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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen
der Luftkühlung integrierter
Schaltungen in einem elektronischen Gerät, siehe beispielsweise DE-A-43 30 922.
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Beschreibung
des einschlägigen
Standes der Technik
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Um
integrierte Schaltungen in einem elektronischen Gerät gegen
Wärmeschäden zu schützen, ist
es übliche
Praxis, mittels eines (Kühl-)Gebläses einen
Raum innerhalb eines elektronischen Gerätes, in dem integrierte Schaltungen
angeordnet sind, zu belüften.
Um den belüfteten
Zustand des Raumes zu überwachen,
ist es bekannt, mittels eines Temperatursensors die Temperatur an
einem geeigneten Punkt innerhalb des Raumes zu messen. Die gemessene
Temperatur wird mit einem vorbestimmten oberen Temperaturwert verglichen.
Es wird ein Befehl zum Unterbrechen des Betriebes des elektronischen Gerätes ausgegeben,
wenn die gemessene Temperatur die vorbestimmte obere Grenze erreicht.
Dieser Stand der Technik wird als üblich in JP-A 4-295223 beschrieben.
Gemäß JP-A 4-295223
wohnt diesem Stand der Technik das potentielle Problem inne, daß kein Alarm
erzeugt wird, bevor das elektronische Gerät seinen Betrieb abbricht,
und somit ist keine Zeit vorhanden, zuvor Daten zu speichern.
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Um
dieses Problem zu lösen,
lehrt JP-A 4-295223 das Vergleichen der gemessenen Temperatur mit
einem Warn-Temperaturwert, der niedriger als die vorbestimmte obere
Grenze ist, und das Erzeugen eines Alarms, wenn die Messung den Warn-Temperaturwert
erreicht. Sie lehrt auch das Messen der Geschwindigkeit eines Lüftungsgebläses und
der Luftströmungsmenge
oder -geschwindigkeit vor dem Gebläse, d.h. stromaufwärts in bezug auf
den Luftstrom, der durch den Raum hindurchtritt. Die Messungen der
Gebläsegeschwin digkeit
und der Luftstrommenge oder -geschwindigkeit werden in einer vorbestimmten
Logik verarbeitet, um zwei verschiedene Informationen betreffend
die Gründe
des Temperaturanstiegs in dem Raum zu erzeugen. Gemäß der Logik
wird, wenn die Messung der Gebläsegeschwindigkeit
unter einen vorbestimmten Wert fällt,
ein Alarm erzeugt, daß Schwierigkeiten
am Gebläse
auftreten, und wenn die Messung der Luftstrommenge oder -geschwindigkeit
unter einen vorbestimmten Wert fällt,
wird ein anderer Alarm erzeugt, daß der Luftfilter verstopft
ist.
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US-A
5,477,417 lehrt die Verwendung einer integrierten Schaltungs (IC)-Einrichtung
einschließlich
eines eingebauten Positiv-Temperaturkoeffizient (PTC)-Thermistors.
Der Thermistor ist nahe einem integrierten Schaltungschip angeordnet,
der im Betrieb Wärme
freisetzt. Der Thermistor weist eine Kennlinie auf, wonach sich
sein Widerstand in Reaktion auf eine Temperaturänderung ändert. Die IC-Einrichtung umfaßt einen
Ausgabechip für
ein Signal für
abnormale Temperatur. Dieser Chip schließt ein Invertergate und einen
festen Widerstand ein, der zwischen einem Anschluß, auf den
eine Spannungsquelle eingeprägt
ist, und einem Ende des Thermistors geschaltet ist. Das andere Ende
des Thermistors ist mit einem geerdeten Anschluß verbunden. Das Eingangsende
des Invertergates ist mit einem Zwischenpunkt zwischen dem Thermistor
und dem Widerstand verbunden. Das andere oder Ausgangsende des Invertergates
ist mit einem Anschluß verbunden,
der als Ausgangsanschluß verwendet
wird. Wenn die Temperatur, der der Thermistor ausgesetzt ist, einen
voreingestellten Temperaturwert einnimmt, ändert sich das Potential am
Ausgangsanschluß von seinem
hohen Niveau (EIN) auf sein niedriges Niveau (AUS). Dieses US-Patent
lehrt auch ein elektronisches Gerät, bei dem seinem Rahmen eine
Anzahl gedruckter Schaltungstafeln angebracht ist. Auf jeder der
gedruckten Schaltungstafeln ist eine große Anzahl IC-Einrichtungen angebracht.
Unter ihnen sind einige IC-Einrichtungen mit einem eingebauten Thermistor.
Gebläse
sind an einer rückwärtigen Platte,
die am Rahmen befestigt ist, angebracht, und es ist ein Einlaßkanal in
einer an dem Rahmen befestigten Vorderplatte ausgebildet. Innerhalb
des Rahmens ist zwischen dem Lufteinlaßkanal und den Gebläsen eine
Mehrzahl Luftströmungswege
definiert. In dem Rahmen sind eine Steuerung und eine Alarmeinheit angeordnet.
