JP5072461B2 - 電子モジュールに通風する通風機器 - Google Patents

Description

本発明の対象は、電子モジュール又はモジュールに通風する通風機器である。通風機器はモジュールの構成部品を冷却し且つこのモジュールに含まれている固体粒子を追い出すように設計される。そうするために、通風機器は空気流の反転装置（インバータ）を有する。空気流の反転は循環的に行われる。本発明は様々な分野に適用することができる。例えば、システム、器具、装置、機械、設備及び施設に実装することができる。

現在では、様々なシステムに通風機器が設けられている。通風機器はシステムの電気構成部品又は電子構成部品を冷却するためにシステム内に流体の流れを導入する。この冷却により、このような構成部品における過大な温度により引き起こされる機能不良を防止する。

この種の通風機器は、それに限らないが、コンピュータの中央処理装置又は電子モジュール内に都合よく設置することができる。

通風機器は、電気エネルギを動力とする電動機を持つ。この電動機は電気エネルギを機械エネルギへ変換する。通風機器は、シャフトと該シャフトのハブに固定された複数の羽根とによって形成されたファンを持つ。電動機は、機械エネルギを供給することによってファンを回転させる。このファンの回転はファンを運動させて、中央処理装置又は電子モジュールの外側から中央処理装置又は電子モジュールの中へ強制的に空気を通して、電子及び電気構成部品を冷却する。

しかしながら、これらの通風機器には欠点がある。実際に、羽根によって吸い込まれ又は引き込まれる空気は塵埃のよな固体粒子を包含している。時間が経つにつれて、固体粒子は、電気及び電子構成部品上に、通風機器の羽根の上に、及び中央処理装置又は電子モジュールのあらゆる隠れた場所や隅部に蓄積する。これは通風機器の効率の低下をまねき、通風機器はもはや中央処理装置又は電子モジュールの構成部品を効率よく冷却することはできない。そこで、中央処理装置又は電子モジュールの構成部品は過度の熱を絶えず受けることになる。

前記構成部品上の固体粒子によるこの絶え間ない過度の熱は、これらの構成部品の故障を引き起こし、中央処理装置又は電子モジュールの機能不良を促進する。

構成部品の過度の熱はまた、熱絶縁体として作用し且つ構成部品の温度低下を妨げる固体粒子の層に起因する。この固体粒子の層はまた電気導体上に堆積して短絡を生じさせることもある。固体粒子の蓄積は中央処理装置又は電子モジュールの動作に擾乱を引き起こし、従って中央処理装置又は電子モジュールは塵埃、熱、冷たさ、及び電源装置の様々な問題に非常に敏感になる。これにより中央処理装置又は電子モジュールがより脆弱になり且つ信頼性が無くなることが分かる。その結果、機能不良が時を選ばずに起こり、もって機能を混乱させることがある。

その上、通風機器の機能不良は、ファン、羽根及び電動機上での固体粒子の蓄積により生じることがある。実際に、固体粒子は電動機の接点の作用を妨げ且つ回転によって注入されたグリースと混合する。現在の通風機器では、このような障害は検出されない。

通風機器がもはや構成部品冷却機能を行わないとき、中央処理装置又は電子モジュールが過熱されることがあり、或いは融解することさえもあると云う大きな危険性がある。従って、先ず、過剰な固体粒子が空気流を減少させるので通風機器の清浄度を管理し、またファンの羽根を効率よく動作させることが重要である。

このような固体粒子の蓄積を低減するため、一般に羽根の前に保護スクリーン又は空気フィルタが配置されている。保護スクリーンは、固体粒子が構成部品上に又は通風機器上に蓄積するのを防止するために羽根によって吸い込まれる空気を清浄化するように設計される。

