JPH0595063A - 電子機器の冷却制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機器内の温度変動に合わせた冷却ファンの最
適回転制御を行う。 【構成】 発熱部品を冷却する冷却ファン１３と、機器
内の温度を検知する温度センサ１４と、検知温度を設定
温度と比較してそれに応じた信号を出力するフィードバ
ック制御部１６と、所定コマンドを検出したときコマン
ド内容に応じた固定速回転とする信号を出力するフィー
ドフォアード制御部１８と、フィードバック制御部１６
またはフィードフォアード制御部１８の出力信号に応じ
て冷却ファン１３の回転数を制御する回転制御部１７と
を備える。電源立上げ後の比較的緩慢な温度変化を伴う
小変動時は、検知温度に基づいて出力されるフィードバ
ック制御部１８の制御信号により冷却ファンの可変速回
転制御がなされ、電子機器の電源立上げ時等発熱量の急
激な温度変化を伴う時は、この時に出される所定コマン
ドに基づいて出力されるフィードフォアード制御部１８
からの制御信号により冷却ファン１３の固定速回転制御
がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプリント基板等の発熱部
品を多数搭載した電子機器の冷却制御装置に係り、特に
冷却ファン回転の最適制御を行なうようにしたものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】発熱量の多い部品を多数使用している電
子機器において、部品を冷却することは製品の精度、性
能、寿命に重要な役割をもつ。従って、発熱電子部品の
実装されたプリント基板を多数搭載した電子機器は、そ
の信頼性を保証するため冷却装置が不可欠である。

【０００３】電子機器の冷却装置として半導体試験装置
の冷却装置を例に取って説明する。例えば図４に示すよ
うに、半導体試験装置は筐体４１内に平行配列した多数
のプリント基板４２を多段に設け、各段の上下面に冷却
ファン４３を複数個取り付ける。冷却ファン４３により
筐体４１内へ取り込んだ冷却空気をプリント基板４２間
に流して、プリント基板４２上の発熱電子部品を冷却し
た後、筐体４１外へ排出する。このような冷却装置は冷
却ファン４３により常時、一定量、一定風力の自然空気
をプリント基板間に流すのが一般的である。風量、風速
は、発熱体の温度や半導体試験装置の状態に関係なく、
最大上昇温度を考慮した安全設計から全体的に過冷却気
味になるように設定している。因みに、筐体４１内へ取
り込まれる室温の冷却空気は約２５℃、筐体４１外へ排
出される排出空気は約５０℃位になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のものでは、常時一定量、一定風力を発熱体に流すよう
になっているため、次のような欠点があった。

【０００５】(1) 機器内の温度が不均一になり、信頼性
に欠ける。

【０００６】(2) 過冷却にするために冷却ファンを高速
回転にしたり、多くの冷却ファンを必要とするため、冷
却効率が悪く、また冷却ファンの寿命が短い。通常、寿
命は約３年といわれている。

【０００７】(3) 機器内の高温部分については、機器停
止後、一時的に温度上昇が生じる現象が有り、高温部分
の素子が破壊されることがある。これに対処するため交
流電源を断にしても暫くの間は直流電源を切らず、冷却
ファンの回転を続行させるようにしている。しかし、こ
のようにすると冷却の温度管理が手動制御となり作業が
煩わしく、ときには誤ってブレーカを切る等して同時に
両電源を切ってしまうこともあった。

【０００８】(4) 冷却ファンの回転騒音が非常に大き
く、大型の電子機器、例えば半導体試験装置にあっては
７０ｄＢ〜９０ｄＢにも達することがある。

【０００９】なお、冷却装置は電子機器の高性能化に伴
ってより高い冷却性能が要求されており、このような要
求に応えるための冷却装置は種々提案されているが( 例
えば、特開平１−２０２６７６号公報や特開平１−１９
３６６７号公報等) 、いずれも構造的な側面からの改善
を図ったに過ぎず、上述した欠点を依然として解消でき
るものではない。

【００１０】本発明は、構造的な側面からではなく、電
気的な側面からなされたものであって、その目的は、装
置内の温度に合わせたファン回転数の最適制御を行うこ
とによって、従来技術の欠点を解消して、冷却効率が高
く、信頼性に優れ、しかも騒音の少ない電子機器の冷却
制御装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、発熱部品を筐
体内に多数設けた電子機器の冷却装置に適用される。こ
こでいう、発熱部品は電源系統を構成する電気部品や、
測定系・制御系等を構成するＩＣをはじめとする電子部
品等、機器の作動により発熱する部品であって、冷却を
必要とする全ての部品を含む。例えば半導体試験装置の
ような機器にあっては、その大半がプリント基板に実装
されたＩＣである。

