(57)【要約】【課題】本明細書は、モールドによるコアを有するリアクトルを冷却プレートと積層して積層方向に加圧する冷却構造において、コアの変形を抑制する構造をコンパクトに実現する技術を提供する。【解決手段】  リアクトル２は、コイル３と、コイルの内側と外側を覆うコア（モールド７）と、コイル３の内側でコアをコイル巻回軸線方向に貫通する金属柱８を備える。コアは、磁性体粉末混合樹脂で作られている。リアクトル２のコイル巻回軸線方向の両端面の少なくとも一方に冷却プレート１２ａが積層されている。リアクトル２と冷却プレート１２ａの積層体がその積層方向に加圧されている。コアを貫通している金属柱８が圧力を受けるので、コア（モールド７）には過大な荷重が加わらず、変形することが抑制される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体粉末混合樹脂で作られているコアがコイルの内外を覆っているリアクトルの冷却構造であり、
コイルの内側でコアをコイル巻回軸線方向に貫通している金属柱がリアクトルに備えられているとともに、
コイル巻回軸線方向の両端面の少なくとも一方に冷却プレートが積層されており、
リアクトルと冷却プレートの積層体がその積層方向に加圧されている、ことを特徴とするリアクトルの冷却構造。
【請求項２】
冷却プレートには冷媒が流れるパイプが接続されているとともに、そのパイプはコイル巻回軸線方向に伸びており、
リアクトルのコイル巻回軸線方向の両端面の少なくとも一方に前記金属柱と接する金属板が取り付けられており、
コイル巻回軸線方向から見て前記金属板の一部がリアクトルの外側に張り出して前記パイプと接していることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造。
【請求項３】
リアクトルは、コイル巻回軸線方向で２枚の冷却プレートに挟持されており、コイル巻回軸線方向の両端において、コアと前記金属柱の端部が夫々の冷却プレートに接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアクトルの冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアクトルは、コイルを主な部品とする受動素子であり、直流電圧を昇圧／降圧する電圧コンバータの部品として用いられることが多い。リアクトルは、「インダクタ」と呼ばれることもある。
【０００３】
リアクトルは、ハイブリッド車を含む電気自動車にも用いられる。電気自動車は、駆動源としてモータを備えており、そのモータ用の電気回路（インバータ回路や電圧コンバータ回路）にリアクトルが用いられる。なお、特定のタイプの電気自動車では、モータの駆動電圧がバッテリの出力電圧よりも高く、それゆえ、バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータをインバータ回路の前段に備える。その電圧コンバータ回路にリアクトルが用いられる。
【０００４】
リアクトルの効率を上げるため、コイルには磁性体で作られたコアを組み合わせることがよく行われる。また、磁性体の粉末を含む樹脂でコイルの内外を覆うことが提案されている。磁性体の粉末を含む樹脂がコアに相当する。以下では、磁性体の粉末を含む樹脂を磁性体粉末混合樹脂と称する。コイルの内外を覆うコアは、粉末状の磁性体粉末混合樹脂をコイルとともに型に入れられて固められる。具体的には、そのようなコアは、射出成形、あるいは、熱硬化により作られる。いずれの製造方法も、樹脂とコイルを型に入れて作ることであり、型に入れて品物を作ることを「モールド」と称することがある。従って、別言すれば、コイルが磁性体粉末混合樹脂にモールドされている、と表現することができる。また、型に入れて固化した樹脂そのものを「モールド」と呼ぶことがある。本明細書でも、「モールドする」及び、「モールド」という用語を、上記した一般的な意味で用いることがある。上記のリアクトルでは、コイルの内外を覆う磁性体粉末混合樹脂のモールドがコアに相当する。
【０００５】
