ヒートシンク熱抵抗：計算式とその使い方

Nov 11,2024

ヒートシンクの熱抵抗：必要な値の計算方法

簡潔な回答：熱抵抗 R = ΔT / Q です。ここで、ΔT は許容する温度上昇（K または °C）、Q は移動させる熱量（ワット）です。周囲温度より50 °C高い動作が許容される25 Wのモジュールには、約2 K/W以下のヒートシンクが必要です。おおよその目安：自然対流では毎平方メートル・毎度あたり5〜10 W、強制空冷では25〜100 Wを移動できます。つまり、その25 Wのヒートシンクには、自然空冷で約0.06 m²の露出表面積が必要であり、ファンを使用すればその半分以下になります。ワット数、温度、気流を送ってください。フィンの形状はそれに続きます。

すべてのヒートシンクに関する問題は、最終的には数学の問題になります。そして、人々が混同する2つのこと、すなわち「熱量がどれだけあるか」と「温度がどれだけ上がってもよいか」を分離すれば、その計算は驚くほど簡単です。熱抵抗はこれらを結び付けます。このガイドでは、実際の数値を使って計算を実行し、工場に何を伝えれば、見積もりが本当に必要なヒートシンクになるかを説明します。

そもそも熱抵抗とは何か？

熱抵抗とは、1ワットの熱あたりの温度上昇であり、ケルビン毎ワット（K/W）で測定されます（°C/Wと同じスケール）。これは電気抵抗の熱版と考えてください。熱は電流、温度差は電圧、ヒートシンクは抵抗器です。2 K/Wのヒートシンクが25 Wで動作する場合、周囲より50 °C上昇します。抵抗を1 K/Wに減らすと、同じ25 Wでも上昇はわずか25 °Cになります。

熱は一連の抵抗の連鎖を通って流れます。コンポーネント内部のジャンクションからケースへ、熱伝導シートを通ってケースからヒートシンクへ、そしてヒートシンクから空気へ。ヒートシンクの購入と設計において重要となる数値は、ヒートシンクから周囲への熱抵抗、Rth(s-a)です。これは、形状と気流によって実際に制御できる抵抗です。

記号	意味	代表的な単位
Q	コンポーネントが放散する熱量	W
T_max	許容される最大コンポーネント/ケース温度	°C
T_amb	周囲空気温度	°C
ΔT	許容温度上昇 (T_max − T_amb)	K または °C
Rth(s-a)	熱抵抗、ヒートシンクから周囲へ	K/W
h	空気側の対流熱伝達率	W/m²·K
A	ヒートシンクの総露出表面積	m²

必要な熱抵抗はどう計算するのか？

計算式は R = ΔT / Q です。3つのステップだけです。まず、コンポーネントが到達してもよい最大温度を決定します。これは希望的観測ではなく、データシートのディレーティング曲線から決定します。次に、製品が使用中にさらされる可能性のある最悪の周囲温度を差し引きます。この差が、あなたの総温度予算です。3番目に、それをワット単位の熱負荷で割ります。結果は、ジャンクションから周囲まで許容される最大総熱抵抗です。

ちょっと待ってください。簡単にスキップできて、そして痛い目を見るステップが1つあります。今計算した予算は、チェーン全体（ジャンクションからケース、熱伝導シート、ヒートシンク）をカバーしています。実際のモジュールでは、熱がヒートシンクに到達する前に1〜2 K/Wを消費する可能性があります。データシートによるとジャンクションが周囲より60 °C高くなってもよく、内部チェーンがそのうち15 °Cを消費する場合、ヒートシンクが使えるのは45 °Cだけです。既知の内部抵抗を最初に差し引き、その残りに基づいてヒートシンクをサイズ決定します。

計算例：25 Wモジュール用ヒートシンクのサイズ決定

周囲温度が35 °Cになる可能性のある筐体内で25 Wを放散するパワーモジュールを例にとります。データシートでは、ケース温度は85 °Cまで許容されています。予算：85 − 35 = 50 °C。適切な熱伝導パッドが約0.5 K/Wの接触抵抗を追加すると仮定すると、モジュールのケースから空気までのチェーンはすでに予算の0.5 × 25 = 12.5 °Cを使用しており、ヒートシンク自体には約37 °Cが残ります。したがって、ヒートシンクは約37 / 25 ≈ 1.5 K/W以下である必要があります。

次に、表面積を大まかに見積もります。静止空気中の自然対流は、毎平方メートル・毎ケルビンあたり約5〜10 Wを移動させます。中間値として h = 8 W/m²·K を採用します：A = Q / (h × ΔT) = 25 / (8 × 37) ≈ 0.084 m² の総フィン表面積。これは実際の押出形材ヒートシンクであり、一般的なフィンを備えた幅約60 mm、高さ60 mm、長さ40 mmのごく普通の部品です。

ステップ	計算	結果
1. 温度予算	85 °C − 35 °C	50 K
2. 熱伝導パッドの消費	0.5 K/W × 25 W	12.5 K
3. ヒートシンクに残る予算	50 − 12.5	37.5 K
4. 必要な Rth(s-a)	37.5 / 25	≈ 1.5 K/W
5. h = 8 での表面積	25 / (8 × 37.5)	≈ 0.083 m²

