現代エレクトロニクスの熱管理技術

はじめに

外出先で仕事をするため時間が限られている現代社会では、電子ガジェットは必需品となっている。IT関連機器、あるいは自動車やデータ9センターなどの交通機関は、生産性を向上させるためにさまざまな電子機器で動いている。これらの電子部品が高性能化・小型化するにつれて、多くの熱を発生するようになり、これが適切に制御されないと、性能の低下やデバイスの潜在的な損傷につながる。そこで熱管理の出番となる。

熱管理とは、許容可能な性能を達成し、動作中の損傷を回避するために、筐体内で発生する熱を調整するために使用されるアプローチを指す。熱管理は、重要なコンポーネントから熱を遠ざけ、公称または指定された最大温度範囲以下で動作させるための対策と技術を組み合わせたものです。本稿では、熱管理の構造的側面、最新のガジェットにおける関連性、および熱管理を実装するさまざまな方法に焦点を当て、ウォームアップしていきます。

熱管理を理解する

現代のほとんどの電子システムでは、熱管理は、電子部品や機械的なプロセスやシステムの温度を調整することを目的とした様々な戦術や技術とみなされている。システムが必要な活動を行うことができる最適な温度範囲内にとどまることができるように、熱吸収を抑える解決策を考案し、検討し、実現しなければならない。いずれにせよ、これらの要素に適切な冷却の注意を払わなければ、電子機器の性能、信頼性、動作寿命は悪化する。

劣悪な熱管理がデバイス性能に及ぼす影響

熱制御がうまくいかないと、性能面、ひいては当該デバイスの寿命に深刻な影響が及ぶ可能性があります。電子部品が余分な熱を発生させると、いくつかの問題につながる可能性があります：

パフォーマンスの低下： 高温での持続的な運転は、装置や部品に自己スロットル機構を適用させ、ストレスや故障から保護するため、速度が遅くなり、活動量が低下する。

信頼性が低い： 装置の内部温度は部品の寿命を早め、故障のリスクを高め、装置の寿命を縮める。

大惨事： 非常に深刻なケースでは、火傷やその他の極端な熱に関連する危険性を伴う物理的に危険な状態にまでデバイスが損傷する可能性がある。

米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）が発表した報告書によると、電子部品は10℃以上の熱にさらされると、およそ50％も劣化するという。

高まる熱管理の重要性

電子機器の最も重要な側面である熱管理は、電子機器のモバイル化と高性能化に伴い、すべての個人用電子機器に不可欠な側面となっている。この傾向に拍車をかけている理由はいくつかある：

パワー密度の向上： 電子部品が小型化・高性能化するにつれて、より小さなスペースでより多くの熱を発生するようになり、効率的な熱管理が難しくなっている。

小型化： 小型化の傾向は、部品がより密に詰め込まれることを意味し、そのため温度が高くなり、熱管理はさらに厳しくなる。

高性能アプリケーション： 5G、人工知能、バーチャル・リアリティーなどに基づく新技術は、いずれも多くの熱を発生するハイエンドの電子機器であり、効率的な熱管理システムが必要とされる。

適切な種類の熱管理製品と技術を選択し、システムを正しく使用することで、システムの温度を快適に、安全に制御し、効率的に作業することができる。

熱伝導の基礎

電子機器の温度を効果的に制御するためには、効率的な熱伝達の重要性を理解することが重要である。熱伝導は、伝導、対流、放射の3つの方法で行われます。

伝導：基礎と重要性

伝導は、2つの物体間の直接的な物理的接触による熱の移動である。電子製品では、熱を発生する要素が、プリント回路基板やデバイスの筐体など、それらを囲むフレームに熱を伝えるときに、伝導が明らかになる。伝導が進む速度は、使用される材料の熱伝導率の関数であり、銅やアルミニウムのような材料は優れた熱伝導体である。

液体や気体の熱伝導の方法も、熱源から得た熱をデバイス部品や別のヒートシンクモデルに好都合な形で移動させるという点で、熱管理において重要な役割を果たす。これはまた、熱伝導性材料の使用を最適化し、コア部品からの一般的な熱が可能な限り短いスパンで排出されるような適切な伝導設計を特定します。

