JP2006202898A - ファン制御冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱部の温度によりファン回転数をフィードバック制御する際、実際の装置から求めた状態関数に則ったファン回転数制御を行うことで、温度とファン回転数、ひいては温度と騒音の最適なファン制御冷却システムを提供する。
【解決手段】 装置の発熱部の温度を監視しファンにより冷却するファン制御冷却システムにおいて、実際の装置を使用して発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を求め、測定した発熱部の温度と前記状態関数により温度を一定に保つようにファン回転数をフィードバック制御する制御部を備える。状態関数は、実際の装置を使用して熱平衡状態におけるファン回転数に対する発熱部の温度を複数点測定し、算出した両者の関係から求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発熱部を有する装置における冷却システム、特に、発熱部の温度監視機能を有するファン制御冷却システムに関する。

電子部品を搭載したコンピュータ等の発熱部を有する装置において、発熱部による装置温度の上昇は、動作の不安定又は装置の破損を引き起こし有害であり避けなければならない。そのため、発熱部を冷却ファンの空気流により強制冷却することが行われている。例えば、ノートブックコンピュータにおいてはプロセッサ等の発熱部を冷却するためのファン、及びファンコントローラ（制御部）を備えている。

最近のコンピュータでは、プロセッサは発熱量が１００Ｗ超となるなど、かなり増大しているにもかかわらず、装置としては、筐体のコンパクト化や信号の高速化に伴う配線長の短縮を実現するための高密度実装が重要となるため、発熱密度は加速度的に増大している。しかも、ヒートシンクなどの放熱器は、その放熱面積の許容できるエリアは増えず、むしろ小型化の傾向にある。このため、冷却性能を向上させるためには、空気の流速アップ、すなわちファンの回転数を増大する方向へ向かい、ファンメーカも、より高速回転できるファンを次々と開発している。

ファンの高速化は、今度は装置の騒音を増大させ、しいては装置の設置環境性を悪化させてしまう。つまり、一般事務所に置けずに、コンピュータ専用室にしか設置できないなどの制約をつけてしまう。通常の装置の冷却設計は、その装置が設置される環境温度の最大温度においても、プロセッサが安定に動くことができる温度となるように設計されている。したがって、例えば４０℃の環境まで設置を要求される装置では、２５℃の環境下においては１５℃のマージンがあるということになる。この設置環境の温度マージン分を使って、ファン回転数を落とす方法が従来のファン制御の方法の一つである。

すなわち、提案されているファンの温度可変速制御は、プロセッサ等の温度に余裕があるときは、ファン回転数を落とすことで、騒音を下げる手法である。どこの温度を監視するかというと、理想的にはプロセッサの温度であるが、従来のファン回転数制御の方法は、プロセッサの温度が何℃のときに、ファンを何回転数にするかが明確になっておらず、実際には、監視する温度とファン回転数の関係を直線で与えている。図６は、このような従来の温度と回転数の関係が直線（線形関数）であることを示すグラフである。しかも、温度とファン回転数の関係をユーザが設定するようになっている。ところが、プロセッサの温度とファン回転数の関係を、実際の装置を使わずに見積もることは、かなりのスキルを持った技術者でも困難である。それは、考慮すべき要素が多すぎるため、わずかの見積誤差でも積み重なってしまい、結果的に関係式を大きく狂わしてしまうからである。

このため、プロセッサの温度を監視することを断念し、装置の設置環境温度を監視し、ファン回転数を制御する方法が採用されているが、プロセッサの温度を一定に保つように、ファン回転数を制御し、信頼性と騒音の両方を最適化するシステムとはなっていない。

そして、プロセッサの発熱量も常にフルパワー消費によるわけではないので、より細かいファン制御を行うためには、プロセッサの温度を直接監視して、フィードバックによりファン制御を行うことが理想である。

このような発熱部のＣＰＵの温度を監視し、設定温度（目標値）との差に基づきフィードバックによりファンの回転数を増減させ冷却を行うコンピュータ用ファン制御冷却システムは、下記特許文献１，２により提案されている。

