= ([ホットスポットの温度、grC] - [低温点の温度、grC]) / [許容損失、W]

これは、熱い点から冷たい点への流れがある場合を意味します。 熱出力 X W、熱抵抗が Y grC / W であれば、温度差は X * Y grC となります。

パワー素子の冷却計算式

電子パワー素子の熱除去を計算する場合、同じことは次のように定式化できます。

[パワー素子の結晶温度、grC] = [周囲温度、grC] + [許容損失、W] *

どこ [ 総熱抵抗、grC / W] = + [熱抵抗ケースとラジエーターの間、grTs / W] + (ラジエーター付きの場合)、

または [ 総熱抵抗、grC / W] = [クリスタルとケース間の熱抵抗、grC / W] + [ハウジングと環境間の熱抵抗、grC / W】（ラジエター無しの場合）。

計算の結果、参考書に指定されている最大許容値を下回るような結晶温度を取得する必要があります。

計算用のデータはどこで入手できますか?

ダイとケース間の熱抵抗のために パワーエレメント参考書によく載っています。 そして、次のように指定されます。

参考書に測定単位 K/W または K/W が含まれているという事実に混乱しないでください。 これは、この値がワットあたりのケルビンで与えられ、W あたりの grZ で与えられるとまったく同じになることを意味します。つまり、X K/W = X grZ/W となります。

通常、参考書では、技術的な変動を考慮して、この値の可能な最大値が示されています。 最悪の場合を想定して計算を実行する必要があるため、これが必要になります。 たとえば、SPW11N80C3 パワー電界効果トランジスタの水晶と本体間の最大可能熱抵抗は 0.8 GHz/W です。

ケースとヒートシンク間の熱抵抗住宅の種類によって異なります。 一般的な最大値を表に示します。

TO-3	1.56
TO-3P	1.00
TO-218	1.00
TO-218FP	3.20
TO-220	4.10
TO-225	10.00
TO-247	1.00
DPパック	8.33

絶縁ガスケット。私たちの経験では、絶縁ガスケットを正しく選択して取り付けると、熱抵抗が 2 倍になります。

ケース/ヒートシンクと環境間の熱抵抗。 この熱抵抗は、ほとんどのデバイスで許容できる精度で非常に簡単に計算できます。

[熱抵抗、grC / W] = [120、(grC * 平方センチメートル) / W] / [ラジエーターまたは要素本体の金属部分の面積、平方メートル。 cm].

この計算は、エレメントとラジエーターが何も作成せずに設置される条件に適しています。 特別な条件自然（対流）または人工の空気流用。 係数自体は私たちの実際の経験から選択されました。

ほとんどのラジエーターの仕様には、ラジエーターと環境間の熱抵抗が含まれています。 したがって、計算ではこの値を使用する必要があります。 この値は、ラジエーターに関する表形式のデータが見つからない場合にのみ計算する必要があります。 私たちは開発サンプルを組み立てる際に中古ラジエーターを使用することが多いため、この計算式は非常に役に立ちます。

接点から熱を奪う場合 プリント回路基板、接触面積も計算に使用できます。

電子素子（通常は比較的低電力のダイオードやツェナーダイオード）の端子から熱が放散される場合、端子面積は端子の直径と長さに基づいて計算されます。

[ターミナルエリア、平方メートル cm。] = 円周率 * ([ 右リードの長さ、cm。] * [右端子の直径、cm。] + [左リードの長さ、cm。] * [左端子の直径、cm。])

放熱器なしのツェナーダイオードからの熱除去の計算例

ツェナー ダイオードに直径 1 mm、長さ 1 cm の 2 つの端子があり、0.5 W が消費されるとします。 それから：

ターミナル面積は約0.6平方メートルとなる。 cm。

ケース（端子）と環境間の熱抵抗は、120 / 0.6 = 200 となります。

この場合、クリスタルとケース (端子) の間の熱抵抗は 200 よりはるかに小さいため、無視できます。

デバイスが動作する最高温度が 40 grC であると仮定します。 この場合、結晶温度 = 40 + 200 * 0.5 = 140 grC となり、これはほとんどのツェナー ダイオードで許容可能です。

ヒートシンク～ラジエーターのオンライン計算

プレートラジエーターの場合は、プレートの両側の面積を計算する必要があることに注意してください。 放熱に使用される PCB トレースの場合、もう一方の面は環境と接触していないため、片面のみを採取する必要があります。 針ラジエーターの場合、1 本の針の面積を概算し、この面積に針の数を掛ける必要があります。

ラジエーターなしでの熱除去のオンライン計算

1 つのラジエーターに複数の要素が搭載されています。

1 つのヒートシンクに複数の要素が取り付けられている場合、計算は次のようになります。 まず、次の式を使用してラジエーターの温度を計算します。

[ラジエター温度、grC] = [温度 環境、GRTS] + [ラジエーターと環境の間の熱抵抗、grC / W] * [総電力、W]

