JP2005223320A - ターボ冷却器組み立て品における重複ファンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】一つのファンが故障しても、マイクロプロセッサチップ等の電子部品の有効な冷却を保つファン冷却システムを提供する。
【解決手段】ファン冷却システム１００は、第１空気流１３２を生成する第１モータと結合する第１ファン１０１と、第２空気流１３３を生成する第２モータと結合する第２ファン１０２と、第１空気流１３２および第２空気流１３３を、少なくとも１つのヒートシンク１２０に運ぶダクトシステム１１０と、第１ファンモータおよび第２ファンモータと結合する制御システムとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、重複駆動モータを用いたターボ冷却器組み立て品におけるファンシステムの可用性（稼働率）を増す方法および装置に関する。

電子システムの中央処理ユニット（ＣＰＵ）として用いられる高速の集積回路（ＩＣ）マイクロプロセッサは、そのクロック速度に比例して電力を消費し、その消費された電力は、オーバーヒートおよびその結果としてのＩＣ故障を防止するために、ＩＣから放熱させなければならない。

こうしたＩＣマイクロプロセッサは、空間が厳しく制約される、サーバおよび携帯通信および交換システムを含む多くの専用機器のための基幹部を形成する。ターボ冷却器は、マイクロプロセッサチップなどの点熱源を冷却するように特別に設計された冷却システムである。ターボ冷却器は、空気通路が乏しい空間制約環境における冷却方法を提供する時に有効である。ターボ冷却器は、マイクロプロセッサチップから近くの領域に熱を伝導する多数のフィンを有する専用ヒートシンクからなり、ヒートシンクにおいて、ターボ冷却器の第２のパーツ、すなわち、ファンは、フィンを通るように冷却空気を吹き付けて、フィンから周囲空気流に熱を移動させる。加熱された空気は、排気口を介して格納容器を出て、したがって、熱をマイクロプロセッサチップから取り去る。通常、ファンは、冷却空気を格納容器の中に吹き込み、冷却空気流は、格納容器の内部の熱源全ての冷却に役立つ。

残念ながら、ファンは、単一点の故障源になる可能性がある。それは、ターボ冷却器
ファンが故障すると、熱をフィンから取り去る冷却空気流量が不十分であるため、受動システム（たとえば、フィン）の有効な冷却がほとんどなくなるためである。こうしたシステムにおけるファンの故障下では、ＣＰＵ／マイクロプロセッサチップは急速に臨界温度に達する可能性があり、それによって、ＣＰＵスロットリング、データ破損によって、重大な性能損失が起こる、かつ／または、熱故障が起こる場合がある。

本発明の目的は、一つのファンが故障しても、マイクロプロセッサチップ等の電子部品の有効な冷却を保つことである。

一実施形態において、本発明は、第１空気流を生成する第１ファンモータと結合する第１ファンを備える高可用性を有するファン冷却システムを詳述する。第２ファンは、第２空気流を生成する第２ファンモータと結合する。ダクトシステムは、第１空気流および第２空気流を、少なくとも１つのヒートシンクに運ぶ。制御システムは、第１ファンモータおよび第２ファンモータと結合する。

本明細書に組み込まれ、また、その一部となる添付図面は、本発明の実施形態を例示し、説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。特記しない限り、本説明において参照される図面は、一定縮尺で描かれていないと理解されるべきである。

ここで、本発明の実施形態に対して詳細に参照が行われるであろう。本発明は、以下の実施形態に関連して述べられるが、本発明をこれらの実施形態のみに限定することは意図されないことが理解されるであろう。それどころか、本発明は、添付特許請求項によって規定される代替形態、変更形態、および等価形態を包含することを意図する。さらに、本発明の以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの特定の詳細が述べられる。しかし、本発明は、これらの特定の詳細なしで実施されてもよいことが当業者によって認識されるであろう。他の例において、よく知られている方法、手順、部品、および、回路は、本発明の態様を不必要に曖昧にすることを避けるために詳細には述べられなかった。