【００１２】このような機器において、冷却ファンを必
要台数設け、これによりケーシング内に冷却空気を取り
込んでプリント基板に実装されたＩＣ等の発熱部品を冷
却する。冷却ファンは、オン・オフ制御タイプではな
く、回転数を連続して可変できる可変制御タイプが好ま
しい。

【００１３】プリント基板等の発熱部品の温度を間接
的、又は直接的に検知する温度センサを、機器内の適宜
箇所に必要数取り付け、常時温度検出できるようにす
る。

【００１４】これらの温度センサで検出された検知温度
は、フィードバック制御部に導かれて、予め最適な冷却
温度として設定された設定温度と比較され、機器内の温
度が設定温度と等しくなるように、比較温度差に応じた
信号を回転制御部に出力する。これは制御結果を戻すフ
ィードバック系を構成する。

【００１５】一方、所定コマンドを検出したときコマン
ド内容に応じた設定回転信号を、同じく回転制御部に出
力するフィードフォアード制御部を設ける。これは検出
温度とは関係なく、設計時あるいは実測データに基づい
て、温度上昇を抑制するために必要とされるファンの回
転数を先行的に制御するフィードフォアード系を構成す
る。これには過冷却の要素が含まれることになる。

【００１６】そして、冷却ファンの回転数を制御する回
転制御部が設けられ、この回転制御部は上述したフィー
ドバック制御部またはフィードフォアード制御部の出力
信号に応じて、冷却ファンを最適な回転数に制御する。
回転制御部はドライバとしての機能をもつ。

【００１７】電源立上げ後の安定時、発熱量の比較的緩
慢な変化を伴う小変動時は、検知温度に基づいて出力さ
れるフィードバック制御部の制御信号により冷却ファン
の可変速回転制御がなされる。また、発熱量の急激な変
化を伴う電子機器の実行時等は、この時に出される所定
コマンドに基づいて出力されるフィードフォアード制御
部からの制御信号により冷却ファンの定速回転制御がな
される。

【００１８】

【作用】機器の運転、即ち実行ルーチンに入る前のスタ
ンバイ区間では、通常機器内の温度は急激な変動は伴わ
ず緩慢な変動となる。従って、この緩慢な温度変動を抑
制する冷却が必要となる。この冷却を実現するために必
要な冷却ファンの回転数は、検知温度に基づくフィード
バック制御部から回転制御部を介して冷却ファンに与え
る。これにより、機器内温度を設定温度に保持する。

【００１９】電源立上げ時等、発熱部品に変動が生じて
機器内の温度に急激な変動を生じる。回転制御による冷
却ファンの応答は、機械的動作を伴うため遅く、それほ
どスピードは期待できない。従って、たとえこの急激な
変動に基づいて制御したとしても、その変動について行
くことができない。そこで、急激な変動を予知して、変
動が生じる前に先行して回転制御する必要がでてくる。
フィードフォアード制御部により回転制御された冷却フ
ァンは、変動前に高速回転状態に入っており、引続き生
じる急激な熱変動を有効に抑制して、機器内温度を設定
値に保つ。

【００２０】

【実施例】以下、半導体試験装置の冷却装置を例に取っ
て、本発明に係る電子機器の冷却制御装置を図面を用い
て説明する。

【００２１】図５に半導体試験装置の冷却装置の概略を
示す。半導体試験装置は筐体５１内に平行配列した多数
のプリント基板５２を多段に設け、各段の上下面に冷却
ファン５３を取り付けて、筐体５１内へ取り込んだ冷却
空気をプリント基板５２間に流して、プリント基板５２
上の発熱電子部品を冷却した後、筐体５１外へ排出する
ようになっている。

【００２２】各段に機器内各部の温度を個別に検出する
ための複数の温度センサ５４を設け、この温度センサ５
４の検出結果をファン回転制御コントローラ５５に導
き、これより機器内温度を設定温度に保つために必要な
制御信号を冷却ファン５３に与える。ファン回転制御コ
ントローラ５５はフィードバック制御系とフィードフォ
アード制御系とから構成される。冷却ファン５３の回転
数を最適制御するために、低温部分に送風している冷却
ファン５３はその回転数を下げて風力を減少させ、高温
部分に送風している冷却ファン５３はその回転数を上げ
て風力を増加させる。

