集中熱源用混合金属スウェージドヒートシンクの特性評価

本紹介内容は、InterPACK’03®で発表された「Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source」の研究内容です。

Figure 1: Swaging process
Figure 1: Swaging process

1. 概要:

  • タイトル: Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source (集中熱源用混合金属スウェージドヒートシンクの特性評価)
  • 著者: Ahmed M. Zaghlol, William Leonard and Richard Culham
  • 出版年: 2003
  • 発行ジャーナル/学会: Proceedings of InterPACK’03®: International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition
  • キーワード: (論文には明示されていませんが、内容から推測) ヒートシンク、スウェージング、熱抵抗、強制対流、銅、アルミニウム、混合金属、集中熱源 (Heat Sink, Swaging, Thermal Resistance, Forced Convection, Copper, Aluminum, Mixed Metals, Concentrated Heat Source)

2. 要約 / はじめに

要約
4つのヒートシンクの組み合わせ(全アルミニウム、全銅、銅ベース/アルミニウムフィン、アルミニウムベース/銅フィン)の熱性能を実験的に研究。フィン間隔に基づくレイノルズ数1000〜4000の範囲で垂直風洞実験を実施。全銅ヒートシンクが最も低い熱抵抗(全アルミニウムより22%低い)を示した。銅ベース/アルミニウムフィンは11.4%、アルミニウムベース/銅フィンは全アルミニウムに比べて8.5%の性能向上を示した。

はじめに
高温および熱放散は、電子システムの性能を制限する。ヒートシンクは、マイクロプロセッサおよびパワーエレクトロニクスにとって重要である。熱流束の増加に伴い、熱伝導率の高い材料(銅など)が必要となる。本論文は、熱拡散を改善するために、混合金属スウェージドヒートシンクに焦点を当てる。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

  • 高温および熱放散による電子システムの限界。
  • マイクロプロセッサおよびパワーエレクトロニクス分野におけるヒートシンクの必要性。
  • 高電力密度化への傾向。

既存研究の現状:

  • 押し出しヒートシンクが一般的だが、アスペクト比に限界がある。
  • ボンドフィンヒートシンクは、高いアスペクト比に使用される。
  • ダイカストは、大量生産、低コスト生産の代替案だが、多孔性の問題がある。
  • 接合方法には、熱エポキシ(低伝導率)、ろう付け、スウェージングが含まれる。

研究の必要性:

  • スウェージングプロセスを用いた混合金属ヒートシンク設計の探求。
  • ヒートシンクの熱抵抗を低減し、高電力アプリケーションにおける熱性能を向上させる。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

  • 強制対流下での4つのヒートシンクの組み合わせの熱性能を調査する。
  • 混合金属設計の熱抵抗を比較する。

主要な研究課題:

  • 強制対流下での全アルミニウム、全銅、銅ベース/アルミニウムフィン、アルミニウムベース/銅フィンヒートシンクの熱抵抗の比較。
  • フィンとベースの材料が熱性能に与える影響。
  • 熱伝導率の高い材料をベースまたはフィンとして使用した場合の効果。

5. 研究方法

研究デザイン:

  • 強制対流熱伝達モードを用いた実験的研究。
  • 4つのヒートシンク設計をペアでテスト。

データ収集方法:

  • 垂直風洞にヒートシンクを配置。
  • ブロックヒーター(800W、ベースプレートの10%をカバー)を熱源として使用。
  • レイノルズ数1000-4000(接近速度2-8 m/s)で実験。
  • 8か所で温度上昇を測定。
  • Dantecホットワイヤー風速計を使用。
  • Dwyer差圧トランスデューサを使用。

分析方法:

  • 温度測定値から熱抵抗を計算。
  • 異なるヒートシンク設計間の熱抵抗の比較。
  • フィン間隔に基づくレイノルズ数。

研究対象と範囲:

  • 4つのヒートシンク設計: Al Base-Al Fins, Cu Base-Al Fins, Al Base-Cu Fins, Cu Base-Cu Fins.
  • フィンの形状と寸法は、Table 1とFigure 2に詳述。
  • 接合に「スウェージング」プロセスを使用(Figure 1)。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果:

  • 全銅(Cu Base-Cu Fins)ヒートシンクが最も低い熱抵抗。
  • 全アルミニウム(Al Base-Al Fins)ヒートシンクが最も高い熱抵抗。
  • 銅ベース/アルミニウムフィンヒートシンクは、全アルミニウムより11.4%の性能向上。
  • アルミニウムベース/銅フィンヒートシンクは、全アルミニウムより8.5%の性能向上。

