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[書籍] 小型化・集密化する電子デバイスを支える 熱輸送・冷却技術の進化と新展開



小型化・集密化する電子デバイスを支える
熱輸送・冷却技術の進化と新展開

- 進化するサーマルソリューションの技術開発動向・応用展開と製品化事例 -

新規電子デバイスの開発や、既存製品の小型化・高性能化に立ち塞がる発熱・放熱問題
電子デバイスの小型化に反比例して増大し続ける排熱をどのように輸送し・冷やすのか。 
実用技術の進化から、次世代の熱輸送・冷却技術の最新の開発動向を網羅した一冊です。

発刊日 2021年3月24日
体          裁 B5判並製本  約180頁
価 格 ( 税込 )  49,500円
 定価:本体45,000円+税4,500円
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発         行 サイエンス&テクノロジー(株)
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I S B Nコード 978-4-86428-241-3
C  コ   ー   ド C3058

日進月歩で進化する小型電子デバイスを支える"サーマルマネジメント技術"を徹底解説。

◎更なる高機能化を目指し進化するヒートパイプの開発動向とその高機能化
 自励振動型 / ループ型の開発とその薄型化、並列細管熱輸送デバイスの開発動向を網羅。

沸騰冷却技術の原理と開発動向、実用化に向けた課題
 電界印加による沸騰熱伝達の高機能化・高効率化技術の開発動向を解説。

磁性流体の特性・物性の基礎からサーマルマネジメントデバイスへの応用展開
 事例として、電源フリーの磁性流体循環熱輸送デバイスの開発動向を掲載。

電気流体力学(EHD)現象を利用した熱輸送デバイスの開発
 EHD 流動の動作原理を徹底解説。液単相流や気液二相流での応用についても紹介。

表面フォノンポラリトンを利用する熱輸送・冷却技術
 新しい熱輸送現象として注目される「表面フォノンポラリトン」の原理とは。

◎5G対応スマートフォンおよびミニ基地局の放熱対策部品の事例
 次世代通信規格「5G」対応に伴う電子デバイスの放熱部品の変化を実際の製品分解写真をもとに解説。

[書籍] 小型化・集密化する電子デバイスを支える 熱輸送・冷却技術の進化と新展開

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49,500円 (税込)

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著者

麓 耕二  青山学院大学
望月 正孝 The Heat Pipes
長野 方星 名古屋大学
齋藤 博史 東京都立産業技術高等専門学校
海野 徳幸 山口東京理科大学
鹿野 一郎 山形大学
藤井 泰久(株)KRI
西川原 理仁 豊橋技術科学大学宮崎 康次九州工業大学
柏尾 南壮(株)フォーマルハウト・テクノ・ソリューションズ



趣旨

 近年、新規電子デバイスの開発や既存製品の更なる小型化・集密化が求められる中、電子デバイスの故障や信頼性の低下に直結する発熱・放熱問題の対策が喫緊の課題となっており、高度な熱輸送・冷却技術の開発が急務となっています。一例としてスマートフォンに着目すると、次世代通信規格「5G」の導入に伴う情報通信の高速化・大容量化や高機能化、IoT機器の同時接続・処理数の増加などにより、旧型の端末機器と比較し発熱量が急増しています。そのため、従来の熱対策技術では到底賄いきれず、対策としてアプリケーションプロセッサ(AP)/メモリ(DRAM)/ディスプレイなど、各種パーツの一つ一つにサーマルマネジメント技術が必要となっています。

 本書は、各種電子デバイスの発熱・放熱問題解決の一助となりうる熱輸送・冷却技術について、従来から実用化が進められ、近年更に進化を続けている「ヒートパイプ」をはじめ、「沸騰冷却」「磁性流体」「電気流体力学(EHD)」を利用した各種熱輸送デバイスの原理・開発動向から高機能化について、専門家による解説を幅広く掲載しました。加えて昨今、新しい熱輸送現象として注目を集めている「表面フォノンポラリトン」による熱輸送現象に基づく新たな試みや、「5G対応スマートフォン / ミニ基地局」の放熱対策部品について、具体的な製品事例を紹介しています。

 本書が電子デバイスの発熱・放熱問題を解決する一助となり、電子デバイスの更なる開発・発展のお役に立つ1冊となれば幸いです。
(書籍企画担当)

第1章 小型化する電子デバイスと求められるサーマルマネジメント
    1. サーマルマネジメントについて
    2. サーマルマネジメントのための各種技術

     2.1 放熱材料
     2.2 熱エネルギー変換材料
     2.3 蓄熱技術と蓄熱材料
    3. 小型化・集密化する電子デバイスのサーマルマネジメント
第2章 ヒートパイプの開発動向
第1節 ヒートパイプの基礎と超薄型サーマルソリューションの開発動向
    1. ヒートパイプの基礎
     1.1 原理,構造
     1.2 ヒートパイプの作動限界
      1.2.1 粘性限界
      1.2.2 音速限界
      1.2.3 毛細管限界
      1.2.4 飛散限界
      1.2.5 沸騰限界
     1.3 使用温度範囲
     1.4 作動流体・容器材料の適合性
     1.5 ヒートパイプの設計
      1.5.1 作動流体の選定
      1.5.2 容器の設計
      1.5.3 ウイックの設計
      1.5.4 ヒートパイプの熱設計(ヒートパイプの熱抵抗の算出)
     1.6 ヒートパイプの応用分野
    2. 超薄型サーマルソリューションの開発動向
     2.1 開発動向
     2.2 カーボングラファイトシート(Gr)
     2.3 超薄型ヒートパイプ(HP)
     2.4 超薄型ベーパチャンバー(VC)
     2.5 ループヒートパイプ(LHP)
     2.6 自励振動型ヒートパイプ(PHP)
    3. 等価熱伝導率(Keff)による薄型伝熱素子の総合評価

