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微細多孔構造の理論|吸音効果
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マイクロサームは微細な多孔構造の断熱材で、空気分子のミーンフリーパス(mean
free path 平均自由工程)よりも小さい極限的なセル構造です。 そのため、理論的に可能な最低レベルの熱伝導度の断熱材で、静止空気の熱伝導率をも大きく下回る世界で最も優れた高性能断熱材です物質中を熱が伝わる過程には次の四つがあります。
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1)固体の熱伝導
2)赤外線の透過
3)気体の対流
4)気体分子の熱伝導
⇒ 熱計算試算はこちら(Thermal
performance calculator)
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(1)
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熱伝導度の低い材料を使い、伝熱経路の接触部分を出来る限り小さくすることで、固体の熱伝導度を低くすることが出来ます。 一般的な断熱材は、発泡体、繊維状、粉末状のプラスチックスやガラス状物質やセラミックスなど、水の密度の三分の一より小さな密度の物質です。 これら断熱材の体積の90%以上は空気で占められています。
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(2)
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一般的な断熱材は赤外線に対して透明で、輻射伝熱は温度差100℃を超えると熱移動プロセスとなり、温度の上昇に伴って大きく増加します(ステファン・ボルツマンの四乗則)。
熱伝導度の曲線は、平均温度と共に上昇する特徴あるカーブを描きます。 赤外線の透過は、断熱材中に不透過剤を加えることで減少させることができます。 不透過剤には、反射剤(金属箔)、吸収剤(カーボンブラックのような半導体)、散乱剤(金属酸化物のような屈折率の高い透明体)などがあります。マイクロサームには、特殊な粒子径と粒度分布を有する耐熱性の金属酸化物が使われているため、熱伝導度の曲線が非常に緩やかになっています。 その結果として、赤外線の透過が可能な最小限のレベルにおさえられています。
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(3)
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気体の対流は、空気の流れが生じないよう空隙やセル構造を小さくすることにより、最小限にすることができます。 温度や温度差が大きくなれば、セル構造は小さくせねばなりません。 気体の対流が起こらなくなっている場合、空隙の熱移動は静止空気中の熱伝導が想定されます。
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(4)
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加熱された(速い)気体の分子は温度の低い(遅い)分子と衝突すると、速度差(両者の温度差)は半分になって跳ね返ります。 しかし、セルの壁と衝突した分子は速度(温度)に何の変化も起こらず、壁との間の熱移動はあまり行われません。
このようにセルサイズが非常に小さく、気体分子が壁から壁に跳ね返されるだけなら、熱の移動は静止空気の熱伝導より小さくすることができます。
マイクロサームの場合、形成しているセルの大きさは気体分子のミーンフリーパス(平均自由工程)より小さく、0.1ミクロン以下です。 これにより気体の分子の衝突が減り、静止空気の熱伝導度より更に低い熱伝導度が得られています。
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断熱材マイクロサームは、高度に多孔質で相互に連なった微細なセル構造を形成しておりますが、この構造を通しての空気の運動に対する抵抗は非常に大きいのでマイクロサームは特に良い吸音材にはなり得ません。
英国規格BS3638-1963[音響試験室中における吸音係数の測定方式]に基づく試験により次の結果が得られております。
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ノイズ減衰係数:0.16
上記の測定値は厚さ19oの標準用パネル型マイクロサームを用いて得られたものです。
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