DE4408805A1

DE4408805A1 - Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung

Info

Publication number: DE4408805A1
Application number: DE19944408805
Authority: DE
Inventors: Detlef Klame; Andrzej Dabrowski
Original assignee: Individual
Current assignee: KLAME, DETLEF, 30853 LANGENHAGEN, DE
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1995-09-21

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung.

Die Problematik, welche in zu kühlenden Systemen sich aus unzureichender Kühlleistung, Luftdurchsatz usw. ergibt, ist nicht neu und wurde in der Vergangenheit mit den verschiedensten Methoden zu lösen versucht. Hierbei wird z. B. die Steuerung durch einen polumschaltbaren Motor als Lösungsmechanismus herangezogen. Diese Steuersysteme werden vor allem bei Anlagen benutzt, die bei verschiedenen Drehzahlen arbeiten. Eine andere Variante ist die sogenannte Kupplungssteuerung. Dies ist ein Steuerungsmechanismus, bei dem eine Kupplung (z. B. Flüssigkeitskupplung oder Wirbelstromkupplung usw.) mit der Ausgangswelle eines mit gleicher Drehzahl laufenden Motors verbunden ist und Übertragung der Wellenleistung gesteuert werden kann.

Auch ein Lösungsprinzip über Einbeziehung der Primärspannung ist möglich. Bei diesem Steuersystem wird die Primärspannung des Motors verändert und das erzeugte Drehmoment des Motors geregelt bzw. gesteuert, so daß eine variable Drehzahl und somit - wenn die dazu notwendigen Sensoren vorhanden sind - auch ein variabler Luftdurchsatz erreicht werden kann. Bekannt sind auch Sekundärspannungssteuerungen, die einen Schleifringankermotor benutzen, bei dem die Sekundärspannung geregelt wird. Beschrieben werden auch Ankerspannungs steuerungen, welche im Fall eines Wechselstromantriebes mit einstellbarer Drehzahl einen Thyristormotor und - bei Benutzung eines Gleichstromantriebes mit einstellbarer Drehzahl - die dem Anker zugeführte Spannung steuert.

Auch die Steuerung der primären variablen Frequenzen ist eine versuchte Lösung. Hierbei wird zur Veränderung der Motordrehzahl Energie mit variabler Frequenz und variabler Spannung dem Antriebssystem zugeliefert. Als energiesparend hat sich hierbei das Primärfrequenz steuersystem gezeigt, da es den Energieverbrauch reduzieren kann und gleichzeitig in der Lage ist, eine drehzahlvariable Steuerung ohne die Hinzufügung besonderer Veränderungen zu einem vorhandenem Motor zu realisieren.

Bekannt sind auch verschiedene Bauarten kleiner Axialventilatoren, die vorzugsweise als Lüfter in elektronische Geräte, z. B. Rechner, eingebaut werden. Hierbei werden diese vorzugs weise in die Nähe oder direkt auf die CPU plaziert, um so die Arbeitstemperatur des Systems in den verfahrenstechnisch vorgegebenen vorteilhaften Grenzen zu halten. Nur so ist die Ausfallsicherheit des Systems gewährleistet. Bei den beschriebenen Systemen ist die Nabe des Ventilatorrades als Motorgehäuse im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei innerhalb dieses Gehäuses der Rotor eines Außenläufermotors sitzt, dessen Statur an einem mit dem Gehäusemantel über Speichen starr verbundenen Flansch angebracht ist. Der Gehäusemantel besitzt vorwiegend quadratische Außenseiten mit einer häufig benutzten Länge von 60-80 mm.