Die Steuerung ist so programmiert, daß sie die Alarmeinheit zum
Erzeugen eines Alarmsignals und einen Gebläseantrieb zum Erhöhen der
Geschwindigkeit der Gebläse
veranlaßt,
wenn festgestellt wird, daß das
Potential an einer oder mehrerer der IC-Einrichtungen mit eingebautem Thermistor eine
abnormal hohe Temperatur anzeigt. Es ist vorgeschlagen, eine Verringerung
in der Betriebstaktfrequenz einer CPU zu bewirken, wenn bestimmt
wird, daß die
Temperatur einen abnormal hohen Wert erreicht hat.
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Nunmehr
sei ein IC-Belüftungs-Überwachungsgerät betrachtet,
bei dem ein Temperatursensor so angeordnet ist, daß er die
Temperatur auf der stromabwärtigen
Seite in bezug auf den Strom der Belüftungsluft innerhalb eines
Gehäuses
erfaßt,
und eine integrierte Schaltung innerhalb des Gehäuses umfaßt einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM).
Der SRAM erzeugt nur eine geringe Wärmemenge im Vergleich zu der
Wärmemenge,
die von dem gesamten System erzeugt wird. Aber er hat eine geringe
Packungsgröße und Wärmekapazität, was die
Möglichkeit
erhöht,
daß die
Temperatur des SRAMs außergewöhnlich hoch
wird. Deshalb kann die oben erwähnte Überwachungsvorrichtung
ein abnormales Ereignis des SRAMs nicht erfassen.
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Es
sei nunmehr eine weitere IC-Belüftungs-Überwachungsvorrichtung
betrachtet, bei der Temperatursensoren in Form von ICs auf einer
integrierten Schaltungseinrichtung angebracht sind. In diesem Fall
ist, um die integrierte Schaltungseinrichtung gegen Wärmeschäden zu schützen, eine
höchst genaue
Vorausschau oder Information erforderlich, um die Zahl und Lagerstellen
der Temperatursensoren und Grenztemperaturwerte zu bestimmen.
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Wenn
ein Temperatursensor auf der Ausgabeseite einer integrierten Schaltungseinrichtung
angeordnet ist, so wird die Temperatur des Gesamtsystems überwacht.
Somit wird nach Betrachtung einer zulässigen Steigerung der Temperatur
des Gesamtsystems ein Grenztemperaturwert eingestellt. Die Umgebungstemperatur
und die Gesamtbelastung des Systems bestimmen den Anstieg der inneren Temperatur
des Systems. Somit wird nach Inbetrachtziehen des großen Beitrages
einer CPU, die eine große
Wärmemenge
erzeugt, ein relativ hoher Temperaturwert als Grenztemperaturwert
für einen Anstieg
der systeminternen Temperatur eingestellt.
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Es
sei angenommen, daß eine
CPU und ein SRAM jeweils auf verschiedenen Karten angebracht sind
und der Weg des Einströmens
der Kühlluft
zur angebrachten SRAM-Karte verstopft ist, was ein abnormales Ereignis
verursacht, indem die interne Temperatur dieser Karte außerordentlich
hoch wird, was einen Wärmeschaden
herbeiführt.
Dieses abnormale Ereignis kann nicht festgestellt werden, wenn der
relativ hohe Temperaturwert als Referenztemperatur des Temperatursensors
eingestellt wird.
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Dieses
Problem bleibt ungelöst,
selbst wenn benachbart zu einer integrierten Schaltung wie einer CPU
mit einer großen
Wärmeerzeugungsfähigkeit ein
Temperatursensor zum Uberwachen deren Temperatur angebracht ist.
Diese Anordnung des Temperatursensors wirft ein weiteres Problem
auf, daß nämlich, da
sie weniger hoch als eine CPU mit Wärmeableitungsrippen ist, der
Temperatursensor nicht die Lufttemperatur, die die CPU passiert
hat, überwachen
kann.
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Die
Temperatur der an der CPU vorbeigeströmten Luft variiert mit deren
Umgebungstemperatur und -belastung, wobei es schwierig wird, einen Grenztemperaturwert
einzustellen, mit dem eine Messung der Temperatur verglichen wird.
Die Temperatur von Luft, die um die CPU herumgeströmt ist, ändert sich
in Reaktion auf einen Wechsel im Betriebsverhalten der CPU beträchtlich.
