(57)【要約】【課題】燃料電池と組み合わせて屋外環境に設置される無停電電源装置であって、電力消費量を出来る限り抑えながら効率的に筐体内雰囲気の温度調整を可能にする装置を提供する。【解決手段】無停電電源装置を構成する筐体の内部に蓄電部収容ケースを設け、筐体の内部空間においてリチウムイオン電池を隔離して収容し、蓄電部収容ケースの内部とクーラーユニットとを導気部によって接続して閉じた空間を形成する。そして、蓄電部収容ケースの内部とクーラーユニットとの間で冷却空気とバッテリー冷却後の空気とを循環させ、リチウムイオン電池の温度が正常な使用範囲を超えないように温度制御を行う。また、寒冷時には、蓄電部収容ケースの直下に配置したヒーターユニットにより先ず蓄電部収容ケースへ効率良く熱を伝えてリチウムイオン電池を暖め、同時に筐体の内部全体を暖める。【選択図】図３
2018032585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源に接続する電力供給系統と燃料電池との組み合わせからなる無停電電源装置において、
無停電電源装置を構成する機器を収容する筐体と、
商用電源からの電力供給が停止した際に起動して直流電力を出力する燃料電池と、
前記燃料電池から供給される電力及び商用電源から供給される電力を蓄電する蓄電部と、
商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記燃料電池への駆動用電力及び前記蓄電部への充電用電力及び無停電電源装置に接続される外部負荷機器への外部出力用電力として供給するＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記筐体の内側空間において前記蓄電部を隔離して収容する蓄電部収容ケースと、
前記蓄電部収容ケースの内側空間に冷却空気を供給するクーラーユニット部と、
前記蓄電部収容ケースと前記クーラーユニット部との間を接続し、前記クーラーユニット部から供給される冷却空気を前記蓄電部収容ケースの内部に導くと共に、前記蓄電部収容ケース内の蓄電部を冷却して暖まった空気を前記冷却空気と隔てて前記クーラーユニット部に戻す循環経路を有する導気部と、
前記筐体内の換気を行う換気ファンと、
前記筐体の内側へ外気を吸入する吸気部と、
前記筐体の内側空間に加熱空気を供給するヒーターユニット部と、
無停電電源装置全体の動作を制御する制御部と、
前記燃料電池、前記蓄電部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ、前記クーラーユニット部、前記換気ファン、前記ヒーターユニット部、及び前記制御部との接続を行う接続ユニット部とを備え、
前記ヒーターユニット部を前記蓄電部収容ケースの下方に隣接して配置し、前記蓄電部の冷却を前記クーラーユニット部から供給する冷却空気で行うと共に、前記筐体内部における前記蓄電部以外の機器の冷却を前記換気ファンによる換気動作で行い、前記筐体内部における加熱を前記ヒーターユニット部で行うことを特徴とする無停電電源装置。
【請求項２】
動作中に発熱を伴う機器である前記ＡＣ／ＤＣコンバータ及び前記制御部を前記蓄電部収容ケースよりも上方に配置したことを特徴とする請求項１に記載の無停電電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用交流電源からの電力供給停止に関わらず負荷機器への電力供給を継続する無停電電源装置であって、特に、商用電源に接続する系統と燃料電池に接続する系統との組み合わせからなる無停電電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に開示されるように、商用電源からの電力供給が停止しても負荷機器に対して給電を続ける無停電電源装置として、商用電源から交流電力を供給する系統と、燃料電池が発電する直流電力をインバータとトランスを介して商用電源系統と同一周波数、同一電圧の交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用電源系統と並列接続して負荷機器に給電可能にした無停電電源装置が知られている。また、特許文献２に開示されるように、無停電電源システムに燃料電池を設けると共に、交流電源の故障または電力蓄積装置の電圧低下を検出器で検出し、その検出時に燃料電池を起動して燃料電池からインバータへ直流電源を供給するシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−３３６８９４号
