ヒートシンクの熱抵抗について

質問

お世話になります。
ヒートシンクの熱抵抗について質問です。

熱抵抗1(℃/W)のヒートシンクに10Wの熱量を与えると10℃の温度差が生じますよね。
これはつまり、10Wの発熱体を取り付けて、たとえば、そこの温度が80℃だとすると、ヒートシンクによって、70℃に下がるということでしょうか。

だとすると、熱抵抗2(℃/W)のヒートシンクだと、同様に10W与えたら、20℃の温度差が生じるので、80℃→60℃に下がるということでしょうか。

つまり、熱抵抗の大きいヒートシンクの方が、放熱効果が高い・・・・？？？
なんかおかしいですよね。
熱抵抗が低い方が、放熱効果は高いはずですよね・・・？？

私の考え方の間違いをご指摘ください。

よろしくお願いします。

回答No.8

rnakamra · ベストアンサー

#7のお礼について

この理解で大丈夫です。
ヒートシンクを選定する場合には書かれている3つの条件を決めて、できればある程度マージンをとって選定をするとよいでしょう。何かの拍子に出力が上がったりしても問題がないようにぎりぎりの設計は避けた方がよいでしょう。

お礼

理解力の悪い私にお付き合いいただき本当にありがとうございました。
勉強になりましたm(__)m

回答No.10

foomufoomu

たぶん、これまでの回答で、正解は出ているのだと思いますが、
この問題は、いたって簡単な話です。

＞熱抵抗1(℃/W)のヒートシンクに10Wの熱量を与えると10℃の温度差が生じますよね。
周囲の空気に対して、CPUの温度が10℃高くなります。
周囲の温度が30℃なら、CPUは40℃です。

＞熱抵抗2(℃/W)のヒートシンクだと、同様に10W与えたら、20℃の温度差が生じるので、
おなじく、周囲の温度が30℃なら、CPUは50℃です。

お礼

ありがとうございます。

ヒートシンクは発熱体を冷却するものだから、温度の基準は発熱体の高温部だと、考えてました。

みなさんのご教示でなんとか理解できました。
ありがとうございます。

回答No.9

natsyosayo

ご理解の方が進んでいるようで、蛇足になるかもしれませんが。
熱抵抗というのは、発熱により周囲温度より温度が高くなる時、周囲温度（通常空気）を基準にして発熱量/熱抵抗で発熱体の周囲温度からの温度上昇分が計算できる、というものです。

発熱体の発熱とは熱量Ｗなのです。そのままでは温度に変換されません。
ありえませんが、もし熱抵抗が無限大なら、1mWの発熱でも温度は無限大になります。

実際の発熱体はヒートシンクなどつけなくても、直接周囲の空気等を通じて、大きいですが有限の熱抵抗によって放熱され有限の温度に収まっているわけです。従って、最初に発熱体の温度が何度と言った時点ですでに、Ｗ/（周囲空気などへの熱抵抗）によって発熱体の温度が決定されているわけです。

そして、ヒートシンクを付けた場合、（ヒートシンクの熱抵抗）＋（ヒートシンクと発熱体の接触による僅かな熱抵抗）が最初の（直接周囲空気などへの熱抵抗）に並列に入って、結果、周囲温度と発熱部分の温度差が少なくなるのです。

お礼

ご丁寧なご教示ありがとうございます。
とても参考になりましたm(__)m

回答No.7

rnakamra

> ここで、発熱体の熱量は変わらないものとして、ヒートシンクを熱抵抗の大きいものに変更すると、50℃を基準として、温度差は大きくなるので、発熱体の温度は１００℃よりも高くなる。
また、逆に熱抵抗の低いヒートシンクにすると、50℃からの温度差は小さくなるので、発熱体の温度は１００℃よりも低くなるという理解で正しいでしょうか？

その理解でOK.

