JPWO2009107209A1 - 測定装置及び熱伝導率推定方法 - Google Patents

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Abstract

ヒータ基板(3)と、ヒータ基板(3)の上面に形成されたヒータ薄膜(7)に通電して発熱するヒータ装置(1)において、複数のヒータ薄膜(7)と複数のヒータ薄膜(7)のそれぞれに独立して給電する給電端子(8)を有する。また、ヒータ薄膜(7)の下面に複数のセンサ薄膜9を形成する。また、ヒータ基板(3)を載置保持するとともに、ヒータ薄膜(7)及びヒータ薄膜(7)と外部機器を電気的に接続する給電用配線薄膜(10)及びセンサ用配線薄膜(11)を上面に形成した実装基板(4)を備える。

Description

本発明は、伝熱機器の性能評価に使用するヒータ装置及び測定装置に関する。
ヒートパイプは、作動液を封入した容器の一端で吸熱して、前記作動液を蒸発させ、前記容器の他端で前記作動液を凝結させて、放熱する装置であり、電子機器の冷却に利用されている。例えば、特許文献1および2では、ICチップのような電子部品とヒートパイプを熱的に接続し、電子部品で発生する熱をヒートパイプでヒートシンクに輸送して放熱するために、ヒートパイプとヒートシンクを組み合わせた冷却器(本明細書では、これをヒートパイプ付き冷却器と呼ぶことにする)が提案されている。
さて、ヒートパイプ付き冷却器の性能は下式で表される総熱抵抗Rで評価される。
=(T−T)/W (式1)
ただし、Wはヒートパイプの単位時間あたりの熱輸送量、Tはヒートパイプ付き冷却器の吸熱部の温度(=冷却対象物の表面温度)Tはヒートパイプ付き冷却器の周囲環境の温度である。
あるいは、総熱抵抗Rに代えて、ワーク熱抵抗Rを使用する場合もある。ワーク熱抵抗Rは下式で表される。
=(T−T )/W (式2)
ただし、T はヒートパイプ付き冷却器の放熱部の温度である。
また、ヒートパイプ付き冷却器のメーカでは、次のような方法で、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗Rを一品ずつ計測して、所定の基準を満足していることを確認している。
(1)ヒートパイプ付き冷却器の吸熱部の温度(=冷却対象物の表面温度)Tを測定しながら、電熱ヒータで加熱する。
(2)時間の経過にしたがって、Tはゆっくり上昇するが、やがて放熱量と発熱量がバランスして、Tは一定(定常状態)になる。
(3)Tが一定になった時の、周囲環境の温度T、及び電熱ヒータの消費電力を測定して、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗Rを算出する(定常状態になったときのヒートパイプ付き冷却器の熱輸送量Wは、電熱ヒータの発熱量に等しく、電熱ヒータの発熱量は消費電力から算出できる)。
特開2007−208262号公報 特開2005−136117号公報
しかしながら、上記の方法による総熱抵抗Rの測定には次のような問題があった。
電熱ヒータの発熱量をヒートパイプ付き冷却器の熱輸送量(=放熱量)に等しくするためには、電熱ヒータの熱がヒートパイプ付き冷却器以外から逃げないように断熱する必要がある。そのために、電熱ヒータの寸法や重量が大きくなるという問題があった。
また、電熱ヒータを完全に断熱することは困難であり、外部に逃げ出す熱量を測定・補正する手段がないので、正確な測定ができないという問題があった。
また、ICチップなどでは、発熱部位が偏在する場合がある。つまり、ICチップの特定の部位が高温になる場合である。このような現象を再現して、ヒートパイプ付き冷却器の性能評価をすることが求められているが、このような場合には、専用の電熱ヒータを用意する必要があった。
本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、ヒートパイプ付き冷却器の熱抵抗の測定に適したヒータ装置を提供するものである。また、ヒートパイプ付き冷却器の熱抵抗の測定に適した測定装置を提供するものである。また、ヒートパイプ付き冷却器の有効熱伝導率を簡易に推定する方法を提供するものである。
上記目的を達成するため、本発明に係るヒータ装置は、基板と、前記基板の上面に形成されたヒータ薄膜に通電して発熱するヒータ装置において、複数のヒータ薄膜と前記複数のヒータ薄膜のそれぞれに独立して給電する給電端子を有することを特徴とする。
また、前記給電端子を前記基板の下面に形成するとともに、前記給電端子と前記ヒータ薄膜を電気的に連絡するスルーホールを備えるようにしてもよい。
また、前記基板の下面に複数のセンサ薄膜を形成してもよい。
また、前記基板を載置保持するとともに、前記ヒータ薄膜及び前記センサ薄膜と外部機器を電気的に接続する配線パターンを上面に形成した実装基板を備えてもよい。
また、前記配線パターンは、前記給電端子に接触する始端と前記実装基板の縁部にあって前記外部機器に接続される終端を結ぶ給電路を、前記給電端子毎に複数個備えるともに、前記複数個の給電路の長さが全て等しくなるようにしてもよい。
また、本発明に係る測定装置は、前記ヒータ装置と前記制御装置から構成されるとともに、前記制御装置は、前記ヒータ薄膜に所定の電力を供給する電力制御手段と、前記センサ薄膜と前記ヒータ薄膜の温度を計測するセンサ制御手段と、前記センサ制御手段が計測する前記センサ薄膜と前記ヒータ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面から流出する流出熱量を算出する演算手段を備えることを特徴とする。
