JP4993291B2 - 直流電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気室などに設置される直流電源装置で、詳しくは、電気二重層コンデンサなどの複数のコンデンサを直列接続して定電圧の直流電源回路を構成した直流電源装置に関する。

落雷などの原因で工場などの生産ラインに影響を及ぼす電圧低下を補償する瞬時電圧低下対策装置（瞬低対策装置）の電源には、瞬時に安定した直流定電圧が取り出せる大容量の直流電源装置が使用される。この直流電源装置は、多数の電気二重層コンデンサや電解コンデンサなどのコンデンサを直列接続して定電圧直流電源回路を構成したものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

上記コンデンサ使用の直流電源装置は、絶縁性ハウジングに複数のコンデンサを収納して直列接続したコンデンサユニットを備え、複数のコンデンサユニットを直列接続して構成される。単品のコンデンサユニットは、例えば自動車のバッテリと同程度の直流定電圧電源として構成される。瞬時電圧低下対策装置の直流電源装置として必要な複数個のコンデンサユニットを、例えばスイッチギヤ内のベース台に組み付け、複数全てのコンデンサユニットを直列に配線して直流電源装置を構築する。
特開２００６−２１７６８８号公報

上記コンデンサユニットのハウジングは、自動車のバッテリと同様に上面に正極と負極の一対の電極端子を突設していることから、複数のコンデンサユニットを段積みすることが難しい。通常は、複数のコンデンサユニットをベース台上などに縦横に横積みして直流電源装置を構築している。そのため、直流電源装置の設置スペースが大きくなり、電気室などにおいて瞬時電圧低下対策装置の設置スペースの確保が難しい問題があった。また、複数のコンデンサユニットを個々に梱包して施工現地に輸送し、現地組立しているため、直流電源装置製造工場内で全ての品質確認ができず、現地組立後の品質再確認作業が必要であるといった品質管理や現地での施工作業上に問題があった。

本発明の目的とするところは、省スペースであり、現地組立を不要にして品質管理を確実かつ容易にした直流電源装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、絶縁性ハウジングに収納した複数のコンデンサを直列接続したコンデンサユニットおよび複数のコンデンサユニットを並列状に支持するユニット支持構体を有し、複数のコンデンサユニットを直列接続した電源モジュールと、それぞれに電源モジュールを出し入れ可能に収納する複数のモジュール棚を上下多段に有するモジュール収納構体とで構成し、ハウジングは左右面と前後面および上下両面を有する直方体形で、ハウジングの上面の左右両端部に複数のコンデンサを直列接続して構成した直流電源回路の正極用電極端子および負極用電極端子を配設し、ユニット支持構体は、複数のコンデンサユニットの各ハウジングを一列に互いに密着させて並置する基台と、基台上に並置された各ハウジングにハウジングの左右面と直交する前後方向および前後面と直交する左右方向からそれぞれに押し当てられて各ハウジングを基台上に位置決め固定する一対ずつの前後押え板および左右押え板と、各ハウジングの上面中央部に押し当てられて各ハウジングを基台上に固定する上部押え板を有し、基台上に複数のハウジングを、隣接するハウジングの電極端子の極性が互いに相違するように方向性を交互に反転させて並置し、隣接するハウジングの電極端子を絶縁電線で接続して隣接するコンデンサユニットを直列接続し、複数のハウジング上に上部押え板と共に、上部押え板の両側方に１枚ずつ正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体をそれぞれ碍子を介して固定配置し、正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体を複数のコンデンサユニットを直列接続して構成した直流電源回路の正極端側および負極端側に接続したことを特徴とする。