図１は、本発明の実施形態による、ターボ冷却器組み立て品の重複ファンシステム１００の実施形態を示す。図１において、一対のファン１０１および１０２は、格納容器１４０の通気口を介する２つの外部空気源１３０および１３１に近接して配置される。ファンは、外部空気１３０および１３１が、ダクトシステム１１０によって、それぞれの経路１３２、１３３に沿ってファン内に推進されるように構成され、ダクトシステム１１０は、フィンが標準ターボ冷却器の一部を形成する、マイクロプロセッサに取り付けられたヒートシンク１２０に空気流１３４を運ぶ。フィンは空気流１３４の経路内に取り付けられるため、ヒートシンク１２０のフィンは、空気流１３４に熱を伝達する。熱は次に、移動する空気によってヒートシンク１２０から取り去られ、格納容器１４０の内部全体に分散し、最終的に、格納容器１４０を出て、格納容器の熱が取り去られる。任意選択で、ダクトシステム１１０またはその一部は、１１１で示すようにヒートシンクを越えて延び、今加熱された空気流を排気ポート１３５を介して、格納容器１４０の排気ポートの外へ直接運ぶこともできる。さらに、ダクトシステム１１０は、格納容器１４０内に配設された他の部品を冷却する空気を供給するために、空気流の一部を格納容器１４０の残りの中に分散させるための、ダクトシステムの長さに沿う小さな穴を有して構成されてもよい。さらに、ダクトシステム１１０は、２つ以上のヒートシンクへ、または、冷却空気を必要とする他の部品へ冷却空気を送る追加の経路をたどる複数の小さなダクトに分割される。本発明の実施形態において、加熱された空気流は、格納容器１４０の前部から離れたところの格納容器１４０の領域から排気され、したがって、加熱された空気流が、外部空気１３０および１３１と容易に混ざることを防止する。

一実施形態において、図１に示すファン１０１および１０２は、かご形ファンであるが、ターボ軸などの任意の適当なファン形で実現されてもよい。ファン１０１および１０２は、格納容器１４０の任意の適当な場所に取り付けられてよく、追加の空気ダクト（図示せず）は、外部空気１３０および１３１を直接ファンに運ぶために設けられてもよい。好ましい実施形態において、ファン１０１および１０２、ならびに、ファンを駆動するファンモータ（たとえば、図２の、それぞれファンモータ２０１および２０２）は、必要があれば、電子部品パッケージをラックから取り出すことなく、または、電子部品パッケージからカバーを取り外すことなく取り外されることができるように、格納容器１４０の外側縁部の近くに取り付けられ、よってファンの保守作業を容易にする。

本発明の実施形態において、ファン１０１および１０２を駆動するファンモータは、ターボ冷却システム１００から取り外し可能に結合可能である。結果として、故障したファンモータを交換する間、ファンシステムによって冷却される電子システムは動作し続けることができる。本発明の実施形態において、ファン１０１および１０２をそれぞれのファンモータと結合させるファンモータ軸は、ファンモータが、ファンモータおよびファン自体を支持するハウジングから取り外される時に、ファンシステムへの接続部から取り外されるように構成される。あるいは、ファンモータおよびそれぞれのファンは、単一ユニットとして冷却システムから取り外されてもよい。本発明の実施形態において、ファンモータ電力ワイヤは、迅速切り離しコネクタ、または素早く容易な取り外しおよび交換に役立つ他の適当なコネクタを装備する。