また、前記演算手段は、前記センサ制御手段が計測する前記センサ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面の温度分布を算出してもよい。
また、前記演算手段は、前記電力制御手段が前記ヒータ薄膜に供給する電力に基づいて、前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量を算出してもよい。
また、前記演算手段は、前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量から前記基板の下面から流出する流出熱量を減じて、前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量を算出してもよい。
また、前記測定装置の周囲の環境の温度を測定する環境温度測定手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記環境温度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の熱抵抗を算出してもよい。
また、前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の放熱部の表面温度を測定する放熱部温度測定手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記放熱部度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記供試体の熱抵抗を算出してもよい。
また、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度の時間変化を監視する温度監視手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記ヒータ薄膜の温度の時間変化がなくなったときに、前記供試体の熱抵抗を算出するようにしてもよい。
本発明の熱伝導率推定方法は、熱伝導率が分かっている放熱物体を熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計測する予備計測段階と、前記放熱物体と前記熱源についての熱伝導方程式を解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計算する計算段階と、前記予備計測段階で得られた温度分布と前記計算段階で得られた温度分布とを比較して、両者が一致するような前記熱伝導方程式の境界条件を決定する境界条件決定段階と、前記境界条件決定段階で決定された境界条件を用いた前記熱伝導方程式を前記放熱物体の熱伝導率を変えて解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記熱源の温度を推定する定常温度推定段階と、前記定常温度推定段階で得られた前記放熱物体の熱伝導率と前記熱源の温度の関係に基づいて両者の関係を示す近似式を決定する近似式決定段階と、供試体を前記熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になったときの前記熱源の温度を計測する供試体計測段階と、前記供試体計測段階で得られた前記熱源の温度と前記近似式決定段階で得られた近似式に基づいて、前記供試体の熱伝導率を求める熱伝導率推定段階を有することを特徴とする。
前記熱源は前述のいずれかの構成に係るヒータ装置であってもよい。
本発明のヒータ装置は複数のヒータ薄膜を独立制御できるので、発熱が特定の部位に偏る熱源をシミュレートすることができる。また、本発明のヒータ装置は基板の上面及び下面の温度を検出できるので、基板の下面に流出する熱量を算出することができる。
本発明の測定装置は、ヒータ薄膜で発生する熱量から、基板の下面に流出する熱量を減じて、供試体が伝熱する正味の熱量を算出することができる。また、供試体の熱抵抗を自動計測することができる。
本発明の熱伝導率推定方法によれば、供試体を熱源の上に載置して、熱源の温度が定常状態になったときの温度を計測するだけで、供試体の熱伝導率を知ることができる。
本発明に係るヒータ装置の概念的な構成を示す側面図である。 前記ヒータ装置のヒータ基板の外形図であり、(a)は上面の平面図、(b)はヒータ薄膜を備えた部位の拡大図、(c)は部分断面図である。 前記ヒータ装置のヒータ基板の下面を示す平面図であり、(a)は全体図、(b)はセンサ薄膜の拡大図である。 前記ヒータ装置の実装基板の上面を示す平面図であり、(a)は単体図、(b)はヒータ基板を搭載置した状態を示す図である。 ヒータ装置を使って、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗を測定する原理を説明する模式図である。 ヒータ基板の下面の等温度線図の例である。 本発明に係る計測装置の概念的な構成を示す構成図である。 前記検査装置で実行されるプログラムの例を示すフローチャートである。 放熱物体の熱伝導率と熱源の定常温度の関係を示す図である。
1 ヒータ装置
2 ヒートパイプ付き冷却器
3 ヒータ基板
4 実装基板
5 ヒートパイプ
6 ヒートシンク
7 ヒータ薄膜
8 給電端子
9 センサ薄膜
10 給電用配線薄膜
11 センサ用配線薄膜
12 ヒータ面
