JP5153537B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明はスイッチング電源装置に関するものであり、特に、複数の電源ユニットを備えた大容量のスイッチング電源装置に関するものである。

大容量のスイッチング電源装置では、一般に、複数の電源ユニットと該複数の電源ユニットの少なくとも１つに電気的に接続された周辺回路基板とが外装（筐体）内に配置される。電源ユニットの動作時には内部損失により不可避的に発熱が起こり、該発熱による温度上昇は装置の信頼性を低下させる要因となるので、電源ユニットに空冷用のファンを内蔵させたスイッチング電源装置も開発されている。また、スイッチング電源装置の外装には、通常、多数の通気口が設けられる。周辺回路に発熱量の多い回路部品、例えばパワートランジスタ等が含まれている場合や、耐熱性が比較的低い回路部品が含まれている場合には、これらの回路部品を冷却するための冷却装置、例えば空冷用のファンが外装内の所望箇所に設けられることもある。

従来のスイッチング電源装置としては、外装（筐体）の底板部に電源ユニットを搭載したもの（例えば特許文献１参照）や、１つのシャーシの片面に複数の電源ユニットと周辺回路基板とを搭載したものが知られている。外装の底板部に電源ユニットを搭載するよりもシャーシに電源ユニットを搭載した方が装置の組み立てが容易になるが、電源ユニットと周辺回路基板とを１つのシャーシに搭載すると、周辺回路基板の高さの方が電源ユニットの高さよりも大幅に低いことから、周辺回路基板の上方に比較的大きなデッドスペースが生じてスイッチング電源装置が大型化する。装置の小型化を図るために、第１のシャーシに複数の電源ユニットを搭載すると共に第２のシャーシに周辺回路機器板を搭載し、第２のシャーシの上方に第１のシャーシを配置することで周辺回路基板上方のデッドスペースを低減したスイッチング電源装置も開発されている。

特開２００８−１８７１３６号公報

しかしながら、２つのシャーシを用いてスイッチング電源装置を構成すると、その製造コストが嵩む。また、電源ユニットに空冷用のファンを内蔵させる一方で、周辺回路中の回路部品を空冷するためのファンを別途設けると、スイッチング電源装置の製造コストが増大する。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、信頼性が高い小型のものを少ない製造コストの下に得易いスイッチング電源装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成する本発明のスイッチング電源装置は、複数の電源ユニットと該複数の電源ユニットに電気的に接続される周辺回路が形成された周辺回路基板とをシャーシに搭載して外装に収容したスイッチング電源装置であって、複数の電源ユニットの各々は空冷用のファンを内蔵し、シャーシの上面側に複数の電源ユニットの各々が搭載されていると共にシャーシの下面側に周辺回路基板が搭載されており、外装は周辺回路基板の側方に位置する吸気口を有し、周辺回路を構成する回路部品のうちで耐熱性が相対的に低い回路部品は、周辺回路基板内での上記吸気口側の領域に配置されていることを特徴とするものである。

本発明のスイッチング電源装置では、１つのシャーシの上面側に電源ユニット、下面側に周辺回路基板をそれぞれ搭載しているので、装置の高さを抑えて小型化を図り易いと共に製造コストを抑え易い。また、外装のうちで周辺回路基板の側方に位置する箇所に吸気口を設け、周辺回路を構成する回路部品のうちで耐熱性が相対的に低い回路部品を周辺回路基板内での上記吸気口側の領域に配置したので、上記の回路部品を冷却する専用の冷却装置を設けなくても、個々の電源ユニットが内蔵のファンで空冷するときに生じる気流により周辺回路基板上の各回路部品も効率よく冷却することができる。これらの結果として、製造コストを抑えることが容易になると共に、動作時の温度上昇に起因する信頼性の低下を抑えることができる。したがって、本発明によれば、信頼性が高い小型の大容量スイッチング電源装置を少ない製造コストの下に得易くなる。

以下、本発明のスイッチング電源装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明のスイッチング電源装置の一例を概略的に示す部分切欠き平面図であり、図２は図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き正面図である。また、図３は図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き側面図であり、図４は図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き底面図である。これらの図に示すスイッチング電源装置６０は、複数の電源ユニット１０ａ〜１０ｃと周辺回路基板２０ａ，２０ｂとをシャーシ３０に搭載して外装５０に収容した大容量のスイッチング電源装置であり、シャーシ３０には電気的ノイズの漏洩や侵入を防止するノイズフィルタ４０も搭載されている。

