ヒートシンクは何をするのですか?
ヒートシンク テクノロジー、機械、さらには自然システムにおける熱管理の最も一般的な形態の1つです。これらのコンポーネントは非常に普及しているため、テクノロジーに精通している人でも見落としがちです。ヒートシンクの基本的な動作原理を説明し、アクティブおよびパッシブ ヒートシンクの構成を紹介し、一部のユーザーがアプリケーションにヒートシンクを実装する方法について説明します。
ヒートシンクとは何ですか?
ヒートシンクは、高温のデバイスから熱を逃がす熱流を増加させるコンポーネントです。このタスクは、デバイスの作業表面積と、拡大された表面積を移動する低温流体の量を増やすことによって達成されます。各デバイスの構成に基づいて、ヒートシンクの美観、デザイン、究極の機能が多数見つかります。この記事の上部の画像ではストレート フィン ヒートシンクが、下部の画像ではフレア フィン ヒートシンクが確認できます。各ヒートシンクは、次のようなさまざまなアプリケーションで役立ちます。
ヒートシンクはどのように機能しますか?
ヒートシンクは重要なコンポーネントから熱を逃がす働きをします。ほぼすべてのヒートシンクは、次の4つの基本的なステップでこのタスクを実行します。
1.熱源は熱を発生します。この熱源には、熱を生成し、正しく機能するためにその熱を除去する必要がある次のようなシステムが含まれます。
- 機械
- 電気
- 化学薬品
- 核
- 太陽
- 摩擦
2. 熱は発生源から伝わります。ヒートパイプもこの処理に役立ちますが、 これらのコンポーネントについては別途説明します。ヒートシンクに直接接触するアプリケーションでは、熱は自然伝導によってヒートシンク内に移動し、発生源から離れます。ヒートシンク材料の熱伝導率はこのプロセスに直接影響します。そのため、ヒートシンクの構造には銅やアルミニウムなどの高熱伝導率材料が最も一般的に使用されています。
3. 熱はヒートシンク全体に分散されます。熱は、高温環境から低温環境への熱勾配を越えて自然伝導によりヒートシンクを通って自然に伝わります。これは最終的に、ヒートシンクの熱プロファイルが一貫していないことを意味します。そのため、ヒートシンクは、多くの場合、熱源に向かって熱くなり、シンクの端に向かって冷たくなります。
4. 熱はヒートシンクから逃げます。このプロセスは、ヒートシンクの温度勾配と作動流体（最も一般的なのは空気または非導電性液体）に依存します。作動流体は温かいヒートシンクの表面を通過し、熱拡散と対流を利用して表面から周囲の環境に熱を除去します。この段階では、やはり温度勾配を利用してヒートシンクから熱を除去します。したがって、周囲温度がヒートシンクよりも低くない場合、対流は発生せず、その後の熱除去も行われません。このステップでは、ヒートシンクの総表面積が最も有利になります。表面積が広いと、熱拡散と対流が発生する面積が増加します。
アクティブヒートシンクとパッシブヒートシンク
ヒートシンクは、アクティブ、パッシブ、またはハイブリッド 構成で最も一般的に使用されます。
- パッシブ ヒートシンク は自然対流を利用しているため、熱い空気の浮力だけでヒートシンク システム全体に空気の流れが発生します。これらのシステムは、システムから熱を除去するために二次電源や制御システムを必要としないため有利です。ただし、パッシブ ヒートシンクは、アクティブ ヒートシンクよりもシステムからの熱を伝達する効率が低くなります。
- アクティブ ヒートシンク は強制空気を利用して、高温領域全体の流体の流れを増加させます。強制空気は、 ファン、ブロワー、または物体全体の動きによって生成されるのが最も一般的です。たとえば、オートバイのエンジンは、エンジンに設計されたヒートシンクフィンに沿って流れる空気によって冷却されます。ヒートシンク全体に強制空気を発生させるファンの一例としては、パソコンが温まった後にオンになるファンが挙げられます。ファンはヒートシンク全体に空気を強制的に流し、より多くの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することで、ヒートシンク システム全体の熱勾配が増加し、システム全体から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 は、パッシブ ヒートシンクとアクティブ ヒートシンクのいくつかの側面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、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に依存することがよくあります。システムがより低温で動作している場合、強制空気源は非アクティブとなり、システムは受動的に冷却されるだけです。熱源の温度が上昇すると、アクティブ冷却機構が作動し、ヒートシンク システムの冷却能力が向上します。
人気のヒートシンク
前述したように、ヒートシンクはコンピューターのCPUに最もよく見られます。たとえば、 Jetson Nano には、オンボードのクアッドコアARM A57 CPUと128コアNVIDIA Maxwell GPUの冷却を助ける大型のヒートシンクが搭載されています。どちらも大量の熱を発生するため、サーマルスロットリングを回避するために特別な冷却が必要です。同様に、Raspberry Piマイクロコントローラには熱放散装置が組み込まれており、 ヒートシンク と組み合わせて使用することで、オンボードのBroadcomチップのパフォーマンスが向上します。
最も一般的なチップ サイズを冷却するための標準ヒートシンクが見つかります。一部のヒートシンクは、特定のチップまたはデバイスの熱負荷を最適に処理するようにカスタム設計されています。
