設計者はどんな視点で設計者CAEを進めていくべきか【ケース2：構造物の熱伝導解析】：実例で学ぶステップアップ設計者CAE（3）（2/3 ページ）

[土橋美博／飯沼ゲージ製作所，MONOist]

熱伝導解析の準備

　ヒータープレートの設計が完了しましたので、熱伝導解析の準備を進めていきましょう。解析条件は以下の通りです。

• 定常解析
  • 時間経過による温度変化がない状態、つまり平衡状態の計算結果を求めることとする
• 温度設定
  • ヒータープレートとカートリッジヒーターの隙間は0と仮定し、それぞれ4箇所のヒータープレートのカートリッジ接触面を200［℃］に設定する
• 対流
  • ヒータープレートの上表面付近は特に空気の流れはないものとする。また、上表面以外の面は断熱材によって囲まれていることとする

　例えば「SOLIDWORKS Simulation」では、対流について設定する際、熱伝達係数の入力を求められます。

　ヒータープレート表面は、大気中に“さらされている”状態ですので、ヒータープレート表面温度よりも低い「雰囲気温度」の空気によって熱のやりとりが行われています。もう少し詳しく説明すると、ヒータープレートと空気の温度差によって、空気に浮力が生じ、空気の流れが発生しています。

　この熱伝達係数を入力しなければならないのですが、一体どんな値を入力すればよいのでしょうか。

図3　「SOLIDWORKS Simulation」における境界条件の設定 ［クリックで拡大］

　「SOLIDWORKS」のヘルプを確認してみると、参考として、「空気の自然対流状態において、熱伝達係数は5〜25［W/m² K］」と記載されています。下限値と上限値とでは、その計算結果が異なりそうです。伝熱工学の文献などを調べてみると、自然対流熱伝達率の計算方法を見つけることができるので、それらを参考に熱伝達係数を求めます。

式2　熱伝達率の計算方法について

　式2を参考に計算した結果、熱伝導率（h）は9.557［W/m² K］となりましたので、今回はこの数値をシミュレーションに入力することにします。

定常熱伝導解析の実施

　ここまでの条件を基に、熱伝導解析を行った結果が図4となります。

図4　定常熱伝導解析結果（1） ［クリックで拡大］

　□120［mm］内の温度分布として、まず温度の高い箇所はヒーターの有効長さの部分（解析上温度を加えた部分）になっていることが確認できます。一方、ヒーターのない箇所では、定常解析においても2.9［℃］最大値に対して2.9［℃］低いことが分かりました。

　そこで、カートリッジのシーズ長の発熱部長さを、当初選定した90［mm］から120［mm］に変更してみます。なお、W数は同じ200［W/本］とします（W密度5.3［W/m2］）。この変更を反映した解析結果を図5に示します。

図5　定常熱伝導解析結果（2） ［クリックで拡大］

　□120［mm］内の温度分布として、外周部の低い温度との差が1.3［℃］と改善されました。よって、これを最終的な設計案とします。