(57)【要約】【課題】絶縁性や密閉性の問題を回避しつつ、トロイダルコイルを冷却する。【解決手段】トロイダルコア１１３ａに巻線１１３ｂが巻回されたインダクタ１１３（トロイダルコイル本体）と、上記インダクタ１１３の中心部に嵌挿された冷媒配管１２１（伝熱部材、冷却流体配管）とを備え、上記冷媒配管１２１の管壁を介した伝熱によって、上記インダクタ１１３が冷却される。【選択図】図３
2014110346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トロイダルコアに巻線が巻回されたトロイダルコイル本体と、
上記トロイダルコア本体の中心部に嵌挿された伝熱部材と、
を備え、
上記伝熱部材は、冷却流体が流通する冷却流体配管であり、その管壁を介した伝熱によって、上記トロイダルコイル本体が冷却されることを特徴とするトロイダルコイル。
【請求項２】
請求項１のトロイダルコイルであって、
上記冷却流体配管は、一端が閉塞されていることを特徴とするトロイダルコイル。
【請求項３】
請求項１および請求項２のうち何れか１項のトロイダルコイルであって、
複数のトロイダルコイル本体に、上記冷却流体配管が嵌挿されていることを特徴とするトロイダルコイル。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうち何れか１項のトロイダルコイルであって、
上記冷却流体配管と上記トロイダルコイル本体との間に、樹脂が介在していることを特徴とするトロイダルコイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トロイダルコイルに関し、特にその冷却に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば電源装置などに用いられるトロイダルコイルは、温度上昇を抑えるために、冷却液によって冷却するものが知られている。具体的には、例えば、中空円環状部材の外周に導電線を巻き付け、内部の空洞部にトロイダルコアを設けるとともに冷却水を流通させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数のトロイダルコイルを円筒タンク内に収め、トロイダルコイルの内周側から外周側に向けて、各トロイダルコイルの間に冷却油を流すようにする技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１６７５２９号公報
【特許文献２】特開平４−２８３９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように中空円環状部材の外周に導電線を巻き付ける構造では、トロイダルコアと巻線との間隔が大きくなり、トロイダルコアの大きさも相対的に小さくなるので、インダクタンスを大きくすることが困難である。また、特許文献２のようにタンク内にトロイダルコイルを収めて冷却液を流通させる場合には、絶縁性の点で冷却液の制約が大きいうえ、配線の取り出し部などでタンクの密閉性を確保することが容易でない。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁性や密閉性の問題を回避しつつ、トロイダルコイルの冷却を容易にできるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、
トロイダルコアに巻線が巻回されたトロイダルコイル本体と、
上記トロイダルコア本体の中心部に嵌挿された伝熱部材と、
を備え、
上記伝熱部材は、冷却流体が流通する冷却流体配管であり、その管壁を介した伝熱によって、上記トロイダルコイル本体が冷却されることを特徴とする。
【０００７】
これにより、トロイダルコイル本体で発生した熱の少なくとも一部は、トロイダルコイル本体の内周部から冷却流体配管の管壁を介して、冷却流体配管内を流れる冷却流体に伝達され、トロイダルコイル本体が冷却される。
【０００８】
第２の発明は、
第１の発明のトロイダルコイルであって、
上記冷却流体配管は、一端が閉塞されていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、
冷却流体配管が設置された後にトロイダルコイル本体を組み付けたり、逆にトロイダルコイル本体が組み付けられた後に冷却流体配管を設置したりすることなどが容易にできる。
【００１０】
第３の発明は、
第１の発明および第２の発明のうち何れか１つのトロイダルコイルであって、
複数のトロイダルコイル本体に、上記冷却流体配管が嵌挿されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、複数のトロイダルコイル本体を冷却することが容易にできる。
【００１２】
第４の発明は、
第１の発明から第３の発明のうち何れか１つのトロイダルコイルであって、
