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基礎編2. 対流2.2 強制対流熱伝達（2）角柱
このトレーニングで学ぶこと
電子機器の中には、プリント基板上に抵抗体・コンデンサ・コイル・CPUなどの素子に比べて、大きな部品が実装されることがあります（下図）。
このような大きな部品には風が衝突して流れる現象がみられ、その際に空気による強制対流熱伝達で冷却されることがわかっています。
このように部品に風が衝突して流れる場合、
①物体の表面の位置により、どのように冷却効果が異なるのでしょうか？
②物体の大きさにより、どのように冷却効果が異なるのでしょうか？
③物体の背後にある部品の冷却効果は、どのような影響を受けるのでしょうか？
考えてみましょう。
- 問題1初級
- 温度20℃、風速2m/sの流れの中に、１辺の長さが20mmの正方形角柱が下図のように配置されています。この角柱の各面(a)・(b)・(c)・(d)は単位面積あたり同じ発熱密度2,500W/m2で一様に発熱しています。
(a)・(b)・(c)・(d)のうち、最も温度が低くなる面はどこでしょうか？
※角柱内部は熱移動しない（断熱）条件とします。
各表面の単位面積当たりの発熱量は
どれも同じだよ！
- 答1
- 答えは (a)です。
FlowDesignerで検証
FlowDesignerで角柱各面の温度を計算した結果を下図に示します。
風が衝突する風上側正面の温度が低いことがわかります。
ちなみに、角柱周囲で空気温度が層状に高くなっている層を温度境界層と言います。対流熱伝達では温度境界層の厚さが小さいほど熱が伝わりやすく、固体壁の温度は低くなります。
今回のように、流れが面に衝突する部分で境界層厚さが最も小さくなります。
- 問題2初級
- 温度20℃、風速2m/sの流れの中に、１辺の長さがそれぞれ異なる立方体の銅製（熱伝導率k=400W/m・K）の角柱(a)・(b)・(c)が下図のように配置されています。この角柱は単位体積あたり同じ発熱密度2,000,000W/m3で一様に発熱しています。
(a)・(b)・(c)の角柱のうち、最も温度が高いものはどれでしょうか？
- 答2
- 答えは (c)です。
FlowDesignerで検証
Q1と同様に温度境界層に注目してみると、角柱の後方になるほど温度境界層が大きくなっていることがわかります。
一般的には物体の体積が大きいほど全体の平均的な境界層厚さが大きくなり、物体表面から空気への熱伝達率が小さくなります。
- 問題3初級
- 温度20℃、風速2m/sの流れの中に、プリント基板上で20mm角の発熱素子①～⑤が下図のように配置されており、単位面積あたり同じ発熱密度5,000W/m2で一様に発熱しています。
また、プリント基板の風上側には高さ15mmの遮蔽板が設置されているため、風はプリント基板に直接当たることなく風下側へ流れることになります。
①～⑤のうち、最も温度が低くなる発熱素子はどれでしょうか？
- 答3
- 答えは③です。
FlowDesignerで検証
遮蔽板に当たった風は一旦はね上がります（これをはく離と言います）が、途中からプリント基板に向かって流れ落ちて基板上に衝突する様子がみられます。この衝突する場所のことを再付着点と言います。
再付着点付近にある発熱素子は温度境界層の厚さが小さくなり熱伝達率が大きくなるため、温度が低くなります。
