第１章

熱流体解析の基礎知識
高機能・高性能製品をより小さく、薄く、軽くという要求から半導体技術や実装技術が急速に発展し、機器、基板、部品、すべての実装階層で発熱密度（体積や面積あたりの発熱量）が増大してきました。一方、デザインや静音性の追及により機器のファンレス、密閉化が望まれ、熱設計の自由度はますます制約されてきています。低消費電力化に向けた技術開発も活発に行われていますが、コンパクト化のスピードに追いつかない状況にあります。
今や商品企画段階から放熱を考慮した「製品の成立性」を検証しておかないと、出荷直前で大幅な変更を余儀なくされる危険な状況になっています。
こうした流れの中で、温度上昇を抑制し、信頼性の高い機器を設計するために、熱流体解析システムの活用が進んできました。しかし、システムを導入すればすぐに合理的な設計ができるわけではありません。大切なことは、まずシミュレーションをよく理解し、現実に即した予測ができるよう技術の蓄積を行うこと、その上で設計プロセスの1タスクとしてシミュレーションを位置づけ、活用することです
本書ではシミュレーションを使われる方が、最短で技術蓄積ができるよう、電子機器のモデリング方法について1ステップずつ解説していきます。

1.1 熱設計の変化と熱流体解析の位置づけ
電子機器は温度が上昇するとさまざまな不具合を生じ、その機能を果たさなくなります。それだけではなく、発煙、発火、やけどなどの被害をもたらす場合もあります。こうしたトラブルの発生を未然に防ぐため、各部の温度を一定以下に抑えるよう熱設計を施さなければなりません。
熱設計には主に4つの要因が関与します（図1-1）。
① 温度上限（守るべき温度）
使用部品には必ず定められた温度上限があります。温度上限を超えると寿命が短くなるだけでなく、処理速度の低下や輝度の低下（LED）、熱暴

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熱設計の条件

熱設計③発熱量
・発熱量（消費電力）は機能/性能が上がると増加する・回路設計良否に左右される
実装要件
・小型軽量化、ファンレス、密閉化、デザイン性等
図1-1

低コストで信頼性の高い冷却方法②使用温度
・機器使用温度が低いと製品の利用が制限される・競合より使用温度範囲が狭いと競争力が低下する

熱設計の目的④放熱構造①温度上限
・部品・基板・筐体すべてに上限がある
・耐熱性の高い部品は高コスト

熱設計が成立しない場合はトレードオフ

１．
機能・性能の保証
温度が高くなると品質・熱暴走する・処理速度が落ちる
・温度アラームで停止
２．
寿命の保証
温度が高くなると信頼性
・早く壊れる・部品交換や保守が頻繁になる
３．
安全性の保証
温度が高くなると・低温やけどする 安全性
・発火発煙に至る
・熱くてクレームになる

熱設計に関わる４つの要素

走など、性能に影響を及ぼすことがあります。表面温度が高いと安全性に問題を生じます。熱設計は、これらの温度条件を満たすことを目標として行います。
② 使用温度（要求される温度）製品にも使用温度の上限があります。この温度で使用しても機能・性能や寿命を満足しなければなりません。使用温度範囲が競合製品よりも狭いと競争力が低下する場合もあります。
③ 発熱量
電子機器が動作するとエネルギーの損失を生じ、熱になります。これによって機器や部品の温度が上昇します。発熱量は回路設計や制御ソフトで変わり、発熱が少なければ、より小型化することが可能になります。
④ 放熱構造
①〜③の条件を満足するために、発熱量に対して温度上昇の少ない低熱2抵抗構造（熱抵抗＝温度上昇 / 発熱量）を設計します。これが熱設計の大半を占めます。低熱抵抗化（熱設計）は、筐体、プリント基板、部品といったあらゆる階層で必要なプロセスです。
従来は①〜③が最優先で、放熱構造設計（熱設計）は、ひたすらこれらの条件を満足するよう踏ん張ってきました。しかし、最近では熱設計だけでこれらを解決することが困難になりつつあります。このため、機器の機能（発熱量）や使用条件、部品選定などの要件と熱とを天秤にかけながら、適切なコストの放熱構造を選択する全体最適化プロセスが重要になっています。これを実現するには、4つの要素の因果関係をより定量的に把握する必要があります。
熱流体解析はこうした背景の下、最適設計のための手段として急速に普及してきました。