リアクトルの全体の強度を確保するため、コイルを磁性体粉末混合樹脂でモールドした構造物をケースに収容することが提案されている（特許文献１、２）。なお、そのケースが、熱硬化前の流体状の磁性体粉末混合樹脂を充填するための型を兼用することも提案されている（特許文献３）。
【０００６】
他方、例えば電気自動車のモータ駆動用の回路に用いられるリアクトルでは、流れる電流が大きいため、リアクトルの発熱量が大きい。そこで、リアクトルを冷却する必要がある。
【０００７】
特許文献３では、電気自動車のモータ駆動用のパワーコントロールユニットにおいて、リアクトルと同様に発熱量の大きいスイッチング素子を多数用いるというパワーコントロールロールユニットの構造を利用したリアクトル冷却構造が提案されている。特許文献３にも開示されているが、パワーコントロールユニットでは、スイッチング素子をモールドした平板型の複数の半導体カードと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層した冷却器一体型の半導体積層ユニットが提案されている。特許文献３の技術は、その半導体積層ユニットにリアクトルも組み込む、というものである。即ち、特許文献３の技術では、複数の半導体カードと複数の冷却プレートの積層体にリアクトルも挟み込む。
【０００８】
冷却器一体型の半導体積層ユニットでは、半導体カードと冷却プレートを密着させるため、積層方向に圧力を加える（積層方向に荷重する）。他方、磁性体粉末混合樹脂は、鉄などの金属と比較して変形し易い。そこで、特許文献３の技術では、リアクトルの両サイドに金属部材を配置し、その金属部材の両端が夫々２枚の冷却プレートの夫々と当接するようにリアクトルが配置される。金属部材が積層方向の圧力（荷重）を受けるので、磁性体粉末混合樹脂のモールド（即ちコア）が変形し難い（特許文献１、図１１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１３５３６９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２２２６９４号公報
【特許文献３】特開２００８−１９８９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献３の技術のように、リアクトルの外側に金属板を配置すると金属板のためのスペースが必要となる。他方、金属板を外すと、半導体積層ユニットの積層方向に加わる圧力によって磁性体粉末混合樹脂製のコアが変形してしまう虞がある。コアが変形してしまうと、冷却プレートとの密着性が損なわれ、冷却能力が低下する虞がある。本明細書は、モールドによるコアを有するリアクトルを冷却プレートと積層して加圧する冷却構造において、コアの変形を抑制する構造をコンパクトに実現する技術を提供する。なお、ここでいうモールドの典型は、上述したように磁性体粉末混合樹脂である。しかし、磁性体の粉末を固化させたものも、同様に強度が高くはない。それゆえ、本明細書が開示する技術は、磁性体の粉末を固化させたコアを有するリアクトルに適用することも好適である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書が開示する冷却構造は、コイルと、コイルの内側と外側を覆うコアを有するリアクトルを対象とする。前述したように、コアは、磁性体の粉末を固化させたもの、あるいは、磁性体の粉末を含む樹脂を硬化させたものであり、別言すれば、コイル全体が磁性体粉末混合樹脂でモールドされている。本明細書が開示する冷却構造では、リアクトルは、さらに、コイルの内側でコアをコイル巻回軸線方向に貫通する金属柱を備える。そして、リアクトルのコイル巻回軸線方向の両端面の少なくとも一方に冷却プレートを積層し、リアクトルと冷却プレートの積層体をその積層方向に加圧する。この冷却構造では、特許文献１の技術と異なり、コイルの内側に積層方向の圧力（荷重）を受ける金属柱を配置する。本明細書が開示する技術は、特許文献３の技術のようにリアクトルの外側に荷重を受ける部材を配置する必要がないので、コアの変形を抑制する機構をコンパクトにすることができる。
【００１２】
冷却プレートは、内部を冷媒が通る構造であってもよいし、熱を拡散させる板、あるいはヒートパイプであってもよい。いずれにしても、圧力を加えて冷却プレートとリアクトルの密着度を高めることによって、冷却効率を高めることができる。
