LinkedIn の Ask an Expert シリーズの第 1 回では、最も人気のある熱技術の 1 つである 2 相冷却に関する質問を投稿してもらいました。いくつかの質問が寄せられたので、熱の専門家の1人であるDavid Miller氏にお話を伺いました。
何がそれを「二相」冷却にするのですか?
基本的に、「二相」とは、液体から蒸気への流体の相変化が発生することを意味します。この相の変化は、変態潜熱と呼ばれる熱の実質的な変換を引き起こします。ヒートパイプでは、ごく少量の純水(またはその他の液体)が内部の芯を飽和させます。そのヒートパイプが1つの領域で熱にさらされると、その液体が蒸発し、水が蒸気に相変化します。この水が蒸気に変わると、熱がより涼しい地域にすばやく運ばれ、そこで凝縮します。この熱の移動は、銅などの固体材料を介した伝導よりもはるかに高い有効熱伝導率を持っています。
空冷に対する二相冷却の利点は何ですか?
熱管理システムでは、熱は高温から低温に移動する必要があるため、ある場所から別の場所に熱を移動する方法が必要です。ヒートパイプ、ベイパーチャンバー、サーモサイフォンはすべて、銅やアルミニウムなどの従来の固体金属導体よりも効率的にこれを実現するコンポーネントです。これらの二相冷却方法で発生する相変化のため、熱伝導率は銅の100〜200倍です。これにより、冷却システムの総熱抵抗と、ある点から別の点への温度差(Δt)が減少します。そうは言っても、空気はまだ必要です。空冷式機器をヒートパイプだけに置き換えることはできません。ヒートパイプは、拡張表面積(フィン)とある種の空気移動システム(または自然対流)と組み合わせて使用します。ただし、熱抵抗が低いほど熱の伝達が速くなるため、同じ電力量の場合、2相強化冷却システムにより、デバイスから空気への温度差が小さくなります。
サーモサイフォン、ヒートパイプ、ベイパーチャンバーはいつ使用しますか?
これらのそれぞれがどのように機能するかについて多くの情報が
Web サイトに掲載されており、これは良い出発点です。ほとんどのアプリケーションは独自のものであるため、ボイドに連絡し、当社のアプリケーションエンジニアまたは設計エンジニアと協力して、最適化された冷却ソリューションを開発するのが最善です。
二相冷却システムの導入に伴う課題にはどのようなものがありますか?
それは二相システムが何であるかに依存します。コストは、使用するテクノロジによって大きく異なります。ヒートパイプの最大長にもいくつかの制限があります。非常に長い距離で熱を移動させる必要がある場合、ヒートパイプの長さが制限される可能性があります。ヒートパイプやベイパーチャンバーの物理的なサイズも、利用可能な工具に基づいて製造できるものに制限があるため、課題となる可能性があります。最後に、環境が要因になる可能性があります。銅水ベースのヒートパイプは氷点下温度以上でしか動作しないため、氷点下で動作する環境では課題が生じる可能性があります。現在、これらの課題を回避するには、サー
モサイフォンを使用して長距離を走行したり、ヒートパイプで水の代わりにメタノールを使用して氷点下で動作する方法などがあります。最終的には、お客様の特定のプロジェクト要件をお送りいただければ、最適な冷却方法の決定をお手伝いします。
ヒートパイプとループヒートパイプの違いは何ですか?
従来のヒートパイプは、芯と特定の量の液体が内部にある銅管と考えてください。一方の端を加熱すると、内部の水が蒸発してもう一方の端に移動し、そこで冷却されます。その後、液体は凝縮し、毛細管現象によって同じパイプに沿って加熱された端に戻ります。ループヒートパイプは連続ループとして動作します。水が蒸気に変わる出発点(蒸発器)があります。蒸気はパイプに沿って凝縮器に移動し、そこで液体は再凝縮して別のラインに沿って移動し、蒸発器に戻されます。ループヒートパイプの動作を駆動する多くの物理法則があります。ループヒートパイプの典型的な用途は、熱をより長い距離移動させる必要がある宇宙船アプリケーションの冷却です(通常、内部の熱伝達流体としてアンモニアを使用します)。固定された既知の、または好ましい重力方向がある場合は、ループサーモサイフォンをより経済的にしながら、同様の方法で利用することができます。
二相冷却は常に液体から気体ですか?それとも、固体から液体への溶液はありますか?
