JPWO2015008359A1 - 空冷式リアクトル - Google Patents

Abstract

対をなすコイル(2)に対して絶縁距離を保持しながら、コア(3)の継鉄部(3b)から対をなすコイル(2)の少なくとも一部を囲み、対をなすコイル(2)への冷却風の流れを脚部(3c)の延在方向に導く風洞(9)と、継鉄部(3b)に固定され、風洞(9)内でコア(3)および対をなすコイル(2)を支持する支持構造部材(4)と、対をなすコイル(2)と風洞(9)との隙間の一部を遮る遮風板(8)と、を備え、支持構造部材(4)には、コイル(2)の内部間隙(Fc2,Fc3）に対応して、冷却風を通過させるための通風口(4h)が形成されている。

Description

本発明は空冷式リアクトルの構成に関し、とくにオゾン発生装置等に用いられる容量が大きく電圧の高い空冷式リアクトルに関する。

リアクトルはインダクタを利用した受動素子であるが、例えば、容量の大きな用途では、発熱による温度上昇を抑制するため、冷却風によってコイルを冷却する空冷式リアクトルが用いられる。一方、冷却風のような冷媒を用いた冷却では、冷却効率を高めることを目的に、遮蔽物や仕切り等を設けて、流量を増大させることなく流速を高める構造がとられることが多い（例えば、特許文献１ないし３参照。）。

そして、半導体装置に用いるリアクトルに対し、コイル部外周に沿って筒状の通風ガイドを設けるとともに、通風ガイドと筐体内壁間に遮風板を設けて、コイル部外周での冷却風の流速を確保する冷却構造が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。

特開平８−３２５００２号公報（段落００１１〜００１３、図１） 特開２００２−２５５５１３号公報（段落００３２〜００３４、図１〜図５） 特開２００６−１８７０６２号公報（段落０１７〜００２４、図１〜図３） 特開平０４−２１６６０５号公報（段落０００９〜００１３、図１、図２）

しかしながら、上述したリアクトルでは、筐体側面に設けられた風入口から冷却風が供給されるので、コイルの周方向によって流れに偏りが生じ、冷却が不十分になり、性能を十分に発揮することが困難であった。また、底面に風入口を設けたとしても、例えば、オゾン発生装置のように大容量のリアクトルに適用しようとすると、その重量を支えるためにコアに連結される支持構造部材が障害となって冷却風の中央部への流れを遮ってしまう。そのため、特許文献４に示すような遮風板等を用いて周方向の偏りを改善したとしても、径方向での偏りが生じ、とくに内側部分を冷却することが困難であった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、コイルの径方向での冷却風の偏りを緩和し、効率よく冷却できる空冷式リアクトルを得ることを目的とする。

本発明の空冷式リアクトルは、間隔をあけて相対向する脚部と、前記相対向する脚部の両端をそれぞれ結ぶ継鉄部とを有するコアと、前記相対向する脚部のそれぞれを囲むように配置された対をなすコイルと、前記対をなすコイルに対して絶縁距離を保持しながら、前記継鉄部のうちの一方から前記対をなすコイルの少なくとも一部を囲み、前記対をなすコイルへの冷却風の流れを前記脚部の延在方向に導く風洞と、前記一方の継鉄部に固定され、前記風洞の内側で前記コアおよび前記対をなすコイルを支持する支持構造部材と、前記対をなすコイルと前記風洞との隙間の一部を遮る遮風板と、を備え、前記対をなすコイルには、それぞれ前記脚部との間、あるいは当該コイルの内部に前記脚部の延在方向に延びる内部間隙が形成され、前記支持構造部材には、前記内部間隙に対応して、前記冷却風を通過させるための通風口が形成されていることを特徴とする。

本発明の本発明の空冷式リアクトルによれば、コアおよびコイルを支持する支持構造部材に通風口を設けたので、コイルの内部にも冷却風が流れ、コイルの径方向での冷却風の偏りを緩和し、効率よく冷却できる空冷式リアクトルを得ることができる。

