JP6707293B2

JP6707293B2 - 電気機器ユニット

Info

Publication number: JP6707293B2
Application number: JP2016208591A
Authority: JP
Inventors: 小川　一夫; 一夫小川
Original assignee: Shoden Corp
Current assignee: Shoden Corp
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: JP2018073885A

Description

本発明は、直流電源装置や充電装置を構成する電気機器ユニットに関し、特にユニットに収容された各種の回路部品の放熱、冷却構造に関するものである。

従来、この種の電気機器ユニットにおける回路部品の放熱、冷却構造としては、特許文献１〜３等に記載されたものが知られている。
例えば、図６は特許文献１に記載された電子機器の内部側面図、図７は内部平面図である。
これらの図において、１は筐体、２はメイン基板、３は仕切板、４は通電時に高温となる半導体素子等の電子部品、５は放熱フィン、６は冷却ファン、７は電源ユニット、８は吸気口、９は排気口、Ｆは冷却風の気流を示している。

また、図８は特許文献２に記載された電源装置の側面断面図、図９は内部平面図である。
これらの図において、１１は筐体、１２は電源モジュール、１３は電源モジュール１２が収容された発熱部、１４は冷却ファン、１５はシール材、１６は吸気口、１７は排気口、１８は電子部品である。

更に、図１０，図１１は特許文献３に記載された電源装置の第１実施例、第２実施例を示す側面断面図である。
これらの図において、２１は筐体、２２は前面板、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２８，２９は吸気口、２３は放熱フィン、２４は仕切板、２５は低温の回路部品、２６は半導体装置、２７は冷却ファン、３０は排気口を示している。

特開２０１４−５６９５８号公報（図２等）特許第４３７６０４９号公報（図２，図３等）特開平７−９５７７１号公報（図１，図３等）

図６〜図１１に示した従来技術では、何れも、外部から水平方向に沿って導入した冷却風をユニット内部の冷却ファンにより垂直方向の気流に変換し、更に筐体内部を前後左右に方向転換させて筐体外部へ排気させる通気構造を採用している。このため、気流Ｆの通過経路が複雑化し、気流同士の衝突や乱流が発生して冷却効率を損なう恐れがあった。
また、気流Ｆの通過経路が複雑であることから空気抵抗も大きくなり、冷却ファンの容量増加や放熱フィンの大型化を招く等の問題を生じていた。

そこで、本発明の解決課題は、気流の通過経路を単純化して気流の衝突や乱流の発生を防止し、内部の冷却効率を高めると共に、省エネルギー化及び小型化を可能にした電気機器ユニットを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、冷却が必要な複数の回路部品が収容された電気機器ユニットにおいて、
内部を基板により上下に二分して前記基板の前端部と後端部とに正面パネルと背面パネルとをそれぞれ配置し、前記基板上のほぼ中央に前後方向に延びる放熱フィンを配置して前記放熱フィンの前端部または後端部に冷却ファンを取り付け、
前記冷却ファンによる強制冷却用のメイン気流を前記放熱フィンの内部に通過させると共に、前記正面パネルの吸気口から前記放熱フィンの両側を前後方向に通過して前記背面パネルの排気口から排気される自然冷却用のサブ気流を形成し、
前記放熱フィンの側面には、通電時に高温になる回路部品としての半導体素子を面接触状態で実装し、かつ、前記放熱フィンの両側の前記基板上に前記サブ気流により冷却される他の回路部品を実装し、前記メイン気流及び前記サブ気流を前記基板上で分離しつつ直線状に形成して前記メイン気流及び前記サブ気流の衝突や乱流の発生を抑制したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電気機器ユニットにおいて、前記基板の下方に、制御回路を含む低温発熱部を配置したことを特徴とする。

本発明によれば、通電時に高温となる半導体素子等の回路部品に対しては、冷却ファン及び放熱フィンにより生成したメイン気流を用いて強制冷却し、また、比較的低温である他の回路部品についてはサブ気流により自然冷却することで、各部品の発熱特性に合わせた効率的な放熱、冷却を行うことができる。
また、メイン気流及びサブ気流がほぼ一方向かつ直線状の気流であるため、気流同士の衝突や乱流が発生しにくく、冷却ファンの容量や放熱フィンの構造を必要以上に大きくする必要がない。これにより、電気機器ユニット全体の小型化、低コスト化が可能である。

