最も一般的なヒートシンク構造とは？

電子部品は発熱する。過熱すると故障する。では、どうすれば電子部品を冷やすことができるのか？ヒートシンクがその答えですが、すべてのヒートシンクが同じように作られているわけではありません。

最も一般的なヒートシンク構造には、ストレートフィン、ピンフィン、クロスカット、フレアフィン、ヒートパイプ一体型などがある。各構造は、エアフロー、スペース、熱負荷への対応が異なります。

異なる設計は、異なる条件下でより良く機能する。製品の冷却を改善したいのであれば、これらの構造がどのように作用するかを理解する必要がある。

ピンフィンとストレートフィンのデザインの違いは？

熱くて手に負えない？冷却システムが問題かもしれません。ピンフィンとストレートフィンのヒートシンクはどこにでもありますが、あなたのデバイスにはどれが適していますか？

ピンフィン・ヒートシンクは、多方向のエアフローと高い表面積密度を提供し、ストレートフィン設計は、より低い圧力損失と方向性のあるエアフロー効率を可能にします。

ピンフィンとストレートフィンのデザインは見た目が大きく異なり、性能も異なる。ストレートフィンは長くて平行です。気流を一方向に誘導するため、空気が直線的に移動する場合に威力を発揮する。一方、ピンフィン・ヒートシンクは、ベース上に多数の小さな柱が配置されている。これにより、空気が多方向から流れるようになります。

比較表ピンフィンとストレートフィンの比較

ピンフィン・シンクは、強制対流（ファン）において、より多くの空気が押し流され、より良い性能を発揮することが多い。しかし、抵抗が大きくなる。パッシブ冷却や低エアフローを使うなら、ストレートフィンのシンクの方がいいかもしれない。また、ストレートフィンは押し出し成形で簡単に作れるため、コストを抑えることができる。

コンパクトなスペースに最適なヒートシンク構造は？

狭いスペース、厳しい納期-熱設計者はその苦しみを知っている。スペースがほとんどない場合、どのようなヒートシンクが有効なのでしょうか？

ピンフィン、ジッパーフィン、ヒートパイプベースのヒートシンクは、その効率性と狭いエアフロー制約下で動作する能力により、コンパクトなスペースに最適です。

コンパクトな設計には、小さな体積に多くの表面積を詰め込んだヒートシンクが必要だ。それは容易ではありません。標準的な押し出しフィンは、サイズが合わなかったり、効果的に冷却できなかったりします。このような場合、ピンフィン構造が理想的です。多くの角度から気流を取り込み、冷却面をたくさん詰め込むことができます。

コンパクトなヒートシンク構造

高さが問題なら、ヒートパイプを使えば、熱源から熱を遠ざけ、より広い場所で冷却できる。折り畳みフィンやジッパーフィンは、フィンをしっかりと重ねることで、同じ体積により多くの冷却面積を絞ることができる。

コンパクトな設計では、1ミリ単位が重要です。だからこそ、エンジニアはピンフィンやヒートパイプ・ハイブリッドのような柔軟なレイアウトを好むのです。

現代のヒートシンクにヒートパイプが使われているのはなぜか？

CPUやグラフィックカードに銅製のヒートパイプを見たことがあるだろう。なぜ今、このようなものが一般的になっているのでしょうか？

ヒートパイプが使われるのは、熱を素早く拡散させ、ホットスポットを減らし、フィンを熱源から遠くに配置できるからだ。ヒートパイプは、サイズを大きくすることなく冷却を改善します。

ヒートパイプは、少量の液体で満たされた密閉された管である。一方の端が熱くなると、中の液体が蒸発する。蒸気は温度の低い方に移動し、そこで凝縮する。このサイクルによって、熱はパイプを横切って素早く移動する。

ヒートパイプが理にかなっている理由

• 超高熱伝導性:無垢の銅より良い。
• 広いフィン面積に熱を拡散:ホットスポットを防ぐ。
• 可動部がない:受動的で信頼できる。
• コンパクト:タイトなデザインでも熱を逃がさない。
• オリエンテーション:ほとんどの角度で、特に芯の構造で機能する。

今日、多くの高性能ヒートシンクは、ベースプレートにヒートパイプとフィンアレイを組み合わせています。このハイブリッド方式は、（パイプを介した）優れた伝導と（フィンを介した）強力な対流の両方を実現します。

例えば、ノートパソコンやコンパクトPCでは、ヒートパイプが熱をサイドマウントやトップマウントのフィンに運ぶ。そのため、内部レイアウトはすっきりと効率的に保たれる。

クロスカット・フィン・デザインの利点は何ですか？

フィンは長いよね？でも、それをカットしたら？信じられないかもしれないが、それは役に立つ。クロスカットフィンは、良い意味で気流のパターンを壊すように設計されている。

クロスカットフィン構造は、境界層を破壊し、特にフィンアレイの奥深くでより多くの気流経路を確保することにより、熱伝達を改善する。

ストレートフィンの設計では、空気はフィンの間の溝を通って流れる。しかし、その溝の内側では空気の流れが遅くなる。深くなればなるほど、冷却効果は低下する。フィンをクロスカットすることで、それが解決される。

クロスカットによる冷却改善

• 淀んだ空気を乱す:境界層が切れる。
• 導通経路を短くする:各フィンセグメントはより効率的である。
• 多方向からのエアアクセスを可能にする:乱流や部分的な気流に対応。
• 低速エアフロー性能の向上:空気が出入りする経路が増える。

しかし、これにはトレードオフが伴う。クロスカットは通気抵抗をわずかに増加させ、カットが多すぎるとフィンの強度や熱質量が低下する。

表：クロスカットと標準フィンの比較

クロスカットは、ストレートフィンのように製造は簡単だが、性能はピンフィンに近いという、両方の長所を兼ね備えていると考えることができる。

結論

ヒートシンクの構造によって、熱的な利点は異なります。ピンフィン、ヒートパイプ、クロスカット、コンパクトフィンがそれぞれ役割を果たします。適切なものを選ぶには、エアフロー、スペース、熱負荷によります。