電源装置の熱冷却設計

熱管理が電力管理の重要な側面であることは誰もが知っています。 コンポーネントとシステムを温度制限内に保つ必要があります。 パッシブソリューションは、ヒートシンクとヒートパイプから始まり、ファンを使用してアクティブ冷却を行い、冷却効果を高めることができます。

コンポーネントレベルおよび完成品レベルのシステムモデリングにより、設計者は冷凍戦略の一次近似分析を行うことができます。 さらなる分析に計算流体力学を使用すると、全体的な熱の状況と冷凍戦略の変更の影響を完全に理解できます。 すべての熱管理ソリューションには、サイズ、電力、効率、重量、信頼性、およびコストのトレードオフが含まれ、プロジェクトの優先順位と制約を評価する必要があります。

すべての熱管理ソリューションは、物理学の基本原則に従います。 冷却モードでは、熱伝導には、輻射、伝導、対流の3つの方法があります。

ほとんどの電子システムでは、達成するために必要な冷却は、熱を伝導によって直接熱源から出させ、次に対流によって他の場所に移動させることです。 設計上の課題は、さまざまな熱管理ハードウェアを組み合わせて、必要な伝導と対流を効果的に実現することです。 最も一般的に使用される冷却要素は、ラジエーター、ヒートパイプ、ファンの3つです。 ラジエーターとヒートパイプは、電源のないパッシブ冷却システムであり、自然に誘導される伝導と対流の方法も含まれます。 対照的に、ファンはアクティブな強制空冷システムです。

ヒートシンクの冷却：

ヒートシンクはアルミニウムまたは銅の構造であり、伝導によって熱源から熱を取得し、その熱を空気の流れ（場合によっては水やその他の液体）に伝達して対流を実現します。 ラジエーターには、単一のトランジスタを接続する小さな刻印された金属フィンから、熱を遮断して対流に伝達できる多くのフィンを備えた大きな押し出し材まで、数千のサイズと形状があります。

ヒートシンクの利点の1つは、可動部品、運用コスト、および故障モードがないことです。 適切なサイズのヒートシックが熱源に接続されると、暖かい空気が上昇するにつれて、対流が自然に発生し、空気の流れを形成し続けます。 したがって、ヒートシンクを使用して熱源の入口と出口の間にスムーズな空気の流れを提供する場合、これらの利点は非常に重要です。 さらに、インレットはラジエーターの下にあり、アウトレットは上にある必要があります。 そうしないと、熱気が熱源に停滞し、状況がさらに悪化します。

ヒートパイプの追加：

ヒートパイプの機能は、熱源から熱を吸収してより低温の領域に伝達することですが、それ自体はラジエーターとしては機能しません。 熱源の近くにラジエーターを配置するのに十分なスペースがない場合、または空気の流れが不十分な場合は、ヒートパイプを使用できます。 ヒートパイプは効率が高く、熱源から管理しやすい場所に熱を伝達することができます。

冷却ファンの追加：

明らかに、ファンはコストを増加させ、スペースを必要とし、システムノイズを増加させます。 電気機械装置として、ファンも故障しやすく、エネルギーを消費し、システム全体の効率に影響を与えます。 ただし、多くの場合、特に空気の流路が湾曲している、垂直である、または遮断されている場合、通常、十分な空気の流れを得る唯一の方法です。 多くのアプリケーションでは、速度を下げるために必要な場合にのみ動作する熱制御ファンを使用して消費電力を削減し、最適な動作速度でノイズを最小限に抑えるブレードを使用しています。

モデリングと熱シミュレーション：

モデリングとシミュレーションは、必要な冷却空気の量と冷却の達成方法を決定するための効率的な熱管理戦略に不可欠です。 さまざまな熱源を通る気流は、その温度を許容限界未満に保つようにサイズ設定することができます。 基本的な計算には、気温、非強制空気流の利用可能な流れ、ファン空気流などの要素を使用して、温度条件を大まかに理解することができます。

いくつかの調整を行うことで、設計者は、より大きなエアポートがより多くの空気を必要とするかどうかを確認し、他の空気流路がより効果的であるかどうかを判断し、より大きなまたは異なるラジエーターの使用の違いを識別し、ホットスポットを移動するためのヒートパイプの使用を調査できます。これらのCFDモデリングソフトウェアパッケージは、熱放散の表形式のデータとカラー画像を生成できます。 ファンのサイズ、気流、位置の変更も簡単にモデル化できます。

電力管理も熱管理、特に電力関連機能の冷却が熱設計と熱蓄積にどのように影響するか。 また、コンポーネントやシステムが仕様範囲内で動作し続けても、温度が上昇すると、コンポーネントのパラメータの変更に伴ってパフォーマンスが変化します。 過熱はコンポーネントの寿命を縮め、平均故障間隔を短縮する可能性もあります。これは、長期的な信頼性を確保するために考慮すべき要素でもあります。