ヒートシンク

ヒートシンク（heatsinkとも綴られる、^[1]）は、電子デバイスまたは機械デバイスによって生成された熱を流体媒体（多くの場合、空気または液体冷媒）に移動し、デバイスから放散させることでデバイスの温度を調節できるようにする受動的な熱交換器です。コンピューターでは、ヒートシンクはCPU、GPU 、一部のチップセットとRAMモジュールを冷却するために使用されます。ヒートシンクは、パワートランジスタなどの他の高出力半導体デバイスや、レーザーや発光ダイオード（LED）などのオプトエレクトロニクスで使用され、コンポーネント自体の放熱能力では温度を緩和するのに不十分です。

ヒートシンクは、空気などの周囲の冷却媒体と接触する表面積が最大になるように設計されています。空気の速度、材料の選択、突起の設計、表面処理は、ヒートシンクの性能に影響を与える要因です。ヒートシンクの取り付け方法と熱伝導材料も、集積回路のダイ温度に影響を与えます。熱接着剤または熱ペーストは、ヒートシンクとデバイス上のヒートスプレッダ間の空気の隙間を埋めることで、ヒートシンクの性能を向上させます。ヒートシンクは通常、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で作られています。

ヒートシンクは、高温のデバイスから低温の流体媒体に熱エネルギーを伝達します。流体媒体は空気であることが多いですが、水、冷媒、油の場合もあります。流体媒体が水の場合、ヒートシンクはコールドプレートと呼ばれることがよくあります。熱力学では、ヒートシンクは温度を大幅に変化させることなく任意の量の熱を吸収できる熱貯蔵庫です。電子機器用の実用的なヒートシンクは、対流、放射、伝導によって熱を伝達するために、周囲よりも高い温度にする必要があります。電子機器の電源は絶対的に効率的ではないため、余分な熱が発生し、デバイスの機能に悪影響を与える可能性があります。そのため、熱を分散させるためにヒートシンクが設計に組み込まれています。

フーリエの熱伝導の法則は、物体に温度勾配がある場合、熱は高温領域から低温領域に伝達されることを示しています。熱伝導による熱伝達率 は、温度勾配と熱が伝達される断面積の積に比例します。これをx方向の 1 次元形式に簡略化すると、次のように表すことができます。 ${\displaystyle q_{k}}$

${\displaystyle q_{k}=-kA{\frac {dT}{dx}}.}$

ダクト内のヒートシンクの場合、ダクト内を空気が流れるため、ヒートシンクのベースは通常、ダクト内を流れる空気よりも高温になります。定常状態におけるエネルギー保存則とニュートンの冷却の法則を図に示す温度ノードに適用すると、次の方程式が得られます。

${\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m}}c_{p,{\text{in}}}(T_{\text{air,out}}-T_{\text{air,in}}),}$

${\displaystyle {\dot {Q}}={\frac {T_{\text{hs}}-T_{\text{air,av}}}{R_{\text{hs}}}},}$

どこ

${\displaystyle T_{\text{air,av}}={\frac {T_{\text{air,in}}+T_{\text{air,out}}}{2}}.}$

${\displaystyle {\dot {m}}}$空気の質量流量（kg/s）

${\displaystyle c_{p,{\text{in}}}}$流入する空気の比熱容量（J/(kg °C)）

${\displaystyle {R_{\text{hs}}}}$ヒートシンクの熱抵抗である

平均気温の使用は、比較的短いヒートシンクに有効な仮定です。コンパクトな熱交換器を計算する場合は、対数平均気温が使用されます。

上記の式は次のことを示しています。

• ヒートシンクを通る空気の流れが減少すると、平均気温が上昇します。これにより、ヒートシンクのベース温度も上昇します。さらに、ヒートシンクの熱抵抗も増加します。結果として、ヒートシンクのベース温度が高くなります。
  • 流量の減少に伴うヒートシンクの熱抵抗の増加については、この記事の後半で説明します。
• 入口空気温度はヒートシンクベース温度と密接に関係しています。たとえば、製品内で空気が循環している場合、入口空気温度は周囲の空気温度とは異なります。したがって、ヒートシンクの入口空気温度は高くなり、ヒートシンクベース温度も高くなります。
• ヒートシンクの周囲に空気の流れがなければ、エネルギーは伝達されません。
• ヒートシンクは「スポンジのように熱を吸収し、それを並行宇宙に送り出す魔法の能力」を備えた装置ではありません。^[2]