本発明の実施形態において、ファンモータは、ファンモータに供給される電圧レベルを変えることによって、それぞれが、いろいろな速度で動作することができるように構成される。このことによって、２つのファンがそれぞれ速度を落として動作することが可能になり、それによって、ファンの予想寿命が延び、一方、必要な冷却を可能にするために、ヒートシンク１２０にわたって十分な空気流量が送出される。ファンのうち一方のファン（たとえば、ファン１０１）のファンモータが故障する場合、他方のファン（たとえば、ファン１０２）は、故障したファンによって生じる空気流量の損失を補償するために速度を上げることができる。本発明の他の実施形態において、ファン１０１および１０２は、交流（ＡＣ）で駆動される。一部のＡＣファンでは、モータが動作する速度を増加／減少させるために選択的に使用されることができる付加的な巻き線が、ファンモータに組み入れられる。本発明の実施形態において、ファンのうち一方のファン（たとえば、ファン１０１）のファンモータが故障する場合、他方のファン（たとえば、ファン１０２）の付加的な巻き線が、ファンモータの速度を増加させるために使用され、したがって、故障したファンによって生じる空気流量の損失が補償される。

図２は、本発明の実施形態に従って用いられる重複ファンシステム用の制御システム２００の略図である。本発明の実施形態において、ファンモータ２０１および２０２は、電力制御サブシステム２０３によってファンモータに利用可能にされる電圧を変えることによって制御される。一実施形態において、電圧源は直流であるが、交流である場合もある。本発明の実施形態において、マイクロプロセッサベースのコントローラ２０４は、主電源オン時におけるファンモータ２０１および２０２への電力の供給、ファンモータ状態の監視、特定の閾値を超えるパラメータ変化の検出時における通常状態から新しい動作状態への動作条件の変更の開始、および、接続部２１０を介する、ローカルエリアネットワークノードへのステータス条件レポートの送出を始める。

本発明の実施形態において、ファンモータ条件は、２つのファン／ファンモータのそれぞれについてのファン速度またはファンモータ速度を測定する、タコメータ２１１、２１２、および／または、それぞれのファンモータについてのファンモータ電流消費を測定するセンサ２０８、２０９を有する電流測定装置２０５によって監視される。一実施形態において、電流測定装置２０５は電流計を備える。こうしたデータは、比較器２０６からのコマンドで、連続して、または、周期的に送出されることができる。ファン速度またはファンモータ速度についての、また、電流消費についての、通常動作パラメータは、測定か、販売業者が供給するデータのいずれかに基づいてわかり、メモリ２０７に記憶される。パラメータのいずれか、または、両方を用いて、性能閾値パラメータがいつ超えられたかが判断されてもよい。たとえば、５００ｒｐｍの公称ファン速度および１００ミリアンペア（ｍＡ）のファン電流消費を有するファンモータを考える。ファンモータが故障している場合、引き出される電流が増加し、ファン速度が低下する場合がある。あるいは、装置が故障すると、引き出されるファン電流が減少し、ファン速度が低下する場合がある。本発明の実施形態において、いずれかのパラメータの変化は、変化が、規定のレベルを超えると、比較器２０６が判断すると、トリガー条件として指定されてもよい。本発明の実施形態において、トリガー条件の検出によって、コントローラ２０４が、メモリ２０７に記憶されるサブルーチンを開始して、残りのファンモータの動作条件の変更を動的に開始するようになる。

一実施形態において、比較器２０６が検出する、動作状態のこうした変化は、コントローラ２０４に指示され、コントローラ２０４は、故障しているモータ（たとえば、ファンモータ２０１）への電力をオフするための、電力制御サブシステム２０３に対するコマンドを動的に開始する。電力の喪失および故障しているファンモータからの空気流量の低下を補償するため、残りのファン（たとえば、ファンモータ２０２）に対して電圧、したがって、電力を増加させるために、第２コマンドがまた、電力制御サブシステム２０３に送られる。

マイクロプロセッサコントローラ２０４は、タコメータ２１１および２１２からの、かつ／または、電流測定装置２０６からの性能データを監視し、故障したファンモータまたはファンモータの差し迫った故障を検出するのに十分なレートで性能データをファンモータパタメータと比較するための、比較器２０６に対する命令を生成する。本発明の実施形態において、この測定レートは、０．１秒〜１０秒の範囲にある。