【特許文献２】特開２０００−３４１８７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような無停電電源装置では、停電が発生していない正常時に、商用電源から供給される電力と、燃料電池で発電される電力とを蓄電池に蓄電する構成となっており、この場合に用いられる蓄電池の種類として、多くの場合にリチウムイオン電池が採用されている。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く自己放電が少ない上にメモリ効果を持たないという点が特徴であり、これらの特徴が、人の手の届き難い遠方に設置されることの多い燃料電池と組み合わせた大型の無停電電源装置に適しているのである。
【０００５】
このように優れた特徴を有するリチウムイオン電池であるが、その一方で、高温環境下での信頼性に欠けるという問題を抱えており、４５°Ｃを超えるような高い温度になる場所に置いたり、熱源の近くで使用したりすることは電池の発熱や発火につながる危険性がある。特に、高温となる場所での充電は危険が大きいため十分な注意が求められる。しかしながら、燃料電池と組み合わせた無停電電源装置として屋外環境に設置する場合、リチウムイオン電池が屋外用筐体内に収容されて使用されるとしても、日光の影響を受けて筐体におけるリチウムイオン電池の雰囲気温度が高い状態で充電されることが十分に考えられる。そこで、リチウムイオン電池の過熱を防ぐ為の冷却構造が必要になる。但しこの場合に、冷却効果と消費電力とのバランスを勘案しつつ冷却構造を検討する必要があり、電力消費を抑えながら電池の過熱防止を図る構造が要求される。比較的大型の出力容量の無停電電源装置を構成する場合、一般的に筐体サイズやリチウムイオン電池の容量も大型化することから、クーラーユニットの能力を高めて冷却効果を高める対策が必要となる。しかし、その分、消費される電力も増える為、停電が発生した場合に外部負荷への電力供給をリチウムイオン電池と燃料電池とに依存する無停電電源装置としては、クーラーユニットの能力をやみくもに高める対策は適当とはいえない。あくまでも外部負荷への電力供給が最優先されるべきであり、無停電電源装置の機能維持に費やされる電力消費は極力抑える必要がある。
【０００６】
また、リチウムイオン電池は高温環境下での使用に注意が求められる一方で、０°Ｃ以下の環境下における充電も推奨されていない。従って、筐体内部が低温となるような状況では、ヒーターユニットを作動させて筐体内を加熱する必要がある。この場合にも、電力消費を抑えながら筐体内に収容した各機器を効率良く暖めるような構造が求められる。
【０００７】
本発明はこのような課題に対処してなされたものであり、燃料電池と組み合わせて屋外環境に設置される無停電電源装置であって、電力消費量を出来る限り抑えながら効率的に筐体内雰囲気の温度調整を可能にする装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記の目的を達成するために本発明は、商用電源に接続する電力供給系統と燃料電池との組み合わせからなる無停電電源装置において、無停電電源装置を構成する機器を収容する筐体と、商用電源からの電力供給が停止した際に起動して直流電力を出力する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力及び商用電源から供給される電力を蓄電する蓄電部と、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して前記燃料電池への駆動用電力及び前記蓄電部への充電用電力及び無停電電源装置に接続される外部負荷機器への外部出力用電力として供給するＡＣ／ＤＣコンバータと、前記筐体の内側空間において前記蓄電部を隔離して収容する蓄電部収容ケースと、前記蓄電部収容ケースの内側空間に冷却空気を供給するクーラーユニット部と、前記蓄電部収容ケースと前記クーラーユニット部との間を接続し、前記クーラーユニット部から供給される冷却空気を前記蓄電部収容ケースの内部に導くと共に、前記蓄電部収容ケース内の蓄電部を冷却して暖まった空気を前記冷却空気と隔てて前記クーラーユニット部に戻す循環経路を有する導気部と、前記筐体内の換気を行う換気ファンと、前記筐体の内側へ外気を吸入する吸気部と、前記筐体の内側空間に加熱空気を供給するヒーターユニット部と、無停電電源装置全体の動作を制御する制御部と、前記燃料電池、前記蓄電部、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ、前記クーラーユニット部、前記換気ファン、前記ヒーターユニット部、及び前記制御部との接続を行う接続ユニット部とを備え、前記ヒーターユニット部を前記蓄電部収容ケースの下方に隣接して配置し、前記蓄電部の冷却を前記クーラーユニット部から供給する冷却空気で行うと共に、前記筐体内部における前記蓄電部以外の機器の冷却を前記換気ファンによる換気動作で行い、前記筐体内部における加熱を前記ヒーターユニット部で行うことを特徴とする無停電電源装置を提案する。
