JP2018078139A - 電子機器の冷却システム、及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることが可能な電子機器の冷却システム、及び冷却装置を提供する。【解決手段】電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、第一の送風機と第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、冷却風が第一の送風機と第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却システムにおいて、電子機器の発熱によって温度上昇した冷却風の排風温度を温度センサーで検知し、検知した排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器内部の温度を安定して制御を行う電子機器の冷却システム、及びその冷却装置に関する。

地上波デジタルテレビ送信機等の電子機器は、各家庭に電波を送信する際に必要な大電力を得るために、複数の半導体を搭載した電力増幅器（Power Amplifiers）（以下、ＰＡという）を複数合成するよう構成されている。

近年では、２４時間放送や自然災害による緊急速報を提供するために、地デジ送信機等の放送機器は万全の信頼性を要求されている。送信機自体は、運用機と待機機の２台構成とし、また、各機器内にＰＡ台数を増加させるなどして、万が一でも放送を停止することのない手法を取り入れて運用されている。

また、国内の地デジ送信機では、ＯＦＤＭ変調方式で出力１００Ｗ〜３ｋＷの電力が必要で、大電力になるほど発熱量も増加することになるが、近年では、送信回路の工夫や半導体の性能向上によって半導体自体の発熱量も低下していることから、地デジ送信機の冷却装置は、保守性などの点から、水冷方式から空冷方式に移行している。しかし、空冷方式の冷却装置では、機器内部に冷却風を送るための送風機が必要であり、長期間使用の面で信頼性の向上が大きな課題となっている。そのため、空冷方式の冷却装置は、機器内に冷却系を２組装着して二重化を図り、運用中に冷却系の切り替えや冷却系の保守交換が可能な構造が要求されている。

そこで、従来の空冷方式の冷却装置では、現用と予備用の送風機２台を装着することで、送風機が故障した場合に備えて電子機器の冗長性を高めている。万一、一方の送風機が故障した場合、他方の送風機に切り替えて、他方の送風機の稼働を開始する。
この従来技術について、図３を用いて詳しく説明する。図３は、従来の電子機器の冷却装置の構成の一例を示す斜視図である。
図３に示すように、多段積された電子機器１００群の内部を冷却するための冷却風は、２台の送風機５０または６０のうちいずれか一方の送風機から外気を吸い込み、２台の送風機５０または６０の送風流路を切り換える機械的な切換機４０を経て、分岐ダクト２０から多段積された電子機器１００群のそれぞれに流入し、電子機器１００群を冷却した後、合流ダクト３０から外部に排気される。

しかし、長期間の使用に対して送風流路を切り換える機械的切換機４０の信頼性が低下したり、また、流路の切り換えによって冷却気流の流れのパターンが変わるので、どちらの送風機５０または６０を使っても電子機器１００群に対して同じ様な流れにならず、電子機器１００群の温度を同じようにすることが困難であった。

現用と予備用の送風機を切り替えても冷却気流の流れのパターンが変わらない方式として、特許文献１（実開平０２−１３６３８９号公報）の第１図に示されるように、例えば、電子機器（電子回路の搭載されたパッケージ）の冷却流路の流入口側と流出口側とに、それぞれ送風機を現用機用と予備機用として配置する方式が提案されている。しかし、流出口側に配置された送風機は、電子機器群の発熱によって温められた温排風が常に流れるので、流入口側に配置された送風機に比べて動作温度が高くなり、流出口側に配置された送風機の寿命に対する信頼性は低下してしまうという問題点がある。

これに対して、特許文献２（特公平０８−０２４２２３号公報）（図１参照）では、上記課題を解決する方式として、現用と予備用の送風機がそれぞれ電子機器の流入口側および流出口側に２個ずつ並べて配置され、冷却風の流れが直列となる方式が提案されている。

実開平０２−１３６３８９号公報 特公平０８−０２４２２３号公報

しかしながら、上記した特許文献２の強制空冷システムのように、現用と予備用の送風機がそれぞれ電子機器の流入口側および流出口側に２個ずつ並べて配置され、冷却風の流れが直列となる方式では、冷却気流の流れのパターンが変わらず、また、流出口側に配置された送風機が電子機器群から排気される高温風に晒されることは無くなるが、以下のような問題点が新たに発生する。

