(57)【要約】【課題】１次コイルおよび２次コイルの発熱を空気冷却により冷却することにより、製造コストが安価で、保守点検の手間のかからない高周波トランスを提供する。【解決手段】鉄心の鉄心脚に、鉄心の１つの鉄心脚に、第１絶縁層、リッツ線で形成した１次コイル、熱伝導性の高い絶縁シートで形成した第２の絶縁層、平板状導体により形成した２次コイルを順次巻回してトランス本体を構成し、このトランス本体を、非磁性板で形成した全閉の遮蔽容器に収めて遮蔽するとともに、通風冷却装置により遮蔽容器内へ外気を冷却空気として送り込み、この容器の他方の通気口から排出することによりこの遮蔽容器内に冷却空気を強制貫流させてトランス本体を通風冷却する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄心と、この鉄心の鉄心脚に絶縁シートを卷回して形成した第１の絶縁層と、この第１の絶縁層の外側にリッツ線を所要巻き数巻回して形成した１次コイルと、この１次コイルの外周に熱伝導性の高い絶縁シートを巻回して形成した第２の絶縁層と、平板状導体をこの第２の絶縁層の外側から前記１次コイルに接近して取り囲むように巻回して形成した２次コイルとによりトランス本体を構成し、このトランス本体を、非磁性の平板で形成した全閉の遮蔽容器に収めて遮蔽するとともに、この遮蔽容器の下方および上方に各別に通気口を設け、この遮蔽容器の一方の通気口から外気を冷却空気としてこの遮蔽容器内へ吸込んで、この遮蔽容器の他方の通気口か排出することによりこの遮蔽容器内に冷却空気を強制貫流させて前記トランス本体を通風冷却する通風冷却装置を設けたことを特徴とする高周波トランス。
【請求項２】
前記２次コイルを形成する平板状導体の一部を前記第２絶縁層に接触させて前記１次コイルに前記２次コイルにより接近させることを特徴とする請求項１に記載の高周波トランス。
【請求項３】
前記１次コイルは、これを形成するリッツ線をこのリッツ線に被着した絶縁性融着樹脂により相互に融着して一体に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の高周波トランス。
【請求項４】
前記１次コイルを形成するリッツ線は、素線径が０．３ｍｍ以下の素線を複数本撚り合わせたものであることを特徴とする高周波トランス。
【請求項５】
前記遮蔽容器内に収容されたトランス本体は、前記鉄心の４隅の角部を耐熱性絶縁材で構成した絶縁支持ブロックにより支持することにより、前記トランス本体と遮蔽容器の内壁との間に冷却通風路を形成することを特徴とする高周波トランス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、誘導加熱等に使用する高周波トランスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に高周波誘導加熱用の高周波トランスにおいては、周波数が高くなるほど表皮効果等によりコイル導体の発熱が大きくなる。このようなコイルの発熱を冷却するため、特許文献１および２に示すように、少なくとも１次コイルと２次コイルの何れか一方のコイルを銅パイプ等の導体内部に通水路有する導体で構成し、この通水路に冷却水を通してコイルを冷却するようにした水冷式の高周波トランスが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０９４０３２号公報
【特許文献２】特許第５０５７５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような水冷式の高周波トランスにおいては、１次コイルまたは２次コイルのコイル導体内に冷却水を通して冷却するので、冷却水の水質が悪いと、コイルの通水路が閉塞したり、冷却水の絶縁性能が低下したりするなどして、コイルが焼損したり、地絡事故を誘発したりする問題がある。また、冷却水に高水質の水を用いても、使用中にコイル導体の銅材等が通電によりイオン化して冷却水中に溶け込むことにより、イオン交換装置等の水質保持手段を備えないと、使用中に冷却水が水質低下を来し、コイルの焼損を招くことがある。このため、冷却水の水質の維持管理が重要であり、このために高周波トランスの冷却装置の構成が複雑かつ大形となるだけでなく、冷却装置の保守点検に手間を要する問題がある。
