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記録的な猛暑が続く夏、涼しく過ごす必要があるのは人間だけではない。スマートフォン、データセンター、自動車、飛行機を含む多くの機械は、猛暑になると効率が低下し、劣化が早くなる。機械はそれ自体も熱を発生させるため、周囲の温度をさらに高温にする可能性がある。

私たちは、機械がどのように熱を管理するのか、また無駄になる熱を効果的に回収し再利用する方法を研究する工学研究者だ。極端な暑さが機械に与える影響はいくつかある。

すべての機械は運転中に何らかの内部摩擦に直面する。この摩擦によって機械はいくらかの熱を放散するため、外が暑ければ暑いほど機械は熱くなるのだ。

リチウムイオンバッテリーを搭載したスマートフォンや同様の機器は、摂氏35度(華氏95度)以上の気候で作動させると、それ以下の気温での動作時と同様には作動しなくなる。これは、過熱による電子機器へのストレス増加を避けるために意図的に機能を制限するからである。

革新的な相変化流体を使用した冷却設計は、マシンを低温に保つのに役立つが、ほとんどの場合、熱は最終的に空気中に放散される。つまり、空気が高温であればあるほど、マシンが効率的に機能するのに十分な冷却を維持するのは難しくなる。

さらに、機械同士が近ければ近いほど、周囲に放散される熱は多くなる。

材料の変形

天候や機械から放射される余分な熱によって温度が高くなると、機械の材料が変形することがある。これを理解するために、温度が分子レベルで何を意味するかを考えてみよう。

分子スケールでは、温度は分子がどれだけ振動しているかを示す尺度である。つまり、温度が高ければ高いほど、空気から地面、機械の材料に至るまで、あらゆるものを構成する分子が振動することになる。

温度が上昇し、分子の振動が大きくなると、分子間の平均空間が広がり、ほとんどの材料が熱によって膨張する。道路はこの現象が見られる場所のひとつで、高温のコンクリートは膨張し、収縮し、最終的にはひび割れを起こす。この現象は機械にも起こる可能性があり、熱応力は問題の始まりに過ぎない。

cracks in the road
高温になると振動している分子間に空間ができ、材料が膨張・変形するため、熱でひび割れる。

旅行の遅延と安全上のリスク

高温はまた、車のエンジンオイルの挙動を変化させ、エンジンの故障につながる可能性がある。例えば、猛暑で気温が通常より16.7度高くなると、一般的な車のエンジンオイルの粘度(厚さ)は3倍も変化する。

エンジンオイルのような流体は、熱が加わると粘性が低くなるため、高温になりすぎるとオイルの粘度が足りなくなり、エンジン部品を適切に潤滑し、摩耗や損傷の増加から守ることができなくなる可能性がある。

さらに、暑い日はタイヤ内の空気が膨張し、タイヤの空気圧が上昇する。

また、飛行機は極端な気温で離陸するようには設計されていない。外気温が高くなると、空気は膨張し始め、以前よりも多くの空間を占めるようになり、薄くなったり密度が低くなったりする。この空気密度の低下により、飛行機が飛行中に支えることのできる重量が減少し、旅行の大幅な遅延やフライトのキャンセルを引き起こす可能性がある。

バッテリーの劣化

一般に、スマートフォン、パソコン、データセンターなどの機器に含まれる電子機器は、温度変化に対してそれぞれ異なる反応を示す多くの種類の材料で構成されている。これらの材料はすべて、狭い空間で隣り合って配置されている。そのため、温度が上昇すると、材料の種類によって変形が異なり、早期摩耗や故障につながる可能性がある。

自動車や一般的な電子機器に使われているリチウムイオン電池は、使用温度が高くなると劣化が早まる。温度が高くなると、バッテリー内のリチウムを消耗させる腐食反応など、バッテリー内の反応速度が高まるからだ。この過程で蓄電容量が消耗する。最近の研究によると、電気自動車は摂氏32度の天候にさらされ続けると、容量の約20%が失われるという。

データセンターは、データを保存するサーバーがたくさんある建物で、そのコンポーネントを冷やすために大量の熱を放散する。非常に暑い日には、チップの過熱を防ぐためにファンがより強く働かなければならない。場合によっては、強力なファンだけでは電子機器を冷却できないこともある。

data center
大量のデータを保管するデータセンターは、オーバーヒートする可能性があり、大規模な冷却を必要とする。

センターを涼しく保つために、外から入ってくる乾燥した空気は、多くの場合、まず湿ったパッドに通される。パッドの水分は空気中に蒸発し、熱を吸収して空気を冷却する。蒸発冷却と呼ばれるこの技術は、通常、チップを適切な動作温度に保つ経済的で効果的な方法である。

しかし、蒸発冷却はかなりの量の水を必要とする。この問題は、水が不足している地域では問題となる。冷却のための水は、データセンターに関連する既に膨大な資源フットプリントをさらに増やす可能性がある。

苦戦するエアコン

エアコンは、外が暑くなるにつれて、最も必要とされるときに、効果的な性能を発揮するのに苦労する。暑い日、エアコンのコンプレッサーは、家庭の熱を外に送るためにさらに働かなければならず、その結果、電力消費量と全体的な電力需要が不釣り合いに増加する。

air conditioner
熱波は、放熱のために懸命に働いているエアコンにストレスを与える。

たとえばテキサス州では、摂氏1度上昇するごとに、電力需要が約4%上昇する。

暑い国では、夏の電力需要が50%も増加し、電力不足や停電の深刻な脅威となり、温室効果ガスの排出量も増加する。

熱被害を防ぐには

世界中の熱波と気温の上昇は、人と機械に短期的にも長期的にも重大な問題をもたらす。幸いなことに、被害を最小限に抑えるためにできることがある。

まず、マシンを空調の効いた断熱性の高い場所に置くか、直射日光の当たらない場所に置くようにする。

第二に、エアコンのような高エネルギー機器を使用したり、電気自動車を充電したりするのは、電気を使う人が少ないオフピーク時間帯にすることを検討すること。これにより、地域の電力不足を避けることができる。

熱の再利用

科学者やエンジニアは、機械から発散される膨大な量の熱を利用し、再利用する方法を開発している。簡単な例としては、データセンターの廃熱を利用して水を温める方法がある。

廃熱はまた、吸収式冷凍機など他の種類の空調システムも駆動することができる。吸収式冷凍機は、一連の化学的および熱伝達プロセスを通じて冷却器をサポートするエネルギーとして、実際に熱を使用することができる。

いずれの場合も、何かを暖めたり冷やしたりするのに必要なエネルギーは、他の方法では無駄になる熱から得られる。実際、発電所からの廃熱は、仮に住宅用空調の27%をサポートすることができ、全体的なエネルギー消費と二酸化炭素排出量を削減することができる。

猛暑は現代生活のあらゆる側面に影響を及ぼし、熱波は今後もなくなることはないだろう。しかし、猛暑を利用し、私たちのために役立てるチャンスはある。


本記事は、Srinivas Garimella氏とMatthew T. Hughes氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Machines can’t always take the heat − two engineers explain the physics behind how heat waves threaten everything from cars to computers」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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