JP2021068809A - 保護制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＩ回路から生じる熱を効率的に装置の外に放熱し、かつ廉価とする。【解決手段】本発明に基づく保護制御装置１００において、端子１３０は、基板１２０上に設けられるとともに筐体１１０の外側に少なくとも一部が露出している。ＤＩ回路１４０は、基板１２０に形成され、端子１３０に接続されている。ＤＩ回路１４０は、複数の発熱電子部品１４１と、配線１４２とを備えている。配線１４２は、端子１３０と複数の発熱電子部品１４１とを互いに電気的に接続する。複数の発熱電子部品１４１のうち、最も発熱量の大きい最大発熱電子部品１４１Ｍが、端子１３０の最も近くに位置している。【選択図】図４

Description

本発明は、保護制御装置に関する。

放熱技術を開示した文献として、特開２０００−２５１５４４号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたケーブルは、心線と、熱伝導シートと、被覆とから構成される。心線は、ＰＣ本体からヘッドマウントディスプレイに対して動作電力および画像信号を伝送する。熱伝導シートは、心線に沿って、その周りを覆うように設けられている。被覆は、心線および熱伝導シートを覆うように設けられ、ケーブル内部を保護する。ケーブルは、外部からＰＣ本体内部に導かれ、その端部の被覆が除去されて、適宜、熱伝導シートおよび心線が引き出される。ＰＣ本体内部のカードには、ＣＰＵおよびその他の部品が配設されており、心線は、さらに、カードの必要な部分と接続される。ＣＰＵと熱伝導シートとは、集熱部材、ヒートパイプおよび接続用部材を介して熱的に結合される。ＰＣ本体内部でＣＰＵが発生した熱は、集熱部材に伝えられ、さらに、ヒートパイプおよび接続用部材を介してケーブルの熱伝導シートに伝えられる。熱伝導シートは、集熱部材、ヒートパイプおよび接続用部材を介して伝えられた熱を、ケーブルの長手方向に導きつつ、徐々に被覆を介して外部に放出し、ＰＣ本体内部の放熱を行う。

特開２０００−２５１５４４号公報

保護制御装置のＤＩ(Digital Input)回路は、外部機器の動作状態を入力する回路であり、高い電圧が印可される。また、外部接点の酸化膜の破壊を目的として、一定の電流を流す必要がある。このため、ＤＩ回路は高い電圧印可と共に一定の電流を流す事から、消費電力が高く、発熱量が大きい。ＤＩ回路の発熱により、保護制御装置の内部の温度が上昇する。保護制御装置の内部の温度が上昇すると、保護制御装置の内部に配置された部品の温度が上昇し、保護制御装置の信頼性が低下する場合がある。

たとえば、特許文献１においては、集熱部材およびヒートパイプなどの伝熱専用部品が用いられることにより、導電経路とは異なる伝熱経路が設けられている。保護制御装置の内部に伝熱専用部品を設けると、保護制御装置が高価になる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＩ回路から生じる熱を効率的に装置の外に放熱可能であり、かつ、廉価である保護制御装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく保護制御装置は、外部機器が作動したことを検知する。保護制御装置は、筐体と、基板と、端子と、ＤＩ回路とを備えている。基板は、筐体に収容されている。端子は、基板上に設けられるとともに筐体の外側に少なくとも一部が露出している。端子は、筐体の外側に位置する外部機器が作動したときに電流が流れる外部配線と接続可能である。ＤＩ回路は、基板に形成され、端子に接続されている。ＤＩ回路は、複数の発熱電子部品と、配線とを備えている。配線は、端子と複数の発熱電子部品とを互いに電気的に接続する。複数の発熱電子部品のうち、最も発熱量の大きい最大発熱電子部品が、端子の最も近くに位置している。

本発明によれば、ＤＩ回路で生じる熱を最大発熱電子部品に集中させるとともに、最大発熱電子部品から端子までの伝熱経路を短くできるため、ＤＩ回路から生じる熱を、端子を介して効率的に装置の外に放熱できる。また、ＤＩ回路から端子までの伝熱経路は、伝熱専用部品ではなく導電経路を構成する部品により形成されるため、保護制御装置が廉価となる。

