機構設計者として、日々仕事をしていると、色んな問題に直面することになる。

Q: こんな構造は、どうやって作るのか？

• 材料は？
• メカニズムは？
• 強度は？
• 時間変化は？
• 入手性は？
• コストは？
• 加工性は？
• 組み立て性 は？[量産性]
• 法律は？
• 管理は？
• その他…

熱設計者なら、

Q: この筐体サイズの中に、こんな発熱部品があるのだが、部品は使えますか？

• 筐体サイズは？
• 部品サイズは？
• 部品毎の発熱量は？
• 部品毎の目標温度( = 動作保証温度 )
• 使用環境は？
• 騒音値の制限はあるか？(=強制空冷ができるかどうかに関わる)[静音性]
• それで冷えるの？[冷却性]
• もっと小さくできないの？[小型化・薄型化]
• もっと軽くできないの？[軽量化]
• 金属なら回路部品との絶縁を取らないといけないけどどうすんの？[絶縁]
• コストは？もっと下げられないの？[ロウコスト]
• 加工性は？
• 組み立て性は？
• 入手性は？
• 法律？
• 管理？

などなどである。

熱設計の場合は、開発開始時点で、筐体サイズが決まっていなかったり、内部に搭載する部品の種類、数、サイズ、発熱量が決まっていなかったりする中で、常に、上記の質問を問われ、必ず「最適か？」という質問が副えられる。しかも、要求事項の全体像が分かっていない無能な企画者が多いと、設計者が見積もりを出すために「条件設定、定義」をすることすら否定される。。。

この状況に対して、一般的な理系の大学教育を真面目に受講した者ならすぐに分かるが、「条件設定が禁止された関数の最適化は、不可能」なのだが、そこが分からないのである。勉強はしっかりしましょう。思うだけで、技術の積み上げを超越した物ができるほどの技術を、我々人類はまだ手にしていないのですから。。

さて、前置きが長くなったが、、機構設計者は、上記のような多くの質問に常に答えなければならないのである。これらは、侃々諤々(かんかんがくがく)とした議論を続けていても、全く答えは出ない。計算をするか、実験をしてデータを元に推論をしていくかでしか、答えは出ない。実験は、基本的に試作をして行うので、お金と時間がかかる。いずれも有限なものですから、大切にしなければならない。そこで、基本的には、計算をして、試作をするにたる予測をするのが重要になってくるのである。。

では、どうやって計算をするのか？？

一般的な強度計算に対しては、材料力学の教科書を引っ張り出してきて、モデリングしようとしている形状を角柱や円柱に簡易化し、その上で、変形や強さの関係式、安全率の概念を適用すれば、おおよその指針が立つ。その計算で強度がNGならば、CAEをやっても恐らく強度NGで、試作をしても同じである。

例えば、ある部材の変形量に関する議論においては、一つの関係式を元に、結構な設計の見通しを立てることができる。

【最大変形量の関係式】

上図は、材料力学の教科書やHPをみれば直ぐにでてくる情報である。

δ：最大変形量、L：材料の長さ、E：縦弾性係数(材料で決まる)、I：断面二次モーメント、F：付加する力、ｗ：材料の幅、t：材料の厚み、ｋやαは係数。この係数も、前述の教科書やHPを参照すれば、直ぐに出てくる。正の値である。

設計する場において、材料の厚みtを何ミリにすればよいか？という議論があったとする。この時、例えば、上の式において、L,w,E,Fを固定すれば、、、

という関係式に整理できる。A=kL^3/(Eαw)

とすれば、、、

上図のような具合のイメージをすることができる。これによると、ある厚みから先は、変形量が大して変わらなくなるということなので、そのギリギリを攻めよう！という判断が可能になる。因みに、この時は既に使う材料の目星がついているはずである。世の中に出回っている材料には、、特に、板金は、鋼材の厚みがある程度限りがあるので考えやすい。例えば、上の関係式での比較の結果、0.7tと0.8tでは、力に対する変形量は0.1%しか変わらなかったとする。もう一段薄い、0.6tだと、0.7tに対して一気に5%も大きく変形したとする。。。どうやら、今の構造だと、厚みの限界は、0.7tにありそうだ。。。強度、軽さ、流通性を加味して、、よし、07tで行こう！と判断できるのである。

