■放熱材とは何か
放熱材とは、熱を移動しやすくする材料である。
発熱部品から熱を逃がしたいときに使われる。
例えば、
● TIM
● 放熱シート
● グラファイト
● 銅箔
● アルミ箔
● 放熱ゲル などが代表例である。
放熱材は、
発熱部品
↓
放熱材
↓
ヒートシンク
↓
筐体
↓
空気 という熱経路を作るために使われる。
■断熱材とは何か
一方、断熱材は、熱を伝えにくくする材料である。
熱の移動を抑えたいときに使われる。
例えば、
● 発泡体
● エアロゲル
● マイカ
● ガラス繊維
● セラミックファイバー
● 中空粒子材料 などがある。
断熱材は、熱を逃がすためではなく、
熱を守るために使われる。
■なぜ断熱材が必要なのか
熱対策では、発熱部品を冷やすことだけが目的ではない。
例えば、EV電池。
電池セルの熱を冷却板へ逃がしたい。
しかし同時に、隣のセルへ熱を伝えたくない。
つまり、逃がしたい熱と止めたい熱が存在する。
ここで断熱材が重要になる。
■熱は勝手に広がる
熱には意思がない。
熱は温度の高い場所から低い場所へ流れる。
そのため、設計しなければ、熱は勝手に広がるのである。
そして時には、その広がり方が問題になる。
例えば、スマートフォン。
CPUは熱い。
しかし、持つ部分まで熱くなってほしくない。
つまり、CPUの熱は広げたい。
しかし、指が触れる部分には広げたくない。
これも放熱材と断熱材の組み合わせで実現される。
■放熱材だけでは失敗する
熱対策の初心者が陥りやすい誤解がある。
それは、放熱材を増やせば良いという考え方である。
しかし現実は違う。
例えば、ある部品を冷やしたい。
そこで高熱伝導材料を追加する。
すると、冷やしたかった部品は冷えた。
しかし、近くのセンサーまで熱くなった。
こうしたことは実際によく起きる。
熱は移動する。
だから、熱を逃がす設計と同時に、
熱を止める設計が必要になる。
■断熱材だけでも失敗する
逆も同じである。
断熱材ばかり増やすと、
熱が逃げなくなる。
例えば、
発熱部品の周囲を断熱材で囲む。
すると、外部への熱移動は減る。
しかし、発熱部品自身は高温になる。
つまり、断熱材は万能ではない。
断熱材は、熱を止める材料であって、
熱を消す材料ではない。
ここを誤解してはいけない。
■EV・ESSで重要になる考え方
EVやESSでは、放熱材と断熱材を同時に使う。
例えば、
バッテリーセル
↓
放熱材
↓
冷却プレート で熱を逃がす。
一方で、
セル間には
↓
断熱材 を配置する。
つまり、冷却したい方向へは熱を流す、危険な方向へは熱を止めるのである。
近年話題になる熱暴走対策も、この考え方が基本になる。
■AIサーバーで重要になる考え方
AIサーバーでも同じである。
GPUは冷やしたい。
しかし、周辺部品すべてが熱くなると困る。
そのため、
● TIM
● 放熱シート
● グラファイト
で熱を逃がしながら、必要に応じて断熱構造も使われる。
AIサーバーの発熱量は今後さらに増える。
だから、熱を逃がす技術だけでなく、
熱を閉じ込める技術も重要になる。
■ロボットでも同じ
ロボットでは、モーターやバッテリーが発熱する。
しかし、人が触れる部分は熱くできない。
すると、モーター側は放熱。
人体側は断熱。という設計が必要になる。
人間と接触するロボットが増えるほど、
この考え方は重要になる。
■ウェアラブル機器は最も難しい
ウェアラブル機器では、放熱と断熱が同時に求められる。
例えばARグラス。
AIチップは冷やしたい。
しかし、耳や顔は熱くしたくない。
つまり、熱を逃がしながら、人体方向には熱を伝えない。
という矛盾した要求が発生する。
今後、人体装着AIが増えるほど、断熱材の重要性も増していく。
■エアロゲルが注目される理由
近年、エアロゲルが注目されている。
理由は、非常に高い断熱性能を持つためである。
AIサーバー
EV
ESS
航空宇宙 などで活用が進んでいる。
ただし、
加工性、コスト、粉落ち、脆さなどの課題もある。
つまり、性能だけでは採用されない。
量産性も必要になる。
■放熱材と断熱材は対立しない
ここで重要なことがある。
放熱材と断熱材は、競合する材料ではない。
むしろ、セットで使う材料である。
熱対策が上手い設計とは、放熱材だけが優秀な設計ではない。
断熱材だけが優秀な設計でもない。
熱を逃がす場所と、熱を止める場所を決めている設計である。
■研究者視点 ： 熱設計とは熱流設計である
研究開発では、熱を減らすことではなく、
熱流を設計することが重要になる。
どこへ流すか。
どこで止めるか。
どのくらい流すか。
つまり、熱対策＝熱流設計である。
放熱材と断熱材は、そのための道具である。
■現場視点 ： 材料性能だけでは決まらない
現場では、放熱材も断熱材も、貼り方や加工方法で性能が変わる。
例えば、
● 浮き
● 気泡
● 厚みばらつき
● 圧縮率
● ラミネート精度 などで性能は大きく変わる。
つまり、材料性能だけ見ても意味がない。
実装状態まで見て初めて性能が決まる。
■OTIS視点
OTISは、放熱材メーカーでも、断熱材メーカーでもない。
しかし、放熱材や断熱材を、量産で使える形へ加工する領域では貢献できる可能性がある。
例えば、
● 放熱シート加工
● グラファイト加工
● マイカ加工
● エアロゲル加工検討
● 絶縁材加工
● 異種材料積層
● 高精度ラミネート
● 自動化供給設計 などである。
熱対策では、 放熱材だけでも、断熱材だけでも成立しない。
両者を組み合わせ、
量産工程へ落とし込むことが重要になる。
■OTISでできること
OTISでは、
● 放熱材加工
● 断熱材加工検討
● 異種材料積層
● 高精度打ち抜き
● 微細加工
● ラミネート加工
● リール供給
● 自動化対応設計 などを通じて、
熱対策材料を量産で使える形へ近づけることに貢献できる可能性がある。
■OTISの専門外
一方でOTISは、
● 断熱材そのものの開発
● エアロゲル製造
● CFD熱解析専業
● 冷却装置設計 を専門とする会社ではない。
しかし、放熱材と断熱材を組み合わせ、量産工程で成立させる
という領域では価値を発揮できる可能性がある。
■この技術が重要になる産業
★★★★★ EV・電池
★★★★★ ESS・蓄電システム
★★★★★ AIサーバー
★★★★☆ ロボット
★★★★☆ ウェアラブル機器
★★★★☆ データセンター
★★★★☆ 航空宇宙
■まとめ
熱対策とは、逃がすと止めるの両方である
熱対策というと、放熱ばかりが注目される。
しかし現実の設計では、放熱材と断熱材の両方が必要になる。
熱を逃がす場所。
熱を止める場所。
その両方を設計して初めて、熱問題は解決できる。
つまり、熱対策とは冷却技術ではない。
熱の交通整理であると言えるのである。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
