素直な”熱”に隠れている幽霊

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熱はこの世にとってユニバーサル的な存在です。熱はエネルギーの一種でありながら、様々なエネルギー変換プロセスに伴って登場してあります。人間によって作られた製品は、エネルギーの入出力があれば、ある形で発熱していると言えるでしょう。内燃機関、電子機器(パソコン、携帯、テレビ)、電機(モータ)、電池など数えきれないです。

エンジニアは熱と向き合うのは宿命のようだと思っております。ただ、それは簡単ではないです。熱は本質的に不安定なものです。三つの手段で熱は自発的に移動できます:熱伝導、熱対流、輻射。空間的な熱拡散と伴い、時間的には温度の変化が表れています。

熱は素直な性質を持っています。熱はいつも高温から低温に向かって移動するに決まっています。比較的に、液体と気体の動きとその変化は人間の目で感知できるが、その動きを細かい時間スケールと空間スケールで見てみると、無数の違うスケールの渦構造ができていて、微小な空間的には激しい乱れがあり、人間にはその複雑さを完全に理解ことが不可能です。熱が動いているときに、渦構造が生まれないし、ただただ温度勾配の方向に沿って”平等”に動いて、あらゆる温度差をなくそうと一所懸命にしています。この無差別さは宇宙にに存在している最強の”民主主義”であろうかと思っております。

一方で、熱が素直に動くものだから、熱のバランスは常に崩れてしまい、世界中のものの温度は常に変化しています。要は、周囲のあらゆるものが同じな温度にならない限り、熱のバランスは自発的に維持されることができません。アンバランスの状態に維持するためには、エネルギーの入力しないといけないに決まっています。

残念なことですが、熱はどうやって動いているかは人間の頭ではなかなか想像がつかないです。我々が感知できるのはすごくおおざっぱで熱いか冷たいかだけ、プロメテウスが人間に火を与えた以来、長く進化してきた人間の知覚は、熱に対してはこんなに鈍いことをいつも驚いています。熱を捉えるために、未だに地味な作業が必要です。あちこちにいっぱいサーミスタを貼り付けて、個々の温度カーブを見ることという。サーモグラフィーで確かに表面温度を一気に捉えることができるが、定量的に温度カーブ取得や温度変化を分析することが到底できないため、使える場面はごく一部に限られいてる。

サーミスタで温度を撮るときには”幽霊”のような存在を気を付けないといけないです。熱の世界ではセンサー測定誤差と接触熱抵抗が隠れていて、妙にエンジニアに誤解や不思議を招いています。

幅広く使われているサーミスタは抵抗と温度の直線関係で、温度を随分高精度で正しく測定できることが異議がないです。ただし、実践上ではサーミスタは常に測定面と接触する一方、空気を触れるようになっています。測定面と空気は同一温度になることが保証できなくて、むしろ温度差がついていることがほとんどです。サーミスタ素子は異なる温度になっているAとBを同時に接触しているから、熱の”素直さ”によって、両方の温度を捉えていることになってしまいます。それで、サーミスタが表示している温度が測定面の真値から乖離します。サーミスタを測定面に仕込んでいればこの問題がなくなりますが、仕込めるために特別加工しないといけないし、製品本来のあるべき姿からはじれてしまうことも問題になりそうです。

もう一つ油断しやすいところは、製品には素肌の熱電対をそのままに貼り付けることができなくて、必ずハウジングやケーブルや押さえる機構を持たせたアセンブリ状態で取り付けている。そうすると、その付属物にはサーミスタ素子と比べて圧倒的に大きい熱容量を持っているから、測定時定数が大きく悪化することになります。時定数が悪化すると、測定面の温度が激しく変化していれば、サーミスタが追従できなくなり、時間累積誤差が生じて、長ければ長いほど測定値の乖離が大きくなります。

次は、接触熱抵抗という幽霊です。いくら滑らかに、光沢に見える面は、顕微鏡に適切な倍率でみると、凸凹があります。もっとひどいのは、表面の変形があれば、平面自体ではなく曲面になります。接触面同士の間は、このような凸凹や形態変化によって、肉眼では見えない隙間がいっぱいできています。熱が隙間に移動してきたら、素直に熱伝導ができなくなり、隙間に存在している空気を介して伝熱したり、輻射を通して隙間両側に熱交換をさせたりすることになります。それで、接触面同士でも両側に温度差が付き始めて、熱抵抗を悪い方向に働いています。

熱設計するときに、この二つの幽霊のようなものをしっかり把握しないと、熱を甘く見てしまい、手戻りを招く恐れがあります、ぜひぜひ見落とさないように気を付けてください。

熱の課題について、弊社はコンサルティングを承っております、お気軽にお問い合わせください。

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