JP5847310B2 - ヒートシンクおよびパワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートシンク、およびヒートシンクを備えたパワーコンディショナに関する。

太陽電池モジュールで発電した電力を家庭で使える電力に変換するパワーコンディショナでは、内部の発熱素子を空冷するためにヒートシンクが用いられることが多い。パワーコンディショナ内部の部品の配置等には、パワーコンディショナの小型化を図るために様々な工夫がなされている。そのため、従来のパワーコンディショナは、例えばヒートシンクを複数の放熱体で構成することにより、冷却性能の低下を抑えながらパワーコンディショナの小型化を図るように構成されている。

例えば下記特許文献１に示される冷却構造は、電気部品が搭載される第１の放熱体と、この第１の放熱体と接合される第２の放熱体と、これらの放熱体の合わせ目に設けられるシール材と、これらの放熱体を締結する締結部材とから構成されている。また、下記特許文献１に代表される従来技術としては、例えば、第１の放熱体と、第２の放熱体と、一端が締結部材によって第１の放熱体に接続され他端が締結部材によって第２の放熱体に接続される金属製部材とから構成されているものも存在する。

特開２００７−２９４８０６号公報（図４）

屋外に設置されるパワーコンディショナは、強制空冷用のファンによって外気導入口から外気を導入し、この外気をヒートシンクに通流させた後に排気口から排出させるように構成されている。そのため、雨水が排気口などからパワーコンディショナ内部に浸入する恐れがある。パワーコンディショナ内部の発熱素子が雨水によって悪影響を受けることを防ぐため、複数の放熱体の結合部（合わせ目）には、前述したようなシール材を施す必要がある。上記従来技術では、パワーコンディショナの防水性を確保するため、生産工程において上記結合部にシール材を塗布する作業が必要となるだけでなく、ネジなどの締結部材で結合部を密着させる必要がある。ただし、このようなシール材を施すことにより、シール材を設けない場合に比べて組み立て作業における余分な時間やコストが発生する。さらに、シール材はパワーコンディショナの熱などによって劣化するため、パワーコンディショナを長期間使用することによって十分な防水性が得られなくなる。このように上記特許文献１に代表される従来技術では、複数の放熱体の結合部における防水性能の低下を抑制しながらコストのより一層の低減化を図るというニーズに対応することができないという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の放熱体の結合部における防水性能の低下を抑制しながらコストのより一層の低減化を図ることができるヒートシンクおよびパワーコンディショナを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の放熱体を結合させて成るヒートシンクであって、一の前記放熱体には、他の前記放熱体側に向かって突状に設けられた蟻ほぞ状の凸部が形成され、他の前記放熱体には、前記凸部と嵌合する蟻溝状の凹部が形成され、前記凸部は、前記凹部と対向する端部の幅が、前記凸部の基部の幅より大きく形成された断面台形状を成し、前記凹部は、その凹部の底部の幅が、前記凹部の開口部より大きく形成された断面台形状を成し、一の前記放熱体と他の前記放熱体は、前記凸部が前記凹部と嵌合した状態で一体的に結合することを特徴とする。

この発明によれば、一の放熱体に形成された蟻ほぞ状の凸部が他の放熱体に形成された蟻溝状の凹部に嵌合することで凸部と凹部との合わせ面からの水の浸入を防止するようにしたので、複数の放熱体の結合部における防水性能の低下を抑制しながらコストのより一層の低減化を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態に係るパワーコンディショナの外観斜視図である。 図２は、パワーコンディショナの側面断面図である。 図３は、パワーコンディショナの正面断面図である。 図４は、図３のＡ−Ａ線矢視図である。 図５は、図４の矢印Ａ側からみた各放熱体を表す図である。 図６は、各放熱体が組み付けられた状態を表す図である。 図７は、各放熱体の第１の変形例を示す図である。 図８は、各放熱体の第２の変形例を示す図である。 図９は、組み付けられる前の各放熱体の要部拡大図である。 図１０は、組み付けられた後の各放熱体の要部拡大図である。 図１１は、２つの放熱体の合わせ面にシール材を用いた従来の冷却構造を説明するための図である。 図１２は、２つの放熱体が金属製部材で接続される従来技術の冷却構造を説明するための図である。