[結晶温度、grC] = [ラジエター温度、grC] + ([結晶と素子本体間の熱抵抗 grC / W] + [素体と放熱器間の熱抵抗 grC / W]) * [要素によって消費される電力、W]

半導体デバイス用ヒートシンク

高出力半導体デバイスは動作中、一定量の熱を環境中に放出します。 冷却に注意しないと、動作中の水晶の過熱によりトランジスタやダイオードが故障する可能性があります。 トランジスタ (およびダイオード) の熱状態を正常に保つことは、重要なタスクの 1 つです。 のために 正しい決断この作業を行うには、ラジエーターの動作とその技術的に適切な設計を理解する必要があります。

ご存知のとおり、加熱された物体は冷却されると環境に熱を放出します。 トランジスタ内で放出される熱量が環境に放出される熱量よりも多い限り、トランジスタ本体の温度は上昇し続けます。 特定の値では、いわゆる熱平衡が発生します。つまり、放散される熱量と放出される熱量が等しくなります。 サーマルバランス温度がトランジスタの最大許容温度より低い場合、トランジスタは確実に動作します。 この温度が許容最大温度より高い場合、トランジスタは故障します。 より低い温度で熱平衡が起こるようにするには、トランジスタの熱伝達を高める必要があります。

熱伝達には、熱伝導、放射、対流の 3 つの方法が知られています。 空気の熱伝導率は通常低いため、ラジエーターを計算する際にはこの値は無視できます。 放射によって放散される熱の割合は高温（摂氏数百度）でのみ重要であるため、トランジスタの比較的低い動作温度（60〜80度以下）ではこの値も無視できます。 対流は、空気と体の間の温度差によって引き起こされる、加熱された体のゾーン内の空気の動きです。 加熱された物体から放出される熱量は、物体と空気の温度差、表面積、速度に比例します。 気流、体を洗います。

幼い頃出会った 独自のソリューション強力な出力トランジスタからの熱の除去。 長い配線上のトランジスタ (当時はアンプの構築に P210 タイプのトランジスタが使用されていました) はハウジングの外側に配置されていました。 水の入った2つのプラスチック瓶がケースにねじ込まれており、その中にトランジスタが入っていました。 このようにして、効果的な「水」冷却が確保されました。 瓶の中の水が熱くなったら、それを冷たい水に置き換えるだけです...水の代わりに、ミネラル（液体）またはミネラル（液体）を使用することもできます。 変圧器油...今、業界は、車のラジエーターの原理に基づいて、コンピューターのプロセッサーやビデオカード用の水冷システムを大量生産し始めています（しかし、これは私の意見では、風変わりです...）。

半導体結晶からの熱を効果的に除去するために、ヒートシンク (ラジエーター) が使用されます。 ラジエーターの設計のいくつかを見てみましょう。

以下の図は 4 種類のヒートシンクを示しています。

最も単純なものはプレートラジエーターです。 その表面積は、2 つの側面の面積の合計に等しくなります。 このようなヒートシンクの理想的な形状は円形であり、次に正方形、長方形が続きます。 電力損失を低く抑えるために、プレート ラジエーターを使用することをお勧めします。 このようなラジエーターは垂直に設置する必要があります。そうしないと、有効放熱面積が減少します。

改良されたプレート ヒート シンクは、異なる方向に曲げられた複数のプレートのセットです。 このラジエーターは、最も単純なプレートと同じ表面積を持ち、寸法が小さくなります。 このヒートシンクは、プレート ヒートシンクと同様に取り付けられます。 プレートの数は必要な表面に応じて異なります。 このようなラジエーターの放熱面積は、プレートのすべての湾曲部分の面積の合計に中央部分の表面積を加えたものに等しくなります。 このタイプのラジエーターには、すべてのプレートからの熱除去効率が低下すること、およびプレートの接合部で完全に真っ直ぐな表面を得ることが不可能であるという欠点もあります。

プレートラジエーターを作成するには、少なくとも 1.5​​ (できれば 3) ミリメートルの厚さのプレートを使用する必要があります。

フィン付きラジエーター (通常は固体鋳造またはフライス加工) には、片面フィンまたは両面フィンを付けることができます。 両面フィンにより表面積が増加します。 このようなヒートシンクの表面積は、すべてのプレートの表面積の合計とラジエーター本体の表面積の合計に等しくなります。

これらすべての中で最も効果的なのは、ピン (またはニードル) ラジエーターです。 で 最小音量このようなラジエーターは最大の有効放熱面積を持っています。 このようなヒートシンクの表面積は、各ピンの面積と本体の面積の合計に等しくなります。

強制空気供給を備えたヒートシンクもあります (コンピュータのプロセッサ クーラーがその例です)。 これらのヒートシンクは、ラジエーターの表面積が小さいため、環境に大量の電力を放散することができます（たとえば、中速プロセッサ R-1000 は、負荷に応じて 30 ～ 70 ワットの熱エネルギーを放出します）。 。 このようなヒートシンクの欠点は、動作中の騒音の増加と耐用年数の制限 (ファンの機械的磨耗) です。