1.2 熱流体解析が必要になった理由（１）測定できない部品の温度を把握する部品の温度上昇を抑えて、機器の動作や寿命を保証することが熱設計の大きな目的ですが、最近は機器表面やはんだ接合部の温度なども管理対象になってきました。しかし、部品の急激な小型化、微細化により、細部にわたる部品の温度計測が困難になっています。熱流体解析を活用することで、全体の温度を詳細に把握することが可能になります。
（２）現象を可視化して対策を立案する
温度の測定は比較的容易にできますが、流れの計測は簡単ではありません。
部品の温度は空気の流れや熱伝導、放射による熱移動の結果として決まります。
熱対策に当たっては、空気の流れや熱伝導ルートを改善して温度を制御する必要があり、目に見えない「空気や熱の流れ」を把握しなければなりません。シミュレーションによる状態の可視化は、こうした分析と対策立案にきわめて有効です。

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（３）実施困難な仮想試験を行う
高度なデジタル機器がさまざまな場面で使用されるようになり、使用環境はより厳しくなってきました。車載機器や生産設備、医療機器など、過酷な条件下で長期にわたる信頼性を保証しなければなりません。塵埃の蓄積やファン故障、異常発熱による温度上昇、炎天下で無風状態が続いた場合など、実施が難しい環境試験も熱流体シミュレーションを利用して再現することができます。
（４）定量的、論理的なトレードオフを図る
熱設計は他の要件と競合します。デザインを優先すると通風口が開けられない、不要輻射対策でシールドを強化すると熱がこもる、風量を上げるとファンがうるさいなど、さまざまなトレードオフをしながら設計を進めることになります。このような場合、現象をより定量的に把握し、「ここに通風口を開けないと、この部品の温度が何℃オーバーし機能障害の危険がある」という議論ができればスムーズに判断できます。
「やってだめなら考えよう」というスタン
スでは取り返しのつかない失敗に陥る危険があります。
（５）複数の設計案から適切なものを選択する
設計には多くの判断を必要とします。伝熱や流れは複雑な現象であり、A 案B 案のどちらがよいか、判断に迷うことはよくあるでしょう。一昔前ですと、既存機種やバラックセットを使って実験しましたが、熱流体解析ソフトを使うことで、より迅速かつ定量的にモノづくりをせずに良否判断を行うことができます。設計変数をパラメータにして、多くの組み合わせの中から最適値を選定することもできるようになりました。
（６）技術継承とプレゼンテーションに活用するシミュレーションには数値化された入力データが必要です。実際に解析に必要な入力データを揃えようとすると、定量把握されていないデータが非常に多いことがわかります。数値情報の収集は大変ですが、貴重な情報の蓄積と継承ができます。また、設計根拠や論理的な背景を他人に理解してもらう際にも、わかりやすい説明の手助けになります。

4プレゼンテーション

測定できない部品の温度の把握

×A 案

やってみなければわからないことを決断するためのツール！それが（長期に亘る信頼性など）

△
B 案

C 案

熱流体解析

設計説明 ＋ 背景説明

設計立案 ＋ 選択

実施困難な
仮想試験

定量的・論理的なトレードオフ

熱！

現象を可視化して対策を立案

技術継承

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1.3 熱流体解析で何ができるか
1.3.1流体と数値流体力学

大半の電子機器は空冷です。部品で発生した熱は伝導や対流、放射によって移動し、最終的に大気に放散されます。その過程では必ず固体から流体（空気）への熱移動が発生し、この熱の伝わりやすさが部品の温度を左右します。そのため、流体の挙動を把握して熱輸送性能を見極めることが重要になります。
流体の挙動は、流体の性質（物性）と流れの性質（流れ方）に支配されます。
流体の性質は、例えば粘性（粘り気）や圧縮性（つぶれやすさ）などです。
流れの性質は主に流速によって変わり、層流／乱流（後述）、圧縮／非圧縮流れなどに分類されます。こうした流体の運動を扱うのが流体力学です。
流体力学では、本来は分子（粒）で構成される流体を連続体として扱います。
連続体とみなした流体の基礎方程式を数値計算してその挙動を把握するのが数値流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）と呼ばれる分野で、電子機器の熱流体解析も CFD の技術を応用したものです。

1.3.2

電子機器を対象とする数値流体力学

電子機器では「温度」の把握が重要になります。航空機の翼の解析のように「力」を厳密に解く必要はなく、数十 m/s の高速気流を取り扱うこともまれです。
そのため、流体は非圧縮性（つぶれない）と考えます。電子機器ではむしろ伝熱が重要で、流れ場と温度場を連成して解かなければなりません。
また、解析の目的も、現象の解明を行うよりも設計に必要な情報を手早く得ることですので、CAD システムとの連携や扱いやすさ、計算の速さ、不具合箇所がひと目でわかる視認性などが要件とされます。

1.3.3

数値流体力学で行う計算

CFD は解析対象を基礎方程式が適用できる形式に変換し、コンピュータによっ6