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87:熱設計?ちょっと考えてみました。

 

CPUの発熱が現在Max7Wだが、350MHz以上にしたときには、もっと発熱するだろうから、10〜14W程度だと仮定する。

プリント板のBGA半田付け部分からの熱流入は3.8℃/Wである。
750は360pinである。そのうちGNDが49pin、OVDDが20Pin、VDDが12Pinである。
合計、81Pinが、熱的に短くプリント板のグランドプレーンなどと接続されている。
GNDプレーンに対する、1pinのサーマル接続が、例えば、70μm銅箔で0.3*0.3mmだったとすると、これを4つで1pin分の熱抵抗になる。これを計算すると、81個分で約0.1℃/Wになる。
次に、プリント板のGNDプレーンの熱抵抗は、細かい計算は知らないので適当に概算する。70μm厚さの銅箔で360PBAから周囲に対して熱が流れるが、とりあえず100mmの距離で40mmの幅、70μm厚さの銅箔は、88℃/Wなので、これの四方八方と見て1/8してみると、22℃/W。とりあえず、この値を使ってみる。

CPUのjunctionから、プリント板側への熱抵抗は、これで、3.8+0.1+22=25.9℃/W程度かもしれない。

こうだとすると、CPUを-20℃に冷やした場合、周囲温度25℃だとすると、45゜の温度差だから、45/26=1.7Wの熱が周囲から流入してくる。
よって、CPUの発熱量7〜14Wに、この熱流入を足した熱量8.7〜15.7Wを、ペルチエは汲み上げなければならないことになる。
ところで、ペルチエ素子は、60℃の最大温度差を作れる物でも、このときは熱吸収量が0Wであり、また、最大級熱量65Wとかいってるものでも、その時の温度差は0℃であり、お互いの折衷部分で使うことになる。

例えば、温度差60℃、最大級熱量60Wのもので、その間がリニアに変わるとすると、30℃で30W、45℃温度差の時15W吸熱できるらしいことが解る

上記9〜16W程度を吸熱してくれればいいのだから、約45℃の温度差が実現できることになる。

その時の発熱量は、その、吸熱量+ペルチエ自身の抵抗による発熱ですね。
だいたい、16V6A程度かければ、最大定格位に駆動できるので、すると、16*6=96W。
96+9〜16W=105〜112W  この発熱量をペルチエの発熱部の上に付けた放熱器から空気中などに放熱しなければならないわけです。
しかし、ここで計算してみると、とんでもないことが解ります。
ペルチエ素子の発熱点から、放熱器までの熱伝導性グリースだけでも、うまくやって0.1℃/W位あります。これに112Wの熱量が通ると、0.1*112W=11.2℃の温度差が出来ます。さらに放熱器自身の熱抵抗があります。CPUボードに付いてるような、でっかい放熱器が強制空冷時にどれくらいの熱抵抗か知りませんが、例えば0.5℃/Wだとすると、0.5*112=56℃というふうな温度差が出来るわけです。
ってーことで、この辺は非常にきびしいと思います。
水冷にしてようやくかな、という気がしてきます。

ま、それで、0.2℃/W程度に出来たとしたら、22.4℃分、ペルチエ発熱点が周囲温度より上がるわけです。すると、温度差45℃として、-20℃まで行くと思ってた、ペルチエ冷却点が上がるわけです。
冷却点側での、こういう効果は、通過する熱量が9〜16W程度なので、
0.2℃/W*9〜16=1.8〜3.2℃しか損しません。

別のアプローチとして、ペルチエ素子を並列に接続し、一個一個にかかる負荷を減らした場合どうなるかですが。

例えば2個並列にした場合、負荷は9〜16が4.5〜8Wになります。で、同じ温度差を考えると、発熱量は、同じペルチエ一個あたり96W程度です。よって、96*2+9〜16となり201〜208Wと言うことになります。

 

以下次号

 


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