13 スルーホール
14 センサ端子
15 電極パッド
16 接続パッド
17 電極パッド
18 接続パッド
21 計測装置
22 制御装置
23 電力制御装置
24 センサ制御装置
25 温度センサ
26 温度センサ
以下、本発明を実施するための最良の形態について、説明する。
[ヒータ装置の全体構成]
図1は、本発明に係るヒータ装置の概念的な構成を示す側面図である。図1に示すように、ヒータ装置1は、ヒートパイプ付き冷却器2を加熱する装置であり、ヒータ基板3と実装基板4から構成される。
なお、ヒートパイプ付き冷却器2は、ヒートパイプ5とヒートシンク6を備え、図示しないICチップに接触させて、ICチップから発生する熱をヒートパイプ5でヒートシンク6に輸送して、放熱する冷却器である。
ヒータ基板3は耐熱性を備えたセラミックで構成され、その上面に複数のヒータ薄膜7を形成している。また、ヒータ基板3には図示しないスルーホールが設けられ、給電端子8が前記スルーホールを貫通してヒータ基板3の下面に突出している。給電端子8はヒータ薄膜7に電力を供給する端子であり、ヒータ薄膜7は給電端子8から給電されて発熱する。また、給電端子8間の電気抵抗を測定すればヒータ薄膜7の温度を知ることができる。
また、ヒータ基板3の下面には、複数のセンサ薄膜9を備えている。センサ薄膜9の電気抵抗を測定すればヒータ基板3の下面の温度を知ることができる。
実装基板4はヒータ基板3を載置・固定する石英基板であり、ヒータ基板3は図示しないファスナで実装基板4上の所定の位置に固定される。また、実装基板4の上面には、給電用配線薄膜10及びセンサ用配線薄膜11が形成される。給電用配線薄膜10は図示しない外部機器からヒータ薄膜7に給電するための配線パターンであり、センサ用配線薄膜11は外部機器とセンサ薄膜9を電気的に接続する配線パターンである。
[ヒータ基板の上面]
図2は、ヒータ基板3の外形図であり、(a)は上面の平面図、(b)はヒータ薄膜7を備えた部位の拡大図、(c)は部分断面図である。
図2(a)に示すように、ヒータ基板3は一辺の長さが50mmの正方形をなし、中央に一辺10mmの正方形のヒータ面12を形成している。ヒータ面12はヒートパイプ付き冷却器2の冷却対象のICチップを模擬する部分であり、5面のヒータ薄膜7を備えている。
また、図2(b)に示すように、ヒータ面12には、その中央に配置された正方形のヒータ薄膜7の周囲に、L字形のヒータ薄膜7が4面配置されている。また、ヒータ薄膜7の端部には給電端子8が2個ずつ備えられ、給電端子8はヒータ基板3の上面から下面に貫通するスルーホール13を通って、ヒータ基板3の下面に突出している(図2(c)参照)。なお、ヒータ基板3の厚さは約1mm程度である。
このように、5面のヒータ薄膜7のそれぞれに給電端子8を備えているので、5面のヒータ薄膜7をそれぞれ独立して制御することができる。つまり、5面のヒータ薄膜7の一部に通電することや、特定のヒータ薄膜7の発熱量を加減することができるので、発熱部位が偏在するICチップを模擬することができる。
なお、ヒータ薄膜7の材料は通電によって発熱し、温度変化に伴って電気抵抗が変化する物質の中から適当なものを選択すればよいが、本実施形態では白金を使用している。
[ヒータ基板の下面]
図3は、ヒータ基板3の下面を示す平面図であり、(a)は全体図、(b)はセンサ薄膜9の拡大図である。
図3(a)に示すように、ヒータ基板3の下面には、9面のセンサ薄膜9を横方向および斜め(対角線)方向に配列している。後述するように、9面のセンサ薄膜9から得られる温度データに基づいてヒータ基板3の下面全体の温度分布を推定するために、このような配列を選んでいる。また、センサ薄膜9の配置はヒータ薄膜7の給電端子8と干渉しない(重ならない)位置を選んでいる。
また、センサ薄膜9は一辺の長さが約2.4mmの正方形をなし、図3(b)に示すようなパターンを描いている。また、センサ薄膜9のパターンの両端にはセンサ端子14が設けられ、センサ端子14間の電気抵抗を計測すればセンサ薄膜9の温度を知ることができる。
なお、センサ薄膜9の材料は温度変化に伴って電気抵抗が変化する物質の中から適当なものを選択すればよいが、本実施形態では白金を使用している。
[実装基板]
図4は、実装基板4の上面を示す平面図であり、(a)は実装基板4単体、(b)は実装基板4上にヒータ基板3を搭載した状態を示している。
図4に示すように、実装基板4は一辺の長さが150mmの正方形をなす石英基板であり、上面に10本の給電用配線薄膜10と、18本のセンサ用配線薄膜11を形成している。
給電用配線薄膜10は、実装基板4の縁部に配置された電極パッド15と、実装基板4の中央部に配置された接続パッド16を結ぶ導電体の薄膜である。電極パッド15は図示しない外部機器と電気的に接続される接続部であり、接続パッド16はヒータ基板3の下面に突出する給電端子8に接触する接続部である。つまり、給電用配線薄膜10は前記外部機器とヒータ薄膜7を電気的に連絡する配線として機能する。
なお、10本の給電用配線薄膜10の電極パッド15と接続パッド16の相対的な位置関係は、それぞれ異なるが、電極パッド15と接続パッド16の相対的な位置関係に応じて経路を屈曲させることによって、電極パッド15から接続パッド16に至る経路の長さが、全ての給電用配線薄膜10について等しくなるようにしている。これは、給電用配線薄膜10の配線抵抗の違いに起因する発熱量や温度の計測誤差を解消するためである。
