JP6090164B2 - リアクトル及びこれに用いるコンパウンド - Google Patents
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Description
例えばハイブリッド自動車や燃料電池自動車,電気自動車等ではバッテリーと、モータ(電気モータ)に交流電力を供給するインバータとの間に昇圧回路が設けられており、その昇圧回路にインダクタンス部品であるリアクトル(チョークコイル)が用いられている。
このリアクトルは、太陽光発電の昇圧回路用その他にも広く用いられている。
例えば自動車の昇圧回路に用いられるリアクトルは極めて長期に亘って使用される部品であり、温度上昇が長期間繰り返されると熱履歴によって樹脂バインダが劣化し、ひいては部品寿命を短くしてしまうことに繋がる。
このためリアクトルは許容可能な到達温度(最高温度)が設定され、内部発熱による温度上昇がその設定最高温度以下に抑制されることが求められる。
但しこの特許文献1に開示のものは、放熱のための手段が本発明とは異なった別異のものである。
しかしながらこの特許文献2には、高熱伝導率のフィラーとして繊維状のものを用いる点の開示はなく、この点で本発明とは異なる。
X・軟磁性粉末+Y・熱伝導性フィラー+(100−X−Y)・樹脂バインダ・・式(1)
但しX:83〜96質量%
Y:0.2〜6.8質量%
より望ましくは150(W/m・K)以上のものを用いるのが良く、更に望ましくは450(W/m・K)以上のものを用いる。
純Fe:67(W/m・K)
Fe-1Si:42(W/m・K)
Fe-2Si:31(W/m・K)
Fe-5Si:19(W/m・K)
Fe-6.5Si:15(W/m・K)
尚樹脂バインダに用いられるPPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂の熱伝導率は
PPS:0.2〜0.4(W/m・K)である。
繊維状の熱伝導性フィラーの場合、コア内部で熱伝導性フィラー、即ち繊維が互いに絡み合う状態に分散することによって、伝熱路のネットワークを効率的に形成し、そのことによって高い放熱性を発揮する。
そしてその働きによって、リアクトル動作時の発熱による内部温度の上昇を効果高く抑制することができる。
軟磁性粉末の混合比率が83質量%未満であると、所望のインダクタンスが得られ難く、また発熱による温度上昇が高くなってしまう。
その発熱による温度上昇は、軟磁性粉末の混合比率が高くなるに従って、樹脂よりも高い熱伝導率を有する軟磁性粉末の放熱特性により低下する傾向となり、またインダクタンスも混合比率の増大につれて高くなるが、一方でコアの成形手法として射出成形を行う際に混合材(コンパウンド)の流動性が低下し、そして96%を超えて多くなると、その流動性が量産に適しないような低い値となってしまう。
熱伝導性フィラーの混合比率を高めて行けば、これに伴って温度上昇に対する抑制効果は大となるが、一方で熱伝導性フィラーを添加することにより、コアを射出成形する際の混合材の流動性が低下する。特にその混合比率を6.8%を超えて多くすると流動性の低下の度合が高く、射出成形にてリアクトルを量産規模で製造することが難しくなる。
そこで請求項1ではYの添加比率を6.8%以下とする。
但しこの場合には、後述するように熱硬化性樹脂バインダを硬化させるための大型の加熱炉が必要であるとともに、硬化のための多量の熱エネルギーが必要であったり、また硬化のために長い時間がかかり、コスト的に高くなるとともに生産性を高めることが難しいといった問題がある。
この請求項2においては、大型の加熱炉を必要とすることもないし、樹脂バインダの硬化のための多量の熱エネルギーを必要とすることもなく、生産性を高め得て、所要コストを安価とすることができる。
更には同じピッチ系でも、黒鉛の結晶度で熱伝導率と電気抵抗が異なるグレードがあり、熱伝導率が最高で800(W/m・K)程度と高い代わりに電気抵抗が2(μΩ・m)以下と低いグレードは、黒鉛の結晶度が極めて高い。逆に熱伝導率が150(W/m・K)と低い代わりに電気抵抗が6〜7(μΩ・m)と高いグレードは、黒鉛の結晶度を多少落としてある。
これらピッチ系カーボンファイバーはいずれのグレードも良好に用いることができるが、コアの放熱性を効果的に高めるためには熱伝導率が450(W/m・K)以上あるカーボンファイバーが特に好適である。
