基板と熱設計

株式会社ジィーサス

2011.01.20

こんにちは、株式会社ジィーサスの藤田です。
今回は熱の伝わり方である伝熱三態のうち、対流熱伝達（以下「対流」）について説明したいと思います。

対流とは固体と流体間の熱の伝わり方のことです。みなさんが設計する製品や基板が消費する電力はほぼ100％熱に変換されますが、その熱は最終的に地球の大気、すなわち空気に放熱することになります。空気は流体で製品は固体なので、空気に熱を伝えるには対流が必要になります。では製品から空気へどうやって熱が伝わるのでしょうか？

空気は目に見えないのでイメージがわかないと思いますが、同じ流体である水でイメージすると分かりやすいと思います。たとえばやかんでお湯を沸かすことを考えてみてください。やかんの中の水はやかんの内壁に当然くっついていますよね？だから、やかんを火にかけると熱が熱伝導でやかんの壁を伝わるように、水にも熱伝導で熱が伝わっているように思えませんか？

しかし、水は流体なので自由に動けます。温めた水はどう動くでしょうか？お茶の葉が入っていると水の動きがよくわかりますが、真ん中あたりで上向きに、端のほうで下向きに動いているように見えると思います。

このことを一般的に「対流する」と言っていると思いますが、なぜ水は温まると上に動くのでしょうか？このあたりの現象を少し細かくイメージしてもらうと、対流（熱伝達）がわかってくると思います。

前々回に「物質に熱（エネルギー）を加えると、原子や分子はそのエネルギーを運動エネルギーとして保持しようとするので、原子分子は動こうとします。」と書きましたが、固体の場合は原子間力で拘束されているので自由に動けずに振動するだけしかできません。しかし、この振動が大きくなると原子間力の拘束を振り切って原子や分子がバラバラになります。

前々回で書いたように、水の場合はこれが「氷→水」への変化になるのですが、水の場合は原子レベルでバラバラになるのではなく、「H ₂ O」という分子の状態でバラバラになり、しかも完全に分子同士が離れるのではなくて、分子間力である程度拘束された状態で動き回れる状態になります。

これが「水」の状態で、もっとエネルギーを与えると分子間力も切れて分子が自由に動き回れる状態になりますが、これが「蒸気」つまり「気体」の状態です。「氷→水」「水→蒸気」の変化にエネルギーが必要で、これを「潜熱」ということも前々回で説明しました。

さて、水分子にエネルギー（熱）を与えると運動エネルギーとして保持するのですが、具体的には移動速度が速くなります。すると単位時間に水分子1個が占める空間の割合が大きくなります。

どういうことかというと、たとえば水分子が1m/sのスピードでほかの分子に当たらずに動いていたとすると、単位時間すなわち1秒間に直線で1ｍの空間を占めていたことになります。実際には水分子は隙間なく詰め込まれているのでそんなに動けませんが、それでも分子の移動速度が少し大きくなると占める空間の割合も大きくなります。

これを逆に単位体積当たりでみると、単位体積中の水分子の数は少なくなります。これを一般には「密度が小さくなる」といい、同じ重さの分子の場合は数が少なくなる分だけ「軽く」なります。

つまりエネルギーを得て温まった水分子の集団は、まだエネルギーを得ていない周りの水分子の集団より軽くなるのです。重力のある地球上では軽い水は重たい水より上に動きますが、これを「浮力」と言っています。したがって温まった水は浮力で上に上がろうとするため、上向きの流れになるのです。ただし、すぐ周りには冷たい水分子が接しており、常に熱伝導で温かい水分子から冷たい水分子へ熱が移動するため、エネルギー差は小さくなっていきますが、それでもずっとやかんに外からエネルギーを与えていれば、水の上下に常に温度差があるため、水の動き（対流）は持続します。そしてそのうち分子間力を切るまでエネルギーを得ると、水は沸騰して蒸気になります。