センサ用配線薄膜11は、実装基板4の縁部に配置された電極パッド17と、実装基板4の中央部に配置された接続パッド18を結ぶ導電体の薄膜である。電極パッド17は図示しない外部機器と電気的に接続される接続部であり、接続パッド18はヒータ基板3の下面に配置されたセンサ薄膜9のセンサ端子14に接触する接続部である。つまり、センサ用配線薄膜11は前記外部機器とセンサ薄膜7を電気的に連絡する配線として機能する。
なお、給電用配線薄膜10と同様の理由で、センサ用配線薄膜11も経路を屈曲させることによって、電極パッド17から接続パッド18に至る経路の長さが、全てのセンサ用配線薄膜11について等しくなるようにしている。
[熱抵抗の測定方法]
図5は、ヒータ装置1を使って、ヒートパイプ付き冷却器2の総熱抵抗Rを測定する原理を説明する模式図である。
図5において、Wは単位時間にヒータ薄膜7で発生する熱量であり、Wは単位時間にヒートパイプ付き冷却器2がヒータ薄膜7から吸収して外部環境に排出する熱量、つまりヒートパイプ付き冷却器2の単位時間あたりの熱輸送量である。また、Wは単位時間にヒータ薄膜7の裏面からヒータ基板3を通って外部環境に排出される熱量である。
また、Tはヒータ薄膜7の温度、Tは外部環境の温度、Tはヒータ基板3の下面の温度である。
ヒートパイプ付き冷却器2の総熱抵抗Rは、次式で与えられる。
=(T−T)/W (式3)
はヒータ薄膜7の温度であるから、ヒータ薄膜7の電気抵抗の値から算出できる。また、Tは外部環境の温度であるから、公知の各種温度計測手段で計測することができる。したがって、Wを知ることができれば、総熱抵抗Rを求めることができる。
ここで、Tの時間変化がなくなった状態、つまり定常状態になった場合を考える。定常状態では、ヒータ薄膜7で発生する熱量はすべて外部に排出されるから、次式が成り立つ。
=W+W (式4)
∴ W=W−W (式5)
は単位時間にヒータ薄膜7で発生する熱量であるから、ヒータ薄膜7の消費電力に熱電変換効率を乗じて求めることができる。一方、Wは以下の手順で算出する。
さて、ヒータ薄膜7の面積をA、ヒータ基板3の板厚をtとすると、Aに比べてtは小さいから、ヒータ薄膜7の裏面からヒータ基板3の下面に流れる熱は、ヒータ基板3に垂直に流れると考えてよい。したがって、次式が成り立つ。ただしkはヒータ基板3の熱伝導率である。
=A・k・(T−T)/t (式6)
前述したように、Tはヒータ薄膜7の電気抵抗の値から算出できる。しかしながら、Tは、センサ薄膜9による測定値をそのまま使用することができない。センサ薄膜9はヒータ薄膜7の直下にないからである(ヒータ薄膜7の給電端子8とセンサ薄膜9の干渉を避けるために、このように配置している)。
そこで、ヒータ基板3の下面に配置した9面のセンサ薄膜9の測定値に基づいて、ヒータ基板3の下面の温度分布を推定し、ヒータ薄膜7の直下のヒータ基板3の下面の温度、すなわちTを求める。
さて、予想される温度分布に対して、ヒータ薄膜7を適切に配置すれば、隣接するセンサ薄膜9の間の点の温度は、一方のセンサ薄膜9から距離に対して線形に変化すると考えてよい。また、本実施形態では、ヒータ基板3に対してセンサ薄膜9が均等に分布していないので、センサ薄膜9から離れた部位の温度の推定精度が問題になるが、ヒータ薄膜7はヒータ基板3の中央付近に配置されているので、ヒータ基板3の下面の温度は、ヒータ基板3の中心に対して対称に分布すると考えてよい。したがって、図6に示すように、部位A〜Dの温度は部位A’〜D’に配置されたセンサ薄膜9による測定値に等しいと考えて、等温度線図を作成することができる。
このようにして得られたヒータ基板3の下面の温度分布に基づいて、ヒータ薄膜7直下のヒータ基板3の下面の温度をTとすれば、式6からWが得られる。
[計測装置]
次に、ヒータ装置1を使って、ヒートパイプ付き冷却器2の総熱抵抗Rあるいはワーク熱抵抗Rを自動計測する計測装置21について説明する。
図7は、計測装置21の概念的な構成を示す構成図である。図7に示すように、計測装置21は、ヒータ装置1、制御装置22、電力制御装置23、センサ制御装置24及び温度センサ25,26から構成される。
制御装置22は、計測装置21の全てを支配するコンピュータであり、電力制御装置23及びセンサ制御装置24は制御装置22の指令を受けて機能する。
電力制御装置23は、制御装置22の指令に従って所定の電力を、ヒータ装置1のヒータ薄膜7に供給する装置である。
センサ制御装置24は、制御装置22の指令に従って、センサ薄膜9のセンサ端子14間の電気抵抗を測定してセンサ薄膜9の温度を算出する装置である。また、センサ制御装置24は、制御装置22の指令に従って、ヒータ薄膜7の給電端子8間の電気抵抗を測定してヒータ薄膜7の温度を算出する。
温度センサ25は、外部環境(ヒートパイプ付き冷却器2が放熱する空間)の温度を検出するセンサである。また、温度センサ26は、ヒートパイプ付き冷却器2の放熱部(ヒートシンク6)の表面温度を検出するセンサである。
[制御プログラム]
制御装置22には、制御プログラムがインストールされ、制御装置22は制御プログラムに従って、電力制御装置23等を運転して、自動計測を行う。図8は、制御装置22で実行される制御プログラムの例を示すフローチャートである。以下、この制御プログラムを図に付したステップ番号を追いながら説明する。
(ステップ1)電力制御装置23がヒータ薄膜7に所定の電力を供給して加熱を開始する。前述したように、例えば、5面のヒータ薄膜7の一部に給電して、発熱部位が偏在するICチップを模擬することもできる。
