Journal of the Heat Transfer Society of Japan
Vol. 59, No. 249
2020. 10

Thermal Science and Engineering

Vol. 28, No. 4
2020. 10

◆特集：エレクトロニクス機器の熱設計

http://www.htsj.or.jp/journals/1955.html
液冷ﾓｼﾞｭｰﾙ
cold plates

CPUﾊﾟｯｹｰｼﾞ

空冷部品(ﾒﾓﾘ･電源の一部等）

MEMﾒﾓﾘ

冷却水循環

空冷ﾋｰﾄｼﾝｸ
ﾓｼﾞｭｰﾙ
LSI制御部品

DC電源素子

冷却水配管

左 : 空冷方式システムボードの冷却

右 : 液冷方式システムボードの冷却

空冷方式は，冷却構造が単純で低コストであり，スパコンに対して今まで最も適用されている冷却方法である．液冷方式では，高い熱輸送特性を持つ液体冷媒（冷却水，不凍液，または不活性液体など）
が電子部品と間接（液冷モジュールで）または直接（部品浸漬）に熱交換を行い，空冷方式のような空気を介する熱交換は行わない．そのため，高い熱交換能力と電力効率の改善が可能であり，非常に注目されている．
（特集記事「スパコンの熱設計（魏 杰）」より）

o

117 C

(a)碁盤目配列o113 C(b)千鳥配列85℃

50℃

左 : 半導体レイアウト最適化による温度低減

インバータパワー密度（W/cc)

IGBT

120℃

絶縁基板

IGBT

絶縁基板

40

30

両面冷却方式
冷却水

放熱グリース 冷却フィン

冷却水

フィン付放熱ベース

第２世代
20
直接水冷方式10
間接水冷方式
0
1997

2005

第１世代
2008
（発売年度）

20112014

右 : インバータパワー密度増加トレンド

強電系のパワーモジュールでも鉄道用と自動車用は設計思想や冷却構造に違いがある．鉄道用は自動車用に比べるとモジュールあたりの電流が大きいため，モジュール内のパワー半導体の数が多くパワーモジュールサイズも大きい．個々のパワー半導体への電流アンバランスが生じないように端子や半導体のレイアウトは各社で工夫されている．
（特集記事「鉄道および自動車駆動用パワーエレクトロニクス冷却技術（堀内 敬介，西原 淳夫，中津 欣也）」より）
伝熱

2020 年 10 月

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

Vol. 592020

No. 249

October伝目熱次〈巻頭グラビア〉
魏堀内

杰（富士通アドバンストテクノロジ株式会社）
敬介，西原 淳夫，中津 欣也（日立製作所） ··········· 表紙裏〈特集：エレクトロニクス機器の熱設計〉
特集「エレクトロニクス機器の熱設計」にあたって ··················· 西 剛伺（足利大学） ··········· 1
ノートブック型パーソナルコンピュータ向けマイクロプロセッサの熱設計と熱制御······················································································· 西 剛伺（足利大学） ··········· 2
スパコンの熱設計 ·························· 魏 杰（富士通アドバンストテクノロジ株式会社） ··········· 9
パワーエレクトロニクス機器の熱設計 ―スイッチング電源装置の熱モデル化手法―······································································································ 小泉 雄大 ··········· 15鉄道および自動車駆動用パワーエレクトロニクス冷却技術·············································堀内 敬介，西原 淳夫，中津 欣也（日立製作所） ··········· 21
小形表面実装部品のための熱設計への取り組み －電子機器の熱設計手法の確立のために－············································································ 平沢 浩一（KOA 株式会社） ··········· 26〈ヒストリーQ〉
人と熱との関わりの足跡（その７） －「日本刀」における伝熱技術とその研究－···················································································· 芹澤 良洋（日本製鉄） ··········· 34〈委員会報告〉日本伝熱学会特定推進研究課題報告書···························· 特定推進研究企画委員会 花村 克悟（委員長・東京工業大学），
高田 保之（九州大学） ··········· 37〈海外レター〉
ロードアイランド大学滞在記··············································· 洪 定杓（鹿児島大学） ··········· 39〈行事カレンダー〉 ········································································································· 43〈お知らせ〉
日本伝熱学会創立 60 周年記念 第 58 回日本伝熱シンポジウム研究発表論文募集 ····················· 44
優秀プレゼンテーション賞（第 58 回日本伝熱シンポジウム）について ··································· 46
日本伝熱学会ロゴの募集·································································································· 47
日本伝熱学会主催 オンライン講習会「計測技術〜測定の基礎と最新の非接触計測技術〜」受講者募集のご案内 ···························· 48
・事務局からの連絡····································································································· 49〈編集出版部会ノート〉 ·································································································· 53

Vol. 59，No. 249，October 2020
CONTENTS＜Opening-page Gravure: heat-page＞
Jie WEI (Fujitsu Advanced Technologies Limited)
Keisuke HORIUCHI, Atsuo NISHIHARA, Kinya NAKATSU (Hitachi, Ltd.) ꞏꞏꞏꞏOpening Page

＜Special Issue: Thermal Design of Electronics Equipment＞
Preface to the Special Issue on “Thermal Design of Electronics Equipment”
Koji NISHI (Ashikaga University) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 1
Thermal Design and Thermal Control of The Microprocessor for Notebook Personal Computer
Koji NISHI (Ashikaga University) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 2
Thermal Design of Supercomputers
Jie WEI (Fujitsu Advanced Technologies Limited) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 9
Thermal Management Technologies of Power Electronic Equipment- Thermal Modeling Method for Switch Mode Power Supply Katsuhiro KOIZUMI ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 15
Cooling Technologies of Power Electronics for Railway System and Electric Vehicles
Keisuke HORIUCHI, Atsuo NISHIHARA, Kinya NAKATSU (Hitachi, Ltd.) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 21
Thermal Design Approach for Small Surface Mount Components- To Establish New Thermal Design Methodology for Electronic Devices Koichi HIRASAWA (KOA CORPORATION) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 26＜History Q＞
Footprints of the Relationship Between Humans and Heat (Part 7)- Study of Heat Transfer in Making of the Japanese Sword Yoshihiro SERIZAWA (NIPPON STEEL CORPORATION) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 34＜Committee Report＞
Report of Specific Promotion Researches in Heat Transfer Society of Japan
Specific Promotion Research Planning Committee:
Katsunori Hanamura (Chairperson, Tokyo Inst. Tech.)Yasuyuki TAKATA (Kyushu University) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 37＜International Letter＞
A Diary in University of Rhode Island
Chungpyo HONG (Kagoshima University) ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 39＜Calendar＞ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 43＜Announcements＞ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 44＜Note from the JHTSJ Editorial Board＞ ꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏꞏ 53

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

特集「エレクトロニクス機器の熱設計」にあたって
Preface to the Special Issue on “Thermal Design of Electronics Equipment”

西 剛伺（足利大学）
Koji NISHI (Ashikaga University)e-mail: nishi.koji@v90.ashitech.ac.jp
続く 2 件は，パワーエレクトロニクスの熱設計に関するものです．電子部品レベルの熱設計に関する内容として，長年電源メーカで電源の熱設計に携わられてきた小泉雄大氏に，スイッチング電源と電子部品のモデル化手法について解説頂きました．続いて，システムレベルの熱設計に関する内容として，株式会社日立製作所の堀内敬介氏らに，鉄道および自動車駆動用パワーエレクトロニ
クス冷却技術について解説頂きました．
最後の 1 件は，電子部品の中でも，縁の下の力持ちである微小電子部品に関するものです．世界有数のチップ抵抗器メーカ KOA 株式会社でチップ抵抗器を中心に微小電子部品の熱設計に携わっていらっしゃる平沢浩一氏に，微小電子部品独特の課題や考え方等について解説頂きました．
いずれの記事もアプリケーションやサイズに起因する独特の要件や課題，熱設計の取り組みをご紹介頂いており，それぞれの熱設計の特長を感じて頂けるものと思います．
電子機器はさまざまな要素技術によって構成されていますが，本誌の過去の特集にも，電子機器の冷却，熱設計に関連するものが取り上げられています．直近のものでは，2020 年 1 月号「特集：接触熱抵抗の評価と低減 －基礎研究と実用化の進展－」，2020 年 7 月号「特集：ポーラス体内における伝熱・流動・物質輸送現象と応用の最前線」
があります．その他，2012 年 10 月号「特集：古くて新しいヒートパイプ」，2013 年 7 月号「特集：スーパーコンピュータと伝熱」，2015 年 7 月号「特集：赤外線サーモグラフィによる熱計測」についても，併せてご覧頂くことで，近年の研究の傾向に関して，理解を深めることができると思います．
最後になりましたが，各稿の著者の皆様には，ご多忙にも関わらず原稿執筆をお引き受け頂きまして，誠にありがとうございました．この場を借りて感謝申し上げます．

コロナ禍において，新たな生活リズムに慣れる
必要性に迫られていることと思います．在宅勤務や遠隔教育が導入されるようになり，パーソナル
コンピュータやタブレット端末といったコンピュータの需要が再び伸びています．また，感染者数の予測，飛沫感染防止のためのシミュレーション
では，スーパーコンピュータの存在は不可欠でしょう．一方，2010 年代後半以降，クルマの電動化
や EV（Electric Vehicle）の普及と相まって，パワーエレクトロニクスの重要性が日に日に増しています．このような中，電子機器の冷却や熱設計に関する特集を組む運びとなりました．電子機器を
メインテーマとして本誌で特集が組まれるのは，2008 年 4 月号「特集：電子機器の冷却」以来，12年ぶりです．
本特集では，電子機器の中でも，上述の背景か
らコンピュータとパワーエレクトロニクスの熱設計をメインテーマとすることと致しました．一つ一つの電子部品は大きいものでも手のひらに載る
ようなサイズですが，システムレベルになると，スーパーコンピュータのように建物丸ごとの大きさになるものもあります．そこで，①コンピュー
タとパワーエレクトロニクスという 2 つのアプリ
ケーション，②電子部品レベルとシステムレベルという 2 つのスケール，の観点から 5 つの記事をそれぞれの分野の専門家にご執筆頂きました．
最初の 2 件は，コンピュータの熱設計に関するものです．電子部品レベルの熱設計に関する内容
として，ノートブック型パーソナルコンピュータ
で使用されるマイクロプロセッサの熱設計・熱制御について小生が解説させて頂きました．続いて，システムレベルの熱設計に関する内容として，京を始めとするスーパーコンピュータの熱設計に携わっていらっしゃる富士通アドバンストテクノロ
ジ株式会社の魏杰氏に，スーパーコンピュータの熱設計について解説頂きました．

伝熱2020 年 10 月

-1-

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

ノートブック型パーソナルコンピュータ向けマイクロプロセッサの熱設計と熱制御
Thermal Design and Thermal Control of The Microprocessor for Notebook Personal Computer

西 剛伺（足利大学）
Koji NISHI (Ashikaga University)e-mail: nishi.koji@v90.ashitech.ac.jp
ップと呼ばれる微小なはんだボールを介して，パッケージサブストレートに接続し，パッケージサ
ブストレート内で再配線されて，BGA（Ball Grid
Array）と呼ばれるはんだボールを介して，マザーボードに接続される．マイクロプロセッサに供給される電気エネルギーは，ほぼすべてがシリコン
ダイ底面に形成された回路で消費され，発熱する．
後述するように，その発熱量は高負荷時には数＋W に至る．そのため，シリコンダイ上面にサーマ
ルグリース等の TIM（Thermal Interface Material）
を塗布して，その上に放熱機構を装着することで，シリコンダイ底面に形成された回路を冷却することになる．
シリコンダイは 0.8mm 程度の厚みのシリコンウェハから作られるが，近年では，厚み方向に削って薄くする加工がなされる．図 2 に近年のマイクロプロセッサパッケージの例を示す．図 1 には示していないが，シリコンダイの保護のため，パッケージサブストレート上面にメタルプレートがリング状に取り付けられている．
2.2 マイクロプロセッサの消費電力
1990 年 代 後 半 に は ， CMOS （ Complementary
Metal-Oxide-Semiconductor）技術が飛躍的に進歩し，現在に至るまでマイクロプロセッサは CMOS 技術を用いて実装されている．

１．はじめにコロナ禍において，企業では在宅勤務が中心に，教育現場では遠隔教育が増える等，以前にも増してパーソナルコンピュータ（Personal Computer，
以下，PC）の活躍の場が増えている．また，ウィ
ルス飛散状況の把握や新薬開発において，コンピュータシミュレーションは今や不可欠であり，スーパーコンピュータを始めとする大規模計算機資源の重要性が再認識されている．
コンピュータの消費電力は，そのほとんどが熱となる．しかもコンピュータの心臓部であるマイクロプロセッサを始めとする半導体の消費電力には温度依存性がある．つまり，温度が高くなるほど消費電力が増え，その熱によってさらに温度が上がる，という悪循環を引き起こす．そのため，機器を安全に運用するという観点だけでなく，省エネ化を促進し，持続的社会を実現するためにもコンピュータの「伝熱」に関する取り組みが重要となっている．
筆者は過去約 10 年間，マイクロプロセッサメー
カに在籍し，主にノートブック型 PC（以下，ノート PC）の熱設計や熱制御に携わってきた．現在は電子機器の小型・省エネ化をテーマとして教育研究を実施している．本稿では，身近ではあるものの，意外と知られていない，ノート PC 向けマイクロプロセッサの熱設計と熱制御を直近の約 20
年間の歴史とともに解説する．
２．パッケージ構造と消費電力
2.1 マイクロプロセッサのパッケージ構造
近年のノート PC 向けマイクロプロセッサパッ
ケージの構造を図 1 に示す．パッケージ上面中央に見えるのがシリコンダイである．CPU（Central
Processing Unit）等の集積回路は，シリコンダイ底面に形成されている．電源を含む電気信号は，シ
リコンダイ底面に形成された回路からフリップチ

伝熱2020 年 10 月

図1

-2-

マイクロプロセッサパッケージの構造と回路のイメージ

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
2 乗にも比例して増えていくことになる．
式（1）の第 2 項はリーク電流による消費電力である．微細化が進む中で，リーク電流の影響は大きくなっており，また，リーク電流は温度依存性を有する．つまり，使用温度範囲において，温度が高くなるほど，リーク電流は大きくなり，消費電力が増えてしまう．
マイクロプロセッサには，CPU コアや GPU，内部バス，I/O（Input Output）等，異なる電源電圧で動作する CMOS 回路が混載されており，各 CMOS
回路の消費電力の総和がマイクロプロセッサの消費電力，つまり，発熱量となる．

図 2 マザーボードに実装されたマイクロプロセッサパッケージの例
CMOS 回路は MOS トランジスタによるスイッチを介してコンデンサに電荷を充放電することで0 と 1 という 2 種類の状態を作り出し，デジタル回路の機能を実現している．この充放電に要するエネルギーは極めて小さいが，近年のマイクロプ
ロセッサには，7nm という半導体微細化技術が適用され，100～250mm2 程度のシリコンダイに，数十億～100 億個のトランジスタが集積される．一つ一つの MOS トランジスタは省エネな半導体素子であっても，シリコンダイに集積される CMOS
回路全体で考えると，その消費電力は大きい．
CMOS 回路では電源から投入された電気エネル
ギーのほぼすべてが熱となる．CMOS デジタル回路の消費電力，つまり，発熱量 PCMOS は，
2

PCMOS  aCloadVDD f op  I leakVDD

３．ノート PC の熱設計
3.1 従来の発熱量（TDP）の考え方
エンドユーザは PC を購入後，さまざまなアプ
リケーションソフトウェアをインストールして使用する．アプリケーションソフトウェアによって，式（1）で示した CMOS 回路の動作率 a が異なる
ため，結果として，マイクロプロセッサの発熱量
もアプリケーションソフトウェアによって異なる．
PC 向けのマイクロプロセッサでは，古くから熱設
計用の消費電力値としてマイクロプロセッサメー
カが TDP（Thermal Design Power）を提供してきた．
そして，PC メーカは TDP を用いて，PC の熱設計を実施する．
TDP は，ジャンクション温度上限，定格電源電圧，定格動作周波数における消費電力値である．
マイクロプロセッサメーカは，マイクロプロセッ
サの設計情報，前世代のマイクロプロセッサで実測した消費電力データを基に TDP を見積もり，最終的には，実機でのテストを経て，TDP を仕様として定めてきた．
2000 年代初頭は，マイクロプロセッサの性能とともに消費電力が増大した時期であった．装置として容積が大きく，ファン付きヒートシンクをマ
イクロプロセッサの直上に装着できるデスクトッ
プ PC と，筐体が比較的薄く容積の小さいノート
PC では，許容できる発熱量が大きく異なる．そこ
で，デスクトップ PC とノート PC に使用されるマ
イクロプロセッサには異なる TDP が設定され，別々のカテゴリとして分類されるようになった．
デスクトップ PC 向けのマイクロプロセッサでは，2000 年代中頃から一貫して，標準の TDP が（1）で表される[1]．ここで，a は動作率，Cload は CMOS
回路の負荷容量，VDD は電源電圧，fop は動作周波
数，Ileak はリーク電流である．
式（1）の第 1 項はコンデンサの充放電による消費電力であり，デジタル回路が動作する際に消費する．動作率 a は回路全体のうち，0 と 1 の間で値が変わる，つまり，スイッチング動作している
割合を示すパラメータで，この値が大きいアプリ
ケーションソフトウェアほど，消費電力が大きい．
また，CPU コアやグラフィックス処理を担う GPU（Graphics Processing Unit）は動作周波数が高いほど処理能力も高くなるが，動作周波数を上げるに
は電源電圧も上げる必要がある．そのため，CPU
や GPU の性能を向上させようとすると，消費電力
は動作周波数に比例するだけでなく，電源電圧の伝熱

2020 年 10 月

-3-

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
100W 前後に設定されている．一方，ノート PC 向けのマイクロプロセッサの TDP は 2000 年代中頃
までに 35W が標準になった．ノート PC では，動作周波数，つまり，性能をある程度，犠牲にする
ことで，発熱量を抑えていると言える．
3.2 ノート PC の熱設計の基本的な考え方
マイクロプロセッサの動作温度上限は，半導体の信頼性の観点，電気的特性の観点から，通常，
100℃前後に設定されている．つまり，マイクロプ
ロセッサが温度上限を超えないように，ノート PCの熱設計を行うことになる．
マイクロプロセッサのジャンクション温度 TJ
は，

TJ  Rth , JA  P  Trise  TA

（2）

図3

で求められる．ここで，Rth, JA は PC 筐体内の熱抵
抗，P はマイクロプロセッサの発熱量，ΔTrise は筐
体内の温度上昇，TA は環境温度で通常は室温である．
ノートパソコンの使用温度上限となる室温は，通常，35℃である．また，ノート PC のような薄型設計の筐体では，デザインにもよるが，筐体内の温度上昇は 10℃前後である．
ここで，P を 35W，
TA を 35℃，ΔTrise を 10℃とすると，TJ を 100℃以下に抑えるには，式（2）より熱抵抗 Rth, JA を
1.57℃/W 以内に抑える必要がある．ノート PC のような薄型筐体では，1.57℃/W を自然空冷で実現
することは難しく，強制空冷が必須となる．ノー
ト PC では，その薄い筐体内で効率的に強制空冷を行うため，RHE（Remote Heat Exchanger）が採用されるようになった（図 3）．
RHE は，マイクロプロセッサのシリコンダイの上部にヒートスプレッダを設置し，扁平型ヒートパイプを介して，マイクロプロセッサの熱をフィン側に伝え，そのフィンに横吹き出しのファンから空気を送り込むことで冷却する．
3.3 温度センサの搭載と温度制御
2000 年代に入ると，前述の通り，マイクロプロ
セッサの発熱量が大きくなり，PC を安全に運用する観点から，ジャンクション温度を監視する必要性が生じてきた．そして，ジャンクション温度を測定する手段として，サーマルダイオードがシリコンダイに埋め込まれるようになった．サーマル
ダイオードは，半導体の pn 接合部の順方向の電伝熱2020 年 10 月

図4

RHE の例

温度センサによるファン制御

圧降下が有する温度依存性を利用したもので，シ
リコンダイのジャンクション温度（つまり，最高温度となる箇所）に近い位置にバルクで埋め込まれる．外部回路から定電流を流した際の電圧を，事前に取得しておいた電圧-温度特性のテーブル
で温度に換算する．サーマルダイオードは高温時の温度を監視するだけでなく，取得した温度を用いて，マザーボードに搭載されたマイクロコント
ローラ IC（Integrated Circuit）から RHE のファン
回転数を制御するのにも使用されるようになった（図 4）[2]．
2000 年代後半になると，PC 向けのマイクロプ
ロセッサの温度センサは，サーマルダイオードから半導体回路による温度センサ（On-die Thermal
Sensor）に移行していった[3]．半導体の微細化が90nm→65nm→45nm と進展していく中で，サーマ
ルダイオードによる測定に大きな誤差が生じるようになったためである．ちょうどこの頃，PC 向け-4-

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
マイクロプロセッサには，CPU コアが 2 つ以上搭載されるようになり，シリコンダイの端部近辺にしか埋め込むことができないサーマルダイオード
では，ジャンクション温度に近い位置で測定できないという課題も背景にあった．半導体回路による温度センサはマイクロプロセッサの CMOS 回路の一部として実装されている．そのため，マイクロプロセッサ「自身」がジャンクション温度を直接監視できるようになった．

マイクロプロセッサを含む電子部品についても，
パッケージ内部の伝熱構造を熱回路網による等価回路で表現するコンパクト熱モデル（Compact
Thermal Model，以下，CTM）[8]が定義され，使用されている．従来の CTM には，2 抵抗モデル[9]や DELPHI モデル[10]があり，詳細なモデルと比べてはるかに少ない計算量で温度予測が可能である．しかし，いずれのモデルも CPU のマルチコア
化や GPU を混載した場合のように，シリコンダイ
回路面の発熱に大きな分布が生じる前に規格化されたモデルであり，発熱分布を有し，かつ複数の温度モニタポイントを設定できる構成にはなっていない．そこで，著者らは，複数の CPU コアや
GPU が混載されるマイクロプロセッサの，シンプ
ルかつ高精度な温度予測を目的として，図 8 に示す新たな CTM を提案した[11]．従来の CTM は，すべての熱抵抗が固定値だったのに対して，3 つの熱抵抗のうち，2 つを境界条件の変化により値が変化する可変熱抵抗としてモデル化している点に特徴がある．図 9 はシリコンダイ回路面の発熱分布が異なる 3 つのケース（A，B，C）について，
パッケージ境界面の温度分布に相当する熱伝達率４．マイクロプロセッサの温度予測
4.1 シリコンダイの発熱密度と温度分布
従来，マイクロプロセッサの発熱は，シリコンダイの回路面における均一面発熱として扱われ，
ジャンクション温度は回路面中央とされてきた．
ノート PC 向けのマイクロプロセッサのシリコン
ダイ面積は 2000 年代中頃以降，歩留まり等の観点
から 100mm2～250mm2 程度で推移しており，この中に CPU コア，内部バス，I/O 等が集積されている．TDP に近い状態では，これらの各エリアの発熱密度は大きく異なり，シリコンダイ回路面に温度分布が生じる．2010 年代に入ると，1 つのシリ
コンダイの中に複数の CPU コアが搭載され，GPU（Graphics Processing Unit）も混載されるようになった[4, 5]．
実用的な精度でマイクロプロセッサのジャンク
ション温度を予測する場合，3 次元熱シミュレー
ションを実施するのが一般的である．回路のフロ
アプラン（CPU コアや GPU 等の配置情報）を基に，シリコンダイの回路面に発熱密度の異なるエリアを複数設定するとともに，回路面の複数箇所に温度モニタを設ける等，マイクロプロセッサパ
ッケージは，詳細な 3 次元形状としてモデル化する必要がある．しかし，このような詳細なモデル化は結果として，マイクロプロセッサパッケージだけでも 1000 万を超えるメッシュ数が必要とな
り，シミュレーション実行時間及びメモリ使用量の観点からかなり高性能な計算機資源が必要となってしまう．一部を簡略化したモデルも存在するが，その場合には温度予測精度に影響が出てしまう．
4.2 コンパクト熱モデルの提案
3 次元熱シミュレーションとは異なる温度予測の手法として，電子機器設計の現場では，以前か
ら熱回路網による温度予測[6, 7]が行われてきた．

