- 設計レビューで「この基板、熱大丈夫？」と聞かれて固まった
- ヒートシンクの選定を任されたが、何から手をつければいいかわからない
- 「熱抵抗」「熱伝導率」「自然対流」…用語がバラバラで頭に入ってこない
- 先輩に「熱設計の基本くらい知っておいて」と言われたが、教科書は分厚すぎて挫折した
- 熱設計の全体像が「発熱→伝熱→放熱」の3ステップで一目でわかる
- 各ステップで「何を決めるか」「何を計算するか」が明確になる
- 次に何を勉強すればいいか、学習ロードマップが手に入る
「熱設計」と聞くと、複雑な数式と専門用語の山に思えて、最初の一歩が踏み出せない方は多いのではないでしょうか。
でも、実は熱設計の本質はとてもシンプルです。「熱がどこで生まれて、どう伝わって、どこへ逃げるか」──この3ステップを順番に追いかけるだけ。
この記事では、熱設計の全体マップを「発熱→伝熱→放熱」という3ステップで整理し、それぞれのステップで「何を決めるか」を初心者向けに図解します。読み終わる頃には、設計レビューで「熱大丈夫？」と聞かれても、慌てずに答えられる土台が手に入ります。
目次
そもそも、なぜ熱設計が必要なのか？
結論から言います。電子部品は「熱」で壊れるからです。
パワーMOSFETもIGBTも電解コンデンサも、すべての電子部品には「使える温度の上限」があります。これを超えた瞬間、部品は壊れるか、寿命が一気に縮まります。
自動車部品メーカーで「市場クレームの3割は熱起因」というデータもあります。エンジンルーム内の機器は周囲温度が85℃を超える環境で動くため、熱設計の精度が製品の信頼性を直接左右します。
熱設計の目的はただ一つ。「すべての部品を、許容温度以下に保つこと」です。そのために、熱の流れを設計段階でコントロールする必要があります。
熱設計の全体像｜「発熱→伝熱→放熱」の3ステップ
熱設計は、次の3つのステップに分解できます。この順番でしか考えられません。逆順では成立しないのです。
たとえるなら、家のお風呂です。
| 熱設計 | お風呂のたとえ | 考えること |
|---|---|---|
| ① 発熱 | 蛇口からお湯が出る | どれだけお湯（熱）が出るか |
| ② 伝熱 | お湯が浴槽に流れていく | 途中の配管はどれくらい太いか |
| ③ 放熱 | 浴槽から排水される | 排水口の大きさは十分か |
蛇口を全開にしても、排水口が詰まっていれば浴槽はあふれます。熱設計も同じで、「どこか1箇所がボトルネックになると、全体が破綻する」のです。
STEP1：発熱｜「どこで何W熱が出るか」を把握する
熱設計の最初のステップは、「どの部品が、何W発熱するか」を見積もることです。これが間違っていると、その先の計算がすべて崩れます。
発熱量はどう計算する？
電子回路の発熱は、ほぼすべて「損失（ロス）」から生まれます。電気エネルギーが熱エネルギーに変わるのです。
・導通損失：部品がONのときに流れる電流による発熱（P = I²R）
・スイッチング損失：MOSFETやIGBTがON/OFFする瞬間の発熱
・鉄損・銅損：トランス・インダクタの磁気的な損失
・誘電損失：コンデンサ内部の損失
発熱する部品をリストアップする（MOSFET・ダイオード・抵抗・トランス・電解コンなど）
各部品ごとに損失を計算する（データシートの式に従う）
合計発熱量を出す（基板全体で何W熱が出るか）
「発熱量を見積もる」と言うと難しく聞こえますが、要はP = I²RとP = V × Iの組み合わせです。電験三種で習うオームの法則がそのまま使えます。
スイッチング損失とは？｜導通損失との違いとMOSFETでのざっくり計算 → ジュール熱とは？｜Q=I²Rtで電熱線の発熱を計算する → 渦電流とヒステリシス損｜鉄損が発生する2つのメカニズム →
STEP2：伝熱｜熱が伝わる「3つの方法」を理解する
発熱量がわかったら、次は「その熱がどう伝わるか」を考えます。熱の伝わり方は、世界に3種類しかありません。
① 伝導
固体の中を伝わる熱
- 例：フライパンの取っ手が熱くなる
- 基板→ヒートシンクへの熱移動
③ 放射
電磁波（赤外線）として飛ぶ熱
- 例：太陽の光で温まる
- 高温部品から周囲への熱移動
電子機器の熱はどう動く？
MOSFETのジャンクション（中身） → パッケージ表面 → 基板 → ヒートシンク
ヒートシンクの表面 → 周囲の空気（自然対流 or ファンによる強制対流）
高温の部品 → 赤外線として周囲へ放出（黒く塗装すると効率UP）
電子機器の熱は、まず伝導で部品から外へ出て、最後に対流で空気に逃げます。放射は補助的な役割です。
つまり「伝導でいかに熱を引き出し、対流でいかに捨てるか」が熱設計の本質です。
熱抵抗｜熱の世界の「オームの法則」
伝熱の計算で必ず出てくるのが「熱抵抗」という概念です。これがわかれば、熱設計の8割は終わったようなものです。
熱抵抗は、電気のオームの法則とまったく同じ形をしています。
| 電気の世界 | 熱の世界 |
|---|---|
| 電圧 V [V] | 温度差 ΔT [℃] |
| 電流 I [A] | 熱流 P [W] |
| 電気抵抗 R [Ω] | 熱抵抗 Rth [℃/W] |
| V = I × R | ΔT = P × Rth |
ΔT = P × Rth