ここで、絶縁性ハウジングは、プラスチックなどの硬質樹脂ハウジングが適用できる。このハウジングの内部に複数のコンデンサを並列に収納し、各コンデンサを直列接続して１つの定電圧の直流電源回路を構成する。コンデンサは、扁平な電気二重層コンデンサや電解コンデンサが適用できる。ハウジング内に収納される複数のコンデンサは、同一サイズの同一種類が望ましい。複数のコンデンサを直列接続した直流電源回路の両端を成す正極端と負極端がハウジングの上面に固定した正極用電極端子と負極用電極端子に接続されて、単品のコンデンサユニットが構成される。単品のコンデンサユニットは、自動車のバッテリ（鉛蓄電池）に比べ小形かつ軽量である。また、単品のコンデンサユニットの外観は、自動車のバッテリと同様な直方体形でよい。同一サイズの複数のコンデンサユニットを棚板状のユニット支持構体に一列に並置し、直列接続して単品の電源モジュールを構成する。上下多段にモジュール棚を有するモジュール収納構体は、スチールラックのような縦長棚枠状で軽量なラック枠を適用することができる。モジュール収納構体の内部空間が上下多段のモジュール棚で区切られ、区切られた上下多段の各収納空間に電源モジュールが手作業で収納され、各収納空間から電源モジュールが外部に引き出される。縦長直方体形状のモジュール収納構体の垂直な一面を前面とすると、この前面側でのみ電源モジュールの出し入れできるようにすることができる。モジュール収納構体の各モジュール棚に単品ずつ電源モジュールを収納することで、モジュール収納構体の内部空間に複数の電源モジュールが上下多段に収納され、各電源モジュールが直列接続されて単機の直流電源装置が構築される。このような直流電源装置の設置スペースは、１つのモジュール収納構体の設置スペースでよく、大幅な省スペース化が図れる。

また、本発明においては、コンデンサユニットのハウジングは左右面と前後面および上下両面を有する直方体形で、当該ハウジングの上面の左右両端部に複数のコンデンサを直列接続して構成した直流電源回路の正極用電極端子および負極用電極端子を配設することができる。この場合、ハウジングの左右面と前後面および下面は、電極端子類の突起物が無く、さらには、ハウジングを外部機器に取付けるためのねじ穴や取付ピンなどの取付手段の無い平坦面にすることができる。このようなハウジングは、自動車のバッテリのハウジングと同様な構造で、コンデンサユニットの取付構造に自動車のバッテリの取付構造が適用できる。

また、本発明においては、ユニット支持構体は、複数のコンデンサユニットの各ハウジングを一列に互いに密着させて並置する基台と、基台上に並置された各ハウジングに当該ハウジングの左右面と直交する前後方向および前後面と直交する左右方向からそれぞれに押し当てられて各ハウジングを前記基台上に位置決め固定する一対ずつの前後押え板および左右押え板と、各ハウジングの上面中央部に押し当てられて各ハウジングを基台上に固定する上部押え板を有する構造とすることができる。この場合、基台と前後押え板と左右押え板および上部押え板それぞれをコンデンサユニットのハウジングにシート状のクッション材を介して押圧することができる。

ここでの前後押え板、左右押え板に基台上にねじ止めされる断面Ｌ形の山形鋼を適用し、上部押え板にみぞ形鋼を適用することができる。みぞ形鋼の上部押え板は、一列に並ぶ複数のコンデンサユニットの各ハウジングの上面中央部に各ハウジングを横切るように載置して、ハウジングからはみ出した両端部を基台にスタッドボルトで固定すればよい。

さらに、本発明においては、ユニット支持構体の基台上に複数のハウジングを、隣接するハウジングの電極端子の極性が互いに相違するように方向性を交互に反転させて並置し、隣接するハウジングの電極端子を絶縁電線で接続して隣接するコンデンサユニットを直列接続することができる。この場合、隣接するコンデンサユニットを直列接続する絶縁電線を短くすることができ、配線作業がし易くなる。

また、複数のハウジング上に上部押え板と共に、当該上部押え板の両側方に１枚ずつ正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体をそれぞれ碍子を介して固定配置し、当該正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体を複数のコンデンサユニットを直列接続して構成した直流電源回路の正極端側および負極端側に接続した構造とすることができる。さらに、前後に並ぶ複数のコンデンサユニットにおける最前端のコンデンサユニットの上方に一対の接続導体の前端部を配置し、モジュール収納構体の複数のモジュール棚それぞれに収納された複数の電源モジュールを一対の接続導体の前端部で直列接続することができる。