提示されたデータの分析:

  • Table 2は、全アルミニウムヒートシンクと比較した熱抵抗の減少率(%)を示す。
  • Figure 7は、フィン間隔レイノルズ数に対する熱抵抗。
  • Figure 8は、フィン間隔レイノルズ数に対する圧力損失。
  • 銅フィンヒートシンクでは、フィン間隔が小さいため、より高い圧力損失が観察される。
Table 2: Thermal resistance comparison of alternative metal heat sinks performance with respect to an all Aluminum heatsink.
Table 2: Thermal resistance comparison of alternative metal heat sinks performance with respect to an all Aluminum heatsink.
Figure 2: Heatsink geometry and dimensions
Figure 2: Heatsink geometry and dimensions
Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number.
Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number.
Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number
Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number

図表リスト:

  • Figure 1: Swaging process (スウェージングプロセス)
  • Figure 2: Heatsink geometry and dimensions (ヒートシンクの形状と寸法)
  • Figure 3: Heat Sink Back-to-Back Configuration (ヒートシンクの背面構成)
  • Figure 4: Heat Sink and Heater Plate (ヒートシンクとヒータープレート)
  • Figure 5: Thermocouple Locations on 10% Coverage Heater Plate (10%カバレッジヒータープレートの熱電対の位置)
  • Figure 6: Testing Rig (試験装置)
  • Figure 7: Thermal resistance vs. fin spacing Reynolds Number. (フィン間隔レイノルズ数に対する熱抵抗)
  • Figure 8: Pressure drop vs. fin spacing Reynolds Number (フィン間隔レイノルズ数に対する圧力損失)
Heatsink Assembly
Heatsink Assembly

7. 結論:

主要な結果の要約:

  • 全銅ヒートシンクが最も低い熱抵抗(22%の減少)。
  • 混合金属設計は、全アルミニウムに比べて性能が向上。
  • 10%カバレッジでは、銅をベース材料として使用する方が、フィン材料として使用するよりも熱拡散に効果的。

研究の学術的意義:

  • 混合金属スウェージドヒートシンクの性能に関する実験データを提供。
  • さまざまな構成における銅の使用の利点を定量化。

実用的な意味:

  • 高電力電子機器におけるヒートシンク設計の指針。
  • スウェージド混合金属ヒートシンクの利点を実証。

研究の限界と今後の研究分野:

  • 論文には明示的な限界はないが、今後の研究では以下を検討できる：
    • さまざまな熱源サイズと分布。
    • 他の金属の組み合わせ。
    • フィン形状の最適化。
    • コスト分析。

8. 参考文献:

  • H.W. Chu, C.L. Belady and C.D. Patel, “A Survey of High-performance, High Aspect Ratio, Air Cooled Heat Sinks", 1999 International Systems Packaging Symposium, Jan. 11-13, 1999, San Diego, California, USA.
  • H. Jonsson and B. Palm, “Influence of Airflow Bypass on the Thermal performance and Pressure Drop of Plate Fin and Pin Fin Heat Sinks for Electronics Cooling", Proceedings of Eurotherm Sem. No. 58, Nantes, France, Sept. 24-26, 1997, pp. 44-50.
  • W. Leonard, P. Teertstra, J.R. Culham and A. Zaghlol, "Characterization of Heat Sink Flow Bypass in Plate Fin Heat Sinks", Proceedings of IMECE 2002: International Mechanical Congress and Exposition Nov. 17-22, 2002 New Orleans, Louisiana.
  • Robert W. Messler Jr., Joining of Advanced Materials, Stoneham, MA, 1993.
  • R-Theta Catalogues.
  • Zaghlol, K. Hermann, J. Butler, P. Teertstra, and J.R. Culham, "Forced Convection Heat Transfer for Swaged Mixed Metal Heat sinks," Proceedings of Itherm2002, IEEE Symposium, May 29-June1, 2002, San Diego, California, USA.
  • Zaghlol, W. Leonard, and J.R. Culham, “Characterization of Swaged Mixed Metal Heat sinks," to be presented in APEC 2003, Miami Beach, Florida, February 2003.

9. 著作権:

  • 本資料は、Ahmed M. Zaghlol, William Leonard and Richard Culhamの論文「Characterization of Mixed Metals Swaged Heat Sinks for Concentrated Heat Source」に基づいています。
  • 論文出典: [Paper Number: InterPack2003-35315]

本資料は上記論文を紹介するために作成されたものであり、商業目的での無断使用を禁じます。
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Tags: Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Heat Sink