Es sei angenommen, daß die
Luftströmungsgeschwindigkeit merklich
niedriger als das erwartete Niveau und daß die Belastung auf der CPU
niedrig ist, so daß die Temperatur
der Luft, die um die CPU herum geströmt ist, niedriger als der Grenztemperaturwert
bleibt. Diese Belüftungsumgebung
kann eine Steigerung der internen Temperatur des benachbarten SRAM
auf ein Niveau zulassen, das dessen Wärmebeschädigung auslöst, wobei der an dem SRAM auftretende
abnormale Vorgang unerfaßt
bleibt.
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Das
Schützen
aller integrierter Schaltkreise erfordert eine Anzahl Temperatursensoren,
die auf einer Karte angebracht werden müssen. Jedoch machen es die
anderen integrierten Schaltkreise auf der Karte schwierig, daß solche
Temperatursensoren an ihren geeigneten Positionen angeordnet werden
können.
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Es
sei nunmehr betrachtet, was beim Schützen integrierter Schaltungen
innerhalb eines elektronischen Gerätes ins Kalkül gezogen
werden muß, wenn
das Zählen
der Anzahl der Impulse, die von einem Geschwindigkeitssensor eines
Gebläses
erzeugt werden, und/oder das Bestimmen des Umstandes, ob das Gebläse sperrt,
beim Erzeugen eines Alarms verwendet werden.
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Im
Falle, daß integrierte
Schaltungen extrem dicht innerhalb eines elektronischen Gerätes zu einem
solchen Grade angeordnet sind, daß sie einen großen Druckverlußt herbeiführen, ist
eine Mehrzahl Gebläse
in Serie in Bezug auf den Luftstrom angeordnet, der um die integrierten
Schaltungen herumfließt.
Gemäß dieser
Anordnung fährt
ein Gebläse selbst
dann, wenn es nicht mehr arbeiten kann, mit dem Rotieren fort, da
seine Flügel aufgrund
der anderen Gebläse
dem statischen Druck ausgesetzt sind.
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Es
gibt Fälle,
in denen es schwierig ist, einen Grenzdrehzahl-Geschwindigkeitswert
der Gebläse abhängig von
der Stelle, an der das elektronische Gerät angebracht ist, und von dem
Layout der integrierten, zu schützenden
Schaltungen einzustellen.
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Die
Gebläsegeschwindigkeit
soll Priorität
gegenüber
der Temperatur haben, wenn integrierte Schaltungen angeordnet sind.
Das Verhältnis
zwischen der Gebläsegeschwindigkeit
und der Temperatur ist jedoch schwierig in einem System zu halten, das
eine Mehrzahl Gebläse
verwendet, weil dieses es sehr schwierig macht, den Gebläsegeschwindigkeitsgrenzwert
zu bestimmen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine IC-Belüftungs-Uberwachungsvorrichtung
bereitzustellen, die keine komplizierte Ausführung zum Einstellen eines
Grenztemperaturwerts erfordert, mit dem eine Temperaturmessung verglichen
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
vorstehend erwähnte
Ziel wird durch eine in Anspruch 1 definierte Vorrichtung erreicht.
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Gemäß der Erfindung
ist weiter ein Verfahren des Überwachens
der Belüftung
vorgesehen, wie es in Anspruch 14 bestimmt ist.
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Im
speziellen umfaßt
eine Belüftungs-Überwachungsvorrichtung
vorzugsweise eine erste IC, die einen Temperatursensor einschließt, und
eine zweite IC, die in bezug auf den Strom der Belüftungsluft
stromabwärts
von dem ersten angeordnet ist. Die zweite IC schließt einen
Temperatursensor und einen Widerstand als Heizelement ein.
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Noch
genauer gesagt umfaßt
die Überwachungsvorrichtung
eine erste arithmetische Einheit, die die Differenz zwischen zwei
Eingängen
von den zwei Temperatursensoren bildet, eine zweite arithmetische
Einheit, die die Differenz und die von dem Widerstand freigegebene
Wärmemenge
verwendet, um einen thermischen Widerstand zu ergeben, einen Speicher,
der Referenzdaten speichert, die für die verschiedenen Werte der
Luftstromgeschwindigkeit über
verschiedenen Werten des thermischen Widerstandes typisch ist, und
eine dritte arithmetische Einheit, die den thermischen Widerstand
mit den Referenzdaten vergleicht, um die Luftstromgeschwindigkeit
der passierenden Belüftungsluft
zu bestimmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfaßt eine
einzelne IC einen Temperatursensor, einen Speicher zum zeitweisen
Speichern des Sensorausganges des Temperatursensors, einen Widerstand
als Heizelement und einen EIN/AUS-Schalter, der die Verbindung des
Widerstands mit einer Spannungsenergiequelle unterbricht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
sind eine erste arithmetische Einheit, die die Differenz der Temperatur,
gemessen von dem Temperatursensor, bildet, was durch Aktivierung
des Schalters veranlaßt
wird, eine zweite arithmetische Einheit, die die Differenz und Wärmemenge
verwendet, die vom Widerstand freigesetzt wird, um einen thermischen
Widerstand zu ergeben, ein Speicher, der Referenzdaten speichert,
die bezeichnend für verschiedene
Werte der Luftströmungsgeschwindigkeit
oder -menge über
verschiedenen Werten des thermischen Widerstandes der Temperatur-IC
sind, und eine dritte arithmetische Einheit vorgesehen, die die
Luftströmungsmenge
der Kühlungsluft
bestimmt, die durch einen Bereich hindurchtritt, in dem die Temperatur-IC
angeordnet ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockschaubild
einer ersten Ausführungsform
einer IC-Belüftung-Uberwachungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine als Referenzdaten
in einem Speicher gespeicherte Kennlinie von thermischem Widerstand über Luftströmungsgeschwindigkeit
bzw. -menge; und
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3 ist ein Blockschaubild
einer zweiten Ausführungsform
einer IC-Belüftung-Überwachungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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DETAILIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der bevorzugten
Realisierung der vorliegenden Erfindung wird ein abnormales Ereignis ermittelt,
das das Erzeugen eines Alarms garantiert, wobei die Luftströmungsgeschwindigkeit,
die durch die Umgebungsatmosphäre
einer integrierten Schaltung hindurchtritt, die in einer elektronischen
Vorrichtung angebracht ist, kein ausreichend hohes Niveau erreicht.