ここでのモジュール収納構体を、その前面側からのみ電源モジュールが出し入れされるように構成する。このようにすることで、モジュール収納構体の前面で電源モジュールの出し入れ作業と、モジュール収納構体に収納された複数の電源モジュールの直列接続作業ができて、各作業の効率化が図れる。

本発明の直流電源装置によれば、複数のコンデンサを収納して１直流電源回路を構成するコンデンサユニットの多数個をモジュール収納構体に上下多段に収納したので、多数のコンデンサユニットを直列接続した高圧の直流電源装置の設置スペースの大幅な省スペース化が図れる。また、モジュール収納構体の上下多段のモジュール棚それぞれに単品の電源モジュールを収納して配線することで直流電源装置が工場生産でき、工場内で品質確認し、そのまま現地に搬送して施工することができて、品質管理が容易になり、現地での施工作業性が向上するという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１に示す直流電源装置１は、複数のコンデンサユニット１０を保持して直列接続した単品構造の電源モジュール４０と、単品の電源モジュール４０を出し入れ可能に収納するモジュール棚５１を上下多段に有する縦長棚枠状のモジュール収納構体５０を備える。モジュール収納構体５０の複数の各モジュール棚５１に単品ずつ電源モジュール４０を収納することで、モジュール収納構体５０に多数のコンデンサユニット１０が上下多段に収納され、多数のコンデンサユニット１０が直列接続されて単機の直流電源装置１が工場で製造組立される。工場で製造組立された直流電源装置１は、工場内で品質確認が行われて、スイッチギヤなどが設置された現地に運搬されて敷設される。

図１に示すモジュール収納構体５０は、上下５段にモジュール棚５１を有し、各モジュール棚５１に単品ずつ電源モジュール４０が手動で出し入れされる。単品の電源モジュール４０は、矩形皿状のユニット支持構体２０上に並列状に複数個（図１では３個）のコンデンサユニット１０を位置決め固定し、３個のコンデンサユニット１０を直列に接続して構成される。３個のコンデンサユニット１０は、同一構造のもので、図２（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。

図２（Ａ）は単個のコンデンサユニット１０の斜視図で、直方体形の絶縁性ハウジング１１を備える。ハウジング１１の内部に、図２（Ｂ）の等価回路図に示すような複数のコンデンサＣが収納される。この複数全てのコンデンサＣが直列接続されて、単一の定電圧直流電源回路１２を構成する。コンデンサＣは、例えば蓄電容量の大きな積層形電気二重層コンデンサである。直流電源回路１２の両端である正極端（＋）と負極端（−）がハウジング１１の上面１１ａの左右両端部に突設した正極用電極端子１３と負極用電極端子１４に接続される。ハウジング１１の左右両面を左右面１１ｂと称し、前後両面を前後面１１ｃと称する。ハウジング１１は上面１１ａのみ電極端子１３、１４のような構造物を有し、ハウジング１１の下面１１ｄと左右面１１ｂおよび前後面１１ｃは、ハウジング１１を外部機器に取付けるための手段（取付穴、取付ピンなど）を有しない平坦面である。同一構造の複数（図１で３個）のコンデンサユニット１０が１枚板構造のユニット支持構体２０上に一列に並置され、位置決めされて固定化される。３個のハウジング１１の前後面１１ｃを互いに接触させた状態で、ユニット支持構体２０上に３個のコンデンサユニット１０が並列に固定され、３個のコンデンサユニット１０が直列接続されて単品の電源モジュール４０が工場内で製造組立される。

ユニット支持構体２０の具体例を図３〜図６を参照して説明する。ユニット支持構体２０は、図３に示すような矩形皿状の基台２１と、基台２１にビス止めされる一対ずつの左右押え板２３および前後押え板２４と、基台２１にボルト止めされる１枚の上部押え板２５を備える。

