JP6939899B2

JP6939899B2 - 密閉型電子装置

Info

Publication number: JP6939899B2
Application number: JP2019557238A
Authority: JP
Inventors: 隆行三輪
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JPWO2019107358A1; WO2019107358A1

Description

本発明は、多数の電子部品を搭載した基板を密閉された筐体内に収容した密閉型電子装置に関するものである。

一般家庭用の太陽光発電システムでは、太陽光パネルで発電された直流電力がパワーコンディショナで商用交流電力に変換され、家庭内の交流負荷あるいは商用電力系統に供給される。

具体的には、太陽光パネルで発電された直流電力はＰＶ（photovoltaic）コンバータで昇圧され、インバータで商用交流電力に変換される。そして、インバータから交流負荷あるいは商用電力系統に商用交流電力が供給される。

屋外設置を前提とした場合の家庭用の比較的小出力のパワーコンディショナでは、密閉された筐体内に、ＰＶコンバータを構成する多数の電子部品が搭載されたＰＶコンバータ基板と、インバータを構成する多数の電子部品が搭載されたインバータ基板等が収容される。

ＰＶコンバータ基板には、直流電圧を昇圧するためのリアクトル及びスイッチング素子が搭載され、インバータ基板には、直流電力を交流電力に変換するためのリアクトル及びスイッチング素子が搭載される。

そして、これらの素子は発熱量が大きく、特に密閉型筺体においては外気を取り入れて放熱効果を高めるという手段が採れないため、ヒートシンク等による伝熱での放熱に加え、密閉型筺体内部にファンを設けることによって筺体内部の空気を効率良く循環させることが重要となっている。

基板に搭載された電子部品から発せられる熱を放散する放熱構造として、特許文献１に開示のものが知られている。

特開２００７−２２１０５７号公報

特許文献１に開示された放熱構造では、同一プリント基板上に発熱素子とヒートシンク及びファンが近接して搭載されている。従って、これらの実装面積が増大するため、プリント基板が大型化し、プリント基板を収容する筐体が大型化する。また、基板上での素子のレイアウトにより、ファンから送られる循環風が発熱素子及びヒートシンクに十分に届かない場合がある。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は送風機からの送風により基板上の発熱素子を安定して冷却し得る密閉型電子装置を提供することにある。

上記課題を解決する密閉型電子装置は、密閉される筐体内で下層に位置するベースプレートに設置され、発熱素子を含む複数の素子を搭載した第一の基板と、筐体内で前記ベースプレートの上層に位置するアッパープレートに設置され、複数の素子を搭載した第二の基板と、前記アッパープレートに設置され、前記発熱素子に向かって冷却風を送風する送風機とを備える。

この構成により、アッパープレートに設置された送風機から、ベースプレート上の発熱素子に冷却風が送風されて、発熱素子が冷却される。
また、上記の密閉型電子装置において、前記送風機を、前記冷却風が前記発熱素子に向かうように斜め下方に向かって設置することが好ましい。

この構成により、送風機から冷却風が発熱素子に向かって斜め下方に送風される。
また、上記の密閉型電子装置において、前記送風機の下縁を、前記ベースプレートと前記アッパープレートとの間に位置させることが好ましい。

この構成により、アッパープレートに設置される送風機の低背化が可能となる。
また、上記の密閉型電子装置において、前記アッパープレートは、前記冷却風が前記発熱素子に向かうように、前記発熱素子の上方を覆わない形状とすることが好ましい。

この構成により、送風機から発熱素子に向かって冷却風が送風される。
また、上記の密閉型電子装置において、前記発熱素子は、リアクトル若しくはパワー半導体素子の少なくともいずれかを含むことが好ましい。

この構成により、リアクトル若しくはパワー半導体素子が冷却風で冷却される。
また、上記の密閉型電子装置において、前記筐体内で循環する冷却風の循環経路上において、前記第一の基板に平滑コンデンサを搭載することが好ましい。

この構成により、冷却風で平滑コンデンサが冷却される。
また、上記の密閉型電子装置において、前記第一の基板には、インバータ及びＰＶコンバータが搭載され、前記第二の基板には、前記インバータ及び前記ＰＶコンバータの制御回路が搭載されることが好ましい。

