ファンとヒートシンク-吸うか吹くか

この質問は、エンクロージャーについて説明しました。ただし、ヒートシンクに取り付けられたファンの観点からは、空気がフィンから吹き出されるか、フィンから吸い込まれるかが問題になります。言い換えれば、気流のパターンは重要なほど異なっていますか？

これは非常に広いテーマであり、単純なもので答えることができるものではなく、他の答えよりも優れています。

単独では、ファンの送風側は、空気が全方向からほぼ均等に引き込まれる吸気側と比較して、より集中的で、より速く動き、より乱流の「川」を作り出します。ほとんどすべてのファンでこれを簡単にテストできます。打撃側の前に手を置くと、気流と冷却効果が感じられます。手を後ろに置くと、効果を検出するのがはるかに難しくなります。

乱流はまた、熱伝達の効率を大幅に改善します。実際、乱流はあなたの友人です。

したがって、これらの観点だけから見ると、吹出し側のほうが冷却側として優れているように見えます。

しかし、それはファンだけのものではありません。

選択したヒートシンクの形状も、ファンのパフォーマンスに大きく影響します。典型的な線形フィン付きヒートシンクの上に置かれた回転ファンは、実際には非常に非効率的です。実際、ファンの真下の領域では、空気の動きはほとんどありません。これはもちろん残念なことです。なぜなら、それは通常あなたが冷やそうとしているものが置かれている場所だからです。

さらに、フィンが非常に深い場合を除き、一般的に気流の分布が悪くなります。浅すぎると、結果として生じる背圧が実際にファンを「失速させる」可能性があります。そのような状況では、ファンが「吸い込み」方向に設置すると、空気がヒートシンクの側面に直線的に入り込み、ファンによって生成された空気圧の空隙を埋めるため、実際に状況を改善できます。

おそらく、上記のヒートシンクは、フィンが長く、ファンが一端に取り付けられている方が効率的かもしれません。

より良い設計では、以下のような放射状のヒートシンクを使用します。ご覧のように、このスタイルはファンの全周の気流に対して放射状に対称であり、その結果、中央コアの周りにより均一な熱伝達を提供します。

ただし、このスタイルを使用しても、コア自体は換気が不十分です。そのため、通常、ヒートパイプとして機能する固体の高熱伝導コアとして製造されます。それでも、以下の画像を見ると、実際にチップに接触している正方形セクションのコアの周囲の領域は、非常に効率の悪い空気の隙間です。より良い設計では、その領域を丸い円錐構造の金属で埋めます。ただし、それを押し出すことはもちろん不可能です。

実際の材料と表面の準備も、ヒートシンクの設計に大きな違いをもたらす場合。明らかに熱伝導性の高い素材が最適ですが、表面は空気のポケットが形成されたり、ほこりの粒子をつかんだりしないように十分に滑らかである必要がありますが、空気がその上を簡単に通過できないほど滑らかでもありません。

もちろん、その小さな式を完璧に仕上げるのに何年も費やすこともできますが、一般的には、高光沢のクロムヒートシンクは必要ありません。サンドブラストされたアルミニウム、または金でコーティングされたサンドブラストされた銅は、余裕があれば、ずっと良く機能します。

別の深刻な問題は汚染です。

ほこりや汚れがファンやヒートシンクに侵入します。時間が経つにつれて、これが蓄積され、ユニットのパフォーマンスが著しく低下します。したがって、ファンとヒートシンクの配置をできる限りセルフフラッシュになるように設計することをお勧めします。

これは通常、送風ファンが勝つ場所です。気流が制御されていて、入ってくる空気をきれいに保つことができれば、ヒートシンクからほこりを吹き飛ばす傾向があります。それは次のポイントに私をもたらします。

空気の調達と除去

ファンとヒートシンクの完璧な配置を開発するために数千ドルを費やすことができ、特に密閉されたエンクロージャーで冷却システムの周囲の空気の残りを処理しないと、すべて無駄になります。

熱はデバイスから空気中に除去する必要があるだけでなく、その熱気を周囲から除去する必要があります。そうしないと、熱風が再循環するだけで、保護しようとしているデバイスで熱障害が発生します。