送風機の故障原因にはいろいろなパターンが有る。例えば、モータ巻線が断線し、モータが回転動作できなくなり、送風機の羽根車が空回りするだけの場合、或は、モータの軸受けが故障し、送風機の羽根車が回転しなくなる、いわゆるロック状態に陥る場合などがある。このように、送風機の羽根車がロックすれば、羽根車が空回りした場合に比べ、羽根車を通過する際の通風抵抗が３倍から４倍と大きく変わってしまう。
したがって、現用と予備用の送風機の内、故障した送風機を切り換えた場合、どちらの送風機が動作中、或は非動作中にしても、常に冷却風がすべての送風機の内部を流れるので、冷却風が羽根車を通過する際、上記した故障のパターンによっては、通風抵抗が変わり、稼働中の送風機の冷却送風量が大きく変動してしまう。これにより、電子機器内部での温度が変わってしまうという問題が発生する。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、本発明の第１の目的は、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることが可能な電子機器の冷却システム、及び冷却装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることが可能な電子機器の冷却システム、及び冷却装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の電子機器の冷却システムは、電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、前記冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、前記上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、前記第一の送風機と前記第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、前記冷却風が前記第一の送風機と前記第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却システムにおいて、前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする。
本発明によって、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の電子機器の冷却システムは、上記した電子機器の冷却システムにおいて、前記非通電状態の送風機を前記上流ダクトから保守交換のために挿抜する最中でも、常に前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を前記温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする。
本発明によって、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、また、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の電子機器の冷却装置は、電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、前記冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、前記上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、前記第一の送風機と前記第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、前記冷却風が前記第一の送風機と前記第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却装置において、前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を前記電子機器の排気ダクト内に設置した温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする。
本発明によって、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明の電子機器の冷却装置は、上記した電子機器の冷却装置において、前記第一の送風機と前記第二の送風機の内、故障した送風機を保守交換する場合、動作中の送風機で前記電子機器を冷却中であっても、前記故障した送風機を保守交換するため、前記故障した送風機を前記上流ダクトから挿抜する際の移動に合わせて開閉できるバネ仕掛けの扉を設け、前記故障した送風機を保守交換する最中に、前記バネ仕掛けの扉の開閉によって冷却風が漏れて前記電子機器の冷却送風量が変動しても、前記電子機器の排風温度を常に前記温度センサーで検知して、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように前記動作中の送風機の回転数を常時制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする。
本発明によって、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、また、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

本発明によれば、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、また、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態１および２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の動作をシミュレーションした結果を示す図である。 従来の電子機器の冷却装置の構成の一例を示す斜視図である。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置について詳細に説明する。
本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システムは、電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、第一の送風機と第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、冷却風が第一の送風機と第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却システムにおいて、電子機器の発熱によって温度上昇した冷却風の排風温度を温度センサーで検知し、検知した排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、電子機器内部を適正な温度範囲に収めることを特徴とし、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができるものである。

［電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成および作用］
本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成および作用について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成の一例を示す断面図である。なお、図１において、白抜きの矢印は、冷却風の流れを示している。
本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置では、図１に示すように、多段積された電子機器１−１，１−２，１−３，１−４（電子機器１−１，１−２，１−３，１−４を総称する場合、電子機器１という）の冷却風流入側に分岐ダクト２と冷却風流出側に合流ダクト３が取り付けられ、分岐ダクト２の上流に上流ダクト４が繋がり、上流ダクト４内に第１の送風機５と第２の送風機６が直列状に配置されている。なお、図１では、電子機器１が４台多段積された構成としているが、電子機器１は少なくとも１台以上搭載されていればよい。

電子機器１は、内部に電子回路１１が組み込まれ、電子回路１１の冷却用の冷却フィン１２および１３が電子回路１１の裏面に装着され、そして、電子回路１１を冷却する冷却風は、流れ２１の矢印で示すように、分岐ダクト２からそれぞれ電子機器１内部に入り、電子回路１１を冷却フィン１２および１３で冷却し、流れ３１の矢印で示すように、合流ダクト３に排出される。

電子機器１群を冷却する冷却風は、第１の送風機５または第２の送風機６のどちらを稼働させても、上流ダクト４の入気口からエアフィルター７を介して吸気８ａが第１の送風機５内に取り込まれ、第１の送風機５の内部を通過後に、もう一方の第２の送風機６の内部を通り、分岐ダクト３、電子機器１群の内部、合流ダクト３を流れ、排気ダクト９の役目も果たす合流ダクト３の排気口から排気８ｂとなって外部に流れ出る。

