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接触熱抵抗

電流の流れと熱の流れの類似点(analogy)を有用すると、二つの伝導媒体の界面上の熱伝達を表現する際にとても有効です。機械加工の限界のために、2 つの固体表面を押し付けても決して完全な接触は形成されません。表面の凹凸のために、接触している 2 つの面の間には小さな空気の隙間が必ず存在します。

接触している 2 つの面の間の界面を通した熱伝達には、2 つの形態があります。1 つは、固体間の接触点を通した伝導 (Q伝導) で非常に効率の良い伝導です。もう 1 つは、気体で満たされた隙間を通した伝導 (Q隙間) で、熱伝導率が低いために非常に効率の悪い伝導です。熱接触抵抗を処理するために、下の図のように両端の伝導媒体の間に直列に界面コンダクタンス hc を配置します。

コンダクタンス hc は、対流熱伝導率と似ており、単位(W/m2 ºK)も同じです。ΔT を領域 A の界面上の温度差とすると、熱伝導率 Q は Q = A hc ΔT で与えられます。電気と熱の類似性を利用すれば、Q = ΔT/Rt と書くことができます。ここで、Rt は熱接触抵抗であり、Rt = 1/(A hc) で与えられます。

界面コンダクタンス hc は以下の要素に依存します。

  • 接触している面の表面仕上げ。
  • 各面の材料。
  • 面を押し付ける圧力。
  • 接触している 2 つの面の間にある物質。

下の表は、標準的な表面仕上げと中程度の接触圧力(1-10 atm)における界面コンダクタンスの代表的な値を示しています。記述がない限り真空ではありません。

熱抵抗、RX10-4 (m2.K/W)
 
接触圧力 100 kN/m2 10,000 kN/m2
Stainless Steel 6-25 0.7-4.0
Copper 1-10 0.1-0.5
マグネシウム 1.5-3.5 0.2-0.4
アルミニウム 1.5-5.0 0.2-0.4

下の表は、真空状態における金属界面の熱接触抵抗を示しています。

接触している面 コンダクタンス(hc)(W/m2 ºK)
鉄/アルミ 45,000
銅/銅 10,000 - 25,000
アルミ/アルミ 2200 - 12000
ステンレス鋼/ステンレス鋼 2000 - 3700
ステンレス鋼/ステンレス鋼 (真空) 200 - 1100
セラミック/セラミック 500 - 3000


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