導入
ヒートシンクは-通常はアルミニウムまたは銅で作られています-。電子機器から熱を奪い、周囲の空気中に放出します。コンピューター、照明、電源装置など、あらゆる場所でそれらを見つけることができます。部品を長持ちさせ、より良く機能させるために、企業は表面を処理することがよくあります。陽極酸化、金属メッキ、特殊コーティングなどは、フィンを錆から守るだけではありません。また、より効率的に熱を放出するのにも役立ちます。各治療法には、それぞれ長所と短所があります。熱性能を向上させるもの、腐食を防ぐもの、そしてコストを抑えるものもあります。ヒートシンクの陽極酸化、メッキ、コーティングを詳しく見て、効率、保護、価格の点でそれぞれがどのように積み重なるかを見てみましょう。
陽極酸化ヒートシンク: 放射率と耐久性
陽極酸化は、アルミニウム ヒートシンクをより丈夫で長持ちさせるための主要なプロセスです。{{0}その仕組みは次のとおりです。金属に電流を流すと、自然酸化層が厚くなり、丈夫で多孔質のシェルになります。このシェルは多くのことを行います。ヒートシンクを腐食や磨耗から守ります。-そのため、湿気や塩気などに対して、普通のアルミニウムよりもはるかに優れた耐久性を発揮します。また、優れた電気絶縁性も得られるため、コンポーネントをしっかりと梱包しても電気ショートのリスクが少なくなります。
しかし、少なくとも冷却に関しては、本当の魔法は表面放射率で起こります。裸のアルミニウムはほとんど熱を放射しません。その放射率は約 0.04 ～ 0.06 で、ほとんどの場合、熱を逃がすのではなく、単に反射するだけであることを意味します。しかし、陽極酸化すると、その数値は 0.8、さらには 0.9 にまで跳ね上がります。これは大きな進歩です。-突然、黒色陽極酸化ヒートシンクは、普通のヒートシンクよりも 15 ～ 20 倍効率的に熱を放射できます。これは、パッシブ冷却や空気の流れが制限されている状況に対処している場合に非常に役立ちます。専門家によると、黒色陽極酸化ヒートシンクは裸のアルミニウムに比べて放射冷却を 8 ～ 10 倍高めることができ、特に小型または窮屈なセットアップでは部品の温度が下がることを意味します。
現在、陽極酸化層自体は薄いため、{0}}標準的なものでは通常 5 ～ 25 ミクロンしかありません-ので、金属を通る熱の流れはそれほど遅くなりません。熱抵抗はわずかに増加し、おそらく 5 ～ 10% 増加しますが、放射率の上昇がそれを補って余りあります。やりすぎて、非常に厚い「硬質陽極酸化処理」（25～100 ミクロン）を使用すると、その層が熱をもう少しブロックするため、シンクがさらに熱くなるのがわかります。-しかし、通常の状況では、トレードオフはわずかであり、通常はそれだけの価値があります。-
陽極酸化処理には他にも魅力があります。このプロセスは実証済みで真実であり、大規模に機能し、通常は豪華な特殊コーティングよりも安価です。--さらに、多孔質の表面は染料をよく吸収するため、冷却力を損なうことなくあらゆる種類の色のヒートシンクを入手できます。研究によると、色は熱放射にとって実際には問題ではないことがわかっています。-透明な陽極酸化仕上げは黒と同じくらい冷却されます。
結論: 陽極酸化ヒートシンクが人気があるのには理由があります。腐食に強く、チャンピオンのように熱を放射し、見栄えも良くなります。唯一の本当の欠点は、酸化層が厚くなりすぎると熱伝導がわずかに低下することですが、標準的な陽極酸化処理では、それは大きな問題ではありません。保護とパフォーマンスのスマートなバランスが得られます。
メッキヒートシンク: 導電性と保護
ヒートシンクのメッキとは、薄い金属層-ニッケル、錫、銀、場合によっては金-を表面に直接追加することを意味します。通常、銅またはスチールのシンクを使用してこれを行いますが、場合によってはアルミニウムを使用しますが、それには特別な下塗りが必要です。メッキの大きな理由は？腐食防止。たとえば、銅の上にニッケルや錫を被せると酸化や腐食が防止され、湿気の多い環境や過酷な環境でもヒートシンクが正常に動作し続けることができます。基本的に、金属コーティングはシールドのように機能し、空気や湿気を遮断し、部品を長持ちさせます。
メッキ層は、陽極酸化処理とは異なり、熱と電気の両方を伝導します。無電解ニッケルメッキは、腐食に強く、熱を伝導するという点で優れています。ニッケル層の熱伝導率は約 90 W/m・K です-銅 (約 400 W/m・K) やアルミニウム (約 200 W/m・K) よりも低くなります-が、それでも機能します。ある業界専門家は、「最大限の熱伝導を求めるなら、無電解ニッケルが最良のコーティングである」とさえ述べており、ニッケルめっきは熱的にも電気的にも導電性を維持します。銀メッキはさらに高く（約 429 W/m·K）、非常に高性能のギアに現れますが、時間の経過とともに変色します。{10}}金メッキ (318 W/m・K) は通常、安定性が最も重要な航空宇宙または RF 用途で使用されます。