ラジエーターの材質は通常アルミニウムとその合金です。 銅製のヒートシンクは効率が最も優れていますが、そのようなラジエーターの重量とコストはアルミニウム製のラジエーターよりも高くなります。

半導体デバイスは特殊なフランジを使用してヒートシンクに取り付けられます。 デバイスをラジエーターから隔離する必要がある場合は、さまざまな絶縁ガスケットが使用されます。 スペーサーを使用すると結晶からの熱伝達効率が低下するため、可能であればヒートシンクを構造のシャーシから隔離することをお勧めします。 より効率的に熱を放散するには、半導体デバイスと接触する表面が平坦で滑らかである必要があります。 効率を高めるために、特殊なサーマルペースト（KPT-8など）が使用されます。 サーマルペーストを使用すると、「ケース - ヒートシンク」セクションの熱抵抗が減少し、クリスタルの温度をわずかに下げることができます。 ガスケットとしてはマイカ、各種プラスチックフィルム、セラミックスなどが使用されます。 かつて、私はトランジスタのハウジングをヒートシンクから絶縁する方法に関する著者の証明書を受け取りました。 この方法の本質は次のとおりです。 ヒートシンクの表面は放熱ペースト (KPT-8 タイプなど) の薄い層で覆われ、ペーストの表面に層が塗布されます (注入法により)。 珪砂（私はヒューズの砂を使いました）その後余分な砂を振り落として絶縁材のクランプでトランジスタをしっかりと押さえつけます。 この方法の工場でのテスト中、「ガスケット」は 1000 ボルト (メガメーターからの) の短期間の電圧供給に耐えました。

外国の高出力トランジスタの中には、絶縁ケース内で製造されているものもあります。そのようなトランジスタは、ガスケットを使用せずにヒートシンクに直接取り付けることができます (ただし、放熱ペーストの使用が除外されるわけではありません!)。

トランジスターラジエーター環境システムの熱源は次のとおりです。 コレクターP-N遷移。 このシステムの熱経路全体は、接合部 - トランジスタ本体、トランジスタ本体 - ヒートシンク、ヒートシンク - 環境の 3 つのセクションに分割できます。 熱伝達が理想的ではないため、ジャンクション、トランジスタ本体、環境の温度は大きく異なります。 これは、熱がその経路に沿って熱抵抗と呼ばれる何らかの抵抗に遭遇するために発生します。 この抵抗は、領域の境界における温度差と消費電力の比に等しくなります。 これは例で説明できます。参考書によれば、トランジスタ P214 の接合ボディの熱抵抗は 1 ワットあたり摂氏 4 度です。 これは、トランジションでの電力損失が 10 ワットの場合、トランジションはケースよりも 4*10=40 度「暖かく」なるということを意味します。 最大ジャンクション温度が 85 度であるという事実を考慮すると、指定された電力でのケース温度が 85-40 = 45 度を超えてはいけないことが明らかになります。 ラジエーターの熱抵抗の存在が、トランジスタの設置場所からの距離が異なると、ラジエーターのセクションの温度に大きな違いが生じる理由です。 これは、ラジエーターの表面全体が積極的な熱伝達に関与するのではなく、最も温度が高く、したがって空気によって最もよく洗浄される表面の一部のみが関与することを意味します。 この部分をラジエーターの有効面といいます。 ラジエーターの熱伝導率は高くなるほど大きくなります。 ラジエーターの熱伝導率は、ヒートシンクを構成する材料の特性とその厚さに依存します。 そのため、ヒートシンクの製造には銅やアルミニウムが使用されます。

ラジエーターの完全な計算は、非常に手間のかかるプロセスです。 大まかな計算には、次のデータを使用できます。 半導体デバイスによって生成される 1 ワットの熱を放散するには、30 平方センチメートルのヒートシンク面積を使用するだけで十分です。

ダイオードの名称		最大。 温度 環境 環境	ラジエーターエリア
KD202A、KD202V			ラジエーターなし
KD202D、KD202Zh
KD202K、KD202M
KD202B、KD202G
KD202E、KD202I
KD202L、KD202N

雑誌「Radioamator-Constructor」に、ラジエーターの簡略化された計算方法に関する未知の著者による記事が掲載されました。 。

文学

すぐに言っておきますが、冷却ラジエーターを計算するための科学に基づいた方法論はありません。 このテーマに関して複数の論文やモノグラフを書くことができます (そして多くの論文が書かれています)。ただし、冷却フィンまたはロッドの構成を変更する場合は、ラジエーターを垂直ではなく水平に配置し、他の面をラジエーターに近づけます。下から、上から、横から、すべてが変わり、時には劇的に変わります。 そのため、マイクロプロセッサやビデオカード用プロセッサのメーカーは、リスクを負うことを好まず、ファン付きのラジエーターを製品に供給することを好みます。たとえ弱くても、強制空気流により熱除去効率が数十倍向上します。はまったく必要ありません（しかし、彼らは「足りないものは安全側にいたほうが良い」という法則に従って行動し、それは当然のことです）。 ここでは、実際に実証されており、このようなアンプやアナログ電源のパッシブ (つまり、エアフローなし) ラジエーターの計算に適した経験的な方法をいくつか紹介します。これについては次の章で説明します。

