JP6922514B2 - リアクトル - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、リアクトルに関する。

ハイブリッド車を含む電気自動車は、バッテリの出力電力を交流に変換して走行用モータに供給する電力変換装置を搭載している。電力変換装置は、直流を交流に変換するインバータ回路のほかに、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路を備えることがある。電圧コンバータ回路は複数のスイッチング素子とリアクトルを有している。リアクトルには大電流が流れるので発熱量も多いため、リアクトルは冷却器で冷却される。リアクトルを冷却する冷却器の一例が特許文献１〜３に開示されている。特許文献１に開示されている技術では、リアクトルのコイルの三方の側面を囲むように冷却器が配置され、冷却器とコイルとの間に樹脂が充填されている。特許文献２、３に開示されている技術では、コイルの三方の側面のうち、少なくとも二方ではコイルと冷却器は空隙を挟んで対向している。

特開２０１５−１７０７５３号公報 特開２０１５−１１６０４０号公報 特開２０１３−０３８８３４号公報

しかしながら、特許文献１〜３の技術は、冷却器の冷却効率を向上させるという観点において十分な技術とはいえなかった。例えば、特許文献１の技術では、冷却器とコイルとの間に樹脂が充填されているため、冷却器とコイルとを密着させてこれらの間の界面熱抵抗を減少させることが困難であった。特許文献２、３の技術では、冷却器の一部とコイルが空隙を挟んで対向しているため、コイルから冷却器への伝熱性が効率的とは言い難い。このように、リアクトルを冷却する冷却器の冷却効率の向上を図る技術については、なお改善の余地があった。

本明細書が開示する技術は、上述した課題を解決するためになされたものであり、リアクトルを冷却する冷却器の冷却効率の向上を図ることを目的とする。

本明細書が開示する技術は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本明細書が開示する技術の一形態によれば、リアクトルが提供される。このリアクトルは、コアに巻回されているコイルと、第１冷却器と、第２冷却器と、第３冷却器を備えている。第１冷却器は、コイル側面と放熱部材を介して対向している。第２冷却器は、コイルを挟んで第１冷却器と対向する位置に配置され、放熱部材を介してコイルの別の側面と対向している。第３冷却器と、第１冷却器と第１の連結部を介して接続されるとともに、第２冷却器と第２の連結部を介して接続され、放熱部材を介してコイルのさらに別の側面と対向している。第１の連結部と第２の連結部は、第１冷却器と第２冷却器の対向方向に伸縮可能である。第１冷却器は、第１の連結部の対向方向の変形によって、第３冷却器およびコイルに近づく方向へ変位可能に構成されている。第２冷却器は、第２の連結部の対向方向の変形によって、第３冷却器およびコイルに近づく方向へ変位可能に構成されている。

この構成によれば、第１冷却器および第２冷却器は、それぞれ、第３冷却器およびコイルに近づく方向へ変位できるため、第１冷却器および第２冷却器をコイルに密着させることができる。これにより、第１および第２冷却器とコイルとの間の界面熱抵抗を減少させることができ、冷却効率の向上を図ることができる。

なお、本明細書が開示する技術は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、リアクトルを備えるコンバータ回路、このコンバータ回路を備える電力変換装置、この電力変換装置を備える車両、リアクトルの冷却装置、リアクトルの冷却方法、リアクトルの製造方法などの形態で実現することができる。

リアクトルの斜視図である。 リアクトルの平面図である。 連結部材の構成を説明するための図である。 冷却装置によるコイルの冷却方法を説明するための図である。 第２実施形態のリアクトルを説明するための図である。 第３実施形態の第１連結部を説明するための図である。 第４実施形態のリアクトルを説明するための図である。

＜第１実施形態＞
図１、２を用いて本実施形態のリアクトル１の全体構成について説明する。図１、２には、ＸＹＺ座標系が示されており、適宜、ＸＹＺ座標系を用いてリアクトル１の構成を説明する。図１は、リアクトル１の斜視図である。図２は、リアクトル１の平面図であり、上方側（Ｚ軸正方向側）から見たリアクトル１が示されている。

リアクトル１は、２つのコイル２（２ａ、２ｂ）と、ボビン３と、コア４と、冷却装置５と、放熱部材６とを備えている。リアクトル１は、磁性体粒子を含む樹脂（磁性体混合樹脂）によって固められており、リアクトル１の外部には直方体形状の封止樹脂８が形成されている。理解を助けるため、図１、図２では、封止樹脂８は仮想線で描いてある。

