(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ヒータ薄膜
と、
前記基板の下面に形成された複数のセンサ薄膜を有し、
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。
【請求項２】
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１に記載の測定装置。
【請求項３】
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１に記載の測定装置。
【請求項４】
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３に記載の測定装置。
【請求項５】
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４に記載の測定装置。
【請求項６】
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、前記供試体の熱抵抗を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項７】
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５又は請求項６に記載の測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に係る測定装置を使用して行う熱伝導率推定方法であって、
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。
【発明の詳細な説明】
【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ヒータ薄膜と、前記基板の下面に形成された複数のセンサ薄膜を有し、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。
【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、前記のいずれかの測定装置を使用して行う熱伝導率推定方法であって、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。
【発明の効果】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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】
【００２８】
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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。
【００３０】
［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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
［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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
［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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
［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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
［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ＲＴを測定する原理を説明する模式図である。
【００５１】
図５において、ＷＰは単位時間にヒータ薄膜７で発生する熱量であり、ＷＦ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、ＷＢ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。
【００５２】
また、Ｔ１はヒータ薄膜７の温度、Ｔ２は外部環境の温度、Ｔ３はヒータ基板３の下面の温度である。
【００５３】
ヒートパイプ付き冷却器２の総熱抵抗ＲＴは、次式で与えられる。
【００５４】
ＲＴ＝（Ｔ１−Ｔ２）／ＷＦ        （式３）
【００５５】
Ｔ１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、Ｔ２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、ＷＦを知ることができれば、総熱抵抗ＲＴを求めることができる。
【００５６】
ここで、Ｔ１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。
【００５７】
ＷＰ＝ＷＦ＋ＷＢ        （式４）
∴  ＷＦ＝ＷＰ−ＷＢ        （式５）
【００５８】
ＷＰ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、ＷＢは以下の手順で算出する。
【００５９】
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。
【００６０】
ＷＢ＝Ａ・ｋ・（Ｔ１−Ｔ３）／ｔ        （式６）
【００６１】
前述したように、Ｔ１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
Ｔ３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）。
【００６２】
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Ｔ３を求める。
【００６３】
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。
【００６４】
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Ｔ３とすれば、式６からＷＢが得られる。
【００６５】
［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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
［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。
【００７２】
（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。
【００７３】
（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Ｔ３を求める。
（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。
【００７４】
（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ＷＰ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。
【００７５】
（ステップ７）温度センサ２５が検出する外部環境の温度Ｔ２及びＴ１、ＷＦに基づいて、ヒートパイプ付き冷却器２の総熱抵抗ＲＴを求める。
【００７６】
なお、ステップ７において、Ｔ２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’２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Ｒｗを算出することができる。
【００７７】
［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。
【００７８】
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Ｒｗ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Ｒｗ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。
【００７９】
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。
【００８０】
［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。
【００８１】
（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。
【００８２】
［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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
Ｙ＝Ｙ０＋Ｐ・exp（−Ｘ／Ｑ）        （式７）
【００８６】
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。
【００８７】
すなわち、前記熱源１については、
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。
【００８８】
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。
【００８９】
Ｘ＝Ｑ・Ln｛Ｐ／（Ｙ−Ｙ０）｝        （式１０）
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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