米。 8.4. 一般的なプレートラジエーター

まず、ラジエーターの形状に基づいてラジエーターの面積を計算する方法を見てみましょう。 図では、 図 8.4 は、典型的なプレートラジエーターを概略的に示しています。 面積を計算するには、リブ（両側）の合計面積をベースの面積に追加する必要があります。 ラジエーターの底面がボードに押し付けられている場合は、ベースの片側だけが機能していると考える方が良いですが、（よくあることですが）ラジエーターが空中に「ぶら下がっている」と仮定します。基本ダブルスの：Socn-'^-LyLi。 1 つのリブの面積 (両側も) Sp = 2-Lyh ですが、この値にリブの側面も追加する必要があります。その面積は SQoK = 2’hd に等しくなります。 フィンは6枚しかないので、ラジエーターの総面積はS = Soctt + 6-5r + b-b'sideとなります。 L1 = 3 cm、I2 = 5 cm、L = 3 cm、5 = 0.2 cmとすると、このようなラジエーターの総面積は145 cm^になります。 もちろん、これは概算の計算です (MC はベースの側面などを考慮していません) が、今回の目的では精度は必要ありません。

ここでは、表面積に応じた電力損失を計算するための 2 つの経験的方法を示します。ここでは特別な科学的計算は見られないため、あまり厳しく判断しないでください。

最初の最も単純な方法: 冷却ラジエーターの面積は、放出される電力のワットごとに Yusm^ でなければなりません。 そこで、図に示すラジエーターです。 サイズが 8.4 であるため、この規則によれば、アンプの直下である程度の余裕を持って 14.5 W の電力を消費できます。 ケースのサイズが気にならない場合は、この大まかな計算に簡単に制限できます。

米。 8.5。 有効熱伝達率 フィン付きラジエーター異なるフィンの長さでの自由対流条件下: 1 - /7 = 32 mm。 2 - /7 = 20 mm; 3-/7=12.5mm

ラジエーターの熱出力を見積もるには、式 Zh = azff-e.5 を使用できます。ここで、

W - ラジエーターによって消費される電力、W;

Aeff は有効熱伝達係数 W/m^°C です (図 8.5 のグラフを参照)。

0 - 放熱面の過熱量、°C、Q = Т^-Tq^ (Гс - ラジエーター表面の平均温度、Гс - 周囲温度);

S- 総面積ラジエーター伝熱面、m1

この式の面積は に置き換えられることに注意してください。 平方メートル、センチメートルではありません。

それでは、始めましょう。まず、目的の表面過熱を設定し、大きすぎない値 (30 °C に等しい) を選択します。 大まかに言うと、周囲温度が 30 °C の場合、ラジエーターの表面温度は 60 °C になると想定できます。 ラジエーターの温度と、良好な熱接触（後述）を備えたトランジスタまたはマイクロ回路の結晶の温度との差が約 5 °C である可能性があることを考慮すると、これはほとんどすべての半導体デバイスで許容可能です。 リブの高さ h は 30 mm なので、図のグラフの上の曲線を使用します。 8.5 より、熱伝達係数は約 50 W/m^°C であることがわかります。 計算後、W = 22 W であることがわかります。 最も単純なルールによると、以前は 14.5 W を受け取りました。つまり、より多くを費やした後です。 正確な計算、面積をわずかに減らすことができ、それによってケース内のスペースを節約できます。 ただし、繰り返しますが、その場所が私たちにプレッシャーを与えない場合は、常に予備を持っておく方が良いです。

ラジエターは垂直に配置し、フィンも垂直に配置し（写真のように）、表面を黒く塗装する必要があります。 これらの計算はすべて非常に近似的なものであり、ラジエーターを垂直ではなく水平に配置したり、ラジエーターにプレートフィンの代わりにニードルフィンを装備したりすると、方法論自体が変わる可能性があることをもう一度思い出していただきたいと思います。 さらに、ここでは水晶ケースとケースとラジエーターの転移の熱抵抗は考慮していません（単に温度差が 5 °C であると仮定しています）。

