基板と熱設計

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更新日 2016-01-20 | 作成日 2007-12-03


☑基板と熱設計

11. 熱対策の進め方2

株式会社ジィーサス

2011.06.16

こんにちは。株式会社ジィーサスの藤田です。
前回は熱対策についていろいろ考えましたが、最後に通風口の影響を検討する前で終わりました。今回はその続きです。

通風口は一般的に「吸気口」と「排気口」のペアで考えます。その効能は換気扇と同じで、基板搭載部品によって温まった内部空気を排気口から外に出し、代わりに吸気口から冷えた空気を入れることで、結果的に筐体内部の空気温度を下げ、部品表面と周囲空気の温度差を大きくすることで伝熱量を増やすことを目的とします。文章で書くと難しそうですが、要は下の式の(T 1 -T 2 )の部分を大きくして対流伝熱量を大きくする、ということです。

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換気扇はファンを要しますが、換気そのものはファンがなくても可能です。窓を閉めっぱなしにして暑いときに、窓を開ければ空気は動きますよね?以前に浮力の説明をしたと思いますが、暖かい空気は密度が低くなるので反重力方向に動きます。よって、発熱体の下に吸気口、発熱体の上に排気口を設ければ自然と換気ができることになります。

換気による放熱量は換気風量×空気密度×空気比熱×温度差で計算できます。換気風量は風速×排気口面積で計算できるので、たとえば10㎜×50㎜の排気口を筐体上面に、同じ面積の吸気口を筐体下面に開けたとすると、排気口面積は0.01×0.05=0.0005m 2 となります。浮力による風速は小さいので、たとえば風速が0.2m/sだとすると換気風量は0.2×0.0005=0.0001m 3 /sとなります。筐体内部の温度が60℃だとした場合、空気密度は約1.06kg/m 3 、比熱は約1009J/(kg・k)なので、換気による放熱量は約2W程度と計算できます。

また換気による熱抵抗は1/(換気風量×空気密度×空気比熱)で計算できるので、この場合は約9.3℃/Wとなります。最初に対策なしの場合の熱抵抗が3.8℃/Wだったと計算しましたが、これが主に筐体表面からの対流と放射による熱抵抗であるとすると、これと換気による熱抵抗の関係は下図のように並列接続になっているはずです。この合成抵抗は電気抵抗の並列接続計算と同じなので、1/R=1/R1+1/R2という計算を行うと合成抵抗は約2.7℃/Wです。目標は2℃/Wなので試しに排気口を倍の0.0002m 3 として計算すると2.1℃/Wになります。まだちょっと足りませんが排気口をもう少し広げれば何とかなりそうですね。

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このように筐体に通風口を開けて換気することで、筐体内の温度はコントロールしやすくなります。もっと換気量を増やしたいときは換気扇、つまりファンを使います。ファンは強制的に空気を動かしてくれるので、温度が低い外の空気を大量に製品内に取り込むことができ、結果的に製品内部の温度を外の温度に近づけてくれる(ΔTを小さくしてくれる)ことになります。それではファンは風量が大きければ大きいほうがいいのでしょうか?当然そんなことはありませんし、むしろ大きすぎると弊害のほうが多くなってしまいます。

th_110616_3.jpgぜんぜん違う例ですが、たとえば掃除機で家の掃除をしているときに床に落ちていたバスタオルを吸ってしまったらどうなるでしょう?掃除機がすごい音を立てますよね?あれは吸い口を塞いだために空気が動かなくなってしまい、その結果掃除機のモーターが空回りしてしまうためです。こうなると空気は動かないのに消費電力ばかり食ってしまってエコじゃなくなります。エアコンだって埃だらけだと効率が落ちるって言いますよね?あれも同じことです。空気は見えないから難しいのですが、たとえば洗濯機は水槽の中の水と洗濯物をかき混ぜるのにエネルギーを使いますが、これは水の抵抗に逆らうだけのエネルギーを使っていることになります。逆に水や洗濯物がないのに洗濯機を動かしても意味がありません。

これと同じようにファンは空気の抵抗に逆らうだけのエネルギーを与えるのですが、空気が動かなかったらファンのブレードに空気の抵抗がかからないので、空回りしてしまいます。逆に空冷用のファンで水をかき回そうとすると、今度は抵抗が大きすぎて回りにくくなり、この場合も無駄な電力を使うことになります。ではどの程度の抵抗をかければよいのでしょうか?これは一般的にはそのファンの最大風量の7割程度になるような負荷をかけると良いとされています。それではどうやってファンの負荷をコントロールすればよいでしょう?