JP2009130223A - 冷却ファンの監視方法および冷却ファンの監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクを冷却するための冷却ファンの異常を検出する方法および装置を提供する。
【解決手段】電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときのヒートシンクの温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）を夫々検出し、電流が（Ｉｘ）（Ｉｙ）であるときの前記ヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）を求め、ヒートシンクの温度（Ｔ）と、素子損失（Ｐ）と、ヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と、ヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とからなる関係式に、前記温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）と前記素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）とを代入して２つの連立方程式を立て、これらの２つの連立方程式を解いて現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較し、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却ファンの監視方法および冷却ファンの監視装置に関し、ヒートシンクの冷却を阻害する冷却阻害原因のひとつである冷却ファンの異常を検出するようにしたものである。

例えば家庭用電化製品であるエアコンや冷蔵庫や洗濯機に使われるモータは交流モータであり、交流モータは構造が簡単で故障しにくくメンテナンスが容易である反面、回転数は電源の周波数に比例して変化するため周波数が一定の家庭用電源では回転数が変えられない。このため、コンバータにより交流電流から変換された直流電流は、モータの回転速度を制御するため、インバータにより周波数や電圧の異なる交流電流に再変換される。

このように直流電流を交流電流に変換するインバータは、大きな電力を使用することから大電力を制御する必要があり、大電力を駆動制御するためパワーモジュールが用いられる。該パワーモジュールは発熱を伴うので、放熱量を多くするためヒートシンクに取り付けられる。そして、ヒートシンクを強制的に冷却する冷却ファンが設けられる。

冷却ファンに異常が生じた場合には、パワーモジュールの温度が上昇して故障や破損を引き起こす場合がある。このため、パワーモジュールの温度が過大にならないよう温度を監視するため、温度センサがヒートシンクに設けられ、該温度センサによる検出温度が設定温度以上になるとパワーモジュールの運転を停止させている。

ヒートシンクの冷却が阻害される冷却阻害原因としては、冷却ファンの寿命により風量が低下し、ヒートシンクの冷却効率が低下する場合がある。風量が低下すると、インバータに定格の１００パーセントの電流を流した場合でも温度が上昇して運転が停止する可能性が高くなり、電解コンデンサ等の周囲温度も設計値より上昇し、電解コンデンサの寿命が短くなる。このため、冷却ファンによる風量が低下したことを検出する冷却ファンの監視装置が設けられる。

従来の冷却ファンの監視装置としては、例えば特許文献１に記載の発明が知られている。この発明は、充電できる電池と、該電池を収納するケースと、該ケースの内部に強制的に送風して前記電池を冷却する冷却ファンと、前記電池の温度を検出する電池温度センサと、該電池温度センサにより前記冷却ファンの運転を制御する制御回路と、前記ケースの内部へ流入する空気温度を検出する流入側温度センサと、前記電池を冷却して前記ケースの外部へ流出する空気温度を検出する流出側温度センサとを備えたものであり、流入側温度センサと流出側温度センサとの温度差が設定温度よりも小さい場合は、前記制御回路が前記冷却ファンを故障していると判断する。
特開２００５−２９３９７１号公報

ところが、電池温度センサと、流入側温度センサと、流出側温度センサとの３つの温度センサを設けなければならず、冷却ファンの監視装置の構成部品の部品点数が多くなってしまう。

そこで本発明は、上記の課題を解決した冷却ファンの監視方法および冷却ファンの監視装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る冷却ファンの監視方法の発明は、電流を（Ｉｘ），（Ｉｙ）としたときのヒートシンクの温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）を夫々検出し、電流を（Ｉｘ），（Ｉｙ）としたときの前記ヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）を求め、ヒートシンクの温度（Ｔ）と、素子損失（Ｐ）と、ヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と、ヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とからなる関係式に、前記温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）と前記素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）とを代入して２つの連立方程式を立て、これらの２つの連立方程式を解いて現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較し、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断することを特徴とする。

この発明によれば、電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときのヒートシンクの温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）と、ヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）とを、関係式に代入して２つの連立方程式を立て、これらの２つの連立方程式を解いて現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断する。

請求項２に係る冷却ファンの監視装置の発明は、請求項１に記載の冷却ファンの監視方法を用いたことを特徴とする。

この発明によれば、現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下しているという判断結果が出力される。この場合は、スイッチング素子の運転を停止する等の制御が行われる。

請求項３に係る冷却ファンの監視方法の発明は、請求項１に記載の関係式に、現在のヒートシンクの温度（Ｔ）と、現在の素子損失（Ｐ）と、現在のヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とを代入して現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較し、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断することを特徴とする。

この発明によれば、請求項１に記載の関係式に、現在のヒートシンクの温度（Ｔ）と現在の素子損失（Ｐ）と現在のヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とを代入して現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断する
請求項４に係る冷却ファンの監視装置の発明は、請求項３に記載の冷却ファンの監視方法を用いたことを特徴とする。

この発明によれば、現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下しているという判断結果が出力される。この場合は、スイッチング素子の運転を停止する等の制御が行われる。

