平成20年度 2008 №53
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告佐藤征亜＊１・外山
 真也＊１・長友良行＊２

      
精密測定における ｢温度ならし｣ に関して, 解析と熱電対を使用した温度測定実験を実施した.
これらの結果を比較することにより解析に用いる境界条件を絞り込み, 計算精度の向上を行った.
さらに, 温度ならしの時間を短縮する方法についても検討を行った.
キーワード：, 熱伝導解析, 設計支援, 精密測定はコンピューターによるシミュレーショ込みを行った. さらに, 温度ならしの時間を短縮する方法についても検討を行った.

ンを意味し, を活用することでこれまで机上では困難であった複雑な形状に関する強度や温度等の物理量の変化予測が可能となる. そのため,





近年, は様々な産業分野において活用され

図１に試験片の形状を示す. 形状は単純な円柱てきている. しかし, 県内企業においては, とした. この試験片を5, 10, 15, 25, 30, 35℃の活用が十分に浸透していない状況にある. そのそれぞれの温度状態にした後, 室温20℃の部屋こで, 当センターにおいての活用に関するで, その温度に十分馴染ませた石定盤上に試験片研究に取り組み, 県内企業の技術力向上, 生産工を置き, その状態での温度変化を測定した. 材質程の効率化に貢献することを目指している.には, 一般的なオーステナイト系ステンレスであ今年度の研究の対象は熱伝導解析とした. 高精る304を使用した. また, このときの測定位度が要求される精密測定の分野においては, 熱に置は, 図１に示す中心位置である測定点①と, 側よって生じる物体の膨張収縮が無視することので面の測定点②の２点とした. 温度測定実験は, 機きない測定誤差要因となる. そのため, 測定を行械技術センターの精密測定室にて実施し, 図２のう前に, 対象物を測定場所に置いておくことで室ようにエアコン等の風の影響を受けないように,温に馴染ませる ｢温度ならし｣ を行う. しかし,一般に温度ならしに要する時間は定義されておらず, 対象物の熱状態を把握することなしに経験的に実施されている. そこで, 解析を用いて試験片の温度状態を把握することを試みた. 具体᷹ቯὐԙ

的には解析と熱電対を用いた温度測定実験

᷹ቯὐԘを実施し, それぞれ求められた温度データを比較することで, 解析に用いる境界条件の絞り＊＊1＊2

ＣＡＥの活用に関する研究 (第３報)
機械電子部
宮崎県機械技術センター



試験片形状
19

ＣＡＥの活用に関する研究

(102) 以 下 の 範 囲 で 変 化 さ せ , 逐 一 ,解析を実施し, 温度測定実験結果との比較㘑㒐を行った.

⹜㛎図３()に試験片初期温度５℃の場合の試験片中心位置(測定点①)における温度変化を示す. こ⍹ቯ⋚の結果より, 自然対流条件の範囲内では熱伝達率の影響は, 比較的小さいものであることがわかった. これより, 熱伝達率を５(2)として解析を行うこととした. また, いずれの解析結果も実験結果より早く室温に収束し温度測定実験てしまう傾向にあることがわかった.
試験片を風防内に置いた状態で実施した. また,

温度の測定には, ㈱アンベエムエスティ社製の極前項の結果より, 実際の現象よりも解析

薄 熱 電 対 (40200200) と 極 細 熱 電 対結果の方が, 熱が移動しやすい状態となっている(200200) を用い, 10秒毎に測定を行った.

ことが考えられる. そこで, 試験片下面と石定盤

との間における接触熱抵抗を考慮して解析

解析には 2008を使用し,非定常熱伝導解析を行った. 解析に用いた詳細な計算条件および材料物性は表１に示すとおりである.
解析プロパティ

メッシュタイプ

個体メッシュ

時間ステップ1メッシュサイズ5

試験片材料物性 304
比熱500 ()

熱伝導率16

密度8000  3熱伝達率を変化させた場合

( )



試験片と外部との熱の移動は, 空気と試験片の側面および上面の接触部分とによって行われる熱伝達と, 試験片の下面と石定盤の接触で行われる熱伝導が考えられる. 前述したとおり, 試験片はエアコン等の風の影響を避けるため風防内に置かれた状態である. そのため, 試験片の周囲は自然対流による熱伝達が行われるものと考えられる.
一般的に, 自然対流状態での熱伝達率は, 10(202
接触熱抵抗を考慮した場合)以下とされている. そこで, 熱伝達率を

