ヒートシンクを設計してCAE解析をしよう！：CAE解析とExcelを使いながら冷却系設計を自分でやってみる（4）（1/4 ページ）

CAE解析とExcelを使いながら冷却系の設計を“自分でやってみる／できるようになる”ことを目指す連載。連載第4回は、ヒートシンクの設計計算Excelシートを使ってヒートシンクを設計する。また、設計したヒートシンクのCAE解析の結果と、紙と鉛筆による結果とを比較してみる。

» 2025年03月24日 06時00分 公開

　今回は“ヒートシンクの設計計算Excelシート”を使って、ヒートシンクを設計します。そして、設計したヒートシンクのCAE解析を行い、紙と鉛筆による結果とシミュレーション結果を比較してみます。なお、紙と鉛筆による結果とは、設計計算Excelシートによる計算結果のことです。

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接触抵抗を求めよう

　図1に今回の設計モチーフであるヒートシンクを示します。現在の関心事は接触面の熱抵抗です。

ヒートシンクと発熱体 図1　ヒートシンクと発熱体［クリックで拡大］

　熱抵抗Rは次式でした（式1）。

式1 式1

　では、熱抵抗Rを求めるExcelシートを作りましょう。固体の表面粗さは6.3［μm］としましょう。機械製図をしているとよく見掛ける数字ですね。hはその2倍、hcはhと同じ値とします。固体の材質はアルミの引き抜き材なので6000番台として熱伝導率は237［W/m.K］、ブリネル硬さはHB W 10／500で95です。ブリネル硬さの単位が問題です。JIS規格（参考文献［1］）を見ると、ブリネル硬さの単位は［kgf/mm2］のようです。これを［Pa］に変換します。空気の熱伝導率は80［degC］くらいとして0.03［W/m/K］にしました。定数Cは1［-］です。

　表1にExcelシートを示します。青色のセルに注目してください。接触熱抵抗の逆数は1万2629［W/m2.K］となりました。アルミの接触熱抵抗をいくつか調べましたが、なかなかいい線いっています。

接触熱抵抗Excelシート 表1　接触熱抵抗Excelシート［クリックで拡大］

参考文献：

  • ［1］日本規格協会｜JIS Z2243-1 ブリネル硬さ試験－第1部：試験方法（2022）

熱伝導グリスを採用した場合

　自作PCの組み立てではCPUとヒートシンクの間に熱伝導グリスを塗布します。熱伝導グリスの効果を見積もりましょう。入手可能なグリスの熱伝導率は2［W/m.K］くらいです。空気の熱伝導率の代わりに熱伝導グリスの熱伝導率を代入すると、表1の緑色のセルに示すように接触熱抵抗の逆数は16万8777［W/m2.K］となりました。かなりの改善です。

　表1の緑色のセルの「接触抵抗の逆数 第1項」と「接触抵抗の逆数 第2項」に注目します。式1の第1項と第2項です。第2項の方が圧倒的に大きく、第1項を無視することができますね。表1の黄色のセルは真実接触面積A1をゼロとしたものです。接触熱抵抗の逆数は15万8730［W/m2.K］と先ほどの値とほとんど変わりません。

　接触熱抵抗の計算には、なかなか決められないパラメーターがあります。hcとCは実験でしか求まりません。式1の第2項には、このhcとCが入っておりません。熱伝導グリスを使った場合は、hcとCのような不確定要素を除去できます。つまり、式1の第2項のλairを熱伝導グリスの値とすれば、第1項を無視して第2項だけの計算で事が足ります。

　熱伝導グリスが使えない場合もあると思うので、熱伝導グリスなしで検討を進めましょう。

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