自然対流には、ヒートシンク上の空気の自由な流れが必要です。フィンが垂直に揃っていない場合、またはフィンが近すぎてフィン間に十分な空気の流れがない場合、ヒートシンクの効率は低下します。

さまざまな民生用および産業用電子機器に使用される半導体デバイスの場合、熱抵抗の考え方によってヒートシンクの選択が簡単になります。半導体ダイと周囲空気の間の熱の流れは、熱の流れに対する一連の抵抗としてモデル化されます。ダイからデバイスケースへの抵抗、ケースからヒートシンクへの抵抗、ヒートシンクから周囲空気への抵抗があります。これらの抵抗の合計が、ダイから周囲空気への総熱抵抗です。熱抵抗は、電気抵抗と同様に、電力単位あたりの温度上昇として定義され、ワットあたりの摂氏度 (°C/W) の単位で表されます。デバイスのワット単位の放散がわかっていて、総熱抵抗が計算されれば、周囲空気に対するダイの温度上昇を計算できます。

半導体ヒートシンクの熱抵抗という考え方は近似値です。デバイスやヒートシンク上の熱の不均一な分布は考慮されていません。熱平衡状態のシステムをモデル化しているだけで、時間による温度変化は考慮されていません。また、温度上昇に対する放射と対流の非線形性も反映されていません。しかし、メーカーはヒートシンクと半導体デバイスの熱抵抗の標準値を表にまとめており、市販のヒートシンクの選択を簡素化しています。^[3]

市販の押し出しアルミニウム製ヒートシンクの熱抵抗（ヒートシンクから周囲空気への熱抵抗）は、TO-3デバイス用の大型ヒートシンクでは0.4 °C/W 、 TO-92小型プラスチックケース用クリップオンヒートシンクでは最大85 °C/Wです。^[3] TO-3ケース入りの一般的な2N3055パワートランジスタの内部熱抵抗は、接合部からケースまで1.52 °C/Wです。^[4]デバイスケースとヒートシンクの接触部分の熱抵抗は、ケースサイズやグリースまたは絶縁マイカワッシャーの使用に応じて、 0.5～1.7 °C/Wになります。^[3]

ヒートシンク用途の材料は、非常に高温になることなくより多くの熱エネルギーを吸収し、効率的に冷却するために環境に放出するために、高い熱容量と熱伝導率を備えている必要があります。^[5]最も一般的なヒートシンク材料はアルミニウム合金です。^[6]アルミニウム合金1050は、熱伝導率が229 W/(m·K)、熱容量が922 J/(kg·K)と高い方の1つですが、^[7]機械的に柔らかいです。アルミニウム合金6060（低応力）、6061、および6063は、熱伝導率がそれぞれ166と201 W/(m·K)で一般的に使用されています。これらの値は合金の焼き入れ度によって異なります。一体型のアルミニウムヒートシンクは、押し出し、鋳造、スカイビング、​​またはフライス加工によって作ることができます。

銅は、熱伝導性、耐腐食性、耐生物付着性、抗菌性などの点で優れたヒートシンク特性を備えています(熱交換器における銅も参照)。銅の熱伝導率はアルミニウムの約 2 倍で、純銅の場合は約 400 W/(m·K) です。銅の主な用途は、工業施設、発電所、太陽熱温水システム、HVAC システム、ガス温水器、強制空気加熱および冷却システム、地熱加熱および冷却、電子システムです。

銅は密度がアルミニウムの3倍^[6]で高価であり、銅はアルミニウムよりも延性が低い。^[6]一体型の銅製ヒートシンクは、スカイビングまたはフライス加工によって作ることができる。金属板のフィンは、長方形の銅本体にはんだ付けすることができる。^{[8] [9]}

フィン効率は、高熱伝導率材料を重要にするパラメータの 1 つです。ヒートシンクのフィンは、片方の端から熱が流れ込み、反対側に移動する間に周囲の流体に放散される平板と考えることができます。^[10]熱がフィンを流れると、流れを妨げるヒートシンクの熱抵抗と対流によって失われる熱の組み合わせにより、フィンの温度と流体への熱伝達がフィンのベースから端に向かって低下します。フィン効率は、フィンによって伝達される実際の熱を、フィンが等温である場合の熱伝達で割った値として定義されます (フィンの熱伝導率は無限大であると仮定)。次の式は、直線フィンに適用されます。^[11]