ただし、これらの方法は真実に対して適切な近似を与えますが、良好な熱接触が確保されていない場合、すべての計算が無駄になる可能性があります。 もちろん、ネジでトランジスタをラジエーターにしっかりと押し付けることもできますが、圧力がかかる部分のラジエーターの表面が完全に平らでよく磨かれている場合に限ります。 実際には、このようなことは決して起こらないため、圧力点にあるラジエーターは特殊な熱伝導性ペーストで潤滑されます。 それは店で購入することができ、時にはそのようなペーストのチューブがマイクロプロセッサーの「クーラー」に適用されることもあります。 薄くて均一な層で潤滑する必要がありますが、量をやりすぎないでください。 2 つのデバイスが 1 つのラジエーターに配置され、そのコレクターの電圧が異なる場合は、ハウジングの下に絶縁ガスケットを置き、取り付けネジの下に絶縁プラスチックワッシャーを置き、ネジ自体に絶縁キャンブリックチューブを置く必要があります、穴の位置でのラジエーターの厚さに等しい長さ(図8.6)。

米。 8.6. 絶縁する必要がある場合は、TO-220 ハウジング内のトランジスタをラジエーターに固定します。 1 - ラジエーター。 2 -- ラジエーターの穴。 3 - 絶縁ワッシャー。 4 - 締め付けネジ。 5 - ナット; 6 - 絶縁チューブ; 7 - マイカガスケット; 8 - トランジスタハウジングのプラスチック部分。 9 - トランジスタハウジングの金属部分。 10 - トランジスタ端子

最も便利な絶縁ガスケットはマイカです。陽極酸化アルミニウムで作られたガスケットは非常に優れています (ただし、絶縁酸化物の薄い層を傷つけないように注意深く観察する必要があります)。また、セラミック (ただし、非常に壊れやすく、ひび割れする可能性があります) で作られたガスケットも便利です。強く押しすぎると）。 ちなみに、ブランドのガスケットがない場合は、破れないように薄いフッ素樹脂（もちろんポリエチレンではありません！）フィルムを使用できます。 ガスケットに取り付けると、熱伝導ペーストがトランジスタとラジエーターの両方の表面に薄い層で塗布されます。

Intel Pentium4 Willamette 1.9 GHz プロセッサと ADDACorporation 製の B66-1A クーラーの例を使用した方法論が示されており、強制対流と平坦な熱接触面を持つ電子デバイスの燃料要素を冷却することを目的としたフィン付きラジエーターを計算する手順が説明されています。最大100Wの電力で。 この技術により、熱除去のための最新の高効率小型デバイスの実用的な計算を行い、冷却を必要とするあらゆる無線電子機器に適用することが可能になります。

ソース データで指定されたパラメータ:

P= 67 W、冷却要素によって生成される電力。

q と= 296 °K、ケルビン単位の中（空気）温度。

q 前に= 348 °K、最大結晶温度;

q R= nn °K、ラジエーターベースの平均温度（計算プロセス中に計算）;

H= 3 10 -2 m、ラジエターフィンの高さ (メートル)

d= 0.8×10 -3 m、リブの厚さ (メートル)

b= 1.5×10 -3 m、リブ間の距離。

私 メートル= 380 W/(m °K)、ラジエーター材料の熱伝導率;

L=8.3 10 -2 m、端に沿ったラジエーターのサイズ (メートル単位)。

B= 6.9 10 -2 m、フィン全体のラジエーターのサイズ。

あ= 8 10 -3 m、ラジエーターベースの厚さ。

V 3 2 m/秒、ラジエーター チャネル内の空気速度。

Z= 27、ラジエターフィンの数。

あなた R= nn K、ラジエーターベースの過熱温度、計算プロセス中に計算されます。

e R= 0.7、ラジエーターの放射率。

熱源はラジエターの中心にあると仮定します。

全て 直線寸法メートル単位で測定され、温度はケルビン単位で、電力はワット単位で、時間は秒単位で測定されます。

放熱器の設計と計算に必要なパラメータを図1に示します。

写真1。

計算手順。

1. 次の式を使用して、リブ間のチャネルの総断面積を決定します。

S k = (Z - 1) b H

受け入れられた初期データの場合 - S k = (Z - 1) b H = (27-1) 1.5 10 -3 3 10 -2 = 1.1 10 -3 m 2

中央ファン設置の場合、空気の流れは 2 つの端面から出て、チャネルの断面積は 2 倍になり、2.2 × 10 -3 m 2 に等しくなります。

2.ラジエーターのベースの温度に2つの値を設定し、各値の計算を実行します。

q р = ( 353 (+80°С) そして 313 (+40°С))

ここからラジエターベースの過熱温度が決定されます あなた R環境に関して。

あなた p = q p - qと

最初の点については あなた p = 57°K、2 回目 あなた p = 17°K。

3. 温度を決定する qヌッセルト (Nu) 基準とレイノルズ (Re) 基準を計算するために必要です。

q = q c + P / (2 V S k r・Cp）

どこ： q と – 周囲温度、環境、

V– リブ間のチャネル内の空気速度 (m/秒)。

S に– 総面積 断面リブ間のチャネル (m 2 単位)。

r - 温度における空気密度 q平均、kg/m 3、

q平均 = 0.5 ( q p +q と）;

C R– 温度における空気の熱容量 q平均、J/(kg x °K);