上記の電源ユニット１０ａ〜１０ｃの各々はＡＣ（交流）−ＤＣ（直流）コンバータとして機能するものであり、個々の電源ユニット１０ａ〜１０ｃは空冷用のファン５（図１参照）を内蔵している。各電源ユニット１０ａ〜１０ｃの裏面壁には複数の吸気口（図示せず）が、また前面壁には複数の排気口（図示せず）が設けられており、ファン５の駆動時には、周囲の空気が上記の吸気口からユニット内に流入して上記の排気口から外部に流出する。各電源ユニット１０ａ〜１０ｃからの排気の方向を図１中に破線の矢印Ａで示してある。

各周辺回路基板２０ａ，２０ｂは、ノイズフィルタ４０を通った交流入力電圧を各電源ユニット１０ａ〜１０ｃに送る種々の周辺回路、例えば起動回路や過電流保護回路等が形成された回路板であり、当該周辺回路基板２０ａ，２０ｂの各々には種々の回路部品が実装されている。図２および図４では、耐熱性が互いに異なる３種類の回路部品１５ａ〜１５ｃを例示している。これら３種類の回路部品１５ａ〜１５ｃのうちでは、回路部品１５ａの耐熱性が他の回路部品１５ｂ，１５ｃの耐熱性に比べて相対的に低い。各回路部品１５ａは、個々の周辺回路基板２０ａ，２０ｂ内での吸気口側の領域、すなわち外装５０に設けられた後述の吸気口５０ｉ側に位置する領域に配置されている。

シャーシ３０は平板状を呈し、該シャーシ３０の上面側に各電源ユニット１０ａ〜１０ｃがノイズフィルタ４０と共に搭載され、該シャーシ３０の下面側に各周辺回路基板２０ａ，２０ｂが搭載されて、これらが直方体状の外装５０に収容されている。各電源ユニット１０ａ〜１０ｃはネジ（図示せず）によりシャーシ３０に固定されており、各周辺回路基板２０ａ，２０ｂは、スリーブ２３によりシャーシ３０から一定の間隔をあけて、スリーブ２３を挿通するネジ２５（図２〜図４参照）によりシャーシ３０に固定されている。シャーシ３０は、外装５０の背板部５０ｒ（図１、図３、および図４参照）から離隔した状態で、かつ各周辺回路基板２０ａ，２０ｂを外装５０の底板部５０ｂから浮かせた状態（図２および図３参照）で、外装５０の側板部５０ｓ，５０ｓ（図２参照）にネジ（図示せず）により固定されている。

外装５０の変形を防止するために、該外装５０の天板部５０ｔ（図１〜図３参照）は複数のネジ５５（図２および図３参照）により各電源ユニット１０ａ〜１０ｃに固定されている。また、個々の電源ユニット１０ａ〜１０ｃの動作時に該電源ユニット１０ａ〜１０ｃの内部および各回路部品１５ａ〜１５ｃをファン５で円滑に空冷することができるように、外装５０の前面板部５０ｆ（図１〜図４参照）には多数の排気口（図示せず）が設けられており、各側板部５０ｓには多数の吸気口５０ｉ（図２参照）が設けられている。なお、外装５０の背板部５０ｒ、天板部５０ｔ、および前面板部５０ｆに吸気口は設けられていない。

このように構成されたスイッチング電源装置６０では、１つのシャーシ３０の上面側に各電源ユニット１０ａ〜１０ｃ、下面側に各周辺回路基板２０ａ，２０ｂをそれぞれ搭載しているので、１つのシャーシ３０の上面側に各電源ユニット１０ａ〜１０ｃと各周辺回路基板２０ａ，２０ｂとを搭載する場合に比べて、個々の周辺回路基板２０ａ，２０ｂの上方にデッドスペースが生じるのを防止し易い。そのため、装置の高さを抑えて小型化を図り易い。また、シャーシの総数が「１」であるので、各電源ユニット１０ａ〜１０ｃと各周辺回路基板２０ａ，２０ｂとを別々のシャーシに搭載する場合に比べて製造コストを抑え易い。

そして、外装５０のうちで各周辺回路基板２０ａ，２０ｂの側方に位置する箇所、具体的には側板部５０ｒの各々に多数の吸気口５０ｉを設け、個々の周辺回路基板２０ａ，２０ｂにおいて周辺回路を構成する各回路部品１５ａ〜１５ｃのうちで耐熱性が相対的に低い回路部品１５ａを周辺回路基板２０ａ，２０ｂ内での吸気口５０ｉ側の領域に配置しているので、これらの回路部品１５ａ〜１５ｃを冷却する専用の冷却装置を設けなくても、回路部品１５ａを効率よく冷却することができる。また、他の回路部品１５ｂ，１５ｃも十分に冷却することができる。