これらは、所詮は、数式の遊びである。

つまり、受験勉強でお馴染みの、「問題を理解して、覚えた知識を当てはめて、その枠組みの中で答えを出す」、、それと同じことである。

よく、社会人になると、、理系の、とりわけエンジニアになると、、学問や数式遊びなんて糞喰らえだ！感覚だ！経験だ！という風潮がある。そういった人たちの設計は、結果的にまともであったとしても、「これは最適なのか？」「それ以外は可能性はないのか？」という問いかけに対して「これが最適ですよ！だって、あれもこうやっているし(=具体例の提示が根拠。その具体例って本当に最適なの？という突っ込みには詰む)」「やってみなきゃわからないです。試作しましょう！(=そんなに予算がないプロジェクトチームはどうすんの？CAEでもやろうかね？)」という具合にしか答えられないのである。

感覚や経験は、もちろん大事である。でも、それが身につくまで若手エンジニアの成長を見守るほど、昨今の開発競争は悠長ではない。また、CAEはデータ作成のためにパソコンの前で四苦八苦することになり、経験豊かな人が使わないと時間がかかってしまう。こんな状況下で、短時間で、見通しのよい設計判断をするためには、数式遊びは極めて有効だと私は思うのである。

後ほど、熱設計に関する数式遊びを紹介したいと思う。。こうした情報発信が、試作前の設計判断の効率化に貢献できれば幸いである。。。では。。

なお、こうした数式の遊びをしたものは、終わった後にフォーマット化しておくと便利です。理由(目的)は下記です。

① 思考の総点検

② 次回以降、一から思考しなくて済む。時間短縮。

③ 入力値をかえたとき、結果の変化を直ぐに見積れる。

フォーマットの作り方は、過去記事を参考下さい。

Excelでの計算フォーマットを作る際のルールについて

今日は、「部品を冷やす」ということについて、一つの体系的な概念を紹介したいと思います。

いきなりですが、「小型製品」という要望は、その潜在的な魅力のため、エンドユーザー様たちの本意とは別に、常に開発者らに求められる事項です。そして、この要望に開発者が向き合うときに常に困るのは、「部品の冷却」なのです。

例えば、

・必要機能部品は、基板上に配置できた。でも、製品内で冷えるだろうか？

・要求筐体サイズに必要要素部品を詰め込むと、もうギッチり。これで冷やせるのだろうか？

・新しいデバイスの性能検討用の治具を作ったのだけど、風を当てるべきか、ヒートシンクを付けるだけで良いのか？どのくらいの風を当てればよいか？ヒートシンクのサイズは？？

・製品をコレだけ小さくしたら、部品の温度はどうなる？

・騒音値は、どうなる？

これらを15年～20年前のように、とにかく試作品を作ってから、熱対策を繰り返すのでは、冷却効果と開発速度の点で対応出来ません。というのも、熱対策とは、いわば付け焼刃のような物であり、繰り返し熱対策の試作と評価に膨大な時間がかかるからです。また、冷却は、風の流れや筐体サイズと密接に関わっているので、製品そのものの設計変更も余儀なくされ、さらに膨大な開発時間とコストがかかってくるのです。そこで、製品の試作品を作る前の「紙上試作」や「解析」によって、「この筐体に、これらの部品や熱源をこのように配置し、こういった冷却機構にすれば、部品や熱源はこの環境でこのくらいの温度になるはずだ！」と見積もりを立てることが必要になるのです。これが、熱設計とか、冷却設計とか言われる概念です。

しかし、冷却設計者は、育ちにくいです。それは、思考範囲が多岐にわたることと、現象が感覚的につかみにくいことに加え、会社内で製品が成立するか否かの重要判断を全ての部隊から求められるので、担当者が潰れやすいからです。また、これを危惧して分業制を導入すると、今度は自分の目的を見失ってしまい、冷却設計に関与したけど全く身につかなかった…となりがちだからです。

そこで、本日は、冷却設計の概念を、私なりに一つの体系図にまとめてみました。このブログを読まれた方が、ご自身の冷却業務において、どのような個所をされているのか？を考える、一つの参考になれば幸いです。「参考」とう感じに表現を一段落としたのは、開発現場毎に要求事項が異なり、それに伴って冷却のアプローチも変わるので、「答え」とはいいきれないと思うからです。。とはいっても、それなりに一般化しているつもりですので、参考にしていただけたらと思います。

図１. 冷却設計体系図

上図を見ていただくと、全部で四色に分かれていることが分かると思います。

赤：熱源(敵)と製品仕様(筐体)の関係を掴むステージ(★)

緑：冷却機(FAN)や放熱器(HEAT-SINK)を搭載するかどうかを決断するステージ

黄：決断後の指針を立てるステージ

青：風を当てる場合の、具体的な冷却構想をするステージ

あなたが、機構設計者であるならば、図１に書いてあることは、全て出来なくてはなりません。でなければ、構想が進まず、解析ソフトの前で四苦八苦することになります。そして、運よく答えが見つかったとしても、企画者や思い込み発言の多い立場の上の人たちの要求に、一つの判断軸をもって回答できなくなります。

