理想的なヒートシンクの選択:最適な冷却を確保するための 6 つの重要な要素
ヒートシンクは、コンポーネントの温度を管理するために電子機器で広く使用されています。これらは、表面積を増加させて、周囲の流体、通常は空気への熱伝達を高めることによって機能します。アクティブ ヒートシンクはファンを使用して空気の流れを増やしますが、パッシブ設計は自然対流のみに依存します。コスト、場所、冷却要件に基づいて、デバイスごとに異なるヒートシンクが必要になります。熱抵抗はヒートシンクの有効性に直接影響します。ヒートシンクを選択する際に考慮すべき 6 つの事項を以下に示します。
1.コンポーネントの熱要件を決定する
熱要件は、単位時間あたりに放散される熱エネルギーの量です。ヒートシンクを選択する基準を設定するには、まずそれらを確立する必要があります。適切な熱要件が確立されていない場合、アプリケーションに適切なヒートシンクを選択することはできません。熱要件を特定することで、設計者は安全な動作温度を維持し、最適なコンポーネントのパフォーマンスをサポートするヒートシンクを選択できます。
2.適切なヒートシンクのタイプを選択してください
ヒートシンクには、アクティブ (ファンを使用して空気の流れを促進する) とパッシブ (自然対流に依存する) の 2 つの大きなタイプがあります。どちらを選択するかは、冷却要件、ノイズ感度、利用可能なエアフローによって異なります。適切なタイプを選択すると、メンテナンスの削減、コストの管理、熱パフォーマンスの最適化に役立ちます。
3.ヒートシンクの熱抵抗を計算する
ヒートシンクの熱抵抗は、ヒートシンクがどの程度熱を伝導し、放散するかを示す尺度です。ヒートシンクの表面積、サイズ、材質はすべて、熱効率に影響します。熱抵抗を見積もるための簡略化された式は次のとおりです。
熱抵抗 (°C/W) =厚さ / (熱伝導率 × 表面積)
ただし、実際の計算では、多くの場合、対流係数、フィンの効率、空気流の状態を考慮する必要があります。正確な熱抵抗の計算により、最も効果的なヒートシンクを確実に選択できます。
4.利用可能なエアフローを決定する
利用可能な空気流量は、一定期間内にヒートシンク上を流れる空気の量です。パッシブ システムの場合、これは確立された空気の流れです。アクティブ システムの場合、これはファンによって生成される空気の流れです。空気の流れを決定することは、熱システムの有効性を評価するのに役立ちます。通常、エアフローが高いほど、ヒートシンク効率が優れていることを示します。パッシブ ヒートシンクは自然対流用に設計されており、強制エアフローをサポートするように特別に設計されていない限り、ファンを追加しても大きなメリットが得られない可能性があります。また、ファンを追加すると騒音が発生するため、確立されたエアフローを使用する方がよい場合もあります。エンドユーザーは通常、デバイスができるだけ静かであることを望んでいます。
5.適切なヒートシンク サイズの選択
ヒートシンクが大きいほど、より多くの熱を放散できます。ただし、ヒートシンクのサイズは、利用可能なスペースと接触面積によって制限されます。他の要因も影響するため、ヒートシンクが大きいほど効果的であるとは限りません。材料の導電率、空気の流れ、設計の熱抵抗などの他の変数も要因となります。
6.サーマルインターフェースマテリアルを考慮する
サーマルインターフェースマテリアルは、ヒートシンクと冷却対象のコンポーネントの間にある物質です。インターフェースは、コンポーネントからヒートシンクに熱を効果的に伝達するために使用されます。インターフェースは次のように呼ばれます。
<オル>サーマル インターフェイス マテリアル (TIM) を正しく選択しないと、インターフェイスの熱抵抗が大幅に増加し、ヒートシンクの全体的な効率が低下する可能性があります。
さまざまなデバイスにヒートシンクが必要なのはなぜですか?
さまざまなデバイスには、冷却が必要な領域から熱を除去するためのヒートシンクが必要です。ヒートシンクは熱を分散させて過熱を防ぎます。適切な熱管理を行わないと、過剰な熱により電気抵抗が増加し、材料の劣化が促進され、コンポーネントの性能と信頼性が低下する可能性があります。
ヒートシンクの種類とは何ですか?
