ヒートシンクの基礎:定義、動作、コンポーネント、タイプ、および用途

ヒートシンクは、熱源から周囲の環境に熱を伝達するために使用されるデバイスです。熱伝達は、伝導、対流、および程度は低いですが放射の組み合わせによって実現されます。ヒートシンクは通常、周囲の流体への熱伝達の表面積を増やすように設計された複数のフィンを上部に備えたベースを備えています。冷却は受動的 (自然対流を使用) または能動的 (ファンまたはポンプからの強制対流) で行うことができます。

この記事では、ヒートシンクとは何か、その仕組み、ヒートシンクを構成するさまざまなコンポーネント、およびヒートシンクの一般的な用途について説明します。

ヒートシンクとは何ですか?

ヒートシンクは、熱を発生するデバイスまたは熱源から周囲の流体に熱を伝達するために使用される熱交換器の一種です。この流体は一般に空気ですが、シールされたループ内の水や、グリコール混合物や誘電性オイルなどの特殊な非導電性熱伝達流体の場合もあります。冷却は、自然対流によって受動的に行うことも、通常はファンからの強制空気流によって能動的に行うこともできます。ヒートシンクは通常、銅またはアルミニウムで作られています。

ヒートシンクはどのようなものですか?

一般的なタイプのヒートシンクを以下の図 1 に示します。

ヒートシンクの仕組みを示す図

ヒートシンクはどのように機能しますか?

ヒートシンクは、伝導性、対流性、放射性の熱伝達の原理を利用して、高温の熱源から低温の流体に熱を移動させます。熱はこの熱源からシンクに伝導されます。ヒートシンクは銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で作られており、熱源から素早く熱を逃がします。この熱は、対流と放射を介してシンクから周囲の流体に伝わります。熱交換流体と接触する表面積が大きいため、熱伝達率が向上します。ヒートシンクのベース素材にフィンを切り込むことで、表面積を大幅に増やすことができます。

冷却需要に応じて、ヒートシンクは自然対流 (パッシブ冷却) またはファンまたは液体ポンプによる強制対流 (アクティブ冷却) によって機能します。

ヒートシンクの目的は何ですか?

ヒートシンクは、電気または機械デバイスの動作によって生じる廃熱を放散するように設計されています。この廃熱は蓄積し、除去しないと故障の原因になったり、パフォーマンスが低下したりする可能性があります。

ヒートシンクの主要コンポーネントは何ですか?

ヒートシンクは比較的単純なデバイスです。一般的なヒートシンクを構成する 5 つのコンポーネントを以下に示します。

1.ベース

ヒートシンク ベースは通常、優れた熱伝導率を備えた平らなブロックまたはシート素材です。ベースは通常、一貫した断面厚さを持っていますが、熱源の特定の形状に合わせて熱伝達を最適化する断面プロファイルを持つように設計することもできます。通常、ベースは取り付け金具と放熱ペーストを使用して熱源に取り付けられます。

2.フィン

ヒートシンクのベースから突き出たフィンは、周囲の流体に熱を伝達します。これらのフィンにより、空気または冷却剤と接触するヒートシンクの表面積が増加し、熱放散率が向上します。

フィンは、ベースの一体部分を形成することも、圧縮プロセスなどのさまざまな技術を使用して個別に取り付けることもできます。フィンの形状と配置により、熱伝達率が大幅に向上します。

3.ヒートパイプ

ヒートパイプは、その軸に沿って熱を伝達するように設計されています。ヒートパイプは、圧入、はんだ付け、熱伝導性エポキシを介して標準的なヒートシンクやヒートスプレッダの内部に組み込むことができ、熱伝達効率を向上させることができます。これらは、熱源で流体を蒸発させる相変化メカニズムを介して熱を伝達し、その後ヒート パイプの軸に沿って冷却され、凝縮によって液体に戻る点まで移動します。

4.サーマルインターフェースマテリアル

サーマルインターフェース材料またはサーマルペーストは、熱源とヒートシンクの間の空隙を埋めることにより、熱源とヒートシンクのベース間の熱伝達を大幅に改善するために使用されます。空気は熱伝導率が低いため、より熱伝導性の高い材料で空隙を埋めると、ヒートシンクの冷却効率が向上します。サーマルペーストは、セラミック、金属酸化物、またはシリコンベースにすることができます。金属ベースのサーマル ペーストは高い熱伝導率を備えていますが、導電性があるため、敏感なコンポーネントの近くで使用する場合は注意が必要です。

5.取り付け金具

ヒートシンクは、さまざまな取り付け方法を使用して対象の熱源にしっかりと固定できます。小型のヒートシンクの場合は、熱伝導率の高い接着剤を使用してヒートシンクを熱源に直接貼り付けます。この方法は通常、小型の PCB コンポーネントで使用されます。大型のヒートシンクの場合は、通常のネジを使用することも、代わりにバネ仕掛けのプッシュピンを使用して、熱源とヒートシンクの間の接触圧力を最適化することもできます。

ヒートシンクの材質は何ですか?

