WO2023223451A1

WO2023223451A1 - サブラック装置および電子機器

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Publication number: WO2023223451A1
Application number: PCT/JP2022/020638
Authority: WO
Inventors: 朋希渡邉; 大樹古賀
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-11-23
Also published as: JPWO2023223451A1

Abstract

サブラック装置（１１）は、複数のプラグインユニット（３１）と、バックプレーン（４１）と、サブラック（２１）と、を備える。バックプレーン（４１）には、第１通風孔（４１ａ）が形成される。サブラック（２１）は、一面に開口（２１ａ）が形成されている箱型の形状を有する。サブラック（２１）の開口（２１ａ）に向く面に、第１通風孔（４１ａ）の少なくとも一部に対向する第２通風孔（２４ａ）が形成される。サブラック（２１）の複数のプラグインユニット（３１）の配列方向に交差する方向に対向する二面（２２，２３）に第３通風孔（２２ａ，２３ａ）が形成される。

Description

サブラック装置および電子機器

　本開示は、サブラック装置およびサブラック装置を備える電子機器に関する。

　電子機器には、取り外し可能なユニットを備えるものがある。この種の電子機器の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている車両用駆動制御装置は、ガイドレールに沿って移動させることで筐体に収容することができるパワーユニットを備える。

特開２０１３－１６３５０３号公報

　電子機器には、取り外し可能なユニットとして、基板を有する複数のプラグインユニットと、複数のプラグインユニットを収容するサブラックと、を有するサブラック装置を備えるものがある。通電時に発熱する各プラグインユニットに沿って自然対流によって空気が流れることを可能にするために、サブラックにおいて、複数のプラグインユニットの配列方向に交差する方向に互いに対向する二面に通風孔が形成されている。サブラック装置は、通風孔が形成されている二面が鉛直方向に直交する向きで電子機器の筐体に収容されることが好ましい。

　サブラック装置の開発には時間を要するために、種々の電子機器に対して同じサブラック装置を適用することが行われている。電子機器の筐体の内部において、サブラック装置の向きの制約が生じることがある。この結果、通風孔が形成されている二面が鉛直方向に直交する向きでサブラック装置を電子機器の筐体に収容することができないことがある。このとき、自然対流による空気がプラグインユニットの間を流れることができず、プラグインユニットを十分に冷却することができないことがある。

　本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、サブラック装置の向きに制約があっても、プラグインユニットが十分に冷却されるサブラック装置および電子機器を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本開示のサブラック装置は、複数のプラグインユニットと、バックプレーンと、サブラックと、を備える。プラグインユニットはそれぞれ、基板を有する。バックプレーンは、プラグインユニットがそれぞれに接続される複数のスロットを有する。バックプレーンには、１つまたは複数の第１通風孔が形成されている。サブラックは、一面に開口が形成されている箱型の形状を有する。サブラックは、バックプレーンの主面が開口に向く向きでバックプレーンおよびバックプレーンの複数のスロットに接続される複数のプラグインユニットを収容する。サブラックにおいて、収容されたバックプレーンの第１通風孔の少なくとも一部に対して少なくともいずれかが対向する１つまたは複数の第２通風孔が開口に向く面に形成され、収容された複数のプラグインユニットの配列方向に交差する方向に対向する二面のそれぞれに１つまたは複数の第３通風孔が形成される。

　本開示に係るサブラック装置が備えるバックプレーンには第１通風孔が形成され、サブラックの開口に向く面には第１通風孔の少なくとも一部に対向する第２通風孔が形成され、サブラックの複数のプラグインユニットの配列方向に交差する方向に対向する二面に第３通風孔が形成される。このため、サブラック装置の向きに制約があっても、サブラックに収容される複数のプラグインユニットを十分に冷却することが可能となる。