ヒートシンクの設計は形状や製造方法によって異なります。これら 6 つのタイプは、形状、材料の使用、熱性能、製造コストが異なります。アクティブ システムに適したものもありますが、パッシブ セットアップでうまく動作するものもあります。熱伝導率が高いため、ほとんどはアルミニウムまたは銅で作られています。アクティブまたはパッシブ システムの一部として使用できるヒートシンクのタイプは 6 つあります。通常、アルミニウムまたは銅で作られています。アクティブ システムは、ファンを使用してエリア全体に余分な空気の流れを誘導し、冷却を向上させます。パッシブ システムは、より多くの熱を放散できるようにコンポーネントの表面積を増やすことに依存しています。ヒートシンクの種類を以下に示します。
1.接着ヒートシンク
接着ヒートシンクは、導電性エポキシを使用してフィンをベースに接着することによって製造されます。それらは、銅またはアルミニウム、またはアルミニウムと銅の両方の混合物で作ることができます。接着ヒートシンクは、高いフィン密度が必要なアプリケーションに使用されます。押出成形ヒートシンクよりもフィン密度がはるかに高くなります。この増大したフィン密度は、強制エアフローを伴うアクティブ システムで最もよく使用されます。接着されたヒートシンクのサイズは事実上無制限であるため、通常、非常に大きなヒートシンクを必要とするアプリケーションに使用されます。
2.削られたヒートシンク
スカイブド ヒートシンクは、一体の金属で製造されたベース上に一連の密集したフィンを備えているため、熱抵抗が最小限に抑えられます。これらは、空気流量が高く、スペースが最小限のアプリケーションで使用されます。スカイビングは、特に中程度の生産量での高密度フィン設計の場合、パフォーマンスとコストのバランスを実現します。スカイブドヒートシンクは銅またはアルミニウムで作られています。スカイビングされたヒートシンクの最大幅は約 400 mm、高さは 200 mm です。ただし、ヒートシンクの長さは、使用される銅バーの長さによってのみ制限されます。スカイブド ヒートシンクの放熱能力は、接着またははんだ付けされたヒートシンクの約 1.5 ～ 2 倍です。
3.押し出し成形ヒートシンク
押出成形ヒートシンクは、フィンとベースを一緒に形成する断面で 1 つの長い金属片を連続的に押し出すプロセスを含むため、最も安価に製造できます。これらのヒートシンクは、高出力の半導体デバイスや中程度から高のエアフロー用途に使用されます。銅製ヒートシンクは押し出し成形できますが、ほとんどの押し出しヒートシンクはアルミニウムです。押出成形ヒートシンクは、最大幅 400 mm、高さ 60 mm までご利用いただけます。押し出し加工されるため、長さは無制限です。
4.鍛造ヒートシンク
鍛造ヒートシンクは、圧縮力を利用して金属を成形して製造されます。鍛造ヒートシンクは、多くの場合、アルミニウムまたは銅で作られています。アルミニウムは、コストが低く、熱特性が優れているため、より一般的に使用されます。一方、銅は、導電性が高くなりますが、より高価で、鍛造が困難です。熱を分散させるためにフィンまたはピンを使用します。鍛造ヒートシンクは、フィン/ピンとベースの間に媒体がないため、熱抵抗が低くなります。長さと幅は約 500 mm、高さは 70 mm 台です。
5.打ち抜きヒートシンク
打ち抜きヒートシンクは、板金からフィンを打ち抜くことによって製造されます。次に、打ち抜き加工された金属フィンを 1 つ以上のジッパー フィンを使用して一緒に保持します。ジッパー フィンは通常のフィンに対して垂直で、間隔を維持するためにかみ合います。打ち抜きヒートシンクは性能が低く、低電力アプリケーションで使用されます。フィンのセットは通常、ベースにはんだ付けされます。フィンのサイズと形状は、別のスタンプを使用して調整できます。
6. CNC 加工ヒートシンク
CNC 機械加工されたヒートシンクは、繰り返し製造するのに費用対効果が低く、一回限りのヒートシンクには追加の工具が必要ないため、一回限りの生産要件に最適です。機械加工されたヒートシンクは通常、工具コストを回避する必要があるカスタム、少量、またはプロトタイプのアプリケーションに使用されます。銅は機械加工が難しいため、機械加工されたヒートシンクは主にアルミニウムです。ヒートシンクのサイズは、使用する CNC マシンの能力によって制限されます。
さまざまな用途にヒートシンクを使用する利点は何ですか?
