ヒートシンク設計のポイントとは？【伝熱工学の基礎解説】

機械設計では、発熱部品や装置の温度管理が性能・寿命・安全性に直結します。

伝熱設計を正しく行うことで、過熱による故障を防ぐことが可能です。

今回は電熱の基礎理論から、ヒートシンクの設計方法を解説していきたいと思います。

伝熱の基本

熱を伝える方法は、主に3つの方法があります。

熱伝導

熱伝導は、固体内で熱が伝わる方法を指します。

温めたフライパンを触ったとき、熱いと感じたことがあると思います。

それと同様に、熱が固体内で広がっていくことを熱伝導と呼びます。

機械の放熱手段でも、最も一般的と言えます。

対流

対流は、流体を使って熱を移動させることを指します。

このときの流体は空気だけでなく、水などの液体を用いることもあります。

例えば、工作機械の冷却には油を用いることが知られています。

流体の流し方も、ファンやポンプを用いて循環させることもあれば、温度差によって空気中に放熱させることもあります。

放射

放射は、赤外線による熱の移動のことを指します。

例えば、太陽の熱が地球まで届くのは放射によるものです。

機械としては、屋外に置いておく装置に遮光板を施して、太陽光による温度上昇を防ぐという方法があります。

伝熱設計のステップ

伝熱計算を行うには、主に4つのステップがあります。

発熱量の把握

部品の消費電力や発熱量を把握します。

例えば、電子部品では消費電力のほとんどが熱として発生してしまいます。

許容温度の設定

部品や素材の許容温度を設定します。

部品が耐えられるギリギリの温度を設定すると、ばらつきによって耐えられないことがあります。

そのため、部品の耐熱温度ではなく、マージンを加えた温度を許容温度とすることも多いです。

放熱方法の選定

発熱部品をどのように冷やすかを選定します。

まず自然空冷で冷やすか、FANなどの動力を用いて強制空冷で冷やすかの決定が必要です。

発熱量が大きい場合は、水冷も選択肢に入ります。

その上でヒートシンクの有無を検討します。

熱抵抗の計算

周囲空気と発熱量、許容温度から熱抵抗を計算します。

熱抵抗値が大きいほど放熱しにくく、温度が上がりにくい傾向になります。

ヒートシンクの設計ポイント

ヒートシンクの設計のポイントとして、材質と形状の2つがあります。

ヒートシンク材質

ヒートシンクには、発熱部品から伝わってきた熱を広げるという役割があります。

熱と温度には、以下の式のような関係があります。

この数式から分かる通り、発熱量が一定の場合は、ヒートシンクの熱伝導率が大きいほど、温度差が小さくなる、つまりよく冷やすことができるということが分かります。

そのため、ヒートシンクの材質には、熱伝導率が高い物を選定しましょう。

具体的には、アルミニウムや銅で作られたヒートシンクが一般的です。

ヒートシンク形状

熱伝導率だけでなく、表面積も放熱に影響を及ぼします。

フィンを多くすることによって表面積が大きくなり、放熱効果も上がります。

このとき、フィンの向きは風が通りやすい方向にすることが重要です。

設計検証方法

設計したヒートシンク形状に問題ないかは、測定器を用いて検証を行うことができます。

主に温度測定を行い、設計通りの温度になっているかを確認します。

まとめ

いかがだったでしょうか。

今回はヒートシンク設計について解説してきました。

まとめると以下のようになります。

からす

本サイトの管理者

機械系の大学院を卒業して、機械設計の仕事をしているサラリーマンです。 機械設計の知識全般を本サイトを通じて発信しています。