${\displaystyle \eta _{\text{f}}={\frac {\tanh(mL_{c})}{mL_{c}}},}$

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{\text{f}}}{kt_{\text{f}}}}}L_{\text{f}},}$

どこ

h _{f は}フィンの 対流係数です。

空気中では10～100 W/(m ² ·K)、

水中では500～10,000 W/(m ^{2 ·K)、}

kはフィン材料の 熱伝導率です。

アルミニウムの場合120～240 W /( m · K )、

L _{f は}フィンの高さ（m）です。

t _{f は}フィンの厚さ（m）です。

フィンの効率は、フィンのアスペクト比を下げる（フィンを厚くしたり短くする）か、より導電性の高い材料を使用する（たとえば、アルミニウムの代わりに銅を使用する）ことで向上します。

ヒートシンク材料の熱伝導率に関係するもう 1 つのパラメータは、拡散抵抗です。拡散抵抗は、熱伝導率が有限の物質内で熱エネルギーが小さな領域から大きな領域に伝達されるときに発生します。ヒートシンクでは、これは熱がヒートシンク ベース全体に均一に分散されないことを意味します。拡散抵抗現象は、熱が熱源の位置からどのように移動し、熱源とヒートシンクのエッジの間に大きな温度勾配を引き起こすかによって示されます。これは、一部のフィンが、熱源がヒートシンク ベース全体で均一である場合よりも温度が低いことを意味します。この不均一性により、ヒートシンクの有効熱抵抗が増加します。

ヒートシンクのベース内の拡散抵抗を減らすには:

• ベースの厚さを増やす、
• 熱伝導率の高い別の材料を選択する
• ヒートシンクベースにベイパーチャンバーまたはヒートパイプを使用します。

ピンフィン ヒートシンクは、ベースから伸びるピンを持つヒートシンクです。ピンは円筒形、楕円形、または正方形にすることができます。2 つ目のヒートシンク フィン配置はストレート フィンです。ストレート フィン ヒートシンクのバリエーションはクロスカット ヒートシンクです。3 つ目のヒートシンクはフレア フィン ヒートシンクで、フィンは互いに平行ではありません。フィンをフレアにすると、流体抵抗が減り、ヒートシンク フィン チャネルを通過する空気の量が増えます。そうでない場合、より多くの空気がフィンをバイパスします。フィンを斜めにすると、全体の寸法は同じままですが、フィンが長くなります。3 種類の例を右の画像に示します。

Forghanら^[12]は、ピンフィン、ストレートフィン、フレアフィンヒートシンクのテストに関するデータを公開しています。彼らは、空気の接近速度が低い場合（通常約1m/s）は、ストレートフィンヒートシンクよりも熱性能が少なくとも20％優れていることを発見しました。LasanceとEggink ^[13]はまた、彼らがテストしたバイパス構成では、フレアヒートシンクがテストした他のヒートシンクよりも優れた性能を発揮することを発見しました。

一般的に、ヒートシンクの表面積が大きいほど、その性能は良くなります。^[2]実際の性能は設計と用途によって異なります。ピンフィンヒートシンクのコンセプトは、流体の流れのどの方向でも機能しながら、与えられた体積に可能な限り多くの表面積を詰め込むことです。^[2] Kordyban ^[2]は、同様の寸法のピンフィンヒートシンクとストレートフィンヒートシンクの性能を比較しました。ピンフィンの表面積は194 cm ²であるのに対し、ストレートフィンは58 cm ²ですが、ピンフィンの場合、ヒートシンクベースと周囲空気の温度差は50 °Cですが、ストレートフィンの場合は44 °C で、ピンフィンよりも6 °C 高くなりました。ピンフィンヒートシンクの性能は、流体がピンの接線方向だけでなくピンに沿って軸方向に流れる最適な用途で使用すると、ストレートフィンよりも大幅に優れています。

熱源に埋め込まれた空洞（逆フィン）は、隣接するフィンの間に形成される領域であり、核沸騰または凝縮の重要な促進因子となる。これらの空洞は通常、さまざまな発熱体からヒートシンクに熱を抽出するために利用される。^{[14] [15]}

