水冷ヒートシンクの冷却能力計算について
- 水冷ヒートシンクの冷却能力計算方法を解説します。
- ヒートシンク上のモジュールの温度上昇や接合部の温度についても詳しく説明します。
- 参考になる文献もご紹介します。
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水冷ヒートシンクの冷却能力計算について
水冷のヒートシンクの冷却能力の計算をどうすればいいか 困っています。 例えば幅２００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、厚み２５ｍｍの銅製のヒートシンクの内部に水路を作り、１分間に１０リットルの水（水温３０度）を 流すとします。周囲温度は８０度と仮定します。 ヒートシンク上にはロスが５００Ｗのモジュールが１０個配置され モジュールの真下に水路がくるようにレイアウトします。 この時、モジュールの耐熱温度を１２０度とした時にモジュールの 温度はどこまで上がるのか？ヒートシンクとモジュールの接合部の 温度はどこまで上がるのか？ その計算方法は？何もかも判らないことだらけで困っています。 参考になる文献があればご紹介いただければ、それでも結構です。 よろしくお願いいたします。
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大づかみな見当をつけるために，水の冷却能力を試算してみます。 水の比熱は約４．２Ｊ／Ｋ・ｇ １分間あたり１０リットル流れるのですから，１秒あたり０．１６７リットル， リットルを水の質量に換算して１６７ｇ／秒 １６７ｇ／秒×４．２Ｊ／Ｋ・ｇ≒７００Ｊ／Ｋ・秒 これは，温度上昇１Ｋ，１秒あたり７００Ｊの熱を奪う能力があることを示しています。 総発熱量は５００Ｗ×１０個＝５０００Ｗですから，ジュールＪで表すと５０００Ｊ／秒 水の温度は５０００Ｊ／秒÷７００Ｊ／Ｋ・秒≒７．１Ｋほど上昇します。 つまり，３０℃の水が３７℃少々まで温度上昇することで，５０００Ｗの熱を放熱できるということです。（３７℃は冷却水の出口温度ということです） 冷却水と銅のヒートシンクの界面に数Ｋの温度差※ができても，ヒートシンク自体の温度は４０℃を少々超える程度の温度に保つことができると見当をつけることができます。（※パイプの内面にスケールが付着すると，この温度差が大きくなりますので要注意です） （なお，８０℃の周囲環境（空気）から受ける熱量は，５００Ｗの発熱体１０個に比べれば十分小さいと思います） 残る課題は，モジュールと銅のヒートシンクの温度差がどの程度かと言うことです。ご呈示頂いた条件だけでは，定量的に見当をつけることはできませんが，１２０℃以下に保つことは十分に可能な放熱設計のように思えます。 各種熱の計算に関する情報を提供しているサイトがあります。 http://www.hakko.co.jp/qa/qakit/html/index2.htm ここの「ヒーターについて」の中から「ワット密度の設定」のデータを参照すると，水の場合，発熱量と冷却パイプ内表面積の関係は１０Ｗ／ｃｍ２以下程度に設定する必要がありそうです。 ５０００Ｗの熱を処理するには，パイプの内表面積は，５０００÷１０＝５００ｃｍ２必要です。仮にφ１０のパイプとすると，１ｃｍあたり３．１４ｃｍ２の内表面積がありますから，５００÷３，１４＝１５９ｃｍの総延長が必要です。２００×３００×２５ｍｍの銅ブロック中に，これだけの総延長を確保 するため，何回も折り返したような冷却水路を作ることになると思います。
毎度ＪＯです。 半導体の放熱設計には「熱抵抗」を計算する所から始めます、 500WのモジュールX10＝5000W この発熱で、モジュールの耐熱温度を１２０度？ ジャンクション温度（半導体の中心温度）は１２０℃を超えますが、これが計算出来るか？ 仮定１）水の温度が３０℃より上昇しないと仮定すると、熱抵抗は 絶縁物やシリコングリスの熱抵抗＋銅製ヒートシンクの熱抵抗＋水の熱抵抗＋水と外部冷却機器との熱抵抗 となります、 仮定２）5000Wもの放熱で水の温度が３０℃をキープできるか？？ 熱抵抗のほとんどは、水と外部冷却機器との熱抵抗になると思われますが？ 下記参照ＵＲＬ
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