放熱フィン数の最適解

多すぎても性能が出ない

放熱フィンの最適枚数と性能

ヒートシンクはフィンの枚数と間隔が放熱性能に大きく影響します．フィンが少ない場合は表面積が不足し，熱が効率的に外部に逃げず温度が上昇します．フィンを増やすことで表面積は増加しますが，間隔が狭くなると風の流れが阻害され，逆に熱抵抗が増加します．各フィンの周りには温度境界層が形成され，これが干渉しないようにすることが最適な冷却の鍵です．

自然対流と強制対流の影響

自然空冷型ヒートシンクでは，フィン間隔はやや広めが適しています．風が弱いため，温度境界層が厚くなりやすく，間隔を狭めすぎると境界層どうしが干渉して効率が低下します．一方，ファンなどを用いた強制対流型では，風が境界層を薄くするため，フィン間隔を狭めても干渉が少なく，より多くのフィンを配置可能です．風速$V$に応じた最適間隔の設定が重要です．

フィン間隔の概算と設計ポイント

フィンの最適間隔は発熱量とヒートシンクの寸法から概算できます．長さ$L$のフィンをもつ場合，熱抵抗$R_{th}$と発熱量$Q$を基に表面積を算出し，適切な枚数を決定します．設計段階では次の点を考慮します．

1. フィン間隔を狭めすぎないように設定する
2. 風速条件に応じた最適枚数を選ぶ
3. 温度境界層が干渉しないギリギリの位置まで近づける
4. 強制対流時はより多くのフィンを配置して表面積を増やす
5. 自然空冷時は間隔を広めにして安定した境界層を確保する

設計上の注意点

高発熱デバイスでは，最適なフィン枚数の設定が冷却性能の向上に直結します．フィンを多くすれば必ずしも性能が向上するわけではなく，風の流れと温度境界層の干渉を考慮して最適値を決定することが重要です．フィン配置を適切に選ぶことで，効率的な熱拡散と機器寿命の延長が可能です．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

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．