本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの風洞の内側部分における一部を切り欠いた正面図である。 本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの風洞の内側部分における側面図である。 本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの風洞の内側部分の上方からの断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの部分底面図である。 本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる空冷式リアクトルの平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる空冷式リアクトルの正面からの断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる空冷式リアクトルの平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる空冷式リアクトルの正面からの断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる空冷式リアクトルの平面図である。 本発明の実施の形態４にかかる空冷式リアクトルの正面からの断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルの構成について説明する。図１〜図５は、本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトルについて説明するためのもので、図１は空冷式リアクトルの風洞の内側部分における右側のコイルの一部を切り欠いた正面図、図２は空冷式リアクトルの風洞の内側部分における側面図、図３は図１のＡ−Ａ線による切断面であって、空冷式リアクトルの風洞の内側部分を上方から見たときの断面図である。また、図４は空冷式リアクトルのうち、リアクトル部と支持構造部材部分の底面図、図５は空冷式リアクトルの平面図である。

リアクトルは、環状のコアの相対向する脚部のそれぞれを囲むように対をなすコイルを配置したものである。そして、例えば、オゾン発生装置のように数ｋＶもの高電圧、数十Ａもの容量が求められるリアクトルは、主要部材であるコアとコイル部分（リアクトル部）だけで数十ｋｇもの重量になり、発生した熱を除去するために空冷構造を要するものである。

本実施の形態１にかかる空冷式リアクトル１００においても、図１〜図５に示すように、コア３は、それぞれ相対向して鉛直方向に延びる脚部３ｃと、２つの脚部３ｃのそれぞれ上方と下方をつなぐ継鉄部３ｔ（天側）と継鉄部３ｂ（地側）とで環状をなしている。そして、対をなすコイル２は、それぞれコア３の脚部３ｃを囲むように配置され、かつ、内部に空隙を形成するように複数の層２ｘ、２ｉに分かれている。そして、一般的な空冷式リアクトルと同様に、絶縁確保と冷却のため、コイル２とコア３の間、コイル２の層２ｉ、２ｘの間に、スペーサ６を複数個配置し、鉛直方向（ｚ方向）に連通する空隙（流路Ｆｃ２、Ｆｃ３）が確保されている。また、冷却風を鉛直方向に導くため、図１と図５に示すように、リアクトル部１（コア３と両コイル２）を囲むように風洞９が設けられ、リアクトル部１と風洞９との間にも鉛直方向に連通する流路Ｆｃ１が形成されている。そして、図示しないファンが上部に設置され、各流路Ｆｃ１〜Ｆｃ３を上方に向かって冷却風が流れるように構成している。

さらに、リアクトル部１の自重が大きいので、図１、図２に示すように、接地電圧に維持されるコア３の継鉄部３ｂに接合され、リアクトル部１を自立させる支持構造部材４と、コイル２と支持構造部材４間に配置され、コイル２の自重を支持するコイル支持部材５とを備えている。なお、支持構造部材４は、図示しない架台を介して、風洞９の外側に配置された図示しない筐体（実施の形態２以降で説明）に固定されている。

なお、コイル２の内部の空隙（流路）は、コイル数に応じて適宜増減出来るものであるが、説明を簡単にするため、図では、内層２ｉと外層２ｘによるコイル層数が２層の場合について示している。なお、各コイル２からは、電気接続のための端子が導き出され、コネクタ７にまとめている。

そして、本発明の実施の形態１にかかる空冷式リアクトル１００の最大の特徴は、リアクトル部１の四方を囲む風洞９とリアクトル部１の外表面のＦｃ１の隙間を狭くするための遮風板８を備え、かつ、コイル２内の流路Ｆｃ２、Ｆｃ３への通風を確保するように、支持構造部材４に通風口４ｈを設けたことである。