Insbesondere ist eine Temperatur-IC auf einer Karte angebracht,
die in der elektronischen Vorrichtung zum Überwachen der Luftströmungsgeschwindigkeit
bzw. -menge zur Belüftung
der Umgebungsatmosphäre
der Karte installiert werden soll. Es ist bestimmt, daß das ein
Erzeugen eines Alarms garantierende abnormale Ereignis auftritt,
wenn die Messung der überwachten
Luftströmungsgeschwindigkeit
niedriger als ein niedriger Grenzwert oder ein vorbestimmtes Fenster
um den niedrigeren Grenzwert herum ist. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform.
In 1 deutet ein Pfeil 1 die Richtung
der Luftströmung
zur Belüftung
der Umgebungsatmosphäre
einer Karte an, auf der integrierte Schaltungen, die gegen Wärmeschäden geschützt werden
sollen, angebracht sind, wobei die integrierten Schaltungen nicht
gezeigt sind. Es sind eine erste Temperatur-IC 2, die einen
Temperatursensor 3 einschließt, und eine zweite Temperatur-IC 4,
die einen Temperatursensor 5 und einen internen Widerstand 8 einschließt, angeordnet.
Die zweite Temperatur-IC 4 ist in bezug auf die Luftströmungsrichtung 1 stromabwärts der
ersten Temperatur-IC 2 angeordnet. Die zweite Temperatur-IC 4 schließt drei
arithmetische Einheiten ein, nämlich
eine erste arithmetische Einheit 6, eine zweite arithmetische
Einheit 7 und eine dritte arithmetische Einheit 10.
Die erste arithmetische Einheit 6 bildet die Differenz
zwischen zwei Eingängen
von den zwei Temperatursensoren 3 und 5. Die zweite
arithmetische Einheit 7 teilt die Differenz durch die Wärmemenge,
die von dem Widerstand 8 erzeugt wird, um den thermischen
oder Wärmewiderstand
zu ergeben. Ein Speicher 13 speichert Referenzdaten, die
für verschiedene
Werte der Luftströmungsgeschwindigkeit über verschiedenen
Werten des Wärmewiderstandes
bezeichnend sind. Die dritte arithmetische Einheit 10 bestimmt
den Wert der Luftströmungsgeschwindigkeit
der Belüftungsluft.
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Es
wird das Prinzip der Arbeitsweise erläutert. Der thermische Widerstand
einer Temperatur-IC wie der zweiten Temperatur-IC 4, die
eine innere Wärmequelle
hat, die in der Lage ist, eine vorbestimmte Wärmemenge zu erzeugen, kann
durch Berechnung, basierend auf dem Ergebnis einer Messung der Umgebungstemperatur,
bestimmt werden. Der bestimmte thermische Widerstand, der der thermische
Widerstand einer einzelnen Packung der Temperatur-IC ist, kann als
Funktion der Luftströmungsgeschwindigkeit
der Kühlungsluft
betrachtet werden, die durch die Umgebungsatmosphäre der Temperatur-IC
strömt.
Es kann deshalb gesagt werden, daß das Temperaturmessen nichts
anderes als das Messen der Luftströmungsgeschwindigkeit bzw. -menge
ist.