お礼

了解しました。
ここまでは正しいわけですね。よかった(^^:

つまり、この発熱体が入ったものをひとつの装置だとすると、50℃という温度は、この装置の標準使用温度と定義することができ、使用温度が50℃からあまりあがりすぎると、結果的に発熱体の温度も上がりすぎ、発熱体の定格温度をこえてしまうのでNG。

ここで、装置の使用温度をさらに高くしたいときは、もっと熱抵抗の低いヒートシンクを使えば、温度差が小さくなり、高い温度で使っても、その温度から発熱体への温度差は小さいので、結果的に発熱体の温度は定格温度内に抑えられるので、使うことが出来る。

つまり、まず、「装置を何℃で使いたいのか」を決め、その温度を基準にして、発熱体が最大熱量時でも、定格温度内に収まるような熱抵抗のヒートシンクを選定する、という理解で正しいでしょうか？

回答No.6

rnakamra

>「その温度が１００℃だとして、それをヒートシンクで冷却し、５０℃まで温度を下げたい」
ではなく、
「あくまで発熱体は１００℃であり、ヒートシンクをつけたときの低温部の温度が５０℃」ということです。
つまり、ヒートシンクにより、50℃の温度差を発生させるという意味です。

これなら、前述の考え方は、よろしいでしょうか？

この考え方でよい。

お礼

ありがとうございます。

ここで、発熱体の熱量は変わらないものとして、ヒートシンクを熱抵抗の大きいものに変更すると、50℃を基準として、温度差は大きくなるので、発熱体の温度は１００℃よりも高くなる。
また、逆に熱抵抗の低いヒートシンクにすると、50℃からの温度差は小さくなるので、発熱体の温度は１００℃よりも低くなるという理解で正しいでしょうか？

回答No.5

rnakamra

>たとえば、１０Wの発熱体があり、その温度が１００℃だとして、それをヒートシンクで冷却し、５０℃まで温度を下げたいとしたとき、ヒートシンクの熱抵抗は、(100-50)/10=5(℃/W)となる。
　　↑
こういうふうに考えてしまいます。
この考えの間違いを教えてください。

#3,4で繰り返し述べていますが、熱抵抗の計算で出てくる温度差は発熱体の温度変化ではなくあくまで発熱体と低温部との温度差です。何度温度が下がるか、そんなものには関係ありません。

上記の内容には一切低温部の温度が記載されていません。これでは高温部の出力と熱抵抗が分かったところで計算しようがありません。つまりあなたは計算不可能なことをやろうとしているのです。
ヒートシンクとはあくまで高温部から低温部に熱を逃がすだけのものです。当然その能力は形状(要するに熱抵抗)だけでなく低温部の温度が関係するのは当たり前のことです。
もし、外部の温度が80℃であればどんな高性能なヒートシンクを持ってきたとしても10Wの発熱体を50℃に持っていくことはできません。

お礼

すいません。
ちょっと表現が間違ってました。

「その温度が１００℃だとして、それをヒートシンクで冷却し、５０℃まで温度を下げたい」
ではなく、
「あくまで発熱体は１００℃であり、ヒートシンクをつけたときの低温部の温度が５０℃」ということです。
つまり、ヒートシンクにより、50℃の温度差を発生させるという意味です。

これなら、前述の考え方は、よろしいでしょうか？

回答No.4

rnakamra

> 発熱体をヒートシンクで冷却する場合、発熱体の温度は、そこで消費される熱量によって変化し、それをヒートシンクで冷やされた結果として、低温部の温度が決まってくると考えてしまいます。
なので、基準は、熱の発熱部ではないかと・・・。

こういう考え方は、熱計算においては、間違っているのでしょうか・・・・？

間違いですね。
発熱体の温度は出力で変化しますが、出力だけで決まるわけではないのです。
例えば、80Wのヒータをそのままにしておくのと扇風機で風を送るので温度は同じでしょうか。まあ、普通は扇風機で風を送ったほうが温度は低くなりますね。発熱体の温度はワット数だけでは決まらないのです。
ワット数と周りの温度、および周りとの熱抵抗で決まります。