しかしながら、この保護スクリーンは固体粒子の蓄積を解消するのではなく、単にこれらの固体粒子の蓄積を遅くするだけである。従って、各々の使用期間後に、保護スクリーンは、構成部品の冷却を持続させるために定期的に清掃しなければならない。スクリーンの定期的な保守整備は、特に中央処理装置又は電子モジュールに組み込まれた通風機器上の塵埃の蓄積を減らすために必要不可欠である。スクリーンと同様に、処理装置又は電子モジュールの全ての構成部品も定期的に清掃しなければならない。

この清掃を実施するためには、中央処理装置又は電子モジュールはオフに切り換えられて、電源から切り離される。清掃を行う前に、中央処理装置又は電子モジュールを分解して、全ての構成部品にアクセスできるようにし、また通風機器を取り外さなければならない。中央処理装置又は電子モジュールの清掃には、その固有の特徴のため、真の専門家が必要とされる。従って、中央処理装置又は電子モジュールは比較的長い保守整備時間の間、オフに切り換えられていることになり、従って生産性が低下する。

結果として、現在の通風技術は、中央処理装置又は電子モジュールについての保守整備の回数を減少させること、或いは中央処理装置又は電子モジュール内での固体粒子の蓄積を減少させることができない。

本発明は、上記の技術の欠点を克服することを目的とする。このために、本発明は、固体粒子の蓄積及び保守整備作業の回数を最小にすることを目的として、既存の通風機器の通風技術を修正することを提案する。

本発明は、一定の空気流を用いて中央処理装置の構成部品を循環的に冷却し、同時に固体粒子の蓄積を最小にするための通風技術を有利に使用するような、通風機器に対する新規な方式を提案する。このために、本発明は、中央処理装置の電源装置と通風機器の電動機との間に配置されたインバータを有する。このインバータは、構成部品を冷却するために空気の流れを吸い込み且つ中央処理装置内及び通風機器内に存在している固体粒子を追い出すために空気流を押し出すようにファンの回転方向を循環的に変更する。

より詳しく述べると、本発明の対象は、電子モジュールに通風し且つ該モジュールの電源装置によって電気エネルギを供給される通風機器である。

通風機器は、電動機と、該電動機に固定されたファンであって、シャフト及び該シャフトのハブに固定された少なくとも１つの羽根によって形成されたファンと、防塵フィルタを含んでいる保護スクリーンと、を含んでおり、
また通風機器は、前記電源装置と当該通風機器の電動機との間に接続されたセレクタースイッチを含み、該セレクタースイッチの各状態が前記電動機の回転方向に対応しており、更に、該セレクタースイッチの切り換え（スイッチング）が制御回路によって指令されることを特徴とする。

非制限的な実施形態では、本発明の通風機器は、以下の付加的な特徴を有する。

（１）切り換え制御回路は双安定回路である
（２）切り換え制御回路はパルス発生器である。

（３）切り換え制御回路はマイクロコントローラである。

（４）切り換え制御回路は、所定の切り換えサイクル持続期間に従ってセレクタースイッチを切り換える。

（５）電動機の逆回転方向に対応するセレクタースイッチの高状態サイクルの持続期間が、電動機の順回転方向に対応するセレクタースイッチの低状態サイクルの持続期間よりも大きい。

（６）電源装置がオンに作動されると直ちに、切り換え制御回路はまず最初に所定の期間の間、セレクタースイッチを低状態に切り換え、次いでクロック信号で切り換えサイクルの持続期間を較正する。

（７）制御回路は、モジュール内に異常が検出されたときに電源装置を短絡することのできるコマンドを持つ。

（８）通風機器は、検出された異常の種類を表示することのできるモニタ（Ｍ）を持つ。

（９）通風機器は、当該通風機器の効率の減少を検出したときに作動される音響アラーム又は視覚的アラームを含む。

本発明は、以下の説明及び添付の図面からより明瞭に理解されよう。図面は実施例を示したもので、本発明の範囲を制限するものではない。

図１は、本発明による少なくとも１つの通風機器２を含む電子モジュール１の概略図を示す。この電子モジュール１は、構成部品を冷却するために通風機器を使用することが不可欠である中央処理装置又は任意の他のシステムであってよい。