本発明の一実施の形態に係る保護制御装置を前面側からの見たときの、保護制御装置の内部の構成を示す模式的な斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る保護制御装置を、背面側から見た斜視図である。 図２の保護制御装置を、ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た模式的な断面図である。 本発明の一実施の形態に係る保護制御装置におけるＤＩ回路を示す等価回路図である。 図３の基板およびＤＩ回路をＶ−Ｖ線矢印方向から見た模式的な断面図である。 比較例に係る保護制御装置におけるＤＩ回路を示す等価回路図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置について図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置を前面側からの見たときの、保護制御装置の内部の構成を示す模式的な斜視図である。図２は、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置を、背面側から見た斜視図である。図３は、図２の保護制御装置を、ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た模式的な断面図である。

図１から図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置１００は、筐体１１０と、基板１２０と、端子１３０と、ＤＩ回路１４０とを備えている。本実施の形態に係る保護制御装置は、外部機器の動作状態を検知し、外部機器が作動したことを検知する。外部機器としては、たとえば、遮断器または断路器等が挙げられる。

図１に示す筐体１１０は、前面に取り付けられたパネルが開かれた状態である。すなわち、保護制御装置１００を使用する際、筐体１１０は、前面に取り付けられたパネルを備えている。

図１および図２に示すように、筐体１１０の上面１１１および下面１１２の各々には、通風口が設けられていないことが好ましい。これにより、保護制御装置１００において、筐体１１０の内部に金属異物が侵入することを抑制できる。さらには、筐体１１０の内部で発生した金属異物が筐体１１０の外部へ排出されることを抑制でき、上記金属異物が、保護制御装置１００の外側に位置する他の導電部材を短絡させることを抑制できる。

また、筐体１１０には、筐体１１０内部を冷却するためのファンが設けられていないことが好ましい。保守が必要な部品であるファンを設けないことにより、保護制御装置１００をメンテンナンス容易にし、かつ、長寿命化することができる。

しかしながら、保護制御装置１００において、筐体１１０に上記通風口または上記ファンを設けない場合には、筐体１１０内部で発生した熱が放熱されにくくなる。このため、保護制御装置１００では、筐体１１０内部で発生した熱を、上記通風口または上記ファンとは異なる構成により、放熱させやすくすることが重要となる。

図１に示すように、筐体１１０には、基板１２０および複数のその他の基板が収容されている。本実施の形態において、基板１２０はいわゆるＤＩ(Digital Input)カードである。

図３に示すように、端子１３０は、基板１２０上に設けられるとともに筐体１１０の外側に少なくとも一部が露出している。具体的には、端子１３０は、入力部１３１に配設されることで、基板１２０上に設けられている。図２に示すように、入力部１３１は、筐体１１０の背面１１３から露出している。すなわち、図３に示すように、本実施の形態においては、入力部１３１が、基板１２０上に設けられるとともに筐体１１０の外側に少なくとも一部が露出していることで、端子１３０が上記のように筐体１１０の外側に露出している。入力部１３１は、たとえば、端子台またはコネクタである。

端子１３０は、筐体１１０の外側に位置する外部機器が作動したときに、電圧が印加されて電流が流れる外部配線２００と接続可能である。上記電流は、電流値が数ｍＡの定電流である。本実施の形態に係る保護制御装置１００は、端子１３０として、複数の端子１３０を備えている。複数の端子１３０は、入力端子１３０ａと、接地端子１３０ｂとを含んでいる。

図３に示すように、ＤＩ回路１４０は、基板１２０に形成され、端子１３０に接続されている。ＤＩ回路１４０は、絶縁耐圧規格の観点から、筐体１１０と接触させないことが好ましい。しかしながら、ＤＩ回路１４０が筐体１１０と接触していない場合には、ＤＩ回路１４０から発生した熱を、筐体１１０の外側に放熱しにくくなる。

次に、ＤＩ回路１４０の回路構成について説明する。図４は、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置におけるＤＩ回路を示す等価回路図である。図４に示すように、本実施の形態において、ＤＩ回路１４０は、複数の発熱電子部品１４１と、配線１４２と、フォトカプラ１４３とを備えている。配線１４２は、端子１３０と、複数の発熱電子部品１４１およびフォトカプラ１４３とを互いに電気的かつ熱的に接続する。また、本実施の形態において、ＤＩ回路１４０は、前段回路１４０Ａと後段回路１４０Ｂとを備えている。前段回路１４０Ａおよび後段回路１４０Ｂは、それぞれに複数の発熱電子部品１４１を有している。前段回路１４０Ａは、後段回路１４０Ｂより端子１３０側に位置している。前段回路１４０Ａは端子１３０に直接接続されており、後段回路１４０Ｂは前段回路１４０Ａに接続されており、フォトカプラ１４３は後段回路１４０Ｂに接続されている。

