ヒートシンクの設計を最適化する：原則と4つの実用的なヒント

高性能電子機器に対する需要の高まりにより、高速マイクロプロセッサと高トランジスタ密度を備えた高度な電子機器が製造されています。このような電子機器のコンポーネントのこの技術的変更により、動作中の熱負荷が増加しました。したがって、適切なヒートシンク設計を備えた熱管理システムは、電子機器の最適なパフォーマンスを確保するために理想的です。

電子機器のシステム障害を防ぎ、効率的な熱放散を保証するために、ヒートシンクは電子機器に冷却効果を提供するのに理想的です。したがって、この記事では、ヒートシンクはどのように機能するのかという質問に答えます。また、ヒートシンクの重要性、ヒートシンク設計の基本、および最適な電子機器のパフォーマンスのためにヒートシンク設計を最適化する方法についても説明します。さっそく飛び込みましょう。

ヒートシンクの設計の基本

ヒートシンクは、補助冷却を提供することによって電気部品の過熱を防ぐために電子機器で使用される機械部品です。電気部品（通常はパワートランジスタ）から周囲の環境に熱を放散します。この環境は、最も一般的には、空気や液体冷却剤などの低温の流体媒体です。

ヒートシンクは通常、トランジスタまたはプロセッサにあります。メーカーは、電子機器からエネルギーを放散するために、内蔵ファンを取り付けています。ただし、すべてのヒートシンクがファンに接続されているわけではありません。ファンが取り付けられているものは「アクティブヒートシンク」であり、ヒートシンクがないものは「パッシブヒートシンク」と呼ばれます。

ヒートシンクを使用することの重要性

ヒートシンクは、電気部品の過熱を防ぐ能力があるため、ほとんどの電子製品で重要です。したがって、デバイスは指定された温度で動作することができます。以下は、ヒートシンクが重要である他の理由です。

• 熱エネルギーの維持

ヒートシンクは、電子回路要素から周囲に熱を伝達することにより、電子デバイスの制御された熱エネルギーを維持します。

• 電子の信頼性を向上させます

ヒートシンクは、その機能によってコンポーネントの故障を防ぐため、電子デバイスの信頼性を向上させます。

• 熱も供給します

ヒートシンクは、電気回路内の温度が低下した場合に熱を提供します。

そのような重要性に基づいて、ヒートシンクは現在、多くの電子デバイスの不可欠なコンポーネントです。たとえば、それらはコンピューターの中央処理装置の一部です。

アプリケーション

ヒートシンクは、特に電子機器で幅広い用途があります。その理由は、これらのデバイスは動作中に大量の熱を発生し、温度を緩和できないためです。この発生した熱は、電子デバイス内の半導体の性能に影響を与える可能性があります。したがって、コンポーネントの障害が発生し、最終的にはデバイスが損傷します。

すべての電子機器の熱性能を分析するのは大変な作業です。したがって、ヒートシンクの設計は、ダイオード、電圧レギュレータ、トランジスタ、集積回路などの電気部品から周囲に熱を放散することにより、これらのデバイスに補助的な冷却を提供することです。

ヒートシンク設計の要素とヒント

ヒートシンクによる熱エネルギーの効果的な放散は、その設計に大きく依存します。パッシブ熱交換器として、ヒートシンクの設計により、環境への熱伝達が容易になります。この熱伝達のプロセスは通常、伝導、対流、または放射によるものです。場合によっては、これら3つの熱伝達方法の組み合わせです。効率的なヒートシンクの構築には、考慮すべき多くの要素があります。以下は、ヒートシンクの作成方法を学ぶ前に含める必要のある説得力のある要素の説明です。

熱抵抗

熱抵抗とは、半導体と周囲の間の熱の流れに対する抵抗のことです。環境は、周囲の空気または冷却液である可能性があります。

デバイスの熱抵抗を決定することは、ヒートシンクの選択において重要です。これは、放熱経路にかなりの熱抵抗が必要なためです。これにより、熱の伝達がどのくらいの速さで行われるかが決まります。熱抵抗は、温度の低下があるかどうかを示すため、ヒートシンクの効率を保証します。

