電子機器向けヒートシンク形状の効果的な設計

2025年3月1日 22:54

電子機器の放熱性能を高めるには、ヒートシンク（放熱板）の形状最適化が重要です (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。ヒートシンクは発熱部品から熱を受け取り、フィンなどの放熱面で周囲の冷却媒体（空気や液体）に熱を逃がします (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。以下では、空冷・液冷の両対応が可能な形状アイデア、対流・伝導・放射の各メカニズムを活かす設計、最新トレンドと利点、日本の高温多湿な夏に対応できるポイント、さらに製造容易性について説明します。

空冷・液冷の両対応を目指したヒートシンク形状

空冷（空気による冷却）と液冷（水や冷却液による冷却）の双方で使えるヒートシンク形状として、有力なのがピンフィン（針山状フィン）構造です (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。ヒートシンクの放熱面形状には、図のように薄い板状フィンを並べたもの、蛇腹状（波形）フィン、そして多数のピン（棒）を配置したものなどがあります (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。ピンフィン型は全方向に均一に配置された多数の小さな柱状フィンで、空気の流れが一方向に限定されない全方向性の冷却が可能です (Heat Sink Types | Celsia)。そのため、空冷時は風向きにかかわらず効率的に対流を起こし、低速な送風や自然対流下でも有効に働きます (Heat Sink Types | Celsia)。一方、ピンフィンは液冷（水冷板）の内部構造としても広く利用されています。冷却水をピンの隙間に流すことで乱流が生じ、熱伝達率が向上します。実際、マイクロピンフィン水冷は電子機器の高熱流束の冷却に有効であり、高い放熱性能を発揮します (Microchannel heat sink geometry view created by ANSYS. | Download Scientific Diagram)。このようにピンフィン構造は空気と液体の両方で熱交換を促進できるため、空冷・液冷両対応のヒートシンク形状のひな形として効果的です。

(File:Pin fin, straight fin and flared heat sinks.png - Wikimedia Commons) 図1: 左からピンフィン型ヒートシンク、板状フィン型ヒートシンク、開き（フレア）フィン型ヒートシンクの例。それぞれフィン形状によって空気の流れ方が異なる。（左）全方向からの空気流れに対応するピンフィン。 (Heat Sink Types | Celsia) (Heat Sink Types | Celsia)（中）平行板フィンは一方向からの強制空冷で効率が良い。 (Heat Sink Types | Celsia)（右）開いた角度のフィンは自然空冷で空気の抜けを良くする設計。

一方、板状フィン（平行フィン）もヒートシンク形状の基本です (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。これは一定方向の強制空冷下では空気抵抗が小さく、大きな表面積で効率的に冷却できます (Heat Sink Types | Celsia)。ただし、板フィンは風の方向に対して最適に配置しないと性能が低下し、向きがずれると空気がうまく流れません (Selecting the best type of heat sink for your application |)。そのため、空冷時に風向きが固定されない用途ではピンフィンに利があります。一方で、液冷専用設計ではマイクロチャンネル（流路溝）構造が使われることもあります。これは基板に細い溝を多数加工した形状で、液体を流すことで非常に大きな熱伝達面積を実現します。ただしマイクロチャンネルは空気を通す用途では流路が細かすぎて効果が低下するため、空冷との両立は難しく、空冷・液冷両対応にはピンフィン型など中間的なサイズのフィン配列が適しています。

対流・伝導・放射を活用するヒートシンク設計

効果的なヒートシンク形状を設計するには、対流（Convection）, 伝導（Conduction）, **放射（Radiation）**の三つの冷却メカニズムをバランスよく活用することが重要です。

