今回は、「熱を考慮した設計の流れと基本的な熱対策の種類」についての説明です。
１．初めに
電気回路と熱は切っても切れない関係です。
何故なら、抵抗に電流が流れると、程度は違えど必ず熱が発生するからです。
プリント基板にて、実装した部品に電気が流れればもちろん発熱しますし、部品同士を接続する銅箔パターンに電気信号が伝わるだけでも微量ながら熱は発生してしまいます。
そんなプリント基板を使用しているPC・スマートフォンなどの身近な電子機器も、使っていると熱が発生するのは当然と言えます。
過度の発熱は部品の故障を招いたり、寿命を縮めてしまいます。
最悪、発火・発煙・破壊などの原因となります。
そんな不具合が私たちの身の周りの機器で起こってしまったら、消費者が火傷や怪我を負う可能性もあるわけです。
だからこそ、電気製品は熱に対する対策が必要不可欠になります。
今回は、そんな熱を考慮した設計の流れと基本的な熱対策の種類についてまとめてみました。
様々な熱対策について一挙にまとめていますが、それぞれの内容はまた別途深堀りしていくので、ここでは触りの部分を簡単に解説していきます。
２．熱を考慮した設計の流れ
身の周りの電子機器には、プリント基板が入っています。
そのプリント基板には抵抗・コンデンサ・各種ICなど、様々な部品が搭載されています。
なので、電子機器に電源を供給すると、内部のプリント基板に電流が流れて各部品が発熱することになります。
部品には、定格温度という動作推奨温度範囲が定められています。
部品のデータシートを閲覧した時に「定格温度：－25～＋125℃」と書かれていたら、最低－25℃/最高＋125℃の範囲内の動作が保証されているという認識になります。
その為、プリント基板の設計をする際は、各部品の温度条件を考慮した上で設計をしていく必要があります。
大まかな流れとしては、以下の通りです。
①各部品の定格温度を調査し、製品としての使用上限温度を設定する。
②各部品の温度測定をする。
③発熱を考慮した熱対策の検討をする。
各々補足説明していきますね。
①各部品の定格温度を調査し、製品としての使用上限温度を設定する。
製品には場合によっては複数のプリント基板が入っていることがありますし、そのプリント基板には様々な部品が使用されています。
その為、「定格温度：－25～＋125℃」の部品を使っていたり、「定格温度：－20～＋85℃」の部品を使っていたりします。
なので、製品としての定格温度を決める際は、使用している全部品の定格温度を考慮する必要があります。
まあ、全部品とは言っても明らか問題無い部品もあるので、実際は主要なIC・コイル・コンデンサとかが対象になるんですけどね。
その辺りはまた追々詳しくまとめると思います。
②各部品の温度測定をする。
製品を実際に動作させた状態で、各部品の温度測定(発熱調査)を実施します。
部品温度は、熱電対を使用して測るのが一般的です。
熱電対を使用した温度測定時の注意点については別途まとめてあるので、気になる方は以下の記事をご覧ください。
試作段階ではプリント基板単体で温度測定をすることもありますが、最終的には製品としての形で温度測定を実施します。
そうしないと、製品内部の状況再現ができないからです。
狭い空間と広い空間で温度測定をしたとすると、熱がこもる前者の方が温度測定の結果は悪くなりますからね。
また、発熱したプリント基板同士を近くに配置すると周囲環境温度が上がるので、それに合わせて部品温度も上昇します。
このように、一つの製品として組み立てた状態ならではの温度変化が考えられるのです。
温度測定時の動作条件としては、「正常動作の範囲内で最も負荷がかかる状態」としていることが多いです。
あらかじめ限界ギリギリで動作させた場合の温度上昇量を把握しておけば、余裕を持って動作させた場合の安全性が担保されるでしょう？
普通に使えば、温度測定で調査した温度より部品が発熱することはないわけですからね。