前段回路１４０Ａにおいては、複数の発熱電子部品１４１として、最大発熱電子部品１４１Ｍと、第１抵抗素子１４１ａとが、互いに直列に接続されている。最大発熱電子部品１４１Ｍは、ＤＩ回路１４０中の複数の発熱電子部品１４１のうち、最も発熱量が大きい。後段回路１４０Ｂにおいては、複数の発熱電子部品１４１として、第２抵抗素子１４１ｂ、第３抵抗素子１４１ｃおよび第４抵抗素子１４１ｄが互いに直列に接続されている。第２抵抗素子１４１ｂ、第３抵抗素子１４１ｃおよび第４抵抗素子１４１ｄは、前段回路１４０Ａの最大発熱電子部品１４１Ｍおよび第１抵抗素子１４１ａと並列に接続されている。フォトカプラ１４３は、後段回路１４０Ｂの第３抵抗素子１４１ｃと並列に接続されている。

前段回路１４０Ａにおいては、端子１３０として入力端子１３０ａから入力される定電流Ｉａのうち、電流Ｉｃが、最大発熱電子部品１４１Ｍと第１抵抗素子１４１ａとを流れる。電流Ｉｃの電流値は、定電流Ｉａの電流値の７０％から８０％程度となるように調整される。一方、定電流Ｉａのうち電流Ｉｄは、後段回路１４０Ｂおよびフォトカプラ１４３を流れる。電流Ｉｄの電流値は、定電流Ｉａの電流値の２０％から３０％程度となるように調整される。このため、後段回路１４０Ｂおよびフォトカプラ１４３と比較して、前段回路１４０Ａの発熱量が大きくなる。

このため、定電流Ｉａが流れたとき、最大発熱電子部品１４１Ｍは、他の発熱電子部品１４１、すなわち、第１抵抗素子１４１ａ、第２抵抗素子１４１ｂ、第３抵抗素子１４１ｃおよび第４抵抗素子１４１ｄ、および、フォトカプラ１４３のいずれよりも、発熱量が大きくなる。そして、最大発熱電子部品１４１Ｍは、複数の発熱電子部品１４１のうち、端子１３０の最も近くに位置している。なお、本実施の形態において、最大発熱電子部品１４１Ｍは、電界効果トランジスタである。

フォトカプラ１４３は、ＤＩ回路１４０と、保護制御装置１００が備える図示しないＣＰＵ回路とを互いに電気的に絶縁しつつ、ＤＩ回路１４０のフォトカプラ１４３に電流Ｉｆが流れたときには、保護制御装置１００のＣＰＵ回路を介してＣＰＵに信号を入力する。電流Ｉｆの電流値は、数百μＡとなるように調整される。

フォトカプラ１４３は、高い電流伝達率(CTR：Current Transfer Ratio)を有していることが好ましい。これにより、フォトカプラ１４３を駆動させるための電流Ｉｆの電流値を低くすることができる。図４に示すように、電流Ｉｆの電流値を低くすることができれば、後段回路１４０Ｂを流れる電流Ｉｄおよび電流Ｉｂの各々の電流値を、電流Ｉｃに対して相対的に低くできる。すなわち、前段回路１４０Ａを流れる電流Ｉｃの電流値を相対的に高くできる。結果として、ＤＩ回路１４０における熱源を、比較的端子１３０の近くに位置する前段回路１４０Ａに、集中させることができる。

次に、ＤＩ回路１４０の構造について説明する。図５は、図３の基板およびＤＩ回路をＶ−Ｖ線矢印方向から見た模式的な断面図である。図３および図５に示すように、本実施の形態において、配線１４２のうち、端子１３０と最大発熱電子部品１４１Ｍとを互いに接続する経路を構成する部分の少なくとも一部は、基板１２０の内部に位置している。