加えて一部又は全量を、電気抵抗が高いグレードのカーボンファイバーで置き換えた場合は、コアに生じる渦電流損失を抑制しつつ、コアの放熱性を高めることも可能となる。
(軟磁性粉末の成分について)
本発明では、軟磁性粉末として純Fe若しくはSiを0.2〜9.0%(質量%以下同じ)含有した組成の粉末を用いるのが望ましい。
純Feはコアロスが高い難点がある一方で安価で取扱い易く、磁性材料中では磁束密度がパーメンジュールに次いで高い特徴を有し、従ってこの特徴を重視する場合には純Feの粉末を用いるのが望ましい。
特にSiの含有量が6.5%のときコアロスは極小値を取り、磁束密度も比較的高いため、優れた軟磁性材料となる。
6.5%を超えるとコアロスは増加に転じるが、それでも9.0%までは磁束密度も高いため十分実用的である。
但し9.0%を超えると磁束密度は小さく、コアロスは大きくなる。
一方0.2%未満ではほぼ純Feと同じ特徴となる。
他方Siを2〜3%含有したものは、コストとインダクタンス特性及び発熱特性等の性能のバランスが良く、この点を重視する場合にはSiを2〜3%含有したものを用いるのが望ましい。
但しCrを添加する場合には、この添加量を5質量%以下とするのが良い。その理由はコアロスをより低減し易くなることによる。
またMn,Niは合計で1質量%以下とするのが良い。その理由は低い保磁力を維持し易くなることによる。
上記軟磁性粉末は、ガス噴霧、水噴霧、遠心噴霧、これらの組み合わせ(例えば、ガス・水噴霧)、ガス噴霧直後に速やかに冷却する等によるアトマイズ法や、ジェットミル、スタンプミル、ボールミル等による機械粉砕法や、化学還元法などによる粉末を用いることができる。
軟磁性粉末とともにコアを構成する樹脂バインダの熱可塑性樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド(PPS)樹脂,ポリアミド(PA)樹脂,ポリエ−テルエーテルケトン(PEEK)樹脂,ポリエステル樹脂,ポリエチレン樹脂,ポリプロピレン樹脂等を、また熱硬化性樹脂としては、ポリウレタン樹脂,エポキシ樹脂,シリコーン樹脂等を例示することができる。また、これらを1種又は2種以上用いても良い。
このうち耐熱性,難燃性,絶縁性,成形性,機械的強度等の観点からポリフェニレンサルファイド樹脂,ポリアミド樹脂,ポリエーテルエーテルケトン樹脂,エポキシ樹脂が好適である。
また樹脂バインダは、必要に応じて酸化防止剤,老化防止剤,紫外線吸収剤,着色剤,増粘剤,沈降防止剤,熱膨張抑制剤等の各種添加剤を1種又は2種以上含有したものであっても良い。
樹脂バインダとして熱可塑性樹脂バインダを用いる場合と、熱硬化性樹脂バインダを用いる場合とでは製造方法が異なる。まずは熱可塑性樹脂バインダを用いた射出成形によるリアクトル(射出成形リアクトル)及びその製造方法について述べる。
軟磁性粉末と、熱可塑性樹脂バインダと、熱伝導性フィラーとを含有して成るコア用のコンパウンドは、軟磁性粉末と樹脂バインダと熱伝導性フィラーとを適正な比率となるように配合し、これを2軸混練機等の混練機を用い、樹脂バインダを溶融状態として各配合剤を錬り合せる等の工程を経ることで製造することができる。
射出成形リアクトルは、コイルを電気絶縁性の樹脂にて外側から全体的に包み込む状態に被覆してコイル被覆体となす一方、コアを、コイル被覆体を内部に一体に埋め込む状態に軟磁性粉末と樹脂バインダと熱伝導性フィラーとの混合材(コンパウンド)を射出成形して成る成形体にて構成し、且つそのコアを、コイル被覆体の外周面に接する筒状の外周側成形部を含む1次成形体と、コイル被覆体の内周面に接する内周側成形部を含む2次成形体とを境界面で接合して一体化した形態で構成しておくことができる。
即ちコアを射出成形する工程Aを、コアの、コイル被覆体の外周面に接する筒状の外周側成形部を含む、コイル軸方向の一端側にコイル被覆体の嵌込用の開口を有する形状の1次成形体をコア用の1次成形型にて予め射出成形しておく工程A-1と、コイル被覆体の内周面に接する内周側成形部を含む2次成形体をコア用の2次成形型にて成形する工程A-2と、に分け、工程A-2では、工程A-1で得た1次成形体の外周側成形部にコイル被覆体を内嵌状態に嵌合させ、且つコア用の2次成形型にて外周側成形部を外周側から径方向に拘束し保持した状態で、内周側成形部を含む2次成形体を成形すると同時に、2次成形体と1次成形体及びコイル被覆体を一体化する方法を用いてリアクトルを製造することができる。