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Die
abnormal hohe Umgebungstemperatur integrierter Schaltungen innerhalb
einer elektronischen Vorrichtung resultiert vom Mangel in der Luftströmungsmenge
im Hinblick auf eine untere Konstruktionsgrenze, wenn es kein abnormales
Temperaturereignis der Umgebungsluft der elektronischen Vorrichtung
gibt. Somit kann jeglicher Mißstand
in der Belüftung
innerhalb der elektronischen Vorrichtung allein nur durch Überwachen
der durch die Umgebungsatmosphäre
der integrierten Schaltung strömenden
Luftströmungsmenge
ermittelt werden, um ein abnormales Ereignis herauszufinden, das
das Erzeugen eines Alarms garantiert, wenn die überwachte Luftstromgeschwindigkeit
unter die Untergrenze der Konstruktion fällt. Daneben ist die untere
Grenze der Luftströmungsgeschwindigkeit
ein Wert, der während
des Schaltungszyklus der elektronischen Vorrichtung bestimmt werden
kann, wodurch die übliche Schwierigkeit
des Einstellens von Grenzwerten vermieden werden kann.
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Die
folgende Beschreibung erfolgt mit dargestellten Ausführungsformen
in den beiliegenden Figuren.
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1 zeigt als Blockdiagramm
die erste bevorzugte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
sind zwei Temperatursensoren-ICs auf einer Karte angebracht, die
in Form einer gedruckten Schaltkreiskarte vorliegen kann. Wenn eine
Mehrzahl Karten innerhalb der elektronischen Vorrichtung angebracht
werden soll, sollte man das Layout von innerhalb der elektronischen
Vorrichtung anzubringenden Karten beim Bestimmen der geeigneten
Stelle beachten, an der eine Karte mit den zwei Temperatursensoren-ICs gelagert
werden soll. Grundsätzlich
sollten die Temperatursensoren-ICs auf jeder Karte angebracht sein,
auf der zu schützende
integrierte Schaltungen angebracht sind. Man kann jedoch die Zahl
der Karten, auf denen Temperatursensoren-ICs angebracht werden sollten,
auf solche repräsentativen
Stücke beschränken, die
eine wichtige Rolle bei der Temperaturverteilung innerhalb einer
elektronischen Vorrichtung zu spielen in Betrachtung gezogen sind.
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Anschließend werden
die Temperatursensoren-ICs auf der Karte oder jeder der Karten,
bevorzugt am weitesten stromaufwärts
gelegenen Teil davon im Bezug auf die Luftströmung innerhalb einer elektronischen
Vorrichtung, angebracht. Dies ist notwendig, um den Einfluß anderer
größerer Teile
zu vermeiden. Jedoch ist die Stelle, an der die Temperatursensoren-ICs
auf einer Karte angebracht werden, nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und
die Temperatursensoren-ICs sollten in der Nähe einer besonderen integrierten
Schaltung oder Schaltungen auf der Karte angebracht werden, wenn
deren Umgebungstemperatur überwacht
werden soll.
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Unter
Bezugnahme auf 1 können die Temperatursensoren 3 und 5 jegliche
Form annehmen, solange sie Temperaturmessungen der ersten und zweiten
Temperatur-ICs ergeben. Zur Berechnung der Temperaturdaten in den
folgenden Stufen werden Temperatursensoren des digitalen Typs zur Erleichterung
der Schaltungsrealisierung eher empfohlen als analoge.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Temperatur durch Zählen
nach Zahl des Taktzyklus eines Oszillators gemessen, weil der Taktzyklus
der Temperatur proportional ist. Im einzelnen wird der Taktzyklus zuvor
bei einer niedrigeren Grenztemperatur, z.B. –55°C, und bei einer oberen Grenztemperatur,
z.B. 125°C,
gezählt.
Jede Temperatur zwischen den beiden Grenzen kann mit der Genauigkeit
unterhalb ± 1 °C durch Interpolation
der Messung des Taktzyklus bestimmt werden.
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Die
erste Temperatur-IC 2 ist stromaufwärts der zweiten Temperatur-IC 4 in
bezug auf die Luftstromrichtung, wie sie durch Pfeil 1 angedeutet
ist, angeordnet. Die zweite Temperatur-IC 4 schließt einen
Widerstand 8 mit einem spezifischen Widerstand R ein, wobei
dieser Widerstand 8 bei Anlegen einer Eingangsspannung
V von einer Spannungsquelle 9 Wärme erzeugt.
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Die
Wärmemenge,
die von dem Widerstand 8 freigegeben wird, kann als V2/R ausgedrückt werden. Das Einstellen
erfolgt derart, daß die
Wärmemenge
V2/R weit größer als der Verbrauch elektrischer
Energie durch die Logikschaltung der IC ist. Diese Beziehung kann
ausgedrückt
werden als V2/R » (elektrischer
Energieverbrauch durch Logik) (1).
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In
Anbetracht ihrer geringen Wärmekapazität wird eine
kompakte Formpackung für
die ersten und zweiten Temperatur-ICs 2 und 4 empfohlen.
