1つの式でヒートシンクを選定：ワット数、周囲温度、ケース温度から必要な熱抵抗を算出。実例付き。BQUQ（ISO9001、Dongguan）は12時間以内に見積もりを提供します。
ヒートシンクの選定：電力バジェットのための熱計算の実例
ヒートシンクの選定は、1つの数値から逆算して行います。それは、デバイスのケースと周囲空気の間に許容される最大熱抵抗です。必要なヒートシンク対空気熱抵抗は、（最大ケース温度から最悪時の周囲温度を引いた値）を消費電力で割り、ケースとヒートシンク間の接触熱抵抗を差し引いた値に等しくなります。このバジェットが2.5 K/Wと算出された場合、使用するエアフローにおいて2.5 K/W以下の定格を持つヒートシンクが必要です。それ以外の方法は、エンジニアリングの体裁を整えた推測に過ぎません。
この計算は、実際の周囲温度、実際のエアフロー、実際の接触材といった現実と向き合う必要があるため、意図的にシンプルにしています。このガイドでは、ワット数から最終的な部品番号に至るまでの選定作業を、お客様ご自身のバジェットに適用できる代表的な値とともに説明します。
すべてのヒートシンクの背後にある単一の式
すべてのヒートシンク問題は、熱源と空気の間に直列に積み重なった一連の熱抵抗として捉えることができます。ジャンクション対ケースはコンポーネントのパッケージによって決まります。ケース対ヒートシンクは、使用する接触材と実装方法によって決まります。ヒートシンク対空気のみが、購入によって選択できる項であり、これがヒートシンクそのものです。
必要なヒートシンク対空気熱抵抗: Rth(sa) = (Tcase,max − Tamb,max) / P − Rth(interface)
言葉で説明すると、コンポーネントのケースが到達し得る最も高い温度を取り、製品がさらされる最も高い空気温度を引き、最悪時の電力で割ります。そして、接触熱抵抗を差し引いた後に残る値が、許容できる最大のヒートシンク熱抵抗です。
| 熱経路 | 代表的な値 | 備考 |
|---|---|---|
| TO-220 ジャンクション→ケース | 2.5–4 K/W | 古くからある標準パッケージ、適切なヒートシンクが必要 |
| TO-247 ジャンクション→ケース | 0.3–0.6 K/W | 大型タブ、MOSFETやダイオードに一般的 |
| パワーLED ジャンクション→はんだ接合部 | 1–3 K/W | ダイサイズと基板による |
| IGBTモジュール ジャンクション→ベースプレート | 0.1–0.3 K/W | 広いDBC基板が熱を効果的に拡散 |
| グリース、25 × 25 mm 接触面 | 0.1–0.3 K/W | 薄いボンドライン、費用対効果が最も高い |
| シリコーンパッド、25 × 25 mm | 0.4–1.0 K/W | 組み立てが容易、熱抵抗は高め |
| 接触材なし（金属同士の乾式接触） | 0.5–1.5 K/W | 空気層が支配的。量産では避けること |
重要なポイント: 接触部の熱抵抗は無視できないことがほとんどです。25 Wを消費するTO-247の場合、接触部の0.1 K/Wごとにケース温度が2.5 °C上昇します。つまり、冷却システムの中で最も安価な部品が、改善による効果が最も大きいことが多いのです。熱抵抗の詳細については、ヒートシンク熱抵抗ガイドをご覧ください。
計算例：自然空冷下での25 W MOSFETの選定
最悪時に25 Wを消費するTO-247 MOSFETを例にとります。製品は屋内で使用されるため、最悪時の周囲温度は50 °Cとします。データシートではジャンクション温度150 °Cが許容され、パッケージのジャンクション対ケース熱抵抗は0.4 K/Wです。グリースの接触熱抵抗は0.3 K/Wを計画します。ヒートシンクが限界ぎりぎりにならないよう、20%の電力マージンを見込みます。
ステップ 1 — ジャンクション温度バジェット: (150 − 50) °C = ジャンクションから空気まで合計100 K。ステップ 2 — マージン込みの設計電力: 25 W × 1.2 = 30 W。ステップ 3 — 許容される合計熱抵抗: 100 K / 30 W = 3.33 K/W。ステップ 4 — パッケージと接触部の熱抵抗を差し引く: 3.33 − 0.4 − 0.3 = 自然対流におけるヒートシンクの熱抵抗は2.63 K/W。
