ヒートシンクとは何ですか?またその仕組みは何ですか?

Jul 16, 2023

最近の電子機器は熱いです。 ここでは、ヒートシンクがどのようにして使用時に冷却を保つのかを説明します。

過熱はデバイスにとって問題です。 そのため、電子機器や同様の熱源の温度を制御するには、熱の除去が不可欠です。

ヒートシンクは、熱エネルギーを環境に放散し、デバイスを冷却するために電子デバイスで使用されます。 しかし、ヒートシンクとは正確には何で、どのように機能するのでしょうか?

現代では、私たちは電子システムやガジェットに囲まれています。 マイクロプロセッサ チップから移動通信システムの基地局 (BTS) に至るまで、電子製品の動作には電力が必要です。

その電力の一部はデバイスの動作に使用されますが、残りは（デバイスの効率に応じて）主に熱の形で消費されます。

しかし、デバイスの小型化により、電子デバイスは熱を蓄積できなくなり、この熱エネルギーを環境に放出する必要があります。 この目的のために、ヒートシンクがよく使用されます。

ヒートシンクは、高温の電子デバイスに取り付けられ、伝導によって熱を吸収し、このエネルギーを対流と放射によって周囲環境に放出する部品です。 ヒートシンクの一般的な構造は次のとおりです。

電子機器は、機器内部に熱が蓄積しないように、最小限のインターフェースと熱伝導性材料を利用して発熱源とヒートシンクを接続するように設計されています。 ヒートシンクは、熱を除去するためにデバイスへの熱抵抗の低い経路を提供するように設計されています。

ヒートシンクは熱伝導性の材料で作られており、最も一般的にはアルミニウム (熱伝導率: 237 W/m K) です。 アルミニウムは、銀や金などの他の熱伝導性材料と比較して低コストの金属です。

比較的小さな電子機器の筐体からの熱は、伝導によって平らな金属板に吸収されます。 多くの場合、電子機器の外装とヒートシンクの間にサーマルペーストを塗布することで伝導が促進されます。 これにより、高熱伝導性ペーストとの適切な物理的接触が保証されます。

比較的小さな電子ケースからの熱は、伝導によって大きなヒートシンク表面に広がることを目的としています。

ただし、熱源のより小さな表面積がヒートシンクのより大きな表面積に物理的に接触すると、熱エネルギーは拡散熱抵抗を受けます。 そのため、ヒートシンクのベース プレートの適切な接触厚さを選択して、広がり抵抗を制御することが重要です。

拡散抵抗を最小限に抑えたヒートシンクにより、熱がベースプレートとフィンにほぼ均等に分散されます。 したがって、ヒートシンクの表面積が効率的に利用されます。 ただし、拡散抵抗の計算については、この記事の範囲外です。

ヒートシンクのベース プレートの反対側には、熱の熱対流のための表面積を増やすために多くの金属フィンが使用されています。 フィンは、熱を放散するために流体、つまり空気がフィン間を自由に流れる能力を妨げる可能性があるため、互いに近づけすぎないでください。

ヒートシンクのベースで熱を均一に分散するには、フィンによって提供される表面積全体を利用し、自然対流または強制空気対流を使用して周囲の空気に熱を放ちます。

自然対流は、流体の自然な流れを使用して、つまり外部源を通じて圧力を加えずに、周囲の空気がヒートシンク フィンから熱エネルギーを運び去るプロセスです。 このプロセスでは、流体分子の流れまたは速度が遅くなります。

熱交換のための強制対流方式では、ブロワーまたはファンを使用して、ヒートシンクのフィンの表面を通過する流体の流れの速度を高めます。 DC ファンまたは PWM ファンのいずれかを使用できます。

空気流量が増加すると、ヒートシンクからより多くの熱が運び去られます。 通常、強制対流は、大量の熱を除去する必要がある場合、または設計で小型のヒートシンクが必要な場合に使用されます。