このモジュール１は電源装置３を持つ。この電源装置３は直流電圧源である。好ましい実施例では、電源装置３は蓄電池又は整流回路網である。電源装置は通風機器２に電力を供給する。

モジュール１はセレクタースイッチ４を持つ。このセレクタースイッチ４は電源装置３と通風機器２との間に配置される。このセレクタースイッチ４は付加的な状態を持つスイッチである。セレクタースイッチ４の各状態は、通風機器２の一回転方向、すなわち、逆回転方向５ａ又は順回転方向５ｂ（すなわち、時計回り方向）に関連する。

通風機器２は電動機６を持つ。セレクタースイッチ４は電動機６の後部７に接続される。セレクタースイッチ４をこの位置に配置することは、通風機器の電動機６が受け取る電気エネルギを、電動機６の回転方向を反転させるようにするのに適している。電動機６は、電源装置３から受け取った電気エネルギを機械エネルギを変換するように設計されている。

電源装置３がオンに作動されると直ちに、電動機６は回転運動し、その方向はセレクタースイッチ４の状態によって定められている。電源装置３がオフに作動されたとき、電動機６は電流遮断時に取っていた位置に留まる。

通風機器２はファン８を持つ。ファン８は、少なくとも１つの羽根９ａが設けられたシャフト８ａを持つ。図１の例では、シャフト８ａには、該シャフト８ａの軸Ａの周りに均等に配置された４つの羽根が設けられている。羽根９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄがシャフト８ａのハブ１０に固定されている。相次ぐ２つの羽根によって形成される角度が羽根のピッチＰである。羽根のピッチＰは、モジュールの冷却を変え又は固体粒子を追い出すために空気をより多く又はより少なく動かすように増大又は減少させることができる。

ファン８は電動機６の前面１１に固定される。電動機６は、変換された機械エネルギをファン８に供給して、ファン８の軸Ａを中心にしてファンを回転させる。ファン８の回転方向は、電動機６の回転方向と同じである。

ファン８の回転により、羽根９ａ、９ｂ、９ｃ及び９ｄは空気を吸い込んで、空気をモジュール１の後部へ押し出すことができる。

通風機器は保護スクリーン１２を有することができる。この保護スクリーンは、硬質のプラスチック材料又は金属で作ることができる。この保護スクリーンは防塵フィルタ１３を有する。この防塵フィルタ１３は、その表面がワイヤ・スクリーン織物によって製作された較正された孔を持つ部材から作られている。

この防塵フィルタ１３は、空気の通過中に、塵埃のような固体粒子１４を保持することが可能である。図１の例は、従来技術の通風機器の通常モードの動作を示している。通風機器は、この場合、モジュール１の電気又は電子構成部品によって散逸された熱量の放出を促進するように設計されている冷却機器と同様に振る舞う。

空気が吸い込まれてモジュールの中へ押し込まれるにつれて、塵埃もまたモジュール１の中へ引き込まれて、従来技術の通風機器に見られた固体粒子の蓄積の問題を引き起こす。

セレクタースイッチ４は制御論理装置１６によって制御される。制御論理装置１６はセレクタースイッチ４の制御回路である。制御論理装置１６は外部母線１７を介して切り換え信号をセレクタースイッチ４に送る。この従来技術の反転信号は、セレクタースイッチ４がファン８の回転方向を逆転し又はそれを保つことを可能にする。

一変形例では、セレクタースイッチ４は双安定回路、信号発生器又は任意の他の適当な電子回路によって制御することができる。

論理制御装置１６はしばしば集積回路の形態で製作される。一例では、論理指令回路１６は、マイクロプロセッサ１８、プログラム・メモリ１９、クロック２０、モニタＭ及び入出力インターフェース２１を有する。マイクロプロセッサ１８、プログラム・メモリ１９、クロック２０、モニタＭ及び入出力インターフェース２１は内部母線２２によって相互接続される。

