JP2009094130A

JP2009094130A - 冷却モジュール

Info

Publication number: JP2009094130A
Application number: JP2007260842A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Terasaki; 和弥寺崎; Satoru Miwa; 悟三輪; Masami Miike; 正美三池; Kei Yamaoka; 圭山岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-10-04
Filing date: 2007-10-04
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】熱抵抗を抑制し、かつ正確な温度測定ができるようにする。
【解決手段】薄膜測温素子３４は、熱電変換モジュール１２のセラミック基板３１上にスパッタされて構成されている。薄膜測温素子３４は、発熱体である機能部品の直下であって、機能部品の主たる放熱経路上に配置され、熱電変換モジュール１２の温度に関する情報を電気接続部３６に出力するようになされている。電気接続部３６は、例えば、フレキシブルケーブルで外部基板に接続され、外部基板からの信号に基づいて薄膜測温素子３４の電圧値、電流値、電気抵抗値などの電気特性が測定され、外部基板の信号に基づいて得られた薄膜測温素子３４の電気特性に基づいて、現在のセラミック基板３１の図中上側の面の温度が計測可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却モジュールに関し、特に、熱抵抗を抑制し、かつ正確な温度測定ができるようにする冷却モジュールに関する。

電子機器などを構成する部品には、高温になることで特性変化が生ずるとともに短寿命となるものがある。そのため、発熱する部品が規定の温度範囲となるよう冷却設計を行う必要がある。例えば、半導体チップや駆動によって温度上昇をきたす、発熱密度の高い部品の冷却設計では、効率よく熱を空気、液体などに伝えるために、例えば、銅やアルミのヒートシンクなどの高熱伝導部材により発熱部品の表面積を広げる方式がとられている。

そのほかにも小さな温度差で大きな熱量を伝えるための相変化デバイス（ヒートパイプ）や、局所冷却、温度制御のための熱電変換モジュールを用いる場合もある。これらの組み合わせによって、部品を冷却する冷却モジュールが構成されるが、各部材の接続（例えば、発熱部品と高熱伝導部材の接続）において、空気が介在することになると発熱部品の温度が上昇するため、溶接、樹脂を用いた接着、または、グリース、伝熱シートなどを用いて接触させることで空気の介在量を抑えて熱抵抗を抑制し、その結果として発熱部品の温度上昇を抑えるようになされている。

これら接続に用いられる、グリースなどの干渉材は厚みによって熱抵抗が変化し、構成によっては部品の温度上昇を引き起こす主たる原因となる。このため、冷却モジュールの組み立て時には、各部の熱抵抗、特に干渉材の熱抵抗を規定の範囲に収まるように管理する必要があり、製造プロセス上、容易に温度が測定可能となるような冷却モジュール構成が必要とされている。

また、環境温度の変化も、部品の温度に影響する。さらに、長期的に部品の一部が劣化することで、部品の温度上昇、特性変化などを引き起こすこともある。

例えば、ＬＥＤが長時間点灯させられ続けることで、輝度劣化する場合、輝度劣化と温度上昇は密接な関係があるので、冷却モジュールの一部、または冷却モジュールに充分に近い位置で温度を測定し、その測定結果に基づいて温度制御をかけ、劣化の深刻度によってアラームをだすなどすることも必要となる。サーミスタを用いて部品の温度を測定することも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

部品の温度を正確に測定するためには、部品の主たる放熱経路上にサーミスタなどを配置することが望ましい。

また、温度センサの抵抗値にばらつきが生じて温度制御を正確に行うことが難しいセラミックヒータの、温度制御の正確性を高める技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、蒸着薄膜素子の抵抗係数を測定し、素子の最終製造工程を終えるまでに蒸着薄膜素子の特性を知ることができるようにする技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−９３２５７号公報

特開平６−７６９１９号公報

特開昭５５−１９４１０号公報

しかしながら、例えば、熱電対、サーミスタなどの測温素子を用いて部品の温度を測定する場合、測温素子が部品の主たる放熱経路上に配置されるので、その測温素子によって部品の熱抵抗が増大してしまう。また、部品に測温素子を固定するときに、グリース、伝熱シートなどの干渉材を充填して熱抵抗を低くするようにしても、干渉材自身の熱伝導率が低く、また、測温素子の大きさに合わせて十分な量を充填することが必要であり、結果として部品の熱抵抗が増大してしまう。さらに、干渉材の充填量のばらつきによって熱抵抗値も変化するので、部品が安定して動作しなくなることがある。

