JPWO2009107209A1 - 測定装置及び熱伝導率推定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(2)時間の経過にしたがって、T1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、T1は一定(定常状態)になる。
(3)T1が一定になった時の、周囲環境の温度T2、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RT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)。
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
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。
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RTを測定する原理を説明する模式図である。
∴ WF=WP−WB (式5)
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RTあるいはワーク熱抵抗Rwを自動計測する計測装置21について説明する。
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T1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4)T1及びT3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WBを求める。
(ステップ6)WB及びWP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WFを求める。
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。
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。
(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。
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。
Y0=345.8,P=32.51,Q=580.4 (式8)
前記熱源2については、
Y0=347.2,P=26.18,Q=580.6 (式9)
の値が得られる。
[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=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。
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RTで評価される。
[0004]
RT=(T1−T2)/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、T1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)、T2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RTに代えて、ワーク熱抵抗RWを使用する場合もある。ワーク熱抵抗RWは下式で表される。
[0007]
RW=(T1−T’2)/W (式2)
[0008]
ただし、T’2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RT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)T1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、T1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、T1は一定(定常状態)になる。
(3)T1が一定になった時の、周囲環境の温度T2、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RT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RT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
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
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。
[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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Applications Claiming Priority (1)
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