本発明の第１実施形態に係る電気機器ユニットの内部構造を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る電気機器ユニットの内部構造を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る電気機器ユニットの正面図である。本発明の第１実施形態に係る電気機器ユニットの内部構造を示す正面図である。本発明の第２実施形態に係る電気機器ユニットの内部構造を示す平面図である。特許文献１に記載された電子機器の内部側面図である。特許文献１に記載された電子機器の内部平面図である。特許文献２に記載された電源装置の側面断面図である。特許文献２に記載された電源装置の内部平面図である。特許文献３に記載された電源装置の第１実施例を示す側面断面図である。特許文献３に記載された電源装置の第２実施例を示す側面断面図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態に係る電気機器ユニット１００Ａの内部構造を示す斜視図である。この電気機器ユニットは、内蔵された回路部品によって直流電源装置や充電装置として機能するものであり、その全体が筐体（図示せず）に収納されてラック等にプラグイン方式で着脱可能となっている。

図１において、１０１は底面パネル、１０２は正面パネル、１０３は背面パネルである。
底面パネル１０１には下部基板１１３が設けられており、この下部基板１１３には、ＩＣやチップ部品、制御回路等の発熱量が比較的少ない回路部品が低温発熱部１０４として配置されている。

正面パネル１０２の中央には、外部から冷却風を取り込んで強制冷却を行う冷却ファン１１０が取り付けられ、冷却ファン１１０の両側には多数の吸気口１０２ａが形成されている。
同様に、背面パネル１０３において、正面パネル１０２の吸気口１０２ａとほぼ対向する位置、及び、後述する放熱フィン１０９の後端部に対向する位置には、多数の排気口１０３ａが形成されている。

低温発熱部１０４の上方には、電気機器ユニット１００Ａの内部空間を上下に二分する上部基板１０５が配置されている。この上部基板１０５のほぼ中央には、電気機器ユニット１００Ａの前後方向に延びるアルミニウム製の放熱フィン１０９が配置される。放熱フィン１０９の前方には前記冷却ファン１１０が配置されており、冷却ファン１１０の駆動時に外部から吸入された冷却風が放熱フィン１０９の内部を通過して背面パネル１０３の排気孔１０３ａから排気されるようになっている。
なお、１１１は、放熱フィン１０９の上部に取り付けられて熱伝導により放熱する金属製の上部カバーである。

放熱フィン１０９の両側面１０９ａには、通電時に高温（例えば１００℃以上）になる回路部品としてのＦＥＴ等の半導体素子１１２が面接触状態で複数、実装されている。また、放熱フィン１０９の両側の上部基板１０５には、コイルやトランス、コンデンサ等の回路部品１０６〜１０８が多数、配置されている。

ここで、上部基板１０５及び下部基板１１３は、絶縁樹脂等によりコーティングして基板の腐食や回路部品同士のショートを防止するようにしても良い。
また、上部基板１０５に樹脂ポッティング等を施し、トランスやコイル等の回路部品が有する熱を樹脂により熱伝導させて放熱する構造を併用しても良い。

次に、図２は電気機器ユニット１００Ａの内部構造を示す平面図である。
図２において、Ｆｍは冷却ファン１１０から放熱フィン１０９を通過する強制冷却用のメイン気流である。このメイン気流Ｆｍが放熱フィン１０９の内部を通過することにより、放熱フィン１０９の側面１０９ａに面接触状態で実装されている半導体素子１１２の放熱、冷却が促進される。

また、Ｆｓは正面パネル１０２の吸気口１０２ａから放熱フィン１０９の両側を通り、背面パネル１０３の排気口１０３ａから排気される自然冷却用のサブ気流である。このサブ気流Ｆｓは、メイン気流Ｆｍの負圧に引き込まれるように発生し、上部基板１０５に実装された多数の回路部品１０６〜１０８に対する緩やかな送風を生じさせる。
更に、サブ気流Ｆｓの一部が下部基板１１３と上部基板１０５との間の空間にも供給されるようにすれば、上記の空間に配置された低温発熱部１０４に対しても自然冷却を行うことができる。

