熱管理（電子機器）

すべての電子機器と回路は過剰な熱を発生するため、信頼性を高めて早期故障を防ぐために熱管理が必要です。他のエネルギー相互作用がない場合、熱出力は電力入力と等しくなります。 ^{[1]冷却には、さまざまなスタイルの}ヒートシンク、熱電冷却器、強制空気システムとファン、ヒートパイプなど、いくつかの技術があります。環境温度が極端に低い場合、満足のいく動作を実現するために電子部品を加熱することが実際に必要になる場合があります。^[2]

これは通常、半導体デバイスの接合部からケースまでの熱抵抗として引用されます。単位は°C/Wです。たとえば、定格が10°C/Wのヒートシンクは、1ワットの熱を放散すると周囲の空気より10°C熱くなります。したがって、°C/W値の低いヒートシンクは、°C/W値の高いヒートシンクよりも効率的です。^[3] 同じパッケージに2つの半導体デバイスがある場合、接合部から周囲までの抵抗（R _θJ-C）が低いほど、デバイスの効率が高いことを示します。ただし、ダイフリーパッケージの熱抵抗が異なる2つのデバイスを比較する場合（例：DirectFET MTとワイヤボンド5x6mm PQFN）、接合部から周囲までの抵抗値または接合部からケースまでの抵抗値は、比較効率と直接相関しない可能性があります。半導体パッケージが異なれば、ダイの向き、ダイを囲む銅（またはその他の金属）の質量、ダイの取り付け機構、成形厚も異なるため、接合部とケース、または接合部と周囲間の抵抗値が大幅に異なる可能性があり、全体的な効率の数値が不明瞭になる可能性があります。

ヒートシンクの熱質量はコンデンサ（電荷の代わりに熱を蓄える）とみなすことができ、熱抵抗は電気抵抗（蓄えられた熱をどれだけ速く放散できるかの尺度となる）とみなすことができます。これら 2 つのコンポーネントは、R と C の積で示される時定数を持つ熱RC 回路を形成します。この量は、電気の場合と同様に、デバイスの動的熱放散能力を計算するために使用できます。^[4]

熱伝導材料またはマスチック（別名TIM ）は、マイクロプロセッサとヒートシンクの間など、熱伝達面間の隙間を埋めて熱伝達効率を高めるために使用されます。 熱伝導率は、XY 方向よりも Z 方向の方が高くなります。

最近の技術の発展と一般の関心により、小売ヒートシンク市場は過去最高に達しました。2000 年代初頭には、以前よりもさらに多くの熱を放出するCPUが製造され、高品質の冷却システムに対する要件が高まりました。

オーバークロックは常により大きな冷却の必要性を意味し、本質的により高温のチップは愛好家にとってより大きな懸念を意味しました。マイクロプロセッサの冷却率が高ければ高いほど、コンピュータは不安定にならずに高速に動作できるため、効率的なヒートシンクはオーバークロックされたコンピュータシステムに不可欠です。一般的に、動作が高速になるとパフォーマンスが向上します。現在、多くの企業がPCオーバークロック愛好家向けに最高のヒートシンクを提供するために競い合っています。有名なアフターマーケット ヒートシンク メーカーには、Aero Cool、 Foxconn、Thermalright、Thermaltake、Swiftech、Zalmanなどがあります。^[要出典]

回路基板のはんだ付け中に一時的なヒートシンクが使用されることがあり、過度の熱によって近くの敏感な電子機器が損傷するのを防ぐ。最も単純なケースでは、これは重金属のワニ口クリップまたは同様のクランプを使用して部品を部分的につかむことを意味する。リフローはんだ付けで組み立てられるように設計された現代の半導体デバイスは、通常ははんだ付けの温度に耐えることができ、損傷を受けない。一方、磁気リードスイッチなどの電気部品は、より強力なはんだごてにさらされると誤動作することがあるため、この方法は今でも広く使用されている。^[5]

電気自動車に使用されるバッテリーでは、通常、公称バッテリー性能は+20℃～+30℃の範囲の動作温度で規定されていますが、バッテリーがより高い温度、特により低い温度で動作する場合、実際の性能はこれから大幅に逸脱する可能性があるため、一部の電気自動車ではバッテリーの加熱と冷却が行われています。^[6]