Hierbei ist es konstruktiv schwer in den Griff zu bekommen, daß bei den immer kompakter werdenden elektronischen Geräten der Ansaug- und Ausblasraum vor und hinter den Axialventilatoren nur sehr klein ist, so daß Gebläse dieser Art mit hohen Gegendrücken arbeiten müssen. Diese Gegendrücke sind mitunter von Rechner zu Rechner unterschiedlich, da die Innenausbauarchitektur nutzerbestimmt ist. Die dadurch bedingten unterschiedlichen Luftfördermengen führen naturgemäß zu aufbaubedingt unterschiedlichen Kühlleistungen, so daß auch hier nicht von vornherein die notwendige Arbeitstemperatur sichergestellt werden kann. Diese funktionsbedrohende Problematik wurde z. B. dadurch zu lösen versucht, daß ein derartiges Gebläse mit einem Axialventilatorrad mit einer über einem Teil der Axiallänge konisch verlaufenden Nabe ausgerüstet wird, die kleiner ist als der halbe Innendurchmesser des das Ventilatorrad umgebenden Gehäusemantels, und deren Konizität auch nicht zur Eintrittsseite hin besitzt. Dadurch soll sichergestellt werden, daß die vom Ventilatorrad angesaugte Luft auch radial hereingezogen wird. Aus diesem Grund wird kein Gehäusemantel vorgesehen, der in der Axialmittelebene zylindrisch ausgebildet ist und über Ecktaschen mit schrägen Wänden in das quadratische Profil erweitert wurde.

Die unterschiedlich baubedingten Gegendrücke sind jedoch auch hier nicht grundsätzlich in den Griff zu bekommen.

In einer anderen Variante wird zur Problemlösung vorgeschlagen, einen Axialventilator als Kleinlüfter mit Nabendurchmesser des Ventilatorrades zu bauen, der mindestens halb so groß ist wie der Innendurchmesser des das Ventilatorrad umgebende Gehäusemantels, der in der Axialmittelebene zylindrisch ausgebildet wurde und zumindest nach der Abblasseite hin über Ecktaschen mit schrägen Wänden in ein quadratisches Profil erweitert ist. Dieses umschreibt den Durchmesser des Ventilatorrades.

Das System wurde zur Realisierung dieser Lösung so gestaltet, daß die Nabe des Ventilatorrades an der Einströmseite mit einer etwa über ein Drittel der gesamten Axiallänge verlaufenden, zur Stirnseite hin konisch ausgebildeten Ringfläche versehen wurde, wobei der Winkel der Ringfläche zur Achsrichtung etwa 20 Grad beträgt und die Lüfterschaufeln sich über die gesamte Axiallänge des Motorgehäuses erstrecken und mit ihren Innenkanten auch im Bereich der konischen Ringfläche am Motorgehäuse anliegen.

Dies bringt zwar den Vorteil, das Axialventilatoren im Bereich kleinerer Luftmengen mit einer meßbar größeren Druckerhöhung funktionieren, so daß der notwendige Förderbereich auch bei höheren Gegendrücken die gewünschte Luftmenge bereit stellen kann. Da diese Werte jedoch konstruktiv vorgegeben sind, führt dies dazu, daß Produzenten elektronischer Geräte, z. B. von Rechnern, den nächstkleineren Gebläsetyp benutzen und somit - aus Ersparnisgründen - die Funktion Sicherheit des gesamten Systems wiederum in Frage stellen. Die Problematik der Ausfallsicherung und der sofortigen Erkennung einer Überhitzungssituation wird durch die hier vorgeschlagenen Lösungen gleichfalls nicht nachvollziehbar tangiert.

In der Literatur werden verschiedene Gebläse bzw. Ventilatorregelungen beschrieben. So ist es bekannt, daß sich aus dem Kennlinienfeld, welches die statische Druckdifferenz zwischen Ventilatorausgang und -eingang in Abhängigkeit vom Fördervolumen für unterschiedliche Laufradsituationen darstellt, bestimmte Stabilitätsgrenzlinien zwischen stabilem und instabilem Betrieb zu ermitteln. Die von den Stabilitätskriterien abweichenden Kennparameter werden benutzt, um z. B. bei Überschreitung des Abreißpunktes der Strömung vom Schaukelprofil, die angestrebten Idealwerte wieder zu erreichen.