| バジェット項目 | 値 | ヒートシンクに残された許容値 |
|---|---|---|
| 最大ジャンクション温度 − 周囲温度 | 100 K | — |
| 設計電力 (25 W × 1.2 マージン) | 30 W | — |
| 合計 Rth ジャンクション→空気 | 100/30 = 3.33 K/W | 3.33 K/W |
| ジャンクション→ケース (TO-247) | 0.40 K/W | 2.93 K/W |
| グリース接触部 | 0.30 K/W | 2.63 K/W |
| 必要なヒートシンク→空気 Rth | ≤ 2.63 K/W | 目標値 |
重要なポイント: これでヒートシンクの目標値が決まりました — 静止空気中で2.63 K/Wです。形状はまだ決まっていませんが、サプライヤーとの会話はすべて「適当なサイズのもの」ではなく、この数値から始まります。
バジェットを実際のヒートシンクへ
ヒートシンク対空気熱抵抗は、露出面積、対流熱伝達率、フィン効率によって決まります。簡単な現実確認には Q = h × A × ΔT を使用します: 50 K上昇で30 Wの場合、おおよそ h × A = 0.6 W/K が必要です。実効熱伝達率が約10 W/m²·K（黒色アルマイト処理された垂直フィンアレイの自然空冷、放射を含む場合の代表値）であれば、約0.06 m²の濡れ面積（フィン表面積）が必要です。100 × 75 mmのベースに高さ約35 mmのフィンを8〜10枚設ければ、この条件を満たせます。
| 冷却方式 | 代表的な対流熱伝達率 | 50 K上昇で約30 Wを処理するための実用的なヒートシンクサイズ |
|---|---|---|
| 自然対流、アルミ裸材 | 5–8 W/m²·K | 大型: 150 × 100 × 40 mm 以上 |
| 自然対流、黒色アルマイト処理 | 9–14 W/m²·K | 中程度: 100 × 75 × 40 mm クラス |
| 強制空冷 1–2 m/s | 15–40 W/m²·K | 小型: 75 × 60 × 25 mm + 40–60 mmファン |
| 強制空冷 3–5 m/s、ダクト付き | 40–90 W/m²·K | コンパクト: 60 × 50 × 20 mm ピンフィン |
重要なポイント: パッシブ設計において放射は装飾ではありません。黒色アルマイト処理は、自然空冷下で実効面積を約30〜50%増加させる価値があり、そのためほとんどすべてのパッシブヒートシンクは暗色です。自然対流用ヒートシンクが筐体に収まらない場合、誠実な選択肢は小型ファンの追加か、パワーステージの再設計であり、収まらなくなった背の高いフィンスタックを無理に使うことではありません。
多くの計算で見落とされがちなディレーティング要因
この式は、清浄な垂直フィン、海抜ゼロメートル、障害物のないヒートシンク、ベース全体を覆う熱源を前提としています。実際の製品はこれら4つの前提すべてに反することが多いため、部品番号を確定する前に係数を適用してください。
| 条件 | 代表的なペナルティ | 対策 |
|---|---|---|
| フィンが垂直ではなく水平 | 自然対流が−20–30% | ヒートシンクまたは製品を回転させる |
| 熱源がベース面積の約25%未満 | 熱拡散により−10–30% | ベースを厚くするか、ヒートスプレッダを追加 |
| 標高 1,500 m | 空気密度の影響で−5–10% | ヒートシンクを大型化 |
| 標高 3,000 m | 空気密度の影響で−10–20% | 大型化またはエアフロー追加 |
| ヒートシンクが筐体壁から10 mm以内 | エアフローが阻害され−10–25% | フィンピッチ以上のクリアランスを確保 |
| ダクトなしファンによるダクト空冷 | 再循環により−10–25% | シュラウドまたはダクトを追加 |
重要なポイント: すべての製品にすべてのペナルティを適用するのではなく、該当するものだけを適用してください。密閉された屋外筐体に水平に取り付けられたLEDドライバは、3つのペナルティを同時に受ける可能性があります。一方、換気された屋内ユニットに垂直に取り付けられた基板は、ペナルティを受けません。迷った場合は、最悪の組み合わせで計算し、最初の試作品で熱電対を使って確認してください。
