(57)【要約】【課題】発熱体冷却装置において、過剰冷却部分を削減する。【解決手段】発熱体の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された温度を時間微分する微分手段と、温度検出手段により検出された温度とターゲット温度との差分を得る差分手段と、差分手段により得られた差分を非線形に変換する変換手段と、微分手段の出力と変換手段の出力を基に、冷却力を強める信号、冷却力を弱める信号又は冷却力を維持する信号を出力する比較手段と、比較手段から出力される信号に応じて冷却力を調整しながら発熱体を冷却する冷却手段と、を備える。【選択図】図３
2010206070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度を時間微分する微分手段と、
前記温度検出手段により検出された温度とターゲット温度との差分を得る差分手段と、
前記差分手段により得られた差分を非線形に変換する変換手段と、
前記微分手段の出力と前記変換手段の出力を基に、冷却力を強める信号、冷却力を弱める信号又は冷却力を維持する信号を出力する比較手段と、
前記比較手段から出力される信号に応じて冷却力を調整しながら前記発熱体を冷却する冷却手段と、
を備えることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発熱体冷却装置において、
前記変換手段は、前記差分手段により得られた差分の絶対値を指数関数的に変換することを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発熱体冷却装置において、
前記比較手段は、
前記微分手段の出力が前記変換手段の出力よりも小さい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分手段の出力が前記変換手段の出力よりも大きい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分手段の出力が前記変換手段の出力と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力することを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の発熱体冷却装置において、
前記比較手段は、
前記差分がゼロ以上である場合には、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値よりも小さい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値よりも大きい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力し、
前記差分がゼロ未満である場合には、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値よりも小さい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値よりも大きい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分手段の出力の絶対値が前記変換手段の出力の絶対値と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力することを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の発熱体冷却装置において、
前記微分手段の代わりに、前記温度検出手段により検出された温度を周期的にサンプリングして、隣接するサンプルされた信号の差分を出力するサンプリング手段を備えることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の発熱体冷却装置において、
前記差分手段及び前記変換手段の代わりに、前記温度検出手段により検出された温度を基に、前記変換手段の出力と同一の出力を得るメモリ回路を備えることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の発熱体冷却装置において、
前記冷却手段は、
前記発熱体に送風するファンと、
前記ファンの回転数を調整しながら前記ファンを駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする発熱体冷却装置。
【請求項８】
発熱体の温度を検出する温度検出ステップと、
前記温度検出ステップにより検出された温度を時間微分する微分ステップと、
前記温度検出ステップにより検出された温度とターゲット温度との差分を得る差分ステップと、
前記差分ステップにより得られた差分を非線形に変換する変換ステップと、
前記微分ステップの出力と前記変換ステップの出力を基に、冷却力を強める信号、冷却力を弱める信号又は冷却力を維持する信号を出力する比較ステップと、
前記比較ステップで出力される信号に応じて冷却力を調整しながら前記発熱体を冷却する冷却ステップと、
を備えることを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項９】
請求項８に記載の発熱体冷却方法において、
前記変換ステップでは、前記差分ステップにより得られた差分の絶対値を指数関数的に変換することを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の発熱体冷却方法において、
前記比較ステップでは、
前記微分ステップでの出力が前記変換ステップでの出力よりも小さい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力が前記変換ステップでの出力よりも大きい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力が前記変換ステップでの出力と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力することを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項１１】
請求項８又は９に記載の発熱体冷却方法において、
前記比較ステップでは、
