放熱設計=熱抵抗設計

基本はニュートンの冷却法則

ニュートンの冷却法則と放熱設計の基本

放熱設計の出発点はニュートンの冷却法則です．1701年にニュートンが提唱したこの法則は，物体が周囲に放出する熱量が温度差に比例するという経験式です．物体の表面温度を$T_c$，周囲温度を$T_a$とすると，両者の差が大きいほど熱が多く逃げます．熱流束は表面積$S$や熱伝達率$h$にも比例します．

熱設計を行う際に重要な点は，どのパラメータが自分で決められるか，どのパラメータが仕様で決まってしまうかを明確にすることです．$T_c$の上限は半導体素子のジャンクション温度などで決められます．150℃が上限と規定されている素子を180℃で使うことはできません．発熱量$W$は回路の消費電力に依存するため，熱設計者が直接変更することは困難です．また周囲温度$T_a$も製品仕様で規定されます．これらは設計者が触れない条件です．

一方で，設計者がコントロールできるのは表面積$S$と熱伝達率$h$です．表面積を大きくする構造を採用したり，強制空冷によって$h$を高めたりすることが可能です．熱設計の本質は，仕様で与えられた条件と，自ら設定できる条件を等式で一致させることにあります．

熱抵抗設計の考え方

熱設計を進めるうえで便利な考え方が「熱抵抗」です．熱抵抗は温度差を熱流量で割った量であり，電気回路の抵抗に相当します．部品の熱対策は温度そのものを直接扱うのではなく，目標とすべき熱抵抗を定め，それを満足するように設計を行うのが効果的です．

部品の熱設計では次の3つの要件が与えられます．

1. 許容温度：部品が安全に動作できる最高温度
2. 周囲温度：使用環境で規定される温度範囲
3. 発熱量：回路動作によって生じる消費電力

これらを個別に考えるのではなく，まとめて熱抵抗という形に整理することで，設計指針が明確になります．目標熱抵抗を求めれば，それを満足する表面積や熱伝達率を逆算でき，最終的には寸法や構造の検討につながります．

設計変数と実現手段

ニュートンの冷却法則の式を設計の観点で整理すると，次の2種類に分けられます．

1. 仕様で指定されるもの（自分で決められない）：発熱量$W$，許容温度$T_c$，周囲温度$T_a$
2. 設計変数として使えるもの（自分で決められる）：表面積$S$，熱伝達率$h$

実現手段としては次の2つしかありません．

1. 表面積$S$を大きくする
2. 熱伝達率$h$を大きくする

自然空冷では$h$はおおよそ10?15 W/m$^2$K程度ですが，強制空冷を導入すると大きく向上します．冷却フィンの採用や空気流量の増加は，表面積と熱伝達率の両方に寄与します．熱設計は，これらの手段を組み合わせて，目標熱抵抗を満足するように構築する技術です． 〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

チャプタ・リスト

著者紹介

• 1977年 早稲田大学理工学部 機械工学科卒
• 1977年 沖電気工業に入社．電子交換機やミニコン，パソコン，プリンタ，FDDなどの冷却方式開発や熱設計に従事．その後，電子機器用熱解析ソフトの開発，CAD／CAM／CAEおよび統合PDMの構築などを担務
• 2007年　サーマル・デザインラボを設立．上流熱設計と熱解析の両輪による「熱問題の撲滅」を目指し，製品の熱設計，熱対策支援，プロセス改革コンサルティング，研修などを手がける．

著書

1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. 高密度実装時代の熱設計教科書，トランジスタ技術2020年8月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［KIT］ミリ波5G対応アップ：ダウン・コンバータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【差動信号とその周辺回路設計技術】，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD］アナログ・デバイセズの電子回路教室【A-D/D-Aコンバータの使い方】，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．