オゾン発生装置用のように、高電圧仕様のリアクトルでは、絶縁距離（空間距離）を確保するために、風洞９とリアクトル部１（厳密には、コイル２の外周）との間隔を所定以上に保つ必要がある。そのため、遮風板８がないと、コイル２の外周側の流路Ｆｃ１の流路抵抗がコイル２内の流路Ｆｃ２、Ｆｃ３の流路抵抗よりも圧倒的に低くなり、ほとんどの冷却風がコイル２の外周側の流路Ｆｃ１側に流れてしまう。なお、風洞９を絶縁体で形成すれば間隔を狭めることも可能であるが、製作が困難でコスト等を考慮すると導体である金属で製作するのが現実的である。そこで、絶縁体で、額縁のような単純な形状で構成できる遮風板８を設けることで、流路Ｆｃ１の流路抵抗を高め、各流路Ｆｃ１〜Ｆｃ３の流路抵抗配分を最適化する。

一方、上述したように、オゾン発生装置用のように、重量が大きなリアクトルでは、リアクトル部１を支持するための支持構造部材４が必要となる。そのため、従来のように、単にコイル２の周りに通風ガイドや遮風板を設けて、流路Ｆｃ２とＦｃ３の流路Ｆｃ１に対する流路抵抗を相対的に下げたとしても、コア３の下部と支持構造部材４に遮られ、コイルの内側に形成された流路Ｆｃ２、Ｆｃ３に冷却風を送ることは困難であった。つまり、単に通風ガイドや遮風板を設置しても、コイル２の外側ばかりが冷却され、コイル２の内側（コア３側）を効率よく冷却することができなかった。そのため、リアクトル表面からの放熱効率を上げるため、リアクトルを大きくして、リアクトル表面積を大きくする必要があった。あるいは、遮風板によってＦｃ１の抵抗をＦｃ２あるいはＦｃ３レベルまで増加させるとともに、抵抗増加分を補償するように送風機の容量（風量、風圧）を増大させ、必要な冷却風を確保する必要があった。

しかし、本実施の形態１にかかる空冷式リアクトル１００では、支持構造部材４の水平面（ｘｙ面）部分には、とくにコイル２の内部の流路Ｆｃ２、Ｆｃ３に対応する位置に、鉛直方向（ｚ方向）に抜ける通風口４ｈを形成した。これにより、流通抵抗が高すぎて、単に外側の流路Ｆｃ１の抵抗を上げただけでは、十分な流量が得られなかった流路Ｆｃ２とＦｃ３に、通風口４ｈを抜ける経路ＦｃＨを介して必要な冷却風を流通させることができる。

このため、送風機の容量を上げたりすることなく、コイル２内部の流路Ｆｃ２、Ｆｃ３にも、必要な冷却風を流通させることができるので、コイル２を内側からも冷却でき、効率よく冷却することができるようになった。その結果、リアクトル部１の外表面積を大きくする必要がなく、リアクトル部１の小型化が可能である。

なお、上述したように、絶縁距離を確保するため、遮風板８には、フェノール樹脂などの絶縁材を用いる必要があり、強度や耐久性、耐熱性を兼ね備えた材質でなければならない。一方、遮風板８を設けることで、風洞９は、リアクトル部１から十分な絶縁距離を設けて配置できるので、導電性を有していてもよく、鉄板、耐食性溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板、ＳＵＳ板などの容易に加工ができる金属材料で構成することができる。

なお、風洞９は冷却風の流路をリアクトル部１の内部の空隙（流路Ｆｃ２、Ｆｃ３）、およびリアクトル部１の外表面側の流路Ｆｃ１に限定するためのもので、リアクトル部１の外周から１０〜１００ｍｍ程度離れた位置に配置される必要がある。外周から離し過ぎると、遮風板８によってＦｃ１の間隙をリアクトル部１寄りに形成しても、冷却風の大部分が風洞９の壁面に沿って流れてしまい、流速を上げる効果が減少する。

