熱と電気の相似性から電気回路におけるオームの法則を熱設計に適用できます。温度差を電圧に、熱流量を電流に、そして熱の流れにくさ（熱抵抗）を電気抵抗に置き換えてオームの法則で計算することができます。すなはち、温度差は熱流量に比例し、その比例定数が熱の流れにくさを表す「熱抵抗」となります。また、熱抵抗は電気回路の電気抵抗と同様に直列則、並列則、キルヒホフの法則が適用できます。熱回路網を電気回路網に置き換えてオーム法則が適用できることについて解説します。

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熱設計では温度ではなく熱と電気の相似性を考えて「熱抵抗」を使って計算します。温度は熱設計の結果であり、制御するのは熱の流れにくさを表す「熱抵抗」になります。つまり、温度上昇の対策を行う上で目標となるのは「熱抵抗」の値になります。この熱抵抗を目標値として使うことで、熱回路網を電気回路網と同じように計算できることや、放熱構造に直結するなど、多くのメリットがあります。今回はなぜ「熱抵抗」を使うのか、そのメリットは何かについて解説します。

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熱設計を行う上で「熱抵抗」と同じように有用なパラメータとして「熱流束」があります。「熱抵抗」は対策を考えるときに使うパラメータであり、「熱流束」は熱的な厳しさを知るためのパラメータです。発熱体の放熱能力は表面積に依存するため、温度上昇は総発熱量を総面積で割った「熱流束」に比例します。「熱流束」が分かればその発熱体の温度上昇を計算することが出来ます。具体的な例を挙げて「熱流束」から発熱体の温度上昇を計算してみます。

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「熱抵抗」は熱的に定常状態での計算になりますが、非定常状態、つまり時間とともに温度が上昇するような過渡応答の解析では「熱抵抗」に加えて「熱容量」を使った計算が必要になります。「熱容量」は電気回路に置き換えるとコンデンサに対応しますので、過渡的な熱計算はRとCの回路網で考えることができます。この「熱容量」は物質の体積と物性値で計算がすることができます。そして「熱容量」が大きいほど熱時定数が大きくなり、温度上昇などに時間がかかることになります。今回はこの「熱容量」について考えてみます。

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