【０００５】
さらに、コイル導体にパイプ状導体を使用した場合、フェライトコアで構成した鉄心が小さくなり、巻回すときの曲率が小さくなると、パイプ導体の冷却水の通水路となる中空路が狭窄されないようにするために特別な製造技術が必要となり、製造コストが高くなるという問題もある。
【０００６】
この発明は、このような問題を解決するため、空気冷却により１次コイルおよび２次コイルの発熱を冷却することを可能として、かつ製造コストが安価で、保守点検の手間のかからない高周波トランスを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するため、この発明は、鉄心と、この鉄心の鉄心脚に絶縁シートを卷回して形成した第１の絶縁層と、この第１の絶縁層の外側にリッツ線を所要巻き数巻回して形成した１次コイルと、この１次コイルの外周に熱伝導性の高い絶縁シートを巻回して形成した第２の絶縁層と、平板状導体をこの第２の絶縁層の外側から前記１次コイルに接近して取り囲むように巻回して形成した２次コイルとによりトランス本体を構成し、このトランス本体を、非磁性の平板で形成した全閉の遮蔽容器に収めて遮蔽するとともに、この遮蔽容器の下方および上方に各別に通気口を設け、この遮蔽容器の一方の通気口から外気を冷却空気としてこの遮蔽容器内へ吸込んで、この遮蔽容器の他方の通気口か排出することによりこの遮蔽容器内に冷却空気を強制貫流させて前記トランス本体を通風冷却する通風冷却装置を設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明においては、前記２次コイルを形成する平板状導体の一部を前記第２絶縁層に接触させて前記１次コイルに前記２次コイルにより接近させることができる。
【０００９】
また、前記１次コイルは、これを形成するリッツ線をこのリッツ線に被着した絶縁性融着樹脂により相互に融着して一体に形成するのがよい。
【００１０】
前記１次コイルを形成するリッツ線は、素線径が０．３ｍｍ以下の素線を複数本撚り合わせたものを使用すると、表皮効果による発熱をより抑制することができる。
【００１１】
さらに、前記遮蔽容器内に収容されたトランス本体は、前記鉄心の４隅の角部を耐熱性絶縁材で構成した絶縁支持ブロックにより支持して、トランス本体と前記遮蔽容器の内壁との間に通風路を形成すると、より冷却効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、鉄心と鉄心に巻回された１次コイルおよび２次コイルにより構成されたトランス本体の１次コイルを形成するコイル導体をリッツ線で構成することにより１次コイルの表皮効果による発熱を抑制することができるので、トランス本体の発熱を抑えることができ、この発熱の抑えられたトランス本体を通気孔の設けられた遮蔽容器により遮蔽して通風冷却装置により遮蔽容器内に強制通風を行うことにしたので、トランス本体を水冷によらないで空冷により十分に冷却を行うことができる。このため、取り扱いが容易で保守点検の手間のかからない高周波トランスとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の高周波トランスの実施例を示す外観構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２】この発明の高周波トランスの実施例を示す側面断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う正面断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う平面断面図である。
【図５】高周波トランスを用いた誘導加熱装置の回路構成図である。
【図６】この発明の高周波トランスを用いたときと用いないときの誘導加熱装置の電気回路定数を示す図である。
【図７】この発明の高周波トランスの温度評価試験をした時の各部の飽和温度および温度上昇値を示す図である。
【図８】この発明の高周波トランスの他の実施例を示す正面断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の実施の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。
