ヒートシンク製作について

Question

機構設計をしている、初心者ですが、

現在、アルミダイキャストのいわば箱の中にCPU基板があり

使用温度を60℃にするという目標があります。

そこでまず何もわからないので質問します。

流れとして、

1.アルミダイキャストの中の温度を測定する。

2.測定した温度から箱内の温度が60℃になる様に考慮する。

3.実験の繰り返し

と思いますが、

まず、既製品が存在するのでしょうか？

それとも、何処かの業者に製作して頂くのでしょうか？

どちらにせよ、どの様に放熱を考え、材質、大きさ、固定方法

を考えれば良いでしょうか？

その様な、参考資料が載ったサイト等はないでしょうか？

ど素人な者で何卒、ご教授宜しくお願い致します。

Answer

基板の発熱量は消費電力から求めることが出来ます。例えば、消費電力が10Wで有れば、発熱量も10Wです。

箱の中を60℃で安定させる(または上限設定する)と言うことは、箱の中の発熱量と箱の表面から伝熱する熱量が60℃で平衡すると言うことです。仮に、箱の外部(室温)が25℃とすると、内外温度差は35℃(deg)と言うことになり、それを満足する様に箱の材質(熱伝導率)と表面積(熱伝達率)を選定すれば良いことになります。35℃の温度差がついたときに10Wの熱が箱の外に放熱すればよいと言うことです。

アルミの熱伝導率は237(W/m・℃)です。アルミの厚さをL(m)とすると熱抵抗は

熱抵抗=L/237 (℃/W)
になります。

箱の外板と空気の接触部分の熱伝達率は一般に9(W/?・℃)位なので(ファンなどによる強制対流では大きく値が変わります)、熱抵抗に換算すると

熱抵抗=1/(表面積×9)
になります。

ただし、基板～箱内空気への伝熱は正しく行われていると言う前提です。この部分は箱内温度60℃という条件とは別に、基板上の素子温度(ジャンクション温度)を守る事が前提になります。箱内温度60℃時にジャンクション温度を守れる様、素子からの放熱(ヒートシンク)を選定しなければなりません。

すいません追記です。
上の内容で検討を行って、箱内温度60℃を守るために外表面の伝熱面積が足りない様であれば、箱体に放熱口を開けて換気するなどの措置が必要になります。

http://www.thermalsoftware.com/index.htm

↑このソフトを使用すれば、基板温度・ケース内温度のシミュレーションが出来ます。探せばもっと良い物があるかもしれませんが・・・

結論を急がれているのは判りますが、まずは落ち着いて状況を把握しましょう。JOさんに示して頂いたサイトを見てなぜああいう理屈になるのか理解を深めてください。ここで理解できないとまた同じ問題で悩むことになります。

前提として、まず、基板からの発熱量が判らないと何も始まりません。CPU基板であれば消費電力を測ることによって推測できますし、コンバータ・インバータなどの電力機器なら効率から逆算できます。（損失分が発熱量です）

CPUの温度を10℃下げれば条件に収まるかどうかは、簡潔に（おおざっぱに）言うと正しいということが言えます。85℃を75℃に下げるということですね。外気温度（60℃）と比較すると温度差(Δt)を25℃から15℃にするということになるので、放熱面積を25/15倍にすれば良いということになります。2倍近く表面積を増やすということです。ただし、あくまで箱の外表面の話です。そもそも箱の表面積を増やすというのも無理が有るとは思いますが…

ここでもう一つ問題になるのはCPUから箱内への放熱です。追記で書かれた中にはこの部分に言及されていませんでしたが、CPUからの放熱も75℃を守れるように出来ていないと箱の表面積をいくら増やしてもここがボトルネックになって放熱しきれません。推測では60℃から75℃の間（多分68℃くらい）にならないといけないと思います。CPUとの温度差は7℃くらいですね。感覚としてはヒートシンクを付けるにしてもかなり巨大なものになってしまい現実的ではないように思います。JOさんが書かれているようにペルチェ素子を使用するとか、ヒートシンク自体をキャビネットを貫通して直接外気に放熱できる構造にするとかキャビネットに換気口を付けてファンで強制放熱するなどの措置を施す必要が有ると思います。

Answer

毎度ＪＯです。
>>使用温度を60℃にするという目標があります
CPU基板としては一般的な数値です、これは基板の周囲温度を６０℃以下で使用する事と思われます、
それとも６０℃で恒温するのでしょうか？？　これはあまり聞きませんが、

基板の周囲温度を６０℃以下で使用するのであれば、アルミダイキャストの箱の周囲温度と放熱効率で決まります、
仮に、アルミダイキャストの箱の周囲温度が６０℃では、基板の周囲温度が６０℃以下に出来ません、
計算するのであれば、
１）基板の発熱量
２）基板・アルミダイキャストの箱間の熱抵抗、これは空気なので対流や空気の量で変化します
３）アルミダイキャストの箱の放熱効率
４）アルミダイキャストの箱の周囲温度
以上４点が分れば計算により、基板の温度が導き出せそうです、しかし２）を数値化する事が難しいかもしれません。

以下参照ＵＲＬ

毎度ＪＯです。
外気温度が60℃であれば、基板周りの冷却を考えなければならない温度です、
半導体は良しとしても、電解コンデンサなどの寿命に影響が出ます、
ペルチェ素子を利用した冷却システムなどを検討されては？
DC12Vの物もあります
http://www.ohm.jp/catalog/archive/boxcool.pdf

冷却する事を除外するのであれば、CPU～外気間の熱抵抗をいかに下げるかに、かかっています。

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