推奨した動作範囲外で使用して壊れたとしても、それはそんな動作をさせた消費者が悪いだけですから。
想定外の動作まで考慮する必要は無いのです。
ちなみに、温度測定は動作状態で温度上昇が飽和するまで長時間放置した値を読み取ります。
熱伝導と熱対流によって温度の均整化が行われるので、最終的に温度は一定になるんです。
③発熱を考慮した熱対策の検討をする。
温度測定結果に応じて対策を考えます。
詳しくは次項で解説していきます。
３．具体的な熱対策
温度測定の結果、想定していたよりも全体的に温度が高めで設定温度ギリギリのラインになっていたり、特定の部品が高熱になっているなんてことはよくあります。
気流なんか読めないですし、実際に動かしてみないことにはICがどの程度熱くなるかもわからないですからね。
シミュレーションを使うのも手なのですが、吸気にファンを使った場合の気流が直線になってしまうなど実際にはあり得ない挙動をするので、結局はやってみないと分からないのです。
なので、実際の温度測定結果によっては熱対策を設ける必要があります。
代表的な熱対策としては、以下のようなものがあります。
- 通気口の生成
- ファンの設置
- 部品配置変更
- 放熱シートを使用
- ヒートシンクを使用
それぞれ補足説明をしていきますね。
通気口の生成
製品を密封してしまうと、空気の出入口が無いので熱がこもってしまいます。
最初は熱対流により空気が部品の熱を奪ってはくれるものの、その熱を持った空気で製品内が満たされてしまうからです。
なので、通気口を生成し、製品内外の空気を入れ替えるのが最もシンプルな熱対策になります。
通気口は1箇所ではなく複数箇所設けるのが理想的です。
そうすれば空気の流れ路ができるためです。
特に、特定の箇所の部品が高温になっている場合、その部品付近を空気が流れるように意識して通気口を設けると効果的です。
イメージは以下のような感じです。
製品の筐体内部にプリント基板が設置されているので、空気が高熱部品上を通過するようにしているだけです。
これだけの差でも結構変わってきます。
ファンの設置
ファンとは、放熱器のことです。
英語でFANと書かれていることもあります。
ファンのイメージは、扇風機や換気扇です。
プロペラを回転させることにより風を生み出す装置です。
通気口を設けると空気の流れ路ができるわけですが、無風状態ではあまり効率的に空気の入れ替えはできません。
そこで、ファンを使って空気の循環を円滑にしてあげるわけです。
先程の図1のように高熱部品があった場合、その付近にファンを設置してあげましょう。
製品内部の温度を上げる前に、製品外に熱気を追い出そうという魂胆です。
製品内部の空気の入れ替えや、高熱部品の温度低下を目的に実施できる熱対策です。
ただ、ファンの選定・使用時には、特に注意しておきたい点が2つあります。
1つ目は、駆動電圧です。
ファンは種類によってDC駆動のものとAC駆動のものがあります。
また、DC48V・DC24V・DC5V・AC200V・AC100Vという具合に、対応する電圧値も種類によって様々です。
使用したいと思っているファンの駆動電圧はよく調べましょう。
2つ目は、設置向きです。
ファンには、空気を取り込む方向と空気を放出する方向が存在します。
基本的に、製品内部の空気を入れ替えたいという場合は、外の空気を取り込むのではなく中の空気を外に追い出す方向でファンを設置します。
外の空気を取り込んでも意味が無いわけではないのですが、そうすると空気の出口が通気口のみに限定されている関係上、効率良く排熱できないのです。
製品内部の空気がかき乱された結果、他に用意された通気口に辿り着いた空気のみ排出されていくわけですからね。
非効率的なのです。
中の空気を外に追い出す方向で設置した場合、空気が排出された分が他に用意された通気口から吸い込まれるようになるので、効率良く空気の入れ替えができるのです。
ファンのデータシートを確認すれば寸法項目に風向きが一緒に記載されているはずですので、要確認です。
