熱設計について教えてください。

質問

LEDを光らせる装置を設計したいのですが、熱に関する部分でどのように計算をしたらいいのか難しくてわからなく、行き詰っています。
どのように検討したらよいかご教授願います。

＜条件＞
・外装の温度が、常温（25℃）時、50℃以下にする。
・外装サイズを極力小さくしたいと考えております。
・LEDは、6Wほどの物を2個使用予定です。

以上の条件で、外装材質などは特に制限がありません。
どういった切り口で検討を進めればよいのでしょうか。

自分で、熱抵抗とかから計算を進めようとしましたが、最終的な
外装の熱抵抗を求めることが出来ず、中断してしまいました。
よろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#230359 · ベストアンサー

毎度ＪＯです。
>>・外装の温度が、常温（25℃）時、50℃以下にする。
この50℃以下と言うのは。装置内の空気の温度でしょうか？？

ＬＥＤで６Ｗとは大きなＬＥＤですね、このＬＥＤの放熱に関してでしょか？？

毎度ＪＯです。
６ＷのＬＥＤを２個＝１２Ｗ　この放熱を考える場合、
１）ＬＥＤが機器内にあり、基板への放熱＋機器内での空気の対流　→熱の行き着く先は外装表面
この場合ＬＥＤのジャンクション温度は最大定格以内とする、
２）ＬＥＤが外装の取り付けられている場合、１）の場合よりＬＥＤの温度に対して有利ではあるが、
熱の行き着く先は外装表面

質問内容から、「外装」の熱抵抗に行き着く事になる、本来はＬＥＤの発熱を計算によって、外装までの熱抵抗を求める事になるが、単純に外装の熱抵抗を求めれば良い事になる、

熱抵抗＝温度差/発熱量　　２℃/Ｗ程度になる、これをアルミの「箱」で実現しようとすると、
表面積が　３５０cm^2　程度が導き出される、10cmX10cmX3.5cm の箱がこれに当る、
これは最悪値であるので、50℃以下とするならこれより大きな箱となる。

材質が鉄などになると、熱抵抗は大きくなるので、更に大きな外装となる。

毎度ＪＯです。
表面積が350cm^2とは平板の事です、この板の片側からの熱抵抗です、
文献ではあるのですが、ネットでは大学や研究所の論文などになります、
論文ナビゲーターなる物もあるのですが、有料ですし、有資格者のみの利用となります、
そこで捜してみました、１時間ほど捜すとありました！！　グラフです。

以下ＵＲＬ参照
http://www.picfun.com/heatsink.html
http://www.car-e.net/~dai/emv/hounetu.htm

お礼

回答ありがとうございます。

説明不足でした。

>>・外装の温度が、常温（25℃）時、50℃以下にする。
>この50℃以下と言うのは。装置内の空気の温度でしょうか？？
これは、外装表面温度ということです。

そうです。このLEDの放熱をしたいと考えております。
ただし、条件にあるように外装を極力小さくとの希望があるので、
イメージでは、外装を金属にして、放熱させたいのですが、
どれくらいの大きさなら外装表面温度が５０℃以下で抑えられるのか、
計算で出せないものかと考えておりました。

上記のアルミの箱ので実現した際の表面積が350cm^2とありますが、どのような計算式にて求めるのでしょうか。

実際にこの部分の計算方法がわからず、行き詰っておりました。

お手数ですが、よろしくお願いいたします。

ありがとうございます。

1時間も探して頂いたとの事で本当にありがとうございます。
このグラフから読み取ると350cm^2となるのですね。

勉強になります。

早速、これを参考に再度、検討を進めたいとおもいます。
ありがとうございました。

回答No.3

noname#230359

外装の材料候補について、素材自体の伝熱抵抗などは調査済みと思います。
ところがいざ設計しようとすると、外装表面→空気への熱抵抗がわからない
ので行き詰まったのではないでしょうか？

これは空気の対流などが絡んでくるので計算で出すのは困難です。
単純な箱、平板などについてはすでに研究されたデータがあり、
また、市販の放熱器についてはメーカーからデータが公表されていますが、
（先のお二方の回答。）
ご自分で外装を設計される場合、これらデータでおおよその当たりをつけて
製作し、最終的には実測、となります。

お礼

回答頂きありがとうございます。

まさに、頂いた回答が私が行き詰った内容です。

外装部品（TOP CASE）をヒートシンクとしての機能を持たせた物として、設計したいと考えておりますが、いろいろいと調べていくうちに、外装形状がどのような形であれば熱抵抗がどの程度になるかが求められなくて困っていました。

やはり、計算では出せずにあたりをつけての実物確認で進めなければならないのですね。

ありがとうございました。

回答No.2

noname#230359

言葉の確認です。
　外装＝LEDパッケージ（LEDが直接実装されているもの）
　外装＝ヒートシンク（LEDパッケージが実装されているもの（基板を介して））

のどちらになりますか？
おそらく後者として、計算します。（前者はおそらく不可能でしょう）

LEDが購入品ならば、購入元よりLEDの熱抵抗が示されているはずです。

熱抵抗は各媒質間で求めます。
　１．LEDジャンクション-LEDパッケージ間　T(j-p)　[℃/W]　銀ペや半田含む
　２．LEDパッケージ間-ヒートシンク間T(p-h)　[℃/W]　半田、実装基板、絶縁シート含む
　３．LEDヒートシンク-雰囲気温度間　T(h-a)　[℃/W]
データシートでは、３が得られ、ヒートシンクメーカーからは３が得られます。
２は、シミュレーションや実測で求めます。
たとえばルミレッズのルクシオンならば　１と２の半田までの合計で１５[℃/W]です。
この熱抵抗は、LEDのジャンクション温度が絶対最大値を超えないようにする設計の指標となります。
http://www.lumileds.com/pdfs/AB05.pdf

　今、投入電力が12Wで、そのうち熱に変わるのは９０％程度あります。
　普通は余裕度として、そのまま１２Wで計算します。

　ヒートシンクの熱抵抗が３[℃/W]　とすると、

雰囲気温度が２５℃で、　３[℃/W]　×　１２[W]　＝　３６℃
この時点で、ヒートシンクの温度が　２５＋３６＝６１℃　となり、５０℃以下になりません。
従って、ヒートシンク温度を５０℃以下にしたい場合は逆に計算し、
　ヒートシンクの熱抵抗（３．）を２．０８[℃/W]以下にする必要があります。

２．０８[℃/W]以下のヒートシンクは非常に大きなものになります。
http://www.lex.co.jp/Product/heatsinks/startH.html
http://www.lex.co.jp/Product/heatsinks/Mmenu.html

５０℃以下は非常に厳しい数値と思います。
おそらく小型にするには強制空冷（熱抵抗がマイナス）が必要でしょう

ちなみにヒートシンクを触ってみて、１秒くらい我慢できる温度がだいたい７０℃です。
パワーLEDは普通に使用してすぐにその温度を超えます。
これは、ジャンクション温度が120℃あたり（150℃などメーカーにより違う）まで使用できるからです。

お礼

回答頂きありがとうございます。

言葉足らずで申し訳ありません。
外装＝ヒートシンクで検討してました。

上記のわかりやすい説明ありがとうございます。