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伝熱解析で部品の温度を予測する——熱回路網・熱伝導・熱流体の選び方と、入れる値の出どころ

調達購買ノウハウ

投稿日：2026年11月9日

伝熱解析で部品の温度を予測する——熱回路網・熱伝導・熱流体の選び方と、入れる値の出どころ

部品の温度の予測を伝熱解析と実測で確かめたいなら → 伝熱解析を相談する

この記事のポイント（結論先出し）

伝熱解析で部品の温度を予測するときに、結果を一番動かすのは計算の細かさより入れる値である。発熱量とその分布、部品と筐体の間の接触熱抵抗、材料の熱伝導率、表面の放射の扱いが、そのまま答えに効く。熱回路網の「熱抵抗」も一定ではなく、冷却の方式や基板の大きさ、発熱の分布で変わることが研究で示されている^[1]。手法は、決めたいこと（候補の比較か、上限温度の判定か）で選び、値の出どころを書き出してから計算する。結果は熱電対やサーモグラフィの実測と比べて確かめるが、熱電対には JIS で決まった許容差があり^[5]、サーモグラフィは放射率で見かけの温度が変わる^[6]。測る側の誤差も込みで比べる。

まず「何を決めたいか」で手法を選ぶ

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部品の温度を前もって知りたい場面は多い。新しい基板で一番熱くなる部品が上限を超えないか、ヒートシンクを小さくしてよいか、筐体を密閉したら中の温度はどこまで上がるか。どれも伝熱解析の出番だが、使う手法と必要な情報は、決めたいことで変わる。

手法	向いている問い	必要な主な値	気を付けること
熱回路網（熱抵抗をつないだ回路で考える）	どの経路で熱が逃げているか、どこを変えると効くかの見当	発熱量、経路ごとの熱抵抗	熱抵抗の値が条件で変わる。局所の温度の山は出にくい
熱伝導の解析（固体の中の温度分布を計算）	部品・基板・筐体の中の温度分布、熱の広がり方	形状、熱伝導率、発熱の分布、表面からの放熱の条件	表面の熱伝達の条件を仮定で与えることが多い
熱流体の解析（空気や水の流れと一緒に計算）	ファンの風量や筐体の開口で温度がどう変わるか	上の値に加え、流れの条件（風量・開口・ファンの特性）	流れの条件の不確かさがそのまま効く。計算が重い

熱回路網は軽く、熱の通り道を数字で並べられるのが利点である。熊本大学と富山県立大学の研究者による講演論文は、リレー回路やプリント基板のような電子部品では熱が薄く狭い通り道を通ることが多いとし、簡単な熱回路網の解析に使う評価式をつくる第一段階として、薄い板の縮小熱抵抗を調べている^[3]。熱回路網を使うときは、こうした「形で決まる抵抗」をどう値にするかが精度を決める。

流れの条件が絡むなら、熱流体の解析になる。流れの解析を外に頼むときの全般的な決め方はCFD 解析を外部に頼むときにまとめた。この記事では、温度の予測に特有の「入れる値」と「確かめ方」に絞る。

熱抵抗は、部品の性質ではなく「その条件での値」

熱回路網の考え方では、部品から外気までの経路をいくつかの熱抵抗に分け、発熱量に熱抵抗を掛けて温度上昇を出す。分かりやすい反面、熱抵抗を部品固有の値と思い込むと外れる。

エレクトロニクス実装学会誌の 2015 年の論文は、パソコンやタブレットのマイクロプロセッサの伝熱経路を 1 次元の熱回路網で考え、冷却の方式、マザーボードの大きさ、シリコンダイの底面での熱流束の分布を変えた 3 次元の定常熱伝導の計算から、熱回路網の各熱抵抗を求めて比べている^[1]。そして、局所の熱抵抗と広がりの熱抵抗（熱が狭い所から広い所へ広がるときの抵抗）が条件の違いで変わり、その変化がプロセッサのホットスポットの温度の差になって現れる、としている^[1]。2 つの抵抗で表す簡単なモデルの予測の誤差の理由も、この変化で説明を試みている^[1]。

実務での読み替えは二つある。一つは、部品メーカーのデータシートの熱抵抗は、その測定条件での値だということ。自社の基板の大きさや冷却の方式が違えば、同じ値にはならない。もう一つは、発熱量が同じでも発熱の分布で一番熱い所の温度が変わること。部品の総発熱量だけを入れた解析は、平均の温度は合っても、上限の判定に使う最高温度を外すことがある。

結果を一番動かす入力を、値の出どころと一緒にそろえる

伝熱解析の依頼でつまずくのは、入れる値の多くが「誰も測っていない」ことである。そろえる値と、その値をどこから取ったかを並べて書くと、解析の確からしさの限界が見える。

