機械部品であれ電気機器であれ、すべての作動システムは摩擦や抵抗により熱を発生します。この熱がシステム内に集中すると、損傷を引き起こす可能性があります。これを防ぐために、ヒートシンクと呼ばれる機械部品が取り付けられます。ヒートシンクは周囲の環境と熱を交換し、システムの温度を維持するのに役立ちます。
この技術ブログでは、ヒートシンクの設計と動作、ヒートシンクの製造に使用される材料、業界でのヒートシンクの製造方法について説明します。最後に、ヒートシンクが使用される既知のアプリケーションの例をいくつか紹介します。
ヒートシンクとは何ですか?
ヒートシンクは、熱を空気や冷却剤などの流体に受動的に伝達する熱発生源に固定された機械的な付属品です。熱発生源は CPU、GPU、パワートランジスタ、またはエンジンであり、その露出面はヒートシンクと接触します。一方、流体は周囲の空気または液体冷却剤です。
ヒートシンクは、デバイスまたはシステムから熱を奪い、周囲の環境と熱を交換する熱伝導性金属で作られています。その原理は、ヒートシンクの露出表面積が大きいため、熱伝達率が向上することです。
ヒートシンクの設計と動作
熱を効率的に発熱源から逃がすために、ヒートシンクは周囲の流体との接触を最大化するために表面積を大きく設計されています。これは通常、ヒートシンクのベースから薄い平らな、または湾曲したプレート (フィン) が伸びるフィン設計によって実現されます。この設計のあらゆる側面が熱伝達にとって重要です。
長さ L、幅 W、高さ H がカスタマイズされた一般的なヒートシンクを考えてみましょう。フィンの間隔は「t」と呼ばれ、フィン間の間隔は「s」と呼ばれます。
システムに取り付けられると、対流、伝導、放射（わずかに）によって伝わります。まず、熱は伝導によって発熱源からヒートシンクのベースに直接接触して伝わります。熱がフィンに到達すると、対流によって周囲の空気または冷却剤に伝わります。熱の一部は赤外線エネルギーの形で周囲に放射されます。これは伝導や対流ほど寄与しませんが、高温システムでは重要になります。
対流によって起こる熱伝達は、システムを冷却する上で非常に重要です。その伝達は主に表面積（フィンと面積）に依存します。面積と熱放散の関係は次のとおりです。
Q=h⋅A⋅ΔT
どこ：
h: 熱伝達係数（流体の特性と流れの条件によって異なります）
A: 有効表面積（フィンとベースを合わせた面積）Δ𝑇: ヒートシンク表面と周囲の流体との温度差
Δ𝑇: ヒートシンク表面と周囲の流体との温度差
熱伝達はさまざまな断面から発生するため、個々の熱伝達を分析してから合計する方がよいでしょう。対流伝達を示すいくつかの方程式を次に示します。
同様に、放射伝達（小さいながらも）は次の式で決定できます。
フィンの数と幅を調べる
設計上の重要な考慮事項は、必要なフィンの数を決定することです。対流と放射による熱伝達を計算すると、エネルギー保存の法則を使用してフィンの数を導き出すことができます。エネルギー保存の法則では、熱源によって生成されるエネルギーは、ヒートシンクによって消散されるエネルギーと等しくなければならないと規定されています。この関係から、次のことがわかります。
ヒートシンクの材料
前述したように、ヒートシンクは熱伝導率の高い金属、特にアルミニウムと銅用に作られています。
アルミ
アルミニウムは、密度が非常に低く、コスト効率に優れているため、ヒートシンクによく使用されます。また、アルミニウムの熱伝導率は、ほとんどの金属よりも高くなっています。
の間で アルミニウム合金1050 アルミニウムは熱伝導率が約 229 W/m·K と高いのですが、機械的には柔らかいです。6061 および 6063 アルミニウム合金は熱伝導率が低いですが (熱伝導率は約 170～180 W/mK)、機械的には強いです。
全体的に、アルミニウム ヒートシンクは、重量が重要な要素となる民生用電子機器、LED 照明、自動車部品でよく使用されます。
銅
銅はアルミニウムよりも約 60% 熱伝導率が高く、熱伝導率は約 400 W/mK で、入手可能な最高の熱伝導体の XNUMX つです。その優れた放熱能力は、パワー エレクトロニクス、データ センター、航空宇宙、軍事用途などの高性能アプリケーションで非常に重要です。
銅はアルミニウムよりも重く、高価ですが、熱伝達効率が高いため、熱が重要となるあらゆる用途で使用できます。
亜鉛
他の 2 つとは異なり、亜鉛の熱伝導率はそれほど高くありませんが、適度な熱伝導率です。しかし、非常に流動性が高く、簡単に任意の形状にダイカストできます。さらに、耐衝撃性が高く、システムに EMI および RFI シールドを提供します。これらすべてが、ヒートシンクの作成に適した材料となっています。
ヒートシンクの種類