軟磁性粉末と樹脂バインダとを含む混合材は、成形型のキャビティへの射出時において温度が例えば300℃以上の溶融状態で液状のものであり、射出後に成形型内部で成形型により冷却されて固化し成形体となる。
その際に、或いはその後成形型から取り出されて室温まで冷却される過程で、成形体としてのコアが大きく径方向に収縮しようとする。
コアにおけるこのような亀裂の発生はリアクトルとしての性能を低下させる要因となる。
即ち上記の製造方法によれば、コイルの存在によってコアに亀裂が発生する問題を有効に解決することができる。
従ってコアの成形時にコイルが位置ずれすることによって、コイル複合成形体の特性に悪影響が及ぶのを良好に防止することができる。
即ち、コイル被覆体の樹脂被覆層を射出成形にて成形するようにし、且つ射出成形の工程Bを、コイルの内周面又は外周面に対して樹脂被覆層用の1次成形型を接触させ、1次成形型にてコイルを内周面又は外周面において径方向に位置決めし拘束した状態で、コイルの外周側又は内周側に形成される1次成形型の1次成形キャビティに樹脂材料を射出して、樹脂被覆層における外周被覆部又は内周被覆部を含む1次成形体を成形し且つコイルと一体化する工程B-1と、しかる後1次成形体をコイルとともに樹脂被覆層用の2次成形型にセットして、コイルの内周側又は外周側に形成される2次成形型の2次成形キャビティに樹脂材料を射出して、樹脂被覆層における内周被覆部又は外周被覆部を含む2次成形体を成形し、且つコイル及び1次成形体と一体化する工程B-2と、に分けて射出成形を行い、リアクトル製造を行うことが可能となる。
樹脂バインダとして、熱硬化性樹脂バインダを用いた場合の製造方法を以下に述べる。
まず、熱硬化性樹脂バインダの液と軟磁性粉末と熱伝導性フィラーとを適正な比率となるよう配合し、これを脱泡攪拌機等により分散状態に混合した液体状のスラリーを、コア用材料として準備する。
また、コイルは前述の射出成形によるリアクトルの場合と同様の製造方法にてコイル被覆体としておくことができる。
そして注型用のケースにコイル(コイル被覆体)を所定の位置に保持しておき、コイルを埋没させながらケース内部にスラリーを注入する。その後これを所定温度に加熱し且つ所定時間かけて樹脂液を硬化反応させ、以てコアを成形すると同時にコイルを一体化させる。この方法を、ポッティング成形(注型成形)と称する(例えば特開2007−27185号公報、特開2008−147405号公報等に開示)。
これに対して上記射出成形による製造方法によれば、上記ポッティング成形による製造方法の有する様々な問題を解決することが可能である。
次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図1において、15はインダクタンス部品としてのリアクトル(チョークコイル)で、軟磁性樹脂成形体から成るコア16の内部に絶縁被膜付きのコイル10が隙間無く埋込状態に内包され、一体化されている。即ちコア16は、ギャップをもたない構造のリアクトルとなるように作製してある。
尚、上コイル10-1と下コイル10-2との間には大きな電位差が生ずるため、それらの間には図5(B)に示しているように円環状の絶縁シート21が介装してある。ここで絶縁シート21は厚みが約0.5mm程度のものである。
尚図中18はコイル10におけるコイル端子で、径方向外方に突出せしめられている。
尚コイル10は、図1に示しているようにコイル端子18の先端側の一部を除いて全体的にコア16に埋込状態に一体に内包されている。
図1〜図3中、24はコイル10と樹脂被覆層22とから成るコイル被覆体で、コイル10はこのコイル被覆体24としてコア16の内部に埋め込まれている。
この実施形態において、樹脂被覆層22の厚みは0.5〜2.0mmとしておくことが好ましい。その理由は、0.5mmより薄いと絶縁被膜が強度的に弱くなり、2.0mmより厚いと磁気回路の磁路長が長くなってしまい、その分コアを大きくしなければならなくなるためである。
この樹脂被覆層22は、軟磁性粉末を含有していない電気絶縁性の熱可塑性樹脂から成っている。その熱可塑性樹脂としてはPPS,PA12,PA6,PA6T,POM,PE,PES,PVC,EVAその他種々の材質のものを用いることができる。
1次成形体16-1は、図1〜図3に示すようにコイル被覆体24の外周面に接する円筒状の外周側成形部25と、コイル被覆体24の図中下側に位置する底部26とを有する容器状且つコイル軸線方向の図中上端に開口30を有する形状をなしている。
