形成する樹脂を同時に硬化させ、かつ、第二の樹脂モールド体の比重／第一の樹脂モールド体の比重が０．８５以下となるようにして、第一、第二の樹脂モールド体の混合が抑制されていることを特徴とするリアクトルの製造方法。
5. 前記第一、第二の樹脂モールド体は、ともに同素材の樹脂から成形されており、第一の樹脂モールド体を形成する樹脂は相対的にフィラー含有率が高くなっていることを特徴とする請求項４に記載のリアクトルの製造方法。

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