ハイブリッド伝導および対流冷却スイッチング電源

電子機器は熱を発生させますが、過剰な熱は効率の低下や部品寿命の短縮、さらには熱による故障の原因となる可能性があります。多くのアプリケーションではファンベースの電源が好まれますが、効率、静音性、信頼性の高い性能が最優先されるアプリケーションには好まれません。

最適な動作温度を維持するために、さまざまな冷却方法が用いられていますが、それぞれにトレードオフがあります。従来の電源は、ファンを使用して発熱部品全体に積極的に空気を送る強制空冷、またはヒートシンクと空気流を利用して熱を放散させる受動対流冷却のいずれかに頼っています。その他のオプションとして、伝導冷却や液体冷却などがあります。

TRACO Powerは、産業用、医療用、電気通信向けのファンレス電源ソリューションのシリーズを提供しています。同社のTCIシリーズは、熱関連のエネルギー損失を低減し、連続運転時のシステム信頼性を向上させる、高度な熱管理を実現します。適切なベースプレートを使用した伝導冷却による電源ソリューションを提供しており、対流冷却や強制空冷もオプションで利用できるため、幅広いアプリケーションに対応できる汎用性の高い製品です。

オプションの比較

各冷却方法には、効率、サイズ、コスト、信頼性においてトレードオフが存在します。電子機器の冷却システムを設計する際には、製品設計者は以下の点を考慮する必要があります。

• 消費電力の要件
• スペースの制約
• 信頼性のニーズ
• コストおよび複雑さ

適切な冷却戦略を選択することで、設計者はさまざまな電子機器アプリケーションにおいて効率、信頼性、性能を向上させることができます。アプリケーションの開発に際して考慮すべき、代表的な冷却方法には以下のようなものがあります。

• 対流：対流冷却は、暖かい空気が上昇し、冷たい空気と入れ替わるという自然な動きを利用しており、能動部品を一切使用せずに熱を放散することが可能です。低コストで信頼性が高い反面、特に密閉空間で空気流が制限される場合には、効果に限界があります。受動対流冷却は、信頼性は高いですが、大量の熱を発生させる大電力アプリケーションには適しません。
• 強制空冷：強制空冷は、ファンを使用して、熱を発生させる部品の周囲の空気を積極的に移動させ、熱放散を高めます。この方法は、産業用電源、コンピュータシステム、ハイパワーエレクトロニクスで一般的に使用されています。ファンは電力を消費し、ノイズや故障の原因となる可能性がありますが、過熱やサーマルスロットリングを効果的に防止し、厳しい環境下でもシステムの安定性を維持します。
• ヒートシンク：ヒートシンクは、熱伝導を利用して部品からより大きな表面積に熱を伝達し、熱を周囲の空気に放散させます。ほとんどのヒートシンクは、表面積を最大化するためにフィン状のデザインを採用しており、自然対流または強制対流による冷却効果を高めています。小型アプリケーションには薄型のヒートシンクもありますが、大電力消費には通常、より大型のヒートシンクが必要です。
• 冷却プレート：冷却プレートは、厚い金属ベースプレートを使用して部品から熱を伝導させ、より広い面積に熱を分散させます。
• 液体冷却：液体冷却は、部品から熱を吸収し、放散のためにラジエータまたは熱交換器に輸送する冷却液を使用する閉ループシステムに依存しています。この方法は、ファンやヒートシンクだけでは不十分な、航空宇宙、自動車、高性能コンピューティングなどの大電力アプリケーションで一般的に使用されています。しかし、液体冷却には追加の技術的な作業、複雑さ、メンテナンスが必要となります。
• 熱コンパウンド： 熱ペーストやグリースなどの熱コンパウンドは、電子部品と冷却面との間の熱抵抗を低減しますが、それ自体では熱を放散しません。これらのコンパウンドは、微細な空隙を埋めることで、熱伝達の効率を向上させ、ヒートシンク、冷却プレート、またはヒートスプレッダが効果的に機能するようにします。一部の熱コンパウンドは、機械的な留め具を使用せずに冷却ソリューションを取り付ける接着剤としても機能します。

TRACO Powerのハイブリッド設計

TRACO Powerのスイッチング電源TCIシリーズは、対流冷却と伝導冷却の両方をサポートするハイブリッドケース設計を採用しており（図1）、さまざまな熱管理戦略に対応できる汎用性の高い製品となっています。

