JP3947553B1 - 電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板を実装した電子装置に対する炎暴露試験に耐えうる電子装置を提供する。
【解決手段】筐体の下部の複数の冷却ファンと、筐体の上部の複数の温度センサとの間に、複数の基板を垂直方向に配置した電子装置において、温度センサの一つが検知した２℃/３秒の温度変化で異常と判定し、ファン風量を増加させ、炎の両側の基板表面から熱エネルギーを外部に放出する。これによって、他の基板への延焼防止する。
【選択図】図５

Description

本発明は電子装置に係り、特に炎に暴露される環境試験に対しても、炎の拡大を防止する電子装置に関する。

火災からの安全確保や損害の低減のために、電子装置は難燃性の高い部品で構成されている。このため、電子装置が発火する虞はない。しかし、非特許文献１の米国規格は、電子装置の中に火を点火されたバーナー（着火源）を挿入し、外部からメタンガスを流して、プリント基板を炎に暴露する条件下でも、電子装置内部の延焼防止を求めている。この、炎暴露条件は、非特許文献２に記載があり、電子装置内部に垂直方向に保持されたプリント基板の高さ方向の寸法に依存するバーナーへの最大メタンガス供給量と、メタンガス供給プロファイルを定めている。

具体的なメタンガス供給プロファイルは、図８（ａ）に記載したように、まず、１ｌ/ｍｉｎの流量のメタンガスを流して点火されたバーナーを、電子装置下部のプリント基板間に挿入する（時刻０）。時刻１５秒から時刻１分２５秒にかけて線形に流量を増す。時刻１分２５秒で最大となった流量を、時刻４分３０秒で流量０ｌ/ｍｉｎとなるように線形に流量を減らす。このとき、流量の最小値は１ｌ/ｍｉｎを維持させ、時刻４分３０秒でメタンガスの供給を遮断する。すなわち、バーナーの両側のプリント基板およびプリント基板に実装された電子部品は、４分３０秒間炎に暴露される。また、バーナーの挿入箇所はプリント基板実装部の下部と決められているが、そのスロット位置は、試験官が任意に定める位置である。
特許文献４には、非特許文献１の規格を満足するため、装置上部に設けた金属製バッフルをブロワーで冷却する電子装置が記載されている。

電子装置は、冷却ファンを用いた強制空冷を行うのが一般的であり、冷却ファン速度制御が行なわれている。冷却ファン速度制御は、騒音低減のために通常はファンの低速回転を維持し、温度上昇をセンサで感知するとファン回転速度を上昇させて温度上昇を防ぐ技術である。冷却ファンは、装置内温度を一定の値以下に保つことが目的で、筐体上部に設けたセンサが検出した温度の絶対値と設定閾値とを比較してファン制御を行うのが、通例である。

特許文献１には、冷却ファンの適切な回転数による電子装置の冷却及び、安定稼動を実現するために、電子装置を内蔵する筐体の複数の箇所に、各箇所ごとに複数の温度センサを設け、該温度センサから得られる温度信号に基づいて、該電子装置の冷却ファンの回転数を制御する発明が記載されている。しかし、この技術では温度の絶対値からファンの回転数を決定するため、火炎の検知に利用した場合、温度センサの周囲温度が低い温度条件下で火炎が発生する等して、周囲温度が短時間で高温に達しない場合には、火炎発生の旨の検知判断が遅れるという難点がある。

また、特許文献２には、発光素子を利用した、被測温部品の異常高温に正しく対応した冷却制御を行うことができ、信頼性の高い電子機器の冷却方式が記載されている。しかし、この方式では温度を監視したい箇所全てにセンサを配置する必要があり、少ない温度センサで炎の発生を監視することは難しい。

特許文献３には、予め定めた温度に達成した温度になったとき、または単位時間当たりの上昇温度（実施例では１分間で２５℃）が予め定めた温度になったとき、火災として判定する火災報知器が記載されている。

特開平９-２５０４８９号公報 特開平８-６３２３７号公報 特開平７-０６５２６７号公報 米国特許第６９２７９７７号明細書 "NEBS Requirements: Physical Protection"、Telcordia Technologies、2002年４月、GR-63-CORE issue 2、Section 4.2.2.2 "Equipment Assemblies -- Fire Propagation Risk Assessment Criteria"、ANSI、T1.319-2002、pp13-14

