ヒートシンク

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、熱気が浮遊する能力によってヒートシンク全体に空気流が生成され、熱を除去するための二次電源や制御システムは必要ありません。ただし、パッシブ ヒートシンクは、システムから熱を除去する点でアクティブ ヒートシンクほど効果的ではありません。

アクティブヒートシンク
アクティブ ヒートシンクは、{0}一般的にファンや送風機、または物体全体の動きによって生成される強制空気を利用し、--高温領域全体の流体の流れを増加させます。

これは、コンピューターが暖かくなった後にコンピューターのファンがオンになるのと似ています。ファンは空気をヒートシンクに強制的に送り込み、より多くの非加熱空気がヒートシンク表面を通過できるようにします。これにより、ヒートシンク全体の熱勾配が増加し、より多くの熱が排出されるようになります。

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、パッシブ ヒートシンクとアクティブ ヒートシンクの両方の特性を組み合わせたものです。これらの構成はあまり一般的ではなく、多くの場合、温度要件に基づいてシステムを冷却するために制御システムが使用されます。

システムが低温レベルで動作している場合、強制空気源は非アクティブになり、システムを受動的に冷却するだけになります。ソースが高温に達すると、アクティブ冷却機構が作動してシンクの冷却能力が増加します。

スカイビング:これには、金属をスライスに切断することが含まれます。ヒートシンク用のプレートフィンを製造する一般的な製造方法です。この方法を使用すると、より薄く密に詰まったフィンを作成できます。
ヒートシンクにはある程度の表面粗さがあり、それによって総表面積が増加します。

鋳造：溶かした金属を型に流し込む作業です。その後、溶融金属を固化させてから金型から取り出します。圧力ダイキャスト ヒートシンクは非常に複雑です。また、優れた機械的特性も備えています。

押し出し：これは、迅速かつ効率的かつコスト効率の高いヒートシンクの製造方法です。これには、鋼の金型を使用して高温の金属ビレットを押し込むことが含まれます。これはアルミニウム製ヒートシンクを製造する最も一般的な方法です。押し出しアルミニウムのヒートシンクは、通常、使用前に陽極酸化処理されます。

冷間鍛造：この方法は、材料の再結晶温度よりも低い温度で材料を製造するために使用されます。
アルミニウムは変形しにくく、可塑性が高いため、この方法はアルミニウム製ヒートシンクの製造に適しています。
冷間鍛造により高精度のヒートシンクを製造。これを使用して、丸ピンおよび楕円ピンのヒートシンクを製造できます。また、鍛造ヒートシンクは優れた微細構造の完全性を備えています。

スタンピング:これには、いくつかの専用ツールを使用して空気圧プレスの下で移動するアルミニウム金型を打ち抜くことが含まれます。この方法は大規模な生産に適しています。比較的小さな寸法の部品も製造します。

シンクまたはヒートシンクの定義から、ソースからシンクへのこの単純な熱の伝達は、どのタイプのシンクでも 4 つの基本的なステップで発生することを理解することができます。

熱は熱源から発生します
熱を発生し、適切に動作させるために熱の除去が必要なシステムは、熱源として機能する可能性があります。
これには、産業、エレクトロニクス、化学研究所、ソーラーパネル、さらには導電性デバイスの電気抵抗で使用されるさまざまなプロセスや機械が含まれます。

熱は原点から放射される
ヒートシンクと直接接触するアプリケーションでは、自然伝導を利用して熱源からヒートシンクに熱を伝達します。
このプロセスは、ヒートシンク材料の熱伝導率の影響をすぐに受けます。
シンクの建設に最もよく使用される材料は、銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料です。

シンクの表面が加熱される
熱が高温領域から低温領域へ温度勾配を越えて移動するとき、熱はソースからシンクを通って自然に伝導します。
その結果、シンクはソースに近づくほど高温になり、遠ざかるほど低温になることがよくあります。

熱エネルギーはシンクから出ます
この手順は、ヒートシンクと作動流体 (通常は空気または導電性のない液体) の温度勾配によって異なります。
作動流体が温かいシンクの表面上を移動するときに、熱対流と熱拡散が使用され、表面から周囲の空気に熱が伝達されます。