伝熱2020 年 10 月

図8

図9

-5-

マイクロプロセッサのコンパクト熱モデル

境界条件の違いによる熱抵抗の変動例

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
残されていた．ノート PC 筐体の表面温度管理である．薄型化により，マイクロプロセッサの熱が筐体表面に伝わりやすくなってしまい，ノート PCの表面温度の管理が厳しくなったのである．これを解決する方法として，マイクロプロセッサに消費電力制限機能が付け加えられた．PC 表面温度が高くなった際に，使用できる P-state を，OS ではなく，マイクロプロセッサ自身が制限するもので，消費電力制限がかかってしまうと PC の性能も落ちてしまうことになる．薄型のデザインと性能及び表面温度管理の両立には，非定常熱シミュレー
ションによる熱設計及び熱制御の検証が必要となった．
図 10 は非定常熱シミュレーションと実測結果を比較した例である[15]．ノート PC には，表面温度計測用の温度センサが搭載されるとは限らない．
そのため，マイクロプロセッサのジャンクション
温度と表面温度の相関をとり，ジャンクション温度を基に，表面温度を管理する必要があった．図
10 では，ジャンクション温度が 70℃を超えた際に，65℃を下回るまでの間，消費電力制限がかかる設定となっている．100 秒付近で消費電力制限がかかり，数 10 秒間，ジャンクション温度だけでなく，ヒートシンクやマザーボードの温度も下がっていることが分かる．

を変化させた際の熱抵抗の変化を示した例である．
５．マイクロプロセッサの電力・熱制御機能
5.1 P-state と初期の電力制御
PC では，1990 年代終わり頃に ACPI（Advanced
Configuration and Power Interface）と呼ばれる電源管理の仕組みが取り入れられ，Windows 等の OS（Operating System）がシステムの電源管理を担うようになった．ACPI では，動作時のマイクロプ
ロ セ ッ サ の 電 力 制 御 に P-state （ Processor
Performance State）を用いる．P-state は CPU コアの電源電圧 VDD と動作周波数 fop の組として定義されており，実行するアプリケーションソフトウェ
アの有無や負荷の状況によって，OS が各 CPU コ
アの P-state を変更する．定格が P0 で，動作周波数，つまり，性能が高い順に P1，P2，P3 と続く．
表 1 に 3 つの P-state を有する場合のイメージを示す．各 P-state には，TDP も付記した．式（1）より VDD と fop を変更することで，マイクロプロセッ
サの消費電力が変化する．P-state は，OS 管理の下，
性能と消費電力，つまり，発熱量のトレードオフを採っている仕組みであると言える．
5.2 ノート PC の薄型化と消費電力制限
2000 年代のノート PC 向けマイクロプロセッサの TDP は，前述の通り，35W であり，熱設計や使用される部品の高さや配置の制約から，標準的なノート PC の筐体の厚みは， 1 インチ（25.4mm）
を超えていた．ここで，厚みとは，PC 本体底面から液晶ディスプレイを閉じた状態での液晶ディスプレイ背面（上面）までの高さである．しかし，2010 年代に入ると，ノート PC の薄型化が急激に進展した．マイクロプロセッサメーカが TDP を
17W（35W の約半分）から 35W まで設定変更できる製品[12, 13]や TDP を 15～20W に抑えた製品[14]をリリースしたためである．これと同時に，ノート PC が薄型化しやすくなるよう，マイクロプ
ロセッサパッケージも，それまでの，ソケットを介してマザーボードに装着する，PGA（Pin Grid
Array）からマザーボードに直接実装する BGA に主流が移った．また，この頃からシリコンダイも厚み方向に削って薄くするようになり，現在の図2 のような外観となった．
以上により，1 インチを切るノート PC の実現が可能になったものの，薄型化にはもう一つ懸念が伝熱2020 年 10 月

表1

P-state
P0
P1
P2

図 10

-6-

P-state のイメージ

VDD [V]
1.20
1.10
1.00

fop [GHz]
2.50
2.00
1.00

TDP [W]
35.0
26.5
17.0

P2 による消費電力制限

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

5.3 ブーストによる性能向上と近年の TDP の概念
ノート PC 向けのマイクロプロセッサに，GPUが混載されるようになると，TDP の考え方に変化が生じてきた（図 11）．GPU が搭載されていなかったときには，CPU のみが性能と消費電力が大きく変動する要因であった（図 11 の「従来の TDP」）．
一方，マイクロプロセッサに GPU が混載される場
合，TDP は CPU コアと GPU の双方に一定の負荷がかかる状態を想定して設定される（図 11 の「GPU 混載時の TDP」）．そのため，グラフィック
ス機能をあまり使用していなければ，CPU に TDP
相当の負荷がかかっていたとしても，マイクロプ
ロセッサの消費電力は TDP より小さくなる．このとき，「余った」電力を CPU コアに割り振ることができれば，CPU コアの性能を上げることができる．これを「ブースト」と呼ぶ．
CPU コアの消費電力は，アプリケーションソフ
トウェアによる負荷の状況で，急激に変動する可能性があり，ブーストの制御には即応性が求められる．
そのため，従来の電力制御では，
OS が P-stateを変更していたのに対して，ブーストでは，マイクロプロセッサが OS を介さずに自律的に電力制御を行う必要がある．2010 年代に入ると，式（1）に相当する計算を行うことで，消費電力を見積もる機能がマイクロプロセッサに内蔵されるようになり，その機能を用いることでブーストが可能になった[4, 5]．
当初のブーストは式（1）の第 1 項による変動を加味して消費電力を求め，消費電力が TDP に収まる範囲で CPU コアの動作周波数と電源電圧を引き上げる機能であった（図 11 の「TDP 内の CPU
ブースト」）．なお，電気的特性とは異なり，マイクロプロセッサのジャンクション温度は熱容量の影響から比較的ゆっくりと変動する．そのため，
ジャンクション温度が十分低い場合には，発熱量
が TDP を超えていたとしても即座にジャンクシ
ョン温度上限に至ることはない．そこで，ジャンクション温度が十分低い場合には，TDP を超えて動作できるようにブーストが拡張された（図 11の「ブースト上限内の消費電力」）[5]．この頃，すでに半導体の微細化技術と回路設計技術によって，ノート PC 向けマイクロプロセッサは 4GHz程度まで動作周波数を上げても，電気的特性の観点からは十分機能するようになっていた．それを伝熱2020 年 10 月

図 11

TDP とブースト時の消費電力のイメージ

条件付きで利用可能にする技術としてブーストが実装されたとも言える．そして，ブーストの導入
は，TDP の概念も変えていった．最新のマイクロプロセッサにとって，TDP は，従来の絶対的な発熱量の指標から，ブースト可否を判定するための，しきい値の一つに過ぎなくなったわけである．
その後，GPU のブーストも可能になった[14]．
また，ジャンクション温度を参照することで，式（1）の第 2 項であるリーク電流の増減も精緻に見積もることができるようになった[16, 17]．これにより，より細かい粒度でのブーストの制御が可能になり，例えば，2018 年に発表された AMD 社のRaven Ridge APU（Ryzen Mobile 2000 シリーズ）
では 25MHz 単位で性能と消費電力のバランスをとるようになった[17]．
現在に至るまで，ノート PC の熱設計は TDP を指標として実施されている．一方で，より長くブースト状態を保つには，非定常状態も考慮した熱設計・熱制御が必要となる．現在はまだその途上にあると言える．
６．まとめ
本稿では，ノート PC 向けマイクロプロセッサの熱設計と熱制御をその歴史とともに解説した．
身近な存在であるノート PC に使用されているマイクロプロセッサは，約 20 年の間に大きく進化し，高性能化と薄型化の両立を図るブーストが実装されるようになった．本稿で紹介したマイクロプロ
セッサの機能は，エレクトロニクス分野全般に適用可能な要素技術であり，今後のエレクトロニク
ス機器の熱設計の益々の発展を期待したい．

-7-

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計[9] JEDEC Standard, Two-Resistor Compact Thermal
Model Guideline, JESD15-3 (2008).
[10] JEDEC Standard, DELPHI Compact Thermal
Model Guideline, JESD15-4 (2008).

参考文献[1] 西剛伺，マイクロプロセッサのダイ周りの非定常熱伝導シミュレーション，日本伝熱学会
論文集，20-2 (2012) 27.
[2] 国峯尚樹，最新熱設計手法と放熱対策技術，
シーエムシー出版 (2011).
[3] Owen, J., Next-Generation Mobile Computing:
Balancing Performance and Power Efficiency, Hot
Chips 19 (2007).
[4] Rotem, E. et al., Power management architectureof the 2nd generation Intel® Core™
microarchitecture, formerly codenamed Sandy
Bridge, Hot Chips 23 (2011).
[5] Foley, D. et al., AMD’S “LLANO” Fusion APU,
Hot Chips 23 (2011).

[11] 西剛伺，畠山友行，中川慎二，石塚勝，1 次
元熱回路網によるマイクロプロセッサのコン
パクト熱モデルの提案，エレクトロニクス実装
学会誌，22-4 (2019) 291.
[12] Jahagirdar, S., Architecture and power
management of the Third generation Intel Core
micro architecture, Hot Chips 24 (2012).
[13] Nussbaum, S., AMD “TRINITY” APU, Hot
Chips 24 (2012).
[14] Bouvier, D., AMD “Kabini” APU SOC, Hot
Chips 25 (2013).
[15] 西剛伺，畠山友行，石塚勝，消費電力制限機能を有するマイクロプロセッサの非定常熱伝
導シミュレーション，電子情報通信学会論文
誌 C，J96-C-11 (2013) 419.
[16] Doweck, J. Kao, W., Inside 6th generation Intel
Core Code Name Skylake, Hot Chips 28 (2016).
[17] Bouvier, D., Gibney, J., Arora, S. and Branover,
A., AMD Ryzen™ Processors with Radeon™
Vega Graphics 7, Hot Chips 30 (2018).

[6] 石塚勝, 福岡義孝, マルチチップパッケージ
基板の過渡温度上昇，日本機械学会論文集 B
編, 52-476 (1986) 1772.
[7] 加賀邦彦，山田賢一，古藤悟，大串哲朗，熱回路網法による空気調和用熱交換器性能の予測（冷媒側静圧分布の影響を考慮した修正有効比熱モデル），日本機械学会論文集 B 編，
67-654 (2001) 189.
[8] JEDEC Standard, Compact Thermal Model
Overview, JESD15-1 (2008).

伝熱2020 年 10 月

-8-

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

スパコンの熱設計
Thermal Design of Supercomputers魏１．はじめに
近年，IoT や AI 関連技術の急速な発展と普及に伴い，スマートデバイスからスーパーコンピュータ
システム（スパコン）まで，ICT（情報通信技術）
機器の高性能化が求められ続けている．それぞれの高性能化を支えるのは電子装置における高密度実装技術の推進であり，中でも，最も進化しているのは最先端技術の結晶とも言われるスパコンに向けた実装技術だと考えられる．表 1-1 は，今年６月に世界一に輝いたスパコン「富岳」と約９年前に世界一だったスパコン「京」の計算性能と実装特性の比較である[1]．
「富岳」の実行性能（High Performance
LINPACK ベンチマーク）は「京」の 40 倍であり，実装密度を反映する半導体プロセス・テクノロジ（配線間隔・ゲット幅）は 45 から 7 nm（ナノメー
トル）に微細化され，システムが搭載する CPU コ
ア数が 10 倍に増えた．同時に，システム消費電力
は 2.2 倍，演算効率は約 20 倍の向上と予測されている．
一方，高密度実装の進展に伴い，半導体や電子部
品の発熱密度も増大しつつあり，スパコンの安定稼働を保証する熱対策技術を実現するため，厳しいチ
ャレンジに臨んでいる．高密度実装では，半導体だ
けではなく，装置を構成する様々な LSI パッケージと基板がより高密度に実装されるため，部品から装杰（富士通アドバンストテクノロジ株式会社）
Jie WEI (Fujitsu Advanced Technologies Limited)e-mail: jwei@fujitsu.com

置・システムまであらゆるレベルで，冷却性能と冷却能力の向上が求められている．また，高性能化と共に，スパコンを含む ICT 機器やシステムの消費電力，或いはエネルギ使用量の増大は既に世界的な問題となり，冷却を含む電力利用の効率化，並びに省エネ技術の革新や環境資源の有効利用が業界から強く求められている．
スパコンの熱設計において，高密度実装に向けた冷却能力の向上と省エネを求める冷却の効率化は最も重要な課題と言える．更に，熱設計の目的は，電子部品を冷やすことだけではなく，計算機装置と設置環境の温度管理により，安全稼働を保証した上で，冷却を超えてシステムの信頼性向上と消費電力削減，更なる保守性と運用性の改善にも大いに期待が寄せられている．
本稿では，スパコンにおける計算機装置の熱設計を中心に，装置の設置環境であるデータセンターの熱管理を含め，高密度実装に向けた冷却方式とそれぞれの技術的特徴を分析し，設計思想と適用事例を交えながら関連技術の方向性と実施効果を具体的に説明する．
２．熱設計について
スパコンを設置する計算機ルームやデータセン
ター（DC：Data Center）での熱管理は，図 2-1 に示
外部/設置環境温度

部品/装置動作温度

表1-1 スパコン計算性能と実装特性の比較
スパコン

京

富岳

HPL性能 PF

10.5

415.5

CPUﾃｸﾉﾛｼﾞ nm

45

7CPUｺｱ数 M

0.77.3

消費電力 MW

12.7

28.3

演算効率 GF/W

0.8

14.7

伝熱

2020 年 10 月

外部放熱

空調/冷却水供給

空冷/液冷装置

図2-1 スパコン冷却システムの基本構成-9-J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

すように，計算機装置の冷却と設置環境（冷媒を供給する施設空調と冷凍設備を含む）における冷媒の熱交換により構成される[2]．電子部品からの発熱は，装置内の冷却構造から設置環境で循環する冷却空気または冷却水に吸収され，施設空調や冷凍設備
での熱交換を経由して外部環境に排出される．
従って，電子部品の冷却は装置内で独立している
わけではなく，冷媒の流動と熱交換および温度要求により，設置環境と緊密に繋がって一体化している．
冷却能力と効率化要求のため，システム的に互いに強く影響し合っている．熱設計では，装置と環境を組み込んだ状態で温度要求を満たす電子部品の安全稼働を保証するために，部品間熱伝導と冷媒熱交換による最適な冷却構造と装置およびシステム構成を構築することによって，部品から外部環境までの高効率放熱プロセスの実現を目指している．
2.1 装置冷却の基本構成
図 2-2 に，電子部品を代表する LSI/CPU パッケ
ージ冷却の基本構造を示す．CPU の発熱量の 90％以上は，伝熱部材と接合層を介して，放熱部品である空冷ヒートシンク（HS：Heat Sink）または液冷コールドプレート（CP：Cold Plate）に伝わり，更に設置環境で循環する冷却空気または冷却液体に放熱される．通常，CPU からの高密度熱流は伝熱部材（Heat Spreader）にて拡散され，各部材接触面での熱抵抗は熱接合材（TIM：Thermal Interface Material）の埋め込みにより低減される仕組みを採っている．
装置の熱設計では，CPU など発熱部品からの吸熱能力と実装された基板や筐体から設置環境への放熱能力，及びそれぞれの部品や構造の適用性と効率を評価する．熱対策の鍵になるのは，冷却方式（空冷または液冷）の選択と関連冷却部品の効率化設計（機能性，実装性，適合性および保守性を含む）と考えられる．
設置環境との熱交換については，施設における空チップ動作温度 Tj

表2-1 ASHRAE計算機設置環境温度ガイドライン

PKG Tc

熱接合層 Ttim-2
熱接合層 Ttim-1

PKG基板
LSIチップ

修正年代

PKG 熱抵抗構成

設置環境 Tf（空気・冷水）調と冷凍設備を含め，装置への冷却を十分に提供しながら，各設備間熱交換効率の向上と外部環境への自然冷却（Free Cooling）の利用により，冷却用消費電力を最大限に削減することを目標とする．
2.2 熱設計における温度管理
部品吸熱から環境放熱まで，高性能且つ効率の良い熱設計を実現する上で，各構成部品の温度管理は設計の基本であり，装置の安全稼働だけではなく，冷却能力と熱交換効率，更にシステムの信頼性や消費電力にも大きく影響する．中でも，最も重要なのは電子部品の動作温度 Tｊ（T-junction）と設置環境
温度 T（T-fluid），並びに外部環境温度 T（T-ambient）
faである．
動作温度 Tｊは，部品および装置安全稼働を保証するものであり，CPU では，種類と動作特性にもよるが，通常は最高温度を 95℃以下に抑え込むことが要求される．一方，半導体材料の特性により，部品の故障率は動作温度が 10℃下がると半分に減少する傾向（アレニウス法則）があるため，一般には規格より低い動作温度を設定している．また，CPUの消費電力はダイナミック（Dynamic）の動作部分とスタティック（Static/Leakage）の損失部分から構成され，動作温度 Tｊの低減により，高密度実装に伴う損失部分の増大が顕著に抑えられることも期待される．設計事例として，スパコン「京」に適用した低温水冷方式では，18 万個余の CPU と制御プ
ロセッサーの動作温度はすべて 30℃以下に抑え込
まれ，システムの信頼性向上と消費電力の削減効果が高く評価された[3]．
動作温度 Tｊの低減は，装置および設置環境の熱設計にとって厳しいチャレンジとなっている．まず，
設 置 環 境 Tf に 対 し て 冷 却 に 使 用 で き る 温 度 差（ΔT=Tj-Tf）が減少するため，装置内冷却部品の伝熱或いは熱交換能力が低下する．また，外部環境 Ta については，要求される Tf の低減や冷却能力の向上

推奨温度 ℃

許容温度 ℃

2004年

20〜25

15〜32

2008年

18〜25

10〜35

2011年以後

18〜27

5〜45

図2-2 LSI/CPUパッケージ冷却の基本構成

伝熱2020 年 10 月

- 10 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計に伴う施設空調と冷凍設備の消費電力が大きく増大するため，システム冷却の電力効率は下がる．そのため，熱設計において，各温度に繋がる動作条件と信頼性要求，および電力効率に対する総合的な分析が必要になる．
表 2-1 に，省エネ技術の適用推進を促すため，国際専門機関 ASHRAE（アメリカ暖房冷凍空調学会）
が提示したデータセンターにおける計算機設置環
境温度 Tf のガイドラインを示す[4]．表中の推奨温
度は装置の稼働と信頼性を保証する規格要求であり，許容温度は装置の機能を維持する基本要求であるが，故障率の上昇も予測されるので，設計への適用性を確認しなければならない．特に，2011 年以後の許容温度範囲は従来の 10〜35℃から 5〜45℃に拡張されており，熱設計における外部環境への自然冷却方式を強く推奨している．
３．冷却方式と熱設計
スパコン装置の熱設計では，CPUなどパッケージ
から基板や装置構成まで各部品の消費電力（発熱）と温度要求および実装構造に基づき，空冷または液冷の冷却方式を選択し，冷却構造と温度特性の適合性を検証することになる．熱設計では，まず冷却方式の選択が必要であり，今まで，空冷方式が最も適用されているが，次世代高密度実装に向けて，液冷方式の高い冷却能力と省エネ効果が期待されている．
3.1 冷却方式の選択
図3-1は，空冷方式スパコン・システムボードの熱設計事例であり，複数のCPUパッケージにそれぞれ設計された空冷ヒートシンク（フィン構造）を搭載
し，冷却空気の強制対流によりパッケージからの発熱を設置環境に放出する．空冷方式は，冷却構造が単純で低コストであり，スパコンに対して今まで最CPUﾊﾟｯｹｰｼﾞ

MEMﾒﾓﾘ

空冷ﾋｰﾄｼﾝｸ
ﾓｼﾞｭｰﾙ
LSI制御部品

DC電源素子

図3-1 空冷方式システムボードの冷却

伝熱2020 年 10 月

液冷ﾓｼﾞｭｰﾙ
cold plates

空冷部品(ﾒﾓﾘ･電源の一部等）

冷却水循環

冷却水配管

図3-2 液冷式システムボードの冷却も適用されている冷却方法である．但し，高密度実装に伴う高発熱電子部品の冷却に対応するために，適用されるヒートシンクの大きさと重量は増大し続け，基板や装置の高密度実装に大きな支障が生じている．また，強力な冷却空気の供給（ヒートシン
ク前面風速 3m/s以上など）が必要になるため，搭載される冷却ファン（Cooling Fan）により装置の信頼性と消費電力，更には設置環境での騒音と空調電力にも多大な影響を与える．
図3-2は，スパコン「京」に搭載された液冷方式シ
ステムボードである．８個のCPUと制御プロセッ
サ・パッケージにそれぞれ液冷モジュール（Cold
Plate）が搭載され，その内部では液体冷媒（冷却水）の強制対流により各パッケージからの発熱を吸収し，施設における冷凍設備の循環冷水と熱交換する．
また，システムボードに搭載されたメモリや一部の電源素子など低発熱部品に対しては，液冷構造を設
けず，装置の保守性と実装効率を考慮して冷却空気の強制対流による空冷を適用している．すなわち，
システムボードでは液冷と空冷を組み合わせたハ
イブリッド方式を採用している．
空冷方式と異なり，液冷方式では，高い熱輸送特性を持つ液体冷媒（冷却水，不凍液，または不活性
液体など）が電子部品と間接（液冷モジュールで）または直接（部品浸漬）に熱交換を行い，空冷方式のような空気を介する熱交換は行わない．そのため，高い熱交換能力と電力効率の改善が可能であり，非常に注目されている．同時に，小型液冷モジュール（体積は空冷ヒートシンクの1/10以下など）の適用
は，高密度実装への冷却対応にも大いに期待される．
表3-1に，装置レベルでの熱設計について，空冷，- 11 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

表3-1 20kW装置/ラックに対する冷却方式の比較
屋内空調／冷却水

冷却電力
kW

冷却電力
kW

90-1002.5-3.0

1.5-2.5

4.0

0.06-0.1

0.1-0.2--

4.0

50+0.05

1.5

1.0

4.0

水冷およびハイブリッド（空冷50％＋水冷50％）方式の冷却要求と電力消費状況を予測した結果を示す．総電力（発熱量）20kWのラック装置に対して，冷却要求を満足する熱交換（屋内空調/冷却水＋ラック内）に必要な消費電力は，それぞれ4.0-5.5kW，
0.1-0.2kW，2.5kWと予測され，施設冷凍設備を加えた冷却関連総消費電力は約9kW，4kW，7kWに上る．
相応する電力効率［（装置電力+冷却電力）/装置電力］は，1.45，1.20，1.35となり，水冷方式は空冷より２倍以上の冷却効率を示している．
水冷方式では，屋内空調と装置内冷却ファンが大幅に削減されるため，熱交換に費やす電力は殆ど冷
却水循環ポンプ用であり，冷凍設備の使用量を含む
冷却用総消費電力は空冷方式の半分以下になる．また，空冷方式での約100m3/minの冷却空気の供給は，ほぼラック能力の限界となっており，それに伴う騒音問題や信頼性への懸念は熱設計にとって厳しい課題を残している．
3.2 冷却能力と効率化の両立
スパコンの熱設計では，冷却能力と効率化を両立する最適な取り組みが求められている．設計例として，図 3-3 は，高密度実装に対応する薄型サーバ/CPU パッケージへの冷却要求を空冷と水冷方式の場合で比較したものである．基板に搭載された CPUの発熱量を 150W と想定した場合，動作温度 Tj を
80℃以下に保つには，空冷方式では空気入口温度 Tf
を 27℃に，水冷方式では冷却水入口温度 Tf を 65℃にする必要がある．冷却能力の観点から，水冷式熱交換の温度差（ΔT=Tj-Tf=15℃）は空冷式（53℃）の
1/3 以下であるので，水冷方式は空冷方式より 3 倍程度の冷却能力を持つと考えられる．更に，エネル

伝熱2020 年 10 月

- 12 -

90

空冷

水冷モジュール

空冷50%＋水冷50%

冷却電力
kW

水冷

80
70
60
50
40

CPU_Tc

冷却水要求温度

水冷 100%20 kW／Rack− 冷媒温度差
空冷10℃
水冷 5℃− 施設冷凍効率
COP=5

風量/水量
M3/min.

