板金エンクロージャーの放熱を改善するには？

アルミニウムは、重量、コスト、性能のバランスが最も優れています。銅は局所的な熱伝導には理想的ですが、コストと密度が高くなります。ハイブリッド設計の場合、多くのメーカーは、強度と伝導性を両立させるため、構造にステンレス鋼、冷却にアルミパネルを使用しています。

デザインのヒント 熱負荷が筐体容積1リットル当たり30Wを超え る場合は、ステンレス製からアルミニウム製に変更 するか、アルミニウム製ヒートパスを追加する。

なぜうまくいくのか： 高熱密度には、急峻な熱勾配を避けるために、より速い伝導が必要である。

肉厚と構造の最適化

肉厚が厚いほど熱を保持しやすく、薄いほど熱の放出は早いが、たわみや振動が生じる可能性がある。一般的に1.5～2.5mmの肉厚が、機械的安定性と効果的な伝導のバランスをとる。

構造強度が重要な場合は、厚いパネルの代わりに内部リブや折り返しエッジを追加することで、熱的なペナルティなしに剛性を維持することができます。

より良い熱放出のための表面仕上げとコーティング

表面処理は、放射率と耐食性の両方に影響する。

• マットブラックアルマイト → 優れた放射性、屋内使用。
• 粉体塗装（明るい色） → 太陽光を反射し、屋外での使用に最適。
• ブラッシュ仕上げまたはビーズブラスト仕上げ → 美観と熱コントロールのバランスが良い。

環境に応じてコーティングを選択することで、余分な電力を消費することなく、自然に温度をコントロールすることができる。

換気と気流経路の設計

効率的なエアフローが密閉ボックスを冷却システムに変えます。スマートな通気口の配置とファンの向きによって、各コンポーネントがどのように穏やかで安定した動作を保つかをご覧ください。

パッシブ換気

パッシブ換気は自然対流を利用したもので、熱い空気は上昇し、通気孔から排出され、冷たい空気は下から入ってきます。シンプルでエネルギーを必要とせず、低～中程度の出力密度の設計に最適です。

設計原則

• ベントエリア 開口部は、中程度の熱負荷の場合、エンクロージャの総表面積の少なくとも10～15%を占めるべきである。
• 配置だ： 吸気口は下部付近に、排気口は上部または背面付近に設置し、垂直方向のエアフローをサポートする。
• アライメント 吸気口と排気口は、気流が短絡しないよう十分に離しておく。

デザインのヒント 排気口は、熱を発生する部品の真上に設置する。

なぜうまくいくのか： これは自然の対流経路に沿うもので、ファンに頼ることなく熱を素早く逃がす。

ベントの形状と性能

開口部の形状とパターンは冷却効率に大きく影響する：

• ルーバー 水の浸入を防ぎながら、気流の方向を変える。
• ミシン目 強度を保ちながら、空気を均一に分散させる。
• レーザーカットスロット 美観や精密設計のための柔軟性を提供するが、曲げ時の応力亀裂を避けるため、エッジに丸みを持たせなければならない。

風洞実験によれば、円形の穴を流線型のルーバーに置き換えることで、同じ圧力下で20～25%の風量を増加させることができる。

簡単な総括

• 自然対流＝自由で静か。
• 適切な通気口の間隔＝より良いエアフロー。
• ジオメトリーの最適化＝エンクロージャーの強度と冷却性の向上。

アクティブ冷却

自然気流では不十分な場合、強制対流により安定した空気交換を実現します。ファンやブロワーは冷却を促進し、温度を均一に保ちます。また、内部負荷の高いコンパクトな筐体や密閉された筐体では非常に重要です。

正しいファンセットアップの選択

気流の方向は自然対流に合わせるべきで、通常は下から上、あるいは前から後ろへ。ファンは、最も高温のコンポーネントの上に冷たい空気を最初に押し出し、次に効率的に排気します。

• 並列ファン： 風量を増やす（幅の広いキャビネットの場合）。
• シリーズのファン 静圧を上げる（深いエンクロージャーや複雑なエンクロージャーの場合）。
• 流量に関する経験則： Q=3.16×P/ΔT
  どこだ？ 質問 ＝風量（CFM）、 P ＝熱量（ワット）、 ΔT = 許容温度上昇 (°C).
  例えば、10℃上昇制限のある400Wの筐体には、≈126CFMのエアフローが必要である。

デザインのヒント ファンを追加する前に、必ず排気経路を明確にしてください。

なぜうまくいくのか： 制御されていない気流は再循環を引き起こし、ファンの効果を低下させ、内部温度のばらつきを増加させる。

ファンの位置と騒音制御

吸気ファンを涼しいゾーンの近くに、排気ファンを最も暑い場所の近くに配置する。産業用またはオフィス環境には、低回転数、大口径のファンを使用します。バッフルやエアガイドを追加することで、気流をスムーズにし、乱流を減らし、熱均一性を最大15%改善することができます。

標準誤差： すべてのファンを片側に配置すること。これでは圧力が不均一になり、熱風が滞留する「デッドゾーン」が生じる。

デザインのヒント 吸気と排気のファンを筐体の対角線上に配置する。

なぜうまくいくのか： クロスフローパターンは、均一なエアカバレッジを確保し、密集したレイアウトの冷却を改善します。

内部レイアウトとホットスポット管理

内部コンポーネントのレイアウトは、空気の循環の良し悪しを決定する。大型のパワーモジュールやトランスは空気の流れを妨げ、デッドゾーンを形成して過熱する可能性があります。

レイアウトのベストプラクティス

• 高熱機器の周囲には、少なくとも25～30mmの隙間を空けてください。
• コンポーネントを垂直ではなく、同じ気流方向に沿って配置する。
• エアディフレクターやバッフルを使用して、狭いスペースに空気を誘導する。

計算テストによれば、主要コンポーネントの位置を変えて空気の詰まりを取り除くだけで、ハードウェアを変更することなくピーク温度を8～12℃下げることができる。

デザインのヒント バッフルまたは部分的な仕切りを使用して、高熱部と低熱部を分離する。

なぜうまくいくのか： 空気は自然に低圧エリアに流れ、ゾーニングによってセクション間の熱の再循環を防ぐ。

効率、騒音、メンテナンスのバランス

ファンは冷却を向上させる一方で、騒音とメンテナンスコストをもたらす。

寿命を延ばし、信頼性を確保する：

• 40℃で50,000時間以上の定格寿命を持つファンを選ぶ。
• 取り外し可能なフィルターを設置し、清掃を容易にする。
• 不必要なファン回転数の増加は避けましょう。回転数を2倍にすると、冷却効果が比例せずに騒音レベルが4倍になることがあります。

デザインのヒント 温度センサーを使用したファンの回転数制御を実施する。

なぜうまくいくのか： ダイナミックな回転数調整により、エネルギー使用量を削減し、ファンの寿命を延ばし、安定した熱性能を維持します。