(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導線が螺旋円筒状に巻回されて構成されたコイルと、前記コイルが装着される円柱状のコア中芯部と、前記コア中芯部の両端を前記コイルの外側でつなぐ複数のコア脚部と、を備えてなるトランスと、
前記トランスを床面上に搭載した収納筐体と、
前記収納筐体の側面部に配設されて前記トランスに冷風を送風するファンと、
を備え、
前記トランスは、前記トランスを搭載する収納筐体の床面に対し前記コア中芯部の中心軸が略平行で、かつ、前記コア中芯部の中心軸の方向と前記ファンから送風される冷風の方向とが同じになるようにして、前記収納筐体に配設されること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記トランスは、前記複数のコア脚部のうち１のコア脚部が、前記螺旋円筒状のコイルの外周側面に接する接平面に略平行で平坦な外周面を有し、前記１のコア脚部の前記外周面を前記収納筐体の床面に接するようにして、前記収納筐体に配設されること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記１のコア脚部の前記外周面は、前記収納筐体の床面と高熱伝導材を介して密着すること
を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記１のコア脚部のサイズは、前記複数のコア脚部のうちの前記１のコア脚部と異なるコア脚部のサイズよりも大きいこと
を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記複数のコア脚部のうちの前記１のコア脚部と異なるコア脚部の少なくとも１つは、前記螺旋円筒状のコイルの外周側面に接する接平面に略平行で平坦な外周面を有し、その外周面に放熱フィンが設けられていること
を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記トランスの前記螺旋円筒状のコイルの内壁と、前記コイルが装着される前記コア中芯部の外壁との間に高熱伝導材が挟まれていること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記トランスの前記コイルを構成する一次コイルおよび二次コイルそれぞれに接続される４つの端子のうち、２つの端子が前記コイルの一方の端面側に設けられ、他の２つの端子が前記コイルの他方の端面側に設けられること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランスを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧や電流などの電力変換装置には、しばしば、コア（磁気コア、鉄心などともいう）に導線を巻き付けた構造のトランスが用いられる。トランスを用いて大きな電力を変換するには、大きなコアと太い導線が必要であることから、電力変換装置を小型軽量化のためには、まず、トランスを小型化することが強く求められる。
【０００３】
トランスの小型軽量化のために、コアに巻き付ける導線を細くすると、導線の抵抗が増大し、そのジュール熱のためにコアの温度が上昇して、コアが磁気飽和を起こし、トランスとしての電力変換機能を失う。また、温度上昇を考慮せずにコアを単に小さくすると、コアの中の磁束密度が大きくなるので、当然ながら磁気飽和を起こし易くなる。そこで、トランスの小型化のためには、コアや巻き線部（コイル）の温度上昇を抑えて、コアが磁気飽和に達しないようにする必要がある。
【０００４】
特許文献１には、導線が巻かれ中足となる中央部４９の突起部５０と、その中央部４９の外周から分岐した４つの脚部４７とからなるフェライトコア４６を備えたトランスの例が開示されている（図９など参照）。そして、脚部４７を４つにした効果として、フェライトコアの放熱性が向上することが記載されている（段落００６２など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２４０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のトランスでは、コアの脚部を増加させ、コアの表面積を増大させていることから、確かにコアの放熱性は向上する。従来、このようなコアの構造を有するトランスは、特許文献１にも記載されているように、コイルの中心軸がコアの据え付け面に対して垂直方向に配置されることが多い。その場合、例えば、コアの側方に配置されたファンからの冷風は、コイルおよびコイルが設けられている中足部分には、外側の脚部が障害物となって届きにくい。とくに、風下側のコイルや脚部には、冷風はほとんど届かないといってよい。
【０００７】
つまり、従来技術には、とくにコアの中足部やコイルからは充分な放熱性能が得られないという問題があることが分かる。そのため、磁気飽和を防止するためには、コアの中の磁束密度を小さくするためにコアを大きくすることが必要となり、このことがトランスの小型化の障害となっている。
