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コンピュータの冷却装置!”ヒートシンク”とは?

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本記事は、What Is A Heat Sink? Definition | Types | Materials
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約6分29秒

「ヒートシンク」という用語は、コンピュータという言葉を聞いたときにほとんどの人が考えるものではありません。 しかし、これは、現代のコンピュータが効率的に機能することができなかった最も重要なデバイスの1つです。

 

高品質のヒートシンクがない場合、マイクロプロセッサ、GPU、およびその他の高出力半導体デバイスは過熱の危険にさらされ、最終的にシステム全体に損傷を与え、多大な費用がかかる可能性があります。

 

この概要記事では、ヒートシンクの構成、動作、およびヒートシンクの種類の数について説明しました。 まずは、基本から始めましょう。

 

ヒートシンクとは?

定義:ヒートシンクは、機械的または電気的コンポーネントによって生成された熱を、空気や液体冷却剤などの周囲の媒体に伝達するデバイスです。 つまり、熱を吸収して空気中に放散することで、コンポーネントの過熱を防ぎます。

 

それは、周囲の冷却媒体と接触する表面積を最大化することにより、このタスクを実行します。 多くの場合、この媒体は空気ですが、冷媒、水、または油の場合もあります。

 

ヒートシンクが適切に機能するためには、周囲の媒体の温度が発熱部品よりも低くなければなりません。 ヒートシンクの性能に影響を与える他の要因には、表面処理、突起の設計、風速、および材料の選択が含まれます。

 

どのように機能しますか?

ヒートシンクには、スポンジのように熱を吸収し、それを平行宇宙に送り出す魔法の力はありません。 それらの動作原理は、フーリエの熱伝導の法則に依存しています。

 

この法則に従って、材料に温度勾配がある場合、熱は身体の高温領域から低温領域に移動します。 (伝導による)熱伝達率は、ヒートシンクの断面積と温度勾配の積に比例します。

ヒートシンク上に自由な空気の流れがない場合、熱エネルギーを伝達できません。 また、フィンが垂直に配置されていない場合、またはフィンがしっかりとパックされており、フィン間に十分な空気の流れができるようになっている場合、ヒートシンクの性能は限界に達しません。

 

素材

理想的なヒートシンク材料には4つの重要な特性があります

1.高い熱伝導率

2.低熱膨張係数

3.低密度

4.低価格

 

アルミニウム合金は、マイクロプロセッサのヒートシンクを構築するために広く使用されています。 たとえば、1050アルミニウム合金は、他の合金に比べて熱伝導率がはるかに高い(ただし機械的強度は低い)。 熱伝導率はメートルケルビンあたり229ワット(W / m•K)です。

 

アルミニウム合金6063および6061も、ワンピースの材料のヒートシンクの製造に一般的に使用されています。 それらの熱伝導率の値は、それぞれ201 W / m•Kです。

 

銅は、アルミニウムの約2倍の熱伝導率(401 W / m•K)を持ち、抗菌剤耐性、耐腐食性、および生物付着耐性の点で優れた特性を示します。 ただし、アルミニウムよりも延性が低く、高価で、密度は3倍です。

 

銅製のヒートシンクは、フライス削りまたはスカイビングで作られます。 多くのメーカーは、長方形の銅ボディに板金フィンをはんだ付けしています。 一部のヒートシンクは、銅ベースに複数のアルミニウムフィンを貼り付けて作られています。 このようなデザインは、両方の素材の利点を兼ね備えています。

 

ヒートシンクを作成するための別の適切な材料はダイヤモンドです。 その熱伝導率(2200 W / m•K)は銅の5倍を超えています。 ただし、コストが高いため、ダイヤモンドヒートシンクの使用は、特殊な高出力集積回路とレーザーダイオードに限定されています。

 

銅-タングステンの疑似合金、Dymalloy(銅-銀合金マトリックスのダイヤモンド)、AlSiC(アルミニウムマトリックスの炭化ケイ素)などのいくつかの複合材料は、コスト、可用性、およびヒートシンクのパフォーマンスの完璧なバランスを提供します。

 

種類

ヒートシンクは、対流、フィン配置、および製造プロセスの3つのパラメーターに基づいて分類できます。

 

対流に基づく

パッシブヒートシンクは、自然対流プロセスを通じて熱エネルギーを放散します。 つまり、熱風の浮力だけで、ヒートシンクシステム全体に気流が発生します。 熱は広い領域に広がり、フィンと呼ばれる細いストランドから放出されます。 これらのヒートシンクには、システムから熱を除去するための制御モジュールや二次電源は必要ありません。

扇風機付き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高温領域全体の流体の流れを増加させます。 この強制対流は通常、空気を循環させるブロワーまたはファンによって提供され、コンポーネントから熱を逸らします。 パッシブヒートシンクよりもシステムからの熱伝達に効果的であるため、ほとんどすべてのハイエンドデスクトップはアクティブ冷却を使用しています。

 

フィン配置に基づく

ストレート、ピン、フレアフィン(左から右)| Wikimedia

 

ストレートフィンは、ヒートシンクの全長にわたって動作します。 ベースに等間隔で取り付けます。 すべてのフィンは、90度の角度で(互いに平行に)取り付けられており、流体の流れに対して最大の面積を実現します。

 

ピンフィンはベースから伸びており、ヒートシンクの表面積の大部分を覆っています。 ピンは、正方形、楕円形、または円筒形にすることができ、すべての方向で正常に機能します。 これらのタイプのヒートシンクは、流体の流れの軌跡がピンに沿って(接線方向ではなく)軸方向である特定のアプリケーションでは、ストレートフィンよりも実質的に優れています。

 