In Weiterführung dieser Idee sind auch sogenannte Grenzwertregler bekannt, welche bei auftretenden Instabilitäten des Ventilators diesen gleichfalls in einen stabilen Zustand zurückführen sollen. Dies wird durch einen Regelmechanismus erreicht, der den Ventilator möglichst nahe an seiner Grenzwertkennlinie arbeiten läßt, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, ohne jedoch in instabile Betriebszustände zu geraten.

Derartige Regelsysteme arbeiten mit Meßgrößen, deren Erfassung Meßwandler erfordert, die durch Betriebs- oder Umwelteinflüsse in ihrer Genauigkeit beeinträchtigt werden können und dann keine exakt verwertbaren Meßergebnisse mehr liefern. Die Sicherheit des gesamten Regelsystems ist gerade in kritischen Situationen in Frage gestellt.

Bei fast allen elektrischen bzw. elektronischen Geräten, die unter thermischen Problemen leiden, ist es von außen mit vertretbarem Aufwand nicht möglich, einwandfrei festzustellen, ob das Lüftersystem die zur Konstanthaltung der Arbeitstemperatur notwendige Kühlleistung bereitstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hitzeempfindliche Elektronikteile, z. B. Rechnerprozessoren mit hoher Taktfrequenz, mittels eines Lüftungssystems im Bereich der gewünschten Arbeitstemperatur zu halten, und bei Überschreitung des kritischen Meßparameters mittels eines akustischen Signales die Störung, d. h. die thermische Überbelastung, anzuzeigen. So soll z. B. bei hochgetakteten Rechnern sichergestellt werden, daß bei der Unterschreitung vorher definierten Kühlleistungsgrenzen mittels der erfindungsgemäßen Schaltung die Störung am CPU-Lüfter hörbar bzw. sichtbar gemacht wird, ohne jedoch durch das Auftreten hoher Anfahrströme in den aktiven Signalbereich zu geraten. Gleichzeitig soll die Montage einfach und von Laien durchführbar sein, wobei auf externe Sensoren, z. B. für Drehzahl und Temperatur, verzichtet wird. Selektive Kontrollfunktion zur Unterscheidung zwischen Anfahrstrom und Störstrom ermöglichen diese erfindungsgemäße Lösung. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße System sowohl bei allen gängigen CPU- Kühlventilatoren (auch Pentium-Lime) sowie bei anderen - ähnlich konzipierten Elektrogeräten einsetzbar.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Betriebsspannung der Überwachungsschaltung vom PC-Netzteil geliefert wird. Die Aktivierung der Überwachungsschaltung über eine einstellbare (P1) Zeitverzögerung erfolgt und Empfindlichkeit sowie Anpassung für unterschiedliche Motoren über ein Spindel potentiometer (P2) einstellbar sind wobei der Strommeßwert des Lüftermotors über eine Komparatorschaltung ausgewertet und als Regel- bzw. Ansteuerungsgrundlage benutzt wird.

Weitere Lösungen und Abwandlungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Eine mögliche Ausführungsform wird in 2 Figuren näher dargestellt:

Fig. 1 Lüfterüberwachungsschema,

Fig. 2 Schaltskizze.

In dem Lüfterüberwachungsschema (Fig. 1) ist die Hauptplatine (13) eines Rechners mit aufgesetztem Prozessor (15) dargestellt. Zur Sicherstellung der optimalen thermischen Werte des Betriebszustandes ist dem Prozessor (15) der Lüfter (14) aufgesetzt. Der Lüfter (14) wird über die Verbindungsleitungen (17) von der Lüfterüberwachung (16), die mittels der Verbindungsleitungen (18) am Netzteil (12) hängen, mit dem notwendigen Arbeitsstrom versorgt. In der Schaltskizze (Fig. 2) sind die einzelnen Bauteilgruppen durch handgezogene Schlangenlinien gegenüber der nächsten Bauteilgruppe abgegrenzt und von 1 bis 11 durchnumeriert. Die Bezugszeichenliste enthält die hierzu notwendigen Informationen.