初期温度５℃の場合の測定点①の温度

ＣＡＥの活用に関する研究を実施した. 図３()に接触熱抵抗値を３
,熱伝達率を５(2)とした場合の解析結果と温度測定実験の結果を示す. この条件により,実験結果と解析結果をほぼ一致させることができた.
次に, 実験値との比較により求めた接触熱抵抗値の確認のため, 接触熱抵抗の推定式である橘の式 1) を用いて検証を行った. 接触面での空げきを満たす流体の熱伝導率が固体の熱伝導率に比べてかなり小さい場合には, 単位面積あたりの接触熱抵抗の逆数, すなわち, 接触熱コンダクタンス 室温一定で解析結果を行った場合は, で求められる. ここで, は物質の表面粗さ, は接触相当長さ, は固体の熱伝導率, は流体の熱伝導率,は接触圧力,は硬度である. ただし, 接触圧力の小さい今回のような場合には,第１項の影響を小さいものとみなすことができ,近似的に無視することが可能である. 今回求めた
接触熱抵抗から熱抵抗コンダクタンスを求めると1061 6 (2)である. この値と空気の熱伝導率0 0241 ()を上記の式に代入すると, 固体の表面粗さは約23であり, 金属の表面粗さとしては現実的な値であると言える. このことか

室温変化を加えて解析を行った場合


初期温度35℃の場合の測定点①の温度ら, 熱抵抗値としては妥当であると考えられる.
差が大きくなったと考えられる. 図４()に室温

図４( )にこれまでの取り組みで求めた境界条と石定盤の温度変化を境界条件として与えて件を用いて, 試験片初期温度35℃の場合の試験片

解析を行った結果と実験結果の比較を示す.

中心位置における温度変化を示す. 実験結果とこの結果から, 20℃近傍での温度変化がほぼ一致

解析結果を比較すると, 若干の誤差が存在する結果となっており, 室温変動が誤差の原因ですることがわかる. この誤差の原因の一つとしてあったことを確認した.

室温変動が考えられる. そこで, 精密測定室の室

温の測定を行った. その結果, エアコンにより空熱の流量は, フーリエの法則より温度勾配に比調を行っているものの, 20℃を基準に±２℃程度例する. そのため, 室温と試験片温度の差が大きの温度変化が存在することが判明した. この室温

い温度ならしの初期段階においては熱の流入出が変動により, 室温一定の条件で計算を行っている

大きいが, 室温と試験片温度が近づいてくると熱解析値と室温測定値の間に誤差が発生するの流入出量は減少する. すなわち, 温度ならしにことが考えられる. さらに, 室温の測定結果から,要する時間の多くは, 室温近傍における熱の流入室温の平均値が20℃よりも若干高いこともわかり,出で要していると推測できる. そこで, 試験片の初期試験片温度が室温よりも高い場合において誤置かれている環境温度を変化させることにより温21

ＣＡＥの活用に関する研究

度の収束曲線を変化させることで, 温度ならし時せることにより, この傾向は強まる.

間を短縮することを試みた.

次に, 図６に試験片の測定点①が20℃に到達し図５に, 初期温度５℃の試験片を20℃から30℃たときの図断面における温度状態を示す.

まで２℃毎に環境温度を変化させた場合の測定点

図６()は環境温度22℃の場合, 図６()は環境①における解析による温度変化を示す. そ

温度30℃の場合である. この結果から, 環境温度の結果, 環境温度を20℃から２℃上昇させただけが22℃の場合には, 試験片内部の温度が室温であでも, 目標温度である20℃への到達時間が半減さる20℃を基準に±0
5℃以内の分布となっており,れていることがわかる. 当然, 環境温度を上昇さほぼ均一であることがわかる. 一方, 環境温度が30℃の場合においては, 試験片内部において２℃以上の温度差が発生しており, 温度分布が不均一となっていることがわかる.
以上の結果から, 環境温度を変化させることで温度ならしに要する時間を短縮することは可能であるが, 目標温度と環境温度の差を大きくし過ぎた場合には, 室温への収束性は飛躍的に向上する
反面, 内部の温度分布が不均一になってしまい,温度ならしとしては適当ではないことがわかった.
今回の条件下では, 環境温度と目標温度の差を２〜４℃程度以内で実施するのが有効であると考

環境温度を変化させた場合の測定点①の温度えられる.

熱に関する解析と熱電対を使用した温度測定結果を比較し, 境界条件の特定を行った. これらの実験により, 熱に関する解析のノウハウを蓄積するとともに, 精密測定に関して,解析による温度ならし時間予測という応用を簡易的ではあるが行うことができた.
 環境温度22℃
22
 環境温度30℃

測定点①が20℃に到達した時の試験片温度状態

１) 橘藤雄：日本機械学会誌, 55397, 102

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