すなわち、スイッチング電源装置６０の動作時には、各電源ユニット１０ａ〜１０ｃ内のファン５も駆動されることから、図２〜図４中に破線の矢印Ｂで示すように、装置外から吸気口５０ｉの各々を通ってシャーシ３０の下方に達し、ここからシャーシ３０と外装５０の背板部５０ｒとの間の隙間を通って電源ユニット１０ａ〜１０ｃの各々に流入する気流が形成されるので、専用の冷却装置を設けなくても当該気流により各回路部品１５ａ〜１５ｃを効率よく冷却することができる。

上記の気流が形成されると、個々の周辺回路基板２０ａ，２０ｂでの吸気口５０ｉ側の箇所に耐熱性が相対的に低い回路部品１５ａが配置されているので、実質的に過熱されていない装置外の空気により当該回路部品１５ａの各々が空冷されることになる。他の回路部品１５ｃ，１５ｂは、回路部品１５ａを冷却してある程度昇温した空気により空冷されることになるが、これらの回路部品１５ｂ，１５ｃは耐熱性が相対的に高いので、その信頼性が低下してしまう程の過度の昇温は防止される。回路部品１５ａ〜１５ｃを冷却する専用の冷却装置をスイッチング電源装置６０内に設けなくても、該スイッチング電源装置６０の動作時に各回路部品１５ａ〜１５ｃが効率よく冷却されて、温度上昇に起因する周辺回路の信頼性の低下が防止される。

したがって、スイッチング電源装置６０では、製造コストを抑えることが容易であると共に、動作時の温度上昇に起因する信頼性の低下を抑え易い。信頼性が高い小型のものを少ない製造コストの下に得易い。

実施の形態２．
本発明のスイッチング電源装置では、複数の電源ユニット搭載面が上面側に形成されていると共に、少なくとも１つの周辺回路基板搭載面が下面側に形成されているシャーシを用いることもできる。当該シャーシを用いる場合、電源ユニット搭載面と周辺回路基板搭載面とが互いに隣り合うように、あるいは互いに隣り合う２つの電源ユニット搭載面の間に１つの周辺回路基板搭載面が位置するようにその形状を選定すると、電源ユニットを固定するためのネジ等の固定具の位置と、当該シャーシに周辺回路基板を固定するためのネジ等の固定具の位置とが互いに干渉しないように電源ユニットおよび周辺回路基板を配置し易くなる。このようなシャーシは、例えば１つの金属板に曲げ加工を施して、矩形断面の凸条を片面側に少なくとも２つ突出形成し、これらの凸条それぞれの上面を電源ユニット搭載面とすると共に、非突出部のうちで少なくとも上記２つの凸条の間に位置する非突出部の下面を周辺回路基板搭載面とすることにより作製可能である。

図５は本発明のスイッチング電源装置の他の例を概略的に示す部分切欠き平面図であり、図６は図５に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き正面図であり、図７は図５に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き側面図である。これらの図に示すスイッチング電源装置１６０は、図１〜図４に示したシャーシ３０に代えてシャーシ１３０を有しているという点、および図２〜図４に示した２つの周辺回路基板２０ａ，２０ｂに代えて１つの周辺回路基板１２０を有しているという点をそれぞれ除き、図１〜図４に示したスイッチング電源装置６０と同様の構成を有している。

図５〜図７に示した構成部材のうちで図１〜図４に示した構成部材と共通するものについては、図１〜図４で用いた参照符号と同じ参照符号を付してその説明を省略する。また、周辺回路基板１２０は、図２〜図４に示した各周辺回路基板２０ａ，２０ｂよりも大型である点を除いてこれらの周辺回路基板２０ａ，２０ｂと同様の構成を有しているので、当該周辺回路基板１２０についてもその説明を省略する。

図示のスイッチング電源装置１６０におけるシャーシ１３０は、１つの金属板に曲げ加工を施して作製されたものであり、該シャーシ１３０は、上面側に形成された３つの電源ユニット搭載面Ｓ₁〜Ｓ₃（図５および図７参照）と下面側に形成された２つの周辺回路基板搭載面Ｓ₁₁，Ｓ₁₂（図７参照）を有している。