【００１５】
図１〜図４にこの発明の実施例を示す。
【００１６】
この発明の高周波トランス１０は、図１に示すような外観を呈している。
【００１７】
遮蔽容器２０は、例えばアルミニウム板のような非磁性の平板により形成した直方体状の全閉された箱体で構成されている。遮蔽容器２０の正面壁からトランスの２次コイル１４の接続端子１４ｃ，１４ｄが絶縁ブッシュ２５(図４参照)を介して引き出され、この正面壁と対向する背面壁から１次コイル１３の接続端子１３ｃ、１３ｄが絶縁ブッシュ２４(図２参照)を介して引き出されている。遮蔽容器２０の背面壁の下部には、ここには図示されない通気口から外気を冷却空気として遮蔽容器２０内に送って容器内部を冷却する通風冷却装置としての通風冷却ファン３０が設けられている。そして、遮蔽容器２０の上面壁には、容器内を貫流して冷却空気を排出するためのグリル状の通気口２２が設けられている。遮蔽容器２０の下端には、取付固定用の取付脚２３が設けられている。
【００１８】
このように構成された遮蔽容器２０は、この中に高周波トランスの本体１１を収容して遮蔽するものである。トランス本体１１の収容する遮蔽容器２０の下部の通風冷却ファン３０によりこの中に送られた冷却空気として送り、この中を下方から上方へ貫流させることにより、この中のトランス本体１１を冷却空気より冷却することができる。
【００１９】
次に、遮蔽容器２０に収容される高周波トランスの本体１１の構成の詳細を図２〜図４を参照して説明する。
【００２０】
トランス本体１１は、例えばフェライトコアにより構成した３個の鉄心脚を有する鉄心１２を備える。鉄心１２は、２個の矩形状の環状鉄心を接合することにより３個の鉄心脚１２ａ、１２ｂ、１２ｃを形成している。この鉄心１２の中央の鉄心脚１２ｂに絶縁シートを巻き付けて第１の絶縁層１５を形成する。この絶縁層１５の外側にリッツ線で構成してコイル導体１３ａを所要回数、ここでは６回巻きして筒状の１次コイル１３を形成する。
【００２１】
１次コイル１３のコイル導体１３ａとして使用するリッツ線は、細い導線の表面を絶縁エナメルで被覆して構成した絶縁細線を素線とし、この素線を複数本撚り合わせて所要の電流容量を得るようにしたものである。リッツ線は、細い素線を撚り合わせて構成するため、表皮効果が抑えられることにより高周波電流を流しても発熱を抑制することができる。リッツ線は、素線の線径を０．３ｍｍ以下にすると表皮効果の抑制効果がより高くなるため、線径が０．３ｍｍ以下の素線で構成したリッツ線を使用すると１次コイルの発熱抑制効果が高くなる。
【００２２】
なお、リッツ線は撚線であるため成形がやややりにくいところがあり、ただ単に巻回しただけでは巻が戻り、成形したコイルが形崩れを生じることがある。成形した1次コイルが形崩れを起しそうな場合は、リッツ線に予め融着性のある絶縁樹脂を被着した融着性リッツ線を使用する。この融着性リッツ線をコイル導体として巻回して筒状に成形した1次コイルを加熱処理することにより、融着性を有する絶縁被覆により1次コイルのコイル導体を融着し、これを一体に固めるようにすることができる。
【００２３】
さらに、１次コイル１３の外周に熱伝導性の高いに絶縁シートを巻回して第２の絶縁層６を形成する。この第２の絶縁層１６の外側に、銅平板等で構成した平板状のコイル導体により１回巻きした２次コイル１４を配置する。この２次コイル１４は、平板状の導体を断面が略Ｃ字形に２分割構成されたコイル導体１４ａ、１４ｂを備え、この２個の分割コイル導体を互いにＣ字の開口部が向かい合うように対向配置し、その一端側を互いに結合ねじ１４ｅにより締付け結合して電気的に接続し、他方端は開放して接続端子１４ｃ、１４ｄとすることにより、１回巻のコイルとしている。
【００２４】
２次コイル１４は、図４に示すように、１次コイル１３との電磁結合度を高めるために、１次コイル３に接近するように１次コイル１３の外周の第２の絶縁層１６と接触する部分１４ｘと、冷却効果を高めるために通風路となるように離間した部分１４ｙが形成されるように配設する。
【００２５】