従来の技術では、冷却設計を行う場合、熱抵抗が増大することを想定しながら、測温素子を部品の主たる放熱経路上に配置して部品の温度を測定するか、あるいは、応答速度が遅延することを想定しながら、部品の主たる放熱経路から外れた箇所に測温素子を配置して温度測定をすることを選択せざるをえなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、熱抵抗を抑制し、かつ正確な温度測定ができるようにするものである。

本発明の一側面は、電力の供給を受けて駆動する機能部品を冷却する冷却モジュールであって、前記機能部品の主たる放熱経路上に、前記機能部品により発せられる熱を、放熱するための放熱部の一部をなす薄膜測温素子が取り付けられている冷却モジュール。

前記放熱部の、前記機能部品と当接する面が絶縁体の基板で構成され、前記絶縁体の基板の表面に、導電体を堆積させて、前記薄膜測温素子を含む測温回路が構成されているようにすることができる。

前記測温回路を介して前記薄膜測温素子の電気的特性の変化を測定することで、前記放熱部の前記機能部品と当接する面の温度が測定されるようにすることができる。

前記測定された、前記放熱部の前記機能部品と当接する面の温度に基づいて、前記機能部品の駆動が制御されるようにすることができる。

導体または半導体で構成される前記放熱部の一部に、絶縁層を堆積させて、前記絶縁層を前記機能部品に当接させ、前記絶縁層上に、導電体を堆積させて、前記薄膜測温素子を含む測温回路が構成されているようにすることができる。

前記薄膜測温素子を含む測温回路上に、絶縁体を堆積させるようにすることができる。

本発明の一側面においては、前記機能部品により発せられる熱を、放熱するための放熱部の一部であって、前記機能部品の主たる放熱経路上に、薄膜測温素子が取り付けられている。

本発明によれば、熱抵抗を抑制し、かつ正確な温度測定ができる。

以下に本発明の実施の形態を説明するが、本発明の構成要件と、明細書または図面に記載の実施の形態との対応関係を例示すると、次のようになる。この記載は、本発明をサポートする実施の形態が、明細書または図面に記載されていることを確認するためのものである。従って、明細書または図面中には記載されているが、本発明の構成要件に対応する実施の形態として、ここには記載されていない実施の形態があったとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件に対応するものではないことを意味するものではない。逆に、実施の形態が構成要件に対応するものとしてここに記載されていたとしても、そのことは、その実施の形態が、その構成要件以外の構成要件には対応しないものであることを意味するものでもない。

本発明の一側面の冷却モジュールは、電力の供給を受けて駆動する機能部品（例えば、図１の機能部品１１）を冷却する冷却モジュールであって、前記機能部品の主たる放熱経路上に、前記機能部品により発せられる熱を、放熱するための放熱部（例えば、図１の熱電変換モジュール１２）の一部をなす薄膜測温素子（例えば、図２の薄膜測温素子３４）が取り付けられている。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る冷却モジュールの構成例を示す図である。

この冷却モジュール１０は、例えば、高発熱密度の部品を要する電子機器などに組み込まれて用いられる。

図１において、機能部品１１は、電力の供給を受けて駆動する部品であって、比較的小さい表面積を有し、比較的大きな熱量を発生する高発熱密度の部品とされる。機能部品１１を駆動させるために、電力が供給された場合、機能部品１１の内部で熱損失が生じ、機能部品１１が発熱体となる。機能部品１１は、例えば、LED（light-emitting diode）などとされる。

LEDは、長時間点灯させると、輝度劣化が生じそれとともに、温度が上昇する。また、LEDの周囲の温度（環境温度）が上昇すると、それに伴ってＬＥＤの発光スペクトルが変化し、画質が変化することがある。従って、ＬＥＤの温度、環境温度などが上昇しすぎることがないよう、適切に温度を管理することが必要となる。また、ＬＥＤはサイズが小さく、発熱量が高いため、LEDの冷却モジュールは、全体として熱抵抗が低くなるように構成されることが要求される。

同図の熱電変換モジュール１２は、機能部品１１の温度を電気的に制御する。熱電変換モジュール１２は、例えば、ペルチェ素子などで構成され、必要に応じて機能部品１１を冷却するように動作する。また、熱電変換モジュール１２は、その図中上側の面が、機能部品１１の図中下側の面と当接するように配置され、熱電変換モジュール１２の図中上側の面には、後述するように、測温素子が取り付けられるようになされている。

ヒートシンク１３は、表面積を拡大することで、冷却モジュール１０全体の熱抵抗を低減するように設けられている。ヒートシンク１３は、後述するように、ファンなどにより発生されられた気流により冷却されることで、熱電変換モジュール１２を介して伝えられた機能部品１１の熱を、空気中に放熱するようになされている。