対流を促進する形状: ヒートシンクのフィン形状や配置は、空気や液体の流れをスムーズにしつつ乱流を起こすよう工夫します。フィン数を増やして表面積を稼ぐだけでなく、フィン間隔も最適化する必要があります (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。フィン同士の間隔が狭すぎると空気が循環せず効果が落ちるため、風速や冷却方式に応じた適切な間隔をとります (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。例えば自然対流主体ではフィン間隔を広めに、強制空冷ではある程度詰めてフィン枚数を増やすといった調整です (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。またフィン形状に工夫を凝らすことで対流熱伝達を高められます。ルーバー（百葉窗）フィンや波状フィンは、フィン表面に小さな切り欠きや波形をつけることで空気の流れに乱れ（乱流）を起こし、熱伝達率を向上させます (Heat Sink Types | Celsia)。乱流によりフィン表面に停滞する境界層が破壊され、新鮮な冷却流体が常に供給されるため効率が上がります (Selecting the best type of heat sink for your application |)。ピンフィンも、空気の流れを一度途切れさせ再び形成することで境界層の成長を抑制し、対流効果を高める仕組みです (Selecting the best type of heat sink for your application |)。加えて、ピンフィンを円錐形や楕円形にすることで空気抵抗と圧力損失を減らしつつ熱交換を促進できます (Heat Sink Types | Celsia)。このように形状最適化により対流を強化する設計は、ヒートシンク全体の熱抵抗低減に直結します。
伝導経路を最適化する構造: 発熱体からヒートシンクへ熱を送り届ける伝導も重要です。ヒートシンクのベース（基板）部分は十分な厚みと高い熱伝導率を持たせ、フィン全体に熱を均一に広げる必要があります。一般的な材料ではアルミニウム（熱伝導率約205 W/mK）が多用されますが、さらに熱伝導性の高い銅（約400 W/mK）を基板やフィンに用いると、ヒートシンク内の伝導抵抗をほぼ半分に減らすことができます (Heat Sink Types | Celsia)。ただし銅は重量がアルミの3倍ありコストも高く、加工性や耐食性で劣るため、重量増や価格上昇とのトレードオフになります (Heat Sink Types | Celsia)。そこで近年は複合構造として「銅製ベース＋アルミフィン」のハイブリッド設計も一般的です。これにより、熱が集中する基部は銅で素早く拡散し、フィン部分は軽量なアルミで放熱するバランスが取れます。またヒートパイプや**ベイパーチャンバー（蒸気室）**をヒートシンクに組み込むことも伝導経路の強化策です。ヒートパイプは内部の液体の蒸発・凝縮による高速熱輸送により、実質的な熱伝導率が何千W/mKにも達します (Heat Sink Types | Celsia)。ヒートシンクのベース部に埋め込むことで、熱を遠方のフィンまで素早く運び全体を均一に加熱でき、結果的に各フィンでの放熱が促進されます。
放射冷却を高める表面: ヒートシンク表面からの赤外線による熱放射も無視できません。特に自然空冷（ファンなし）の場合、放射は全放熱の2〜3割に達することもあります (The importance of radiation in heat sink design |)。放射による冷却を最大化するには、ヒートシンク表面の放射率（エミッシビティ）を高くすることが有効です (The importance of radiation in heat sink design |)。一般に金属地肌のアルミや銅は放射率が0.1前後と低いですが、黒色の酸化被膜を形成すると0.8〜0.9台まで向上します (The importance of radiation in heat sink design |)。そのためヒートシンクは黒や濃色に表面処理（アルマイト処理や黒塗装）されることが多いです。例えばアルミニウムの黒色アルマイト（陽極酸化）処理では、表面が艶消しの酸化膜で覆われ放射率が上がり、放射による放熱量が増加します (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。この効果により、形状を変えなくても放熱効率を高めることができます (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。実運用でも、自然対流主体の場面では黒色ヒートシンクが数度程度温度低下に寄与し、限界ぎりぎりの熱設計を安定化させる助けとなります。なお放射は周囲温度との差に依存するため、周囲温度が高い場合や強制空冷が卓越する場合は効果割合が下がりますが、高温環境下や無風状態への備えとして高放射率化は有効な設計ポイントです。

日本の高温多湿な夏環境に対応する設計ポイント

日本の夏は気温が35℃近くまで上がり湿度も高いため、ヒートシンク設計にもこの環境条件を考慮する必要があります。まず高温環境では、ヒートシンクと周囲空気の温度差（ΔT）が小さくなり冷却効率が低下するため、平常時から余裕を持った設計が重要です。具体的には、通常より大きめの表面積やフィン数を確保し、自然空冷のみでは不十分な場合は強制空冷（ファン）を併用するなどして、熱抵抗を下げる対策をとります (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)。高湿度については、湿った空気そのものが冷却性能を大きく損なうことはありませんが、関連して結露と汚れに注意が必要です。室内外の温度差が大きい状況で冷却デバイスを稼働させると、ヒートシンクが露点以下に冷えて空気中の水分が結露する可能性があります。結露水が電子回路に落ちると故障の原因となるため、必要に応じてヒートシンク周辺を防滴構造にしたり、断熱材で覆うといった対策も考えられます。

また高湿度環境では埃（ほこり）が湿気でフィン表面に付着しやすく、目詰まりによる冷却性能低下が起こりがちです。これに対応するため、フィン間隔に余裕を持たせたり、ヒートシンク形状を掃除しやすいものにしておくと良いでしょう。ピンフィン形状は平板フィンに比べ埃が溜まりにくく清掃しやすい利点があります (Heat Sink Types | Celsia)。さらに材料選択も考慮すべきです。日本のような高温多湿環境では、ヒートシンク材料の耐腐食性が重要となります。アルミニウムは自然に表面に酸化皮膜を形成し耐食性に優れますし (Heat Sink Types | Celsia)、前述の陽極酸化処理を施すことで腐食に強く長期間安定した性能を維持できます (Heat Sink Types | Celsia)。銅は放っておくと酸化や硫化でくすみますが、錫メッキやニッケルメッキを施すことで腐食保護することが可能です。特に屋外設置機器などでは、塩害を含む過酷な条件下でも性能を維持できるよう、材料と表面処理を選定します。