そのため、キャビネットには通気孔が必要です。また、キャビネットの外から冷気を取り入れるためにキャビネットファンを含める必要があります。これらのファンには、ユニットに吸い込まれる周囲のほこりの量を制御するために、常に取り外し可能なメッシュまたはフォームフィルターを含める必要があります。オープングリルタイプの排気パネルは使用できますが、最適な動作を実現するには、キャビネット内を正圧に維持し、空気の流れを外方向に維持して、汚染の侵入を再度制限します。

特殊なケース

極端な環境でユニットを設置する場合は、特別な措置を講じる必要があります。フロアミルなどの高粉塵環境、または周囲温度の高い環境では、ダクト付きの空気をシャーシに直接送るか、密閉ユニットと2段式の、場合によっては液体の冷却システムが必要になります。

重大なケース

システムが重要な何かを制御している場合は、ヒートシンクシステムの一部として熱検知と場合によってはアクティブなファン制御を含めるのが賢明です。このようなシステムには、安全な状態に移行し、重大な障害を防ぐために必要な場合にフィルターを清掃するか、システムの周囲の熱を減らすようユーザーに警告する機能を含める必要があります。

もう一つのポイント

高価なファンと完全な空気分配システムがすべてロックされた状態で、世界で最高のヒートシンク設計を得るために半年の開発資金を費やし、2セントの熱化合物がないためにデバイスを燃やすことができます。

保護しようとしているデバイスからヒートシンクに熱を逃すことは、多くの場合、システムの最も弱い点です。適切な熱接着材料でヒートシンクに適切に取り付けられていないコンポーネントは、残りの問題を合わせたよりも多くのユニットを殺します。

製造プロセスと手順は、これらの側面を最優先するように開発する必要があります。

たとえば、あなたは、単一のヒートシンクに取り付けられた3個のまたは4つのTO220スタイルトランジスタを使用していると言うならば、機械的にそのヒートシンクにそれらをマウントすることが賢明である、そして適切な場合、ヒートシンク板に、BEFOREを通過はんだ付けプロセス。これにより、熱接続が優先されます。

デバイスとヒートシンクの間に、熱伝導性のペースト、クリーム、ゲル、または電気的に絶縁されたサーマルパッドのいずれかを常に含めて、非平坦性、またはデバイスまたはヒートシンク表面のバンプによって生じる空隙を埋める必要があります。

そして、それをきれいに保ちます。汚染されたサイズまたは塩粒、あるいは抜け毛でさえ、熱障害を引き起こす可能性があります。

圧力パターンは異なります。

吹き込むと、ヒートシンク表面の圧力（ブレードと平行）が高くなり、表面の熱伝導率が高くなります。

フィンから吸い込まれると、空気流に垂直なフィンの表面の圧力が高くなります。

したがって、正しいエアフローの方向は、ヒートシンクの寸法比と熱拡散パターンでの重みに依存すると思います。経験的に、その深さが深さよりも十分に大きい場合、確実に吹き抜けが良いと言うことができます。

andresgongoraのコメントの後の追加...

空気圧を電圧、空気速度を電流、流れに直交する障害物を抵抗、結果として生じる熱の対流を電力と考えてください。または、質量が単位時間あたりの熱と相互作用する圧力を考えてみてください。これは気流速度によって更新されます。

そのため、圧力パターンはそこで起こっていることを正確に把握することはできず、完全な対流パターンは複雑になりますが、気流のより良い方向についての良いアイデアを提供します。

熱は伝導、放射、対流によって伝達されます。ICを冷却するには、ダイからヒートシンクへの伝導、ヒートシンクから周囲の環境への放射、空気の移動による対流の3つのモードがすべて使用されます。ボイルとチャールズの法則により、得られます。ここで、 =圧力、 =体積、は定数、は絶対温度です。温度の経時変化を追跡する場合、この方程式を区別できます。これは与える：P V k $PV = kT$$P$$V$$k$$T$

コンピューターのケースやその電源など、固定のボリュームを介して空気を移動する場合、 ; そしてもちろんです。したがって、方程式は次のように単純化されます。d $V$d$\frac{dV}{dt} = 0$$\frac{dk}{dt} = 0$

つまり、時間の経過とともに圧力を上げると、温度が上昇し、逆もまた同様です。この原則を理解しやすくするために、次の2つの例を検討してください。

1. ハンドポンプを使用してプッシュバイクでタイヤを汲み上げると、出口に最も近いポンプの端が非常に暖かくなります。この加熱効果は、ゼロではないP.dV / dt項によって変更されます。