本発明の目的は、非特許文献１に記載された過酷な環境試験に耐えうる電子装置を提供することにある。

上記課題は、筐体の下部に配置された複数の冷却ファンと、筐体の上部に配置された複数の温度センサと、冷却ファンと温度センサとの間に気流経路を確保するように配置された複数の電子基板とからなり、基板間に挿入された着火源からの熱を温度センサが温度変化として検出したとき、複数の冷却ファンの風速を増加させる電子装置により、達成できる。

また、筐体の下部に配置された複数の冷却ファンと、筐体の上部に配置された複数の温度センサと、冷却ファンと温度センサとの間に気流経路を確保するように配置された複数の電子基板とからなり、基板間に着火源が挿入されたとき、着火源の挿入から３０秒以内に、温度センサが着火源の挿入を検出し、複数の冷却ファンの風速を増加させることを特徴とする電子装置により、達成できる。

さらに、筐体の下部に配置された複数のファンと、筐体の上部に配置された複数の温度センサと、ファンと温度センサとの間に気流経路を確保するように配置された複数の電子基板とからなり、基板間の気流経路からの熱の変化を温度センサが所定の温度変化として検出すると、複数のファンの風速を増加させる電子装置により、達成できる。

本発明によれば、非特許文献１に記載された過酷な環境試験に耐えうる電子装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に付いて、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。ここで、図１は、電子装置の透視斜視図である。図２は、電子装置の透視側面図である。図３は、ファン制御を説明するブロック図である。図４は、メモリの内容を説明するブロック図である。図５は、異常判定に関するファンの回転数制御を説明するフローチャートである。図６は、絶対温度で異常判定した際の温度センサと筐体内空気温度の変化を説明する図である。図７は、温度変化による異常判定を説明する図である。図８は、着火後のメタンガス流量プロファイルとファン風速と筐体内空気温度を説明する図である。

図１（ａ）において、電子装置１００は、幅ａ（ｍ）×奥行きｂ（ｍ）×高さｃ（ｍ）の筐体５の内部に、下から順に、複数の冷却ファン４、複数の基板３、複数の温度センサ１を配置している。冷却ファン４は、ｘｙ面に平行に配置し、ｚ方向に空気を送風する。基板３は、ｙｚ面に平行に配置し、ファン４が送風する空気で冷却される。温度センサ１は、基板３の上部に配置され、排気空気の温度を監視する。冷却ファン４と温度センサ１は、筐体５上部のセル部５ａに設けられた温度制御基板２と接続され、温度センサ１の温度に依存して、冷却ファン４の風速が制御される。なお、冷却ファン４は、図１（ｂ）に示すように奥行き方向に２台のファン４１を有する。

基板３の実装ピッチは、１７.５〜２６ｍｍである。また、温度センサ１の設置ピッチ（ａ２）は、７０ｍｍである。すなわち、温度センサ１は、一つあたり３〜５枚の基板を監視する。

図２において、筐体５のフロントパネル５ｂの下部には、図示しない空気取り込み開口を有する。同様に、筐体５のリアパネル５ｃの上部には、図示しない空気排出開口を有する。したがって、筐体５内の気流は、空気取り込み開口→冷却ファン４→基板３間→温度センサ１→空気排出開口と矢印で示すように流れる。

なお、複数の基板３は、バックパネル６に設けたコネクタ７に、フロントパネル５ｂ側から、挿入することで実装されている。また、温度制御基板２は、セル部５ａに置かれているので、矢印で示す気流の流れ（すなわち熱の流れ）から、隔離された構造となっている。これは、ファン制御によって延焼を防ぐ電子装置において、温度制御基板が極めて重要だからである。

図３において、温度制御基板２は、バス２４に接続された中央演算装置（ＣＰＵ）２１と、メモリ（ＭＭ）２２と、インターフェース（Ｉ/Ｏ）２３と、Ａ/Ｄ変換器２５と、Ｄ/Ａ変換器２６とが実装されている。ｎ台の温度センサ１は、Ａ/Ｄ変換器２５と接続される。また、ｍ台のファン４１は、Ｄ/Ａ変換器２６と接続される。