立場の上の人間は、こと熱に関して感覚的に質問を投げかけるくせに、担当者が感覚的な回答をすると、待ってましたとばかりに罵倒する性質があります。要は、彼らは、心の底では判断から逃げたいのだが、立場上逃げられないので、担当者に自信をもって判断できる材料を提供してもらいたくて、喚きたてるのです(※)。こんなとき、「ある物理法則に則ってこう予測できるからいけると思います。いかがですか？ご心配なら、解析(1W)や試作(1～7W)をするのでお時間いただきたいです」と提案できるのです。

※ どの組織にも、「「～だろう・と思う・と考えます」じゃダメなんだよ、「～できる」っていえよ」という困った人がいます。この世の中に、断言できることは、ほぼ無いのですが、こういうことを言う人は、それが分かっていません。人が言う「～できる」は、過去の経験から予測した結果を、本人が高く信頼しているにすぎません。つまり、「～できる」という例外は、そう信じる思考くらいです。さて、計算も、解析も、試作も、全て予測するための手段にすぎません。そこから得られる結果は、「～だろう」です。上記のような困った人には、どこまで予測をすれば、その人が高く信頼できるのか？を確認しましょう。計算結果で判断できるのか？解析結果で判断できるのか？試作をしないと判断できないのか？どんなレベルの試作をしないと判断できないのか？。。でないと、予測損をして疲れてしまいます。無駄な業務です、、正直に言いましょう。全部やったら、死にますよ。管理職の方、、全部やらせたら、部下がつぶれますよ？いいのですか？パワハラ防止法で訴えられますよ？そしたら、あなた社会的に抹殺されますよ？

なお、試作しないと判断できないという人がいたら、ちょっと要注意です。その人は、「判断する見識を持ち合わせていない」であったり、「計算や解析を軽視し、試作＆対策のループをやろうとしない担当者を職務怠慢であると責め」たりするので、話が噛み合いません。まず、味方を増やし、その上で会議を開き、判断の仕方を取り決めましょう。( 社内でその分野の識者を集め、合議の上判断するなど。 )

話を元に戻して、冷却設計者は、図１が理解できていなければなりません。回路設計者も、熱源を選定し、配置するエンジニアですから、熱設計ができなければ、自分の排便をかたずけられない人間と同じなので、やはり未熟者です。よって、図１を理解し、運用できるようになってほしいと思います。商品企画者は、最低でも「赤～緑」までは出来て欲しいです。それは、「冷却の観点から実現可能性のある小型製品サイズ」を見積ってほしいからです。この観点がないと、馬鹿な企画をすることになります。例えば、「”タバコサイズの世界最高性能のスパコン”が欲しいな。自社の事業は赤字だし、このくらいのモノ作らなきゃ解散だわ。いっちょ、設計部に要求書を出すかな。」という感じです。最先端のスパコンの膨大な発熱量を知れば、タバコサイズの筐体で放熱不可能なことは直ぐに分かります。営業の顔色を伺う仕事が大変なのはわかるが、それが二義的なものだといい加減に気が付き、本来の商品企画に知能を使って欲しいものです。

最後に、赤の(★)について、補足します。熱を持った部品や、筐体の各面から自然に放熱する熱量を求める方法についてです。物理的には、自然対流熱伝達率[W/(m2・K)]を求めます。熱設計関係のいくつかの書籍によると、下記の関係式が提唱されています。

hm=2.51K(ΔT/L)^0.25

K：形状係数( 鉛直板: 0.56, 平板上に熱源: 0.54, 平板下に熱源:0.27 )

ΔT：外気と、部品(又は、筐体)表面温度の差

L：代表長( 鉛直板：高さ, 平板：短辺長 )

図1ができると、ある発熱量の熱源を仮想の流路に入れて、その両端面にメッシュをはり、片方のメッシュの内側にFANを配置して、流路内の空気を換気させるように冷却したとき、部品温度がどのくらいになるかなどを見つめれるようになります。ヒートシンクを搭載したときや、流路を拡大させた時にどうなるかも予測できるようになります。解析ソフトは1Wはかかります。簡易計算は、一日でできます。これは、設計の際に使わないわけにはいかないでしょう。。

因みに、上図を参考に独自の数式の組み合わせ方法を見つけたら、それをEXCELなどでフォーマット化しておくことをお勧めします。自分の理解が深まるとともに、以降、必要な数値を入力するだけで、必要な結果を得られるからです。