また、遮風板８は風洞９の上部開口面積の１０〜６０％を覆い、リアクトル部１のコイル２の高さの１０〜１２０％に相当する位置に配置するような構造となっている。遮風板８で風洞９の上部開口面積を過度に覆い過ぎると圧損が大きくなり、風量不足となってしまう。また、遮風板８がコイル２の上面から大きく離れてしまうと、風洞９内で熱が篭ったり、リアクトル部１の外表面の流路Ｆｃ１の流体抵抗が減り、リアクトル部１の内側（コイル２内）の流路Ｆｃ２、Ｆｃ３の流体抵抗が相対的に増加したりしてしまうため遮風板８が意味をなさない。

風洞９内のリアクトル部１の台数は２台以上の複数台でもよく、２台以上の複数台の場合、それぞれのリアクトル部１の配置間隔を左右方向に５〜５０ｍｍ程度の間で配置することにより、風洞９で風路を仕切るのと同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態１にかかる空冷式リアクトル１００によれば、間隔をあけて相対向する脚部３ｃと、相対向する脚部３ｃの両端をそれぞれ結ぶ継鉄部３ｔ、３ｂとを有する（環状をなす）コア３と、相対向する脚部３ｃのそれぞれを囲むように配置された対をなすコイル２と、対をなすコイル２に対して絶縁距離を保持しながら、継鉄部のうちの一方３ｂから対をなすコイル２の少なくとも一部を囲み、対をなすコイル２への冷却風の流れを脚部３ｃの延在方向に導く風洞９と、一方の継鉄部３ｂに固定され、風洞９の内側でコア３およびコイル２を支持する支持構造部材４と、対をなすコイル２と風洞９との隙間（流路Ｆｃ１）の一部を遮る（ように風洞９から対をなすコイル２に向けて突出するように配置された）遮風板８と、を備え、対をなすコイル２には、それぞれ脚部３ｃとの間、あるいは当該コイル２の内部に脚部３ｃの延在方向に延びる内部間隙（流路Ｆｃ２、Ｆｃ３）が形成され、支持構造部材４には、内部間隙（流路Ｆｃ２、Ｆｃ３）に対応して、冷却風を通過させるための通風口４ｈが形成されているように構成したので、コイル２の径方向での冷却風の偏りを緩和し、効率よく冷却できる空冷式リアクトル１００を得ることができる。

とくに、遮風板８は、対をなすコイル２と風洞９との隙間（流路Ｆｃ１）の１０〜６０％の部分を遮るように配置されているので、コイル外側の流路Ｆｃ１への流速および内部流路Ｆｃ２、Ｆｃ３との流量比を最適化できる。

さらに、遮風板８は、脚部３ｃの延在方向において、対をなすコイル２の継鉄部３ｂ側の端部側から継鉄部３ｔ側に向かって、当該コイル２の長さ（高さ）の１０〜１２０％に相当する位置に配置するように構成したので、効果的にコイル外側の流路Ｆｃ１への流速を最適化できる。

また、継鉄部３ｂを脚部３ｃの下側にして、脚部３ｃの延在方向が鉛直方向になるように設置されているので、下側から上に向けてスムーズに冷却風が流れる。

本実施の形態に示す空冷式リアクトル１００の仕様は、酸素を含むガス中で放電させてオゾンを発生するオゾン発生装置の電源に用いられるものを想定している。具体的な仕様としては、回路電圧が６００Ｖ以上、定格電流が５〜１００Ａ、駆動周波数が５００〜５ｋＨｚの範囲に設定されているものを想定している。この場合、容量に対応して、重量も数十ｋｇと重く、また駆動周波数に対応して損失（発熱）が大きくなるので、上述した効果をより発揮することができる。なお、オゾン発生装置はあくまでも好適な適用例のひとつであって、これに限定されることはない。

