熱的接触 — CAE用語解説

いや、それは物理現象として正しい可能性が高いよ。2つの固体が接触しても、ミクロに見ると実際に接触しているのは表面粗さの凸部だけで、隙間には空気が挟まっている。この界面での温度ジャンプが「熱的接触」の本質だ。

ギャップコンダクタンス$h_{gap}$ [W/(m2・K)]で定義する。接触面での熱流束は$q = h_{gap}(T_1 - T_2)$だ。$h_{gap}$は表面粗さ、接触面圧、挟まっている媒体で決まる。金属同士の直接接触なら数千〜数万W/(m2・K)、空気ギャップなら数十W/(m2・K)程度だよ。

大きく変わる。面圧が上がると凸部の接触面積が増えて$h_{gap}$が上昇する。ボルト締結部なんかでは、ボルト近傍は面圧が高くて熱がよく通り、ボルト間は面圧が低くて温度差が大きくなる。熱と構造の連成解析が必要なケースだね。

そのとおり。空気の熱伝導率は0.026W/(m・K)だけど、サーマルグリスは1〜10W/(m・K)あるから、隙間を埋めるだけで接触コンダクタンスが一桁以上改善する。解析でもTIM層の厚さとkを正確にモデル化しないと、ジャンクション温度の予測が10〜20℃ズレることもあるよ。

現場では接触コンダクタンスの値を文献から仮設定して、プロトタイプの温度実測で補正するケースが多い。特にパワーモジュールやLED照明の熱設計では接触面が最大のボトルネックになるから、ここの精度を上げることが設計成功のカギだよ。