【００２３】図１は本実施例のファン回転制御部コント
ローラを含む冷却制御装置を示す。半導体試験装置の筐
体１１内に発熱電子部品を実装したプリント基板１２が
多数枚平行に設けられる。平行配列の一端側に、これよ
り冷却空気を取り込んでプリント基板１２、１２間に流
して冷却した後、他端側より排出させる冷却ファン１３
が設けられる。図では簡略化した４枚のプリント基板１
２間が形成する４つの空間に冷却空気を流すために４台
の冷却ファン１３を設けた場合を示している。

【００２４】冷却空気の排出側となるプリント基板１２
の他端側には、４つの空間から排出される冷却後の空気
温度を個別に検出するための温度センサ１４が４個設け
られる。これらの温度センサ１４はフィードバック制御
部１６に接続される。

【００２５】温度センサ１４としてはサーミスタが適当
である。冷却ファン１３としては直流駆動の軸流ファン
であって、制御信号により回転数を連続的に変化できる
可変型で、さらにホール素子により制御できるものであ
ることが好ましい。

【００２６】フィードバック制御部１６は、検知温度を
対応する設定温度と比較して、検知温度が設定温度にな
るように、温度差に比例した制御信号を回転制御部１７
に出力する。このフィードバック制御部１６は、単なる
比例制御としてもよいが、制御性を良好なものとするた
めに、ＰＩＤ制御を採用することができる。設定温度は
各部に個別に設定することも可能であるが、機器内の温
度を全て同一温度に冷却するのであれば共通設定でよ
い。

【００２７】フィードフォアード制御部１８は所定コマ
ンドを検出したときコマンド内容に応じた固定速度信号
を回転制御部１７に出力する。即ち、フィードバック系
とは切り離され、所定コマンドが検出されたとき、それ
に応じて予め決められた固定の回転数を強制的に冷却フ
ァン１３に与えるための制御信号を出力する。所定コマ
ンドは、機器の運転状態に応じて分けた複数の区間のう
ち特別な区間で出すようにしてある。特別な区間は、特
に温度変化が大きいと予測される区間を指し、例えば半
導体試験装置の電源立上げ時、発熱量の急激な変化を伴
う実行時、半導体試験装置の電源立下げ時を含む区間を
いう。フィードフォアード制御によって特定される冷却
ファン１３の回転数は、いずれも設定温度を確保するた
めのものであるが、フィードバック制御の可変速と異な
り固定速度とする。このように制御される冷却ファン１
３の固定速度を例えば、低速、中速、高速の３段階に分
けた場合、電源立上げ区間では、最終値に落着く温度が
実行時に比して低いので低速回転、実行区間では急激に
温度が上昇することが予測できるので中速あるいは高速
回転、そして電源立下げ区間ではデバイスの破壊を確実
に回避するために高速回転とする。

【００２８】回転制御部１７は、フィードバック制御部
１６またはフィードフォアード制御部１８の出力信号に
応じて冷却ファン１３の回転数を制御する。この回転制
御部１７はドライバ機能をもち、制御部１６、又は１８
から入力される信号を増幅して直接冷却ファン１３を駆
動できるように変換する。フィードバック制御がかかっ
ているときはフィードフォアード制御が禁止され、逆に
フィードフォアード制御がかかっているときはフィード
バック制御が禁止されるようになっている。両制御の衝
突を防止して制御を有効なものとするためである。

【００２９】このような構成において、図２に示すよう
に電源立上げ後の安定時、発熱量の比較的緩慢な変化を
伴う小変動時Ｆ，Ｈは、検知温度に基づいて出力される
フィードバック制御部１６の制御信号により冷却ファン
１３の可変速回転制御がなされる。半導体試験装置の電
源立上げ時Ｅ、発熱量の急激な変化を伴う実行時Ｇ、半
導体試験装置の電源立下げ時Ｉは、これらの時に出され
る所定コマンドに基づいて出力されるフィードフォアー
ド制御部１８からの制御信号により冷却ファン１３の段
階定速転制御がなされる。

【００３０】さて、次にこのような制御結果の説明を図
３を用いて行う。図３( Ａ) において、曲線ａはファン
による冷却を全く行なっていない無冷却時、曲線ｂは本
実施例による最適冷却時、曲線ｃは常時定速回転させる
従来の過冷却時の温度特性を示す。図３( Ｂ) におい
て、曲線ｂｂは本実施例による最適冷却時、曲線ｃｃは
従来例による過冷却時の制御回転特性(制御信号特性)
をそれぞれ示す。