Excelでの計算フォーマットを作る際のルールについて

熱設計の基本

では

【本日の写真】ジョウビダキ

今年も日本海を越えて、渡ってきてくれました。とても可愛らしい小鳥です。

野鳥が来られるような美しい国に、野鳥が暮らせるような美しい地球にするために、少しでも貢献できたらと思うばかりです。

人は、視覚を通じて多くの情報を得る。

この視覚によってられる情報は、目で受容され、脳内で電気信号に変換され、認知される。この認知についてであるが、脳が既に知っていること(=電気信号)を無意識に引っ張り出し、合成することで起こるらしい。

つまり、今、我々が見て、時々刻々変化している世界は、「目に届く光」「その光に無意識に反応して起こる脳内の電気信号」「過去経験した類似の電気信号の無意識で反射的な検索と合成」で形成されている。我々が知る情報は、全て、脳内の電気信号なのである。

ここで、記憶について、考えてみる。

記憶とは、新着情報を認知し、思えだせるようにする行為をさす。

新着情報の認知というのは、例えば視覚を用いて得る情報は、前述のような具合に脳で入力処理される。一方思い出す行為、つまり、想起は、どうであろうか？ここには、「目に入る光(その他、五感で感じる刺激)」はない。これは、完全に「過去に経験した電気信号を探る行為」である。思い出す行為もまた、脳内の電気信号である。

なお、この推論から何かを意識的に思い出したければ、その対象を覚えた時の五感を思い出すことが重要だと思う。なぜなら、記憶された情報は、「覚える際に五感を通じて入力され、それが電気信号に無意識で反射的に変換され、そのときに脳が勝手に行う過去の電気信号の検索と合成」で形成されるからである。思い出す時は、「どんな見た目の印象を受けたか？どんな匂いだったか？どんな音、リズム、大きさだったか？どんな味だったか？どんな肌触りだったか？その他、平衡感覚や内臓の感覚はどうであったか？」を丁寧に論理展開したり、意識したりすることが大事と思うのであうる。

さて、想像はどうであろうか？

想像とは、イメージのことである。情報を入力する行いではないので、既に知っている情報を意識的に組み合わせる行為である。既に知っている情報は、脳内の電気信号であるので、想像とは、「過去に経験した電気信号を意識的に合成する行為」であるといえる。想像もまた、脳内の電気信号なのである。ただ、合成する際には、論理展開が必須である。例えば、リンゴといって、真っ赤で、良い香りのする手に収まるサイズの果実の電気信号を脳内に走らせても、、論理展開をしなければ、、例えば、格闘家がそれをグシャッと潰す姿の電気信号にはならない。先ほどの、想起における丁寧な論理展開は、まさに、想像のことである。

では最後に、以上の推論をふまえて、ちゃんと理解し、記憶に残る読書について考えてみる。

文書は、単語、文型で構成される。文を正しく理解するのためには、この単語と文型を脳内の電気信号にし、過去の電気信号と合成させなければならない。特に、英語などの外国語は、文型を正しく理解しないと、内容が分からない。が、日本語は、文型を正しく分からなくても、単語の羅列で何を言わんとしているのかが、分かる不思議な言語である。「日本語、文型、正しく、分からない、単語、羅列、何、言わん、分かる、不思議、言語」という単語の羅列を見せられれば、学校教育を受けてきた者ならば、日本語の文型が無意識に体に染みついているので、単語を見るだけで、多くの場合、何となく何を言わんとしているかが予測がつく。このことから、日本人の大人が、日本語の文章を読むときは、単語を目で追えば基本的に良い。次に、単語についてであるが、これをどのような電気信号に変換するかが、理解の境目になる。

いきなりだが、カメラアイを持った人は、本のページ全体の見た目の印象を電気信号に変換しているはずである。ただ、普通の人がこれをやろうとすると、脳が過去の類似した風景の電気信号、つまり、ページの上に文字が書いてある漠然としたイメージ を思い出し、それ以上のことができない。理由としては、いくつか思うことがある。

・ パッと見ただけでは、文字が小さく、文字が多すぎて、文章が書かれている領域や絵くらいしか分からないから。

・単語を感覚で瞬時にイメージ化するのが、苦手だから。特に「概念」は、物体の固定した形でイメージできない。例えば、法律、規則、ロジック、メタファーなどである。こういった用語は、概念が適用されている具体的な場や、物体の動的な流れをイメージで捉えられるようにならなければ駄目である。ただし、一つの単語に対して、これらのイメージが瞬時にできても、ページ上の単語があまりにも多すぎるので、全てを瞬間的に捉え、同時にイメージ化することは出来ない。