参考として、三洋電気のDC12V駆動ファンである9S0812L4011の場合を例として載せておきます。
Air Flow Directionが風向きを表しています。
図2左を正面図とすると、この例の場合は電線が正面方向から出ているので、背面から正面に向けて風を発生させているのだと読み取れます。
以上が主な注意点です。
後は、当たり前ではあるのですが、人が触る可能性がある箇所にファンを使用する場合、ファンに手が巻き込まれないようにフィンガーガードを取り付けましょう。
扇風機のプロペラを覆っている部分があるでしょう？
アレと同じような安全装置が、ファンのメーカから売り出されているはずです。
部品配置変更
通気口を設けたりファンを使用したりという空気を入れ替える熱対策をしたとして、その空気の流れ路付近に特に発熱する部品が配置されていないと意味が無いですよね？
ただ、部品の耐久度やレイアウトの関係で、通気口やファンは固定された位置にしか設けられないことがあります。
そんな場合は、部品配置の方を変更できないか検討しましょう。
空気の流れ路に高熱部品を移動したり、高熱になりやすい部品の配置を分散させるなど、できることは多いです。
放熱シートを使用
様々な部品を実装したプリント基板は、各部品の熱が伝わり、温度が上昇します。
仮に高熱になる部品があった場合、土台となるプリント基板が熱くなってしまい、他の実装部品にプリント基板を通じて熱が伝達されてしまうことがあるのです。
そこで、高熱になると予想されるプリント基板などは、放熱シートを取り付けていることがあります。
放熱シートは、シリコン樹脂などを取材とした柔軟性のある樹脂シートに、高熱伝導性の充填剤を加えて生成されています。
熱伝導シートとも呼ばれます。
この放熱シートを筐体とプリント基板の間に挟み込み、プリント基板の熱を筐体に逃がすのです。
ヒートシンク
ヒートシンクとは、機器の熱を吸収して空気中に発散する自然冷却方式の部品のことです。
いわゆる放熱板のことです。
[heat(熱)]と[sink(流し・沈める)]なので、英語から熱を流す・放出するみたいな意味は想像できますね。
話は変わりますが、太陽光発電ってパネルの面積が大きければ大きいほど電気を多く作り出せますよね？
光が当たる面積が増えるから作れる電気も増える…当然ですね。
これ、熱の影響についても同じことが言えます。
高熱になったモノがあるとすると、空気に触れる面積が大きければ大きいほど熱がより逃げていくんです。
例えば、図3のように直方体の物質と直方体に溝が1本設けた物質があったとします。
この2つの物体を比較した時、表面積が増えるのはどちらでしょうか？
溝を設けた方ですよね。
ヒートシンクがやっているのはこのイメージです。
ヒートシンクは、熱伝導率の高いアルミニウムや鉄などの金属を材料にしていて、熱を放出する方向の面をフィン構造(凸凹や蛇腹状などの構造のこと)にしています。
そうすることで、ヒートシンクがより空気に触れるように工夫しているわけです。
このヒートシンクを製品に触れさせることで熱を奪い、空気中に熱を発散しているのです。
原理は単純なんですね。
この製品とヒートシンクの間にも、先程説明した放熱シートは使われます。
ヒートシンクの性能は熱抵抗によって表現され、熱抵抗が小さいほど性能が良いと言えます。
熱抵抗に関しては長くなるのでまた別の記事でまとめていきますので、ここでの説明は割愛します。
上記のような熱対策があるわけですが、これらの対策は何れも熱を製品外部に逃がす方法となります。
その為、製品を使用する環境温度が高い場所では、通気口を設けようがヒートシンクを使用しようが効果が薄くなります。
製品の熱を外気に逃がしたいのに、そもそも外の空気も熱いわけですからね。
まあ、私たち一般人が目にするような大体の製品は高温環境下で使用するようなものではほとんど無いので、そこまで深く考える必要は無いでしょう。
以上、「熱を考慮した設計の流れと基本的な熱対策の種類」についての説明でした。
