伝熱設計トラブルと改善策～伝熱設計の基礎解説～
皆さんは熱トラブルが生じたことはありますか？
伝熱設計は、製品の性能や信頼性に直結する重要な要素です。
理論計算では問題ないのに、熱トラブルが発生した、というケースもあります。
今回は、実際に起きやすい伝熱トラブルの例と、その改善方法を紹介したいと思います。
放熱不足による部品過熱
想定される状況
電子機器の内部に配置したICチップが、設計上の放熱条件では安全圏だった。
試作機を用いて実験してみると、短時間で温度上昇が発生。
ファンや放熱板を追加しても改善が不十分だった。
考えられる原因
機器内部の空気の流れを想定しておらず、自然対流のみでは熱が滞留している可能性が高いです。
ファンを追加しても不十分なことから、十分に風が当たる部分に部品が配置されていません。
また、放熱板の放熱面積も不足している可能性もあります。
改善策
まずヒートシンクや内部空気の流れを考慮したレイアウト変更を行います。
その上で自然対流で足りない場合は、ファンを導入して風を流せるようにしておきます。
熱流体解析を行うことで、さらに風の流れを把握することができます。
このように熱だけでなく、流体の流れまでを把握することがポイントとなります。
熱伝導不良による温度ムラ
想定される状況
機械装置に発熱部品を配置したが、一部の部位が極端に高温になり、材料の膨張や変形が発生した。
考えられる原因
発熱部品と放熱部品間の接触面の熱伝導率が低くなっており、熱が上手く伝導されていないことが考えられます。
発熱部品の熱が広がらないことで、1点に熱が集中した結果、変形を引き起こしてしまいます。
また、接触面にグリスが塗布されておらず、熱が広がらないということもあります。
改善策
まずは接触面に熱伝導グリスを塗ります。
最初は十分に放熱できていても、時間が経つとグリスが流れ落ちてしまう可能性があるため、適切に保守をすることが必要です。
また、放熱部材を熱伝導率が高い材料に変更します。
同じアルミニウム合金でも、物によって熱伝導率が異なるので、注意が必要です。
環境条件の想定不足
想定される状況
屋外設置装置として設計された装置が、特定の時間や期間で熱暴走を起こすことが判明した。
考えられる原因
まず、屋外設置装置で気を付ける点として、直射日光が挙げられます。
室内環境温度を基準に設計すると、外部環境温度への考慮が抜けることがあります。
特に外装が暗い色をしていると、温度が上がりやすくなる傾向にあります。
改善策
まずは直射日光分の温度上昇を想定したマージン確保をします。
もしできない場合は、遮熱版や日光反射塗料を用いて、日射対策を行います。
対策を実施後、改めて耐熱温度を確認することが重要です。
まとめ
いかがだったでしょうか。
今回は、熱設計でトラブルが起こりやすいケースを紹介してきました。
まとめると以下のようになります。
- 内部流体の流れを考慮した部品は一にする
- 熱伝導に必要な経路を確保し、場合によってはグリスを追加する
- 屋外設置の場合は、直射日光の影響を考慮する
