ビュー: 154 著者: サイト編集者 公開時間: 2024-08-09 起源: サイト
ヒートシンクの最適設計は、特に MOSFET や IGBT などの熱負荷の高いデバイスの場合、これらのデバイスの効率的な動作とコンポーネントの早期故障を回避するために重要です。これには、大量の熱を放散する高出力デバイスに適切な冷却を提供するために、ファンとヒートシンクを組み合わせる必要があります。
実際の熱工学では、強制対流下でのバルク熱抵抗の低減は、フィン密度と局所的な静圧低下のバランスに大きく依存します。 では Winshare Thermal、数値流体力学 (CFD) モデリングに進む前に、これらの数学的分析ベースラインを利用して初期サイジングを実行し、冷却ファンによって供給されるすべての立方フィート/分 (CFM) を最大化するエンクロージャ設計を保証します。
図 1 に示すように、ファンの空気流をラジエーターに誘導してラジエーターの周囲の空気の流れを防ぐために、シュラウドまたはダクトがよく使用されます。これにより、ファンと ヒートシンクの 組み合わせによる効果的な冷却能力が低下します。
図 1: バイパスなしのヒートシンクとファンの設計
図 1 に示すファンとラジエーターの組み合わせの最適なヒートシンク間隔とその結果生じる熱抵抗は、必要なヒートシンク サイズを迅速に見積もるためのいくつかの式を使用して直接計算できます。
ただし、一定の流量または体積流量を想定してヒートシンクのフィン間隔を最適化することは現実的ではありません。フィン間の空気流の速度は、式 1 を使用してフィンの間隔とフィンの数によって決まります。この式は、ラジエーターの周囲にはバイパス流がないため、ラジエーターに近づく空気の体積流量は、ラジエーターを通過する空気の体積流量と同じであることを示しています。
図 2: 空冷フィンの寸法
V f :フィン間の風速
V:ラジエーターへの体積流量
H f =Hb:フィンの高さ
S:フィン間の間隔
N f :フィンの数
フィン間隔 が小さいほど、 s空気速度 V fは高くなります。 フィン間の空気流量が多いほど、ヒートシンクの冷却効果は高くなります。ヒートシンクのサイズを最適化したい場合は、フィンの間隔を小さくする必要があります。これは、フィンの間隔が狭いほど空気流量が増加し、冷却効果も増加するためです。実際のアプリケーションでは、空気の流れはファンまたは送風機によって提供されます。流量は一定ではなく、ヒートシンクの間隔 s が減少するにつれてヒートシンクの圧力降下の増加によって制限されます。
分析を簡素化し、重大な計算エラーを回避するために、次の仮定を立てます。
ａ．フィンの厚さから生じる表面積は、 t とベースの厚さ b ヒートシンクの総表面積よりもはるかに小さくなります。
b.熱源はヒートシンクと同じ長さと幅で、ヒートシンクベースの中央に位置します。
c.熱源とヒートシンクのベースがファンまたは送風機と完全に接触しています。
d.すべての空気流はラジエーターを通過します。
e.対流と比較すると、放射熱伝達は小さいため無視できます。
f.ラジエーターを通る空気の流れは層流で安定しています。ヒートシンクの厚さは、 s ヒートシンク間の間隔に比べて小さい。
ラジエーターを通る層流空気流は、ほとんどの市販のラジエーターとファンの組み合わせで機能すると仮定します。エレクトロニクスでは、ファンの騒音が重要な考慮事項であるため、層流から乱流に移行する際の重大な騒音を避けるために、ファンの速度が意図的に低下します。
ヒートシンク設計の最初のステップは、ファンとヒートシンクの組み合わせの動作点を決定することです。ファンまたは送風機をラジエーターとともに使用する場合、ファンの性能はラジエーターの設計に依存します。
図 3 に示すように、各ファンには独自の圧力/流量曲線があり、流量はファン全体の圧力降下に反比例します。図 3 に示すように、ラジエーターには、ラジエーター全体の圧力降下に比例する圧力/流量曲線もあります。ファンとラジエーターの組み合わせを通る流量は、ファンとラジエーターの圧力/流量曲線の交点になります。
図 3: ファンとラジエーターの圧力対流量曲線
ファン曲線は通常、ファンのメーカーによって提供され、通常は非常に非直線的です。多くの場合、ファンが提供する唯一のファン性能データは、最大流量と最大圧力損失です。流量の計算を簡素化し、最大流量と最大圧力降下のみが提供される状況に対応するために、ファン曲線の単純な線形近似を式 2 で表すことができます。ほとんどの場合、ファン曲線のこの線形近似により、ファン性能曲線の合理的な推定値が得られます。