【００３１】電源立上げ時には、半導体試験装置内の温
度は徐々に上昇していきその後安定期に入る。従って、
この区間Ｅは、安定期に入ったときに最大となる静止発
熱を抑制して設定温度Ｔ0 に保つ必要がある。この設定
温度Ｔ0を保つために必要な回転速度は、徐々に上げて
いくようにしてもよいが、最初から付与しておく方が効
率的である。この回転速度Ｎ1 は、速度一定でよいか
ら、フィードフォアード制御部１８を使って、これから
回転制御部１７を介して冷却ファン１３に与える。

【００３２】半導体試験装置の運転、即ち実行ルーチン
に入る前のスタンバイ区間Ｆでは、通常、半導体試験装
置内の温度は急激な変動は伴わず、緩慢な変動となる。
従って、この緩慢な温度変動を抑制するために必要な冷
却ファン１３の回転数は、温度センサの１４の検知温度
に基づくフィードバック制御部１６を使い、これから回
転制御部１７を介して冷却ファン１３に与える。これに
より、半導体試験装置内温度を設定温度Ｔ0 に保持す
る。

【００３３】実行ルーチン区間Ｇに入ると、それまで作
動していなかった回路部品は作動を開始するため、全体
の回路部品の発熱量が増大し、また一部の回路部品に急
激な発熱を生じる。このため半導体試験装置内の温度に
急激な変動を生じる。回転制御による冷却ファン１３の
応答は、機械的動作を伴うため遅く、それほどスピード
は期待できない。従って、たとえこの急激な変動に基づ
いて制御したとしても、その変動について行くことがで
きない。そこで、急激な変動を予知して、急激な変動が
生じる前に回転制御する必要がでてくる。フィードフォ
アード制御が要求される所以である。一般に実行ルーチ
ンに入るときは半導体試験装置の動作を統括する主制御
部( 図示せず) からコマンドが出され、実行ルーチンの
終了でそのコマンドはなくなる。従って、このコマンド
を実際より早く出して、それを先行制御用の回転制御信
号に使うこととし、遅延後のコマンドを実際のコマンド
指令とする。即ち、実行ルーチン区間Ｇでは、フィード
フォアード制御が行なわれる。実行ルーチンに入ったと
きには、フィードフォアード制御部１８により回転制御
された冷却ファン１３は、中速または高速回転状態Ｎ0
に入っており、急激な熱変動を有効に抑制して、半導体
試験装置内温度を設定値Ｔ0 に保つ。

【００３４】実行ルーチンから抜け出でると再び安定期
に入るが、この区間Ｈは先に説明したスタンバイ区間Ｆ
と同じフィードバック制御がなされ、半導体試験装置内
温度が設定温度に保持する。

【００３５】電源立下げ時の区間Ｉは、既述したように
半導体試験装置内の高温部分が、一時的に急昇温する現
象が有る。これに対処するために交流電源を断にして
も、冷却ファン用の直流電源は切れないようにしてお
く。必要ならば、誤ってブレーカを落とした場合でも、
冷却ファン１３の回転を確保するために、冷却用の電源
はバックアップされるようにしておく。このように半導
体試験装置の電源断時にも冷却ファン用の直流電源を確
保した上で、冷却ファン１３の回転制御をフィードフォ
アード制御する。フィードバック制御では一時的な急昇
温に対処できないからである。このために、緩衝器を設
けて電源立下げ時に、瞬時に電源が断にならないように
すると共に、立下げ時にフィードフォアード制御部１８
へ所定コマンドが出るようにする。フィードフォアード
制御により、電源立下げ時であっても半導体試験装置内
温度を設定温度Ｔ0 に抑制した状態から徐々に降温して
行く。

【００３６】図６は、図１についての冷却制御の具体的
なフローチャートを示す。ここでは、４台の冷却ファン
１３を＃１〜＃４、４枚のプリント基板１２を発熱体Ａ
〜Ｄ、フィードバック制御部１６をＦＢ制御部１６、フ
ィードフォアード制御部１８をＦＦ制御部１８、ＦＦ制
御部の回転設定値を予知情報とする。

【００３７】半導体試験システムをパワオンするとＦＦ
制御部１８の制御により冷却ファン＃１〜＃４は中速回
転に入る( ステップ６０１〜６０２) 。安定期に入ると
発熱体Ａ〜Ｄは静止発熱状態となり、温度センサ１４に
より各部の温度が検出される( ステップ６０３〜６０
４) 。検出温度がＦＦ制御部１６で発熱体設定値と比較
され、設定値と等しくなるように回転制御部１７は冷却
ファン＃１〜＃４を適性回転にする( ステップ６０５〜
６０７) 。

