JP4312160B2 - 無停電電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器のバックアップ電源として用いられる二次電池の熱的安定化を図ると共に、全体構造のコンパクト化を図った無停電電源装置に関する。

コンピュータ機器や現金自動預金支払機（ＡＴＭ）等の外部電源（商用電源）により駆動される電子機器においては、停電時における動作を保証するべく無停電電源装置を用いることが多い。この種の無停電電源装置は、通常、外部電源により充電されて電力エネルギを蓄えると共に、停電時には電子機器のバックアップ電源として用いられる二次電池を備えると共に、この二次電池の充放電を制御する電子回路（充放電制御回路）を備えて構成される（例えば特許文献１を参照）。

ちなみに上記充放電制御回路は、二次電池に対する充放電を選択的にオン・オフ制御するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体スイッチ素子を備え、上記二次電池の充放電電圧や充放電電流、更には電池温度等を監視しながらその充放電を制御するように構成される。
特開２００２−１２４２２５号公報

ところで上述した充放電制御回路（電子回路）を構築する電子部品は、その動作によって発熱することが否めない。特に二次電池の充放電路に直列に介挿されてその充放電をオン・オフ制御する半導体スイッチ素子での発熱量は多大である。これ故、この種の半導体スイッチ素子（発熱素子）については、専ら、アルミニウム製の放熱器に装着して用いるようにしている。

しかしながらこのような熱対策を講じても、充放電制御回路（電子回路）からの発熱をなくすことは困難である。特に無停電電源装置は、二次電池と共に充放電制御回路（電子回路）を所定の筐体内に一体に組み込んで構成されるので、上記充放電制御回路（電子回路）からの熱が二次電池に加わることが否めず、二次電池の電池特性（電池性能や電池寿命）を劣化させる要因となる。そこで二次電池を含む無停電電源装置の全体をファンを用いて強制的に空冷する等の対策が試みられているが、その構成が大掛かりとなる上、全体形状が大型化する等の不具合が生じた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、二次電池の熱的安定化を図ると共に、全体構造のコンパクト化を図ることのできる無停電電源装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る無停電電源装置は、外部電源から供給される電力エネルギを前記電子機器に供給可能に蓄える二次電池を箱形の筐体の一端側に組み込むと共に、上記二次電池に対する電力エネルギの充放電を制御する電子回路ユニットを前記筐体の他端側に組み込み、前記筐体における上記電子回路ユニットと前記二次電池との間に該電子回路ユニットと二次電池とを熱的に隔離する隔壁板を立設したことを特徴としている。

好ましくは前記隔壁板は、少なくとも前記電子回路ユニットと前記二次電池とを電気的に結合するコネクタを実装したもの、例えば電子回路ユニットを搭載した回路基板の端部に立設された補助回路基板として実現される。また前記筐体の前記電子回路ユニットが組み込まれる他端側には、筐体内部を環流させる空気の通流孔を設けることが好ましい。更には前記電子回路ユニットが前記二次電池の充放電制御回路を構築する電子部品およびその付属部品を実装した回路基板からなるとき、この回路基板の基板面を前記筐体の内部の熱流方向に沿って配設することが望ましい。

上述した構成の無停電電源装置によれば、箱状の筐体の内部に組み込まれる二次電池とその充放電を制御する発熱素子を備えた電子回路ユニットとが、隔壁板を挟んで熱的に隔離されて上記筐体の両端に配置されるので、電子回路ユニットが発した熱の二次電池への伝達を十分に低く抑えることができる。従って二次電池の熱に起因する特性劣化を、簡易にして効果的に抑制することができる。

しかも筐体内部における二次電池と電子回路ユニットとを、その間に立設した隔壁板を用いて熱的に隔離するだけなのでその構造が簡単であり、また隔壁板の設置にさほど大きなスペースを必要としないので、全体的な省スペース化を図って無停電電源装置のコンパクト化を図ることが可能となる。換言すれば熱的な問題を招来することなしに、筐体内部の限られたスペースを有効に活用して二次電池と電子回路ユニットとを組み込むことが可能となる。