温度差[℃] = 発熱量[W] × 熱抵抗[℃/W]
たとえば、発熱10Wの部品が熱抵抗5℃/Wの経路でつながっていれば、温度差は10W × 5℃/W = 50℃になります。周囲温度が25℃なら、部品の温度は75℃です。
電気抵抗と同じく、熱抵抗も直列なら足し算、並列なら逆数の和になります。MOSFET → 基板 → ヒートシンク → 空気、と熱が伝わる経路は「熱抵抗の直列回路」です。
STEP3：放熱｜熱を「外気へ捨てる」最終工程
最後のステップは「熱を外気へ逃がす」こと。ここで詰まれば、いくら発熱を減らしても部品は熱くなります。
放熱の主役は「ヒートシンク」と「空気の流れ」
自然対流
- ファンなし。空気の温度差で勝手に流れる
- 静音・故障少ない
- 放熱能力は弱い
- ヒートシンクは「縦置き」が基本
強制対流
- ファン・ブロワで風を当てる
- 放熱能力が一気に上がる
- ファン故障 = 放熱破綻のリスク
- 騒音・寿命の問題あり
放熱性能を決める3つの要素
大きいほど熱が逃げやすい。だからヒートシンクは「フィン（ひれ）」だらけの形をしている。
風が速いほど、熱を奪う力が強い。強制対流は自然対流の3〜10倍の放熱能力がある。
部品温度と外気温の差が大きいほど熱は逃げる。逆に言えば、外気温が高い環境（車載・産業機器）では放熱が難しい。
エンジンルーム内の機器は周囲温度が85℃〜105℃にもなります。家庭用エアコンの室外機（25℃環境）と比べて、放熱条件は段違いに厳しい。だから車載用パワエレは、放熱設計が製品の命運を分けます。
熱設計の実務フロー｜実際にどう進めるか
ここまでの3ステップを、実務の流れに落とし込むとこうなります。
仕様の確認：周囲温度（最大何℃の環境で使うか）、許容温度（部品が壊れない上限）を決める
発熱量の算出：各部品の損失を計算し、合計発熱量を出す
許容熱抵抗の計算：「どれだけ熱抵抗を下げれば許容温度に収まるか」の目標値を決める
放熱手段の選定：ヒートシンク・ファン・銅箔パターン・サーマルビアなどを組み合わせる
熱シミュレーション：CADソフト（ANSYS Icepak、Flotherm等）で温度分布を確認
実機検証：熱電対やサーモグラフィで実測し、計算値とのズレを確認
許容温度ギリギリの設計は禁物です。部品ばらつき・経年劣化・環境変動を考慮し、許容温度の70〜80%を目標値にするのが実務の常識（ディレーティング）です。
熱設計でやりがちな失敗パターン3選
失敗①：周囲温度を「室温25℃」で計算してしまう
試験室は25℃でも、製品が使われる現場は違います。エンジンルームは85℃以上、屋外設置の制御盤は60℃を超えることもザラ。「最悪条件」で計算しないと、夏場に大量クレームになります。
失敗②：基板の放熱を過大評価する
「FR-4基板でも銅箔があれば放熱できる」と思いがちですが、FR-4の熱伝導率は約0.3 W/m·K。アルミ（約230 W/m·K）の1000分の1以下です。基板だけで放熱しようとすると、ほぼ確実に温度が上がりすぎます。
失敗③：シミュレーションだけを信じる
熱シミュレーションは強力ですが、入力する材料物性値や境界条件で結果が大きく変わります。必ず実機で熱電対やサーモグラフィで実測し、シミュレーションとの差を検証するのが鉄則です。
「設計時は問題なかったのに、量産後に市場クレームが…」というのは、ほぼ100%この3つのどれか。特に①は新人がやりがちな致命傷です。
熱設計を学ぶための学習ロードマップ
熱設計を体系的に学びたい方は、次の順番で進めるのがおすすめです。
電気の基礎を固める：オームの法則・電力・損失計算ができるようになる
損失の種類を理解する：導通損失・スイッチング損失・鉄損・銅損の違いを把握する
熱抵抗の計算に慣れる：ジャンクション温度を逆算できるようにする
放熱手段を学ぶ：ヒートシンク・サーマルビア・TIM（熱伝導グリス）の使い方
シミュレーションと実測：CAEツール・サーモグラフィでの検証スキルを習得する
熱設計は「電気」と「物理（熱力学）」の両方を使います。電験三種で電気の基礎を固めれば、熱設計の理解スピードが一気に上がります。
まとめ｜熱設計は「3ステップ」で考える
- STEP1：発熱 どこで何W熱が出るか、損失計算で見積もる
- STEP2：伝熱 熱は「伝導・対流・放射」の3形態で伝わる。熱抵抗で計算する
- STEP3：放熱 最終的にヒートシンクと空気で外気へ捨てる
- 熱抵抗は電気のオームの法則と同じ形：ΔT = P × Rth
- 許容温度の70〜80%を目標にしてマージンを取るのが実務の鉄則
熱設計は一見難しそうに見えますが、「発熱→伝熱→放熱」の3ステップで整理すれば、誰でも全体像をつかめます。あとは各ステップを掘り下げていくだけ。次回の設計レビューで「熱大丈夫？」と聞かれたら、自信を持って答えられるはずです。
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STEP1「発熱」で必須の損失計算を、MOSFETを例に具体的に解説します。
熱設計のマージン設計に欠かせない「ディレーティング」の考え方を学びます。
「なぜ温度が上がると寿命が縮むのか」を物理法則で理解します。
熱抵抗の理解には電気抵抗の理解が前提。電気の基礎をやり直すならこちらから。