ヒートシンクは電子機器で広く使用されており、現代のマイクロエレクトロニクスには欠かせないものとなっています。一般的には、電子部品の高温の表面に接触する金属物体ですが、ほとんどの場合、薄い熱伝導材料が2 つの表面の間に介在します。マイクロプロセッサや電力処理半導体は、熱質量の増加と熱放散 (主に伝導と対流によるもので、放射によるものは少ない) によって温度を下げるためにヒートシンクを必要とする電子機器の例です。ヒートシンクは、マイクロプロセッサ、DSP、GPUなど の現代の集積回路にほぼ不可欠なものとなっています。

ヒートシンクは通常、冷却対象のコンポーネントとの良好な熱接触を確保するための 1 つ以上の平面を持つ金属構造と、空気との表面接触を増やして熱放散率を高めるための櫛状またはフィン状の突起の配列で構成されます。

ヒートシンクは、ヒートシンク上の空気の流れの速度を上げるためにファンと組み合わせて使用​​されることがあります。これにより、対流よりも速く暖められた空気を入れ替えることで、より大きな温度勾配が維持されます。これは強制空気システムとして知られています。

熱源と冷たい流体（またはその他のヒートシンク）の間の熱伝達インターフェースとして、コールドプレートと呼ばれる導電性の厚い金属板を配置すると、冷却性能が向上する場合があります。このような配置では、熱源は冷却流体と直接接触して冷却されるのではなく、厚いプレートの下で冷却されます。厚いプレートは、熱流を最適な方法で伝導することにより、熱源と冷却流体間の熱伝達を大幅に向上できることが示されています。この方法の最も魅力的な 2 つの利点は、追加のポンプ電力が不要であることと、フィン（拡張表面）とはまったく異なる余分な熱伝達表面積が不要であることです。

ヒートシンクは、高温の物体から、より低温で熱容量の大きい別の物体に熱エネルギー(「熱」) を効率的に伝達することによって機能します。この熱エネルギーの急速な伝達により、最初の物体は 2 番目の物体とすぐに熱平衡状態になり、最初の物体の温度が下がり、ヒートシンクの冷却装置としての役割を果たします。ヒートシンクの効率的な機能は、最初の物体からヒートシンクへ、そしてヒートシンクから 2 番目の物体への熱エネルギーの急速な伝達に依存します。

ヒートシンクの最も一般的な設計は、多数のフィンを備えた金属デバイスです。金属の高い熱伝導率と大きな表面積の組み合わせにより、熱エネルギーが周囲のより冷たい空気に急速に伝達されます。これにより、ヒートシンクと、ヒートシンクと直接接触しているものが冷却されます。流体(たとえば、冷蔵の冷却剤) と熱伝導材料(電子デバイスの冷却) を使用すると、熱エネルギーがヒートシンクに適切に伝達されます。同様に、ファンを使用すると、ヒートシンクから空気への熱エネルギーの伝達が改善されます。

ヒートシンクは通常、1 つ以上の平面と、空気と接触するヒートシンクの表面積を増やし、熱放散率を高めるための櫛形またはフィン状の突起の配列を備えたベースで構成されています。ヒートシンクは静的な物体ですが、ファンはヒートシンク上の空気の流れを増やすことでヒートシンクの効率を向上することがよくあります。これにより、受動対流のみの場合よりも早く暖められた空気を入れ替えることで、より大きな温度勾配を維持できます。これは強制空気システムとして知られています。

理想的には、ヒートシンクは銀、金、銅、アルミニウム合金などの良質な熱伝導体から作られます。銅とアルミニウムは、電子機器内でこの目的に最も頻繁に使用される材料です。銅 (300 K で 401 W/(m·K)) はアルミニウム (300 K で 237 W/(m·K)) よりもかなり高価ですが、熱伝導体としてはおよそ 2 倍効率的でもあります。アルミニウムには、押し出し成形によって簡単に成形できるため、複雑な断面が可能になるという大きな利点があります。また、アルミニウムは銅よりもはるかに軽いため、繊細な電子部品にかかる機械的ストレスが少なくなります。アルミニウム製のヒートシンクの中には、トレードオフとして銅のコアを持つものもあります。ヒートシンクの接触面 (ベース) は、冷却が必要な物体との熱接触を最適にするために、平らで滑らかでなければなりません。最適な熱接触を確保するために、熱伝導性グリースがよく使用されます。このような化合物には、コロイド状銀が含まれることがよくあります。さらに、クランプ機構、ネジ、または熱接着剤によってヒートシンクがコンポーネントにしっかりと固定されますが、コンポーネントを押しつぶすほどの圧力がかからないようにする必要があります。