下記特許文献１，２の、温度監視機能を有し、フィードバック制御を行うファン制御冷却システムでは、プロセッサの温度とファン回転数の関係を事前に入力しておく必要があり、実際の装置で使うには非常に困難を伴う。それは、プロセッサが受ける風速を見積もるためには、空気の流れの挙動を正確に把握しておかなければならず、装置やプロセッサが、実装されるカードの詳細構造に至るまで分かっていなければならない。また、例えＣＡＤとＣＡＥをリンクして詳細構造までをも解析できたとしても、装置の筐体レベルまでの温度と風速の関数を正確に予測するには、設計者にかなりのスキルと時間が要求することになる。

また、下記特許文献１のファン制御冷却システムも、やはり図６に示すように、（１）低温時（Ｔmin）の回転数を（Ｒmin）、（２）高温時（Ｔmax）の回転数を（Ｒmax）と決め、その間を直線（線形関数）と置いている。

しかし、従来のファン制御冷却システムでは、実際に温度一定となるように、ファン回転数にフィードバックを行うことは不可能である。なぜなら、プロセッサの温度と、ファン回転数の関係は理論的に直線にはならず、近似的には平方根の関数になるからである。
特開２０００−２９５７４号公報 特開２００４−３０２９９６号公報

上述したように、従来の特許文献１に開示されているようなファン制御冷却システムは、プロセッサの温度を監視して、ファン回転数にフィードバックをかけるシステムであり、フィードバック制御を行うための温度と回転数の状態関数は、線形関数としているが、実際は非線形関数である。このため、このシステムを採用する場合でも、実際の装置における温度と回転数の関係を把握していなければ、制御不能となり、結果として最適なファン制御冷却システムを有する装置を提供することはできない。

そこで、本発明の目的は、発熱部の温度によりファン回転数をフィードバック制御する際、実際の装置から求めた状態関数に則ったファン回転数制御を行うことで、温度とファン回転数、ひいては温度と騒音の最適なファン制御冷却システムを提供することにある。

本発明は、これらの従来技術の課題を解決するものである。すなわち、（１）実際の装置を使用して、発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を求めるシステムを構築すること、（２）更に、求めた状態関数により、温度が一定となるようなファン回転数のフィードバック制御を行うことを骨子としている。

本発明のファン制御冷却システムは、装置の発熱部の温度を監視しファンにより冷却するファン制御冷却システムにおいて、実際の装置を使用して発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を求め、測定した発熱部の温度と前記状態関数により温度を一定に保つようにファン回転数をフィードバック制御する制御部を備えたことを特徴とする。

また、本発明のファン制御冷却方法は、装置の発熱部の温度を監視しファンにより冷却するファン制御冷却方法において、実際の装置を使用して発熱部の温度に対する冷却ファン回転数の状態関数を求め、測定した発熱部の温度と前記状態関数により温度を一定に保つようにファン回転数をフィードバック制御することを特徴とする。

本発明により、以下のような効果を奏する。

第一の効果は、実際の装置を使用して、自動で発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を求めているため、特別な知識や高度のスキルを要求することなく、また、事前に入念な評価をしなくても、該関数を正確かつ容易に得ることができる。

第二の効果は、前記関数により、発熱部の温度が一定となるように、ファン回転数にフィードバックをかけ制御することができるので、発熱部を最適な温度で動作させることが可能となる。このため、装置の温度による信頼性を確保でき、その装置の動作環境に見合った、最小の騒音発生に抑えることが可能となり、装置の設置環境性が最適となる。

本発明においては、前述のとおり、発熱部の温度に対するファン回転数の関係を表す状態関数は、計算、理論で決めることは極めて困難であることを前提としている。

本発明の実施形態は、コンピュータにおける温度監視機能を有するファン制御冷却システムにおいて、プロセッサ等の冷却対象となるものの温度が、ファンスピードすなわちファンの回転数と相関関係があることに着目し、求めた状態関数により温度を一定に保つように最適化したファン制御冷却システムである。しかも、その相関関係は、実際の装置を使用して自動で算出している。

以下、図面を参照して詳細に説明する。

［各部の構成］
図１は、本発明のプロセッサの温度を監視しフィードバックによりファン制御を行うファン制御冷却システムの概要である。

図１において、プロセッサの温度監視機能を有するファン制御冷却システムが示されている。２は、プロセッサ等の冷却対象物であり、これはプロセッサ以外のＬＳＩでもＩＣでも構わない。１は、その冷却対象物であるプロセッサを安定動作温度まで冷却するためのファンである。このファン１は、例えば、外部に電圧を印加することで、ファン回転数を変更する方式である、アナログコントローラ機能を有するものや、あるいはファン１の駆動電圧自体を変更することで回転数が変更できるものが選択される。また、ファン１自体にこのような機能を持たなくても、ファンの駆動電圧の印加周波数を変えることで、回転数を変更するＰＷＭ（パルス幅変調）方式でも、もちろん採用可能である。