熱源と冷たい流体（またはその他のヒートシンク）の間の熱伝達インターフェースとして導電性の厚いプレートを配置すると、冷却性能が向上する場合があります。このような配置では、熱源は冷却流体と直接接触して冷却されるのではなく、厚いプレートの下で冷却されます。厚いプレートは熱流を最適な方法で伝導することにより、熱源と冷却流体間の熱伝達を大幅に改善できることが示されています^[要出典]。この方法の最も魅力的な2つの利点は、追加のポンプ電力が不要であり、フィン（拡張表面）とはまったく異なる余分な熱伝達表面積がないことです。

ヒートシンクからの熱伝達は、周囲の空気の対流、空気を介した伝導、および放射によって発生します。

放射による熱伝達は、ヒートシンクの温度と、ヒートシンクが光学的に結合している周囲の温度の両方の関数です。これらの温度が両方とも 0 °C ～ 100 °C の範囲にある場合、対流と比較した放射の寄与は一般に小さく、この要因は無視されることがよくあります。この場合、自然対流または強制対流のいずれかで動作するフィン付きヒートシンクは、表面放射率によって大きく影響を受けません。

対流が少ない状況、例えば空気の流れが悪くフィンのない平らなパネルなどでは、放射冷却が重要な要素となることがあります。ここでは表面特性が重要な設計要素となることがあります。マットな黒色の表面は、光沢のあるむき出しの金属よりもはるかに効率的に放射します。^{[16] [17]}光沢のある金属表面は放射率が低くなります。材料の放射率は周波数に大きく依存し、吸収率と関連しています（光沢のある金属表面の吸収率はごくわずかです）。ほとんどの材料では、可視スペクトルの放射率は赤外線スペクトルの放射率と似ていますが、^{[要出典] 、例外もあります。特に、特定の金属酸化物は「}選択表面」として使用されます。

真空または宇宙空間では対流熱伝達がないため、これらの環境では、放射がヒートシンクと環境間の熱の流れを左右する唯一の要因となります。宇宙空間にある衛星の場合、太陽の表面温度が約 6000 K であるため、太陽に面した 100 °C (373 K) の表面は大量の放射熱を吸収しますが、深宇宙に面した同じ表面は、深宇宙の有効温度がわずか数ケルビンであるため、大量の熱を放射します。

熱放散は、電子デバイスや回路の避けられない副産物です。^[10]一般に、デバイスまたはコンポーネントの温度は、コンポーネントから環境への熱抵抗と、コンポーネントによって放散される熱によって決まります。コンポーネントが過熱しないようにするために、熱エンジニアはデバイスから環境への効率的な熱伝達経路を見つけようとします。熱伝達経路は、コンポーネントからプリント回路基板 (PCB)、ヒートシンク、ファンによって提供される空気の流れなどですが、いずれの場合も最終的には環境に伝わります。

熱設計の熱/機械性能には、さらに 2 つの設計要因も影響します。

1. ヒートシンクをコンポーネントまたはプロセッサに取り付ける方法。これについては、「取り付け方法」のセクションで説明します。
2. 互いに接触している2つの物体間の各界面では、界面全体で温度低下が生じます。このような複合システムでは、界面全体の温度低下が顕著になる可能性があります。^[11]この温度変化は、熱接触抵抗と呼ばれるものに起因する可能性があります。^[11] 熱界面材料（TIM）は熱接触抵抗を低減します。

コンポーネントの電力消費が増加し、コンポーネントのパッケージ サイズが縮小するにつれて、熱エンジニアはコンポーネントが過熱しないように革新する必要があります。低温で動作するデバイスは長持ちします。ヒート シンクの設計は、熱要件と機械要件の両方を満たす必要があります。後者に関しては、コンポーネントは、適度な衝撃と振動でヒート シンクと熱的に接触している必要があります。ヒート シンクは、回路基板の銅箔、またはコンポーネントまたは回路基板に取り付けられた別のヒート シンクです。取り付け方法には、熱伝導性テープまたはエポキシ、ワイヤ形式のZ クリップ、平らなスプリング クリップ、スタンドオフ スペーサー、および取り付け後に端が拡張するプッシュ ピンがあります。