さまざまな用途にヒートシンクを使用する主な利点は次のとおりです。
<オル>アプリケーションに適したヒートシンクを決定する際の課題は何ですか?
最大の課題は、1 種類のヒートシンクの性能が使用環境によって異なることです。ヒートシンクの選択に影響を与える要因は次のとおりです。
<オル>これらの課題を克服する最善の方法は、熱モデリング ツールを使用して、予想される条件下での熱放散と空気の流れをシミュレートし、その後、物理的テストを通じて検証することです。
ヒートシンクの選択方法に関するよくある質問
ヒートシンクの設計はそのパフォーマンスにどのような影響を与えますか?
ヒートシンクの性能に影響を与える主な要因は、材質、タイプ、および場所です。使用されている材料の熱抵抗が高い場合、効果的なヒートシンクとして機能しません。したがって、低抵抗の素材を選択することが重要です。ただし、接着、はんだ付け、または機械的に組み立てられたフィン構造に見られるような追加の界面層を設計に導入すると、各層が熱の流れに対する潜在的な障壁を追加するため、熱抵抗が増加する可能性があります。ヒートシンクの位置と方向もその性能に影響します。ヒートシンクは、空気とヒートシンクの間の表面積を最大化するために、空気の流れをフィンと平行に導く必要があります。
材料組成はどのようにして優れた放熱性を実現するのでしょうか?
材料の熱を放散する能力は、その熱伝導率に影響されます。熱伝導率は、金属内の自由電子の数と密接に関係しています。銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料は、自由電子が伝導を通じて効率的に熱を伝達するのに役立つため、ヒートシンクに一般的に使用されます。 詳細については、「アルミニウム合金とは何ですか?」に関するガイドを参照してください。
ヒートシンクは電子デバイスの効率と信頼性にどのように貢献しますか?
デバイスの温度が上昇すると、その効率と信頼性が低下します。これは、温度が上昇すると抵抗が増加するためです。したがって、信頼性と効率を高めるために、ヒートシンクを使用して加熱効果を緩和します。
ヒートシンクが大きいということは、高い熱管理を意味しますか?
はい、ヒートシンクを大きくすると、熱管理が向上します。ただし、これはアプリケーションに適切なヒートシンクが選択されている場合にのみ当てはまります。多くの場合、ヒートシンクは周囲の他のコンポーネントによって制約されるため、より大きなヒートシンクが常に可能であるとは限りません。さらに、効果的なフィン形状、材料の選択、表面積を特徴とする適切に最適化されたヒートシンク設計は、これらの最適化が欠けている大型のヒートシンク設計よりも優れたパフォーマンスを発揮します。
ヒートシンクにはサーマルペーストが必要ですか?
はい、ヒートシンクには、コンポーネントからヒートシンクに熱を効果的に伝達するためにサーマルペーストが必要です。サーマル ペーストまたはサーマル ペーストの代替品を使用しない場合、ヒートシンクとコンポーネント間の熱抵抗が増加し、ヒートシンクの性能に悪影響を及ぼします。
ヒートシンクはヒートスプレッダーと同じ原理を実行しますか?
いいえ、ヒート スプレッダーはヒートシンクと同じ原理では機能しません。ヒートシンクは、空気、水、油などの流体媒体に熱を伝達します。ヒート スプレッダーは熱をより大きな表面積に横方向に分散させて局所的なホットスポットを防ぎ、ヒートシンクは対流を介して熱を冷却媒体 (通常は空気) に伝達します。どちらも熱を管理しますが、異なる熱伝達メカニズムによって動作します。ヒート スプレッダは密閉ユニットで使用できますが、ヒート シンクは多くの場合、ファンを使用してヒート シンク上に気流を移動させます。 詳細については、「ヒート スプレッダーとは何ですか?」に関するガイドを参照してください。
概要
この記事では、ヒートシンクについて紹介し、ヒートシンクとは何か、どのように機能するかを説明し、用途に合わせてヒートシンクを選択する際に考慮すべき 6 つの事項を示しました。ヒートシンクの選択の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。
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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。
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