JP2015031667A - 冷却ファンの寿命検出装置及び寿命検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの寿命を検出する。【解決手段】発熱部品３近傍の温度を測する温度センサ５と、温度センサ５の測定値に基づいて発熱部品３を冷却する冷却ファン４の寿命を検出する制御部６と、を備える寿命検出装置１である。温度センサ５は、同一責務において使用される同一種類の発熱部品３に対する相対位置が同じとなるように各発熱部品３にそれぞれ設けられる。制御部６は、各温度センサ５の測定値に基づいて、各測定箇所Ａ〜Ｃ間の温度差を算出し、測定箇所Ａ〜Ｃ間のいずれかの温度差が予め定められた閾値を超えた場合に、測定温度が高い箇所の発熱部品３を冷却する冷却ファン４が寿命に達したと判断する。【選択図】図１

Description

本発明は、発熱部品を冷却する冷却ファンの寿命を検出する寿命検出装置及び寿命検出方法に関する。

図３に一般的な３相インバータ８の変換部の回路を示す。インバータ８は、スイッチング素子９とこのスイッチング素子９に逆並列に接続される還流ダイオード１０とにより構成される上アームＵ，Ｖ，Ｗ及び下アームＸ，Ｙ，Ｚにより構成される。なお、インバータ８の容量が大きくなるにつれ、それぞれのアームを並列構成にして電流容量を増やすことが行われる。インバータ８が動作するとき、各アームは、同じ電流・電圧責務であり、損失も同じとなる。各アーム（すなわち、スイッチング素子９や還流ダイオード１０）は、冷却のために図示していない冷却ファンにより冷却される。

冷却ファンに動作責務が累積されると、冷却ファンが劣化して故障に至る。例えば、冷却ファンの寿命は、軸受けに起因することが多い。軸受けは、主に回転数の累積により劣化し故障に至る。また、冷却ファンのモータを電子回路で制御しているものについては、電子回路のコンデンサ等が冷却ファンの寿命を決定する要因となる場合もある。コンデンサは、主に通電時間が長くなるにつれ容量が減少し劣化する。これは、通電電流の発熱による電解液のドライアップによるものである。

冷却ファンをはじめとする機器の寿命について、ワイブル分布を用いている例は多くある（例えば、特許文献１〜４）。例えば、回転機固定子の余寿命（特許文献２，３）や軸受けの余寿命（特許文献４）に関し、ワイブル分布を適用することは公知である。

つまり、同じ機器であっても寿命に至るまでの時間には、ある程度の確率分布がある。そこで、通常は、メーカが提示する寿命データに基づいて、運転時間を積算して冷却ファンの交換時期を判断し、冷却ファンの交換が行われている。

特開２００９−２１７７１８号公報 特開２００８−８９５５０号公報 特開平９−９３８７３号公報 特開２００８−１２８６８３号公報 特開２０１１−２５０６２２号公報

しかしながら、冷却ファンの寿命を運転時間に基づいて把握する場合、実際はまだ使用できる冷却ファンを交換する場合が少なくない。

また、冷却ファンの寿命判定値に到達する前に、冷却ファンが故障してしまった場合、被冷却装置の運転を緊急に停止させる等の措置が必要となるおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、寿命に達した冷却ファンを検出することに貢献する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の冷却ファンの寿命検出装置の一態様は、同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置に設けられ、前記冷却ファンの寿命を検出する冷却ファンの寿命検出装置であって、前記発熱部品に各々設けられ、該発熱部品の温度を測定する温度センサと、前記温度センサから選択された２つの温度センサの測定値の差を算出し、算出された値が予め定められた閾値を超えた場合に、前記選択された２つの温度センサのうち高い温度を測定した温度センサが設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定する制御部と、を有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の冷却ファンの寿命検出装置の他の態様は、同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置に設けられ、前記冷却ファンの寿命を検出する冷却ファンの寿命検出装置であって、前記発熱部品に各々設けられ、該発熱部品の温度を測定する熱電対と、前記熱電対から選択された２つの熱電対のうち一方の熱電対と、前記選択された２つの熱電対のうちの他方の熱電対とを、出力電圧の極性を逆にして直列に接続し、直列に接続された２つの熱電対の両端の出力電圧の出力が予め定められた閾値を超えた場合に、前記２つの熱電対のうち高い温度を測定した熱電対が設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定する制御部と、を有することを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の冷却ファンの寿命検出方法は、同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置の冷却ファンの寿命検出方法であって、前記発熱部品のそれぞれに設けられる温度センサから選択された２つの温度センサの測定値の差を算出し、算出された値が予め定められた閾値を超えた場合に、前記選択された２つの温度センサのうち高い温度を測定した温度センサが設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定することを特徴としている。

