JP2007157770A - 電子部品用冷却装置、その温度制御方法及びその温度制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子及び冷却ファンを最適駆動して温度制御を行い、ファンノイズを低減し、過冷却等を防止するとともに電子部品用冷却装置の消費電力を小さくすること。
【解決手段】環境温度及び被冷却素子の温度を測定して（Ｓ４、Ｓ５）、被冷却素子の温度が環境温度よりも高く（Ｓ６；Ｎｏ）かつ熱電素子の制御量が飽和状態で無い場合には（Ｓ１０；Ｎｏ）、熱電素子のみにより温度制御を行い（第１制御領域Ｃ１）、熱電素子の制御量が飽和状態である場合には（Ｓ１０；Ｙｅｓ）、熱電素子の制御量を最大にしつつ冷却ファンにより温度制御を行う（第２の制御領域）。また、熱電素子と冷却ファンの駆動制御は、制御目標温度と制御対象温度の温度差の区分に応じて異なるＰＩＤ係数を用いて、ＰＷＭデューティ比を算出する。この温度領域ごとの制御により、低温時は緩やかな温度制御を行い、制御目標温度近くでは急速な温度制御を行うことが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、集積回路、半導体素子などの電子部品を被冷却素子とする電子部品用冷却装置、その温度制御方法及びその温度制御プログラムに関する。

従来、半導体素子などの集積回路を冷却するために、ヒートシンク、ペルチェクーラなどの熱電素子及び冷却ファン等が用いられており、ペルチェクーラ及び電動ファン（冷却ファン）の制御は、集積回路の最大負荷状態における発熱を目標温度以下に制御可能な電流値を基準とする定電流制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、コンピュータの発熱体の温度検出をポリスイッチで行い、検出温度に応じて冷却ファン、ペルチェクーラを順次オン／オフする制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特表２００２−５４０６３２号公報 特開２０００−２７７９６４号公報

ところが、特許文献１の制御方法では、ペルチェクーラの電流値は、集積回路の動作時の最大負荷の場合を想定した値であり、集積回路の負荷が小さい場合に、すなわち集積回路の消費電力が小さい場合には、ペルチェクーラに余計な電力を供給するという問題があった。特に、ペルチェクーラと冷却ファンとが一体的に動作する場合には、消費電力が大きくなるばかりでなく、余剰なヒートシンクの放熱によりペルチェクーラが低温になって結露してしまい、集積回路を破壊するおそれがあった。

また、特許文献２の制御方法では、時定数の大きなヒートシンクはその温度の追従性の遅さなどのために、制御温度の振れ幅が大きくなる。このため、結果的に被冷却素子であるＣＰＵ（中央処理装置）の温度変動が大きく，熱サイクルを多数回かけることと同等になり、ＣＰＵの寿命を短くしてしまうおそれがある。また、ヒートシンクに生じる温度分布により、ペルチェクーラが効果的に使用されず、ペルチェクーラの消費電力が大きくなるという問題があった。

さらに、ペルチェクーラ（以下特に必要のない限り「熱電素子」と称する）あるいは冷却ファンの電流を制御するために、通常のボリュームなどの調整では、大きい電流を流すためには電源電圧を上昇させることが必要となり、消費電力が大きくなってしまう。消費電力が大きくなると電源側でも熱が発生するため、電源を冷却するためにさらに別のヒートシンクと冷却ファンが必要となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、過冷却のおそれがなく、ファンノイズが低く、かつ消費電力を抑制することのできる電子部品用冷却装置、その温度制御方法、及びその温度制御プログラムを提供することを目的とする。

さらに本発明は、熱電素子及び冷却ファンの双方を効率的に制御して、消費電力を抑制することのできる電子部品用冷却装置、その温度制御方法、及びその温度制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明では、熱電素子及び／または冷却ファンをパルス幅変調制御方式で駆動制御するとともに、パルス幅変調における比例係数と積分係数と微分係数の値を、前記被冷却素子の測定温度と制御目標温度との温度差の大きさに応じて変える、温度領域制御を行うことにより、上記課題を解決する。

