自然対流用ヒートシンクのサイズ設計
短い答え：自然対流ヒートシンクのサイズは A = P ÷ (h × ΔT) で決まります。ここで、垂直フィン付きヒートシンクの h は黒色アルマイト表面の放射を含めて約 4～8 W/m²·K であり、ΔT は許容されるヒートシンクから空気への温度上昇です。40 °C の上昇を許容する 20 W の LED ドライバーには約 600～900 cm² のフィン付き表面積が必要です。同じ上昇で 50 W の負荷には約 1,500～2,000 cm² と、明らかに大きな押出形材が必要です。垂直フィンは 6～12 mm 間隔で配置し、ヒートシンクは垂直に、フィンも垂直に保ちます。フィンが水平の場合や空気の流路が妨げられている場合は、約 20～40% の性能低下を見込んでください。計算された設置面積が大きすぎる場合、自然対流は適切な解決策ではありません。それは空気の流れを追加するシグナルです。
自然対流は熱設計の静かな側面です：ファンなし、騒音なし、故障する可動部品なし、フィルターへの塵埃負荷なし。LED 照明器具、電源アダプター、計測器、そして信頼性と静音性が冷却性能よりも重視されるあらゆる製品のデフォルトです。代償はサイズです。浮力だけで動く空気は弱い熱輸送体であるため、ヒートシンクは暖かい空気がきれいに上昇できる形状で大きな表面を提供する必要があります。サイズ設計は謎ではありません — 1 つの方程式、1 セットのフィンピッチ規則、そして答えが製品に収まるかどうかの正直な確認です。
サイズ計算式と h の実際の値
静止空気中で冷却するヒートシンクの定常状態のバランスは、他の対流問題と同じです：放熱量は有効表面係数 × 濡れ面積 × 温度上昇に等しく、P = h × A × ΔT です。変形すると、必要な表面積は A = P ÷ (h × ΔT) です。技術は h、つまり有効係数にあります。なぜなら自然対流の h は小さく、放射がその大部分を占めるからです。
垂直平板または垂直フィン付きヒートシンクの場合、純粋な対流係数はサイズと温度上昇に応じて約 3～6 W/m²·K です。表面が黒色アルマイト処理されている場合、放射は等価係数としてさらに約 2～4 W/m²·K を追加します。これは、コーティングが裸のアルミニウムの約 0.1 から約 0.85～0.95 へと放射率を高めるためです。これが、黒色アルマイト垂直フィン付きヒートシンクの実用的な計画値が約 6～9 W/m²·K である理由であり、裸の研磨アルミニウムがパッシブ設計で劇的に性能が低下する理由です — 放射を失うと、全熱経路の 3 分の 1 になることがあります。パッシブ用途のすべてのラジエーターとヒートシンクは、用途が色を禁じない限り黒色アルマイト処理する必要があります。
コピーできる実例によるサイズ計算
LED ドライバーからの 20 W 用にヒートシンクを設計します。ケース目標 80 °C、周囲温度 40 °C で、ΔT = 40 °C です。垂直フィン付き黒色アルマイトヒートシンクで h = 7 W/m²·K と仮定します。必要な面積 A = 20 ÷ (7 × 40) = 0.071 m²、約 710 cm² のフィン付き表面積です。両面に高さ 15 mm のフィンを備えた 150 × 150 mm の設置面積でほぼその面積が得られます。正確なフィン数は以下のピッチ規則から決まります。製品が 20 °C の上昇しか許容しない場合 — たとえば近くの熱に耐えられないプラスチック筐体 — 面積は約 1,400 cm² に倍増します。これは、温度予算がパッシブ設計で最大のレバーである理由を示しています。
| 熱負荷 | 許容 ΔT | 使用 h | 必要なフィン面積 | 典型的なヒートシンククラス |
|---|---|---|---|---|
| 10 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~360 cm² | 100 × 100 mm ベース、15～20 mm フィン |
| 20 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~710 cm² | 150 × 150 mm ベース、15～20 mm フィン |
| 20 W | 20 °C | 7 W/m²·K | ~1,430 cm² | 大型押出形材、高いフィン |
| 50 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~1,790 cm² | 200 × 200 mm クラスまたはファンレスシャーシ |
| 50 W | 40 °C | 4 W/m²·K (裸の Al) | ~3,130 cm² | 非実用的 — アルマイト処理、または空気流を追加 |
表は意図的に単純です：実際の設計ではフィン効率が掛け算され、広く間隔を空けた短いフィンではほぼ 90% ですが、高く密なフィンでははるかに低くなり、熱源の設置面積の広がりも考慮されます。数値は面積目標であり、面積を実際のフィンに変換するフィン効率と実装規則はフィン設計ガイドで説明されています。表が伝えるのは規模です：パッシブ冷却は空間に寛容であり、放射とアルマイト処理は同じヒートシンクを裸で使用するよりも約 40～75% 多くの有効面積に相当します。
フィンピッチ：ほとんどの設計が間違える規則
自然対流におけるフィンは独自の空気流を生み出します：フィン間の各空気チャネルが暖まり上昇し、下から冷たい空気を引き込みます。フィンが近すぎると、各フィンの境界層が合流し、空気の流れが止まり、内側のフィンはほとんど機能しません — ヒートシンクは動く空気に触れない表面積を増やすだけです。フィンが離れすぎると、空気は自由に流れますが、ベース面積と重量を無駄にします。パッシブヒートシンクの実用的な間隔帯は約 6～12 mm のギャップで、高いフィンほど上昇気柱が加速するためにより広い空間が必要です。