以上の発明によれば、寿命を向かえた冷却ファンを検出すること貢献することができる。

本発明の第１実施形態に係る寿命検出装置の概略図である。 本発明の第２実施形態に係る寿命検出装置の温度測定方法を説明する説明図である。 インバータの変換部の回路図である。

本発明の実施形態に係る冷却ファンの寿命検出装置及び冷却ファンの寿命検出方法について、図を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る寿命検出装置１は、３つの変換器２を並列に接続して構成される１アーム（例えば、Ｕ相）に設けられる。そして、各変換器２の発熱部品３を冷却する冷却ファン４の寿命を検出する。

寿命検出装置１は、発熱部品３近傍の温度を測定する温度センサ５と、温度センサ５の測定値が入力され冷却ファン４の寿命を検出する制御部６と、を備える。

発熱部品３は、例えば、インバータのアームを構成されるスイッチング素子等、同一責務において使用される同一種類（例えば、構造や特性が同じ）ものから選択される。換言すると、発熱部品３は、複数の冷却ファン４により各々冷却される部品であって、動作時における発熱特性が同じ部品である。

温度センサ５は、発熱部品３近傍に設けられ、発熱部品３近傍の温度を測定する。温度センサ５は、例えば、発熱部品３に対する相対位置が同じとなるように各発熱部品３にそれぞれ設けられる。温度センサ５の測定値は、制御部６に送信される。温度センサ５として、例えば、サーミスタや熱電対が用いられる。

制御部６は、各温度センサ５からの測定値が入力される。制御部６では、各温度センサ５の測定値に基づいて、各測定箇所Ａ〜Ｃ間の温度差を算出する。そして、測定箇所Ａ〜Ｃ間のいずれかの温度差が予め定められた閾値を超えた場合に、測定温度が高い箇所の発熱部品３を冷却する冷却ファン４が寿命に達した（若しくは、冷却ファン４に異常が発生した）と判断する。

具体的に説明すると、測定箇所Ａの温度をＴａ、測定箇所Ｂの温度をＴｂ、測定箇所Ｃの温度をＴｃとすると、制御部６は、ΔＴａｂ（ΔＴａｂ＝Ｔａ−Ｔｂ）、ΔＴｂｃ（ΔＴｂｃ＝Ｔｂ−Ｔｃ）、ΔＴｃａ（ΔＴｃａ＝Ｔｃ−Ｔａ）を演算する。

各発熱部品３の損失責務は同じであるので、冷却ファン４の冷却能力が同じであれば、発熱部品３からの相対距離及び冷却ファン４からの相対距離が同じ測定箇所Ａ，Ｂ，Ｃで測定された温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは同じ温度となる。したがって、ΔＴａｂ、ΔＴｂｃ、ΔＴｃａの絶対値が予め定めた閾値（ΔＴ）より下回った場合は、制御部６は、各冷却ファン４の冷却能力が正常であると判定する。

一方、ΔＴａｂ、ΔＴｂｃ、ΔＴｃａの絶対値のいずれかが予め定めた閾値（ΔＴ）より上回った場合は、冷却ファン４が寿命に達した旨の情報（警報音、ランプ表示等）を出力する。このとき、ΔＴａｂ、ΔＴｂｃ、ΔＴｃａの正負により、どちらの測定箇所の冷却ファン４が寿命に達したかを判断することができる。例えば、｜ΔＴａｂ｜＞ΔＴとなった場合に、ΔＴａｂ＞０であれば、Ｔａ＞Ｔｂであるので、測定箇所Ａを冷却している冷却ファン４が寿命に達したと判断することができる。

なお、ΔＴａｂ、ΔＴｂｃ、ΔＴｃａの絶対値が閾値（ΔＴ）と等しい場合は、正常と判定しても寿命に達したと判定してもよい。したがって、本発明の説明において、閾値より下回るとは、閾値を含む場合と閾値を含まない場合のいずれかを意味するものであり、閾値を上回るとは、閾値を含む場合と閾値を含まない場合のいずれかを意味するものである。

以上のような実施形態１に係る寿命検出装置１によれば、冷却ファン４の寿命を検出することができるので、冷却ファン４を適切な寿命で使用することができる。また、冷却ファン４（冷却ファン４のファンモータ等）の性能低下を検出することができるので、発熱部品３の過度の温度上昇による緊急停止を避けることができる。

