ヒートシンクの設計と製造に関する簡単なレビュー

最終更新:09/01;読む時間: 6 分

ヒートシンク

ヒートシンクは、機械、電気、および電子システムから熱を除去する熱力学的デバイスです。さまざまなデバイスや機械では、そのデバイスや機械の機能を維持するために、温度範囲を特定の制限内に保つことが不可欠です。ここでヒートシンクの役割が発揮されます。たとえば、さまざまな業界のラップトップの大型機械は、熱を放散する必要があります。今日のテクノロジーの世界でどれだけ広く使用されているか考えてみてください。ヒートシンクは、空気や液体などの調整された媒体に熱を伝達することによって熱を放散し、その後、装置および伝達媒体から排出されます。

この記事では、以下について簡単に説明します。ヒートシンクの働き、設計ステップ、および製造アプローチ。

ヒートシンクの働き

熱伝達のフーリエの法則は、熱が常に高温から低温の媒体に流れることを示しており、ヒートシンクがどのように機能するかの基礎を提供します。デバイスは、周囲の空気や液体よりも高温の熱を生成しますが、その熱を伝導、対流、場合によっては放射によってより低温の接点に伝達します。

ヒートシンクの動作を明確に示すために、以下のフローチャートを見てみましょう。

ヒートシンクの作業フローチャート

·   パッシブヒートシンク

パッシブヒートシンクは、ファンや周囲の水循環などの強制対流なしで、吸収した熱を周囲の空気に自然に伝達します。これらは通常、形状が大きく、外部環境に露出したフィン配列が含まれています。

·   アクティブヒートシンク

アクティブ ヒートシンクは、追加のファンまたはブロワーと、自然なアプローチ以外の熱を除去するための液体セットアップで構成されます。この追加の設定により、強制対流プロセスによる熱放散プロセスが増加します。たとえば、ファンが作動すると、風速が増加し、ヒートシンクから周囲の環境に熱が急速に伝達されます。

熱抵抗の計算

ヒートシンクの設計中、総熱抵抗 (R_hs) は、潜在的なパフォーマンスと効率を理解する上で重要な役割を果たします。その計算方法を見てみましょう。

R_HS= (T_j-T_a/P) – (R_th-jc) – R_I

P = 総放散熱

T_I= 0C でのデバイスの最大ジャンクション温度。

R_th-jc= 接合部からケースへの熱抵抗

T_a= での周囲空気温度⁰C.

R_I= 界面材料の抵抗

R_私= (t/長さ×幅×K_I)

t = 界面材料の厚さ

K_I=界面材料の熱伝導率

L = 熱源の長さ

W = 熱源の幅

ヒートシンクの設計

設計にはいくつかのステップがあります。それぞれを簡単に見てみましょう。

1.          材料の選択

熱伝導率は、加熱されたデバイス コンポーネントからシンクおよび環境への熱の急速な伝達を可能にするため、ヒートシンク材料の重要な特性の 1 つです。

ヒートシンクの製造に使用される 2 つの主要な材料は、銅とアルミニウム合金です。これは、強度、耐食性、耐久性、高い熱伝導率などの優れた機械的特性を備えているためです。ただし、かなり高価ですが、ダイヤモンド (2,000 W/m/k) は、高性能で精密な電子デバイスのヒートシンクに最適な材料です。

電子部品に加えて、リチウムイオン電池は放熱が必要です。このような状況では、銅またはアルミニウムがヒートシンクの最適な材料ではない場合があります。

熱管理のための自動車業界のソリューションは、より優れた伝導率の炭素繊維素材です。

2.          フィン配置とエアフロー

ヒートシンクの性能に影響を与えるもう 1 つの要因は、熱放散速度に大きな影響を与える冷却媒体です。したがって、ヒートシンクを構築する際には、形状、サイズ、およびフィンの配置を考慮することが重要です。パラメトリック最適化手法を使用することは、指定された制限に一致し、設計目標を達成するための理想的なパラメーター値を見つけるための最良のオプションです。

• フィン間のスペースを改善して、空気の流れを改善し、熱抵抗を減らします。

• 表面積が大きいほど伝導と対流熱伝達が増加し、放熱が促進されるため、厚さと高さを大きくすることを検討してください。

• より小さな熱境界層を作成し、気流の方向はヒートシンクとの理想的な角度で設計され、フィンの効率を高めます。

• CAD でフィン設計を準備したら、熱伝達シナリオをシミュレートして効率を最適化できます。

3.          ヒートシンクの取り付け

シンクがデバイスの発熱体に接続されている方法も、シンクの機能に影響します。スタンドオフ スペーサー、フラット スプリング クリップ、エポキシ、サーマル テープのオプションから、熱伝達率を最大化する最適な接続方法を選択してください。

4.          熱インターフェース

ヒートシンクの欠陥と表面粗さは、熱接触面積と界面圧力の減少により熱抵抗を増加させる役割を果たします。この問題を克服するには、熱伝導材料が最適です。デバイスのヒートシンクと発熱体の表面に液体ポリマー、ワックス、アルミニウム、グラファイト、およびテープを使用すると、熱抵抗が低下します。

