熱工学の基礎｜熱伝導・対流・放射と冷却設計の考え方

熱工学の基礎｜熱伝導・対流・放射と冷却設計の考え方

電子機器・エンジン・製造設備のあらゆる分野で「熱管理」が設計の重要課題になっています。熱伝導・対流・熱放射の基本原理と、実務での冷却設計の考え方を解説します。

熱移動の3つのメカニズム

熱伝導：固体内での熱移動。フーリエの法則：Q＝kA(T1-T2)/L（k:熱伝導率、A:断面積、L:長さ）。銅の熱伝導率400W/(m·K)、アルミ237W/(m·K)、鋼51W/(m·K)。対流：流体（液体・気体）による熱移動。ニュートンの冷却法則：Q＝hA(Ts-T∞)（h:熱伝達係数）。強制対流は自然対流より効率が10〜100倍高い。熱放射：電磁波による熱移動。シュテファン-ボルツマン則：Q＝εσAT⁴（ε:放射率）。高温部品では放射の影響が大きい。

電子機器の冷却設計

基板設計では「熱抵抗」の考え方が重要。熱抵抗Rth（℃/W）が低いほど効率的に冷却できます。ヒートシンク・ファン・TIM（熱インターフェース材料）の選定が冷却性能を決定します。

まとめ

熱設計は「熱を発生させない」よりも「熱を逃がす経路を確保する」発想が基本。シミュレーション（熱流体解析）と合わせて実機確認することで、信頼性の高い設計が実現します。