【０００９】
（２）上記提案の無停電電源装置は、動作中に発熱を伴う機器である前記ＡＣ／ＤＣコンバータ及び前記制御部を前記蓄電部収容ケースよりも上方に配置するのが望ましい。
【発明の効果】
【００１０】
（１）提案の発明によれば、無停電電源装置を構成する筐体の内部に蓄電部収容ケースを設け、この蓄電部収容ケースの内側にリチウムイオン電池を収容しており、それにより、リチウムイオン電池は筐体の内部空間において隔離され、導気部を通じてクーラーユニットから蓄電部収容ケースの内側に冷却空気が供給される。そして、筐体の内部に収容したリチウムイオン電池以外の機器の冷却は、換気ファンを作動させて筐体内の空気を排気することで吸気部から新たに外気が吸い込まれ、吸い込んだ空気の流れによって行われる。従って、クーラーユニットから供給される冷却空気は、蓄電部収容ケースの中だけに送り込まれてリチウムイオン電池の集中的な冷却に供されることから、クーラーユニットの能力を蓄電部収容ケースに対応した必要最小限のものに抑えることができる。また、ヒーターユニットが蓄電部収容ケースの下方に隣接して配置されていることから、寒冷時に筐体内を加熱する際に、蓄電部収容ケースを通じて先ずリチウムイオン電池を効率良く集中的に暖め、続いて筐体の内部空間全体の暖めを行うことができる。
【００１１】
（２）提案の発明によれば、動作時に発熱を伴うＡＣ／ＤＣコンバータ及び制御部の配置位置を蓄電部収容ケースよりも上方に置いていることから、無停電電源装置の稼働に伴って発生する熱を蓄電部収容ケースよりも上側で換気ファンによって排出することができる。これによって、リチウムイオン電池への不要な伝熱をできる限り低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明実施例に係る無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】筐体１を正面より見た外観説明図である。
【図３】図２中のＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図４】導気部１５の詳細な構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明実施例に係る無停電電源装置の全体構成を示すブロック図である。１は無停電電源装置を構成する各機器を収容する筐体である。２はＡＣ／ＤＣコンバータであり、商用電源から供給される交流電力を直流電力に変換して、後述するリチウムイオン電池、制御部、クーラーユニット、ヒーターユニット、換気ファン、循環ファンの各機器に供給する。３は燃料電池であり、その出力端を接続ユニット７（後述する）に接続している。４はリチウムイオン電池（特許請求の範囲に記載の蓄電部）であり、ＡＣ／ＤＣコンバータ２を介して変換された直流電力と、燃料電池で発電されて供給される直流電力とを蓄電し、商用電源が停電した際にはリチウムイオン電池に充電している電力を外部の負荷に供給する。５は蓄電部収容ケースであり、ケースの内側に有する収容空間にリチウムイオン電池４を収容している。６は制御部であり、無停電電源装置を構成する各機器の動作制御を行う。８はクーラーユニットであり、圧縮機、コンデンサ、エバポレータ、冷媒、を用いた冷房サイクルにより空気を冷却し、リチウムイオン電池４に対して冷却空気の供給を行う。９はヒーターユニットであり、筐体１の内部の雰囲気温度が予め設定された閾値より低下した場合に、ヒーターへの通電を行い、加熱した空気をユニット内部に備える送風ファンで筐体内に送風して筐体内雰囲気の加熱を図る。１０は換気ファンであり、筐体内の空気を筐体の外部に排気して換気を行う。１４は吸気部たる吸気口であり、換気ファン１０の駆動に伴い筐体１の外部から筐体の内部へ空気を吸入する。１２は循環ファンであり、筐体１の内部において空気の循環を行うものである。７は接続ユニットであり、この接続ユニットに対して、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、燃料電池３、リチウムイオン電池４、制御部６、クーラーユニット８、ヒーターユニット９、換気ファン１０、循環ファン１２、外部負荷、をそれぞれ接続することでシステム構成上の各機器の接続を行う。
