熱のまめ知識
- 参考文献
- 「エレクトロニクスのための熱設計完全入門」
出版: 日刊工業新聞社
著者: 国峰 尚樹(沖電気工業株式会社)
Q1. 熱はなぜ発生するの？
熱の対策を行う前に、
熱がどの様なメカニズムで発生するのかを理解しましょう。
あるエネルギーが他のエネルギーに変換されると、必ず変換ロスを生じ、そこで失われたエネルギーが最終的に熱エネルギーになります。例えば、ピンポン玉を床に落としたとき、もし変換ロスがない場合は、永久に同じ運動を続けます。でも、実際には皆さんが知っているとおり、何回か弾みながら最後には静止しますね。これは、空気抵抗や床の摩擦などにより、エネルギーの変換ロスが発生し、熱エネルギーになったものです。
変換ロス=0の場合、ピンポン玉の「位置エネルギー」=「運動エネルギー」で永久に同じ高さまで弾み続ける
変換ロス≠0の場合、ピンポン玉は弾むたびに、「位置エネルギー」=「運動エネルギー」+「変換ロス」となり、熱を生じながら最後に静止する
「熱はエネルギーの燃えカス」という表現がありますが、まさに的を射た言葉です。私たちの身の回りにある機器は、電力というエネルギーを色々な動作、機能に変換すると同時に、変換ロスにより「燃えカス(=熱)」を生み出しています。高機能になり、電力を沢山使えば使うほど、「熱」も沢山発生し、熱の対策が必要になります。
Q2. 熱はどうやって移動するの？
変換ロスで発生した熱が
どのように移動するのかを理解しましょう。
熱の移動には、3つの移動形態があります。
1. 熱伝導: 固体分子運動が次々に隣の分子に伝播することによる熱移動
ステンレスに手が触れて「冷たい」と感じたことがありませんか？これは、手の表面の熱が低温のステンレスに伝導することによって、冷たく感じるのです。
また、ステンレスに手を置き続けていると、いつまでも冷たいですよね。ステンレスは熱伝導性が高く、熱がどんどん拡散するため、そのように感じるのです。
2. 対流: 流体内の自由性の高い分子が伝導による熱移動+物質移動による熱移動
自然対流
寒い冬に火鉢に手をかざすと温かくて気持ちがよいですね。これは、火鉢の熱が空気内の分子の温度を上昇、膨張させ、浮力により上昇、移動することで手を温めているのです。
強制対流
ファンヒータは、装置内部で空気内分子の温度を上昇させ、ファンによって発生する風力で強制的に空気分子を装置外に移動させることにより部屋を温めています。
3. 放射: 電磁波による熱エネルギーの移動
熱放射の最も身近な例は日射です。晴れた真夏の砂浜は日射を受け、気温が30℃なのに砂浜の温度は70℃を超えることもあります。これは、熱エネルギーが太陽の熱放射により宇宙空間から砂浜に熱移動し、温度を上昇させているのです。
Q3. 放射熱って？
熱放射とは、「電磁波」の熱エネルギー放出による熱移動のことです。
「伝導」や「対流」とは大きく異なる「放射」による熱移動について、さらに深く理解しましょう。
Q3-1. 電磁波はどうやって発生するの？
熱エネルギーにより、分子が振動し、電磁波が放射されます。
Q3-2. 熱放射、受熱する物質は？
目には見えませんが、地球上の物質はすべて電磁波を常に放射しています。ただし、物質により、電磁波放射量は異なります。一般的に、樹脂系が電磁波を放射しやすく、金属表面は放射しにくくなります。また、電磁波を放射しやすい物質は、電磁波を吸収(=受熱)しやすく、電磁波を放射しにくい物質は、電磁波を反射する特長を持っています。
| 放射率(放射する力) | 電磁波放射量 | 電磁波吸収量 | |
|---|---|---|---|
| 金属物(アルミ、銅など) | 0.05～0.1 | 少ない | 少ない |
| 樹脂系など | 0.6～0.9 | 多い | 多い |
熱対策のポイント
発熱体に、より熱放射性の高い「まず貼る一番」を貼ることにより、放熱量を高めることが可能になります。あわせて発熱体近辺の金属物(筐体など)に「まず貼る一番」を貼り付けることにより、発熱体から放射された電磁波を吸収しやすくなり、熱の流量が大きくなるため、さらに放熱効果が期待できます。
Q3-3. 熱放射の効果は？
特別な放射の対策を織り込んでいない場合は一般的に自然対流環境下では、対流と放射の効果は、ほぼ等しいといわれています。
- 検証筐体
- 1辺30cm、通気孔なし、表面放射率1～2、総消費電力10W、周囲温度25℃
筐体表面の放射率が増加すると、内部温度上昇は減少していきます。「まず貼る一番」の熱放射率は、最高クラス0.96であり、温度上昇低減を実現します。
筐体表面の放射率が増加すると、許容できる消費電力を高めることができます。「まず貼る一番」の熱放射率は、最高クラス0.96であり、入力電力を増加し、機能性能向上に貢献します。
- ※「まず貼る一番」はセラミッション株式会社の登録商標です。