前記差分がゼロ以上である場合には、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値よりも小さい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値よりも大きい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力し、
前記差分がゼロ未満である場合には、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値よりも小さい時に、冷却力を強める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値よりも大きい時に、冷却力を弱める信号を出力し、
前記微分ステップでの出力の絶対値が前記変換ステップでの出力の絶対値と等しい時に、冷却力を維持する信号を出力することを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１の何れか１項に記載の発熱体冷却方法において、
前記微分ステップの代わりに、前記温度検出ステップにより検出された温度を周期的にサンプリングして、隣接するサンプルされた信号の差分を出力するサンプリングステップを備えることを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１２の何れか１項に記載の発熱体冷却方法において、
前記差分ステップ及び前記変換ステップの代わりに、前記温度検出ステップにより検出された温度を基に、前記変換ステップの出力と同一の出力をメモリ回路により得るステップを備えることを特徴とする発熱体冷却方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３の何れか１項に記載の発熱体冷却方法において、
前記冷却ステップは、前記発熱体に送風するファンの回転数を調整しながら前記ファンを駆動する駆動ステップを備えることを特徴とする発熱体冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子デバイスなどの発熱体を冷却するための発熱体冷却装置及び発熱体冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体分野の発展に伴い部品素子の発熱量が問題となっている。
【０００３】
またコンピュータ機器などのシステムにおける多機能化・高出力化を目的として、そのような発熱体である部品素子が高密度に実装される点も発熱問題に拍車をかけている。
【０００４】
過度な熱は電子デバイスの安定した動作に対して問題となるため冷却設計による改善アプローチが求められる。
【０００５】
現在では素子自体の自然放熱だけでは冷却特性を十分に得ることができないため、ファンなどによる強制冷却は必須の技術となっている。
【０００６】
ファンなどによる強制冷却は大気中への放熱抵抗を低減する効果があり冷却特性を向上できる。
【０００７】
一方でファンの動作に伴う騒音問題が近年指摘されている。
【０００８】
騒音の原因は主にファン回転に伴う風切り音や機械・振動音、被冷却体での風の対流など複合的な要素に起因しており非常に複雑である。
【０００９】
また直接ファン回転数と冷却性能、騒音値を関連付ける理論解析は困難であり、設計においては騒音や部品素子温度の実測定によりファン回転数を最適化することが主流となっている。
【００１０】
そのため騒音と冷却の最適なファン制御を割り出すのは非常に手間であり、制御プログラム自体も非常に複雑化している。
【００１１】
このように近年では冷却性能と騒音のトレードオフ問題が指摘されており、双方の特性に最適なファン制御の簡易な実現方法が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】実開平０５−０７６０９３号公報
【特許文献２】特開昭５６−０６００４１号公報
【特許文献３】特開平１１−０８５３２３号公報
【特許文献４】特開２００５−３４７５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の観点では安定した素子の電気特性・性能の確保を最大の目的とするため、まずは、素子の温度を一定のターゲット温度（素子の動作保証温度）以下に設計することを第一の方針としていた。
【００１４】
しかし、冷却と騒音特性のトレードオフ問題を解決するには必要最低限以上の冷却性能を得られるファン回転数を各環境条件化で１つ１つ実測・シミュレートする必要があり非常に設計に手間がかかる。
【００１５】
このような設計の難しさおよび制御の複雑さにより、特定の条件化ではどうしても冷却特性にムラが存在し、従来の設計手法では十分な最適条件を得ることが困難であった。
【００１６】
一例として一定温度環境化において従来の冷却設計を行った場合の問題例を挙げる。
【００１７】
素子発熱温度や電気的負荷を参照した可変制御ファンによって強制冷却した場合と自然冷却（素子の放熱特性）の場合の電気的負荷に対する発熱体の温度特性を図１に示す。
【００１８】
基本的に素子のターゲット温度に対し最大負荷時での冷却性能を重視するため、負荷が低い場合は温度マージンが多い傾向となる。
【００１９】
図１の斜線部分のような過剰な温度マージンは騒音特性の低減を阻害する一因となる。
【００２０】
理想的には図２のように必要最低限の冷却特性を維持した場合が最も騒音を抑えていることになる。
【００２１】
本発明の目的は従来冷却設計の難しさから残存していた過剰冷却部分を削減することを可能とした発熱体冷却装置及び発熱体冷却方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明によれば、発熱体の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度を時間微分する微分手段と、前記温度検出手段により検出された温度とターゲット温度との差分を得る差分手段と、前記差分手段により得られた差分を非線形に変換する変換手段と、前記微分手段の出力と前記変換手段の出力を基に、冷却力を強める信号、冷却力を弱める信号又は冷却力を維持する信号を出力する比較手段と、前記比較手段から出力される信号に応じて冷却力を調整しながら前記発熱体を冷却する冷却手段と、を備えることを特徴とする発熱体冷却装置が提供される。
【００２３】