第2節 自励振動型ヒートパイプの開発動向
    1. PHP の動作原理
    2. 各種パラメータによる熱輸送性能への影響

     2.1 流路形状とターン数(チャンネル数)
     2.2 作動流体の物性値と封入率
     2.3 設置姿勢と各種寸法割合
    3. PHP に関する既存の研究
    4. 研究事例の紹介

     4.1 従来型ヒートパイプと自励振動型ヒートパイプの比較
     4.2 小型PHP への挑戦
    5. 応用技術としての可能性

第3節 高機能ループヒートパイプ開発動向
    1. ループヒートパイプの概要
     1.1 ループヒートパイプの特徴
     1.2 ループヒートパイプの歴史
     1.3 ループヒートパイプの原理
    2. 研究開発動向ならびに研究開発事例
     2.1 高熱流束ループヒートパイプ
     2.2 超小型ループヒートパイプ
     2.3 大型ループヒートパイプ
     2.4 長距離ループヒートパイプ

第4節 極薄ループヒートパイプの開発動向
    1. ループヒートパイプ薄型化への期待
    2. 薄型ループヒートパイプの研究開発事例


第5節 相変化型並列細管熱輸送デバイスの研究開発の動向
    1. 並列細管熱輸送デバイスとは
    2. 並列細管熱輸送デバイスの構造および熱輸送特性評価実験装置

     2.1 基本構造
     2.2 封入作動流体
     2.3 熱輸送特性評価実験装置
    3. 並列細管熱輸送デバイスの熱輸送特性
     3.1 封入率が熱輸送特性に与える影響
     3.2 形状・寸法が熱輸送特性に与える影響
     3.3 設置角度が熱輸送特性に与える影響
     3.4 作動流体の種類が熱輸送特性に与える影響
     3.5 内部流動の評価
     3.6 熱輸送量と内部流動の同時計測および流動様式の判別
    4. 並列細管熱輸送デバイスの応用
第3章 沸騰冷却技術の開発動向
第1節 沸騰冷却技術の基礎と開発動向
    1. Society5.0時代における冷却技術の必要性
    2. 半導体デバイスとその冷却技術の歩み
    3. 沸騰冷却技術の基本原理

     3.1 冷却電力削減を目指したプール沸騰方式
     3.2 超高熱流束除去を目指した強制流動沸騰方式
    4. 沸騰冷却技術の実用化に向けた課題
     4.1 気泡核生成とオーバーシュートの問題
     4.2 半導体デバイス温度低減のための熱伝達率の更なる向上
     4.3 最大冷却限界を決める限界熱流束
    5. 沸騰冷却技術の開発動向

第2節 電界印加による沸騰熱伝達の高機能化
    1. 沸騰熱伝達促進技術
    2. 電気流体力(EHD)による体積力
    3. 冷媒の選定とダイヤモンド粒子電着によるプール沸騰熱伝達促進技術
    4. 電界印加によるプール沸騰熱伝達促進
    5. 電界印加によるサブクール流動沸騰熱伝達促進

第4章 磁性流体の開発動向
第1節 磁性流体の基礎と開発動向
    1. 磁性流体の歴史
    2. 磁性流体の製法
    3. 特性と各種物性値

     3.1 磁性
     3.2 レオロジー特性
     3.3 特殊な性質を持った磁性流体
    4. 工業的応用とサーマルマネジメントデバイスへの利用
    5. 磁性流体を用いた熱輸送デバイスの今後

第2節 電源フリーの磁性流体循環熱輸送デバイスの開発動向
    1. 磁性流体駆動式冷却デバイス
     1.1 背景
     1.2 磁性流体
     1.3 デバイスの構成
     1.4 駆動原理
     1.5 駆動性能の進化
     1.6 デバイスの性能
     1.7 想定される応用例
    2. 今後の応用開発
     2.1 磁性流体駆動式冷却デバイスのまとめ
     2.2 研究プロジェクト
第5章 電気流体力学(EHD)現象を利用した熱輸送デバイスの開発動向
    1. 序論
    2. EHD 流動

     2.1 動作原理
      2.1.1 絶縁性液体での電気伝導
      2.1.2 イオンドラッグポンプ
      2.1.3 コンダクションポンプ
      2.1.4 インダクションポンプ
      2.1.5 誘電泳動力
      2.1.6 液面上昇
      2.1.7 数元効果
     2.2 液単相流での応用
      2.2.1 イオンドラッグポンプの開発と温度依存性
     2.3 気液二相流での応用
第6章 表面フォノンポラリトンによる熱輸送技術
    1. 表面フォノンポラリトン
    2. 熱伝導率と熱拡散率測定方法
    3. SiO2超薄膜の作製
    4. 熱伝導率と熱拡散率測定結果

第7章 5G 対応スマートフォンおよびミニ基地局の放熱対策部品の事例
    1. 放熱の理由
    2. 放熱の激しい電子部品
    3. 放熱対策のバリエーション
    4. 放熱対策部材のバリエーション
    5. 5G 対応スマートフォンにおける放熱対策部材の事例

     5.1 エラストマー
     5.2 炭素黒鉛シート
     5.3 銅箔
     5.4 熱伝導パイプ(ベーパーチャンバー)
     5.5 スマートフォンを使ったライフスタイルの変化
    6. ミニ基地局における放熱対策部品の事例
     6.1 ミニ基地局とは
     6.2 基地局市場
     6.3 スモールセルが必要な理由
     6.4 ミニ基地局の概要
     6.5 ミニ基地局の中身
     6.6 放熱部材
     6.7 結論


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