空冷ヒートシンク

空冷 100%

施設設備

冷却要求

温度 ℃

冷却方式

ラック内

30
20

1

外部環境 Ta
2

3

4

5

6

7

8

図3-3 冷却方式の能力と効率比較

ギ（電力）利用効率の観点から，空冷用 27℃の冷却空気を獲得するには施設側冷凍と空調設備の稼働が必要になるが，水冷用 65℃冷却水の取得には冷凍と空調設備の稼働は必要とせず，環境温度の高い
地域や季節でも，外部環境との自然冷却で実現できると考えられる．
空冷式データセンターにおいて，ICT 関連装置の使用電力は総電力の約 40〜50％であり，施設冷凍
計算装置

ICT

冷凍空調

HVAC

DC消費電力Refri.
冷凍施設
CRAC
空調設備

冷却消費電力

図3-4 スパコン冷却用消費電力の基本構成

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計と空調設備（HVAC）を含む冷却関連の消費電力は
約 30〜40％となる．図 3-4 に示す冷却関連消費電力の内訳では，施設冷凍設備と屋内空調装置の消費電力は，それぞれ約 50％と 30％を占める．従って，
上記設計例の場合，液冷方式に加えて外部環境との自然冷却（一部の駆動電力追加が必要になる）を実現できれば，空冷方式より 70％以上の冷却用消費電力の削減を期待できる．

160
120

4

ﾌﾟﾛｾｽ･ﾃｸﾉﾛｼﾞ
実装密度

3
2

80
電力密度

40
2005

2010

2015

1

2020

図4-1 半導体の実装と電力密度

冷媒in/out

ﾊﾟｯｹｰｼﾞ
装置

冷媒配管
基板

©IBM

液冷
ﾓｼﾞｭｰﾙ
LSIﾊﾟｯｹｰｼﾞ

CPUﾊﾟｯｹｰｼﾞ

LSIﾊﾟｯｹｰｼﾞ

図4-2 基板・装置の高密度実装と冷却

伝熱2020 年 10 月

電力密度比率（mm2）ﾌﾟﾛｾｽ・ﾃｸﾉﾛｼﾞ (nm)４．高密度実装に向けた冷却技術の推進
前述のように，空冷方式の機能限界が近づいてきているため，次世代スパコンに向けた熱設計や対策技術の検討は，データセンターの熱管理方法と関連
冷却技術の推進による新たなイノベーションを加えて再考しなければならないと考えられる．
4.1 冷却能力への挑戦
図4-1は，半導体プロセス・テクノロジの微細化による高密度実装の進展に伴う，CPUなどプロセッサの発熱密度上昇の傾向を示している[6]．例えば，10
年前の45nmに比べ，現在の7nmプロセスでは，プロセッサの発熱密度が4倍以上に高くなるとの予測である．熱設計に際して，スパコンや高性能サーバに搭載されるCPUの発熱密度は，現状の30-50W/cm2から，5年後には100-150W/cm2に上昇することが見込まれる．
実装密度の増大は，半導体だけではなく，部品から装置までの各レベルで進んでおり，図4-2に示す設計事例のように，一つの液冷モジュールが，CPUを含む様々なLSIパッケージの冷却に兼用されている．また，装置全体の高密度実装により，各部品からの発熱は冷却対策の許容空間を含めて容積的（Volumetric）に考えなければならず，熱設計では，相応する容積的な冷却性能や能力の検討も必要になると考えられる．
図4-3[7]は，ラック装置あたりの消費電力の増加を示しており，５年後のラック消費電力或いは発熱量は現状の2倍以上になると予測されている．空冷
ラックの冷却能力限界が約25kWであるのに対して，
今後，液冷方式の導入を考えなければならないと予測される．
4.2 電力効率化への貢献
図3-4に示すように，スパコンを設置する空冷式
データセンターでは消費電力の約40〜50％がICT
装置用，30〜40％が冷却用であり，省エネは，冷却方式の再検討を含む関連技術の開発と適用推進の両方から進められている．
図4-4に示したのは，2015年に報告されたアメリ
カデータセンターの消費電力[8]であるが，IoTの発展に伴うICT機器消費電力の増大傾向を示している．特に注目すべき点は，2010年以後，ICT機器の適用が急増しているが，関連消費電力の増加率は2008年前後の年間15％から2％以下に下がりつつある．主な原因は，装置と設置環境の両方における電力利用効率の向上による大きな省エネ効果だと考えられる．
図に示すように，効率改善がなく2010年の電力利用率を維持する場合，2020年の消費電力は現状の2.5倍以上と試算される．この電力削減は，装置側と施設側両方の省エネ効果と考えられる．装置側では，- 13 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

アメリカ・データセンター
年間消費電力 (Billion kWh)

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

200
160
120

計算機装置の冷却において，現行技術や部品の整合と複合化，新規部材の組み込みにより，空冷方式の能力と効率は一定程度伸びているが，液冷を組み込んだ複合冷却方式の適用は，抜本的な改善効果が検証されており，今後の実装にとって必要不可欠な技術だと考えられる．液冷方式では，スパコンの安定稼働と信頼性強化と共に，エネルギ利用効率の向上および装置排熱の再生利用も期待される．

2010年電力効率での電力消費量試算
施設省エネより装置省エネより

8040
実際電力消費量
2004

2008

省エネ効果予測（2010-2020）20122016 2020

図4-4 アメリカ・データセンター消費電力

参考文献[1] Top 500 press release, June 2020
https://www.top500.org/news/japan-capturestop500-crown-arm-powered-supercomputer[2] Wei, J., Challenges in Cooling Design of CPU
Packages for High-Performance Servers, Heat
Transfer Engineering, Vol. 29, No. 2 (2008)[3] Wei, J., Hybrid Cooling Technology for Large
Scale Computing Systems, ASME Proceedings ofInterPACK2011, Oregon, USA (2011)[4] ASHRAE TC9.9, Thermal Guidelines for Data
Processing Environments, Fourth Edition (2015)[5] Wei, J., Liquid Cooling, Opportunities &Challenges toward Effective and Efficient
applications, Proceedings of ICSJ Symposium,
Kyoto, Japan (2019)[6] Hennessy, J. L. et al., A New Golden Age for
Computer Architecture, Communications of theACM, Vol.62, No.2 (2019)[7] Emerson Network Power Report, Data Center
2025: Exploring the Possibilities (2014)[8] Shehabi, J. et al., United States Data Center Energy
Usage Report, Lawrence Berkeley National

高密度実装によるスパコン演算効率の向上（消費電力当たり計算性能は，「京」は0.8，「富岳」は14.7 GigaFLOPS/W[1]で「京」の18倍以上）および冷却技術の進展により，施設側では，水冷方式の適用を含む各
伝熱プロセスでの熱交換効率の向上により，それぞれがデータセンター消費電力の大幅な増大を抑制している．また，上記液冷関連の省エネ技術とその効果を分析することにより，装置側における完全液冷化と施設側における環境への自然冷却を実現できれば，より高い省エネ効果，更には高温排熱の再利用も期待できる．
５．おわりに高密度実装されたスパコンの熱設計において，冷却能力の向上と効率化の推進は最も重要な課題である．従来の空冷技術の対応限界が近づいてきているため，設置環境におけるデータセンターの熱管理
を含め，冷却方式と対策技術の再考および革新が必要である．その際，伝熱工学における熱伝達能力と熱力学効率の分析に基づき，熱流体解析や構造検証を通じて，課題を切り拓く新たなイノベーションと技術創新が非常に重要である．

伝熱2020 年 10 月

Laboratory Document No. LBNL-1005775（2015）- 14 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィ

パワーエレクトロニクス機器の熱設計―スイッチング電源装置の熱モデル化手法―
Thermal Management Technologies of Power Electronic Equipment- Thermal Modeling Method for Switch Mode Power Supply -ᑠἨ 㞝኱
Katsuhiro KOIZUMIࢆ⏝࠸࡚㧗࿘Ἴ㸦୍⯡ⓗ࡞⏘ᴗ⏝㟁※⿦⨨࡛ᩘ༑kHz~ᩘⓒ kHz㸧࡛ ON/OFF ࡋ㸪ࡑࡢ᫬ẚ⋡ࢆྍኚࡍࡿࡇ࡜࡛㟁ຊࡢኚ᥮࡜ไᚚࢆ⾜࠺㸬㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟
㟁Ꮚᶵჾࡢ෭༷◊✲ศ㔝ࡣ㸪኱ᆺィ⟬ᶵࡢ㛤Ⓨࡀ┒ࢇ࡟࡞ࡗࡓ 1970~1980 ᖺྎ࠿ࡽ㸪1980 ᖺྎ୰┙࡟Ⓩሙࡍࡿࣛࢵࣉࢺࢵࣉᆺ࡜࿧ࡤࢀࡿࣃࢯࢥࣥ
࡟௦⾲ࡉࢀࡿᑠᆺ㟁Ꮚᶵჾࡢቑ኱ࡍࡿⓎ⇕ᐦᗘ࡟ᑐᛂࡍࡿ෭༷タィᢏ⾡ࡢ◊✲㛤Ⓨ࡟ࡅࢇᘬࡉࢀ࡚
ࡁࡓ[1][2]㸬ࡇࢀࡽࡢ◊✲ᡂᯝࢆࡶ࡜࡟ࡋ࡚㸪㟁Ꮚᶵჾ⇕タィࡢ◊✲ศ㔝ࡣᗈࡀࡾࢆࡳࡏ࡚࠾ࡾ㸪ࡑࡢ୍ࡘ࡟ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡀ࠶ࡿ[3]㸬
ࡇࢀࡣ㸪㟁ຊࡢࠕኚ᥮ࠖ࡜ࠕไᚚࠖࢆ⾜࠺ᶵ⬟ࢆ༙ᑟయ㟁Ꮚᅇ㊰࡜ཷື㟁Ꮚ㒊ရࢆ㥑౑ࡋ࡚㛤Ⓨࡉࢀࡓᶵჾ࡛࠶ࡾ㸪ලయⓗ࡟ࡣ࣮ࣔࢱࢆ㥑ືࡍࡿ࢖ࣥࣂ࣮ࢱ⿦⨨ࡸ㸪IC㸦Integrated Circuit㸧࡞࡝ࡢ㟁Ꮚ㒊ရࢆືసࡉࡏࡿࡓࡵࡢ┤ὶᏳᐃ໬㟁※⿦⨨㸦ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨㸧ࡀᣲࡆࡽࢀࡿ㸬ᅗ 2 ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ⣲ᏊࡢⓎ⇕ᦆኻMOSFET ࡀࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢືసࢆ⾜࠺㝿࡟ࡣ㸪
ᅗ 2 ࡟ᶍᘧⓗ࡟♧ࡍ㟁ຊᦆኻ㸦Ⓨ⇕㸧ࡀⓎ⏕ࡍࡿ㸬ON ≧ែ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪MOSFET ࡢ࢜ࣥ᢬ᢠ࡟ὶࢀ
ࡿ㟁ὶ࡟ࡼࡿⓎ⇕ᦆኻ࡜㸪ON ࡜ OFF ࡢษࡾ᭰ࢃ
ࡾࡢࢱ࢖࣑ࣥࢢ࡛ࡣࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢࢫࣆ࣮ࢻ࡟౫Ꮡ
ࡍࡿࢡࣟࢫᦆኻࡀⓎ⏕ࡍࡿ㸦ᅗ 2 ᩳ⥺㒊㸧㸬୍⯡ⓗ࡟㸪ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ࿘Ἴᩘࢆ㧗࿘Ἴ໬ࡍࡿ࡯࡝ࢳࣙ
࣮ࢡࢥ࢖ࣝ࡞࡝ࡢෆ㒊ᵓᡂ㒊ရࡢᑠᆺ໬࡟᭷฼࡜
࡞ࡿࡀ㸪MOSFET ࡞࡝ࡢࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ⣲ᏊࡢⓎ⇕ᦆኻࡣࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ࿘Ἴᩘ࡟ẚ౛ࡋ࡚ቑ኱ࡍࡿࡓ
ࡵ[4]㸪㒊ရࡈ࡜ࡢⓎ⇕ศᢸࢆ⪃៖ࡋࡓ⿦⨨඲య࡜ࡋ࡚ࡢ⇕タィࡀ㔜せ࡜࡞ࡿ㸬ᅗ 1 ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※ࡢ㟁ᅽᏳᐃ໬ືస
ᅗ 1 ࡟㸪ࢥࣥࢭࣥࢺ࠿ࡽ౪⤥ࡉࢀࡿ஺ὶ㟁ᅽ㸦᫬㛫࡜࡜ࡶ࡟㟁ᅽࡀኚ໬ࡍࡿ㸧ࢆ㸪㟁Ꮚᶵჾࡀືస
ࡍࡿࡓࡵ࡟ᚲせ࡞┤ὶ㟁ᅽ㸦12V ࡸ 5V㸪3.3V ࡞࡝ࡢᏳᐃ㟁ᅽ㸧࡟ኚ᥮ࡍࡿࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢືసࡢᶍ
ᘧᅗࢆ♧ࡍ㸬ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨࡞࡝ࡢࣃ࣮࣡
࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢᇶᮏⓗ࡞ືసཎ⌮ࡣ㸪
MOSFET㸦Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor㸧࡟௦⾲ࡉࢀࡿ༙ᑟయࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ⣲Ꮚఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

ᅗ 3 ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨ࡢ㒊ရᐇ⿦౛- 15 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィᅗ 3 ࡟㸪୍⯡ⓗ࡞⏘ᴗ⏝ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨࡟࠾ࡅࡿ୺せ㒊ရࡢᐇ⿦≧ែࢆ♧ࡍ[5]㸬MOSFETࡸࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝ㸪࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ࡞࡝ࡢ
㒊ရࡀ㸪つᐃࡢእᙧᑍἲ࡟཰ࡲࡿࡼ࠺࡟ࣄ࣮ࢺࢩ
ࣥࢡ࡞࡝ࡢᨺ⇕㒊ᮦ࡜࡜ࡶ࡟㧗ᐦᗘ࡟㓄⨨ࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࡢᐇ⿦タィ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪๓㏙ࡋࡓ㒊ရⓎ⇕ࢆ㐺ษ࡟࣐ࢿࢪ࣓ࣥࢺࡋࡓ⇕タィࡀ㔜せ࡜࡞ࡿ㸬ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡸ࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ࡟ࡣ㸪༙ᑟయࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢືస࡟ࡼࡿ㧗࿘Ἴ㟁ὶ㸦ᅗ 2 ཧ↷㸧ࡀὶࢀࡿࡇ࡜࡟ࡼࡿⓎ⇕ᦆኻࡀⓎ⏕ࡍࡿࡓࡵ㸪
MOSFET ࡞࡝ࡢ༙ᑟయ㒊ရ࡜ྜࢃࡏ࡚ࣃ࣮࢚࣡
ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾ࡟࠾ࡅࡿ㔜せ࡞⇕タィᑐ㇟㒊ရ࡛࠶ࡿ㸬ᮏ✏࡛ࡣ㸪ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫศ㔝࡟࠾ࡅࡿ⇕タィᢏ⾡ࡢ◊✲㛤Ⓨࡀ௒ᚋ࡝ࡢࡼ࠺࡞ࢻࣛ࢖
ࣂ࣮࡛㐍ࡴ࠿ࡢ஦౛࡜ࡋ࡚㐺⏝ศ㔝ࡢ♫఍࣭ᢏ⾡ࡢ᭱᪂ືྥࢆᴫほࡋࡓࡢࡕ㸪タィ⌧ሙ࡟࠾ࡅࡿ⇕タィࡢࡓࡵࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬◊✲ࡢෆᐜ࡟ࡘ࠸࡚㸪ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨ࢆ஦౛࡜ࡋ࡚⤂௓ࡍࡿ㸬㸰㸬ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫศ㔝ࡢ♫఍࣭ᢏ⾡ືྥ ࢫ࣐࣮ࢺ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢩࢫࢸ࣒ࡢᬑཬ
ࢫ࣐࣮ࢺ࢚ࢿࣝࢠ࣮࡟㛵ࢃࡿྲྀࡾ⤌ࡳࡣ㸪᝟ሗ
㏻ಙᢏ⾡ࢆά⏝ࡋࡓ㈼࠸࢚ࢿࣝࢠ࣮࣐ࢿࢪ࣓ࣥࢺ
ࢆ⾜࠺࡜࠸࠺ព࿡ྜ࠸࡛㸪ᐇド஦ᴗࡸ♫఍ᐇ⿦࡟ྥࡅࡓྲྀࡾ⤌ࡳࡀ⾜ࢃࢀ࡚࠸ࡿ㸬ࢫ࣐࣮ࢺࢢࣜࢵ
ࢻࡸࢫ࣐࣮ࢺࣁ࢘ࢫ࡞࡝㸪ࣅࣝࡸᐙᗞ࡞࡝ࡢ㟂せᐙഃ࡜౪⤥ഃ㸦㟁ຊ఍♫࡞࡝㸧࡜ࡢ㛫࡛ࡢ㟁ຊ㟂⤥ไᚚࡸ㸪ኴ㝧ගⓎ㟁࡞࡝ࡢࢢ࣮࢚ࣜࣥࢿࣝࢠ࣮
ࡢ฼ά⏝㸪ࡉࡽ࡟ࡣࢫ࣐࣮ࢺࢩࢸ࢕࣭ࢫ࣐࣮ࢺࢥ
࣑ࣗࢽࢸ࢕࡜࿧ࡤࢀࡿ஺㏻ࢩࢫࢸ࣒ࡸ⾜ᨻࢧ࣮ࣅࢫ࡜୍య࡜࡞ࡗࡓྲྀࡾ⤌ࡳࡀ⾜ࢃࢀ࡚࠸ࡿ㸬ᅜෆ࡛ࡣ㸪2011 ᖺ~2015 ᖺ ࡟⾜ࢃࢀࡓࠕḟୡ௦࢚ࢿࣝ
ࢠ࣮࣭♫఍ࢩࢫࢸ࣒ᐇド஦ᴗࠖ[6]ࡀ௦⾲ⓗ࡛࠶ࡿ㸬2016 ᖺᗘ࠿ࡽࡣ㸪ࣂ࣮ࢳࣕࣝࣃ࣮࣡ࣉࣛࣥࢺ㸦ศᩓᆺ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࣜࢯ࣮ࢫࢆ㸯ࡘࡢⓎ㟁ᡤࡢࡼ࠺࡟
ᶵ⬟ࢆᥦ౪ࡍࡿࡋࡃࡳ㸧[7]࡟㛵ࡍࡿᐇド஦ᴗࡀ⥅⥆ࡉࢀ࡚࠾ࡾ㸪ᙜศ㔝࡛ࡢάⓎ࡞ᢏ⾡㛤Ⓨ࡜♫఍ᐇ⿦᳨ウࡀ㐍ࡵࡽࢀ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ 4 ࡟㸪ࢫ࣐࣮ࢺ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢩࢫࢸ࣒࡬ࡢࣃ࣡
࣮࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ㐺⏝౛ࢆ♧ࡍ㸬┤ὶ㸦 Direct current :DC 㸧 ࡢ ኴ 㝧 ග Ⓨ 㟁 㟁 ຊ ࢆ ஺ ὶ㸦Alternating Current :AC㸧㟁ຊ࡟ኚ᥮ࡍࡿ DC-AC࢖ࣥࣂ࣮ࢱࡸ㸪㟁Ẽ⮬ື㌴ࡢ඘㟁ჾ㸦AC-DC ࢥࣥఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶ࣂ࣮ࢱ㸧ࡀ㸪HEMS㸦Home Energy Management
System㸧࡜࿧ࡤࢀࡿ⟶⌮ࢩࢫࢸ࣒ࡢไᚚࡢࡶ࡜࡛
⏝࠸ࡽࢀ࡚࠸ࡿ㸬ᅗ 4 ࢫ࣐࣮ࢺ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࢩࢫࢸ࣒࡬ࡢ
ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ㐺⏝౛ ⮬ື㌴ࡢ㟁ື໬⮬ື㌴ᴗ⏺࡛ࡣ“CASE”㸦㸻ࢣ࣮ࢫ㸧࡜ゝࢃࢀࡿ
㔜Ⅼ㡯┠ࡀࡇࢀ࠿ࡽࡢᏳ඲࣭Ᏻᚰᑐ⟇ࡸ⎔ቃᑐᛂࡢࡓࡵ࡟ὀ┠ࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࢀࡣ㸪ࢥࢿࢡࢸࢵࢻ㸪⮬ື㐠㌿㸪ࢩ࢙࢔ࣜࣥࢢ㸤ࢧ࣮ࣅࢫ㸪㟁ື໬
㸦CASE: Connected, Autonomous, Shared & Service,
Electric㸧ࢆ♧ࡋ࡚࠾ࡾ㸪ࡉࡲࡊࡲ࡞ྲྀࡾ⤌ࡳࡀጞࡲࡗ࡚࠸ࡿ[8]㸬ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫศ㔝࡜≉࡟㛵㐃ࡀ῝࠸ࡢࡣ㟁ື໬࡛࠶ࡿ㸬ᅗ 5 ࡟㸪㟁Ẽ⮬ື㌴ࡢࢩࢫࢸ࣒ᵓᡂࡢ୍౛ࢆ♧ࡍ㸬࣮ࣔࢱࢆ㥑ືࡍࡿ࢖ࣥࣂ࣮ࢱ㸪㧗ᅽࣂࢵࢸࣜ࠿ࡽ 12V ⿵ჾࣂࢵࢸࣜࢆ඘㟁ࡍࡿࡓࡵࡢ DC-DC ࢥࣥࣂ࣮ࢱ㸪㌴㍕
඘㟁ჾ࡞࡝ࡢᶵჾࡀከࡃ౑⏝ࡉࢀࡿࡇ࡜࠿ࡽ㸪ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫศ㔝ࡢᕷሙࡢࡅࢇᘬᙺ࡜࡞
ࡿྍ⬟ᛶࡀ㧗࠸࡜⪃࠼ࡽࢀ࡚࠸ࡿ[9]㸬

ᅗ 5 㟁Ẽ⮬ື㌴ࡢࢩࢫࢸ࣒ᵓᡂ
 ༙ᑟయࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢࢹࣂ࢖ࢫࡢ㧗ᛶ⬟໬⌧ᅾ㸪ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ⏝༙ᑟయ⣲Ꮚ࡜ࡋ࡚ࡣ㸪ࢩ
ࣜࢥࣥ㸦Si㸧ࢆࡶࡕ࠸ࡓ⣲Ꮚࡀ୺ὶ࡛࠶ࡿࡀ㸪ࢩࣜࢥ࣮ࣥ࢝ࣂ࢖ࢻ㸦SiC㸧࠾ࡼࡧ❅໬࣒࢞ࣜ࢘㸦GaN㸧
ࢆ⏝࠸ࡓ⣲Ꮚࡀḟୡ௦⣲Ꮚ࡜ࡋ࡚ᮇᚅࡉࢀ࡚࠸ࡿ