フレアフィンは、互いに平行ではないことを除いて、ストレートピンに似ています。 これらのヒートシンクには、ある角度に傾けられた長いフィンが含まれています。 この設計により、流動抵抗が減少し、より多くの空気がフィンチャネルを通過できるため、ストレートフィンヒートシンクよりも優れた熱性能が得られます。

 

製造プロセスに基づく

押し出しヒートシンクは、押し出し製造プロセスを使用して作成されます。このプロセスでは、材料(主にアルミニウム)が目的の断面のダイに押し込まれます。 最終製品の寸法は押し出しの最大幅によって制限されますが、カスタム仕様を低コストで簡単に製造できます。

銅製の削られたヒートシンク

 

スカイビングヒートシンクは、スカイビングまたはスカーフィングと呼ばれるプロセスによって作成されます。このプロセスでは、材料が薄切りにされます。 銅やアルミニウムなどの材料の単一ブロックが使用されます。 これらのヒートシンクは、均一な形状と分布のフィンが密集しているため、優れた熱特性を提供します。

 

鍛造ヒートシンクは、局所的な圧縮力で材料を成形することによって作成されます。 製造プロセスは低温高圧環境で行われるため、金属に不純物や気泡が混入することはありません。 このプロセスの主な利点は、1つのセットの鍛造金型のみを使用して、同じ設計のヒートシンクを異なる高さで作成できることです。

接着ヒートシンク

 

結合されたヒートシンクには、溝付きのベースがあり、個々のフィンが溝に結合されています。 溝付きベースは、機械加工、押し出し、またはダイカストできます。 フィンは、耐熱性の要件に応じて、はんだ付け、ろう付け、または熱エポキシ接着されます。 それらは、銅、アルミニウム、ステンレス鋼などの材料の組み合わせで作ることができます。 このタイプの設計は、それほど重量を加えることなく、まともな熱性能を提供します。

 

型押しヒートシンクは、金属フィンに型押しし、ベースにはんだ付けすることによって作成されます。 それらは軽量で製造が安価です。 ただし、剪断エッジ、ダイマーク、または粗面があり、ハイエンドのアプリケーションには適していません。

折りたたまれたヒートシンク

 

折り曲げられたヒートシンクは、板金を曲がりくねったフィンアレイに折り曲げることによって作成されます。 シートは、ろう付けまたははんだ付けによってベースに取り付けられます。 また、折り曲げられたフィンは製造プロセスで平らになるため、接触面積が増加し、熱抵抗が増加します。

 

CNC機械加工されたヒートシンクは、アーバーに複数のソーカッターを備えたギャングソーマシンを使用して製造されています。 コンピューター数値制御(CNC)システムが機械を操作して、正確なフィン間スペースを作成します。 プロセスは高速ですが、非生産的な方法で大量の材料を消費します。 ほとんどの場合、フィンは変形または損傷しており、2次的な操作が必要です。

 

ヒートシンクのパフォーマンスはどのように計算されますか?

ヒートシンクの性能は、通常、風量、熱伝達係数、フィンタイプ、材料の熱伝導率、およびダクトサイズに依存します。 熱性能は次の3つの方法で決定できます。

1.パフォーマンスを実験的に測定することにより、

2.理論モデルを作成し、

3.数値解析と計算流体力学(CFD)と呼ばれるデータ構造技術を使用する。

 

理論モデルは一次推定として使用され、実験テストは非常にコストと時間がかかりますが、ほとんどの製造業者は、物理モデルを構築する前にシステムのヒートシンク温度を推定するためにCFDを好みます。

 

CFDは、流体の流れの定量的および定性的推定の両方を提供します。 コストがかかり、実験的手法を使用して分析するのが困難なフローパターンの詳細な洞察を提供します。

6 * 6 * 1 cmのストレートフィン付きヒートシンクのCFDアニメーション。チューブ軸ファンからの熱プロファイルと対流フローの軌跡を示しています。| Wikimedia

 

後処理されたアニメーションとシミュレーションの正確さは、CFDツールに入力された適切なパラメーターの正確さに依存しています。

 

用途

ヒートシンクは、正常に動作するために放熱が必要な任意のコンポーネントで使用できます。 これには、電気的、機械的、化学的、および核起源が含まれます。 ヒートシンクを利用する最も一般的な3つのデバイスは次のとおりです。

 

CPU / GPU:デスクトップでは、ヒートシンクはマイクロプロセッサ、グラフィックプロセッシングユニット、RAMモジュール、および一部のチップセットを冷却するために使用されます。

 

たとえば、NVIDIA Jetson Nanoには、オンボードAMDプロセッサとMaxwell GPUの温度を維持するための大きなヒートシンクが含まれており、どちらもかなりの量の熱を発生し、サーマルスロットリングを回避するには異常な冷却が必要です。

ヒートパイプ付き200W LEDヒートシンク

 

LED:発光ダイオードは触ると涼しいですが、デバイス内に大量の不要な熱を蓄えます。 この熱は、入力電力の10〜40%を光に変換する半導体から発生します。 残りのエネルギーは熱として失われます。

 

ヒートシンクは、伝導と対流によって余分な熱を放散するために使用されます。 これにより、LEDが周囲温度で動作できるようになり、デバイスの寿命が長くなります。

 

はんだ付け:磁気リードスイッチなどの一部の電気コンポーネントは、はんだ付け時の熱によって損傷する可能性があります。 したがって、電気技師は、ジョイントとコンポーネントボディの間のリードにクリップで留められたヒートシンクを使用することがよくあります。 ヒートシンクは、はんだ付け機によって供給される熱の一部を取り、近くの敏感なコンポーネントの損傷を防ぎます。

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