熱設計の検証方法｜温度測定のポイントを完全図解

「机上計算ではTj=110℃で安全マージンも取った。あとは実機で測定して終わり——のはずが、熱電対をどこに付ければいいか分からない」
「赤外線カメラで撮ったら、計算と全然違う温度が出た。どっちが正しいの？」

熱設計の検証で、こんな壁にぶつかった経験はありませんか？

熱設計は「計算」と「実測」の両輪で完成します。どんなに緻密に計算しても、実機の組み立て公差・部品ばらつき・周囲環境の違いで結果は変わります。だから必ず実測で検証するのですが、温度測定は意外と難しく、間違った方法では真実が見えません。

結論を先に言います。温度測定は「測定対象・測定方法・測定環境」の3つを揃えてはじめて意味のあるデータになります。この記事では、各ポイントの実務的なノウハウを丁寧に解説します。

何を測るか｜目的別の測定対象

温度測定の前に、「何のために測るのか」を明確にしましょう。目的によって測定すべき場所が変わります。

熱回路上の主要な温度ポイント

熱電対の基本｜種類と選び方

温度測定の主役は熱電対（Thermocouple）です。2種類の異なる金属線を接合した先端部の温度を、起電力（電圧）で測定するセンサです。

パワエレで使う代表的な熱電対

線径の選び方

熱電対の線径は0.1〜1.0mmまで様々ですが、パワエレでは細いほど良いです。理由は2つあります。

• 応答が速い：細いほど熱容量が小さく、温度変化に素早く追従
• 熱の逃げが少ない：太い線は測定対象から熱を奪い、実温度より低く出る

熱電対の取り付け方｜3つの方法と使い分け

熱電対は「先端を測定対象に密着させる」ことが命です。隙間があると空気層で温度が下がり、測定誤差になります。3つの代表的な取り付け方を見ていきましょう。

①接着（熱伝導性接着剤）

熱伝導性のあるエポキシ接着剤や瞬間接着剤で、熱電対の先端を測定対象に固定する方法。最も一般的で、評価試験での標準です。

• 長所：取り扱いが容易、量産工程でも適用可能
• 短所：接着剤の厚みで熱抵抗が増える、剥がすときに部品を傷める
• 用途：評価試験、長時間モニタリング

②はんだ付け

熱電対の先端を金属面に直接はんだ付けする方法。最も精度が高い取り付け方です。

• 長所：金属密着で熱伝導が完璧、応答速度が速い
• 短所：はんだの融点（200℃前後）以上では使えない、部品によっては不可
• 用途：金属ケースのパッケージ、ヒートシンク、銅板

③押し付け（バネ・テープ）

バネ機構や耐熱テープで物理的に押し付ける方法。非破壊で短時間測定したいときに便利です。

• 長所：取り外し可能、複数箇所で使い回せる
• 短所：密着不十分で誤差が大きい、長時間で外れることも
• 用途：初期評価、短時間スポット測定

取り付け方法の比較

測定位置の決め方｜「データシート指定位置」を守る

ケース温度（Tc）の測定位置は、部品メーカーがデータシートで指定しています。これを守らないと、Rth(j-c)の値が使えず、Tjの推定が大きく狂います。

データシートの「Tc測定位置」を確認する

パワー半導体のデータシートには必ず「Tc Measurement Point」または「Reference Point for Tc」が図示されています。これは、メーカーがRth(j-c)を測定したときの基準点です。

• TO-220：放熱タブの中央（チップ直下）
• TO-247：放熱タブの中央
• パワーモジュール：ベース板の指定位置（チップ直下が多い）

ケース表面の温度分布

ケース表面でも、場所によって温度は数℃〜10℃以上違います。チップ直下が最も高く、ケース端では低くなります。指定位置を外すと、Tjの推定誤差が10℃以上出ることもあります。