熱伝導テープ

熱伝導性テープは、最も費用対効果の高いヒートシンク取り付け材料の1つです。^[18]低質量のヒートシンクや低消費電力のコンポーネントに適しています。これは、両面に感圧接着剤を備えた熱伝導性キャリア材料で構成されています。

このテープはヒートシンクのベースに貼り付けられ、その後コンポーネントに取り付けられます。以下はサーマルテープの性能に影響を与える要因です。^[18]

1. コンポーネントとヒートシンクの両方の表面は、シリコングリースの膜などの残留物がなく、清潔である必要があります。
2. 良好な接触を確保するには、予圧が不可欠です。圧力が不十分だと、閉じ込められた空気と接触しない領域が生じ、インターフェースの熱抵抗が予想以上に高くなります。
3. 厚いテープは、部品の凹凸のある表面に対して「濡れ性」が優れている傾向があります。「濡れ性」とは、部品上のテープの接触面積の割合です。ただし、厚いテープは薄いテープよりも熱抵抗が高くなります。設計の観点からは、最大の「濡れ性」と最小の熱抵抗を実現するテープ厚さを選択してバランスを取るのが最善です。

エポキシ

エポキシはテープよりも高価ですが、ヒートシンクとコンポーネント間の機械的結合が強くなり、熱伝導性も向上します。^[18]選択したエポキシは、この目的に合わせて配合する必要があります。ほとんどのエポキシは2成分液体配合で、ヒートシンクに塗布する前、およびヒートシンクをコンポーネントに配置する前に完全に混合する必要があります。その後、エポキシは指定された時間硬化します。硬化時間は2時間から48時間までです。温度が高いほど硬化時間が短くなります。エポキシを塗布する表面は清潔で残留物がない必要があります。

ヒートシンクと部品間のエポキシ接着は半永久的/永久的です。^[18]これにより、再作業が非常に困難になり、時には不可能になります。再作業によって引き起こされる最も一般的な損傷は、コンポーネントダイのヒートスプレッダーがパッケージから分離することです。

ワイヤーフォームZクリップ

テープやエポキシよりも高価なワイヤ フォーム Z クリップは、ヒートシンクを機械的に取り付けます。Z クリップを使用するには、プリント回路基板にアンカーが必要です。アンカーは基板にはんだ付けするか、押し込むことができます。どちらのタイプでも、基板に穴を設計する必要があります。RoHS はんだは従来の Pb/Sn はんだよりも機械的に弱いため、RoHS はんだの使用を考慮する必要があります。

Zクリップで組み立てるには、クリップの片側をアンカーの1つに取り付けます。クリップのもう一方の側がもう一方のアンカーに収まるまで、スプリングをたわませます。たわみによって部品にスプリング荷重が発生し、非常に良好な接触が維持されます。Zクリップが提供する機械的な取り付けに加えて、相変化タイプなどの高性能熱伝導材料を使用することもできます。^[18]

クリップ

プロセッサおよびボール グリッド アレイ(BGA) コンポーネントに使用できるクリップを使用すると、BGA ヒートシンクをコンポーネントに直接取り付けることができます。クリップは、ボール グリッド アレイ (BGA) によってコンポーネントの下側と PCB 上面の間に生じる隙間を利用します。そのため、クリップには PCB に穴を開ける必要がありません。また、クリップを使用すると、コンポーネントの再加工も簡単に行えます。

圧縮バネ付きプッシュピン

大型のヒートシンクと高いプリロードには、圧縮スプリング付きのプッシュピンが非常に効果的です。^[18]プッシュピンは通常、真鍮またはプラスチックで作られており、その端には PCB の穴とかみ合う柔軟なバーブが付いています。取り付けると、バーブがピンを保持します。圧縮スプリングはアセンブリを保持し、ヒートシンクとコンポーネント間の接触を維持します。プッシュピンのサイズの選択には注意が必要です。挿入力が大きすぎると、ダイが割れ、その結果コンポーネントが故障する可能性があります。

圧縮スプリング付きねじ付きスタンドオフ

非常に大きなヒートシンクの場合、ねじ付きスタンドオフと圧縮スプリングの取り付け方法に代わるものはありません。^[18]ねじ付きスタンドオフは、基本的に内部にねじ山がある中空の金属管です。片方の端は PCB の穴を通してねじで固定します。もう一方の端にはスプリングを圧縮するねじが取り付けられ、アセンブリが完了します。一般的なヒートシンクアセンブリでは 2 ～ 4 個のスタンドオフが使用されるため、これは最もコストのかかるヒートシンク取り付け設計になる傾向があります。もう 1 つの欠点は、PCB に穴を開ける必要があることです。