この例における発熱体である機能部品１１の主たる放熱経路は、機能部品１１の図中下側の面、熱電変換モジュール１２の図中上側の面、熱電変換モジュール１２の図中下側の面、ヒートシンク１３の順に熱を伝える経路となる。

図２は、図１の熱電変換モジュール１２の詳細な構成例を示す図である。同図に示されるように、熱電変換モジュール１２は、例えば、ビスマステルルなどにより構成され、ｎ型とp型を対にした複数の熱電変換素子３３を銅電極で直列に接続したものを、絶縁体であるセラミック基板３１およびセラミック基板３２で挟み込むことで構成されている。セラミック基板３１またはセラミック基板３２には、熱電変換素子を効率よく利用するとともに熱抵抗を低減するために、例えば、熱伝導率の良い窒化アルミが用いられる。セラミック基板３１と機能部品１１との接続には、例えば、金属フィラー入りの熱硬化性の樹脂が干渉材として用いられる。

また、同図に示されるように、セラミック基板３１の図中上側の面であって、機能部品１１の下側の面と当接する位置に、薄膜測温素子３４が設けられている。薄膜測温素子３４は、導線３５によって電気接続部３６と接続されている。

薄膜測温素子３４は、発熱体である機能部品１１の直下であって、機能部品１１の主たる放熱経路上に配置され、熱電変換モジュール１２の温度に関する情報を電気接続部３６に出力するようになされている。電気接続部３６は、例えば、フレキシブルケーブルで外部基板に接続され、外部基板からの信号に基づいて薄膜測温素子３４の電圧値、電流値、電気抵抗値などの電気特性が測定される。例えば、薄膜測温素子３４の温度に対する電気抵抗値の変化をあらかじめ測定しておくことで、外部基板の信号に基づいて得られた薄膜測温素子３４の電気抵抗値に基づいて、現在の熱電変換モジュール１２のセラミック基板３１の図中上側の面の温度が計測可能となる。

このように、冷却モジュール１０においては、熱電変換モジュール１２の温度の推移がモニターされることで、機能部品１１の機能的特性の変化が推定される。例えば、熱電変換モジュール１２の温度が高い状態が長く続いている場合、機能部品１１の品質が劣化して正常に機能しない状況とならないよう、機能部品１１の稼働、熱電変換モジュール１２の稼働などが制御されるようになされている。あるいはまた、例えば、熱電変換モジュール１２の温度が高い状態が長く続いている場合、アラームなどが出力されるようにすることも可能である。

例えば、薄膜測温素子３４の電気特性に基づいて得られる温度と、環境温度をモニターするための図示せぬ測温素子（例えば、サーミスタ、熱電対など）により測定された環境温度に基づいて、△Ｔ（セラミック基板３１上の温度−環境温度）を演算し、△Tが予め設定された値を超えた場合、機能部品１１への電力の供給を停止（または低減）し、アラームを出力するといった制御がなされるようにすればよい。

例えば、従来のように、熱電対、サーミスタなどの測温素子を用いて機能部品の温度を測定する場合、測温素子を機能部品の主たる放熱経路上に配置すると、その測温素子により熱抵抗が増大し、また、機能部品に測温素子を固定するときに用いられる干渉材によっても熱抵抗が増大してしまう。さらに、干渉材の充填量のばらつきによって熱抵抗値も変化するので、機能部品が安定して動作しなくなることがある。

一方で、測温素子が機能部品の主たる放熱経路から離れた位置に配置されると、機能部品の温度が上昇しても、測温素子の温度は、あまり上がらず、結果として機能部品の温度の上昇の検知が遅れてしまうことがある。

従来の技術では、冷却設計を行う場合、熱抵抗が増大することを想定しながら、測温素子を機能部品の主たる放熱経路上に配置して部品の温度を測定するか、あるいは、応答速度が遅延することを想定しながら、機能部品の主たる放熱経路から外れた箇所に測温素子を配置して温度測定をすることを選択せざるをえなかった。

本発明の冷却モジュール１０においては、薄膜測温素子３４の電気特性に基づいて温度が測定されるようにしたので、機能部品１１の主たる放熱経路上での温度測定が可能となる。また、発熱部品である機能部品１１の近傍での温度の管理が可能となるため、より応答速度の速く、信頼のある制御を行うことが可能となる

図３は、冷却モジュール１０の、電子機器などへの組み込みの例を説明する図である。

同図に示されるように冷却モジュール１０のヒートシンク１３が、電子機器のダクト７９に接続されている。ダクト７９には、ファン７８が設けられており、ファン７８により気流が発生し、機能部品１１により発せられた熱がヒートシンク１３から放熱されるようになされている。

