JP5158579B2 - ファン用電源回路及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却ファン用の電源回路とその制御方法に関する。

冷却ファンの一般的な回路構成の一例について図１２を参照して説明する。図１２において、電源投入時、冷却用ファン４−１〜４−３は、一定の電圧が印加されるため、一定回転数で回転している。冷却ファンは、機器が使用する電源又は機器内部で使用される電圧（内部電源電圧）を用いて回転させる。このため、機器が動作している間、冷却ファンに通電され、電力を消費している。

小規模な機器によっては、機器内部の温度上昇を検知し、検知結果に基づき、ファンをオン／オフする制御が行われる場合もあるが、大規模なシステムの装置では、個別に温度を検知し、ファンをオン／オフすることは難しく、経済的ではない。このため、図１２の構成において、複数のファン４−１、４−２、４−３をユニットとして、常時、稼動させ、装置全体を冷却する。

装置の規模が大となるほど、ファンの大型化、設置台数の増大により、ファンの消費電力が大となる。したがって、低消費電力化が強く望まれている。

一方、近時、モータの軸受（ベアリング）の加工・製造技術等の進展により、ファンモータの性能が飛躍的に向上し、回転が非常に滑らかである。例えば図６に示すように、ファンの電源をオフしても、慣性力でしばらくの間、ファンは回転を続ける。

なお、本発明の関連技術として、特許文献１には、プッシュプル・コンバータにおいてパルストランスの偏磁を防止するための構成が開示されている。

また、特許文献２には、一定温度下でＰＴＣヒータの発熱を略一定とし、スイッチ等の定格アンペアを大きくする必要のない電気式床暖房装置として、温度センサの電気信号によってＰＴＣヒータをオン・オフし、ＰＴＣヒータにそれぞれ半波整流した逆位相の電圧を印加する構成が開示されている。

特許文献３には、複数のモータのそれぞれに電流を流すスイッチング素子がオンとなるタイミングを位相変換手段によってずらし、一時に全てのモータに電流が流れ込むことによるモータ駆動手段の電源電圧の変動を減らし、ノイズの発生を抑えるようにしたモータ制御装置の構成が開示されている。

特許文献４には、第１のファンモータ（ラジエータファンモータ）と第２のファンモータ（コンデンサファンモータ）を、半導体スイッチング素子（ＦＥＴ）のドレインとアースの間に並列に接続し、ＦＥＴのソースはイグニッションスイッチを介してバッテリの正極に接続され、ＦＥＴのゲートとアースの間には、圧力スイッチと水温スイッチが直列に接続され、ＦＥＴのゲートはＰＷＭ制御回路の出力端子に接続され、ＰＷＭ制御回路の入力端子とアース間にはマグネットクラッチリレーが接続され、ファンの回転速度をきめ細かく制御できるようにした構成が開示されている。

なお、ＣＰＵ等の冷却ファンモータの制御装置として、特許文献５には、図１４に示すように、ＤＣファンモータ２１の電源ラインにスイッチング素子２２を設け、このスイッチング素子２２を、ＰＷＭ信号で制御素子２４を介して、オン・オフ制御するようにした構成が開示されている（特許文献５の図８）。図１４において、２５は回路抵抗、２６はベース抵抗、２３はコンデンサである。ＰＷＭ信号がＨＩＧＨのとき、制御素子（ＮＰＮトランジスタ）２４がオンし、スイッチング素子２２（ＰＮＰトランジスタ）のベースが接地電位側に引かれてスイッチング素子２２がオンし、電源ＶｃｃからＤＣファンモータ２１へ給電され、ＰＷＭ信号がＬＯＷのときＮＰＮトランジスタ２４がオフし、スイッチング素子２２はオフする。

特開２００４−０１５９００号公報 特開２００５−０４２９７９号公報 特開昭６２−００２８９２号公報 特開平０９−２７２３２２号公報 特開２００３−３１９６７７号公報

図１２に示した冷却ファンの回路構成においては、次のような課題がある。

ファンは常に通電されるため、電力消費が大きくなる。また、機器の規模が大きくなる
と、ファンの数が増え、ファン用として大容量の電源が必要となる。さらに、機器の状態とは関係なく、ファンを回転させているため、過剰な冷却効果となる場合がある。

したがって、本発明の目的は、冷却効果の低下を回避しながら消費電力を下げる装置と方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記目的を達成するとともに、消費電力と冷却効果が最も効率の良い状態に制御することを可能とする装置と方法を提供することにある。