接触熱抵抗は、表面粗さの影響、界面の欠陥および位置ずれによって生じる空隙によって発生します。界面に存在する空隙は空気で満たされています。したがって、熱伝達は、実際の接触面積を横切る伝導と、ギャップを横切る伝導（または自然対流）および放射によって生じます。^[11]粗い表面の場合のように接触面積が小さい場合、抵抗に対する主な寄与はギャップです。^[11]接触熱抵抗を減らすには、表面粗さを減らして界面圧力を増やすことができます。ただし、これらの改善方法は、電子機器では必ずしも実用的または可能であるとは限りません。熱界面材料（TIM）は、これらの制限を克服するための一般的な方法です。

適切に適用された熱伝導材料は、2つの物体間の隙間に存在する空気を、はるかに高い熱伝導率を持つ材料で置き換えます。空気の熱伝導率は0.022 W/(m·K) ^[19]ですが、TIMの熱伝導率は0.3 W/(m·K) ^[20]以上です。

TIM を選択するときは、製造元が提供する値に注意する必要があります。ほとんどの製造元は、材料の熱伝導率の値を示しています。ただし、熱伝導率は界面抵抗を考慮していません。したがって、TIM の熱伝導率が高いからといって、必ずしも界面抵抗が低いというわけではありません。

TIM の選択は、TIM が埋める必要のあるインターフェース ギャップ、接触圧力、および TIM の電気抵抗率という 3 つのパラメータに基づいて行われます。接触圧力は、2 つの材料間のインターフェースに適用される圧力です。選択には材料のコストは含まれません。電気抵抗率は、電気設計の詳細に応じて重要になる場合があります。

発光ダイオード（LED）の性能と寿命は、温度に大きく左右されます。^[21]そのため、効果的な冷却が不可欠です。LEDベースのダウンライトのケーススタディでは、照明システムの効果的な冷却に必要なヒートシンクを計算するために行われた計算の例を示しています。^[22]また、この記事では、結果に信頼性を持たせるためには、同様の結果をもたらす複数の独立したソリューションが必要であることも示しています。具体的には、実験的、数値的、理論的手法の結果がすべて互いに10%以内であれば、結果に高い信頼性がもたらされます。

回路基板のはんだ付け中に一時的なヒートシンクが使用されることがあり、過度の熱によって近くの敏感な電子機器が損傷するのを防ぐ。最も単純なケースでは、これは重金属のワニ口クリップ、止血鉗子、または同様のクランプを使用して部品を部分的につかむことを意味する。リフローはんだ付けで組み立てられるように設計された現代の半導体デバイスは、通常ははんだ付けの温度に耐えることができ、損傷を受けない。一方、磁気リードスイッチなどの電気部品は、より高温のはんだごてにさらされると誤動作することがあるため、この方法は今でも広く使用されている。^[23]

一般的に、ヒートシンクの性能は、材料の熱伝導率、寸法、フィンの種類、熱伝達係数、空気流量、およびダクトのサイズによって決まります。ヒートシンクの熱性能を決定するには、理論モデルを作成できます。あるいは、熱性能を実験的に測定することもできます。現在のアプリケーションでは高度な 3D フローが複雑なため、数値的手法や数値流体力学(CFD) も使用できます。このセクションでは、ヒートシンクの熱性能を決定するための前述の方法について説明します。

ヒートシンクの性能を判断する方法の 1 つは、熱伝達と流体力学の理論を使用することです。そのような方法の 1 つは Jeggels らによって発表されました^[24]が、この研究はダクト フローに限定されています。ダクト フローは、ヒートシンクにぴったりとフィットするチャネルを空気が強制的に流れるものです。これにより、すべての空気がヒートシンクのフィンによって形成されたチャネルを通過することが保証されます。空気の流れがダクトでない場合、一定の割合の空気の流れがヒートシンクをバイパスします。バイパス フローはフィンの密度とクリアランスが増加すると増加しますが、入口ダクトの速度には比較的影響されないことがわかりました^{[25] 。}