３は、本発明における、温度監視の機能を有するファン制御冷却システムの制御部である制御ＩＣである。ＬＳＩ等の温度監視は、ＬＳＩ内部に温度測定用に作ったＰＮ接合のダイオード（サーマルダイオード）を使って測定が可能である。これはサーマルダイオードに定電流を流したときの、アノードとカソード間の電圧値が、温度の関数になるという理論式から導くことができる。また、ファン回転数は、上述したように、アナログコントローラやＰＷＭ方式等を採用することで、制御が可能となる。

各部の具体的構成を更に説明する。

図２は、冷却対象物であるプロセッサの温度が、風速によってどう変化するかその相関関係を示す概念的なグラフである。

プロセッサで発生した熱は、プロセッサの表面から放熱器等を介して、最終的には周囲の空気に熱伝達によって放熱される。熱伝達は空気の風速の線形関数ではなく、例えば風速の０．５〜０．６乗に反比例することが、実験や理論的に知られている。つまり、風速の低い領域においては、プロセッサの温度は風速の変化に大きく反応する。一方、風速の高い領域では、プロセッサの温度は、風速の変化に対して、緩やかにしか反応しない。ここで、一般的な使用領域では、風速はファン回転数に比例するため、風速をファン回転数に置き換えることができる。

このため、プロセッサの温度を一定と保つように、ファン回転数を制御するためには、状態関数を持ち込まなければならない。

図３は、本発明の状態関数を示すグラフである。

図３に実線で示される状態関数は、図２のグラフから必然的に導き出せるものである。状態関数を用いてファン回転数を制御するということは、具体的には、実際の温度を測定し温度の目標値に対する偏差により状態関数に基づき指令すべきファン回転数を決めることである。図３に示すような状態関数では、プロセッサの温度を低温側の目標値Ｔaで安定させるためには、ファン回転数は大きく変化させる必要があり、高温側の目標値Ｔbで安定させるには、ファン回転数はあまり変化させる必要がない。

したがって、上記関係を無視して、温度と回転数の関係を線形関数で与えてしまうと、ファン回転数が制御不能となり、ファンの回転がチャタリング、つまり、回転のうねりをおこし、温度の不安定化という制御動作の不安定化を引き起こす。

本実施形態のファン制御冷却システムは、プロセッサ等の温度と、ファン回転数の関係が、実際の装置では実線で図示したように、平方根の関数で近似できる。

このようにして、（１）実際の装置における、発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を使って、ファン回転数をコントロールするので、温度を規定値に一定に保つように制御することができる。このため、（２）装置の信頼性を確保しながら、騒音という設置環境性も最適となるようなシステムを提供できる。

［動作］
図４は、本発明における、温度監視機能を有するファン制御冷却システムのタイムチャートである。図４中のグラフは、図２のグラフと対応する。

ある風速を設定しファンを回転したとき、ある程度時間が経過すると熱平衡状態となり温度が一定となり安定するので、そのときの温度を測定する。すなわち、装置の動作環境において、あるタイミングでファンの回転数と、プロセッサの温度を測定する。この測定のタイミングは任意に設定され、例えば装置の起動時などに合わせてトリガーをかけるなどの方法がある。また、装置がプログラムなどを実行する前のタイミングを見計らって、トリガーをかけても良い。

プロセッサの温度測定は、ファン回転数を変更していった時の温度を測定していく。ファンの回転数を変更する方法としては、ファン自体に電圧を印加することによって変更するアナログコントローラ方式や、ファンの駆動電圧の印加する周期を変えることによって実現するＰＷＭ方式などがある。ＰＷＭ方式を例に説明すると、ファンの駆動電圧を一定周期でＯＮ／ＯＦＦすることで実現するが、ＯＮ時間を３０％、ＯＦＦ時間を７０％にすれば、Ｄｕｔｙ比３０％ということになる。