図５に示すように、本実施の形態において、配線１４２は、複数の内部配線層１４２Ｌと、複数のビア１４２Ｖと、リードピン１４２Ｐとを含んでいる。複数の内部配線層１４２Ｌは、複数のビア１４２Ｖを介して、少なくとも最大発熱電子部品１４１Ｍと、電気的かつ熱的に接続されている。図３および図５に示すように、複数の内部配線層１４２Ｌは、リードピン１４２Ｐを介して、入力部１３１に設けられた端子１３０と電気的かつ熱的に接続されている。このように、本実施の形態において、複数の内部配線層１４２Ｌの各々は、配線１４２のうち、端子１３０と最大発熱電子部品１４１Ｍとを互いに接続する経路を構成する部分の少なくとも一部を構成している。

複数の内部配線層１４２Ｌは、基板１２０の内部に位置し、かつ、基板１２０の厚さ方向において互いに離間して位置している。本実施の形態において、複数の内部配線層１４２Ｌの各々は、パターン配線である。

本実施の形態において、基板１２０は、いわゆる積層基板であり、具体的には４層基板である。なお、基板１２０は、４層基板などの積層基板に限定されない。基板１２０は、板状部と、板状部に被覆されたレジストとで構成されていてもよい。複数の内部配線層１４２Ｌのうちの少なくとも一方は、上記板状部の最外面に形成された後、レジストで封止されることにより、基板１２０の内部に位置していてもよい。

複数の内部配線層１４２Ｌの各々の幅寸法は、最大発熱電子部品１４１Ｍから端子１３０へ熱が伝わる際の熱抵抗が小さくなる程度に、太くすることが好ましい。

複数のビア１４２Ｖの各々は、基板１２０において、基板１２０の実装面１２１側から、複数の内部配線層１４２Ｌのうち実装面１２１から最も遠い位置に位置する内部配線層１４２Ｌまでの間のみを、貫くように位置している。なお、最大発熱電子部品１４１Ｍと基板１２０との間には図示しない底面パットが設けられおり、当該底面パットは、複数のビア１４２Ｖの少なくとも１つと接触している。これにより、最大発熱電子部品１４１Ｍから発生した熱を、さらに、底面パットを介してビア１４２Ｖに伝えることができる。なお、最大発熱電子部品１４１Ｍと、内部配線層１４２Ｌとを互いに接続する部材は、ビア１４２Ｖに限定されない。

本実施の形態において、リードピン１４２Ｐは基板１２０を貫通している。なお複数の内部配線層１４２Ｌの各々と、端子１３０とを互いに接続する部材は、リードピン１４２Ｐに限定されない。

ここで、端子１３０に接続し得る外部配線２００について簡単に説明する。図３に示すように、外部配線２００は、たとえば、心線２１０およびこれを被覆する被覆部２２０とを備える。心線２１０が、端子１３０に電気的かつ熱的に接続される。外部配線２００全体から放熱するという観点から、心線２１０は、熱伝導率の高い材料で構成されていることが好ましく、また、比較的太いほうが好ましい。

以下、本実施の形態に係る保護制御装置１００の放熱効果について、比較例を用いて説明する。

図６は、比較例に係る保護制御装置におけるＤＩ回路を示す等価回路図である。図６に示すように、比較例に係る保護制御装置におけるＤＩ回路９４０においても、複数の発熱電子部品９４１が、電気的かつ熱的に、端子１３０と互いに接続されている。しかしながら、複数の発熱電子部品９４１は、ＤＩ回路９４０において分散して配置されている。このため、比較例に係る保護制御装置においては、内部の雰囲気温度を均一にすることができるものの、複数の発熱電子部品９４１から発生する熱を効率よく端子１３０に放熱することができていない。

一方、上記のように、本発明の一実施の形態に係る保護制御装置１００においては、ＤＩ回路１４０が、複数の発熱電子部品１４１と、配線１４２とを備えている。配線１４２は、端子１３０と複数の発熱電子部品１４１とを互いに電気的に接続する。複数の発熱電子部品１４１のうち、最も発熱量の大きい最大発熱電子部品１４１Ｍが、端子１３０の最も近くに位置している。

これにより、ＤＩ回路１４０で生じる熱を最大発熱電子部品１４１Ｍに集中させるとともに、最大発熱電子部品１４１Ｍから端子１３０までの伝熱経路を比較的短くできるため、ＤＩ回路１４０から生じる熱を、端子１３０を介して効率的に保護制御装置１００の外に放熱できる。また、ＤＩ回路１４０から端子１３０までの伝熱経路は、伝熱専用部品ではなく導電経路を構成する部品により形成されるため、保護制御装置１００が廉価となる。