入れる値	よくある出どころ	外れやすい理由
発熱量	回路の損失の計算、部品のデータシート、消費電力の実測	最大値か平均値か。動作の状態で変わる。部品の中の分布
接触熱抵抗	文献の式、メーカーの参考値、過去の実測	面の粗さ・平らさ、押し付ける圧力、間に挟むもので大きく変わる
材料の熱伝導率	材料の便覧・メーカー資料	樹脂や基板は向きで違う。温度でも変わる
表面からの放熱	熱伝達率の目安値、放射率の仮定	置き方・周りの空気の動き・表面の仕上げで変わる
周りの条件	使用環境の最高温度、筐体の開口、設置の向き	実際の設置と違う条件で計算してしまう

接触熱抵抗は、計算の弱点になりやすい

部品の熱を筐体やヒートシンクに逃がす設計では、二つの面が触れ合う所の接触熱抵抗が温度を大きく左右する。日本機械学会の熱工学コンファレンスの 2023 年の講演論文は、セラミック抵抗器のような高出力の電子部品で、発熱が接触面を通じて筐体へ伝わる場合、部品と筐体の間の接触熱抵抗の見積もりが部品の温度上昇に効くので重要だとしている^[2]。そのうえで、接触熱抵抗の見積もりには橘・三野川の式がよく使われるとし、精度を上げるために、真実接触点の径を含む修正式に、表面形状の測定から得た値を与えて予測し、もとの式の予測と比べている^[2]。

押し付ける力が弱い組み付けでも、予測できるかどうかを確かめた研究がある。同じ講演会の 2015 年の論文は、電子機器や人工衛星の熱制御機器のように接触熱抵抗の低減が大きな課題になる系を念頭に、平らで粗い面を持つ異種材料の間の接触熱抵抗を、平均接触圧 0.1〜1.0 MPa という比較的低い圧力で実験的に調べた^[4]。そして、このような低い圧力でも、接触面での温度の落ち込みは、単位セルのモデルに基づく従来の予測式で満足に予測できた、と報告している^[4]。

これらは、式があれば接触熱抵抗が分かるという意味ではない。式に入れる面の粗さや圧力が分かっていれば予測できる、という意味である。依頼するときは、ねじの締付けトルクや押さえばねの力、接触面の仕上げ（粗さの指示）、間に挟む材料の有無を図面と一緒に渡す。分からなければ、解析の中で幅を持たせて計算してもらい、結果がどれだけ動くかを見る。放熱グリスやシートの選び方は放熱グリス・シートの選び方で扱っている。

実測で確かめる：測る側にも誤差がある

解析の結果は、実機や試作の温度の実測と比べて確かめる。そのとき、測る側の誤差を忘れると、解析と実測の差の原因を取り違える。

熱電対の許容差

JIS C 1602 は熱電対の許容差をクラスごとに決めている^[5]。電子機器の温度の測定でよく使われる K 熱電対と T 熱電対の値は次のとおりである。

種類	クラス 1	クラス 2
K	−40 ℃以上 375 ℃未満で ±1.5 ℃	−40 ℃以上 333 ℃未満で ±2.5 ℃
T	−40 ℃以上 125 ℃未満で ±0.5 ℃	−40 ℃以上 133 ℃未満で ±1 ℃

規格は、この許容差は新しい素線だけに適用すると注記している^[5]。使い回した熱電対や、曲げを繰り返した素線では、この範囲に入っている保証はない。解析と実測が 2 ℃ ずれたとき、クラス 2 の K 熱電対で測っていたなら、その差は測定の許容差の中に収まっている可能性がある。どのクラスの熱電対で、どこにどう貼ったかを、実測の記録に残す。

貼り方も効く。部品の表面に貼った熱電対は、部品の中の一番熱い所の温度ではなく、貼った点の表面温度を示す。解析で比べる量も「同じ点の表面温度」にそろえてもらう。発熱の分布で最高温度が変わるという上の論文の指摘^[1]からすると、比べる点を一つ決めて合わせるだけでは、ほかの点の温度まで合っているとは限らない。複数の点で比べる。

サーモグラフィの放射率

面の温度分布を一度に見られるサーモグラフィは便利だが、表面の放射率で見かけの温度が変わる。産業技術総合研究所（産総研）の技術紹介は、熱放射を捉えて表面温度を測る場合、対象の表面の放射率によって熱放射の強さが変わるため、放射率が分からないと正しい温度を求められないとし、電子回路を観測すると同じ温度でも金属の配線部分は見かけ上温度が低く、基板の部分は高く見えてしまう、と例を挙げている^[6]。

金属の放熱板や光ったケースは、実際より低く写る。解析の温度分布とサーモグラフィの画像を並べて「合っている」「合っていない」を判断する前に、放射率の補正をどうしたかを確かめる。黒い塗料やテープを貼って測る方法もあるが、貼ったもの自体が放熱を変えないかにも気を付ける。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

