大電力スイッチング電源の熱設計原理

1. 電子製品にサーマルソリューションが必要な理由

電子製品のチップは高度に統合されており、ますます多くの機能要件とより小さな体積要件が求められています。 今日のコンポーネントは、小型化、高機能化、高効率化に向けて急速に発展しています。 高性能コンポーネントは高速で大量の熱を発生するため、この熱をすぐに除去して、コンポーネントが通常の動作温度で動作できるようにする必要があります。 最高の効率で動作します。 したがって、熱伝導の関連技術は、電子産業の発展とともに絶えず挑戦されています。

2. ヒートシンク材料の種類:

金、銀、鉄、銅、アルミ、アルミ合金、シリコンシートなど

3. 放熱の原理

Aラジエーターの放熱形態には、主に輻射と対流があります。

放射熱伝達：熱エネルギーは、媒体なしで放射の形で伝達されます。太陽の熱エネルギーが宇宙を通して地球に伝達されるなど、真空状態で伝達できます。

対流熱伝達: 熱エネルギーは、空気または空気を加熱するための対流ラジエーターなどの他の媒体を介して伝達されます。 空気は部屋のすべてを加熱し、空気の動きは主に空気の動きに依存して熱エネルギーを広げます。

従来の意味での放射ラジエーターは、総熱放散の相対的な割合を占めるラジエーターを指します。 現在、最も典型的な放射ラジエーターは、鋳鉄、スチール コラム ラジエーター、および銅アルミニウム複合ラジエーターです。 など、そのうち、放射によって伝達される熱エネルギーは 30% しかなく、残りの 70% の熱エネルギーは対流によって伝達されます。 対流ラジエーターは、フリード銅管対流ラジエーターなど、基本的に放射熱交換がない (または非常に小さい) ラジエーターです。 輻射式ラジエーターよりも快適かつ迅速に加熱します。

B. 放熱方法には、放射放熱、伝導放熱、対流放熱、蒸発放熱があります。

体のさまざまな組織や器官で発生した熱は、血液循環に沿って体のすべての部分に均等に分配されます。 血液が皮膚の血管を流れるとき、全熱の 90% が皮膚によって放散されるため、皮膚は熱を放散する身体の主要部分です。 また、呼吸、尿、糞便とともに、肺、腎臓、消化管を介して体から放散される熱の小さな部分もあります。

(1) 放熱の方法 - 主に物理的な方法

1. 放射 放射とは、赤外線を放射することによって体が熱を放散することを意味します。 皮膚温度が周囲温度よりも高い場合、体の熱は放射によって放散されます。 放射熱放散は、皮膚温度、周囲温度、身体の有効放射面積などの要因に関連しています。 一般に、放射熱放散は全熱放散の 40% を占めます。 もちろん、周囲温度が皮膚温度よりも高い場合、体は輻射熱を吸収します。 鉄鋼労働者は炉の前で働き、農家は暑い夏の太陽の下で畑で働きます。

2. 伝導と対流 伝導とは、分子の運動エネルギーを伝達することによって体が熱を放散する方法です。 人体が皮膚より温度の低い物体 (衣服、ベッド、椅子など) と直接接触すると、身体からこれらの物体に熱が伝達されます。 臨床的には、アイス キャップ、アイス パック、およびその他の高熱患者を冷却する方法の使用は、この原理を利用しています。

C、ラジエーターと環境の間の熱交換

熱がラジエーターの上部に伝達された後、伝達された熱をできるだけ早く周囲の環境に放散する必要があります。 空冷ラジエーターの場合、周囲の空気と熱交換することです。 このとき、熱は 2 つの異なる媒体間で伝達され、式は Q= XAX ΔT となります。ここで、ΔT は 2 つの媒体間の温度差、つまり、ラジエーターと周囲の空気との温度差です。 ; そして は流体の温度差です。 熱伝導率は、ヒートシンクの材料と空気の組成が決定された後、固定値です。 最も重要な A は、ヒートシンクと空気の接触面積です。 ヒートシンクの体積など、他の条件が変わらないという前提では、一般的には放熱効率を向上させる手段。 、これを達成するために、一般に、表面粗面化またはねじ山によって補完されたフィン設計によって表面積が増加します。

熱が空気に伝達された後、ヒートシンクと接触している空気の温度は急速に上昇します。 このとき、熱風は対流などの熱交換によって周囲の冷気とできるだけ熱を奪う必要があります。 空冷ラジエーターの場合、最も重要な手段は、空気の流れの速度を上げ、ファンを使用して強制対流を達成することです。 これは主にファンの設計と風速に関係しています。 ラジエータ ファンの効率 (風量、風圧など) は、主にファン ブレードの直径、軸方向の長さ、ファンの速度、およびファン ブレードの形状に依存します。 ファンの流量はほとんどが CFM (インペリアル システム、立方フィート/分) 単位であり、CFM は約 0.028mm3/分の流量です。

純アルミラジエーター

初期のラジエーターは純アルミラジエーターが主流。 その製造プロセスは簡単で、コストは低いです。 これまでのところ、純アルミニウムラジエーターは依然として市場のかなりの部分を占めています。 フィンの放熱面積を増やすために、純アルミニウムラジエーターに最も一般的に使用される加工方法は、アルミニウム押し出し技術であり、純アルミニウムラジエーターを評価するための主な指標は、ラジエーターベースの厚さとピンフィン比です。 . Pin はヒートシンクのフィンの高さを指し、Fin は隣接する 2 つのフィン間の距離を指します。 ピンとフィンの比率は、ピンの高さ (ベースの厚さを除く) をフィンで割ったものです。 ピンフィン比が大きいほど、ラジエーターの有効放熱面積が大きくなり、アルミ押出技術が高度になります。