本実施の形態に係る保護制御装置１００においては、配線１４２のうち、端子１３０と最大発熱電子部品１４１Ｍとを互いに接続する経路を構成する部分の少なくとも一部は、基板１２０の内部に位置している。

これにより、最大発熱電子部品１４１Ｍから端子１３０までの伝熱経路を熱が移動する際、熱が基板１２０の内部を移動するときには、基板１２０によって、上記伝熱経路から筐体１１０の内部空間に熱が逃げることが抑制される。ひいては、ＤＩ回路１４０から生じる熱を効率的に端子１３０まで移動させることができ、端子１３０から保護制御装置１００の外に熱をより効率的に放出できる。

本実施の形態に係る保護制御装置１００において、配線１４２は、複数の内部配線層１４２Ｌを含んでいる。複数の内部配線層１４２Ｌは、基板１２０の内部に位置し、かつ、基板１２０の厚さ方向において互いに離間している。複数の内部配線層１４２Ｌの各々は、配線１４２のうち、端子１３０と最大発熱電子部品１４１Ｍとを互いに接続する経路を構成する部分の少なくとも一部を構成している。

これにより、最大発熱電子部品１４１Ｍから端子１３０までの伝熱経路の数を増やすことができるため、最大発熱電子部品１４１Ｍで発生した熱が端子１３０まで伝わりやすくなる。ひいては、ＤＩ回路１４０から生じる熱をより効率的に保護制御装置１００の外に放熱できる。

本実施の形態に係る保護制御装置１００において、最大発熱電子部品１４１Ｍは、電界効果トランジスタである。

これにより、最大発熱電子部品１４１Ｍである電解効果トランジスタが有する３つの端子の各々が配線１４２に接続されるため、最大発熱電子部品１４１Ｍで発生した熱が配線１４２に伝わりやすくなる。ひいては、ＤＩ回路１４０から生じる熱をより効率的に保護制御装置１００の外に放熱できる。

上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１００ 保護制御装置、１１０ 筐体、１１１ 上面、１１２ 下面、１１３ 背面、１２０ 基板、１２１ 実装面、１３０ 端子、１３０ａ 入力端子、１３０ｂ 接地端子、１３１ 入力部、１４０，９４０ ＤＩ回路、１４０Ａ 前段回路、１４０Ｂ 後段回路、１４１，９４１ 発熱電子部品、１４１Ｍ 最大発熱電子部品、１４１ａ 第１抵抗素子、１４１ｂ 第２抵抗素子、１４１ｃ 第３抵抗素子、１４１ｄ 第４抵抗素子、１４２ 配線、１４２Ｌ 内部配線層、１４２Ｐ リードピン、１４２Ｖ ビア、１４３ フォトカプラ、２００ 外部配線、２１０ 心線、２２０ 被覆部。

Claims (4)

1. 外部機器が作動したことを検知する保護制御装置であって、
   筐体と、
   前記筐体に収容された基板と、
   前記基板上に設けられるとともに前記筐体の外側に少なくとも一部が露出しており、前記筐体の外側に位置する前記外部機器が作動したときに電流が流れる外部配線と接続可能な端子と、
   前記基板に形成され、前記端子に接続されたＤＩ回路とを備え、
   前記ＤＩ回路は、
   複数の発熱電子部品と、
   前記端子と前記複数の発熱電子部品とを互いに電気的に接続する配線とを備え、
   前記複数の発熱電子部品のうち、最も発熱量の大きい最大発熱電子部品が、前記端子の最も近くに位置している、保護制御装置。
2. 前記配線のうち、前記端子と前記最大発熱電子部品とを互いに接続する経路を構成する部分の少なくとも一部は、前記基板の内部に位置している、請求項１に記載の保護制御装置。
3. 前記配線は、前記基板の厚さ方向において互いに離間して前記基板の内部に位置する、複数の内部配線層を含み、
   前記複数の内部配線層の各々は、前記配線のうち、前記端子と前記最大発熱電子部品とを互いに接続する経路を構成する前記部分の少なくとも一部を構成している、請求項２に記載の保護制御装置。
4. 前記最大発熱電子部品は、電界効果トランジスタである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の保護制御装置。

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