技術紹介

放熱・冷却製品開発における解析・評価技術

Technologies

Analysis and Evaluation Techniques in the Development of Heat Radiation andCooling Products

2.2 2 枚フィンモデルの解析

1. はじめに開発にあたっては，まず，図 2 のように 2 枚のフィンの近年，ハイブリッド車，電気自動車などの増加により，間の流路ひとつ分のモデルについて熱流体解析から検討

新たな車載電子機器が増加している。これらに使われるを開始した。フィン間隔やフィン板厚などの各パラメー

放熱・冷却製品は，小型化と軽量化がより強く求められタを変えて計算を行い，フィン近傍からフィン間の中央部ることから，当社では，冷却効率を上げた小型・軽量なにかけて空気全体の温度が上昇する，すなわち空気全体アルミニウム製放熱・冷却製品の開発を行っている。に十分熱が伝わる最適な条件を検討した。図 3 は，フィン今回，空冷ヒートシンク「VL フィン」の開発の進め方

からの熱が，フィン間を通り抜ける空気に伝わる様子を熱を例に，放熱・冷却製品の開発における熱流体解析技術流体解析した例である。フィンの出口近傍において，フィを，実験での検証を含めて紹介する。

ン間中央部もフィンとほぼ同等の温度となっているのが分かる。小さなフィン間の風速測定は困難なため，このように熱流体解析により空気の流れや温度を確認した。

2. 熱流体解析

冷風

2.1 VL フィンについて
図 1 に示す VL フィンは，多数の小さなフィンがルーフィン

バー状に並んでおり，そのフィン間を冷却風が流れる構造となっている。それらのルーバー状のフィンの列が，冷風

ヒートシンク全体では V 字型に並んでいることから，VLフィンと名付けられた。その独特のフィン形状と構造にフィン 2 枚分をモデル化

より，フィンと空気の熱交換の効率を高めると共に，風下水平面の空気温度分布を解析のフィンにも冷たい空気を流すことを特長としている。

（手前のフィンは薄色表示）

図 2 2 枚フィンモデル
Fig.2 Two-fin model.
温度（℃）

出口近傍の空気はフィンとほぼ同じ温度

【外観】

冷風

①フィン間の風速が小さく，熱交換が良好（非表示にした手前のフィン）②風下のフィンにも冷たい
空気が流入

入口の空気は冷たい

ZYX

25.3
24.1
22.8
21.5
20.3
19.0
17.7
16.5
15.2
13.9
12.7
11.4
10.1
8.9
7.6
6.3
5.1
3.8
2.5
1.3
0.0

（手前のフィンは非表示）

図 1 VL フィンの特長
Fig.1 Features of VLfin.

32

Furukawa-Sky Review No.7 2011

図 3 2 枚フィンモデルの熱流体解析結果
Fig.3 Results of CFD thermal analysis of two-fin model.

放熱・冷却製品開発における解析・評価技術

2.3 部分形状モデルの解析対によって各部の温度を測定した。図 6 は，定常状態に2 枚フィンモデルの検討の後，フィン全体の配置を検おけるベース面上の 3ヶ所の温度を測定し，入側空気温討した。図 4 および図 5 は，多数のフィンが並んで列を度からの上昇幅を求めたもので，解析と実測はほぼ一致成している部分モデルの熱流体解析の例で，対称性を考していることが分かる。

慮したモデルとしている。図 4 の速度分布図では，フィまた，この 3ヶ所の温度差がクシ形フィンの 1/4 と非ン間に流入する前では大きな風速が，フィン間では非常常に小さいことも確認された。このような特長により，に小さく流れがゆっくりになっていることが分かる。ま

放熱特性の改善を図ることが可能である。

た，図 5 の温度分布図では，風上から入り込んだ位置の実験では，同時に風上と風下の 2 箇所で測定した圧力フィンにも冷たい空気が流れ込んでいることが分かる。の差から圧力損失を求めており，これらも解析とほぼ一致していることが確認された。

速度（m/s）

フィン間の風速小フィン間に流入する前の
風速大87.26.45.64.843.22.41.60.80図 4 部分モデルの速度分布図
Fig.4 Flow velocity distribution in partial model.

液体温度（℃）

ベース面の温度上昇値（℃）

40

解析と実測はほぼ一致

3530252015ヒーター
ベース面

風上，風下の温度差小

風下
風中
風上

10解析

50実測

風上

風中

風下

図 6 VL フィンの解析と実測の比較
Fig.6 Comparison between analysis and measurement
results of VLfin.

3.2 温度分布の測定

2522.52017.51512.5107.5
52.50

場所，例えばフィンなどの温度を確認する場合には，赤図 5 部分モデルの温度分布図
Fig.5 Temperature distribution in partial model.

における同サイズの VL フィンとクシ形フィンのそれぞ

風上から入り込んだ位置のフィンにも冷たい空気が流入

熱電対の貼り付けができない，あるいは，やりにくい
外線サーモグラフィによる赤外線画像により温度分布を確認することがある。図 7 は，同じ発熱量と風量の条件れをフィンの側から見た赤外線画像の例である。測定時には輻射率を合わせるためにサンプル表面を黒色に塗装

このような熱流体解析の結果から，風上または風下の位置によらず冷却性能はほぼ一定で，風上から風下にかけて温度差がつきにくいフィン構造であるといえる。
なお，実際にはフィン形状を決めるフィン角度や V 字した。この画像によれば，VL フィンの方が温度の均一性に優れることが分かる。
冷風

冷風
49.0℃
47.0

角度などの各パラメータを変えて熱流体解析を行い，全45.0

体の流れが最適となるようにフィンを配置している。

43.0

温度差小

温度差大

3. 熱測定実験

41.0
39.0
37.0
35.0
33.0

3.1 温度と圧力損失の測定
熱流体解析を用いて設計されたヒートシンクは，実際に試作して性能の確認をした。
図 6 は，VL フィンの解析と実測の結果を比較した例
である。熱測定では，ヒートシンクのベース面上にヒークシ形フィン

VLフィン

図 7 赤外線画像
Fig.7 Infrared image of comb fin and VLfin.

ターを設置して発熱させて，ヒートシンクの前後に接続したダクトから空気を供給して冷却し，貼り付けた熱電Furukawa-Sky Review No.7 201133

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4. おわりにお問い合わせ先

当社では，このように熱流体解析と熱測定実験を活用

押出加工品事業部

して高性能な放熱・冷却製品の開発を行っており，今後〒 101-8970

も，新製品開発を進めるとともに，お客様のニーズにかなうよう設計した最適な放熱・冷却製品の提案を進めていく考えである。

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