以下に、本発明に係るヒートシンクおよびパワーコンディショナの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係るパワーコンディショナの外観斜視図であり、図２は、パワーコンディショナの側面断面図であり、図３は、パワーコンディショナの正面断面図である。パワーコンディショナ１００の筐体１には、直交変換回路を構成する発熱素子５（ＩＧＢＴやリアクトルなど）と、外気を通流させる送風室８と、仕切板７を介して送風室８側に設けられ発熱素子５を冷却するヒートシンク４と、筐体１の下面１ｃに設けられた外気取り込み口３と、機外の空気を強制的に送風室８内へ取り込むファン６と筐体１の上側の側面１ｂに設けられ筐体１内部の空気を排気する排気口２と、を有している。

なお、本実施の形態では図示を省略しているが、筐体１の内部には、太陽電池の発電電圧を昇圧する昇圧部、昇圧部で昇圧された直流を交流に変換するインバータ部、インバータ部からの交流の波形を整えて商用系統に出力するフィルタ部、およびファン６のファンモータを制御するための制御回路なども搭載されている。また、本実施の形態では、一例として、筐体１の側面１ｂに２つの排気口２が形成され、筐体１の下面１ｃに１つの外気取り込み口３が設けられているが、排気口２および外気取り込み口３の数はこれらに限定されるものではない。

図４は、図３のＡ−Ａ線矢視図であり、図４にはヒートシンク４を構成する複数の放熱体４−１、４−２が組み付けられる前の状態が示されている。放熱体４−１は、仕切板７の送風室８側の面において仕切板７と平行に設置された基部４ａ１と、基部４ａ１の仕切板側面４ｃ１に設けられ仕切板７側に向かって突状に設けられた複数のフィン４ｂ１と、反仕切板側面４ｄ１に設けられた蟻ほぞ状の凸部４０とを有して構成されている。

放熱体４−１の端部４ｅ１は、例えば、仕切板７側に直角に屈曲した後に、フィン４ｂ１の先端より仕切板７側の位置で仕切板７と平行、かつ、フィン４ｂ１側とは反対側に屈曲するように形成されている。端部４ｅ１には締結部材９が挿入され、この締結部材９が仕切板７に螺入されることで、放熱体４−１が仕切板７に固定される。なお、図４では、図示を省略しているが、例えば放熱体４−１の端部４ｅ１には、図２に示される発熱素子５が接続される。このことにより発熱素子５で発生した熱が基部４ａ１に吸熱される。

放熱体４−２は、仕切板７の送風室８側の面において仕切板７と平行に設置された基部４ａ２と、基部４ａ２の仕切板側面４ｃ２に設けられ仕切板７側に向かって突状に設けられた複数のフィン４ｂ２と、基部４ａ２の端部４ｅ２に設けられ凸部４０と嵌合する蟻溝状の凹部４１を有して構成されている。基部４ａ２の端部４ｅ２は、例えば仕切板７側に直角に屈曲するように形成されている。端部４ｅ２の端面４ｆは、凹部４１が凸部４０と嵌合した際に基部４ａ１の反仕切板側面４ｄ１と接触するように形成されている。フィン４ｂ２は、その先端が端部４ｅ２よりも仕切板７側に位置し、かつ、凹部４１が凸部４０と嵌合した際にその先端が仕切板７と接触しない程度の長さに形成されている。

