発熱の原因と放熱の手の打ち方——上がり幅と消費電力で分け、外に頼む前に揃えるもの

温度ではなく、「上がり幅」と「出ている熱」で見る

「この部品が 80℃になる」とだけ聞いても、原因は分からない。周りの空気が 25℃のときの 80℃と、45℃のときの 80℃では、部品の熱の逃げやすさがまるで違うからである。発熱を調べるときは、周りの温度を一緒に測り、そこから何度上がったかで見る。

富山県立大学の今井亮児氏らの研究（日本機械学会 熱工学コンファレンス 2007）は、電子機器の自然空冷の実験で、各銅板の温度上昇値を、それぞれに入った正味の加熱量で割った値を熱抵抗としている。温度は定常状態に達した後に測り、箱の中の空気の温度を上下 2 か所の平均で決めている^[2]。この「上がり幅 ÷ 熱の量」という見方を使うと、原因は次の三つに分けられる。

この表は調べる順番を決めるためのもので、実際には重なることも多い。たとえば通風口がふさがると筐体内の空気が熱くなり（周りが熱くなる）、同時に部品のまわりの流れも弱くなる（逃げ道が細くなる）。それでも、消費電力・周りの温度・部品の温度の三つを同じ条件で測るだけで、どの系統が効いているかの見当はつく。

小型機器では、部品の熱は端子から基板へ逃げる

電子部品の熱の逃げ道として見落とされやすいのが、基板である。携帯電話の放熱設計を扱ったシャープの新木豊氏らの報告（日本機械学会 熱工学コンファレンス 2007）は、電子部品の発熱の多くは部品の端子を通じて熱伝導で基板に逃げるので、部品の温度を正確に計算するには、基板への熱の伝わり方をモデルに入れることが重要だとしている^[1]。

同じ報告は、基板のほぼ全面に広がるグランド層につながる端子は、ほかの配線層につながる端子より放熱の効果が大きいと指摘している。大きな電流が流れて発熱の大きい部品ほど、グランド層につながる端子の断面積が大きいことが多い。この違いを入れずに計算すると、電源系の部品の温度が実測より 20% 程度高めに出たが、グランド層への接続の割合を考えると、全体で誤差 ±10% 以下になった^[1]。

実務での意味は二つある。一つは、部品を同じものに替えても、基板の層構成や配線が変われば温度が変わること。基板を設計変更したときや、別の工場で基板を作り直したときに発熱の問題が出たら、銅箔の厚さ、層の数、グランドにつながる面積の違いを確かめる。もう一つは、放熱を考えるときに、基板側の逃げ道も対策の候補になることである。ただしこれは小型機器での報告で、ヒートシンクを付けた部品のように上側へも大きく逃がす作りでは、上側の逃げ道とあわせて考える。部品と放熱器の間に挟む材料の選び方は放熱グリス・シートの選び方で扱っている。

筐体と空気の流れ——すき間と出口の位置で冷え方が変わる

機器の中の空気の流れも、熱の逃げ道である。富山県立大学の石塚勝氏の報告は、空冷の電子機器にはファンを使う強制空冷と、ファンを使わない自然空冷があり、自然空冷は冷やす力は低いものの、信頼性と騒音が出ない点で設計者の期待が高いとしている^[3]。自然空冷では温度差で流れが生まれるので扱いが難しく、設計用のデータも少ない^[3]。

その実験では、筐体の通風出口の位置を高くすると内部の温度上昇は減ったが、その変化はだんだん小さくなっていった。そして、ヒーターの位置と通風出口の間の距離が、煙突の高さのように流れを生む力として効くことが分かった^[3]。前出の今井氏らの研究では、電子基板を模した 2 枚の銅板の間隔（チャネル幅）を 10 mm と 15 mm で比べ、間隔が狭くなると熱抵抗が大きくなること、2 枚の加熱量の比が熱抵抗に強く影響することを報告している^[2]。

