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ヒートシンク最も重要なのは、そのベースが短時間内にCPUから放出されるできるだけ多くの熱を吸収できること、つまり瞬時に熱を吸収できる能力です。熱伝導率の高い金属だけが有能に機能します。金属の熱伝導性材料では、比熱と熱伝導率が重要なパラメータです。
熱伝導率は、単位長あたり、Kあたりで、W/mKで伝達できるエネルギーワット数として定義されます。ここで「W」は熱出力単位、「m」は長さ単位計、「K」は絶対温度単位を表します。値が大きいほど熱伝導率は良好です。以下は、いくつかの一般的な金属の熱伝導率の表です。
熱伝導率(単位:W/mK)
銀429銅401
ゴールド317 アルミニウム237
アイアン80リード 34.8
1070アルミニウム合金226、1050アルミニウム合金209
6063 アルミニウム合金 201、6061 アルミニウム合金 155
銀と銅が最も熱伝導性が良い材料であり、次いで金とアルミニウムが続きます。しかし金と銀は高価すぎるのでヒートシンク主にアルミニウムと銅で作られています。しかし、銅の密度が高く、複雑なプロセスで高価なため、一般的なファンは主に軽量のアルミニウムで作られています。もちろん、空冷ヒートシンクの場合、熱伝導係数に加え、材料を考慮する際には熱放散も考慮しなければなりません。この2つのパラメータを組み合わせた装置の熱容量は、アルミニウムの優位性を反映します。しかし、この記事では熱伝達の側面のみを扱っており、その点については次のセクションで詳しく説明します。
ヒートシンクベースの熱伝導率を向上させるためには、一方で熱伝導係数の高い材料を選ぶ必要がありますが、他方でCPUやラジエーターベースなどの熱源の組み合わせの密閉性の問題も解決する必要があります。熱伝導の法則によれば、材料が固定されている前提のもとで、伝導能力は接触面積に比例し、接触距離に反比例します。接点面積が大きいほど熱の放散が速くなりますが、CPUのダイは固定されているため、接合距離の方が重要です。
理論的には、ヒートシンクベースはCPUと密接に接触できますが、客観的に見て、どんなに両面が滑らかでも隙間は存在します。つまり空気があり、空気の熱伝導率は非常に低いのです。これは優れた設計と強力なグリップ力が求められ、ヒートシンクをCPUにしっかりと固定します。さらに、これらの隙間を埋めるために、熱伝導率や変形性が良いもの、例えばサーマルグリースやサーマルテープなどに空気を置き換える必要があります。理想的な状況は、ヒートシンクがCPUにしっかりと固定され、ヒートシンクとCPUの接触が完全に平行にして接点面積をできるだけ大きく保ち、その間の小さな隙間はシリコングリースで完全に埋めて接触熱抵抗を最小限に抑えることです。
ただし、どんな種類の熱グリースや熱テープであっても、その機能は補助的なものであり、その熱抵抗は銅の放熱基材の何倍ものであることを明確にしなければなりません。ヒートシンクベースの熱伝導率を最大化するためには、ヒートシンクベースが滑らかで平らであることを確認し、ヒートシンクとCPU接点面の隙間を真に縮小する必要があります。
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