特に前記隔壁板にコネクタを設け、このコネクタを介して二次電池と電子回路ユニットとを電気的に接続するように構成すれば、熱的な隔離機能を呈する隔壁板に部品（コネクタ）の支持機能を持たせ、更にはその組み付け（組み立て）作業性の容易化を図る機能を持たせることができるので、隔壁板自体を有効に活用した機能的に優れた構造の無停電電源装置を実現することが可能となる。

また筐体の電子回路ユニットを配置する側に空気通流孔を設けておけば、この通流孔を介して通流する空気によって電子回路ユニットから発せられた熱を、その外部に効果的に放出することができるので、電子回路ユニットの空冷効果を高めることができる。更には電子回路ユニットを構築する電子部品およびその付属品を搭載した回路基板を、前記筐体の内部の熱流方向に沿って、具体的には筐体の上下方向であって前述した空気通流孔に向かう方向に沿って配設すれば、筐体内部における空気流が上記回路基板により妨げられることがないので、空気流による電子回路ユニットの放熱（除熱）効果を高めることができる。この結果、二次電池への熱の伝達を更に低減し得る等の効果が奏せられ、二次電池の熱的問題を効果的に解消することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る無停電電源装置について説明する。
この実施形態に係る無停電電源装置は、図１にその概略的な機能ブロック構成を示すように、外部電源（商用電源；ＡＣ）１を電力源として動作する電子機器２のバックアップ電源として用いられるものであって、上記外部電源１からの電力エネルギを受けて充電され、その充電エネルギ（電力エネルギ）を放電して前記電子機器２に供給可能な二次電池３を備えて構成される。この二次電池３は、例えばＮi-ＭＨ電池やＬiイオン電池等からなり、一般的には複数個の電池セルを直・並列に接続して必要な電池容量を備えたものとして実現される。

尚、ここに例示する電子機器２は、交流・直流変換器（ＡＣ／ＤＣコンバータ）４および直流・直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）５からなる電源ユニットを介して、その動作に必要な直流電力を受けて動作するものとなっている。ちなみに上記交流・直流変換器４および直流・直流変換器５は、一般的には電子機器２の外部電源ユニットとして構築されることが多いが、電子機器２に組み込まれた内部電源ユニットとして実現されることもある。そしてこの実施形態に係る無停電電源装置は、上述した交流・直流変換器４を介して得られる直流電力により二次電池３を充電し、外部電源１が停電する等して電子機器２が必要とする電力エネルギが不足するとき、二次電池３に蓄えた充電エネルギ（電力エネルギ）を前記直流・直流変換器５を介して電子機器２に供給するように構成される。

この二次電池３への充電とその放電をそれぞれ制御するべく、無停電電源装置には図１に示すように充電回路６ａと放電回路６ｂとが設けられている。これらの充電回路６ａおよび放電回路６ｂは、その充電路および放電路を選択的にオン・オフする半導体スイッチ素子（例えばＦＥＴ）を備えたもので、制御モジュール６ｃの制御を受けて選択的に動作する。特に制御モジュール６ｃは、前記二次電池３の端子電圧（充放電電圧）や充放電電流、更には電池温度を検出しながら二次電池３の充放電を制御するように構成される。また制御モジュール６ｃは、通信制御部７を介して前記電子機器２との間で情報通信し、電子機器２の動作状態に応じて二次電池３の充放電を制御したり、また電子機器２からの指令を受けてその処理動作が制御されるようになっている。これらの充電回路６ａ、放電回路６ｂおよび制御モジュール６ｃは、通信制御部７を含めて二次電池３の充放電を制御する電子回路ユニット６を構成する。

また上述した制御モジュール６ｃによって監視される二次電池３の充電状態や、通信制御部７を介して指示された動作モード等の情報は、適宜、表示部８にて表示されるようになっている。ちなみに表示部８は、例えばＬＥＤアレイやマルチカラーＬＥＤを備えたもので、二次電池３の概略的な充電容量を段階的に表示したり、二次電池３の充電・放電の状態をＬＥＤの点滅等により表示するものである。

