アルミニウムは非常に多用途な金属であるため、ヒートシンク用途に一般的に使用されるのも不思議ではありません。デバイスを冷却したり、特定の温度を維持したりするための熱伝達は、現代の金属の重要な特性であり、アルミニウムはエンジニアや設計者にとって主要な選択肢の 1 つです。今日は、なぜアルミニウムがヒートシンクとしてこれほど優れた選択肢となるのか、そしてアルミニウムのどのような特性がこの点で特に望ましいものとなるのかを見ていきます。
アルミニウムはいくつかの理由から珍重される素材です。その軽量性と高い強度対重量比は、最初に思い浮かぶ特徴の 2 つです。アルミニウムは耐食性にも優れ、耐久性が高く、電気を通し、驚くべき成形性を備えています。リサイクル性やその他の持続可能性の特徴は言うまでもありません。
エレクトロニクスやその他の最新のデバイスに関して、アルミニウムを真に不可欠なものにする重要な特性の 1 つは、その驚くべき熱伝導率です。これは、特定の温度を維持したり、過剰な熱を除去したりする必要がある機器やアプリケーションにとって重要です。アルミニウムの導電性は、その化学的性質から生じる自然な特性です。
材料の熱伝導能力を見る場合、これは通常、メートルケルビン当たりのワット数で測定され、(W/(m⋅K)) またはセンチメートルケルビン (W/(cm⋅K)) として表されます。熱伝導率を BTU/(h⋅ft⋅°F) で測定する英国熱単位を使用する英国のシステムもあります。
どのように測定しても、熱伝導に最も優れた金属のチャートは通常、銀から始まります。導電率は 406 W/(m・K) です。リストの次は 385 W/(m・K) の銅、314 W/(m・K) の金、そして 237 W/(m・K) のアルミニウムです。
鉄や鋼などの他の一般的な金属の数値ははるかに低いです。ステンレススチールの寸法は 16 W/(m⋅K) です。なぜアルミニウムがリストの上位にあるのでしょうか?化学についてはあまり深く立ち入りませんが、金属が熱の良導体である基本的な理由は、加熱されると動き始める自由電子を持っているためです。その動き（熱）は他の物質よりも早く金属を通して伝わります。
アルミニウムなど、自由電子が多い金属は熱をよく伝えます。経験則として、金属が電気を伝導しやすい場合は、熱も伝導しやすくなります。
最良の選択肢がアルミニウムである理由をよりよく理解するために、上記のリストの金属を比較してみましょう。まず、銀と金はアルミニウムよりもはるかに高価で実用的ではありません。また、銀は導体として使用するとすぐに腐食する傾向があります。
その結果、銅とアルミニウムが残ります。銅の方が導体としては優れていますが、より重く、より高価でもあります。価格や重量に関係なく、アプリケーションにとって重要なのは導電性の量だけである場合、銅が最適な材料である可能性があります。ヒートシンクに軽量でコスト効率の高い素材が必要な場合は、アルミニウムが良い選択肢となります。
ヒートシンクは受動的な熱交換器の一種です。デバイスによって発生した熱を流体媒体 (通常は空気ですが、場合によっては液体冷却剤) に伝達します。これにより、熱が機器から放散されます。
エンジンから電子機器に至るまであらゆるものを含む現代の機械装置では、熱の制御が非常に重要です。ヒートシンクは、デバイスが過熱しないようにするのに役立ちます。たとえば、コンピューターでは、ヒートシンクは、CPU やその他の重要なチップセットが熱くなりすぎないようにするのに役立ちます。
ヒートシンクは通常、周囲の空気への熱の伝達を最大化するために大きな表面積を持たなければなりません。アルミニウムには多くの利点 (軽量、コスト効率、成形性) があるため、携帯電話、LED ライト、テレビなどのヒートシンクの重要な部品となっています。複数の「フィン」を備えたプロファイルにアルミニウムを経済的に押し出す能力により、ヒートシンクの表面積と熱伝達能力が増加します。
ヒートシンクを設計するとき、エンジニアは空気の速度、周囲の材料、表面処理、デバイスの形状などのいくつかの要素を考慮する必要があります。ヒートシンクの接続に使用される接着剤や留め具も、その効果に影響を与える可能性があります。
知っておくべきことの 1 つは、純粋な金属は合金金属よりも熱伝導性に優れているということです。アルミニウムを扱う場合、純粋なアルミニウムは一般的に柔らかすぎるため実用的ではなく、特定の合金は他の合金よりもヒートシンクとして機能します。
アロイ 1050 は、熱伝導率が 229 W/(m・K) と非常に優れていますが、柔らかい傾向があります。導電性を多少犠牲にしても、6060、6061、6063 などのより強力な合金は依然として効果的です。これらは、166 ～ 201 W/(m・K) の熱伝導率値を示します。合金の焼き戻しによっても熱伝導量に影響を与えるため、必要な伝導率を正確に把握し、検討中の合金の特性と照らし合わせて確認することが重要です。
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