Die Betriebsspannung gelangt über ein Stromkabel (13) vom Netzteil (12) auf das Überwachungssystem (16). Beim Start des Rechners läuft parallel hierzu der Lüftermotor (1) an. Der Anlaufstrom ist - wie bei Elektromotoren üblich - höher als der Betriebsstrom, so daß der Lüftermotor in dieser Phase einen höheren Stromdurchsatz zu verzeichnen hat als bei maximaler Arbeitsdrehzahl.

Diese Startphase mit erhöhter Belastung kann - je nach Motorentyp - 1 bis 2 Minuten betragen. Konsequenterweise wäre - bei bekannten Problemlösungen - die Folge, daß schon bei der Startphase des Lüftermotors bzw. des Rechners die Kriterien für die Abgabe eines Warnsignals erfüllt sind.

Zur Lösung dieses Problems wird die Schaltung über eine einstellbare Zeitverzögerung aktiviert, die hier als Scharfschaltung (10) bezeichnet wird. Die Aktivierung der Scharfschaltung (10) wird über eine optische Anzeige, z. B. LED, sichtbar gemacht.

Empfindlichkeit und Anpassung für unterschiedliche Motortypen, z. B. zwischen 60 mA und 500 mA, wird über die Verstellbarkeit eines Spindelpotentiometers (P2) im Rahmen des Bauteilkomparators (7) realisiert.

Ist nach dieser Anpassungsphase aufgrund einer Störung die Stromaufnahme des Lüfters um ca. 5 bis 10 mA höher als normal, z. B. aufgrund eines losen Kabels am Lüfter, eines Motorlagerschadens, einer unterbrochenen Wicklung usw., wird ein akustisches Signal über den Intervallbuzzer (11) abgegeben. Aufgrund der bekannten thermischen Trägheit des Systems verbleibt genügend Zeit, das Programm zu verlassen und den Rechner abzuschalten. Vorteilhafterweise ist der Lüftermotor (14) mittels eines Pfosten-Steck-Verbinders verbunden. Zusätzlich befindet sich das Gerät in einem Modulgehäuse aus Kunststoff.

Wenn die Schaltung über das PC-Netzteil (12) Betriebsspannung (UB 12 V) bekommt, wird über R1 und C2 das Timer-IC1 Pin 2 am Triggereingang für ca. 1 Sekunde auf Masse geschaltet. Nach Ablauf der Zeitkonstanten, gebildet aus R2, P1 und C4 (wie beschrieben, je nach Motorart 1 bis 2 Minuten), wird über ein Relais der eigentliche Teil der Schaltung aktiviert. Auf den Vorteil einer optischen Anzeige (z. B. mittels LED) wurde bereits hingewiesen. Zur gleichen Zeit bekommt das IC3 Spannung und ein Oszillator, gebildet durch R7 und C9, beginnt zu schwingen mit einem Rechtecksignal von ca. 50 kHz. Das Signal gelangt über 4 parallel geschaltete Pufferinverter.

Am Ausgang des IC3, Pin 15, steht ein niederohmiges Rechtecksignal zur Verfügung, welches über C10 und die Dioden D3 und D4 zu einer negativen Hilfsspannung gleichgerichtet wird, um eine symmetrische Betriebsspannung für den Operationsverstärker IC2 zu erhalten Der Kondensator C11 dient zur Glättung der negativen Hilfsspannung (6). Der Operationsverstärker IC2 ist als Komparator (7) und als nicht invertierender Verstärker geschaltet. Er übernimmt hierbei 3 Funktionen:

