ヒートシンクの基本:どのように機能するのか?

MIT の卒業生でなくても、電子機器や機械の動作時に熱が発生することを知ることができます。この状況を監視しないままにしておくと、デバイスがすぐに過熱し、誤動作を引き起こす可能性があります。次に、十分に迅速に対応しないと、この誤動作が永久的な損傷につながる可能性があります.

過熱を防ぐために、ほとんどのデバイスには、デバイス内の熱管理を担当するコンポーネントであるヒートシンクが組み込まれています。それらは、中央処理装置 (CPU) などのマシンまたはデバイスの重要な領域から熱を放散し、冷却と機能を維持することによって機能します。

興味深いことに、ヒートシンクは、電子機器の正常な動作を維持する上で極めて重要な役割を果たしていますが、サイズがかなり小さいため、見過ごされがちです。これらの奇跡的なコンポーネントについて詳しく知りたい場合は、このガイドで、ヒートシンクとは何か、またそのしくみを理解するために必要なすべての重要な情報が提供されます。

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ヒートシンクとは

ヒートシンクとは何かを詳しく説明することから始めましょう。簡単に言えば、受動的な熱交換器として機能し、機械または電子デバイスの温度を調整するコンポーネントです。

これは、デバイスの動作表面積を増やし、熱を発生するコンポーネントから低温の流体に熱を伝達することによって実現します。このようにして、デバイスから熱が放散され、過熱することなく動作することが保証されます。

その優れた冷却特性により、ヒートシンクは CNC 機械加工を含む多くの産業で使用されています。通常、これらはコンピュータコンポーネント (通常は CPU と GPU) の冷却と、トランジスタまたはレーザーへの電力供給に使用されます。

ヒートシンクはどのように作られていますか?

より大きな表面積の必要性は、ヒートシンクの構築方法に大きく影響します。典型的なヒートシンクは、非常に狭いフィンまたはピンに接続されたベースで構成されています。そうすれば、ヒートシンクは特定の体積にできるだけ多くの表面積を収めることができます。

ただし、フィンのサイズと形状はヒートシンクによって異なります。さらに、ヒートシンクの性能に大きな影響を与えます。以下を区別できます:

ピンフィンヒートシンク。 このようなヒートシンクには、ベースから伸びるピンがあります。さまざまなタイプのヒートシンクの中で最大の表面積があり、エアフローが少ない場合に最適です。ピンは通常、円筒形、楕円形、または正方形の形をしています。
プレートフィンヒートシンク。 プレートフィンヒートシンクには、ベースから伸びる長方形のフィンがあります。このようなヒートシンクは、ピンフィンシステムよりも一般的で、一方向の気流で最適に機能します。
フレアフィンヒートシンク。 フレアフィンシステムは、プレートフィンヒートシンクのバリエーションです。流れ抵抗を減らすフレアフィン配置 (名前の由来) があります。

一部のヒートシンクには、ファンと送風機も取り付けられています。これらはアクティブヒートシンクと呼ばれます。それらについては、記事の後半で詳しく説明します。

ヒートシンクの仕組み

ヒートシンクは熱伝導体を使用して熱源から熱を奪い、冷却空気または流体と接触する表面積に引き寄せます。プロセス全体には、次の 4 つの基本的な手順が含まれます。

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熱源は熱を発生します。 発生源は、動作時に熱を発生し、適切に機能するために冷却が必要なシステムです。機械、電気、化学、原子力、太陽光、摩擦システムなどです。

熱は発生源から離れて移動します。 自然伝導により、熱はヒートシンクに移動し、熱源から離れます。このプロセスは、ヒートシンクの材料の熱伝導率に直接関係しています。これが、ヒートシンクの構築にアルミニウムや銅などの材料がよく使用される理由です。熱伝導率が高い

熱はヒートシンク全体に分散されます。 その後、熱はヒートシンクを通って高温環境から低温環境に移動します。ヒートシンクにとってそれが意味することは、その熱プロファイルが一貫していないということです。したがって、ヒートシンクは通常、発生源に向かって熱くなり、先端に向かって冷たくなります。

ヒートシンクは熱を逃がします。 最後のステップでは、ヒートシンクから熱が移動します。これは、シンクの温度勾配とその冷却流体 (通常は空気または導電性流体) に大きく依存しています。流体はヒートシンクの表面を通過し、熱拡散と対流を使用して周囲の環境に熱を取り除きます。ここで注意すべき重要なことは、周囲の温度がヒートシンクよりも低くない場合、シンクは熱を除去しないということです。