ヒートシンクの性能 (自由対流、強制対流、液体冷却、およびそれらの組み合わせを含む) は、材質、形状、および全体的な表面熱伝達係数の関数です。通常、強制対流ヒートシンクの熱性能は、ヒートシンク材質の熱伝導率を高め、表面積を増やし (通常はフィンや発泡金属などの拡張表面を追加することによって)、全体的な面積熱伝達係数を増やす (通常はファンやポンプなどを追加するなど、流体速度を上げることによって) ことによって向上します。

^{Novel Concepts, Inc.やwww.heatsinkcalculator.com [7]}などの会社が提供するオンラインヒートシンク計算機を使用すると、強制対流と自然対流のヒートシンクの性能を正確に推定できます。より複雑なヒートシンクの形状や、複数の材料や複数の流体を含むヒートシンクの場合は、計算流体力学（CFD）解析をお勧めします（このページの図を参照）。^{[引用が必要]}

この用語は、暖かい空気の対流によってコンポーネントの境界から逃げ、より冷たい空気と入れ替わることによってデバイスを冷却することを意味します。暖かい空気は通常上昇するため、この方法の効果を得るには、通常、ケースの上部または側面に通気口が必要です。

ファンの数の不均衡により、システム内に押し込まれる空気が排出される空気よりも多い場合、ユニット内の圧力が外部よりも高くなるため、これを「正の」気流と呼びます。

バランスのとれた、または中立的な空気の流れが最も効率的ですが、わずかにプラスの空気の流れでも適切にフィルターされていればほこりの蓄積が少なくなります。

ヒートパイプは、2相の「作動流体」または冷媒の蒸発と凝縮を利用して、高温界面と低温界面の温度差を非常に小さくしながら大量の熱を輸送する熱伝達装置です。一般的なヒートパイプは、銅やアルミニウムなどの熱伝導性金属でできた密閉された中空管と、蒸発器から凝縮器に作動流体を戻すためのウィックで構成されています。パイプには作動流体（水、メタノール、アンモニアなど）の飽和液と蒸気が含まれ、他のすべてのガスは排除されています。電子機器の熱管理用の最も一般的なヒートパイプは、銅のエンベロープとウィックを備え、作動流体として水を使用します。銅/メタノールは、ヒートパイプを水の凝固点以下で動作させる必要がある場合に使用され、アルミニウム/アンモニアヒートパイプは宇宙での電子機器の冷却に使用されます。

ヒートパイプの利点は、熱伝達効率が非常に高いことです。ヒートパイプの熱伝導率は100,000 W/m Kにも達しますが、銅の熱伝導率は約400 W/m Kです。^[8]

ペルチェ冷却プレート （ˈ p ɛ l t i . eɪ）は、ペルチェ効果を利用して、電流を流すことで2つの異なる電気導体の接合部間に熱流を発生させます。^[9]この効果は、電子部品や小型機器の冷却によく使用されます。実際には、このような接合部を多数直列に配置することで、必要な加熱または冷却の量まで効果を高めることができます。

ペルチェプレートには可動部品がないので、メンテナンスは不要です。効率が比較的低いため、熱電冷却は一般に、赤外線センサーなど、周囲温度より低い温度で動作する必要がある電子デバイスに使用されます。これらのデバイスの冷却では、ペルチェプレートの固体特性が効率の悪さを補います。熱電接合の効率は、従来の圧縮サイクル システムで達成される 40% に対して、理想的なカルノー サイクル冷凍機の約 10% です。

合成ジェットは、開口部を横切る空気の短い噴出と吸引を交互に行うことで形成される渦の連続的な流れによって生成され、正味の質量流束はゼロになります。これらのジェットのユニークな特徴は、それらが配置されている流体システムの作動流体から完全に形成されるため、システムへの正味の質量注入なしでシステムの流れに正味の運動量を生み出すことができることです。

合成ジェットエアムーバーには可動部品がないため、メンテナンスは不要です。熱伝達係数が高く、信頼性も高いものの、全体の流量が低いため、合成ジェットエアムーバーは通常、冷却のためにシステムレベルではなくチップレベルで使用されます。ただし、システムのサイズと複雑さによっては、両方で使用される場合もあります。^{[引用が必要]}

静電流体加速器 (EFA) は、空気などの流体を可動部品なしで送り出す装置です。従来のファンのように回転するブレードを使用する代わりに、EFA は電界を使用して帯電した空気分子を推進します。空気分子は通常中性に帯電しているため、EFA はまず帯電分子、つまりイオンを生成する必要があります。したがって、流体加速プロセスには、空気分子をイオン化し、それらのイオンを使用してより多くの中性分子を目的の方向に押し出し、イオンを再び捕捉して中性化し、正味の電荷をすべて除去するという 3 つの基本的な手順があります。