本発明の電子部品用冷却装置の第１の態様は、被冷却素子に熱的に接続された低温部から該被冷却素子の発生する熱を吸熱し、吸熱した熱を高温部から放熱する熱電素子と、制御温度領域を前記被冷却素子の温度と制御目標温度との温度差に応じて複数の温度領域に区分し、該温度領域に応じて異なる値の比例係数と積分係数と微分係数を用いて、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出し、これに基づき前記熱電素子をＰＷＭ駆動する制御部とを備える電子部品用冷却装置である。この態様によると、被冷却素子の温度と制御目標温度の温度差を複数の温度領域に分け、温度領域に応じて熱電素子の駆動を異なる条件で制御するため、熱電素子の最適な駆動が可能となり、熱電素子の消費電力を小さくすることができる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、さらに、前記被冷却素子と熱的に接続されており該被冷却素子の発生する熱を拡散する熱伝導部材を備えており、前記熱電素子の前記低温部は前記熱伝導部材を介して前記被冷却素子と熱的に接続され、前記熱電素子の前記高温部はヒートシンクに熱的に接続されていることを特徴とする。熱伝導部材は銅、アルミ等の金属による均熱板を用いることができる他、各種ヒートパイプを用いることも可能である。これにより、被冷却素子の熱が均等に拡散し、被冷却素子の温度を下げる効果がある他、熱電素子による吸熱が容易となる。また、ヒートシンクを用いることにより、熱電素子の高温部の熱をより効率的に放熱することが可能となる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、さらに、空気を流動させることにより前記ヒートシンクを含む高温部の放熱を促進する冷却ファンを備えることを特徴とする。この態様では、空気が放熱部全体を円滑に流れるように冷却ファンを配置し、空気の通路を形成することが望ましい。これにより、ヒートシンク及び熱電素子の高温部の放熱効率を高めることが可能となる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、前記制御部が、前記温度領域に応じて異なる値の前記比例係数と前記積分係数と前記微分係数を用いて、前記ＰＷＭデューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出し、これに基づき前記冷却ファンをＰＷＭ駆動することを特徴とする。熱電素子と同じように冷却ファンも温度領域ごとに異なる条件でＰＷＭ駆動することにより、より効率的な温度制御が可能となる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、さらに、前記被冷却素子と熱的に接続されているヒートパイプを備えることを特徴とする。ヒートパイプは熱伝導部材を介して被冷却素子に接続しても、被冷却素子に直接接続してもよい。また、被冷却素子に接続されたヒートパイプに熱電素子の低温部を熱的に接続する構成とすることもできる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、前記制御部が、前記冷却ファンを一定の低電圧で駆動させた状態で前記熱電素子の動作を制御することにより温度制御を行う第１制御領域と、前記熱電素子を最大電力で駆動させつつ前記冷却ファンの動作を制御することにより温度制御を行う第２制御領域とを備えており、第１制御領域による前記熱電素子による温度制御量が最大値に達したときに、前記第２制御領域の制御に移行することを特徴とする。この態様では、ＣＰＵ等の被冷却素子の負荷に応じて、電子部品用冷却装置の冷却性能を効率的に制御することが可能となる。すなわち、被冷却素子の負荷が小さいときには、冷却ファンと熱電素子の消費電力を小さく抑えることができ、消費電力を少なくすること及び過冷却を抑制可能となる。また、制御温度のオーバーシュート量及びアンダーシュート量が小さくなり、厳密な温度制御が可能となる。その結果として、被冷却素子にかかる熱サイクル負荷が軽減され、素子の寿命を延ばすことができる。さらに，ファンを低電圧で動作させるために，ファンの羽の風きり音を極力抑えることができるため，騒音が小さくなるという利点もある．

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、異なるカットオフ周波数を有する複数のフィルタを有しており、時定数の大きな制御対象については、前記カットオフ周波数よりも低い周波数の信号をパスする第１フィルタを通した温度情報信号を前記制御部に供給し、時定数の小さな制御対象については、前記カットオフ周波数よりも高い周波数の信号をパスする第２フィルタを通した温度情報信号を前記制御部に供給することを特徴とする。これにより、全体の制御を一つの周期を持つ制御回路で構成することが可能となり、回路を簡素化することが可能となる。

本発明の電子部品用冷却装置の他の態様は、前記時定数の大きな制御対象は前記ヒートシンクの温度であり、時定数の小さな制御対象は前記被冷却素子の温度であり、前記ヒートシンクの温度に応じて前記冷却ファンの風量を制御し、前記被冷却素子の温度に応じて前記熱電素子に供給する電流を制御することを特徴とする。

本発明の電子部品用冷却装置の温度制御方法の第１の態様は、少なくとも熱電素子を備える電子部品用冷却装置において、（ａ）制御対象の温度を一定の時間間隔で測定する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）により測定した温度と制御目標温度との温度差を算出し、該温度差に対応する比例係数と積分係数と微分係数を確定する工程と、（ｃ）前記確定した各係数値に基づき、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出する工程と、（ｄ）前記算出したＰＷＭデューティ比を用いて、前記熱電素子をＰＷＭ駆動する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の電子部品用冷却装置の温度制御方法の他の態様は、熱電素子と冷却ファンを備える電子部品用冷却装置の温度制御方法であって、さらに、（ｅ）前記熱電素子による温度制御負荷が所定値に達したか否かを判定する工程と、（ｆ）前記熱電素子による温度制御の負荷が前記所定値以上のときには、前記熱電素子による温度制御に加えて、前記冷却ファンの風量を制御する手順と、を備えることを特徴とする。

本発明の電子部品用冷却装置の温度制御方法の他の態様は、前記工程（ｆ）は、前記工程（ａ）から（ｄ）の各工程と同様の工程により算出した前記ＰＷＭデューティ比を用いて、前記冷却ファンをＰＷＭ駆動する工程を含むことを特徴とする。

本発明の他の態様は、少なくとも熱電素子を備えており、該熱電素子の動作を制御することにより制御対象の温度を所定の制御目標温度以下に維持する電子部品用冷却装置において、（ａ）制御対象領域に設けられた温度センサによる測定温度を一定の時間間隔で取得する手順と、（ｂ）前記制御目標温度と前記測定温度との温度差を算出し、該温度差に対応する比例係数と積分係数と微分係数を記憶部から読み出す手順と、（ｃ）前記読み出した各係数値に基づき、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出する手順と、（ｄ）前記算出したＰＷＭデューティ比を用いて、前記熱電素子をＰＷＭ駆動する制御手順と、をコンピュータに実行させる温度制御プログラムである。

本発明の他の態様は、熱電素子および冷却ファンの動作を制御することにより制御対象領域を所定の制御目標温度以下に維持する電子部品用冷却装置において、さらに、（ｅ）前記熱電素子による温度制御の負荷が所定値以上か否かを確認する手順と、（ｆ）前記熱電素子による温度制御の負荷が前記所定値以上のときには、前記熱電素子による温度制御に加えて、前記冷却ファンの風量を制御する手順とをコンピュータに実行させる温度制御プログラムである。

