| CPUクーラーは冷えてもcoreは熱い −−−−−−− 熱流解析ソフトによる伝熱確認 −−−−−−−− |
６／１８更新
だんなさんの２次元FEMによる定常熱伝導解析に触発されて、 Z-flowという、三次元熱流体シミュレーションソフトウエアのデモ版で、伝熱解析を試みた。今までは、こんなもんかな．．．と適当にイメージして、いざ完成してみると、ダメだったなんてことは、よくある話。 実際に制作に掛かる前にシミュレーションしておくと、無駄がない。 何のことかよく解らないで適当に操作したら、こんな結果が出てしまった。 伝熱工学については全くのド素人、結果については責任は持てないが、何かの参考になればと思いアップした。 |
| z-flowに慣れるため、手頃なバッファ板の解析をやってみた。 |
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結果は、下図の通り 全水準共に未収束ながら、６ステップ以降 CORE中心の温度は殆ど変化しないので、温度については定常化したと考えて良い。 空気の自然対流も含むように、流れの計算も入れておいたので、収束しないのは当然か．．．．． CPUコア中心の温度は、Ｅ２＜Ｅ１＜Ａ２＜Ａ１＜Ｂ１＜Ｂ２＜Ｄ１＜Ｄ２＜Ｃ１＜Ｃ２ 純空冷といえども、やはりバッファは使用した方が良い。 温度分布で熱伝播の状況を見ると、ヒートシンク中心と外周では、結構大きな温度差が発生してることに気付く。 ヒートシンク全面に熱伝播させ、ヒートシンク全体を上手く機能させるのがポイントのようだ。 つまり、ヒートシンクのベースは厚い方が良いし、熱伝導率の大きい材質が良い。 今回のケースでは、バッファ板もある程度の厚さが必要だが、 ある程度の厚さがあれば、厚さよりも面積が良く効く傾向が確認できた。 ベースの薄いヒートシンクをお使いの方は、バッファで補うことを考えよう。 安定板が有る方が良く冷える場合と、無い方が良く冷える場合がある不思議な結果となった。 安定板がSocketに熱を分散させ、場合によってはSocketに熱が溜まる現象によるものか．．．．． 効果が有るといっても僅かに0.5〜1℃程度、しかも100Wでだ。 正に安定板の名称がピッタリで、材質に拘る必要もなかろう。 流れるのが流体なら、澱み無く流れる截角錐の形状、 ところが、熱流と流体との流れの違いであろうか、截角錐は全く振るわなかった。 熱というのは、直線的にかつ 最短距離で流れるものでは無いようだ。 熱エネルギ熱密度の高い方から低い方へ、また熱抵抗の少ない経路を通って、ごく自然に流れて行く。 Zflowの熱計算プログラムに、熱伝導率の温度補正が組み込まれているかどうかは知らないが、 私の知る限りでは、炭素を除き、温度が高くなるにつれ、僅かながら熱伝導率は低くなる。 結果に影響する程では無いにしても、熱の流れが悪ければ、ますます流れにくくなる。 なお、この原因については、格子数制限のため、截角錐部に格子数が集中し、それ以外の部分が粗になり、 うまく計算されていない可能性も、完全には否定できないので、 後日、Ｚｅｐｈｙｒ社にお願いして、製品版で再計算して頂きます。 ・・・・・結果が全く変わる可能性は殆ど考えられないが..... 余談だが、 canopusのfirebirdというヒートシンク、ヒートプリズムとかいう断面形状は、CPUコアからの熱伝播形状そのもの、 流石にcanopus、ひと味違う、理にかなってる。 肉の厚いフィン形状も手伝って、ヒートシンク全体に効率よく熱伝播し、FANで熱を吹き飛ばす。 計算し尽くされた究極の設計と言っても過言では無い。 次々と奇抜なデザインのヒートシンクがデビューする中で、 まともにシミュレーションして作られたものは、これだけではなかろうか．．．．． 当初、ベース厚さ5mm、熱抵抗0.3K/Wの適当なヒートシンクモデルで計算したが、 ヒートシンクのみだとCPUが仮死状態になる温度になってしまった。 そこで、熱抵抗等のデータを公開しておられるアルファのデータを拝見して、厚みのあるヒートシンクのベースと その性能の高さを再認識した。 私の出した結論 ・バッファは広くて、厚さのあるものを使え。 ・アルファとcanopusのヒートシンクは素晴らしい。 ・ベースが薄くて、フィンも薄くて長いやつは見かけ倒し、 見た目や風評でヒートシンクを選ぶべからず。 純空冷の方で、私のシミュレーション結果に賛同して、バッファ付けたら効果があった方は、是非、冷却結果掲示板に書き込み願います。m(__)m |