基台２１は板金製で、矩形の底板２１ａと、底板２１ａの４辺から直角に折曲した起立板２１ｂと、４辺の起立板２１ｂの上辺から内方に直角に折曲した上辺板２１ｃを有する。底板２１ａ上にゴム板などのシート状のクッション材２２ｍが固着される。図４に示すように、矩形の４辺を形成する上辺板２１ｃの各辺上に一対の左右押え板２３および一対の前後押え板２４が、それぞれ対応する左右方向および前後方向に位置移動可能にビス２６で取り付けられる。一対の左右押え板２３と一対の前後押え板２４のそれぞれは、縦断面Ｌ形の山形鋼で、それぞれの垂直な内面にクッション材２２ｎが固着される。一対の左右押え板２３と一対の前後押え板２４の各内面で囲まれる矩形の空間に、図５に示すように３個のコンデンサユニット１０が収納される。

３個のコンデンサユニット１０は、一対ずつの左右押え板２３と前後押え板２４の内面で囲まれる矩形の空間から基台２１の底板２１ａへと挿入され、底板２１ａのクッション材２２ｍ上に載置される。また、基台２１上に３個のコンデンサユニット１０は、隣接するハウジングの電極端子の極性が互いに相違するように方向性を交互に反転させて並置される。図５に示す３個のコンデンサユニット１０は、前後両端部の２個の極性方向が同一であり、中央の１個のみ極性方向を１８０°反転させてある。基台２１に３個のコンデンサユニット１０を並置した後、左右押え板２３と前後押え板２４をそれぞれ前進移動させて、３個並列なコンデンサユニット１０の各ハウジング１１にクッション材２２ｎを介して押し当てる。一対の左右押え板２３は、３個のコンデンサユニット１０の各ハウジング１１の左右面１１ｂに一括して押し当てられて、各ハウジング１１を左右方向で位置決めする。一対の前後押え板２４は、前後に並ぶ３個のコンデンサユニット１０の前後両端２個のハウジング１１の前後面１１ｃに押し当てられて、３個のハウジング１１を前後方向で位置決めする。この一対の前後押え板２４の押し当てで、隣接する２個のハウジングの前後面同士が圧接され、３個並列の中央１個のハウジングが固定される。３個のハウジング１１を前後左右から位置決めした各押え板２３、２４を基台２１にビス止めして、基台２１に３個のコンデンサユニット１０を左右前後方向から位置決めして固定する。

次に、３個のコンデンサユニット１０の各ハウジング１１の上面１１ａ上に１枚の上部押え板２５を、上部押え板２５の下面に固着したクッション材（図示せず）を介して押し当てる。上部押え板２５は、例えば機械的強度の大きなみぞ形鋼板で、３個並列に並ぶコンデンサユニット１０の各ハウジング１１の上面中央部を横切るように載置される。上部押え板２５の前後両端部は、３個並列のハウジング１１の前後両端２個のハウジング１１から少しはみ出す。このはみ出した前後両端部と基台２１をスタッドボルト２８で連結し、ナット２９で締め付けることで、上部押え板２５を３個の各ハウジング１１の上面１１ａに固定する。上部押え板２５で３個の各コンデンサユニット１０を基台２１に固定した状態で、図６に示すように３個のコンデンサユニット１０を複数種類のユニット配線部材３０で直列接続して、単品の電源モジュール４０を構成する。

ユニット支持構体２０に３個並列のコンデンサユニット１０は、各ハウジング１１の前後両面と左右両面および上下両面の全面が対応するクッション材を介して支持される。そのため、電源モジュール４０の組立製造時や運搬時の振動をクッション材が吸収して３個並列のコンデンサユニット１０の位置ずれ、取付強度の低下が防止される。また、３個並列のコンデンサユニット１０の相互間の位置ずれが防止されるため、コンデンサユニット１０に配線されたユニット配線部材３０の電気的かつ機械的な接続状態が安定する。