- 16 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィ[10]㸬SiC ࡣ㸪SBD㸦Schottky Barrier Diode㸧⏝㏵࡛᭱ึ࡟ᕷሙᢞධࡉࢀ㸪ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨࡛ࡣຊ⋡ᨵၿ㸦Power Factor Correction :PFC㸧ᅇ㊰ࡢᩚὶࢲ࢖࣮࢜ࢻ⏝㏵࡛᪤࡟ᐇ〇ရ࡟㐺⏝ࡉࢀ࡚࠸ࡿ㸬
SiC-MOSFET ࡸ GaN ࢹࣂ࢖ࢫࡢࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟ
ࢽࢡࢫᶵჾ࡬ࡢᬑཬࡣ㸪పࢥࢫࢺ໬ࡸ㧗㏿ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢࡢඃ఩ᛶࢆ⏕࠿ࡍࡓࡵࡢࢹࣂ࢖ࢫ࿘㎶ᅇ㊰ᢏ⾡ࡢ㛤Ⓨ࡜࡜ࡶ࡟㸪௒ᚋࡢᬑཬࡀᮇᚅࡉࢀࡿ㸬㸱㸬ࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨ࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬ᡭἲ
 ⇕タィㄢ㢟ᶵჾࡢ⇕タィ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪኱ࡁࡃ஧ࡘࡢㄢ㢟ࡀ࠶ࡿ㸬㟁Ꮚ㒊ရࡢ⇕ࣔࢹࣜࣥࢢࡢㄢ㢟࡜㸪㟁Ꮚ㒊ရࡢⓎ⇕㔞ࡢぢ✚ࡶࡾ࡟㛵ࡍࡿㄢ㢟࡛࠶ࡿ㸪ⴭ⪅ࡽࡣࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※⿦⨨ࢆᑐ㇟࡜ࡋ࡚㸪㟁Ꮚ㒊ရࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬࡟㛵ࡍࡿ◊✲㸪࠾ࡼࡧᾘ㈝㟁ຊ᥎ᐃㄗᕪࡀゎᯒ⤖ᯝ࡟ཬࡰࡍᙳ㡪ࡢ᳨ウ[4]ࢆ⾜ࡗ࡚ࡁࡓ㸬ᮏ✏࡛ࡣ⇕ࣔࢹࣝ໬ࡢྲྀࡾ⤌ࡳ࡟㛵ࡋ࡚⤂௓ࡍࡿ㸬㟁Ꮚ㒊ရࡣಶࠎࡑࢀࡒࢀ≉᭷ࡢⓎ⇕≉ᛶࡸఏ⇕ᵓ㐀ࢆᣢࡘࡓࡵ㸪ゎᯒᑐ㇟ᶵჾෆ㒊ࡢ㟁Ꮚ㒊ရࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬ࡢసᴗ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪㟁Ꮚ㒊ရࡢⓎ⇕≉ᛶࡸఏ⇕ᵓ㐀ࢆࡩࡲ࠼ࡓࢥࣥࣃࢡࢺ࠿ࡘ
ᐇ⏝ⓗ࡞⇕ࣔࢹࣝ໬ࡀᚲせ࡜࡞ࡿ㸬ᮏ✏࡛ࡣ㸪ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝ࡜࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ࡟ࡘ࠸࡚㸪ලయⓗ࡞⇕ࣔࢹࣝ໬ᡭἲࡢ◊✲஦౛ࢆ⤂௓ࡍࡿ[11][12]㸬
 ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢ⇕ࣔࢹࣝᅗ 6 ࡟㸪ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢእほ࡜᩿㠃ᵓ㐀ࢆ♧ࡍ㸬ࡇࢀࡣᒙᕳᆺ࡜࿧ࡤࢀࡿࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖࡛ࣝ࠶
ࡾ㸪ᵓ㐀ࡢ≉ᚩࡣᕳ⥺ࢆᶞ⬡〇ࡢ࣎ࣅࣥ࡟ᕳࡁ௜
ࡅ㸪࣎ࣅࣥ࡟ࣇ࢙ࣛ࢖ࢺ〇ࢥ࢔ࢆྲྀࡾ௜ࡅࡓᵓ㐀࡜࡞ࡗ࡚࠸ࡿ㸬㟁Ꮚᶵჾࡢ⇕タィ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪⇕ὶయࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ࡞࡝ࡢ CFD㸦Computational
Fluid Dynamics㸧ࢆᇶ┙ᢏ⾡࡜ࡋࡓゎᯒࢶ࣮ࣝࡀ⏝࠸ࡽࢀ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࡇ࡛㸪⇕ࣔࢹࣝ໬࡟࠾ࡅࡿ⪃៖
Ⅼ࡜ࡋ࡚ᕳ⥺㒊ࡢ➼౯⇕ఏᑟ⋡࡟ࡘ࠸࡚ㄝ᫂ࡍࡿ㸬ᕳ⥺㒊ࡢᵓ㐀ࡣᅗ 7 ࡟ᶍᘧⓗ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟⣽㖡⥺ࡀᐦ࡟ᕳ࠿ࢀࡓ≧ែ࡟࡞ࡗ࡚࠸ࡿ㸬ྛ⣽㖡⥺ࡢ⾲㠃࡟ࡣⷧ࠸⤯⦕ࢥ࣮ࢸ࢕ࣥࢢࡀ᪋ࡉࢀ࡚࠸ࡿࡀ㸪ࡇࡢ⤯⦕ࢥ࣮ࢸ࢕ࣥࢢࡣᑟయ㒊ࡢ㖡࡟ᑐࡋ࡚㠀ᖖ࡟ప࠸⇕ఏᑟ⋡࡛࠶ࡿࡓࡵ㸪ᕳ⥺ࣈࣟࢵࢡ࡜ࡋ࡚
ࡢ➼౯⇕ఏᑟ⋡ࡣ࿘᪉ྥ࡜ᆶ┤᪉ྥ㸪࠾ࡼࡧ༙ᚄ
᪉ྥ࡛␗᪉ᛶࡀ࠶ࡿ㸬ᆶ┤᪉ྥ࡜༙ᚄ᪉ྥࡢ➼౯⇕ఏᑟ⋡ࡣ㸪ゎᯒⓗ࠾ࡼࡧᐇ㦂ⓗ࡞᳨ウࡢ⤖ᯝ࠿ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

- 17 -

ࡽ⣙ 2W/(m∙K)࡜ぢ✚ࡶࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁ㸪ࡇࢀࡣ࿘᪉
ྥࡢ➼౯⇕ఏᑟ⋡⣙ 352W/(m∙K)࡟ᑐࡋ࡚ 100 ಸ௨ୖᑠࡉ࠸್࡛࠶ࡿ㸬Cut planeCore

BobbinBobbinAir gap
Core
Winding

Windingᅗ 6 ᒙᕳᆺࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝ

kh
kr

kw

 

ᅗ 7 ᕳ⥺㒊᩿㠃㸦ᶍᘧᅗ㸧

59䉝
64䉝
60䉝

ᅗ 8 ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢᕳ⥺⾲㠃ᗘศᕸᐇ㝿ࡢࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢ⾲㠃 ᗘศᕸࡢ≉ᚩࢆぢ࡚ࡳࡿ࡜㸪ᅗ 8 ࡟♧ࡍࡼ࠺࡟ୖୗ᪉ྥࡢ୰ኸ㒊ᗘࡀୖ➃㒊࠾ࡼࡧୗ➃㒊࡜ẚ㍑ࡋ࡚ᖏ≧࡟㧗ࡃ࡞ࡗ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀ☜ㄆ࡛ࡁࡿ㸬ࡇࢀࡣ࢚࢔ࢠࣕࢵ
ࣉ㸦ᅗ 6 ཧ↷㸧㏆ഐࡢ₃࠼࠸☢᮰࡟ࡼࡿ㏆᥋ຠᯝࡢᙳ㡪࡛㸪࢚࢔ࢠࣕࢵࣉ㏆ഐࡢᕳ⥺࡟Ⓨ⇕ᐦᗘࡢ㧗࠸㒊ศࡀⓎ⏕ࡋ࡚࠸ࡿࡇ࡜ࡀᙳ㡪ࡋ࡚࠸ࡿ㸬ࡇࡢࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢ⇕ゎᯒࣔࢹࣝᵓ㐀ࢆᅗ 9 ࡟♧ࡍ㸬ᕳ⥺㒊ࡣ࢚࢔ࢠࣕࢵࣉ㏆ഐࡢ㧗Ⓨ⇕ᐦᗘ㒊ศ࡜㸪ᕳ⥺㒊඲యࡢ 2 ࡘࡢࣈࣟࢵࢡ࡛ᵓᡂࡋ࡚࠸ࡿ㸬

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィḟ࡟㸪ࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝࢆᅗ 10 ࡟♧ࡍ㸬ᅗ
10(a)ࡣᕳ⥺ࣈࣟࢵࢡ㒊࡟➼᪉ᛶ⇕ఏᑟ⋡ࢆタᐃࡋࡓሙྜࡢᕳ⥺⾲㠃 ᗘศᕸࡢࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ
⤖ᯝ࡛࠶ࡿ㸬ᕳ⥺⾲㠃ࡢ ᗘศᕸࡣ୍ᵝ࡛࠶ࡾ㸪ᐇ㝿ࡢ㒊ရ࡟ぢࡽࢀࡿᕳ⥺୰ኸࡢ㧗 㒊ศࡣ෌⌧ࡉࢀ࡞࠸㸬ᅗ 10(b)ࡣᕳ⥺ࣈࣟࢵࢡ㒊࡟␗᪉ᛶ⇕ఏᑟ⋡ࢆタᐃࡋࡓሙྜࡢᕳ⥺⾲㠃 ᗘศᕸࡢࢩ࣑ࣗ
࣮ࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝ࡛࠶ࡿ㸬ᐇ㝿ࡢᕳ⥺⾲㠃࡟ࡳࡽࢀࡿࡼ࠺࡞ ᗘศᕸࢆ☜ㄆࡍࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡿ㸬ᶵჾࡢタィ࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪㒊ရ ᗘࡣྛ✀〇ရᏳ඲つ᱁࡟ᐃࡵࡿ ᗘࡸ㸪ᮦᩱࡢᐃ᱁ ᗘ࡟ᑐࡋ࡚ホ౯ࡉࢀࡿ㸬ࡇࡢ㝿㸪㒊ရࡢ᭱ࡶ㧗࠸ ᗘ࡜࡞ࡿ㒊ศ࡛ホ౯ࢆ⾜࠺ࡓࡵ㸪ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝ࡞࡝ࡢᕳ⥺㒊ရࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬࡟࠾࠸࡚ࡣᕳ⥺㒊ࣈࣟࢵࢡࡢ␗᪉ᛶ
⇕ఏᑟ⋡ࡢ⪃៖ࡀᚲせ࡜࡞ࡿ㸬 ࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ⇕ࣔࢹࣝ
アルミ電解コンデンサはパワーエレクトロニク
ス機器において整流平滑やノイズ除去用途などに用いられており，欠かすことができない構成部品の一つである．熱設計の視点では，アルミ電解コ
ンデンサの温度は機器の寿命を決める設計要素の一つである．これは，アルミ電解コンデンサの寿命までの時間はアレニウス則に従い，温度が 10℃
上がると寿命はおおむね半分になる（10℃ 2 倍則）ことによる．図 11 にアルミ電解コンデンサの内部構造の一例を示す．電極のアルミ箔と電解紙を合わせて同心円状に巻き回した本体素子（エレメント）に電解液を含浸させ，電極リードを引き出して円筒形状のアルミ製ケースに収めて封口ゴ
ムで封止する構造となっている．外観は単純な円筒形であるが，内部は詳細をモデル化するには複雑すぎる構造である．

(a) ࢠࣕࢵࣉ㏆ഐ㒊(b) ᕳ⥺඲య㒊
ᅗ 9 ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝࡢ⇕ࣔࢹࣝᵓ㐀
㻌

119䉝
119䉝
119䉝

(a) ➼᪉ᛶ⇕ఏᑟ⋡㻌

116䉝
130䉝
115䉝

㻌
(b) ␗᪉ᛶ⇕ఏᑟ⋡㻌ᅗ 10 ⾲㠃 ᗘศᕸࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝ㻌ᅗ 11 ࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢෆ㒊ᵓ㐀㻌ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

- 18 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィ
ᅗ 12 ࡣ㸪ᶵჾෆ㒊࡟࠾࠸࡚࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ ᗘୖ᪼࡟㛵ࢃࡿఏ⇕⤒㊰ࢆ♧ࡋࡓࡶࡢ࡛࠶
ࡿ㸬࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬ࡢどⅬ࡜ࡋ࡚㸪ఏᑟ㸪ᑐὶ㸪ᨺᑕࡢ 3 ᙧែࢆ⪃៖࡛ࡁࡿࡇ࡜ࡀᚲせ࡛࠶ࡿ㸬ఏᑟఏ⇕⤒㊰࡜ࡋ࡚ࡣ㸪ࣉࣜࣥࢺᇶᯈ࡟㠃ᐇ⿦ࡉࢀࡓ IC ࡸࢳࢵࣉ᢬ᢠ࡞࡝ࡢⓎ⇕ࡀ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ࣮ࣜࢻࢆఏࢃࡿ⤒㊰ࢆ⪃៖ࡍࡿᚲせࡀ࠶ࡿ㸬࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ㏆ഐ࡟ࣄ࣮ࢺࢩࣥࢡ࡞࡝ࡢⓎ⇕㒊ရࡀ㓄⨨ࡉࢀࡿᐇ⿦ᙧែ
ࢆ⪃៖ࡋ࡚㸪࿘ᅖⓎ⇕㒊ရ࠿ࡽࡢᑐὶ࡟ࡼࡿఏ⇕࡜ࡩࡃᑕ࡟ࡼࡿఏ⇕ࢆ⪃៖ࡍࡿᚲせࡀ࠶ࡿ㸬Electrolytic capacitorഐ㓄⨨㧗 㒊ရࡢᙳ㡪ࢆࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥࡍࡿࡇ
࡜ࡀ࡛ࡁ࡚࠸ࡿ㸬Heat sink with FET
Outer caseAir-space
Element
Bakelite board
and rubber seal

PCB(a) ഃ㠃ᅗHeat sink
Power device

Heat sinkwith FET

Printed circuit board

Surface mounted device

Outer case

SolderElement

Copper patternᅗ 12 㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡲࢃࡾࡢఏ⇕⤒㊰ᮏ✏࡛ࡣ㸪࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࢆ㸱ࣈࣟࢵࢡせ⣲࡟ศࡅ࡚ࣔࢹࣝ໬ࡍࡿ᪉ἲ[12]࡛ࡢ⇕ࣔࢹࣝ࡜ࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝࢆ♧ࡍ㸬ᅗ 13 ࡟࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ⇕ࣔࢹࣝࢆ♧ࡍ㸬࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ ᗘࡣ⮬ᕫⓎ⇕ࡢ௚࡟࿘ᅖ㒊ရࡢᙳ㡪ࢆཷࡅ ࡿ ࡓ ࡵ 㸪 ࣉ ࣜ ࣥ ࢺ ᇶ ᯈ 㸦 Printed Circuit
Board :PCB㸧࡜࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢഃ㠃࡟㓄⨨ࡉࢀࡿⓎ⇕యࣄ࣮ࢺࢩࣥࢡࢆྜࢃࡏ࡚ࣔࢹࣝ໬
ࡋࡓ㸬ࣉࣜࣥࢺᇶᯈࡣ⇕ఏᑟ⋡ 0.35 W/(m∙K)ࡢ➼᪉ᛶ⇕ఏᑟ⋡ࢆタᐃࡋࡓ㸬࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ
ࡣእ⿦ࢣ࣮ࢫ㸪࢚࣓ࣞࣥࢺ㸪࠾ࡼࡧᑒཱྀࢦ࣒㒊ࡢ
3 せ⣲࡛ᵓᡂࡋ㸪እ⿦ࢣ࣮ࢫ࡜࢚࣓ࣞࣥࢺ㛫࡟ࡣ✵Ẽᒙ㸦⇕ఏᑟ⋡ 0.024 W/(m∙K)㸧ࢆタᐃࡋࡓ㸬እ⿦ࢣ࣮ࢫࡣ✵Ẽᒙࢆᵓᡂࡍࡿ࢜ࣈࢪ࢙ࢡࢺࡢ⾲㠃≀ᛶ࡜ࡋ࡚ཌࡳ 0.52 mm ࡢ⇕ఏᑟ⋡ 205 W/(m∙K)ࢆタᐃࡍࡿࡇ࡜࡛➼౯ⓗ࡟ࣔࢹࣝ໬ࡋ㸪⾲㠃ᨺᑕ⋡ࢆ 0.9 ࡟タᐃࡋࡓ㸬࢚࣓ࣞࣥࢺࡣ㟁ᴟ࢔࣑ࣝ⟩࡜㟁ゎ⣬ࢆྜࢃࡏ࡚ྠᚰ෇≧࡟ᕳࡁᅇࡋࡓᵓ㐀࡜࡞ࡗ࡚࠸ࡿࡓࡵ㸪⇕ఏᑟ⋡ࡢ␗᪉ᛶࢆ⪃៖ࡋ㸪㧗
ࡉ᪉ྥ 81.5 W/(m∙K)㸪㠃᪉ྥ 0.34 W/(m∙K)ࡢ⇕ఏᑟ⋡ࢆタᐃࡋࡓ㸬ᅗ 14 ࡣࡇࡢ⇕ࣔࢹࣝ໬ᡭἲࢆ⏝࠸ࡓሙྜࡢ⾲㠃 ᗘศᕸࡢࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝ࡛࠶ࡿ㸬㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧ⾲㠃 ᗘศᕸ࡟࠾ࡅࡿ㏆ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

Bakelite board
and rubber seal(b) ➼ゅᅗᅗ 13 ࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ⇕ࣔࢹࣝ㻌ᅗ 14 ⾲㠃ᗘศᕸࡢࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥ⤖ᯝ㻌㸲㸬ࡲ࡜ࡵ
ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィ࡟㛵ࡋ࡚㸪㟁ຊኚ᥮ືస࡟ᇶ࡙ࡃ㟁ຊᦆኻ㸦㒊ရⓎ⇕㸧ࡢⓎ⏕࣓࢝ࢽࢬ࣒ࢆ♧ࡋ㸪ᶵჾタィ࡟࠾ࡅࡿ⇕タィࡢ

- 19 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

≉㞟㸸࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾࡢ⇕タィ[6] ⤒῭⏘ᴗ┬㸪ḟୡ௦࢚ࢿࣝࢠ࣮࣭♫఍ࢩࢫࢸ࣒ᐇド஦ᴗ ~⥲ᣓ࡜௒ᚋ࡟ࡘ࠸࡚~㸪
https://www.meti.go.jp/ (2016)㸬
[7] ⤒῭⏘ᴗ┬㸪ࣂ࣮ࢳࣕࣝࣃ࣮࣡ࣉࣛࣥࢺ࣭ࢹ࢕ ࣐ ࣥ ࢻ ࣜ ࢫ ࣏ ࣥ ࢫ ࡟ ࡘ ࠸ ࡚ 㸪
https://www.meti.go.jp/ (2020).

㔜せᛶࢆ㏙࡭ࡓ㸬ࡲࡓ㸪⇕ࣔࢹࣝ໬◊✲ࡢ஦౛࡜ࡋ࡚ࢳ࣮ࣙࢡࢥ࢖ࣝ࡜࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢල
య౛ࢆࡈ⤂௓ࡋࡓ㸬ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫศ㔝ࡢ◊✲㛤Ⓨࡣ㸪ᮏ✏࡛⤂௓ࡋࡓࢫ࣐࣮ࢺ࢚ࢿࣝࢠ
࣮ࢩࢫࢸ࣒ࡢᬑཬࡸ⮬ື㌴ࡢ㟁ື໬㸪࠾ࡼࡧ༙ᑟ
యࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢࢹࣂ࢖ࢫࡢ㧗ᛶ⬟໬ࢆࡣࡌࡵ࡜ࡋ
࡚ከࡃࡢྲྀࡾ⤌ࡳ࡟ࡅࢇᘬࡉࢀ࡚࠸ࡃࡶࡢ࡜⪃࠼ࡽࢀ㸪⇕タィᢏ⾡ࡢ◊✲㛤Ⓨࡶࡇࡢ୰࡛㔜せ࡞ᙺ๭ࢆᯝࡓࡋ࡚࠸ࡅࡿࡼ࠺㈉⊩ࡋࡓ࠸㸬㻌ཧ⪃ᩥ⊩[1] ▼ሯ ຾㸪㟁Ꮚᶵჾࡢ෭༷ᢏ⾡㸸ࡇࡇ㸯㸮ᖺࡢⓎᒎ㸪ఏ⇕㸪Vol.41, No. 167 (2002) 1-9.
[2] ୰ᒣ ர㸪㟁Ꮚᶵჾࡢ⇕ゎᯒ㸸ࢩࢫࢸ࣒࢔ࣉࣟ
࣮ࢳࡢࡍࡍࡵ㸪࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᐇ⿦Ꮫ఍ㄅ㸪
Vol.4 No.5 (2001) 392-397.

[8] ࣮࢚࢝ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫ◊✲఍㸪ḟୡ௦㏻ಙࢩ
ࢫࢸ࣒࡜⎔ቃᑐᛂ࡛ษࡾᣅࡃ᪂ࡓ࡞⮬ື㌴♫
఍㸪࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᐇ⿦Ꮫ఍ㄅ, Vol. 22, No.
1 (2019) 67-71.
[9] ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫ◊✲఍㸪ࣃ࣮࢚࣡ࣞ
ࢡࢺࣟࢽࢡࢫ࡟࠾ࡅࡿᐇ⿦ᢏ⾡ࡢᒎᮃ࡜⌧≧㸪࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᐇ⿦Ꮫ఍ㄅ, Vol. 23, No. 1(2020) 83-88.
[10] ᒣᮏ⚽࿴㸪ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫ⏘ᴗࡢືྥ࡜ࣃ࣮࣡ࢹࣂ࢖ࢫᐇ⿦࡬ࡢせồ㸪࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᐇ⿦Ꮫ఍ㄅ, Vol. 20, No. 7 (2017)422-448.
[11] K.Koizumi and M.Ishizuka, Thermal Modelingand Experimental Verification of High-Frequency
Inductors, Thermal Science & Engineering, Vol.12,
No.3 (2004) 19-26.

[3] ▼ሯ ຾㸪㟁Ꮚᶵჾࡢ⇕タィ-ᇶ♏࡜ᐇ㝿-㸪୸ၿ (2003)㸬
[4] ᑠἨ㞝኱㸪ୖᆓᑎ᫂ே㸪㛗ཎ㑥᫂㸪▼ሯ ຾, 㟁Ẽᅇ㊰タィ࡜ࡢ⤫ྜ࡟ࡼࡿࢫ࢖ࢵࢳࣥࢢ㟁※ࡢ⇕タィᡭἲࡢ㛤Ⓨ㸦⮬↛✵෭ᘧ㟁※ࡢሙྜ㸧,᪥ᮏᶵᲔᏛ఍ㄽᩥ㞟㸦B ⦅㸧
70 ᕳ 690 ྕ (2004)
488-495.

[12] ᑠἨ㞝኱㸪▼ሯ຾,୰ᕝៅ஧㸪␊ᒣ཭⾜, ᇶᯈ⮬❧ᆺ࢔࣑ࣝ㟁ゎࢥࣥࢹࣥࢧࡢ⇕ゎᯒࣔࢹࣝ,Thermal Science & Engineering, Vo18, No.2
(2010) 57-69.

[5] ᑠἨ㞝኱, ࣃ࣮࢚࣡ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᶵჾタィ࡟࠾ࡅࡿ⇕ࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥᢏ⾡, ࢚ࣞࢡࢺࣟࢽࢡࢫᐇ⿦Ꮫ఍ㄅ, Vol. 18, No. 2 (2015)
100-103.

ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

- 20 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

鉄道および自動車駆動用パワーエレクトロニクス冷却技術
Cooling Technologies of Power Electronics for Railway System and Electric Vehicles

堀内 敬介，西原 淳夫，中津 欣也（日立製作所 研究開発グループ）
Keisuke HORIUCHI, Atsuo NISHIHARA, Kinya NAKATSU (Hitachi, Ltd. Research & Development Group)e-mail: keisuke.horiuchi.oa@hitachi.com
2.2 電流および電圧の違いによる冷却課題
図１は，パワーエレクトロニクス機器（本論文
では特に鉄道や自動車などの移動体の例）を対象とした電流や電圧の範囲を示す．パワー半導体はLSI と比較して，移動体の駆動用モータを動作させるために高電圧および大電流を必要とする．
高電圧に適した絶縁構造を実現するためには，
表 1 に示したように，半導体の厚さ方向に貫通す
るように電流を流す構造となる．高電圧ほど半導体が厚くなり剛性が高くなるため，熱変形時に半導体ハンダ付け部の相当塑性ひずみが大きくなる
ことが熱疲労寿命に対する製品課題の 1 つである．
これを解決するために最近では焼結材を用いた寿命向上に関する研究も多い[1]．また，ベース金属が熱応力によって反ってしまうことによるグリースのポンプアウトもパワエレ特有の課題であり，現象解明に向けた研究もされている[2]．
大電流の要求に応えるためには，半導体素子面積を大きくすることが効果的だが，一方で面積を大きくするほど歩留まり悪化の課題がある．製造
面で素子サイズ大型化には限界があるため，結果的に素子を複数並列に実装したパワーモジュールの広い床面積を均熱冷却することが LSI に比べ新
たな課題となる．

１．はじめに低炭素社会実現のために移動体の電動化が進んでいる．特に，鉄道や自動車は生活の一部となっており，社会への影響が大きい．電化のために欠かせない部品はモータ・電池・インバータである．
これら主要部品は，許容温度や発熱量が異なるため，別々に冷却設計をする必要がある．
本特集では弱電系（民生用電子機器）と強電系（パワーエレクトロニクス機器）の相違点にも触れる目的で，インバータの冷却に関する技術の進歩に特化して説明する．
２．弱電系と強電系の相違点
2.1 半導体素子材料および製造技術の進歩
半導体と言えば，CPU（Central Processing Unit）などの LSI（Large Scale Integration）のイメージが強いが，インバータのような電力変換器向けの半導体はパワー半導体と呼ばれ，主な違いを表 1 に示す．最近はシリコンだけでなく，SiC や GaN な
どの新材料も高温対応材料として注目されているが，基本的には LSI で培ったシリコンを原材料とした製造技術を基にしてパワー半導体は作られている．よって，ウェハの大口径化と微細加工化に対応する歩留まりやスループット向上に関する製造技術は LSI を追いかけるように日々進歩しておりコストダウンの要求に応えている．

機能
主な原材料
通電領域
実装方法
電圧

定格電流[A]

表1

10000

LSI とパワー半導体の相違点
LSI
パワー半導体
演算，記憶
電力制御
シリコン
シリコン
12-18inch ウェハ 6-8inch ウェハ

100

自動車
建機

10

強電系
パワー半導体

PC

1

片面の表面
厚さ方向貫通Ball Grid Array
ハンダ，焼結材
弱電（48V 未満） 強電（48V 以上）

2020 年 10 月

弱電系
民生電子機器向けLSI

サーバー

1

10

100

1000

10000

定格電圧[V]