a) Im Normal-Betriebszustand füllt am R5 eine Spannung von 60 mV ab. Diese gelangt auf den nichtinvertierenden Eingang des IC2 (Pin 3). Gleichzeitig erhält der invertierende Eingang Pin 2 eine vom Potentiometer P2 eingestellte Referenzspannung von ca. 65 mV. Der Komparator (7) kann nicht kippen, und am Ausgang IC2, Pin 1, ist die Spannung 0 V.
Transistor T1 kann nicht durchgeschaltet werden und der Buzzer (11) ist stromlos.
b) Bei erhöhter Stromaufnahme (normal 60 mA), ab ca. 65 mA, füllt am R5 ca. 65 mV ab. Die erhöhte Stromaufnahme kann hervorgerufen sein durch Lagerschaden bzw. störende Beeinträchtigungen des freien Lüfterlaufes. Dieser kann im Extremfall zum Stillstand gebracht werden. Dies hat zur Folge, daß auf anderen Eingängen von OP (Pin 2 und 3) gleiches Potential ansteht. Der Komparator (7) kippt. Am Ausgang Pin 1 (IC2) entsteht eine Spannung von ca. 12 V. Diese Spannung gelangt über D2 (Schutzdiode) und R6 auf die Basis des Transistors T1. Damit ist der Transistor durchgeschaltet und der Buzzer liegt auf Masse Potential. Ein Warnsignal ertönt.
c) Ist die Stromaufnahme 0 mA (z. B. loses Kabel, Lüftung gebrochen usw.) fällt am R5 eine Spannung von ca. 30 mV ab. Diese Spannung auf den zweiten OP (IC2), Pin 5. Dieser zweite OP ist als Spannungsverstärker geschaltet durch R8 + R9 mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 370 und am Ausgang entsteht eine Spannung, die den T2- Transistor durchsteuert. Damit liegt am R6 und D2 eine Spannung an, der T1 ist wieder durchgeschaltet, der Buzzer (11) liegt an Masse Potential. Das Warnsignal ertönt.
Die Kondensatoren C1, C3, C5, C6, C7, C8, C12 dienen zur Störunterdrückung und Glätten von Spannungsspitzen. Durch den Spannungsabfall am R10 wird die Spannung an der Basis von T2 auf ca. 0,4 V gelegt, um ein schnelles Durchschalten des T2 zu gewährleisten.

Bezugszeichenliste
1 Lüftermotor
2 Zeitverzögerung
3 Oszillator
4 Puffer
5 Inverter
6 Erzeugung von negativen Hilfsspannungen
7 Komparator
8 nichtinvertierender Verstärker
9 Steuerung des Buzzers
10 Optische Scharfschaltungsanzeige
11 Buzzer
12 Netzteil
13 Mainboard
14 Lüfter
15 Prozessor
16 Lüfterüberwachung
17 elektrische Verbindung Lüfter/Lüfterüberwachung
18 elektrische Verbindung Lüfterüberwachung/Netzteil

Claims

1. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung der Überwachungsschaltung vom PC-Netzteil geliefert wird. Die Aktivierung der Überwachungsschaltung über eine einstellbare (P1) Zeitverzögerung erfolgt und Empfindlichkeit sowie Anpassung für unterschiedliche Motoren über ein Spindel-Potentiometer (P2) einstellbar sind wobei der Strommeßwert des Lüftermotors über eine Komparatorschaltung ausgewertet und als Regel- bzw. Ansteuerungsgrundlage benutzt wird.

2. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivierungsvorgang über eine LED optisch angezeigt wird.

3. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß z. B. wenn nach dieser Anpassungsphase aufgrund einer Störung die Stromaufnahme des Lüfters um ca. 5 bis 10 mA höher als normal, z. B. aufgrund eines losen Kabels am Lüfter, eines Motorlagerschadens, einer unterbrochenen Wicklung usw. ist, ein akustisches Signal über den Intervallbuzzer (11) abgegeben wird.

4. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lüftermotor (14) mittels eines Pfosten-Steck-Verbinders mit der Schaltung verbunden ist.

5. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät von einem Modulgehäuse aus Kunststoff umschlossen ist.

6. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung über das PC-Netzteil (12) Betriebsspannung (UB 12 V) bekommt. Dabei wird über R1 und C2 das Timer-IC1 Pin 2 am Triggereingang für ca. 1 Sekunde auf Masse geschaltet. Nach Ablauf der Zeitkonstanten gebildet aus R2, P1 und C4 (je nach Motorart 1 bis 2 Minuten), wird über ein Relais der eigentliche Teil der Schaltung aktiviert. Zur gleichen Zeit bekommt das IC3 Spannung und ein Oszillator, gebildet durch R7 und C9, beginnt zu schwingen mit einem Rechtecksignal von ca. 50 kHz. Das Signal gelangt über 4 parallel geschaltete Pufferinverter. Am Ausgang des IC3, Pin 15, steht ein niederohmiges Rechtecksignal zur Verfügung, welches über C10 und die Dioden D3 und D4 zu einer negativen Hilfsspannung gleichgerichtet wird, um eine symmetrische Betriebsspannung für den Operationsverstärker IC2 zu erhalten. Der Kondensator C11 dient zur Glättung der negativen Hilfsspannung (6). Der Operationsverstärker IC2 ist als Komparator (7) und als nicht invertierender Verstärker geschaltet. Er übernimmt hierbei 3 Funktionen.

7. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Normal-Betriebszustand eine Spannung von 60 mV am R5 abfällt. Diese gelangt auf den nichtinvertierenden Eingang des IC2 (Pin 3). Gleichzeitig erhält der invertierende Eingang Pin 2 eine vom Potentiometer P2 eingestellte Referenzspannung von ca. 65 mV. Der Komparator (7) kann nicht kippen, und am Ausgang IC2, Pin 1, ist die Spannung 0 V. So kann der Transistor T1 nicht durchgeschaltet werden und der Buzzer (11) ist stromlos.

8. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei erhöhter Stromaufnahme (normal 60 mA), ab ca. 65 mA, am R5 ca. 65 mV abfällt. Die erhöhte Stromaufnahme kann hervorgerufen sein durch Lagerschaden bzw. störende Beeinträchtigungen des freien Lüfterlaufes. Dies hat zur Folge, daß auf anderen Eingängen von OP (Pin 2 und 3) gleiches Potential ansteht. Der Komparator (7) kippt. Am Ausgang Pin 1 (IC2) entsteht eine Spannung von ca. 12 V. Diese Spannung gelangt über D2 (Schutzdiode) und R6 auf die Basis des Transistors T1. Damit ist der Transistor durchgeschaltet und der Buzzer liegt auf Masse Potential. Ein Warnsignal ertönt.

9. Aktive Lüfterüberwachung für Kleinventilatoren mit akustischer und/oder optischer Signaleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromaufnahme 0 mA (z. B. loses Kabel, Lüftung gebrochen usw.) fällt am R5 eine Spannung von ca. 30 mV ab. Diese Spannung auf den zweiten OP (IC2), Pin 5. Dieser zweite OP ist als Spannungsverstärker geschaltet durch R8 + R9 mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 370 und am Ausgang entsteht eine Spannung, die den T2- Transistor durchsteuert. Damit liegt am R6 und D2 eine Spannung an, der T1 ist wieder durchgeschaltet, der Buzzer (11) liegt an Masse Potential. Das Warnsignal ertönt. Die Kondensatoren C1, C3, C5, C6, C7, C8, C12 dienen dabei zur Störunterdrückung und Glätten von Spannungsspitzen. Durch den Spannungsabfall am R10 wird die Spannung an der Basis von T2 auf ca. 0,4 V gelegt, um ein schnelles Durchschaften des T2 zu gewährleisten.