ヒートデザインで使用される材料

・ヒートシンクの素材

ほとんどのヒートシンクは、導電性が高いため、アルミニウムと銅の合金でできています。アルミニウムは安価であり、ヒートシンクを作るための設計を容易にする延性に基づいて理想的です。他にも資料があります。たとえば、銅は熱伝導率と耐食性が高いため、通常はヒートシンクの設計の一部です。ただし、アルミニウムが最も支配的な材料です。この組み合わせはより効果的であることが証明されており、ヒートシンク構造用のモジュールで使用できます。

・インターフェースマテリアル

サーマルインターフェイスマテリアルは、ヒートシンク間のスペースを構成するマテリアルです。通常は空気です。ただし、一部のメーカーはマイカなどの他の材料を使用しています。サーマルインターフェースマテリアルは、電子デバイスの熱抵抗を低下させ、熱エネルギーの高速伝達を保証します。

デバイスによって生成される熱は、そのコンポーネントの熱生成の合計です。コンポーネントの熱抵抗はさまざまであるため、効果的な熱放散を保証することは容易ではありません。電子機器からの効果的な熱の流れを保証するには、熱抵抗を最小限に抑えます。これは、サーマルインターフェースマテリアルを組み込むことで可能になります。

フィンの形状と配置

デバイスから冷却剤媒体への熱の効率的な放散は、フィンの配置にも依存します。ヒートシンクの設計は通常、ヒートシンクの構築中にはんだ付けされたフィンを特徴としています。これらのフィンの向きは、空気がヒートシンクを通過できる表面積を提供するためのものです。したがって、これらは冷却プロセスで重要です。

したがって、ヒートシンクのフィンの効率はフィンの形状に依存し、電子デバイスからの熱の効果的な対流を確保し、デバイスとヒートシンクの冷却を保証するために、それを考慮する必要があります。

ヒートシンクの取り付け方法

適切な取り付け方法を選択することにより、ヒートシンクの効果が向上します。この選択プロセスでは、どの取り付け方法が最適かを決定する前に、デバイスの熱的および機械的要件を考慮する必要があります。

ヒートシンクを電子機器に取り付ける方法はたくさんあります。一般的な方法は次のとおりです。

–サーマルテープ。

–ワイヤークリップ

–プラスチッククリップ。

–画鋲。

–ばね付きねじ。

ヒートシンク設計の熱抵抗計算機

ヒートシンクの設計には、熱抵抗に関連するいくつかの計算を理解することも含まれます。以下の式は、熱抵抗（R _hs ）の計算に使用されます。 ）

R _hs =（T _j -T _mb / P）–（R _th-jc ）–R_{インターフェース}

T _j ：デバイスの最大接合部温度（0C）。

R _th-jc ：接合部からケースへの熱抵抗

T _amb ：0Cでの気温。

P：熱源から放散される熱

R_{インターフェース} ：熱界面材料抵抗

R_{インターフェース} =（t _int / L _s x W _s xk_{インターフェース} ）

t_{インターフェース} ：サーマルインターフェースマテリアルの厚さ

k_{インターフェース} ：インターフェース材料の熱伝導率

L _s ：熱源の長さ

W _s ：熱源の幅

計算を知ることは、上記を理解することを伴います。したがって、このようなパラメータをヒートシンクの設計に組み込んで、半導体の最高動作温度よりも高い熱抵抗を得るのは簡単です。また、方程式から、熱源の温度が最も低くなるようにヒートシンクの最適な寸法を計算できます。

結論

ヒートシンクは、効果的なパフォーマンスを保証するためにヒートシンクの設計を注意深く構成することが非常に重要です。したがって、多くのことを考慮に入れる必要があります。この記事では、ヒートシンクの設計に役立つ可能性のある要因について説明します。また、ヒートシンクの仕組みや設計ガイドに含めるためのヒントなどの質問にも答えます。

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