実施の形態２．
上記実施の形態１においては、リアクトル部専用の風洞を設けたが、本実施の形態２では、絶縁距離の関係から風洞が金属で形成できることに着目し、リアクトル部を収納する筐体自体を風洞に用いた。図６〜図７は、本発明の実施の形態２にかかる空冷式リアクトルについて説明するためのもので、図６は空冷式リアクトルの平面図、図７は図６のＢ−Ｂ線による断面図であって、空冷式リアクトルを正面から見たときの断面図である。なお、実施の形態１で説明した部材と同様の部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図５および図６に示すように、本実施の形態２にかかる空冷式リアクトル１００では、当該空冷式リアクトル１００の筐体１０の正面、背面、両側面部分で風洞を形成した。筐体１０は、当該空冷式リアクトル１００を自立するように全体を収納するものである。そのため実施の形態１で説明した風洞９に必要とされる部材よりも機械強度の高い部材で構成されており、側面に固定された架台１１を介して、支持構造部材４（リアクトル部１の重量）を支えている。

そして、本実施の形態２でも、実施の形態１と同様、風洞となる筐体１０の内面は、リアクトル部１の外周から１０〜１００ｍｍ程度離れた位置に配置する。そして、遮風板８は、上部開口面積の１０〜６０％を覆い、リアクトル部１のコイル２の高さの１０〜１２０％に相当する位置に配置するような構造となっている。つまり、本実施の形態２では、リアクトル部１専用の風洞９を省略することができる。

以上のように、本実施の形態２にかかる空冷式リアクトル１００によれば、風洞の少なくとも一部（本実施の形態では４方すべて）が、当該空冷式リアクトル１００を収納する筐体１０の内面によって形成されているので、リアクトル部１専用の風洞９を省略することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態２においては、リアクトル部を囲む風洞すべて（四面）を筐体の内面で代用したが、本実施の形態３においては、側面（二面）を筐体の内面（側面）で代用した。図８〜図９は、本発明の実施の形態３にかかる空冷式リアクトルについて説明するためのもので、図８は空冷式リアクトルの平面図、図９は図８のＣ−Ｃ線による断面図であって、空冷式リアクトルを正面から見たときの断面図である。なお、実施の形態１あるいは２で説明した部材と同様の部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図８および図９に示すように、本実施の形態３にかかる空冷式リアクトル１００では、リアクトル部１の正面および背面側には、専用の風洞材１９を設けて風洞を構成する。これにより、本実施の形態３では、リアクトル部専用の風洞９の一部を省略することが出来る。

そして、本実施の形態３でも、実施の形態１あるいは２と同様、風洞となる筐体１０の側面（内面）および風洞材１９は、リアクトル部１の外周から１０〜１００ｍｍ程度離れた位置に配置する。そして、遮風板８は、上部開口面積の１０〜６０％を覆い、リアクトル部１のコイル２の高さの１０〜１２０％に相当する位置に配置するような構造となっている。

以上のように、本実施の形態３にかかる空冷式リアクトル１００によれば、風洞の少なくとも一部（本実施の形態では側面）が、当該空冷式リアクトル１００を収納する筐体１０の内面によって形成されているので、リアクトル部１専用の風洞９の一部を省略することができる。

実施の形態４．
上記実施の形態２においては、リアクトル部を囲む風洞すべて（四面）を筐体の内面で代用したが、本実施の形態４においては、正面と背面（二面）を筐体の内面で代用した。図１０〜図１１は、本発明の実施の形態４にかかる空冷式リアクトルについて説明するためのもので、図１０は空冷式リアクトルの平面図、図１１は図１０のＤ−Ｄ線による断面図であって、空冷式リアクトルを正面から見たときの断面図である。なお、実施の形態１〜３で説明した部材と同様の部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１０および図１１に示すように、本実施の形態４にかかる空冷式リアクトル１００では、リアクトル部１の側面側には、専用の風洞材１９を設けて風洞を構成する。これにより、本実施の形態４では、リアクトル部専用の風洞９の一部を省略することが出来る。

そして、本実施の形態４でも、実施の形態１〜３と同様、風洞となる筐体１０の正面と背面（内面）および風洞材１９は、リアクトル部１の外周から１０〜１００ｍｍ程度離れた位置に配置する。そして、遮風板８は、上部開口面積の１０〜６０％を覆い、リアクトル部１のコイル２の高さの１０〜１２０％に相当する位置に配置するような構造となっている。