フーリエの熱伝導の法則
基本的なレベルでは、ヒートシンクの考え方は非常にシンプルです。大量の熱エネルギーを生成するコンポーネントにヒートシンクを取り付けることで、そのコンポーネントの表面積を効果的に増やすことができます。より高い温度にあるそのコンポーネントは、より低い温度の周囲に熱エネルギーを伝達します。

ヒートシンクの設計
ヒートシンクに使用される最も一般的な材料はアルミニウムです。これは、アルミニウムが優れた熱伝導特性を備えているためです。さらに、最も一般的なタイプのアルミニウム ヒートシンクは、押出成形 -- によって製造されます。このプロセスは、成形されたダイにアルミニウムを強制的に流し込むプロセスです。これは通常、低コストの製造プロセスであり、ほとんどの用途に適したパフォーマンス品質を提供します。ただし、ヒートシンクを製造する押出成形法には、特にサイズに関して限界があることは注目に値します。これは主に、押し出し幅に制限があるという事実によるものです。大型のヒートシンクが必要な場合、たとえば発電所のタービンなどでは、通常、接合（複数の部品をピースごとに構築し、接続すること）によって製造されます。

銅製ヒートシンク
ヒートシンクのもう 1 つの一般的な材料は銅です。銅は優れた熱伝導率（純銅で約400W/m・K、アルミニウムの約2倍）を持っています。耐食性にも優れています。欠点としては、アルミニウムよりも密度が高いため重いため、重量に敏感な用途には適していません。また、アルミニウムに比べて非常に高価です。

ヒートシンクの熱抵抗
ヒートシンクの材料の選択は、熱抵抗の 1 つの要素に大きく依存します。熱抵抗は、コンポーネントからその周囲へ熱が流れる能力です。設計全体にわたる抵抗を考慮する必要があります。たとえば、コンポーネントからパッケージまでの抵抗、パッケージから接着材までの抵抗、接着材からヒートシンクまでの抵抗、ヒートシンクから空気までの抵抗などです。これらの数値をすべて合計すると、全体的な熱抵抗が得られ、どの材料を選択する必要があるか、およびヒートシンクの大きさがどれくらいであるべきかを理解するのに役立ちます。熱抵抗は、材料を変更したり、フィンのデザインを増やしたり変更したり、両面テープなどの代わりに熱伝導用に設計されたサーマル ペーストを使用したりするなど、さまざまな方法で減らすことができます。--

アクティブ ヒートシンクとパッシブ ヒートシンクの比較
設計上のもう 1 つの考慮事項は、アクティブ ヒートシンクとパッシブ ヒートシンクのどちらを使用するかということです。パッシブ ヒートシンクは、放射熱放散と自然に発生する空気の動きに依存して熱エネルギーを除去します。アクティブ ヒートシンクは、ファンやポンプ -- などの追加コンポーネント -- を使用して、熱エネルギーをアクティブに除去して置き換えます。当然のことながら、アクティブ ヒートシンクは、同様の物理的特性を持つパッシブ ヒートシンクよりも効果的です。

まず、ヒートシンクの使用方法と保管環境に注意する必要があります。ヒートシンクを長期間使用しない場合は、しっかりと保管する必要があります。保管場所を選ぶ際は、酸やアルカリなどの腐食性物質に注意する必要があります。これらの材料はヒートシンクに大きな腐食を引き起こす可能性があるため、この種の暴露はできるだけ避ける必要があります。

次に、ヒートシンクを確実に清掃する必要があります。ヒートシンクを長期間使用していると、フィンの間に大量のゴミや汚れが溜まる場合があります。適時に掃除しないと、ほこりが積み重なり、このヒートシンクの全体的な冷却性能に影響を与えることは避けられません。これは、冷却が必要なデバイスにとって無視できない脅威となる可能性があります。したがって、定期的にヒートシンクの徹底的なクリーニングを行う必要があります。

また、防食処理を行う際には、関連する複数の問題を考慮する必要もあります。例えば、不凍液の選定や表面コーティングを規定の基準に従って行わないと、ヒートシンクが腐食して使用できなくなる可能性があります。