また、同一種類の発熱部品３同士を比較し、この発熱部品３間の温度の変化量で冷却ファン４の寿命を判断するため、季節や環境に関係なく冷却ファン４の寿命を検出することができる。また、１回の判定で２つの冷却ファン４（比較した発熱部品３を冷却する冷却ファン４）の寿命の検出ができるので、冷却ファン４の寿命検出制御が単純化される。

概して、冷却ファン４の寿命は、ファンモータのベアリングのグリースの劣化が支配的であり、劣化が進むにつれファンモータの回転が落ち、冷却風（図１中矢印で示す）量が減少する。つまり、冷却ファン４の劣化が進行すると、発熱部品３の温度が上昇することとなる。並列接続された変換器２の負荷変動は同じであるため、冷却ファン４の冷却条件や周囲温度の変動条件も同じであれば、測定箇所Ａ〜Ｃも同じような温度変化を示す。よって、各発熱部品３（変換器２）の温度を比較して、他の発熱部品３よりも温度が上昇している発熱部品３があれば、この発熱部品３を冷却する冷却ファン４が寿命に達している若しくは異常が発生したことを検出することができる。

なお、すべての冷却ファン４が同時に寿命を迎えた場合には、測定箇所Ａ〜Ｃは、同じ温度変化となり、制御部６は冷却ファン４の寿命を検出できないこととなるが、一般的に、時間に対する劣化現象や寿命の発生は、ワイブル分布に示されるような一定の確率分布を有し、すべての冷却ファン４が同時に寿命を迎えることは現実的には起こり得ない。

また、同じ種類の発熱部品３を同一責務で動作させた場合、各測定箇所Ａ，Ｂ，Ｃでの測定温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは同じ温度となるが、実際には、変換器２の配置により測定温度Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃは異なる場合が多い。例えば、図１の例では、中央に設けられた変換器２の測定箇所Ｂでは、他の測定箇所Ａ，Ｃより放熱性が劣るので、測定温度Ｔｂは、測定温度Ｔａ，Ｔｃより高くなることが考えられる。よって、実際に寿命検出装置１を用いる場合には、予め測定箇所Ａ，Ｂ，Ｃの温度差を測定し、寿命検出時には、予め測定された温度差を考慮して寿命判定を行う。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る寿命検出装置７は、第１実施形態に係る寿命検出装置１の温度センサ５として熱電対５ａを用い、比較となる２つの測定箇所の温度を検出する熱電対の出力電圧の極性を逆にして直列に接続する点が第１実施形態に係る寿命検出装置１と異なる。よって、寿命検出装置１と同じ部分については同じ符号を付して説明する。

図２は、第２実施形態に係る寿命検出装置７の温度測定部分（測定箇所Ａ及び測定箇所Ｂ部分）の拡大図である。

寿命検出装置７は、発熱部品３近傍の温度を測定する熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ（熱電対５ｃは図示省略）と、熱電対５ａ，５ｂ，５ｃの測定値に基づいて冷却ファン４の寿命を検出する制御部６と、を備える。

図２に示すように、測定箇所Ａの温度を計測する熱電対５ａと、測定箇所Ｂの温度を計測する熱電対５ｂは、出力電圧の極性が逆になるように直列に接続される。具体的に説明すると、熱電対５ａの−極と、熱電対５ｂの−極とを接続し、熱電対５ａの＋極と熱電対５ｂの＋極との間の出力（ΔＶａｂ）が制御部６に送信される。なお、熱電対５ａの＋極と、熱電対５ｂの＋極とを接続する形態としてもよい。

熱電対５ａ，５ｂの出力は直流であり、熱電対５ａ，５ｂの熱起電力は温度に比例するので、Ｔａ＝ＴｂならばΔＶａｂ＝０となる。また、測定箇所Ｂの温度が測定箇所Ａの温度より高いとき（Ｔａ＜Ｔｂ）、熱電対５ｂの起電力が大きくなりΔＶａｂ＞０となる。一方、測定箇所Ａの温度が測定箇所Ｂの温度より高いとき（Ｔａ＞Ｔｂ）、熱電対５ａの起電力が大きくなりΔＶａｂ＜０となる。

すなわち、制御部６では、出力電圧の極性が逆になるように接続された１対の熱電対５ａ，５ｂ間の出力ΔＶａｂの絶対値が予め定められた閾値ΔＶより大きくなったときに、測定箇所Ａを冷却する冷却ファン４若しくは測定箇所Ｂを冷却する冷却ファン４のいずれかが寿命に達したことを検出する。そして、１対の熱電対５ａ，５ｂ間の出力ΔＶａｂの符合に基づいて、測定箇所Ａを冷却する冷却ファン４若しくは測定箇所Ｂを冷却する冷却ファン４のどちらが寿命を迎えたかを検出する。