このように鉄心１２の中央鉄心脚１２ｂに絶縁層を介して１次コイル１３および２次コイル１４を重ね巻してトランス本体１１が構成される。このように構成されたトランス本体１１を遮蔽容器１０内に収めた際、鉄心１２の四隅の角部と遮蔽用容器２０の内壁との間に断面がＬ字形に形成された絶縁支持ブロック１９を嵌装することにより遮蔽容器２０の内壁から離間してトランス本体１１を支持するようにする。これにより、トランス本体１１と遮蔽容器２０の内壁との間に冷却通風路となる空間が形成される。
【００２６】
このようにしてトランス本体１１を通風冷却ファン３０を備えた遮蔽容器２０内に収容することにより、トランス本体１１を遮蔽容器２０によりで遮蔽した高周波トランス１０が完成する。このように構成されたこの発明の高周波トランスは、空冷式の冷却構造であるため、構造が簡単であり、コイル導体にパイプ状導体でなくリッツ線を使用するのでコイルの成形が容易となり製造コストを安価とすることができる。
【００２７】
この発明の高周波トランス１０は、運転中は通風冷却ファン３０を駆動して外気を冷却空気として遮蔽容器２０の通気口２１からこの中に送り込む。容器２０内送り込まれた冷却空気は、図２〜図４に矢印で示すように、容器２０内を下方から上方へ貫流して上壁の排気口２４から排出される。この間に冷却空気がトランス本体１１の鉄心１２と容器内壁との間の空間や、２次コイル１４と１次コイル１３との間の空間１４ｙおよびや鉄心１２と２次コイル１４との間の空間を通風路としてここを流れ、鉄心１２および２次コイル１４を直接的に冷却する。また、１次コイル１３の熱は第１の絶縁層１５および第２の絶縁層１６を介して鉄心１２および２次コイル１４に伝達されるので鉄心１２および２次コイル１４に接触して流れる冷却空気により冷却することができる。そして、図４における２次コイル１４と１次コイル１３との間の空間１４ｙ部分にも冷却空気が流れるので、１次コイル１３の一部が熱伝導度の高い絶縁シートで構成された第２の絶縁層１６を介してこの冷却空気によって冷却される。このため、通電中の１次コイル１３および２次コイル１４を良好に冷却することができる。
【００２８】
さらに、トランス本体１１の全体を遮蔽する遮蔽容器２０を高熱伝導性の非磁性材料であるアルミニウム板で構成すると、この容器自体が放熱体となりトランス本体の通風冷却効果を高めることができる。
【００２９】
続いてこの発明の高周波トランスの電気的特性を変換比(１次コイルと２次コイルの巻数比)を６：１とした例について説明する。
【００３０】
図５は、この発明の高周波トランス１０を用いた誘導加熱装置の回路構成を示すものである。
【００３１】
例えば高周波インバータで構成された高周波電源４０から高周波トランス１０を介して誘導加熱装置５０に高周波電流Ｉ1を供給すると、高周波トランス１０の１次コイル１３で形成された磁束のほとんどが、鉄心１２の中央鉄心脚１２ｂに誘起され、漏れた磁束は、鉄心脚１２ａ、１２ｃで吸収され、外部への漏れを抑制することができる。中央鉄心脚１２ｂに誘起された磁束により平板状導体により構成された２次コイル１４に誘起された起電力により、誘導加熱装置５の加熱コイル５１に高周波電流Ｉ2が供給される。ここでは、１次コイル１３が６回巻き、２次コイル１４が１回巻きという構成になっているから、加熱コイル５１に供給される高周波電流Ｉ2はＩ1の６倍の高周波電流となる。これは、図４に示すように鉄心１２と１次コイル１３と２次コイル１４とを接近して配置して、高周波トランス１０の漏れインダクタンスを小さくさしているからである。６倍となった高周波電流Ｉ2が整合コンデンサ５２を通り、加熱コイル５１に供給されることで被加熱物５３を誘導加熱することができる。
【００３２】
ここに誘導加熱装置５０の例として示すものは、加熱コイル５１が、内径７０ｍｍの３回巻きのコイルで構成され、被加熱物５３がＳＧＰ４０Ａとして示される鋼管であり、この鋼管を加熱コイル５１に挿入して加熱するものである。
【００３３】
この誘導加熱装置５０から高周波トランス１０を外した状態で誘導加熱装置５０の各種の電気回路常数をＬＣＲメータで測定した結果を図６のＡ欄に示すが、抵抗値Ｒは１４．１Ωと低い値となる。この負荷条件で誘導加熱装置５０を高周波電源４０に接続して運転すると、誘導加熱装置５０の抵抗値が低いため、大電流を供給できる高周波電源が必要となり、高周波電源４０の価格が高くなる。
【００３４】