ヒートシンクは熱伝導率の高い材料で作られています。これらの中で最も一般的なものを以下に示します。

<オル>

アルミニウム:アルミニウムは、軽量で熱伝導性に優れた低コストの素材です。これは、コンピュータや LED ライトなどの電子機器のヒートシンクによく使用されます。

銅:銅は熱伝導性に優れているため、コンピュータの CPU などのより敏感なコンポーネントに使用できます。

アルミニウム合金:純アルミニウムは柔らかく、加工が難しいため、アルミニウム合金がよく使用されます。 1050 のような高純度合金は優れた熱伝導率を維持しますが、6061 のようなより強力な合金は熱伝導率の低下と引き換えに機械的強度を向上させます。

グラファイト:熱分解グラファイトなどの特定の形状の人工グラファイトは、銅に匹敵するかそれを超える非常に高い面内熱伝導率を持ち、大幅に軽量です。ただし、バルクまたは等方性グラファイトは熱性能が低くなります。

ダイヤモンド:ダイヤモンドは銅よりも熱伝導率がはるかに高く、特殊な半導体用途に使用されます。ただし、コストが高いため、高性能ヒート スプレッダやレーザー ダイオードの冷却などのニッチな用途に限定されます。

ヒートシンクの種類は何ですか?

ヒートシンクには 3 つの基本的なタイプがあります。以下で詳しく説明します。

1.パッシブヒートシンク

パッシブ ヒートシンクは、最も単純なタイプのヒートシンクです。単純にフィンが付いたベースです。熱は主に自然対流によって伝達されます。フィンの周囲の空気が伝導によって加熱されると、熱い空気が上昇し、冷たい空気がそれに置き換わります。これは継続的なプロセスです。このようなタイプのヒートシンクは、最も効果的ではありません。

2.ハイブリッド ヒートシンク

ハイブリッド ヒートシンクは、制御システムを利用して、パッシブ動作またはアクティブ動作をいつ採用するかを決定します。熱源が低レベルの熱を生成する場合、ファンやポンプは作動しません。これは、必要な量の熱を熱源から除去するのに自然対流で十分であるためです。自然対流が適切でない場合は、ファンが作動し、強制対流によって熱源からの熱の伝達量が増加します。

3.アクティブヒートシンク

アクティブ ヒートシンクは、強制対流を利用して熱を伝達します。ファンまたはポンプがヒートシンク上に流体の流れを引き起こすと、この一定の流れによってヒートシンク周囲の熱い流体が冷たい流体に置き換えられ続けます。流量が大きいほど、熱伝達率も高くなります。アクティブ ヒートシンクはパッシブ ヒートシンクよりも効果的です。

ヒートシンクの用途は何ですか?

ヒートシンクは、廃熱が機器に損傷を与える可能性がある場所で使用されます。いくつかの例を以下に示します。

1.コンピュータプロセッサ

コンピュータ プロセッサ (CPU) は動作中に大量の廃熱を生成します。 CPU は、動作中の高い熱負荷を管理するために銅製ヒートシンクを備えたアクティブ冷却システムを使用することがよくあります。クールな CPU はより効率的に動作します。

2. LED照明

LED ライトは白熱電球のような放射熱をあまり放出しませんが、LED 接合部自体が動作中に大量の熱エネルギーを生成します。この熱は、通常は小型 LED のパッシブ ヒートシンクを通じて放散する必要があります。

3.パワーエレクトロニクス

AC-DC コンバータなどのパワー エレクトロニクスは、MOSFET や電圧レギュレータなどのコンポーネントから廃熱を生成します。これらのアプリケーションではアルミニウム ヒートシンクが一般的に使用され、より厳しい熱負荷に対応するためにアクティブ ファンと組み合わせられることもあります。

4.自動車産業

車両の制御回路で使用されるヒートシンクとは別に、ヒートシンクは、動作中に電気モーターを冷却したり、電気自動車の車載充電器を冷却したりするためにも使用されます。

5.航空宇宙産業

航空宇宙システムでは、制御回路と搭載電子機器にヒートシンクが使用されています。対流する雰囲気がない宇宙船では、特殊なヒートシンクが高放射率の表面を使用して熱を宇宙に放射し、多くの場合、熱をラジエーターに運ぶヒート パイプが含まれています。

6.家庭用電化製品

家庭用電化製品では、デバイスを冷却して効率的に動作させるためにヒートシンクが広範囲に使用されています。典型的な例には、コンピュータや携帯電話のヒートシンクが含まれます。

コンピュータ内のどのデバイスがヒートシンクを使用していますか?

コンピューター内の多くのコンポーネントはヒートシンクを使用します。たとえば、CPU (中央処理装置) と GPU (グラフィック処理装置) は、効率と動作寿命を向上させるためにヒートシンクを一般的に使用します。高性能 RAM モジュールと PSU の内部コンポーネントには、熱要件に応じてヒートシンクが組み込まれている場合もあります。マザーボード上の個々の SMD (表面実装デバイス) は、冷却を保つために小さなヒートシンクを使用する場合もあります。

アプリケーションに適したヒートシンクを選択するにはどうすればよいですか?