図1

伝熱

鉄道

1000

- 21 -

アプリケーション毎の定格電圧と定格電流

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

3.2 鉄道用/自動車用のパワーモジュール相違点
表 2 に鉄道用/自動車用パワーモジュールの相違点を示す．図 1 でも示したが鉄道用は自動車用に比べるとモジュールあたりの電流が大きいため，
モジュール内のパワー半導体の数が多くパワーモ
ジュールサイズも大きい．個々のパワー半導体への電流アンバランスが生じないように端子や半導体のレイアウトは各社で工夫されている．モジュールの長寿命化は年々進んではいるが，メンテナ
ンスや定期交換を頻繁にする文化があるか否かで，冷却手段は水冷か空冷に分かれる．また絶縁基板とベース金属の熱膨張係数差によって，ハンダにクラックが生じる懸念があるため，比較的大きな
サイズの鉄道用パワーモジュールのベース金属材
料は低熱膨張率の合金（AlSiC や MoCu など）が使われることが多い．一方，自動車用のパワーモ
ジュールは鉄道用に比べると小型化が可能なため，ベース金属は安価で高熱伝導の Cu や Al を用いることが多い．鉄道用のモジュールは業界標準形状が存在し，車両メーカから見て電気品はインターフェースが同じ複数社のモジュールでリスク分散をしている．一方で，自動車用のモジュールは量
産台数が多いため，顧客の車種に応じたカスタム設計が可能で，各社独自形状を採用している．

３．パワーモジュールの冷却構造
3.1 パワーモジュール内部構造
強電系のパワーモジュールでも鉄道用と自動車
用は設計思想や冷却構造に違いがある．本章では，その違いについて具体的に説明する．
まずパワーモジュールの一般的な構造を図 2 に示す．ワイヤで接続された複数のパワー半導体は，
ハンダや焼結材などのダイボンドを介して絶縁基板上の表面金属パターンに実装されている．絶縁基板の裏面金属パターン側はベース金属に接続されており，半導体の熱はベース金属に放熱される．
このパワーモジュールは，熱伝導グリースなどのTIM（Thermal Interface Material）を介して空冷フィンもしくは水冷ジャケットに搭載され放熱される．
ダイボンド（ハンダ、焼結材）

パワー半導体金属パターン（表面）

ワイヤ

絶縁基板

ハンダ

ベース金属

図2

放熱経路

パワーモジュール内部構造
表 2 鉄道用/自動車用パワーモジュールの相違点

パワーモジュール内の温度分布について，図 3に示すように半導体素子レイアウトを碁盤目から千鳥配列に変更することによって最大温度を 4℃低くでき，熱抵抗に換算して 20%低減するような検討もされている[3]．

117 C

電圧
[kV]

(a)碁盤目配列o113 C(b)千鳥配列

85℃

50℃

図3

半導体レイアウト最適化による温度低減[3]伝熱2020 年 10 月

自動車[5]

1.2～6.5

0.6～1.2

対象

120℃

o

鉄道[4]

- 22 -

電流
[A]

1200～
（４モータ@3.3kV）

冷却
手段

国内
空冷が主

海外
水冷が主

300～
水冷

ﾍﾞｰｽ
金属
材料

AlSiC, MoCu
低熱膨張材料Cu, Al
高熱伝導材料形状

業界共通形状

各社独自形状J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
図 6 および図 7 に，海外で主流の冷却構造を示す．図 6 は平板フィンヒートシンク空冷構造である．この構造は，押出やカシメ加工で製造可能なため安価である一方，図 4 や図 5 で示した沸騰冷
却は用いないため，均熱効果が小さい．よって，
気流はブロアを用いた強制空冷で大風量を確保することが求められる．海外ではブロア冷却は一般的だが，国内ではブロアによる騒音を回避するた
めに，ブロアを用いず走行風で冷却することも多く，その結果として図 5 で示したヒートパイプ冷却器を採用している．
図 7 は循環水冷/液冷構造である．海外の場合は，
特に長距離鉄道の場合は，大きな牽引力（＝動力）が必要となり水冷構造が適用されることが多い．
この構造ではパワーモジュールで発生した熱は冷媒でラジエータに輸送され，ラジエータで気流によって外気に放出される．ラジエータで冷媒は元の低温に戻り，ポンプによって水冷ジャケットに再供給され循環する．

3.3 鉄道用パワーモジュールの冷却構造
図 4 および図 5 に国内で主流の鉄道用空冷構造を示す．前述の通り，パワーモジュール均熱冷却の課題は鉄道用の大きなサイズのモジュールで顕在化する．空冷は水冷に比べて，風温上昇の影響を大きく受けるため，沸騰冷却を用いた熱拡散による均熱化が有効と考えられている．図 4 は密閉二相サーモサイフォンによる冷却構造である．パワーモジュールは冷却器の下面に搭載され，サイフォン冷却器内の冷媒は，パワーモジュールの加熱によって気化し，蒸気になって上昇する．上昇
した蒸気は，フィン部で冷却され凝縮し，再度液相に戻り，冷却器下面部に供給される．

フィン

サイフォン冷却器

A

気流

パワーモジュール

A’(a) 外観図

密閉容器

パワーモジュール
蒸気
凝縮

冷媒

気流

図4

パワーモジュール(b) A-A’断面図
密閉二相サーモサイフォンによる空冷構造

図6

平板フィンヒートシンクによる空冷構造

フィン
ラジエータ

冷却器ベース

水流

配管

気流
気流

パワーモジュール

冷媒

パワーモジュール

ヒートパイプ

図5

フィン付きヒートパイプによる空冷構造

伝熱2020 年 10 月

水冷ジャケットポンプ
図7- 23 -

循環水冷/液冷構造

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
図 11 に間接水冷に対する直接水冷の熱抵抗低減効果のイメージ図を示す．間接水冷構造のグリース部の熱抵抗は全体の約 30%～50%を占めているため，グリースを削減することで冷却性能が増し，製品の更なる小型化もしくは出力電流増加が可能となる[7]．
図 12 に間接水冷型両面冷却方式の断面を示す．
半導体両面にリードフレームと呼ばれる電極金属
をダイボンド材で接合し，絶縁機能を有する樹脂
でモールドする構造が一般的な形状である．
図 13 は直接水冷型両面冷却方式（水冷ジャケッ
トは非図示）であり図 10 と似たような構成にしている．ただし，絶縁基板の代わりに絶縁シートが両面に実装される構造が異なる点である．

3.4 自動車用パワーモジュール冷却構造の進化
自動車の分野では客室スペースを確保した上でエンジンルームの限られたスペースに実装しなければならないため，小型高密度実装が求められる．
図 8 は，冷却構造の進化を示しており，毎年イン
バータパワー密度は増加する傾向にある．図内の間接水冷方式と直接水冷方式と両面冷却方式の詳しい構造は図 9～13 で説明する．
図 9 は鉄道用と同じ間接水冷型片面冷却方式の断面図である．パワーモジュールと水冷ジャケッ
トは別体であり，両者は熱伝導グリースで熱的に接続されている．
図 10 は直接水冷型片面冷却方式の断面図である．図 9 に比べて熱伝導グリースを除去しており，フィン付きベースを有するパワーモジュール自体
で，水冷ジャケットの開口部にフタをすることを特徴としている．
インバータパワー密度（W/cc)

IGBT

絶縁基板

IGBT

パワーモジュール
半導体

絶縁基板

40

絶縁基板

両面冷却方式

グリース
30

冷却水

放熱グリース 冷却フィン

冷却水

フィン付放熱ベース

ヒートシンク

第２世代
20
10
第１世代

間接水冷方式
0
1997

図8

2005

2008
（発売年度）

ヒートシンク

熱抵
抗

直接水冷方式

2011

2014

半導体+絶縁基板
グリース(a)間接水冷(b)直接水冷

インバータパワー密度増加トレンド[6]図 11

パワーモジュール

間接水冷と直接水冷の熱抵抗の比較[7]水流
リードフレーム
水流

水冷ジャケット
熱伝導グリース
図 9 間接水冷型片面冷却方式

水冷ジャケット
熱伝導グリース

パワーモジュール

モールド樹脂水流

水流
熱伝導グリース
水冷ジャケット

フィン付きベース
水冷ジャケット
図 10 直接水冷型片面冷却方式

伝熱2020 年 10 月

図 12 間接水冷型両面冷却方式- 24 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

４．おわりに鉄道用と自動車用それぞれのパワー半導体を製品として成立させるためには，冷却技術だけでなく，その周辺技術ある熱応力解析や熱疲労寿命予
測，インダクタンス解析や電流アンバランス解析，
グリースポンプアウトメカニズム分析など，多くの知識を必要とする．これらは，従来は無かった
新しい課題であるため，古くて新しい伝熱技術が応用できる．
国内や海外の地域性や文化，事業者やメーカの考え方によっても冷却採用方式が異なるため，顧
客ニーズに応じた柔軟な設計変更対応力と総合設計力が今後期待される．

モールド樹脂フィン付きベース
リードフレーム
図 13 直接水冷型両面冷却方式[8]直接水冷構造においては片面冷却方式でも両面冷却方式でもフィン付きベースのフィン形状は，製造性や組み立て性だけでなく冷却性能に直結する．例えば千鳥配列のピンフィンヒートシンクを対象に，2 つの目的関数（熱伝達率と圧力損失＝圧損）のトレードオフ関係を，4 つの設計変数（形状パラメータ）で整理し，製品仕様に入る設計変数の組み合わせを自動計算する多目的最適化手法
に関する研究もされている[9]．
また，パワーモジュールと水冷ジャケットは別体のため，必ずピンフィン先端と水冷ジャケットの間に隙間が生じる. この隙間に，ある程度の冷媒がバイパスしてしまうため，直接水冷構造の冷却性能を正確に予測する目的で，熱伝達率や圧損の実験式を新たに構築する取り組みもある[10]．

参考文献[1] Yasui, K. et al., A 3.3kV 1000A High PowerDensity SiC Power Module with Sintered Copper
Die Attach Technology, PCIM Europe (2019).
[2] 小西，他 2 名，熱サイクルにともなう熱伝導
グリースのポンプアウト現象に関する可視化
実験，日本機械学会論文集， 83-845 (2017)16-00243.
[3] Azuma, K. et al., NEW 3.3kV IGBT Module with
Low Power Loss and High Current Ratings, PCIM
Europe (2013).
[4] https://www.hitachi-power-semiconductor-device.
co.jp/application/rail_inverter/index.html[5] https://motor-fan.jp/tech/10009627

設計変数の組み合わせから得られる解空間

圧損
ΔP
[Pa]

この領域を
見つけたい

製品仕様
熱抵抗R

高性能

[6] 中津，他３名, 環境対応自動車を支える次世
代インバータ技術，日立評論 2012 年 4 月号.
[7] Kurosu, T., et al., Packaging Technologies of
Direct-Cooled Power Module, IPEC (2010).

[℃/W][8] 堀内，他 4 名，電力変換装置，特許第 5851372
号(2016).
[9] Horiuchi, K., et al., Multi-objective optimizationof water-cooled pinfin heatsinks, International
Journal of Heat and Mass Transfer, 81 (2015)
760-766.
[10] Horiuchi, K. and Nishihara, A., Experimental
Verification of Model for Liquid-Cooled Staggered
Pin Fin Heat Sinks with Top Bypass Flow, Journalof Energy and Power Engineering 7 (2013)1487-1495.

(a) 2 つの目的関数（冷却性能）

D
X

H

Y

水流

(b) 4 つの設計変数（形状パラメータ）
図 14 ピンフィンの多目的最適化手法[9]伝熱2020 年 10 月

- 25 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

小形表面実装部品のための熱設計への取り組み－ 電子機器の熱設計手法の確立のために －Thermal Design Approach for Small Surface Mount Components- To Establish New Thermal Design Methodology for Electronic Devices 平沢 浩一（KOA 株式会社）
Koichi HIRASAWA (KOA CORPORATION)
e-mail: ko-hirasawa@koaglobal.com
る自己発熱による放熱割合を算出する場合は 0 Wである．
なお，印加電力を定格電力の 50%とした理由は，一般的に，電子機器メーカは，安全のためにその会社独自の設計基準（以降内規と呼ぶ）を定めており「抵抗器は定格電力の 50%以下（値は会社によって異なるが，以降本稿では 50%として説明する）で使用すること」などの制限を設けているか
らである．筆者は家電メーカにおいて電子機器の設計経験がある．電子機器の設計になじみの薄い方も多いと思われる本稿の読者に，必ずしも理詰めとは言えない電子機器の設計現場での熱設計を紹介するとともに，この内規がチップ抵抗器の熱設計に混乱をもたらす一因となっていることを説明する．

１．はじめにテレビなどの家庭用電化製品から，車載電装機
器まで，電気・電子機器を構成する多くの電子部
品の実装形態が，スルーホール実装から，表面実装に移行して，既に四半世紀以上が経過した．これだけ長い期間使用されている表面実装用部品であるが，実は未だに合理的な熱設計が行える状態には無いものがある．本稿では表面実装用抵抗器（以下チップ抵抗器と呼ぶ）を例に，その理由と解決のための取り組み，および熱設計のトレンドについて解説する．
２．熱設計に関する部品の仕様
2.1 リード付き部品の放熱形態と熱的な仕様
まず，スルーホール実装部品の代表としてリード付き抵抗器を例に放熱形態と仕様の関係を検証してみる．リード付き抵抗器は図 1 のような外観を持ち，プリント配線板（以降，基板と呼ぶ）のスルーホールにリードを挿入し，基板裏面の銅箔パターンにはんだ付けにより固定して使用する．
図 2 は図 1 の抵抗器が実装された基板を 25 ℃の
自然対流環境に置き，定格電力の 50%である 2.5
W を印加した場合の放熱割合を計算した結果である．定格電力とは，一定の温度環境（抵抗器の場合には一般的に 70 C）において連続的に印加できる部品仕様に定められた電力である．計算には図 3 のモデルを用いた．詳細は割愛するが，モデルは単純化[1]し，抵抗器本体は水平に置かれた
円柱，リードはピンフィンで近似し，基板を経由した大気への放熱は別途求めたパターン幅ごとの熱抵抗 Rthptn [C/W]で与え，各部温度や放熱量はCFD（Computational Fluid Dynamics）を用いずに伝熱工学の経験式および解析解を組み合わせて求めた．リードと基板の接続点に流入している Padj
[W]は，プリント基板を経由した隣接部品の影響を考察する際に利用するもので，単独部品におけ伝熱2020 年 10 月

パターン幅（可変）

リード

パターン

a)

b)

写真

図1

はんだ付け

c)

部品面

リード付き抵抗器と実装形態

プリント配線板への放熱
17%
リードから
周囲への放熱10%
ふく射による放熱28%

図2

Rthptn

図 3 において
パターン幅 1mm
パターン厚 35m
Ta = 25C で 2.5W 印加時

24.5mm

0.8mm
P [W]

リード
（銅）
抵抗器本体
Padj/2

図3- 26 -

対流による放熱45%

リード付き抵抗器の放熱割合
20mm

Ta

はんだ面より20mm
9mm Rthptn
Ta
Padj/2

リード付き抵抗器のモデル

J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

Tj

Rthj-cRthtim Rthhs

P

=

Tc
部品内←

Ta

→部品外

P：印加電力[W]Rthtim：TIM の熱抵抗[C/W]
Rthhs：ヒートシンクの熱抵抗[C/W]

図4

トランジスタの放熱モデル「決められた部分の温度を決められた値以下に保つこと」に他ならない．半導体であれば「ジャンクションの温度 Tj を 150 ℃以下に保つこと」が熱設計の目標となる．図 4 がトランジスタの放熱経路を熱回路網で示したものである．上記の設計目
標を達成するためには式(1)を満足するように筐体内部の温度 Ta [C]を制御し，ヒートシンクや
TIM（Thermal Interface Material）を適切に選定することが熱設計となる．
Tj  P  Rthj-c  Rthtim  Rthhs   Ta  150・・・(1)
ジャンクションとヒートシンクが接続されるケース背面間の熱抵抗 Rthj-c [C/W]が明示されていなければ熱設計はできないので，部品側では Rthj-c
が仕様として提供されており，システマティック
な熱設計を可能にしている．また，ケース温度 Tc[C]を測定することにより，式(2)を使用して直接実測できない Tj を確認することもできる．
・・・(2)
Tj  Rthj-c P  Tc

UCT

図5

抵抗器の負荷軽減曲線

120
100
80
60
40
20
0

自己発熱のみ
隣接部品発熱加算
0

図6

1

2
3
パターン幅

4
[mm]

5

6

リード付き抵抗器の温度上昇
着目部品

全 部 品の 裏面 パ
－タン幅は可変両側の隣接部品の基
板放熱量の半分ずつが Padj として流入す
ると仮定

図7

隣接部品の発熱の影響

図 2 において，基板への熱伝導以外は大気への対流と周囲壁面（周囲空気と同じ温度と仮定）へのふく射による放熱である．本稿では，部品から基板への熱伝導による放熱を「基板放熱」と呼び，対流とふく射による放熱を「大気放熱」と呼ぶことにする．図 2 より，リード付き抵抗器は発生した熱の大部分を大気放熱によって放熱していることがわかる．このような放熱形態の部品を，
本稿では「大気放熱型部品」と呼ぶことにする．
ここで，電気・電子機器設計者（以降単に機器設計者と呼ぶ）が部品を使用する際の熱設計とは

伝熱2020 年 10 月

これに対して，リード付き抵抗器の場合には，熱的な仕様は，定格電力と図 5 のような負荷軽減曲線[2]で提示されている．周囲温度に対して印加して良い電力が定められているだけである．図 5をみると，抵抗器のどこかの温度が UCT（Upper
Category Temperature：カテゴリ上限温度）を越えなければ良いと思われるかもしれないが，周囲温度 70 C において定格電力を印加すると抵抗体の温度が UCT を超える抵抗器も多いため，UCT を
半導体における Tj と同様に扱うことはできない[3]．図 5 は，供試抵抗器を恒温槽に入れて所定の電力を加えた場合に，一定時間経過後の抵抗値変化が一定範囲内に入っているかどうかを確認する
試験によって求められた使用限界[4]である．リー
ド付き抵抗器を使用する場合の熱設計の目標は，「周囲温度を負荷軽減曲線で示される温度以下に保つこと」ということになる．これが正しい目標
であることを図 3 のモデルで確認する．図 6 は図
1 においてパターン幅を 0.5 mm から 5 mm まで変化させた場合の抵抗器本体の温度変化を計算したものである．また，隣接部品の基板を介した放熱の影響を考察するために，隣接部品の基板放熱の熱量の 50%ずつが図 7 のように両側から Padj としてリードとパターンの接合部に流入したと仮定した場合の温度変化も算出した．
図 6 より，リード付き抵抗器の場合にはパター- 27 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

ン幅が変化しても抵抗器本体の温度はほとんど変
わらず，隣接部品の有無による抵抗器本体の温度変化は 10%程度であることがわかる．当然，抵抗器本体の温度は抵抗器への印加電力 P に概略比例すると考えられるし，周囲温度 Ta が変動すれば抵抗器本体の温度はその分シフトするが，それ以外に抵抗器本体温度を大きく変動させる要因はない．
したがって，「周囲温度を負荷軽減曲線で示される温度以下に保つこと」は正しい熱設計の目標である．
ただし，ここで注意が必要なのは，図 6 からわ
かるとおり，印加電力が定格の 50%であっても，抵抗器本体の温度が周囲温度に対して 100 C も上昇することである．
プリント配線板
はんだ
パターン

a)

写真

図8

b)

実装形態

チップ抵抗器と実装形態
対流による放熱 3%
ふく射による放熱1%

プリント
配線板への放熱96%

図9

図 10 においてパターン幅 1mm
パターン厚 35m
Ta = 25C で 0.125W 印加

チップ抵抗器の放熱割合
2mm

Rthptn1.2mm
Rthptn

P [W]

Ta

Ta
0.5mm
抵抗器本体

Padj/2

Padj/2

図 10 チップ抵抗器のモデル

伝熱

80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

1

図 11

チップ抵抗器の温度上昇

自己発熱のみ
隣接部品発熱加算

2020 年 10 月

234
パターン幅 [mm]56

仮に Ta = 50 C の環境で定格電力を 100%加えた場
合には，抵抗器本体の温度は 250 C にも達する．
抵抗器は仕様内の使い方なので問題ないが，周囲部品が焼損する可能性が高い．これが，機器メー
カが，内規によって，抵抗器の印加電力を定格電
力の 50%に制限している理由の一つである．
2.2 表面実装部品の放熱形態と熱的な仕様
ここでは表面実装用部品の代表として，チップ抵抗器を例に，放熱形態と仕様の関係を検証してみる．チップ抵抗器は図 8 のような外観を持ち，基板の表面の銅箔パターンにはんだ付けにより固定して使用される．図 9 は図 8 の 2012mm サイズ（長さ 2mm で幅 1.25mm）の抵抗器を基板に実装
して 25 ℃の自然対流環境に置き，定格電力の50%である 0.125 W を印加した場合の放熱割合を計算した結果である．モデルはリード付き抵抗器
同様，図 10 のような簡略化したものとした．リー
ドは無く，抵抗器本体は単なる直方体とした．図9 より，発生した熱のほとんどが基板放熱されることが分かる．このような部品を本稿では「基板放熱型部品」と呼ぶことにする．
現在，チップ抵抗器に対しても，熱的な仕様は
図 5 のような負荷軽減曲線で提示されている場合が多い．これが正しいかどうか，図 10 のモデルで確認する．図 11 は，パターン幅の影響と隣接部品の発熱の影響を求めた，リード付き部品の図 6 に相当するグラフである．図 11 と図 6 は様相が大きく異なる．チップ抵抗器の場合には，パターン幅の変化や，隣接部品の有無によって抵抗器本体の温度は大きく変化する．すなわち周囲温度 Ta と印
加電力 P のみならず，実装される基板の状況によって抵抗器本体の温度は大きく変化する．このような状況では，図 5 のような周囲温度と印加電力の関係のみの提示では設計目標にはなり得ない．
しかしながら，設計目標になりうるリード付き部
品の負荷軽減曲線と同じ形であるので，チップ抵抗器を使用して設計を行う機器設計者は図 5 の負荷軽減曲線を設計目標であると誤解していることが多い．チップ抵抗器においても，負荷軽減曲線
は実験によって求められているが，実験は試験規格[4]に定められた推奨試験基板に実装した状態で実施されており，あえて設計目標という言葉を使うとすれば，図 5 は推奨試験基板と全く同じパ- 28 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計

a)

抵抗器メーカの試験基板

b)

じサイズの定格電力は，2000 年以前と比較して，2020 年では倍以上になったものが多く，2012 サイズに至っては，5 倍にもなっている．特に部品の表面積が大きくなっているわけではないので，同じパターンに実装すれば温度上昇は 5 倍である．
「定格電力の 50%以下で使用すれば大丈夫」などとは言えない状況にある．加えて，車載電装機器
では，機器の周囲温度は 100C を超える場合も珍しくなくなっており，正確な熱設計を行わなければ大きな事故につながる可能性がある．
図 14 は，チップ抵抗器に対する適切な熱設計指標として提案されている端子部温度を横軸とした負荷軽減曲線である．図 9 に示したとおり，チップ抵抗器の放熱先は基板である．端子部の温度と印加電力が決まれば抵抗器本体の温度はパターン
幅や隣接部品の有無にかかわらず一様に決まる．
抵抗器メーカは規格試験時の端子部の温度を基に負荷軽減曲線を作成して提供すれば，機器設計者
はそれを設計目標として使用できる．
以上はチップ抵抗器の例であるが，他の部品においても，特に表面実装部品は，その部品の放熱形態を見定めて，合理的な熱設計が行えるように熱的な製品仕様を確認する必要がある．

実装基板

図 12 試験基板と実装基板の比較
5
3
2
1
0.5
0.3
0.2
0.1
0.05
2000

←6332 サイズ
←5025 サイズ
←2012 サイズ
←3216 サイズ
←1608 サイズ
←1005 サイズ
2005

2010
2015
カタログ年度2020

図 13 サイズ別最大定格電力の推移

UCT

図 14 端子部温度による負荷軽減曲線
ターンを用いる場合のみに適用できる設計目標ということになる．図 12 は，推奨試験基板と電子機器内の実装基板を比較したイメージ図である．
チップ抵抗器に対して，図 5 の負荷軽減曲線は，一般には設計目標にはなり得ないにもかかわらず，
機器設計者は設計目標として扱い，熱設計を行ってきた．これまでなぜ問題がおこらなかったのか，
そしてなぜ，今後問題にしなければならないのかを次に解説する．
これまで問題にならなかった最大の理由は，内規の「抵抗器は定格電力の 50%以下で使用すること」だと考えられる．もともとチップ抵抗器は，温度上昇の観点からは定格電力が低く設定されていた．それゆえ，定格電力の半分で使用すれば，リード付き抵抗器のように高温になることは無く，
図 5 が誤った設計目標であっても実害はなかった．
問題が顕在化してきた理由は，近年のチップ抵
抗器の定格電力アップである．図 13 に同じ大きさのチップ抵抗器に与えられる定格電力の推移[5]を示す．
抵抗器のサイズの 4 桁の数値 LLWW は，
縦 L.L [mm]×横 W.W [mm]であることを示す．同

