フラットパネルヒートシンクの設計方法

ヒートシンクは、周囲環境に熱を放散するために、高温のコンポーネントからより大きな表面積に熱を伝導し、それによってコンポーネントの温度を下げるコンポーネントです。この定義によれば、長方形の金属シートから複雑な銅またはアルミニウムの押し出しフィンまで、あらゆるものをヒートシンクとして使用できます。アルミニウム板や銅板も使用可能です。 効果的なヒートシンク スペースが十分にある場合、および/またはコンポーネントの発熱量が低い場合。図 1 に示すように、ラジエーターは単純な平板または要素ハウジングの金属壁にすることができます。

図 1. フラット プレート ラジエーターの寸法

平面ラジエーターのサイズを見積もるには、周囲環境への熱流の経路と熱流の経路の抵抗の大きさを決定する必要があります。図 2 に示す熱抵抗回路は、熱流路を表すために使用されます。各熱抵抗要素を調べてみましょう。

図2. 平板ヒートシンクの熱抵抗回路

ジャンクションからハウジングまでの熱抵抗:

ノードからハウジングまでの熱抵抗 (Rth-jc) は、半導体デバイスの動作部分からヒートシンクが取り付けられるパッケージ(筐体)の外表面までの熱抵抗を指します。ハウジングの温度は、アクセサリの表面全体で一定の温度であると見なされます。Rth-jc 通常、デバイスの製造元によって提供され、デバイスのデータシートに示されている測定値です。

熱接触抵抗と熱界面抵抗:

接触熱抵抗 (R続き) はハウジングとヒートシンク間の熱抵抗を指します。図3に示すように、ハウジングやラジエーターの表面に欠陥があるため、実際の接触面積は見かけ上の接触面積よりも小さくなります。Rを計算するために、接触圧力、材料の表面粗さ、および材料の硬度に基づく数学的モデルが提案されています。続き。これらのモデルは非常に複雑になる可能性があり、材料の表面と硬度の情報を取得するのが難しい場合があります。通常、R続き 実験データと以前の経験に基づいて決定されます。

図 3. 接点、インターフェース、接合部からケースまでの熱抵抗

Rの影響を軽減するには続き インターフェースマテリアルには、ハウジングとラジエーターの間の隙間を埋める素材を採用しました。これらの材料の種類には、特殊なサーマル グリース、充填コンパウンド、相変化サーマル パッド、サーマル テープなどがあります。これらの材料の熱伝導率は通常、0.5 W/mK から 4 W/mK の間です。2 つの合わせ面の間のギャップはサーマル インターフェイス マテリアルによって埋められるため、シェルとヒート シンク間の熱抵抗は、式 1 に示すように、サーマル インターフェイス マテリアルの厚さ、熱伝導率、表面積の関数になります。

t:サーマルインターフェースマテリアルの厚さ

k:サーマルインターフェースマテリアルの熱伝導率

A：見かけの接触面積

多くのサーマルインターフェースマテリアルの熱伝導率はクランプ圧力によって変化することに注意してください。通常、メーカーはこのデータを製品仕様書で提供します。

拡散熱抵抗:

熱拡散抵抗(Rsp) は、プレート表面のシェル接触領域とプレートのより大きな冷却表面積の間の伝導による熱流の結果です。リーら。[1] R の閉じた方程式を確立しましたsp。これらの方程式は、正確な解に非常に近い近似を提供しますが、必要な計算が複雑であるため、ここでは説明しません。

Lee 方程式を使用する最初のステップは、方程式 2 と 3 を使用して、相互作用する 2 つの長方形の表面の寸法を同等の半径に変換することです。

Rsp 次の式を使用して計算できます。

ここ：

hえっ: プレートの実効対流係数

h の計算については、式 18 を参照してください。えっ.

kp：プレートの熱伝導率

対流熱抵抗:

対流熱抵抗は、空気の動きによってプレートの表面から熱が奪われる度合いです。自然対流を伴う加熱された垂直プレートの場合、無次元ヌッセルト数 (Nu) [2] は式 11 から導出されます。ヌッセルト数は、対流計算で使用される無次元変数です。

ここ：

平均対流係数は式 14 で計算されます。 対流熱抵抗 Rコンバージョン はプレート表面積 A の関数ですp プレートの表面積には、プレートの厚さによって生じる面積が含まれていないことに注意してください。これは、表裏の表面積よりもはるかに小さいためです。

ここ：

k空気 : T で評価された空気の熱伝導率平均

輻射熱抵抗：

放射による熱抵抗は式 16 で与えられます。

ここ：

プレートは周囲のより大きな表面に熱を放射すると想定されているため、周囲の環境は理想的な放射体または黒体とみなすことができます。場合によっては、周囲の表面の温度が外気温と異なる場合があります。この場合、Tアンビ 式 15 の は周囲の表面の温度に置き換える必要があります。

有効対流係数 hえっ熱拡散抵抗の計算に使用される は、式 18 から導出されます。

Rの値ラッド、Rコンバージョン、Rsp プレート表面温度 T の関数であるため、直接解くことはできません。s。熱源によって生成された熱がすべて平面ラジエーターによって放散されると仮定すると、エネルギー バランス方程式は方程式 19 になります。

ここ：

Q:熱源から発生する熱

Ts ほとんどの数学ソフトウェアの数値ソルバー、または Excel の「ターゲット検索」機能を使用して計算できます。

すべての熱抵抗がわかっている場合、図 2 に示す熱回路は単一の接合部から周囲までの熱抵抗 R に単純化できます。じゃ 式 20 を使用します。

最後に、ジャンクションまたは熱源の温度は、式 21 を使用して求めることができます。

多様化するヒートシンクに対して、 ウィンシェアサーマル Energy は専門的なカスタマイズ機能と多様なアプリケーション市場を備えており、顧客のさまざまなシステムに合わせて冷却製品をカスタマイズできます。それまでの間、私たちはラジエーターを設計する際に多くの要素を考慮し、ラジエーターの設計の最適化と改善を続けていきます。ヒートシンクに関するその他の質問がある場合、またはビジネスに適した冷却ソリューションが必要な場合は、お気軽にコメントを残すか、電子メールで Winshare にお問い合わせください。