アプリケーションに適したヒートシンクを選択するには、デバイスが生成する熱の量とデバイスが動作する環境を理解することが重要です。これらがわかれば、デバイスを最適な温度に保つために必要な熱伝達率を計算し、この温度を達成するヒートシンク構成を設計することでヒートシンクを設計できます。

ヒートシンクの利点は何ですか?

ヒートシンクを使用する一般的な利点を以下に示します。

<オル>

信頼性の向上:ヒートシンクにより、動作温度が一定に維持され、デバイスの信頼性が向上します。

寿命の延長:ヒートシンクは、デバイスの寿命を縮める原因となる廃熱をデバイスから除去します。

パフォーマンスの向上:CPU などのデバイスは、冷えているときに最も効率的に動作します。効果的なヒートシンクにより、デバイスのパフォーマンスが向上します。

ノイズの低減:パッシブ ヒートシンクを使用できる場合は、冷却ファンが必要ない可能性があります。これにより、最終的にデバイスのノイズが軽減されます。

コストの削減:ヒートシンクにより熱管理が改善されるため、コンポーネントの寿命が延び、追加の冷却システムの必要性が減り、システム設計とメンテナンスのコストの潜在的な削減に貢献します。

ヒートシンクの制限とは何ですか?

以下に、ヒートシンクの使用に関する一般的な制限をいくつか示します。

<オル>

冷却能力の制限:スペースと材料の制限により、ヒートシンクは一定の速度でしか熱を除去できません。より多くの熱をより速く除去するヒートシンクを作ろうとするのは非現実的で非経済的です。

スペースの制約:場合によっては、適切なヒートシンクに必要なスペースが、利用可能なスペースよりも大きくなる可能性があります。

メンテナンス要件:ヒートシンク、特に PC 内部には、ほこりがたまることがよくあります。熱伝達率の低下を防ぐために、定期的に掃除する必要があります。

ノイズ:アクティブ ヒートシンクを効果的に動作させるには、ノイズの多いファンが必要になる場合があります。静音ファンでもある程度の騒音は発生します。

コスト:銅製ヒートシンクは効果的ですが高価であり、デバイスにとって経済的に実現不可能な場合があります。アルミニウムなどの安価な素材も入手可能ですが、銅と同じ性能を持たない可能性があります。

ヒートシンクのパフォーマンスに影響を与える要因は何ですか?

ヒートシンクのパフォーマンスは、以下で説明するように、さまざまな要因によって決まります。

<オル>

熱伝導率:ヒートシンク材料の熱伝導率は、パフォーマンスに影響を与える最も重要な要素の 1 つです。銅やダイヤモンドなどの熱伝導率が高い素材は、電子コンポーネントからより効率的に熱を逃がすことができます。

フィンの設計:フィンの数を増やすと、一般的に表面積が増加して熱伝達が向上しますが、フィンの密度が高すぎると空気の流れが妨げられ、パフォーマンスが低下する可能性があります。

エアフロー:自然対流または強制対流の作用によって、ヒートシンクから熱が除去されます。ヒートシンクのフィンの周囲の空気流量が多いほど、熱伝達率も高くなります。

熱抵抗:熱源とそのヒートシンクの間の界面での熱伝達に対する抵抗は、コンポーネント間の空隙の存在によって発生する可能性があります。界面にサーマルペーストを使用すると、断熱エアポケットが排除され、熱抵抗が低減されます。

周囲温度:周囲温度が高いほど、熱源と周囲の流体の間の温度勾配が小さくなります。これにより、ヒートシンクのパフォーマンスが低下します。

ヒートシンクに関するよくある質問

ヒートシンクは 3D プリントで熱クリープを引き起こしますか?

いいえ、ヒートシンクは 3D プリントにおける熱クリープを排除するように設計されています。熱がホットエンドから周囲の空気に伝わり、熱が押出機アセンブリに忍び寄るのを防ぎます。

ヒートシンクとヒートスプレッダーの違いは何ですか?

ヒートシンクは通常、ベースとフィンを備えており、多くの場合対流の助けを借りて周囲の流体に熱を放散します。一方、ヒート スプレッダは熱を大幅に放散するのではなく、より広い表面積に熱を再分配して、局所的なホット スポットを減らし、ヒート シンク、コールド プレート、システム シャーシなどの別の冷却コンポーネントへの伝達を容易にします。

概要

この記事では、ヒートシンクについて紹介し、その概要を説明し、その仕組みについて説明しました。ヒートシンクの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

免責事項

この Web ページに表示されるコンテンツは情報提供のみを目的としています。 Xometry は、情報の正確性、完全性、有効性について、明示的であるか黙示的であるかにかかわらず、いかなる種類の表明または保証も行いません。いかなる性能パラメータ、幾何公差、特定の設計特徴、材料の品質と種類、またはプロセスは、Xometry のネットワークを通じてサードパーティのサプライヤーまたはメーカーによって提供されるものを表すものとして推測されるべきではありません。部品の見積もりを求める購入者は、それらの部品の特定の要件を定義する責任があります。詳細については、 利用規約をご覧ください。

ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

Dean McClements による記事をもっと読む