浮力：自然対流の原動力

浮力とは？

浮力は、ボートを浮かせ、熱気球を飛行させるものです。それが、海の水と空の空気が分離している理由です。これは、これらの異なる流体の密度の変動によるものです。

浮力は、周囲を移動し、互いに衝突するすべての流体分子の運動エネルギーによって生成される圧力であり、周辺にある他の物体との衝突によっても生じます。この運動エネルギーはあらゆる方向に働きますが、これに対抗する最大の力は重力です

浮力の力を支える科学

浮力の量は、流体の密度に依存します。より高密度またはより低温の流体は、より励起された流体よりも運動エネルギーが低いため、周囲の他の分子に対してより少ない圧力しか及ぼしません。この流体によって生成される圧力が少ないため、重力は暖かい流体よりもこの流体に大きな影響を与えます。これが、冷たい空気が下がり、暖かい空気が上がる理由です。

温度管理において、浮力が重要な理由

自然対流

浮力は自然対流を駆動するもので、熱源によって加熱された空気と周囲の外気との間の圧力差が、高温の空気を上方へ、熱源から離れる方向へ押し上げます。空気は吸収したエネルギーと共に上昇し、熱源の周辺からそのエネルギーを除去します。その後、より冷たい外気が流れ込み、上昇してきた暖かい空気と入れ換わります。この熱気と冷気の上昇と置換により、駆動するための能動的なメカニズムを必要とせずに、一貫した流れが生成されます。

自然対流の利点

自然対流の重要なポイントの一つは、ファンを製品に追加することに伴う余分なコストや組立時間をかけずに熱伝達を可能にすることです。ファンやブロワーは、モーターが摩耗して製品を長時間使用すると壊れる可能性があるため、デバイスの全体的な信頼性を低下させる可能性があります。

浮力と自然対流を活用する方法

浮力は、流体が重力に逆らって上昇することを可能にするため、熱を放散する表面は、重力ベクトルと同じ方向に向けられるべきです。通常、この表面はヒートシンクです。ヒートシンク表面の最も長い寸法は、冷却された空気がヒートシンクの底部に接触すると、上向きに移動し、加熱され続け、圧力差が増大するように、垂直でなければなりません。

自然対流と煙突効果

Eaton large natural thermal convection fin

フィンギャップに引き込まれる空気の量とヒートシンクの長さを最適化することで、自然対流を使用してヒートシンク表面に接続されているデバイスを冷却できます。通常、自然対流ヒートシンクのフィンギャップは約0.25 インチまたは6.35 mmです。これにより、フィンの各表面に形成される境界層を収容し、なおも加熱空気の上向きの流れを可能にするために、フィン間に十分な空間を確保できます。

自然対流のためのヒートシンクの向き

自然対流は浮力による気流を駆動するために重力に依存するため、設計者はヒートシンクの向きを考慮する必要があります。理想的には、ヒートシンクフィンの流れ方向の長さは、重力ベクトルと同じ軸にあるべきです。これにより、密度が低下するにつれて加熱された空気が自然に上昇するための通路ができます。

用途がフィンの流れ方向の長さを垂直にできない場合、フィンの先端は上向きにし、ヒートシンクのベースは下向きにします。

避けるべきヒートシンクの向きは2 つあります。流れ方向の長さが横向きになるようにベースを側面にする向き、またはベースを上向きにする向きです。どちらの向きでも、熱せられた空気がヒートシンクから容易に上昇するのを防ぎ、自然対流の効果を制限します。

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