上記冷却流体配管と上記トロイダルコイル本体との間に、樹脂が介在していることを特徴とする。
【００１３】
これにより、樹脂を介したトロイダルコイル本体と冷却流体配管との間の隙間の抑制や接触面積の増大によって熱伝達率を高め、冷却能力を高くすることが容易にできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、絶縁性や密閉性の問題を回避しつつ、トロイダルコイルの冷却を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１のトロイダルコイルが用いられる空調室外ユニットの概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態１のトロイダルコイルを含む空調室外ユニットの昇圧コンバータの構成を示す回路図である。
【図３】実施形態１のトロイダルコイルの構成を示す斜視図である。
【図４】実施形態１のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【図５】実施形態２のトロイダルコイルの構成を示す斜視図である。
【図６】実施形態２のトロイダルコイルの構成を示す他の斜視図である。
【図７】実施形態２のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【図８】実施形態３のトロイダルコイルの構成を示す斜視図である。
【図９】実施形態４のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【図１０】実施形態５のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【図１１】実施形態６のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【図１２】実施形態７のトロイダルコイルの構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、他の実施形態と同様の機能を有する構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。
【００１７】
《実施形態１》
（空調室外ユニット１００、および昇圧コンバータ１０４の構成）
本発明の実施形態１として、例えば図１に示すような空気調和装置の空調室外ユニット１００における昇圧コンバータ１０４に用いられるトロイダルコイルの例を説明する。
【００１８】
空調室外ユニット１００には、冷媒を圧縮する圧縮機１０１、これを駆動するモータ１０２、このモータ１０２に交流電圧を供給するインバータ１０３、およびこのインバータ１０３に直流電圧を供給する昇圧コンバータ１０４が設けられている。
【００１９】
上記昇圧コンバータ１０４は、例えば図２に示すように、３相交流電源１１１から供給される３相交流電圧から、昇圧された直流電圧を発生してインバータ１０３に供給するものである。具体的には、昇圧コンバータ１０４は、３相交流電源１１１から供給される３相交流電圧を整流する整流回路１１２と、それぞれトロイダルコイルである３個のインダクタ１１３と、３個の整流素子１１６と、３個のスイッチ素子１１４と、平滑コンデンサ１１７と、コントローラドライバ１１５とを備えている。上記インダクタ１１３、スイッチ素子１１４、および整流素子１１６は、それぞれ１個ずつの組が、１個のコンバータ基本回路を構成し、３個のコンバータ基本回路が並列に接続されている。
【００２０】
３個のインダクタ１１３のそれぞれの一端は、整流回路１１２の正出力端に共通に接続され、他端は３個の整流素子１１６のそれぞれのアノードに接続されている。３個の整流素子１１６のそれぞれのカソードは平滑コンデンサ１１７の一端に共通に接続されている。整流素子１１６は、例えばダイオードで構成することができる。整流素子１１６は、各インダクタ１１３から平滑コンデンサ１１７への方向に電流を流し、平滑コンデンサ１１７から各インダクタ１１３への方向に電流が逆流することを防ぐ役割をする。
【００２１】
平滑コンデンサ１１７の他端は整流回路１１２の負出力端に接続されている。平滑コンデンサ１１７の両端電圧が、昇圧コンバータ１０４の直流出力電圧となる。平滑コンデンサ１１７は、例えば複数の電解コンデンサ群で構成することができる。平滑コンデンサ１１７は、出力電流リップルを軽減させて当該直流出力電圧を平滑化する役割をする。
【００２２】
各インダクタ１１３と各整流素子１１６との接続点と、整流回路１１２の負出力端との間には、それぞれスイッチ素子１１４が接続されている。スイッチ素子１１４は、例えば、ＩＧＢＴなどのトランジスタで構成することができる。
【００２３】
コントローラドライバ１１５は、昇圧コンバータ１０４の直流出力電圧が一定となるように各スイッチ素子１１４をスイッチング制御する。昇圧コンバータ１０４の直流出力電圧は、当該スイッチング制御のデューティ比を適宜変更することで調整することができる。