図４において、メモリ２２には、制御プログラム２２１と、温度データ２２２と、規定値２２３とが書き込まれている。また、温度データ２２２は、温度センサ毎に、直近のデータ（現在データ）、前回データ、前々回データを含んでいる。さらに、規定値２２３は、温度差規定値（Ｔｄ）を含んでいる。なお、図４の規定値２２３には、炎暴露試験に関連する値のみを挙げ、通常運転に係る値は省いている。また、温度データは炎暴露試験期間分保持しても良い。

以下、図３と図４を参照して、炎暴露試験を前提とした動作を説明する。ＣＰＵ２１は、メモリ２２に記録された制御プログラムを実行し、１.６秒（１サイクル）ごとにｎ個の温度センサの値を温度データ２２２に取り込む。また、ＣＰＵ２１は、過去３点の温度履歴から、温度センサ１-１〜１-ｎの一つで、後述する条件を満たしたとき、異常と判定する。異常を判定したＣＰＵ２１は、全てのファン４１-１〜４１-ｍを高速運転（風速１.２〜１.７ｍ/ｓ）させる。ＣＰＵ２１は、Ｉ/Ｏ２３を介して、外部装置に温度異常通知を発行し、警報ランプを点灯させる。ＣＰＵ２１は、また、内部温度がさらに上昇したとき、各基板３に対し、電源断を指示する。

高速運転に遷移したとき、ＣＰＵ２１は、５サイクル（８秒）高速運転を維持し、過去３点の温度履歴から、温度センサ１-１〜１-ｎの全てで、後述する条件を満たしたとき、正常と判定する。正常と判断したとき、ＣＰＵ２１は、全てのファン４１を現在のセンサ温度に依存する低速運転（風速０.５〜０.８ｍ/ｓ）させる。なお、異常を検出する規定値等と判定アルゴリズムは、ファームウェアの変更により、容易に変更できる。

図５を用いて、異常判定に関するファンの回転数制御を説明する。電子装置が起動すると、ＣＰＵ２１は、全温度センサの温度データを収集し、メモリに書き込む。なお、ＣＰＵ２１は、この動作を１.６秒（１サイクル）ごとに、電子装置停止まで、継続実施する。

ここでは、温度データ収集が、３サイクル経過したとする。図５において、ＣＰＵ２１は、センサ毎に今回の測定温度と前々回の測定温度との差分が規定値Ｔｄ以上か判定する（Ｓ１１０）。全てのセンサでＮｏのとき、ステップ１５０に遷移する。ステップ１１０でＹｅｓのセンサがあったとき、ＣＰＵ２１は、対象センサについて前回の測定温度と前々回の測定温度との差分が０.０℃を超えているか判定する（Ｓ１２０）。Ｎｏならステップ１５０に遷移する。ステップ１２０がＹｅｓのとき、ＣＰＵ２１は、異常と判断し、全てのファンを高速回転に遷移させる（Ｓ１３０）。

ＣＰＵ２１は、ファンの高速回転を維持したまま、温度測定サイクルを５サイクル（８秒）繰り返し、ステップ１１０に戻る（Ｓ１４０）。ステップ１１０またはステップ１２０でＮｏのとき、ＣＰＵ２１は、各センサの平均測定温度に応じた速度にファン速度を低下させた後、ステップ１１０に戻る（Ｓ１５０）。

なお、発明者らは、規定値Ｔｄとして２.０℃を採用した。規定値Ｔｄは、不燃材料を用いた場合であり、他の材質のプリント基板のとき、さらに小さくする必要がある。また、ステップ１２０は省くことができる。なお、図１および図２に記載した温度制御基板２からの制御信号を受信できないとき、複数の冷却ファン４は自律的に、高速回転する。さらに、２サイクルの温度測定で異常を判定しても良い。