本発明の他の態様は、前記手順（ｆ）が、前記手順（ａ）から（ｄ）の各手順と同様の手順により算出した前記ＰＷＭデューティ比を用いて、前記冷却ファンをＰＷＭ駆動する手順を含むことを特徴とする温度制御プログラムである。

本発明によれば、被冷却素子の温度と制御目標温度の温度差を複数の温度領域に区分して、温度領域に応じて異なる値の係数を用いてＰＷＭデューティ比を算出し、熱電素子及び冷却ファンをＰＷＭ制御するので、被冷却素子の温度と制御目標温度の温度差に応じて、熱電素子等の最適な駆動が可能となり、冷却素子の消費電力を小さくすることができる。すなわち、被冷却素子の発熱量に応じて、冷却に必要な熱電素子及び冷却ファンの消費電力を小さく抑えることが可能となった。また、温度制御の際のオーバーシュート量及びアンダーシュート量を小さく抑えることが可能となり、被冷却素子の熱サイクルによる負荷を軽減することも可能となった。また，ファンを低電圧で駆動させるために、ファンの羽の風きり音などが小さくなり、ファンノイズを低減することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる電子部品用冷却装置を示す。
電子部品用冷却装置１は、被冷却素子の一例として示す半導体素子２を冷却する。この半導体素子２は、熱源となる例えば高速のＣＰＵ（中央処理回路）やドライバである。

電子部品用冷却装置１は、半導体素子２の熱を拡散する均熱板（熱伝導部材）３、ペルチェ素子等からなる熱電素子４、ヒートシンク５、冷却ファン６，電流源７，８及び制御部１０を有している。

半導体素子２が、均熱板３の一方の面に対して熱伝導グリースなどを介して接触熱抵抗が小さくなるように取り付けられている。均熱板３は熱源である半導体素子２の発生する熱を拡散する役割を果たす。均熱板３としては、銅やアルミニウムなどの熱伝導の良好な板材を使用しているが、均熱板３にはヒートパイプを埋め込んでも良い。また、均熱板３自体を扁平型のヒートパイプあるいは板型のヒートパイプで構成しても良い。

均熱板３の反対側の面には、熱電素子４の低温側が熱伝導グリース等を介して接触熱抵抗が小さくなるように取り付けられている。熱電素子４の高温側には、ヒートシンク５のベース５Ｂが熱伝導グリースを介して接触熱抵抗が小さくなるように取り付けられている。

熱電素子４は、ペルチェ効果を使用した熱電冷却素子あるいは電子冷却素子（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｏｌｅｒ）であり、ペルチェクーラとも呼ばれる。この熱電素子４は、２種類の金属または半導体を接合して電流を流す時に、一端の接合部にはジュール熱以外の発熱を起こし、他端の接合部には吸熱を起こす現象を利用し、電流により熱の吸収と発生現象を可逆的に達成できる。熱電素子４は、電流源８から電流を供給されることより駆動され、被冷却素子である半導体素子２の発生する熱を均熱板３を介して吸熱する。

ヒートシンク５は、ベース５Ｂと複数の放熱フィン５Ｆを有しており、ヒートシンク５の放熱フィン５Ｆに対面する位置には冷却ファン６が配置されている。冷却ファン６のモータは、電流源７から電流を供給することにより駆動される。ヒートシンク５及び冷却ファン６は、熱源となる半導体素子２の発熱量が小さい場合には必須ではないが、発熱量が小さい場合であっても、効率的な冷却を行うためには、少なくともヒートシンクを設けることが好ましい。

熱源あるいは発熱素子である半導体素子２が動作する際に発生する熱は、均熱板３でいったん拡散された後に、熱電素子４の低温部により吸熱され、高温部を介してヒートシンク５のベース５Ｂと複数の放熱フィン５Ｆに伝えられて周囲に放熱される。

半導体素子２の温度情報である温度信号３０は制御部１０に入力され，この情報を基に制御部１０は，電流源７，８の動作を制御する。

電子部品用冷却装置１において、熱源あるいは発熱素子である半導体素子２が組み込まれている機器の筐体（図示せず）内の温度は、電源部・メモリなどの周辺機器の発熱などにより、冷却に使用される空気の温度が、周囲の室温よりも高くなることが考えられる。そのため、ペルチェ素子（ペルチェクーラ）等の熱電素子４を用いてヒートシンク５の温度を故意に上昇させて、ヒートシンク５と冷却風との間の温度差を大きくとることにより、効率的に放熱することが可能となる。

制御部１０は、２つの電流源７，８からの電流(電圧)値を調整して、熱電素子４の吸熱量（温度差）と冷却ファン６による風量を調節し、熱源である半導体素子２の発熱量に応じて熱電素子４の吸熱性能と放熱フィン５Ｆの放熱性能を制御することにより、半導体素子２の温度を一定の範囲内に収める制御を施す。