対流熱管理における仕組み

対流とは、流体や気体の循環による熱の移動と定義される。エレクトロニクスの場合、対流は、電子デバイスの高温部分の周囲にある空気または液体のアミューズメントが、それらの部分から熱を吸収しようとするときに発生する。対流には、自然対流と強制対流の2種類があることは重要である。

自然対流は、暖かい空気は上昇し、冷たい空気は下降するという熱的不均衡によって生じる周囲の風を利用する。このタイプの対流は、ヒートシンクのようなパッシブ冷却システムで最も理想的に見られます。

強制対流は、ファンやポンプなどの補助的な機械装置を用いて、高温の部品やコンポーネントに空気やその他の液体冷却剤を吹き付け、あるいは駆動させるものです。この熱伝導モードは自然対流よりも効率的で、ファン冷却ヒートシンクや液冷システムを含むアクティブ冷却システムの通常の状況です。

放射：放熱における役割の理解

輻射は、電磁波の結果としてエネルギーの形で熱を移動させる方法であり、熱エネルギーの移動を助けるために接触や媒体を必要としない。電子機器から熱を除去する努力において、エンジニアは輻射を伝導や対流に比べてあまり効果的でない冷却方法とみなしている。しかし、それでもなお、デバイスの全体的な熱管理を支援することはできる。

この熱伝達モードは、デバイスの構成部品の高温の表面が電磁波を放射し、それがデバイスの低温の構成部品または周囲の空間によって捕捉されるときに起こる。このような状況では、装置から放射される熱は、放射面と受熱面の温度差、表面の放射率、放射面積など、いくつかの変数を用いて達成される。

通常、輻射は熱制御戦略の中心ではありませんが、電子デバイスの熱制御においては、輻射の影響を適切に考慮する必要があります。高放射率材料を採用し、輻射に適切な表面積を提供することで、デバイスの技術者は、デバイスの放熱が改善されるように最適化することができます。

熱管理アクティブ冷却技術

能動的冷却法は、電子機器の熱除去プロセスに外部エネルギー源を導入するものである。受動的冷却技術では熱エネルギーと温度制御パラメータを十分に処理できない場合に採用されます。

ファンとブロワー

ファンや産業用タイプの送風機も、空気の移動と装置内の熱の対流を促進する基本的なアクティブ・ソリューションの構成要素である。周囲に存在する冷たい空気を吸い込み、発熱部品やヒートシンクに吹き付けることで作動し、熱を周囲の空気に移動させる。

ファンは主に小型から中型の電子機器、例えばデスクトップやノートパソコン、キャビネットなどに組み込まれている。これらは安価で使用や取り付けが簡単で、ほとんどの通常の状況で十分な温度を提供することができる。その反面、ファンは騒音が大きく、ディスクの影響を受けやすいため、放熱性の高いヘッドで実質的に静音動作を必要とする機器には向かない。

送風機 - 送風機に比べてより堅牢で、より高い容積と圧力で空気を効率的に移動させます。このような機械は、スーパーコンピューターや発熱の大きい産業機械など、リソースを大量に消費するアプリケーションでよく見られます。ブロワはファンよりも冷却性能が高い傾向がありますが、コストが高く、電力消費量も多くなります。

特定の用途に適したファンやブロワーの選択に関しては、エンジニアが風量、静圧、騒音、消費電圧を考慮する必要があります。一方、ファンやブロワーの位置や配置は、空気の均一な移動と熱の除去を促進するために適切でなければなりません。

液体冷却

液冷とは、液体（通常は水や特殊な熱流体）を電子チップの中を循環させて熱を奪う、能動的な冷却技術である。空冷とは異なり、液体は熱容量が大きく、空気よりも熱伝導率が高いため、液体を使用する場合は制御が容易で、このタイプの冷却はより効率的です。

液冷システムは2つのタイプに分類できる：

クローズドシステム：この種の液体冷却システムは、液体クーラントがあらかじめ充填され、完全に密閉されたループで構成されています。液体クーラントは、熱源に直接接触する複数のチューブを介して循環し、ラジエーターまたは熱交換器に熱を奪います。クローズドシステムは、設置が簡単で費用対効果が高いことで知られていますが、他の冷却方法と比較するとコストが高くつく場合があります。