請求項１に係る発明によれば、異なる電流（Ｉｘ），（Ｉｙ）を流したときのヒートシンクの温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）と、ヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）とを、関係式に代入して２つの連立方程式を立て、これらの２つの連立方程式を解いて現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断するので、異なる電流を流した場合の夫々の場合について、ヒートシンクの温度を測ることとヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失を求めることと、２つの連立方程式を立てて現在のヒートシンクの熱抵抗を求めることと、該熱抵抗を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗と比較する作業だけを行えばよい。

請求項２に係る発明によれば、ヒートシンクの温度を検出する温度センサがあれば十分であり、従来用いていた流入側温度センサ，流出側温度センサは不要であって部品点数が少なくて済む。

請求項３に係る発明によれば、関係式に、現在のヒートシンクの温度（Ｔ）と現在の素子損失（Ｐ）と現在のヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とを代入して現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較する作業だけを行えばよい。

請求項４に係る発明によれば、ヒートシンクの温度を検出する温度センサとヒートシンクの周囲温度を検出する温度センサとがあれば十分であり、従来用いていた流出側温度センサは不要であって部品点数が少なくて済む。

以下、本発明による冷却ファンの監視方法および冷却ファンの監視装置の実施の形態を説明する。
（ａ）実施の形態１
まず、冷却ファンの監視装置の実施の形態１を図２に示す。ブレード１ａを有するヒートシンク１の取付面である上面に、インバータを構成するパワーモジュール２が装着され、該上面に温度をアナログ的に出力する第１温度センサ３が取り付けられている。パワーモジュール２には図示しないスイッチング素子が内臓されている。また、前記ヒートシンク１の近傍には、前記ヒートシンク１へ向かって送風するための図示しない冷却ファンが設けられている。

次に、冷却ファンの監視方法を説明する。図２のパワーモジュール２に小さな電流（Ｉｘ）を流し、その後に大きな電流（Ｉｙ）を流した場合のグラフを図１に示す。図１（ｂ）のように横軸に時間（ｔ）をとり縦軸に電流（Ｉ）をとったグラフに示すように、最初に時間（ｔ₁）まで電流（Ｉｘ）が流れると、図１（ａ）に示すようにヒートシンク１の温度が上昇して熱時定数（ｔ_R）の時間が経過すると一定の値となり、時間（ｔ₁）が経過した後に電流（Ｉｙ）が流れると、図１（ａ）に示すようにヒートシンク１の温度が更に上昇して熱時定数（ｔ_R）の時間が経過すると一定の値となる。そして、これらの一定の値とは、冷却ファンの風量が正常であるときは、図１（ａ）の（イ）に示すように電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときの（Ｔ₁），（Ｔ₃）である一方、冷却ファンの風量が低下すると冷却効率が低下するためいずれも温度が高くなり、図１（ａ）の（ロ）に示すように電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときの（Ｔ₂），（Ｔ₄）である。つまり、冷却ファンの風量が正常であるときと冷却ファンの風量が低下したときとでは、電流（Ｉｘ）が流れた場合については（Ｔ₁）から（Ｔ₂）までの温度差ΔＴｘがあり、電流（Ｉｙ）が流れた場合については（Ｔ₃）から（Ｔ₄）までの温度差ΔＴｙがあるということになる。

前記インバータを運転し、電流が（Ｉｘ）であるときと（Ｉｙ）であるときとの図２のヒートシンク１の温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）を、第１温度センサ３を介して検出し、該ヒートシンク１の温度と、ヒートシンク１の熱抵抗と、スイッチング素子の素子損失と、周囲温度とからなる関係式に、前記検出した２つの温度と、温度の関数である素子損失とを代入して２つの連立方程式を立て、この２つの連立方程式を解くと、ヒートシンク１の現在の熱抵抗を求めることができる。熱抵抗とはヒートシンク１の内部での熱の流れにくさであり、一般的に温度が高いほど熱は流れにくくなる。つまり、温度が高いほど熱抵抗は大きくなる。従って、求めた現在の熱抵抗を正常時のヒートシンク１の熱抵抗と比較し、現在の熱抵抗が冷却ファンの正常時の熱抵抗よりも大きければ、ヒートシンク１の温度が高くなっているということであり、冷却ファンの風量が低下していると判断することができる。

具体的には以下のようになる。ヒートシンク１の熱抵抗をＲ（℃／Ｗ）、スイッチング素子の素子損失をＰ（Ｗ）、周囲温度をＴ₀（℃）とすると、
ヒートシンク１の温度Ｔ（℃）は、
Ｔ（℃）＝Ｒ（℃／Ｗ）×Ｐ（Ｗ）＋Ｔ₀（℃）・・・（１）
で表わされる。