２つのコイル２（２ａ、２ｂ）は、電気的に直列に接続されており、それぞれ、ボビン３に巻回されている。２つのコイル２（２ａ、２ｂ）の巻線は、平板形状を有しており、全長にわたって絶縁膜で覆われている。ボビン３は、樹脂によって形成され、２つのコイル２（２ａ、２ｂ）が巻回されている。ボビン３のコイル軸線方向（Ｚ軸方向）の両側には、フランジ部３１が設けられており、フランジ部３１がコイル２の両端を規制している。コイル２ａの巻線の端部は、バスバ２１に接続され、コイル２ｂの巻線の端部は、バスバ２２に接続されている。コア４は、それぞれＵ字形状の上側コア部材４ａ、および、下側コア部材４ｂによって構成され、全体として環形状の外形を有している。コア４の一部はボビン３によって覆われており、そこにさらにコイル２（２ａ、２ｂ）が巻回されている。

冷却装置５は、第１冷却器５１と、第２冷却器５２と、第３冷却器５３と、冷媒供給口５４と、冷媒排出口５５とを備えている。冷却装置５は、コイル２（２ａ、２ｂ）を３方面から冷却できるように、コイル２（２ａ、２ｂ）の３つの側面に対向するように３つの冷却器５１〜５３がコの字状に配置されている。言い換えれば、冷却装置５は、コイル２を３つの冷却器５１〜５３によって形成されたコの字の内側に挟み込むように構成されている。

３つの冷却器５１〜５３は、それぞれ、平板状に形成された冷却チューブであり、内部に冷媒が流通する流路が形成されている。図２に示すように、冷却器５１〜５３の主面（面積が最も広い面の一方）は、それぞれ、放熱部材６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）を介してコイル２（２ａ、２ｂ）と対向している。具体的には、第１冷却器５１は、コイル２（２ａ、２ｂ）の左側（Ｘ軸負方向側）に配置され、コイル２ａの左側面と放熱部材６ａを介して対向している。第２冷却器５２は、コイル２の右側（Ｘ軸正方向側）に配置され、２つのコイル２を挟んで第１冷却器５１と対向するとともに、放熱部材６ｄを介してコイル２ｂの右側面と対向している。第３冷却器５３は、コイル２（２ａ、２ｂ）の後側（Ｙ軸負方向側）に配置され、コイル２ａの後側面と放熱部材６ｂを介して対向するとともに、コイル２ｂの後側面と放熱部材６ｃを介して対向している。放熱部材６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）は、コイル２と冷却器５１〜５３との間に配置された平板状の部材であり、絶縁性を有している。

冷却器５１〜５３は、連結部材７（７ａ、７ｂ）によって互いに連結されている。具体的には、第１冷却器５１は、第１連結部材７ａによって、第３冷却器５３に連結され、第２冷却器５２は、第２連結部材７ｂによって、第３冷却器５３に連結されている。連結部材７は、内部に冷媒が流通する流路が形成されており、連結されている両側の冷却器のそれぞれの内部と連通している。冷却装置５は、連結部材７に連結されている一方の冷却器を流通した冷媒が連結部材７の内部の流路を経由して他方の冷却器に移動可能に構成されている。具体的には、冷却装置５は、冷媒供給口５４から第１冷却器５１の内部に流入した冷媒が第１連結部材７ａの内部を経由して第３冷却器５３の内部に移動するように構成されている。そして、第３冷却器５３の内部を流通した冷媒が第２連結部材７ｂの内部を経由して第２冷却器５２の内部に移動し、その後、冷媒排出口５５から排出されるように構成されている。

図３は、連結部材７（７ａ、７ｂ）の構成を説明するための図である。ここでは、一例として、第１冷却器５１と第３冷却器５３との間に配置された第１連結部材７ａの構成について説明する。第２連結部材７ｂ（図２）は第１連結部材７ａと同様の構成を有していており、ここでは説明を省略する。図３（Ａ）に示すように、連結部材７（第１連結部材７ａ）は、それぞれ筒形状のメス部材７１とオス部材７２とを備えている。図３（Ｂ）に示すように、第１連結部材７ａは、メス部材７１の内側にオス部材７２が挿入され、オス部材７２が挿入される程度によって、連結部材７の軸線方向（図３の上下方向）に伸縮可能となっている。これにより、図３（Ｃ）に示すように、第１連結部材７ａが軸線方向の長さが小さくなるように変形（縮小）することによって、第１冷却器５１は第３冷却器５３に近づく方向に変位することができる。図３（Ｂ）では、連結部材７の軸線方向の長さがＬ１であったものが、図３（Ｃ）では、連結部材７の軸線方向の長さは、Ｌ１よりも短いＬ２になっている。同様に、第２連結部材７ｂ（図２参照）が軸線方向の長さが小さくなるように変形することによって、第２冷却器５２は第３冷却器５３に近づく方向に変位することができる。言い換えれば、冷却装置５は、２つの連結部材７（７ａ、７ｂ）を縮小変形させることによって、３つの冷却器５１〜５３によって形成されるコの字状の内側部分を小さくすることができる。

