熱インダクタンス

熱インダクタンスとは、流体に囲まれた物体の熱変化によって流体内の対流が変化し、流体の運動エネルギーが変化する現象を指します。 ^[1]システム等価モデリングでは、熱インダクタンスは電気インダクタンスの熱類似物と考えられており、単位は熱ヘンリーです。^[1]

これまでのところ、システムの熱伝達挙動における誘導現象について報告されている研究はほとんどありません。1946年に、ボズワースは流体システムの実験を通じて熱流が誘導性を持つ可能性があることを実証しました。^{[2] [3]}彼は、測定された温度変化の過渡的挙動は、熱抵抗と熱容量の組み合わせだけでは説明できないと主張しました。ボズワースは後に実験を拡張して熱相互インダクタンスを研究しましたが、流体の流れ以外の熱伝達システムにおける熱インダクタンスについては報告していません。

2013 年に Ye らは「高電圧発光ダイオードの熱過渡効果と改良された接合温度測定法」を発表しました。^[4]彼らの実験では、高電圧LEDチップが薄い熱伝導材料 (TIM) でシリコン基板に直接取り付けられました。温度センサーは、30 °C ～ 150 °C の範囲で校正された標準的なシリコン処理技術を使用して製造されました。チップと TIM の厚さはそれぞれ 153 μm と 59 μm でした。したがって、センサーはpn 接合に非常に近い位置にあります。シリコン基板は、筐体内の正確な温度コントローラーを備えた扱いにくいサーマル プレート上に配置され、真空にされました。実験者はステップアップ/ステップダウン電流を適用し、100 ms 後に温度と順方向電圧間の特性を測定しました。この研究では、「回復時間」は、電力変更の開始から温度が再び初期温度値に等しくなるまでの間隔として定義されています。結果は、100 μA から 15 mA の電流が印加されると、LED の接合部温度が大幅かつ即時に (10 °C 以上) 低下することを示しています。その後、接合部温度は徐々に上昇します。約 100 ms の回復時間の後、接合部温度は初期値に達します。15 mA の定常状態では、印加された高電流はステップダウン モードによって瞬時に 100 μA に低下します。測定された接合部温度は 0.1 ms 以内に 4 °C 上昇します。同時に、センサー温度は 2 °C の温度上昇を示します。その後、接合部温度は徐々に低下します。約 100 ms の回復時間の後、接合部温度は初期値まで低下します。その後、接合部温度はシステムが室温で定常状態に達するまで低下し続けます。注目すべきことに、接合部温度はチップの電流変化に反して変化します。

2016 年には、この現象に関するさらなる調査が行われました。^[5]この場合、高電圧 LED チップの代わりに、GaNベースの低電圧 LED チップも検査されました。このチップは、より広範囲の印加電流に耐えることができ、熱誘導応答を観察するためのより正確な電力変更を容易にします。チップはリードフレームにマウントされ、シリコンでカプセル化されました。チップパッケージは金属コアプリント基板にはんだ付けされ、温度を制御できるサーマルプレートにマウントされました。時間の関数としての LED チップの過渡接合部温度は、印加電流をさまざまなステップダウン関数として使用して測定されました。彼らは、この状況では接合部温度が 350 mA で 36.2 °C に等しいと計算しました。結果は、GaN ベースの高電圧 LED チップでの以前の熱誘導測定と一致しています。予想どおり、接合部温度はすぐに上昇し、電流がステップダウンすると徐々に低下します。また、ステップレベルの低下が大きいシステムでは、回復時間が遅くなります。彼らは、GaN ベースの LED を介した急激な電力変化が比例した温度変化を引き起こし、それが電力入力から予想される温度変化に反することを証明しました。この現象は、レポートでは熱インダクタンスと呼ばれています。熱誘導特性は、熱電効果、特に過渡熱電効果に関連している可能性があります。ただし、熱電デバイスの特定の構造を考慮するのではなく、ap-n 接合を備えた GaN デバイスで発生する熱インダクタンスが考慮されます。熱抵抗、熱容量、および熱インダクタンスを組み合わせることで、彼らの仮定により、高周波 GaN デバイスの熱解析が促進されると期待されます。さらに、熱インダクタンス現象は、不均質材料や、非常に短時間のエネルギー変化を伴う熱解析の分野でより広く存在すると予想されます。

2019 年には、外部作業を行わずに熱振動を実現する実験が行われました。^[6]このデバイスは、直列に接続されたペルチェ素子と電気インダクタンスで構成されていました。熱電流の時間微分は、デバイス全体の負の温度差に比例することが示されました。これは、電流の時間微分が負の電圧差に比例する電気インダクタに似ています。この振動動作を可能にする結果として得られる「熱自己インダクタンス」は、対象物体が常に熱準平衡状態にある状態で、電気インダクタンス、使用される熱電材料のゼーベック係数、および動作温度の関数として表現され、出版物の補足情報セクションでは、振動する熱「LCR」電流の微分方程式が示されました。報告された熱振動は非常に減衰しており、結果として生じる熱浴温度付近の温度振動は比較的小さかったものの、この実験は機能する熱インダクタンスの有効な概念実証であると思われます。