ほとんどのメッキの厚さはわずか数ミクロンであるため、熱抵抗はほとんど増加しません。ニッケルの場合、追加の抵抗は約 0.2 K·cm²/W-非常に小さいため、ほとんどの設計では問題になりません。金属メッキは塗装とは異なり、金属自体が熱をよく伝えるため、断熱効果がほとんどありません。とはいえ、メッキは決して安くはありません。価格は金属によって異なります。錫やニッケルは悪くありませんが、銀や金はすぐに高価になる可能性があります。また、アルミニウムのメッキは簡単ではありません。-追加の洗浄手順や特別なベース層が必要となり、手間が増えます。
結論: メッキヒートシンクは、熱伝導を損なうことなく、確実な耐食性を提供します。これは、銅のシンク (銅は腐食しやすいため) や、コネクタなどの光沢のあるきれいな仕上げが必要な場所で特によく見られます。トレードオフは何ですか?-コストが高く、場合によっては、アルミニウム上の薄いニッケルに傷がついた場合などの電解腐食の問題も発生します。-しかし、信頼性の高いジョブの場合は、通常、それだけの価値があります。-良質のニッケルまたはブリキのプレートは、ヒートシンクを長期間にわたって動作させ続けます。
さまざまなタイプの表面仕上げを備えたヒートシンク
ヒートシンク用コーティング: 見た目の美しさと断熱仕上げ
ヒートシンク コーティングとは、通常、ヒートシンクの製造後に塗布されるペイント、パウダー コート、またはポリマー フィルムを意味します。これらの層は陽極酸化処理よりもはるかに厚く、-30 ～ 100 ミクロンだと思います-。正直に言うと、部品を保護したり見た目を良くしたりするために存在しており、部品の冷却を促進するためではありません。実際、コーティングは実際の熱の障害となります。あるヒートシンク設計者は、「ヒートシンクには塗装をしないでください」と率直に言いました。塗料は薄い絶縁膜を残し、熱伝達を遅らせます。一部の人々は効果があると考えているマットブラックのコートでさえ、実際にはパフォーマンスを少し低下させます。熱伝導率が低いことと厚みが邪魔になるだけです。
ここで、一工夫あります。コーティングは表面放射率を高めます。優れた黒色仕上げの放射率は 0.4 ～ 0.8 で、光沢のある金属よりもはるかに優れています。つまり、塗装されたヒートシンクは熱をより効率的に放射します。しかし、ここに落とし穴があります。コーティングが金属自体からの熱の流れをブロックするという事実を、その効果が補うことはほとんどありません。 ProtoLabs のデータによると、粉体塗装は高出力ヒートシンクの熱性能を 20 ～ 50% 低下させる可能性があります。-そのため、特に状況が激しくなった場合、塗装されたシンクはさらに熱くなることになります。一部のメーカーは「熱放散」塗料を提供していますが、あるエンジニアが指摘したように、温度差がそれほど大きくない場合、実際には地金の方がコーティングされた部品よりも優れています。
別のタイプのコーティングとして、-クロム酸塩やリン酸塩などの化成皮膜があります。これらは別の話です。それらは非常に薄く、ほんの数ミクロンであり、金属に直接接着します。熱伝導にはほとんど影響しませんが、塗料の付着を助け、少しの腐食保護を加えます。
結論: ヒートシンクにポリマー コーティングを使用するのは、冷却効果を高めるためではなく、見た目や電気絶縁のためです。これらは部品をシャープに見せ、傷や電気的ショートを避けるのに役立ちますが、熱性能には常に軽度の影響があります。外観が重要な低電力 LED 器具や家庭用機器では、通常、黒または白のパウダー コートで問題ありません。しかし、高性能のものに関しては、エンジニアは重要なヒートシンクに厚い塗装を避けます。-
性能と効率の比較
では、熱を取り除くという点では、これらの治療法は実際にどのように積み重ねられるのでしょうか?それは結局のところ、物事を冷やす方法にかかっています。パッシブ冷却に依存している場合は、-ファンは使用せず、古き良き自然な空気の流れだけを利用して-放射率を高めると大きな違いが生じます。文字通り、比喩的に、黒色の陽極酸化処理や特殊なコーティングが輝くのはそこです。ヒートシンクは放射を通じてより多くの熱を放出します。小型のパッシブ ヒートシンクを例に挙げます。黒く陽極酸化すると、放熱が良くなるだけで温度を 10 ～ 20% 下げることができます。
しかし、ファンを導入して強制空冷に切り替えると、対流が引き継ぎます。{0}突然、その派手な高放射率コーティングは-わずか数パーセントの改善に役立つだけで、劇的なものではありません。-
