熱対流!? あっ、そういうこと!

熱エネルギーの自然な交換では、温度の高いところから低いところへ熱が移動する、いわゆる「熱移動」と呼ばれる現象が起こります。熱の移動には熱伝導、熱対流、熱放射の3種類があります。熱対流とは流体内の分子の移動のことで、流体内や流体と固体との間に温度差がある場合に多く発生します。液体や気体の物質が加熱されると、体積が膨張して密度が低下し、周囲の低温・高密度の物質によって補完されながら徐々に元の位置まで上昇します。
熱伝導において、対流は自然対流と強制対流に分けられます。自然対流とは、流体間に温度差がある場合に起こる現象で、例えば熱い空気は上昇して冷たい空気は下降します（熱い空気は冷たい空気より密度が低いので上昇し、逆に冷たい空気は熱い空気より密度が高いので下降する）。 強制対流とは、流体が外力（ポンプやファンなど）によって駆動されたときに起こる現象です。 例えば、電気ファンヒーターでは発熱体に風が当たることで空気が温められます。または、人が食べ物に息を吹きかけると、強制対流によって気体が冷やされ、食べ物の温度が下がります。
熱流束（局所熱流束）は次のように記載することができます。

ここでhは熱対流係数であり、hが大きいほど熱対流効果は高くなります。
熱対流係数に影響を与える要因としては、流体の運動状態（速度、方向）、流体の種類とその物性、伝熱固体の形状や表面状態などがあります。ヒートシンクフィンの場合、フィン間隔が狭い方が効果的ですが、フィン間隔が狭くて空気がフィンに入り込んで熱交換ができないと、ヒートシンク効果が低下してしまいます。
一般的に10W以下の熱源はケーシングに穴を開けた冷却フィンを使って空気の対流を良くする自然対流で冷却できますが、10W以上の熱源は強制対流が必要です。

 

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