【００１４】
次に、筐体１の内部構造について図２及び図３を基にして説明する。図２は筐体１を正面より見た外観説明図である。１１は換気カバーであり、筐体１の内部に設ける換気ファンに対応して正面扉１６に形成される排気口を覆い、筐体内部への雨風の浸入を防止している。８はクーラーユニットであり、筐体１の正面扉１６に対して扉の表面側に突出した状態で取り付けられている。正面扉１６のクーラーユニットを取り付けた箇所には筐体１の内側空間に臨む開口が形成されており、クーラーユニットによって冷却された空気は、正面扉１６に形成された開口を通じて蓄電部収容ケース５内に冷却空気として供給され、その供給された冷却空気はケース内においてリチウムイオン電池の冷却に供された後に再び開口からクーラーユニット内に戻される。１３は吸気カバーであり、筐体１の側面に形成された吸気口を覆い、筐体内部への雨風の浸入を防止している。
【００１５】
図３は、図２中のＡ−Ａ断面を示す説明図である。筐体１の内部には、上方から下方へ順番に、循環ファン１２、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、制御部６、蓄電部収容ケース５、ヒーターユニット９、接続ユニット７、の順で各機器が配置されている。筐体内の下部には、筐体の外部から空気を吸い込む吸気口１４が形成されており、この吸気口１４が形成された箇所の外側面を図２に示される吸気カバー１３が覆っている。正面扉１６の筐体内部側における上方位置には、換気ファン１０が取り付けられている。そして、その換気ファン１０が取り付けられた位置には正面扉１６に排気口２０が形成されており、図２で説明した通り、正面扉１６の正面側に排気口２０を覆って換気カバー１１が取り付けられている。また、蓄電部収容ケース５の配置位置に対応する正面扉１６には、その正面側にクーラーユニット８が取り付けられている。そして、クーラーユニット８が取り付けられている正面扉１６の内側部位と蓄電部収容ケース５との間には、導気部１５が設けられており、この導気部１５によってクーラーユニット８と蓄電部収容ケース５とを接続すると共に、クーラーユニット８から供給される冷却空気を蓄電部収容ケース５の内部へ導くようにしている。
【００１６】
次に、導気部１５の詳細な構造について、図４を基にして説明する。図４は、図３に示す導気部１５の箇所を拡大した説明図である。クーラーユニット８は、ユニット内で冷却した空気を送出する吹き出し口８−１と、暖まった空気の取り込みを行う吸い込み口８−２とを有しており、クーラーユニット８を正面扉１６に固定する際に、吹き出し口８−１と吸い込み口８−２とを正面扉１６に対向させる向きにして固定している。これに対応して正面扉１６には開口１７を設けており、その開口寸法を、開口範囲内に吹き出し口８−１と吸い込み口８−２とが収まるような大きさとしている。従って、開口１７を通じて、クーラーユニットから筐体１の内部側への冷却空気の供給と、筐体１の内部側からクーラーユニット側への暖まった空気の戻しとが行われる構造となっている。
【００１７】
筐体１の内部に収容される蓄電部収容ケース５は、筐体１内における高さ位置が、正面扉側に固定されるクーラーユニット８の高さ位置とほぼ同じ位置となるように設定されている。そして蓄電部収容ケース５には、ケースの内部にケース外から空気を吸入する吸気ファン５−１と、ケースの内部からケース外に空気を排出する排気ファン５−２とが正面扉１６側に設けられている。なお、蓄電部収容ケース５の内部は、空間を隔壁等で個別に仕切ることのない連続したひとつの収容空間となっており、その空間内にリチウムイオン電池４を収容している。
【００１８】