ここから、現場で起きがちな温度上昇の原因が見えてくる。

• 機器の上や横に物を置いて、通風口の出口がふさがれた
• 盤や筐体の中に部品を追加して、基板や部品の間隔が狭くなった
• 発熱の大きい部品を、出口から遠い低い位置に移した
• ファンやフィルタにほこりがたまり、流れが弱くなった

設計の段階では問題がなかった機器が、使ううちに熱くなった場合は、まずこうした設置と配置の変化を確かめる。

測り方で、温度は変わる

原因を切り分けるには測ることが前提になるが、表面温度の測定には誤差がつきものである。

熱電対は、貼り方で誤差が出る

名古屋工業大学の宮野秋彦氏らの論文（日本建築学会、1977 年）は、熱電対を表面に貼って温度を測るときの誤差の要因を、貼り付け材の放射の特性、貼り付け材の熱の伝わりやすさ、熱電対そのものを伝わる熱、の三つに整理している^[4]。そして誤差を小さくするための注意として、測る面と貼り付け材の放射率をできるだけ揃える、熱電対はできるだけ細いものを使う（使いやすさからは 0.2〜0.3 mm 程度）、貼り付ける長さを直径の 100〜150 倍以上とる、感温部と測る面の接触を確実にする、を挙げている^[4]。建物の壁の測定を対象にした論文だが、熱電対を表面に貼って測る点は同じで、太い熱電対を短く貼ると、熱電対そのものを伝わる熱の分だけ値がずれやすい。

放射温度計は、放射率の設定で値が変わる

放射温度計やサーモグラフィは、触れずに測れる便利な道具だが、測っているのは表面から出る赤外線の強さである。放射温度計の手引き（つくば舗装技術交流会、2019 年）は、物体から出る放射エネルギーの強さは温度だけでなく放射率という物体固有の値に左右されるので、正確に測るにはあらかじめ放射率を調べて温度計に設定する必要がある、としている^[5]。同じ手引きが文献から引いている放射率の例を挙げる^[5]。

同じ白い塗装でも 0.80〜0.95 と幅がある。表に無い材料、特に光沢のある面を測るときは、放射率を調べてから設定するか、黒色つや消しの塗料やテープで放射率の分かる面を作って測る。手引きは、ほかにも、測る範囲（標的サイズ）が対象より大きいと周りの物の温度まで含めてしまう「視野欠け」が起きること、保管場所から使う場所へ急に移すと温度計そのものの温度変化で値がずれるので外気に慣らすことを注意している^[5]。小さな部品をサーモグラフィで測るときは、視野欠けに特に気を付ける。

人が触れる面は、温度の基準が別にある

手で持つ製品や、作業者が触れる装置の外装では、部品の寿命とは別の基準で温度を考える必要がある。前出の新木氏らの報告は、比較的低い温度の物でも長く触れ続けると低温やけどの危険があるとし、当時の英国の規格 BS EN 563 から、60 分間触れ続けたときの低温やけどの限界温度を 45℃と紹介している^[1]。2007 年の報告が引いた値なので、使うときは今の規格を確かめる。

同じ報告は、人が触れている面は空気に触れている面より熱が逃げやすく、人が触れると機器の表面温度は数℃から 10℃程度下がると書いている。実際に手を当てた面の熱流束を測り、平均的な熱伝達係数として 127 W/(m²·K)（基準温度 35℃）を得ている^[1]。つまり、触れた状態と触れない状態で、表面温度が数℃から 10℃程度違う。触れる面の温度は、どちらの状態の値で判断するかを先に決めてから測る。

社内でできる切り分けの手順

外に頼む前に、社内で次の順に測ると、原因の系統がかなり絞れる。

1. 周りの空気の温度を、機器の近く（吸気口の手前など）で測って記録する
2. 問題の部品と、比較のための部品（熱くない部品、筐体の外面）の温度を、同じ方法で測る
3. 機器全体と、できれば問題の部品の消費電力を測る
4. 温度が落ち着く（定常になる）まで待ってから値を読む
5. 正常な機器や、問題が出る前の記録と比べる
6. 通風口をふさいでいないか、物を置いていないか、ほこりがたまっていないかを見る