図1：TRACO Powerのハイブリッドケース設計は、設計者に伝導冷却と対流冷却のオプションを提供します。（画像提供：TRACO Power）

伝導冷却の場合、メタルケースは、取り付けられたベースプレート、ヒートシンク、またはシャーシへの効率的な熱伝達を保証し、受動的な熱放散を可能にします。これは、ファンを使った強制的な空気流が実用的でない、あるいは不可能な密閉型エンクロージャに好ましい方法かもしれません。

密閉された内部部品は熱的に接続されており、熱の拡散を最適化し、自然対流によって余分な熱を取り除きます。屋外に設置する場合、多くの場合、ハイブリッドデザインは、ヒートシンクを追加することなく、受動冷却を可能にします。

TCIシリーズは、伝導ケースと対流ケースの長所を組み合わせることで、優れた放熱性能を実現します。従来の電源設計と同じフォームファクタで、ファンを必要とせず、大幅に高い電力レベルを生成することができます。TRACO Powerによれば、TCIシリーズは伝導冷却セットアップにおいて、定格最大出力電力の100%まで供給可能であり、ファンレスアプリケーションのセットアップに理想的な選択肢となります。

TCIシリーズのハイブリッド設計は、適切なベースプレートを使用した最適な熱伝達と、特殊なポッティングコンパウンドによる個々の部品の効率的な熱接続を実現します。この高度なコンパウンドにより、従来設計の電源システムでは実現困難であった、個々の部品のピーク効率での動作が可能になります。

TCIシリーズは、130Wから500Wの電力を必要とする伝導冷却ソリューション用に特別に設計されており、ファンレスアプリケーションに特に有効です。適切なベースプレートを使用すれば、定格出力の100%まで安全に動作させることができます。

130WのTCI 130-124-J（図2）は、効率を最大化しながら、優れた一貫した温度冷却動作を提供することに重点を置いた伝導冷却式AC/DC密閉型電源です。驚異的な92％という効率を特徴とするこのユニットの動作温度範囲は、ディレーティングなしで-30°C～+50°C、負荷ディレーティングまたは強制冷却で最大+80°Cです。保存温度範囲は-30°C～+80°Cで、寸法は80mm × 59.7mm × 43.2mm（3.15インチ × 2.35インチ × 1.7インチ）です。

図2：TRACO Power TCI 130-124-Jは130W伝導冷却式AC/DCユニット。（画像提供：TRACO Power）

240WのTCI 240-112-J（図3）は、130Wユニットと同じ動作温度範囲と保存温度範囲を特徴とします。寸法は104mm x 62.5mm x 39.2mm（4.1インチ x 2.46インチ x 1.54インチ）です。TCI130とTCI240の両シリーズは、メタルケースパッケージが標準であり、メタルシャーシまたはベースプレートに取り付けた場合、ファンなしで100%の出力が得られます。

図3：TRACO Power TCI 240-112-Jは、メタルシャーシまたはベースプレートに取り付けた場合、ファンなしで100%の出力が得られます。（画像提供：TRACO Power）

UチャンネルパッケージのTCI 500U-124U-T（図4）は、ファンなしで最大出力電力の90%まで供給できます。動作温度範囲はTCI 130およびTCI 240シリーズと同じで、保存温度は-30°C～+85°Cです。寸法は130mm x 83mm x 40mm（長さ5.12インチ x 幅3.27インチ x 1.57インチ）です。また、自動電源管理システムに統合するためのリモートオン/オフ制御や、長いケーブル配線での電圧降下を補正するためのリモートセンス入力も備えています。

図4：TCI 500-124U-Tの出力電圧は24VDCで、効率は91%です。（画像提供：TRACO Power）

TCIシリーズの熱的および電気的特性は一貫しているため、製品間のシームレスな統合が可能で、製品設計者は低ワット数設計から始めて、必要に応じて高ワット数設計に移行できる拡張性を備えています。3種類のワット定格はすべて、規制産業向けの厳しい電磁両立性（EMC）および絶縁規格に適合しています。

まとめ

ファンレス伝導冷却スイッチング電源は、産業、医療、電気通信アプリケーションにおいて、静音動作、信頼性の向上、熱管理の強化を実現します。TRACO Powerは、電力拡張性、コンパクトなフォームファクタ、広い動作温度範囲を提供するTCIシリーズで、3種類のワット定格を提供します。これらの電源は、スペースに制約のある密閉型筐体にシームレスに統合され、過酷な環境での電源管理に高い効率と熱放散を提供します。