さて基本的には上述したように二次電池３と、この二次電池３の充放電を制御する電子回路ユニット６とを備えて構成される無停電電源装置は、図２にその概略的な構造を示すように平面視（図１において上から見た状態）で細長の四角形状をなす箱形の、換言すれば厚みの薄い直方体の筐体１０に、二次電池３と電子回路ユニット６とを一体的に収納して実現される。この筐体１０の正面（前面）は、後述する図３(ｃ)にその正面図を示すように横長の長方形状を有しており、ここではこの横長方向を筐体１０の幅方向と称する。

特にこの実施形態に係る無停電電源装置は、図２に筐体１０の板状の蓋（図示せず）を開けた状態を斜視図として示すように、筐体１０の一端側（前部側）に二次電池３を配置すると共に該筐体１０の他端側（後部側）に電子回路ユニット６を配置し、これらの二次電池３と電子回路ユニット６との間に隔壁板１１を立設して上記二次電池３と電子回路ユニット６とを熱的に隔離した構造としたことを特徴としている。

また上記隔壁板１１にコネクタ１２を設け、このコネクタ１２を介して二次電池３と電子回路ユニット６とを電気的に接続すると共に、更には前記筐体１０の前端部に設けた表示ユニット１３と上記電子回路ユニット６との電気的接続を行うようにしたことを特徴としている。また前記筐体１０の後部側の両側に複数の通気孔１４をそれぞれ設け、これらの通気孔１４を介して筐体１０の内部に、特に前記電子回路ユニット６を配置した領域に空気を通流させることで上記電子回路ユニット６から発せられる熱を外部に放出するように構成したことを特徴としている。特に前記電子回路ユニット６を搭載した回路基板２１の基板面を、更にはこの回路基板２１に搭載した放熱板の板面がそれぞれ上記通気孔１４を介する空気の通流方向に沿って平行となるように設け、これによって筐体１０の内部に空気が円滑に通流するようにしたことを特徴としている。

このように構成される無停電電源装置の特徴ある構造を、図３(ａ)〜(ｄ)を参照しながら更に詳しく説明する。尚、図３(ａ)は筐体１０内における平面的な二次電池３および電子回路ユニット６等の配置構造を示す組み立て図であり、図３(ｂ)は筐体１０内をその側方から見た状態での二次電池３等の配置構造を示す図、図３(ｃ)は筐体１０の正面図、そして図３(ｄ)は筐体１０の背面図である。

二次電池３は、例えば３６本の円筒型電池セルを２段重ねにして平行に並べて直列接続した２組の電池列を横並びに設け、これらの電池列を並列接続した偏平な略直方体形状をなす外観を有する、いわゆる電池パックからなる。このような二次電池３を収納する筐体１０は、例えば上記二次電池３の横幅と略同程度の内幅で、該二次電池３の長さの略１.５倍程度の長さを有し、且つ二次電池３の高さと同程度の高さ（深さ）を有する箱形のスチール製ケースからなる。尚、筐体（スチール製ケース）１０の開放された上面は、図示しないスチール製の蓋体により閉塞されるようになっている。そして上記二次電池３は、例えばその周囲を絶縁シートにより覆って、図２および図３にそれぞれ示すように箱形の筐体１０内の前部側に寝かせた状態で収納される。

一方、上記二次電池３と共に上記筐体１０に組み込まれる電子回路ユニット６は、例えば図４(ａ)(ｂ)にその概略的な平面図と側面図とを示すように、上記筐体１０の幅と同程度の横幅を有する回路基板２１上に、電子回路ユニット６をなす前述した充電回路６ａ、放電回路６ｂ、および制御ユニット６ｃをそれぞれ構成する複数の電子部品を実装して構築される。尚、図３(ａ)(ｂ)においては、回路基板２１上に搭載される電子部品を省略して示している。

即ち、充電回路６ａおよび放電回路６ｂは、それぞれ前記二次電池３の充放電路に直列に介挿される半導体スイッチ素子ＦＥＴ等の半導体スイッチ素子（電子部品）を主体として構成される。これらの半導体スイッチ素子（ＦＥＴ）は、その作動によって大量の熱を発生する発熱部品であり、専らその付属品である、例えば板状のアルミニウム製の放熱器２２に装着して使用される。特にこれらの放熱器２２は、前記回路基板２１を前述した筐体１０に組み込んだとき、該筐体１０の幅方向、換言すれば筐体１０の前面の横長方向と平行方向に向けて配置されるようにその向きを横向き（回路基板２１の幅方向）に揃えて前記回路基板２１上に平行に立設されている。またこれらの放熱器２２は、筐体１０の後部側に位置付けられるように、前記回路基板２１上の後端部側にまとめて実装される。