オープンシステム：このタイプのシステムは、リザーバー、ポンプ、チューブなどの外部ハードウェアを使用して、電子機器内の液体の流れを促進します。この熱クーラントはコンポーネント内に排出され、ポンプでリザーバーに戻され、そこで暖かい液体が冷却され、再循環されます。一般的に言って、オープン・ループ・システムはそれよりも有利ですが、より複雑でデリケートです。

例えば、各コンポーネントが発生する熱量、クーラントの熱特性、システムの流量と圧力、システム全体の統合度などです。また、一定のスケジュールでクーラントを交換し、漏れを検出して修理するといったメンテナンス手順も、液冷ソリューションの意図した信頼性と効果を達成するために重要です。

パッシブ冷却技術

パッシブ冷却技術は、対流や輻射など様々な自然熱伝達メカニズムを利用して電子部品から熱を除去する技術である。これらの技術は、外部電力の利用を伴わず、通常、より優れた熱性能を達成するために、他の能動的冷却技術と併用されます。

ヒートシンク

ヒートシンクは熱放散器とも呼ばれ、過剰な熱を適切に管理するために電子機器に使用されます。ヒートシンクは高効率であるため、アルミニウムや銅などの素材を使用し、対流による熱伝達を促進するために、フィンやピンなどの広い面積と表面を備えています。

ファンやブロワーを使ったアクティブ冷却ソリューションが追加されている場合、ヒートシンクはシステム内の冷却レベルを向上させるのに効果的です。ヒーター/ファン/ブロワーは、対流を改善する目的でヒートシンクの外面に冷気を吹き付けるため、ヒートシンクはより多くの熱を放出することができます。この組み合わせは、ハイエンドでハイパワーなデバイスに関して、優れた温度制御を保証します。

適切なヒートシンクを選ぶには、コンポーネントから放出される熱のレベル、デバイス内のスペース、必要な性能冷却の程度などの要因による。

さまざまな電子機器を効果的に冷却するために、ヒートシンクはさまざまな形状やサイズで設計されています。一般的なタイプには以下のようなものがある：

押し出しヒートシンク： これらは押し出し成形で製造されるため、フィン構造が単純なカテゴリーに属する。生産コストが効率的で、多くの分野に応用できる。

ボンデッド・フィン・ヒートシンク これらのヒートシンクには、ベースに取り付けられるフィンがあり、より複雑な設計とより効率的な冷却を可能にしている。

折り畳み式フィンヒートシンク： フィンのようなアレイ状に組み込まれた薄い鋼板で構成され、重量が軽く、低コストで効率的な熱伝達装置を提供する。

サーマルインターフェイス材料（TIM）

サーマルインターフェイス材料（TIM）の利用は、電子デバイスとヒートシンク間の熱的相互接合を強化する上で最も重要なパッシブソリューションである。TIMは、伝導熱伝達の障害となる小さな空隙や表面粗さを埋めるために使用されます。

TIMにはいくつかの種類がある：

サーマルグリースまたはペースト： これらは粘性があり、適度な厚みのある材料で、界面に均一に広がり、部品とシンクの間に巻き付けられる。これらは、コンプライアンスがなく無秩序であるが、注目すべき熱伝導特性を提供する。

サーマルパッド： 固形で、ユーザーの好みの形にカットされ、高温になる部分に接着される。また、効果に大きな差はないが、グリースとは対照的に塗布しやすい傾向にある。

相変化材料（PCM）： これは最も一般的な相変化材料またはPCMで、ある温度で溶けるため、100%の見かけの熱伝達を提供しながら表面の粗さに対応する。しかし、これらは効果的ではあるが、他のTIMと比較するとコストが高い。

TIMを選択する際、エンジニアは熱境界抵抗と材料の塗布にかかる時間、そして経時的な材料の特性を考慮しなければなりません。適切な量を塗布することは、過剰な断熱の可能性や、温度調節に悪影響を及ぼす可能性のあるボイドの存在を防ぐ上で非常に重要です。