ヒートシンクの熱抵抗モデルは、ヒートシンク ベースの抵抗とフィンの抵抗 の2 つの抵抗で構成されます。ヒートシンク ベースの熱抵抗 は、ソースがヒートシンク ベースに均一に適用されている場合は次のように表すことができます。そうでない場合、ベース抵抗は主に拡散抵抗です。 ${\displaystyle R_{b}}$${\displaystyle R_{f}}$${\displaystyle R_{b}}$

${\displaystyle R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}}$（4）

ここで、はヒートシンクベースの厚さ、はヒートシンク材料の熱伝導率、はヒートシンクベースの面積です。 ${\displaystyle t_{b}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle A_{b}}$

フィンのベースから空気までの熱抵抗は、次の式で計算できます。 ${\displaystyle R_{f}}$

${\displaystyle R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}}$（５）

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$^[11]（6）

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$^[11]（7）

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$（８）

${\displaystyle Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$（9）

${\displaystyle f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}}$^[26]（10）

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1) }}}$^[26]（11）

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$（12）

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$（13）

流量は、ヒートシンクシステム曲線とファン曲線の交点によって決定できます。ヒートシンクシステム曲線は、Potterら[ ^27]やWhite ^{[28]などの標準的な流体力学の教科書に記載されているように、チャネルの流れ抵抗と入口と出口の損失によって計算できます。}

ヒートシンクのベースとフィンの抵抗がわかれば、ヒートシンクの熱抵抗は次のように計算できます。 ${\displaystyle R_{hs}}$

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$（14）

^{式5～13と[24]}の寸法データを使用して、さまざまな空気流量に対するフィンの熱抵抗を計算しました。熱抵抗と熱伝達係数のデータは図に示されており、空気流量が増加するとヒートシンクの熱抵抗が減少することがわかります。

実験テストは、ヒートシンクの熱性能を決定する最も一般的な方法の 1 つです。ヒートシンクの熱抵抗を決定するには、流量、入力電力、入口空気温度、ヒートシンクベース温度を知る必要があります。ダクトテストの結果については、ベンダー提供のデータが一般的に提供されています。^{[29]ただし、結果は楽観的であり、ヒートシンクがダクトなしのアプリケーションで使用される場合は誤解を招くデータになる可能性があります。ヒートシンクのテスト方法と一般的な見落としの詳細については、Azar ら[29]}を参照してください。

産業界では、熱解析は設計プロセスで無視されるか、設計変更が制限されコストがかかりすぎる場合に、遅すぎる時期に実行されることがよくあります。^[10]この記事で言及されている3つの方法のうち、理論的および数値的方法を使用すると、物理モデルを作成する前に、製品のヒートシンクまたはコンポーネントの温度を推定できます。理論モデルは通常、一次推定として使用されます。オンラインヒートシンク計算機^[30]は、理論的および経験的に導き出された相関関係の組み合わせに基づいて、強制対流および自然対流ヒートシンクの性能を合理的に推定できます。数値的方法または数値流体力学(CFD) は、流体の流れを定性的 (場合によっては定量的) に予測します。^{[31] [32]}つまり、図16と17の画像や図18と19のCFDアニメーションのように、視覚的または後処理されたシミュレーション結果が得られますが、結果の量的または絶対的な精度は、適切なパラメーターの包含と精度に左右されます。

CFD は、実験的手法では研究が困難、高価、または不可能な流れのパターンについての洞察を提供します。^[31]実験では、限られた数のポイントと時間インスタンスで一度に 1 つの量の測定を行うことで、流れの現象を定量的に記述できます。フルスケールのモデルが利用できない、または実用的でない場合は、スケール モデルまたはダミー モデルを使用できます。実験では、問題と動作条件の範囲が限られます。シミュレーションでは、CFD ソフトウェアを使用して、空間と時間の高解像度、事実上すべての問題と現実的な動作条件で、必要なすべての量について流れの現象を予測できます。ただし、重要な場合は、結果を検証する必要がある場合があります。^[2]

• コンピュータの冷却
• ヒートスプレッダー
• ヒートパイプ
• ヒートポンプ
• ダイヤモンドの熱伝導率
• ラジエーター
• 熱伝導材料
• 熱管理（電子機器）
• 熱抵抗
• 熱電冷却