伝熱2020 年 10 月

- 29 -

３．部品の放熱形態を考慮した熱設計手法
前節では，チップ抵抗器において，熱設計の目標とする温度を周囲温度ではなく端子部温度，言い換えれば基板温度とすべきという理由を説明した．様々な部品を前項のように放熱形態から分類
すると，チップ抵抗器に限らず表面実装部品のほとんどが基板放熱型部品となることが分かる．ここでは，基板放熱型部品を対象とした熱設計手法を紹介する．
3.1 熱設計のための部品の仕分け
発熱部品には，与えられた印加電力 P に対して，周囲温度 Ta において自己の温度を一定の目標値
Ttgt 以下にするための放熱能力を自ら備えている
ものと，自ら備えておらず，何らかの放熱対策が必要な部品に分けられる．熱設計に先立ち，まず，この仕分けを行わなければならない．以下は国峯によって提唱されている部品の仕分け方[6]である．
式(3)はニュートンの冷却法則である．

Q  hS Ts  Ta ・・・(3)J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計(4)から容易に求められる．また，Rthtgt は要求であり，これも式(5)から容易に計算できる．
個々の部品を図 15 に示すチャートにプロットした場合に，Rthown≦Rthtgt となる部品については，
自己の冷却能力の方が要求されている冷却能力よりも高いか等しいので，特に冷却のための対策は不要と考えられる（ただし，他部品からの受熱については別途確認が必要である）．これに対して
Rthown＞Rthtgt となった部品については，自己冷却能力が要求よりも低いので，何らかの対策が必要
である．
6332 サイズのチップ抵抗器を Ta = 100C の自然
対流環境において 0.5 W を印加し，部品の温度 125
C 以下で使用したいとする．チップ抵抗器の厚みはほぼ 0.5 mm 程度であるので h = 15 W/(m2・K)と 仮 定し ，式 (4)に表 面積 と とも に代 入 すると
Rthown = 1338 C/W と な る ． 一 方 ， Rthtgt =(125-100)/0.5 = 50 C/W なので，Rthown>> Rthtgt であり，図 15 にプロットしたように要対策部品に仕分けされる．
前章にて，部品を放熱形態により大気放熱型部
品と基板放熱型部品に分類した．これは部品が持っている特性である．ここで紹介した仕分け方法には印加電力，周囲温度および本体の上限温度など，部品を使用する際の条件が加わるが，様々な部品で仕分けを試行すると，対策が必要な部品の大半は基板放熱型部品が占め，特にチップ抵抗器が多い．基板放熱型部品は基板への放熱を期待して定格電力を決めていることが多いので，定格電力に近い電力を印加して使用しようとすれば，基板の熱設計が重要になることは想像に難くない．
なお，仕分けを行った際に，Rthown>> Rthtgt であって Rthtgt ≦ 30 C/W の場合には，基板による冷却以外に，放熱板を設けるなどの本格的な熱対策が必要な場合が多い．
3.2 基板を放熱板として使う熱設計
先述の 6332 サイズの抵抗器の例では Rthtgt =50 C/W であったが，それを基板で実現するための設計手法としては，Gardner の式[7]や，Lee の式[8]など，放熱板の冷却能力に関する式が応用されることが多い．基板を放熱板に見立てて熱抵抗を求めるのである．基板放熱型部品は，一般的に低背であり，基板との熱的な結合が強固であるため，
Rthtgt を求める際には，部品が発熱しているモデル

ここで， Q：放熱量[W]h：熱伝達率[W/(m2・K)]
S：放熱面積[m2]
Ts：部品本体の表面温度[C]
この式を電子部品に適用する場合には，S は部品の表面積となり，定常状態における放熱量は部品に与えた印加電力 P [W]と等しくなる．式(3)は，Ts  Ta1・・・(4)
 Rthown
PhSと変形できる．式(4)の 1/(hS)は部品単体で自己を冷却する能力を示すので，単体熱抵抗 Rthown と定義する．この時，部品表面の熱伝導率は十分に高く，部品は一様の温度になると仮定している．一方，その部品を Ta の環境下に置き，電力 P を印加した場合に部品本体の表面温度を Ttgt とするためにその部品に要求される熱抵抗である目標熱抵抗
Rthtgt は式(5)のようになる．
Ttgt  Ta・・・(5)
 Rthtgt
P
S は部品表面積で自明であり，h は部品の大きさからおおよそ 15 W/(m2・K)とすると，Rthown は式
10000
1000

冷却不要
パターンで対策
6332

100
30
10

冷却デバイスで対策

1
1

10

100
1000
Rthowm [C/W]

10000

図 15 部品冷却要否の仕分けチャート
プリント配線板a)

発熱部品

フットプリントが発熱

b)

実際の形状

モデルの形状図 16 基板放熱型部品の簡易モデル
等価な正方形部品：Sp 200

Ls [mm]
5
7.5
10
12.5
11

実際の部品形状：Sp
150
離隔範囲
Ls
Lp
Ls

100
50
0

Ls

Lp Ls

0

5
4.5

10
Lp [mm]15

図 17 離隔距離を求めるグラフ

伝熱2020 年 10 月

- 30 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計た場合の端子部温度 Tm と熱電対が無い場合の端子部温度 Tt の差を算出すると式(8)のようになる．
詳細は割愛するが，同図 a)の場合には Rthout は約300 C/W となる．

ではなくて，図 16 のように基板の，部品が実装されるフットプリントが発熱しているモデルに置き換えて考えることが多い．
図 17 は部品のフットプリント Sp [mm2]から，所
望の Rthtgt を得るために必要な離隔距離 Ls [mm]を見積もるグラフであり，Lee の式を元にして作られている．部品を，Lp2=Sp となるような，一辺 Lp[mm]の正方形のフットプリントをもつ等価的な形状に置き換えてこのグラフを適用する．Ls が重ならないように個々の部品を配置すれば，個々の部品の Rthtgt を満足できる．6332 サイズの抵抗器の例では，Lp = 4.5 mm なので，Rthtgt = 50 C/W を得るには，11 mm 程度の Ls が必要であることがわかる．
学術的厳密性には欠けるが，機器設計現場ではこのような形で実用できそうな手法を探し出し，
アレンジして使用しているのが現状である．
なお，有賀らにより部品同士の熱的な干渉がある場合の基板放熱を利用した熱設計の研究[9]もなされており，今後，基板放熱型部品に適した，基板を放熱板として利用する熱設計手法の発展に期待する．

Rthout 2020 年 10 月

・・・(6)

2 Rthptn  Rthr

P
Rthptn  Ta
2
Rthout Tm  Ta 
Tt  Tm 
Rthtc

Tt 

・・・(7)
・・・(8)

熱電対の接続による誤差の影響を以下のように比較してみる．図 19 a)の端子部に，タイプと素線直径の異なる熱電対をはんだ付けして温度を測定したところ，どちらも周囲温度 Ta = 25 C の環境
で Tm = 70 C であったとする．熱電対が無い場合の温度 Tt を計算した結果が表 1 である．
素線直径 0.1 mm のタイプ K の熱電対であればそれほど大きな誤差は出ないが，素線直径 0.2 mmのタイプ T の熱電対を使用すると，非常に大きな誤差が生じることが分かる．線径とタイプが異な
表1
熱電対
タイプ
T
K

４．温度測定の問題
表面実装部品は，自らの表面からの大気放熱のみならず，基板放熱に依存できるために小形化が可能となった．しかし，部品の小形化は温度測定に新たな誤差要因を生じさせている．
4.1 熱電対の放熱による誤差
電子機器の熱設計で，最後に実施されるのが試作機の実測による温度の確認である．この時に用いられる温度測定手段は，多くの場合，熱電対であるが，部品の小形化により思わぬ誤差が生じていることに気づいていない機器設計者は多い．
小形の表面実装部品にとって，熱電対はピンフィンと同等の放熱効果をもたらすため，接続すれば被測定物から熱を奪う．図 18 は熱電対の素線直径 d と，熱電対の放熱の熱抵抗 Rthtc の関係を，自然対流の条件で算出したものである．熱電対の長さは実使用状態を考慮し，無限大に近似している．
一方，例えば図 19 a)のように，2012 サイズのチップ抵抗器の熱的な等価回路は同図 b)のようになり，式(6,7)によりさらに単純化した同図 c)の形に変形できる．同図 c)より，熱電対を接続し伝熱

Rthptn  Rthptn  Rthr 

熱電対による測定誤差の比較
素線径d [mm]
0.2
0.1

Rthtc
[C/W]
1000
5600

2500

6000
5000

2000

4000

1500

3000

1000

2000

500

1000

0
0.1
a)

Tt
[C]
83.5
72.4

Tt - T m
[C]
13.5
2.4

0
0.1

0.2
0.3
d [mm]
タイプ T 熱電対

0.20.3d [mm]
タイプ K 熱電対b)

図 18 熱電対熱抵抗 Rthtc
抵抗器
P [W]

熱電対

Rthout

Rthtc
Tm

Tt
端子部温度 Tma) 測定系

c)
P

抵抗器
Rthptn Rthr/2
Ta

簡略化した熱回路網
Rthtc
RthptnRthr/2Tm
Rthr：抵抗器端子間熱抵抗
b)

Ta

Ta
Ta

熱回路網

図 19 熱電対を用いた測定系の等価回路- 31 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
る両者を比較した理由は，素線直径 0.2 mm のタ
イプ T の熱電対は現状で電子機器の温度測定に多用されているからであり，今後推奨したいのは素線直径 0.1 mm のタイプ K だからである．
絶対的な精度はタイプ T の方が高い．一方で，タイプ T 熱電対の素線の一方は熱伝導率が高い銅であり，ピンフィンとしての放熱能力が高い．
Rthout が大きい被測定物の場合には，タイプ T 熱電
対では，放熱により大きな温度低下を招くので，必ずしも精度の良い測定ができるわけではない．
ちなみに，図 1 のリード付き抵抗器本体の Rthout
は，抵抗器本体の熱伝導が良ければ式(4)の Rthownと同じであり，80 C/W と算出される．式（8）で計算すると，同じ熱電対を用いた場合の温度測定
誤差は，図 1 の抵抗器の本体を測定した場合には，
図 19 の 2012 サイズのチップ抵抗器の端子部温度を測定した場合と比較して 1/4 でしかない．
機器メーカでは温度測定の方法も，内規により定められている場合がある．内規が大気放熱型部
品全盛期に作られたものだとすれば，基板放熱型部品の測定のために見直しが必須と思われる．
なお，熱電対を被測定場所へ直接はんだ付けできない場合には，被測定場所への固定方法によって大きな誤差が出ることがある．固定に起因する誤差については中村が詳細に考察を行っている[10]．
4.2 赤外線サーモグラフの微小領域の温度測定
筆者は抵抗器メーカに勤務しているが，時折顧客より「抵抗器の表面ホットスポット温度（最も高温になる部分）が，ある一定値以下であれば使用できる，というような熱的な仕様の決め方はできないか」と問い合わせを受けることがある．チ
ップ抵抗器は，もともとそういった設計はなされていないので，そのような仕様の取り決めは不可能なのだが，顧客には図 20 の異なる分解能のレンズで同一のチップ抵抗器の表面温度分布を測定したデータを見ていただき，本当のピーク温度を測定することはそもそも困難であり，仕様化しても，測定の面から意味がないことを説明している．
図 20 の〇〇m レンズの○○m というのは，
赤外線サーモグラフの受光素子 1 ピクセル当たりの被測定物の長さのことである．25 m レンズであれば，ほぼ真値が測定できている可能性があるが，100 m レンズや 200 m レンズではまずピー

伝熱2020 年 10 月

120

ホットスポット位置

110

25m レンズ
100m レンズ
200m レンズ

100
90

端子部

80
70
-2

-1

0

1

2
位置 [mm]パターン
1608 チップ抵抗器上面

図 201608 抵抗器の温度測定
低放射率部
銅箔パターン
金フラッシュ
高放射率部
ガラスエポキシ素地露出部
図 22 での観測部
60mm

図 21 ピーク温度検出能力の測定ジグ
ク温度は測定できない．では 25 m レンズを使えばよいではないかと思われるかもしれないが，通常機器メーカが温度測定に使用する赤外線サーモ
グラフの全画素数は，多くが，横方向 640 ピクセ
ル×縦方向 480 ピクセルである．25 m レンズを使用した場合の全視野は，わずか横 16 mm×縦 12mm でしかなく，被測定物にフォーカスを合わせながら動作中の基板全体を走査することなどほぼ不可能である．これに対して，端子部の温度であれば，温度勾配が小さいため，図 20 よりあまり分解能の高くないレンズであっても測定できることが分かる．
低温部分の中に微小な正方形形状の高温部分がある場合に，その高温部分のピーク温度を測定するためには，正方形の 1 辺の長さが，赤外線サー
モグラフの受光素子のピクセル数に換算して 5～
6 ピクセル分以上なければならないことは既報[11]のとおりである．近年は図 21 に示すような基板で製作したジグ基板を用いて，ピーク温度の検出能力を確認している．
原理は単純で，このジグ基板をホットプレート
で昇温し，赤外線サーモグラフで温度分布を測定すると，図 22 のように FR4 基板の素地が露出し- 32 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

特集：エレクトロニクス機器の熱設計
図 21 の赤枠部の熱画像

筆者は修士課程までの 6 年間を電気・電子系の学科で過ごしたが，熱設計に関する授業は電子回
路の講座の中でわずか 3 コマ（270 分）しかなかった記憶がある．本稿では，あえて CFD などを用
いずに，伝熱のきわめて基本的な考え方のみを用いて，チップ抵抗器という最もベーシックな電子部品の熱的な仕様に問題があり，それゆえ合理的な熱設計が出来なくなっている現状を解説した．
しかしこれはチップ抵抗器だけの問題ではない．
今後，電気・電子系の高等教育の中で伝熱工学の基礎が重視されるようになり，電気・電子機器の熱設計のレベルが底上げされることを期待する．

観測限界

80
高放射率部

70
60
50
40
30
20

低放射率部
0

10

20

30

40

50

位置 [mm]

図 22 ピーク温度検出能力の簡易測定
た高放射率部分は一様な高温に，金属パターンの低放射率部分は一様な低温に測定されるが，高放射率部分の面積が小さくなりすぎると，面積が十分に広い高放射率部分よりも低温に観測されるようになる．高放射率部分よりも低温に見えない最小の面積が，そのサーモグラフでピーク温度が検出できる最小の面積である．

参考文献[1] 平沢浩一，内田昌宏，福江高志，小形表面実
装部品の温度使用に関する考察，1DCAE MBD
シ ン ポ ジ ウ ム 2019 講 演 論 文 集 ，No.-13-334(2019)99-100．
[2] KOA 株式会社，総合カタログ(2020).
[3] JEITA 標準化専門委員会受動部品標準化 WG，
表面実装用固定抵抗器の負荷軽減曲線に関する考察(2014).
[4] IEC TC40 WG41，IEC60115-8 Fixed resistors foruse in electronic equipment - Part 8-1(2014).

５．まとめ
規格により定められた熱的な仕様を設計目標としても，必ずしも合理的な熱設計が行えないことをチップ抵抗器を例に示し，合理的な熱設計を行うために，新たな仕様を模索する動きがあることを紹介した．
② 基板放熱型部品に適した，基板を放熱板として使用する熱設計手法を紹介した．
③ 表面実装化は部品の小形化をもたらしたが，同時に，温度測定が困難になっていることを例
示し，測定誤差の低減方法を紹介した．

①[5] KOA 株式会社，総合カタログ(2000-2020).
[6] 国峯尚樹，熱設計完全制覇，日刊工業新聞社(2018)209-210.
[7] K.A.Gardner，Efficiency of Extended Surface，
Journal of Heat Transfer ，67(1945) 621-631.
[8] Lee，S. et al．，CONSTRICTION/SPREADINGRESISTANCE MODEL FOR ELCTRONICS
PACKAGING ， ASME/JSME
ThermalEngineering Conference，volume 4(1995)199-206.
[9] Aruga, Y. et al．， Proposal of a temperature riseestimation method for densely mounted
components，Transactions of The Japan InstituteofElectronics
Packaging,Vol.
11(2018)
E18-005-1 - E18-005-13.
[10] 中村元 , 熱電対による表面温度測定の誤差解析 , 日 本 機 械 学 会 論 文 集 , 84 巻 ， 867 号(2018) [DOI:10.1299/transjsme.18-00216][11] 平沢浩一，赤外線サーモグラフの空間分解能を簡易的に推定する方法の提案，伝熱，Vol.54，
No.228(2015)33-38.

６．おわりにリード付き抵抗器などの大気放熱型部品を使った機器の熱設計は，極論すれば筐体内の空気の温度制御である．一方，チップ抵抗器など，基板放熱型部品を使った機器の熱設計は，基板の放熱板としての利用が重要になる．前者は，筐体の大きさや通風孔の設計が主であるため，機構設計者（メカ屋）の担当であるが，後者は基板のパターン設計が主となるため回路設計者（エレキ屋）が主体とならざるを得ない．大気放熱型部品から基板放熱型部品への移行は，熱設計の担当者をも変えてしまったのである．

伝熱2020 年 10 月

- 33 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

ヒストリーQ

人と熱との関わりの足跡（その７）－「日本刀」における伝熱技術とその研究－
Footprints of the Relationship Between Humans and Heat (Part 7)- Study of Heat Transfer in Making of the Japanese Sword 芹澤 良洋（日本製鉄）
Yoshihiro SERIZAWA (NIPPON STEEL CORPORATION)
e-mail: serizawa.sb5.yoshihiro@jp.nipponsteel.com

１．はじめに

土：表面塗布材

日本刀は，日本固有の武器として約 1000 年の歴史があり，鋭い切れ味を保持するための硬さと容易に折れないための高い靭性を有する高機能製品である．また，高機能製品を作る匠たちの技術が生んだ美しさは，日本を代表する伝統工芸品として，その美術的価値は高く評価されている．加えて，最近では，その美しさと歴史的エピソードがデジタルゲーム化され，若い層にもその人気は広まり，多くの関連書籍が出されるとともに，改めて製造技術が注目されている．
本報では，まず，日本刀の製造技術に関して工学の他分野からその特徴を示す．そして，その特徴を起点とした伝熱研究の展開について概観し，現代の技術研究の発展にもつながっていることを
示す．

低炭軟鋼
中炭素鋼
高炭素鋼
図1

表1
工程
たたら製鉄
鍛錬
造り込み
焼き入れ
研磨・仕上

2020 年 10 月

日本刀の製造工程
製造内容
玉鋼製造，部位別素材分別
部位ごとに折り返し鍛錬
素材組合，刀身形状作成
土置き(表面調整)，焼き入れ
鍛冶研ぎ，銘切りたら製鉄」工程で高純度の鉄が造られ，炭素量により異なる硬さの素材をそれぞれ繰り返し折り返
しては鍛え延ばす「鍛錬」を行ったのち，刀身を組み立て再度加熱して「造り込み」を行い，形状を整えてから「焼き入れ」，「研磨・仕上」を行う．
先に述べた初期の研究では，伝熱工学の研究対象である焼き入れについて，刀身の表面に図 1[5]のように厚さの異なる「土」を塗布したのち，加熱して水温を調整した水槽で焼き入れる技術が秘伝とされて，刀の切れ味，刀身の折れない強さ，さらには刃文の美しさに寄与していることは一般の刃物業者にも知られていたが，技術的意味合いについては未解明であった．焼き入れに関して，筆者が把握している最初の研究は，1933 年の金属工学に携わる佐藤による金属面への塗布材有無時の冷却速度測定及び撮影[7]である．この研究では．
塗布材の配合も高温加熱後水冷されるという大きい温度衝撃下でも剥離しない困難な条件を満たす必要があること，図 2 に示すように塗布材により

２．
「日本刀」高度製造技術の特徴とその解明
日本刀は，その機能性の高さと美しさから，製品とその製造プロセスに関して，近代以降多くの研究がなされてきている．金属工学における研究の初期[1]では，ドイツ留学した俵，本多により製造工程の調査，日本刀金属組織の観察，成分・硬度の測定[2]，西洋刀との切れ味比較[3]がなされており，西洋刀との比較では，日本刀の刃の硬度が高いことが示されている．昭和に入ってからは谷村の研究[4]により，次の 2 点が明らかにされた．
すなわち，①日本刀の鉄では炭素以外の微量金属，
燐，硫黄などの不純物含有が現代の工業用鋼に比較して極めて低く，介在物が少ないために鍛錬が可能なこと，②日本刀は図 1[5]に示すように炭素量の異なる鋼を組み合わせているために，武器として刃が硬く切れ味が鋭いにも関わらず，刀身としては脆性がなく折れない特性を持つことの 2 点である．
表 1 に日本刀の製造工程を示す[6]．日本刀は「た

伝熱

刀身断面鋼材組合せと焼き入れ時の「土」塗布状況- 34 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

ヒストリーQ(a)(b)

塗布層あり，左より浸漬後，1/8,1/2,1sec

塗布層なし，左より浸漬後，1/4,3,5.13sec
図 2 Ni20Cr20 鋼の塗布層浸漬冷却状況（加熱温度 800℃，水温 78℃）[7]

冷却初期の金属裸面で発生する「蒸気の袋」（膜沸騰）が発生しないために冷却速度が速くなることを示している．
３．伝熱工学における表面塗布層関連研究
佐藤の研究ののち，伝熱工学における表面層による沸騰冷却時の速度制御に関する成果は奈良崎[8]，Kikuchi[9]，西尾[10]の研究で知られているよ
うに，海外で始まっている．Cowley（1960）ら[11]の液体窒素での研究，Butler（1970）ら[12]の液体
ヘリウムにおける超電導での伝熱向上，Moreaux（1975）ら[13]の冷却速度制御を狙った研究である．
図 3 に Moreaux らの結果を示すが，表面層厚みにより冷却速度が変化し，ある厚みを超えると表面

数字は膜厚（μm）

図 3 ニッケル円柱の酸化ジルコニウム塗布時の冷却曲線（加熱温度 850℃，水温 100℃）

伝熱2020 年 10 月

- 35 -

層が断熱層として冷却速度を低下させることが示されている．その後，菊池，西尾，の研究では，表面層による極小熱流束点変化の研究が極小熱流
束点そのものの発生現象の研究へとつながり，さらに，測定技術，観察技術の発展も伴って，最近の永井[14]，門出・光武[15]，酒井ら[16]の研究に続いている．なお，これらの研究は近年，CO2 削
減を意図した薄肉高強度化が進む工業用鋼材の製造における冷却技術において，表面に発生する鉄酸化層の影響による温度予測技術として貢献している．
以上のように，日本刀における焼き入れ時の秘伝の技術の効果は明らかにされてきたと考える．
すなわち，刃の部分は塗布層を薄くして冷却速度を高めて硬度を上げて切れ味を鋭くし，刀身部は塗布層を厚くして冷却速度を低下させて柔らかく
粘り強い，折れない刀としているのである．因みに，刃の部分の炭素含有量が 0.6％の場合[17]に，その 90％以上を硬度の高いマルテンサイト組織にするための冷却速度は刃部分が 300℃に到達す
るまで約 300℃/sec となる[18]．刃部分がいかに肉厚が薄いとはいえ，焼き入れ槽が噴流を使えない
プール沸騰であることを考えると，必要冷却速度の達成は非常に難しいと推定される．このように，
日本刀の匠たちの製造技術は，西洋刀，あるいは現代の知識と比較しても世界でも類を見ない高いレベルであることが示されている．
４．おわりに
近年では，刀匠でもある佐々木ら[17]により，刃断面の硬度分布，鍛錬工程における鋼材内炭素量制御と鍛錬回数の関係が明らかにされ，製造工程の合理性が示されている．また，上原ら[19]は塗布層の伝熱条件を実験的に求め，焼き入れ時の鋼材の組織変態，刀身の反り変形と温度を錬成させたシミュレーションに導入して，刀身の焼き入れ時の変形挙動，組織分布などを解析して刀身の反り形状の発生について理論的に示している．このように長い伝統を持つ日本刀の製造技術の詳細については不明な部分も多く，その解明は現代の汎用鋼材の高度化のヒントになることも，また，他産業の発展に役立つこともあるであろう．
古来の伝承技術の中には，その未解明な伝承の奥に合理的かつ高度な技術が潜んでいる事例があJ. HTSJ, Vol. 59, No. 249

ヒストリーQ
223.
[11] Cowley, C. W., Timson, W. J. and Sawdye, J. A.,
Adv. Cryogen. Engng., 7 (1962) 385.
[12] Butler, A. P., James, G. B., Maddock, B. J. andNorris, W. T., Int. J. Heat Mass Transfer, 13 (1970)
105.
[13] Moreaux, F., Chevrier, J. C. and Beck, G., Int. J.
Multiphase Flow, 2 (1975) 183.

