モード選択
ヒートシンク寸法
解析結果
一時停止中はスライダーを動かすと結果が即座に更新されます。
放熱の可視化 — フィン間を流れる空気が熱を運び去る
フィン温度（根元=高温→先端=低温）
流入空気（低温）
流出空気（加熱）
熱抵抗 vs フィン間隔 & フィン効率 vs フィン高さ
理論・主要公式
フィン効率: $\eta = \dfrac{\tanh(mH)}{mH}$, $m=\sqrt{\dfrac{2h}{kt}}$
総熱抵抗: $R_{th}= \dfrac{1}{\eta N h \cdot 2HL + h \cdot A_{base}}$
フィン付きヒートシンク設計ツールとは
🙋
このシミュレーターで「フィン効率η」って出てきますけど、これって何ですか？フィンが100%効率良く働いてるということ？
🎓
大まかに言うと、フィンの「温度ムラ」を表す指標だね。理想はフィン全体が根元と同じ高温だけど、実際は先端に行くほど冷える。ηはその理想に対する実際の放熱量の割合で、η=1なら全面が均一温度だ。例えば、上の「フィン高さH」のスライダーを大きくしすぎると、ηがガクンと下がるのが見えるよ。長すぎるフィンは先端が全然熱くならず、かえって効率が悪くなるんだ。
🙋
え、そうなんですか！じゃあ「フィン間隔s」はどう決めればいいんですか？ギュウギュウに詰めたほうが放熱面積が増えて良さそうな気がするけど…。
🎓
実務でよくある誤解だね。確かに詰めれば面積は増えるけど、空気の流れが悪くなって「対流熱伝達率h」が下がってしまうんだ。逆に広すぎるとフィン本数が減る。だから熱抵抗Rthが最小になる「最適間隔」がある。このツールのグラフで、sを変えながらRthの動きを確認してみて。自然対流と強制対流で、最適なsが大きく異なるのがわかるよ。
🙋
「空気速度U」を0（自然対流）から増やすと、接合部温度が非常に下がりますね！現場ではどう使い分けてるんですか？
🎓
その通り！Uを変えると熱伝達率hが変わり、全ての計算結果が大きく変わる。現場では、ファンが使えない静粛なオーディオ機器は自然対流（U=0）、ノートPCのCPU冷却のように小型ファンを使う場合は強制対流で設計する。ツール右上で「自然/強制」を切り替えて、最適なフィン間隔や必要なフィン高さがどう変わるか、実際にパラメータを動かして体感してみて。
よくある質問
ηが低い場合、フィンが高すぎるか薄すぎる可能性があります。フィン高さHを低くする、または厚さtを増やすことでmH値を下げ、ηを改善できます。また、熱伝導率kの高い材質（銅など）への変更も有効です。
自然対流モードでは、最適フィン間隔が広くなり、フィン高さを抑えた設計が適します。強制対流モードでは、フィン間隔を狭く・高さを高くすることで放熱性能を最大化できます。モード切替で両条件の最適解を比較できます。
接合部温度上昇を確認するには、熱抵抗Rthに加えて、半導体デバイスの消費電力Q（W）と周囲温度Ta（℃）を入力してください。接合部温度Tj = Ta + Rth × Q で即時計算されます。
最適間隔は、対流熱伝達率hとフィン形状から流体力学に基づき自動計算されます。極端に狭い場合は、強制対流が想定されていないか、フィン高さが過大です。自然対流に切り替えるか、フィン高さを下げて再計算してください。
実世界での応用
パソコン・サーバーのCPU冷却：高発熱のCPUにはアルミニウムや銅製のヒートシンクが必須です。強制対流（ファン）を用いて小型化しつつ、ツールで最適なフィン間隔と高さを設計します。熱負荷Qと許容温度から必要なRthを逆算する設計プロセスで使われます。
LED照明の放熱：高輝度LEDは発熱により寿命や効率が低下するため、放熱が重要です。自然対流が主流のため、フィン間隔を広め（6-10mm）に取り、フィン効率ηを高く保つ設計が求められます。ツールでフィン高さHと効率ηの関係を確認できます。
パワーエレクトロニクス（インバーター・電源）：IGBTやダイオードなどのパワーデバイスは大電流を扱うため発熱が大きく、ヒートシンクのサイズが装置全体の大きさを決めます。強制空冷と自然空冷の選択や、フィン形状の最適化に本ツールのような計算が活用されます。
オーディオアンプの放熱：高級オーディオアンプはファン騒音を嫌い、大きなアルミニウムのヒートシンクを外装として用いた自然空冷が一般的です。美的デザインと放熱性能の両立のために、フィン形状と熱伝導率kの影響をシミュレーションで事前検討します。
よくある誤解と注意点
まず、「熱伝導率kの高い材料を選べば万事解決」という考えは危険です。確かに銅(k≈400 W/mK)はアルミ(k≈200 W/mK)より優れていますが、コストや重量が2倍以上になります。重要なのは「熱抵抗Rth」というシステム全体の性能。例えば、アルミ製でフィン効率η=0.8の設計と、高価な銅製でもη=0.5の設計では、アルミの方が優れる場合があります。材料選択は、コスト、重量、加工性と総合的に判断しましょう。
次に、「強制対流ならフィンはとにかく詰めればいい」という誤解。確かにファンの風速Uが十分大きければ、狭い間隔(s=1mmなど)も有効です。しかし、現場ではファン性能のバラつきや、フィン間にほこりが詰まる「目詰まり」が大問題。例えば、長期間運用する産業機器では、計算上の最適間隔より1.5〜2倍広く設計し、信頼性を確保するのが常套手段です。
最後に、ツールで計算する「接合部温度」はあくまで理想値だという点。実際には、ヒートシンクと発熱体の接触面に「接触熱抵抗」が必ず発生します。例えば、表面の凹凸や締め付け力不足で、計算値より10℃〜30℃も高くなることが珍しくありません。シミュレーション後は、サーモグラフィや実測で温度を検証するフェーズが不可欠です。