次に、本発明の電子部品用冷却装置の冷却制御方法の好ましい実施形態について説明する。熱電素子４の駆動は、以下に説明するように、熱源温度のＰ（比例成分）とＩ（積分成分）とＤ（微分成分）とにより、下記に示す式に基づきパルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比を算出し、パルス幅変調方式により熱電素子４及び冷却ファンの駆動を制御する。この際、制御目標温度と実際の温度との差分の大きさに応じて例えば３つの温度領域に分け、各温度領域ごとに異なる比例係数Ｋ_Ｐと積分係数Ｋ_Ｉと微分係数Ｋ_Ｄ１を用いて、ＰＷＭデューティ比を算出する。このように温度領域ごとに異なる係数を用いる温度領域制御においては、半導体素子２の温度が制御目標温度（以下「目標温度」と称する）よりも十分低い温度領域の場合には、熱電素子４を緩やかに制御する係数値（Ｋ_Ｐ，Ｋ_Ｉ，Ｋ_Ｄ１）を使用し、目標温度に近い領域では，制御対象の温度変動に対して敏感に応答するような係数値（Ｋ_Ｐ，Ｋ_Ｉ，Ｋ_Ｄ１）を使用する。このような温度領域制御により、従来のＰＷＭ制御より、オーバーシュート量、アンダーシュート量が抑制可能となるとともに、低温領域での消費電力が抑制され、電流源７、８から冷却ファン６、熱電素子４に対して供給される電力量を低減化することができる。

ＰＷＭduty_ｎ＝ＰＷＭduty_ｎ−１＋Δduty
Δduty＝Ｋ_Ｐｅ_ｎ＋Ｋ_Ｉ（ｅ_ｎ−ｅ_ｎ−１）＋Ｋ_ＰΔｙ_ｎ
Δｙ_ｎ＝Ｋ_Ｄ１（ＰＶ_ｎ−１−ＰＶ_ｎ）＋Ｋ_Ｄ２ｙ_ｎ−１
Ｋ_Ｄ１＝Ｔ_Ｄ／(Δｔ＋ηＴ_Ｄ)
Ｋ_Ｄ２＝Δt／(Δｔ＋ηＴ_Ｄ)（Δｔ→０とすることによりＫ_Ｄ２=0とする）

（１）温度領域１： 目標温度Ｔｔ―測定温度（モニタ温度）Ｍｔ＞２℃
Ｋ_Ｄ１＝０．８７５，Ｋ_Ｐ＝２．７５，Ｋ_Ｉ＝３．１８７５
（２）温度領域２： ０℃＜目標温度Ｔｔ―測定温度（モニタ温度）Ｍｔ≦２℃
Ｋ_Ｄ１＝１．７５， Ｋ_Ｐ＝２．７５，Ｋ_Ｉ＝３．１８７５
（３）温度領域３：目標温度Ｔｔ―測定温度（モニタ温度）Ｍｔ≦０℃
Ｋ_Ｄ１＝１．７５， Ｋ_Ｐ＝４．５， Ｋ_Ｉ＝５．８７５

ここで、ＰＩＤ制御の各係数は次の通りである。
Ｋ_Ｄ１：微分ファクタ係数
Ｋ_Ｐ：比例ファクタ係数
Ｋ_Ｉ：積分ファクタ係数
Ｔ_Ｄ：微分時間
η：微分係数
ｅ_ｎ：エラー（ＳＶ_ｎ―ＰＶ_ｎ）
ＳＶ_ｎ：設定値（＝０）
Ｖ_ｎ：現在値（目標温度―測定温度）

上記温度領域（１）ないし（３）においては、温度差の２℃を閾値として温度領域を設定しているが、この閾値温度は、均熱板３、熱電素子４、ヒートシンク５及びヒートパイプ２５（図８参照）等の熱容量及び熱抵抗等を要素として、任意に設定可能な設計事項である。

さらに、制御部１０は、さらにこのヒートシンク５に関連して、熱源である半導体素子２の発熱量に応じて、まず、制御応答速度の速い熱電素子４の吸熱性能を制御し、熱電素子による制御量が飽和状態近くになったときに冷却ファン６を駆動制御して放熱フィン５Ｆの放熱量を制御することにより、半導体素子２の温度を一定の範囲内に収める制御を行うことが望ましい。例えば、冷却ファン６を一定の低電圧（または一定のデューティ比）で駆動しつつ、熱電素子４の吸熱性能を制御する第１制御領域Ｃ１と、熱電素子４の制御量が飽和状態になったら、熱電素子４を最大吸熱性能で駆動させながら、冷却ファン６の電圧を制御して風量を調整する第２制御領域Ｃ２とに分けて制御する。

第１制御領域Ｃ１では、熱電素子４の駆動時のデューティ比が最大デューティ比以下の領域であり、熱電素子４の駆動時のデューティ比のみを更新させて吸熱性能を調整する。これに対して、第２制御領域Ｃ２では、熱電素子４の駆動時のデューティ比が最大になったところ、すなわち熱電素子４の吸熱性能を最大にした状態で駆動させながら、冷却ファン６のデューティ比を更新させて冷却ファン６の風量を調整する。

ここで、熱電素子４のデューティ比が最大（熱電素子４による制御量が飽和状態）にならなくとも、飽和状態近くになったら、第２制御領域Ｃ２により制御するように構成することもできる。

図２を用いて、制御部１０の基本機能を説明する。制御部１０は、ＡＳＩＣ（ゲートアレイを含む）やＰＬＤにより構成することも、制御プログラムによりコンピュータ制御することも可能である。図２は、本発明の制御部１０をコンピュータ及び制御プログラムにより実施した例を示す機能ブロック図である。制御部１０の実体は、ＣＰＵ、ＲＯＭ／ＲＡＭ等のメモリ、レジスタその他の論理回路、及びＣＰＵの動作を制御する制御プログラムにより構成される。