ヒートシンクは一般的に、表面から複数のフィンが突き出ている平らなベースを備えています。これらのフィンの配置、形状、および向きは、アプリケーションによって異なります。以下に、形状に基づいた一般的なタイプをいくつか示します。
ピンフィンヒートシンク
ピンフィン ヒートシンクは、ベース表面から伸びるピンで構成され、放熱面積が最も広くなります。ピンは円筒形、正方形、長方形、さらにはテーパー形状にすることができ、設計上の制約に基づいて放熱を最適化できます。特に、空気の流れが弱い場合や空気が多方向に移動する場合に効果的です。
フラット/プレートフィンヒートシンク
フラット フィン ヒートシンクまたはプレート フィン ヒートシンクは、表面から伸びる長方形のプレートが特徴です。これらのフィンは平行構成で配置されているため、強制空冷システムなど、空気の流れが一方向であるシナリオで非常に効率的です。
フルートフィンヒート
フルート フィン ヒートシンクは、フィンがフルートのような形状に押し出されたり折り畳まれて中空/半密閉チャネルを形成する独自の形状を特徴としています。フルート フィン ヒートシンクは、パワー エレクトロニクスや産業用ドライブなど、強制対流下で高い冷却効率が求められる用途に最適です。
円形フィンヒートシンク
円形フィン ヒートシンクは、円形のベースの周りに放射状に配置されたフィンを備えています。この形状により、円周全体にわたって均一な熱放散が保証され、多方向の空気の流れを処理するのに特に効果的です。このような形状は、電気モーターや、ファンやタービンなどの回転部品に最適です。
アクティブおよびパッシブヒートシンク
ヒートシンクは、外部からの入力を必要とせずに自然に熱を放散するため、通常は受動的な熱交換装置と呼ばれます。しかし、 アクティブヒートシンク ファンやブロワーなどの追加コンポーネントを使用して、フィン上の空気の流れを増やし、放熱率を上げます。
比較において、 パッシブヒートシンク ただ 周囲の環境と熱を交換するために自然対流に依存します。
ヒートシンクの製造方法: 製造方法
ヒートシンクは、さまざまな金属切削および成形技術によって製造できます。最も一般的なものは、フライス加工、押し出し加工、スカイビング加工、ダイカスト加工です。
CNC加工（フライス加工）
ミリングは、フィン間の複雑なスロットを正確にカットし、複雑な幾何学的形状やデザインを可能にする減算加工プロセスです。この方法は、他の製造プロセスでは実現できない形状を持つ少量生産やカスタム ヒートシンクに特に適しています。
押出加工
押し出しは、最も一般的な製造方法の一つです。 アルミヒートシンク加熱したアルミニウムビレットを金型に押し通すことで、所望の断面形状を持つ連続したプロファイルを成形します。このプロセスは、特にアルミニウム1050のような延性材料を使用する場合、大量生産において効率的かつ費用対効果に優れています。
スカイビング
スカイビングとは、通常は銅またはアルミニウムの単一の金属ブロックから薄いフィンを彫り出すスライス プロセスです。この技術は、機械加工や押し出しでは実現が難しい、より薄く、より密集したフィンを備えたプレート フィン ヒートシンクの製造に使用されます。
ダイカスト
ダイカストとは、溶融金属を高圧下で金型のキャビティに注入して複雑な形状を形成することです。このプロセスは、亜鉛やアルミニウム合金などの材料に最適です。ダイカスト ヒートシンクは、単位あたりのコストが低いため、大量生産でよく使用されます。
ヒートシンクの用途
ヒートシンクは、自動車のエンジンからスマートフォンまで、日常生活で使用するあらゆる機械や電気製品の一部です。ヒートシンクが使用されているデバイスの一覧は次のとおりです。
- 家電: スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、ゲーム機、セットトップボックス
- コンピュータとサーバー: CPU、GPU、電源ユニット
- LED照明システム: LED電球、器具
- 電気通信: ルーター、スイッチ、アンプ
- 車載エレクトロニクス: エンジン制御ユニット、LEDヘッドライト、インフォテインメントシステム
- 産業機械: モータードライブ、ロボット、製造装置
- 電力工学: インバータ、コンバータ、電源
選択する Richconn カスタムヒートシンク設計
新しく設計されたすべてのシステムは、周囲の環境と熱を完全に交換するカスタム ヒート シンクに依存しています。 CNCミリングサービス 設計を可能にする カスタマイズされたヒートシンク.
At RichConn当社には最大 5 軸フライス盤を備えた専用のフライス加工施設があります。当社の経験豊富な技術者は、最大 0.002 mm の許容誤差で銅とアルミニウムを加工できます。
部品が 1 つ必要でも、製品のバッチが必要でも、当社はあらゆる種類のプロジェクトを引き受けます。当社にご連絡いただければ、数日でカスタム ヒートシンクを入手できます。