本願で開示される発明は、前記課題を解決するため、概略以下の構成とされる。

本発明の１つの側面（アスペクト）に係るファン用電源装置は、ファンへの給電をオン・オフするスイッチを備えている。本発明においては、このスイッチのオン・オフ制御を工夫している。前記スイッチのオフ時間は、前記スイッチがオンからオフへの遷移後、前記ファンの回転数が予め定められた所定値に落ちる時点に対応し、前記スイッチのオン時間は、前記スイッチのオフからオンへの遷移後、前記ファンの安定回転数に達する時点に対応している。

本発明の別の側面に係るファン用電源装置は、複数のファンへの給電をそれぞれオン・オフする複数のスイッチを備え、前記複数のスイッチのオンとなる時間を互いにずらす制御を行うコントロール回路を備えている。

本発明のさらに別の側面に係るファン用電源装置は、トランスの２次側の第１、第２の整流素子を介して時間を互いにずらして第１、第２のファンへの給電が行われる。

本発明においては、前記トランスの一次巻線の一端と、正極が前記トランスの一次巻線のセンタータップに接続された直流電源の負極との間に挿入された第１のスイッチと、
前記トランスの一次巻線の他端と、前記直流電源の負極との間に挿入された第２のスイッチと、を備え、前記第１のファンは、前記トランスの２次巻線の一端に第１端子が接続された前記第１の整流素子の第２端子と前記トランスのハーフタップとの間に挿入され、前記第２のファンは、前記トランスのハーフタップと、前記トランスの２次巻線の一端に第２端子が接続された前記第２の整流素子の第１端子との間に挿入されている構成としてもよい。

本発明においては、前記トランスは、一次巻線側に商用電源が接続される商用トランスであり、前記第１のファンは、前記トランスの二次巻線の一端に第１端子が接続された前記第１の整流素子の第２端子と二次巻線の他端の間に接続され、前記第２のファンは、前記トランスの前記二次巻線の一端に第２端子が接続された第２の整流素子の第１端子と前記二次巻線の他端の間に接続されている構成としてもよい。

本発明の別の側面に係るファン用電源装置は、ファンへの給電をオン・オフするスイッチと、装置に関して予め定められた状態を検知する検知回路と、前記検知回路での検知結果に基づき前記スイッチのオンする期間又はオフする期間を制御するコントロール回路と、を備えた構成としてもよい。

本発明の１つの側面に係る方法は、ファンの給電ラインにスイッチを設け、前記スイッチのオフ時間を、前記スイッチがオンからオフへの遷移後、前記ファンの回転数が予め定められた所定値に落ちる時点に対応させて設定し、前記スイッチのオン時間を、前記スイッチのオフからオンへの遷移後、前記ファンの安定回転数に達する時点に対応させて設定する。

本発明の別の側面に係る方法は、複数のファンへの給電をそれぞれオン・オフする複数のスイッチについて、前記複数のスイッチのオンとなる時間を互いにずらす制御を行う。

本発明の別の側面に係る方法は、トランスの２次側の第１、第２の整流素子を介して、時間を互いにずらして第１、第２のファンを通電させる。

本発明のさらに別の側面に係る方法は、装置に関して予め定められた状態を検知し、
前記検知結果に基づき、ファンの給電ラインに設けたスイッチのオンする期間又はオフする期間を制御する。

本発明によれば、複数の冷却ファンを備えた装置において、冷却効果を低下することなくファンの消費電力を減らすことができる。本発明によれば、消費電力と冷却効果が最も効率の良い状態に制御することを可能とする装置を提供する。

添付図面を参照して本発明のいくつかの実施例を以下に説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明の一実施例の構成を示す図である。本実施例においては、冷却用ファン４（ファンモータ）の給電ラインに挿入されたスイッチ２をオン・オフさせ、パルス状の印加電圧とすることで、ファン４の消費電力を削減できる。なお、図１には、簡単のため、ファン１個を使用した場合の構成が示されている。図１において、ファン（ＦＭ）４には、ファンとモータとモータ駆動回路が含まれている（他の図面も同様とする）。

図１において、直流電源１は、ファン４を駆動するための電源であり、スイッチ２がオンのとき、直流電源１からファン４に給電される。図１には、スイッチ２をオン・オフ制御するコントロール回路は図示されていない。図１では、直流電源１を使用し、ファン４は、例えばＤＣモータ（ＤＣブラシレスモータ、あるいはステッピングモータ等）で構成されるが、交流電源、及び交流駆動のファンであってもよい。前述したように、ベアリング加工・製造技術の進展により、ファンの性能が飛躍的に向上し、回転は滑らかである。図６に示すように、動作状態のファン４の電源供給をオフしても、慣性力でしばらくの間ファンは回転している。この特性を利用し、ファンの電源を、高速にオン／オフすることで、ファンの回転数を、さほど低下することなく、消費電力を低減できる。