(ステップ2)加熱を開始したら、センサ制御装置24は、ヒータ薄膜7の給電端子8間の電気抵抗を測定してヒータ薄膜7の温度Tの変化を監視し、変化がなくなるまで(定常状態に達するまで)待つ。変化がなくなったらステップ3に進む。
(ステップ3)センサ制御装置24にセンサ薄膜9の温度を算出させて、その結果に基づいてヒータ基板3の下面の温度分布を推定し、ヒータ薄膜7の直下のヒータ基板3の下面温度Tを求める。
(ステップ4)T及びTに基づいて単位時間にヒータ基板3の下面から流出する熱量Wを求める。
(ステップ5)電力制御装置23がヒータ薄膜7に供給する電力に基づいて、単位時間にヒータ薄膜7で発生する熱量Wを求める。
(ステップ6)W及びWに基づいて、単位時間にヒートパイプ付き冷却器2が輸送(放熱)する熱量Wを求める。
(ステップ7)温度センサ25が検出する外部環境の温度T及びT、Wに基づいて、ヒートパイプ付き冷却器2の総熱抵抗Rを求める。
なお、ステップ7において、Tに代えて、温度センサ26が検出するヒートパイプ付き冷却器2の放熱部(ヒートシンク6)の表面温度T を使用すれば、ヒートパイプ付き冷却器2のワーク熱抵抗Rを算出することができる。
[伝熱機器単体の性能評価]
以上、ヒータ装置1を備えた計測装置21を使って、ヒートパイプ付き冷却器2の熱抵抗を計測する手順を説明した。熱抵抗は伝熱機器を特定の熱源に実装したときの伝熱性能を評価する指標として有効である。
しかしながら、発明者らによる実験によれば、2x7mmサイズの平面ヒータ(熱源1)とヒートパイプ付き冷却器2を組み合わせたときのワーク熱抵抗Rが0.35(K/W)であったのに対し、3x5mmサイズの平面ヒータ(熱源2)とヒートパイプ付き冷却器2を組み合わせたときのワーク熱抵抗Rは0.80(K/W)となった。このように、熱抵抗は熱源のサイズや形状によって変化するので、伝熱機器単体の伝熱性能を評価する指標としては使いづらいという問題がある。
そこで、発明者らは、計測装置21を使って伝熱機器の有効熱伝導率を推定するとともに、有効熱伝導率を使って伝熱機器単体の伝熱性能を評価することを考えた。以下に、熱源の上に伝熱機器を置いて、熱源の発熱量と伝熱機器による伝熱量がバランスして熱源の温度が定常になった時の熱源の温度から伝熱機器の有効熱伝導率を推定する方法と、有効熱伝導率がヒートパイプ付き冷却器2単体の伝熱性能を評価指標として優れていることを説明する。
[熱伝導方程式の境界条件の決定]
熱伝導率が分かっている物体を熱源の上に伝熱機器を置いて、熱源の発熱量と伝熱機器による伝熱量がバランスするときの温度(定常温度)を計算するために、次のような手順で熱伝導方程式の境界条件を決定する。
(1)熱伝導率が分かっている放熱物体(例えば銅板)を熱源の上に置いて、前記熱源の温度が定常になった時の前記放熱物体の温度分布を(例えば、赤外線サーモグラフィを使用して)計測する。
(2)前記放熱物体と前記熱源について3次元熱伝導方程式を立てて、有限体積法を用いてこれを解く。
(3)(1)の計測値と(2)の計算値を比較して、両者が一致するような3次元熱伝導方程式の境界条件(前記放熱物体と前記熱源の間のサーモグリスの厚さ、前記放熱物体の上面の熱伝達係数)を決定する。
[熱伝導率と熱源の定常温度の関係式の決定]
前述の方法で決定した境界条件を用いるとともに、前記放熱物体の熱伝導率を様々に変えて、前記3次元熱伝導方程式を解いて、前記放熱物体の熱伝導率に対する前記熱源の定常温度を計算する。
発明者らが、前記熱源1及び前記熱源2について、前述の方法によって、熱伝導方程式の境界条件を決定し、熱伝導率と定常温度の関係を計算して、前記放熱物体の熱伝導率を横軸に取り、前記熱源1及び前記熱源2の定常温度を縦軸にとったグラフにプロットすると、図9に示すような結果が得られた。
ここで、前記熱源1又は前記熱源2の定常温度をY、前記放熱物体の熱伝導率をXとして、両者の関係を次式で近似することにする。
Y=Y+P・exp(−X/Q) (式7)
熱伝導率Xと定常温度Yの相関係数が最大になるように、式7の定数を選ぶと、次の結果が得られる。
すなわち、前記熱源1については、
=345.8,P=32.51,Q=580.4 (式8)
前記熱源2については、
=347.2,P=26.18,Q=580.6 (式9)
の値が得られる。
なお、図9に示した曲線は、式7に式8あるいは式9に示した値を代入して得られた曲線である。
[伝熱機器の有効熱伝導率の推定]
さて、式7から次式が得られる。
X=Q・Ln{P/(Y−Y)} (式10)
ヒートパイプ付き冷却器2を前記熱源1及び前記熱源2の上において、前記熱源1及び前記熱源2の定常温度を求めたところ、349.4(K)および350.6(K)が得られた。これらの値と式8および式9を式10に代入して、ヒートパイプ付き冷却器2の有効熱伝導率Xを求めると次のような結果が得られる。
すなわち、前記熱源1については、
X=1270(W・m−1・K−1) (式11)
前記熱源2については、
X=1177(W・m−1・K−1) (式12)
の値が得られる。
このように、ヒートパイプ付き冷却器2の有効熱伝導率は前記熱源1で計測しても、前記熱源2で計測しても、結果にほとんど差がでない。つまり、有効熱伝導率Xは熱源のサイズや寸法の影響を受けないヒートパイプ付き冷却器2に固有の伝熱性能の指標であることが分かる。