以上のような実施形態２に係る寿命検出装置７によれば、出力電圧の極性が逆になるように接続された１対の熱電対５ａ，５ｂの出力電圧に基づいて、測定箇所Ａ及び測定箇所Ｂを冷却する冷却ファン４の寿命を判定することができる。つまり、測定箇所Ａ及び測定箇所Ｂでの測定値の差を算出することなく、冷却ファン４の寿命を判定することができる。よって、実施形態１に係る寿命検出装置１の奏する効果に加えて、測定箇所の温度差を演算する処理が不要となるので、検出制御が簡略化され、装置構成も簡略化される。

なお、測定箇所が偶数箇所の場合、２箇所の測定箇所に設けられた熱電対を出力電圧の極性が逆になるように接続することで、冷却ファン４の寿命を検出することができる。測定箇所が奇数箇所の場合、任意の測定箇所１個所は、重複して熱電対を設け、測定箇所が偶数箇所となるようにすることで、冷却ファン４の寿命を検出することができる。

以上、本発明の冷却ファンの寿命検出装置及び寿命検出方法について、具体例を示して詳細に説明したが、本発明の冷却ファンの寿命検出装置及び寿命検出方法は、上述した実施形態に限らず、本発明の特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、そのように変更された形態も本発明に技術的範囲に属する。

例えば、実施形態では、１アーム（例えば、Ｕ相）３並列の構成において、１アームを構成する各変換器２を冷却する冷却ファン４の寿命の検出を行っているが、寿命検出対象は、同じ発熱特性を有する部品を冷却するものであれば冷却対象となる回路構成（発熱部品の数及び冷却ファンの数）は、任意に設定することができる。よって、図３に示すような各アームＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚに１つのスイッチング素子９が設けられた変換回路において、各アームＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれ冷却する冷却ファンの寿命判定を行うこともできる。

また、温度センサ５（または、熱電対５ａ，５ｂ，５ｃ）として、各変換器２に設けられる温度保護センサを流用することで、装置構成をより単純にすることができる。

１，７…寿命検出装置
２…変換器
３…発熱部品（スイッチング素子、還流ダイオード）
４…冷却ファン
５…温度センサ
５ａ，５ｂ…熱電対
６…制御部
８…インバータ
９…スイッチング素子
１０…還流ダイオード

Claims (5)

1. 同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置に設けられ、前記冷却ファンの寿命を検出する冷却ファンの寿命検出装置であって、
   前記発熱部品に各々設けられ、該発熱部品の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサから選択された２つの温度センサの測定値の差を算出し、算出された値が予め定められた閾値を超えた場合に、前記選択された２つの温度センサのうち高い温度を測定した温度センサが設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定する制御部と、を有する
   ことを特徴とする冷却ファンの寿命検出装置。
2. 前記算出された値の正負に基づいて、前記選択された２つの温度センサのうちどちらの温度センサが高い温度を測定したかを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷却ファンの寿命検出装置。
3. 前記温度センサは、サーミスタ若しくは熱電対である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷却ファンの寿命検出装置。
4. 同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置に設けられ、前記冷却ファンの寿命を検出する冷却ファンの寿命検出装置であって、
   前記発熱部品に各々設けられ、該発熱部品の温度を測定する熱電対と、
   前記熱電対から選択された２つの熱電対のうち一方の熱電対と、前記選択された２つの熱電対のうちの他方の熱電対とを、出力電圧の極性を逆にして直列に接続し、直列に接続された２つの熱電対の両端の出力電圧の出力が予め定められた閾値を超えた場合に、前記２つの熱電対のうち高い温度を測定した熱電対が設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定する制御部と、を有する
   ことを特徴とする冷却ファンの寿命検出装置。
5. 同じ種類の複数の発熱部品にそれぞれ冷却ファンを設け、該冷却ファンにより前記発熱部品を冷却する装置の冷却ファンの寿命検出方法であって、
   前記発熱部品のそれぞれに設けられる温度センサから選択された２つの温度センサの測定値の差を算出し、
   算出された値が予め定められた閾値を超えた場合に、前記選択された２つの温度センサのうち高い温度を測定した温度センサが設けられた発熱部品を冷却する冷却ファンが寿命に達したと判定する
   ことを特徴とする冷却ファンの寿命検出方法。

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