JP2005274353A - 自然空冷式電子機器ユニットと温度判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自然空冷式電子機器ユニットの内部部品の温度監視は、発熱デバイスに設けた温度センサによる監視か、或いは吸気側に設けた温度センサによる検出信号に部品温度上昇分を加えて行っているため、許容温度が低くなっている。
【解決手段】電子機器ユニット内部の熱排気側と発熱デバイスにそれぞれ温度センサを設け、次式に基づいて電子機器ユニットの排気温度Ｔｈを求めて電子機器部品温度Ｔｓと発熱デバイス温度Ｔｐを測定判定する。
Ｔｈ＝βＴｓ＋αＴｐ
ここで、β＝１／（１＋Ａ）、α＝Ａ／（１＋Ａ）、Ａ：ＴｐとＴｈの温度差による電子機器部品から排気側に回る温度上昇係数。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然空冷の電子機器ユニットの温度装置とその電子機器ユニットの温度判定方法に関するものである。

自然空冷式電子機器においてはその小型化がますます進み、これに伴って大発熱量化現象が発生している。従来、その対策として、図３で示すように電子機器ユニット１の内部を対流熱伝達により冷却する共に、局部発熱する部品（発熱デバイス）３からの熱を外ケース（筺体外箱）２へ熱伝導させ、その外ケースで冷却する構造が採られている。すなわち、外ケース２は金属板などよりなり、ＣＰＵや半導体素子などの比較的高熱を発生する発熱デバイス３の発生熱を外ケース２の発熱面を介して外部に放熱させる。また、比較的発生熱の少ない、若しくは発生しない電子機器部品（以下これらを内部部品という）は矢印で示すエアフローが形成されるよう電子機器ユニット内に配設される。５が熱を発生しない内部部品、斜線の施された６が熱を発生する内部部品である。また、４はプリント板である。

この電子機器ユニット１は矢印方向に対流熱が伝達される。

他の例として、最近の高発熱ＣＰＵデバイスには温度センサをデバイス内部に実装し、ダイ温度を測定して動作モード（動作周波数が変化）の制御や異常温度監視などに利用しているものもある。

さらに、図５で示すように、ユニットの吸気側に温度センサ７を配設して代表的なユニット温度としての吸気温度（周囲温度）を測定し、この測定温度に基づいてユニット全体を保護するシステム構成としているものもある。
特開平１１−２７２３４１号公報

図３のような冷却構造において、高発熱デバイス３の検出温度Ｔｐによる監視の場合、この温度Ｔｐは外ケース２の冷却特性に大きく依存している。これに対し、ユニット内部部品５，６は外ケース温度の他に、内部部品の発熱量（内部部品温度Ｔｓ）、吸気温度Ｔａなどに大きく依存しているがデバイス温度Ｔｐには依存してない。したがって、デバイス温度Ｔｐでは高発熱デバイス３自体の温度監視はできるが、内部部品５，６の監視はできないものとなっている。

図４はこの状態を示したもので、縦軸に内部部品温度Ｔｓをとり、横軸に高発熱デバイス温度をとったときのＴｐ監視でのＴｓの値を示したものである。

すなわち、Ｔｐのみの監視の場合、ＴｐではＴｓを監視できないため、Ｔｐ≦ＴｐｍａｘでもＴｓ≧Ｔｓｍａｘのエリアが存在する。

次に、図５で示すようにユニット吸気部に温度センサ７を実装し、そのセンサにて検出された測定温度ＴａとＴｐを利用して温度監視制御を行う場合、内部部品温度Ｔｓは、吸気温度Ｔａに部品温度上昇△Ｔｓを加えたものである。図６はこの状態を示したもので、Ｔｓ＝Ｔａ＋△Ｔｓである。

△Ｔａは、部品発熱量、冷却効果などに依存するため、Ｔａを測定してもＴｓの温度は算出できない。そのため、最大許容吸気温度Ｔａｍａｘは、△Ｔが最大となる設定（最悪条件）の時の値△Ｔｓｍａｘから算出した値で設定する必要がある。すなわち、Ｔａｍａｘ＝Ｔｓｍａｘ（部品最大許容温度）−△Ｔｓｍａｘである。