この構成により、第一の基板に発熱素子が搭載される。
また、上記の密閉型電子装置は、前記ベースプレートの裏面に放熱フィンを備えることが好ましい。

この構成により、冷却風から筐体に放散された熱が放熱フィンから筐体外へ放散される。

本発明の密閉型電子装置によれば、送風機からの送風により基板上の発熱素子を安定して冷却することができる。

一実施形態のパワーコンディショナの外観を示す斜視図。一実施形態のパワーコンディショナの内部構成を示す斜視図。一実施形態のパワーコンディショナの内部構成を示す分解斜視図。送風機から送風される冷却風を示す側面図。

以下、本発明の一態様である実施形態を図面に従って説明する。図１及び図２は、一般家庭用の太陽光発電システムを構成するパワーコンディショナを示す。
図１は、蓋部２１を被せて密閉型とした外観図を示し、図２は蓋部２１を外した内部構成図を示している。

筐体を構成するベースプレート１は熱伝導性を有する金属で形成され、ベースプレート１上にはＰＶコンバータ基板２及びインバータ基板３が設置されている。
ＰＶコンバータ基板２上には、太陽光パネルの発電電力を昇圧する昇圧回路を含むＰＶコンバータが搭載されている。昇圧回路は、非絶縁型のチョッパ回路で構成されており、発熱素子となる複数のリアクトル４及び大きな電流が流れる複数のスイッチング素子（パワー半導体素子）５を含む。

図２に示すように、リアクトル４はＰＶコンバータ基板２の一端側（図１及び図２において手前側）に寄せて搭載され、スイッチング素子５はＰＶコンバータ基板２の他端側近傍に搭載されている。また、リアクトル４とスイッチング素子５との間には、アルミ電解コンデンサで構成される複数の平滑コンデンサ１９が搭載されている。

リアクトル４は、ＰＶコンバータ基板２の一端縁に沿うように並べて搭載され、平滑コンデンサ１９及びスイッチング素子５はそれぞれリアクトル４と同方向に並べて搭載されている。

インバータ基板３上には、ＰＶコンバータで昇圧された直流電力を５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用交流電力に変換するインバータが搭載されている。インバータは、ハーフブリッジ或いはフルブリッジを含むブリッジコンバータで構成されており、発熱素子となるリアクトル６及び大きな電流が流れるスイッチング素子（パワー半導体素子）７を含む。

また、スイッチング素子７の後方及び側方には、アルミ電解コンデンサで構成される複数の平滑コンデンサ２０が搭載されている（図３参照）。
図２に示すように、リアクトル６及びスイッチング素子７は、インバータ基板３の一端側（図２及び図３において手前側）に寄せて搭載されている。

ＰＶコンバータ基板２及びインバータ基板３の上方には、アッパープレート８が配設されている。アッパープレート８は、ベースプレート１と同一材質の金属板で略Ｌ字形に形成されており、ＰＶコンバータ基板２とインバータ基板３の境界部分の上方と、インバータ基板３の他端側（図２及び図３において後方側）上方とを覆う一方、リアクトル６及びスイッチング素子７の上方を開放している。

そして、アッパープレート８の各角部が固定ピン９を介してベースプレート１に固定されている。また、アッパープレート８の下面とＰＶコンバータ基板２及びインバータ基板３に搭載された素子との間には冷却風を循環可能とする間隔が確保されている。

アッパープレート８上には、ＰＶコンバータ基板２に搭載された昇圧回路を制御するための制御回路が搭載された制御基板１０と、インバータ基板３に搭載されたインバータを制御するための制御回路が搭載された制御基板１１とが設置されている。従って、ＰＶコンバータ基板２、インバータ基板３及び制御基板１０，１１は、筐体内で下層となるベースプレート１上と、上層となるアッパープレート８上の２層に分かれて設置されている。

インバータ基板３の前後方向中間部の上方位置で、アッパープレート８には送風機１２が設置されている。詳述すると、送風機１２はモータで回転駆動されるファン１４がケース１３に支持されている。ファン１４の径方向両側において、ケース１３の上下方向中間部には取付片１５が形成されている。