ると思われ，今は研究が難しくても次代に役立たせることを期待して，確実に保存していきたい．
参考文献[1] Notis, M. R., Mater Char., 45 (2000) 253.
[2] 俵國一，鉄と鋼，6 (1920) 337.
[3] 本多光太郎，高橋金之助，奈良七三郎，金属の研究，3 (1940) 10.
[4] 谷村煕，鉄と鋼，67 (1981) 497.
[5] Takaishi, S., Steel Res., 72 (2001) 380.

[14] 永井二郎，第 57 回伝熱シンポジウム，G214(2020).
[15] 門出政則，光武雄一，第 57 回伝熱シンポジウ
ム，G221 (2020).
[16] 酒井涼太，河野正道，高田保之，第 57 回伝熱シンポジウム，G213 (2020).
[17] 佐々木胤成，堀井胤匡，桃野正，日本製鋼所
技報，60 (2009) 60.
[18] 上野正勝，伊藤亀太郎，鉄と鋼，74 (1988) 1073.
[19] 上原拓也，井上達雄，材料，44 (1995) 309.

[6] 臺丸谷政志，日本刀の科学，SB クリエイティ
ブ，(2016).
[7] 佐藤清吉，金属の研究，10 (1933) 63.
[8] 奈良崎道治，淵澤定克，第 18 回伝熱シンポジ
ウム，(1981) 421.
[9] Kikuchi, Y., Hori, T. and Michiyoshi, I., Int. J.
Heat Mass Transfer, 28 (1985) 1105.
[10] 西尾茂文，第 17 回伝熱シンポジウム，(1980)【謝 辞】
本稿は本学会“熱の科学技術史研究会”から，かねてよりこの方面にご造詣の深い芹澤良洋氏にお願いしてご執筆頂いたものである．我が国の日本刀の製造工程における伝熱技術の関わりについて，このように興味深い記事をご執筆頂いたことに心から感謝する．(熱の科学技術研究会)

伝熱2020 年 10 月

- 36 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

ጤဨ఍ሗ࿌

᪥ᮏఏ⇕Ꮫ఍≉ᐃ᥎㐍◊✲ㄢ㢟ሗ࿌᭩
Report of Specific Promotion Researches in Heat Transfer Society of Japan≉ᐃ᥎㐍◊✲௻⏬ጤဨ఍ⰼᮧ ඞᝅ㸦ጤဨ㛗࣭ᮾிᕤᴗ኱Ꮫ㸧㧗⏣ ಖஅ㸦஑ᕞ኱Ꮫ㸧Specific Promotion Research Planning Committee
Katsunori Hanamura (Chairperson, Tokyo Inst. Tech.)Yasuyuki TAKATA (Kyushu University)⤖ᬗࡢᡂ㛗ࢆṇ☜࡟⌮ゎࡋࡓ෭༷ᢏ⾡ࡢ㛤Ⓨࡀᚲせ࡛࠶ࡿ㸬ᮏ◊✲࡛ࡣ෭༷ࣉࣟࢭࢫ࡟₯ࡴᮍゎỴࡢၥ㢟ࡢ୍ࡘ࡛࠶ࡿ㸪㧗 㠃ࡢ⃿ࢀ㛤ጞࡢ࣓࢝ࢽࢬ࣒ࢆ୰
ᚰ࡟㸪ከ᪉㠃࠿ࡽࡢ◊✲ࢆ⾜ࡗࡓ㸬㔠ᒓ⤌⧊࣭ረᛶຍᕤศ㔝ࡢ◊✲⪅࡜ࡢ᝟ሗ஺᥮࡟ࡼࡿᢏ⾡ㄢ㢟ࡢᢳฟࢆ⾜ࡗࡓ㸬㔠ᒓ⤌⧊࣭ረᛶຍᕤศ㔝ࡢ◊✲⪅࡜ࡢᑐヰ࡛ᨵࡵ࡚ㄆ㆑ࡋࡓࡇ࡜ࡣ㸪᭱⤊ⓗ࡞㔠ᒓ⤌⧊ࢆỴᐃ࡙ࡅࡿ෭༷㏿ᗘࢆᨭ㓄ࡍࡿࡶࡢࡣ㸪㧗 㠃࡟࠾ࡅࡿࠕᅛᾮࡢ⃿ࢀ࡛ࠖ࠶ࡾ㸪⃿ࢀ㛤ጞࡢ࣓࢝ࢽࢬ࣒ࢆゎ᫂ࡍࡿࡇ࡜ࡢ㔜せᛶ࡛࠶ࡿ㸬⾲㠃⛉Ꮫ࣭⇕⛉Ꮫ࣭㔠ᒓ⤌⧊Ꮫ➼ࢆᶓ᩿ࡍࡿ㝵ᒙ」ྜᆺ⇕⛣ື⌧㇟ࡢ⌮ゎ࡜ไᚚࡢࡓࡵࡢ᪂ࡋ࠸Ꮫ⌮࡜ࡋ࡚ᅗ 1 ࡟♧ࡍࡼ࠺࡞ࠕ࣐ࣝࢳࣇ࢕ࢪࢵࢡࢫ⇕ไᚚ⛉Ꮫࠖ࡜ࡋ࡚఩⨨࡙ࡅ㸪㔜せ࡞◊✲ㄢ㢟࡜ࡋ࡚㸪ձ㧗 㠃ࡢᄇ㟝㸭┤᥋㸦Ἓ㦐㸧෭༷᫬ࡢࠕ⃿ࢀᛶࠖ࡟ᑐࡍࡿ⾲㠃࠾ࡼࡧྛ✀ὶయᅉᏊࡢᙳ㡪㸪ղἛ㦐⌧㇟ࡀෆᅾࡍࡿ㝵ᒙᵓ㐀ࡢ≀⌮ࢩ࣑࣮ࣗࣞ
ࢩࣙࣥᢏ⾡ࡢᵓ⠏ࢆᢳฟࡋࡓ㸬ࡇࢀ࡟ᑐࡋ࡚ఏ⇕◊✲⪅ഃࡀᐇ᪋ࡋࡓ୺࡞◊✲ෆᐜࡣ㸪(1)㧗 㠃ࡢ⃿ࢀࢆỴᐃࡍࡿᅉᏊࡢ≉ᐃ㸪
(2)⃿ࢀ㛤ጞ᫬ࡢ⌧㇟◊✲㸪(3)ᅛᾮ⏺㠃ࡢ෭༷ࢆ⪃៖ࡋࡓ㐃ᡂ⇕ఏᑟゎᯒ㸪࡛࠶ࡿ㸬(1)࡛ࡣ㸪㗰ᮦࡢ⾲㠃㓟໬ࢆไᚚࡋ࡞ࡀࡽᄇ㟝෭༷ヨ㦂ࢆᐇ᪋ࡋ㸪㓟໬⭷㸦ࢫࢣ࣮ࣝ㸧ࡢཌࡳ࡜ᛴ෭㛤ጞⅬ㸦MHF
Ⅼ㸧࡜ࡢ㛵ಀࢆㄪ࡭ࡓ㸬ࡑࡢ⤖ᯝ㸪㓟໬⭷ࡀཌࡃ࡞ࡿ࡜ MHF Ⅼࡀ㧗 ໬ࡍࡿࡇ࡜ࢆᐃ㔞ⓗ࡟ᢕᥱࡋ㸪ᾮయ࡜㓟໬⭷⾲㠃ࡀ᥋ゐࡋࡓ㝿ࡢᅛయෆ⇕ఏᑟ࡜⾲㠃⇕ఏ㐩ࡢ㐃ᡂ⌧㇟࡜ࡋ࡚ㄝ᫂ࡍࡿࡇ࡜ࡀ
࡛ࡁࡓ㸬㸯㸬ࡣࡌࡵ࡟
≉ᐃ᥎㐍◊✲௻⏬ጤဨ఍ࡣ 2012 ᖺ࡟᪥ᮏఏ⇕Ꮫ఍࡟タ⨨ࡉࢀ㸪ᡃࡀᅜࡢᢪ࠼ࡿ⛉Ꮫᢏ⾡ⓗㄢ㢟࡬ࡢᑐᛂࡸ௒ᚋࡢⓎᒎ࡟ᐤ୚ࡍࡿ࡜⪃࠼ࡽࢀࡿ◊✲㛤Ⓨㄢ㢟ࢆ㑅ᐃࡋ㸪ㄢ㢟ࡈ࡜࡟◊✲ࢢ࣮ࣝࣉࢆタ⨨ࡋ᳨࡚ウࢆ㐍ࡵ࡚࠸ࡓࡔ࠸࡚࠸ࡲࡍ㸬⌧ᅾࡲ࡛࡟≉ᐃ᥎㐍◊✲ㄢ㢟࡜ࡋ࡚ 10 ௳ࡢㄢ㢟ࡀ㑅ᐃࡉࢀ࡚࠸ࡲࡍ㸬ࡇࡢࡓࡧࠕḟୡ௦㕲㗰ᮦᩱ๰〇ᢏ⾡ࡢ◊✲ࠖ㸦୺ᰝ㸸㧗⏣ಖஅ㸦஑ᕞ኱Ꮫ㸧㸪㛛ฟᨻ๎㸦బ㈡኱Ꮫ㸧㸧ࡢㄢ㢟࡟ࡘࡁࡲࡋ࡚᭱⤊ሗ࿌ࡀᥦฟࡉࢀࡲࡋࡓ㸬ሗ࿌᭩సᡂ࡟ྥࡅ࡚ 5 ᖺ࠶ࡲࡾ࡟
ࢃࡓࡗ࡚ࡈᑾຊ࠸ࡓࡔࡁࡲࡋࡓጤဨྛ఩࡟ᚰࡼࡾ
ᩗពࢆ⾲ࡋࡲࡍ㸬௨ୗ࡟ࡇࡢㄢ㢟ࡢ࢚ࢢࢮࢡࢸ࢕
ࣈࢧ࣐࣮ࣜࢆグ㍕ࡋ㸪఍ဨࡢⓙᵝ࡟᳨ウ⤖ᯝࡢᴫせࢆࡈ⤂௓࠸ࡓࡋࡲࡍ㸬࡞࠾㸪㐣ཤ࡟⤊஢ࡋࡓㄢ㢟㸦http://www.htsj.or.jp/announcement/1010.html㸧
ࡶྵࡵ㸪ሗ࿌᭩ࡢヲ⣽࡟ࡘࡁࡲࡋ࡚ࡣ㸪ࡑࢀࡒࢀࡢ୺ᰝࡲ࡛࠾ၥ࠸ྜࢃࡏࡃࡔࡉ࠸㸬㸰㸬ࠕḟୡ௦㕲㗰ᮦᩱ๰〇ᢏ⾡ࡢ◊✲ࠖHTSJ-FY2017-06
୺ᰝ 㧗⏣ಖஅ㸦H27.10-H29.9㸪஑ᕞ኱Ꮫ㸧㸪㛛ฟᨻ๎㸦H25.10-H27.9㸪బ㈡኱Ꮫ㸧ᖿ஦ Ọ஭஧㑻㸦⚟஭኱Ꮫ㸧㸪ⱂ⃝Ⰻὒ㸦᪥ᮏ〇㕲㸧
takata@mech.kyushu-u.ac.jpᮏ◊✲ࡢ┠ⓗࡣ㸪㔠ᒓ⤌ᡂᏛศ㔝࡜෭༷ศ㔝ࡢ◊✲⪅ࡀ┦஫㐃ᦠࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡗ࡚෭༷ᮦᩱࡢ⤖ᬗᡂ㛗ࢆไᚚࡋ㸪ᚲせ࡞ᕤᴗ〇ရࢆຠ⋡ⓗ࡟〇㐀ࡍࡿࡇ࡜࡛࠶ࡾ㸪ලయⓗ࡟ࡣ㸪㕲㗰ᴗ࡟࠾ࡅࡿᮦ
ᩱ⤌⧊ไᚚᢏ⾡ࡢᢤᮏⓗྥୖ࡟ࡼࡾ㸪〇ရࣞ࣋ࣝࢆ኱ࡁࡃ㣕㌍ࡉࡏࡿࡇ࡜࡛࠶ࡿ㸬ࡑࡢࡓࡵ࡟ࡣ㸪㧗 ᮦᩱࢆᛴ㏿෭༷ࡍࡿ࡜ࡁࡢ㔠ᒓ⤌⧊ࡢኚែࡸ

ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶ࡲࡓ㸪㓟໬⭷ࡢ⇕ᣑᩓ⋡ࢆ࣮ࣞࢨ࣮ࣇࣛࢵࢩ
ࣗἲ࡛㸪ẚ⇕ࢆ TG-DSC ࡛㧗࠸ᗘ⠊ᅖࡲ࡛ᐃࡍࡿࡇ࡜࡟ࡼࡾ㸪༙↓㝈ᅛయࡢ㠀ᐃᖖ⇕ఏᑟ- 37 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

ጤဨ఍ሗ࿌ᅗ  㠉᪂ⓗᮦᩱ๰〇ࡢࡓࡵࡢ࣐ࣝࢳࣇ࢕ࢪࢵࢡࢫ⇕ไᚚ⛉Ꮫࡢᵓ⠏㸬ࢩ࣑࣮ࣗࣞࢩࣙࣥࢆᐇ᪋ࡋ㸪ᐇᶵ࡟㏆࠸᮲௳࡛ࡢ
⇕㛫ᅽᘏᚋࡢ㗰ᮦࡢ ᗘᒚṔࢆᛅᐇ࡟෌⌧ࡍࡿࡇ࡜࡟ᡂຌࡋࡓ㸬ᮏ≉ᐃ᥎㐍◊✲࡛㸪ᮍゎỴࡢၥ㢟ࡀࡍ࡭࡚ゎ᫂ࡉࢀࡓヂ࡛ࡣ࡞࠸ࡀ㸪ᚓࡽࢀࡓ᪂ࡓ࡞▱ぢࡣ☜ᐇ࡟ゎ᫂࡬ࡢ኱ࡁ࡞๓㐍࡛࠶ࡿ࡜఩⨨࡙ࡅࡿࡇ࡜ࡀ
࡛ࡁࡿ㸬࡞࠾㸪ᮏ≉ᐃ᥎㐍◊✲ࡢࢸ࣮࣐ࡣ㸪2019 ᖺᗘࡢ
NEDO ඛᑟ◊✲ࣉࣟࢢ࣒ࣛࠕ⇕ไᚚ⛉Ꮫ࡟ࡼࡿ㠉᪂ⓗ┬࢚ࢿᮦᩱ๰〇ࣉࣟࢭࢫࡢ◊✲㛤Ⓨࠖ㸦௦⾲ᰗᮏ₶㸦ᮾ኱㸧㸧࡟᥇ᢥࡉࢀ㸪⌧ᅾ㸪◊✲㛤Ⓨࢆᐇ᪋୰࡛࠶ࡿ㸬

ၥ㢟ࡢゎ࠿ࡽィ⟬ࡉࢀࡿᾮయ࡜㓟໬ᒙࡢ᥋ゐ᫬ࡢ⏺㠃ᗘࡀ⇕ຊᏛⓗ㐣⇕㝈⏺

ᗘ࡟㏆࠸್࡟࡞ࡿ࡜࠸࠺ࡇ࡜ࡀ᫂ࡽ࠿࡟࡞ࡗࡓ㸬 (2)࡟࠾࠸࡚ࡣ㸪800℃ࣞ࣋ࣝࡢ㧗 ࡢ୰✵෇⟄㗰ᮦࢆᅇ㌿ࡉࡏ࡞ࡀࡽ࣑ࣛࢼ࣮෭༷ᐇ㦂ࢆᐇ᪋ࡍࡿࡇ࡜࡛㸪ᐇ㝿ࡢࣛࣥࢼ࢘ࢺࢸ࣮ࣈ࡛ࣝࡢ෭༷࡟
㏆࠸≧ែ࡛㸪⾲㠃 ᗘࡢィ ࡜⃿ࢀ㛤ጞ⌧㇟ࢆほᐹࡋࡓ㸬ࡇࡢ⤖ᯝ㸪࿘ᮇⓗ࡟෭༷Ỉࡀ⾪✺ࡍࡿሙྜࡢ㗰ᮦࡢ⾲㠃 ᗘࡢ᫬㛫ኚ໬ࢆึࡵ࡚ィ ࡍࡿ࡜࡜ࡶ࡟㸪⃿ࢀ㛤ጞ ᗘ࡟ཬࡰࡍ෭༷Ỉ ࠾ࡼࡧὶ㔞ࡢᙳ㡪ࢆᢕᥱࡍࡿࡇ࡜ࡀ࡛ࡁࡓ㸬(3) ࡟ ࠾ ࠸ ࡚ ࡣ 㸪 ࣛ ࣑ ࢼ ࣮ ෭ ༷ ࡟ ᑐ ࡋ ࡚
PLIC-VOF ἲ࡜ Level Set ἲࢆే⏝ࡋࡓ 3 ḟඖᩘ್ఏ⇕ 2020 ᖺ 10 ᭶

- 38 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

海外レター

ロードアイランド大学滞在記
A Diary in University of Rhode Island

洪 定杓（鹿児島大学）
Chungpyo HONG (Kagoshima University)e-mail: hong@mech.kagoshima-u.ac.jp
１．はじめに2019 年 5 月より 2020 年 3 月まで 11 ヶ月間，学生時代からお世話になっている米国のロードアイ
ラ ン ド 大 学 （ University of Rhode Island ） のMohammad Faghri 教授の研究室に滞在しました．
本稿では，米国ロードアイランド大学での研究生活についてエッセイという形で簡単に紹介させていただきます．
２．ロードアイランドでの研究生活
2.1 ロードアイランド
ロードアイランド州はアメリカの東北のニュー
イングランド地方にあり，独立時の 13 州の 1 つで一番最初に独立宣言をした歴史のある州であります．面積は全米の州の中で一番小さい州で州の面積と共に人口も 100 万人位で少ないですが，人口密度はニュージャージー州に次いで第 2 位だそうです．繊維と貴金属産業の中心地であり，美しい大西洋の休養地として有名でもあります．ロード
アイランド州の西はコネチカット州に，北と東はマサチューセッツ州に，南西はニューヨーク州の
ロングアイランドに接しています．また，東は大西洋に面しており，Ocean State と呼ばれています．

Fig. 1

伝熱Fig. 2

夏は暑くて雨が多いですが，冬は寒く雪が降る気候であります．鹿児島に住んでいた私にとっては降ってくる雪が非常に嬉しかったです（図 1）．
2.2 ロードアイランド大学[1]ロ ー ド ア イ ラ ン ド 大 学 （ University of Rhode
Island，以下 URI）（図 2）はロードアイランド州の南部海岸のキングストン市（Kingston）に位置しており，URI と呼ばれる州立大学です．URI は1890 年代，農業学校として創立され，1932 年，工学，科学とビジネス，農業と家庭，三つの学部に再編成されました．機械工学科はその頃に設立され，今は，機械・産業・システム工学科（Departmentof Mechanical, Industrial and Systems Engineering）となりました．
URI は 80 以上の学部・博士前後期プログラムなどがある総合大学であり，海洋分野とメディカル
分野はアメリカ最高レベルだそうです．
海洋分野はキングストンのメインキャンパス以外に，メインキャンパスから東に 10km ほどのところに Narragansett Bay のキャンパスがあり，海の一部が大学専用地であるおかげで，アメリカ最高

アパートから見た雪の風景

2020 年 10 月

URI の中央 Quadrangle の前景- 39 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

海外レター

レベルの海洋学教育・研究センターを作る決定的なきっかけとなったそうです．
また，ロードアイランド州の Woonsocket には
CVS Health の本部があります．CVS はアメリカ全地域でほぼ一万に達するドラッグストアを持っています．CVS の COO が URI の薬学部の出身であることから，CVS はロードアイランド大学のメデ
ィカル分野に，これまで 50 億円以上を支援し，非常に良い研究環境が整えられています．そのため，薬学，工学などの全分野にかけてメディカル関連の研究が盛んになっています．
工学部にも Biomedical 工学科があり，バイオ・医療関連の研究が活発であります．私が所属した
Faghri 教授の研究室も Biomedical 工学科と共同研究をしています．私はその一部「紙ベースの医療用分析チップのマイクロ流体バルブ（Paper-based
Microfluidic Valve）技術」の研究をすることになりました．
URI は，ボストンから車で 1 時間半，ニューヨークから 2 時間半，州庁所在地のプロビデンスから 30 分の距離であり，大都市へ行きやすいところも魅力です．また米国で最も安全なキャンパスの 5
番目，最も美しい海岸キャンパスを誇っています．
2.3 研究室
Mohammad Faghri 先生は 1973 年に Oregon State
University で学位を取得されその後，University of
Minnesota で Postdoctoral research を経て 1983 年から URI の教授に就任されました．
「マイクロスケールにおける熱伝達特性に関する研究」について
20 年以上研究を行ってきており，10 年前からは「マイクロ流路を用いた紙ベースの医療用分析チップ」についても研究を行っています．
私が学生の時，Faghri 先生との共同研究成果を発表するために参加した 2006 年シカゴで開催された国際会議 International Mechanical Engineering
Congress & Exposition（IMECE2006）で初めてお会いしました．その後は数回 URI に短期滞在し，また国際会議に共に参加しながら共同研究を続けてきました．昨年，鹿児島大学の「若手教員海外研修支援事業」へ応募する機会があり，これまでの研究をしながら新たな研究分野を学べる最適な研究室として Faghri 先生の研究室を海外研修先に決めました．「若手教員海外研修支援事業」は 3ヶ月の支援でしたが， 学科の同分野の先生（木伝熱2020 年 10 月

下英二教授）のご了承を得て期間を延長し，2019
年 5 月～2020 年 3 月の 11 ヶ月間，
「紙ベースの医療用分析チップのマイクロ流体バルブ（Paper-based Microfluidic Valve）技術」を学びながら「マイクロチャンネルガス流の熱伝達特性」についても共同研究をしました．
私 が 所 属 し た Faghri 先 生 の 研 究 室 は ，Constantine Anagnostopoulos 教授， Nasim Rahmani
講師，Winfield Smith 研究員，3 名の Ph. D 学生で構成されいます．2 週間毎に研究ミーティングをしていて，Winfield 研究員と 3 名の Ph. D 学生が30 分程度 2 週間の間に研究した内容について発表・討論をしました．現在もオンラインによりミーティングに参加しています．

Fig. 32020 年 8 月新築された工学部建物

Fig. 4.