実施の形態１に係る電子機器の鉄道車両への搭載例を示す図実施の形態１に係る電子機器の図１におけるII－II線での矢視断面図実施の形態１に係るサブラック装置の斜視図実施の形態１に係るサブラック装置の分解斜視図実施の形態１に係るサブラックの斜視図実施の形態１に係るバックプレーンの底面図実施の形態１に係るサブラック装置の底面図実施の形態１に係るサブラック装置の図７におけるVIII－VIII線での矢視断面図実施の形態１に係るサブラック装置の図７におけるIX－IX線での矢視断面図における空気の流れを示す図実施の形態２に係るサブラック装置の分解斜視図実施の形態に係るサブラック装置の変形例の斜視図

　以下、本開示の実施の形態に係るサブラック装置および電子機器について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

　（実施の形態１）
　実施の形態１では、鉄道車両に搭載される電子機器を例にして、電子機器１について説明する。電子機器１は、例えば、架線から供給される電力を鉄道車両の推進力を生じさせる電動機に供給するための三相交流電力に変換して、三相交流電力を主電動機に供給する電力変換装置である。詳細には、電子機器１は、複数のスイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチング動作によって、供給される電力を三相交流電力に変換する電力変換回路と、電力変換回路が有する複数のスイッチング素子を制御する制御装置と、を備える。

　図１に示すように、電子機器１は、鉄道車両１００の屋根１００ａの上に設けられる。電子機器１は、上述の電力変換回路および制御装置を収容する筐体１０をさらに備える。電力変換回路および制御装置は、筐体１０の内部であって、筐体１０の外部の空気が流入することが防止されている空間に収容される。

　筐体１０は、屋根１００ａの鉛直方向上部に取り付けられる。図１において、Ｘ軸方向は、鉄道車両１００の幅方向を示す。Ｙ軸方向は、鉄道車両１００の進行方向を示す。鉄道車両１００が水平に位置している状態で、Ｚ軸方向は、鉛直方向を示す。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は互いに直交する。後続の図においても同様である。

　筐体１０は、鉄道車両１００の予想され得る最大振動を受けても変形しない程度の剛性と強度を有する。例えば、筐体１０は、鉄、アルミニウム等の金属部材で形成される。筐体１０の鉛直方向上部に開口が形成される。筐体１０の開口を通して、電力変換回路および制御装置の筐体１０の内部への取り付けおよび取り外し、電力変換回路および制御装置の保守作業等を行うことが可能となる。

　電子機器１は、制御装置として、図２から図４に示すサブラック装置１１を備える。図２に示すように、サブラック装置１１は、筐体１０の内部に設けられ、筐体１０に固定されている固定フレーム１０ａに取り付けられる。固定フレーム１０ａは、鉄道車両１００の予想され得る最大振動を受けても変形しない程度の剛性と強度を有する。例えば、固定フレーム１０ａは、鉄、アルミニウム等の金属部材で形成される。固定フレーム１０ａは、鉄道車両１００の走行時の振動を受けて、固定フレーム１０ａと筐体１０との位置関係が変化しない程度の強度で筐体１０に固定されればよい。

　サブラック装置１１は、箱型の形状を有するサブラック２１と、第１通風孔４１ａが形成され、複数のスロット４２が設けられているバックプレーン４１と、それぞれが基板を有し、スロット４２に接続される複数のプラグインユニット３１と、を有する。

　サブラック２１は、一面に開口２１ａが形成されている箱型の形状を有する。実施の形態１では、屋根１００ａに設けられる筐体１０の鉛直方向上部からの保守作業を可能にするため、サブラック装置１１は、サブラック２１の開口２１ａがＺ軸に交差する向きに設けられる。詳細には、サブラック装置１１は、サブラック２１がＺ軸に直交する向きに設けられる。換言すれば、サブラック２１はＺ軸正方向に開口している。

　サブラック２１は、バックプレーン４１および複数のプラグインユニット３１を収容する。図５に示すように、サブラック２１の開口２１ａに向く面２４に、第１通風孔４１ａに対して少なくともいずれかが対向する１つまたは複数の第２通風孔２４ａが形成される。実施の形態１では、複数の第２通風孔２４ａが面２４に形成されている。第２通風孔２４ａは、サブラック２１をＺ軸方向に貫通する。第２通風孔２４ａは、円形の形状を有する。