尚、この1次成形体16-1の外周側成形部25には切欠部28が設けられている。
この切欠部28は、後述のコイル被覆体24の厚肉部36(図3参照)を嵌め入れるためのものである。
一方2次成形体22-2は、コイル10の内周面を被覆する円筒状の内周被覆部50と、コイル10の上端面の全体を被覆する上被覆部52とを一体に有している。
尚、1次成形体22-1には径方向外方に突出する厚肉部36が全高に亘って形成されており、その厚肉部36に、これを径方向に貫通する一対のスリット38が形成されている。
コイル10における上記の一対のコイル端子18は、これらスリット38を貫通して1次成形体22-1の径方向外方に突出せしめられている。
また2次成形体22-2には、径方向外方に突出する舌片状の突部42が上被覆部52に一体に形成されている。1次成形体22-1における厚肉部36は、その上面がこの突部42にて被覆される。
この実施形態では、図6及び図7に示す手順に従って図6(A)に示す絶縁被膜付きのコイル10を外側から包み込むように樹脂被覆層22を形成し、コイル10と樹脂被覆層22とを一体化して成るコイル被覆体24を構成する。
図9(A)において、54はコイル被覆体24具体的には樹脂被覆層22用の1次成形型で、上型56と下型58を有している。
ここで下型58は中型部58Aと外型部58Bとを有している。
詳しくは下コイル10-2が上側に、上コイル10-1が下側に位置するように上下を逆向きにして1次成形型54にセットする。
そして中型部58Aをコイル10の内周面に接触させて、この中型部58Aによりコイル10の内周面を径方向に拘束し保持する。
詳しくは、図9(B)に示す外周被覆部46と下被覆部48とを一体に有する1次成形体22-1を射出成形する。
このとき、図9(B)に示しているようにコイル10を1次成形体22-1とともに上下逆向きにして2次成形型70にセットする。
この2次成形型70は、上型72と下型74とを有している。また下型74は、中型部74Aと外型部74Bとを有している。
この2次成形型70は、1次成形体22-1をコイル10とともにセットした状態で、その内周側と上側とに2次成形キャビティ80を形成する。
その具体的な手順が図8及び図10に示してある。
この実施形態では、コア16の全体を成形するに際して、図8に示すように先ず容器状をなす1次成形体16-1を予め成形しておく。
84は、1次成形体16-1を成形する1次成形型で、上型86と下型88とを有している。
96はその2次成形型で、上型98と下型100とを有している。
この2次成形では、先に成形した1次成形体16-1にコイル被覆体24を嵌め込み、保持させた状態で、それらを2次成形型96にセットする。
即ちコイル被覆体24が1次成形体16-1を介して2次成形型96内で径方向にも、また上下方向にも位置決めされ保持される。
ここにおいて図1及び図8(B)に示すリアクトル15が得られる。
またコイル10は樹脂被覆層22と一体のコイル被覆体24をなしているため、コア16を射出成形する際にコイル10が変形を生じるのも良好に防止することができる。
従ってコア16の成形時にコイル10が位置ずれすることによって、リアクトル15の特性に悪影響が及ぶのを良好に防止することができる。
もう一つの実施形態である、ポッティング成形によるリアクトルについて図13に基づいて説明する。
コイル10は前述の実施形態1で述べた方法で樹脂被覆層22と一体をなしたコイル被覆体24としておく。
ここでは、吊り糸122の一端をコイル10(詳しくはコイル被覆体24)に固定し、その他端側に保持具124を通して、保持具124を注型ケース120に固定することで、コイル10を注型ケース120に対して吊るした状態に保持する。その際、コイル10に対する吊り位置は3個所以上とし、コイル10を安定して吊持できるように吊り位置を均等に配置する。
吊り糸122のコイル10への固定は、吊り糸122を円環状に結束してコイル10に通すようにしても良いし、また接着剤を用いて固定するようにしても良い。
尚、吊り糸122と保持具124とは、注型ケース120の所定の位置にコイル10が配置されるように、予め位置及び長さを調整しておく。
吊り糸122は、スラリー16Aの注入と加熱硬化に耐えられるだけの強度と耐久性があれば良く、ポリアミドやポリイミドの細線(径0.5mm以下)を好適に用いることができる。