2. 4つの垂直壁すべてに窓とドアがある家に立方体の部屋があり、北から熱風が吹いている場合、北の壁の窓/ドアを50〜100程度開けることで部屋を冷やすことができます。 mm、他の壁の窓/ドアを200〜500 mmほど開けます。これにより、室内の圧力が下がり、温度が下がります。

今、乱流の問題に。

ヒートシンク（または他の高温部品）からの熱伝達の最大量は、層流下で発生します。気流が増加すると、最終的に気流が乱流になるポイントに到達する場合があります。乱流の影響は次のとおりです。

• ファンの有効面積が減少する-RPMの赤い線を超えてプロペラ速度を上げると、プロペラ機のパイロットに推進力への影響を尋ねる
• ノイズの増加=エネルギー損失
• 渦が形成され、低速度領域に空中浮遊デブリが堆積する
• ファンの効率が低下し、温度が上昇する場合があります
• キャビテーションが発生し、気流がゼロのエリアが発生し、
  温度が急激に上昇します。

だから、乱流は間違いなくあなたの友人ではありません。

乱流を減らすために、ファンの速度を落とそうとするかもしれません。ファンが適切に設計されている場合、ファンブレードの角度は連続した曲線になり、空気がブレードを通過するときの空気速度の増加を考慮します。したがって、ファンを遅くすると、ブレードの曲率が層流に対して正しくなくなります。この効果は、反転ピッチを含むブレードの「ピッチ」を変えることにより、航空機および大型船舶プロペラで克服されます。これは通常、電気機器で使用される冷却ファンのサイズでは不可能です。

ファンの覆い

ダウンサイド（高圧、またはアウトレット）からアップサイド（低圧、またはインテーク）への妨げられない連続した空気経路がある場合、高圧の空気は最短経路を介してインレットに戻り、ダウンストリームフローが減少します。飛行機のプロペラ、船舶のプロペラ（オーストラリアに供給されたスペインの軍艦の最新の推進設計を参照）、安価な家庭用冷却ファン-これは常に表示されます。この損失を克服し、それによってファンの有効性を高めるために、より優れた設計では、ファンブレードの先端にぴったり合ったシュラウドがあります。フランクホイットル博士は、ジェットエンジンにシュラウドファンを使用することを含めました。これは、オープンプロペラよりも非常に効率的であり、排気ガスの速度を上げるための急速な温度上昇に適しています。

手を使って冷却を検出する

ファンの下流で感じる冷却は、主に肌にある液体の水の蒸発の影響です。蒸発による540カロリー/グラムの損失は、確かに「感じ」ます。しかし、皮膚に水分を含まない電子/電気コンポーネントへの影響は、ジルチです。したがって、手を使って温度低下を検出するのは間違ったモデルです。

要約すれば：

吸うことは、温度を下げるために吹くよりも良い。層流は、熱を対流させて伝導する最も効率的な手段です。ファンブレードを覆うと、ファンの有効性と効率が向上します。

デザインに依存していると思います。主な要因は次のとおりです。

• 冷たい空気を供給し、熱い空気を意図した方向に流出させます。ヒートシンクから吸い出すと、ヒートシンクの空気の流入が他の発熱体の近くにある可能性があります。したがって、空気の供給源は必要な低温にならない場合があります。
• ヒートシンクの小さな穴に入るほこり。多くの解説者が言ったように、息を吹き込むと、空気の入口が一か所になり、フィルターで覆われたり、空気が設計上よりきれいな場所から供給されたりします。吸い込むと、空気源はおそらくPCB表面やその他のコンポーネントの非常に近くにあり、それらから蓄積された距離を吸います。
• 冷却システムを設計する別の方法があります。最新のノートブックまたはハイエンドPCを開くと、水またはその他の液体冷却があり、ファンをチップの近くに配置する必要がない場合があります。設計者が便利で保守的で清潔だと思う場所に配置できます。

したがって、私は流入に投票しますが、繰り返しますが、すべてはデバイスの設計に依存します。

私は、Optical Networking（Telecom）テクノロジー企業で働いており、常に冷却とEMCを扱っています。カード/シェルフベースの機器に関する基本的な設計決定に対する優れたコメント。ファンをエアフィルターの吸気側または排気側に配置します。

私たちが使用した一部の電子モジュールベンダーから、空気を抜くと冷却効率が10〜15％低下すると言われました。私が持っている他の2つの観察は、
1）（大きな）残念ながらINTAKEのファンは摩擦とファンモーターの熱放散によって空気を予熱します
2）回路カードにダクト/デフレクターを追加して気流を集中させようとしている場合PCBAを通して空気。