したがって、ヒータ装置1の上に熱伝導率が分かっている放熱物体を置いて、ヒータ装置1が定常温度に達した時の、前記放熱物体の温度分布を計測すれば、ヒータ装置1の定常温度とヒータ装置1の上に載置される物体の熱伝導率の関係式を決定することができる。また、ヒータ装置1について前記関係式を決定できれば、ヒータ装置1の定常温度を計測するだけで前記物体の有効熱伝導率を推定することができる。
以上、本発明をヒートパイプ付き冷却器の伝熱特性の測定に適用する例を説明してきたが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。本発明は広く各種伝熱機器の伝熱特性の測定に適用できる。
本発明は、各種伝熱機器の伝熱特性の測定に用いる装置及び方法として有用である。
【0001】
技術分野
[0001]
本発明は、伝熱機器の性能評価に使用する測定装置、及び伝熱機器の熱伝導率推定方法に関する。
背景技術
[0002]
ヒートパイプは、作動液を封入した容器の一端で吸熱して、前記作動液を蒸発させ、前記容器の他端で前記作動液を凝結させて、放熱する装置であり、電子機器の冷却に利用されている。例えば、特許文献1および2では、ICチップのような電子部品とヒートパイプを熱的に接続し、電子部品で発生する熱をヒートパイプでヒートシンクに輸送して放熱するために、ヒートパイプとヒートシンクを組み合わせた冷却器(本明細書では、これをヒートパイプ付き冷却器と呼ぶことにする)が提案されている。
[0003]
さて、ヒートパイプ付き冷却器は下式で表される総熱抵抗Rで評価される。
[0004]
=(T−T)/W (式1)
[0005]
ただし、Wはヒートパイプの単位時間あたりの熱輸送量、Tはヒートパイプ付き冷却器の吸熱部の温度(=冷却対象物の表面温度)、Tはヒートパイプ付き冷却器の周囲環境の温度である。
[0006]
あるいは、総熱抵抗Rに代えて、ワーク熱抵抗Rを使用する場合もある。ワーク熱抵抗Rは下式で表される。
[0007]
=(T−T’)/W (式2)
[0008]
ただし、T’はヒートパイプ付き冷却器の放熱部の温度である。
[0009]
また、ヒートパイプ付き冷却器のメーカでは、次のような方法で、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗Rを一品ずつ計測して、所定の基準を満足していることを確認している。
[0010]
(1)ヒートパイプ付き冷却器の吸熱部の温度(=冷却対象物の表面温度)Tを測定しながら、電熱ヒータで加熱する。
(2)時間の経過にしたがって、Tはゆっくり上昇するが、やがて放熱量と発熱量
【0002】
がバランスして、Tは一定(定常状態)になる。
(3)Tが一定になった時の、周囲環境の温度T、及び電熱ヒータの消費電力を測定して、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗Rを算出する(定常状態になったときのヒートパイプ付き冷却器の熱輸送量Wは、電熱ヒータの発熱量に等しく、電熱ヒータの発熱量は消費電力から算出できる)。
[0011]
特許文献1:特開2007−208262号公報
特許文献2:特開2005−136117号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
[0012]
しかしながら、上記の方法による総熱抵抗Rの測定には次のような問題があった。
[0013]
電熱ヒータの発熱量をヒートパイプ付き冷却器の熱輸送量(=放熱量)に等しくするためには、電熱ヒータの熱がヒートパイプ付き冷却器以外から逃げないように断熱する必要がある。そのために、電熱ヒータの寸法や重量が大きくなるという問題があった。
[0014]
また、電熱ヒータを完全に断熱することは困難であり、外部に逃げ出す熱量を測定・補正する手段がないので、正確な測定ができないという問題があった。
[0015]
また、ICチップなどでは、発熱部位が偏在する場合がある。つまり、ICチップの特定の部位が高温になる場合である。このような現象を再現して、ヒートパイプ付き冷却器の性能評価をすることが求められているが、このような場合には、専用の電熱ヒータを用意する必要があった。
[0016]
本発明はこれらの課題を解決するためになされたものであり、ヒートパイプ付き冷却器の熱抵抗の測定に適した測定装置を提供するものである。また、ヒートパイプ付き冷却器の有効熱伝導率を簡易に推定する方法を提供するものである。
課題を解決するための手段
[0017]
上記目的を達成するため、本発明に係る測定装置は、ヒータ装置と制御装置とから構成される測定装置において、前記ヒータ装置は、基板と、前記基板の上面に形成されて、それぞれに別個に給電されて発熱する複数の発熱用薄膜と、前記基板の下面に
【0003】
形成された複数の温度計測用薄膜を有し、前記制御装置は、前記ヒータ薄膜に所定の電力を供給する電力制御手段と、前記温度計測用薄膜と前記ヒータ薄膜の温度を計測するセンサ制御手段と、前記センサ制御手段が計測する前記温度計測用薄膜と前記ヒータ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面から流出する流出熱量を算出する演算手段を備えることを特徴とする。
[0018]
また、前記演算手段は、前記センサ制御手段が計測する前記センサ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面の温度分布を算出してもよい。
[0019]