ユニット配線部材３０は、隣接するコンデンサユニット１０を直列接続する一対の絶縁電線３１と、３個のコンデンサユニット１０を直列接続した直流電源回路の正極と負極をそれぞれ外部に引き出すための一対の絶縁電線３２および一対の接続導体３３、３４を備える。一対の接続導体３３、３４は、同一長さの帯板状金属板である。一対の接続導体３３、３４は、上部押え板２５の左右両側方に上部押え板２５と平行に対向させて、それぞれが複数の碍子３５、３６を介して固定される。各接続導体３３、３４は、３個並列のハウジング１１の上面１１ａから少し浮き上がった状態で碍子３５、３６に支持される。碍子３５、３６は、接続導体３３、３４の支持部材で、かつ、上部押え板２５に対する接続導体３３、３４の絶縁耐力を大きくする絶縁部材として使用される。このようにすることで上部押え板２５に機械的強度の大きなみぞ形鋼が適用でき、基台２１への各コンデンサユニット１０の取付強度が安定する。

ユニット配線部材３０の一対の絶縁電線３１は、両端部に端子接続用導体部を露出させた直線状の絶縁電線である。前後方向で隣接するコンデンサユニット１０の正極用電極端子１３と負極用電極端子１４に、対応する絶縁電線３１の両端部が接続される。他の一対の絶縁電線３２は、両端部に端子接続用導体部を露出させたＳ字状に屈曲させた絶縁電線である。３個並列の前後両端にある２個のコンデンサユニット１０の正極用電極端子１３と正極用接続導体３３に、対応する絶縁電線３２の両端部が接続される。これら一対ずつの絶縁電線３１、３２は、３個並列のハウジング１１の上面１１ａから少し浮いた位置で、かつ、上部押え板２５の最上端位置より低い位置に配置される。また、一対の電極端子１３、１４は、前後に３個並列に並ぶハウジング１１の最前端のハウジング上に前端部３３ａ、３４ａが位置し、最後端のハウジング上に後端部３３ｂ、３４ｂが位置する長さに設定される。この一対の電極端子１３、１４の前端部３３ａ、３４ａを利用してモジュール収納構体５０に上下多段に収納された複数の電源モジュール４０を直列接続する。

図１に示すモジュール収納構体５０は、縦長直方体形状のスチールラックで、４隅にスチール製支柱５２を有する。左右両側の２本ずつの支柱５２に上下多段にモジュール棚５１が固定される。４本の支柱５２の上端に矩形の蓋板５３の４隅部が固定される。上下で隣接する上下２段ずつの各モジュール棚５１の間と、最上段のモジュール棚５１と蓋板５３の間の計５箇所の開口が、それぞれに単品の電源モジュール４０が水平方向に出し入れ可能に収納される収納空間Ｓである。これら５箇所の収納空間Ｓの開口サイズ、奥行きサイズは同じである。収納空間Ｓの幅は電源モジュール４０の左右方向の幅より少し大きく、収納空間Ｓの全体の高さは電源モジュール４０の全体の高さより数センチ程度少し大きく設定される。収納空間Ｓの奥行きサイズは、単品の電源モジュール４０の前後方向の全長と同程度に設定される。

１つの収納空間Ｓに単品の電源モジュール４０が、この収納空間Ｓの底を形成するモジュール棚５１上にスライドさせて収納される。図１のモジュール収納構体５０は、図１で左側の前面に電源モジュール４０の出入口が形成され、この前面出入口のみからモジュール棚５１に電源モジュール４０が手作業で出し入れされる。上下５段の各モジュール棚５１に単品ずつ電源モジュール４０を収納すると、各電源モジュール４０が図示しないモジュール配線部材で直列接続される。モジュール配線部材は、絶縁電線または接続導体が適用できる。モジュール収納構体５０の前面出入口のみから上下５段に電源モジュール４０を収納すると、各電源モジュール４０の前端部がモジュール収納構体５０の一面である前面出入口に上下で並ぶ。電源モジュール４０の前端部には、一対の接続導体３３、３４の前端部３３ａ、３４ａがあり、この前端部３３ａ、３４ａがモジュール収納構体５０の前面出入口に上下５段に並ぶ。従って、上下５段の電源モジュール４０の直列接続の作業がモジュール収納構体５０の前面出入口側のみから容易に行える。