機能部品１１と熱電変換モジュール１２との接合部分には、空気が介在することで機能部品１１の温度が上昇することを抑止するため、干渉材を充填して空気の介在量を抑えて熱抵抗を抑制するようになされている。同様に、熱電変換モジュール１２とヒートシンク１３との接合部分にも干渉材が充填される。

干渉材は、加熱されると溶融し流動性を得た後、固まることにより、機能部品１１と熱電変換モジュール１２、または熱電変換モジュール１２とヒートシンク１３とを接合させる。従って、冷却モジュール１０が電子機器などへの組み込まれるとき、機能部品１１と熱電変換モジュール１２との接合部分、および熱電変換モジュール１２とヒートシンク１３との接合部分に干渉材を充填した後、機能部品１１および熱電変換モジュール１２が所定の位置に配置されて加熱圧着されることになる。

ところで、干渉材を充填して熱抵抗を低くするようにしても、干渉材は厚みによって熱抵抗が変化するので、例えば、干渉材が過剰に充填されるなどしてその厚みが増した場合、温度上昇を引き起こす主たる原因となることがある。さらに、干渉材の充填量のばらつきによって熱抵抗値も変化するので、機能部品１１を安定して動作させるためには、干渉材を適切に充填する必要がある。

本発明の冷却モジュール１０は、図２に示されるように、機能部品１１の下側の面と当接する位置に薄膜測温素子３４が設けられている。薄膜測温素子３４は、後述するように、熱電変換モジュール１２のセラミック基板３１上にスパッタされて構成されているので、薄膜測温素子３４の取り付けに際して干渉材を用いる必要がない。このため、本発明によれば、冷却モジュール１０が電子機器などへの組み込まれるとき、干渉材が充填されたことによる熱抵抗値の変化を簡単に計測することが可能である。

例えば、図３に示されるように、機能部品１１への電力の供給と、薄膜測温素子３４の電気特性の測定を制御する制御ユニット５６を用意して、干渉材が充填されて加熱圧着がなされた後、配線５４を介して機能部品１１への電力を供給し、配線５５を介して薄膜測温素子３４の電気特性の測定を行うようにする。そして、薄膜測温素子３４の温度の推移が計測される。

計測された薄膜測温素子３４の温度が、予め設計された閾値を超えている場合、例えば、冶具５７の加圧条件、加熱条件を変化させ、干渉材の厚みコントロールすることで、薄膜測温素子３４の温度が、閾値を超えないように調整する。ここで、閾値は、機能部品１１が安定して動作する温度の上限に基づいて予め設定されているものとする。

このように、本発明の冷却モジュール１０は、干渉材の量などが充分に調節された状態で電子機器などへ組み込まれるようにすることができる。また、冷却モジュール１０における熱抵抗のばらつきを抑えることができるため、機能部品１１の性能を有効に利用することが可能となる。

次に、熱電変換モジュール１２の測温に関する部分の詳細な構成について説明する。図２を参照して上述したように、熱電変換モジュール１２のセラミック基板３１の図中上側の面であって、機能部品１１の下側の面と当接する位置に、薄膜測温素子３４が設けられている。すなわち、熱電変換モジュール１２の一部には、図２に示されるような、薄膜測温素子３４を含む測温用の回路を形成する薄膜によるパターンが作製されている。

このパターンを作製する前に、セラミック基板３１の表面を平滑にしておき、洗浄によって、ごみ、塵埃が除去される。そして、セラミック基板３１に、このパターンに対応するマスクがとりつけられ、チタン、プラチナなどの金属部材がスパッタされて薄膜による測温用の回路が形成されることになる。

図４は、セラミック基板３１を側面から見た図であり、同図の図中上側の面に薄膜による測温用のパターンが作製される。

同図に示されるように、チタン９１がセラミック基板３１の図中上側の面にスパッタされた後、プラチナ９２がスパッタされる。このようにすることで、チタン９１またはプラチナ９２が剥離することなく、これらの金属部材をセラミック基板３１に接着させることが可能となる。また、チタンとプラチナの組み合わせの場合、約−２０℃乃至３００℃の温度範囲にわたって、金属部材の電気抵抗値の変化が直線性を保ち続けることが確認できている。

すなわち、横軸を温度とし、縦軸を図４に示される金属部材の抵抗値とした場合、各温度に対応する金属部材の抵抗値をプロットすると、ほぼ傾きが一定の直線となる。従って、セラミック基板３１の図中上側の面にスパッタされる金属部材を、チタン９１およびプラチナ９２とすることで、温度に応じて変化する金属部材の電気抵抗を推定することが容易になる。これにより、例えば、電子機器における機能部品１１の電気制御が単純になる。