熱管理における課題

大電力デバイスの熱管理

大電力電子機器、例えばデータセンター・サーバーや、電気推進車両や先進航空宇宙システムのパワーエレクトロニクスは、信じられないほど大きな処理を実行し、電力密度が非常に高いため、多くの熱を発生する。そのため、システムから発生する熱を制御し、より高い効率を達成することで、最適かつ信頼性が高く、安全に動作させることが重要である。

ハイパワーデバイスの熱管理は、冷却ソリューションによってもたらされるスペースの制限によって課題となっている。デバイスの小型化、高密度化に伴い、大型のヒートシンクやファンのような通常の冷却装置を設置するスペースはほとんどありません。特殊な液体冷却システムや、通常の素材よりも熱伝導性の高い新素材など、より想像力豊かで省スペースの冷却方法や放熱方法が求められています。

もうひとつの懸念は、ハイパワーデバイス内の熱放散の不均一性である。プロセッサーやパワー・トランジスターのような特定の部品は、他の部品に比べてはるかに多くの熱を発生し、熱応力がシステム全体の寿命を縮めないように強化されるホット・クラスター領域を作り出します。このため、機械エンジニアは、直接液冷などの局所的な熱除去方法や、これらの部品用に設計された熱インターフェース材料などの高度な熱管理アプローチを利用する必要があります。

過酷な条件下での信頼性の確保

どのような技術も、高温、高湿度、振動などの要因が存在する場所で効果を発揮しなければならない。このような条件は、熱管理システムの負担をさらに増大させ、デバイスの信頼性に影響を及ぼす可能性がある。ただ、電子パッケージングの利点には、とりわけ温熱電解液の濡れ性があることは特筆に値する。特に車載用途の場合、寸法や重量に制限があり、集積化には困難が伴います。

極端な熱環境の特別な例として、エンジンコンパートメントとその油圧要素との相互依存が挙げられる。航空宇宙や防衛などの分野では、ATレベルではエレクトロニクスの組み込みが便利ですが、劇的に過酷な作業条件を引き寄せます。その目的は、コンポーネントの熱管理システムを過剰に設計したり、過小に設計したりすることを避け、余分な負荷を受けるのに十分な耐久性と堅牢性を持たせることである。これには、抑えるべき温度が比較的高くても、特殊な設計、プラスチック、合金を使用することも含まれる。その第一は、もちろん、高温の配管システム用のある種の膨張リリーフ、あるいは流速リリーフである。

過酷な条件下での信頼性を確保するためのさらなる手段は、広範なテストと検証を実施することである。エンジニアは、考えられる弱点や故障モードを探すために、熱管理システムを一連の環境条件や動作条件に確実に置かなければならない。しかし、このような過酷なテストを実施することで、エンジニアの設計においてシステムを最適化することができ、実際に、予想される実際の使用条件下で、納入されたシステムやデバイスがうまく機能するようになる。

特定用途における熱管理

CPU熱管理

電子デバイス＆データセンター

電子機器とデータセンタースマートフォン、ノートパソコン、デスクトップパソコンなどの機器には、ユーザーにとって快適で有益な状態を維持するために熱管理の適用が必要です。通常、部品の内部に蓄積された熱を除去するために、ヒートシンクやファンなどの受動的および能動的な冷却方法とサーマルインターフェース材料の両方が使用されます。

小型化と電力密度の向上は、電子機器の熱管理における最も重要な問題の一つである。小型化のトレンドが多くの技術者にとって最もホットなトレンド、すなわち、小型で強力なデバイスのトレンドに従えば、欠点もある。この種の問題を解決するために、専門家たちは、例えば、部品からの放熱を効率的に行うスキャングラフェンやカーボンナノチューブのような、高い熱伝導率を持つフレームレス材料の創製に取り組んでいる。さらに、ベーパーチャンバー冷却やファンのような新しい冷却方法も開発されており、このようなソリューションに必要な全体的なスペースを縮小しながら効率を向上させている。

