JP6180392B2 - 冷却異常検出システム - Google Patents

Description

本発明は、発熱部品と該発熱部品に接して放熱する冷却部品との間の接触部における異常を検出する冷却異常検出システムに関する。

従来、発熱量の大きい発熱部を放熱するために発熱部に接して冷却部を設け、空気又は水により発熱部を冷却する空冷方式又は水冷方式が一般的に用いられている。また、一部の空調機では、空気及び水以外の冷媒を用いた冷却システムが実用化されている。これらの冷却システムでは、発熱部と冷却部との間の熱抵抗値を抑制するように接触させることが重要であるため、発熱部と冷却部との間に熱伝導材を配して発熱部と冷却部との密着性を確保する。熱伝導材の一例には、シリコングリスが挙げられる。このような冷却システムにおける異常検出は、発熱部品の温度、発熱部品の消費電力及び周囲温度に基づいて行われる。

例示する特許文献１には、「電子回路の冷却部の実装不良や故障等の異常を確実且つ簡便な手法で検査可能な異常検査システムを提供する」ことを課題とし、「発熱部品２と該発熱部品を冷却する冷却部３とを備えた電子回路１における冷却部の異常検査システムが、発熱部品２の温度を検出する部品温度検出部４と、発熱部品２における消費電流を検出する消費電流検出部５と、部品温度検出部４によって検出された部品温度と消費電流検出部５によって検出された消費電流とに基づいて冷却部３の異常を判定する異常判定部７とを具備する」ことが開示されている。

特開２０１１−２５３８８７号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、消費電流が少ないにもかかわらず部品温度が高い場合に冷却システム内に異常が生じていることを検出するに留まり、検出される異常は冷却システム全体の異常である。そのため、冷却システム全体における異常の有無の検出は可能であるが、具体的な異常箇所の特定ができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発熱部品と冷却部品との間の接触部における異常を検出することが可能な冷却異常検出システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷却異常検出システムは、発熱部品と冷却部品が接触部を介して接触して前記冷却部品が前記発熱部品からの放熱を行う冷却システムの異常検出を行う冷却異常検出システムであって、前記発熱部品の温度を検出する発熱部品温度検出手段と、前記発熱部品における消費電力値を検出する発熱部品消費電力検出手段と、前記冷却部品の温度を検出する冷却部品温度検出手段と、前記発熱部品の温度、前記冷却部品の温度及び前記消費電力値を用いて前記発熱部品と前記冷却部品との間の前記接触部の熱抵抗値を算出して出力する熱抵抗算出手段と、前記発熱部品及び前記冷却部品が設けられた筐体内の温度であるシステム内温度を検出するシステム内温度検出手段と、前記システム内温度と前記冷却部品の温度との温度差と、前記冷却部品の温度と前記発熱部品との温度差の比率とを算出する温度比算出手段とを備え、算出した前記比率が予め設定した範囲外である場合には、前記発熱部品と前記冷却部品との間に異常があると判定することを特徴とする。

本発明によれば、発熱部品と冷却部品との間の接触部における異常を検出することが可能な冷却異常検出システムを得ることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る冷却異常検出システムの構成を示す図 実施の形態１における熱抵抗算出の概念を示す図 実施の形態２に係る冷却異常検出システムの構成を示す図 実施の形態３に係る冷却異常検出システムの構成を示す図 実施の形態４に係る冷却異常検出システムの構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る冷却異常検出システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却異常検出システムの構成を示す図である。図１に示す冷却異常検出システムは、発熱部品１０と、発熱部品１０の温度Ｔ_Ｈを検出する発熱部品温度検出部１１と、発熱部品１０における消費電力値Ｐ _Ｈ を検出する発熱部品消費電力検出部１２と、発熱部品１０から接触部３０を介して発熱部品１０からの放熱を行う冷却部品２０と、冷却部品２０の温度Ｔ_Ｃを検出する冷却部品温度検出部２１と、発熱部品１０の温度Ｔ_Ｈ、冷却部品２０の温度Ｔ_Ｃ及び消費電力値Ｐ_Ｈを用いて発熱部品１０と冷却部品２０との間の熱抵抗値θ_ＨＣを算出して出力する熱抵抗算出部４０とを備え、熱抵抗値θ_ＨＣにより発熱部品１０と冷却部品２０との間の接触部３０の異常検出を行う。

発熱部品１０の一例は、コンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＩＧＢＴ若しくはダイオードを含むパワー半導体である。発熱部品１０は、シリコンから構成される半導体素子を含む複数個の電子回路部品であってもよいし、又はシリコン半導体よりも高温動作が可能な炭化シリコンであるＳｉＣ、窒化ガリウムであるＧａＮ若しくはダイヤモンドから構成されるワイドバンドギャップ半導体素子を含む複数個の電子回路部品であってもよい。又はこれらの半導体素子を複数組み合わせた電子回路部品であってもよい。