| フィン高さ | 推奨フィンギャップ（自然対流） | 25 mm あたりの典型的なフィン数 |
|---|---|---|
| 10～15 mm | 5～8 mm | 3～4 |
| 15～30 mm | 6～10 mm | 3 |
| 30～60 mm | 8～12 mm | 2～3 |
| 水平フィン | 10～15 mm + 低減 | 2～3 |
これらのギャップを強制空冷ヒートシンクと比較してください。強制空冷ではファンが狭いチャネルを通して空気を押し出すため、1.5～3 mm のギャップが一般的です。パッシブヒートシンクを強制対流用に最適化しようとしたり、その逆を行ったりすることは、ヒートシンク選択で最も一般的な初心者の誤りです — 2 つの領域の完全な比較は自然対流と強制対流のガイドにあります。パッシブ設計では、少なく、高く、適切に間隔を空けたフィンが、多くの薄いフィンよりも常に優れています。
設置方向、妨害、適用すべき低減率
自然対流は重力駆動であるため、設置方向は見た目の問題ではありません — 性能の 20～40% に相当します。最良のケースは、ヒートシンクを垂直に取り付け、フィンも垂直にすることです。これにより、暖められた空気がチャネルを通って真っ直ぐ上昇し、下から冷たい空気を引き込みます。同じヒートシンクをフィンが水平になるように取り付けると、空気は各チャネルで曲がらなければならず、能力が約 15～30% 低下します。アセンブリ全体を平らなカバーの下に上向きに置くと、空気の流れが完全に止まり、放射と筐体への伝導だけが残ります。製品の設置方向が変わる場合は、最悪のケースでサイズを決めてください。なぜなら、意図した方向でサイズが不足しているパッシブヒートシンクは、補償するファンがないため現場で故障するからです。
妨害は設置方向とほぼ同じくらい重要です。ヒートシンクは空気が入り、出るために下と上にクリアランスが必要です：通常、フィンの下に 10～20 mm の開放空間と、上に妨げのない排気口が必要です。フィンチップに近い筐体壁は流れを妨げ、密閉筐体はパッシブ冷却を完全に無効にします — 熱は依然としてボックスから出なければならないため、パッシブ設計では通常、通気口または最終ラジエーターとしての金属シャーシが必要です。空気に経路を与えられない場合、正直な選択肢は強制対流または熱を筐体壁に移動させることであり、より大きなヒートシンクではありません。
よくある質問
Q: 自然対流ヒートシンクに最適なフィンピッチは？
A: フィン間のギャップは約 6～12 mm で、高いフィンほど広くするのがパッシブ冷却の実用的な範囲です。5 mm 未満のギャップは浮力による空気流を妨げ、機能しない表面積を追加します。強制空冷ヒートシンクでは狭いギャップが普通であるのとは異なります。
Q: パッシブヒートシンクに必要な表面積を計算するには？
A: A = P ÷ (h × ΔT) を使用し、黒色アルマイト垂直フィン付きヒートシンクでは h は約 6～9 W/m²·K、ΔT は許容されるヒートシンクから空気への温度上昇です。40 °C 上昇で 20 W の負荷には約 600～900 cm² のフィン面積が必要で、許容上昇を 1 度節約するごとにヒートシンクは比例して小さくなります。
Q: 黒色アルマイト処理は本当に自然対流性能を向上させますか？
A: はい、大幅に向上します。裸のアルミニウムの放射率は約 0.1 ですが、黒色アルマイトアルミニウムは約 0.85～0.95 に達し、パッシブ用途では放射が熱の約 3 分の 1 を運ぶことができます。同じヒートシンクを黒色アルマイト処理すると、有効面積が 40～75% 多いヒートシンクのように機能します。
Q: 設置方向はパッシブヒートシンクにどの程度影響しますか？
A: 通常、垂直フィンと水平フィンの間で 15～30%、空気流が妨げられている場合はさらに大きくなります。自然対流は暖かい空気がフィンチャネルを通って上昇することに依存するため、フィンを垂直に取り付け、下に吸気用の 10～20 mm のクリアランスを残し、上の排気口を妨げないようにしてください。
Q: 自然対流を機能させようとするのをいつやめるべきですか？
A: 必要な表面積または設置面積が製品に収まらなくなったとき、または筐体が密閉されているときです。パッシブ冷却は本質的に空間に寛容であり、計算が非実用的なヒートシンクを返す場合、ファンを追加するか熱を筐体壁に移動させる方が、巨大な押出形材を無理に使用するよりも安価です。
関連リソース
- 自然対流と強制対流のヒートシンク — パッシブからアクティブ冷却に移行する時期。
- ヒートシンクのサイズ計算 — 抵抗予算を含む完全なステップバイステップの方法。
- BQUQについて：東莞でヒートシンクの機械加工、切断、アルマイト処理を一貫して行う ISO9001 認証のソースファクトリー。
- お問い合わせ：ワット数、周囲温度、サイズ制限をお送りいただければ、12 営業時間以内に設計レビューを行います。
BQUQ エンジニアリングチームによって執筆。BQUQ は中国東莞にある ISO9001 認証のソースファクトリーで、CNC 機械加工、金属プレス、カスタムばね、ヒートシンク、コレットのラインを一貫して運営しています。図面を sc@bquq.com または WhatsApp +86 13713157787 にお送りいただければ、12 営業時間以内にお見積りいたします。www.bquq.com