訪問研究者の研究室

同年，新たに新築された立派な建物（図 3）に工学部が拡張移転したおかげで自分の研究室（図4）をいただき，また実験室も他の実験室とドアなしで繋がっていて，共同研究をしやすい環境になっています．隣には Faghri 先生と Constantine
先生の研究室があったため，いつも二人の先生が- 40 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

海外レター
通りかかりに「Hello Dr. Hong !」という声かけをして下さり寂しいと感じることはありませんでした．
Fig. 6

３．研究について
3.1 Bi-Material Cantilever(B-MaC)
URI では，以前からの Faghri 先生との共同研究「マイクロチャンネルガス流の熱伝達特性」を行
いつつ，「紙ベースの医療用分析チップのマイク
ロ流体バルブ（Paper-based Microfluidic Valve）技術」の研究をいろいろ教えてもらいながら行いました．その一部成果を国際会議 [2]で発表をしましたので，本稿で紹介させていただきます．
複 雑 な 多 段 階 の イ ム ノ ア ッ セ イ (Multistep
Immunoassays)を行うには，正確な時間と複数の試薬を順次運ぶ過程が必要です．現在の紙ベースのラテラルフローデバイス（Lateral Flow Devices）には，試薬の扱いのためのバルブやアクチュエー
ターなどの重要な要素がありません．
そこで，片持ちばりの原理を用いた紙ベースのバ イ マ テ リ ア ル ア ク チ ュ エ ー タ (Bi-material
Actuator)の開発について簡単に紹介します．これは作成が簡単で低コストの紙ベースの流路を用いて，複数の試薬を検体検出の領域に順次運ぶことができます．
片持ちばりバイマテリアルアクチュエータ（Bi-Material Cantilever actuator，以下 B-MaC）は，
片側にスコッチテープが部分的にラミネートされたフィルターペーパーのストリップから作成します．フィルターペーパーが液体を吸収すると，セルロース繊維は湿度膨張を起こし，紙の寸法が変化しますが，隣接するテープ層（スコッチテープ）の長さは一定のままです．紙とテープのこのよう

0 seconds

3 seconds

Fig. 7(b) Flow prevented at SC
Fig. 5 Schematic diagram of bi-material cantileveractuator operational in two configurations

2020 年 10 月

180 seconds
Actual 1-D single B-MaC lateral flow device

な動作の違いにより，片持ちばりの先端はテープ層のある側に曲がり，固定コンポーネント（Stationary component）に設けられた流路を開閉します．図 5（a）に示したように，テープ層が下側にある場合，B-MaC は濡れると下向きに曲がりますが，図 5（b）に示したように，テープ層が上側にある場合，B-MaC は上向きに曲がります．
複雑なイムノアッセイを行い，サンプル流体に加えて 2 つ以上の試薬を順次運ぶためには，流路を構築する必要があります．B-MaC に構成物（試薬液用のガラス繊維パッド，試薬パッドの下フィ
ルターペーパーストリップ，ニトロセルロース検
出ゾーン，廃棄物パッド）を加えた 1-D ラテラル
フローデバイスの例を図 6 に示します．先ほど述べたように，フィルターペーパーの片側にスコッチテープが部分的にラミネートされています（図6 中の青色の部分）．
図 6 と同じ構造を用いて実際に 1-D ラテラルフ
ローデバイスを作成し，その流れ実験の結果を図7 に示します．まず，約 75 µL の試薬液を試薬パッド（赤色）に濡らします．次に、少量（12 µL）のサンプル液（緑色）をサンプルエリアにピペッ
トで滴下します．サンプル液はテスト領域と片持
ちばりの両方に流れます．セルロース繊維の湿気膨張により，片持ちばりは下方に曲がり始め，数(a) Flow allowed at SC

伝熱Schematic diagram of a bi-material cantileveractuator in a 1-D lateral flow device- 41 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

海外レター
秒 以 内 に 固 定 コ ン ポ ー ネ ン ト （ Stationary
Component）に接触します．図 7 の中央に示すように，片持ちばりが固定コンポーネントに接触し，試薬液をテストゾーンに向けて吸い上げ始めます．数分後，ニトロセルロース検出ゾーンのラインで強い信号が形成され始めます．180 秒後の写真を見るとピンク色のテープの左側に，紫ラインの信号が表示されています．この研究で開発された B-MaC は、さまざまなマイクロ流体診断シス
テムに適用が可能であり，複数の試薬液を順次運ぶ必要のあるまたはタイミング遅延が必要な複
雑なシステムに応用できます．今後はこの研究成果を基に Faghri 先生と共同で研究を続けようと考えております．
４．おわりにアメリカでの長期滞在にあたり，多くの方々に大変お世話になりました．渡米するにあって貴重なアドバイスをして下さいました浅古豊先生，鈴木康一先生，片野田洋先生に深く御礼を申し上げ

伝熱2020 年 10 月

- 42 -ます．また不在期間中の講義を代わりに引き受けて下さった木下英二先生を始め，私の長期滞在を許可して下さった鹿児島大学の先生方にこの場をお借りして御礼を申し上げます．一人一人お名前を挙げることが出来ず残念ですが，皆様のおかげでほぼ 1 年間無事に過ごすことができました．
最後に，URI の Faghri 先生のご家族には，研究だ
けではなく，様々なところでお世話になりました．
心から感謝申し上げます．
参考文献[1] http://www.uri.edu[2] Smith, W. et al., A Fluidically Controlled
BI-Material Actuator For Automation Of
Paper-Based Assays, Proceedings of theInternational Symposium on Thermal Effects in
Gas flows In Microscale, Germany, October(2019)J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

行事カレンダー
本会主催行事開催日
2021 年
未定
（延期）

行事名

10 月

10 月

10 月

10 月

11 月

11 月

11 月
〜
12 月
12 月

12 月

原稿締切

申込締切

原稿締切

31st International Symposium on
Transport Phenomena (ISTP31)

9月1日

9月1日

第 48 回日本ガスタービン学会定期講
演会

6 月 19 日

8 月 28 日

30(月)
〜
1(火)
2(水)
〜
4(金)
21(月)
〜
23(水)

第 10 回潜熱工学シンポジウム「研究者、技術者のための応用数学」
コース
第 11 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
9 月 30 日

7 月 31 日

日本機械学会関西支部第 370 回講習会
実務者のための流体解析技術の基礎と応用
日本機械学会関東支部山梨講演会

問合先

掲載号

ISTP31 実行委員会委員長
横野泰之
yokono@mech.t.u-tokyo.ac.jp（公社）日本ガスタービン学会
gtsj-office@gtsj.org
神奈川県立産業技術総合研究所
事務担当 教育研修グループ 北川光子
ed@newkast.or.jp（一社）日本機械学会マイクロ・ナノ工学部門担当 大通千晴
daitsu@jsme.or.jp
事務局 jstp@okayama-u.ac.jp086-251-8046/FAX 086-251-8266
日本機械学会関西支部
Tel:06-6443-2073
E-mail: info@kansai.jsme.or.jp

11 月 15 日

10 月 18 日

日本機械学会関東支部
Tel:03-5360-3508
E-mail: kt-staff@jsme.or.jp
日本潜熱工学研究会 会長 鈴木洋
hero@kobe-u.ac.jp

第 58 回燃焼シンポジウム（一社）日本燃焼学会
office@combustionsociety.jp

第 33 回数値流体力学シンポジウム（一社）日本流体力学会
03-3714-0427/FAX: 03-3714-0434
E-mail: info@nagare.or.jp

伝熱 2020 年 10 月

掲載号

（一社）日本機械学会総合企画 G
森本あかね morimoto@jsme.or.jp

13(火)
〜
16(金)
14(水)
〜
15(木)
21(水)
〜
23(金)
26(月)
〜
28(水)
28(水)
〜
30(金)
4(水)
〜
5(木)
22(日)

第 41 回日本熱物性シンポジウム

問合先
ACTS2020 実行委員会
secretary@acts2020jp.org

アジア熱科学会議（2nd ACTS）

本会共催，協賛，後援行事
開催日
行事名2020 年10 月
6(火)20-173 講習会「再エネとの強調技
術」
10 月

申込締切

- 43 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

お知らせ

日本伝熱学会創立 60 周年記念

第 58 回日本伝熱シンポジウム研究発表論文募集
第 58 回日本伝熱シンポジウム実行委員会
委員長 佐々木 直 栄
幹 事 田 中 三 郎

開催日： 令和 3 年 5 月 25 日（火）～5 月 27 日（木）会 場： ホテルハマツ（https://www.hotel-hamatsu.co.jp）※状況によっては WEB 開催の可能性があります
所在地 〒963-8578 福島県郡山市虎丸町 3-18 電話 024-935-1111
アクセス タクシー：JR 東北新幹線郡山駅西口より約 5 分
バ ス ：JR 東北新幹線郡山駅西口発→虎丸バス停 約 5 分
徒 歩 ：JR 東北新幹線郡山駅西口より約 20 分
飛行機 ：福島空港より JR 東北新幹線郡山駅までバスで約 40 分
講演申込締切：令和 3 年 1 月 15 日（金）講演論文原稿提出締切： 令和 3 年 3 月 5 日（金）早期参加申込締切：
令和 3 年 4 月 2 日（金）ホームページ URL：http://htsj-conf.org/symp2021/【シンポジウムの形式】※状況によっては WEB 開催の可能性があります 講演発表形式としてa) 通常の一般セッション（口頭発表）b) オーガナイズドセッション（口頭発表）c) 学生および若手研究者を対象とする優秀プレゼンテーション賞セッションを実施します．
 講演あたりの割当時間は，一般セッションでは 15 分（発表 10 分，個別討論 5 分）で，各セッションの最後に総合討論の時間（5 分×セッション内の講演件数）を設ける予定です．オーガナイズドセッショ
ンについては，オーガナイザーの指示に従って下さい．
 優秀プレゼンテーション賞セッションについては，本号掲載のお知らせ「優秀プレゼンテーション賞（第58 回日本伝熱シンポジウム）について」をご参照下さい．
【講演申込方法】
 一般セッションと優秀プレゼンテーション賞セッションの講演者（登壇者）は，日本伝熱学会会員（学生会員，賛助会員，特別賛助会員を含む）に限ります．講演者が日本伝熱学会会員でない場合は，会員申込と会費納付を行って下さい．
（オーガナイズドセッションについては，各セッション募集に従って下さい．
）
 原則としてウェブによる申込みに限らせて頂きます．本シンポジウムで準備するウェブサイトから必要なデータを入力して下さい．ウェブによる申込みができない場合には，実行委員会事務局にお問い合わせ下さい．
 申込みの際に，一般セッション，オーガナイズドセッション，優秀プレゼンテーション賞セッションのいずれで発表するかを選択して下さい．優秀プレゼンテーション賞セッションにお申込みの場合には，本号掲載のお知らせ「優秀プレゼンテーション賞（第 58 回日本伝熱シンポジウム）について」をご参照
下さい．
 発表申込み時に，論文要旨（日本語で 200～250 字）を入力して下さい．講演論文集の抄録として科学技術振興機構（JST）のデータベースに登録します．
 講演発表申込みは，講演者 1 名につき 1 題目とさせて頂きます．
 講演の採否およびセッションへの振分けは，実行委員会にご一任下さい．

伝熱2020 年 10 月

- 44 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

お知らせ【講演論文集電子版】
 講演論文集として電子版のみを発行し，冊子版は発行しません．講演論文はウェブ上で一定期間公開します．日本伝熱学会会員は講演論文電子版を事前にウェブから読むことができます．
 講演論文集電子版を参加者に配布します．なお，講演論文集電子版は参加できなかった日本伝熱学会会員にも希望があれば配布しますので，シンポジウム終了後に日本伝熱学会事務局にお申込み下さい．
 講演論文または講演アブストラクトのいずれかの原稿を提出して頂きます．講演論文は A4 サイズで 2～
6 ページ，講演アブストラクトは A4 サイズで 1 ページとします．
 講演論文原稿の執筆要綱は会誌 1 月号の「お知らせ」と本シンポジウムのホームページに掲載します．
 講演論文原稿は，原則として PDF ファイルで提出して頂きます．
 原稿提出締切日までに提出されなかった講演論文は，講演論文集電子版およびウェブに掲載されません．
【参加費等】※状況によっては WEB 開催の可能性があります シンポジウム参加費
会員一般 （早期申込：12,000 円，通常申込：15,000 円）
非会員一般（早期申込：15,000 円，通常申込：18,000 円）
会員学生 （早期申込： 6,000 円，通常申込： 7,000 円）
非会員学生（早期申込： 7,000 円，通常申込： 8,000 円）※ 特別賛助会員は 1 口につき 3 名，賛助会員は 1 口につき 1 名，参加費が無料になります．
※ 会員とは，日本伝熱学会会員のほか，共催・協賛学協会の会員を含みます．
※ 講演論文集電子版は参加者全員に配布されます．
 講演論文集電子版
講演論文集電子版のみの販売：5,000 円（シンポジウム後の販売になります．）【意見交換会】※状況によっては WEB 開催の可能性があります 開催日：令和 3 年 5 月 26 日（水）
 会 場：ホテルハマツ（〒963-8578 福島県郡山市虎丸町 3-18）
 参加費：一般（早期申込：8,000 円，通常申込：10,000 円 同伴配偶者無料）
学 生（早期申込：4,000 円，通常申込：5,000 円）【ご注意】 講演申込みの取消および講演論文原稿の差替えは，シンポジウムの準備と運営に支障をきたしますのでご遠慮下さい．
 講演申込みは共著者の許可を得てから行って下さい．
 論文題目と著者名が，講演申込み時と論文提出時で相違しないように特にご注意下さい．
 口頭発表用として実行委員会事務局が準備する機器は，原則としてプロジェクタのみとさせて頂きます．
パーソナルコンピュータは各自ご持参下さい．
 参加費，意見交換会費等は参加取消しの場合でも返金いたしません．
 本シンポジウムに関する最新情報については，随時更新するホームページでご確認下さい．
【お問い合わせ先】
第 58 回日本伝熱シンポジウム実行委員会事務局
日本大学 工学部 機械工学科 内E-mail：symp2021@htsj-conf.org, FAX：024-956-8860（共通）

伝熱2020 年 10 月

- 45 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

お知らせ

優秀プレゼンテーション賞（第 58 回日本伝熱シンポジウム）について
日本伝熱学会 学生会委員会
委員長 巽 和也
第 58 回日本伝熱シンポジウムでは，下記の要領で，若手研究者および学生を対象とした優秀プレゼンテーシ
ョン賞セッションを設けます．日頃の研鑽の成果を披露するチャンスとして，奮ってご応募下さい．
開催
日： 令和 3 年 5 月 25 日（火） シンポジウム第 1 日
発 表 形 式： 発表者 1 名あたり，発表内容をまとめた 1 枚のアピールスライド提出とポスタープレゼン
テーションを行う形式をとる予定です．アピールスライドは冊子体として配布されると共にスライドショーとして会場にて案内される予定です．
なお，伝熱シンポジウムの開催状況により，優秀プレゼンテーション賞セッションをオンラインにて開催する場合があります．発表形式の詳細については，決定し次第，シンポジ
ウムのホームページに掲載いたします．
対象： 企業・大学・研究機関等の技術者・研究者で，令和 3 年 3 月 31 日現在で 28 歳以下の方，
または，申込当日に学生である方．
応 募 資 格： 発表者は日本伝熱学会の会員（正員・学生員）に限ります．発表者が日本伝熱学会会員でない場合は，講演論文原稿提出までに，会員申し込みを行ってください．なお，本セッシ
ョンで発表する方は，応募資格を必ず満たす必要があります．また，過去に本賞を受賞された方は応募することはできません．
応 募 件 数： 大学に所属する学生の場合：指導教員あたり 1 名（1 件）
大学以外の研究機関，企業に所属する場合：研究グループあたり 1 名（1 件）とします．
応 募 方 法： 第 58 回日本伝熱シンポジウム発表申込時に，本誌掲載の研究発表申込方法に従って，“優秀プレゼンテーション賞”を選択し，“指導教員または研究グループ長等”を入力してください．なお，講演論文原稿の様式については一般セッションと同様のものとします．
審査・選考方法： 複数名の審査員による評価に基づいて選考し，受賞者を決定します．
表彰： 受賞者はシンポジウム第 2 日の学会総会で表彰されます．

伝熱2020 年 10 月

- 46 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

お知らせ

新たな学会ロゴを募集します！
２０２１年からの学会ロゴをデザインするのはあなたです！
デザイン条件：「H」,「T」,「S」,「J」の４⽂字（⼤⽂字）がはいった，学会ロゴをつくってください

現在の学会ロゴ（〜２０２１年まで）

日本伝熱学会ロゴの募集
日本伝熱学会 60 周年記念担当特命理事
東京工業大学 平井秀一郎
日本伝熱学会は，1961 年 11 月に日本伝熱研究会として発足し，2021 年 11 月に創立 60 周年を迎えます．我が国の伝熱分野の学術と技術は，幾多の困難を乗り越えながら大きく進展し，社会に貢献してきました．先達が築いてきた本会の活動は我が国にとどまらず，アジア太平洋地域から全世界へと広がっています．
六十周年といいますと，暦でいえば一巡りということにもなり，ここに，本会としての未来を見つめ，新たに学会ロゴを募集することとなりました．つきましては，下記の要領に従って日本伝熱学会ロゴを募集します．本会の将来をともにつくる皆様からの多数のご応募をお待ちしています．
１．募集要項（１） 応募対象者：公益社団法人日本伝熱学会（以下，本会とする）の会員（正員），名誉会員とします．
（２） ロゴデザインの規定：「H」,「T」,「S」,「J」の 4 文字（大文字）が含まれ，応募者本人がつくったオリジナルのものであり，未発表，かつ，類例のないものとします．本会との協議にもとづいて
ロゴデザインが改変される場合があることを，あらかじめ了承しているものとします．
（３） 著作権：最優秀賞に選ばれたロゴデザインの著作権は本会に帰属することとします．
（４） 贈賞：最優秀賞（1 件） 本会公式ロゴとして採用します．賞金 10 万円を授与します．
２．選考方法（１） 最優秀賞の候補となるロゴデザイン 3 件を本会委員会にて選定します．その上で，第 58 回日本伝熱シンポジウム総会における出席者の投票にもとづき最優秀賞（1 件）を決定します．
３．応募の様式と方法（１） 様式：デジタルデータ（jpeg，png，ps などの一般的な形式であれば可とします．不明な場合には，担当委員へお問い合わせください）として，カラーと白黒（グレースケール可）の 2 パターンを提出して下さい．
（２） 方法：提出するロゴデザインを考案・作成した応募者本人により，本会ホームページに記載の要領にて提出して下さい．応募は一人につき一件を上限とします．
４．提出期限2020 年 12 月 25 日（金）５．提出先および問い合わせ先
本会ホームページ：https://www.htsj.or.jp/announcement/2078.html
大阪大学大学院工学研究科 機械工学専攻 津島将司
TEL 06-6879-7304, FAX 06-6879-7305
Email: tsushima@mech.eng.osaka-u.ac.jp

伝熱2020 年 10 月

- 47 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

お知らせ

日本伝熱学会主催 オンライン講習会「計測技術〜測定の基礎と最新の非接触計測技術〜」受講者募集のご案内

産学交流委員会
委員長 近藤 義広

開催日
開催方法

2020 年 11 月 27 日金曜日 12:50～17:00
オンライン（WebEx を予定）

要旨
『計測技術』を基礎から学ぶ必要がある⽅や，最新の計測技術を学びたい方を対象に，計測分野で著名な⽅々とディスカッションをすることで，より広い知⾒を得られるオンライン講習会を開催する運びとなりました．昨年開催し，ご好評頂いた『計測技術』について，本年は計測技術の基礎となる各種センサ
ーおよび，多くの場面で需要が高まっている非接触計測技術に関する専門家を講師陣にお招きし，計測の基礎から非接触計測の最新技術まで幅広くご講演頂きます．本講習会では，講演者と聴講者が⼀体となった参加型イベントにするため，設計業務や研究で悩んでいることを共有する総合討論の時間を設けております．
また本年はオンライン講習会ですので，これまで会場に足を運ぶことが難しかった方でもご参加いただきやすくなっております．

題目・講師（敬称略）(1) 開会のあいさつ（12:50 – 13:00）(2) 講演（13:00 – 16:30）
・放射温度計の正しい使い方
・熱電対の正しい使い方
・最新のサーモカメラ活用技術
・3 次元 X 線サーモグラフィー
・超音波サーモメトリの開発とその応用(3) 総合討論（16:30 – 17:00）

日立アカデミー 近藤 義広
防衛大学校 中村 元
名古屋工業大学 田川 正人
日本アビオニクス 柴田 浩樹
日立製作所 米山 明男
長岡技術科学大学 井原 郁夫
講演講師，司会：近藤 義広

定員
先着 40 名資料集 本セミナーに参加された方に，資料集をメール配信いたします．資料集のみの販売はいたしません．
申込⽅法 伝熱学会ホームページ上の申込フォームからお申し込みください．
問合せ先 （公社）⽇本伝熱学会（担当 ⼤澤）／電話（03）3259-7919 ／FAX（03）5577-7939／E-mail : office@htsj.or.jp

伝熱2020 年 10 月

- 48 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

事務局からの連絡

編集出版部会からのお知らせ

一各種行事・広告などの掲載についてー
インターネットの普及により情報発信・交換能力の比類ない進展がもたらされました．一方，ハードコピーとしての学会誌には，アーカイブ的な価値のある内容を手にとって熟読できる点や，一連のページを眺めて全貌が容易に理解できる点など，いくら電子媒体が発達してもかなわない長所があるのではないかと思います．ただし，学会誌の印刷・発送には多額の経費も伴いますので，当部会ではこのほど，密度のより高い誌面，すなわちハードコピーとしてぜひとも残すべき内容を厳選し，イン
ターネット（HP：ホームページ，ML：メーリングリスト）で扱う情報との棲み分けをした編集方針を検討いたしました．
この結果，これまで会告ページで取り扱ってきた各種行事・広告などの掲載につき，以下のような方針で対応させていただきたく，ご理解とご協力をお願いする次第です．
対 象

対 応

本会（支部）主 無 条 件 で 詳 細 を ， 会 誌 と催による行事
HP に掲載，ML でも配信
関係学会や本会 条件付き掲載
会員が関係する 会誌：1 件当たり 4 分の l ページ程度で掲載（無料）組織による国内外の会議・ HP：行事カレンダーに掲載
シンポジウム・しリンク形成（無料）セミナー
ML：条件付き配信（無料）
大学や公的研究機関の人事
会誌：掲載せず
公募（伝熱にHP：条件付き掲載 （無料）
関係のある分
ML：条件付き配信（無料）
野に限る）

一般広告
求人広告

具体的な手続き（電子メールでの連絡を前提としています）
申込者は，記事を総務担当副会長補佐協議員（ML 担当），広報委員会委員長（HP 担当）あるいは編集出版部会長（会誌担当）へ送信してください．
申込者は，まず内容を説明する資料を総務担当副会長補佐
協議員に送信してください．審議の結果，掲載可となった
場合には総務担当副会長補佐協議員より申込者にその旨通知しますので，申込者は記事を編集出版部会長（会誌担当）と広報委員会委員長（HP 担当）に送信してください．
申込者は，公募内容を説明する資料を総務担当副会長補佐
協議員に送信してください．審議の結果，掲載可となった
場合には総務担当副会長補佐協議員より申込者にその旨通知しますので，申込者は記事を広報委員会委員長（HP 担当）に送信してください．

申込者は，編集出版部会長（会誌担当）または広報委員会
委員長（HP バナー広告担当）に広告内容を送信してください．掲載可となった場合には編集出版部会長または広報委
会誌：条件付き掲載（有料）員会委員長より申込者にその旨通知しますので，申込者はHP：条件付き掲載
原稿を編集出版部会長または広報委員会委員長に送信して（バナー広告のみ，有料）ください．掲載料支払い手続きについては事務局からご連
絡いたします．バナー広告の取り扱いについては
http://www.htsj.or.jp/wp/media/36banner.pdf をご参照下さい．

【連絡先】
・総務部会長：稲田孝明（東京電機大学）：t-inada@mail.dendai.ac.jp
・編集出版部会長：中村 元（防衛大学校）：nhajime@nda.ac.jp
・広報委員会委員長：一柳満久（上智大学）：ichiyanagi@sophia.ac.jp
・総務担当副会長補佐協議員：村上陽一（東京工業大学）：general-affairs@htsj.or.jp
・事務局：大澤毅士・村松佳子・山田麻子：office@htsj.or.jp【注意】・原稿は Word ファイルまたは Text ファイルでお願いします．
・HP はメンテナンスの都合上，掲載は申込月の翌月，また削除も希望掲載期限の翌月程度の時間遅れがあることをご了承願います．
・ML では，原則としてテキスト文の送信となります．pdf 等の添付ファイルで送信を希望される場合
はご相談ください．
伝熱2020 年 10 月

- 49 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249

編集出版部会ノート
Note from the JHTSJ Editorial Board
新型コロナウィルス感染症（COVID-19）の影響で，様々な行事やイベントのオンライン化が進められています．日本伝熱学会においても，この春に中止となった伝熱シンポジウムの再チャレンジとして，優秀プレゼンテーション賞セッションをはじめとした特別オンラインセッションが 9 月から 10 月にかけて実施されます．また，講習会や各支部の総会やセミナーなどもオンラインによる開催が進められています．コロナ禍で否応なしに迫られた対応ではありますが，場所を問わずに参加できるなどオンラインならではのメリットも多く，コロナ後においても積極的に活用されていくのではないかと思います．同時に，一堂に会する集会についても，その良さを改めて実感しているところです．
さて，本号では「エレクトロニクス機器の熱設計」の特集を西剛伺先生に組んでいただきました．電子機器の冷却は数十年前からのテーマですが，機器の小型化・高性能化とともに熱設計は進化しており，本特集
では熱設計の現状についてご理解いただけるのではないかと思います．また，「ヒストリーQ」では日本刀における伝熱技術とその研究を，「委員会報告」では特定推進研究として行われた次世代鉄鋼材料創製技術の研究報告を，「海外レター」ではロードアイランド大学滞在記をご寄稿いただきました．ご多用にもかかわらず
ご寄稿くださった皆様に，この場をお借りして厚くお礼申し上げます．
中村 元（防衛大学校）
Hajime NAKAMURA (National Defense Academy)e-mail: nhajime@nda.ac.jp

企画・編集出版担当副会長

鶴田 隆治（九州工業大学）

編集出版部会長

中村 元（防衛大学校）

委員
（理事）

光武 雄一（佐賀大学），中原 真也（愛媛大学）（協議員） 小田 豊（関西大学），梶田 欣（名古屋市工業研究所），武田 哲明（山梨大学），
富村 寿夫（元熊本大学），中川 慎二（富山県立大学），西 剛伺（足利大学），
元祐 昌廣（東京理科大学），結城 和久（山口東京理科大学）
TSE チーフエディター

鈴木 雄二（東京大学）

TSE 編集幹事

福島 直哉（東海大学）

編集出版部会 連絡先：

〒239-8686 横須賀市走水 1-10-20
防衛大学校 システム工学群 機械工学科
中村 元
Phone: 046-841-3810 内線 3419
E-mail: nhajime@nda.ac.jp

伝熱2020 年 10 月

- 53 -J. HTSJ, Vol. 59, No. 249