図１に示した構成において、図１４に示した構成と同様、ファン４と並列にコンデンサ３を備える構成としてもよい。スイッチ２のオン時には、コンデンサ３が充電される。スイッチ２のオフ時に、ファン４は、コンデンサ３から電圧・電流の供給を受け、回転時間を長くすることが可能である。

本実施例において、スイッチ２のオフ時間は、電源オンからオフによりファン４の回転数が低下し、冷却効果に影響ない程度まで、長く設定する制御が行われる。この結果、消費電力を低減できる。

また、本実施例においては、スイッチ２のオン時間は、ファン４の安定回転数に達する時間まで狭くする設定することで、低消費電力化が可能となる。図７は、本実施例の動作を説明するための図である。

図７において、
（ａ）は、ファン４に印加される電圧波形、
（ｂ）は、ファン４に流れる電流波形、
（ｃ）は、ファン４の回転数
を示す。

スイッチ２のオン／オフにより、図７の（ｃ）に示すようファン４の回転数の変動が発生する。図７からもわかるように、冷却効果に影響のない程度に、オン／オフの時比率を調整することで、低消費電力化が可能となる。

例えば、ファン４の消費電力Ｗは、電圧（ａ）の実効値×電流（ｂ）の実効値となる。時比率Ｄ＝０．５の場合、下記計算となる。なお、時比率（ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ）はスイッチング動作の一周期におけるオン期間の割合である。

電圧（ａ）の実効値＝Ｖｐ×√Ｄ；
電圧（ｂ）の実効値＝Ｉｐ×√Ｄ；
∴ 消費電力Ｗ＝（Ｖｐ×√Ｄ）×（Ｉｐ×√Ｄ）
＝０．５×Ｖｐ×Ｉｐ

すなわち、電源からファンに電圧を連続的に供給する場合と比べ、半分の電力ですむことになる。

以上説明したように、本実施例においては、以下の作用効果を奏する。

ファン４の電源ラインをスイッチングさせる簡易な構成により、連続電圧印加方式と比べて、冷却効果を損なわずに、消費電力を低減できる。

また、スイッチングの時比率を調整することで、冷却能力を自由に調整することができる。

本実施例においては、任意のＤＣモータに適用可能であるが、三相交流等の交流モータ等にも適用可能である。

＜実施例２＞
本発明の第２の実施例について説明する。その基本構成は、前記第１の実施例と同じであるが、複数のファンの制御について工夫が施されている。図２は、本発明の第２の実施例の構成を示す図である。特に制限されないが、本実施例では、ファンを３個使用する。

図２において、オン／オフコントロール回路６は、スイッチ５−１、５−２、５−３のオン／オフをそれぞれ個別に制御する。例えばファン１個あたりの消費電流を０．５Ａとし、３個並列に使用した場合、
０．５Ａ×３個＝１．５Ａ
の消費電流となる。直流電源１の供給能力として定格１．５Ａ以上の能力が必要となる。

本実施例においては、ファン５−１〜５−３にそれぞれ印加される電圧Ｖ１〜Ｖ３を、図８に示すように、複数のファン４−１、４−２、４−３のオン時間が重ならないように、位相をずらすことで、３個のファン４−１、４−２、４−３の電源の供給源である直流電源１の定格電流をファン１個分の消費電流である０．５Ａとすることが可能となる。本実施例では、複数のファンのオン時間が重ならないように、位相をずらすことで、直流電源１の定格電流を下げることができ、小型の電源が使用可能でファンの電源回路を小さくかつ安価に構成できる。

＜実施例３＞
次に本発明の第３の実施例を説明する。本実施例は、ファンに印加される電圧ラインを、直接スイッチングするのではなく、トランスを用いて給電パルスを生成しファンに供給する構成としたものである。図１３に示すように、電子機器で使用される電圧を、スイッチング電源（スイッチングレギュレータ）にて、ファン用の電圧に変換する場合がある。すなわち、図１３には、比較例として、典型的なスイッチング電源（プッシュプル、センタータップ整流方式）を用いて、ファンを駆動する構成が示されている。