そして、合流ダクト３の下流で排気ダクト９の役目を果たす区間に温度センサー１０が設置されており、電子機器１群の発熱により温度上昇した排気風の温度が温度センサー１０で検知される。温度センサー１０での温度検知値は、信号線１４によって制御器1５に送られ、制御器1５内で温度センサー１０からの検知データを取り込んで演算処理を行い、排気温度が規定の温度に収まるように、どちらか稼働中の第１の送風機５、或は第２の送風機６の回転数を制御演算して求め、どちらか稼働中の第１の送風機５、或は第２の送風機６に回転数信号が信号ケーブル１６，１７によって送出される。

上記のように構成されていれば、第１の送風機５と第２の送風機６のどちらか一方が故障して通風路の圧力損出が変化しても、温度センサー１０が電子機器１群の発熱により温度上昇した排気風の温度を確実に検知できるので、排気風の温度が規定の温度より高ければ、稼働中の送風機の回転数を高めて送風量を増加させることで、排風温度を規定の温度に安定させることができる。即ち、電子機器１の内部の温度を安定した温度レベルに保つことができる。なお、電子機器１には多数の半導体が実装されているので、半導体の温度を検知するセンサーが装着されている。しかし、これらの多数の半導体の温度センサーから温度情報を収集してデータ処理するより、排気温度を１つの温度センサーで処理できれば、生産上大きなメリットがあり、また、温度センサーが増えるほど、温度センサー故障による信頼性が低下してしまう。したがって、排気温度センサーを信頼性の高いもの１つを使う方がメリットがある。
本実施例では、温度センサー１０として、温度センサー筒の内部に長期劣化が無い白金センサーが二個入っているものを使用し、２つの温度検知値を常時監視し、２つの温度検知値に規定温度差が生ずれば、センサー故障の警報が出るシステムを採用している。

つまり、本実施例では、電子機器から排出される排気風の温度を温度センサーで検知し、検知した排風温度が規定の温度を超えないように、稼働中の送風機の回転数を常時制御することで、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保つことができる。
例えば、冷却流体の流入温度が外気条件によって大小変動があった場合でも、流入流体温度が低ければ、送風機の回転数を低く抑え、逆に流入流体温度が高ければ、送風機の回転数を大きくすることで、電子機器内部の温度を常に安定な温度レベル内に収めることができる。

また、第１の送風機と第２の送風機の送風能力にばらつきがあった場合でも、また、第１の送風機と第２の送風機のどちらか一方が故障し、その故障パターンが異なり、流体抵抗が変動した場合でも、また、送風機の流入口に外気導入ダクトを取り付けたり、流出口に空調機近傍に排風を導く排気ダクト等を取り付けたりして、送風機に対する圧力損失が変わった場合でも、稼働中の送風機の回転数を可変制御し、電子機器への冷却風量を適正化して電子機器内部の温度を常に規定の温度以内に収めることができる。

上述したように、本発明の実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置によれば、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

＜実施形態２＞
以下、本発明の実施形態２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置について詳細に説明する。
本発明の実施形態２に係る電子機器の冷却システムは、実施形態１に係る電子機器の冷却システムにおいて、非通電状態の送風機を上流ダクトから保守交換のために挿抜する最中でも、常に電子機器の発熱によって温度上昇した冷却風の排風温度を温度センサーで検知し、検知した排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とし、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、また、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができるものである。

［電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成および作用］
本発明の実施形態２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の構成および作用について、詳細に説明する。
本発明の実施形態２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置は、実施形態１に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置において、上流ダクト４内の第１の送風機５、或いは第２の送風機６の一方が万が一故障した場合、故障した送風機を上流ダクト４から抜き取り、その後、正常動作する送風機を装着するために、各送風機の装着位置に対面する上流ダクト４に保守口を設け、かつ、故障した送風機を上流ダクト４から挿抜する際の移動に合わせて開閉できるバネ仕掛けの扉が保守口に取り付けられ、保守交換作業中の上流ダクト４から冷却風の風漏れを最小限に抑えるようにする。
そして、送風機の保守交換作業中に電子機器１の冷却送風量が変動しても、電子機器１の排風温度を常に温度センサー１０で検知して、検知した排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を常時制御することにより、電子機器１内部の温度を適正な温度範囲に収めることができる。

上述したように、本発明の実施形態２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置によれば、電子機器の冷却システムの冗長性を確保しながら、電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、また、冷却用送風機の保守交換作業中でも電子機器内部の温度を常に安定温度レベルに保持することができ、電子機器の信頼性を高めることができる。

なお、上記した実施形態１および実施形態２の実施例では、送風機を特に特定せず説明したが、例えば、遠心ファン、或は軸流ファン、或はシロッコファンなどであってもよい。

次に、上記した実施形態１および実施形態２の実施例について、動作シミュレーションを実施したので、図２を用いてその結果を説明する。図２は、本発明の実施形態１および２に係る電子機器の冷却システム、及び冷却装置の動作をシミュレーションした結果を示す図である。

