風洞試験 (風速計校正)の需要性

多くの電子コンポーネントでは、温度とともに故障率が上昇します。この問題は設計者を悩ませます。なぜなら、トランジスタの実装密度が高まり、デバイスの1 cm2あたりの仕事率が、かつてより上昇しているからです。CFDモデリング技術により、コンポーネント分散や、ヒートシンク／ファンの追加など、放熱対策の有効性を予測できますが、やはり試験は欠かせないステップです。 

一部のコンポーネントや基板について、ベンチ試験で十分な場合もありますが、より良いアプローチはコンポーネントを風洞に入れることです［Network Equipment Building System（NEBS：ネットワーク機器構築システム）基準では、風洞試験を要求］。風洞試験は、一般的に空気力学との関連で考えられますが、電子部品の試験方法としても重要です。例えば、ファン冷却の効果を評価するために空気流を管理できるのは、風洞だけです。 

この記事では、試験所風洞の利用法を考察します。主に、電子部品の試験に注目しますが、校正におけるその役割についても言及します。各セクションの内容は以下のとおりです

トランジスタの実装密度は、マイクロプロセッサがより電力を消費し、より発熱する方向に進んでいます。信頼性の高い動作に冷却は欠かせないため、ヒートシンクは大型化し、冷却ファンはパワフルになり、ヒートパイプがより一般的になっています。しかし、プロセッサだけが熱源ではありません。能動型の電子コンポーネントはすべて発熱し、現代の回路設計は、これらのコンポーネントを高密度で実装しています。

電子コンポーネントの信頼性は、動作温度に反比例するので、温度が高くなると、より冷却が必要になります。長期間の信頼性を維持するために、コンポーネント接合点の温度は75°C未満に維持する必要があります。歴史的に、冷却の基本方法は、対流と強制空冷です。信頼性が最大の関心事でないデバイスの場合、対流と強制空冷で十分でしたが、発熱の高まりがこれを変えました。 

一部の用途、特に保証期間と寿命が長い場合、非常に高い信頼性が求められます。コンポーネントへのアクセスが困難で高コストの場合、あるいはダウンタイムがコストを急騰させるか、収益を失わせる場合などが考えられます。このような産業分野として、公衆交換電話網（PSTN）があります。Bell、現在のTelcordiaなどの企業は、20年以上にわたり電子コンポーネントの信頼性を実現することに注力しています。

ネットワークスイッチを長期間にわたり高い信頼性で動作させるために、1970年代、ベル研究所は、今日NEBS基準として知られる一連の規格を策定しました。今日、より適切にはGeneric Requirements（GR）と呼ばれ、通信機器の性能を管理する主要標準として存在し続けています。FCCは、PSTNに対して非常に高いレベルのアップタイムを求め、これがNEBS策定の原動力でした。ワイヤレスネットワークにおいて、この基準の利用は強制ではありませんが、非常に高い信頼性が実証されているため、システムオペレータはその利用を好みます。 

長年にわたり、他の国々においても類似の基準が採用されています。例えばEU内で、NEBSに相当するのは、欧州電気通信標準化機構（ETSI）基準です。

すべての開発プロセスにおいて、問題を早期に、好ましくは、治工具や製造に投資する前に発見することが重要です。早期発見により、試験不成功のリスクを低減できます。試験の失敗は、高コストで余裕のない再設計や発売遅延につながります。電子部品設計において、発熱の懸念は大きな要素なので、実際にコンポーネントや基板を製造する前に、CFDモデルを作ることが一般的になりました。CFDモデルは、競争の激しい設計において熱の流れを作り出し、信頼性向上に貢献します。 