図１３において、スイッチ（ＮＰＮトランジスタ）７−１がオンのとき、スイッチ（ＮＰＮトランジスタ）７−２はオフとされ、このとき、直流電源１の正極→トランス（パルストランス）８のセンタータップＰ２→１次巻線Ｍ１→Ｐ１→スイッチ７−１→直流電源１の負極へと電流が流れ、二次巻線Ｈ１には、Ｐ４を正、Ｐ５を負とする電圧が誘起され、この電圧（Ｖ４）により、電流は、ダイオード９−１→平滑回路１６（チョークコイル１４とコンデンサ１５からなる）→並列接続されたファン（ファンモータ）４−１、４−２→Ｐ５と流れる。一方、スイッチ７−２がオンのとき、スイッチ７−１はオフとされ、このとき、直流電源１の正極→トランス８のセンタータップＰ２→１次巻線Ｍ２→Ｐ３→スイッチ７−２→直流電源１の負極へと電流が流れ、二次巻線Ｈ２には、Ｐ６を正、Ｐ５を負とする電圧が誘起され、この電圧により電流は、ダイオード９−２→平滑回路１６→並列接続されたファン（ファンモータ）４−１、４−２→Ｐ５へと流れる。ファン４−１、４−２は、同時に通電される。

図３は、本発明の第３の実施例の構成を示す図である。図３において、スイッチ７−１がオンのとき、スイッチ７−２はオフとされ、このとき、直流電源１の正極→トランス８のセンタータップＰ２→１次巻線Ｍ１→Ｐ１→スイッチ７−１→直流電源１の負極へと電流が流れ、二次巻線Ｈ１には、Ｐ４を正、Ｐ５を負とする電圧が誘起され、この電圧により電流は、ダイオード９−１→ファン（ファンモータ）４−１→Ｐ５へと流れる。すなわち、スイッチ７−１がオンのとき、ファン（ファンモータ）４−１が通電される。

スイッチ７−２がオンのとき、スイッチ７−１はオフとされ、このとき、直流電源１の正極→トランス８のセンタータップＰ２→１次巻線Ｍ２→Ｐ３→スイッチ７−２→直流電源１の負極へと電流が流れ、二次巻線Ｈ１には、Ｐ４を負、Ｐ５を正とする電圧が誘起され、この電圧により電流は、Ｐ５→ファン（ファンモータ）４−２→ダイオード９−２→Ｐ４と流れる。すなわち、スイッチ７−２がオンのとき、ファン（ファンモータ）４−２が通電される。

本実施例においても、ファンにパルス状の電圧を印加することで、低消費電力化を図ることができる。また、図１３の平滑回路１６を削除することができ、電源部の簡素化を図ることができる。

図３及び図１３のトランス８の一次側は、プッシュプル・コンバータの基本構成であり、スイッチ（ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ）７−１、７−２は、１８０°位相のずれた信号で、交互にベースが駆動される。

図３において、ファン４−１、４−２に印加される電圧Ｖ４、Ｖ５は、図９に示すようなものとなる。ファン４−１、４−２に印加される電圧Ｖ４、Ｖ５は１８０度位相がずれており、ファン４−１、４−２は交互に給電される。したがって、本実施例においても、第２の実施例と同様の作用効果を奏する。

図１３等に示したプッシュプル・コンバータの構成自体は公知であるため、その詳細な説明は省略する。なお、本実施例においては、プッシュプル・コンバータ以外の方式でも、ファンに、矩形波状の電圧を印加できる任意の回路方式であれば同様の効果がえられる。

＜実施例４＞
本発明のさらに他の実施例として、基本的には、上記実施例のトランスを用いた方法と同じであるが、もっとも簡単な回路構成として商用トランスを用いる例を説明する。

図４は、本発明の第４の実施例の構成を示す図である。図４に示すよう、本実施例では、商用電源１０を入力とする商用トランス１１（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）を用いて降圧し、ダイオード９−１、９−２で半波整流し、ファン４−１、４−２へ交互に給電する。図１０に示すように、１８０°位相がずれた半波整流電圧Ｖ６、Ｖ７が、それぞれファン４−１、４−２に印加される。低消費電力化及びファン用電源部の簡素化が可能となる。但し、周波数が低く、正弦波であるため、ファンの回転数変動が大きくなるが、冷却効果に問題なければ、実用的な手法である。

＜実施例５＞
さらに本発明の他の実施例として、図１の基本構成において、機器の状態に対する情報、例えば内部温度や消費電流等の情報を検知し、スイッチ２のオン／オフ時間を、リアルタイムに調整することで、最適な冷却条件を作りだすことが可能となる。図５は、本発明の第５の実施例の構成を示す図である。機器の状態を検知する検知回路１２を備え、検知回路１２での検知結果に基づき、スイッチ２のオン・オフの制御を行うオン／オフコントロール回路１３を備えている。なお、第５実施例は、オン／オフ時間を任意に可変するものであり、前記した各実施例におけるスイッチのオン・オフ制御に適用することができる。