伝熱解析を外に頼むなら、計算の前に「何を決めるか」と「値の出どころ」を渡し、計算のあとに「どこまで信じてよいか」を受け取る。実測による確かめまで含めて頼むか、解析だけかも、最初に決める。

渡すもの	具体的に
決めたいこと	候補の比較か、上限温度の判定か。判定なら上限の値と、どの点の温度で判定するか
形状	3 次元モデルや図面。基板の層構成と銅の割合が分かる資料
発熱	部品ごとの発熱量と、それが最大か平均か。動作の状態ごとの値
接触と組み付け	ねじの締付けトルク、押さえの力、面の粗さの指示、挟む材料
材料と表面	材料名、熱伝導率の出どころ、表面の仕上げ（塗装・めっき・地のまま）
使われる条件	周りの最高温度、設置の向き、筐体の開口、ファンの有無と特性
手元の実測	現行品の温度の測定値と、測った点・熱電対の種類とクラス・そのときの動作状態

受け取るもの	確かめる点
入力の一覧	使った値と、その出どころ。仮定で置いた値が分かるか
感度の確かめ	接触熱抵抗や熱伝達の条件を振ったとき、判定に使う温度がどれだけ動くか
判定に使う数値	最高温度とその位置。図だけでなく数値で
実測との比較	同じ点・同じ条件で比べたか。差と、その理由の考察
使ってよい範囲	どの条件の範囲なら結果を使ってよいか

発熱量と組み付けの条件がそろったら、解析と実測の手配から相談できます

よくある質問

解析と実測が 5 ℃ ずれました。解析が間違っていますか

まず、入力のどれが不確かかと、測定の誤差を並べる。接触熱抵抗と発熱量は外れやすく、熱電対にも許容差があり、サーモグラフィは放射率で見かけの温度が変わる^[5]^[6]。ずれの理由を説明できれば、条件を直して使える解析になる。説明できないまま係数を合わせ込むと、ほかの条件で外れる。

部品のデータシートの熱抵抗をそのまま使ってよいですか

その値は測定条件での値である。熱抵抗が冷却の方式や基板の大きさで変わることは、研究でも示されている^[1]。自社の条件で一度は実測して比べるか、条件の違いを解析で見てもらう。

温度だけでなく、熱で起きる変形や応力も知りたい

温度の結果を構造の解析に渡す、二つの解析をつなぐ形になる。どこまでつなぐ必要があるかの決め方はマルチフィジックス解析を頼むときで扱っている。発熱そのものの原因の切り分けは発熱の原因と放熱の手を参照してほしい。

まとめ

伝熱解析で部品の温度を予測するときは、決めたいことから手法を選び、発熱量とその分布、接触熱抵抗、熱伝導率、表面の放熱を、値の出どころと一緒にそろえる。熱抵抗は部品固有の値ではなく条件での値で、発熱の分布で最高温度も変わる。結果は複数の点の実測と比べ、熱電対の許容差とサーモグラフィの放射率を込みで判断する。外に頼むときは、入力の一覧、感度の確かめ、判定に使う数値、実測との比較、使ってよい範囲を受け取る。

出典・参考資料

1 次元熱回路網によるマイクロプロセッサの伝熱経路に関する考察（西剛伺・畠山友行・中川慎二・石塚勝／エレクトロニクス実装学会誌 18 巻 3 号／2015 年）
表面形状測定に基づく均一接触面の接触熱抵抗の予測（青木洋稔・伏信一慶・富村寿夫／熱工学コンファレンス講演論文集・日本機械学会／2023 年）
熱回路網解析のための縮小・拡大熱抵抗の簡易評価式に関する研究（富村寿夫・川野健太・小糸康志・石塚勝・畠山友行／熱工学コンファレンス講演論文集・日本機械学会／2011 年 10 月）
異種材料間の低圧下での接触熱抵抗に関する実験的研究（富村寿夫・吉富健太・都泰完・小糸康志／熱工学コンファレンス講演論文集・日本機械学会／2015 年 10 月）
JIS C 1602:2015 熱電対（JIS 検索の閲覧資料）（日本産業標準調査会／2015 年 3 月 20 日改正・2024 年 10 月 21 日確認）
赤外線サーモグラフィによる温度計測システム（産総研 TODAY 12 巻 11 号・産業技術総合研究所／2012 年 11 月）

部品の温度の予測が実測と合わない——その整理から相談できます

newji の「技術課題の解決」は、決めたいことと手元の条件を伺って、何を解析し何を測るかを整理するところから始めます。伝熱解析や温度の測定、接触熱抵抗の測定のように設備と技術の要る作業は、合う専門の会社を探して一緒に進めます。newji が解析や判定そのものを行うわけではありません。解析や測定の前に、費用と内容を書面でお出しします。結果や効果を前もってお約束する形ではありません。

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