また、本発明によれば、発熱体の温度を検出する温度検出ステップと、前記温度検出ステップにより検出された温度を時間微分する微分ステップと、前記温度検出ステップにより検出された温度とターゲット温度との差分を得る差分ステップと、前記差分ステップにより得られた差分を非線形に変換する変換ステップと、前記微分ステップの出力と前記変換ステップの出力を基に、冷却力を強める信号、冷却力を弱める信号又は冷却力を維持する信号を出力する比較ステップと、前記比較ステップで出力される信号に応じて冷却力を調整しながら前記発熱体を冷却する冷却ステップと、を備えることを特徴とする発熱体冷却方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、過剰冷却部分を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】関連技術による冷却方法を適用した場合に過剰冷却部分が発生することを説明するための電気負荷対素子温度のグラフである。
【図２】本発明を適用した場合に過剰冷却部分が発生しないことを説明するための電気負荷対素子温度のグラフである。
【図３】本発明の実施形態による発熱体冷却装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す変換回路の変換特性を示す図である。
【図５】図３に示す比較回路の入出力関係を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態による発熱体冷却装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００２７】
本発明の実施形態では、どのような温度・負荷環境においても必要最低限の冷却性能を維持するため、素子の温度を一定の素子ターゲット温度になるように温度制御することで騒音の最小化を実現する。
【００２８】
要点としては、本発明の実施形態では、素子のターゲット温度を設定し、ターゲット温度に近似させるように素子の微小時間温度変化量を制御する。
【００２９】
例えば、素子温度がターゲット温度以下である範囲では、素子温度とターゲット温度との差分量の大きさに応じて、温度変化量が正となるようにファンの回転数を制御して、素子温度がターゲット温度に近づくまでファン回転数を降下させる。
【００３０】
逆に、素子温度がターゲット温度以上である範囲では、温度変化量が負となるようにファンの回転数を制御して、素子温度がターゲット温度に近づくまでファン回転数を増加させる。
【００３１】
上記の動作を繰り返すことにより素子温度をターゲット温度にて常に一定となるように制御する。
【００３２】
図３は、本実施形態の構成を示す。
【００３３】
図３を参照すると、本実施形態は、発熱体１０１、温度検出部１０３、微分回路１０５、差分回路１０７、変換回路１０９、比較回路１１１、ファン１１３及びファン１１３の駆動回路１１５を含む。
【００３４】
温度検出部１０３は被冷却体（発熱体）１０１である電子デバイスの素子温度Ｔを測定する回路である。温度検出部１０３は、被冷却体（発熱体）１０１に接触し、又は、被冷却体（発熱体）１０１の近傍（その位置の温度が被冷却体（発熱体）１０１の温度に影響される位置）に配置されたサーミスタ１０３−１と、それに直列に接続された抵抗素子１０３−３を含む。サーミスタ１０３−１の抵抗素子１０３−３と接続される端子の反対の端子には電源などにより電圧が印加され、抵抗素子１０３−３のサーミスタ１０３−１と接続される端子の反対の端子は設置される。サーミスタ１０３−１と抵抗素子１０３−３の接続点から、被冷却体（発熱体）１０１の温度に応じた電圧が出力される。
【００３５】
微分回路１０５は、検出された温度の微少時間の温度変化量ｄＴ／ｄｔを測定する回路である。
【００３６】
差分回路１０７には設計の段階であらかじめターゲット温度Ｔｏが設定される。差分回路１０７は、ターゲット温度Ｔｏと入力された素子温度Ｔとの温度差分Ｔｄ（＝Ｔｏ−Ｔ）を測定する回路である。
【００３７】
変換回路１０９は前段の差分回路１０７より入力される温度差分Ｔｄに応じたターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔを設定しておき、実際に入力された温度差分Ｔｄをターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔに変換する回路である。
【００３８】
比較回路１１１は入力された温度変化量ｄＴ／ｄｔとターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔとを比較し、比較された結果情報を出力する回路である。
【００３９】
ファン１１３は、被冷却体（発熱体）１０１に送風する。
【００４０】
駆動回路１１５は前段の比較回路１１１から入力された情報に従ってファン１１３の回転数を制御しながら、ファン１１３を駆動する回路である。
【００４１】
まず、温度検出部１０３において、電源電圧のサーミスタ１０３−１と抵抗素子１０３−３とによる分圧により、素子温度Ｔを表した電圧を得る。
【００４２】
素子温度Ｔを表した電圧は、微分回路１０５と差分回路１０７にそれぞれ伝達される。
【００４３】
微分回路１０５では入力された素子温度Ｔの微小時間における温度変化量ｄＴ／ｄｔが計測される。この値は、比較回路１１１に入力される。
【００４４】
また、同時に差分回路１０７では、温度差分Ｔｄが計測される。
【００４５】
なお、このターゲット温度Ｔｏとは被冷却体（発熱体）１０１の許容最高温度から温度マージンを差し引くことにより得られる設計値である。
【００４６】
得られた温度差分Ｔｄは変換回路１０９に入力される。
【００４７】
変換回路１０９では入力された温度差分Ｔｄに応じたターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔが設定されており、変換回路１０９により、温度差分Ｔｄはターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔへ変換される。
【００４８】
図４に変換回路１０９の原理図を示す。
【００４９】
図４左のように、ターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔが温度差分Ｔｄにほぼ比例した関数ｆ（Ｔｄ）となるように設計する。
【００５０】