　サブラック２１において、収容された複数のプラグインユニット３１の配列方向に交差する方向、換言すれば、Ｘ軸方向に対向する２つの面２２，２３のそれぞれに１つまたは複数の第３通風孔２２ａ，２３ａが形成されている。実施の形態１では、複数の第３通風孔２２ａが面２２に形成され、複数の第３通風孔２３ａが面２３に形成されている。第３通風孔２２ａ，２３ａは、サブラック２１をＸ軸方向に貫通する。第３通風孔２２ａ，２３ａは、長円の形状を有する。長円は、同一直径の２つの円の外縁を２つの線分で結んで得られる図形の外形を示す。

　図４に示すように、サブラック２１のＸ軸方向に交差する内面に、プラグインユニット３１をガイドする複数のレール２５が設けられる。各レール２５は、Ｚ軸方向に延伸し、プラグインユニット３１が係止可能な形状を有する。

　バックプレーン４１は、平板状部材で形成され、一方の主面に複数のスロット４２が設けられている。図示しないが、バックプレーン４１には、各スロット４２を電気的に接続する接続回路、配線等が形成されている。バックプレーン４１には、１つまたは複数の第１通風孔４１ａが形成される。各第１通風孔４１ａは、互いに隣接するスロット４２の間に形成される。実施の形態１では、図６に示すように、バックプレーン４１上の異なる位置に、２つの第１通風孔４１ａが形成される。図６は、バックプレーン４１をＺ軸正方向に見た図である。

　図３および図４に示す各プラグインユニット３１は、基板を有し、各プラグインユニット３１の基板に電気的に接続されているコネクタ３５がスロット４２に接続される。プラグインユニット３１は、Ｚ軸に直交する平板状の形状を有するフロントパネル３２を備える。図示しないが、フロントパネル３２には、基板に電気的に接続されているポート、端子等が設けられている。

　フロントパネル３２は、サブラック２１に取り付けられる。例えば、フロントパネル３２は、図示しない締結部材によってサブラック２１に締結され、固定される。フロントパネル３２は、導体で形成されることが好ましい。これにより、フロントパネル３２の電位を、サブラック２１と同電位とすることができる。サブラック２１を導体で形成し、上述のように固定フレーム１０ａを筐体１０と同じ金属部材で形成すると、フロントパネル３２の電位を筐体１０と同電位の接地電位とすることができる。

　複数のプラグインユニット３１は、開口２１ａに近い端部が互いに間隔を空けて設けられる。詳細には、図２および図３に示すように、複数のプラグインユニット３１は、フロントパネル３２が互いに空隙３３を空けた状態で、Ｙ軸方向に並べて設けられる。配列方向、換言すれば、Ｙ軸方向の端部に位置するプラグインユニット３１は、サブラック２１からＹ軸方向に離れた位置に設けられる。詳細には、Ｙ軸方向の両端のプラグインユニット３１は、サブラック２１からＹ軸方向に空隙３４を空けた位置に設けられる。

　空隙３３，３４のＹ軸方向の長さは、各プラグインユニット３１の発熱量、サブラック装置１１の冷却性能によって定められればよい。例えば、空隙３３のＹ軸方向の長さは、５ミリメートル以上、かつ、１０ミリメートル以下の長さとすればよい。上述のように空隙３３を空けてプラグインユニット３１が設けられるために、バックプレーン４１のスロット４２の間隔が定められる。

　上記構成を有するサブラック装置１１において、サブラック装置１１の底面図である図７に示すように、サブラック２１の面２４に形成される第２通風孔２４ａの少なくともいずれかは、バックプレーン４１に形成される第１通風孔４１ａの少なくとも一部に対向する。