以上のように、本実施の形態４にかかる空冷式リアクトル１００によれば、風洞の少なくとも一部（本実施の形態では正面と背面）が、当該空冷式リアクトル１００を収納する筐体１０の内面によって形成されているので、リアクトル部１専用の風洞９の一部を省略することができる。

１：リアクトル部、２：コイル、２ｉ：コイルの内層、
２ｘ：コイルの外層、３：コア、３ｂ：継鉄部（地側）、３ｃ：脚部、
３ｔ：継鉄部（天側）、４：支持構造部材、４ｈ：通風口、
５：コイル支持部材、６：スペーサ、８：遮風板、９：風洞、
１０：筐体、１１：架台、１９：風洞材、１００：空冷式リアクトル、
Ｆｃ１：リアクトル部外側流路、
Ｆｃ２、Ｆｃ３：コイル内流路（内部間隙）、ＦｃＨ：通風口部の流路。

本発明の空冷式リアクトルは、間隔をあけて相対向する脚部と、前記相対向する脚部の両端をそれぞれ結ぶ継鉄部とを有するコアと、前記相対向する脚部のそれぞれを囲むように配置された対をなすコイルと、前記対をなすコイルに対して絶縁距離を保持しながら、前記継鉄部のうちの一方から前記対をなすコイルの少なくとも一部を囲み、前記対をなすコイルへの冷却風の流れを前記脚部の延在方向に導く風洞と、前記一方の継鉄部に固定され、前記風洞の内側で前記コアおよび前記対をなすコイルを支持する支持構造部材と、前記対をなすコイルと前記風洞との隙間の一部を遮る遮風板と、を備え、前記対をなすコイルには、それぞれ前記脚部との間、あるいは当該コイルの内部に前記脚部の延在方向に延びる内部間隙が形成され、前記支持構造部材には、前記内部間隙に対応して、前記冷却風を通過させるための通風口が形成され、前記遮風板は、前記隙間を狭くすることにより、前記内部間隙への前記冷却風の流れと前記対をなすコイルと前記風洞との隙間への冷却風の流れとを調整することを特徴とする。

Claims (5)

1. 間隔をあけて相対向する脚部と、前記相対向する脚部の両端をそれぞれ結ぶ継鉄部とを有するコアと、
   前記相対向する脚部のそれぞれを囲むように配置された対をなすコイルと、
   前記対をなすコイルに対して絶縁距離を保持しながら、前記継鉄部のうちの一方から前記対をなすコイルの少なくとも一部を囲み、前記対をなすコイルへの冷却風の流れを前記脚部の延在方向に導く風洞と、
   前記一方の継鉄部に固定され、前記風洞の内側で前記コアおよび前記対をなすコイルを支持する支持構造部材と、
   前記対をなすコイルと前記風洞との隙間の一部を遮る遮風板と、を備え、
   前記対をなすコイルには、それぞれ前記脚部との間、あるいは当該コイルの内部に前記脚部の延在方向に延びる内部間隙が形成され、
   前記支持構造部材には、前記内部間隙に対応して、前記冷却風を通過させるための通風口が形成されていることを特徴とする空冷式リアクトル。
2. 前記遮風板は、前記対をなすコイルと前記風洞との隙間の１０〜６０％の部分を遮るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空冷式リアクトル。
3. 前記遮風板は、前記脚部の延在方向において、前記対をなすコイルの前記一方の継鉄部側の端部側から他方の継鉄部に向かって、当該コイルの長さの１０〜１２０％に相当する位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の空冷式リアクトル。
4. 前記風洞の少なくとも一部が、当該空冷式リアクトルを収納する筐体の内面によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空冷式リアクトル。
5. 回路電圧が６００Ｖ以上、定格電流が５〜１００Ａ、駆動周波数が５００〜５ｋＨｚに設定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の空冷式リアクトル。

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