【００１３】
内部を冷媒が通る構造の冷却プレートを採用する場合には、次の構造をさらに備えると良い。即ち、冷却構造は、冷却プレートに冷媒を通すパイプであって冷却プレートからコイル巻回軸線方向に伸びているパイプを備える。また、リアクトルのコイル巻回軸線方向の両端面の少なくとも一方に金属柱と接する金属板が取り付けられている。そして、コイル巻回軸線方向から見て金属板の一部がリアクトルの外側に張り出してパイプと接する。金属板は、リアクトルの熱を拡散させる役割を果たす。金属板は、リアクトルの熱を冷却プレートに伝達するだけでなく、冷媒が通るパイプにも伝達する。それゆえ、リアクトルの冷却効率がさらに高まる。
【００１４】
前述したように、本明細書が開示する冷却構造は、複数の半導体カードと複数の冷却プレートが交互に積層した冷却器一体型の半導体積層ユニットに適用するのが好適である。その場合の冷却構造は、以下の通りとなる。すなわち、リアクトルは、コイル巻回軸線方向の両側で２枚の冷却プレートに挟持されており、コイル巻回軸線方向の両端において、コアと金属柱の端部が夫々の冷却プレートに接している。なお、この場合、リアクトルの両端が物理的に冷却プレートに直に接している場合だけでなく、熱的に接している場合を含む。即ち、ここで、「コアと金属柱の端部が冷却プレートに接する」とは、リアクトルのコアと金属柱の端部が、熱を拡散させる金属板を介して冷却プレートに熱的に接することを含む。
【００１５】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】リアクトルの斜視図である。
【図２】リアクトルを含む半導体積層ユニットの斜視図である。
【図３】図２のIII−III線矢視における半導体積層ユニットの断面図である。
【図４】変形例の熱拡散板を有するリアクトルの斜視図である。
【図５】図４のリアクトルを含む半導体積層ユニットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、リアクトル２の斜視図を示す。リアクトル２の主要部品は、コイル３とコアであるが、リアクトル２の場合は、コイル３の内側と外側を覆っている磁性体粉末混合樹脂のモールド７がコアに相当する。なお、図１では内部構造を示すため、磁性体粉末混合樹脂によるモールド７は仮想線で描いており、内部のコイル３等を実線で描いてある。また、図１における一点鎖線ＣＬは、コイル巻回軸線を表す。コイル巻回軸線ＣＬは、円筒状のコイルの軸線にも相当する。
【００１８】
モールド７は、磁性体の粉末を混合した樹脂粉体（磁性体粉末混合樹脂）を熱硬化させたものである。あるいは、モールド７は、磁性体の粉末を混合した樹脂を溶かしたものを、コイルをセットした金型に射出して作られる。熱硬化あるいは射出成形で作られるので、モールド７は、コイルの巻き線の両端から引き出されているリード部３ａを除き、コイル３を完全に閉じ込めている。コイル３に電流を流すと、誘導磁界はコイル内外でコア（モールド７）に集中する。コイル内外をコア（モールド７）で覆うことで、リアクトルの性能が高められる。
【００１９】
リアクトル２は、コイル３の内側でコア（モールド７）をコイル巻回軸線ＣＬの方向に貫通している金属柱８を備えている。金属柱８は、コア（モールド７）の略中央を貫通している。リアクトル２の一方の端面（図１において手前側の端面）では、金属柱８の端面とモールド７の端面が面一である。金属柱８は、例えば、熱伝導性の高いアルミニウムで作られる。また、別言すれば、金属柱８は、コア（モールド７）とは異なる材料の金属で作られている。
【００２０】
リアクトル２の他方の端面には、金属板４が取り付けられている。後に図３を使って説明するが、金属柱８の他方の端面は金属板４に接している。
【００２１】
金属板４は、モールド７の外形の円柱と同じサイズの円板と、その円板の側面に延設されているフランジ５で構成されている。フランジ５には、半導体積層ユニット（後述）に組み付けたときに接続管（後述）を通す貫通孔６が設けられている。
【００２２】
