FEMを用いたヒートシンクの性能評価のための熱解析研究

この紹介論文は、「[Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society]」によって発行された論文「[Thermal Analysis of the Heat Sink Performance using FEM]」に基づいています。

[Table 1] Thermal properties of AL6061
[Table 1] Thermal properties of AL6061

1. 概要:

  • タイトル: FEMを用いたヒートシンクの性能評価のための熱解析研究 (Thermal Analysis of the Heat Sink Performance using FEM)
  • 著者: Bong-Gu Lee¹, Min Lee² (이봉구¹, 이민²)
  • 発行年: 2014
  • 学術誌/学会名: Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)
  • キーワード: Heat sink, FEM, Peltier Module, Internal Structure, Natural Convection (ヒートシンク, FEM, 펠티에 모듈, 내부 구조, 자연 대류)

2. アブストラクト:

本研究では、自然対流冷却されるピンフィンヒートシンクの熱的挙動に関する数値解析結果を検討した。ヒートシンクはプレートフィンと一体化したピンフィンで構成された。限られた内部空間に適合するように2つの異なるタイプのヒートシンクが設計された。設計された2つのタイプのヒートシンクはANSYSソフトウェアパッケージを用いて解析され、数値解析結果は2つのタイプのヒートシンクの冷却性能と比較された。シミュレーション結果は、温度分布、空気流特性、熱流束などに基づいて解析された。本研究では、冷却性能とヒートシンク内部構造およびフィン形状との相関関係を検討した。FEM（有限要素法）により、自然対流条件下でのヒートシンクタイプAの冷却性能が最良の結果であることが確認された。数値シミュレーションの結果、ヒートシンクタイプAの形状は、タイプBと比較して自然対流下で約70％高い熱伝達率を示すことが示された。

3. 緒言:

近年の電子・機械部品技術の発展により、電子機器はますます高性能化、小型化、多機能化しており、システム内部に発生する発熱部の温度を制御するためにヒートシンクが使用されている。本研究では、P型およびN型半導体で構成される熱電デバイス(TE)の一種であるペルチェ素子によって冷却されるヒートシンクを対象とする。ペルチェ素子は、発熱部の温度を適切に制御しないと、冷却部へ熱が伝導して効率が急激に低下する問題がある。このため、発熱部の温度制御にはヒートシンクが不可欠であり、一般的には平板に冷却フィンが取り付けられたヒートシンクが使用される。本研究では、内部トンネル構造を持つ2種類のヒートシンクの熱性能評価を、有限要素プログラムであるANSYSを用いて数値解析した。数値解析は自然対流状態での熱性能を比較分析し、冷却フィン形状による熱性能を評価した。また、時間経過に伴う熱伝達特性と温度分布の解析結果を基に、ヒートシンクの性能評価を予測した。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

電子機器の高性能化、小型化に伴い、内部での発熱量が増加し、これが機器の性能低下や故障の原因となっている。ヒートシンクはこれらの発熱部品の温度を管理するために使用される。特に、ペルチェモジュールのような熱電冷却素子を使用する場合、その高温側の効率的な放熱が冷却性能維持に不可欠である。

従来の研究の状況:

熱電デバイス[1-3]、特にペルチェ効果を利用した冷却器[4-6]やゼーベック効果を利用した発電機[7]に関する研究が行われてきた。ペルチェ素子のヒートポンプ現象[8]もよく知られている。一般的なヒートシンクはプレートフィン構造であり[9,10]、様々なヒートシンク設計と解析・実験による最適化が試みられてきた[11-13]。強制対流を用いたプレート型ヒートシンクに関する研究は多く[14,15]、ピンフィンヒートシンクにおける冷却フィンの高さ、直径、間隔が熱伝達に与える影響も調査されている[16]。

研究の目的:

本研究の目的は、内部トンネル構造を持つ2種類の異なる形状のヒートシンクについて、有限要素プログラムANSYSを用いて熱性能を評価することである。自然対流条件下での数値解析を通じて、冷却フィン形状による冷却性能を比較分析する。さらに、時間経過に伴う熱伝達特性と温度分布の解析結果に基づいて、ヒートシンクの性能を予測することを目指す。

核心研究:

本研究の核心は、内部トンネル構造とピンフィンを持つ2つの異なるヒートシンク形状（タイプA、タイプB）を設計し、3Dモデリングを行うことである。これらの設計に対し、ANSYSソフトウェアを用いて自然対流条件下での過渡熱解析を実施した。研究は、温度分布、熱流束、および全体の熱伝達率を比較検討することにより、与えられた制約条件下でより効果的な設計を特定することに焦点を当てている。

5. 研究方法論

研究設計:

内部にピンフィン構造を持つ2種類のヒートシンク、タイプAおよびタイプBをPro-Eソフトウェアを用いて設計した。ヒートシンクの材料にはアルミニウム(AL6061)を選定した。これらの設計の熱性能は、ANSYS FEMソフトウェアパッケージを用いた過渡熱解析により、特に自然対流条件下で評価した。

データ収集および分析方法:

