詳細: 3D プリントでより優れたヒートシンクを製造できる可能性

May 07, 2024

米国の研究者らは、3D プリントされたヒートシンクが従来のヒートシンクよりも軽量、小型、または優れている可能性があることを示しました。

2kW を消費するモジュールを冷却するように遺伝子設計されたヒートシンクの疑似カラー画像

この結論は、オークリッジ国立研究所とテネシー大学ノックスビル大学の 2 つの関連プロジェクトから得られています。

印刷されたアルミニウムの熱伝導率は、標準的なヒートシンク アルミニウムと少なくとも同等、場合によってはそれより優れていることが証明されています。

2 つ目は、3D プリンティングで得られる自由な形状を利用して、従来のヒートシンクと同じスペースに収まりながら、より適切に機能するヒートシンクを設計する遺伝的アルゴリズムを開発しました。

熱伝導率のケースでは、従来のヒートシンク材料 (Si が 1% 未満、Mg が 1.5% 未満の「6061」アルミニウム) と、米国企業 Linear Mold AMS が直接金属レーザー焼結 (DMLS) 用に開発した合金を使用して印刷したものと比較しました。 ORNL によると、10% の Si と 0.5% の Mg。

室温では、6061 合金の熱伝導率は 180W/mK でしたが、印刷されたヒートシンクの熱伝導率は 110W/mK でした。ここで数値が低いほど、伝導率が悪く、したがってヒートシンクも劣ることを意味します。

より高い温度では、両方ともほぼ直線的に変化し、220°C で 170WmK に収束しました。

両方を 300°C で熱処理し、その後室温に戻すと、両方の材料の熱伝導率が向上する構造変化が生じました。

6061 ヒートインクは数 W/mK 改善されましたが、印刷されたヒートインクははるかに改善され、恒久的に 200W/mK 未満に上昇しました。

将来のシミュレーションのために、研究チームは印刷された合金と 6061 の両方の正確な理論モデルを作成しました。

余談ですが、DMLS 3D プリンティング用の最も一般的なアルミニウム合金は「AlSi10Mg」です。これは ORNL が説明する合金に非常に似ていますが、マグネシウムが 0.25 ～ 0.45% 含まれています。

印刷された状態では、印刷層に沿って 103+/-5W/mK、印刷層全体で 119+/-5W/mK を達成します。 AlSi10Mg の標準的な印刷後のコンディショニングでは、300°C で 2 時間加熱します。その後、熱伝導率は全方向で 173+/-10W/mK に上昇します。

6063 と呼ばれる押出ヒートシンク用の 2 番目の標準合金は、銅を含まない形状で 190 ～ 210W/mK を実現します。銅はアルミニウムの熱抵抗を増加させます。

さらに余談ですが、ダイヤモンドはヒートシンクステークで 2,000W/mK のスコアを誇ります。

遺伝的アルゴリズムの最適化

3D プリントでは既存のヒートシンクと同じ形状のヒートシンクを作成できますが、3D プリントで可能な任意の形状を使用するとどのようなメリットがあり、これらの任意の形状はどのように設計できるのでしょうか?

これらは、ORNL/テネシー大学の 2 番目のプロジェクトが、COMSOL ソフトウェアの遺伝的設計アルゴリズムと有限要素モデリングを使用して答えようとした疑問です。

例として、電気自動車用の 50kW 水冷炭化ケイ素 H ブリッジ インバーターを取り上げました。

比較のため参考モデルのヒートシンクはライトロン社CP15シリーズの実物をベースに作成しました。ヒートシンクは厚いアルミ板の裏面に深い溝が刻まれています。 アルミニウムと熱的に良好に接触している銅パイプがこれらの溝を蛇行し、パイプ内の水が熱を運びます。

2 つの状況がモデル化されました。1 つは 2kW を消費する 64 x 64mm のスイッチング モジュールで、もう 1 つは正方形に取り付けられた 4 つの個別のパワー トランジスタでそれぞれ 250 W を消費します。

遺伝的アルゴリズムを使用して、1kW と 2kW の両方の負荷条件下で 3D 印刷可能な同じサイズ (約 86 x 64 x 8mm) の競合ヒートシンクを設計しました。 すべての場合において、20℃の入口水が0.036リットル/秒でヒートシンクに流入すると仮定しました。

設計アルゴリズムをシンプルに保つため、任意の水路形状は許可されませんでした。

代わりに、チャネルは断面が長方形に制限されました (高さ約 6 mm、スラブの厚さの上部と底部に 1 mm を残し、幅約 1 mm)。