【００３８】ここで、システムがスタートして実行ルー
チンで発熱体Ａをアクセスすると、ＦＦ制御部１８が回
転制御部１７に発熱体Ａのアクセス予知情報をセットす
る( ステップ６０８〜６１０) 。発熱体Ａが動作して発
熱すると、アクセス予知情報に基づいて回転制御部１７
は冷却ファン＃１〜＃４を適性回転にする( ステップ６
１１〜６１３) 。

【００３９】実行ルーチンから抜け出ると、再び温度セ
ンサ１４により各部の温度が検出され、検出温度がＦＦ
制御部１６で発熱体設定値と比較され、設定値と等しく
なるように回転制御部１７は冷却ファン＃１〜＃４を適
性回転にする(ステップ６１４〜６１７) 。

【００４０】次に、実行ルーチンで発熱体Ｂがアクセス
されると、ＦＦ制御部１８が回転制御部１７に発熱体Ｂ
のアクセス予知情報をセットする( ステップ６１８〜６
１９) 。そして、発熱体Ｂが動作して発熱すると( ステ
ップ６２０) 、以下、発熱体Ａと同様な制御が繰り返さ
れる。このように、本具体例では実行ルーチンにあるか
否かによってＦＢ制御とＦＦ制御とを切り替えるように
して、冷却ファンの回転数を最適制御している。

【００４１】以上述べたように本実施例によれば、半導
体試験装置内の温度が常に設定温度になるように、冷却
ファンの回転を最適制御するようにしたことにより、次
のような優れた効果を発揮する。

【００４２】(1) 半導体試験装置内の温度が均一になり
信頼性が向上する。

【００４３】(2) 冷却ファンが固定の高速回転ではな
く、温度に合った適正回転に変化するため、冷却ファン
の寿命が大幅に延びる。

【００４４】(3) 半導体試験装置停止時、冷却ファンの
回転を自動的に上げるようにして、装置内の高温部分の
温度上昇に対処できるようにしたので、誤操作により電
子部品を破壊させるようなことがなくなる。

【００４５】(4) 最適回転制御により、半導体試験装置
の空冷ファンの回転騒音が著しく減少する。因みに従来
の７０ｄＢ〜９０ｄＢから５０ｄＢ〜７０ｄＢに落とす
ことが期待できる。

【００４６】なお、上記実施例では電子機器として半導
体試験装置の場合について説明したが、本発明はこれに
限定されない。機器内の発熱部品を冷却ファンによって
冷却するものであれば、いずれの電子機器にも適用でき
る。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、装置
内の温度に合わせたファン回転数の最適制御を行うよう
にしたので、冷却効率が高く、信頼性に優れ、しかも騒
音を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による半導体試験装置の冷却制
御装置の構成を示すブロック図。

【図２】本実施例による制御のタイムチャート。

【図３】本実施例と従来例とを比較した温度、回転速度
特性図。

【図４】従来例の冷却装置の概念図。

【図５】本実施例の冷却制御装置の概念図。

【図６】本実施例のコマンド制御を示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１１ 筐体 １２ プリント基板 １３ 冷却ファン １４ 温度センサ １６ フィードバック制御部 １７ 回転制御部 １８ フィードフォアード制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筐体内に多数設けた発熱部品を冷却制御
   するようにした電子機器の冷却制御装置おいて、 ケーシング内に冷却空気を取り込んで発熱部品を冷却す
   る冷却ファンと、 機器内の温度を検知する温度センサと、 検知温度を設定温度と比較してそれに応じた可変の回転
   制御信号を出力するフィードバック制御部と、 所定コマンドを検出したとき、コマンドに応じた固定の
   回転制御信号を出力するフィードフォアード制御部と、 前記フィードバック制御部またはフィードフォアード制
   御部の出力信号に応じて前記冷却ファンの回転数を制御
   する回転制御部とを備え、 電子機器の電源立上げ後の比較的緩慢な温度変化を伴う
   小変動時は、検知温度に基づいて出力されるフィードバ
   ック制御部の制御信号により冷却ファンの回転制御がな
   され、 電子機器の電源立上げ時等発熱量の急激な変化を伴う時
   は、その時に出される所定コマンドに基づいて出力され
   るフィードフォアード制御部からの制御信号により冷却
   ファンの回転制御がなされるように構成されていること
   を特徴とする電子機器の冷却制御装置。