解析は、フーリエの熱伝導法則（論文中 Eq. 1, 2）、ニュートンの冷却法則（Eq. 3）、およびフィンの有効性（Eq. 4）といった基本的な熱伝達原理に基づいている。
数値シミュレーション（FEM）はANSYSを使用して実施した。
シミュレーションの境界条件は以下の通りである：

  • ペルチェ素子による冷却温度：-14℃（13V印加時と仮定）。
  • ヒートシンク表面の自然対流境界条件：周囲温度22℃。
    データ分析は、30秒間のヒートシンク全体の温度分布および結果として生じる熱流束に焦点を当てた。

研究トピックと範囲:

本研究の範囲は以下を含む：

  • AL6061製の2種類のヒートシンク（タイプA、タイプB）の設計と3Dモデリング。
  • 自然対流下における両者の熱性能比較。
  • 内部構造とフィン形状が冷却能力に与える影響の調査。
  • ヒートシンク性能予測のための温度分布と熱流束の解析。
  • FEM解析のためのモデルのメッシュ生成、各タイプごとの節点数と要素数を[Table 4]に示す。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • ヒートシンク タイプAの表面積（146,624 mm²）は、タイプB（108,759 mm²）よりも約25%大きかった（[Table 3]）。
  • 温度分布（[Fig. 3], [Table 5]）：自然対流下で30秒間作動後、ヒートシンク タイプAは最低温度-11.44℃、最高温度-11.19℃を示した。ヒートシンク タイプBは最低温度-12.05℃、最高温度-11.92℃を示した。論文では、タイプAの方が表面積が大きいため熱伝達効率が高く、冷却性能が優れていると述べている。
  • 熱流束（[Fig. 4]）：
    • タイプAヒートシンク：最小熱流束 2.34W/m²（論文本文記載値。Fig. 4では6.90e-6 W/mm²と表示）、最大熱流束 2246.3W/m²（論文本文記載値）。
    • タイプBヒートシンク：最小熱流束 6.9W/m²、最大熱流束 870.9W/m²。
  • 熱伝達率：タイプAの熱伝達率は最大14.9kWと最も高く、タイプBは8.7kWと低い結果であった。
  • 全体性能：数値シミュレーションの結果、ヒートシンク タイプAはタイプBと比較して、自然対流条件下で約70%優れた熱伝達率を示した。これは、タイプAの表面における空気の流速が速く、フィン先端部に向かって温度分布が低くなり熱流束が増加したこと、また、相対的に表面積が広いために熱伝達率が高くなったためと考えられる。
[Fig. 2] Elements of heat sink (a) type A (b) type B
[Fig. 2] Elements of heat sink (a) type A (b) type B
[Fig. 3] Temperature distribution of heat sink (a) type A (b) type B
[Fig. 3] Temperature distribution of heat sink (a) type A (b) type B

図表名リスト:

  • [Fig. 1] Heat conduction through a large plane wall
  • [Fig. 2] Type of heat sink with internal structure (a) type A (b) type B
  • [Fig. 3] Temperature distribution of heat sink (a) type A (b) type B
  • [Fig. 4] Heat flux of heat sink (a) type A (b) type B
  • [Table 1] Thermal properties of AL6061
  • [Table 2] Minimum thickness of the die casting products[16]
  • [Table 3] Type of surface area
  • [Table 4] Number of nodes and elements of heat sink
  • [Table 5] Temperature of heat sink

7. 結論:

本論文では、内部トンネル構造を持つピンフィンとプレートフィンで構成されるヒートシンクの自然対流条件下での熱性能を、数値解析の過渡熱解析を通じて確認した。数値解析は、自然対流状態での冷却性能を比較分析し、冷却フィン形状による熱性能を評価した。
数値解析の結果、形状Aのヒートシンクが形状Bのヒートシンクよりも自然対流条件下で熱伝達率が約70%以上向上することが確認されたが、これは発生する熱を効率的に放熱する空気との接触面積が広く、空気流動や熱伝達率が向上したためである。また、時間変化に伴う温度分布も、形状Aのヒートシンクがフィンの中心方向に向かって低い温度分布を示す結果が得られた。
本論文を通じて、ヒートシンクの構造およびフィン形状による冷却性能の相関関係を導き出すことができ、設計された形状別ヒートシンクの温度分布、熱流束に関する数値解析を通じて、形状Aのヒートシンクが良い結果を得ることができた。ヒートシンクの高さとフィン長さが増加するほど冷却性能が向上することが示された。したがって、フィン高さおよび長さの増加による伝熱面積の増加はヒートシンクの冷却性能向上に役立つが、特殊金型のような全体的なシステムの大きさを考慮して、適切なフィン高さと長さ、すなわち内部形状構造を考慮して選択しなければならない。本研究の結果を活用して、一般的なヒートシンク型自然対流放熱装置を設計する場合、ヒートシンクの内部形状および構造を考慮して適切な設計が可能になると予測される。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

  • この資料は、「Bong-Gu Lee, Min Lee」による論文です。「Thermal Analysis of the Heat Sink Performance using FEM」に基づいています。
  • 論文のソース: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.9.5467

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