熱対流：自然対流と強制対流

熱対流：熱伝達の柱

熱管理ソリューションの大半では、デリケートなコンポーネントやデバイスから熱を除去する手段として熱対流を使用しています。対流を利用しない稀なケースは、利用できる流体がほとんど、あるいは全くない場合です。 宇宙用途では流体が利用できないため、熱対流を利用することはできません。それ以外では、製品から熱を取り出す最も一般的な方法です。

自然対流と強制対流の選択 は、熱管理ソリューションの設計に大きな影響を与えます。 自然対流と強制対流を比較してみましょう。

用途での対流

熱管理において、対流ソリューションは実際には対流と伝導の両方に依存しています。 最初の熱伝達プロセスは技術的に伝導であり、ヒートシンクまたは液体の冷却プレート表面からの熱は、その表面に接触する流体に伝達されます。第2 のプロセスは移流と考えられていて、これは装置によって温められた流体が熱源から離れる方向に大量に流れる現象です。当社は、これら2 つを個別に言及する代わりに、それらをまとめて「対流」という1 つの用語として扱います。

ソリューションの熱性能を向上させるには、対流の2 つの部分を理解することが重要です。 対流の部分を把握すると、これらの部分を分解して改善し、全体的な熱伝達を 最大化することができます。

自然対流と強制対流

対流の流れのタイプは、自然または強制のいずれかに分類されます。この区分は、それぞれが用途と製品全体に対して独自の影響を持つため行われます。これらの異なるタイプのフローには、個別に対処する必要がある異なる設計上の制約と懸念があります。

自然流

自然対流とは、自然の浮力が移流を駆動する場合です。 熱プルームと煙突効果は、どちらも自然対流を表す用語です。 熱源とヒートシンクの近くの流体が周囲温度よりも熱くなると、密度が低くなります。この圧力差は、重力の方向とは逆に、より高温の空気が上方へ移動する動きを生み出します。次に、周囲のより冷たい流体が高温の空気が離れていく場所を満たし、内向きの流れ、そして上向きの流れを生み出します。

自然熱対流設計の考慮事項

高信頼性

信頼性が重要な用途では、熱管理用途内の流れとして自然対流が好まれます。自然の力に頼って流体に動きを加えることで、ファンやポンプなどの主要コンポーネントが不要になります。これらのコンポーネントは、高度に設計され、テストされていますが、時間の経過と共に摩耗します。ファンやポンプのモーターなどの摩擦部品がある限り、流体移動装置の信頼性を懸念することになります。

自然熱対流のための流体オプション

自然対流は、液体冷却システムと比較して、空気冷却用途ではより実現しやすい傾向があります。空気は容易に入手可能で、適切なソリューションを開発するために必要な経路設定や設計上の手間は最小限で済みます。液浸冷却として知られる液体の自然対流ソリューションには、追加の計画と検討が必要です。液体には十分な封じ込め、密閉、漏れ防止が必要であり、電子回路を短絡から保護するために特殊な誘電性流体が必要になる可能性があります。これは、特に製品開発の設計と検証の段階で、より多くのエンジニアリング時間を要します。

自然熱対流フィン間隔

自然対流ヒートシンクと強制対流ヒートシンクについて話すと、ヒートシンクの全体的な構造の違いがわかります。流体の種類にかかわらず、煙突効果を最大化するためにヒートシンクを最適化したいと考えています。隙間の両側の境界層内でフィンの隣の空気が温まるのに十分なスペースと、空気が上向きに流れるための余分なスペースが中央に必要です。下の熱分布図の左側ではフィン間隔が広いため、右側のヒートシンクよりも冷たい空気がフィンの隙間をさらに上まで到達できることがわかります。そのため、一部のヒートシンクには他のものよりもフィンギャップがはるかに大きいことに気づくでしょう。フィン間の隙間が約1/4 インチ以上のものは、一般的に自然対流用に設計されています。

強制対流の定義

自然浮力以外のメカニズムがこの移流を生み出す場合、それを強制対流と呼びます。このような場合、通常はファンやポンプを使用して流体の流れを駆動します。

強制対流の設計への影響

熱伝達の向上と冷却の増加

流量を増加させることで、強制対流は自然対流よりも熱伝達においてより効果的になります。同じ時間内により多くの流体をシステム内に移動させることができるため、流体に吸収されたより多くの熱を熱源から強制的に取り除くことができます。これにより、 熱が蓄積するのを防ぎます。

強制対流ソリューションによる信頼性の低下

ポンプやファンの摩擦部品は摩耗します。アクティブエアムーバーのコンポーネントは、無期限に稼働することはできません。設計エンジニアは、コンポーネントの信頼性を考慮し、最終製品が壊れた部品を交換できるほど十分に保守可能であること、または部品が最終製品の予想寿命よりも長く使用できることを確認する必要があります。これは、生命や安全を支える重要な機器に特に当てはまります。

可動部とノイズ

強制対流は流体の流れを速くするために可動部品を必要とするため、音も発生します。ファンやポンプのモーターは、自然対流に比べてノイズが大きくなります。 ノイズは、ユーザー体験を損なう、過度の振動が発生する、または安全上の問題を引き起こす可能性があります。ファンを追加する場合、熱設計者は最終用途を考慮し、性能要件を満たすファンまたはブロワーを選定する必要がありますが、ノイズや振動のしきい値を超えないようにする必要があります。

強制対流の設計への影響

設計と最終製品のニーズに関しては、貴社と最終顧客こそが専門家です。信頼性とエンドユーザーの要件に基づいて、好みのフロータイプを決定できるはずです。イートンの設計エンジニアは、過酷で高出力の自然対流条件に対するソリューションを開発したり、強制対流ソリューションが厳しい信頼性要件を満たすようにしたりしてきました。用途が自然なものであれ、強制的なものであれ、イートンは必要なサポートを提供できます。