　この結果、図７におけるVIII－VIII線での矢視断面図である図８および図７におけるIX－IX線での矢視断面図である図９において実線の矢印で示すように、鉛直方向上方に向かう空気の流れが生じる。図８および図９の複雑化を避けるため、一部の空気の流れのみが図示されている。

　詳細には、プラグインユニット３１が通電時に発熱すると、プラグインユニット３１の周囲の空気は、プラグインユニット３１から熱を伝達され、暖められる。暖められた空気は、鉛直方向上方に移動し、フロントパネル３２の間の空隙３３またはフロントパネル３２とサブラック２１との間の空隙３４を通って、サブラック装置１１の外部に流出する。この結果、サブラック２１の面２４に形成される第２通風孔２４ａを通って、サブラック装置１１の外部の空気が、サブラック２１の内部に流入する。サブラック２１の内部に流入した空気は、バックプレーン４１に形成される第１通風孔４１ａを通って鉛直方向上方に移動し、プラグインユニット３１から熱を伝達され、上述のように鉛直方向上方に移動する。

　また、プラグインユニット３１から熱を伝達されて暖められた空気が空隙３３または空隙３４を通って、サブラック装置１１の外部に流出すると、サブラック２１の面２３に形成される第３通風孔２３ａおよびサブラック２１の面２４に形成される第２通風孔２４ａを通って、サブラック装置１１の外部の空気が、サブラック２１の内部に流入する。第３通風孔２２ａ，２３ａを通ってサブラック２１の内部に流入した空気は、プラグインユニット３１から熱を伝達され、上述のように鉛直方向上方に移動する。

　バックプレーン４１に第１通風孔４１ａが形成され、サブラック２１の面２４に第２通風孔２４ａが形成されているため、面２４がＺ軸に交差する向きでサブラック装置１１が設けられると、自然対流によって空気がプラグインユニット３１の間に流れる。また、サブラック２１の面２２，２３に第３通風孔２２ａ，２３ａが形成されているため、面２２，２３がＺ軸に交差する向きで、サブラック２１が設けられても、自然対流によって空気がプラグインユニット３１の間に流れる。

　以上説明した通り、実施の形態１に係るサブラック装置１１は、第１通風孔４１ａが形成されるバックプレーン４１と、第２通風孔２４ａおよび第３通風孔２２ａ，２３ａが形成されるサブラック２１と、を備える。これにより、サブラック２１の開口２１ａがＺ軸方向に開口する向きでサブラック装置１１が設けられても、サブラック２１の面２２，２３がＺ軸方向に交差する向きでサブラック装置１１が設けられても、自然対流による空気が生じる。このため、サブラック装置１１の向きに制約があっても、サブラック装置１１が備えるプラグインユニット３１を冷却することが可能となる。

　サブラック装置１１は、自然対流によってプラグインユニット３１を冷却するため、冷却用の送風機を備える必要がない。回転体を有する送風機は回転体でないものに比べて故障率が高い。故障率が高い送風機を備える必要がないため、サブラック装置１１は、送風機を備えるサブラック装置と比べて、寿命が長い。

　（実施の形態２）
　サブラック２１の形状は、上述の例に限られず、自然対流によって、プラグインユニット３１の間に空気の流れを生じさせることが可能な形状であれば任意である。実施の形態１と異なる形状のサブラック２１を有するサブラック装置１２について実施の形態２で説明する。

　図１０に示す実施の形態２に係るサブラック装置１２は、実施の形態１に係るサブラック装置１１と同様、サブラック２１と、バックプレーン４１と、複数のプラグインユニット３１と、を備える。サブラック２１は、プラグインユニット３１の配列方向、換言すれば、Ｙ軸方向に対向する２つの面２６，２７のそれぞれに１つまたは複数の第４通風孔２６ａ，２７ａが形成される。実施の形態２では、面２６に複数の第４通風孔２６ａが形成され、面２７に複数の第４通風孔２７ａが形成される。第４通風孔２６ａ，２７ａは、サブラック２１をＹ軸方向に貫通する。第４通風孔２６ａ，２７ａは、円形の形状を有する。