そして制御ユニット６ｃを構成するＩＣやトランジスタ等の能動部品、抵抗、コンデンサ、コイル等の受動部品からなる電子部品は、前記回路基板２１の中央部から前端部側に掛けて実装され、更に回路基板２１の前端部には、前述した隔壁板１１としての補助回路基板が立設される。この補助回路基板（隔壁板）１１も前述した放熱器２２と平行になるように、回路基板２１の幅方向（筐体１０の前面の横長方向と平行方向）に沿って設けられる。即ち、回路基板２１上に立設される長尺板状の部品である前述した放熱器２２および上記補助回路基板（隔壁板）１１は、前記筐体１０の内部において回路基板２１の基板面に沿ってその幅方向に通流する空気の通流路を妨げることがないように、その板面を該回路基板２１の幅方向に沿わせて互いに平行に設けられている。

尚、上記補助回路基板（隔壁板）１１には、前述したように複数のコネクタ１２が実装されており、このコネクタ１２を介して二次電池３や、前述した表示部８を組み込んだ表示ユニット１３との電気的接続が行われるようになっている。尚、表示ユニット１３は、外部から視認可能なように筐体１０の前面板に設けられる。また前記回路基板２１の後端部には複数の外部接続端子が設けられおり、図４に示すように外部接続コネクタ１５に接続されるようになっている。この外部接続コネクタ１５は、筐体１０の背面板に固定されて電子機器２との電気的接続に用いられるものである。

このようにして電子回路ユニット６を構築する各種の電子部品を搭載した回路基板２１は、前述した二次電池３と距離を隔てて筐体１０の後部側に組み込まれる。特に回路基板２１は、その前端側に立設した補助回路基板（隔壁板）１１を二次電池３側に位置付けた状態で、前記筐体１０の底面との間に空気の通流路をなす所定の間隙を形成して筐体１０に組み込まれる。そして回路基板２１の後端側に設けた外部接続端子を外部接続コネクタ１５にそれぞれ接続することで、この外部接続コネクタ１５を介して電子機器２に結合されるようになっている。

かくして上述した如く構成された無停電電源装置によれば、筐体１０の前部側に二次電池３が配置されると共に、その充放電を制御する電子回路ユニット６が上記筐体１０の後部側に配置され、前述した補助回路基板（隔壁板）１１が上記二次電池３および電子回路ユニット６の各収納領域を分割して設けられるので、電子回路ユニット６から発せられる熱の二次電池３側への伝達を効果的に阻止することができる。即ち、回路基板２１上に立設された補助回路基板（隔壁板）１１が、筐体１０の内部空間を区画して二次電池３の収納領域と電子回路ユニット６の配置領域とを熱的に隔離するので、電子回路ユニット６側から二次電池３への熱伝達を効果的に阻止することができる。

しかも筐体１０の後端部側には、筐体１０の内部の電子回路ユニット６の配置領域に空気を通流させるための通気孔１４,１４が設けられており、また回路基板２１上に立設された放熱器２２が上記空気の通流を妨げることがないように、その板面を空気流に沿う向きに揃えて配置されている。従って筐体１０の内部を通流する空気によって電子回路ユニット６が発した熱を効率的に筐体１０の外部に排出することができる。故に電子回路ユニット６に対する放熱効果を高め、この点でも二次電池３に及ぼす熱的影響を軽減することが可能となる。