純銅ラジエーター

銅の熱伝導率はアルミニウムの 1.69 倍であるため、他の条件が同じであるという前提の下では、純銅のヒートシンクは熱源からより速く熱を奪うことができます。 ただし、銅の質感が問題です。 宣伝されている「純銅ヒートシンク」の多くは、実際には 100% 銅ではありません。 銅のリストでは、銅含有量が 99 パーセントを超えるものを無酸銅と呼び、銅の次の等級は銅含有量が 85 パーセント未満のダン銅です。 現在、市場に出回っているほとんどの純銅ヒートシンクは、2 つの中間の銅含有量を持っています。 一部の劣悪な純銅製ラジエーターの銅含有量は 85% にも達していません。 コストは非常に低いですが、熱伝導率が大幅に低下し、放熱に影響します。 さらに、銅には、コストが高い、処理が難しい、ヒートシンクの質量が大きすぎるなどの明らかな欠点もあり、すべて銅のヒートシンクの適用を妨げています。 赤銅の硬度はアルミニウム合金 AL6063 ほど良くなく、一部の機械加工 (溝加工など) の性能はアルミニウムほど良くありません。 銅の融点はアルミニウムの融点よりもはるかに高く、押出成形 (Extrusion) などには適していません。

最も一般的に使用されるヒートシンク材料は銅とアルミニウム合金ですが、アルミニウム合金は加工が容易で低コストであり、最も広く使用されている材料です。 銅は熱伝導率が高いため、瞬間的な熱吸収能力がアルミニウム合金よりも優れています。 速度はアルミ合金よりも遅いです。 したがって、純銅、純アルミニウム、またはアルミニウム合金のラジエーターに関係なく、致命的な欠陥があります。1つの材料しか使用されていないため、基本的な放熱能力は穏やかな放熱のニーズを満たすことができますが、熱伝導のバランスをうまくとることはできません。 . 容量と熱容量の 2 つの要件は、熱放散要件が高い場合にはやや圧倒されます。

銅アルミ接合技術

銅とアルミニウムのそれぞれの欠点を考慮した後、市場の一部のハイエンドラジエーターは、銅とアルミニウムの組み合わせ製造プロセスを使用することがよくあります。 これらのヒートシンクは通常、銅の金属ベースを使用しますが、ヒートシンクのフィンはアルミニウム合金で作られています。 もちろん、銅ベース以外にも放熱板に銅ピラーを使うなどの方法もあり、これも原理は同じです。 熱伝導率が高い銅製の底面は、CPU から放出される熱をすばやく吸収できます。 アルミ製フィンは、複雑なプロセスを経て放熱に最適な形状にすることができ、大きな蓄熱スペースを提供し、すばやく放出します。 すべての面でバランスが取れています。

熱は CPU コアからヒートシンクの表面に放散されます。これが熱伝導プロセスです。 ヒートシンクのベースは、高熱源の小さな領域に直接接触するため、ベースは素早く熱を逃がすことができる必要があります。 ヒートシンクに熱伝導率の高い材料を使用することは、熱伝導率を向上させるのに非常に役立ちます。 熱伝導方式の比較表から、例えばアルミニウムの熱伝導率は237W/mK、銅の熱伝導率は401W/mKであることがわかります。 同じ体積のラジエーターを比較すると、銅の重量はアルミニウムの 3 倍、比熱はアルミニウムの 3 倍です。 銅のわずか 2.3 倍であるため、同じ体積では、銅のラジエーターはアルミニウムのラジエーターよりも多くの熱を保持でき、ゆっくりと加熱されます。 ヒートシンクベースの同じ厚さで、銅は CPU ダイなどの熱源の温度をすばやく除去できるだけでなく、それ自体の温度上昇もアルミ製ヒートシンクよりも遅くなります。 したがって、銅はヒートシンクの底面を作るのにより適しています。

しかし、これら 2 つの金属の組み合わせは比較的難しく、銅とアルミニウムの親和性は低いです。 熱抵抗）。 実際の設計と製造では、製造業者は常にインターフェースの熱抵抗を可能な限り減らし、弱点を回避しようとしますが、これは製造業者の設計能力と製造プロセスを反映していることがよくあります。

4. 熱媒体 - 熱伝導性シリカゲル。

を。 熱抵抗とは？

いわゆる「熱抵抗」（熱抵抗）とは、熱の移動を防ぐ能力を反映する総合的なパラメータを指します。 熱抵抗の概念は抵抗の概念と非常に似ており、単位も同様です - 度/W、つまり、物体の連続熱伝達電力が1Wの場合の熱伝導経路の両端の温度差.

b. 空気の熱抵抗は本質的に最大であり、その値は 0.03W/mK に近いです。

c. 発熱体と金属ヒートシンクの間の隙間を埋めて空気を減らし、発熱体とヒートシンクが直接対流熱放散を示すようにします。

d. 熱伝導性シリコーンシートは、間接的に熱を放散することもできます。つまり、外部に露出しているため、ヒートシンクと呼ばれます。

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