P– ラジエーターによって電力が除去されます。

受け入れられた初期データの場合 - q = q s + P /(2・V ·S to · r・C p) = 296 K+67/(2 2m/秒 1.1 10 -3 m 2 1.21 1005) = 302.3°K (29.3°C)

* 中央フィン付きのこのフィン付きラジエーターの値 ファンの取り付け, V計算では 1.5 ～ 2.5 m/秒 (付録 2 を参照)、出版物 [L.3] では約 2 m/秒。 Golden Orb クーラーなどの短い拡張チャネルの場合、冷却風の速度は 5 m/秒に達することがあります。

4. ラジエターフィンの熱伝達係数を計算するために必要なレイノルズ基準とヌッセルト基準の値を決定します。

Re = V L / n

どこ： n - での空気の動粘性率 q と、 メートル 2 /と付録 1、表 1 より。

受信した初期データの場合 - Re = VL/ n= 2 8.3 10 -2 / 15.8 10 -6 = 1.05 10 4

Nu = 0.032 Re 0.8

受け入れられた初期データの場合 - Nu = 0.032 Re 0.8 = 0.032 (2.62 10 4) 0.8 = 52.8

5. ラジエーター フィンの対流熱伝達係数を決定します。

ある に = ヌ · 私 V / 長さ W/(m 2 に）

どこ、 私 - 空気の熱伝導率 (W/(m deg))、at q と付録 1、表 1 より。

受け入れられた初期データの場合 - a k = Nu・ 私インチ / L = 52.8 2.72 10 -2 / 8.3 10 -2 = 17.3

6. 補助係数を決定します。

m = (2 a k / l m d ) 1/2

mh の値と双曲線正接 th (mh) を決定します。

受け入れられた初期データの場合 - m = (2 · a k / l m · d) 1/2 = (2 · 17.3 /(380 · 0.8 10 -3)) 1/2 = 10.6

受け入れられた初期データの場合 - m・H = 10.6 · 3 10 -2 = 0.32; th(m・H) = 0.31

7. ラジエーター フィンからの対流によって放出される熱量を決定します。

Prk = Z 私 m・m・S・r・ あなた pth(m H)

どこ： Z– リブの数;

私 メートル= ラジエーター金属の熱伝導率、W/(m · °K);

メートル– 式 7 を参照。

S R– ラジエターフィンの断面積、m2、

S r = L d

あなた R– ラジエターベースの過熱温度。

S р = L d = 8.3 10 -2 0.8 10 -3 = 6.6 10 -5 m 2

Prk = Z 私 m・m・S・r・ あなた p th (m H) = 27 380 10.6 6.6 10 -5 57 0.31 = 127 W。

8. ラジエーター フィンの平均温度を決定します。

q av = (q p /2) [ 1 + 1 / cosh (m H )]

どこ： チャンネル (mH ) – 双曲線余弦。

受け入れられた初期データの場合 - q av = (q p /2) [ 1 + 1 / ch (m H )] = (353/2) =344°K (71°C)

※双曲線正接および余弦の値は、工学計算機上で「hyp」と「tg」または「cos」の演算を順次実行することで計算されます。

9. 放射熱伝達係数を決定します。

a l = e r f (q avg, q c) j

f (q avg, q c) = 0.23 [ 5 10 -3 (q avg + q c)] 3

受け入れられた初期データの場合 - f (q avg, q c) = 0.23 [ 5 10 -3 (q avg + q c)] 3 = 0.23 3 = 7.54

放射照度係数:

j = b / (b + 2h )

j = b / (b + 2H ) = 1.5 10 -3 / (1.5 10 -3 + 3 10 -2) = 0.048

a l = e r f (q avg, q c) j = 0.7 x 7.54 x 0.048 = 0.25 W/m 2 K

10. 熱流束を放出する表面積を決定します。

S l = 2 L [ (Z -1) · (b + d) + d ] +2 H · L · Z (m 2)

受け入れられた初期データの場合 - S l = 2 L [(Z -1) · (b + d ) + d ] +2 H · L · Z = 0.1445 m 2

11. 放射によって放出される熱量を決定します。

P l = a l · S l (q avg - q s)

受け入れられた初期データの場合 - P l = a l S l (q av - q c) = 0.25 0.1445 (344 – 296) = 1.73 W

12. 所定のラジエーター温度 q р = 353K でラジエーターから放出される熱の総量:

P = Prk + Pl

受け入れられた初期データの場合 - P = P pk + P l = 127 + 1.73 = 128.7 W。

13. ラジエーター温度の計算を繰り返します。 q p = 313K で、2 点を使用して計算されたラジエーターの熱特性を構築します。 この点では P=38W です。 ここでは、ラジエーターから放出される熱量が縦軸に沿ってプロットされています。 P R、および水平ラジエーター温度 q R .