次にコイル10が保持されている注型ケース120に、コイル10を埋没させながら、軟磁性粉末と樹脂バインダと熱伝導性フィラーとを含む液状の混合材(スラリー16A)を注入し、注型ケース120ごと加熱炉に入れて、樹脂バインダを硬化させる。
そして硬化後、注型ケース120から取り出してリアクトル15を得る。この時リアクトル15から突き出ている吊り糸122は根元から切断する。
先ず、表1に示すように熱伝導性フィラーの混合比率を一定とし、軟磁性粉末の混合比率を変化させてその効果を調べた。
表1に示す各例は、何れもコア16の軟磁性粉末としてFe-6.5Si(質量%)の組成のものを用い、また樹脂バインダにおける熱可塑性樹脂としてPPS樹脂を用い(ここではDIC(株)社の、品名H-1Gの直鎖型PPS樹脂で、200μm粉砕粉末を用いた)、熱伝導性フィラーとしてカーボンファイバーを用いた。
但しここで用いたカーボンファイバーは熱伝導率が450(W/m・K)以上の極めて高い(金属のAgよりも高い)ものである。
このカーボンファイバーは結晶性(黒鉛性)の著しく高いカーボンファイバーで、繊維状にした黒鉛を長さ数十μm単位に切断した筒状の短繊維である。
また、これと異なるグレードとして、黒鉛の結晶度を多少落とした「ダイアリード」K6371Mがあるが、これは熱伝導率が150(W/m・K)程度であるが、電気抵抗が6〜7(μΩ・m)という数値である。結晶度が高いカーボンファイバー(「ラヒーマ」R−A201や「ダイアリード」K223HM)の電気抵抗が2(μΩ・m)以下であるので、数倍電気抵抗が高いカーボンファイバーである。
便宜上これ以降では、黒鉛の結晶度が高いカーボンファイバー、すなわち熱伝導率が約600(W/m・K)、電気抵抗が2(μΩ・m)以下のグレードのカーボンファイバー(例えば「ラヒーマ」R−A201や「ダイアリード」K223HM)を「CF1」と称し、黒鉛の結晶度が多少低いカーボンファイバー、すなわち熱伝導率が約150(W/m・K)、電気抵抗が6〜7(μΩ・m)のグレードのカーボンファイバー(例えば「ダイアリード」K6371M)を「CF2」と称する。
ここで、発熱温度を下げたい場合は「CF1」のカーボンファイバーを優先的に用い、損失(渦電流損失)を抑制したい場合は「CF2」のカーボンファイバーを優先的に用いる、といった使用方法が可能となる。中間特性が必要ならば、両者を混合しての使用も可能である。
またコアとして1〜50kHzの交番磁界中で使用されることを想定し、軟磁性粉末は粉末熱処理後に250μm以下に篩いで篩ったものを使用した。
この軟磁性粉末を、表1で示す種々の混合比率で熱伝導性フィラー及び樹脂バインダと混合し、そして2軸混練機により約300℃で溶融させた樹脂バインダ等とともに錬り合せてペレット化し、コンパウンドを用意した。
そしてコンパウンドを横型インラインスクリュー式射出成形装置により約300℃で加熱し、溶融状態として予熱温度150℃の金型内に射出し、冷却してコア16を成形した。
コイル10は、ポリアミドイミド樹脂から成る絶縁被膜(被膜の膜厚は20〜30μm)付きの純銅の平角線材(線材寸法は厚み0.85mm,幅9mm)を用い、これをフラットワイズ巻とした上コイル10-1と下コイル10-2とを上下に2段重ねとし、そして内周側端部20同士を接続して、これをポリイミドテープで再絶縁処理をした。
寸法は、コイル内径がφ47mmで、ターン数は下コイル10-2,上コイル10-1ともに18ターンとし、合計で36ターンとした。
また上コイル10-1と下コイル10-2との間には0.5mmの厚みの絶縁シート21を中間に介在させた。
コア16はコイル10を隙間無く内部に埋込状態に内包するものとなしてあり、その寸法はコア外径がφ90mmで、コア高さは40.5mmである。
コア16の軸心とコイル10の軸心及びコア16の軸方向中央とコイル10の軸方向中央とはそれぞれ一致するように揃えて配置している。
表1におけるインダクタンス,損失,発熱温度の各特性の評価は、リアクトル15を図11に示す容器部110と蓋部112とを有するアルミケース(リアクトルケース)114の内部に収納した状態で行った。
ここでアルミケース114の肉厚は5mm厚の寸法とした。
またアルミケース114とリアクトル15との固定はシリコーン樹脂にて行った。
インダクタンスの測定は、アルミケース114に入ったリアクトル15を昇圧チョッパ回路に組込み、入力電圧300V、昇圧後電圧600V、スイッチング周波数10kHzで所定の重畳電流を流して回路を駆動させた。そしてリアクトルに流れる電流(片方の端子にクランプ式電流計を取り付け測定)の波形を測定し、ある時間間隔の電流波形の傾きからインダクタンスを算出した。