【０００８】
そこで、本発明は、コアおよびコイルからの放熱性を向上させて、小型化することが可能なトランスを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力変換装置は、導線が螺旋円筒状に巻回されて構成されたコイルと、前記コイルが装着される円柱状のコア中芯部と、前記コア中芯部の両端を前記コイルの外側でつなぐ複数のコア脚部と、を備えてなるトランスと、前記トランスを床面上に搭載した収納筐体と、前記収納筐体の側面部に配設されて前記トランスに冷風を送風するファンと、を備え、前記トランスは、前記トランスを搭載する収納筐体の床面に対し前記コア中芯部の中心軸が略平行で、かつ、前記コア中芯部の中心軸の方向と前記ファンから送風される冷風の方向とが同じになるようにして、前記収納筐体に配設されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コアおよびコイルからの放熱性を向上させて、小型化することが可能なトランスを備えた電力変換装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るトランスの概略構造の例を示した斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ’位置におけるトランスの縦断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るトランスを用いた電力変換装置の筐体内配置の例を模式的に示した斜視図。
【図４】図３に示した電力変換装置の筐体内配置の上面図。
【図５】トランスが縦置きされた場合の電力変換装置の筐体内配置の上面図を比較例として示した図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るトランスの概略構造の例を示した斜視図。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るトランスの概略構造の例を示した斜視図。
【図８】図７に示したトランスの上面図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るトランスの概略構造の例を示した斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るトランス１０の概略構造の例を示した斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ’位置におけるトランス１０の縦断面図である。本実施形態に係るトランス１０は、図１および図２に示すように、鉄心であるコア１１と、導線が螺旋円筒状に巻回されたコイル１３と、コイル１３が装着されたボビン１２と、コイル１３を外部配線と接続するための一次コイル端子１４および二次コイル端子１５と、を備えて構成される。
【００１５】
ここで、ボビン１２は、コイル１３が巻回される円筒部１２ａ（図２参照）と、円筒部１２ａの両端に設けられ、コイル１３の導線が円筒部１２ａからはみ出ないようにする鍔状のフランジ部１２ｂ（図１参照）と、からなる。
【００１６】
また、コア１１は、コイル１３が巻回されたボビン１２が装着される円柱状のコア中芯部１１ａと、円柱状のコア中芯部１１ａの両端をコイル１３の外側でつなぐ４つのコア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅと、から構成される。そして、ここでは、これら４つのコア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、いずれも円筒状のコイル１３の外周側面に接する接平面（図示せず）に略平行で平坦な外周面１１ｂ１，１１ｃ１，１１ｄ１，１１ｅ１を有しているものとする。なお、４つのコア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅは、コイル１３に電流が流れたとき、コイル１３の外側に発生する磁束の通路（磁路）となる。
【００１７】
また、本実施形態では、トランス１０は、コア中芯部１１ａの中心軸１１ａ１が略水平（筐体２０の床面２０ａに対して略平行）になる状態で、筐体２０の床面２０ａ上に配設される。なお、本明細書では、コア中芯部１１ａの中心軸１１ａ１が略水平になる状態で筐体２０に配設されることを、以下、トランス１０（または、コア１１）が横置きされるという。
【００１８】
ここで、トランス１０が筐体２０の床面２０ａに横置きされたとき、床面２０ａに接して、トランス１０全体を支持するコア脚部１１ｂは、他の３つのコア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅよりもサイズが大きいものとし、その外周面１１ｂ１を床面２０ａに密着させるものとする。このとき、筐体２０の材料としては、アルミニウムや銅のように磁性を持たず、熱伝導率の高い材料を用いるのが好ましい。