図2

結果のグラフから、特定の電力 67W を決定します。 q R= 328 °K または 55 °C。

14. ラジエーターの熱特性に基づいて、特定の出力 P で次のことが決定されます。 R=67W、ラジエター温度 q R=328.5℃。 ラジエター過熱温度 あなた R式2で求められます。

等しいです あなたр = q р - q с = 328 – 296 = 32°К。

15. クリスタルの温度を測定し、メーカーが設定した制限値と比較します。

q に = q p + P ( rパソコン+ r pr) °K = 328+67(0.003+0.1)=335 (62°C)、

q R – 特定の設計点におけるラジエーター ベースの温度、

R– 式 14 による計算の結果、

r PC - プロセッサーケース - クリスタルの熱抵抗、これについて 熱源 0.003K/Wに等しい

r pr – 特定の熱源に対する本体ラジエーターの熱抵抗は 0.1 K/W (熱伝導ペースト使用)。

得られた結果は、メーカーが定義した最高温度を下回り、[L.2] のデータ (約 57°C) に近くなっています。 この場合、周囲の空気に対する結晶の過熱温度は、上記の計算では 32°C、[L.2] では 34°C になります。

で 一般的な見解、はんだ、ペースト、接着剤を使用した場合の 2 つの平らな表面間の熱抵抗:

r = d に ・ lから-1 · S接点 -1

どこ： d k – ラジエーターと冷却ユニットの本体の間の隙間の厚さ（m 単位の熱伝導性材料で充填）、

私 に– ギャップ内の熱伝導材料の熱伝導率 W/(m K)、

S 続き– 接触表面積（m2）。

ガスケットや潤滑剤を使用せず、十分に締め付けた場合の r cr のおおよその値は次のようになります。

r cr = 2.2 / S接点

ペーストを使用すると熱抵抗が約2倍に低下します。

16. 比較する q にと q 前にを提供するラジエーターを受け取りました。 q に= 325°K 以下 q 前に = 348°K - 指定されたラジエーターは、ユニットの熱レジームに予備を提供します。

17. 計算されたラジエーターの熱抵抗を決定します。

r = あなた R/P (°K/W)

r = あなた p / P (°/W) = 32/67 = 0.47°/W

結論:

計算された熱交換器は、周囲温度 23 °C までで 67 W の熱出力を確実に除去しますが、結晶温度 325 ° K (62 ° C) は、このプロセッサーの許容温度 348 ° K を超えません。 (75℃)。

応用 特殊加工最大 50 °C の温度で輻射による熱出力の伝達を高めるための表面の使用は効果がないことが判明し、推奨できません。 費用は負担しません。

この資料は、世界で広く使用されているものと同様の、最新の小型で高効率の熱交換器を計算して製造するだけでなく、 コンピューターテクノロジーだけでなく、タスクに関連してそのようなデバイスの使用について適切な決定を下すこともできます。

付録 1。

熱交換器を計算するための定数です。

表1

q s、k(℃)	l* 10 -2 W/(m K)	な* 10 6 メートル 2 /秒	平均 J/(kg*K)	r 、kg/m 2
273(0)td>	2,44	13,3	1005	1,29
293 (20)	2,59	15,1	1005	1,21
373 (100)	3,21	23,1	1009	0,95

中間温度値の定数の値は、最初の近似値として、最初の列に示されている温度の関数をプロットすることで取得できます。

付録 2.

ラジエーターを冷却する空気の移動速度の計算。

気体中の強制対流中の冷却剤の移動速度:

V = Gv /S ～

ここで: Gv – 体積流量冷却剤、(70x70 ファンの場合、S pr = 30 cm 2、7 ブレード、P em = 2.3 W、w = 3500 rpm、Gv = 0.6 ～ 0.8 m 3 /min. または実際には 0.2 ～ 0.3 または V = 2m/秒）、

S k は、自由に通過できるチャネルの断面積です。

ファンの流れの面積が 30 cm 2、ラジエーターのチャネルの面積が 22 cm 2 であることを考慮すると、送風速度はより低くなり、次のようになります。

V = Gv /S = 0.3 m 3 /分 / 2.2 10 -3 メートル 2 =136m/分 =2.2m/秒。

計算には 2 m/秒を使用します。

文学：

REA デザイナーズ ハンドブック、R.G. ヴァルラモフ、M 編、ソビエトラジオ、1972 年。

REA デザイナーズ ハンドブック、R.G. ヴァルラモフ、M 編、ソビエトラジオ、1980 年。

http://www.ixbt.com/cpu/ 、Socket 478 用クーラー、2002 年春夏シーズン、 ヴィタリー・クリニツィン、発行 - 2002 年 7 月 29 日。

http://www.ixbt.com/cpu/ 、冷却ファンおよびクーラーの背後の空気速度の測定、Alexander Tsikulin、Alexey Rameykin、発行 - 2002 年 8 月 30 日

L.1、2の資料を基に2003年に作成

半導体デバイスの動作中、その結晶内で電力が放出され、結晶の加熱につながります。 周囲の空間で放散される熱よりも多くの熱が放出されると、結晶の温度が上昇し、最大許容値を超える可能性があります。 この場合、その構造は不可逆的に破壊されます。

