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プラスチックケース内に機器を収容しときの放熱対策として、アルミ板をケース内外に取り付けてみました。Raspberry Pi Zero Wへ対応する準備が出来たので、紹介します。

前回、タカチのプラスチックケースLC115H-N-DへRaspberry Pi Zeroを収容しました。Raspberry Pi Zeroの消費電力は80mA(0.4W)ほどと低いのですが、発熱をともなう部品であることには変わらないので、放熱対策が必要です。
前回の記事(タカチのプラスチックケースLC115H-N-D):
はじめに対策方法について説明し、後半で対策効果と検証結果について説明します。

発熱対策の方法

プラスチックケースの上部にアルミ板を取り付けて放熱します。また、内部にはRaspberry Pi Zeroからケース上部への熱路を作りました。

イメージ 1
ケースの上部にアルミ板 40mm×30mmを取り付けた

イメージ 2
ケース内部にもアルミ板を取り付け、Raspberry Pi Zeroと熱伝導シートなどで接触させる。

対策効果を確認する

Raspberry Pi にはCPU内部の温度を測定する機能があります。CPU内部の温度と室温との差を測定すると、ケースの熱抵抗が求まります。熱抵抗が下がれば効果ありと判断することが出来ます。

熱抵抗 = (CPU内部温度−室温) / 消費電力 [℃/W]
以下は、測定時の様子です。左側が温度計、右側が測定対象機器です。右側の機器の液晶の下段の数値がCPU内部温度です。

イメージ 3
室温とCPU内部温度を測定しているときの様子。室温26.3℃、CPU42.8℃、消費電力0.6Wから熱抵抗は27.5℃/Wであることが分かった(撮影時)

記事の順序は前後しますが、あらかじめ製作前に対策前の熱抵抗についても求めておきました。比較結果は以下の通り、放熱対策による効果が確認できました。
          状 態  室温  CPU温度  熱抵抗
          対策前 25.0 ℃  42.8 ℃  29.7 ℃/W
          対策後 25.8 ℃  41.2 ℃  25.6 ℃/W (4.1℃/Wの改善)

対策効果の検証

最後に追加した放熱器の性能を推定することで、対策効果の検証を行います。とはいっても、かなり荒っぽい検証です。考え方だけ、参考にしていただければと思います。

熱抵抗が下がったのは対策した放熱器が、元のケースの熱抵抗に対して並列に入ったためです。
熱抵抗は、その名の通り抵抗と同じように計算することが出来ます。すなわち、29.7Ωの抵抗と未知の抵抗の並列接続で25.6Ωの抵抗値が得られたことと同じであり、以下のようになります。

          放熱器の熱抵抗 = ( 29.7 × 25.6 ) ÷ ( 29.7 - 25.6 ) = 185 ℃/W
一見するとケースよりも高い熱抵抗というのは妙に感じるかもしれません。
ケースよりも高いのは、ケースに比べて面積が5.5分の一ほどだからです。比較のために5.5分の一にすると33.6℃/Wになります。それでも、ケースよりも高いのは元のケースの面積が減ることを無視しているからです。元のケースの29.7℃/Wの5.5分の一は5.4℃/Wに相当し、この分を考慮すると追加した放熱器の性能は、28.2℃/W相当と換算でき、元のケースを下回ります。

なお、本記事で示した「ケースの熱抵抗」、「放熱器の熱抵抗」には、CPUとRaspberry Piの基板との熱抵抗や、基板から放熱器までの熱抵抗も加算された値を示しています。実際には、CPU〜Raspberry Piの基板間のほうが大きいみたいです(最後の写真にケース内の温度の目安を示しています)。

※現時点では、Raspberry Pi Zero Wは国内の電波法への適合が受けれれていませんので、本ブログでは、Raspberry Pi Zero Wのアンテナ部を51Ωのダミー抵抗に置き換えて確認しました。

by ボクにもわかるRaspberry Pi

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