発熱温度及び損失の測定は以下の方法にて行った。
水冷プレート上にアルミケース114に入ったリアクトル15を固定した。このとき熱伝導グリスを水冷プレートとアルミケース114の間に薄く塗布した。
重畳電流0Aで300V→600Vに10kHzの条件でインダクタンス測定と同じ昇圧チョッパ回路で駆動させ、熱的に定常状態(コアの内部温度や冷却水温が時間的に変化しなくなる状態)になるまで連続運転した。また冷却水はチラー(恒温水循環装置)で50℃、毎分10リットルで流れるよう制御した。
この時のコア内部の温度を数点測定して、その最も高い温度を内部温度(発熱温度)とした。温度の測定箇所は図12の11点とし、そこに熱電対を埋め込んで測定を行った。ただし同一断面に埋め込むのではなく、隣り合う点の埋め込みの影響を避けるため円周方向に少しずつずらしながら11点の測定点を配置した。
この時の水冷プレートの冷却水の流量と、入側と出側の温度との差から熱量を測定し、この熱量を損失とした。
・コア材の損失(ヒステリシス損失と渦電流損失の和)からくる損失(鉄損)
・リアクトルに流れる電流から直流重畳電流を除いた電流振幅分によるコイルの発熱からくる損失(交流銅損)
・コイルの導線に高周波電流が流れる際に生じる表皮効果からくる損失(表皮効果損)
・隣り合う導線同士が電流の流れを互いに阻害しあう近接効果からくる損失(近接効果損)
これらを正確に分解することは困難であるため、表1では(表2も同様)重畳電流0Aでの損失を直接比較している。
また発熱温度は、リアクトルに使用される材質の許容温度と長期耐久性及びリアクトルが使用される環境(特に冷却条件)から決定される。今回は冷却水温度は50℃としたが、これは使用されるシステムにより高い場合もあれば、低い場合もある。ここでは平均的な50℃とした。また許容される温度上昇幅も様々であるが、65℃が一般的であるのでこれを用いた。したがって、発熱温度としては115℃を目標とした。
表1の流動性はコンパウンドについてのもので、この流動性の評価は、JIS規格 K 7210のB法に準拠して、下記の条件の下で下記のサンプリング時間tを測定し、下記のMVRを求めることにより行った。
・試験荷重:10kg
・温度:315℃
・加熱時間:6min
・サンプリング時間t:ピストンが距離Lを移動する時間を測定(L=25mm)
・MVR(cm3/10min)=427×L/t
これらの結果が表1に併せて示してある。
耐電圧測定は次のようにして行った。
ここではリアクトル15をアルミベースプレート上に直接置いて、リアクトル15をアルミベースプレートに電気的に繋がった状態とし、そして測定装置の一方の端子をリアクトル15の一方のコイル端子18に、また他方の端子をアルミベースプレートにそれぞれ結線し、そしてその状態で通電を行って交流0V〜3500V(ボルト)まで徐々に電圧を高め、3500Vで1秒間保持した。
その際、流れる電流が10mA(ミリアンペア)以下であれば合格、それよりも多ければ不合格として耐電圧を判定した。
熱衝撃試験は次のようにして行った。
(a)[試験方法]:下記熱衝撃試験装置で低温槽を−40℃とし、高温槽を150℃とし、低温さらしと高温さらしとを交互に繰り返し、1000サイクル実施した。また、各さらし時間は2時間とした。
(b)[評価基準]:1000サイクル後、(i)外観にクラックなきこと。(ii)再度耐電圧試験を実施しクリアできること。(iii)熱衝撃試験前後のインダクタンスの変化が5%以下であること。
(c)[試験装置]:エスペック社製で型式はTSA−41L−Aである。
表1の結果において、比較例1は軟磁性粉末の量が不足しているため、流動性については良好であるものの、磁気特性としてのインダクタンスが目標値に対して不足している。また軟磁性粉末が不足しているために発熱温度が高くなっている。また損失の値も大きい。
これに対して実施例1,実施例2,実施例3のように軟磁性粉末の量を多くして行くと、これに伴って磁気特性としてのインダクタンスが高まって行き、また樹脂バインダの量が相対的に少なくなり、樹脂バインダに対して熱伝導率の高い軟磁性粉末が多くなるために発熱温度も低下し、損失も低くなっている。
但し軟磁性粉末の量が多くなるのに伴って、流動性の値は低くなっている。そして軟磁性粉末の量が96%(質量%。以下同じ)よりも多い比較例2では、流動性の値が目標値に到達しない低い値となっている。比較例2のような流動性の低いものでは実質的に量産には適さない。