制御部１０は、機能ブロックとして、主制御部１１と、データ記憶部１２、温度領域判定部１３、制御データ生成部１４、制御領域判定部１５、熱電素子制御部１６、冷却ファン制御部１７、モニタ管理部１８、及び入出力インタフェース１９を備えている。主制御部１１は、制御部全体の動作を制御し、入出力インタフェース１９は、外部からのデータを取得しまたは外部へデータを出力するインタフェースである。

データ記憶部１２は、温度領域毎の係数値（Ｋ_Ｐ，Ｋ_Ｉ，Ｋ_Ｄ１）、制御目標温度、演算式等の各種制御データを記憶している。温度領域判定部１３は、被冷却素子２の温度と制御目標温度の差を算出し、制御対象となる温度領域の係数値及び演算式等を読み出す。制御データ生成部１４は、読み出した係数値及び演算式等に基づいて、所定の演算を行い、デューティ比の変化量やデューティ比等の制御データを生成する。上述した式等に基づいて、ＰＷＭデューティ比等を算出する処理は、制御データ生成部１４により実行される。制御領域判定部１５は、算出された熱電素子４の制御量が最大値に達しているかどうかを判定し、第１制御領域Ｃ１で制御するか第２制御領域Ｃ２で制御するかを切り替える。熱電素子制御部１６は、制御データ生成部１４で生成された熱電素子用の制御データ（デューティ比）等を記憶し、該制御データを入出力インタフェース１９を介して熱電素子４に出力する。冷却ファン制御部１７は、生成された冷却ファン用制御データを記憶し、該制御データを入出力インタフェース１９を介して冷却ファン６に出力する。モニタ管理部１８は、ディップスイッチ等により設定された制御目標温度や、環境温度、半導体素子の温度をモニタして、主制御部１１を介して各部に出力する。

このようにして、モニタ管理部１８の温度情報、制御目標温度に基づいて、各制御部１３乃至１７により所定の制御データが生成され、熱電素子４及び冷却ファン６に出力される。

次に、図３を用いて制御装置１０による温度制御方法の一例を説明する。まず、各種設定値を初期化した後（Ｓ１）、設定されている制御目標値を確認する（Ｓ２）。次に、所定の制御タイミングかどうかが確認される（Ｓ３）。制御タイミングは、例えば、３秒おきに制御する等のように、制御対象の温度応答時定数等に応じて予め定めた所定の時間間隔に設定される。制御タイミングになると（Ｓ３；Ｙｅｓ）、図示しない温度センサにより外気温などの環境温度をモニタする（Ｓ４）。次に温度センサ２０からの温度情報信号３０に基づいて被冷却素子である半導体素子２の温度をチェックする（Ｓ５）。

半導体素子２の温度が周囲温度よりも低い場合には（Ｓ６；Ｙｅｓ）、半導体素子２の温度が低いことから、熱電素子４のデューティ比＝０（停止）に設定するとともに、冷却ファン６のデューティ比をサイレントモード（ファンノイズを低減させるために，低電圧による駆動モード）に設定して冷却ファン６を最も低い一定電圧で駆動して、温度が下がりすぎることにより半導体素子２付近で結露を発生させないように制御する（Ｓ７）。次の工程Ｓ１４で、このＰＷＭデューティ比＝０及びサイレントモードの制御データが、熱電素子４及び冷却ファン６に出力される（Ｓ１４）。

これに対して、半導体素子２の温度が周囲温度（環境温度）と同じか、それより高い場合には（Ｓ６；Ｎｏ）、ＰＷＭデューティ比の変化量を算出して更新する（Ｓ８）。工程Ｓ８においては、半導体素子の温度と制御目標温度の温度差に応じて、対応する温度領域１〜３のいずれかの比例ファクタ係数Ｋ_Ｐ、積分ファクタ係数Ｋ_Ｉ、微分ファクタ係数Ｋ_Ｄ１が読み出されて、上述した式に基づきＰＷＭデューティ比の変化量が算出される。次に、この変化量にもとづいて熱電素子を駆動するためのＰＷＭデューティ比が算出されて更新される（Ｓ９）。

次の工程Ｓ１０では、更新した熱電素子４のデューティ比が最大デューティ比以上かどうかを確認する（Ｓ１０）。熱電素子４のデューティ比が最大デューティ比より小さい場合には（Ｓ１０；Ｎｏ）、冷却ファン６をサイレントモードに設定した状態で（Ｓ１１）、工程Ｓ９で設定したＰＷＭデューティ比を熱電素子４に出力し、サイレントモードの制御データを冷却ファンに出力する（Ｓ１４）。

すなわち、工程Ｓ１０では、第１制御領域Ｃ１で制御するか、第２制御領域Ｃ２で制御するかを判定している。第１制御領域Ｃ１で制御する場合には（Ｓ１０；Ｎｏ）、冷却ファン６を一定電圧（サイレントモード）で駆動させて、被冷却素子である半導体素子２の温度に応じて熱電素子４の駆動をＰＷＭ制御する。工程Ｓ９により更新したＰＷＭ制御のデューティ比を熱電素子４に出力して動作させる。このサイレントモードでは、冷却ファン６は最も低い電圧のところで動作し、ヒートシンクの放熱を補助する。

熱電素子４のデューティ比が最大デューティ比以上である場合には（Ｓ１０；Ｙｅｓ）、第２制御領域Ｃ２に移り、熱電素子４のデューティ比が最大値に設定される（Ｓ１２）。これにより、熱電素子４は最大の吸熱能力で駆動される。次の工程Ｓ１３においては、半導体素子２の温度に応じて、冷却ファンのＰＷＭデューティ比が算出されて更新される。冷却ファン６のＰＷＭデューティ比の算出も、熱電素子４のＰＷＭデューティ比の算出と同様に行われる。更新された制御データは、それぞれ、熱電素子４と冷却ファン６に出力される。以上からわかるように、第２制御領域Ｃ２では、熱電素子４の駆動を最大電力で駆動させた状態で、半導体素子２の温度に応じて前記冷却ファン６の駆動を調整することにより、制御目標温度内に維持するよう温度制御を行う。