図１１は、本発明の第５の実施例の動作を説明するフローチャートである。本実施例の動作について、図１１のフローチャートを参照して説明する。

一般的に機器内の必要とされる冷却条件は、環境条件や動作状態で変化する。例えば、環境変化で内部温度が上下するとか、ある回路が動作した場合、消費電流が急激に増えるとかである。

検知回路１２にて機器内の状態を監視し（図１３のステップＳ１）、状態を検知（図１３のステップＳ２）した後、現時点での冷却能力と比較し、判定する（図１３のステップＳ３）。

判定結果により、さらに冷却能力が必要な場合には、オン／オフコントロール回路１３は、スイッチ２のオン時間を長く設定する（図１３のステップＳ４、５）。

一方、判定結果により、冷却能力が過剰な場合は、オン／オフコントロール回路１３は、スイッチ２のオン時間を短く設定する（図１３のステップＳ６、７）。

判定結果により、適正であれば、現状冷却能力を維持する。

このように、最適な冷却条件に設定し（図１３のステップＳ８）、機器の状態を検知しするという処理を繰り返す（図１３のステップＳ９）ことで、低消費電力を考慮した最適な冷却効果が常に維持できる。

なお、オン／オフコントロール回路１３において、スイッチ２のオン時間を調整することで説明したが、オフ時間を調節することによっても、冷却効果の調整が可能である。

本発明は、ファンによる強制空冷方式が必要とされる電子機器、全てに適用できる。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

本発明の第１の実施例の構成を示す図である。 本発明の第２の実施例の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例の構成を示す図である。 本発明の第４の実施例の構成を示す図である。 本発明の第５の実施例の構成を示す図である。 オフ時のファンの回転数の推移を説明する図である。 本発明の第１の実施例の動作を説明するためのタイミング波形図である。 本発明の第２の実施例の動作を説明するためのタイミング波形図である。 本発明の第３の実施例の動作を説明するためのタイミング波形図である。 本発明の第４の実施例の動作を説明するためのタイミング波形図である。 本発明の第５の実施例の手順を説明するための流れ図である。 関連技術の構成を示す図である。 比較例の構成を示す図である。 関連技術（特許文献５）の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電源（直流電源）
２ スイッチ
３ コンデンサ
４、４−１、４−２、４−３ ファン（ＦＭ）
５−１、５−２、５−３、７−１、７−２ スイッチ
６、１３ オン／オフコントロール回路
８ トランス
９−１、９−２ ダイオード
１０ 商用電源
１１ 商用トランス
１２ 検知回路
１４ チョークコイル
１５ コンデンサ
１６ 平滑回路
２１ ＤＣファンモータ
２２ スイッチング素子
２３ コンデンサ
２４ 制御素子
２５、２６ 抵抗

Claims (4)

1. ファンへの給電をオン・オフするスイッチを備え、
   前記スイッチのオフ時間は、前記スイッチがオンからオフへの遷移後、前記ファンの回転数が予め定められた所定値に落ちる時点に対応し、
   前記スイッチのオン時間は、前記スイッチのオフからオンへの遷移後、前記ファンの安定回転数に達する時点に対応し、
   複数の前記ファンへの給電をそれぞれオン・オフする前記スイッチを複数備え、
   前記複数のスイッチのオンとなる時間を互いにずらす制御を行うコントロール回路を備えている、ことを特徴とするファン用電源装置。
2. 装置に関して予め定められた状態を検知する検知回路を備え、
   前記コントロール回路は、前記検知回路での検知結果に基づき前記スイッチのオンする期間又はオフする期間を制御する、ことを特徴とする請求項１記載のファン用電源装置。
3. ファンの給電ラインにスイッチを設け、前記スイッチのオフ時間を、前記スイッチがオンからオフへの遷移後、前記ファンの回転数が予め定められた所定値に落ちる時点に対応させて設定し、
   前記スイッチのオン時間を、前記スイッチのオフからオンへの遷移後、前記ファンの安定回転数に達する時点に対応させて設定し、
   複数の前記ファンへの給電をそれぞれオン・オフする複数の前記スイッチについて、
   前記複数のスイッチのオンとなる時間を互いにずらす制御を行う、ことを特徴とするファン用電源制御方法。
4. 装置に関して予め定められた状態を検知し、
   前記検知結果に基づき、ファンの給電ラインに設けたスイッチのオンする期間又はオフする期間を制御する、ことを特徴とする請求項３記載のファンの電源制御方法。

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