ヒートシンク設計ガイド：材料とプロセスのヒント

ヒートシンク

ヒートシンクは、さまざまなエレクトロニクスや高性能技術デバイスにおいて重要な役割を果たします。 さまざまな電子コンポーネントや機構が熱を発生し、適切に放熱しないとデバイスに損傷を与える可能性があります。 ヒートシンクは、通常、伝導、対流、放射の組み合わせを使用して、デバイスから熱を奪い、周囲の環境に放散するように設計されています。

ヒートシンクがないと電子機器や機械は過熱したり故障したりしやすくなり、その結果、パフォーマンスが低下し、寿命が短くなり、メンテナンス費用が高くなります。 この記事では、 設計上の考慮事項を含むヒートシンク設計プロセスの詳細、 材料の選択, 動作原理とパフォーマンス指標.

この記事では、ヒートシンクの設計プロセスを詳細に掘り下げ、設計上の考慮事項、 材料の選択, 動作原理とパフォーマンス メトリック。

ヒートシンクを設計するにはどうすればよいですか?

ヒートシンク設計の有効性は、コンポーネントから熱を伝導する能力によって決まります。したがって、設計を進める前に熱の流れの基礎を理解することが不可欠です。 

At プロリーンテックカスタマイズされたヒートシンク設計サービスを提供しています 電子機器、自動車、航空宇宙などのさまざまな業界向け。

熱伝達を理解する

熱は伝導、対流、放射という 3 つの主なメカニズムを通じて伝達されます。

伝導 熱伝達とは、物質を介して高温部から低温部へ熱が伝達することです。電子部品が熱を発生すると、その熱は金属ヒートシンクなどの固体物質を介して部品から奪われます。 

伝導による熱伝達率は、物質の熱伝導率によって決まります。熱伝導率は、物質内を熱がどれだけ容易に流れるかを測定します。

流体または気体を介した熱の伝達は次のように知られています。 対流. 

空気がヒートシンク上を流れると、対流によって熱がヒートシンクから大気中へ運ばれます。対流の速度は、流体の速度、温度差、表面積に依存します。

放射線指数 熱は赤外線などの電磁波を通して伝達されます。放射の原理は単純で、物体が周囲よりも高温になると、電磁波を通して熱エネルギーを放射します。 

さらに、ヒートシンクは他の驚くべきものとともにこの熱エネルギーを吸収することができます。

数式：

Q = -kA(dT/dx)
（Q = 熱伝達率、k = 熱伝導率、A = 断面積、dT = 温度差、dx = 厚さ）

ヒートシンク設計に適した材料の選択

ヒートシンクの設計に適切な材料を選択することは、ヒートシンクの熱伝達効率、重量、コストに影響するため、非常に重要です。 意図した用途のニーズと仕様に応じて、熱伝導率、比熱容量、密度、およびその他の特性を考慮する必要があります。

一般的なヒートシンクの材料は次のとおりです。

ヒートシンクの材料を選択する際には、必要なサイズと重量、コスト、製造プロセス、動作条件など、（意図した用途に基づいて）考慮すべき点が他にもいくつかあります。

しかし、常に次の基準に基づいて選択してください 熱ニーズ、コスト制約、および製造の実現可能性。

サイズとフィンデザインの計算

試作や量産に移行する前に、フィン設計の最適な計算を行うことが重要です。Bodaの専門家は、性能指標と気流モデリングを駆使して、正確な寸法を決定します。

ヒートシンクのサイズ設定

ヒートシンクのサイズとフィンの設計は、デバイスによって生成される熱、使用可能なスペース、コンポーネント周囲の空気の流れに大きく依存します。

ヒートシンクの必要なサイズとフィンの設計を計算するための公式やソフトウェアプログラムがいくつかあります。考慮すべき要素としては、ヒートシンクの熱抵抗、フィンの表面積、そして気流の速度と方向などがあります。次のヒートシンクのプロトタイプを作成する前に、当社の専門家が最適な寸法の計算をお手伝いいたします。

ただし、この簡略化された式を使用することもできます：Rth = (Tj – Ta) / P （熱抵抗 = 接合部温度 - 周囲温度 / 消費電力）

関連リソース: ヒートシンク サイズの計算ツール

ヒートシンク製造における設計上の考慮事項

材料の無駄を最小限に抑え、効率を高めるには、ヒートシンクの設計を製造用に最適化する必要があります。 考慮することでそれを確実に行うことができます 材料の厚さ, 加工公差、およびフィンの数とサイズを考慮して、ヒートシンクを効率的かつコスト効率よく製造できるようにします。

ここにいくつかの ヒートシンク設計の重要な考慮事項 それができることを保証するために 効率的かつ効果的に製造される.