上記のように、本実施形態によれば、通電時に高温になる半導体素子１１２については放熱フィン１０９により直接的に強制冷却し、半導体素子１１２に比べて比較的低温である回路部品１０６〜１０８や低温発熱部１０４については自然冷却を行うことにより、電気機器ユニット１００Ａに収容される各種の回路部品を、それぞれの発熱特性に応じて効率よく冷却することができる。
また、メイン気流Ｆｍ及びサブ気流Ｆｓの通過経路は電気機器ユニット１００Ａの前後方向に沿った直線状であるため、従来技術のように気流同士の衝突や乱流が発生しにくく、冷却効率が低下する恐れがないと共に、冷却ファン１１０の容量や放熱フィン１０９の構造を必要以上に大きくする必要がないことから、装置全体の小型化、低コスト化にも寄与する。

なお、図３は電気機器ユニット１００Ａの正面図、図４は同じく内部構造を示す正面図である。これらの図から明らかなように、冷却ファン１１０の回転中心軸は放熱フィン１０９の中心軸にほぼ一致するように配置することが望ましい。

次に、図５は本発明の第２実施形態に係る電気機器ユニット１００Ｃの内部構造を示す平面図である。
この電気機器ユニット１００Ｃは、２台の電気機器ユニット１００Ｂを並べて一つのケーシング１２１に収容してあり、ケーシング１２１の背面板等には、メイン気流Ｆｍ及びサブ気流Ｆｓを排気する排気口（図示せず）が形成されている。

図５における２台の電気機器ユニット１００Ｂは、第１実施形態の電気機器ユニット１００Ａとは異なって冷却ファン１１０が後端部に配置されている。このような構造であっても、第１実施形態と同様にメイン気流Ｆｍ及びサブ気流Ｆｓを発生させることができ、これらの気流による強制冷却及び自然冷却により、各種の回路部品を万遍なく効率的に放熱、冷却することができる。

本発明は、直流電源装置や充電装置に限らず、内部に収容された各種回路部品の強制冷却及び自然冷却が必要とされる電気機器ユニットとして利用することができる。

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ：電気機器ユニット
１０１：底面パネル
１０２：正面パネル
１０２ａ：吸気口
１０３：背面パネル
１０３ａ：排気口
１０４：低温発熱部
１０５：上部基板
１０６〜１０８：回路部品
１０９：放熱フィン
１０９：側面
１１０：冷却ファン
１１１：上部カバー
１１２：半導体素子
１１３：下部基板
１２１：ケーシング
Ｆｍ：メイン気流（強制冷却用）
Ｆｓ：サブ気流（自然冷却用）

Claims

冷却が必要な複数の回路部品が収容された電気機器ユニットにおいて、
内部を基板により上下に二分して前記基板の前端部と後端部とに正面パネルと背面パネルとをそれぞれ配置し、前記基板上のほぼ中央に前後方向に延びる放熱フィンを配置して前記放熱フィンの前端部または後端部に冷却ファンを取り付け、
前記冷却ファンによる強制冷却用のメイン気流を前記放熱フィンの内部に通過させると共に、前記正面パネルの吸気口から前記放熱フィンの両側を前後方向に通過して前記背面パネルの排気口から排気される自然冷却用のサブ気流を形成し、
前記放熱フィンの側面には、通電時に高温になる回路部品としての半導体素子を面接触状態で実装し、かつ、前記放熱フィンの両側の前記基板上に前記サブ気流により冷却される他の回路部品を実装し、前記メイン気流及び前記サブ気流を前記基板上で分離しつつ直線状に形成して前記メイン気流及び前記サブ気流の衝突や乱流の発生を抑制したことを特徴とする電気機器ユニット。
請求項１に記載した電気機器ユニットにおいて、
前記基板の下方に、制御回路を含む低温発熱部を配置したことを特徴とする電気機器ユニット。