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 − 以下 ６／１８更新 − 初回のシミュレーションでは、截角錐のバッファが殆ど効果が無い結果であった。 截角錐型には、影響力のある面々や雑誌までもが、一様に高い評価を与えおり、格子制限付きシミュレーションの結果では、実物での評価に勝るものではない。 截角錐型が立方体以上の伝熱性能となることは考えられないが、格子数制限の関係で過小評価になっている可能性があるので、再検証のためモデルを修正し、 再度シミュレーションする。 （なお、Ｚｅｐｈｙｒ社にモデルは送ってあるが、現時点では、再計算の結果は得られていない。） 問題点） Z-flowデモは、無償のデモ版だから、格子数10000以下の制限があり、格子の割付調整が出来ないという制限がある。 このため、制限の範囲内で、出来るだけ対象に,、かつ均等になる分割数を入力してモデルを設定したが、截角錐型の場合、截角錐自体が結構な数の固体となり、 自動的に固体界面に分割されるため、截角錐部で格子数が密となり、それ以外の部分が粗になって計算結果に影響していると考えられる。  対策） モデル間で格子割付数及び割付ピッチに差が出ないように、次の対策をおこなった。 １．格子数１００００個以下の制限で、ある程度密に割り付けるため、モデルの簡素化を行い、PCケースの鋼板及びM/B板部を省略、空間部分を少なくし、 □120mm→□90mmのモデルに修正した。 ２．截角錐型の格子割付を基本に、割付が全く同じになるよう、CPUベース部を細かな固体の集合で定義し、ヒートシンクベース部も1.75mm×４枚重ねで固体を定義した。 計算モデル） A：□40mm×10mm、Cu B：□40mm×5mm、Cu C：バッファ無し D：□24mm×□40mm×5mm截角錐、Cu E：□60mm×5mm、Cu F：□27mm×□40mm×5mm懸垂曲線、Cu G：□27mm×□50mm×5mm截角錐、Cu、（□40mm×5mmとほぼ同一体積） H：□27mm×□70mm×5mm截角錐Cu Ｉ ：□70mm×5mm、Cu その他条件は、前回計算モデルと同じ 計算の結果）
A-2は600秒で計算が落ちた、ただし、core部の中心温度は、600秒までにほぼ収束しているのでそのままとした。 D-1、E-1、H-1、Ｉ-2の水準で、途中から計算不安定、計算の時間刻み幅が短いときには計算不安定となるようだ。 特にD-1、H-1については、あのカタチの神秘的なパワーが効いているとは思えないが．．．． 計算不安定のものだけ時間刻み幅を変更して再計算し、その結果も含めて、右下のグラフに熱抵抗として整理した。 安定板有りの場合 I > E > H > A > G > B > F > D > C □40mm×5mmのみで比較すると、B > F > Dであり、截角錐が優れているとは言いにくい。 ＢとＦを比べてみても、僅かではあるが、一見不要と思われる部分も、ちゃんと役に立ってるのだ、わざわざ削り落とす必要もあるまい。 結露の心配のない空冷の場合は特に、バッファ板はカタチよりも広さに拘った方が良いようだ。 Ｉ ：□70mm×5mm、Cu E：□60mm×5mm、Cu H：□27mm×□70mm×5mm截角錐Cu A：□40mm×10mm、Cu G：□27mm×□50mm×5mm截角錐、Cu、（□4cm×5mmとほぼ同一体積） B：□40mm×5mm、Cu F：□27mm×□40mm×5mm懸垂曲線、Cu D：□24mm×□40mm×5mm截角錐、Cu C：バッファ無し 安定板無し E > Ｉ > H > A > G > B > F > D > C 安定板の有無で殆ど優劣順位は変わらない、また全ての結果に於いて安定板は有効、ただし、その差は僅かである。 今回のモデル設定では、安定板の両界面は何も挟まず、熱伝導率のみで伝熱する様に設定してある。 また、コアが載ったPGAの板は適当に0.4W/mK、2200kg/m3、850J/kg・Kとして計算している。 この値については、実際にデータが無いので何とも言えないが、 実装着時には、シリコーングリースや絶縁フィルム等が界面に存在することを考えると、この効果は無いに等しいものと考えられる。 よって、安定板の効果とは、コア欠けや、平行度確保に効果があるものと考えるべきと思われる。
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| 温度分布、固体の部分がほぼ定常化してる550秒以降を掲載した。 なお、空気の部分は、温度上昇により発生する対流により、時々刻々と変化するので参考程度に見てほしい。 バッファとヒートシンクの界面で温度分布に変化が出ているのは、厚さ0.05mmのシリコーングリースの影響。 左は安定板あり、右は無し、有りの場合は、PGAの板とSocket部の温度が高くM/B側への伝熱量が多くなる。 無い場合は、熱中心がPGAの板側へ移動し、ヒートシンク側への熱伝播形状が尖ってくる。 各水準を比較して見るときに、この尖り具合と、ヒートシンクベース断面上の温度分布線の密度がポイントとなるだろう。 なお、御所望であればモデル設定ファイルサンプルの提供も行うので、z-flowデモをダウンロードして、シミュレーションをやってみるのも面白いだろう。 |
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 Ａ−１ |
 Ａ−２ |
 Ｂ−１ |
 Ｂ−２ |
 Ｃ−１ |
 Ｃ−２ |
 Ｄ−１ |
 Ｄ−２ |
 Ｅ−１ |
 Ｅ−２ |
 Ｆ−１ |
 Ｆ−２ |
 Ｇ−１ |
 Ｇ−２ |
 Ｈ−１ |
 Ｈ−２ |
 I−１ |
 Ｉ−２ |
 4cm截角錐 |
 4cm□ |
 6cm□ |
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