冷却能力は熱流束÷熱伝達率

温度上昇分を求める式

冷却能力を理解するための基本概念

電子機器の熱設計では，部品温度を直接の設計目標とするのではなく，熱抵抗や熱流束を指標にすることが重要です．部品の発熱は体積で発生しますが，放熱は表面からしか行われません．そのため，表面を基準とした熱流束が温度上昇の大きさを決める基本的な指標になります．

熱流束は発熱量を表面積で割った値で表されます．発熱密度が高くなるほど熱流束は大きくなり，冷却が追いつかない場合には温度上昇が顕著になります．冷却能力は熱流束と熱伝達率で整理でき，温度上昇は熱流束を熱伝達率で割ることで求められるという考え方が基盤です．

温度上昇を求める考え方

温度上昇は次の関係で整理できます．発熱体の熱流束を$q$，冷却条件を示す熱伝達率を$h$とすると，温度上昇$\Delta T$は，$\Delta T = q /h$という形で表現されます．この関係により，複雑な熱解析を行わなくても，設計の初期段階で温度上昇の目安を得ることができます．

一辺50 mmで発熱量が10 Wの立方体と，一辺100 mmで発熱量が80 Wの立方体を考えると，表面積と発熱量の比率が異なるため熱流束に差が生じます．熱流束の大小によって，同じ条件下での温度上昇の傾向が異なることが理解できます．冷却条件が一定であれば，熱流束が大きいほど温度上昇は直線的に増加するのです．

設計に活かすポイント

熱設計を効率的に行うためには，次の観点が役立ちます．

1. 発熱量と表面積の比率から熱流束を算出する．
2. 冷却条件を整理し，熱伝達率を設定する．
3. 熱流束と熱伝達率の比として温度上昇を見積もる．
4. 部品レイアウトや基板設計により熱源の集中や分散を調整する．
5. 必要に応じてサーマル・ビアや多層基板を活用し熱拡散を改善する．

片面基板に比べ，両面基板や4層基板では銅箔の広がりやサーマル・ビアによる熱拡散の効果が大きく，同じ発熱条件でも温度上昇を低く抑えられる場合があります．基板設計では，部品の発熱を分散させる工夫と，熱を広げるための銅パターンやビアの利用が有効です．

熱流束と熱伝達率の活用

冷却能力を評価する際，熱流束と熱伝達率を基準にすることで，発熱条件と冷却条件を定量的に関連付けることができます．熱伝達率は自然空冷，強制空冷，水冷などの方式によって異なり，冷却方法を変更すれば同じ熱流束でも温度上昇の値は変化します．したがって，設計段階で求めるべきは「どの冷却条件において，許容温度を満たせるか」という観点です．

複雑なシミュレーションに依存しなくても，熱流束と熱伝達率の関係を理解しておけば，基板や部品の寸法設計，配置検討，冷却方式の選定において合理的な判断が可能です．温度上昇をシンプルに見積もる手法として，この考え方を活用することが有効です．

〈著：ZEPマガジン〉

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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．