• ヒートシンクの材質: ヒートシンクに選択する材料は、熱伝導率、耐食性、製造の容易さに影響します。
• フィン構成:
• ヒートシンクのフィンの形状と配置は、その熱性能に影響を与えます。ストレートフィンやピンフィンなど、様々なフィンの形状が、放熱に利用できる表面積に影響を与えます。
• フィンのサイズと形状: フィンのサイズと形状は、熱伝達能力と全体の寸法に影響します。 たとえば、フィンが大きすぎたり小さすぎたりすると、適切なサイズや形状と比較して熱を放散できない可能性があります。
• 表面仕上げ： 製造方法を考えて、 希望の表面仕上げ 設計プロセスの初期段階で。 そのため、効率的な熱伝達と耐食性を最適化できます。
• 取り付け機構： 熱抵抗を低減しながら組み立てを容易にする取り付け機構を設計します。
• 公差： 正確な寸法の必要性と製造プロセスの実際的な考慮事項のバランスをとることが重要です。

ヒートシンクにおけるCNC加工とアルミニウム押出成形の比較

製造効率に関しては、CNC 機械加工とアルミニウム押出成形の両方に長所と短所があります。 CNC 機械加工では、非常に複雑でカスタマイズされたヒートシンクを製造できますが、特に大規模な生産の場合、このプロセスはより時間とコストがかかる可能性があります。 一方、アルミニウム押出成形は、大量のヒートシンクを製造するためのより効率的でコスト効率の高い方法ですが、このプロセスは非常に複雑な設計や特殊な設計には適していない可能性があります。

最終的に、ヒートシンク製造に CNC 機械加工とアルミニウム押出成形のどちらを選択するかは、設計の複雑さ、必要な生産量、アプリケーションの特定の熱管理要件などの要因によって決まります。

現代のエレクトロニクスにおける押出ヒートシンクの応用

アルミニウム押出ヒートシンクは、以下を含む最新のエレクトロニクスにおける幅広い用途に適しています。

1. 家庭用電化製品: スマートフォン、タブレット、ラップトップなどのデバイスでは、アルミニウム押出ヒートシンクを使用して、プロセッサー、メモリー、その他のコンポーネントからの熱を効率的に放散できます。
2. LED 照明: 押出成形ヒートシンクは、過熱を防止し、最適なパフォーマンスと寿命を確保するために LED 照明システムで一般的に使用されます。
3. 電気通信機器: ルーターやスイッチなどの機器では、アルミニウム押出ヒートシンクは安定した動作温度を維持し、全体的なパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。
4. 産業用エレクトロニクス: モータードライブ、電源、制御システムなどのアプリケーションでは、アルミニウム押出ヒートシンクが効果的な熱管理を提供し、信頼性の高い動作を保証します。
5. 自動車エレクトロニクス: 車両におけるエレクトロニクスの使用が増加するにつれ、アルミニウム押出ヒートシンクを使用して、ECU、インフォテインメント システム、パワー エレクトロニクスなどのコンポーネントを冷却することができます。

現実の世界 ヒートシンクの例

クライアントからよく「優れたデザインとは、実際に使用したときにどのように見えるのでしょうか?」という質問を受けます。 以下は、Boda がさまざまな業界で取り組んできた実際のプロジェクトです。

当社では、FEA や CFD などの高度なツールを活用して、実際の条件下での熱性能を最適化します。

事例I：パワーエレクトロニクス用アルミニウム

パワーエレクトロニクス用アルミ製ヒートシンクの設計は、まず電子部品から発生する熱量を計算することから始まります。この計算によって、熱を効果的に放散するために必要なアルミ製ヒートシンクのサイズと形状を決定するための情報が得られます。

さらに、そのサイズと形状は、パワー エレクトロニクスの物理的制限内に収まりながら、放熱に十分な表面積を提供します。

最後に、ヒートシンクをデバイスにどのように取り付けるかを決定します。 スルーホール実装と表面実装が最も一般的です 取り付け方法.