チタン９１およびプラチナ９２がスパッタされた後、銀９５が配線パターンとしてスパッタされる。この配線パターンは、図２の導線３５に対応するものとされる。なお、電気接続部３６は、図４においては図示されていないが、銀９５の配線パターンにより容易に配線可能となる位置に予め取り付けられているものとする。

以上においては、絶縁体であるセラミック基板３１上に、薄膜測温素子３４が設けられると説明したが、導体または半導体の基板上に薄膜測温素子３４が設けられるようにすることも可能である。この場合、セラミック基板３１を側面から見た図は、図５に示されるようになる。

図５においては、導体または半導体の基板４１上に、絶縁層４２が堆積されている。そして、絶縁層４２の図中上側の面に、図４の場合と同様に、チタン９１、プラチナ９２、および銀９５がスパッタされている。

導体または半導体の基板上では、当然電気信号が導通することになるので、例えば、熱電対やサーミスタなどの測温素子を用いると、正確な温度が計測できなくなることがある。例えば、電子機器の設計の都合上、機能部品の主たる放熱経路上に、導体または半導体の基板が配置されることがあり、そのような場合でも、やはりその基板の位置（主たる放熱経路上）で温度を計測することが望ましいが、上述したように、従来の技術では、正確な温度を計測するこが難しい。本発明においては、薄膜測温素子３４を用いて温度を計測するようにしたので、機能部品１１の主たる放熱経路上に、導体または半導体の基板が配置されている場合であっても、導体または半導体の基板４１上に絶縁層４２を堆積させれば、簡単に薄膜による測温用のパターンを作製することができる。

従って、本発明を用いれば、電子機器の設計の自由度を高めつつ、電子機器を安定して動作させることが可能となる。

また、薄膜による測温用のパターンの品質の劣化を抑止するため、または導電性の干渉材を用いたときでも正確に温度測定を可能とするため、薄膜による測温用のパターンの表面に絶縁層を堆積させることも可能である。この場合、セラミック基板３１を側面から見た図は、図６に示されるようになる。

同図においては、図４の場合と同様に、セラミック基板３１上に、チタン９１、プラチナ９２、および銀９５がスパッタされているが、プラチナ９２および銀９５の上に、さらに、絶縁層９４が堆積されている。

このようにすることで、薄膜による測温用のパターンの品質の劣化を抑止することができ、その結果、長期間にわたって正確な温度の計測が可能となり、機能部品１１が長期間使用されても、安定して動作させることが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る冷却モジュールの構成例を示す図である。図１の熱電変換モジュールの詳細な構成例を示す図である。図１の冷却モジュールの、電子機器などへの組み込みの例を説明する図である。図２の熱電変換モジュールのセラミック基板を側面から見た図である。図２の熱電変換モジュールのセラミック基板を側面から見た図である。図２の熱電変換モジュールのセラミック基板を側面から見た図である。

符号の説明

１０冷却モジュール，１１機能部品，１２熱電変換モジュール，１３ヒートシンク，３１セラミック基板，３２セラミック基板，３３熱電変換素子，３４薄膜測温素子，３５導線，３６電気接続部，５６制御ユニット，５７治具，７８ファン，７９ダクト，９１チタン，９２プラチナ，９５銀

Claims

電力の供給を受けて駆動する機能部品を冷却する冷却モジュールであって、
前記機能部品の主たる放熱経路上に、前記機能部品により発せられる熱を、放熱するための放熱部の一部をなす薄膜測温素子が取り付けられている
冷却モジュール。
前記放熱部の、前記機能部品と当接する面が絶縁体の基板で構成され、
前記絶縁体の基板の表面に、導電体を堆積させて、前記薄膜測温素子を含む測温回路が構成されている
請求項１に記載の冷却モジュール。
前記測温回路を介して前記薄膜測温素子の電気的特性の変化を測定することで、前記放熱部の前記機能部品と当接する面の温度が測定される
請求項２に記載の冷却モジュール。
前記測定された、前記放熱部の前記機能部品と当接する面の温度に基づいて、前記機能部品の駆動が制御される
請求項３に記載の冷却モジュール。
導体または半導体で構成される前記放熱部の一部に、絶縁層を堆積させて、前記絶縁層を前記機能部品に当接させ、
前記絶縁層上に、導電体を堆積させて、前記薄膜測温素子を含む測温回路が構成されている
請求項１に記載の冷却モジュール。
前記薄膜測温素子を含む測温回路上に、絶縁体を堆積させた
請求項２に記載の冷却モジュール。