実際には、機器が或る行為を行うと云われるとき、この行為は、機器のプログラム・メモリに記録されている命令コードによって制御される機器のマイクロプロセッサにより遂行される。制御論理装置１０はこのような１つの機器である。

プログラム・メモリ１９は幾つかの区域に分割されており、各区域は機器の機能を遂行するための命令コードに対応する。メモリ１９は、電動機６の好ましい回転方向を決定するための命令コードを含む区域２３を持つ。メモリ１９は、電源装置３がオンに作動されると直ちに、通風機器の動作を開始させるための命令コードを含む区域２４を持つ。

メモリ１９は、セレクタースイッチ４の各状態についての循環的持続期間を定めるための命令コードを含む区域２５を持つ。メモリ１９は、クロック信号２０で較正されたセレクタースイッチ４の各状態の持続期間の関数としてセレクタースイッチ４を循環的に切り換えるための命令コードを含む区域２６を持つ。

メモリ１９は、電源装置３及び／又は通風機器２及び／又はセレクタースイッチ４における障害を検出するための命令コードを含む区域２７を持つ。メモリ１９は、区域２７の命令コードによる障害の検出時に、電源装置３を短絡するための命令コードを含む区域２８を持つ。メモリ１９は、区域２７の命令コードにより検出された障害の種類をモニタＭに表示するための命令コードを含む区域２９を持つ。メモリ１９は、通風機器の効率又は効率のレート(rate)を計算するための命令コードを含む区域Ｃを持つ。この計算は、一例では、モジュール１の電気又は電子構成部品の温度の変動の関数として行われる。

セレクタースイッチ４の状態の変更により、場合によっては空気流の押出し又は吸込みを生じさせる電動機６の回転方向５ａ又は５ｂの変更が生じる。図１の例では、空気の吸い込みが示されている。この場合、セレクタースイッチ４は高状態にあり、ファンの回転方向は反時計回り方向５ａである。

モジュール１は、比較器Ｃ１と２つの入力Ｅ１，Ｅ２と１つの出力Ｓとを有する。出力Ｓは音響アラーム又は視覚的アラームに接続される。外部通信母線１７を介して、入力Ｅ１は、制御論理装置１６によって実施された通風機器の効率のレートの計算の結果を受け取る。入力Ｅ２は、通風機器２の所定の効率のレートを受け取る。この通風機器２の所定の効率のレートは計算又はシミュレーションによって求められる。

比較器Ｃ１は、２つの入力Ｅ１及びＥ２によって与えられた２つの効率のレートの実時間シミュレーションを遂行する。制御論理装置１６によって計算された効率のレートが所定の効率のレートよりも低くなったとき、アラームが作動される。

アラームの作動により、通風機器２の状態を検証するために何ら該機器を取り外すことなく、通風機器２の状態がユーザに知らされる。

図２は本発明の通風機器の概略図である。図２の例では、空気流はモジュール１から吐き出される。この場合、セレクタースイッチ４は低状態である。ファンの回転方向５ｂは順方向又は時計回り方向である。

セレクタースイッチ４のトップ状態及び低状態は、上述のものとは異なるファン８の回転方向を生じさせることができる。電動機６の回転方向は、前もってセレクタースイッチ４の各状態に対応するように定められる。

電動機の回転方向が順方向５ｂであるとき、空気流はモジュールの内部から外部へと吐き出される。空気流のこの吐出により、保護スクリーン、通風機器及びモジュールの構成部品の上にある固体粒子１４が追い出される。この固体粒子１４の追い出しにより、モジュール内でのそれらの蓄積を大幅に低減する。

セレクタースイッチは、第１の所定の期間の間、制御論理装置によって循環的に高状態に切り換えられる。次いで、セレクタースイッチは、第２の所定の期間の間、低状態に切り換えられる。第１及び第２の期間は一サイクルを形成する。一例では、１時間のサイクルの場合、セレクタースイッチは４５分の間は高状態に切り換えられ、且つ１５分の間は低状態に切り換えられる。