この表1では、熱伝導性フィラー1%混合下で、軟磁性粉末の混合比率を83〜96%の範囲内とした実施例1,実施例2,実施例3については、発熱温度,損失,インダクタンス,流動性の何れの特性も良好な結果が得られている。
結果が表2に併せて示してある。
尚、軟磁性粉末の混合比率,熱伝導性フィラーの混合比率を除く他の条件については表1の評価を行ったときと同じ条件である。
熱伝導性フィラーとしてのカーボンファイバーの混合比率をこれよりも更に高くして行くと、今度は逆に発熱温度,損失の値が増大方向に転化する。その発熱温度,損失の値は混合比率が2.8%を超えて多くなると目標値よりも大となってしまう。
このようにカーボンファイバーの混合比率を一定以上に多くして行くと発熱温度,損失の値が逆に大きくなって行く理由は、カーボンファイバーに発生する渦電流が多くなることによる。
このように渦電流による損失が大きくなると、リアクトル15又はこれに付随する装置の効率が落ちてしまう。
表2の結果において、発熱温度が最も低くなるのはカーボンファイバーの混合比率が1.0%の実施例6であり、これを谷としてカーボンファイバーの混合比率がこれよりも少なくなっても、また多くなっても発熱温度は大きくなる。
つまり熱伝導性フィラーとしてカーボンファイバーを用いた場合には、その谷を中心としてその前後に亘り混合比率の適正な範囲が存在する。
表2に示す軟磁性粉末の添加量の下では(詳しくは添加量が91%〜93%の範囲の下では)発熱温度及び損失を低く抑制し、更に熱伝導性フィラーの添加による流動性の値を一定以上に高く保持する上で、熱伝導性フィラーの添加範囲を0.2〜2.8%の範囲内とするのが良く、より適正な範囲として0.5〜1.5%の範囲内とすることが望ましい。
結果が表3に併せて示してある。
尚、軟磁性粉末、熱伝導性フィラーの混合比率及び熱伝導性フィラーの材質を除く他の条件については表1の評価を行った時と同じ条件である。
インダクタンスは、軟磁性粉末の配合比率が表2に比べ減ったため、低下しているが目標値は満足している。
実施例9は、実施例1と比較すると、熱伝導性フィラーの混合比率が1.0%(質量%。以下同じ)と同じでも、熱伝導性フィラーとしてのカーボンファイバーの材質変更(熱伝導率が低く、電気抵抗が高くなったこと)を受けて、損失は低くなり、発熱温度がやや増加している。ただ、いずれも目標値は満足している。
実施例9、10、11、比較例4のように、熱伝導性フィラーの混合比率を1.0%、4.5%、6.8%、8.0%と多くしていくと、4.5%までは損失をほぼ維持しながら発熱温度は効果的に低下して行く。熱伝導性フィラーの混合比率を更に増やして4.5%より多くすると、逆に発熱温度は増加に転じ、6.8%を超えて8.0%まで多くなると、損失・発熱温度ともに目標値を満足できなくなってしまう。
このように表3の結果においても表2の結果と同様、カーボンファイバーの混合比率を一定以上に多くしていくと発熱温度が大きくなっていく。その理由は、カーボンファイバーに発生する渦電流による損失が、カーボンファイバーの増加により熱伝導で逃がせる熱量を上回るためである。
熱伝導性フィラーとして、実施例12は「CF1」単体、実施例13は「CF1」と「CF2」を質量比で1:1の比率で混合したカーボンファイバーを使用した。他は実施例10と同じ射出成形リアクトルを製作し、発熱温度を含む各種特性の評価を行った。
熱伝導性フィラーとしては、実施例10と同じく「CF2」を用いた。軟磁性粉末、リアクトル構造、埋め込むコイルは実施例10と同じものを用いた。なお、前述の射出成形法ではなく、注型法での製法となるため以下に述べる方法で製造した。
軟磁性粉末と熱伝導性フィラーと樹脂バインダを混合し液体状のスラリーを準備する。注型ケースに上からコイルを吊るした状態で保持しておき、コイルを埋没させながら注型ケースにスラリーを注入する。注型ケースごと加熱炉中で100℃で3時間+150℃で6時間程度保持してスラリーを硬化させたのち、注型ケースから取り出してリアクトルを得る。沈降防止剤を使用したのは硬化処理中に軟磁性粉末が沈降するのを防止するためである。
表4に、以上のフィラー材質及び樹脂バインダ材質を変更した場合の、発熱温度を含む各種特性の評価結果を示す。
実施例13は、実施例10と実施例12の中間の損失、発熱温度特性を有している。これは「CF1」と「CF2」を半分づつ混合した効果であり、要求される損失と発熱温度により、ある程度の自由度を持って製造し得ることを示している。