図２に、リアクトル２を組み込んだ半導体積層ユニット１０の斜視図を示し、図３に、図２のIII−III線矢視における断面を示す。半導体積層ユニット１０は、発熱量の大きい半導体素子（例えばＩＧＢＴ）をモールドした平板型の複数の半導体カード１３と、平板型の複数の冷却プレート１２を交互に積層したものである。積層構造体の一端の冷却プレート１２ａには、冷媒供給管１６と冷媒排出管１７が接続されている。また、隣接する冷却プレートは２つの接続パイプ１４で接続される。冷却プレート１２は中空であり、一方の接続パイプから供給される冷媒がその内部を流れ、他方の接続パイプから排出される。冷媒供給管１６から供給された冷媒は、一方の接続パイプ１４を通って全ての冷却プレート１２に行き渡る。冷媒は、冷却プレート１２の中を流れる間に隣接する半導体カード１３から熱を奪う。半導体カード１３の傍を流れた冷媒は、他方の接続パイプ１４と冷媒排出管１７を通じて外部に排出される。
【００２３】
リアクトル２も、半導体カード１３と同様に、隣接する２枚の冷却プレート（冷却プレート１２ａと１２ｂ）に挟持保持されている。より詳しくは、リアクトル２は、巻回軸線方向の両端を２枚の冷却プレート１２ａ、１２ｂに挟持保持される。図３の矢印Ｆが示すように、半導体積層ユニット１０は、その積層方向に加圧される。加圧することによって冷却プレート１２と半導体カード１３、あるいは、冷却プレート１２とリアクトル２の密着性を高め、冷却効率が高まる。半導体積層ユニット１０は、例えば、半導体積層ユニット１０をインバータのケースに収容した際、そのケース内で板バネによりその積層方向に加圧される。なお、リアクトル２を挟持する２枚の冷却プレート１２ａ、１２ｂを接続する接続パイプ１４ａは、リアクトル２の巻回軸線方向の長さに応じて、半導体カード１３を挟持する２枚の冷却プレートを接続する接続パイプ１４よりも長くなっている。
【００２４】
図３に良く示されているように、コイル３の内側で金属柱８がコア（モールド７）を貫通しており、金属柱８の一端は冷却プレート１２ａの端面に当接し、他端は金属板４に当接している。その金属板４が冷却プレート１２ｂの端面に当接している。金属板４はリアクトル２から冷却プレート１２ｂに熱をよく伝達するために備えられており、いわば放熱板の役割を果たす。従って、別言すれば、金属柱８の他端は、金属板４を介して冷却プレート１２ｂに熱的に接する。
【００２５】
前述したように、半導体積層ユニット１０はその積層方向に加圧されるので、リアクトル２も隣接する冷却プレート１２ａ、１２ｂから圧力を受ける。このとき、コア（モールド７）を貫通している金属柱８が、冷却プレート１２ａ、１２ｂからの圧力を支える。それゆえ、磁性体粉末混合樹脂で作られたコア（モールド７）に過大な荷重が加わることが防止され、モールド７が変形することが防止される。なお、一般に、長時間に亘る荷重により変形することはクリープ現象と呼ばれる。実施例のリアクトル２は、コアを貫通する金属柱８が圧力を支えるので、モールド７に生じるクリープ現象を抑制することができる。
【００２６】
上記説明した冷却構造を概要すると以下の通りである。コイル内部でコアを貫通する金属柱８を有するリアクトル２が、その巻回軸線ＣＬの方向で少なくとも一方の端面で冷却プレート（冷却プレート１２ａ、１２ｂ）と積層しているとともに、積層方向から圧力を受ける。コア（モールド７）は、磁性体粉末混合樹脂を固化して作られたものであり、強度が高くはないが、巻回軸線方向に受ける圧力はその大半を金属柱８が支えるので、コア（モールド７）は変形し難くなる。
【００２７】
上記の冷却構造を半導体積層ユニット１０の観点から捉えると以下のように表現することもできる。すなわち、半導体積層ユニット１０は、半導体素子を収納する平板型の複数の半導体カード１３と平板型の複数の冷却プレート１２を交互に積層した構造を有しており、いずれかの隣接する冷却プレートの間に、リアクトル２がその巻回軸線方向の両端で挟持されている。そしてそのリアクトル２は、コイル３がその内外を磁性体粉末混合樹脂でモールドされているとともに、コイル３の内部でモールド７を巻回軸線方向に貫通する金属柱８が備えられており、金属柱８の両端が、隣接する２枚の冷却プレート１２ａ、１２ｂの夫々と（熱的に）接している。なお、金属柱８は、その一端では金属板４を介して冷却プレート１２ｂと接している。