このように形成されたヒートシンク４では、発熱素子５からの熱が放熱体４−１の端部４ｅ１に伝達し、端部４ｅ１に伝達した熱がフィン４ｂ１およびフィン４ｂ２から放熱される。フィン４ｂ１およびフィン４ｂ２には、図３に示される実線のように空気が通流するため、この空気によってフィン４ｂ１およびフィン４ｂ２による放熱が促され、発熱素子５が効果的に冷却される。

図５は、図４の矢印Ａ側からみた各放熱体４−１、４−２を表す図であり、図６は、各放熱体４−１、４−２が組み付けられた状態を表す図である。図５において、仕切板７（図２参照）の送風室８側には例えば２つの放熱体４−１が取り付けられている。各放熱体４−１は、凸部４０が、放熱体４−２に形成された凹部４１の延長線上に位置するように設置されている。放熱体４−２の凹部４１は、例えば放熱体４−２の長手方向（図５では上下方向）へ直線状に延設されている。同様に、放熱体４−１の凸部４０は、放熱体４−１の長手方向へ直線状に延設されている。図５の矢印方向に放熱体４−２が移動されたとき、凸部４０が凹部４１に対してスライドして挿入され、凸部４０が凹部４１に係合する。このことにより、図６に示されるように、各放熱体４−１、４−２が相互に連結される。

なお、図４および図６に示される各放熱体４−１、４−２の形状は、後述する従来技術との相違を説明するための便宜上の形状であり、以下のような形状であってもよい。

図７は、各放熱体の第１の変形例を示す図である。図７に示される放熱体４−１の端部４ｅ３は、仕切板７側とは反対側に直角に屈曲し、その先端には、蟻ほぞ状の凸部４０が形成されている。また、図７に示される放熱体４−２には、その基部４ａ２の仕切板側面４ｃ２に蟻溝状の凹部４１が形成されている。

図８は、各放熱体の第２の変形例を示す図である。図８に示される放熱体４−１には、その基部４ａ１の反仕切板側面４ｄ１に複数のフィン４ｂ１が形成され、さらに反仕切板側面４ｄ１に蟻ほぞ状の凸部４０が形成されている。

図９は、組み付けられる前の各放熱体４−１、４−２の要部拡大図であり、図１０は、組み付けられた後の各放熱体４−１、４−２の要部拡大図である。凹部４１は、その底部４１ｂの幅Ｃ１が開口部４１ａの幅Ａ１より大きく形成され、かつ、凹部４１の側面４１ｃと底部４１ｂとの成す角が鋭角となるように形成されている。すなわち、凹部４１は、その溝幅が開口部４１ａから底部４１ｂに向かって広がる断面台形状（逆ハの字状）の蟻溝（dovetail groove）形状である。

凸部４０は、凹部４１と対向する端部４０ａの幅Ｃ２が基部４０ｂの幅Ａ２より大きく形成され、かつ、放熱体４−１の外周面（反仕切板側面４ｄ１）と凸部４０の側面４０ｃとの成す角が鋭角となるように形成されている。すなわち、凸部４０は、その幅が基部４０ｂから端部４０ａに向かって広がる断面台形状（逆ハの字状）の蟻ほぞ（dovetail tenon）形状である。

本実施の形態にかかるヒートシンク４では、幅Ａ１、Ａ２、Ｃ１、Ｃ２と、開口部４１ａから底部４１ｂまでの高さＢ１と、端部４０ａから基部４０ｂまでの高さＢ２との関係が、以下の関係を満たすように形成されている。
Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２、かつ、Ｂ１＞Ｂ２

図１０には、これらの関係を満たすように形成された凹部４１および凸部４０に生じる接触面や空間が示されている。ヒートシンク４は、Ｂ１＞Ｂ２となるように形成されているため、端部４０ａと底部４１ｂとの間には、空間Ｘが形成される。

また、ヒートシンク４は、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２となるように形成されているため、端部４０ａの外縁部が側面４０ｃと接触する。そのため、端部４０ａの外縁部と、凹部４１の両側面４１ｃとの間には、図１０に示されるように接触面Ｄ、Ｅが生じる。

