適切なヒートシンクの選び方

電子部品を扱ったり、電子部品を使った設計を行ったりしたことがある人なら誰でも、一般的に言えば、熱はパフォーマンスの敵であることを知っています。電子機器の場合、過度の熱によりコンポーネントが最適なレベルで動作しなくなる可能性があり、さらに悪いことに、コンポーネントとその周囲の部品に永久的な損傷を与え、故障につながる可能性があります。

現代のコンポーネントから発生する熱を管理し、中和するための実証済みの方法の1つは、ヒートシンク (通常はアルミニウム製の複数のフィンが付いた熱交換器) を使用することです。ヒートシンクは、熱エネルギーをより効率的に放散するのに役立ちます。この記事では、 ヒートシンク の世界を詳しく調べ、現代のヒートシンク設計を推進する設計要素、材料、アプリケーションのいくつかを見ていきます。

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発生するコンポーネントにヒートシンクを取り付けると、そのコンポーネントの表面積が効果的に増加します。高温になっている部品は、その熱エネルギーをより低温の周囲（通常は空気ですが、場合によっては水や特殊なオイルの場合もあります）に伝達します。この概念は、次のように記述される「フーリエの熱伝導の法則」と呼ばれる単純な公式によって規定されています。

この式では、 q_k は熱が伝達される速度であり、温度勾配と熱が伝達される断面積の積に比例します。簡単に言えば、物体（このアプリケーションでは、発熱部品）とその周囲（ヒートシンクの周囲の空気またはその他の材料）の温度差が大きいほど、またヒートシンクが大きいほど、熱はより速く中和されます。

ヒートシンク設計 

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、押し出し成形 (成形された金型にアルミニウムを流し込むプロセス) によって製造されます。これは通常、低コストの製造プロセスであり、ほとんどのアプリケーションに適したパフォーマンス品質を提供します。しかし、ヒートシンクを製造する押し出し法には、特にサイズに関して限界があることに注意する必要があります。これは主に押し出し幅に制限があるためです。たとえば発電所のタービン用の大型ヒートシンクが必要な場合、通常は接合（複数の部品を個別に組み立てて接続する）によって製造されます。

銅ヒートシンク

ヒートシンクのもう一つの一般的な素材は銅です。銅は優れた熱伝導性（約400 W/m）を持っています。•純銅はKで、アルミニウムの約2倍です。耐腐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はるかに高く、そのため重くなるため、重量が重要な用途には適していません。また、アルミニウムよりもはるかに高価です。

ヒートシンクの熱抵抗

ヒートシンクの材質の選択は、主に熱抵抗という1つの要素に依存します。熱抵抗とは、コンポーネントから周囲に熱が流れる能力です。設計全体にわたって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料までの抵抗、接着材料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、どの材料を選択すべきか、ヒートシンクをどのくらいの大きさにすべきかを理解するのに役立ちます。熱抵抗を下げるには、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など、さまざまな方法があります。

アクティブヒートシンクとパッシブヒートシンク

もう一つの設計上の考慮事項は、アクティブ ヒートシンクを使用するかパッシブ ヒートシンク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を利用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、熱エネルギーを積極的に除去し、移動させます。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。

最後に、ヒートシンク自体の物理的な設計があります。フィンのオプションの数は無限にあるように見えます。ピン、ストレート、フレア フィンが一般的な選択肢であり、無限のパターンと配列で構成できます。これらのフィンの性能は多くの要因に依存しており、一般的には表面積が増加すると性能が向上すると考えられていますが、必ずしもそうとは限らず、全体的な熱抵抗やフィンを通る空気や液体の流れ方など、多くの追加要因に依存する場合があります。

LEDヒートシンク

現在まで、ヒートシンクの最も一般的な用途は、CPUから発生する熱の管理でした 。どのコンピュータを開いても、コンピュータを効率的に、ほぼ最適な温度で稼働させるために設計された、多数のヒートシンク、ファン、その他のデバイスやシステムが目に入ります。人気の Raspberry Pi でも、ヒートシンクを使用するとパフォーマンスが向上します。しかし、より高性能な電子機器が市場に参入するにつれて、新たなヒートシンクの用途が登場しています。 

ヒートシンクが広く使用されている分野の一つは、現代の照明ソリューションです。LED は長年使用されてきましたが、LEDソリューションの進歩により、これらのコンポーネントが生成する熱エネルギーの量が大幅に変化しました。LEDはかつては主に表示灯や低電力アプリケーションに使用されていましたが、今日では家庭用照明から自動車のヘッドライト、さらにはスタジアムの照明まで、膨大な量の熱エネルギーを生成する巨大な設備にまで、あらゆるものに使用されています。

他の電子部品と同様に、熱はLEDにとって悪影響です。実際、過度の熱はそれらを損傷し、光出力の低下、色の変化、および寿命の大幅な減少につながる可能性があります。これらの問題に対処するために、LED設計エンジニアはヒートシンクを使用して熱エネルギーをより効率的に伝達し、LEDのパフォーマンスを最適なレベルに維持しています。

ヒートシンクのもう一つの成長分野は、モノのインターネット、機械学習、人工知能によって推進されています。これらの成長を続けるテクノロジー分野により、データの生成と、それらのデータ ポイントの対応する分析が大幅に増加しました。よくビッグデータと呼ばれるものには、情報を分析するための強力なプロセッサと、記録されている膨大な量の情報を視覚化するための堅牢なGPUが必要です。これらの強力なシステムは大量の熱を発生するため、これを管理する必要があります。その解決策となるのがヒートシンクです。

もっと詳しく知る

設計を構築する際には、必要な熱ニーズを満たすヒートシンクを選択することが、システムの全体的なパフォーマンスと寿命にとって非常に重要です。Arrowは、設計が適切に動作し続けるようにするための ヒートシンク やその他の 熱管理ソリューション を幅広く取り揃えています。