本発明の本例の主な機能がモジュールの構成部品を冷却することであるので、セレクタースイッチを高状態に切り換えている時間は、セレクターを低状態に切り換えている時間よりも長い。

一般的に云えば、セレクタースイッチ４の切り換えサイクル持続期間Ｔ_０ は予め定められる。制御論理装置は所定の割合Ｆだけ電動機の回転方向を逆転させる。その結果、１サイクルの持続期間の間では、通常の冷却動作はＴ_０ （１−Ｆ）の持続期間にわたって実施される。そして、追い出し動作はＦＴ_０ の持続期間にわたって遂行される。値Ｆは、モジュール１の電気又は電子構成部品を冷却するために通風機器の平均効率を一定に保つように調節される。

図３は、本発明のモジュール１の動作の様々な段階を例示する。電源装置をオンに作動する前に、制御論理装置はファンの羽根の好ましい回転方向を準備する。この回転方向は、本発明のモジュールの異なるモードの関数として定められる。本発明の本例では、好ましい方向は、構成部品を冷却することのできる方向である。従って、セレクタースイッチは高状態に設置される。

電源装置を動作状態に置いたとき、段階３０で、制御論理装置はセレクタースイッチを低の状態に切り換える。この切り換えにより、段階３１で、電動機が順方向に回転して、空気流をモジュールから追い出す。この段階３１は、好ましくは、数秒間持続する。

一変形例では、制御論理装置が、セレクタースイッチを低状態に切り換える段階３０を適用しないことが可能である。この段階は随意選択による。

段階３２で、制御論理装置はセレクタースイッチの循環的信号のタイミングをクロックのタイミングにより較正する。この較正段階３２が完了すると直ちに、制御論理装置はセレクタースイッチを高状態に切り換えて、段階３３で、電動機の回転方向を変更する。段階３３で、通風機器は空気流を吸い込む又は引き込む状態になる。

第２のクロック行程が行われると直ちに、段階３４で、制御論理装置はセレクタースイッチを低状態に切り換える。この切り換えにより、電動機の回転方向が順方向５ｂへ変更される。段階３５で、ファンの羽根の回転方向はモジュールの外への固体粒子の追い出しを促進する。次のクロック行程で、段階３６において、制御論理装置はセレクタースイッチを高状態に切り換える。この切り換えにより、電動機の回転方向が逆方向５ａに変更されて、段階３７で空気流の吸い込みを生じさせる。

プロセスはこのように行われて、段階３８で制御論理装置によってモジュール内の障害が検出されるまで続く。この障害に幾つかの原因があることがある。例えば、障害は、吸い込まれる空気流の流量の不足に起因することがあり、これは固体粒子の調整状態についての情報を与える。それはまた、モジュールの構成部品の１つの機能不良又は障害、或いは構成部品の温度上昇に起因することがある。それは更にまた、モジュールの電源装置などの機能不良又は障害に起因することがある。

障害の段階３８において、制御論理装置は電源装置を短絡し、これによりモジュールの様々な素子の動作を停止させる。電動機の回転が停止する。制御論理装置は、段階３９で、セレクタースイッチを高状態に切り換える。

一例では、この検出をモニタに伝送して、ユーザが障害の性質についての知識を得て、それを是正することができるようにすることができる。

制御論理装置がもはや障害信号を検出しないとき、段階４０で、電源装置を再び始動することができる。電源装置がターンオンされると直ちに、制御論理装置は再び段階３０〜３７を適用して、新しく障害が検出されるまで続ける。

本発明の通風機器は、機能不良を引き起こすことのあるようなファンの羽根上の固体粒子の蓄積を低減する。また、本発明ではまた、固体粒子の蓄積が少ないので予防的保守整備のコストを下げることができる。更に、この固体粒子の蓄積の最小化により、構成部品の温度をほぼ一定にして、平均故障時間間隔（ＭＴＢＦ）をより長くする。