【００２４】
また、コントローラドライバ１１５は、３個のコンバータ基本回路をインターリーブ駆動する。すなわち、コントローラドライバ１１５は、３個のスイッチ素子１１４を相異なる位相でスイッチング制御する。これにより、並列接続された各インダクタ１１３が互いに独立に通電制御される。上記のように３個のコンバータ基本回路を備えている場合、コントローラドライバ１１５は、電気角１２０°（＝３６０°／３）ずつずれた位相で３個のスイッチ素子１１４のそれぞれをスイッチング制御する。このように、３個のスイッチ素子１１４を相異なる位相でスイッチング制御することによりスイッチ素子１１４の定格電流以上の大電流を出力することができる。
【００２５】
（インダクタ１１３の構成、および冷却作用）
上記３個のインダクタ１１３（トロイダルコイル本体）は、例えば図３、図４に示すように、それぞれ円環状のトロイダルコア１１３ａに巻線１１３ｂが巻回されて構成されている。これらのインダクタ１１３は、互いに同軸上に配置されるとともに、中心部に冷媒配管１２１（伝熱部材、冷却流体配管）が嵌挿されている。
【００２６】
上記冷媒配管１２１内には、例えば空調室外ユニット１００の圧縮機１０１によって循環する冷媒（冷却流体）が流れるようになっている。なお、上記のように空気調和装置で用いられる冷媒が兼用されるのに限らず、他の冷却回路から供給される冷媒や、冷却水や冷却油などの冷却流体が用いられるなどしてもよい。
【００２７】
冷媒配管１２１とインダクタ１１３との間には、伝熱樹脂１２２が設けられている。伝熱樹脂１２２としては、シリコン系の樹脂や、非シリコン系のアクリル樹脂など、種々のものを用いることができるが、熱伝導率が大きく、また、電気的な絶縁性の高いものが、より好ましい。また、伸縮性が大きいほうが、インダクタ１１３や冷媒配管１２１の温度変化によって膨張、収縮が生じた場合でも両者間に隙間が空きにくい点で好ましい。伝熱樹脂１２２の形態は、特に限定されず、例えば樹脂シートを冷媒配管１２１に巻きつけたり、樹脂チューブを冷媒配管１２１に被せたりしてもよい。また、シリコングリスなどのように液状やグリス状などで硬化性または非硬化性の樹脂を塗布したり注入したりするようにしてもよい。なお、伝熱樹脂１２２は必須とは限らず、インダクタ１１３の発熱程度や冷媒による冷却能力などによっては、必ずしも設けなくてもよい。
【００２８】
上記のように構成されていることによって、インダクタ１１３において発生した熱の少なくとも一部は、インダクタ１１３の内周部から、伝熱樹脂１２２、および冷媒配管１２１の管壁を介して、冷媒配管１２１内を流れる冷媒に伝達され、インダクタ１１３が効率的に冷却される。それゆえ、例えば１０ｋＷを越えるような大電力を供給する昇圧コンバータなどに適用することなども容易にできる。また、冷媒は冷媒配管１２１内を流れるだけで、インダクタ１１３（特に巻線１１３ｂ）に直接触れないので、電気的な絶縁性を高く保つことが容易にできるうえ、冷媒の密閉性を高めることも容易にできる。さらに、インダクタ１１３の中心部に冷媒配管１２１を嵌挿するだけの簡潔な構成なので、組み付け性を高めることも容易にでき、しかも、インダクタ１１３、すなわちトロイダルコア１１３ａや巻線１１３ｂの大きさや形状などは特に制約されず自由度が高いので、例えば大きなインダクタンスを得ることなども容易にできる。また、冷媒配管１２１とインダクタ１１３との間に伝熱樹脂１２２が設けられていることによって、この伝熱樹脂１２２を介したインダクタ１１３と冷媒配管１２１との間の隙間の抑制や接触面積の増大により熱伝達率を高め、冷却能力を高くすることも容易にできる。
【００２９】
《実施形態２》
例えば図５、図６に示すように、一端側が閉じ、他端側が冷媒配管１２１に接続された突出配管１３１が、インダクタ１１３、および必要に応じてインダクタ１１３が取り付けられた基板１４１に嵌挿されるようにしてもよい。上記突出配管１３１は、図７に示すように内部に仕切壁１３２が設けられ、冷媒配管１２１を流れる冷媒が突出配管１３１の他端側（図７の下方側）から流入して一端側で折り返した後、再度他端側から冷媒配管１２１に流れ出すようになっている。
【００３０】
上記のように、インダクタ１１３に、一端側が閉じた突出配管１３１が嵌挿される場合には、冷媒配管１２１が設置された後にインダクタ１１３を組み付けたり、逆にインダクタ１１３が組み付けられた後に冷媒配管１２１を設置したりすることなどが容易にできる。また、基板１４１の裏面側に冷媒配管１２１を配置することができるので、基板１４１の表面側の部品実装の自由度を高めることも容易にできる。
【００３１】
《実施形態３》