発熱部品温度検出部１１は、発熱部品１０の温度を検出し、熱抵抗算出部４０に温度Ｔ_Ｈを出力する発熱部品温度検出手段である。発熱部品温度検出部１１の一例は、発熱部品１０の内部又は外部に接して設けられた感温素子である。

発熱部品消費電力検出部１２は、発熱部品１０の消費電力値を検出し、熱抵抗算出部４０に消費電力値Ｐ_Ｈを出力する発熱部品消費電力検出手段である。発熱部品消費電力検出部１２は、発熱部品１０の電流及び電圧を検出して、これらの積により消費電力値Ｐ_Ｈを算出する。

冷却部品２０は、発熱部品１０から接触部３０を介して放熱を行うことで発熱部品１０を冷却する。冷却部品２０の冷却方式には、自然空冷方式、強制空冷方式、水冷方式、冷媒冷却方式、ヒートパイプ方式及びペルチェ方式を例示列挙することができる。

冷却部品温度検出部２１は、冷却部品２０の温度を検出し、熱抵抗算出部４０に温度Ｔ_Ｃを出力する冷却部品温度検出手段である。冷却部品温度検出部２１の一例は、冷却部品２０の内部に設けられ、又は冷却部品２０の外側に接して設けられた感温素子である。

熱抵抗算出部４０は、発熱部品１０の温度Ｔ_Ｈ、冷却部品２０の温度Ｔ_Ｃ及び発熱部品１０の消費電力値Ｐ_Ｈを用いて、発熱部品１０と冷却部品２０との間の接触部３０の熱抵抗値θ_ＨＣを算出して出力する熱抵抗算出手段である。熱抵抗算出部４０は、コンピュータのＣＰＵ又はマイコンによって実現することができる。発熱部品１０であるＣＰＵによって熱抵抗算出部４０を実現してもよい。熱抵抗算出部４０から出力された熱抵抗値θ_ＨＣは、異常判定部５０に入力される。

異常判定部５０は、熱抵抗値θ_ＨＣにより発熱部品１０と冷却部品２０との間の接触部３０における異常検出の有無を判定する。熱抵抗値θ_ＨＣが予め設定した範囲外である場合には、異常判定部５０は出力部６０に異常信号を出力する。又は、異常判定部５０は異常信号とともに熱抵抗値θ_ＨＣを出力部６０に出力してもよい。なお、異常判定部５０は、コンピュータのＣＰＵによって実現することができる。発熱部品１０であるＣＰＵによって異常判定部５０を実現してもよい。

出力部６０は、異常を報知する報知手段であればよく、表示装置を例示することができる。又は、異常信号入力時に冷却システムに設けられた異常信号用のランプを点灯若しくは点滅させる構成であってもよい。なお、報知手段は視覚的な報知手段に限定されるものではなく、異常信号が入力されるとブザーが鳴る構成であってもよい。出力部６０をこのような報知手段とすると、使用者の五感を介して冷却システム内の接触部３０に異常が生じていることを認識することができる。

又は、出力部６０が表示装置である場合には、表示装置に異常の有無のみならず熱抵抗値θ_ＨＣが表示される構成であってもよい。又は、表示装置に異常の有無を表示せず、単に熱抵抗値θ_ＨＣが表示される構成であってもよい。出力部６０をこのような構成とすると、使用者は熱抵抗値θ_ＨＣを認識することができる。

又は、出力部６０の報知対象が使用者でなく、発熱部品１０であってもよい。出力部６０が出力する異常信号を発熱部品１０に入力して発熱部品１０が停止する構成であってもよい。又は、出力部６０が出力する熱抵抗値θ_ＨＣが発熱部品１０に入力され、熱抵抗値θ_ＨＣに応じて発熱部品１０の消費電力値が制限される構成であってもよい。このような構成とすると、発熱部品１０が許容可能な消費電力値を超えないように発熱部品１０を制御して動作させることができるため、発熱部品１０を停止させることなく継続動作させることができる。

図２は、熱抵抗算出の概念を示す図である。熱抵抗算出部４０は、図２に示すように、発熱部品１０の温度Ｔ_Ｈと冷却部品２０の温度Ｔ_Ｃとの温度差を、発熱部品１０の消費電力値Ｐ_Ｈで除することで接触部３０の熱抵抗値θ_ＨＣを算出する。すなわち、熱抵抗値θ_ＨＣは下記の式（１）で表される。

上記の式（１）により算出された熱抵抗値θ_ＨＣは異常判定部５０に入力され、異常判定部５０は、熱抵抗値θ_ＨＣが予め設定した範囲内であるか否かを判定する。熱抵抗値θ_ＨＣが予め設定した範囲外である場合には、異常判定部５０から出力部６０に異常信号が出力される。又は、異常判定部５０から出力部６０に熱抵抗値θ_ＨＣが出力される。