動作シミュレーション条件は、図１に示す電子機器１が各９００Ｗ、電子機器１群が総計３６００Ｗ発熱すると仮定し、排気温度が５０℃になるように送風機の回転制御を行い、電子機器１に搭載の電子回路１１内のＦＥＴ半導体のジャンクション温度と送風機の回転数と総送風量を求めたものである。
図２中の実線は、第１の送風機５、或は第２の送風機６のどちらか一方が稼働し、他の送風機が非通電状態で空回りしている正常動作時を示し、一方、点線は、第１の送風機５、或は第２の送風機６のどちらか一方が稼働し、他の送風機がファンロック状態で故障停止した最悪の状態を示したものである。

図２の動作シミュレーション結果から、たとえ送風機が故障して送風抵抗が大きくなっても、排気温度を一定に抑える様に、残された送風機で回転数を増加させれば、同じ外気温度の冷却風を正常動作時と同じだけの送風量が送れるので、電子回路１１内のＦＥＴ半導体のジャンクション温度は全く同じになることが分かる。ただし、送風機の回転数が可変できる最大、最少の範囲を越えたら、送風機の回転数は一定となるので、送風量一定条件の冷却となる。

なお、図２中の一点鎖線は、外気温度が上昇すれば、同じ上昇比率でＦＥＴ半導体のジャンクション温度は上昇する状態を示すが、送風機の回転数を排気温度が一定になるように制御を行えば、たとえ、外気温度が上昇しても、ＦＥＴ半導体のジャンクション温度が温度上昇する比率は、約三分の一程度まで下げることができる。

なお、上記したそれぞれの実施形態の構成及び動作は一実施例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実行することができることは言うまでもない。

本発明は、現用と予備用の送風機２台を装着することで、送風機が故障した場合に備えて電子機器の冷却性能の冗長性を高めた電子機器の冷却システムで利用される。

１，１−１，１−２，１−３，１−４：電子機器、２：分岐ダクト、３：合流ダクト、４：上流ダクト、５：第１の送風機、６：第２の送風機、７：エアフィルター、８ａ：吸気、８ｂ：排気、９：排気ダクト、１０：温度センサー、１１：電子回路、１２：冷却フィン、１３：冷却フィン、１４：信号線、１５：制御器、１６：信号ケーブル、１７：信号ケーブル、２０：分岐ダクト、２１：流れ、３０：合流ダクト、３１：流れ、４０：切換機、５０：送風機、６０：送風機、１００：電子機器。

Claims (4)

1. 電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、前記冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、前記上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、前記第一の送風機と前記第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、前記冷却風が前記第一の送風機と前記第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却システムにおいて、
   前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
2. 請求項１に記載の電子機器の冷却システムにおいて、
   前記非通電状態の送風機を前記上流ダクトから保守交換のために挿抜する最中でも、常に前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を前記温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
3. 電子機器の内部に流す冷却風の流入口側に、前記冷却風を導入する上流ダクトを繋ぎ、前記上流ダクト内に第一の送風機と第二の送風機を直列に配置し、前記第一の送風機と前記第二の送風機の何れか一方の送風機を通電状態にして送風動作させ、他方の送風機を非通電状態とし、前記冷却風が前記第一の送風機と前記第二の送風機の内部を直列状に流れる電子機器の冷却装置において、
   前記電子機器の発熱によって温度上昇した前記冷却風の排風温度を前記電子機器の排気ダクト内に設置した温度センサーで検知し、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように動作中の送風機の回転数を制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする電子機器の冷却装置。
4. 請求項３に記載の電子機器の冷却装置において、
   前記第一の送風機と前記第二の送風機の内、故障した送風機を保守交換する場合、動作中の送風機で前記電子機器を冷却中であっても、前記故障した送風機を保守交換するため、前記故障した送風機を前記上流ダクトから挿抜する際の移動に合わせて開閉できるバネ仕掛けの扉を設け、前記故障した送風機を保守交換する最中に、前記バネ仕掛けの扉の開閉によって冷却風が漏れて前記電子機器の冷却送風量が変動しても、前記電子機器の排風温度を常に前記温度センサーで検知して、検知した前記排風温度が規定の温度に収まるように前記動作中の送風機の回転数を常時制御することにより、前記電子機器内部の温度を適正な温度範囲に収めるようにしたことを特徴とする電子機器の冷却装置。