では、メッキ金属はどうでしょうか？たとえば、ニッケル-メッキのシンクは、裸のアルミニウムとほぼ同じように熱を伝導します。あるエンジニアは、かなり率直にこう言いました。陽極酸化皮膜は金属メッキほど効率的に熱を移動させません。とはいえ、-厚さわずか数ミクロン-の薄い陽極酸化層は、実際には伝導の妨げにはなりません。全体像: 陽極酸化または塗装されたヒートシンクは熱を放射することが目的ですが、メッキされたヒートシンクは熱の伝導と耐腐食性に重点を置いています。
要約すると、黒色の陽極酸化処理を施したシンクは熱の放射に優れており、-場合によっては地金よりも最大 8～10 倍も優れています。一方、メッキは表面を生の金属と同じくらい導電性を保ちます。ほとんどの設計者は、陽極酸化処理が受動的冷却に最適な選択肢であると考えています。ただし、錆や長期的な摩耗が心配な場合は、メッキが最適です。-ファンまたは混合冷却を備えたシステムでは、差は小さくなります。実際、ファンで冷却されるシンクの場合、厚い黒色塗装を施すと、裸のアルミニウムに比べて温度がわずか数度低下する可能性があります。-ニッケルメッキ？温度変化はほとんど感じられません。
耐食性と耐久性
ヒートシンクの表面を腐食から保護することは非常に重要です。たとえば、陽極酸化処理では、アルミニウムの表面に-丈夫なセラミックのような層を形成します-。この層は空気や化学薬品の侵入を防ぐため、陽極酸化処理されたシンクは、地金よりも湿気や塩分の多い条件に耐えることができます。メッキも効いてます。銅の上にニッケルまたは錫を薄くコーティングするだけで、トラックの酸化を防ぎ、ヒートシンクが何年もその機能を発揮し続けることができます。ニッケル-メッキされた銅のシンクが湿気の多い場所に置かれていることを想像してください。コーティングされていないものが劣化し始めた後も、見た目も機能も新品同様です。
ペイントやパウダー コーティングは金属を覆うのに役立ちますが、その効果は表面だけです。傷がついたり欠けたりすると、腐食が侵入します。クロム酸塩やリン酸塩などの薄い化学コーティングは、さらなる保護層を追加し、多くの場合、保護をバックアップするために粉体塗装の前に行われます。これらの仕上げがどの程度優れているかについては、-陽極酸化アルミニウムはほとんどの場合、耐食性で最高の評価を獲得しており、ニッケル メッキも同様に高い評価を得ています。裸のアルミニウムは急速に酸化物を形成し始め、銅はすぐに変色します。
そのため、屋外や過酷な工業環境で使用されるほとんどのヒートシンクには陽極酸化処理やメッキが施されています。どちらの方法も酸素と湿気を遮断するのに優れているため、ヒートシンクが長持ちします。最適な選択は、扱う金属とシンクが使用される場所によって異なります。
コストに関する考慮事項
コストは常に重要です。ほとんどの場合、特に大量のバッチを製造する場合は、陽極酸化処理がアルミニウム ヒートシンクの安価な方法です。これは、アルミニウムから押出成形または機械加工されたあらゆるものに適した、堅牢で信頼性の高いプロセスです。一方、メッキは価格面で広範囲に及ぶ可能性があります。-錫や標準的なニッケルもそれほど悪くはありませんが、銀メッキや金メッキについて話し始めると、請求額は急速に跳ね上がります。また、特殊なコーティング-セラミック ペイント、厚いポリマー-を使用する場合、単に材料代を支払うだけではありません。また、硬化やマスキングなどの余分な作業にもお金がかかり、時間と費用がかかります。
コストは、コーティングの厚さと部品に必要な前処理の量によって変わります。耐摩耗性を向上させる硬質アルマイト処理は、通常のアルマイト処理に比べてコストが高くなります。粉体塗装は部品あたりのコストが安いように見えますが、部品の仕上げにはより多くの時間を費やすことになります。実際、陽極酸化処理は最適な方法です。手頃な価格で十分な仕事ができます。メッキや派手なコーティングは、特定の外観や陽極酸化では得られない特性など、特別なものが必要な場合にのみ意味を持ちます。-電気を通すためにシャフトが必要だとします。{6}}その場合はメッキする必要があり、価格はそれほど問題になりません。
結論: ほとんどの設計者は、機能が良く、お金がかからないため、アルミニウム ヒートシンクに陽極酸化処理を選択します。金属仕上げや特定の色など、特定の追加オプションが必要な場合は、メッキや特殊コーティングにもっとお金を払う価値があるかもしれません。追加のパフォーマンスやスタイルが実際にコストに見合う価値があるかどうかを確認してください。シンプルな陽極酸化ヒートシンクは、熱性能にほとんど違いがなく、高価なメッキヒートシンクよりも多くの価値をもたらします。
パワーウィンクスは、高性能ヒートシンクと熱管理コンポーネントの大手プロバイダです。-当社は、放射冷却を強化する黒色陽極酸化アルミニウム シンクから、耐食性-ニッケル-めっきの銅設計まで、高度な表面処理を施した幅広いヒートシンクを提供しています。 PowerWinx は、最新の陽極酸化、めっき、およびコーティングのオプションを備えたシンクを提供することで、エレクトロニクス設計者がデバイスを低温で信頼性の高い状態に保つのに役立ちます。