今日のデータセンターでは、コンピューター・システムから発生する熱を管理するために、液冷式と空冷式が最も一般的で、さまざまな技術が混在している。例えば、データセンターで採用されている一般的なレイアウトのひとつに、ホットアイル／コールドアイルがある。これは、サーバーのラックが、ホットアイルとコールドアイルの列があるように構成されているものだ。冷気はサーバーの前面から吹き込まれ、熱気は背面から吹き出されるため、効率的な運用が可能で、熱気と冷気が混ざり合う量を減らすことができる。

自動車システム

自動車分野では、熱管理は車内の様々なシステムの全体的な性能、信頼性、安全性にとって非常に重要である。電気自動車やハイブリッド車の需要の増加に伴い、バッテリーパック、パワーエレクトロニクス、電気モーターの熱管理に対する需要が増加している。

バッテリーの性能と寿命は動作温度に大きく依存するため、EVにおけるバッテリーの熱管理は依然として非常に複雑である。そのため、バッテリー内の望ましい温度を達成するために、空冷、液冷、相変化物質の適用など、さまざまな冷却方法がエンジニアによって採用されています。これらの冷却システムには、安全上のリスクをもたらす熱暴走現象を回避するため、バッテリーパックのすべての部分でほぼ均一な温度を確保するための複雑なエンジニアリング・ソリューションが求められます。

電気自動車を含む自動車産業におけるパワーエレクトロニクスと電気モーターは、過熱を回避して部品の動作を確保するために、効率的な熱管理システムを導入する必要があります。これらの部品は通常、直接基板冷却やジェットインピンジメント冷却など、より集中的に熱を放散できる高度な液冷技術を使用して放熱されます。

航空宇宙・防衛

航空宇宙および防衛用途は、さまざまな極限に直面し、高性能が必須条件であるため、熱管理要件が独特です。航空機や宇宙船、軍用機器に搭載される電子機器は、その有効性と信頼性を失うことなく、高高度、高温、激しい振動の下でも動作可能でなければなりません。

防衛目的では、熱管理は戦闘地域における電子システムの機能性と生存性に不可欠です。レーダーシステム、通信機器、エレクトロビジョンデバイスなど、軍隊で使用される軍事システムは、非常に高い温度、湿度、埃にさらされた状態で動作しなければなりません。

航空宇宙構造物の加熱と冷却に関する最も重要な問題のひとつは、構造部品内の誘導体である冷熱源に関するものである。飛行機や宇宙船は、重量が1ポンド増えるごとに、燃料消費量やペイロード容積の点で高いコストがかかる。従って、高性能の冷却を提供しつつ、システム全体の重量と体積を低く抑えることができるような、冷却システムの新しいコンセプトを生み出す必要がある。

航空宇宙熱管理システムの分野では、高温での許容可能な熱伝導性と構造的完全性を確保するために、セラミックマトリックス複合材や軽量合金のような新素材が採用されることが多い。

ACDCFAN：さまざまな業界に信頼性の高い冷却ソリューションを提供

ACDC FANは近代的な小型ファンの人気メーカーであり、産業機械、電力、太陽光発電、エネルギー貯蔵、通信など多くの分野をカバーする市場を構築してきました。最高度の専門的性能と創造性により、ACDCFANはAC軸流ファン、ACラジアルファン、DC軸流ファン、DCラジアルファン、EC軸流ファンなどの製品を創造し、世界のすべての地域のお客様に提供しています。したがって、ACDCFANは、信頼性の高い効果的な熱管理により、産業の多くの分野で電子システムの寿命と作業能力を延ばすことができます。

ACDC FANのアクティブサーマルマネジメントは、標準的な冷却製品以上のものを扱っています。同社のOEM、ODM、およびOBM製造サービスは、デバイスの正確な冷却からすべてのクライアントに利益をもたらします。ACDCFANによるこれらのDC冷却ファンは、-40℃または120℃の極端な温度下でも確実に動作するように頑丈なフレームとインペラで設計されています。また、同社のDC換気ファンは、保護等級IP65とIP68を満たし、最も極端に不利な利用条件の下で湿気、水、ほこりの侵入を防止します。