高周波電源４０から高周波トランス１０を介して誘導加熱装置５０に給電するようにすると、この高周波トランス１０の入力端Ａからみた回路抵抗Ｒ１０は、高周波トランス１０の１次コイルを巻数Ｎ１、２次コイルを巻数Ｎ２とすると、
Ｒ１０＝Ｒ×（Ｎ１÷Ｎ２）2                              （１）
となる。ここでＲは、誘導加熱装置５０の抵抗である。
【００３５】
この結果、図５に示す回路において、高周波トランス１０の入力端Ａからみた回路抵抗Ｒ１０は、図６のＢ欄に示すように５０２Ωと大きくなる。これにより、高周波電源４０から供給する電流を、高周波トランス１０のない場合の３％以下に大幅に低減できることになる。このため、高周波トランス１０を介することにより、高周波電源４０の電流容量が大幅に低減され、価格を低減できる。
【００３６】
なお、ＳＧＰで構成された鋼管より抵抗値の小さいＳＵＳ３０４等のステンレス鋼で構成された管を被加熱物５３とした場合は、誘導加熱装置５０の回路抵抗Ｒが小さくなる。この場合は、高周波トランス１０を介して高周波電流を供給しても、高周波電源４０の電流容量が大きくなるため、価格が上昇する。この場合は、図８に示すように、高周波トランス１０の１次コイル１３を２層構成にして巻き数を増やすことで、高周波電源４０から見た回路抵抗を大きくして、高周波電源からの電流を低減することができる。例えば、１次コイル１３の巻数を１２回巻にして、２次コイルの巻数を１回巻にすると、高周波電源４０から見た回路抵抗Ｒ１０は、誘導加熱装置の回路抵抗Ｒの１４０倍以上に大きくすることができるので、高周波電源４０の電流を大幅に低減することができる。
【００３７】
次に、この発明の高周波トランス１０について温度評価試験を実施した結果を図７に示す。
【００３８】
この試験は、図５の回路における高周波電源４０から高周波トランス１０へ、周波数が２５ｋＨｚで、大きさが１４４Ａの高周波電流Ｉ1を供給し、被加熱物５３へおよそ１５ｋＷの電力を加えた状態で、高周波トランス１０の図２〜図４にＡ〜Ｈで示す８か所の温度を測定するものである。
【００３９】
温度測定点Ａ〜Ｃは、１次コイル１３の３巻目のコイル導体１３ａの正面側、背面側、および右側面側の表面、測定点Ｄ、Ｅは、鉄心１２の中央鉄心脚１２ｂの上部の背面側および正面側の表面である。また、測定点Ｆ、Ｇは、鉄心１２の右側鉄心脚１２ｃの中央部の正面側表面および左側鉄心脚１２ａの中央部の正面側表面であり、測定点Ｈは、冷却ファン３０の入口付近の外気温度測定点である。
【００４０】
図７に示すこれらの各測定点の温度は、誘導加熱装置の運転を開始してから時間の経過とともに上昇するが、所定の時間経過するとこの温度上昇が止まる、いわゆる飽和した時の温度である。
【００４１】
この温度試験の結果、図７から明らかなように、外気温度（Ｈ点の温度）は２６．６℃であるが、高周波トランス１０内の１次コイル１３の背面側のＢ点で、９５．５℃の最高温度が示された。これは、外気温度に対して６８．５℃の温度上昇である。
【００４２】
この温度は、１次コイル導体１３ａに使用するリッツ線に、Ｈ種絶縁の施されたものを使用すると、このリッツ線の許容最大温度は１８０℃であるので、十分にこの温度範囲に収まる温度であり問題はない。
【００４３】
また、鉄心１２の測定点Ｆ、Ｇの温度も、それぞれ６４．７℃、５９．７℃。までしか上昇しない。この鉄心の温度も、フェライトコアで構成した鉄心１２の使用許容温度とされている１２０℃より５０℃以上も低いので、全く問題ない温度である。
【００４４】
このような温度評価試験から理解できるように、発明の高周波トランスは、空気冷却により１次コイルや、鉄心の温度を使用可能な範囲に維持することができるので、十分実用に供することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１：高周波トランス
１１：トランス本体
１２：鉄心
１３：１次コイル
１４：２次コイル
１５：第１絶縁層
１６：第２絶縁層
１９：絶縁支持ブロック
２０：遮蔽容器
２１、２２：通気口
３０：通風冷却装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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