ヒートシンクの仕組み

コンピューターという言葉を聞いたときにヒートシンクという言葉を思い浮かべる人はほとんどいないかもしれませんが、そうあるべきです。ヒートシンクがなければ、現代のコンピューターは現在の速度で動作できませんでした。衝撃の強いトレーニング後に冷たいゲータレードのボトルでクールダウンするのと同じように、複数のプログラムを同時に実行した後はヒートシンクがコンピューターのプロセッサを冷却します。また、高品質のヒートシンクがないと、コンピュータのプロセッサが過熱する危険があり、システム全体が破壊され、数百ドル、場合によっては数千ドルの費用がかかる可能性があります。

ヒートシンクと電子デバイス

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?簡単に言えば、ヒートシンクは、他の物体からの過剰な熱を分散させる物体です。最も一般的にはコンピュータで使用されますが、携帯電話、DVD プレーヤー、さらには冷蔵庫など、大量の熱を発生する他の物体にも使用されています。コンピューターにおいて、ヒートシンクはチップの過剰な熱による過熱を防ぐチップの付属品です。最新のコンピューターでは、他のコンポーネントと同じくらい重要です。

フィン付きヒートシンクの重要性

テクノロジーにあまり詳しくない場合は、ヒートシンクを車のラジエーターのようなものだと考えてください。ラジエーターが車のエンジンから熱を奪うのと同じように、ヒートシンクはコンピューターの中央処理装置から熱を奪います ()。ヒートシンクには、CPU から熱をフィンに運び、コンピュータの他の部分全体に熱を放散する大きな表面積を提供する熱伝導体があり、これによりヒートシンクとプロセッサの両方が冷却されます。ヒートシンクとラジエーターは両方とも周囲の空気の流れを必要とするため、両方にファンが内蔵されています。

1990 年代以前は、ヒートシンクは通常、プロセッサーからの熱が問題となる大型コンピューターでのみ必要でした。しかし、より高速なプロセッサの導入により、冷却機構の助けがないと過熱する傾向があるため、ヒートシンクはほぼすべてのコンピューターに不可欠になりました。

熱伝導率

熱は、対流、放射、伝導という 3 つの異なる方法で伝達されます。伝導は固体内で熱が伝達される方法であり、したがってヒートシンク内で熱が伝達される方法でもあります。温度の異なる 2 つの物体が接触すると、伝導が発生します。 2 つの物体が接触する点で、暖かい物体のより速く動く分子が、より冷たい物体のより遅い動きの分子に衝突します。これが起こると、より暖かい物体からのより速く動く分子がよりゆっくりと動く分子にエネルギーを与え、その結果、より冷たい物体が加熱されます。このプロセスは熱伝導率として知られており、ヒートシンクがコンピューターのプロセッサーから熱を逃がす仕組みです。

ヒートシンクは通常金属でできており、CPU から熱を運ぶ熱伝導体として機能します。ただし、どの種類の金属の使用にも長所と短所があります。まず、各金属の熱伝導率は異なります。熱伝導率が高いほど、熱の伝達効率が高くなります。

ヒートシンクに使用される最も一般的な金属の 1 つは です。アルミニウムの熱伝導率は 235 ワット/ケルビン/メートル (W/mK) です。 (この場合の熱伝導率 235 は、金属の熱伝導能力を指します。簡単に言うと、金属の熱伝導率が高いほど、その金属はより多くの熱を伝導できます。) アルミニウムは生産コストも安く、軽量。ヒートシンクを取り付けると、その重量によってマザーボードに一定レベルのストレスがかかりますが、マザーボードはそれに対応するように設計されています。それでも、アルミニウムの軽量構造は、マザーボードにほとんど重量とストレスを加えないため、有益です。

ヒートシンクの製造に使用される最も一般的な材料の 1 つは銅です。銅は 400 W/mK という非常に高い熱伝導率を持っています。ただし、アルミニウムよりも重く、高価です。しかし、大量の熱伝達を必要とするオペレーティング システムでは、銅が頻繁に使用されます。

