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。として使用できます。 十分なスペースがある場合、および/またはコンポーネントの熱出力が低い場合は、アルミニウムまたは銅のプレートを図 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。 効果的なヒートシンク

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、周囲環境への熱の流れの経路と、熱の流れに対する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 (R th-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 (ハウジング) 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。 R th-jc は通常、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記載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 cont ) 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cont。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 cont は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 cont インターフェイス素材の影響を軽減するため、ハウジングとラジエター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 ～ 4 W/mK 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 (R sp ) は、プレート表面のシェル接触領域とプレートの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。

R sp は 、次の式を使用して計算できます。

ここ：

h eff : 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。eff.

k p : 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 によって計算されます。対流熱抵抗 R conv は、プレート表面積 A p と、式 15 によって計算される平均対流係数の関数です。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ないことに注意してください。プレートの表面積は、表裏の表面積よりもはるかに小さいためです。

ここ：

k air : T avgで評価された空気の熱伝導率

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、式 15 の T amb を 周囲の表面の温度に置き換える必要があります。

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

R の値は、プレート表面温度 T rad 、R conv 、および R sp sの関数であるため、直接解くことはできません。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

Tは、 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、式 20 を使用して単一の接合部から周囲までの熱抵抗 R j-aに単純化できます 。

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。

多様なヒートシンクに対して、 Winshare Thermal 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。