2018-08-12

機械系の違和感

日記

機械工学は経験値の寄せ集め？
製造バラつき、測定誤差

機械工学は経験値の寄せ集め？

就職してから学んだ率直な感想は、「機械工学（特に伝熱工学）って学問なのか？」
ということです。自分達の試験を無次元数でまとめることが研究なのか？そして生まれたごく限られた適用範囲の式を製品に適用して数値化することがエンジニアなのか？と疑問に感じ、正直に言って肌に合わないと思いました。p-h線図だって、これで新規にわかることはあるのか？皆がこの絵に経験を詰め込んでいるだけではないか？考え方ではなく見せ方の話ではないのか？

今でも上の問いに答えられていません。教科書レベルの機械工学は情報系と比較して必要な基礎学力は低いですが、情報系の人に敬遠されるのは、教科書や学問そのものに論理展開が見えにくいからではないかと思います（あくまで、頭の足りない私の意見です）。

製造バラつき、測定誤差

製品の性能を設計するためには必要不可欠な概念ですが、これらを全て把握することは実質的にできませんし、おそらく皆さんの思う以上に影響は大きいです。また、細部や見えない場所の物理的な性質が製品全体に影響します。複数同じように作っても、性能は全然異なってしまいます（少なくとも、統計学的に評価に値する物を作ることは意外に難しい）。そうなると経験が重要で、（働き方改革などあり）若い人が活躍しにくいと思います。

でも、機械系も面白い事がたくさんありました。次はその辺、書きたいと思います。

2018-08-11

熱伝達

伝熱

熱伝達の式は一見、単純

熱伝達の式は一見、単純

$Q:熱移動量[\mathrm{W}]$
$A:平板の面積[\mathrm{m^2}]$
$h:熱伝達率[\mathrm{W/(m^2K)}]$
$T_\mathrm{high}:高い方の温度[\mathrm{m}]$
$T_\mathrm{low}:低い方の温度[\mathrm{m}]$

熱伝達の式は下です。覚えましょう。

\begin{align}
Q = Ah (T_\mathrm{high}-T_\mathrm{low})
\end{align}

さて、一見、熱伝導の方程式よりも単純に見えますよね。あとは、「熱伝達率」なるものネットで調べてしまえばすぐ答えが出そうです。ふむふむ、空気が自然対流しているときの熱伝達率は3から10 $[\mathrm{W/(m^2K)}]$ くらい。

確かに、家の断熱計算をする上ではその程度の数字を覚えておけば十分かもしれませんね。ただし「熱伝達率」は、吹いている風速など、様々な条件で変化します。
今後、「熱伝達率」を求める方法を書いていければと思います。

2018-08-11

熱伝導

伝熱

覚える必要があるのは１つの方程式だけ
使えるようになるには物理量のオーダーを覚えることが大事

覚える必要があるのは１つの方程式だけ

$Q:熱移動量[\mathrm{W}]$
$A:平板の面積[\mathrm{m^2}]$
$\lambda:熱伝導率[\mathrm{W/(m K)}]$
$t:平板の厚み[\mathrm{m}]$
$T_\mathrm{high}:高い方の温度[\mathrm{m}]$
$T_\mathrm{low}:低い方の温度[\mathrm{m}]$
$d_\mathrm{in}:円筒の内径[\mathrm{m}]$
$d_\mathrm{out}:円筒の外形[\mathrm{m}]$
$L:円筒の長さ[\mathrm{m}]$

ほとんどの仕事では，会話の最中やメールのやりとりで「あたりをつける」能力が求められますよね。熱伝導に関して「あたりをつける」ために覚えるべき知識は，下式でとりあえず必要十分と思います。下式は熱が定常的かつ一次元的に進行する仮定で熱移動量と温度の関係をあらわしています。

\begin{align}
Q = A \frac{\lambda}{t}(T_\mathrm{high}-T_\mathrm{low})
\end{align}

強いてもうひとつ使う式があるとすれば，定常的かつ円筒の径方向に進行する仮定のもとの熱移動量と内外の温度の関係をあらわす，下式です。

\begin{align}
Q = \frac{2 \pi k L (T_\mathrm{high} - T_\mathrm{low})}{\ln{(d_\mathrm{out}/d_\mathrm{in})}}
\end{align}

私の関わってる範囲でいうと，円筒の式を使う機会はたくさんありますが，計算結果としてそこまで重要でない場合がほとんどです。理由は，大きく分けて下記３つあり，結果的に $T_\mathrm{high}$ と $T_\mathrm{low}$ の温度差が殆どつきません。

パイプの厚みは，構造物のサイズに対して（計算する伝熱経路に対して）十分薄い場合が多い。
パイプは熱伝導率の大きい金属で作られる場合が多い。
パイプの径方向の熱抵抗は，パイプ管外・管内の流体の対流熱伝達に比べて十分小さい場合が多い（後日きちんと書きます）。

使えるようになるには物理量のオーダーを覚えることが大事

熱伝導は熱設計に活用するという意味では大変単純に利用することができますが，熱伝導現象そのものが単純だというわけではありません。それは全ての物理現象に言えることと思います。

一方で，エンジニアとして熱伝導計算を行えるようになるためには，伝熱の教科書の多層平板や多層円管の問題を $Q$ や $T$ について解いても身につきません。材料の熱伝導率と厚みと熱移動量のイメージを持つことが大切です。金属・樹脂・断熱材・木など，だいたいの値を把握し，簡単な式で大体の熱移動量が電卓ですぐ出せるようになってください。熱伝導は簡単だからこそ，手計算できることが重要です。