部品の最大温度上昇値△Ｔｓｍａｘを引いて得られたＴａｍａｘは、小さい値であるため、この方式で温度制御監視するユニットは、許容温度が低くなってしまう問題を有している。

そこで、本発明が目的とするところは、実装状況に応じた温度監視制御が実現でき、かつ製品の信頼性を下げることなく高い温度仕様のユニットの実現を可能とした電子機器ユニットとその監視センサ温度の許容温度判定方法を提供することにある。

本発明の第１は、金属よりなる外ケース内部に電子機器部品を配設し、この電子機器部品を自然空冷すると共に、この電子機器部品で比較的高い熱を発生する発熱デバイスの発生熱を外ケースを介して外部に放熱する電子機器ユニットにおいて、前記電子機器ユニット内部の熱排気側と前記発熱デバイスにそれぞれ温度センサを設け、次式に基づいて電子機器ユニットの排気温度Ｔｈを求めて電子機器部品温度Ｔｓと発熱デバイス温度Ｔｐを測定判定することを特徴としたものである。

Ｔｈ＝βＴｓ＋αＴｐ
ここで、β＝１／（１＋Ａ）、α＝Ａ／（１＋Ａ）、Ａ：ＴｐとＴｈの温度差による電子機器部品から排気側に回る温度上昇係数
本発明の第２は、前記電子機器部品の温度の許容最大値を、前記発熱デバイス温度の上昇に対応して増加させたことを特徴としたものである。

本発明の第３は、金属よりなる外ケース内部に電子機器部品を配設し、この電子機器部品を自然空冷すると共に、この電子機器部品で比較的高い熱を発生する発熱デバイスの発生熱を外ケースを介して外部に放熱する電子機器ユニットにおいて、前記電子機器ユニット内部の熱排気側と前記発熱デバイスにそれぞれ温度センサを設けると共に、各検出値をもとに電子機器ユニットの排気温度を演算する演算部を設けたことを特徴としたものである。

本発明の第４は、前記演算部による排気温度Ｔｈは、｛１／（１＋Ａ）｝Ｔｓ＋｛Ａ／（１＋Ａ）｝Ｔｐを演算することを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記外ケースの発熱面にヒートシンクを取り付けたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、電子機器ユニット全体の部品温度が許容温度範囲内であるか否かの判別が可能となり、これにより、ユニット仕様温度を安全方向に高めることができ、最適な熱設計を可能とするものである。

また、最少時２個の温度センサでユニット全体の温度監視制御が可能であるので、低コストの温度監視制御を提供することができる。

２箇所で測定した温度が許容エリア内にあるか否かのソフトウェアにて設計可能なため、電子機器ユニットの温度マージンが簡単に調整でき、また、部品の実装を水平方向などその方向を変えて部品配置する場合、計算式のバラメータを変更するだけで正確な判定が可能となるものである。

さらに、外ケースにヒートシンクを取り付けたり、外ケース発熱面を放熱性能の高い壁などに取り付けてユニットの冷却性能を高め、ユニット排気温度を下げることにより、より厳しい環境に対応可能となるなどの効果を有するものである。

図１は本発明の実施例を示す電子機器ユニットの概念図で、図３及び図５と同一部分若しくは相当部分に同符号を付してその説明を省略する。すなわち、本発明は電子機器ユニット１の排気側内部に温度センサ８を設けると共に、発熱デバイス３に温度センサ９を設けたものである。各温度センサにて検出された温度信号は、図示省略された演算部に導入され係数値を用いて排気温度の演算が行われる。

今、温度センサ８によって検出された排気温度をＴｈ、温度センサ９によって検出されたデバイス温度をＴｐ、内部部品温度Ｔｓ、ＴｐとＴｈの温度差による発熱デバイスから排気側へ回る温度上昇値係数をＡとしたとき、電子機器ユニット１の熱回路における各温度の関係は（１），（２）より（３）を得る。

Ｔｈ＝Ｔｓ＋Ａ（Ｔｐ−Ｔｈ）…（１）
β＝１／（１＋Ａ）、α＝Ａ／（１＋Ａ）…（２）
Ｔｈ＝βＴｓ＋αＴｐ……（３）
また、排気温度Ｔｈの変化は次の通りとなる。

排気温度Ｔｈは、吸気温度と内部の温度上昇に依存（内部発熱量と冷却効率に依存）している。したがって、内部部品の発熱量を小さくしたり、冷却効率を高めることで内部部品温度Ｔｓが下がり、それに伴って排気温度Ｔｈも下がる。