インバータ基板３の上方に位置するアッパープレート８の前縁には、ケース１３を上方あるいは前方から挿入可能とした凹部１６が形成され、その凹部１６の両側には取付片１５を支持する支持部１７が設けられている。そして、ケース１３を凹部１６内に挿入して取付片１５を支持部１７にネジ止めすることにより、送風機１２がアッパープレート８に固定される。

従って、図４に示すように、送風機１２のケース１３の下縁は、ベースプレート１とアッパープレート８の間に位置している。
また、図４に示すように、送風機１２はファン１４がリアクトル６に対向するように、斜め下方に向かって取着され、ファン１４が回転されると、リアクトル６に向かって送風機１２から冷却風Ｗが送風されるようになっている。送風機１２は、ＰＶコンバータの昇圧回路及びインバータの作動時に動作して、インバータ基板３上のリアクトル６に向かって冷却風Ｗを送風するようになっている。

ベースプレート１の裏面には、放熱フィン１８が取着されている。放熱フィン１８は、ベースプレート１と同一材質の金属で形成され、ＰＶコンバータ基板２上の発熱素子、インバータ基板３上の発熱素子及び冷却風Ｗからベースプレート１に放散された熱が、放熱フィン１８を介して筐体外へ放散される。

上記のように、ベースプレート１にＰＶコンバータ基板２及びインバータ基板３を設置し、アッパープレート８に制御基板１０，１１及び送風機１２を設置した後、ベースプレート１に側板を取付けて蓋部２１を被せると、密閉型のパワーコンディショナが形成される。

次に、上記のように構成されたパワーコンディショナの作用を説明する。
パワーコンディショナの作動時には、ＰＶコンバータ基板２上のリアクトル４及びスイッチング素子５が発熱するとともに、インバータ基板３上のリアクトル６及びスイッチング素子５が発熱する。また、ＰＶコンバータ基板２上の平滑コンデンサ１９及びインバータ基板３上の平滑コンデンサ２０も、リップル電流が流れることにより発熱する。

平滑コンデンサとして用いられるアルミ電解コンデンサは、部品の構造上、内部の電解液の蒸発（ドライアップ）が製品寿命に直接関係するため、出来るだけ低温で使用することが望ましい。一般的には容量を大きくして流れるリップル電流の最大値と最小値の差を小さくしたり、周囲温度の高い所に配置しないようにしたり、或いは冷却風が当たる場所に配置したりするといった対策が採られる。

そこで、パワーコンディショナの作動時には、送風機１２からインバータ基板３上のリアクトル６に向かって冷却風Ｗが送風される。冷却風Ｗは、リアクトル６に加えてインバータ基板３上のスイッチング素子７及び平滑コンデンサ２０も冷却し、その後、筐体の内側面によりアッパープレート８の下方を経てＰＶコンバータ基板２上のリアクトル４に向かって案内され、さらに平滑コンデンサ１９及びスイッチング素子５を経て制御基板１０，１１の上方から送風機１２に戻って循環する。制御基板１０，１１に搭載される素子は発熱量が小さいので、特にリアクトル６，４を冷却して温かくなった冷却風Ｗは、制御基板１０，１１上で若干冷却されて送風機１２に至る。

このような冷却風Ｗの循環により、特に発熱量の大きいリアクトル６，４及びスイッチング素子５，７が冷却される。また、平滑コンデンサ１９，２０も冷却される。
上記のようなパワーコンディショナでは、次に示す効果を得ることができる。

（１）送風機１２から送風される冷却風Ｗは、発熱量のもっとも大きいインバータ基板３上のリアクトル６に向かって送風される。従って、リアクトル６が冷却風Ｗで効率よく冷却される。

（２）送風機１２は、アッパープレート８に設置され、冷却風Ｗがリアクトル６に向かうように、さらに言えば、冷却風Ｗがリアクトル６に直接当たるように、斜め下方に向かって設置されている。従って、リアクトル６の冷却効率が向上する。