インダクタ１１３、および突出配管１３１は、上記実施形態２のように軸心が基板１４１に垂直になるように設けられるのに限らず、例えば図８に示すように、軸心が基板１４１と平行になるように設けられるようにしてもよい。この場合には、基板１４１の裏面側に冷媒配管１２１が配置されていないので、基板１４１の裏面側に他の部材を設けたり筐体の内面に近づけたりするなど、基板１４１の設置の自由度を高めることもできる。なお、図８の例では冷媒配管１２１は基板１４１と垂直な方向に配置されているが、これに限らず基板１４１と平行な方向に配置されてもよい。
【００３２】
《実施形態４》
突出配管１３１は、実施形態２（図７）で示したように内部が仕切壁１３２で仕切られるのに限らず、例えば図９に示すように、内筒１３３が設けられ、冷媒配管１２１を流れる冷媒が図９の下方側から流入し、突出配管１３１の管壁との間を通って冷媒配管１２１に流れ出すようにしてもよい。（または、冷媒が逆の方向に流れるようにしてもよい。）このように構成する場合には、突出配管１３１の内部の冷媒は、全周に亘ってほぼ均等に流れるので、インダクタ１１３の円周方向の温度むらを低減することも容易にできる。
【００３３】
《実施形態５》
また、例えば図１０に示すように突出配管１３１の内部に螺旋羽根１３４を設けてもよい。この場合には、突出配管１３１の内部で冷媒が流れる距離や流路断面積を種々に設定することが容易にできるので、冷媒の流量や流速、熱の吸収程度などに応じて、冷却効率が高くなるように最適化することなどが容易にできる。
【００３４】
《実施形態６》
また、上記実施形態５のような螺旋羽根１３４は、冷媒配管１２１から分岐するように設けられた突出配管１３１内に設けるのに限らず、実施形態１（図１〜図４）で示したような冷媒配管１２１の内部に、例えば図１１に示す螺旋羽根１３５のように設けてもよい。
【００３５】
《実施形態７》
インダクタ１１３は、内周側から冷却されるだけでなく、側面からも冷媒によって冷却されるようにしてもよい。すなわち、例えば図１２に示すように、冷媒配管１２１の外周における各インダクタ１１３の両側面に伝熱フィン１５１を設けるようにしてもよい。これによって、インダクタ１１３の側面からも、伝熱フィン１５１、および冷媒配管１２１の管壁を介して、冷媒に熱が伝達されるので、冷却能力を一層高めることも容易にできる。
【００３６】
なお、上記のように伝熱フィン１５１を設ける場合においても、実施形態１で説明したような伝熱樹脂１２２をインダクタ１１３の内周側と冷媒配管１２１との間や、インダクタ１１３の側面と伝熱フィン１５１との間に設けるなどしてよい。
【００３７】
《その他の事項》
上記の例では、インダクタが空気調和装置の空調室外ユニットにおける昇圧コンバータに用いられる例を示したが、用途は特に限定されるものではなく、種々の用途においても冷却が必要な場合に適用することができる。
【００３８】
また、インダクタの数は、３個に限らず、１個でも２個や４個以上などでもよい。
【００３９】
また、上記各実施形態や変形例で説明した構成要素は、論理的に可能な限り、種々組み合わせてもよい。具体的には、例えば、実施形態７（図１２）で説明したような伝熱フィン１５１を実施形態２（図７）等で説明した突出配管１３１に設けるなどしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したように、本発明は、トロイダルコイルに関し、特にその冷却に関して有用である。
【符号の説明】
【００４１】
１００      空調室外ユニット
１０１      圧縮機
１０２      モータ
１０３      インバータ
１０４      昇圧コンバータ
１１１      ３相交流電源
１１２      整流回路
１１３      インダクタ
１１３ａ    トロイダルコア
１１３ｂ    巻線
１１４      スイッチ素子
１１５      コントローラドライバ
１１６      整流素子
１１７      平滑コンデンサ
１２１      冷媒配管
１２２      伝熱樹脂
１３１      突出配管
１３２      仕切壁
１３３      内筒
１３４      螺旋羽根
１３５      螺旋羽根
１４１      基板
１５１      伝熱フィン
【図１】
2014110346.tif 000003
【図２】
2014110346.tif 000004
【図４】
2014110346.tif 000005
【図７】
2014110346.tif 000006
【図９】
2014110346.tif 000007
【図１０】
2014110346.tif 000008
【図１１】
2014110346.tif 000009
【図１２】
2014110346.tif 000010
【図３】
2014110346.tif 000011
【図５】
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【図６】
2014110346.tif 000013
【図８】
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