図６および図７を用いて、異常判定の違いによる温度上昇特性を説明する。
図６において、実線は、バーナー挿入部の近傍上部の温度センサが示す温度の値、２点鎖線は温度センサ周囲の空気温度である。ここで、空気温度は、実験的に熱電対で測定したものである。図６では、温度センサが一般的な定温式火災センサの感知温度である６５℃となったとき、異常とした。６５℃はまた、環境温度上限と、電子装置自身の発熱による温度上昇上限とから求めたものである。この条件で、異常を検知したのは、バーナーの挿入（着火）から、６２秒を経過している。一方、時定数の小さい熱電対が測定した筐体内を流れる空気温度は、既に９０℃となっている。異常検知により、全てのファンが高速回転を開始し、温度センサ周囲の空気温度は１００℃にとどまっている。

図７において、実線は、バーナー挿入部の近傍上部の温度センサが示す温度の値、破線は通常運転でもっとも温度上昇の大きい装置起動時の温度センサが示す温度の値である。なお、図７の実線は、図６の実線の原点付近近傍の拡大である。図７において、着火後１０秒の２８.５℃で異常を検知し、全てのファンが高速回転を開始する。この場合、図６を参照して、異常検知時の空気温度は６５℃未満にとどまっている。ここで、着火後３.２秒で異常を検知していないのは、温度測定サイクルとの時間ずれ（最大１.５秒）、バーナー挿入部と検出温度センサとの位置ずれ（最大３５ｍｍ）のためである。なお、３.２秒で２℃の温度上昇（０.６２５℃/秒）で異常を検出する着火からの時刻は、発明者等の４回の実験によれば、６秒、１０秒、５秒および３秒であり、いずれも非特許文献１に記載された環境試験を合格した。なお、３.２秒で２℃の温度上昇は、通常時もっとも温度変化が大きい装置起動からの温度上昇３.２秒で０.１℃の２０倍以上であり、誤動作の可能性は少ない。

上述したように、着火後１０秒程度で全てのファンを高速回転させることによって、熱エネルギーを電子装置の筐体外に排出することで、電子装置内部の延焼を防止することができる。なお、消火している訳ではないので、直接炎をあびる２枚の基板は当然焦げるが、発火に至らない。これを、図８を用いてさらに説明しよう。

図８において、（ａ）はバーナーに供給されるメタンガスのプロファイルであり、詳細は背景技術で説明した。（ｂ）は異常検出判定の違いによるファン風速の違いを説明する図である。（ｃ）はバーナー直上に熱電対を実験的に配置し、異常検出判定の違いによる気流の空気温度を説明する図である。

図８（ａ）で、上述した試験の熱量は、試験開始時、終了時に約０.６ｋＷ、ピークで約６.５ｋＷである。
また、図８（ｂ）は、センサ温度６５℃を異常検知温度とした場合と（破線）、センサ温度が３.２秒後に２℃以上上昇したとき異常とした場合と（実線）を対比して、ファン風速を示した図である。前者は、ファン風速が０.５〜０.８ｍ/ｓから、１.２〜１.７ｍ/ｓになるのに着火から６２秒を必要とし、その後ファン風速１.２〜１.７ｍ/ｓを維持している。後者は、着火から１０秒後にファン風速が増化し、増加された風速を維持している。

図８（ｃ）に点線で示したセンサ温度６５℃を異常検知温度とした場合、バーナー上部の空気温度は、１分以内にエポキシ基板の自己発火温度である５３０〜５４０℃を超える。この時点で、バーナーの両脇の基板は、基板材料のエポキシに着火している。このため、高速回転させたファンは空気を供給していることとなって、装置内の延焼が続く。一方、図８（ｂ）に実線で示したセンサ温度が３.２秒後に２℃以上上昇したとき異常とした場合、１０秒後にファンの風量が１.２〜１.７ｍ/ｓとなるので、バーナーの両脇の基板の吸熱を阻害する。この結果、バーナー上部の空気温度は、ピークでも概ね３５０℃であるとのデータから、バーナーの両脇の基板および部品に着火しても、自己発火に到らないと推定される。

