- 科目
- 熱力学
- 章
- 伝熱の入口
- 図番
- 14 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
ファンを付けると、ヒートシンクは 5分の1 ですむ熱抵抗と放熱(対流)
温度の上がりは、熱の流れ × 熱抵抗(電気の V = IR と同じ形)。10 W の素子を、熱抵抗 合計 4.0 K/W で冷やすと 40 K 上がり、周り 40℃ なら素子の中は 80℃。空気へ逃がす熱抵抗は 1/(hA) なので、ファンで熱伝達率を 5倍にすれば、放熱面は 5分の1 ですむ。

このページの内容
この単元のポイント
- 温度の上がりは、熱の流れ × 熱抵抗(電気の V = IR と同じ形)。10 W の熱を、熱抵抗 合計 4.0 K/W で逃がすと 40 K 上がり、周り 40℃ なら素子の中は 80℃。
- ヒートシンクから空気へ逃がす熱抵抗は 。自然の空気( ≈ 10、目安)で放熱面 400 cm² なら 2.5 K/W で、合計の 6割強を占める。面積を半分にすると 5.0 K/W になり、素子は 105℃。
- ファンで風を当てると ≈ 50(目安)。同じ 80℃ を、5分の1 の 80 cm² の放熱面で保てる。
モータドライバは、なぜ熱くなる?
ロボットや電動の台車では、モータに流す電流を、トランジスタで入れたり切ったりして調節します。この回路をモータドライバといいます。
トランジスタには、電流が流れるときに少しだけ抵抗があります。その分の電気は、熱になります。大きな電流を流すと、1個で 10 W ほどの熱が出ることもあります。
トランジスタの中の、電流を入れたり切ったりする部分を接合部といいます。接合部の温度には上限があります。たとえば、Infineon のトランジスタ IRF540N のデータシートでは 175℃ です。これを越えると、素子が壊れます。
予想してから読む10 W の熱が出るトランジスタを、ヒートシンクを付けずに 40℃ の空気の中で使う。接合部の温度は?(データシートの、接合部から周りの空気までの熱抵抗は 62 K/W)
公式はこれ
熱伝導(断熱材と壁) の単元で、壁を通る熱の流れを「落差 ÷ 流れにくさ」で読みました。これを、温度の上がりについて解きます。
熱は、接合部からケース(素子の外の殻)へ、ケースからシートを通ってヒートシンクへ、ヒートシンクから周りの空気へと、順に流れます。3つの熱抵抗を直列に通るので、足し算です。
| 記号 | 意味 | この単元の素子で |
|---|---|---|
| 素子の発熱(毎秒流れる熱) | 10 W | |
| 素子の中の熱抵抗(接合部 → ケース) | 1.0 K/W(例) | |
| シートの熱抵抗(ケース → ヒートシンク) | 0.5 K/W(例) | |
| 空気へ逃がす熱抵抗(ヒートシンク → 空気) | 2.5 K/W | |
| 周りの空気の温度 | 40℃ |
合計は 。上がりは で、接合部は です。
1.0 と 0.5 は、この単元で決めた例の値です。IRF540N のデータシートでは、接合部 → ケースが 1.15 K/W(最大)、ケース → ヒートシンクが 0.50 K/W(平らな面にグリースを塗ったとき)です。
電気回路と並べて読む
流れる量 = 落差 ÷ 流れにくさ
電気では、電流 = 電圧 ÷ 抵抗。熱では、熱の流れ = 温度差 ÷ 熱抵抗。
| 電気回路 | 熱の通り道 |
|---|---|
| 電圧 V [V] | 温度差 ΔT [K] |
| 電流 I [A] | 熱の流れ P [W] |
| 抵抗 R [Ω] | 熱抵抗 R [K/W] |
| 直列の抵抗は足し算 | 直列の熱抵抗は足し算 |
電気回路の オームの法則とキルヒホッフの法則準備中 で、直列の抵抗の両端の電圧が、抵抗の比で分かれるのと同じです。温度の上がりも、熱抵抗の比で分かれます。この単元の素子では、40 K の上がりのうち、10 K が素子の中、5 K がシート、25 K がヒートシンクから空気までです。
空気へ逃がす熱抵抗
ヒートシンクの表面に触れた空気は、温まって軽くなり、上へのぼります。そこへ、下から冷たい空気が入ってきます。空気が動いて熱を運ぶ伝わり方を、対流といいます。
表面から空気へ流れる熱は、表面と空気の温度差と、表面の面積 に比例します。比例の係数 を熱伝達率といいます。
熱伝達率は、空気の動き方で大きく変わります。この単元では、自然にのぼる空気で ≈ 10、ファンで風を当てて ≈ 50 W/(m²·K) とします(どちらも目安。ひれの形や風の速さで、何倍も変わります)。住宅の省エネルギー基準の表では、外壁の室内側の表面は 0.11 m²·K/W(熱伝達率にして約 9)で、自然にのぼる空気の目安と同じくらいです。
自然の空気で、放熱面 400 cm²(0.04 m²)なら、。面積は、ひれの表面も含めたものです。
公式を、かたまりに分けて読む
- 周りの温度 出発点です。箱の中や夏の屋外では、40℃ を超えることもあります。周りが 10 K 上がれば、接合部もそのまま 10 K 上がります。
- 発熱 上がりは発熱に比例します。2倍の熱なら、2倍上がります。
- 素子とシートで決まる分 素子を選んだ時点で決まります。ヒートシンクをどれだけ大きくしても、この 1.5 K/W より下がりません。
- 放熱の工夫で変えられる分 面積を広げるか、ファンで熱伝達率を上げると、小さくなります。
どの数字がいちばん効く?