本発明はこの関係を利用し、Ｔｈ及びＴｐを測定して内部部品温度Ｔｓと発熱デバイス温度Ｔｐを監視するものである。

図２は縦軸に排気温度Ｔｈを、横軸に発熱デバイス温度Ｔｐをとった温度許容エリアとＴｐによる温度上昇分を示したものである。同図で明かなように、Ｔｐの変化に対するＴｈの増加分（αＴｐ）を考慮している。したがって、発熱デバイス３及び内部部品５，６が許容温度となるのは、ハッチングで示されたエリアでαＴｐ分を補正した広いエリアとなり、このエリアに測定したＴｈ及びＴｐが存在していれば、内部部品温度も発熱デバイス温度も許容範囲であって、その他ユニット吸気温度や、設置条件などに影響されることがなく信頼性確保が可能となるものである。

なお、電子機器ユニット１をより厳しい環境にて使用する場合には、外ケース２の発熱面２’にヒートシンクを取り付けるか、もしくは放熱性能の高い壁などに発熱面２’を介してユニットを取り付けることにより冷却性能を高め、これによって排気温度を下げることにより対応可能となる。すなわち、電子機器ユニット１の吸気温度の規定が不用なため、温度異常が検出されなければ部品実装状況により非常に高い吸気温度にまで使用可能となる。

本発明の実施形態を示す電子機器ユニットの概念図。 発熱デバイス温度と排気温度による部品許容エリア図。 従来の電子機器ユニットの概念図。 発熱デバイス温度監視による内部部品温度の許容関係図。 従来の他の電子機器ユニットの概念図。 発熱デバイス温度による温度制御状態図。

符号の説明

１…電子機器ユニット
２…外ケース
３…高発熱デバイス
４…プリント板
５…非発熱部品
６…発熱部品
７…吸気側温度センサ
８…排気側温度センサ
９…温度センサ

Claims (5)

1. 金属よりなる外ケース内部に電子機器部品を配設し、この電子機器部品を自然空冷すると共に、この電子機器部品で比較的高い熱を発生する発熱デバイスの発生熱を外ケースを介して外部に放熱する電子機器ユニットにおいて、
   前記電子機器ユニット内部の熱排気側と前記発熱デバイスにそれぞれ温度センサを設け、次式に基づいて電子機器ユニットの排気温度Ｔｈを求めて電子機器部品温度Ｔｓと発熱デバイス温度Ｔｐを測定判定することを特徴とした自然空冷式電子機器ユニットの温度判定方法。
   Ｔｈ＝βＴｓ＋αＴｐ
   ここで、β＝１／（１＋Ａ）、α＝Ａ／（１＋Ａ）、Ａ：ＴｐとＴｈの温度差による電子機器部品から排気側に回る温度上昇係数。
2. 前記電子機器部品の温度の許容最大値を、前記発熱デバイス温度の上昇に対応して増加させたことを特徴とした請求項１記載の自然空冷式電子機器ユニットの温度判定方法。
3. 金属よりなる外ケース内部に電子機器部品を配設し、この電子機器部品を自然空冷すると共に、この電子機器部品で比較的高い熱を発生する発熱デバイスの発生熱を外ケースを介して外部に放熱する電子機器ユニットにおいて、
   前記電子機器ユニット内部の熱排気側と前記発熱デバイスにそれぞれ温度センサを設けると共に、各検出値をもとに電子機器ユニットの排気温度を演算する演算部を設けたことを特徴とした自然空冷式電子機器ユニットの温度測定装置。
4. 前記演算部による排気温度Ｔｈは、｛１／（１＋Ａ）｝Ｔｓ＋｛Ａ／（１＋Ａ）｝Ｔｐを演算することを特徴とした請求項３記載の自然空冷式電子機器ユニットの温度測定装置。
5. 前記外ケースの発熱面にヒートシンクを取り付けたことを特徴とした請求項３又は４記載の自然空冷式電子機器ユニットの温度測定装置。

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