Der Vorteil ist ein beachtenswerter Temperaturanstieg bei der kleinen
Wärmemenge,
was im Ergebnis eine verminderte Fehlerhaftigkeit beim Bestimmen
der Luftströmungsgeschwindigkeit
bzw. -menge mit sich bringt. Das Minimieren des Wärmeeinflusses
auf die gedruckte Schaltungskarte kann die Genauigkeit verbessern,
mit der die Luftströmungsmenge
bestimmt wird. Da der Wärmeübergangskoeffizient
durch Leitungen gering ist, sind Small Outline Package (SOP) (Packung
geringen Umfanges) oder Dual Inline Package (DIP) (DIL-Gehäuse) bevorzugter
als eine Packung wie Ball Grid Array (BGA) zur verbesserten Genauigkeit,
mit der die Luftströmungsmenge
bestimmt wird.
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Die
zweite Temperatur-IC 4 ist beispielsweise aus einem einfachen
Logikschaltkreis aufgebaut. Sie umfaßt als erste arithmetische
Einheit 6 einen Subtrahierer und als zweite arithmetische
Einheit 7 einen Multiplizierer. Der Speicher 13 kann
die Form eines Festwertspeichers (ROM) haben. Die dritte arithmetische
Einheit 10 ist in der Lage, eine Operation der Bruchgleichungsrechnung
einschließlich
wenigstens der Quadratwurzel durchzuführen. Die arithmetischen Einheiten 6, 7 und 10 können durch
arithmetische Einheiten einer anderen IC oder Software ersetzt werden.
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Wie
in 1 gezeigt, ist der
Temperatursensor 3 der ersten Temperatur-IC 2 stromaufwärts in Bezug
auf die Luftströmungsrichtung
zur zweiten IC 4 angeordnet. Damit zeigt ein Ausgangssignal
T1 des Temperatursensors 3 eine Einlasstemperatur der zweiten
Temperatur-IC 4 an. Dieses Signal T1 bildet einen von zwei
Eingängen
des Subtrahierers 6.
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Die
Wärmemenge,
die von dem Widerstand 8 der zweiten Temperatur-IC 4 freigesetzt
wird, kann als V2/R ausgedrückt werden.
Diese Wärmemenge V2/R bildet einen von zwei Eingängen des
Multiplizierers 7. Ein Ausgangssignal T2 des zweiten Temperatursensors 5 zeigt
die Temperatur der zweiten Temperatursensor IC 4 in einem
Zustand an, in dem Wärme
von dem Widerstand 8 freigesetzt wird. Dieses Signal T2
bildet den anderen Eingang des Subtrahierers 6.
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Der
Subtrahierer 6 bildet die Differenz der Temperaturen T2 – T1. Ein
Ausgangssignal T2 – T1 des
Subtrahierers 6 bildet den anderen Eingang des Multiplizierers 7.
Der Multiplizierer 7 berechnet die folgende Gleichung (2): (T2 – T1)/( V2/R) (2)
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Der
aus dem Berechnen der Gleichung 2 resultierende Wert wird thermischer
oder Wärmewiderstand
genannt, der die Dimension [°C/W)
hat, wobei W Watt bedeutet. Die Wärmestrahlung an die gedruckte
Schaltungstafel wird als vernachlässigbar angesehen. Damit ist
dieser Wert eine Summe der durch Wärmeleitung übertragenen Wärmemenge von
dem Widerstand 8 an die äußere Oberfläche der Packung und der Wärmemenge,
die durch Wärmedurchgang
von der äußeren Oberfläche der
Packung an die Umgebungsatmosphäre übertragen
wird. Der Wärmeleitungsanteil
ist konstant und wird durch die Materialien der Komponententeile
der IC bestimmt. Jedoch ist der Wärmedurchgangsanteil mit Änderungen
in der Umgebungsluft variabel. Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmedurchgangswert
mit jeder Änderung
in der Luftströmungsgeschwindigkeit an
der Oberfläche
der Packung variabel.
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Die
Analyse durch den Erfinder hat ergeben, daß der thermische Widerstand
des Wärmedurchgangsanteils
umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Luftströmungsgeschwindigkeit
(
, wobei v die Luftströmungsgeschwindigkeit
bzw. -menge ist). Diese Beziehung ist graphisch in
2 dargestellt.
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2 ist eine graphische Darstellung
der Kennlinie von R (thermischer oder Wärmewiderstand) über v (Luftströmungsgeschwindigkeit/-rate), als
ein Beispiel der zweiten Temperatur-IC 4 nach Kalibrierung
vor ihrer Anbringung. Wie leicht aus dieser Kurve erkennbar ist,
kann die dargestellte Beziehung durch eine Bruchfunktion mit Quadratwurzel angenähert werden.
Diese Funktion ist eine geeignete Funktion, die durch die Form einer
Packung bestimmt ist. Damit ist eine Kalibrierung im Hinblick auf eine
IC nach der anderen nicht länger
notwendig, wenn die Packungen gleiche Form aufweisen.