また、前記演算手段は、前記電力制御手段が前記ヒータ薄膜に供給する電力に基づいて、前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量を算出してもよい。
[0020]
また、前記演算手段は、前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量から、前記基板の下面から流出する流出熱量を減じて、前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量を算出してもよい。
[0021]
また、前記測定装置の周囲の環境の温度を測定する環境温度測定手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記環境温度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の熱抵抗を算出してもよい。
[0022]
また、前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の放熱部の表面温度を測定する放熱部温度測定手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記放熱部度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記供試体の熱抵抗を算出してもよい。
[0023]
また、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度の時間変化を監視する温度監視手段を備えるとともに、前記演算手段は、前記ヒータ薄膜の温度の時間変化がなくなったときに、前記供試体の熱抵抗を算出してもよい。
[0024]
また、本発明に係る熱伝導率推定方法は、熱伝導率が分かっている放熱物体を熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計測する予備計測段階と、前記放熱物体と前記熱源についての熱伝導方程式を解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡し
【0004】
て前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計算する計算段階と、前記予備計測段階で得られた温度分布と前記計算段階で得られた温度分布を比較して、両者が一致するような前記熱伝導方程式の境界条件を決定する境界条件決定段階と、前記境界条件決定段階で決定された境界条件を用いた前記熱伝導方程式を前記放熱物体の熱伝導率を変えて解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記熱源の温度を推定する定常温度推定段階と、前記定常温度推定段階で得られた前記放熱物体の熱伝導率と前記熱源の温度の関係に基づいて両者の関係を示す近似式を決定する近似式決定段階と、供試体を前記熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になったときの前記熱源の温度を計測する供試体計測段階と、前記供試体計測段階で得られた前記熱源の温度と前記近似式決定段階で得られた近似式に基づいて、前記供試体の熱伝導率を求める熱伝導率推定段階を有することを特徴とする。
[0025]
前記熱源は、基板と、前記基板の上面に形成されて、それぞれに別個に給電されて発熱する複数の発熱用薄膜と、前記基板の下面に形成された複数の温度計測用薄膜を有するヒータ装置であってもよい。
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
発明の効果
[0031]
本発明の測定装置は、ヒータ薄膜で発生する熱量から、基板の下面に流出する熱量を減じて、供試体が伝熱する正味の熱量を算出することができる。また、供試体の熱抵抗を自動計測することができる。
[0032]
本発明の熱伝導率推定方法によれば、供試体を熱源の上に載置して、熱源の温度が定常状態になったときの温度を計測するだけで、供試体の熱伝導率を知ることができる。
【0005】
[0033]
図面の簡単な説明
[0034]
[図1]本発明に係るヒータ装置の概念的な構成を示す側面図である。
[図2]前記ヒータ装置のヒータ基板の外形図であり、(a)は上面の平面図、(b)はヒータ薄膜を備えた部位の拡大図、(c)は部分断面図である。
[図3]前記ヒータ装置のヒータ基板の下面を示す平面図であり、(a)は全体図、(b)はセンサ薄膜の拡大図である。
[図4]前記ヒータ装置の実装基板の上面を示す平面図であり、(a)は単体図、(b)はヒータ基板を搭載置した状態を示す図である。
[図5]ヒータ装置を使って、ヒートパイプ付き冷却器の総熱抵抗を測定する原理を説明する模式図である。
[図6]ヒータ基板の下面の等温度線図の例である。
[図7]本発明に係る計測装置の概念的な構成を示す構成図である。
[図8]前記計測装置で実行されるプログラムの例を示すフローチャートである。
[図9]放熱物体の熱伝導率と熱源の定常温度の関係を示す図である。
符号の説明
[0035]
1 ヒータ装置
2 ヒートパイプ付き冷却器
3 ヒータ基板
4 実装基板
5 ヒートパイプ
6 ヒートシンク

Claims (14)

  1. 基板と、
    前記基板の上面に形成されたヒータ薄膜に通電して発熱するヒータ装置において、
    複数のヒータ薄膜と、
    前記複数のヒータ薄膜のそれぞれに独立して給電する給電端子を有することを特徴とするヒータ装置。