この平均故障時間間隔は、システムが２つの相次ぐ機能不良の間の決定された条件下で働き続ける平均持続期間である。

従って、本発明の通風機器は、それを含むシステムの信頼性を改善する。

本発明に従って空気流を吸い込むように動作している通風機器を有する電子モジュールの概略図である。 本発明に従って空気流を吐き出すように動作している通風機器を有する電子モジュールの概略図である。 本発明に従った電子モジュールの動作の幾つかの段階を例示するグラフである。

符号の説明

１ 電子モジュール
２ 通風機器
３ 電源装置
４ セレクタースイッチ
５ａ 逆回転方向
５ｂ 順回転方向
６ 電動機
７ 電動機の後部
８ ファン
８ａ シャフト
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 羽根
１０ ハブ
１１ 電動機の前面
１２ 保護スクリーン
１３ 防塵フィルタ
１４ 固体粒子
１６ 制御論理装置
１７ 外部通信母線
１８ マイクロプロセッサ
１９ プログラム・メモリ
２０ クロック
２１ 入出力インターフェース
２２ 内部母線
Ｃ１ 比較器
Ｍ モニタ

Claims (10)

1. 電源装置によって電気エネルギを供給されて、電子モジュールに通風する通風機器であって、
   当該通風機器は、電動機と、前記電動機に固定されたファンであって、シャフト及び該シャフトのハブに固定された少なくとも１つの羽根によって形成されたファンと、防塵フィルタを含んでいる保護スクリーンと、
   前記電源装置と当該通風機器の電動機との間に接続されたセレクタースイッチと、
   前記セレクタースイッチと接続する制御回路と、
   を含み、
   前記セレクタースイッチが複数の状態を有し、
   各状態が前記電動機の回転の向きに対応しており、
   該回転の向きは、第１の向きと、該第１の向きと反対の第２の向きを含み、
   前記制御回路は、第１の期間に前記第１の向きで前記ファンを動作させ、
   第２の期間に前記第２の向きで前記ファンを動作させるように前記複数の状態で前記セレクタースイッチを切り換え、
   前記制御回路は、前記電子モジュールの温度変化から効率を計算し、所定の割合Ｆにより、前記第１及び第２の期間のいずれかを調整し、前記電子モジュールの動作中に前記効率が一定になるように、前記所定の割合Ｆを調整することを特徴とする、通風機器。
2. 前記切り換え制御回路が双安定回路である、請求項１記載の通風機器。
3. 前記切り換え制御回路がパルス発生器である、請求項１記載の通風機器。
4. 前記切り換え制御回路がマイクロコントローラである、請求項１記載の通風機器。
5. 前記制御回路に接続する比較器と、
   前記比較器に接続するアラームと、
   を含み、
   前記比較器は、前記電子モジュールに対する所定の効率を前記計算された効率が超える場合に、前記アラームを作動させる出力を生成する、請求項１乃至４のいずれかに記載の通風機器。
6. 前記電動機の逆回転方向に対応する前記セレクタースイッチの高状態サイクルの持続期間が、前記電動機の順回転方向に対応する前記セレクタースイッチの低状態サイクルの持続期間よりも大きい、請求項５に記載の通風機器。
7. 前記電源装置がオンに作動されると直ぐに、切り換え制御回路がまず最初に所定の期間の間、セレクタースイッチを低状態に切り換え、次いでクロック信号で切り換えサイクルの持続期間を較正する、請求項５または６に記載の通風機器。
8. 前記モジュール内に異常が検出されたときに前記電源装置からの電力供給が停止される、請求項５乃至７のいずれかに記載の通風機器。
9. 検出された異常の種類を表示することのできるモニタ（Ｍ）を有している請求項８記載の通風機器。
10. 通風機器の効率の減少を検出したときに作動される音響アラーム又は視覚的アラームを含んでいる請求項９記載の通風機器。
    
    

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