電源ユニット搭載面Ｓ₁〜Ｓ₃の各々は、それぞれ別個に、上記の金属板を曲げ加工するにあたって一方の主面側に突出形成した矩形断面の凸条の上面からなり、周辺回路基板搭載面Ｓ₁₁，Ｓ₁₂の各々は、上記の凸条を突出成形した際の非突出部の下面からなる。周辺回路基板搭載面Ｓ₁₁は、互いに隣り合う２つの電源ユニット搭載面Ｓ₁，Ｓ₂の間に位置しており、周辺回路基板搭載面Ｓ₁₂は、互いに隣り合う２つの電源ユニット搭載面Ｓ₂，Ｓ₃の間に位置している。各周辺回路基板搭載面Ｓ₁₁，Ｓ₁₂は実質的に同一の平面上にあり、これら周辺回路基板搭載面Ｓ₁₁，Ｓ₁₂を基準としたときの電源ユニット搭載面Ｓ₁，Ｓ₃の高さは実質的に同じで、電源ユニット搭載面Ｓ₂の高さは他の電源ユニット搭載面Ｓ₁，Ｓ₃の高さよりも低い。

このシャーシ１３０の長手方向の両端には、それぞれ、当該シャーシ１３０を外装５０内に固定する際に取付け部となる曲げ起こし部１３１ａ，１３１ｂ（図５および図６参照）が形成されている。曲げ起こし部１３１ａは、シャーシ１３０の長手方向の片側で上記の金属板を部分的に上方に曲げ起こすことで形成されており、曲げ起こし部１３１ｂは、シャーシ１３０の長手方向の片側で上記の金属板を部分的に下方に曲げ起こすことで形成されている。シャーシ１３０を外装５０内に固定するにあたっては、各曲げ起こし部１３１ａ，１３１ｂが外装５０の側板部５０ｓにネジ等の固定具（図示せず）で固定される。シャーシ１３０の長手方向の両端に曲げ起こし部１３１ａ，１３１ｂを設けることで当該シャーシ１３０の形状保持性が向上し、その変形が抑制される。

各電源ユニット１０ａ〜１０ｃ（ただし電源ユニット１０ａは図５〜図７に現れていない）およびノイズフィルタ４０の各々は、上述の凸条のうちで上面が電源ユニット搭載面Ｓ₁または電源ユニット搭載面Ｓ₃となっているものそれぞれでの下面側から挿入されたネジ１３５により、シャーシ１３０に固定されている。ネジ１３５が挿通されていない電源ユニット搭載面Ｓ₂の上には、該電源ユニット搭載面Ｓ₂よりも幅広の帯状を呈する振動吸収材１３８が配置されている。この振動吸収材１３８は、例えば発泡樹脂や合成ゴム等を用いて作製され、各電源ユニット１０ａ〜１０ｃとシャーシ１３０（電源ユニット搭載面Ｓ₂）との間に介在して、シャーシ１３０に撓みや変形を生じさせる要因となる衝撃や振動等のエネルギーを吸収すると共にシャーシ１３０のバタツキを抑える。

上述の構成のシャーシ１３０を備えたスイッチング電源装置１６０は、実施の形態１で説明したスイッチング電源６０（図１〜図４参照）と同様の技術的効果を奏する。また、１つ板材を曲げ加工することでシャーシ１３０が作製されていることから、平板状のシャーシ３０（図１〜図４参照）に比べて、その素材を薄肉化しても垂直方向の機械的強度および水平方向の機械的強度がそれぞれ高いものを得易い。その結果として、スイッチング電源装置１６０では、所望の機械的強度を有する軽量のものを低製造コストの下に得易いという技術的効果も奏する。

以上、本発明のスイッチング電源装置について実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、本発明は上述の形態に限定されるものではない。本発明のスイッチング電源装置は、電源ユニットの各々が空冷用のファンを内蔵し、シャーシの上面側に電源ユニットの各々が搭載されていると共に該シャーシの下面側に周辺回路基板が搭載されており、外装で周辺回路基板の側方にあたる箇所に吸気口が形成され、周辺回路を構成する回路部品のうちで耐熱性が相対的に低い回路部品を周辺回路基板内での吸気口側の領域に配置したものであれば基本的によく、他の構成は種々変更可能である。

例えば、本発明のスイッチング電源装置は電源容量が３ｋＷ程度以上の大容量のスイッチング電源装置として特に好適であるが、シャーシに搭載する電源ユニットの総数は、当該スイッチング電源装置に求められる電源容量に応じて２以上の所望数とすることができる。シャーシに搭載する周辺回路基板についても、その総数は１以上の所望数とすることができる。