ΔP max : 最大ファン圧力降下
V max : ファンの最大風量
複数のファンを並べて（並列）使用する場合、ファンの最大風量 V max は 1 つのファンの最大風量×ファンの数になります。
ヒートシンク両端の電圧降下は式 3 に示されます。
空気密度 ρ は周囲空気温度から計算されます。
水力直径 D hは フィン間のチャネルの 2sと近似できます。変数 K c および K e は、それぞれラジエターに流入および排出される空気流の収縮および膨張による圧力損失係数です。これらの圧力損失係数の式は、正面面積の関数であり σ=s/(s + t) 、参考文献 1 に示されている図に基づいています。
見かけの摩擦係数 fapp は、参考文献 [2] で開発されたモデルに基づいています。
, は流体チャネルのレイノルズ数を表します。ここで、ν は冷却空気の動粘度です。
この
積項は、ラジエター フィン間の完全に発達した層流から生じる摩擦係数を考慮します。完全に発達した流れは、通常、流速プロファイルが完全に一定に保たれる超長いチャネルまたはより低い流体速度で発生します。
実際のファンとラジエーターの動作点 (ファンの圧力曲線がラジエーターの流れ抵抗曲線と一致する正確な空気力学的交差点) を決定するには、式 2 と式 3 が等しくされ、未知の体積流量変数 (V ドット) を正確に決定できるようになります。
フィン間隔 S optを計算します。ここで、 式 9 を使用して、最大の熱伝達を実現する μ と α はそれぞれ空気の粘度と熱拡散率です。この式は Bejan らによって提案されました。参考文献にある。 3.
最適なフィン間隔 S optは、ファンの圧力降下 の関数です ΔP fan とヒートシンクの圧力降下 ΔP hs。システム全体の圧力によってラジエーターを通る流量が決まり、ラジエーターの熱伝達率に影響を与えるのはこの流量です。
式 8 のフィン間隔を式 9 に代入し s 、結果として得られる方程式を解くことによってシステムのフロー図を決定します。
注意してください。式 3 の式 8 では ΔP fan と ΔP hs が 等しく求まりますが、 2 ΔP fanのみを使用する必要があることに 式 9 の流れを解くときは式 ΔP hsは フィンの間隔に依存する sため、式 9 の ΔP hsを使用して 流量を解くことは数学的に困難です。
4.ヒートシンクの熱抵抗を計算する
式 8 の解から、ヒートシンクを通る流れの図と流速 V fがわかり 、ヒートシンクの熱伝達率と熱抵抗を決定できます。
参考文献 4 の式 10、11、12、13、14 を使用して、ヒートシンクの平均熱伝達係数 hf を計算します。
ここで、 k は空気の熱伝導率です。
P r は空気のプラントル数で、電子冷却に使用されるヒートシンクの一般的な動作温度範囲では、値 0.71 を使用できます。
したがって、合計熱抵抗 R hsは次のようになります。 ヒートシンクの
ラジエーターの濡れた表面積 A hsは、ラジエーターを流れる空気と接触する面積です。
式 15 の最初の項はヒートシンクの熱抵抗で、プラス記号の後の項はヒートシンクの底面での熱抵抗です。
理論方程式から工場直接製造まで
分析公式は最適なフィン間隔を推定するための優れた数学的基礎を提供しますが、現実世界の強制対流システムが完全にダクトを含むことはほとんどありません。実際のハードウェア展開では、 エアフロー バイパス (ヒートシンクと外側のシャーシ エンクロージャの間の隙間から逃げる空気) により、計算された冷却効率が最大 30% ～ 50% 低下する可能性があります。
したがって、基本的な線形計算から信頼性の高い工業製品に移行するには、特殊な製造と経験的検証が必要です。 として、 IATF 16949 認定の 熱ソリューションのパイオニア Winshare Thermal は 理論と量産の間のギャップを埋めます。
当社の社内デザインラボは、単に数式を使って推測するだけではありません。当社では、ファンの正確な P-Q 特性曲線を 高度な Ansys Icepak および FloTherm シミュレーションに統合し、フィンの形状、ベース プレートの厚さ、ダクト シュラウドを同時に最適化します。お客様のプロジェクトが高比率のアルミニウム押出成形品、精密な銅スカイブドフィン、または高信頼性接着フィンヒートシンクを必要とする場合でも、当社は 中国とタイの両方にある高度な生産施設にわたる完全な設計から製造までのパイプラインを処理します。.
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