以後、ここでは、図３（Ｃ）に示すように、第１連結部材７ａのほか、第１冷却器５１の第１連結部材７ａに連結されている周辺部分、および、第３冷却器５３の第１連結部材７ａに連結されている周辺部分を含めた全体を「第１連結部ＪＡ１」とも呼ぶ。また、第２連結部材７ｂのほか、第２冷却器５２の第２連結部材７ｂに連結されている周辺部分、および、第３冷却器５３の第２連結部材７ｂに連結されている周辺部分を含めた全体を「第２連結部ＪＡ２」（不図示）とも呼ぶ。本実施形態では、第１連結部ＪＡ１のうちの第１連結部材７ａの変形によって、第１冷却器５１は第３冷却器５３に近づく方向に変位することができる。また、第２連結部ＪＡ２のうちの第２連結部材７ｂの変形によって、第２冷却器５２は第３冷却器５３に近づく方向に変位することができる。なお、第１連結部ＪＡ１のうちの第１連結部材７ａ以外の部分の変形によって、第１冷却器５１は第３冷却器５３に近づく方向に変位してもよい。第２連結部ＪＡ２についても同様である。以後、第１連結部ＪＡ１と第２連結部ＪＡ２とを総称して単に「連結部ＪＡ」とも呼ぶ。上述のように、連結部ＪＡは、連結部材７だけでなく、連結部材７に連結されている冷却器の一部を含んでいる。

図４は、冷却装置５によるコイル２（２ａ、２ｂ）の冷却方法を説明するための図である。上述のように、冷却装置５は、冷媒供給口５４から第１冷却器５１に流入した冷媒が第３冷却器５３および第２冷却器５２を経由して冷媒排出口５５から排出されるように構成されている。コイル２ａから発生する熱の一部は、放熱部材６ａを経由して、第１冷却器５１の内部を流通する冷媒に吸収される。また、放熱部材６ｂを経由して、第３冷却器５３の内部を流通する冷媒に吸収される。コイル２ｂから発生する熱の一部は、放熱部材６ｃを経由して、第３冷却器５３の内部を流通する冷媒に吸収される。また、放熱部材６ｄを経由して、第２冷却器５２の内部を流通する冷媒に吸収される。

冷却器５１〜５３は、封止樹脂８によって、コイル２（２ａ、２ｂ）に押しつけられるように加圧された状態で封止されている。すなわち、第１冷却器５１は、コイル２ａに近づく方向（Ｘ軸正方向）に加圧され、第２冷却器５２は、コイル２ｂに近づく方向（Ｘ軸負方向）に加圧され、第３冷却器５３は、２つのコイル２（２ａ、２ｂ）に近づく方向（Ｙ軸正方向）に加圧されている。既述のように、第１冷却器５１は、第１連結部材７ａの変形（縮小）によって、第３冷却器５３に近づく方向に変位可能に構成されている。そのため、第１冷却器５１は、第３冷却器５３およびコイル２ａに近づく方向（Ｘ軸正方向）に変位した状態で封止（固定）されている。また、既述のように、第２冷却器５２は、第２連結部材７ｂの変形（縮小）によって、第３冷却器５３に近づく方向に変位可能に構成されている。そのため、第２冷却器５２は、第３冷却器５３およびコイル２ｂに近づく方向（Ｘ軸負方向）に変位した状態で封止（固定）されている。言い換えれば、冷却装置５は、２つの連結部材７を縮小変形させた状態、すなわち、３つの冷却器５１〜５３によって形成されるコの字状の内側部分が小さくなった状態で封止（固定）されている。

第１冷却器５１は、コイル２ａに密着するように放熱部材６ａに押しつけられた状態で封止されているため、第１冷却器５１とコイル２ａとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。第１冷却器５１とコイル２ａとの間の界面熱抵抗には、第１冷却器５１と放熱部材６ａとの間の界面熱抵抗、および、放熱部材６ａとコイル２ａとの間の界面熱抵抗が含まれる。また、第２冷却器５２は、コイル２ｂに密着するように放熱部材６ｄに押しつけられた状態で封止されているため、第２冷却器５２とコイル２ｂとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。第２冷却器５２とコイル２ｂとの間の界面熱抵抗には、第２冷却器５２と放熱部材６ｄとの間の界面熱抵抗、および、放熱部材６ｄとコイル２ｂとの間の界面熱抵抗が含まれる。また、第３冷却器５３は、２つのコイル２（２ａ、２ｂ）に密着するように放熱部材６ｂおよび放熱部材６ｃに押しつけられた状態で封止されているため、第３冷却器５３と２つのコイル２との間の界面熱抵抗を減少させることができる。

