設計支援

〈2〉伝熱の話

1.熱のイメージをつかもう

熱設計をする上で重要な要因である伝熱の形態には「伝導」、「対流」、「放射」の3形態があり、それらが複雑に組み合わさって熱の移動が起きています。その伝熱3形態の解説に加えて、熱と温度の違いについて解説します。また、与えられた熱エネルギーからどれくらいの温度上昇になるのか、具体的に例を挙げて説明しています。本シリーズでは5回に分けて熱について考えてみます。

第1回 熱は身近だが定量化が難しい

熱エネルギーの形態が複雑なエネルギーの形態であることを説明します。伝熱の形態には、「伝導」、「対流」、「放射」の3形態がありますが、温度を求めるにはそれぞれの形態の熱方程式を連立的に解く必要があり、熱の定量化を難しくしています。実際の電子機器の中ではこの伝熱3形態が複雑に組み合わさって熱の移動が起きています。本動画ではその伝熱について解説します。

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第2回 温度予測ができても熱設計はできない

温度予測と熱設計は異なる概念です。それを念頭に熱設計にアプローチすることが重要です。温度予測は形状が与えられて温度を予測することでインプットが構造であり、アウトプットは温度になります。一方、熱設計はインプットが目標となる温度、アウトプットがその温度にするための冷却構造や図面になります。熱設計は目標温度になるように、設計パラメータを決定するプロセスが重要です。伝熱の面から熱抵抗を用いた設計パラメータを導く考え方について具体的に解説します。

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第3回 熱と温度は何が違う?(流れない熱の計算)

熱の基本的な問題に立ち返って、熱と温度は何が違うのかについて考えます。熱と温度を明確に区別して説明するのは難しいですが、それを水の水量と水位に例えて解説します。また、熱エネルギー保存の法則に従い温度を求める計算を、具体的な例を挙げて解説します。

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第4回 エネルギーは最後はすべて熱になる

熱エネルギーと他のエネルギーとの関係について考えます。熱エネルギーはエネルギーの最終形態であり、すべてのエネルギーは最後はすべて熱になります。実際にどれくらいの熱になるのか、滝の水が落下することによる水の温度上昇を例に計算してみます。

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第5回 熱はいつも流れている(流れる熱の計算)

これまでは、熱のイメージをつかみやすくするために、熱は一か所に留まっているとしてエネルギーの変換や熱エネルギーから温度を予測する話をしてきましたが、実際の熱は一か所に留まっているわけではなく、拡散していきます。熱の拡散のイメージを水の水位や管路流量に例えて説明します。また、電子機器の場合は電気エネルギーが熱エネルギーに変わりますが、与えられた電気エネルギーにより、どれくらいの温度上昇になるか、熱拡散がない状態の容器に入った水をヒータで加熱する例を挙げて具体的に計算してみます。

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