はい、それらはしばしば「相変化材料(PCM)」と呼ばれます。PCMの一例はパラフィンワックスで、電気自動車のリチウムイオン電池と組み合わせてエネルギー貯蔵に使用されます。バッテリーはワックスに埋め込むことができ、ワックスが加熱されてワックスが溶け、熱が蓄えられます。固体PCMが溶けている間、温度は安定し、電力スパイクを吸収し、より長い期間にわたって放散することができます。PCMまたはその他の二相冷却技術を検討しているアプリケーションについては、当社にご連絡いただければ、当社の専門家が最適な冷却方法をアドバイスします。
アプリケーション内でヒートパイプをシミュレートするにはどうすればよいですか?
数値流体力学(CFD)解析を行う多くの人は、一般的な経験則を使用して、ヒートパイプまたはベイパーチャンバーの等価熱伝導率をモデル化します。幾何学的な制限と方向により、ヒートパイプを正確にモデル化する能力が制限され、結果には重力やヒートパイプの曲げや平坦化などの要因が考慮されていません。また、ヒートパイプの限界や、ヒートパイプが過剰に設計されているかどうかも予測できません。
Boyd SmartCFD は、ヒートパイプやベイパーチャンバーなどの複雑な二相冷却コンポーネントを正確にモデル化し、利用能力を定量化し、乾燥を警告する唯一のソフトウェアツールです。このソフトウェアでは、ヒートパイプやベイパーチャンバーをシミュレートする際に、これらすべての要素を考慮することができます。これは、他のCFDプログラムよりもはるかに正確にヒートパイプまたはベイパーチャンバーを備えた冷却システムの性能を予測するのに役立つため、私はSmartCFDの大きな支持者です。
これまでに手がけた中で最も極端な二相冷却アプリケーションは何ですか?
極端な温度に対しては、以前に0°C未満の用途向けのヒートパイプを製造したことがありますが、これはメタノールを流体として使用して行うことができました。ハイエンドでは、約1000°Cまで上昇するアプリケーションを見てきました(ただし、一般的には電子機器の冷却用に150°C前後のアプリケーションで使用しようとしています)。極端なスケールという点では、私は長さが何メートルもの地熱アプリケーション用のサーモサイフォンを開発しました。二相ソリューションで解決できる非常に興味深いアプリケーションがあります。お客様には、機会について当社にご連絡いただくことを強くお勧めします。私たちは常に要件を確認し、推奨事項を作成できることを嬉しく思います。
二相冷却の未来は?
従来の企業向けおよび消費者向けアプリケーションから、eモビリティ、医療、再生可能エネルギー業界での新しい用途まで、熱管理における二相ソリューションには無限の機会があります。最近では、ヒートシンク全体の温度を均一にしたい、非常に高い熱流束アプリケーション向けの
3次元ヒートパイプとベイパーチャンバーの作成に取り組んできました。通常、ヒートシンクの底部にヒートパイプまたはベイパーチャンバーを配置し、高温のデバイスに接触し、熱が拡散してフィンに伝達し、自然対流または強制対流によって放散します。3次元のベイパーチャンバーがあれば、ヒートパイプからソリッドフィンに移行する際に熱抵抗に打撃を受ける必要はありません。代わりに、蒸気が加熱されたデバイスから直接フィンボリュームに移動するため、熱抵抗が大幅に減少します。また、
超薄型のベイパーチャンバーを使用することも興味深い点で、スマートフォンやタブレットなどの冷却装置にエキサイティングな可能性をもたらします。熱負荷は増加の一途をたどっており、従来使用されていたグラファイトは、有効な熱ヒートスプレッダとして限界に達しつつあります。当社の超薄型ベイパーチャンバーは、非常に薄い領域(厚さ0.25mm)で、はるかに大量の熱を非常に効率的に移動させることができます。質問を送ってくださった皆様、ありがとうございました! 当社の機能の詳細や、お客様の用途に適した二相冷却ソリューションについては、
当社の専門家にお問い合わせください。