初期値(10 W・自然の空気・400 cm²・周り 40℃、接合部 80℃)から、1つずつ 10% 変えたときの接合部の温度です。
| 変えるもの | 接合部の温度 | 変化 |
|---|---|---|
| 発熱 を 10% 増やす(11 W) | 84℃ | +4 K |
| 周りの温度を 10% 上げる(44℃) | 84℃ | +4 K |
| 放熱面 を 10% 広げる(440 cm²) | 77.7℃ | −2.3 K |
| 熱伝達率 を 10% 上げる | 77.7℃ | −2.3 K |
放熱面を 10% 広げても、小さくなるのは、合計の熱抵抗のうちヒートシンクの分(2.5 K/W)だけです。だから、発熱を 10% 減らすほうがよく効きます。
ヒートシンクの大きさを決める
接合部を 80℃ に抑えたい、とします。周りが 40℃、発熱が 10 W なら、使える熱抵抗の合計は 。素子とシートで 1.5 K/W を使うので、空気へ逃がす熱抵抗は 2.5 K/W 以下にします。
ファンで を 50 にすると、、つまり 80 cm² です。熱伝達率が 5倍なので、面積は 5分の1 ですみます。
パソコンの部品の冷却に、小さなヒートシンクとファンを組み合わせることが多いのは、このためです。その代わり、ファンが止まると、熱伝達率が下がって、温度が一気に上がります。
動かしてみよう
発熱 のスライダーを動かしてください。下の温度の階段が、空気の 40℃ を足場にして、上へ伸びます。3つの段の高さの比は、熱抵抗の比のままです。
次に、放熱面の面積 を小さくしてください。ひれが短くなり、いちばん右の熱抵抗 と、その段が大きくなります。「ファン」を選ぶと、同じ面積でも段が低くなります。接合部の点が、最高接合温度の線を越えると赤くなります。
「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの温度の上がりを基準にして、何倍になったかが出ます。
試してみよう0 / 3
- 発熱 P を 2倍の 20 W にする。温度の上がり ΔT と、下の温度の階段の高さを見る(まだ)
- 発熱 10 W のまま、放熱面の面積 A を半分の 200 cm² にする。どの熱抵抗が増えたかを見る(まだ)
- 冷やし方を「ファン」にして、放熱面の面積 A を 5分の1 の 80 cm² にする(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 温度の上がり(周りの空気から)
- 素子の中(接合部)の温度
- 素子のケースの温度
- ヒートシンクの温度
- 空気へ逃がす熱抵抗(ヒートシンク → 空気)
- 熱抵抗の合計
途中の計算(導出)を見る
ヒートシンクから空気へ逃がす熱抵抗
熱抵抗の合計(直列なので足し算)
温度の上がり(熱の流れ × 熱抵抗)
素子の中(接合部)の温度
ヒートシンクとケースの温度(空気の側から上がりを足す)
つまり、ものを作るときは
まず、熱抵抗の合計の上限を出す。(接合部の上限 − 周りの温度)÷ 発熱。そこから素子とシートの分を引いた残りが、ヒートシンクに許される熱抵抗です。
上限には余裕を見る。周りの温度は、箱の中や夏の日なたで上がります。熱伝達率も目安でしかありません。
よくある勘違い
「データシートの最大損失 130 W まで使える」
IRF540N のデータシートには、最大損失 130 W と書いてあります。これは、ケースを 25℃ に保てたとき、という条件の値です。接合部 175℃ とケース 25℃ の差 150 K を、接合部 → ケースの 1.15 K/W で割ると、130 W になります。
ケースを 25℃ に保つには、熱抵抗 0 のヒートシンクが要ります。実際には、シートとヒートシンクの熱抵抗が加わるので、使える発熱は、ずっと小さくなります。
| 考え方 | 使える発熱 |
|---|---|
| 最大損失の欄をそのまま読む | |
| ケースを 25℃ に保てたとき(熱抵抗 0 のヒートシンク) | 130 W |
| 周り 25℃、シート 0.50 K/W + ヒートシンク 1.0 K/W を足す | 56.6 W |
「ヒートシンクを大きくすれば、いくらでも冷える」
ヒートシンクをどれだけ大きくしても、素子とシートの熱抵抗(この単元では 1.5 K/W)は残ります。10 W なら、接合部は周りより少なくとも 15 K 高くなります。それより下げたいときは、素子を替える(熱抵抗の小さい素子にする)か、発熱そのものを減らします。