また、本実施の形態にかかるヒートシンク４は、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２となるように形成されているため、反仕切板側面４ｄ１と端面４ｆとが接触する。そのため、反仕切板側面４ｄ１と端面４ｆとの間には、接触面Ｆ、Ｇが生じる。

また、本実施の形態にかかるヒートシンク４は、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２となるように形成されているため、側面４０ｃと側面４１ｃとの間には、空間Ｙ、Ｚが形成される。

図１１は、２つの放熱体の合わせ面にシール材５００を設けた従来の冷却構造を説明するための図である。図１１に示される冷却構造は、半導体素子９１が設けられている第１の放熱体４００−１と、第１の放熱体４００−１と接合される第２の放熱体４００−２と、これらの放熱体の合わせ目に設けられるシール材５００と、これらの放熱体を締結する締結部材９０とから構成されている。この冷却構造では、防水性を確保するため、各放熱体４００−１、４００−２の結合部にシール材５００を施す必要があると共に、締結部材９０で各放熱体４００−１、４００−２を密着させる必要がある。従って、本発明の実施の形態にかかるヒートシンク４に比べて、組み立て作業における余分な時間やコストが発生する。さらに、シール材５００は熱などによって劣化するため長期使用時には十分な防水性が得られなくなる。

図１２は、２つの放熱体が金属製部材で接続される従来技術の冷却構造を説明するための図である。図１２には、第１の放熱体４００−３と、第２の放熱体４００−４と、一端が締結部材９２によって第１の放熱体４００−３に接続され他端が締結部材９２によって第２の放熱体４００−４に接続される金属製部材９３とから成る冷却構造が示されている。この冷却構造では、締結部材９２を用いて各放熱体４００−３、４００−４を一体的に固定する必要がある。従って、本発明の実施の形態にかかるヒートシンク４に比べて、組み立て作業における余分な時間やコストが発生する。

本実施の形態にかかるヒートシンク４は、放熱体４−２に蟻溝状の凹部４１が形成され、放熱体４−１に蟻ほぞ状の凸部４０が形成され、凸部４０が凹部４１に対してスライドして挿入されることによって各放熱体４−１、４−２が連結されるように構成されている。そのため、図１１に示されるような締結部材９０が不要であり、組み立て作業における余分な時間やコストを抑制可能である。また、凸部４０が蟻ほぞ状に形成され、凹部４１が蟻溝状に形成されているため、凸部４０と凹部４１との合わせ面からの水の浸入を防止することができる。

また、ヒートシンク４は、凸部４０および凹部４１がＣ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２、かつ、Ｂ１＞Ｂ２を満たすように形成されている。例えば、図３に示されるように空気が通流している場合、ヒートシンク４の上部からヒートシンク４の内部に雨水が浸入する可能は低いものの、この雨水が放熱体４−１、４−２の合わせ目から雨水が浸入する可能がある。本実施の形態にかかるヒートシンク４によれば、雨水が接触面Ｆ、Ｇによって阻止されるため、従来技術のシール材５００が不要である。

また、本実施の形態にかかるヒートシンク４では、凸部４０および凹部４１が上記関係を満たすことにより、側面４０ｃと側面４１ｃとの間に空間Ｙ、Ｚが形成され、端部４０ａと底部４１ｂとの間に空間Ｘが形成される。従って、接触面Ｆ、Ｇから空間Ｘ、Ｙ、Ｚに雨水が浸入した場合でも、雨水の表面張力により、雨水を空間Ｘ、Ｙ、Ｚに留まらせることができると共に、この雨水は空間Ｘ、Ｙ、Ｚ内を伝って放熱体４−１および放熱体４−２の合わせ目からヒートシンク４の外部に排出される。このように本実施の形態にかかるヒートシンク４によれば、シール材５００が不要であり、その製作および組み込み作業に伴う時間やコストを抑制可能である。

