熱接触伝導率

物理学において、接触熱伝導率は、熱的に接触している固体または液体の物体間の熱伝導を研究する分野です。接触熱伝導係数は、接触している 2 つの物体間の熱伝導率、つまり熱を伝導する能力を示す特性です。この特性の逆は接触熱抵抗と呼ばれます。 ${\displaystyle h_{c}}$

図 1 の A と B のように、2 つの固体が接触すると、熱は高温の物体から低温の物体へと流れます。経験上、 2 つの物体に沿った温度プロファイルは、おおよそ図に示すように変化します。接触している 2 つの表面の界面では温度低下が見られます。この現象は、接触面間に存在する接触熱抵抗の結果であると言われています。接触熱抵抗は、この温度低下と界面を横切る平均熱流の比として定義されます。^[1]

フーリエの法則によれば、物体間の熱の流れは次の関係で求められます。

ここで、は熱流量、は熱伝導率、は断面積、は流れ方向の温度勾配です。 ${\displaystyle q}$${\displaystyle k}$${\displaystyle A}$${\displaystyle dT/dx}$

エネルギー保存則を考慮すると、接触している 2 つの物体 (物体 A と物体 B) 間の熱の流れは次のように求められます。

熱の流れは、接触している物体の熱伝導率、接触面積、および接触熱抵抗に直接関係していることがわかります。接触熱抵抗は、前述のように、熱伝導係数の逆数です。 ${\displaystyle k_{A}}$${\displaystyle k_{B}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle 1/h_{c}}$${\displaystyle h_{c}}$

実験的に決定された接触熱抵抗の値は、ほとんどが 0.000005 ～ 0.0005 m ² K/W の範囲にあります (接触熱伝導率の対応する範囲は 200,000 ～ 2000 W/m ² K)。接触熱抵抗が重要であるかどうかを知るには、層の熱抵抗の大きさを接触熱抵抗の一般的な値と比較します。接触熱抵抗は、金属などの良熱伝導体では重要であり、支配的になる可能性がありますが、絶縁体などの不良熱伝導体では無視できます。^{[2]接触熱伝導率は、多くの物理システムが 2 つの材料の}機械的な組み合わせ を含むため、さまざまなアプリケーションで重要な要素です。接触伝導率が重要になる分野には、次のものがあります。^{[3] [4] [5]}

• エレクトロニクス
  • 電子パッケージ
  • ヒートシンク
  • 括弧
• 業界
  • 原子炉の冷却
  • ガスタービン冷却
  • 内燃機関
  • 熱交換器
  • 断熱
  • 自動車用鋼のプレス硬化
• フライト
  • 極超音速飛行体
  • 宇宙船の熱監視
• 住宅・建築科学
  • 建物外壁の性能

接触熱伝導は複雑な現象であり、多くの要因の影響を受けます。経験上、最も重要な要因は次のとおりです。

粒状媒体中の粒子のような、接触する2つの物体間の熱輸送では、接触圧力と、これによって生じる真の接触面積が、全体的な接触コンダクタンスに最も影響を与える要因です^[6] 。接触圧力が増加すると、真の接触面積が増加し、接触コンダクタンスが増加します（接触抵抗は小さくなります）。^[7]

接触圧力は最も重要な要素であるため、接触コンダクタンスの測定に関するほとんどの研究、相関関係、および数学モデルは、この要素の関数として行われます。

高温下で圧延して製造される特定のサンドイッチ材料の熱接触抵抗は、材料間の熱伝導率の低下がごくわずかであるため、無視できる場合があります。

実際には本当に滑らかな表面は存在せず、表面の欠陥は顕微鏡で見ることができます。その結果、2 つの物体が押し付けられると、図 2 に示すように、比較的大きな隙間で分離された有限の数の点でのみ接触が行われます。実際の接触面積は減少するため、熱の流れに対する別の抵抗が存在します。これらの隙間を埋めるガス/流体は、界面全体の熱の流れ全体に大きく影響する可能性があります。クヌーセン数を参照して調べた間隙物質の熱伝導率とその圧力は、接触伝導と一般的な不均質材料における熱輸送への影響を支配する 2 つの特性です。^[7]

真空中のように隙間物質が存在しない場合は、密接な接触点を通る流れが支配的になるため、接触抵抗ははるかに大きくなります。

特定の仕上げ操作を経た表面は、粗さ、波状性、フラクタル次元という 3 つの主な特性によって特徴付けることができます。これらのうち、粗さとフラクタル性は最も重要で、粗さは多くの場合rms値で示され、表面フラクタル性は一般にD _fで示されます。界面の熱伝導率に対する表面構造の影響は、接触パッチによって電子ではなくフォノンの輸送が制限される電気接触抵抗 (ECR) の概念に似ています。 ${\displaystyle \sigma}$

2つの物体が接触すると、両方の物体の表面が変形する可能性がある。この変形は、材料特性と接触圧力に応じて、塑性変形または弾性変形のいずれかになる。表面が塑性変形すると、変形によって実際の接触面積が増加するため、接触抵抗は低下する^{[8] [9]}

塵埃粒子、酸などの存在も接触伝導性に影響を及ぼす可能性があります。

式2に戻ると、接触面積（前述のように表面特性の積）を測定することが難しいため、接触熱伝導率の計算は困難、あるいは不可能であることが判明する可能性がある。このため、接触伝導率/抵抗は通常、標準的な装置を使用して実験的に求められる。^[10]${\displaystyle A}$

このような実験の結果は通常、工学 文献、Journal of Heat Transfer、International Journal of Heat and Mass Transferなどのジャーナルに掲載されます。残念ながら、接触コンダクタンス係数の集中データベースは存在しないため、企業が古くて無関係なデータを使用したり、接触コンダクタンスをまったく考慮しなかったりすることがあります。

この問題を解決し、接触コンダクタンスデータの集中データベースとそれを使用するコンピュータプログラムを作成するために設立されたプロジェクトであるCoCoE （Contact Conductance Estimator）は、 2006年に開始されました。

有限の熱接触伝導性は、界面の空隙、表面の波状性、表面の粗さなどによりますが、ほぼ理想的な界面でも有限の伝導性が存在します。この伝導性は熱境界伝導性と呼ばれ、接触する材料間の電子特性と振動特性の違いにより生じます。この伝導性は一般に熱接触伝導性よりもはるかに高くなりますが、ナノスケールの材料システムでは重要になります。

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