総じて、日本の夏環境に対応したヒートシンク設計では「余裕度」と「耐久性」がキーワードになります。余裕のある放熱能力を持たせつつ、湿度や埃に負けない材質・形状とすることで、猛暑の中でも電子機器を安定稼働させることができます。

3Dプリント・CNC加工における製造容易性

ヒートシンク形状を設計する際には、実際に製造できるかどうか（製造容易性）も重要です。特に3DプリントやCNC加工といった現代的な製造手段を考慮すると、以下のポイントがあります。

●CNC加工による形状の制約と容易性: CNCフライスや旋盤で加工する場合、基本的に直線状のフィンは比較的容易に作れます。一方、ピンフィンのように複雑な立体配列は加工工具が入りにくく、一本ずつ削り出すには時間がかかるため量産には不向きです。しかし工法を工夫すれば、例えばアルミ押出材を所定の長さでスリットカットして擬似的にピンフィン構造を作ることも可能です (Heat Sink Types | Celsia)（押出ヒートシンクを短冊状に切ってブロック化する手法）。また冷間鍛造（フォージング）を用いれば、一体物の金属からピンフィンをまとめて成形できます (Heat Sink Types | Celsia)。これは金型さえ用意すれば量産性が高く、アルミや銅のピンフィンヒートシンクを効率よく作れる方法です。逆に板状フィンは打ち抜き加工（スタンピング）や折り曲げ加工、あるいは薄板を積層して基板にハンダ付けするボンデッドフィンなど、多様な手段で容易に製造できます (Heat Sink Types | Celsia) (Heat Sink Types | Celsia)。要するに、直線的な形状ほど従来工法で作りやすく、複雑な形状ほど特別な工法が必要になります。

●3Dプリントによる形状自由度と注意点: 3Dプリント（金属積層造形）は形状の自由度が飛躍的に高いため、ラティス構造や有機的な曲面フィンなど、従来は製造不可能だったデザインを実現できます (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter)。これにより設計の幅は広がりますが、一方で造形プロセスに起因する注意点もあります。例えばパウダーベッド方式の金属3Dプリントでは、オーバーハング（突き出し）のある形状はサポート材が必要となり、その除去や表面処理の手間が増えます (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter)。そのため、設計段階で極力水平な張り出しを避け、滑らかな曲面で支えられる形状にする工夫が求められます (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter)。「デザイン6」で示された格子状ヒートシンクの例でも、水平面が2mmを超えると造形時に破損しやすいといった指摘を受け、エッジに丸み（ブレンド）を付けて全ての梁を傾斜させる修正が行われました (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter) (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter)。このように、3Dプリントではサポート無しで造形できる形状に配慮することが、成功率とコストの面で重要です。

●製造コストと目的に応じた形状選択: 製造容易性の観点からは、「その形状を採用するだけのメリットが見合うか」も検討します。例えば、一般的な押出成形ヒートシンクは金型費用こそかかりますが、大量生産時のコストが低く、フィンも直線方向にしか作れない制約があります。しかし放熱性能が要求を満たすなら、それが最も安価で堅実な選択です。一方、性能向上のために複雑形状フィンを採用する場合、少量生産なら3Dプリントで対応し、大量生産が見込まれるなら鍛造やダイキャスト（金型鋳造）で量産できないか検討します (Heat Sink Types | Celsia)。幸い、ピンフィンにせよ板フィンにせよ、ニーズに応じて適切な製造手段が確立されつつあります (Heat Sink Types | Celsia)。最終的には、ヒートシンクの用途と生産数に応じて、設計の自由度と製造性のバランスをとることが大切です。「作れないヒートシンクは設計しても意味がない」という基本を踏まえ、上記ポイントを考慮して形状を決定すると良いでしょう。

参考文献・情報源：ヒートシンク形状と放熱効率に関するEBINAX技術コラム (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社) (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社) (ヒートシンクの形状を最適化することで放熱効果は上がるの？熱対策についてご紹介 - EBINAX株式会社)、Celsia社のヒートシンク設計解説 (Heat Sink Types | Celsia) (Heat Sink Types | Celsia)、各種材料の熱特性 (Heat Sink Types | Celsia) (Heat Sink Types | Celsia)、HeatSinkCalculatorの技術ブログ (Selecting the best type of heat sink for your application |)、最新ヒートシンク動向に関する記事 (Unveiling the Future: Examining the Evolution of Heat Sink Designs – Logics Technology Solutions Inc)、SiemensのSimcenterによる3Dプリントヒートシンク事例 (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter) (How to Design a Heat Sink for Additive Manufacturing - Simcenter)など。今回使用した図版はWikimedia Commonsからのヒートシンク写真およびSiemens社ブログからのレンダリング画像です。これらの情報を総合して、目的の冷却性能や使用環境に適したヒートシンク形状を検討してください。