したがって、半導体デバイスの信頼性は主に次の条件によって決まります。 冷却効率。 最も効果的なのは対流冷却メカニズムで、冷却された表面を洗浄する気体または液体の冷媒の流れによって熱が運び去られます。

冷却面が大きいほど冷却効率が高くなるため、強力な半導体デバイスは冷却面が発達した金属ラジエーターに取り付ける必要があります。 通常、周囲空気が冷却剤として使用されます。

クーラントの移動方法により区別されます。:

• 自然換気。
• 強制換気。

いつ 自然換気加熱されたラジエーターの近くで発生する隙間風により、冷却水が移動します。 いつ 強制換気冷却剤はファンを使用して移動されます。 2 番目のケースでは、高い流量を得ることができるため、 より良い条件冷却。

熱冷却モデルを使用すると、熱計算は大幅に簡素化できます (図 18.26)。ここで、結晶温度 T J と周囲温度 T A の差により、熱抵抗 R JC (チップ - ケース）、R CS (本体 - ラジエーター)、および R SA (ラジエーター - 環境)。

図18.26。 熱冷却モデル

熱抵抗の寸法は°C/Wです。 合計最大熱抵抗結晶環境セクションの R JA は、次の式を使用して求めることができます。

ここで、R PP は半導体デバイス チップで消費される電力、W です。

熱抵抗 R JC および R CS は、半導体デバイスの参考データに示されています。 たとえば、参考データによると、IRFP250N トランジスタの場合、水晶ラジエーター部分の熱抵抗は R JC + R CS = 0.7 + 0.24 = 0.94 °C/W に等しくなります。

これは、10 W の電力がチップ上で放出されると、その温度はラジエーターの温度より 9.4 °C 高くなることを意味します。

ヒートシンクの熱抵抗次の式を使用して求めることができます。

図では、 18.27 は、セクションの周囲間のグラフィック関係を示しています。 アルミラジエーター空気流による自然冷却 (赤線) および強制冷却 (青線) の熱抵抗。

デフォルトでは、次のように想定されています:

冷却条件がデフォルトと異なる場合は、図のグラフを使用して必要な修正を行うことができます。 18.28 - 図。 18.30。

米。 18.27。 アルミラジエーターの断面積と熱抵抗の関係

米。 18.28。 ラジエーターと周囲の温度差の補正係数

米。 18.29。 対気速度の補正係数

米。 18.30。 ラジエター長さの補正係数

たとえば、IRFP250N タイプの 20 個のトランジスタで構成される ERST トランジスタを冷却するラジエーターを計算してみましょう。 ラジエーターは 1 つのトランジスタに対して計算でき、結果として生じるサイズは 20 倍に増加する可能性があります。

主要なトランジスタで消費される合計電力は 528 W であるため、各 IRFP250N トランジスタで消費される電力は 528/20 = 26.4 W となります。 ラジエーターは、最大周囲温度 +40 °C で、トランジスタの結晶の最大温度が +110 °C 以下であることを保証する必要があります。

見つけます 熱抵抗 IRFP250N トランジスタ 1 個の R JA:

さあ、見つけてみましょう ヒートシンクの熱抵抗:

クリスタルの最高温度とクリスタルとラジエーターのセクションの熱抵抗がわかっているので、ラジエーターの最高温度を決定します。

グラフ (図 18.28) を使用して、ラジエーターと環境の間の温度差の補正係数 Kt を決定します。

ラジエーターを冷却するために使用されます ファンタイプ 1.25EV-2.8-6-3270U4、容量 280 m3/h。 流量を計算するには、容量をファンによって送られるエアダクトの断面積で割る必要があります。

ダクトに断面積がある場合:

この場合、空気流の速度は次のようになります。

グラフ (図 18.29) を使用して、実際の空気流速の補正係数 K v を決定します。

自由に使えるものがあると仮定しましょう たくさんの完成したラジエーターの断面周囲は 1050 mm、長さは 80 mm です。 グラフ (図 18.30) を使用して、ラジエーターの長さの補正係数 K L を決定します。

一般的な補正を求めるには、すべての補正係数を乗算します。

改正を考慮して、ラジエーターは次のことを提供する必要があります。 熱抵抗:

グラフ(図18.27)を使用すると、1つのトランジスタには断面周囲200 mmのラジエーターが必要であることがわかります。 20 個の IRFP250N トランジスタのグループの場合、ラジエーターの断面周囲は少なくとも 4000 mm でなければなりません。 利用可能なラジエーターの周囲は 1050 mm であるため、4 つのラジエーターを組み合わせる必要があります。

ERST ダイオードの消費電力は少なくなりますが、設計上の理由から、同様のラジエーターを使用できます。

多くの場合、クーラーのメーカーは、周囲や長さではなく、ラジエーターの表面積を示します。

提案された方法からラジエーターの面積を取得するには、ラジエーターの長さに周囲長S P = 400 8 = 3200 cm2を掛けるだけで十分です。