図４（ａ）は、制御目標温度対する熱電素子４の温度の変化の概要をイメージとして表した図である。図４（ｂ）は、熱電素子４の消費電力Ｗの変化の概要をイメージとして表した図である。破線は、従来のＰＩＤ制御による変化を示し、実線は本発明による領域制御を用いたＰＩＤ制御による変化を示している。図４（ａ）に示すように、従来の制御によると、オーバーシュート量及びアンダーシュート量が大きいのに対し、本発明による制御では少ない。また、図４（ｂ）に示すように、温度が低いときには熱電素子の駆動が抑制されるので、立ち上がりも緩やかであり、消費電力が抑制される。

図５及び図６に、冷却ファンをＰＩＤ制御しながら，熱電素子（ＴＥＣ）をＯＮ／ＯＦＦ制御して温度制御する従来の制御方式の場合と、本発明による温度領域管理によるＰＩＤ制御により温度制御した場合の熱源の温度変化、及び冷却ファンの駆動電圧の変化を比較して示す。図５（ａ）は、従来のＯＮ／ＯＦＦ制御による場合の温度変化を示し、図５（ｂ）は、本発明の制御による場合の温度変化を示す。熱源（半導体素子）の発熱量は１３０Ｗ、目標制御温度は６５℃、環境温度を３５℃として、測定を行った。図から明らかなように、ＯＮ／ＯＦＦ制御では、目標温度に対して制御後の温度が上下に大きくばらついて、安定しない。これに対して本発明の制御によると、図５（ｂ）に示すように、オーバーシュート及びアンダーシュートが少なく、目標温度の６５℃近辺で安定した制御が実現できている。

図６は、図５の条件下における従来技術のＯＮ／ＯＦＦ制御による冷却ファンの駆動電圧の変化（Ｂ）と、本発明の制御による駆動電圧の変化（Ａ）を示す図である。従来のＯＮ／ＯＦＦ制御では、監視温度が目標温度を超えると、ＴＥＣがＯＮとなり，冷却ファンの駆動電圧を上げる。そのため冷却ファンの風切り音等のファンノイズも大きくなる。これに対して本発明では、この程度の設定条件では、熱電素子のみによる温度制御が可能であり、冷却ファンはサイレントモードのまま維持されている。従ってファインノイズも小さく、静かである。

図７は、熱源（半導体素子２）の発熱量を変動させながら、従来のＰＩＤ制御を行った場合と、本発明の実施形態による温度制御を行った場合の、熱電素子４の電力消費量の経時変化を測定した結果を示すグラフである。より現実的な測定データを得るため、図７（ａ）に示すように、熱源の発熱量を計時変化させて測定した。最初の３０分（ｔ１）では、１３０Ｗの発熱量であり、その後１０分間おきに（ｔ２〜ｔ７）、１２０Ｗ→１３０Ｗ→９０Ｗ→１３０Ｗ→０Ｗ→１３０Ｗと繰り返し発熱量を変動させた。図７（ｂ）は、熱源の発熱量を図７（ａ）に示すように変化させたときの、従来例によるＰＩＤ制御による熱電素子の消費電力の変化（Ｂ）と、本発明によるＰＩＤ制御による熱電素子の消費電力の変化（Ａ）を比較して示している。図７（ｂ）からわかるように、本発明による温度制御によると、従来技術のＰＩＤ制御に比べても大幅に消費電力を低減できることがわかる。また、図７（ｂ）の（Ｂ）から明らかなように、本発明の温度制御においては、このような測定条件下では熱電素子の冷却能力にまだ十分余裕があるため、冷却ファンは結果的にサイレントモードで動作する。従って、ファンノイズも低い状態に維持される。

（第２の実施形態）
次に、図８を用いて、本発明の第２の実施形態にかかる電子部品用冷却装置１００を説明する。電子部品用冷却装置１００も、均熱板３、熱電素子４、ヒートシンク５、冷却ファン６，電流源７，８及び制御部１１０を有しており、半導体素子２を冷却している点では、図１に示す第１の実施形態と同じである。

半導体素子２は、均熱板３の一方の面に対して熱伝導部材を介して接触熱抵抗が小さくなるように取り付けられている。均熱板３には、さらに、ヒートパイプ２５の吸熱端が埋め込まれており、放熱端は、冷却ファン６の近くに配置されている。なお、図示されてはいないが、ヒートパイプ放熱端には複数のフィンプレートが、取り付けられている。

半導体素子２が動作する際に発生する熱は、均熱板３でいったん広げられた後に、熱電素子４により吸熱され、ヒートシンク５のベース５Ｂと複数の放熱フィン５Ｆに伝えられて周囲に放熱されるとともに、ヒートパイプ２５により一部の熱が直接吸熱されて例えばフィンに移動されるので、より冷却効果を高めることが可能となる。

温度センサ２０からの信号は、温度情報信号３１と４１に分けられる。ハイパスフィルタ５０を通過した温度情報信号３２は制御部１１０に入力され、これを基にして演算を行い、制御部１１０から出力される制御信号３３により電流源８を制御することによって、熱電素子４の制御を行う。また，ローパスフィルタ６０を通過した温度情報信号４２は制御部１１０に入力され、これを基にして演算を行い、制御部１１０から出力される制御信号４３により電流源７を制御することによって、冷却ファン６の風量を制御する。