なお、図１に示すスチールラック構造のモジュール収納構体５０は、製造組立の最終段階に近いときのものである。このモジュール収納構体５０は、所定数の電源モジュール４０を収納して直列接続すると、前後左右の４面に化粧板や扉を取り付けて品質確認などが行われる。

また、本発明の直流電源装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明に係る直流電源装置の実施の形態を示す組立時の斜視図である。 （Ａ）は図１装置におけるコンデンサユニットの斜視図、（Ｂ）は等価回路図である。 図１の装置におけるコンデンサユニット支持構体の基台の斜視図である。 図１の装置におけるコンデンサユニット支持構体の組立前半段階での斜視図である。 図１の装置におけるコンデンサユニット支持構体の組立後半段階での斜視図である。 図１の装置におけるコンデンサユニット支持構体の組立配線段階での斜視図である。

符号の説明

１ 直流電源装置
１０ コンデンサユニット
１１ ハウジング
１２ 直流電源回路
１３ 正極用電極端子
１４ 負極用電極端子
２０ ユニット支持構体
２１ 基台
２２ｍ クッション材
２２ｎ クッション材
３０ ユニット配線部材
３１、３２ 絶縁電線
３３、３４ 接続導体
３５、３６ 碍子
４０ 電源モジュール
５０ モジュール収納構体
５１ モジュール棚
Ｓ 収納空間

Claims (2)

1. 絶縁性ハウジングに収納した複数のコンデンサを直列接続したコンデンサユニットおよび複数の前記コンデンサユニットを並列状に支持するユニット支持構体を有し、前記複数のコンデンサユニットを直列接続した電源モジュールと、それぞれに前記電源モジュールを出し入れ可能に収納する複数のモジュール棚を上下多段に有するモジュール収納構体とを具備し、
   前記ハウジングは左右面と前後面および上下両面を有する直方体形で、当該ハウジングの上面の左右両端部に前記複数のコンデンサを直列接続して構成した直流電源回路の正極用電極端子および負極用電極端子を配設し、
   前記ユニット支持構体は、前記複数のコンデンサユニットの各ハウジングを一列に互いに密着させて並置する基台と、前記基台上に並置された前記各ハウジングに当該ハウジングの左右面と直交する前後方向および前後面と直交する左右方向からそれぞれに押し当てられて各ハウジングを前記基台上に位置決め固定する一対ずつの前後押え板および左右押え板と、各ハウジングの上面中央部に押し当てられて各ハウジングを前記基台上に固定する上部押え板を有し、
   前記基台上に前記複数のハウジングを、隣接するハウジングの前記電極端子の極性が互いに相違するように方向性を交互に反転させて並置し、隣接するハウジングの電極端子を絶縁電線で接続して隣接するコンデンサユニットを直列接続し、
   前記複数のハウジング上に前記上部押え板と共に、当該上部押え板の両側方に１枚ずつ正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体をそれぞれ碍子を介して固定配置し、当該正極引出し用接続導体および負極引出し用接続導体を前記複数のコンデンサユニットを直列接続して構成した直流電源回路の正極端側および負極端側に接続したことを特徴とする直流電源装置。
2. 前後に並ぶ前記複数のコンデンサユニットにおける最前端のコンデンサユニットの上方に前記一対の接続導体の前端部を配置し、前記モジュール収納構体の前記複数のモジュール棚それぞれに収納された前記複数の電源モジュールを前記一対の接続導体の前端部で直列接続したことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。

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