あまりにも優れた機能のように、単に空気の動きをブロックするだけです-ヒートシンクの周りを移動するだけの空気です！基本的な違いは、空気を引くと圧力差だけで（乱れが少ない）動きが発生するからだと思います。

質問が[一般的な]ヒートシンクと[一般的な軸ブレードタイプ]ファンに短縮されている場合、より短い答えに値します。そして、答えは、いつものように、そして残念ながら、「それは依存します」です。

（1）ファンがヒートシンクの上部に「吸い込む」方向に取り付けられている場合、空気は層状にフィン（またはピン）に入ります（少なくともフィン/ピンの距離よりも大きな渦スケールに対して）。そのため、熱伝達面の周囲の境界層は厚く、熱伝達はやや劣ります。さらに、典型的なファンを備えた片面シンク構造では、シンクの下で熱が発生する正確な場所に、空気の流れが悪い「デッドゾーン」が中心にあります。

（2）ファンがヒートシンクブレードに吹き込むと、出力空気の流れが乱れ、金属表面の周囲の熱境界層が薄くなるため、空気の流れはフィン構造のより深く、金属表面の近くまで浸透し、良好な熱伝達を提供します。また、最高の[乱流]風速は、熱の「応力」が最も高いシンクの中心付近です。

したがって、ケース（2）にはケース（1）よりも明確な利点があるようです。残念ながら、もう1つの要因があります。それは、周囲のさまざまな条件下でのファンの性能です。周囲の空間に対してより高い圧力を生成する（ラップトップ内のヒートパイプ設計で使用される）送風機とは異なり、軸流ファンは、より狭い空間から周囲に空気を吸い込む際の空気の流れのパフォーマンスが向上するため、ここでケース（1）が優先されます。

一方、送風機のように軸流ファンが高い空力インピーダンスに直面すると、それ自体を「短絡」させ、空気の流れをほとんどまたはまったく提供できません。そのため、軸流ファンの使用は、弱い熱ケース（1）でいくつかの利点がありますが、同じファンの性能は、加圧された（ただし、熱効率が高い）領域に実行することで低下します。

そのため、ケース（1）の熱伝達は劣っていますが、ファンのパフォーマンスは向上しています。ケース（2）の熱伝達は向上していますが、ファンのパフォーマンスは低下しています。最終結果は「依存」であり、フィンの厚さと間隔などのいくつかの要因が含まれます。そして、それはファンの構造に依存します。軸流ファン、チューブ軸流、ベーン軸流、およびプロペラの3種類の軸流ファンがあり、いずれかの方向のパフォーマンスに合わせて最適化されたブレードを持つことができます。チューブ軸ファンも優れた加圧性能を備えており、ブレードサーバーで使用されます。そのため、結果は異なる場合があります。

明らかに、最良の結果は、このようなファンの1つが吹き込み、別のファンが空気を吸い込むデュアルファン設計で達成できます。

ファンとヒートシンクがエアダクト内に囲まれている場合、ファンの両側で同じ気流が得られるため、ヒートシンクの位置はそれほど重要ではありません。「ヒートシンク上のファン」セットアップの場合、送風側の方​​が確実に冷却が良くなります。

サックまたはブローは単純な答えではありません-ヒートシンクを流れる空気の温度、流れの速度、および蓄積する可能性のある汚染まで煮詰めます。したがって、簡単な答えは、最も冷たい空気、最高の気流、および最も汚染の少ないものです。調査と実験によってのみ本当に答えが得られます。

ほとんどの場合、吸い込みモードのファンは、吹出しモードよりもはるかに優れています。

ファンをブローモードにすると、ヒートシンクによって風の力がブロックされて広がるため、ヒートシンクの周囲で熱が放散され、その結果、同じ気流のソースがファンによって吸い戻され、熱がリサイクルされます。

吸い込みモードでは、熱はより集中されたラインで吹き飛ばされ、それによりリサイクルされる熱ははるかに少なくなります。

例外は、ファンがヒートシンクから熱を十分に遠くまで吹き飛ばすほど強力であるため、空気の流れがリサイクルされないことです。それから実際には、吹くほうがより集中するため、気流がより速くなる（同じ量の気流がより速くなる）ため、風自体がより冷たくなる=）