機械などでは取り入れられている様々な冷却の仕組み
空冷式
機械などから発生する熱を冷却する方法の1つとして、空冷式があります。
有名なものとして、オートバイのエンジン、パソコンの中央演算処理装置（CPU）、自動車のエンジンなどが知られています。
原理としては、熱で加温された部分に、空気が当たり冷却されるというシンプルなものです。つまり、空気を構成する窒素分子、酸素分子、二酸化炭素分子という気体分子が熱くなった固体に衝突する際に、熱エネルギーが固体から気体分子に移行して、固体の熱が奪われて冷却されているのです。エネルギー保存の法則により、冷却後の気体分子の運動エネルギーは増加していて、気体の温度は上昇していると考えられます。
熱の放散を促進させるために、フィンと呼ばれる羽を付けて表面積を増やし、風の当たる面積を増やして効率的に熱くなった装置の固体部分を冷やします。
パソコンの性能が向上するにつれて、CPUは自然冷却では冷却しきれなくなり、呼称するようになりました。そこで、登場したのが空冷式による冷却です。ファン型空冷装置を利用することでCPUの発する熱を冷却するという方法は、まさにファン付き作業着と変わらないと考えられます。
また、オートバイのエンジンなどは、自身が推進して前に移動することで、エンジン内部に空気を自然に取り込んで、シリンダーブロックやシリンダーヘッドの取り付けたフィンを介してエンジンを冷却しています。
しかしながら、一度温度が上がってしまうと冷却させるのがなかなか困難です。というものの、仕組みが単純なので、装置が簡単なもので済むため、軽量化においてメリットがあります。
水冷式
機械などから発生する熱を冷却する別の方法のとして、水冷式があります。
この方式が採用されているものとして、自動車のエンジン、パソコンのCPUなどがあります。また、宇宙服のような特殊な衣服において水冷式が採用されています。
原理は、熱で熱くなった部分に水をパイプで流して冷却させるというものです。水分子に熱が移動して、熱を持った固体が冷却されているのです。概して、空冷式よりもよく冷却させることができます。
ファンを回してCPUを冷やす空冷式は、ファンの音がうるさいと感じる方もいらっしゃるようで、その点、水冷式は水を流すやために機械的な音がせず、静かということもメリットとなります。中に水が流れることで放熱を担うラジエーターが大きくなればなるほど、効率的にCPUが冷やされます。しかし、あまり大きくなりすぎるとケースに収まらなくなるので、その大きさには収束点があり、それ以上は大きくできないことになります。逆に、パソコンの中に熱くなる箇所が複数ある場合、その全てにファンを導入することは難しいのですが、水冷式だとこの問題を解決することができます。
自動車のエンジンに水冷式の方法が採用されている場合、水が循環して冷却させます。そして、水に移った熱はラジエーターの中を流れている際に、放熱しています。更に、サーモスタットを利用することで水の温度を制御することができます。
効率的に冷却できる反面、空冷式よりも装置が複雑になるというデメリットもあります。そのため、装置全体が重くなってしまいます。特に、放散を促すためにラジエーターを大きくすると重量が増すことに繋がります。
空調服の開発秘話として、初めは水冷式でしたが、これだと機動性に難があって作業に支障をきたすようで、ファンを用いた空冷式になったそうです。
気化冷却法
空調服に導入されている冷却方法です。水の気化熱が、約580kcal/kgと大きなものであることを利用して、効率的な冷却が可能となっています。氷の融解熱は、約80kcal/kgですので桁違いの効果になります。
原理としては、熱で熱くなった固体部分に水をさらし、風を当てたりして積極的に気化させ、気化熱を固体から奪わせて冷却するというものです。
ヒートポンプ
ヒートポンプは、圧縮器で冷媒を急速に圧縮すると冷媒の温度が上がり、これにより他のものを熱することができます。反対に、膨張弁で急速に冷媒の圧力を低下させると冷媒の温度が下がり、これにより他のものを冷やすことができます。ここには、冷媒の気化熱による冷却作用が利用されています。
エアコン、給湯器であるエコキュート、冷蔵庫などに使われている技術です。
気化熱はものを冷却するのにとても優れた方法であることが理解されます。
ニュートンの冷却の法則
ニュートンの冷却の法則とは、熱の移動速度は、固体の表面積、気体や液体という流体の速度、固体と流体の温度という3つのパラメータに比例するという経験則のことです。
この法則によって、空冷や水冷という冷却の状態を数学的に表現ことができます。あくまでも経験則なので厳密な点でミクロ的には実験事実と異なる場合も生じてくるかもしれませんが、マクロ的には問題ないと考えられます。
空冷服にも当然ながら当てはまる法則です。
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