図４中のグラフに示すように、このＤｕｔｙ比をＲ_１，Ｒ_２，Ｒ_３と、少なくても３点変更し、それぞれに対するプロセッサの温度をＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３を測定する。プロセッサの温度はプロセッサ内部に作ったサーマルダイオードに定電流を印加したときのダイオードのアノードとカソード間の電圧を測定すればよい。例えばＰＣ等で広く使われているプロセッサならば、１００μＡ時の電圧をＶ_ｆ１、１０μＡ時の電圧をＶ_ｆ２とすると、Ｔ［Ｋ］＝５×（Ｖ_ｆ１−Ｖ_ｆ２）が得られる。

複数の測定点を使用して、温度とファン回転数の相関関係を算出する。温度は、速度、ここではファン回転数の平方根の逆数に近似できるので、少なくても３点の測定点があれば、算出することができる。この相関関係から状態関数は求められる。

そして、この状態関数をＩＣ内部等のメモリーに登録し、プロセッサの温度を監視しながら、メモリー内の状態関数を参照することで、温度が一定となるようにファン回転数を制御することが可能となる。

この状態関数は装置固定の関数となるが、温度とファン回転数の相関関係を測定したときと条件が変わった場合は、状態関数を求め直さなければならない。例えば、プロセッサの風上に実装されていたＨＤＤ等の発熱部品がなくなったりした場合が、この場合に相当する。このような時は、状態関数をある一定周期でまた、ファン回転数を変更して温度を再測定するなどの方法が考えられる。

次に、状態関数を求める他の例について説明する。

図５は、本発明における、温度監視機能を有するファン制御冷却システムにおいて、状態関数を求める他の例を示すタイムチャートである。

この例は、図４に示す方法により一旦求めた状態関数により装置を実機で稼働し、稼働中のデータを利用して更新する方法である。フィードバックした、温度と回転数のデータを蓄積していき、ある程度のデータが保持できたら、そこで新しい状態関数を求めれば、温度測定のタイミングの時間を確保しなくても、短時間で状態関数の更新が可能となる。

図５において、状態関数を、上述の例のように複数点の測定を行ってから求めなくても、温度一定（Ｔset）となるように回転数のフィードバック制御を追加することによって求めることができる。

以上、本発明のファン制御冷却システムについて、発熱部がプロセッサであるコンピュータの例について説明したが、発熱部をファンで冷却する電子機器や一般の機器、例えば、発熱部の光源をファンで冷却する光学装置にも本発明を適用することができる。

本発明の実施形態における、プロセッサの温度を監視しフィードバックによりファン制御を行うファン制御冷却システムの概要を示す図 冷却対象物であるプロセッサの温度が、風速によってどう変化するかその相関関係を示す概念的なグラフ 本発明の状態関数を示すグラフ 本発明における、温度監視機能を有するファン制御冷却システムのタイムチャート 本発明における、温度監視機能を有するファン制御冷却システムにおいて、状態関数を求める他の例を示すタイムチャート 従来の温度と回転数の関係が直線（線形関数）であることを示すグラフ

符号の説明

１…ファン
２…プロセッサ
３…制御ＩＣ

Claims (7)

1. 装置の発熱部の温度を監視しファンにより冷却するファン制御冷却システムにおいて、実際の装置を使用して発熱部の温度に対するファン回転数の状態関数を求め、測定した発熱部の温度と前記状態関数により温度を一定に保つようにファン回転数をフィードバック制御する制御部を備えたことを特徴とするファン制御冷却システム。
2. 前記状態関数は、実際の装置を使用して熱平衡状態におけるファン回転数に対する発熱部の温度を複数点測定し、算出した両者の相関関係から求めることを特徴とする請求項１に記載のファン制御冷却システム。
3. 前記状態関数は、周期的に更新することを特徴とする請求項２に記載のファン制御冷却システム。
4. 前記状態関数は、装置の実機稼働中に温度を一定に保つようにフィードバック制御されたファン回転数のデータにより求めて、更新することを特徴とする請求項３に記載のファン制御冷却システム。
5. 前記装置は、電子機器であることを特徴とする請求項１〜４に記載のファン制御冷却システム。
6. 前記装置は、コンピュータであり、発熱部がプロセッサであることを特徴とする請求項１〜４に記載のファン制御冷却システム。
7. 装置の発熱部の温度を監視しファンにより冷却するファン制御冷却方法において、実際の装置を使用して発熱部の温度に対する冷却ファン回転数の状態関数を求め、測定した発熱部の温度と前記状態関数により温度を一定に保つようにファン回転数をフィードバック制御することを特徴とするファン制御冷却方法。

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