繊維状の熱伝導性フィラーの場合、(A)に示しているように熱伝導性フィラー即ち繊維が互いに絡み合う状態に分散することによって伝熱路のネットワークを効率的に形成し、そのことによって高い放熱性を発揮する。
一方粒状ないしこれに類するものでは、(B)に示しているように熱伝導性フィラーの各粒子が互いに絡み合うといったことが難しいので、添加量を多くしたとしてもネットワークを良好に形成することは難しい。
この意味で熱伝導性フィラーとしては繊維状のものを用いるのが良い。
尚繊維状の熱伝導性フィラーは、伝熱路のネットワークを良好に形成できるように、アスペクト比(長さ/径)5以上のものを用いることが好ましい。この場合においてその繊維径(平均繊維径)は10μm以下であるのが好ましく、また繊維長(平均繊維長)は10μm以上であることが好ましい。
尚、表1の各例,表2の各例,表3及び表4の各例の何れも耐電圧,熱衝撃の試験結果は合格であった。
詳しくはX及びYは、JIS規格 K 7250(2006)「プラスチック−灰分の求め方」に準拠して求めることができる。基本的にはA法を用いて測定するが、必要に応じてB法、C法を用いてもよい。
ただし、軟磁性粉末と熱伝導性フィラー及びその他の灰分を分別したり、酸化の影響を抑制する必要があるため、以下の処理1〜処理6の操作を実施する。
まずは処理前に測定試料の重量を予め測定し、これをW0とする。
[処理1]これを白金るつぼに入れてマッフル炉にて、窒素雰囲気中で950℃で3時間程度加熱して、室温に戻したのち重量を測定し、これをW1とする。
[処理2]続いて処理1の試料を、乾燥空気中で750℃で3時間程度加熱して、室温に戻したのち重量を測定し、これをW2とする。
[処理3]処理2の試料を粉砕し、磁石で選別し、磁石に吸着する分の重量を測定し、これをW3とする。
[処理4]磁石に吸着せずに残った分を重量測定し、これをW4とする。
[処理5]処理3の試料を、水素雰囲気中で950℃で3時間程度加熱して、室温に戻したのち重量を測定し、これをW5とする。
[処理6]処理4の試料を、乾燥空気中で1000℃で3時間程度加熱して、室温に戻したのち重量を測定し、これをW6とする。
処理2は、試料中の樹脂バインダに含まれる樹脂成分を酸化雰囲気中で熱分解させ消失させるために実施する。
処理3は、処理2の残さから軟磁性粉末を回収するために実施する。
処理4は、残さ中から軟磁性粉末が取り除かれたため、熱伝導フィラーと樹脂バインダの添加物の灰分が残されている。
処理5は、処理3のままでは処理2で酸化し重量が増加している可能性がある軟磁性粉末を還元し、より正確な軟磁性粉末の重量を得るために実施する。
処理6は、処理4の試料を更に高温の酸化雰囲気中で加熱して熱伝導フィラーとしてのカーボンファイバーを熱分解させ、灰分のみを残す。
よって、次式によりX及びYを決定する。
X=W5/W0×100
Y=(W4−W6)/W0×100
これらX及びYを決定するための測定試料は、リアクトルのコア材の任意の位置から適量を切り出した試料、または混練機から出てきたコンパウンドを任意のタイミングで取り出した試料を用いて調べることができる。その際複数の測定試料を調べて、平均した数値からX及びYを決定することが望ましい。
15 リアクトル
16 コア
Claims (4)
- 軟磁性粉末と、樹脂バインダと、該軟磁性粉末よりも高い熱伝導率を有する繊維状の熱伝導性フィラーとを下記式(1)に示す比率で混合したコア用材料を用い、導体線材を巻回したコイルを内部に隙間無く埋め込む状態にコアを成形して成るリアクトル。
X・軟磁性粉末+Y・熱伝導性フィラー+(100−X−Y)・樹脂バインダ・・式(1)
但しX:83〜96質量%
Y:0.2〜6.8質量% - 請求項1において、前記樹脂バインダとして熱可塑性樹脂バインダを用い、前記式(1)に示す比率で混合したコア用材料としてのコア用コンパウンドを用いて、前記コイルを内部に隙間無く埋め込む状態に前記コアを射出成形して成る射出成形リアクトル。
- 請求項2において、前記熱伝導性フィラーがカーボンファイバーであることを特徴とする射出成形リアクトル。
- 請求項2,3の何れかに記載の、射出成形リアクトルの前記コア用材料としてのコア用コンパウンド。
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