【００２８】
前述したように、金属板４は、２つのフランジ５を備えており、そのフランジ５には、接続パイプ１４ａを通す貫通孔６が設けられている。貫通孔６を備えるフランジ５は、リアクトル２を半導体積層ユニット１０にしっかりと固定する機能と、リアクトル２の熱を接続パイプ１４ａに伝えて冷却効率を高める機能を有している。なお、図３に示されているように、フランジ５は、金属板４において、コイル巻回軸線方向からみてリアクトル２の外側に張り出した部分に相当する。
【００２９】
図４、図５を使って、変形例のリアクトル２ａを採用した冷却構造を説明する。図４に変形例のリアクトル２ａの斜視図を示す。このリアクトル２ａは、金属板４ａのフランジ５ａに貫通孔ではなく切欠６ａが設けられている点が前述のリアクトル２と異なる。その他の構造は前述のリアクトル２と同じである。切欠６ａは、先のリアクトル２における貫通孔６と同じ機能を有している。図５に、リアクトル２ａを含む半導体積層ユニット１０ａの斜視図を示す。半導体積層ユニット１０ａの接続パイプ１４ａが、切欠６ａに嵌合し、リアクトル２ａがずれることを防止する。即ち、切欠６ａは、接続パイプ１４ａと接触しつつ嵌合し、リアクトル２ａを半導体積層ユニット１０ａにしっかりと固定する機能と、リアクトル２ａの熱を接続パイプ１４ａに伝えて冷却効率を高める機能を有する。
【００３０】
実施例で説明した冷却構造に関する留意点を説明する。実施例のリアクトルでは、金属柱８の中心線は、コイル巻回軸線ＣＬと一致している。即ち、金属柱８はコイル３の中心を通っている。金属柱８は、コイル３の中心を通ることが、構造的なバランスの観点から好ましいが、必ずしもコイル３の中心を通らなくともよい。また、金属柱８は、実施例では円柱であったが、円柱に限定されるものではない。
【００３１】
実施例の半導体積層ユニット１０、１０ａでは、リアクトル２、２ａは冷媒供給管１６と排出管１７が接続されている冷却プレート１２ａと、これに隣接する冷却プレート１２ｂとの間に挟持保持されている。リアクトルが挟持保持される場所は、いずれの２枚の冷却プレートの間であってもよい。
【００３２】
リアクトルのコア（モールド７）は、ＦｅやＥｅ−Ｓｉを２〜６．５％程度含む磁性体粉末混合樹脂であることが好ましい。あるいは、コアは、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌを含む磁性体粉末混合樹脂であることが好ましい。しかし、それらの材料に限定されるものではない。
【００３３】
また、コア（モールド７）は、樹脂として例えばＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）を主成分とする場合は射出成型で形成することが好ましく、例えばエポキシ系樹脂を主成分とする場合は熱硬化で形成することが好ましい。
【００３４】
実施例のコアは、磁性体粉末を混合した樹脂で作られている。コアが、樹脂を含まず、磁性体の粉末を固化したものであっても、本明細書が開示する技術は有効である。なぜならば、磁性体の粉末を焼成したものも強度が高くはなく、２枚の冷却プレートで加圧されながら挟持保持されると変形し易いからである。
【００３５】
実施例の冷却プレートは、内部を冷媒が通るタイプのものであった。本明細書が開示すする技術は、そのような構造の冷却プレートだけでなく、例えばヒートパイプや単純な放熱板であっても成立する。
【００３６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３７】
２、２ａ：リアクトル
３：コイル
３ａ：リード部
４、４ａ：金属板
５、５ａ：フランジ
６：貫通孔
６ａ：切欠
７：モールド（コア）
８：金属柱
１０、１０ａ：半導体積層ユニット
１２、１２ａ、１２ｂ：冷却プレート
１３：半導体カード
１４、１４ａ：接続管
１６：冷媒供給管
１７：冷媒排出管
ＣＬ：コイル巻回軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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