ここで、ハイパスフィルタ５０のカットオフ周波数は、半導体素子２の温度応答の時定数あるいは均熱板３の温度応答の時定数により決定される。またローパスフィルタ６０のカットオフ周波数は、半導体素子２や均熱板３に比べて熱容量の大きいヒートシンク５の温度応答の時定数により決定される。この時に、制御部１１０を簡単化するために、ハイパスフィルタ５０の周波数及び制御部１１０の演算周波数は、ローパスフィルタ６０の整数倍となるように選ぶことが望ましい。

このように、本実施形態によると、ヒートシンク５の温度分布による熱電素子４（ペルチェクーラ）の最適な駆動が可能になり、熱電素子４の消費電力を小さくすることができる。また、半導体素子２の負荷に応じてヒートシンク５の冷却性能を制御することが可能になり、半導体素子２の負荷が小さいときには冷却ファン６の消費電力を小さく抑えるとともに、ファンの羽の風切り音などによるノイズも小さく抑えることができ、かつ熱電素子４の消費電力を小さく抑えることができる。さらに、半導体素子２の制御温度のオーバーシュート量、アンダーシュート量が小さくなり、厳密な半導体素子２の温度制御が可能である。その結果、半導体素子２にかける熱サイクルがなくなり、半導体素子２の長寿命化が可能である。さらに、半導体素子２の温度制御が安定した状態で維持されるので、制御結果が発振しない。また、全体の制御を、１つの周期を持つ制御部１０，１１０で構成することが可能となり、回路を簡素化することができる。

以上説明したように、本発明によると、制御部１０、１１０は、熱電素子４をパルス幅変調により動作させる際に、半導体素子２の目標温度と半導体素子２のモニタ温度の差の値により、複数の制御区分に分けて、パルス幅変調における比例係数と積分係数と微分係数を設定することで、熱電素子４及び冷却ファン６を駆動パルス幅変調により精密に制御することができる。そして、制御部１０、１１０は、好ましくは半導体素子２の温度に応じて、冷却ファン６を一定電圧で駆動させて熱電素子４の駆動を制御する第１制御領域Ｃ１と、熱電素子４の駆動を最大電力で駆動させて冷却ファン６の駆動を制御する第２制御領域Ｃ２に分割して、熱電素子４の駆動制御量が飽和した時に冷却ファン６の駆動を制御する。

本発明の他の実施形態では、異なるカットオフ周波数を有する複数個のフィルタ５０，６０を有しており、時定数の大きい制御対象については、カットオフ周波数よりも低い周波数の信号をパスする第１フィルタであるローパスフィルタ６０を通した温度情報信号４２を制御部１１０に供給する。時定数の小さい制御対象については、カットオフ周波数よりも高い周波数の信号をパスする第２フィルタであるハイパスフィルタ５０を通した温度情報信号３２を制御部１１０に供給する。この場合には、時定数の大きい制御対象はヒートシンク温度であり、時定数の小さい制御対象は半導体素子２の温度である。このため、ヒートシンク５の温度により冷却ファン６の風量が制御され、半導体素子２の温度により熱電素子４に供給される電流が制御される。

ところで、本発明は上述した実施形態に限定されずに、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば熱電素子のＰＷＭ制御を行う際の制御区分は、３つに限らず２つあるいは４つ以上であっても構わない。図６におけるヒートパイプ２５と冷却ファン６の配置位置は、ヒートシンク５の上部側ではなく側部側であっても良い。

図１と図８に示す制御部１０、１１０は、アナログ制御回路、またはＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｒ），ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）により構成することができる。また、上述の温度制御処理手順を行うコンピュータプログラムをコンピュータにより実行させる構成とすることも可能である。

本発明の電子部品用冷却装置の好ましい実施形態１を示す図である。 本発明の制御部をコンピュータ及び制御プログラムにより実施した例を示す機能ブロック図である。 本発明の冷却方法の好ましい一実施形態を示す制御フロー図である。 従来技術と本発明の冷却制御方法における制御温度と消費電力の変化を示す図である。 従来技術と本発明の温度制御による温度変化を比較して示す図である。（ａ）は従来のＯＮ／ＯＦＦ制御による場合の温度変化を示し、（ｂ）は、本発明の制御による場合の温度変化を示す。 図５の条件下における従来技術のＯＮ／ＯＦＦ制御による冷却ファンの駆動電圧の変化と、本発明の制御による駆動電圧の変化を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる冷却装置によるＰＩＤ制御と通常のＰＩＤ制御とを比較して示す図である。 本発明の電子部品用冷却装置の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１，１００ 電子部品用冷却装置
２ 半導体素子（熱源）
３ 均熱板（熱伝導部材）
４ 熱電素子
５ ヒートシンク
６ 電動（冷却）ファン
７，８ 電流源(電源)
１０，１１０ 制御部
１１ 主制御部
１２ データ記憶部
１３ 温度領域判定部
１４ 制御データ生成部
１５ 制御領域判定部
１６ 熱電素子制御部
１７ 冷却ファン制御部
１８ モニタ管理部
１９ 入出力インタフェース
２０ 温度センサ
５０ ハイパスフィルタ（第２フィルタ）
６０ ローパスフィルタ（第１フィルタ）

Claims (14)