基本原理は以前から理解されていましたが、近年になってようやく EFA デバイスの設計と製造が進歩し、電子部品のマイクロ冷却などの実用的かつ経済的な用途が実現できるようになりました。

最近では、合成ダイヤモンドや硼素ヒ素冷却シンクなどの高熱伝導性材料が、より優れた冷却を提供するために研究されています。硼素ヒ素は、窒化ガリウムトランジスタで高い熱伝導率と高い熱境界伝導率を示すことが報告されており、ダイヤモンドや炭化ケイ素の冷却技術よりも優れた性能を発揮します。たとえば、米国国防総省の資金提供を受けて、合成ダイヤモンドを熱伝導体として使用した高電力密度窒化ガリウムトランジスタの研究が進行中です。^{[10] [11]また、一部のヒートシンクは、}融解熱により大量のエネルギーを蓄えることができる相変化材料など、望ましい特性を持つ複数の材料で構成されています。^[要出典]

熱シミュレーションにより、エンジニアは機器内の温度と気流を視覚的に把握できます。熱シミュレーションにより、エンジニアは冷却システムを設計し、設計を最適化して消費電力、重量、コストを削減し、熱設計を検証して機器の製造時に問題が発生しないようにすることができます。ほとんどの熱シミュレーション ソフトウェアは、数値流体力学技術を使用して電子システムの温度と気流を予測します。

設計上の制約内でコンポーネントを効果的に冷却する方法を決定するには、熱シミュレーションが必要になることがよくあります。シミュレーションにより、機器の熱設計を非常に早い段階から電子部品や機械部品の設計全体にわたって設計および検証できます。最初から熱特性を考慮して設計することで、熱の問題を修正するために土壇場で設計変更を行うリスクが軽減されます。

設計プロセスの一部として熱シミュレーションを使用することで、仕様通りに機能し、顧客の信頼性要件を満たす最適で革新的な製品設計を作成することができます。^[12]

スペース、電力、予算が無制限であれば、ほぼすべての機器の冷却システムを設計するのは簡単です。ただし、ほとんどの機器には、誤差の余地が限られた厳格な仕様があります。パフォーマンスや信頼性を損なうことなく、電力要件、システム重量、部品コストを削減するというプレッシャーが常にあります。熱シミュレーションを使用すると、ヒートシンクの形状を変更したり、仮想環境でファン速度を下げたりするなど、最適化の実験が可能になり、物理的な実験や測定よりも高速、安価、安全です。

従来、装置の熱設計が最初に検証されるのは、プロトタイプが構築された後です。デバイスは、おそらく環境チャンバー内で電源が投入され、システムの重要な部分の温度が熱電対などのセンサーを使用して測定されます。問題が発見された場合、解決策が模索される間、プロジェクトは延期されます。問題を解決するには、PCB または筐体部品の設計変更が必要になる可能性があり、これには時間がかかり、かなりの費用がかかります。装置の設計プロセスの一部として熱シミュレーションを使用すると、プロトタイプが構築される前に熱設計の問題が特定されます。設計段階で問題を修正する方が、プロトタイプの作成後に設計を変更するよりも迅速かつ安価です。

電子機器の熱シミュレーション用に設計されたソフトウェア ツールは、6SigmaET、 Ansysの IcePak、Mentor Graphicsの FloTHERM など多岐にわたります。

通信室に高熱放出装置を設置するには、熱管理対策を講じる必要があります。一般的な補助/スポット冷却技術や、装置メーカーが開発したターンキー冷却ソリューションは、実行可能なソリューションです。このようなソリューションにより、中央空調から得られる冷却能力と同等かそれに近い熱密度を持つ中央オフィスに、高熱放出装置を収容できるようになります。

Telcordia GR-3028 「通信中央局の熱管理」によれば、現代の通信機器の内部冷却の最も一般的な方法は、複数の高速ファンを使用して強制対流冷却を行うことです。将来的には直接および間接の液体冷却が導入される可能性がありますが、現在の新しい電子機器の設計は、冷却媒体として空気を維持することに重点を置いています。^[13]

現在および将来の熱管理の問題を理解するには、十分に開発された「総合的」アプローチが必要です。空間冷却と機器冷却は、全体的な熱問題の 2 つの独立した部分として見ることはできません。機器施設の空気分配システムの主な目的は、電子機器が効果的に冷却されるように調整された空気を分配することです。全体的な冷却効率は、空気分配システムが機器室で空気を移動させる方法、機器が機器フレームで空気を移動させる方法、およびこれらの空気の流れが互いにどのように相互作用するかによって決まります。高い熱放散レベルは、機器冷却と室内冷却の設計のシームレスな統合に大きく依存します。