導気部１５は、開口部１７と、蓄電部収容ケース５に設けられる吸気ファン５−１及び排気ファン５−２との間をダクト構造で接続するもので、筐体１の内部においてその内部空間から隔離して、クーラーユニット８と導気部１５と蓄電部収容ケース５とで構成する閉じた空間を形成するものである。導気部１５の内部には隔壁板１８を有しており、この隔壁板１８により、吹き出し口８−１から吸気ファン５−１に向かって冷却空気が流れる気路と、排気ファン５−２から吸い込み口８−２に向かって暖まった空気が流れる気路とをそれぞれ隔離している。このように、冷却空気が流れる気路と暖まった空気が流れる気路とを、それぞれの気路を流れる空気が混ざり合わないように区分していることにより、蓄電部収容ケース５内のリチウムイオン電池４を冷却する場合に、クーラーユニット８の吹き出し口８−１から出た冷却空気が蓄電部収容ケース５から戻る暖かい空気と混ざることなく蓄電部収容ケース５の吸気ファン５−１に流れ込み、ケース内のリチウムイオン電池４を冷却する。そして、リチウムイオン電池４を冷却することで暖まった空気は、排気ファン５−２からケース外に排出され、気路を流れてその全てが吸い込み口８−２に流れ込むのである。このようにして、クーラーユニット８から送風される冷却空気が蓄電部収容ケース５の内部だけに供給され、リチウムイオン電池４の効率的な冷却が行われる。
【００１９】
筐体１の内部では、換気ファン１０が駆動することで吸気口１４から外気が筐体内に吸入され、筐体の下部から上に向かって空気が流れ排気口２０から筐体外に排出される。その際に、接続ユニット７、ヒーターユニット９、蓄電部収容ケース５、制御部６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、循環ファン１２、の順に経由して空気が流れ、各機器の放熱が行われる。そして、それら機器の中でも特に動作中に発熱を伴うＡＣ／ＤＣコンバータ２と制御部６とを蓄電部収容ケース５よりも上方に配置していることから、これら機器から放熱された熱は蓄電部収容ケース５に伝熱することなく、空気の流れと共に筐体外へと排出される。
【００２０】
次に、寒冷時における筐体１内部のヒーティング動作について説明する。周囲の気温が低下し、筐体内の気温がリチウムイオン電池の使用条件で指定された下限温度（例えば０°Ｃ）に近付くことが予想されると、ヒーターユニット９を作動させて筐体内雰囲気の加熱を行う。安全上の余裕を考慮し、リチウムイオン電池の温度が下限温度より高い温度である所定閾値（例えば１５°Ｃ）になったことを検出すると、ヒーターユニット９を作動させる。この場合のヒーターユニット９の作動条件は、例えば１５°Ｃを検出したらヒーターユニット９を作動オンし、そのまま作動を継続して２５°Ｃを検出したら作動オフとするヒステリシス特性を与えることが望ましい。ヒーターユニット９が作動することで、加熱された空気がヒーターユニット９の直上に位置する蓄電部収容ケース５を暖め、ケース内のリチウムイオン電池４を暖める。そして、ヒーターユニット９から供給される加熱空気は筐体１の内部を上昇し、蓄電部収容ケース５、制御部６、ＡＣ／ＤＣコンバータ２、循環ファン１２、の順に経由して筐体１の内部全体を暖め、筐体内に収容された各機器の暖めを行う。
【００２１】
以上のように、無停電電源装置を構成する筐体１の内部に蓄電部収容ケースを設け、筐体の内部空間においてリチウムイオン電池を隔離して収容し、蓄電部収容ケースの内部とクーラーユニットとを導気部によって接続して閉じた空間を形成している。そして、蓄電部収容ケースの内部とクーラーユニットとの間で冷却空気とバッテリー冷却後の空気とを循環させ、リチウムイオン電池の温度が正常な使用範囲を超えないように温度制御を行っている。これにより、クーラーユニットの能力を蓄電部収容ケースの内部容積に対応した必要最小限のものに抑えることができ、無停電電源装置の機能維持に費やす電力消費量の低減を図ることができる。そして、筐体内全体の放熱に関しては、動作時に発熱を伴う機器を蓄電部収容ケースよりも上方に配置した上で、換気ファンによる外気導入で冷却するようにしており、電力消費量の低減につなげている。また、寒冷時には、蓄電部収容ケースの直下に配置したヒーターユニットにより先ず蓄電部収容ケースへ効率良く熱を伝えてリチウムイオン電池を暖め、同時に筐体の内部全体を暖めるようにしており、電力消費量の低減につなげている。
【符号の説明】
【００２２】
１  筐体
２  ＡＣ／ＤＣコンバータ
３  燃料電池
４  リチウムイオン電池（蓄電部）
５  蓄電部収容ケース
６  制御部
７  接続ユニット
８  クーラーユニット
９  ヒーターユニット
１０  換気ファン
１１  換気カバー
１２  循環ファン
１３  吸気カバー
１４  吸気口
１５  導気部
１６  正面扉
１８  隔壁板
２０  排気口
【図１】
2018032585.tif 000003
【図２】
2018032585.tif 000004
【図３】
2018032585.tif 000005
【図４】
2018032585.tif 000006