結論

今日、熱管理はあらゆる電子機器システムの重要な一部であり、さまざまな分野で性能、信頼性、安全性を保証しています。電子機器のパッケージングや卓上システムの高出力化、小型化、複雑化により、熱管理の問題は対処が難しくなり始めています。このような課題を解決するには、効果的な冷却ファンやその他の冷却技術など、適切な熱管理ソリューションを採用する必要があります。

このような問題に取り組む中で、エンジニアは、新素材、新冷却システム、統合設計に基づき、より高度に開発された熱管理技術や製品を生み出す傾向にある。工学的な配慮は、私たちのポケットの中にある小型化されたデバイスや、デジタル世界のための電力を収容・供給するデータセンターの性能にとって極めて重要です。

今後、より高度なエレクトロニクスの発展に伴い、熱管理の分野はさらに進歩・発展し、世界を動かすデバイスやシステムの形成において大きな重要性を持つことになるでしょう。エンジニアは、アプリケーションの特定のニーズを理解し、適切な熱管理戦略を選択することで、増加する産業や悪化する条件下で、電子機器が適切な方法で、最大限の効果と安全性をもって動作することを確実にすることができます。

よくあるご質問

アクティブ・サーマルマネジメントとパッシブ・サーマルマネジメントの主な違いは何ですか？

ファン、送風機、液冷システムなどの能動的な熱管理技術は、熱伝達プロセスに外部からのエネルギー入力を必要とするため、強制的な方法と考えられている。これらのアプローチは、高出力を発生するコンポーネントの熱除去や局所的な冷却という点で最も成功しており、それゆえ厳しい環境におけるシステム性能の向上に役立っている。その一方で、このようなファンは追加の入力電力を必要とし、設計手順全体が複雑になります。

ヒートシンク、ヒートパイプ、サーマルインターフェイス材料（TIM）などの受動的熱管理アプローチは、外部ソースの助けを借りずに伝導と対流を利用して機能する。これらは追加の電力源に依存しないため、ほとんどの状況において直進的で安価です。しかし、欠点としては、受動的な手段は、大電力回路アプリケーションでは適切に機能せず、要求される結果を得られない可能性があります。また、このような受動的なシステムが機能している間は、環境に大きく依存するため、過酷な条件下では性能が制約される可能性があります。

比較	アクティブ熱管理	パッシブ熱管理
所要電力	外部電源が必要（ファン、ブロワーなど）	外部電源不要（自然熱伝達）
冷却効率	高出力部品に有効	中程度、ハイパワーアプリケーションでは限定的
複雑さ	より複雑で、追加のコンポーネントを含む	よりシンプル、より少ないコンポーネント
コスト	エネルギー消費と設計の複雑さにより高くなる	より低く、より費用対効果が高い
環境への依存	依存性が低く、過酷な環境でも動作可能	環境条件に大きく左右される

暑い環境で電子機器の過熱を防ぐ最善の方法とは？

高温環境での使用を意図した電子機器の過熱を防ぐために、設計段階とシステム運用の両方で適用できる方法がいくつかあります。それらには以下が含まれる：

高温材料の使用：部品が高温に耐え、熱を効果的に伝えることができるように、熱安定性と熱伝導率の高いセラミックや高度な合金を使用する。

バックアップクーラーを用意し、冗長冷却システムを導入する：システムから制限された熱を除去し、冷却を強化するために、冗長性とフェイルセーフシステムを組み込む。

能動的な冷却方法の導入：強制空冷や液冷などの能動的な冷却方法を使用することで、高温化が進むシステムの熱をより的確に除去することができます。

システムの構成を改善する：コンポーネントの選択とその配置、そして冷却システムとエアルートの配置によって、熱の発生量を減らし、熱の除去を最大化するようにする。

システムの広範なテストを実施する：システムの熱管理設計を強化し、長期にわたって信頼性の高い運用を実現するためには、模擬高温環境を用いて厳密なテストを実施し、システムの弱点を明らかにすることが重要である。

これらの方法を活用することで、エンジニアは電子機器のシステムの性能を大幅に向上させ、厳しい条件下でのオーバーヒートのリスクを防ぐことができる。