従来の技術では、冷却システム全体に異常があるか否かの検出は可能であったが、具体的な異常箇所の特定は困難であり、異常箇所の特定に時間及びコストを要する。一例を挙げると、強制空冷方式において異常が検出された際に、異常の原因が、冷却部であるヒートシンクへの流入風量の不足であるのか又は冷却部であるヒートシンクと発熱部品との間の接触不良であるのかを切り分けることは、従来の技術では困難であり、時間及びコストを要する。水冷方式又は空気及び水以外の冷媒による冷媒冷却方式を用いた複雑な冷却システムでは、異常箇所の特定は特に困難であり、多大な時間及びコストを要する。そのため、冷却システムの出荷検査時のみならず、保守サービス時又は修理時においても、異常箇所の特定から修復までに時間及びコストを要し、生産者側及び消費者側の双方に不都合である。

本実施の形態にて説明した構成により、発熱部品と冷却部品との間の接触部における異常の有無を検出することができる。そのため、冷却システムの出荷検査時、保守サービス時又は修理時に異常が検出された場合であっても、異常箇所の特定に時間及びコストを要さず、異常箇所の特定から修復を迅速に行うことができる。

さらには、本実施の形態にて説明した構成により、熱抵抗を精度よく継続的に算出することができるため、使用環境による接触部の劣化の度合いに応じて発熱部品が許容可能な消費電力値をフィードバックさせると、冷却システムを停止させることなく継続動作させることができる。なお、接触部の劣化には、接触部に配したシリコングリスの変質若しくは流出又は発熱部品と冷却部品を固定する固定部材の劣化を例示することができる。なお、固定部材の劣化の一例は、固定部材であるねじの緩みである。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る冷却異常検出システムの構成を示す図である。図３に示す冷却異常検出システムは、図１に示す冷却異常検出システムにおける発熱部品消費電力検出部１２に代えてシステム内消費電力検出部７２を備える。

システム内消費電力検出部７２は、発熱部品１０、冷却部品２０、発熱部品温度検出部１１及び冷却部品温度検出部２１を含むシステム全体の消費電力値を検出し、熱抵抗算出部４０に消費電力値Ｐ_Ｓを出力するシステム内消費電力検出手段である。システム内消費電力検出部７２は、システム全体の電流及び電圧を検出して、これらの積により消費電力値Ｐ_Ｓを算出する。

図３に示す冷却異常検出システムでは、発熱部品１０の消費電力値と、発熱部品１０、冷却部品２０、発熱部品温度検出部１１及び冷却部品温度検出部２１を含むシステム全体の消費電力値とが概ね等しい値である。すなわち、システム内において電力を消費する部品が発熱部品１０のみである。又は、発熱部品１０の消費電力値に対して、冷却部品２０、発熱部品温度検出部１１及び冷却部品温度検出部２１の消費電力値が熱抵抗の算出において無視できる値である。ここで、具体的には、発熱部品１０の消費電力値が冷却部品２０、発熱部品温度検出部１１及び冷却部品温度検出部２１の消費電力値の１０倍を超える値である場合には、冷却部品２０、発熱部品温度検出部１１及び冷却部品温度検出部２１の消費電力値は無視できる値であるといえる。このような構成とすると、発熱部品消費電力検出部１２を設けなくても本発明を実現することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る冷却異常検出システムの構成を示す図である。図４に示す冷却異常検出システムは、図１に示す冷却異常検出システムにおける発熱部品消費電力検出部１２が設けられておらず、システム内温度検出部７１が設けられ、熱抵抗算出部４０に代えて温度比算出部８０が設けられている。また、異常判定部５０に代えて異常判定部５０ａが設けられている。

システム内温度検出部７１は、発熱部品１０及び冷却部品２０と同一筐体内に設けられ、該筐体内の温度を検出し、温度比算出部８０に温度Ｔ_Ｓを出力するシステム内温度検出手段である。言い換えると、システム内において周囲温度を検出して出力する周囲温度検出手段である。ただし、システム内温度検出部７１は発熱部品１０及び冷却部品２０と同一筐体内に設けられるものに限定されない。一例として、強制空冷方式では、発熱部品１０及び冷却部品２０が設けられた筐体の外側にシステム内温度検出部７１を設け、冷却部品２０に当てられる風の温度を検出する構成としてもよい。

温度比算出部８０は、発熱部品１０の温度Ｔ_Ｈ、冷却部品２０の温度Ｔ_Ｃ及びシステム内の温度Ｔ_Ｓを用いて、下記の式（２）により温度差の比率Ｒ_Ｔを算出して出力する温度比算出手段である。