つまり温度差分Ｔｄが大きいほどターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔも大きくなるように設計し、温度差分Ｔｄが０の時にターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔも０になるようにする。
【００５１】
また、温度差分Ｔｄが負の値になる場合も、温度差分Ｔｄの絶対値が大きくなれば、ターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔが負方向に大きくなるように設計する。
【００５２】
但し、温度差分Ｔｄの絶対値の増加に応じて、ターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔの絶対値が非線形に（ほぼ指数関数状に）増加するようにする。
【００５３】
これにより、図４右のように、ターゲット温度Ｔｏから実際の素子温度Ｔが遠いほどターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔの絶対値が大きく、実際の素子温度Ｔがターゲット温度Ｔｏに近づくとターゲット変化量を小さくすることができる。
【００５４】
比較回路１１１は、変換回路１０９より出力されたターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔおよび微分回路１０５より出力される温度変化量ｄＴ／ｄｔを比較し、比較した結果の信号を駆動回路１１５へ伝達する。
【００５５】
図５に比較回路１１１の動作原理図を示す。
【００５６】
図５左のように、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔ未満の場合はファンを減速する（冷却力を弱める）。他方、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔを超える場合はファンを加速する（冷却力を強める）。また、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔと等しい場合はファンの速度を維持する（冷却力を維持する）。
【００５７】
また、素子温度がターゲット温度以上の場合と以下の場合で分けて考えると、図５右のような制御となる。
【００５８】
すなわち、温度差分Ｔｄがゼロ以上の場合には、次のようになる。すなわち、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔ未満の場合はファンを減速する（冷却力を弱める）。他方、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔを超える場合はファンを加速する（冷却力を強める）。また、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔと等しい場合はファンの速度を維持する（冷却力を維持する）。
【００５９】
また、温度差分Ｔｄがゼロ未満の場合には、次のようになる。すなわち、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔ未満の場合はファンを加速する（冷却力を強める）。他方、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔを超える場合はファンを減速する（冷却力を弱める）。また、実測された温度変化量ｄＴ／ｄｔがターゲット変化量ｄＴｏ／ｄｔと等しい場合はファンの速度を維持する（冷却力を維持する）。
【００６０】
駆動回路１１５では前段の比較回路１１１の制御信号に応じてファンの回転数を変化させる（冷却力を調整する）。
【００６１】
このような温度フィードバック制御を繰り返すことにより、被冷却体（発熱体）１０１の温度を図２に示すようにすることができる。
【００６２】
本発明の他の実施形態として微分回路１０５の代わりにサンプリング回路１２１を用いた場合を図６に示す。
【００６３】
サンプリング回路１２１では一定時間周期ごとに被冷却体（発熱体）１０１の温度Ｔを表す電圧をサンプリングし、一周期前にサンプリングされた電圧と現在サンプリングされた電圧との差分より温度変化量ｄＴ／ｄｔを得て、出力する。
【００６４】
また、メモリ回路１２３は、差分回路１０７と変換回路１０９とを合わせた機能を有し、メモリ回路１２３には、入力される素子温度Ｔの関数として、温度変化量ｄＴｏ／ｄｔが設定される。すなわち、例えば、メモリ回路１２３には、素子温度Ｔがアドレスとして設定され、温度変化量ｄＴｏ／ｄｔがデータとして設定される。
【００６５】
図６の比較回路１１１と駆動回路１１５は、それぞれ、図３の比較回路１１１と駆動回路１１５と同一である。
【００６６】
本実施形態により電子デバイスが機能するのに必要最低限な冷却特性を割り出すことによって、従来までの過剰冷却を抑制しファン騒音を低減することができる。
【００６７】
なお、本実施形態は結果的に温度マージンを取り去ることになるが、これは固有目的ごとにマージンを考慮してターゲット温度を設定することで解決でき、電子デバイス品質や寿命とのトレードオフを避けることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、コンピュータ機器やその他電子機器を初めとするファンによる強制冷却が必要な機構全てに適応することが可能である。
【００６９】
また、本発明は、被冷却体（発熱体）の温度を最高である設定温度で一定とする温度フィードバック制御であり、被冷却体の温度を一定に保つような冷却機構全てに応用が可能である。
【００７０】
更に、本発明は、気体を用いた冷却の他に液体を用いた冷却にも利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１０１  発熱体
１０３  温度検出部
１０５  微分回路
１０７  差分回路
１０９  変換回路
１１１  比較回路
１１３  ファン
１１５  駆動回路
１２１  サンプリング回路
１２３  メモリ回路
【図１】
2010206070.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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