なお、本実施の形態では、放熱体４−１に凸部４０が設けられ、放熱体４−２に凹部４１が設けられているが、放熱体４−１に凹部４１を設け、放熱体４−２に凸部４０を設けるように構成しても同様の効果を得ることができる。

また、凸部４０および凹部４１が設けられる方向は、図５に示される方向に限定されるものではなく、例えば、凹部４１が放熱体４−２の短手方向（図５では左右方向）へ直線状に延設され、凸部４０が放熱体４−１の短手方向へ直線状に延設されている場合でも、同様の効果を得ることができる。

また、フィン４ｂ１の形状は、特に限定されるものではなく、発熱素子５の熱を効果的に放熱可能な形状であれば、例えば基部４ａ１の表面積を増やすように形成された溝状の放熱構造であってもよい。フィン４ｂ２に関しても同様である。

以上に説明したように、本実施の形態にかかるヒートシンク４は、複数の放熱体４−１、４−２を結合させて成るヒートシンク４であって、一の放熱体４−１には、他の放熱体４−２側に向かって突状に設けられた蟻ほぞ状の凸部４０が形成され、他の放熱体４−２には、凸部４０と嵌合する蟻溝状の凹部４１が形成され、凸部４０は、凹部４１と対向する端部４０ａの幅Ｃ２が、凸部４０の基部４０ｂの幅Ａ２より大きく形成された断面台形状を成し、凹部４１は、その底部４１ｂの幅Ｃ１が凹部４１の開口部４１ａの幅Ａ１より大きく形成された断面台形状を成し、一の放熱体４−１と他の放熱体４−２は、凸部４０が凹部４１と嵌合した状態で一体的に結合するようにしたので、凸部４０が凹部４１に嵌合することによって各放熱体４−１、４−２が連結される。従って、図１１に示されるような締結部材９０が不要であり、組み立て作業における余分な時間やコストを抑制可能である。また、凸部４０が蟻ほぞ状に形成され、凹部４１が蟻溝状に形成されているため、凸部４０と凹部４１との合わせ面からの水の浸入を防止することができる。その結果、複数の放熱体の結合部における防水性能の低下を抑制しながらコストのより一層の低減化を図ることができる。また、本実施の形態にかかるヒートシンク４は、パワーコンディショナ１００以外の様々な機器にも適用可能であり、ヒートシンク４を用いることにより、上述した効果を得ることができると共に、機器の小型化および減容化を図ることができる。そのため、ＬＣＡ（Ｌｉｆｅ Ｃｙｃｌｅ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）の点からも好ましい機器を提供可能である。

また、本実施の形態にかかるヒートシンク４は、凸部４０および凹部４１が、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２、かつ、Ｂ１＞Ｂ２を満たすように形成されているので、端部４０ａと底部４１ｂとの間には空間Ｘが形成され、反仕切板側面４ｄ１と端面４ｆとの間には接触面Ｆ、Ｇが形成され、側面４０ｃと側面４１ｃとの間には空間Ｙ、Ｚが形成され、端部４０ａの外縁部と凸部４０の凹部４１との間には接触面Ｄ、Ｅが形成される。そのため、接触面Ｆ、Ｇによって放熱体４−１、４−２の合わせ目からの雨水の浸入が阻止される。また、接触面Ｆ、Ｇから空間Ｘ、Ｙ、Ｚに雨水が浸入した場合でも、雨水を空間Ｘ、Ｙ、Ｚに留まらせることができると共に、この雨水を空間Ｘ、Ｙ、Ｚ内に通流させてヒートシンク４の外部に排出されることができる。その結果、シール材５００が不要であり、製作および組み込み作業に伴う時間やコストを抑制可能である。