本発明の別の実施形態において、コントローラ２０４およびメモリ２０７は、トリガー条件が検出されると、ファンを制御するための一定の応答を開始する状態マシン（図示せず）で置き換えられてもよい。たとえば、一方のファンが故障すると、状態マシンは自動的に、他方のファンが、故障したモータからの空気流量の低下を補償するために速度を上げるようにさせる。

２つのファン、２つのファンからの空気流を送る共通ダクトを設け、その性能（動作特性）を監視する方法は、必要が生じれば、複数のファンに拡張されてもよい。一部のシステムの場合、規定の信頼性レベルを達成するために、３つ以上のファンおよびファンモータが望ましい場合がある。こうした場合、こうした複数のファンの複数の故障に対処するために、トリガー事象および動作が、故障しているファンをオフし、残りのファンに関する速度を変えることを許可する、あるタイプの閾値条件を要求する追加の性能測定量（性能メトリック）が開発されてもよい。

図３は、本発明の実施形態による、同軸で構成された一対のファンを有する重複ファンシステム３００の別の実施形態を示す。図３において、２つのファン３１１、３１２は、ダクトシステム３０２内で同軸に配設され、格納容器３０１の上部のポートから、マイクロプロセッサＩＣ３０３の上部にフィン支持部３０４によって取り付けられた、ヒートシンク３０５のフィンを横切るように、縦列になって３０６の外部空気を引き込む。ファン組み立て品およびダクト３０２は、同じく格納容器の背面で始まる水平面に配置されてもよく、ダクト３０２は、垂直ではなく水平に向けられてもよい。加熱された空気は、３０７、３０８において、ターボ冷却器フィンの領域を去り、他の電子部品要素の上を通り、格納容器３０１から出てもよい。ファンモータ３０９、３１０もまた、同軸に取り付けられる。図３において、ファン３１１および３１２のブレードは、ファンモータ３０９か、ファンブレードのいずれかの故障によって生ずる、停止したファン（たとえば、ファン３１１）が、ファン３１２からの空気流量を妨げないように構成される。一実施形態において、これは、ファン３１１および３１２のブレードの数を減らすことによって行われる。ファン上のブレードの数が減る場合、残りのブレードの表面積を増やして、空気流量を多くすることを可能にしてもよい。別の実施形態において、ファン３１１および３１２は、失速したファンのブレードが、作動しているファンの空気流と平行になるように、逆回転ファンなどの逆ピッチファンブレードを有する。制御システム２００を用いて、本発明の実施形態の重複ファンシステム３００を制御してもよいことが理解される。

図４は、本発明の実施形態による重複ファンシステムを制御する方法４００のフローチャートである。図４のステップ４１０にて、ファンモータに対して電力供給が開始される。

図４のステップ４２０にて、ファンモータに対する通常動作電力が自動選択される。本発明の実施形態において、コントローラ２０４は、冷間起動モードでオンし、次に、それぞれのモータについての所定の動作条件で、電力制御サブシステム２０３を介してファンモータ２０１および２０２に電力供給する。一実施形態において、動作状態は、両方のファンについて半分の速度であり、したがって、全定格出力で動作する単一ファンの空気流を生成するが、ファンモータ２０１および２０２のそれぞれを半分の電力で動作させる。ファンモータ２０１および２０２を全電力定格未満で動作させることによって、ファンモータ２０１および２０２の有効動作寿命が延びる可能性があるため、これは有利である。

図４のステップ４３０にて、ファンモータ性能（動作特性）が測定される。本発明の実施形態において、ファンモータ２０１および２０２が、動作速度まで上昇することを可能にする短期間後、コントローラ２０４は、ファンモータ２０１および２０２の性能の監視を始めるための、比較器２０６へのコマンドを生成する。本発明の実施形態において、比較器２０６は、ファンモータ２０１および２０２から性能測定量を収集する。