＜本実施形態の効果＞
以上説明した、本実施形態のリアクトル１によれば、第１冷却器５１および第２冷却器５２は、連結部材７によって、それぞれ、第３冷却器５３およびコイル２に近づく方向へ変位できるように構成されている。そのため、第１冷却器５１および第２冷却器５２を第３冷却器５３およびコイル２に近づけた状態（変位させた状態）で封止（固定）することができる。これにより、第１冷却器５１および第２冷却器５２をコイル２に密着させることができ、第１冷却器５１および第２冷却器５２と、コイル２との間の界面熱抵抗を減少させることができる。冷却器とコイルとの間の界面熱抵抗を減少させることによって、冷却器によるコイルの冷却効率の向上を図ることができる。

従来から、コイルの三方の側面を囲むように冷却器が配置され、コイルや冷却器が樹脂によって封止されたリアクトルが知られている。しかし、従来の技術では、冷却器がコイル側に変位できないため、コイルと冷却器とを十分に密着させることができなかった。冷却器をコイルに密着させることができれば、冷却器によるコイルの冷却効率を向上させることができる。本実施形態のリアクトル１によれば、第１冷却器５１および第２冷却器５２は、それぞれ、コイル２に近づく方向へ変位可能に構成されているため、第１冷却器５１および第２冷却器５２をコイル２に密着するように変位させた状態で封止することができる。これにより、冷却器とコイルとの間の界面熱抵抗が減少し、冷却器によるコイルの冷却効率が向上する。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態のリアクトル１ａを説明するための図である。第１実施形態のリアクトル１（図２）は、封止樹脂８によって冷却器５１〜５３を加圧し、これらをコイル２に密着させていた。しかし、冷却装置５は、封止樹脂８以外の構成によって冷却器５１〜５３を加圧してもよい。例えば、第２実施形態のリアクトル１ａは、封止樹脂８の代わりに３つの板バネ９（９ａ、９ｂ、９ｃ）を備えている。なお、第１板バネ９ａの左側、第２板バネ９ｂの下側、及び、第３板バネ９ｃの右側には、夫々、不図示の支持部材（例えばリアクトル１ａを収容するケースの側壁）が配置されている。第１板バネ９ａは、第１冷却器５１の左側（Ｘ軸負方向側）に配置され、第１冷却器５１を右方向（Ｘ軸正方向）に押圧する。第２板バネ９ｂは、第３冷却器５３の後側（Ｙ軸負方向側）に配置され、第３冷却器５３を前方向（Ｙ軸正方向）に押圧する。第３板バネ９ｃは、第２冷却器５２の右側（Ｘ軸正方向側）に配置され、第２冷却器５２を左方向（Ｘ軸負方向）に押圧する。

このような構成であっても、第１冷却器５１は、コイル２ａに密着するように放熱部材６ａに押しつけられた状態で固定されているため、第１冷却器５１とコイル２ａとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。また、第２冷却器５２は、コイル２ｂに密着するように放熱部材６ｄに押しつけられた状態で固定されているため、第２冷却器５２とコイル２ｂとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。また、第３冷却器５３は、２つのコイル２に密着するように放熱部材６ｂおよび放熱部材６ｃに押しつけられた状態で固定されているため、第３冷却器５３と２つのコイル２との間の界面熱抵抗を減少させることができる。よって、第１実施形態と同様に冷却器によるコイルの冷却効率の向上を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図６は、第３実施形態の第１連結部ＪＢ１を説明するための図である。第１実施形態のリアクトル１は、第１連結部ＪＡ１のうちの第１連結部材７ａの変形（縮小）によって第１冷却器５１がコイル２に近づくように変位可能に構成されていた。しかし、第１連結部ＪＡ１は、第１連結部材７ａ以外の部分の変形によって、第１冷却器５１がコイル２に近づくように変位可能に構成されてもよい。例えば、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、第３実施形態の第１連結部ＪＢ１は、第１冷却器５１の第１連結部材７ｃに連結されている周辺部分、および、第３冷却器５３の第１連結部材７ｃに連結されている周辺部分のそれぞれに、溝部ＧＰが形成されている。溝部ＧＰは、第１冷却器５１および第３冷却器５３のそれぞれにおいて、壁厚が相対的に薄くなった部位であり、第１連結部材７ｃとの接続部を囲むように環形状の外形を有している。一方、第３実施形態の第１連結部材７ｃは、オス部材７２とメス部材７１とがレーザー溶接やろう付けによって接合されており軸方向の伸縮ができない。図６（Ｃ）に示すように、第１冷却器５１を第３冷却器５３に近づける方向に加圧すると、第１冷却器５１および第３冷却器５３に設けられた溝部ＧＰが塑性変形することによって、第１冷却器５１は第３冷却器５３に近づく方向に変位することができる。図６（Ｂ）では、連結部材７を挟んだ第１冷却器５１と第３冷却器５３の間の距離がＬ３であったものが、図６（Ｃ）では、第１冷却器５１と第３冷却器５３の間の距離は、Ｌ３よりも短いＬ４となっている。

