◎電子機器キャビネットの強制対流空冷

１．はじめに
PHOENICSで、強制対流による電子機器キャビネットの冷却に関するケーススタディを実施しました。キャビネットは典型的なサーバーユニットで、内部にはPCB基板が搭載されており、その上にはコンピューターによくあるような多数の発熱チップとフィン付きヒートシンクが搭載されています。2つの吸気口から一定の空気流がキャビネット内に送り込まれ、コンポーネントを冷却した後、キャビネットの反対側にある多数の排気口から排出されます。
PPHOENICSを用いて、キャビネット内の空気の流れと熱分布、特に部品の温度を調べるための簡単なCFDシミュレーションを実行しました。このケーススタディでは、いくつかの簡略化された仮定が立てられました。

２．PHOENICS CFDモデル

モデリングの前提と方針

初期研究では放射の影響は無視できるほど小さいと判断されたため、放射を考慮しない温度のエネルギー方程式を解きました。流れは乱流であり、シミュレーションではChen-Kimの2方程式k-?乱流モデルを使用しました。しかし、ヒートシンクのフィン間のレイノルズ数の推定値は層流を示唆しており、Chen-Kimモデルは厳密には妥当ではありません。このシミュレーションでは簡略化のためこの複雑さは無視しましたが、フィン間の流れをより正確にモデル化するには更なる研究が必要です。
流れは定常状態で時間によって変化せず、キャビネット筐体は断熱状態にあると仮定します。つまり、すべての熱は出口スロットを介しキャビネットから排出されます。一部の領域で局所的に発生する可能性のある浮力の影響は、本シミュレーションでは無視されます。

物性値

キャビネット内および吸気口付近の空気の周囲温度は20℃です。キャビネットとヒートシンクの筐体はアルミニウム製で、チップとPCB基板の特性はPHOENICS PROPSファイルに新規の材料として記載します。これらの物性は表2に示されています。

表２　物性値構成

形状と解析領域

電子機器キャビネットケースには、前面に 2つの丸い吸気口があり、背面に一連のスロット付き排気口があります。ケース内では、1W から 20W までのさまざまな熱放出チップが PCB ボード全体に広がっています。ヒートシンクはベースと、間に小さなチャネルがある多数の垂直フィンで構成されており、これらは 20W チップの上に直接配置されています。 PHOENICS の組み立て図を図1に示します。CAD オブジェクトからインポートされたキャビネットの両端を除き、形状は PHOENICS で通常使用できる基本的な幾何形状によって作成されました。簡単のため、システムへの強制流れをシミュレートするために、ケース外側の領域の端に1つのINLETオブジェクトを配置しました。また各スロットの平均温度を記録できるように、ケースからの各スロットの後ろに個別にOUTLETオブジェクトを配置しました。
キャビネットのサイズは約20cm×11cm×4cmです。

境界条件

電入口は、一定速度2m/s、乱流強度5%で一定と定義されています。入口から領域内に流入する空気の周囲温度は20℃に設定されています。

図１　PHOENICSにおける形状設定

メッシュ分割

140x40x140セルの直交座標系浸漬境界メッシュ（SPARSOL）を使用しました。このメッシュは本問題に対してやや粗いため、本研究ではそれ以上のグリッド細分化は行いませんでした。フィン間の細い流路に十分な数のセルを確保するには、フィン1枚あたり（幅方向に）少なくとも2セル、流路内には3セルが必要です。そうでなければ、フィン間の解は壁関数に完全に依存することになり、現実的な解にはなりません。

３. 結果と考察

キャビネット内の平均予測温度は49.8℃で、領域内では最高温度99.5℃に達します。この最高温度は20Wの加熱電力を持つチップで、最も高温となる部品で平均温度96.3℃を示しています。流入温度は周囲温度の20℃であり、排気口からの平均出口温度は41.5℃です。
2つの吸気口から2本の高速気流が直接噴出し、冷気がキャビネット内に送り込まれます。これらの吸気口からの気流が直接吹き出すエリアの外側は速度が低く、常に更新される吸気流に比べて大幅に加熱されます。
複数の細いスロットを備えた出口構成の性質上、一部の空気はキャビネットから出ることができず、メインの流れに戻って循環します (図 3)。
ヒートシンクの平均温度は95.2℃で、搭載されている20Wチップの温度をわずかに下回っています（図4）。空気の流れが強い側（左端の吸気口から直進する側）では40〜75℃と低い温度を示していますが、反対側（吸気口からの直進方向から外れ、風速がほぼゼロ）では100℃近くまで温度が上昇しています。これは、冷却側ではフィンに沿って一定の冷たい空気の流れが流れているため、当然の結果です。
予想通り、PCBボードの最高温度は、最も高温のチップが搭載されている部分で99.4℃に達します。しかし、ボード全体の平均温度は77.8℃と、大幅に低くなっています。これは、ボードの前端が吸気口からの一定の空気の流れによって冷却されているためです。
流れ場内の圧力はほぼ一定ですが、流れがヒートシンクに衝突する場所に滞留圧力の領域が現れ、出口の近くにも滞留圧力の領域が現れます。

４. 結論

電子機器キャビネットの強制対流空冷に関する本研究において、PHOENICSの計算結果は、概ね予想通りの全体的な気流パターンを示しています。キャビネット内を流れる2つの主要な気流はヒートシンクとの接触によって遮断され、（排気口のスロット面積が小さいため）排気口付近とヒートシンク後流で若干の再循環が見られます。領域内で最も高温になるのは、発熱量が最も高いチップと、その上に配置されたアルミニウム製ヒートシンクです。これは、ヒートシンクが設計通りに機能し、搭載されているチップから熱を奪っていることを示しています。
更なる研究としては、IMMERSOLのような放射モデルを用いて、放射が冷却に与える影響を調査することが挙げられます。フィン間の解析精度を向上させるために、LVELモデルのような代替乱流モデルを検討することも考えられます。LVELモデルは、小さなチャネル内の流れをよりよく捉える可能性が示唆されています。最後に、メッシュを細かくすることで、フィン間の解像度が向上し、熱伝達の推定精度とヒートシンク全体の圧力損失も向上します。

図２ 吸気口中心断面温度コンタ図

図３ 吸気口からの流線図

図４ ヒートシンクの温度表面コンタ図