従って、本実施形態では、コア１１と床面２０ａの接触面積が増大するので、コア１１で発生した熱を効果的に筐体２０へ放熱することができる。
【００１９】
さらに、好ましくは、コア脚部１１ｂの外周面１１ｂ１と床面２０ａとの間に熱伝導性に優れたグリースなどの高熱伝導材２１を挟んでおくものとする。これにより、コア脚部１１ｂから筐体２０への放熱性をさらに向上させることができる。
【００２０】
なお、コア１１の材料や製法は、コイル電流の動作周波数や容量によって種々のものを採用できる。例えば、材料がフェライトである場合、図２に示した形状は、金型を用いて成型することができる。また、材料がアモルファス金属箔である場合、金属箔を多数巻き重ねてコア中芯部１１ａ、コア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅそれぞれに分割した形状のものを形成し、これらを組み合わせ接合して、所望のコア１１の形状にすることができる。
【００２１】
なお、以上の実施形態の説明では、コア１１のコア脚部の数は４つとしているが、２つ以上であればいくつでもよい。また、床面２０ａに接するコア脚部１１ｂの除いたコア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅの外周面１１ｃ１，１１ｄ１，１１ｅ１は平坦であるとしているが、これらの外周面１１ｃ１，１１ｄ１，１１ｅ１は、必ずしも平坦でなくてもよい。
【００２２】
図３は、本発明の第１の実施形態に係るトランス１０を用いた電力変換装置１００の筐体内配置の例を模式的に示した斜視図、図４は、図３に示した電力変換装置１００の筐体内配置の上面図である。ただし、これらの図面では、トランス１０以外は、単なるブロックのみで表示されている。
【００２３】
図３および図４に示すように、電力変換装置１００は、筐体２０の側壁部に入出力端子１０１およびファン１０２などが設けられ、また、筐体２０の中にトランス１０、電力変換回路１０３、制御回路１０４、電源回路１０５などが配設されて構成される。ここで、電力変換回路１０３は、ＡＣ／ＤＣ変換回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路などで構成される。また、制御回路１０４は、電力変換回路１０３を制御し、電源回路１０５は、制御回路１０４やファン１０２に動作電流を供給する。
【００２４】
トランス１０は、前記したように筐体２０の床面２０ａ上に横置きされるとともに、さらに図４に示すように、コア中芯部１１ａ（図１参照）の中心軸１１ａ１がファン１０２から送風される冷風１０６の方向と略平行になるように配設される。この場合には、冷風１０６は、円筒状のコイル１３の側面およびコア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅに沿って流れることになる。従って、コイル１３およびコア１１は、ファン１０２からの冷風１０６により効率よく冷却される。そのため、コイル１３およびコア１１の温度上昇が抑制され、とくにコア中芯部１１ａについては、その過熱が防止される。
【００２５】
なお、トランス１０は、筐体２０の床面２０ａに直接配設ざれるのではなく、例えば、銅やアルミニウムの基材の表面に絶縁樹脂を塗布硬化させ、さらにその上に銅による回路形成を施した高熱伝導性の回路基板上に配設されるものとしてもよい。
【００２６】
図５は、トランス１０が縦置きされた場合の電力変換装置１００ａの筐体内配置の上面図を比較例として示した図である。ここで、トランス１０が縦置きされるとは、トランス１０が、コア中芯部１１ａの中心軸１１ａ１が筐体２０の床面２０ａに対して略垂直になる状態で筐体２０に配設されることをいう。この比較例の場合、ファン１０２からの冷風１０６は、トランス１０の風上側のコイル１３の面やコア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｅの面にしか当たらず、風下側のコイル１３表面やコア脚部１１ｄにはほとんど当たらない。また、コイル１３の風上側の面であっても、その近傍は、３つのコア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅに囲まれているため、冷風１０６の流路から外れることととなり、熱がこもり易い。
【００２７】
以上のように、比較例の場合、とくにコイル１３部分からの放熱が不十分となり易く、コイル１３の温度が上昇する。そして、コイル１３の温度が上昇すると、そのコイル抵抗が増加するために、コイル１３の温度が上昇し、過熱する。その結果、コイル１３が装着されているコア中芯部１１ａの温度も上昇し過熱する。
【００２８】