通信施設における既存の環境ソリューションには、固有の限界があります。たとえば、ほとんどの成熟した中央局では、高熱密度の機器室を冷却するために必要な大型の空気ダクトを設置するためのスペースが限られています。さらに、冷却が停止すると、急激な温度勾配が急速に発生します。これは、コンピュータ モデリング、直接測定、観察によって十分に文書化されています。環境バックアップ システムが設置されている場合もありますが、役に立たない状況もあります。最近のケースでは、大規模な中央局の通信機器が過熱し、煙探知機の誤作動によって冷却が完全に停止したために重要なサービスが中断されました。

効果的な熱管理の大きな障害となっているのは、現在、熱放出データが報告されている方法です。サプライヤは通常、機器からの最大（銘板上の）熱放出を指定します。実際には、機器の構成とトラフィックの多様性により、熱放出の数値は大幅に低くなります。

GR-3028 に記載されているように、ほとんどの機器環境では、前面 (メンテナンス) の通路が冷たく、背面 (配線) の通路が熱くなっています。つまり、前面の通路に冷気を供給し、背面の通路から熱気を除去します。この方式は、機器の効率的な冷却や高い熱効率など、さまざまな利点をもたらします。

大多数のサービス プロバイダーが使用する従来の室内冷却クラスでは、機器の冷却には、前方の通路から後方の通路に空気を移動させるのに役立つ吸気口と排気口の位置が効果的です。ただし、従来の前方下から上後方へのパターンは、一部の機器では他の空気流パターンに置き換えられており、高熱密度の領域で機器を適切に冷却できない可能性があります。

機器（棚やキャビネット）を機器冷却（EC）クラスに分類することは、冷却空気の吸気口と熱気の排気口の位置、つまり機器の空気流のスキームやプロトコルに基づいて機器を分類することを目的としています。

EC クラス構文は、柔軟で重要な「共通言語」を提供します。これは、ネットワークの信頼性、機器とスペースの計画、およびインフラストラクチャの容量計画に重要な熱放出目標 (HRT) の開発に使用されます。HRT では、供給空気流量、機器スペースへの空気拡散、空気分配/機器の相互作用など、環境の物理的制限と環境ベースライン基準が考慮されます。EC 分類は、HRT の開発に使用されるほか、製品シートでコンプライアンスを示したり、内部設計仕様を提供したり、注文書で要件を指定したりするためにも使用できます。

室内冷却分類 (RC クラス) は、機器スペース全体の空調 (冷却) 方法を指します。RC クラスの主な目的は、中央オフィス環境におけるレガシーおよび非レガシーの室内冷却スキームまたはプロトコルの論理的な分類と説明を提供することです。RC 分類は、HRT の開発に使用されるほか、中央オフィスの内部設計仕様や注文書にも使用できます。

補助冷却クラス (SC クラス) は、補助冷却技術の分類を提供します。サービス プロバイダーは、補助/スポット冷却ソリューションを使用して、RC クラスで表される一般的な室内冷却プロトコルによって提供される冷却能力を補完します (例: 「ホット スポット」の発生に対処するため)。

現在、通信機器によるエネルギー消費は、中央オフィスで消費される総エネルギーの大きな割合を占めています。このエネルギーのほとんどは、その後、周囲の機器スペースに熱として放出されます。中央オフィスの残りのエネルギー使用量のほとんどは機器室の冷却に使用されるため、電子機器のエネルギー効率を高めることによる経済的影響は、通信機器を使用および運用する企業にとって大きなものとなります。サポート システムの資本コストが削減され、機器室の熱条件が改善されます。

• 集積回路における発熱
• 電子機器の熱抵抗
• 高出力LEDの熱管理
• 熱設計電力
• ヒートパイプ
• コンピュータの冷却
• ラジエーター
• アクティブ冷却

• Ogrenci-Memik, Seda (2015).集積回路の熱管理: オンチップおよびシステムレベルの監視と冷却。ロンドン、イギリス: 工学技術協会。ISBN 9781849199353. OCLC  934678500.

• 「新しいカーボンナノチューブシートが世界最高のヒートシンク性能を実現」IEEE Spectrum: テクノロジー、エンジニアリング、サイエンスニュース。2017年12月7日。 2017年12月9日閲覧。