図８（ｃ）の実線では、ピーク温度は着火後１分４５秒の３５０℃である。図８（ｃ）の実線のプロファイルの形状を維持したまま、縦軸上方に移動し、ピークを縦軸５３５℃の破線に接しさせたとき、移動した実線のプロファイルと破線のプロファイルは、着火後約４０秒、温度３５０℃で交差する。したがって、０次近似では、着火後４０秒以内にファンの風量を増加させれば、延焼は無いものと推定する。しかし、着火後１５秒からガス流量が増加していることを考慮すると、着火後３０秒が、ファン流量の増加のタイムリミットと、発明者等は判断した。
したがって、ファン流量の増加のタイムリミットは、好ましくは着火後３０秒、より好ましくは着火後１０秒である。

なお、上述した実施例で数値を挙げて説明した基板間隔、センサ間隔等は、基板の材質や搭載部品に応じて、別の値としても良い。通常運転時の風速および異常判定時の風速も、別の値としても良い。異常判定の閾値および判定のために何回前の温度データまで用いるかという誤判定防止のための保護回数は、ファームウェアにより、適宜変更可能である。

電子装置の透視斜視図である。 電子装置の透視側面図である。 ファン制御を説明するブロック図である。 メモリの内容を説明するブロック図である。 異常判定に関するファンの回転数制御を説明するフローチャートである。 絶対温度で異常判定した際の温度センサと筐体内空気温度の変化を説明する図である。 温度変化による異常判定を説明する図である。 着火後のメタンガス流量プロファイルとファン風速と筐体内空気温度を説明する図である。

符号の説明

１…温度センサ、２…温度制御基板、３…基板、４…冷却ファン、５…筐体、６…バックパネル、７…コネクタ、１００…電子装置。

Claims (9)

1. 筐体の下部に配置された複数の冷却ファンと、前記筐体の上部に配置された複数の温度センサと、前記冷却ファンと前記温度センサとの間に気流経路を確保するように配置された複数の電子基板とからなり、一定時間だけ筐体内に着火源を挿入する環境試験が課される電子装置であって、
   あらかじめ定められた時間間隔で個々の前記温度センサにより筐体内の温度を測定し、前記温度センサ毎に今回測定した温度と前回測定した温度を比較して、今回測定した温度が前回測定した温度よりもあらかじめ定められた値以上高い温度センサが１つ以上ある場合には、前記複数の冷却ファンの風速を増加させる制御部を有することを特徴とする電子装置。
2. 請求項１に記載の電子装置であって、
   前記制御部は、今回測定した温度が前回測定した温度よりもあらかじめ定められた値以上高い温度センサについて、さらに当該温度センサの前回測定した温度と前々回測定した温度を比較して差分が０℃より大きいか否かを調べ、差分が０℃より大きな前記温度センサが少なくとも１つある場合には、前記複数の冷却ファンの風速を増加させることを特徴とする電子装置。
3. 請求項２に記載の電子装置であって、
   前記冷却ファンの風速を、通常時０．５ｍ／ｓ〜０．８ｍ／ｓの範囲から１．２ｍ／ｓ〜１．７ｍ／ｓの範囲に増加することを特徴とする電子装置。
4. 請求項２に記載の電子装置であって、
   前記制御部は、前記冷却ファンの風速を増加させるとともに、各々の前記電子基板に電源を断つよう指示することを特徴とする電子装置。
5. 請求項１に記載の電子装置であって、
   前記あらかじめ定められた時間は１．６秒であり、前記あらかじめ定められた値は２．０℃であることを特徴とする電子装置。
6. 請求項４に記載の電子装置であって、
   前記制御部は、前記複数の冷却ファンの風速を数秒間増加させたままとした後、再び複数の前記温度センサにより筐体内の温度を測定し、当該測定結果に基づいて前記冷却ファンの風速の増加を維持するか否かを判断することを特徴とする電子装置。
7. 請求項２に記載の電子装置であって、
   着火源を筐体に挿入してから少なくとも１０秒以内には前記冷却ファンの風速を増加させることを特徴とする電子装置。
8. 請求項１に記載の電子装置であって、
   前記制御部は、前記気流経路から隔離された位置に設置されたことを特徴とする電子装置。
9. 請求項１に記載の電子装置であって、
   前記複数の冷却ファンの風速を増加させることで前記着火源の熱エネルギーを筐体外に排出し、筐体内部の延焼を防止することを特徴とする電子装置。

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