この公式が使える条件
- 温度が時間で変わらない(電源を入れて十分たったあと)。電源を入れた直後は、ヒートシンクが温まるまで、接合部の温度はもっと低い
- 熱伝達率 は、ひれの面全体で同じとする。実際は、ひれの根元から先へ行くほど温度が下がるので、ひれの先は根元ほど熱を逃がさない(ひれの効率)。製品のヒートシンクは、メーカーが測った熱抵抗の値を使う
- 放射(表面から光として出ていく熱)は、熱伝達率の目安に含めて考える
- 熱は、ヒートシンクを通る1本の道だけを流れる(基板や足を通って逃げる分は入れない)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
熱の流れは、どの段でも同じ:温度が時間で変わらないなら、素子にもシートにもヒートシンクにも、熱はたまりません。家計簿で、入ってきた分 = 出ていった分です。だから、接合部で出た熱 が、そのまま3つの段を順に流れます。
段ごとの温度の下がり:どの段も「温度差 = 熱の流れ × 熱抵抗」です。
足し合わせる:3つを足すと、途中の と が消えます。
空気へ逃がす熱抵抗:表面から空気へ流れる熱は (ニュートンの冷却の法則と呼ばれる、実験で確かめられた決まり)。温度差について解くと なので、熱抵抗は です。
熱伝導の熱抵抗と比べる:壁の熱抵抗は でした。どちらも面積に反比例します。面積 1 m² あたりの流れにくさは、熱伝導では 厚さ ÷ 熱伝導率、対流では 1 ÷ 熱伝達率です。
例題
例題1 ロボットのモータドライバ
ロボットのモータドライバのトランジスタが、6 W の熱を出しています。素子の中の熱抵抗は 1.0 K/W、シートは 0.5 K/W、ヒートシンクはカタログで 4.0 K/W(空気へ逃がす熱抵抗)です。周りの空気は 35℃ です。
(1) 接合部の温度は何℃か。(2) 接合部の上限が 175℃ のとき、発熱は最大で何 W まで許されるか。
ヒント 1 / 2
熱抵抗は直列なので足し算です。 K/W。
ヒント 2 / 2
(2) は、使える温度差 K を、熱抵抗の合計で割ります。
答えと解き方を見る
68℃ なら、上限まで 107 K の余裕があります。
25.5 W は、上限ちょうどまで使ったときの値です。周りの温度が上がったり、ヒートシンクにほこりが積もったりするので、実際はもっと手前で止めます。
例題2 ヒートシンクの大きさを決める
発熱 15 W のトランジスタ(素子の中 1.0 K/W・シート 0.5 K/W)を、周り 40℃ の箱の中で使います。接合部を 125℃ 以下にしたいとします。
(1) 空気へ逃がす熱抵抗は、何 K/W 以下にすればよいか。(2) 自然の空気()なら、放熱面は何 cm² 要るか。(3) ファン()なら何 cm² か。
ヒント 1 / 2
使える熱抵抗の合計は K/W。そこから素子とシートの 1.5 K/W を引きます。
ヒント 2 / 2
で m² が出ます。1 m² = 10,000 cm² です。
答えと解き方を見る
ヒートシンクから空気へ逃がす熱抵抗
熱抵抗の合計(直列なので足し算)
温度の上がり(熱の流れ × 熱抵抗)
素子の中(接合部)の温度
ヒートシンクとケースの温度(空気の側から上がりを足す)
240 cm² は、10 cm 角の板の表と裏(200 cm²)より少し広いくらいです。ひれを付けると、同じ大きさの箱に、もっと広い面を詰めこめます。
ファンなら 48 cm² で、5分の1 です。
例題3 データシートの数字で考える
トランジスタ IRF540N のデータシートには、接合部の上限 175℃、接合部 → 周りの空気(ヒートシンクなし)62 K/W、接合部 → ケース 1.15 K/W、ケース → ヒートシンク 0.50 K/W(グリースを塗ったとき)とあります。周りの空気は 25℃ とします。
(1) ヒートシンクなしで、発熱は何 W まで許されるか。(2) 熱抵抗 1.0 K/W のヒートシンクを付けると、何 W まで許されるか。
ヒント 1 / 2
使える温度差は K。これを熱抵抗の合計で割ります。
ヒント 2 / 2
(2) の熱抵抗の合計は K/W です。
答えと解き方を見る
ヒートシンクなしでは 2.42 W までです。データシートの最大損失 130 W とは、50倍以上ちがいます。
ヒートシンクを付けると 56.6 W まで、23倍に広がります。それでも 130 W には届きません。130 W は、ケースを 25℃ に保てたとき(熱抵抗 0 のヒートシンク)の値だからです。