強制空冷時の放熱器の包絡体積

風速vs騒音トレードオフと最適解

風速と包絡体積の関係

強制空冷時の放熱性能はヒートシンクの熱抵抗と包絡体積で評価できます．風速を上げれば必要な包絡体積は小さくなる一方で騒音が増えるため，風速と騒音のトレードオフを理解して設計することが重要です． 設計時には要求する表面温度差と発熱量から目標熱抵抗を算出し，選定した風速に応じて包絡体積とフィン設計を決めます．

風速と包絡体積の関係

例えば120Wのプロセッサを周囲温度50℃で冷却し，表面温度を80℃以下に保つには熱抵抗を0.25K/W未満にする必要があります． 風速2m/sの条件では包絡体積はおよそ3～4 $\times$10⁵mm³が目安で， 実際の形状例としてベース100×100mm，フィン高さ30mm相当の寸法が挙げられます． 風速を上げれば同じ熱抵抗をより小さな包絡体積で達成できますが， ファン回転数と騒音が増える点を考慮する必要があります．

設計で考慮すべきポイント

設計判断は以下の要素を同時に評価して行います．目標熱抵抗，許容騒音，ファンの風量性能，筐体内の気流経路です．風速は局所的な値なので，ヒートシンク入口での実効風速を評価することが重要です．実効風速が低いと期待した包絡体積が必要になり，騒音目標に余裕があれば風速を上げてコンパクト化を図れます．

フィン間隙の最適化

フィン間隙は使用風速での最適値が存在します． 一般に風速が速いほど最適間隙は狭くなり， 強制空冷条件では自然空冷のおおむね半分程度の間隙が目安です． フィン長さを$L_r$で表す場合，フィン間隙は$L_r$に対する比で評価すると 設計調整がしやすいです． 最適間隙を選ばないと空気抵抗が増えて風量効率が落ち， 期待する熱抵抗が得られないことがあります．

1. 熱抵抗目標の算定：発熱量と許容温度差から必要熱抵抗を決める
2. 風速選定：許容騒音と筐体の気流条件を基に風速を決める
3. 包絡体積決定：選んだ風速で必要な体積を読み取り寸法に落とす
4. フィン最適化：使用風速に合わせてフィン間隙と長さを調整する

設計では数値例だけで判断せず，実機での入口風速測定と騒音評価を併用して 最終決定することが望ましいです． 電子基板の周辺条件や冷却方式（電源入力$V_{in}$や制御I$^$2Cの影響など）も 総合的に検討してください．

〈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．