また、本実施の形態にかかるパワーコンディショナ１００は、Ｎ（１以上の整数）個の太陽電池モジュール（発熱素子５）で発電された電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ１００であって、発熱素子５に熱的に接続され、かつ、複数の放熱体４−１、４−２を結合させて成るヒートシンク４と、ヒートシンク４を強制的に冷却するファン６と、を備えるようにしたので、コストの低減化を図ることができると共に、機器の小型化および減容化を図ることができる。

なお、本実施の形態に示したヒートシンクおよびパワーコンディショナは、本発明の内容の一例を示すものであり、更なる別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは無論である。

以上のように、本発明は、ヒートシンクおよびパワーコンディショナに適用可能であり、特に、複数の放熱体の結合部における防水性能の低下を抑制しながらコストのより一層の低減化を図ることができる発明として有用である。

１ 筐体、１ｂ 側面、１ｃ 下面、２ 排気口、３ 外気取り込み口、４ ヒートシンク、４ａ１，４ａ２ 基部、４ｂ１，４ｂ２ フィン、４ｃ１，４ｃ２ 仕切板側面、４ｄ１ 反仕切板側面、４ｅ１，４ｅ２，４ｅ３ 端部、４ｆ 端面、４−１，４−２ 放熱体、５ 発熱素子、６ ファン、７ 仕切板、８ 送風室、９，９０，９２ 締結部材、４０ 凸部、４１ 凹部、９１ 半導体素子、９３ 金属製部材、１００ パワーコンディショナ、４００−１，４００−３ 第１の放熱体、４００−２，４００−４ 第２の放熱体。

Claims (2)

1. 複数の放熱体を結合させて成るヒートシンクであって、
   一の前記放熱体には、他の前記放熱体側に向かって突状に設けられた蟻ほぞ状の凸部が形成され、
   他の前記放熱体には、前記凸部と嵌合する蟻溝状の凹部が形成され、
   前記凸部は、前記凹部と対向する端部の幅が、前記凸部の基部の幅より大きく形成された断面台形状を成し、
   前記凹部は、その凹部の底部の幅が、前記凹部の開口部の幅より大きく形成された断面台形状を成し、
   前記開口部の幅をＡ１、前記底部の幅をＣ１、前記端部の幅をＣ２、前記基部の幅をＡ２、前記開口部から前記底部までの高さをＢ１、前記端部から前記基部までの高さをＢ２としたとき、前記凸部および前記凹部は、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２、かつ、Ｂ１＞Ｂ２を満たすように形成され、
   一の前記放熱体と他の前記放熱体は、前記凸部が前記凹部と嵌合した状態で一体的に結合することを特徴とするヒートシンク。
2. Ｎ（１以上の整数）個の太陽電池モジュールで発電された電力を交流電力に変換するパワーコンディショナであって、
   発熱素子に熱的に接続され、かつ、複数の放熱体を結合させて成るヒートシンクと、
   前記ヒートシンクを強制的に冷却するファンと、
   を備え、
   一の前記放熱体には、他の前記放熱体側に向かって突状に設けられた蟻ほぞ状の凸部が形成され、
   他の前記放熱体には、前記凸部と嵌合する蟻溝状の凹部が形成され、
   前記凸部は、前記凹部と対向する端部の幅が、前記凸部の基部の幅より大きく形成された断面台形状を成し、
   前記凹部は、その凹部の底部の幅が、前記凹部の開口部の幅より大きく形成された断面台形状を成し、
   前記開口部の幅をＡ１、前記底部の幅をＣ１、前記端部の幅をＣ２、前記基部の幅をＡ２、前記開口部から前記底部までの高さをＢ１、前記端部から前記基部までの高さをＢ２としたとき、前記凸部および前記凹部は、Ｃ１≧Ｃ２＞Ａ１＞Ａ２、かつ、Ｂ１＞Ｂ２を満たすように形成され、
   一の前記放熱体と他の前記放熱体は、前記凸部が前記凹部と嵌合した状態で一体的に結合することを特徴とするパワーコンディショナ。

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