5.          シミュレーション

設計のシミュレーションは、ヒートシンクの性能を仮想的に確認するために重要です。コンピュータ シミュレーションにより、改善のアイデアが得られ、設計が必要なアプリケーションに適合しているかどうかが確認されます。

ヒートシンクの製造工程

ヒートシンクの設計を熱的にシミュレートした後、生産に回されます。さまざまな製造プロセスを詳しく見てみましょう。

1.          CNC加工

CNC加工で作られたヒートシンク

CNC加工複雑な形状のヒートシンク製造に最適な方法です。このアプローチにより、設計者は多くの柔軟性を得ることができます。金属のブロック全体を使用してシンクを作成し、必要なフィンを CNC マシンでカットし、ブロックのベースから曲げます。ただし、時間とコストがかかる方法です。

2.          押し出す

ヒートシンクを製造するための最も一般的なプロセスの 1 つは、押し出す延性材料の高温ビレットを高強度鋼の金型に押し込んでプレート フィンを作成します。これらは、アルミニウム製ヒートシンクを含むほとんどの冷却アプリケーションに使用されます。もちろん、アルミニウムはヒートシンクの製造に最も広く使用されている材料です。

押し出しで作られたヒートシンク 

安価で簡単な手順です。ヒートシンクは、さまざまな動作環境で使用できます。ただし、最大はみ出し幅の制限により、フィン幅の広いヒートシンクには使用できません。

3.          鋳造

鋳物製ヒートシンク

の中に鋳造ヒートシンクのアルミニウム、銅、または亜鉛が一般的な材料です。このプロセスでは、選択された材料のインゴットが最初に溶解され、ある程度の圧力でヒートシンクの金型に注入されます。注入された液体材料は、金型内で凝固した後、放出され、さらに最小限の機械加工を行って表面の欠陥を排除します。複雑な形状を高い精度で取得するのが最善です。

4.          冷間鍛造

冷間鍛造ヒートシンク

これは、アルミニウムおよびその合金に適したヒートシンクのもう 1 つの高精度製造アプローチです。ただし、銅や青銅にも適用できます。冷間鍛造は極圧を利用し、室温で金属形状を変形させて、ヒートシンク用の円形および楕円形のピンを作成します。さらに、高密度のフィンを製造するために使用され、高速気流条件での熱伝達を強化します。

5.          3Dプリント

3Dプリントヒートシンク

ヒートシンクの製造方法としての 3D プリンティングの開発は、技術の進歩によるものです。パウダー ベッド フュージョンと指向性エネルギー蒸着技術は、ヒートシンクの印刷で最も一般的な 2 つの方法です。

6.          スタンピング

コールドスタンピング製ヒートシンク 

のスタンピングこの方法は、フィンの内側にヒート パイプを構築する必要がある場合に使用されます。次に、金属ストリップをプレスすることにより、フィンが製造されます。高速プレス技術を利用した場合、特に大量生産に効果を発揮します。それにもかかわらず、価格は高いです。

結論

ヒートシンクは、機械、電気、および電子デバイスに不可欠です。この記事では、電子デバイスに焦点を当てた詳細な設計プロセスと製造について概説しました。ヒートシンクの設計は熱放散率に大きく影響するため、パフォーマンスを最適化するには、各設計ステップに従うことが重要です。さらに、設計後の熱シミュレーションは、実際の作業シナリオを理解し、設計を改善するのに役立ちます。

ここProleanHubには、10年以上の経験と高度な製造部門を持つデザイナーがいます。一流のヒートシンクの設計と製造サービスを提供します。さらに、当社の機械エンジニアは、機能とパフォーマンスを向上させるために設計をシミュレートします。最後に、当社の品質管理部門が各製造ステップを監視しているため、ヒートシンクの製造が必要な場合でも、サービスの品質に妥協する必要はありません。お問い合わせ.

よくある質問

ヒートシンクの効率を改善するにはどうすればよいですか?

熱抵抗の低減、フィンのサイズ、形状、配置の最適化、フィンのインターフェースの改善など、いくつかの方法で効率を高めることができます。

ヒートシンクに最適な素材は何ですか?

ヒートシンクに最適な材料は、銅およびアルミニウム合金です。繰り返しますが、熱伝達率はヒートシンクの設計に依存します。

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、フィン付きの銅やアルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で作られています。加熱されたコンポーネントに付着し、熱を吸収します。その後、吸収された熱は、伝導、対流、または放射によって周囲の周囲に放散されます。

ヒートシンクの設計手順は?

手順は次のとおりです。

1. 材料の選択
2. フィンの形状、サイズ、配置の固定
3. アタッチメントの固定（ヒートシンク＆デバイス部品）
4. フィンのサーマルインターフェース
5. CAD設計の熱シミュレーション

ヒートシンクの一般的な製造方法は何ですか?

CNC 機械加工、鋳造、鍛造、スタンピング、および 3D 印刷が一般的なアプローチです。