さまざまな種類のヒートシンク

ヒートシンクについて話すとき、パッシブ、アクティブ、ハイブリッドの 3 つの基本的なタイプのヒートシンクを区別します。詳細は以下をご覧ください。

パッシブヒートシンク

パッシブヒートシンクは、自然対流に依存しています。つまり、ヒートシンクの表面全体に気流を発生させるのは、熱気の浮力だけです。そのため、パッシブヒートシンクは、熱を除去する際に二次電源や制御システムを必要としません。一方で、システムからの熱の伝達に関しては、アクティブヒートシンクほど効率的でも効果的でもありません。

アクティブヒートシンク

パッシブヒートシンクとは対照的に、アクティブヒートシンクは自然対流だけに依存していません。それらは強制空気を使用して、加熱された領域全体の流体の流れを増加させます。ファン、送風機、またはオブジェクト全体の動きを使用してそれを行います。

アクティブヒートシンクがどのように動作するかの典型的な例は、コンピューターが熱くなり始めると PC のファンがオンになることです。ファンはヒートシンクを横切って空気を強制的に流し、加熱されていない空気がヒートシンクの表面を移動できるようにします。そのため、ヒートシンクシステム全体の総熱勾配が増加し、デバイスからより多くの熱が除去されます。

ハイブリッドヒートシンク

名前が示すように、ハイブリッドヒートシンクは、パッシブおよびアクティブヒートシンクシステムの特性を組み合わせたものです。興味深いことに、ハイブリッドシステムはパッシブまたはアクティブヒートシンクほど人気がありません。また、特定の温度要件に基づいてデバイスを冷却するために、専用の制御システムに依存することもよくあります。

システムがより低い温度レベルで動作している場合、強制空気の供給源 (ファンまたは送風機) は非アクティブのままで、システムを受動的に冷却します。アクティブなシステムは、デバイスが高温に達し始めたときにのみ動作を開始し、その過程でヒートシンクの冷却能力を高めます。

ヒートシンクにはどのような材料が使用されていますか?

前述のように、ヒートシンクの素材は自然な熱伝導率を提供する必要があります。そのため、ヒートシンクは通常、アルミニウムまたは銅のいずれかを使用して製造され、材料は用途、熱強度、製造方法、および予算によって決定されます。

アルミニウム。 通常、ヒートシンクメーカーはアルミニウム 1050、6060、6061、または 6063 を使用します。最初の 1 つは非常に熱伝導性がありますが強度に欠けますが、残りの 3 つは熱伝導性は低くなりますが、より強力な機械的特性を提供します。コスト効率に関して言えば、最も手頃な価格のヒートシンクは、アルミニウム合金を使用して製造されています。
銅。銅は優れた熱伝導率を提供します。実際、アルミニウムの 2 倍の導電性があります。さらに、耐腐食性、抗菌性、およびその他の望ましい特性を提供します。そのため、銅製のヒートシンクはハイエンドと見なされ、アルミニウム製のヒートシンクよりも高価であり、一般的に製造がより困難です。

ヒートシンクはどのように作られていますか?

ヒートシンクの製造には、アルミニウム押し出し、ダイカスト、CNC フライス加工など、いくつかのプロセスと製造技術が含まれます。それらは通常、以下を使用して製造されます:

ミリング。 フライス加工は、ブランクのワークピースから材料を切削するサブトラクティブプロセスです。また、ヒートシンクをより迅速に製造する手頃な方法でもあります。
押し出し。 これは、高温の金属ビレットを鋼の金型に押し込むプロセスです。押し出しは、ヒートシンクを作成する際の最も一般的な方法です。高速で効果的であり、したがってより経済的であると考えられているからです。
キャスティング。 鋳造は、溶融金属を金型に流し込むことを含み、銅とアルミニウムの両方のヒートシンクを作る別の一般的な方法です.このようなヒートシンクはより複雑で、機械的特性が向上しています。
スカイビング。 スカーフとも呼ばれるスカイビングは、材料をスライスに切断するプロセスです。スカイビングは通常、プレートフィンおよびフレアフィンヒートシンクを製造するときに使用され、より薄く、より正確なフィン配置を提供します。
3D プリント。 3D プリントされたヒートシンクは、従来の方法で製造されたものに代わる実行可能な代替品になりました。その主な理由は、最近の銅積層造形の進歩により、ヒートシンクを製造する際に 3D プリントがより手頃な方法になったことです。