また上述した構成によれば、補助回路基板（隔壁板）１１によって筐体１０の内部の二次電池３の収納領域と電子回路ユニット６の組み込み領域とを区画して熱的に隔離するので、二次電池３と電子回路ユニット６とを近接させて配置しても、熱的な問題を招来することがない。従って二次電池３と電子回路ユニット６とを近接させて配置し得る分、筐体１０の大きさ（奥行き長）を小さくすることができ、そのコンパクト化を図ることができる。しかも二次電池３と電子回路ユニット６との間に補助回路基板（隔壁板）１１を立設するだけなので、その構造が複雑化することもない。故に簡易な構造でありながら、二次電池３に対する熱的問題を解消したコンパクトな無停電電源装置を実現することが可能となる。しかも補助回路基板（隔壁板）１１は、二次電池３と電子回路ユニット６とを接続するための必要部品である複数のコネクタ１２が実装されるものであり、その存在によって区画した空間を熱的に隔離する機能を果たす。従って筐体１０の内部を熱的に区画する熱遮蔽板等の余分な部品を組み込む必要がないので、無停電電源装置の全体のサイズの大型化を招来することがなく、また構成部品点数の増大を招くことがないので無停電電源装置を安価に構築することが可能となる。

尚、この実施形態においては、筐体１０の前面板にハンドル１６が設けられている。そしてこのハンドル１６を把持することで、例えば図５(ａ)(ｂ)に示すように、例えば、サーバ、ルータ等のネットワーク情報処理装置に代表される電子機器２に設けられたラックマウント部に、その前面側から簡易に装脱し得る構造として無停電電源装置が実現されている。特に上記ラックマウント部にその前面側から無停電電源装置を装脱するだけで、ラックマウント部の奥部に設けられた図示しないレセプタクルと、前述した筐体１０の後端部に設けた外部接続コネクタ１５との電気的・機械的な接続が行われるようになっている。尚、図５(ａ)(ｂ)においては、電子機器２を金属板等からなる外面の輪郭だけを仮想的に表している。

特に図５(ａ)に示すように、前述した回路基板２１の基板面が鉛直となるように筐体１０を起こし、無停電電源装置を縦長にして用いるようにすれば、筐体１０の内部を通流する空気流の向きが上下方向となるので、空気の通流効率を高めてその放熱効果を更に高めることが可能となる。従って二次電池３の熱的問題を解消する上で好ましい使用形態であり、例えば複数の無停電電源装置を並べて用いる場合に好適である。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば二次電池３の電池容量や電池セルの数は、無停電電源装置に要求される電力仕様等に応じて定めれば良いものである。またここではラックに収納されるプラグイン型の筐体１０に二次電池３等を組み込んだ無停電電源装置について説明したが、外部設置型の装置を実現する場合にも同様に実現することができる。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

無停電電源装置の概略的な構成を示す機能ブロック図。 本発明の一実施形態に係る無停電電源装置の概略的な構造を示す斜視図。 図２に示す無停電電源装置の内部構造と正面および背面構造を示す図。 電子回路ユニットを搭載した回路基板の部品配置構造例を示す図。 電子機器への無停電電源装置の組み込み例を示す図。

符号の説明

３ 二次電池
６ 電子回路ユニット
１０ 筐体
１１ 隔壁板（補助回路基板）
１２ コネクタ
１３ 表示ユニット
１４ 通気孔
１５ 外部接続コネクタ
２１ 回路基板
２２ 放熱器

Claims (3)

1. 外部電源により駆動される電子機器のバックアップ電源として用いられる無停電電源装置であって、
   箱形の筐体と、
   この筐体の一端側に組み込まれて前記外部電源から供給される電力エネルギを前記電子機器に供給可能に蓄える二次電池と、
   前記筐体の他端側に組み込まれて上記二次電池に対する電力エネルギの充放電を制御する電子回路ユニットと、
   前記筐体における上記電子回路ユニットと前記二次電池との間に立設されて該電子回路ユニットと二次電池とを熱的に隔離する隔壁板と
   を具備し、
   前記隔壁板は、少なくとも前記電子回路ユニットと前記二次電池とを電気的に結合するコネクタを実装したものである
   ことを特徴とする無停電電源装置。
2. 前記筐体は、前記電子回路ユニットが組み込まれる他端側に空気の通流孔を備えたものである請求項１に記載の無停電電源装置。
3. 前記電子回路ユニットは、前記二次電池の充放電制御回路を構築する電子部品およびその付属部品を実装した回路基板からなり、この回路基板の基板面を前記筐体の内部の熱流方向に沿って配設したものである請求項１に記載の無停電電源装置。

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