ファンを取り付けると、状況は完全に変わります。2〜3 m/sの強制空冷では、対流熱伝達率は25〜100 W/m²·Kの範囲に上昇します。h = 50 では、同じ25 Wに必要な表面積はわずか25 / (50 × 37.5) ≈ 0.013 m² となり、ヒートシンクは80%以上縮小します。これこそが、すべての電源装置にファンが付いている理由です。

どのような気流の仮定を使用すべきか？

対流熱伝達率は、サイズ決定が成功するか失敗するかの分かれ目であり、人々が推測する数値です。出発点として次の代表的な値を使用し、その後で形状によって確認させてください：

冷却モード	代表的な h (W/m²·K)	備考
自然対流、静止空気	5–10	煙突効果を最大にするため、フィンは垂直に立てるべき
弱い強制空冷、約1 m/s	10–25	小型ファン、いくつかのバッフル
中程度の強制空冷、2〜3 m/s	25–60	フィンパック上の標準的な軸流ファン
強い強制空冷、5 m/s以上	60–100	ダクト流、高圧ブロワー

実用的な注意点が3つあります。自然対流は水平なフィンを嫌います。熱い空気がフィンの間を上昇できないため、性能は垂直フィンと比較して20〜40%低下します。放射は、教科書が認める以上に黒色アルマイト処理されたヒートシンクにとって重要です。電子機器の一般的な温度では、およそ5〜7 W/m²·K相当が追加されるため、アルマイト処理は単なる見た目の問題ではありません。そして、データシートのh値は、清潔で障害物のない気流を前提としています。通気口のない密閉ボックスでは、自然対流の数値は単純に適用できません。

CADファイルの代わりに工場へ何を送るべきか？

工場はあなたが描いたどんな形状でも加工できます。適切なフィンを設計するために実際に必要なのは、熱仕様です。すなわち、ワット単位の熱負荷、許容最大温度、最悪の周囲温度、強制の場合の気流モードと速度、確保できるスペース、そしてヒートシンクの取り付け方法です。目標とする Rth(s-a) がすでにわかっている場合は、それも送ってください。それが最も有用な数値です。

入力項目	重要な理由
熱負荷 (W)	すべてのサイズを決定します
最大コンポーネント/ケース温度 (°C)	温度予算を決定します
周囲温度 (°C)	代表値ではなく、最悪のケース
気流 (自然 / m/s)	h を選択し、面積を5〜10倍変えます
スペース (L×W×H)	フィンの長さと枚数を決定します
取り付け方法とコンポーネントのフットプリント	ベース厚、穴パターン、スプレッダーレイアウト

これらの入力があれば、熱拡散用のベース厚を決定し、お客様の気流に合わせてフィンピッチを選択し、製造プロセスを選定します。薄くて密度の高いフィンは押出加工またはスカイビングを、試作品や複雑な形状には CNC機械加工ヒートシンクを、大量生産の折りたたみパックにはプレス加工を選びます。お客様の数量でどのプロセスが最適かは、ヒートシンクタイプガイドで説明しています。合金の選択は、6063対6061の比較で決定できます。いずれにせよ、数値を sc@bquq.com または WhatsApp +86 13713157787 までお送りください。営業日12時間以内に見積もりが返ってきます。

よくある質問

ヒートシンクの熱抵抗はどう計算しますか？

A: R = ΔT / Q です。許容温度上昇（最大コンポーネント温度から周囲温度を引いた値）をワット単位の熱負荷で割ります。最初にジャンクションからケース、熱伝導パッドなどの内部抵抗を差し引き、残った予算に基づいてヒートシンクをサイズ決定します。

ヒートシンクの適切な熱抵抗はどれくらいですか？

A: 普遍的な数値はありません。10〜50 Wのデバイス用の一般的な押出アルミニウムヒートシンクは、0.5〜3 K/Wの範囲に収まります。温度予算から逆算します：20 Wで周囲より40 °C上昇を抑える必要がある場合、2 K/W以下が必要です。

ヒートシンクにはどのくらいの表面積が必要ですか？

A: 自然対流（h = 5〜10 W/m²·K）の場合、40 Kの上昇に対して10 Wあたり約0.02〜0.04 m²です。2〜3 m/sの強制空冷では、必要な面積が5〜10分の1に削減されます。

アルマイト処理はヒートシンクの性能を向上させますか？

A: わずかに向上します。コーティングは放射を追加し、電子機器の温度ではおよそ5〜7 W/m²·Kに相当しますが、厚いハードコートは断熱材になります。薄い装飾用アルマイトが通常の妥協点であり、表面も保護します。

ヒートシンクを小さくしすぎるとどうなりますか？

A: コンポーネントはデータシートで許容される温度よりも高温で動作し、出力はディレーティングされ、寿命は短くなります。10 °C上昇するごとに、電解コンデンサの寿命はおよそ半分になり、半導体にストレスがかかります。大きくしすぎると数グラムのアルミニウムが余分にかかるだけですが、小さくしすぎるとフィールド障害が発生します。

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