このような構成であっても、第１冷却器５１をコイル２ａに密着するように放熱部材６ａに押しつけられた状態で封止（固定）することができるため、第１冷却器５１とコイル２ａとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。第２連結部ＪＢ２（不図示）についても第１連結部ＪＢ１と同様の構成とすることによって、第２冷却器５２をコイル２ｂに密着するように放熱部材６ｄに押しつけられた状態で封止（固定）することができるため、第２冷却器５２とコイル２ｂとの間の界面熱抵抗を減少させることができる。なお、不図示のＪＢ２とは、第２冷却器５２と第３冷却器５３の連結部分とその周辺を含む部位である。

＜第４実施形態＞
図７は、第４実施形態のリアクトル１ｂを説明するための図である。第１実施形態では、封止樹脂８によって３つの冷却器５１〜５３を加圧しており、第２実施形態では、３つの板バネ９（９ａ、９ｂ、９ｃ）によって３つの冷却器５１〜５３を加圧している。しかし、冷却装置５は、複数種類の加圧手段を組み合わせてもよい。例えば、第４実施形態の冷却装置５は、第１冷却器５１と第２冷却器５２が封止樹脂８によって加圧された状態で封止され、第３冷却器５３が板バネ９（９ｂ）によって加圧された状態で固定されている。なお、板バネ９（９ｂ）は、その下側から、不図示の支持部材によって支持されている。このような構成であっても、第１冷却器５１とコイル２ａとの間の界面熱抵抗、および、第２冷却器５２とコイル２ｂとの間の界面熱抵抗をそれぞれ減少させることができる。

＜本実施形態の変形例＞
本明細書が開示する技術は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

［変形例１］第１実施形態の連結部材７は、オス部材７２がメス部材７１に入り込むことによって、伸縮可能に構成されていた。しかし、連結部材７は、これ以外の方法によって軸方向に伸縮可能に構成されていてもよい。例えば、連結部材７は、伸縮自在のベローズ（蛇腹）部を備えており、ベローズ部が伸縮することによって、軸線方向の長さが変化するように構成されていてもよい。

［変形例２］冷却装置５は、冷却器５１〜５３の少なくとも１つについて、板バネ９によって加圧された状態で封止樹脂８によって封止されてもよい。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において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、出願時の請求項に記載した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おいて説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、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。

１…リアクトル
２…コイル
３…ボビン
３１…フランジ部
４…コア
５…冷却装置
６…放熱部材
７…連結部材
８…封止樹脂
９…板バネ
５１…第１冷却器
５２…第２冷却器
５３…第３冷却器
５４…冷媒供給口
５５…冷媒排出口
７１…メス部材
７２…オス部材
ＧＰ…溝部
ＪＡ１、ＪＢ１…第１連結部
ＪＡ２、ＪＢ２…第２連結部

Claims (1)

1. リアクトルであって、
   コアに巻回されているコイルと、
   前記コイルの側面と放熱部材を介して対向する第１冷却器と、
   前記コイルを挟んで前記第１冷却器と対向する位置に配置され、放熱部材を介して前記コイルの側面と対向する第２冷却器と、
   前記第１冷却器と第１の連結部を介して接続されるとともに、前記第２冷却器と第２の連結部を介して接続され、放熱部材を介して前記コイルの側面と対向する第３冷却器と、を備えており、
   前記第１の連結部と前記第２の連結部は、前記第１冷却器と前記第２冷却器の対向方向に伸縮可能であり、
   前記第１冷却器は、前記第１の連結部の前記対向方向の変形によって、前記第３冷却器および前記コイルに近づく方向へ変位可能に構成され、
   前記第２冷却器は、前記第２の連結部の前記対向方向の変形によって、前記第３冷却器および前記コイルに近づく方向へ変位可能に構成されている、ことを特徴とするリアクトル。

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