温度比算出部８０は、上記の式（２）により算出した温度差の比率Ｒ_Ｔを異常判定部５０ａに出力する。異常判定部５０ａは、温度差の比率Ｒ_Ｔが予め設定した範囲外である場合には、発熱部品１０と冷却部品２０との間の接触部３０に異常があると判定する。なお、温度比算出部８０は、コンピュータのＣＰＵによって実現することができる。発熱部品１０であるＣＰＵによって温度比算出部８０を実現してもよい。

本実施の形態に示した構成とすると、熱抵抗を算出することなく接触部の異常を判定することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る冷却異常検出システムの構成を示す図である。図５に示す冷却異常検出システムは、発熱部品１０内に記憶部１３を備える点が図１に示す冷却異常検出システムと異なる。

ここで、記憶部１３には、予め測定された発熱部品１０の特性が記憶されており、発熱部品消費電力検出部１２は取得した消費電力値Ｐ_Ｈを発熱部品１０の特性により補正し、消費電力補正値Ｐ_Ｈａを熱抵抗算出部４０に出力する。このような構成とすると、発熱部品１０の特性に応じた精度の高い消費電力値を取得することができ、算出される熱抵抗値θ_ＨＣの精度を向上させることができる。

又は、記憶部１３に動作モード又は試験モードに応じた発熱部品１０の消費電力値Ｐ_Ｈが記憶され、発熱部品消費電力検出部１２が、発熱部品１０の動作モード又は試験モードに応じて消費電力値Ｐ_Ｈを読み出して熱抵抗算出部４０に出力する構成であってもよい。

又は、図３に示す構成と図５に示す構成とを組み合わせてもよい。すなわち、記憶部１３に動作モード又は試験モードに応じたシステム全体の消費電力値Ｐ_Ｓが記憶されており、システム内消費電力検出部７２が、発熱部品１０の動作モード又は試験モードに応じて消費電力値Ｐ_Ｓを読み出して、熱抵抗算出部４０に出力してもよい。

以上の実施の形態にて説明したように、発熱部品と冷却部品との間の接触部における異常を検出することができる。このように接触部における異常の有無を検出することができるため、発熱部品の放熱に問題がある場合に、冷却部品に異常があるのか又は発熱部品と冷却部品の間の接触部に異常があるのかを明らかにすることができ、異常箇所の切り分けが可能である。したがって、冷却システムに異常が生じた場合に異常箇所の特定が可能となり、異常箇所を特定することで修理又は交換を行って異常への対応を迅速に行うことができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ 発熱部品、１１ 発熱部品温度検出部、１２ 発熱部品消費電力検出部、１３ 記憶部、２０ 冷却部品、２１ 冷却部品温度検出部、３０ 接触部、４０ 熱抵抗算出部、５０，５０ａ 異常判定部、６０ 出力部、７１ システム内温度検出部、７２ システム内消費電力検出部、８０ 温度比算出部。

Claims (4)

1. 発熱部品と冷却部品が接触部を介して接触して前記冷却部品が前記発熱部品からの放熱を行う冷却システムの異常検出を行う冷却異常検出システムであって、
   前記発熱部品の温度を検出する発熱部品温度検出手段と、
   前記発熱部品における消費電力値を検出する発熱部品消費電力検出手段と、
   前記冷却部品の温度を検出する冷却部品温度検出手段と、
   前記発熱部品の温度、前記冷却部品の温度及び前記消費電力値を用いて前記発熱部品と前記冷却部品との間の前記接触部の熱抵抗値を算出して出力する熱抵抗算出手段と、
   前記発熱部品及び前記冷却部品が設けられた筐体内の温度であるシステム内温度を検出するシステム内温度検出手段と、
   前記システム内温度と前記冷却部品の温度との温度差と、前記冷却部品の温度と前記発熱部品との温度差の比率とを算出する温度比算出手段とを備え、
   算出した前記比率が予め設定した範囲外である場合には、前記発熱部品と前記冷却部品との間に異常があると判定する冷却異常検出システム。
2. 前記冷却部品は、自然空冷方式、強制空冷方式、水冷方式、冷媒冷却方式、ヒートパイプ方式及びペルチェ方式のいずれか一つを用いて前記発熱部品からの放熱を行う請求項１に記載の冷却異常検出システム。
3. 前記発熱部品温度検出手段は、前記発熱部品の内部に設けられ又は前記発熱部品の外側に接して設けられた感温素子である請求項１又は請求項２に記載の冷却異常検出システム。
4. 前記発熱部品は、炭化シリコン、窒化ガリウム若しくはダイヤモンドから構成されるワイドバンドギャップ半導体又はシリコン半導体を含む複数個の電子回路部品で構成されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷却異常検出システム。

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