1. 被冷却素子に熱的に接続された低温部から該被冷却素子の発生する熱を吸熱し、吸熱した熱を高温部から放熱する熱電素子と、
   制御温度領域を、前記被冷却素子の温度と制御目標温度との温度差に応じて複数の温度領域に区分し、該各温度領域に応じて異なる値の比例係数と積分係数と微分係数を用いて、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出し、これに基づき前記熱電素子をＰＷＭ駆動する制御部と、
   を備える電子部品用冷却装置。
2. さらに、前記被冷却素子と熱的に接続されており該被冷却素子の発生する熱を拡散する熱伝導部材を備えており、前記熱電素子の前記低温部は前記熱伝導部材を介して前記被冷却素子と熱的に接続され、前記熱電素子の前記高温部はヒートシンクに熱的に接続されている請求項１に記載の電子部品用冷却装置。
3. さらに、空気を流動させることにより前記ヒートシンクを含む高温部の放熱を促進する冷却ファンを備える請求項２に記載の電子部品用冷却装置。
4. 前記制御部は、前記温度領域に応じて異なる値の前記比例係数と前記積分係数と前記微分係数を用いて、前記ＰＷＭデューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出し、これに基づき前記冷却ファンをＰＷＭ駆動することを特徴とする請求項３に記載の電子部品用冷却装置。
5. さらに、前記被冷却素子と熱的に接続されているヒートパイプを備える請求項４に記載の電子部品用冷却装置。
6. 前記制御部は、前記冷却ファンを一定の低電圧で駆動させた状態で前記熱電素子の動作を制御することにより温度制御を行う第１制御領域と、前記熱電素子を最大電力で駆動させつつ前記冷却ファンの動作を制御することにより温度制御を行う第２制御領域とを備えており、第１制御領域による前記熱電素子による温度制御量が最大値に達したときに、前記第２制御領域の制御に移行することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の電子部品用冷却装置。
7. 異なるカットオフ周波数を有する複数のフィルタを有しており、
   時定数の大きな制御対象については、前記カットオフ周波数よりも低い周波数の信号をパスする第１フィルタを通した温度情報信号を前記制御部に供給し、時定数の小さな制御対象については、前記カットオフ周波数よりも高い周波数の信号をパスする第２フィルタを通した温度情報信号を前記制御部に供給する請求項３から６のいずれか１項に記載の電子部品用冷却装置。
8. 前記時定数の大きな制御対象は前記ヒートシンクの温度であり、時定数の小さな制御対象は前記被冷却素子の温度であり、
   前記ヒートシンクの温度に応じて前記冷却ファンの風量を制御し、前記被冷却素子の温度に応じて前記熱電素子に供給する電流を制御することを特徴とする請求項７に記載の電子部品用冷却装置。
9. 少なくとも熱電素子を備える電子部品用冷却装置において、
   （ａ）制御対象の温度を一定の時間間隔で測定する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）により測定した温度と制御目標温度との温度差を算出し、該温度差に対応する比例係数と積分係数と微分係数を確定する工程と、
   （ｃ）前記確定した各係数値に基づき、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出する工程と、
   （ｄ）前記算出したＰＷＭデューティ比を用いて、前記熱電素子をＰＷＭ駆動する工程と、
   を備えることを特徴とする電子部品用冷却装置の温度制御方法。
10. 熱電素子と冷却ファンを備える電子部品用冷却装置の温度制御方法であって、さらに、
    （ｅ）前記熱電素子による温度制御負荷が所定値に達したか否かを判定する工程と、
    （ｆ）前記熱電素子による温度制御の負荷が前記所定値以上のときには、前記熱電素子による温度制御に加えて、前記冷却ファンの風量を制御する手順と、
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の電子部品用冷却装置の温度制御方法。
11. 前記工程（ｆ）は、前記工程（ａ）から（ｄ）の各工程と同様の工程により算出した前記ＰＷＭデューティ比を用いて、前記冷却ファンをＰＷＭ駆動する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の電子部品用冷却装置の温度制御方法。
12. 少なくとも熱電素子を備えており、該熱電素子の動作を制御することにより制御対象の温度を所定の制御目標温度以下に維持する電子部品用冷却装置において、
    （ａ）制御対象領域に設けられた温度センサによる測定温度を一定の時間間隔で取得する手順と、
    （ｂ）前記制御目標温度と前記測定温度との温度差を算出し、該温度差に対応する比例係数と積分係数と微分係数を記憶部から読み出す手順と、
    （ｃ）前記読み出した各係数値に基づき、パルス幅変調（ＰＷＭ）デューティ比の変化量及びＰＷＭデューティ比を算出する手順と、
    （ｄ）前記算出したＰＷＭデューティ比を用いて、前記熱電素子をＰＷＭ駆動する制御手順と、
    をコンピュータに実行させる温度制御プログラム。
13. 熱電素子および冷却ファンの動作を制御することにより制御対象領域を所定の制御目標温度以下に維持する電子部品用冷却装置において、さらに、
    （ｅ）前記熱電素子による温度制御の負荷が所定値以上か否かを確認する手順と、
    （ｆ）前記熱電素子による温度制御の負荷が前記所定値以上のときには、前記熱電素子による温度制御に加えて、前記冷却ファンの風量を制御する手順と、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項１２に記載の温度制御プログラム。
14. 前記手順（ｆ）は、前記手順（ａ）から（ｄ）の各手順と同様の手順により算出した前記ＰＷＭデューティ比を用いて、前記冷却ファンをＰＷＭ駆動する手順を含むことを特徴とする請求項１３に記載の温度制御プログラム。

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