ただ、高温部の温度が一定という場合もないわけではありません。
温度を一定にするために必要な出力を求めるような問題や温度を一定にした時の周りの温度を調べるような場合の問題です。
(前者の例としては水の温度を一定に保つような場合、後者の例としては溶鉱炉で処理の際の外部温度を求めるような場合があります)
質問の内容は明らかにどちらにも属しません。発熱体の温度が変化する内容なのですから。

#3の繰り返しになりますが、熱抵抗の計算で用いる"温度差"は発熱体の温度変化のことではありません。発熱体にヒートシンクを取り付けた前後での温度差ではないのです。
あくまで高温部と低温部の温度差を意味します。

お礼

ご回答ありがとうございます。

すいません、まだいまいち自分の考えがどう間違っているのかわかっていません。

たとえば、１０Wの発熱体があり、その温度が１００℃だとして、それをヒートシンクで冷却し、５０℃まで温度を下げたいとしたとき、ヒートシンクの熱抵抗は、(100-50)/10=5(℃/W)となる。
　　↑
こういうふうに考えてしまいます。
この考えの間違いを教えてください。

回答No.3

rnakamra

#1のものです。

> たしかに低温側を基準にすれば、同じ熱量なら熱抵抗の小さい方が温度差は小さいので、温度上昇は小さくなり、結果的に発熱体の温度は低くなりますが、実際は、発熱体が熱の発生源であり、ここからヒートシンクの熱抵抗で温度が下がってくるので、発熱体の温度が基準とする方が、納得いくのですが・・・・。

どうも、熱抵抗の計算で出てくる温度差というものを発熱体の温度変化のことだと勘違いしているようですね。
熱抵抗の計算で出てくる温度差は発熱体の温度変化ではなくあくまで発熱体と低温部との温度差です。

温度の基準となるのは温度が変化しないもの、つまり低温部の温度です。

お礼

ご回答ありがとうございます。

発熱体をヒートシンクで冷却する場合、発熱体の温度は、そこで消費される熱量によって変化し、それをヒートシンクで冷やされた結果として、低温部の温度が決まってくると考えてしまいます。
なので、基準は、熱の発熱部ではないかと・・・。

こういう考え方は、熱計算においては、間違っているのでしょうか・・・・？

回答No.2

fjnobu

考え方が逆です。
70℃から80℃に上がるのに、1℃/Ｗであれば１０Ｗを消費させる。
２℃/Ｗであれば５Ｗの消費で温度が上がるということです。
だから、数値が小さいほうがｊ効果が高いのです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

たしかに同じ温度差なら、熱抵抗が小さい方が、より多くの熱量を消費できることはわかります。
わからないのは、実際、ヒートシンクで、発熱体の温度を下げるわけですから、計算上は、熱抵抗が大きい方が温度差は大きくなり、より温度を下げれることになるような気がするのですが・・・・。

正しい考え方を教えてください。

回答No.1

rnakamra

熱抵抗を考える場合の℃とは温度差のことです。差、つまり二箇所での温度差です。

この場合の2箇所とは、高熱体とつける部分と低熱側、つまりヒートシンクの場合はエアや水で冷やされる側を指します。

低熱側の温度20℃とします。80Wの発熱体を取り付けると発熱体の温度は
熱抵抗1℃/Wの場合：20℃+80W*1℃/W=20℃+80℃=100℃
熱抵抗2℃/Wの場合：20℃+80W*2℃/W=20℃+160℃=180℃
となり、熱抵抗が大きいほうが温度が高くなります。

お礼

ご回答ありがとうございます。

たしかに低温側を基準にすれば、同じ熱量なら熱抵抗の小さい方が温度差は小さいので、温度上昇は小さくなり、結果的に発熱体の温度は低くなりますが、実際は、発熱体が熱の発生源であり、ここからヒートシンクの熱抵抗で温度が下がってくるので、発熱体の温度が基準とする方が、納得いくのですが・・・・。