図４のステップ４４０にて、ファンモータの測定された性能は、メモリに記憶されたパラメータ（閾値）と比較される。本発明の実施形態において、コントローラ２０４は、それぞれのモータについての、タコメータ２１１および２１２、および／または、電流測定装置２０５（電流監視装置）からの性能測定量を、所定の性能パラメータと比較するための、比較器２０６へのコマンドを生成する。本発明の実施形態において、所定の性能パラメータはメモリ２０７に記憶される。コントローラ２０４は、所定のレートに従って周期的な比較を行い続けるための、比較器２０６へのコマンドを生成し続ける。本発明の実施形態において、周期的な比較は、０．１秒に１回〜１０秒に１回の範囲内のレートで行われる。本実施形態は、具体的にこの範囲の周期的比較を詳述するが、本発明の実施形態において、システムのニーズに応じて他のレートを用いてもよいことが理解される。

図４のステップ４５０にて、測定されたファンモータ性能が記憶された性能パラメータ内にあるかどうかを判断する論理操作が行われる。本発明の実施形態において、収集された性能測定量が、ファンモータ性能についての所定のパラメータ内である場合、コントローラ２０４は、別の比較を開始する前に次の期間が経過するまで待ち、フローチャート４００は操作４３０へ進む。ファンモータ性能が、所定のパラメータのうちの１つを超えていることがわかった場合、コントローラ２０４は、この事象をトリガー事象と認識し、フローチャート４００は操作４６０へ進む。

図４のステップ４６０にて、電力制御サブシステムへのシャットダウンコマンドが開始される。本発明の実施形態において、コントローラ２０４は、故障しているモータ（たとえば、ファンモータ２０１）をシャットダウンすることを開始する、電力制御サブシステム２０３へのコマンドを生成する。

図４のステップ４７０にて、第２ファンモータに対するバックアップモード（冷却能力回復モード）コマンドが開始される。本発明の実施形態において、コントローラ２０４は、電力制御サブシステム２０３に指示して、残りの有効な（動作可能な）モータ（たとえば、ファンモータ２０２）に対する電圧を上げ、それによって、ファン速度が上昇し、ファンモータ２０１の故障および停止による損失が補償される。別の実施形態において、ファンモータ２０２に対する電圧の増加は、ファンモータ２０１に対する電力のシャットダウンに応答して自動的に開始される。

図４のステップ４８０にて、ステータスメッセージがＬＡＮに送られる。本発明の実施形態において、コントローラ２０４は、ファンモータ２０１が故障し、停止したことを指示するメッセージを、ローカルエリアネットワークへの接続部２１０を介して、指定されたアドレスに送る。このメッセージは、保守点検活動を配慮するようにさせることができる監視システムに伝達されてもよい。

図５は、本発明の実施形態によるファンシステムにおいて重複可用性を提供する方法５００のフローチャートである。図５のステップ５１０にて、複数のファンモータは、それぞれのファンと結合する。図１〜図３を参照して先に説明したように、ファン１０１および１０２は、ファンモータ２０１および２０２にそれぞれ結合してもよい。同様に、ファン３１１および３１２は、ファンモータ３０９および３１０にそれぞれ結合する。

図５のステップ５２０にて、ダクトは、複数のファンからの空気流をヒートシンクに誘導するように構成される。図１の実施形態において、空気流１３４は、ファン１０１および１０２からヒートシンク１２０に送られる。図３の実施形態において、空気流は、ダクト３０２によってヒートシンク３０５に送られる。

図５のステップ５３０にて、ファンモータのそれぞれの性能は、所定のパラメータと比較される。図２を参照して先に説明したように、比較器２０６は、ファンモータ２０１および２０２から性能測定量を受け取る。本発明の実施形態において、性能測定量は、タコメータ２１１および２１２、および／または、電流測定装置２０５から収集されてもよい。本発明の実施形態において、性能測定量は、メモリ２０７に記憶された所定のパラメータと比較される。

