自然空冷 — CAE用語解説

良い質問だ。自然空冷は、強制対流（ファン）ではなく、温度差による密度差が駆動力となる「自然対流」と「放射」を主な熱移動メカニズムとしている。例えば、ヒートシンクが熱せられると、その表面近くの空気が温められ密度が下がり、浮力によって上昇する。その空いた部分に周囲の冷たい空気が流れ込む、という循環が起こるんだ。

その通りで、駆動力となる浮力は温度差に大きく依存する。無次元数で表すと「グラスホフ数（Gr）」が重要だ。壁面温度と周囲流体温度の差をΔT、代表長さをLとすると、

これが大きな落とし穴で、無視できない。特に表面仕上げで大きく変わる。ステファン・ボルツマンの法則

核心を突く質問だ。重力項は確かにあるが、密度が一定と仮定する通常の設定では浮力は発生しない。密度の温度依存性を考慮する「ブシネスク近似」または「理想気体の法則」を活性化する必要がある。Ansys Fluentなら、重力加速度を定義した上で、Models → EnergyをONにし、Operating Conditionsで操作密度を設定し、Materialsで密度に「boussinesq」または「ideal-gas」を選択する。この設定を忘れると、熱い空気も冷たい空気も重さが同じになり、全く流れが発生しない。

流れの駆動源が違うので、メッシュ戦略も変わる。強制対流は流入速度が既知だから、主流部のメッシュもある程度制御できる。しかし自然対流は、壁面で発生した浮力によって流れ場全体が「自己完結的」に決まる。したがって、壁面近傍の境界層メッシュ（y+<1を目指す）はもちろん、壁面から離れた「浮力駆動流れ全体」の領域も十分に解像する必要がある。特にヒートシンク上部の「プルーム」領域のメッシュが粗いと、熱い空気の塊の挙動を捉えられない。

浮力が流れの唯一の駆動力だからだ。初期状態では流れがゼロで、わずかな温度不均一（数値誤差も含む）から流れが発生し始める。このため、ソルバーの設定が重要になる。Ansys Fluentなら、Pressure-Velocity Couplingは「Coupled」スキームの方が安定しやすい。また、初期化は「Hybrid Initialization」で行い、最初から重力の影響を考慮させる。さらに、アンダーリラクゼーション係数は、特に運動量と圧力で小さめ（0.3〜0.5）から始めて、収束傾向を見ながら上げていくのが定石だ。

まずは「最大許容温度」と「発熱量」を明確にすることだ。例えば、CPUのジャンクション温度が100℃、消費電力が65W、など。次に「設置環境」だ。筐体内なのかオープンな空間なのか。JIS C 60068（環境試験方法通則）やIEC 60529（IPコード）を参考に、周囲温度（例えば40℃）と気圧を定義する。最も重要なのは「解析領域の大きさ」の見積もりだ。少なくともヒートシンクから上下左右に10〜20倍の空間を取らないと、流れや温度場を閉じ込めてしまい、現実より過酷な結果になる。

劇的に変わる。フィン間隔が狭すぎると（例えば2mm以下）、フィン間の空気の流れ抵抗が増し、自然対流を阻害する「チャンネル詰まり」を起こす。最適な間隔はグラスホフ数に依存するが、実用的には3〜10mmの範囲で探ることが多い。向きは絶対的に「フィンが垂直方向に伸びている」ことだ。水平にフィンがあると、下側フィンで温められた空気が上側フィンの入口を塞ぎ、性能が大幅に低下する。熱抵抗で言うと、最適設計と不適切設計では2倍以上の差が出ることも珍しくない。

大きな違いは「放射の取り扱い」と「連成の考え方」にある。Fluentは専用のCFDソルバーで、放射はDO（Discrete Ordinates）モデルやS2S（Surface to Surface）モデルで別途設定する。一方、COMSOLは「熱放射」が物理インターフェースとして最初から用意されており、「固体伝熱」と「非等温流」インターフェースに「放射」を追加する形で、より直感的に設定できる。また、COMSOLは「弱連成」と「強連成」のソルバーをユーザーが細かく選択できる点が特徴的だ。

最大の利点は「前処理の速さ」と「専用ライブラリ」だ。IcepakやFlothermは、ヒートシンク、ファン、PCB、ケースなど電子機器の構成部品が「オブジェクト」としてライブラリ化されている。例えば、AlphaNovatechやAavidのヒートシンクカタログ形状を数クリックで配置できる。また、メッシュは非構造格子よりも設定が簡単な直交格子が基本で、複雑な形状も「ブロック」で近似するため、メッシュ作成時間が大幅に短縮される。精度は一般用途のCFDより劣る面もあるが、設計初期の比較検討には圧倒的に効率的だ。

Abaqusは本格的なCFDソルバーではないので、自然対流を「対流熱伝達率（h）」と「周囲温度（T∞）」の組み合わせで近似する必要がある。ここが難しいところで、hは温度や形状で変わる。実務では、過去の実験やCFD結果から相関式を作り、ユーザーサブルーチン（FILM）で表面温度に応じてhを変化させるか、あるいは「熱伝導＋表面からの熱流束」として、CFDで求めた熱流束を読み込んで負荷する方法を取る。Abaqus CFD（以前のFEATool）モジュールを使う選択肢もあるが、専門のCFDソフトに比べると機能は限定的だ。

典型的な初期設定ミスだ。まず疑うのは「放射の設定」と「操作密度」だ。放射をONにしている場合、周囲温度（T∞）が正しく設定されていないと、放射によって周囲（例えば室温20℃）からヒートシンク（発熱体）へ熱が流入するという非物理的な現象が起こりうる。また、ブシネスク近似を使う場合、「操作温度」を周囲温度（例えば40℃）に設定しないと、浮力の計算がおかしくなる。Ansys Fluentなら、Operating ConditionsダイアログでOperating Temperatureを環境温度に設定し直せば解決することが多い。

自然対流ではよくある現象で、物理的な「不安定性」を捉えている可能性がある。現実でも、一定発熱下で自然対流は時間変動することがある。まず、モニタしているポイントの温度変化が、発熱量に対して無視できるレベル（例えば±0.1℃）か確認する。次に、時間平均を取った値を使う。CFD設定では、より高次のスキーム（Second Order Upwindなど）に変更し、メッシュ、特に浮力プルームが発生する領域を細かくする。それでも振動が大きい場合は、非定常解析として捉え、現実的な時間ステップ（例えば0.1秒）で計算し、平均温度を評価するのが正しいアプローチだ。

それは興味深い結果だ。メッシュの問題というより、「流れの剥離」や「境界層の発達」を捉えている可能性が高い。自然対流では、垂直なフィンの下端（エッジ）から流れが発生し、境界層が成長していく。下端付近は境界層が薄く温度勾配が急なため、hは高い。上に行くほど境界層が厚くなりhは低下するはずだ。もしフィン先端（上端）でhが高いなら、フィン上部で流れが剥離・再付着しているか、あるいは隣のフィンからの干渉で複雑な流れが生じている。メッシュが粗すぎてこれを捉えられていない可能性もある。対策としては、フィン表面のy+値を確認し、1以下になるよう境界層メッシュを細かくし、流れのベクトルを可視化して物理的に正しい流れ場か確認することだ。