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熱解析ツール

ヒートシンク設計計算機
電子冷却・ジャンクション温度

電子部品のジャンクション温度をフィンアレイ熱抵抗でリアルタイム計算。自然対流・強制空冷を切り替え、Bar-Cohen最適フィンピッチとフィン数最適化曲線を可視化します。

パラメータ設定
発熱量 P_d
W
デバイス熱抵抗 θ_JC
K/W
デバイスのデータシート値
周囲温度 T_a
°C
定格 T_j max
°C
材質
冷却方式
フィン数 N
フィン高さ H
mm
フィン長さ L
mm
ベース幅 W
mm
フィン厚さ t_f
mm
TIM熱伝導率 k_TIM
W/mK
TIM 厚さ
μm
定格温度超過!T_j が T_j_max を超えています。
フィンピッチが最適値より小さすぎます(S < 0.5×S_opt)
計算結果
T_j ジャンクション
°C
T_case ケース
°C
T_sink ヒートシンク
°C
R_total
K/W
R_sa ヒートシンク
K/W
h_eff 熱伝達係数
W/m²K
S_opt (Bar-Cohen)
mm
温度余裕
K
T_j vs フィン数 N(最適化曲線)
熱抵抗内訳
理論・主要公式

$$R_{th,total} = R_{jc} + R_{cs} + R_{sa}$$

総熱抵抗(K/W):接合-ケース $R_{jc}$、ケース-ヒートシンク $R_{cs}$、ヒートシンク-空気 $R_{sa}$ の直列和。

$$R_{sa} = \frac{\Delta T}{P} = \frac{1}{h A_{fin}}$$

ヒートシンク熱抵抗(K/W):$h$ は対流熱伝達率(W/m²K)、$A_{fin}$ はフィン表面積(m²)。

$$T_j = T_{amb} + P \cdot R_{th,total}$$

接合温度(°C):最大定格 $T_{j,max}$ 以下に抑えることが設計基準。

ヒートシンク熱設計とは

🙋
ヒートシンクって、ただの金属の板がたくさん付いたものに見えますけど、どうやって設計するんですか?
🎓
大まかに言うと、電子部品の「熱」を効率よく空気に逃がすための「熱の通り道」を設計するんだ。このシミュレーターで、左側の「発熱量 P_d」や「フィン高さ H」のスライダーを動かしてみて。右のグラフでジャンクション温度がどう変わるか、すぐにわかるよ。
🙋
え、フィンを増やせば増やすほど冷えるのではないんですか?グラフを見ると、あるところから温度が下がらなくなってます。
🎓
鋭いね!実務でよくある勘違いだよ。フィンが多すぎると隙間が狭くなって空気の流れが悪くなるんだ。これが「最適フィンピッチ」の考え方。上の「冷却方式」を自然対流と強制空冷で切り替えてみて。推奨されるフィン同士の間隔が変わるのがわかるはずだ。
🙋
「材質」をアルミから銅に変えると、すごく温度が下がりますね!でも銅って高いし重いですよね?現場ではどうやって決めてるんですか?
🎓
その通り。コスト、重量、加工性とのトレードオフだ。例えば自動車のECU(エンジン制御ユニット)では、発熱量とエンジンルーム内の狭い空間を考えて、アルミニウム合金が選ばれることが多いね。このツールで材質を変えながら、目標温度をクリアする最小コストの設計を探してみよう。

よくある質問

画面上の冷却方式選択ボタンで切り替え可能です。自然対流はファンなし、強制空冷は風速を入力して計算します。切り替えると、フィンアレイ熱抵抗や最適フィンピッチの計算式が自動で変わり、結果がリアルタイム更新されます。
自然対流において、フィン間隔を狭めすぎると空気の流れが妨げられ、広げすぎると放熱面積が減るため、最も熱抵抗が低くなる最適なフィンピッチをBar-Cohenの理論式で算出します。ツール上でその値が自動表示され、グラフで最適点を確認できます。
まず発熱量を減らせないか確認し、次にヒートシンクのサイズやフィン枚数を増やす、強制空冷に切り替える、または熱伝導シートの熱抵抗(Rcs)を低減する方法があります。ツールで各パラメータを変更しながらリアルタイムに温度変化を確認できます。
CPU、パワートランジスタ、LEDモジュールなど、ヒートシンクに取り付ける発熱部品全般に適用可能です。ただし、部品のジャンクション-ケース間熱抵抗(Rjc)とケース-ヒートシンク間熱抵抗(Rcs)の値を正しく入力する必要があります。

実世界での応用

パワーエレクトロニクス(インバータ/コンバータ):電気自動車のモーター駆動用インバータや、太陽光発電のパワーコンディショナーでは、大電流を扱う半導体(SiC, GaN)から発生する大きな熱を、限られたスペースで確実に冷却する必要があります。ヒートシンクと冷却ファンの最適組み合わせ設計に本ツールの考え方が応用されます。

CPU/GPU冷却(パソコン・サーバー):高性能コンピューティングでは、クロック周波数向上に伴う発熱密度の増大が課題です。ヒートシンクのフィン形状(ピッチ、高さ)と熱管(ヒートパイプ)を組み合わせた複合冷却モジュールの基礎設計段階で、熱抵抗ネットワークモデルが使われます。

LED照明器具:高輝度LEDは発光効率が向上しても、ジャンクション温度が上昇すると寿命が大幅に短縮されます。照明器具のデザイン(放熱フィンの形状)とLEDの寿命保証を両立させるために、自然対流を前提としたヒートシンクの熱抵抗計算が不可欠です。

産業用制御盤:工場の制御盤内にはサーボアンプやPLCなど発熱する機器が密集します。盤内の温度上昇を抑え、故障を防ぐための換気設計や、個別機器へのヒートシンク取り付け検討に、強制空冷条件での熱計算が活用されています。

よくある誤解と注意点

「フィン数を増やせば必ず冷却性能が向上する」と思いがちですが、実際はフィン間隔が狭くなりすぎると空気の流れが阻害され、特に自然対流では熱抵抗が逆に増加します。Bar-Cohen最適フィンピッチ理論では、フィン間の境界層が干渉しない適切な間隔が重要であり、単純な増設は逆効果になる点に注意が必要です。

「強制空冷なら風速を上げればどこまでも冷却できる」と思いがちですが、実際は風速増加による熱抵抗低減には限界があり、ファン騒音や消費電力とのトレードオフが生じます。また、実機ではフィン後流の乱れやフィン根元の熱伝達率低下など、理想的な一様流れとは異なる現象が発生するため、シミュレーション値と実測値が乖離する可能性がある点に注意が必要です。

「ジャンクション温度の計算はケース温度さえ正確なら十分」と思いがちですが、実際はパッケージ内部の熱抵抗(θjc)や実装基板への熱拡散、さらにはTIM(熱界面材料)の経年劣化や塗布ムラも影響します。特に高発熱密度デバイスでは、接触熱抵抗が全体の30%以上を占めるケースもあり、シミュレーションではこれらの非理想要素を過小評価しないよう注意が必要です。