　複数のプラグインユニット３１の内、単位時間あたりの発熱量が最も大きい２つのプラグインユニット３１は、配列方向、換言すれば、Ｙ軸方向の端部に設けられることが好ましい。換言すれば、複数のプラグインユニット３１の内、単位時間あたりの発熱量が最も大きい２つのプラグインユニット３１はそれぞれ、サブラック２１の面２６，２７に隣接する位置に設けられることが好ましい。

　サブラック２１の面２６に隣接する位置に設けられるプラグインユニット３１の周囲の空気は、該プラグインユニット３１から熱を伝達されて鉛直方向上方に移動し、空隙３４を通ってサブラック装置１２の外部に流出する。この結果、第４通風孔２６ａを通って、サブラック装置１２の外部の空気がサブラック２１の内部に流入し、上述のようにプラグインユニット３１から熱を伝達されて鉛直方向上方に移動する。

　同様に、サブラック２１の面２７に隣接する位置に設けられるプラグインユニット３１の周囲の空気は、該プラグインユニット３１から熱を伝達されて鉛直方向上方に移動し、空隙３４を通ってサブラック装置１２の外部に流出する。この結果、第４通風孔２７ａを通って、サブラック装置１２の外部の空気がサブラック２１の内部に流入し、上述のようにプラグインユニット３１から熱を伝達されて鉛直方向上方に移動する。

　以上説明した通り、実施の形態２に係るサブラック装置１２は、第１通風孔４１ａが形成されるバックプレーン４１と、第２通風孔２４ａ、第３通風孔２２ａ，２３ａおよび第４通風孔２６ａ，２７ａが形成されるサブラック２１と、を備える。これにより、サブラック２１の開口２１ａがＺ軸方向に開口する向きでサブラック装置１２が設けられても、サブラック２１の面２２，２３がＺ軸方向に交差する向きでサブラック装置１２が設けられても、自然対流による空気が生じる。このため、サブラック装置１２の向きに制約があっても、サブラック装置１２が備えるプラグインユニット３１を冷却することが可能となる。

　第４通風孔２６ａ，２７ａが形成されることで、配列方向の端部に配置されているプラグインユニット３１が実施の形態１と比べてより冷却される。配列方向の端部に発熱量が最も大きい２つのプラグインユニット３１を配置することで、効率よくプラグインユニット３１を冷却することが可能となる。

　本開示は、上述の実施の形態に限られない。プラグインユニット３１の間に空気を流すために、サブラック装置１１，１２は、送風機５１をさらに備えてもよい。送風機５１を備えるサブラック装置１３の例を図１１に示す。サブラック装置１３は、サブラック２１の外部、具体的には、サブラック２１のＺ軸負方向側に位置する１つまたは複数の送風機５１を備える。各送風機５１は、サブラック２１に向かって送風し、第２通風孔２４ａを通る空気の流れを生じさせる。図１１の例では、サブラック装置１３は、Ｘ軸方向に並べられた２つの送風機５１を備える。送風機５１は、例えば、軸流ファン、遠心ファン等である。電子機器１の内部の電子部品の配置の制約のため、自然対流によるプラグインユニット３１の冷却が難しい場合でも、送風機５１による送風によってプラグインユニット３１を冷却することが可能となる。

　第１通風孔４１ａの形状、個数および配置位置は、上述の例に限られず、任意である。一例として、第１通風孔４１ａは、矩形形状に限られず、円形、楕円形、長円等の形状を有してもよい。

　第２通風孔２４ａの形状、個数および配置位置は、上述の例に限られず、任意である。一例として、第２通風孔２４ａは、第１通風孔４１ａに対向する位置にのみ設けられても良い。他の一例として、第２通風孔２４ａは、第１通風孔４１ａと同じ形状を有してもよい。

　第３通風孔２２ａ，２３ａの形状、個数および配置位置は、上述の例に限られず、任意である。一例として、第３通風孔２２ａ，２３ａは、長円の形状に限られず、円形、矩形、楕円形等の形状を有してもよい。