電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときの素子損失を（Ｐｘ），（Ｐｙ）と表わすことができ、ヒートシンク１の温度が一定になるまでの時間である熱時定数（ｔ_R）は短時間なので周囲温度Ｔ₀は一定であるとすることができるから、出力電流が（Ｉｘ）と（Ｉｙ）であるときのヒートシンク１の温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）を求めると、（Ｔｘ），（Ｔｙ）は（１）式から以下のように表わすことができる。
Ｔｘ＝（Ｒ×Ｐｘ）＋Ｔ₀・・・（２）
Ｔｙ＝（Ｒ×Ｐｙ）＋Ｔ₀・・・（３）
前記（２）式と（３）式とからＴ₀を消去すると、
Ｔｘ−（Ｒ×Ｐｘ）＝Ｔｙ−（Ｒ×Ｐｙ）
Ｔｘ−Ｔｙ＝（Ｒ×Ｐｘ）−（Ｒ×Ｐｙ）
＝Ｒ×（Ｐｘ−Ｐｙ）
∴Ｒ＝（Ｔｘ−Ｔｙ）／（Ｐｘ−Ｐｙ）・・・（４）
（４）式に（Ｔｘ），（Ｔｙ），（Ｐｘ），（Ｐｙ）の値を代入すると、ヒートシンクの熱抵抗Ｒを求めることができる。このようにして求めたヒートシンクの熱抵抗Ｒが、正常時の熱抵抗Ｒよりも大きい場合は、「冷却ファンの風量が低下している」と判断されることになる。

前記のような冷却ファンの監視方法を用いた前記冷却ファンの監視装置により、「冷却ファンの風量が低下している」と判断された場合は、インバータの運転が停止され、かつ視覚的あるいは聴覚的に知らせるため警報手段に指令信号が出される。
（ｂ）実施の形態２
次に、冷却ファンの監視方法および冷却ファンの監視装置の実施の形態２について説明する。実施の形態２の冷却ファンの監視装置は、実施の形態１の図２に示す構成に加えて、冷却ファンにより外部から吸気される吸気口に、前記外気の温度（Ｔ₀）をアナログ的に検出する温度センサとして図示しない第２温度センサが取り付けられている。

次に、冷却ファンの監視方法を説明する。前記（１）式から、ヒートシンク１の温度Ｔ（℃）は、
Ｔ＝（Ｒ×Ｐ）＋Ｔ₀
で表わすことができる。この式を変形すると、
（Ｒ×Ｐ）＝Ｔ−Ｔ₀
∴Ｒ＝（Ｔ−Ｔ₀）／Ｐ・・・（５）
（５）式の（Ｔ），（Ｔ₀），（Ｐ）に、第１温度センサ３により検出した現在の温度と、第２温度センサにより検出した現在の温度と、その温度での現在の素子損失とを代入すると、ヒートシンクの現在の熱抵抗Ｒを求めることができる。このヒートシンクの現在の熱抵抗Ｒが、正常時の熱抵抗Ｒよりも大きい場合は、「冷却ファンの風量が低下している」と判断されることになる。

実施の形態２においても実施の形態１と同様であり、前記のような冷却ファンの監視方法を用いた前記冷却ファンの監視装置により、「冷却ファンの風量が低下している」と判断された場合は、インバータの運転が停止され、かつ視覚的あるいは聴覚的に知らせるため警報手段に指令信号が出される。

実施の形態１では電流として（Ｉｘ），（Ｉｙ）の異なる２種類の電流を流すことによりヒートシンクの熱抵抗Ｒを算出したが、実施の形態２では１種類の電流を流すだけでヒートシンクの熱抵抗Ｒを算出することができる。但し、実施の形態２では、実施の形態１に加えて第２温度センサが必要になる。

（ａ）は電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）であるときの時間と温度との関係を示すグラフ、（ｂ）は電流が（Ｉｘ），（Ｉｙ）を流したときの時間と電流との関係を示すグラフ（実施の形態１）。 ヒートシンクの上面にインバータを構成するパワーモジュールを取り付けた斜視図（実施の形態１）。

符号の説明

１…ヒートシンク
２…パワーモジュール
３…第１温度センサ

Claims (4)

1. 電流を（Ｉｘ），（Ｉｙ）としたときのヒートシンクの温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）を夫々検出し、電流を（Ｉｘ），（Ｉｙ）としたときの前記ヒートシンク上のスイッチング素子の素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）を求め、
   ヒートシンクの温度（Ｔ）と、素子損失（Ｐ）と、ヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と、ヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とからなる関係式に、前記温度（Ｔｘ），（Ｔｙ）と前記素子損失（Ｐｘ），（Ｐｙ）とを代入して２つの連立方程式を立て、これらの２つの連立方程式を解いて現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、
   該熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較し、該現在の熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断することを特徴とする冷却ファンの監視方法。
2. 請求項１に記載の冷却ファンの監視方法を用いたことを特徴とする冷却ファンの監視装置。
3. 請求項１に記載の関係式に、現在のヒートシンクの温度（Ｔ）と、現在の素子損失（Ｐ）と、現在のヒートシンクの周囲温度（Ｔ₀）とを代入して現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を求め、
   該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）を冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）と比較し、該現在のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）が冷却ファンの正常時のヒートシンクの熱抵抗（Ｒ）よりも大きい場合に、冷却ファンの風量が低下していると判断することを特徴とする冷却ファンの監視方法。
4. 請求項３に記載の冷却ファンの監視方法を用いたことを特徴とする冷却ファンの監視装置。

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