• スルーホール取り付けには次の作業が必要です ドリル穴 ヒートシンクとデバイスに取り付け、ネジまたはボルトで取り付けます。
• 表面実装では、熱接着剤またはクリップを使用してヒートシンクをデバイスの表面に取り付ける必要があります。

ケースII: 高性能のためのカスタム設計

高度なコンピューティング システム、高速車両、航空宇宙機器などの高性能アプリケーションでは、カスタム ヒートシンク設計がデバイス固有の熱要件に対処する必要があります。 したがって、カスタム ヒートシンクの設計は複雑になる可能性があり、高度なエンジニアリング技術とソフトウェア アプリケーションが必要になります。

最初のステップでは、高性能デバイスによって生成される熱、必要な動作温度範囲、ヒートシンクのサイズと形状などの熱要件を理解します。

熱要件を決定したら、有限要素解析 (FEA) ソフトウェアなどの高度なソフトウェア ツールを利用してヒート シンク設計を設計できます。 FEA ソフトウェアを使用すると、エンジニアはアルミニウム ヒートシンク設計の熱伝達と熱性能をシミュレーションし、デバイスのニーズに合わせて最適化できます。 全体として、カスタム ヒートシンク設計の最も優れた点は、電子機器や機械特有の加熱問題に対処できることです。

良いヒートシンク設計と悪いヒートシンク設計の例

優れたヒートシンク設計は、電子コンポーネントから効果的に熱を排出し、デバイスの機能の信頼性と効率性を確保します。 良いヒートシンク設計例と悪いヒートシンク設計例の特徴について説明します。

優れたヒートシンク設計には、次の要素が必要です。

• 放熱に十分な表面積
• 特定の用途に適したフィン設計
• 電気部品との優れた熱接触
• 効果的なデバイスの取り付け方法
• アルミニウムや銅などの適切な材料の使用

不適切なヒートシンク設計では熱を適切に放散できず、デバイスの故障やパフォーマンスの低下が発生します。これには次のような特徴が含まれる可能性があります。

• 放熱表面積が不十分
• 用途に対して不適切なフィン設計
• 電気部品との熱接触が制限されている
• プラスチックや木材などの熱伝導率の低い材料の使用。

ヒートシンクの仕組み

ヒートシンクは対流冷却を改善し、熱伝達のための広い表面積を提供します。 プロリーンテック当社の製造方法は 製品要件、複雑さ、そして バッチサイズ. 

お客様の用途と予算に合わせた最適な技術の選択をお手伝いいたします。ヒートシンク機構全体で発生する3つの熱伝達形態をご紹介します。

• 伝導熱伝達が発生し、温度差により電子部品から取り付けられたヒートシンクに熱が流れます。

• デバイス上のファンまたはその他の付属品は、自然対流または強制対流を介して (ヒートシンクから周囲への) 熱伝達率を高めます。 多くの場合、パワー エレクトロニクスのヒート シンク設計では、強制対流のためにファンまたは追加の冷却システムが使用されます。
• 熱は電磁波の形でも環境に伝達されます。

動作原理

ヒートシンクの動作は熱伝達の原理を使用して説明でき、これらの原理はヒートシンク設計プロジェクトを開始するための基本です。 「XNUMXつの物体の間に温度差がある場合、温度の高い物体から温度の低い物体へエネルギーが移動するときに熱伝達が発生します。」

加熱された部品とヒートシンク材料の間の温度差により、熱は電子部品からヒートシンクに流れます。 次に、ヒートシンクは周囲の環境に熱を伝達し、ヒートシンクからコンポーネントへの熱伝達の速度を調整するために、ファンまたは別の機構がよく使用されます。

熱抵抗と熱伝導率

熱抵抗図

熱抵抗は、熱の流れに抵抗する材料の能力を指します。 熱抵抗が増加するにつれて、材料を介した熱変形はより困難になります。 対照的に、熱伝導率は、材料の熱伝導能力を測定します。 つまり、熱伝導率が大きいほど、材料を通る熱の流れが良くなります。

ヒートシンクの設計では、熱伝導率が高く熱抵抗が低い材料を選択することが重要です。 これにより、熱が電子部品からヒートシンクに、またヒートシンクから周囲の空気に素早く伝わるようになります。

ヒートシンクのパフォーマンス指標

熱放散を最大化し、電子コンポーネントの温度上昇を最小限に抑えるには、パフォーマンス指標が不可欠です。 ヒートシンクの設計では、熱抵抗、インピーダンス、容量の XNUMX つの主要な指標が使用されます。