それでは、プロセッサからヒートシンクを通って熱が伝導された後、熱はどこに行くのでしょうか?コンピューター内のファンは、空気をヒートシンクに通してコンピューターの外へ送り出します。ほとんどのコンピューターには、プロセッサーを適切に冷却するために、ヒートシンクの真上に追加のファンが取り付けられています。これらの追加のファンを備えたヒートシンクはアクティブ ヒートシンクと呼ばれ、単一のファンを備えたヒートシンクはパッシブ ヒートシンクと呼ばれます。最も一般的なファンはケース ファンで、コンピュータの外側から冷気を取り込み、コンピュータ内に送り込み、背面から熱気を排出します。

ヒートシンク材料の未来

ヒートシンクは、常に進歩するコンピューター分野の他の製品と同様です。企業は、効率的なヒートシンクを製造するために、より軽く、より導電性の高い材料を見つけるために常に努力しています。単一の材料だけで作る必要はありません。たとえば、一部のヒートシンクメーカーは銅とアルミニウムを接合しています。この設計は、主にアルミニウム (軽量な特性のため) を銅板 (高い熱伝導率のため) で囲んだ構成になっています。これらは理論的には優れていますが、安価なヒートシンクによくあることですが、銅がアルミニウムとしっかりと結合していない場合、銅プレートは良いことよりも害を及ぼす可能性があります。

Applied Nanotech 社は、ヒートシンクの将来は と呼ばれる等方性材料であると発表しました。 CarbAl は、20 パーセントのアルミニウムと、80 パーセントの優れた熱伝導率を備えた 2 つの異なる炭素由来の材料で構成されています。 Applied Nanotech は、こ​​の材料の熱伝導率が 425 W/mK (アルミニウムと銅の両方よりも高い) であり、密度がアルミニウムと同様であるため、この材料に注目しました。基本的に、CarbAl は銅よりも導電性が高く、重量はアルミニウムと同じであるため、両方の長所を備えています。

ヒートシンクのメーカーの間で人気を集めているもう 1 つの材料は、天然グラファイト複合材料です。銅ほどの導電性はありませんが、熱伝導率は 370 W/mK とほぼ同等です。しかし、グラファイトの本当の利点はその重さです。その重さはアルミニウムの重量のわずか 70% です。

材質が何であれ、ヒートシンクには 1 つの経験則があります。安価なものは長期的にはコストが高くなります。市場に出回っている安価なヒートシンクの多くには、スリーブ ベアリングを使用するファンが含まれています。スリーブ ベアリングは、潤滑の問題により、非常に短期間で故障することがよくあります。ボールベアリングを使用したファンを備えたヒートシンクは高価ですが、スリーブベアリングよりもはるかに寿命が長く、長期的には安価になります。

ヒートシンクの選択

Dell、Sony、HP のいずれであっても、コンピューターを購入すると、ヒートシンクがすでに取り付けられています。ただし、独自のコンピューターを構築している場合は、適切なヒートシンクを選択する際に考慮しなければならない特定の要素があります。プロセッサーを選択するときは非常に多くのオプションがあるため、購入するプロセッサーの熱出力が購入するヒートシンクの熱処理能力と一致していることを確認してください。購入するプロセッサーに必要なヒートシンクのパフォーマンスを判断するには、次の 3 つのことを知っておく必要があります。

これらの数値は取扱説明書に記載されているはずです。これらを入手したら、それらを数式に当てはめて、プロセッサーに必要なヒートシンクを決定できます。ヒートシンクがプロセッサーから空気に熱を伝達する速度は、熱抵抗として知られています。プロセッサに必要な熱抵抗を求めるには、ケースの最大温度から最大吸気温度を引き、その数値をプロセッサの最大消費電力で割ります。熱抵抗は、ワットあたりの摂氏温度 (C/W) で測定されます。

たとえば、最大許容ケース温度が摂氏 70 度 (華氏 158 度) のプロセッサーを購入したとします。最大許容入口温度は摂氏 36 度 (華氏 96.8 度) で、最大出力 110 が可能です。式は次のようになります。

R = (70-36) / 110

R = 0.31 C/W

したがって、このプロセッサー用のヒートシンクを購入する場合は、熱抵抗が 0.31 以下であることを確認する必要があります。熱抵抗が 0.31 より低いプロセッサーではヒートシンクを使用しても問題ありません。これだけで冷却が改善されます。ただし、他のヒートシンクの場合と同様に、プロセッサーで必要とされる熱抵抗よりも高い熱抵抗を持つヒートシンクを購入しないでください。