図５のステップ５４０にて、ファンモータ速度は、ステップ５３０の比較に基づいて残りの動作可能なファンモータの１つのために選択される。本発明の実施形態において、トリガー事象（たとえば、ファンモータ１０１の故障または差し迫った故障）を検出することに応答して、コントローラ２０４は、ファンモータ１０１への電力をシャットダウン（停止）し、残りの動作可能なファンモータ（たとえば、ファンモータ１０２）への電力を増加させるための、電力制御サブシステム２０３へのコマンドを生成する。電力が増加する結果、ファンモータ１０２は、速度が上がって、ファンモータ１０１の喪失を補償するであろう。

こうして、本発明すなわちターボ冷却器組み立て品における重複ファンシステムの種々の実施形態が述べられた。本発明を、特定の実施形態において述べたが、本発明は、こうした実施形態によって制限されると解釈されるべきではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲に従って解釈されるべきである。

本発明のファン冷却システムは、電子システム又は電子機器の電子部品（集積回路等）の冷却に使用可能である。

本発明の実施形態によるターボ冷却器組み立て品における重複ファンシステムを示す図である。 本発明の実施形態に従って用いられる重複ファンシステム用の制御システム２００の略図である。 本発明の実施形態による同軸に構成された一対のファンを有する重複ファンシステムの別の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態による重複ファンシステムを制御する方法のフローチャートである。 本発明の実施形態によるファンシステムにおける重複可用性を提供する方法のフローチャートである。

符号の説明

１００ ファン冷却システム
１０１ 第１ファン
１０２ 第２ファン
１１０ ダクトシステム
１２０ ヒートシンク
１３２ 第１空気流
１３３ 第２空気流
２００ 制御システム
２０１ 第１モータ
２０２ 第２ファンモータ

Claims (9)

1. 高可用性を有するファン冷却システムであって、
   第１空気流を生成する第１モータと結合する第１ファンと、
   第２空気流を生成する第２モータと結合する第２ファンと、
   前記第１空気流および前記第２空気流を、少なくとも１つのヒートシンクに運ぶダクトシステムと、
   前記第１ファンモータおよび前記第２ファンモータと結合する制御システムとを備えることを特徴とするファン冷却システム。
2. ファン冷却システムであって、
   前記第１モータおよび前記第２モータは、ファン冷却システムと取り外し可能に結合可能であることを特徴とする請求項１に記載のファン冷却システム。
3. ファン冷却システムであって、
   前記第１モータおよび前記第２モータは、可変速度で動作するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファン冷却システム。
4. ファン冷却システムであって、
   前記制御システムは、
   前記第１モータの性能測定量および前記第２モータの性能測定量を求めるように構成されるモータ性能監視ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファン冷却システム。
5. ファン冷却システムであって、
   前記モータ性能監視ユニットは、
   前記第１モータの回転速度を求めるように構成された第１タコメータと、
   前記第２モータの回転速度を求めるように構成された第２タコメータとを備えることを特徴とする請求項４に記載のファン冷却システム。
6. ファン冷却システムであって、
   前記モータ性能監視ユニットは、
   前記第１モータの測定された性能測定量を予め決めたパラメータと比較し、前記第２モータの測定された性能測定量を予め決めたパラメータと比較するための電流監視装置を備えることを特徴とする請求項４に記載のファン冷却システム。
7. ファン冷却システムであって、
   前記モータ性能監視ユニットは、
   前記第１モータの測定された性能測定量を予め決めたパラメータと比較し、前記第２モータの測定された性能測定量を予め決めたパラメータと比較するための比較器を備えることを特徴とする請求項４に記載のファン冷却システム。
8. ファン冷却システムであって、
   前記モータ性能監視ユニットは、
   電力制御サブシステムと、
   前記電力制御サブシステムと結合し、前記比較器からの信号に応答して、前記電力制御サブシステムに対するコマンドを生成するように構成されたコントローラとをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のファン冷却システム。
9. ファン冷却システムであって、
   前記コントローラは、前記第１モータの前記性能測定量が前記予め決めたパラメータを超えると、前記電力制御サブシステム（２０３）が前記第２ファンの動作速度を動的に変えるようにさせることを特徴とする請求項８に記載のファン冷却システム。

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