ただし、モデリングをどれほど実行しても、やはり検証は欠かせないステップです。このような場合、風洞は機器の大切な一部になります。 

試験所風洞では、コンポーネントや基板を空気流の中に設置し、熱電対を備えることができます。基板またはコンポーネントに電源を投入して発熱試験を実施し、その温度を記録してモデル予測と比較できます。あるいは、競合するプロトタイプ設計を隣同士に並べ（ヒートシンクなど）、直接性能を比較することもできます。一部の風洞は、多様な環境条件で、空気を指定温度に加熱して性能を試験できます（これは、冷却システムなしでバッテリ電源に高い信頼性が求められるNEBSに重要です）。

試験所風洞は、CFDモデリングの検証を超える利用法があります。空気／温度センサの校正、さらに風速計の校正に使用できます。風速計には、風車タイプ、熱線、あるいはピトー管などがあります。

試験所風洞についてもう一つの校正利用として、ファンのP-Q曲線の生成があります。P-Q曲線は、ファンの性能を特徴づけるので選択基準として重要です。

風速計校正用の風洞は、大型チューブで内部を空気が流れます。そして、空気を動かすためのファンを備えています。ファンは、空気流をスムーズにするために整流板を備えなければなりません。試験時、測定器は風洞の中央に配置され、動かないように固定されます。 

風速計の校正では、考慮すべき要件がいくつかあります。

また、風洞に対する特殊要求事項もあります。風速計の存在が、風洞内の空気の流れに大きな影響を与えてはいけません。風速計がカバーするエリアの空気の流れは、均一であることが必要です。空気流の道を著しくゆがめる、あるいは遮断する風速計には、通常、補正率を適用します。設備の繰返し性を保証するために、基準風速計を5回校正する必要があります。これら校正間の最大差は、風速10 m/sで0.5%未満であることが求められます。設置構成は、特にロータ径に対して風洞径の比が大きい場合、測定器の感度に大きな影響を与える可能性があります。

基準となる風速測定機器の存在が、風速計に影響を受けないことが重要です。

今日、市場に存在する試験所風洞は多様です。コンパクトで安価な風洞から、研究品質のものまであります。すべてが、ハニカム構造など乱流を抑える特徴を備え、高い精度と繰返し性を実現しています。 

回路基板、ヒートシンク、コンポーネント、そして風速センサ校正の熱評価用の風洞があります。透明なポリカーボネート製試験チャンバで、断面積が43 x 8.25 cm、最大5 m/sを発生する4枚のファンを備え、同梱のUSBケーブルを使用してPCによる正確な空気流制御が可能なソフトウェアを利用できます。

NEBS試験に理想的で、試験所グレードのベンチトップ型閉ループ風洞は、空気を部屋内に放出するのではなく再循環させます。温度上昇が早く、熱安定性にすぐれているので、高温の空気内で基板やコンポーネントを試験する場合に利点があります。ポリカーボネート製の試験セクションの大きさは、41.8 x 22.5 x 8.9 cmです。コントローラにより、最大風速7 m/sまでプログラム可能で、空気は、精度±1°Cで85°Cまで加熱できます。 

より大型の開ループ型風洞は、プレキシガラス製の試験セクションの大きさが60.9 x 40.6 x 8.2 cmで、2個のヒートシンクを横に並べて配置できる大きさです。ファンがトレイ設置タイプなので、交換することで最大10 m/sの空気流を出力できます。また開ループ設計を利用して、P-Q曲線の生成、そしてPCBとコンポーネント試験を実施できます。

わずかに大型のユニットは、完全制御式風洞で、複数のPCBに対して熱と空気流試験を実施します。一度に最大6枚のPCBを収容でき、熱流分布と圧力降下の特徴を試験できます。プレキシガラス製の試験セクションの大きさは、60.9 x 46.9 x 7.6 cmです。最大10 m/sの空気流が可能です。ファンがトレイ設置タイプで、交換することで必要な空気流を出力できます。

試験所風洞の主な利用法は、電子コンポーネントとPCBの熱性能モデリングの特徴づけと検証です。このことは、信頼性の高い動作を実現する低温を確保するために、特に、NEBSまたは類似の基準の対象であるハードウェアにとって非常に重要です。