消費電力が増えていれば「出る熱が増えた」、消費電力は同じで上がり幅が増えていれば「逃げ道が細くなった」、上がり幅は同じで周りが熱ければ「周りが熱くなった」と読める。電解コンデンサのように温度で寿命が大きく変わる部品が近くにあるなら、その部品の温度も測っておく（電解コンデンサの寿命の見方）。

外に頼むときに渡すもの・受け取るもの

社内の測定で手に負えないとき、外に頼む作業は大きく二つある。実物の温度分布や熱抵抗を測る熱測定と、設計案を比べるための熱解析である。どちらも、渡す情報の質で結果が決まる。前出の新木氏らは、解析の精度を確かめるのに、筐体内部の電子部品 25 点と外表面 15 点に熱電対を付けて温度を測り、主要な部品の電流を測って部品ごとの消費電力を求め、それを解析の発熱の入力にしている^[1]。部品ごとの消費電力が、解析の出発点になる。

測定と解析のどちらから始めるか迷ったら → 発熱について相談する

解析を頼むときの条件の決め方は伝熱解析で部品の温度を予測する、空気の流れまで解く場合はCFD 解析を外部に頼むときで扱っている。高温での耐久性を試験で確かめる場合は高温高湿試験を頼むときを参照してほしい。

よくある質問

ファンを強くすれば解決しますか

逃げ道が細くなっている場合には効くことがあるが、出る熱が増えている場合は根本の解決にならない。まず消費電力が変わっていないかを確かめる。ファンを足す前に、通風口の出口の位置や、基板と部品の間隔も見直す余地がある^[2][3]。

サーモグラフィで測った値と、熱電対の値が 10℃違います

どちらかが壊れているとは限らない。サーモグラフィは放射率の設定と視野欠けで値が変わり^[5]、熱電対は貼り方で値が変わる^[4]。同じ点を、放射率の分かる面（黒色つや消しの塗料やテープ）にして両方で測り、どちらがずれているかを確かめる。

同じ部品で作り直した基板だけが熱くなります

基板の層構成、銅箔の厚さ、グランドにつながる面積が変わっていないかを確かめる。小型機器の報告では、部品の熱の多くが端子から基板へ逃げており、基板が変われば部品の温度も変わる^[1]。

まとめ

発熱の問題は、出る熱が増えたのか、逃げ道が細くなったのか、周りが熱くなったのかに分けて調べる。そのために、部品の温度・周りの温度・消費電力を同じ条件で測り、温度そのものではなく上がり幅で比べる。基板と筐体の中の空気の流れは、どちらも熱の逃げ道として効く。測り方による誤差を避け、外に頼むときは部品ごとの消費電力と測定条件を揃えて渡すと、測定も解析も原因まで届きやすい。

関連する原因と対策の記事として、電磁界解析を外部に頼むとき、樹脂の劣化解析の進め方も参照してほしい。

出典・参考資料

1. 熱シミュレーションによる携帯電話の放熱設計（新木豊ほか／日本機械学会 熱工学コンファレンス 2007 講演論文集）
2. 垂直チャネル型電子機器モデルの自然空冷に関する研究（二壁面の加熱量が異なる場合）（今井亮児・西野泰史・中川慎二・石塚勝／日本機械学会 熱工学コンファレンス 2007 講演論文集）
3. 自然空冷式電子機器筐体からの放熱（流体抵抗に対する出口窓の位置と形状の影響）（石塚勝／日本機械学会 2001 年度年次大会講演論文集）
4. 熱電対による表面温度測定について（宮野秋彦・小林定教／日本建築学会論文報告集 第 253 号／1977 年）
5. 非接触型放射温度計を用いた舗装工事における表面温度管理の手引き（案）（つくば舗装技術交流会／2019 年 3 月）

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