ヒートシンクへの取り付け方法

パッケージの放熱タブ側にヒートシンクを取り付けてしまうと、Tc測定位置にアクセスできません。実務的には2つの解決策があります。

ジャンクション温度Tjの推定方法

Tjは直接測れないので、Tcと損失Pから計算で推定します。

Tj推定の基本式

計算例

Tj = 95 + 30 × 0.5 = 110℃

許容Tj_max=150℃に対して、110℃なら40℃のマージンがあります。十分安全な設計と判断できます。

内蔵温度センサ（NTC）を使う方法

パワーモジュールの中には、内部にNTCサーミスタが組み込まれているものがあります。これを使うとチップ近傍の温度を直接読めるため、Tj推定の精度が上がります。

ただし、NTC自体もチップから少し離れた位置にあるため、過渡応答や正確なTjとは差があります。データシートの「NTCの位置」と「Tjとの相関」を必ず確認してください。

赤外線カメラ（サーモグラフィ）の使い方

赤外線カメラは、基板全体の温度分布を一目で把握できる強力なツールです。「どこが熱い／どこが冷たい」を視覚的に捉えられるため、ホットスポットの発見に最適です。

熱電対との使い分け

最大の落とし穴：放射率（ε：イプシロン）

赤外線カメラは、物体から放射される赤外線の量から温度を計算します。この計算には「放射率」という物体ごとの係数が必要です。

磨いた金属表面は放射率が極めて低い（0.05程度）ため、赤外線カメラでは正しい温度が測れません。本当は熱いのに、まるで冷たいかのように映ります。

金属面を測るときの定石：黒体テープ

ヒートシンクや銅板などの金属面を赤外線カメラで測りたい場合、「黒体テープ」（放射率0.95程度の黒いテープ）を測定したい部分に貼り付けます。テープ表面の温度を測れば、内部の金属温度と十分近い値が得られます。

赤外線カメラの活用シーン

• ホットスポット発見：基板全体を撮影して熱が偏っている箇所を特定
• はんだ不良の検出：浮きはんだは放熱が悪く局所的に熱くなる
• ヒートシンクの温度分布：フィン全体に熱が広がっているか確認
• 過渡応答の観察：高速サーモカメラで動的な温度変化を捉える

定常状態の判定｜いつ測定値を読むか

温度測定は「定常状態（熱平衡）」になってから読むのが基本です。動作開始直後はまだ温度が上昇中で、本当の最終温度ではありません。

定常状態の判定基準

実務では「温度が10分間で1℃以下しか変化しなくなったら定常」と判断するのが目安です。装置によっては30分〜1時間以上かかることもあります。

熱時定数の目安

測定タイミングのチェックリスト

• ✅ 周囲温度（Ta）が安定しているか（試験室の空調が効いているか）
• ✅ 全測定点の温度が10分間1℃以下しか変動しないか
• ✅ 想定する最大負荷条件で動作しているか
• ✅ ファンの回転数が定常になっているか
• ✅ 試験時間が熱時定数の3〜5倍以上経過しているか

温度測定でやりがちな失敗3選

失敗①：熱電対の先端が浮いている

接着剤を盛りすぎて、肝心の測温接点（熱電対先端の球）が測定面から浮いてしまうケース。空気の温度を測ることになり、実温度より低く出ます。取り付け後は必ず目視＋拡大鏡で密着を確認してください。

失敗②：磨いた金属面を赤外線カメラで測る

銅板・アルミ板・ヒートシンクの磨いた表面は放射率が極めて低く、赤外線カメラでは正しい温度が出ません。必ず黒体テープを貼って測定してください。テープを貼れない場面では、熱電対との併用で校正します。

失敗③：定常前に測定値を読む

「30分稼働して安定したから測定」と判断したら、実は1時間後にさらに5℃上昇していた——これは熱時定数の見誤りです。各温度ポイントが10分間で変化1℃以下になるまで待つのが鉄則です。

まとめ｜測定は「対象・方法・タイミング」の3つを揃える

熱設計は計算で見当をつけ、実測で確証を取る——この2段構えで初めて完成します。温度測定の作法を身につければ、客先監査や設計レビューでも自信を持って数値を提示できるようになります。