ところで、フェライトなどコア１１の材料は、通常、温度が上昇すると飽和磁束密度が低下するという性質を有している。そのため、比較例では、とくにコア中芯部１１ａでの温度上昇による磁気飽和を防止するには、円柱状のコア中芯部１１ａの円柱の径を大きくせざるを得ない。しかしながら、コア中芯部１１ａの円柱の径を大きくすることは、コア１１全体つまりトランス１０の大型化することを意味する。
【００２９】
それに対し、本実施形態では、前記したようにトランス１０が横置きされ、冷風１０６が円筒状のコイル１３の側面やコア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅに沿って流れるので、コイル１３のみならずコア中芯部１１ａの温度上昇が抑制され、過熱が防止される。すなわち、本実施形態は、比較例に比べれば、円柱状のコア中芯部１１ａの径を小さくすることが可能となり、トランス１０を小型化できるという効果を奏する。
【００３０】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係るトランス１０ａの概略構造の例を示した斜視図である。この第２の実施形態に係るトランス１０ａは、前記した第１の実施形態に係るトランス１０（図１参照）とほとんど同じ構造をしているが、次の点で相違している。すなわち、第１の実施形態に係るトランス１０では、ボビン１２の円筒部１２ａの内壁とコア中芯部１１ａの外壁との間には、わずかな空隙が設けられおり、両者は必ずしも密着していない。一方、本実施形態に係るトランス１０ａでは、ボビン１２の円筒部１２ａの内壁とコア中芯部１１ａの外壁との間には、高熱伝導樹脂３０が挟み込まれており、両者は、この高熱伝導樹脂３０を介して密着している。従って、コイル１３のとくに中心側で発生する熱は、コア中芯部１１ａへ伝わり易くなり、さらに、４つのコア脚部１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅを介して外部へ放散し易くなっている。
【００３１】
以上を考慮すれば、ボビン１２の材料としては、高熱伝導性を有し、絶縁性に優れた材料を用いるのが好ましい。例えば、ボビン１２の材料として、ポリエステル、ポリエチレン、エポキシ、フェノールなどの樹脂に、窒化アルミニウムやアルミナなどの絶縁性を有し、高熱伝導性のセラミックスを配合した複合材料を用いることができる。また、ボビン１２の円筒部１２ａの内壁とコア中芯部１１ａの外壁との間に挟み込む高熱伝導樹脂３０の材料としては、シリコーンやエポキシ、フェノールなどの樹脂に、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックス粉や、アルミニウム、銅などの磁性を有しない金属粉や、カーボンなどを配合した複合材料を用いることができる。
【００３２】
以上、本実施形態によれば、コイル１３の温度上昇および過熱が抑制されるので、コア中芯部１１ａの温度上昇および過熱も抑制される。従って、本実施形態では、第１の実施形態の場合以上に、円柱状のコア中芯部１１ａの径を小さくすることが可能となるため、トランス１０を小型化できる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係るトランス１０ｂの概略構造の例を示した斜視図であり、図８は、図７に示したトランス１０ｂの上面図である。この第３実施形態に係るトランス１０ｂは、前記した第１の実施形態に係るトランス１０（図１参照）とほとんど同じ構造をしているが、次の点で第１の実施形態に係るトランス１０と相違している。すなわち、第１の実施形態に係るトランス１０では、コイル１３から取り出される一次コイル端子１４および二次コイル端子１５は、ボビン１２の同じフランジ部１２ｂに設けられている（図１参照）。一方、本実施形態に係るトランス１０ｂでは、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５は、ボビン１２の互いに反対側の端部のフランジ部１２ｂに設けられている（図７、図８参照）。
【００３４】
なお、図８および図９では、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５がそれぞれボビン１２の互いに反対側のフランジ部１２ｂに設けられているものとして描かれているが、それぞれのフランジ部１２ｂに設けられる端子の組は、この組み合わせに限定されない。例えば、一次コイル端子１４の第１の端子と二次コイル端子１５の第１の端子が同じ側のフランジ部１２ｂに設けられて、一次コイル端子１４の第２の端子と二次コイル端子１５の第２の端子が前記フランジ部１２ｂと反対側のフランジ部１２ｂに設けられてもよい。
【００３５】
ところで、例えば、図５に示したように、トランス１０が縦置きされた場合、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５は、ボビン１２の同じ上面側のフランジ部１２ｂにしか設けることできない。それに対し、本実施形態では、トランス１０ｂが横置きされているため、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５は、それぞれ、ボビン１２の互いに異なるフランジ部１２ｂに設けることができる。これは、端子設定位置の自由度が増加することを意味し、トランス１０ｂが小型化されるときには有利な特徴となる。