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Daten
der dargestellten Kennlinie R über
v werden in dem internen Speicher 13 als Referenzdaten 11 gespeichert.
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In 1 zeigt das Ausgangssignal
des Multiplizierers 7 den Wärmewiderstand (T2 – T1)/(V2/R) an. Dieses Signal bildet den Eingang
der arithmetischen Einheit 10. Die arithmetische Einheit 10 vergleicht
den thermischen Widerstand (T2 – T1)/(V2/R) mit den Referenzdaten 11, um eine Lösung der Bruchfunktion
zu finden. Das Ausgangssignal der arithmetischen Einheit 10 gibt
die Luftströmungsgeschwindigkeit
v an der Oberfläche
der Packung des zweiten thermischen Widerstandes 4 an.
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Üblicherweise
sind Gründe
für ein
abnormales Ereignis, das die Erzeugung eines Alarms garantiert,
die folgenden:
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- 1) Abnormaler Anstieg der Umgebungstemperatur
einer elektronischen Vorrichtung;
- 2) Verwendung eines Gebläses über seine
erwartete Lebensdauer hinaus oder bei Eintritt von Schwierigkeiten,
die eine ungenügende
Luftströmungsgeschwindigkeit
innerhalb der elektronischen Vorrichtung verursacht; und
- 3) Verstopfen des Lufteinlasses oder -auslasses mit Papier oder
Staub, was verursacht, daß es keinen
Luftstrom oder nur einen reduzierten innerhalb der elektronischen
Vorrichtung gibt.
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Eine
Bedienungsperson kann leicht den Grund (1) der abnormal
hohen Umgebungstemperatur wahrnehmen. Damit ist es leicht, eine
abnormal hohe Umgebungstemperatur der ersten Temperatur-IC 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung zu ermitteln.
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Die
Gründe
(2) und (3) sind eng mit unzureichender Luftströmungsgeschwindigkeit
innerhalb der elektronischen Vorrichtung verbunden. Bei der thermischen
Konstruktion von ICs kann eine obere Grenze im Wärmewiderstand jeder IC durch
die Wärmemenge,
die von der IC freigesetzt wird, und deren Garantietemperatur bestimmt
werden. Dies bedeutet, daß eine
niedrigere Grenze der Luftströmungsgeschwindigkeit,
die zum Schützen
der IC erforderlich ist, im Konstruktions- oder Entwurfsstadium
bestimmt werden kann, wenn die Packung nach ihrer Art bestimmt wird.
Damit können
im Entwurfsvorgang niedrige Grenzen bezüglich Luftstromgeschwindigkeit
für alle
ICs, die innerhalb einer elektronischen Vorrichtung gelagert werden
sollen, leicht bestimmt werden.
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Das
Ausgangssignal der zweiten Wärme-IC 4,
das die Luftströmungsgeschwindigkeit
v anzeigt, wird mit der unteren Grenze vALM in
der Luftströmungsgeschwindigkeit
verglichen. Wenn die erstgenannte geringer als die letztere ist,
wird ein Alarm erzeugt.
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Die
arithmetische Einheit 10 kann modifiziert werden, um die
Funktion des Erzeugens eines Alarms durchzuführen, der verwendet werden
kann, um zusätzlich
zur Funktion des Erzeugens des für
die Luftströmungsgeschwindigkeit
v bezeichnenden Ausgangssignals einen Alarm zu aktivieren. Diese Abwandlung
kann leicht durch eine solche Logikoperation erfüllt werden, daß normalerweise
das Logik-Niedrig als ein weiterer Ausgang der arithmetischen Einheit
erscheint, aber das Logik-Hoch als weiterer Ausgang erscheint, wenn
das Ausgangssignal, das für
die Luftströmungsgeschwindigkeit
v kennzeichnend ist, unter die untere Grenze abfällt. Mögliche geeignete Maßnahmen,
die in Reaktion auf das Alarmsignal ergriffen werden können, können das
Erzeugen eines Alarms, der die Bedienungsperson zwingt, eine Maßnahme zu
ergreifen, um die ICs zu schützen,
oder das Heruntersetzen des Energieniveaus an die ICs oder das Unterbrechen
der Energiezufuhr an sie, sein.
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Es
ist ein Belüftungssystem
bekannt, bei dem ein Gebläse
variable Geschwindigkeiten mit Änderungen
in der Umgebungstemperatur einer IC oder einer Gruppe ICs in einer
elektronischen Vorrichtung aufweist. Die vorliegende Erfindung kann
auf solch ein bekanntes System angewendet werden. In diesem Fall
wird das Ausgangssignal des ersten Temperatur-IC 2, das T1 bezeichnet, verwendet,
um eine untere Grenze vALM zu bestimmen,
weil die gemessene Temperatur T1 die Umgebungstemperatur des zu schützenden
IC ist.