周辺回路基板での回路部品の配置は、耐熱性が相対的に低い回路部品が前述のように吸気口側の領域に設けられたものでればよく、外装での吸気口の配置に応じて適宜選定可能である。吸気口は、外装での各側板部に設ける他に、または外装での各側板部に設けることに加えて、前面板に設けることも可能である。周辺回路基板での上記吸気口側の領域に耐熱性の低い回路部品を配置してもスペースにゆとりがあるときには、発熱量が少ない回路部品も当該吸気口側の領域に配置することが好ましい。発熱量が少ない回路部品をこのように配置すること、それ程昇温していない空気で他の領域中の回路部品が空冷されることになるので、全ての回路部品を効率よく冷却し易くなる。

複数の電源ユニット搭載面と少なくとも１つの周辺回路基板搭載面とをシャーシに設ける場合、当該シャーシは、実施の形態２で説明したように１つの金属板に曲げ加工を施して作製することもできるし、金属や合金を用いた鋳造や有機材料を用いた注型重合等の方法に作製することもできる。この場合、当該シャーシでの長手方向の両端に曲げ起こし部または該曲げ起こし部に相当する部位を設けるか否かは、適宜選択可能である。

上記複数の電源ユニット搭載面の各々は、実施の形態２で説明したスイッチング電源装置におけるように装置の奥行き方向に配列する他に、装置の幅方向（スイッチング電源装置を正面視したときの幅方向）に配列させることもできるし、各電源ユニット搭載面が互いに非平行となるように配列させることもできる。このことは、複数の周辺回路基板搭載面をシャーシに形成する場合にもあてはまる。また、個々の電源ユニット搭載面の平面形状や周辺回路基板搭載面の平面形状は、適宜選定可能である。

振動吸収材を電源ユニットとシャーシとの間に介在させるか否かについても適宜選択可能であるが、スイッチング電源装置の機械的強度を向上させるという観点からは、振動吸収材を電源ユニットとシャーシとの間に介在させることが好ましい。振動吸収材は、実施の形態２で説明したスイッチング電源装置におけるように帯状に成形して個々の電源ユニットの下面とシャーシとの間に介在させてもよいし、スポット状に成形して電源ユニット毎に当該電源ユニットとシャーシとの間に１個または複数個を介在させてもよい。シャーシが平板状であるときには、個々の電源ユニットの下面全体に接するように振動吸収材を成形して当該スイッチング電源装置とシャーシとの間に介在させることもできる。本発明のスイッチング電源装置については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

本発明のスイッチング電源装置は、種々の用途の電気機器の大容量電源装置として好適である。

本発明のスイッチング電源装置の一例を概略的に示す部分切欠き平面図である。 図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き正面図である。 図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き側面図である。 図１に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き底面図である。 本発明のスイッチング電源装置の他の例を概略的に示す部分切欠き平面図である。 図５に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き正面図である。 図５に示したスイッチング電源装置を概略的に示す部分切欠き側面図である。

符号の説明

５ ファン
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 電源ユニット
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 回路部品
２０ａ，２０ｂ，１２０ 周辺回路基板
３０，１３０ シャーシ
３０ａ シャーシの上面
３０ｂ シャーシの下面
４０ ノイズフィルタ
５０ 外装
５０ｉ 吸気口
６０，１６０ スイッチング電源装置
Ｓ₁，Ｓ₂ 電源ユニット搭載面
Ｓ₁₁，Ｓ₁₂ 周辺回路基板搭載面

Claims (4)

1. 複数の電源ユニットと該複数の電源ユニットに電気的に接続される周辺回路が形成された周辺回路基板とをシャーシに搭載して外装に収容したスイッチング電源装置であって、
   前記複数の電源ユニットの各々は空冷用のファンを内蔵し、
   前記シャーシの上面側に前記複数の電源ユニットの各々が搭載されていると共に該シャーシの下面側に前記周辺回路基板が搭載されており、
   前記外装は前記周辺回路基板の側方に位置する吸気口を有し、
   前記周辺回路を構成する回路部品のうちで耐熱性が相対的に低い回路部品は、前記周辺回路基板内での前記吸気口側の領域に配置されている、
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記シャーシは、
   上面側に形成された複数の電源ユニット搭載面と、
   下面側に形成された少なくとも１つの周辺回路基板搭載面と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 互いに隣り合う電源ユニット搭載面と周辺回路基板搭載面とを有することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記複数の電源ユニットの各々と前記シャーシとの間に介在する振動吸収材を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。

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