計算から部品番号へ
バジェットとディレーティングが確定したら、形状の選択はカタログ作業です。公開または測定された自然対流熱抵抗が目標値を満たすプロファイルを選択し、ベースを指定寸法に切断、フライス加工による平坦化、穴あけ、仕上げが可能であることを確認します。ここで、押出ヒートシンクとCNC機械加工ヒートシンクの両方を手掛ける製造工場が役立ちます。押出は標準プロファイルの量産に優れ、機械加工はベースにポケット、取り付けボス、または金型では実現できない厳しい平坦度が必要な場合に優れています。ワット数、周囲温度範囲、ケース温度制限、エアフロー（または「静止空気」）、および筐体の制約を一緒に送ってください。これらの5つの入力があれば、工場は1回のパスでヒートシンクのサイズ決定と価格見積もりを行うことができます。この計算からリリースされた部品番号に至るまでの残りのプロセスについては、当社の8ステップのヒートシンク選定ワークフローをご覧ください。
よくある質問
Q: ヒートシンクのサイズを決めるにはどの式を使いますか？
A: 必要なヒートシンク対空気熱抵抗は、（最大ケース温度 − 最大周囲温度）を消費電力で割り、接触熱抵抗を差し引いた値に等しくなります。次に、使用するエアフローにおける定格熱抵抗が、このバジェット以下であるヒートシンクを選択します。重要なのは、最悪の条件下でこの不等式を満たすことです。
Q: 自然対流用ヒートシンクの適切な熱抵抗はどのくらいですか？
A: 100 × 75 × 40 mm程度の中型押出アルミニウムヒートシンクは、黒色アルマイト処理された場合、静止空気中で通常2〜3 K/Wです。より大型またはフィン付きのプロファイルでは1〜1.5 K/Wに達します。ファンなしで約1 K/Wを下回ると、ヒートシンクは非現実的な大きさになり、強制空冷への移行点となります。
Q: サイズ決定時にどのくらいの電力マージンを追加すべきですか？
A: 測定された最悪時の消費電力に加えて15〜30%のマージンを使用し、さらに向き、標高、筐体による閉塞のディレーティングを加えます。マージンは図面段階では安価ですが、筐体、PCB、熱対策がすべて確定した後では非常に高価になります。
Q: 計算に接触材を本当に含める必要がありますか？
A: はい。金属同士の乾式接触は0.5〜1.5 K/Wを追加する可能性があり、25 Wのデバイスではケース温度が12〜37 °C上昇します。グリースや相変化パッドは通常0.1〜0.5 K/Wで、熱経路全体の中で最も低コストな性能向上策です。
Q: 試作品が計算値よりも高温になるのはなぜですか？
A: 通常は次の4つの原因のいずれかです：熱源が小さくベースでの熱拡散が不十分、フィンが垂直でない、ヒートシンクが筐体壁に近すぎる、または実際の周囲温度が想定よりも高い。複数の負荷で熱電対を使用してケース温度を測定し、バジェットの項目ごとに比較してください。
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- ヒートシンク熱抵抗ガイド — BQUQ 熱管理エンジニアリングシリーズより。
- ヒートシンク選定ワークフロー — BQUQ 熱管理エンジニアリングシリーズより。
- ヒートシンクフィン設計ガイドライン — BQUQ 熱管理エンジニアリングシリーズより。
関連リソース
- BQUQについて: Dongguanに拠点を置き、1つの屋根の下で4つの生産ラインを運営するISO9001認証工場です。
- ヒートシンクおよび熱部品: 熱管理ラインからの押出、CNC機械加工、プレス加工オプション — 押出ヒートシンク、CNC機械加工ヒートシンク、プレス加工ヒートシンク。
- 業界動向: バイヤー向けの製造、材料市場、調達分析。
- 技術記事: エンジニアリングガイドとプロセス比較 — この記事の他にも多数掲載。
- FAQハブ: CNC、プレス加工、ばね、ヒートシンクに関する簡単な回答。
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