本稿では主に電子機器の熱設計の基礎知識を紹介します。熱設計者は、熱解析を行う場合、または電子放熱設計の資格を取得する場合に、これらの基礎知識を理解しておく必要があります。熱伝導の基本知識を習得した設計者だけが、機器の動作モードと発熱量に応じて、工業現場の熱伝導冷却モードに適した 1 つまたは複数の機器を設計して、工業現場の機器の熱伝導のニーズを満たすことができます。
キーワード
熱伝達モード
質量保存方程式
加熱装置の放熱設計方法と手順
自然冷却
強制換気冷却
直接液体冷却
間接液冷プレート
記事の内容
熱力学の第 2 法則では、熱は常に高温から低温まで自発的かつ不可逆的である、つまり、温度差がある限り、熱は高温から低温へ自発的に移動し、熱交換が形成されると述べています。熱伝達には、伝導、対流、放射の 3 つのモードがあります。それらは単独で現れることもあれば、同時に 2 つまたは 3 つの形で現れることもあります。
流体運動における質量保存とは、特定の空間を流れる流体の総質量が一定に保たれることを意味し、流れの問題は質量保存の法則を満たさなければなりません。制御体の連続方程式は次のとおりです。
運動量保存則は、自然界で最も重要かつ普遍的な保存則の 1 つです。これは巨視的な物体と微視的な粒子の両方に適用されます。低速移動物体と高速移動物体の両方に適しています。これは保守的なシステムと非保守的なシステムの両方に適用されます。運動量保存の法則は、流動システムを含むあらゆる運動システムが外力を受けていないときに従わなければならない基本法則です。この方程式は次のように解釈できます。制御ボディ内の流体に作用する合力は、単位時間あたりに制御ボディから出る運動量の累積量から、単位時間あたりに制御ボディに入る運動量を引いたものに、制御内の流体の運動量を加えたものに等しいです。単位時間当たりの体積。制御体の運動量方程式は次のとおりです。
放熱と熱伝導の設計は、機器の信頼性設計の重要な側面です。電子機器は、電気が熱を持っている限り、それが熱源となり、発生する熱は電力の消費に等しくなります。消費電力 (加熱電力) は熱設計の基礎であり、実験および理論計算によって決定できます。一般に、安全率を高め、控えめな値、より適切な値を増やします。熱設計は一般に、最高の周囲温度と最大の熱放散という最も厳しい条件下で設計されます。一般に、電子機器の放熱と熱伝導の設計は、次の側面と手順に従う必要があります。
（1）加熱装置の放熱面積、ラジエーターまたは周囲の空気媒体の周囲温度制限範囲を決定します。
（2）熱の対流密度と放散モードを決定します。
（3）いくつかの主要な発熱部品の応力解析を実行し、最大許容温度と消費電力を決定し、温度関係下での故障率を解析します。
（4）加熱装置および装置全体の設置方法に従って熱密度を計算します。
（5）表面の最高使用温度はデバイスの内部熱抵抗によって決まります。
（6）デバイスと最終放熱面の間の総熱障壁値を計算します。
（7）発熱測定等に基づいて遮熱層を計算・配分し、評価して熱伝導モードと冷却モードを決定します。
設置された自然冷却は、熱放散、対流および放射熱伝達の単一作用、または 2 つ以上の熱伝達形式の組み合わせであり、高信頼性、低コストという利点があります。自然冷却は外部環境の影響を大きく受け、伝導経路に熱伝導の障害物ができやすいため、熱伝導抵抗が大きくなり、空気熱の伝導速度や空気の流量が減少します。したがって、装置外部の環境からの干渉がある場合、この冷却方法は比較的単純で効率的でコスト効率の高い冷却方法となります。ファンや移送ポンプなどの冷媒移送装置が不要で、装置コンポーネントの磨耗や故障によって引き起こされるシステムの信頼性の問題を回避します。したがって、自然冷却方法を優先する必要があります。
強制空冷では、自然冷却の空気よりも対流速度が高く、流量が大きいため、自然風冷却装置が多く使用され、高電力集約型の統合電子機器や熱に頼ることができません。強制冷却モードの熱伝導モードと比較して、この冷却モードは構造が簡単で、コストが低く、メンテナンスが容易であるという利点があります。
直接液冷とは、機器の電子部品の発熱部分が直接冷媒と接触して熱交換を行うことです。加熱コンポーネントは発生した熱を冷却剤に伝達し、熱が減少して冷却剤の温度が上昇し、その後、過剰な熱が冷却剤によって失われます。この冷却方法は、熱密度が高い機器や電子部品の集積密度が高い機器に適しています。冷却方式では発熱部品や冷媒に高い特性が求められます。冷却液は、電子機器の使用温度において高沸点、非分解性、不揮発性などの要求を満たし、また、機器の機能に影響を与えないという要求も満たさなければなりません。
間接液冷は、一般的に間接液冷として知られており、冷却剤が加熱電子部品と直接接触せず、外部機器のベースプレートや加熱部品の他の中間モジュールを介して発熱熱を間接冷却剤に接触させることを指します。 、冷却液は加熱後に冷却剤の表面を通過して損失し、間接冷却の目的を達成します。間接液冷システムの設計では、熱接触抵抗をできる限り低減するために、主に加熱源と中間媒体間の良好な熱伝導経路が必要です。この方法では、冷却液が電子部品に直接接触しないため、電子機器の汚染を軽減でき、冷却液の必要量は直接冷却液よりも高く、メンテナンスも簡単です。