【００３６】
一般に、トランス１０ｂが小型化されると、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５それぞれの間の距離が短くなるため、絶縁距離を確保することが困難になってくるという問題が生じる。しかしながら、本実施形態では、一次コイル端子１４および二次コイル端子１５を互いに反対側のフランジ部１２ｂに設けることができるため、それぞれの端子間の絶縁距離の確保が容易となる。すなわち、本実施形態は、単にトランスの小型化が可能になるというだけでなく、小型で大容量のトランスの実現が容易になるという効果を奏する。
【００３７】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係るトランス１０ｃの概略構造の例を示した斜視図である。この第４実施形態に係るトランス１０ｃは、前記した第３の実施形態に係るトランス１０ｂ（図７参照）とほとんど同じ構造をしているが、放熱フィン５０がコア脚部１１ｄの上部に搭載されている点で、他の実施形態に係るトランス１０ｂと相違している。
【００３８】
図９に示すように、放熱フィン５０の平坦な下面は、コア脚部１１ｄの外周面１１ｄ１と高熱伝導材５１を介して密着している。ここで、高熱伝導材５１としては、窒化アルミニウム、アルミナなどのセラミックス粉や、アルミニウム、銅など磁性を有しない金属粉や、カーボンなどを配合した接着剤を用いることができる。あるいは、高熱伝導材５１として、シリコーンオイルに同様のセラミックス粉や金属粉やカーボンなどを配合した充填剤を用いてもよい。ただし、この場合には、図示しないボルトなどを用いて、放熱フィン５０とコア脚部１１ｄとを固定する必要がある。あるいは、同様にボルトなどを用いて、放熱フィン５０と、コア脚部１１ｄを含むトランス１０ｃと、トランス１０ｃを搭載している筐体２０とを併せて固定する構造にする必要がある。
【００３９】
また、放熱フィン５０の材料としては、熱伝導率の大きい銅やアルミニウムなどを用いるものとする。そして、放熱フィン５０の上部に形成される溝の方向がコア中芯部１１ａの中心軸１１ａ１（図１参照）の方向と同じになるように、コア脚部１１ｄ上に放熱フィン５０を配設する。さらに、図３および図４に示したように、ファン１０２の冷風１０６の方向とコア中芯部１１ａの中心軸１１ａ１の方向とが同じになるように、筐体２０内にトランス１０ｃを配設する。こうしたことにより、放熱フィン５０からの放熱量をより効果的に増大させることができる。
【００４０】
以上、本実施形態によれば、放熱フィン５０により、コア１１からの放熱量を増大させることができるので、コア中芯部１１ａでの温度上昇をより効果的に抑制し、その加熱を防止することができる。よって、円柱状のコア中芯部１１ａの径をより小さくすることが可能となり、トランス１０ｃが小型化される。
【００４１】
なお、本実施形態では、放熱フィン５０は、コア１１の上部に位置するコア脚部１１ｄに取り付けられるものとしているが、コア１１の側部に位置するコア脚部１１ｃ，１１ｅの一方に取り付けられるものとしてもよく、コア脚部１１ｃ，１１ｄ，１１ｅのうちの２つまたは３つすべてに取り付けるとしてもよい。
【００４２】
本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  トランス
１１    コア
１１ａ  コア中芯部
１１ａ１  中心軸
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ  コア脚部
１１ｂ１，１１ｃ１，１１ｄ１，１１ｅ１  外周面
１２    ボビン
１２ａ  円筒部
１２ｂ  フランジ部
１３    コイル
１４    一次コイル端子
１５    二次コイル端子
２０    筐体（収納鏡体）
２０ａ  床面
２１    高熱伝導材
３０    高熱伝導樹脂
５０    放熱フィン
５１    高熱伝導材
１００，１００ａ  電力変換装置
１０１  入出力端子
１０２  ファン
１０３  電力変換回路
１０４  制御回路
１０５  電源回路
１０６  冷風
【図１】
0006393212.tif 000002
【図２】
0006393212.tif 000003
【図３】
0006393212.tif 000004
【図４】
0006393212.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006393212.tif 000007
【図７】
0006393212.tif 000008
【図８】
0006393212.tif 000009
【図９】
0006393212.tif 000010