  2. 前記給電端子を前記基板の下面に形成するとともに、
    前記給電端子と前記ヒータ薄膜を電気的に連絡するスルーホールを備える
    ことを特徴とする請求項1に記載のヒータ装置。
  3. 前記基板の下面に形成された複数のセンサ薄膜を有する
    ことを特徴する請求項2に記載のヒータ装置。
  4. 前記基板を載置保持するとともに、
    前記ヒータ薄膜及び前記センサ薄膜と外部機器を電気的に接続する配線パターンを上面に形成した実装基板を有する
    ことを特徴とする請求項3に記載のヒータ装置。
  5. 前記配線パターンは、
    前記給電端子に接触する始端と前記実装基板の縁部にあって前記外部機器に接続される終端を結ぶ給電路を、前記給電端子毎に複数個備えるともに、
    前記複数個の給電路の長さが全て等しい
    ことを特徴とする請求項4に記載のヒータ装置。
  6. 請求項3に記載のヒータ装置と、
    制御装置から構成されるとともに、
    前記制御装置は、
    前記ヒータ薄膜に所定の電力を供給する電力制御手段と、
    前記センサ薄膜と前記ヒータ薄膜の温度を計測するセンサ制御手段と、
    前記センサ制御手段が計測する、前記センサ薄膜と前記ヒータ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面から流出する流出熱量を算出する演算手段を備える
    ことを特徴とする測定装置。
  7. 前記演算手段は、
    前記センサ制御手段が計測する前記センサ薄膜の温度に基づいて、前記基板の下面の温度分布を算出する
    ことを特徴とする請求項6に記載の測定装置。
  8. 前記演算手段は、
    前記電力制御手段が前記ヒータ薄膜に供給する電力に基づいて、前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量を算出する
    ことを特徴とする請求項6に記載の測定装置。
  9. 前記演算手段は、
    前記ヒータ薄膜から発生する発生熱量から前記基板の下面から流出する流出熱量を減じて、前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量を算出する
    ことを特徴とする請求項8に記載の測定装置。
  10. 前記測定装置の周囲の環境の温度を測定する環境温度測定手段を備えるとともに、
    前記演算手段は、
    前記環境温度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の熱抵抗を算出する
    ことを特徴とする請求項9に記載の測定装置。
  11. 前記ヒータ薄膜の上に載置される供試体の放熱部の表面温度を測定する放熱部温度測定手段を備えるとともに、
    前記演算手段は、
    前記放熱部度測定手段が検出する温度、前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度、及び前記ヒータ薄膜の上面から放出される放出熱量に基づいて、前記供試体の熱抵抗を算出する
    ことを特徴とする請求項9に記載の測定装置。
  12. 前記センサ制御手段が計測する前記ヒータ薄膜の温度の時間変化を監視する温度監視手段を備えるとともに、
    前記演算手段は、
    前記ヒータ薄膜の温度の時間変化がなくなったときに、前記供試体の熱抵抗を算出する
    ことを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の測定装置。
  13. 熱伝導率が分かっている放熱物体を熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計測する予備計測段階と、
    前記放熱物体と前記熱源についての熱伝導方程式を解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記放熱物体の温度分布を計算する計算段階と、
    前記予備計測段階で得られた温度分布と前記計算段階で得られた温度分布を比較して、両者が一致するような前記熱伝導方程式の境界条件を決定する境界条件決定段階と、
    前記境界条件決定段階で決定された境界条件を用いた前記熱伝導方程式を前記放熱物体の熱伝導率を変えて解いて、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になった定常状態における前記熱源の温度を推定する定常温度推定段階と、
    前記定常温度推定段階で得られた前記放熱物体の熱伝導率と前記熱源の温度の関係に基づいて両者の関係を示す近似式を決定する近似式決定段階と、
    供試体を前記熱源の上に載置して、前記熱源の発熱量と放熱量が均衡して前記熱源の温度が一定になったときの前記熱源の温度を計測する供試体計測段階と、
    前記供試体計測段階で得られた前記熱源の温度と前記近似式決定段階で得られた近似式に基づいて、前記供試体の熱伝導率を求める熱伝導率推定段階を有する
    ことを特徴とする熱伝導率推定方法。
  14. 前記熱源は請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のヒータ装置であることを特徴とする請求項13に記載の熱伝導率推定方法。
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