　第４通風孔２６ａ，２７ａの形状、個数および配置位置は、上述の例に限られず、任意である。一例として、第４通風孔２６ａ，２７ａは、円形形状に限られず、矩形、楕円形、長円等の形状を有してもよい。

　プラグインユニット３１の形状および個数は、上述の例に限られず、任意である。一例として、プラグインユニット３１は、基板を収容する板状または箱型のケースを有し、ケースの一端にフロントパネル３２が取り付けられてもよい。

　プラグインユニット３１が有するフロントパネル３２の間の空隙３３のＹ軸方向の長さは、上述の例では、５ミリメートル以上、かつ、１０ミリメートル以上であったが、１０ミリメートルより長くてもよい。

　同様に、空隙３４のＹ軸方向の長さは、上述の例では、５ミリメートル以上、かつ、１０ミリメートル以上であったが、１０ミリメートルより長くてもよい。

　サブラック装置１１－１３は、電力変換装置の制御装置に限られず、任意の電子機器に用いることができる。

　本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。

　１　電子機器、１０　筐体、１０ａ　固定フレーム、１１，１２，１３　サブラック装置、２１　サブラック、２１ａ　開口、２２，２３，２４，２６，２７　面、２２ａ，２３ａ　第３通風孔、２４ａ　第２通風孔、２５　レール、２６ａ，２７ａ　第４通風孔、３１　プラグインユニット、３２　フロントパネル、３３，３４　空隙、３５　コネクタ、４１　バックプレーン、４１ａ　第１通風孔、４２　スロット、５１　送風機、１００　鉄道車両、１００ａ　屋根。

Claims

　それぞれが基板を有する複数のプラグインユニットと、
　前記プラグインユニットがそれぞれに接続される複数のスロットを有し、１つまたは複数の第１通風孔が形成されているバックプレーンと、
　一面に開口が形成されている箱型の形状を有し、前記バックプレーンの主面が前記開口に向く向きで前記バックプレーンおよび前記バックプレーンの前記複数のスロットに接続される前記複数のプラグインユニットを収容し、収容された前記バックプレーンの前記第１通風孔の少なくとも一部に対して少なくともいずれかが対向する１つまたは複数の第２通風孔が前記開口に向く面に形成され、収容された前記複数のプラグインユニットの配列方向に交差する方向に対向する二面のそれぞれに１つまたは複数の第３通風孔が形成されるサブラックと、
　を備えるサブラック装置。
　前記第１通風孔は、互いに隣接する前記スロットの間に形成される、
　請求項１に記載のサブラック装置。
　前記サブラックにおいて、収容された前記複数のプラグインユニットの配列方向に対向する二面に複数の第４通風孔が形成される、
　請求項１または２に記載のサブラック装置。
　前記複数のプラグインユニットは、前記開口に近い端部が互いに間隔を空けて設けられる、
　請求項１から３のいずれか１項に記載のサブラック装置。
　前記複数のプラグインユニットの内、単位時間あたりの発熱量が最も大きい２つの前記プラグインユニットは、前記複数のプラグインユニットの配列方向の端部に設けられる、
　請求項１から４のいずれか１項に記載のサブラック装置。
　前記サブラックは、前記第２通風孔が形成される面が鉛直方向に交差する向きに設けられる、
　請求項１から５のいずれか１項に記載のサブラック装置。
　前記サブラックは、前記第２通風孔が形成される面が鉛直方向に直交する向きに設けられる、
　請求項６に記載のサブラック装置。
　前記サブラックの外部に設けられ、前記サブラックに向かって送風し、前記第２通風孔を通る空気の流れを生じさせる送風機をさらに備える、
　請求項１から７のいずれか１項に記載のサブラック装置。
　請求項１から８のいずれか１項に記載のサブラック装置と、
　前記サブラック装置を収容する筐体と、
　を備える電子機器。