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Die
untere Grenze vALM in der Luftströmungsgeschwindigkeit
wird als vorbestimmte Funktion der Umgebungstemperatur T1 bestimmt.
Gemäß dieser Funktion
ist die untere Grenze vALM proportional
der Temperatur T1. Es ist jedoch keine strikte Proportionalität erforderlich.
Das geforderte Verhältnis
zwischen vALM und T1 kann so ausgedrückt werden,
daß die
untere Grenze vALM einen von relativ niedrigen Werten
einnimmt, wenn die Umgebungstemperatur T1 relativ niedrig ist, während die
untere Grenze vALM einen von relativ hohen
Werten einnimmt, wenn die Umgebungstemperatur relativ hoch ist.
Die vorbestimmte Funktion oder diese Relation können leicht im Konstruktionsstadium
jeder zu schützenden
IC bestimmt werden. Damit besteht das, was zu tun ist, darin, die Referenzdaten 11 in
dem Speicher 13 zu modifizieren, um die bestimmte Funktion
oder Beziehung zwischen T1 und vALM einzuführen.
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Es
kann der Fall eintreten, in dem die Umgebungstemperatur der zu schützenden
IC abnormal hoch ist, und zwar selbst dann, wenn die Luftströmungsmenge
ausreichend hoch ist. Dies kann durch Umkehrzirkulation von relativ
warmer Abgabeluft in den Raum innerhalb einer elektronischen Vorrichtung verursacht
werden. Dieses abnormale Ereignis, das das Erzeugen eines Alarms
garantiert, kann leicht durch Einstellen eines oberen Grenzwertes
in der Umgebungstemperatur festgestellt werden. Insbesondere besteht
das, was zu tun ist, darin, eine Logik einzuführen, daß ein Alarmsignal erzeugt wird,
wenn der Ausgang der ersten Temperatur-IC, der T1 anzeigt, die obere
Grenze erreicht, die voreingestellt worden ist.
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3 zeigt die zweite bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich
von der ersten Ausführungsform
darin, daß eine
einzelne Temperatur-IC 14 die Funktionen integriert aufweist,
die von den ersten und zweiten ICs 2 bzw. 4 durchgeführt worden
sind.
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Die
Temperatur-IC 14 umfaßt
einen einzelnen Temperatursensor 15 und einen Speicher 16,
der so angeordnet ist, daß er
zeitweilig ein Ausgangssignal des Temperatursensors 15 speichert.
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Die
Temperatur-IC 14 umfaßt
ebenfalls einen Widerstand 8 und einen EIN/AUS-Schalter 17,
der zwischen dem Widerstand 8 und der Spannungsquelle 9 angeordnet
ist. Der Widerstand 8 ist mit der Spannungsquelle 9 verbunden,
wenn der Schalter 17 eingeschaltet ist und Wärme freigesetzt
wird. Wenn der Schalter 17 ausgeschaltet ist, wird die
Verbindung unterbrochen. Es sei angenommen, daß der Schalter 17 ausgeschaltet
belassen wird und keine Wärmefreigabe
von dem Widerstand 8 erfolgt. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 15,
das in dem Speicher 16 unter dieser Bedingung gespeichert ist,
wird als Umgebungstemperatur T1 in eine arithmetische Einheit 6 eingeführt. In
der Folge wird der Schalter 17 eingeschaltet, und der Widerstand
beginnt Hitze freizusetzen, was veranlaßt, daß sich das Ausgangssignal des
Temperatursensors 15 ändert, um
allmählich
ansteigende Temperatur anzuzeigen. Die Temperatur, die von dem Temperaturspeicher 15 gemessen
wird, erreicht bei Ablauf eines vorbestimmten Zeitabschnitts, beispielsweise
mehrerer Minuten über
10 Minuten hinaus, nachdem der Schalter angeschaltet wurde ein stabiles
Niveau. Die Temperatur, die das stabile Niveau erreicht hat, wird
als Temperatur T2 in die arithmetische Einheit 6 eingeführt.
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Die
arithmetische Einheit 6 verwendet diese Eingänge T1 und
T2 bei der Berechnung der Gleichung (2), um den thermischen Widerstand
zu bestimmen. Die zweite Ausführungsform
verwendet das gleiche Datenverarbeiten, wie es in Verbindung mit
der ersten Ausführungsform
nach Bestimmung des thermischen Widerstandes erläutert worden ist.
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Die
zweite Ausführungsform
ist gegenüber der
ersten durch die Leichtigkeit im Auffinden ihrer Installationsstelle
auf einer gedruckten Leiterkarte vorteilhaft, weil eine einzelne
IC, die weniger Einbauplatz erfordert, die von den zwei ICs ausgeführten Funktionen
durchführt.
