断熱材の効果について

Question

機械設計者1年目の初心者です。

断熱材の効果についての質問なんですが、
発熱体（ｱﾙﾐ）に直接取り付ける部品（ｱﾙﾐ）で、
あまり温度が上がってほしくないものがあります。
その対策として、部品と発熱体との間に、
断熱ｱﾀﾞﾌﾟﾀを取り付けようと考えました。

部品を作っている余裕が無いので、
熱解析で解析してみたのですが、
その断熱ｱﾀﾞﾌﾟﾀを熱伝導率0.1（W/m・℃）にして解析してみても、
50%ほどしか温度が低下しませんでした。

私のイメージでは、
例えば熱した鉄板の上に木などの熱伝導率の低いものを置くと、
木の上はほとんど暑くならないような気がします。

熱伝導率が0.1の物質でもこの程度しか効果が無いものなのでしょうか？
この解析結果があっているとしたら、
ではこの方法では対策できない為、
他の方法を考えなくてはなりません。

ちなみに熱解析も使い始めたばかりで自信がありません。

宜しくお願いします

Answer

断熱アダプタの厚さはどの程度でしょうか？
断熱効果(熱抵抗)は厚さに比例し、断面積に反比例します。

アダプタの形状(厚さ、断面積)を変えても効果が変わらなければ解析の
条件設定がおかしい可能性があります。

逆に顕著に効くようなら解析結果はあっている可能性が高いと思います。

あと、断熱アダプタと部品が接する面積をなるべく小さくすることも
熱伝導ではかなり重要です。

Answer

温度が上がってほしくない部品と発熱体の概略寸法と位置関係
断熱材の概略寸法など提示なさった方が、的確な回答が得られると思います。

＞熱解析で解析
3Dの熱流体解析ソフトをお使いでしょうか？ 初心者さんのようですが、
境界条件の設定など、適切に条件入力されているでしょうか？
あるいは、もっと簡易なソフトなのでしょうか？
お使いのソフトについても可能であれば情報提供お願いします。

＞50%ほどしか温度が低下
100K温度上昇していた部品が、50Kの温度上昇で済むようになれば、断熱材の
効果として評価できると思います。期待する設計目標はどの程度でしょうか？
環境（雰囲気）の温度、発熱体の温度、温度が上がってほしくない部品に
期待する温度（目標）など、具体的にご提示になることがいいと思います。
ご質問者さんと、回答者の相場観は異なっている可能性の方が大きいです。

熱の伝わり方には、「伝導」「対流」「放射」がありますが、常温付近の
領域でも「放射」による熱伝達は無視できない大きさであって、断熱材で
「伝導」を遮っても、「放射」で部品が加熱されているかもしれません。

条件の補足有難うございます。

＞発熱体の温度は断熱してない状態で6.7℃上昇、断熱すると17.9℃上昇、

この記述から推定すると、発熱体の大部分の表面を断熱材で覆っているよう
にお見受けします。

温度が上がってほしくない部品と発熱体の寸法関係が不明ですので、状況が
よく把握できませんが、
温度が上がってほしくない部品が発熱体に比べて十分に小さいのであれば、
温度が上がってほしくない部品の大きさに限定した断熱材とすることで、
温度上昇を低減できるかもしれません。

温度が上がってほしくない部品の熱伝達面積が発熱体の熱伝達面積とほぼ同
じような状況であれば、真空断熱など、より熱伝導率の低い手段に頼る必要
があるかもしれません。

真空断熱材
http://www.nedo.go.jp/hyoukabu/jyoushi_2010/panasonic/index.html

Answer

内容が他の方々の回答とダブルかもしれませんが、一般的には熱流は定常状態
で考えます。すなわち、無限時間立ったときの状態を意味します。
着目部品に熱が流入する以上、中間の断熱体で僅かな温度差を確保できる程度
になります。高温のアルミベースにフィンなどを構成して強制冷却し、部品へ
の熱の流入を制限しないとダメでしょう。

Answer

考えられる内容を列挙します。

発熱体（ｱﾙﾐ）⇒ 断熱ｱﾀﾞﾌﾟﾀ ⇒ あまり温度が上がってほしくない直接取り付ける部品（ｱﾙﾐ）
　　　　　　 └ 取付ねじ等 ┘
のように、完全に断熱になっていない仕様が考えられます。

熱の流入箇所を極力無くするか、断熱材で抑えるです。
< 取付ねじ等も断熱効果がある材質を選定する等です >

また、あまり温度が上がってほしくない直接取り付ける部品（ｱﾙﾐ）の放熱効果を高める
必要があります。
例えば、アルミのフィン構造を取るか、後付けで取付するかです。
そして、その周りの空気をファン等で動かす、自動車やパソコンのの電動ファンのようなもの
を取付ける。
又は、冷却水等で冷やす構造にする等です。

以上のような仕様での解析は、可能でしょうか？
解析のパラメーターはありますか？

熱伝導からの発熱と、放熱からの冷却を別々に解析して、プラスマイナスで確認してみても
よろしいのではないでしょうか？

Answer

部品から熱が逃げる経路が無いとだめです。

部品と発熱体との間は断熱して
部品は温度の低い部分と熱結合（アルミの板などで繋ぐ等）して
発熱体から伝わってくる熱を逃がしてやれば温度が下がりますよ。

あと考えられることは、熱解析で
部品からの放熱を無対流大気に設定している可能性です。

対流の無い場合、大気は0.02程度の熱伝導率しか持っていませんので
部品からの放熱量が制限されます。

実際にそういう構造なら熱解析の結果は正しいので
対流等で放熱できるような構造にするか
上記のように低温部と熱結合してください。

断熱材の効果について