（３）発熱量の大きいリアクトル４，６及びスイッチング素子５，７を搭載したＰＶコンバータ基板２及びインバータ基板３をベースプレート１上に設置し、発熱量の小さい素子を搭載した制御基板１０，１１をアッパープレート８に設置した。従って、アッパープレート８に設置された送風機１２から斜め下方に向かって冷却風Ｗを送風することにより、発熱量の大きい素子を効率的に冷却することができる。

（４）冷却風Ｗが筐体内を循環することで、リアクトル４，６及びスイッチング素子５，７等の発熱素子及び平滑コンデンサ１９，２０を冷却することができる。発熱素子とともに平滑コンデンサを冷却することができるので、平滑コンデンサの寿命を延ばすことができる。

（５）送風機１２の下縁がアッパープレート８とベースプレート１との間に位置するように送風機１２を設置したので、筐体内で送風機１２の設置高さを低背化することができる。従って、ベースプレート１とアッパープレート８上に基板を分けて設置する２層構造としても、筐体の高さ方向の寸法の増大を抑制することができる。

（６）ＰＶコンバータ基板２、インバータ基板３及び制御基板１０，１１を２層に分けて設置したことにより、筐体の平面視方向の寸法を縮小することができる。
（７）図４に示されているように、送風機１２のファン１４の中心は、アッパープレート８よりも上方に位置する。これにより、送風機１２はアッパープレート８の上方の比較的冷えている空気を冷却風Ｗとして送風することができる。従って、リアクトル６，４、スイッチング素子５，７及び平滑コンデンサ１９，２０の冷却効率が向上する。

（８）図２に示されているように、ＰＶコンバータ基板２上の平滑コンデンサ１９及びスイッチング素子５はそれぞれ、冷却風Ｗが流れる方向に対し直交する方向に並べて搭載されている。これにより、平滑コンデンサ１９及びスイッチング素子５の冷却効率が向上する。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・送風機１２は、筐体内で冷却風を循環させることができさえすれば、必ずしもリアクトル６に向かって斜め下方に送風しなくてもよい。

・パワーコンディショナのリアクトル、スイッチング素子、平滑コンデンサ以外の素子を冷却するようにしてもよい。
・ＰＶコンバータ基板２とインバータ基板３を共通の基板で構成してもよい。

１…ベースプレート、２…第一の基板（ＰＶコンバータ基板）、３…第一の基板（インバータ基板）、４，６…発熱素子（リアクトル）、５，７…発熱素子（パワー半導体素子、スイッチング素子）、８…アッパープレート、１０，１１…第二の基板（制御基板）、１２…送風機、１８…放熱フィン、１９，２０…平滑コンデンサ。

Claims

密閉される筐体内で下層に位置するベースプレートに設置され、発熱素子を含む複数の素子を搭載した第一の基板と、
筐体内で前記ベースプレートの上層に位置するアッパープレートに設置され、複数の素子を搭載した第二の基板と、
前記発熱素子と対向するようにして前記アッパープレートに設置され、前記発熱素子に向かって冷却風を送風する送風機と、を備えた、密閉型電子装置。
請求項１に記載の密閉型電子装置において、
前記送風機を、前記冷却風が前記発熱素子に向かうように斜め下方に向かって設置した、密閉型電子装置。
請求項１又は２に記載の密閉型電子装置において、
前記送風機の下縁を、前記ベースプレートと前記アッパープレートとの間に位置させた、密閉型電子装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の密閉型電子装置において、
前記アッパープレートは、前記冷却風が前記発熱素子に向かうように、前記発熱素子の上方を覆わない形状とした、密閉型電子装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の密閉型電子装置において、
前記発熱素子は、リアクトル若しくはパワー半導体素子の少なくともいずれかを含む、密閉型電子装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の密閉型電子装置において、
前記筐体内で循環する冷却風の循環経路上において、前記第一の基板に平滑コンデンサを搭載した、密閉型電子装置。
請求項５又は６に記載の密閉型電子装置において、
前記第一の基板には、インバータ及びＰＶコンバータが搭載され、前記第二の基板には、前記インバータ及び前記ＰＶコンバータの制御回路が搭載される、密閉型電子装置。
請求項７に記載の密閉型電子装置において、
前記ベースプレートの裏面に放熱フィンを備えた、密閉型電子装置。