• 熱抵抗の測定基準: 熱抵抗は、材料が熱を伝達する能力を測定します。 通常、ワットあたりの摂氏温度 (°C/W) で測定され、消費電力 XNUMX ワットごとにヒートシンクの温度がどの程度上昇するかを示します。
• 熱インピーダンスの測定基準: 熱インピーダンスは、XNUMX つの物体間の熱流抵抗の尺度を指します。 この指標は、消費電力 XNUMX ワットごとに電子コンポーネントの温度がどの程度上昇するかを決定するため、ヒートシンクの設計には不可欠です。
• 熱容量の測定基準: 設計者は、特定の温度に達する前にヒートシンクが吸収できる熱量を計算できます。 これは通常、摂氏 XNUMX 度あたりのジュール (J/°C) で表され、ヒートシンクが飽和する前にどれだけのエネルギーを蓄えることができるかを反映します。

全体として、パフォーマンス指標はヒートシンク設計にとって非常に重要です。 これらは、設計者が特定の用途に最適なヒートシンクを選択し、そのパフォーマンスを最適化し、電子デバイスの信頼性が高く最適なパフォーマンスを保証するのに役立ちます。

ヒートシンクの作り方は？

CNC加工によるヒートシンク

ヒートシンクの設計は、次のようなさまざまな製造技術を使用して物理的な形状に変換できます。 CNC加工, ワイヤーカットEDMプレス加工、ヒートシンク押出成形、鋳造など、様々な製造方法があります。適切な製造方法を選択するには、必要な精度、ヒートシンクの材質、設計の複雑さなど、多くの要素を考慮する必要があります。

ヒートシンクの製造アプローチのいくつかについて簡単に説明しましょう。

CNC加工

CNC 加工は、複雑なデザインのヒートシンクを作成するための最良の方法です。 このアプローチにより、設計者は大きな柔軟性を得ることができます。 金属ブロック全体を使用してシンクを作成でき、必要なフィンが CNC マシンで切断され、ブロックのベースから曲げられます。 しかし、 CNCヒートシンクは高価で時間もかかる可能性がある。

ワイヤーカット放電加工機

ワイヤーカット放電加工機 ヒートシンクを製造する別の方法もあります。 ワイヤーカットの最初のステップは、 2D図面 ヒートシンクの設計。 次に、ワークピースをワイヤーカットマシンに取り付け、デジタル指示に従ってヒートシンクを希望の形状とサイズにカットします。

アルミ押出

ヒートシンクの製造 押し出す 可鍛性材料のビレットを高張力鋼のダイにプレスしてプレート フィンを形成することが含まれます。 これらは、アルミニウム ヒートシンクを含むほとんどの冷却用途に利用されています。 もちろん、アルミニウムはヒートシンクの製造に最も一般的に使用される材料です。

表面仕上げ技術

表面の品質はヒートシンクの性能に大きな影響を与えます。 ヒートシンクの表面は滑らかでなければなりません。 欠陥や粗さがないことこれらは熱伝達を制限する可能性があるためです。 あ 粗い表面 エアポケットが発生し、ヒートシンクとコンポーネント間の接触面積が制限されるため、熱伝達が低下し、温度が上昇する可能性があります。

したがって、腐食を防止し、ヒートシンクの表面品質を最適化するには、適切な表面仕上げを適用することが重要です。ヒートシンクの設計時には、次の一般的なヒートシンクの表面仕上げ方法を考慮できます。

• 陽極酸化
• 電気めっきおよび無電解めっき
• パウダーコーティング
• 研磨

ただし、特定のヒートシンクの表面仕上げオプションは、材料の種類、動作条件、ヒートシンクの複雑さ、およびその他の考慮事項によって異なります。

関連： 陽極酸化アルミニウム ヒートシンク: 最新のエレクトロニクス向けの冷却ソリューション

結論

適切なヒートシンク設計は、電子コンポーネントの安全な動作温度を維持し、寿命と信頼性を高め、最適なパフォーマンスを確保するために非常に重要です。 適切に設計されたヒートシンクのみが、要素によって生成された熱を効率的に放散し、十分な表面積を提供できます。

したがって、ヒートシンクの設計では、材料の選択と用途を考慮する必要があります。これにより、コンポーネントの温度を制御し、熱暴走やシステム障害の可能性を防ぐことができます。 

さらに、適切に設計されたヒートシンクは、効率的な熱放散を維持しながらデバイスのサイズと重量を削減します。

プロリーンテック ヒートシンク設計の製造サービスを提供します CNC加工, 押し出す, ワイヤー放電加工機当社の経験豊富なエンジニアと高度な製造設備は、設計コンサルティングとともに最高のヒートシンク製造サービスを提供します。 

だから、 プロジェクト開始の見積もりの​​ためにヒートシンクの設計図をお送りください.

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