だから、我々は文章を音声化して、一回音にし、その聴覚(的)刺激による電気信号で理解するのである。黙読とて同じことである。だが、難点は、音の響きに頼った理解になるので、理解が浅く、何より音の響きや順番を思い出さないと想起できないと思われる。覚えていることは、経験上、音読(黙読)の最中に、単語の響きに連動して、勝手に映像や味覚、嗅覚的な感覚とその動き(論理展開)を想像できたときである。それが出来なかったものは、何も覚えていない。

このことから、文章を理解し、内容を記憶するには、まず単語を意識し、それを映像、味、匂いで捉えることが重要である。ここで、単語毎にイメージが出来ても、単語間のつながりをどうするか？という問題がある。一つの段落で、複数の単語とその感覚的イメージができたが、つながりが分からない。。単語の出てきた順にストーリー化しようとしたが、どうもうまくいかない。結局、音読して言わんとしていることをまとめたら、「AがBを使ってCをした」しか言ってなかった。しかし、音読したら弱い記憶しかできないし、どうしたものか。。。

これについては、まず単語に目を走らせ、単語毎にイメージ化を試みる。その作業をしながら、「つながりは何だろう？」という意識を持つ。そして、一段落終わったときに、「イメージのつながり(=内容)は、これだ！」という自分なりの答えを作る。この際、無駄な単語のイメージは削除してよい。そして後で音読をして答え合わせをするのである。記憶は、「反復、イメージ化で強化される」「間違えたものは強く記憶される」という特徴があるので、その理に叶う方法と思う。

以下、提案する記憶に残ると思われる読書術をまとめる。

❶ 一段落の全体パターンを見る 

❷ 単語を見た順にイメージ化( 視覚、嗅覚、味覚etc)

❷ 同時に、イメージ間のつながりはどうか？という意識を持つ

❸ 一段落が終わったところで、イメージによる自分なりのストーリーを確定

❹ 一段落を音読して、ストーリーを答え合わせ

→ 「反復、イメージ化」「一度間違えた事柄は強く記憶される」という記憶の特徴を使う。

こんにちは！最近、特に忙しく、また気力を削がれる出来事も少々あり、更新が滞っております。昨日有休をとれ、良く寝て、身体を温め、栄養をとって少し落ち着いたので、更新します。

今日も、独り言です。

私は子供の頃から、鉱石や宝石が大好きです。保育園時代、ルビー、サファイヤ、エメラルド、オパールの美しさに子供ながらに心奪われ、一日中「それを入手し、人知れず肌身離さず持ち歩き、日々を過ごす」ことを考えていたことがあります。何だが不思議な力が得られる気がしたからです。

大人になるにつれイメージを鮮明に、動的にできるようになると、翡翠や真珠、路傍の石に至るあらゆる石に、神秘的な美を感じられるようになりました。

石は種類も形も無限にある。この世の万物も無限にある。

あらゆる石を理解し愛せるのならば、同じく無限のこの世の万物も同じように愛せる、と最近気が付くに至ったのです。

今は、何かを愛し、深め、理解し、他と比較し、等価性を見出すことの尊さを感じているところです。この世は、素晴らしい。。

さて、誕生日石というのをご存知であろうか？5月はエメラルド、9月はサファイヤなどというように、「月」に石を割り当てる分類は、俗に、「誕生石」と呼ばれるものです。しかし、これを月ではなく「日」に割り当てた分類があるのである。それが、「誕生日石」です。下記に、データベース化してみました。

1月～7月( 「画面上にカーソル合わせ＞右クリック＞画像だけを表示」で拡大 )

7月～12月( 「画面上にカーソル合わせ＞右クリック＞画像だけを表示」で拡大 )

私は、9月3日生まれなので、サファイアを大切に感じながら生きてきました。

しかし、誕生日石の分類によると、ダイヤモンド原石 をいうことで、何だか、身が引き締まる思いです。。誕生石は持っているけれど、何だかしっくりこないんだよねーという方、今度は、誕生日石を試したらいかがでしょうか？

きっと、面白い発見があると思いますよ！

( データベースをご要望の場合は、連絡下さい。)

【本日の写真】春の予感(梅のつぼみ)

もうすぐですね＾＾♪

まだまだ寒いですし、コロナも脅威ですが、健康に注意して頑張っていきましょう！

最近、ハーブティーを飲むことにしている。

ビタミンCの補給と、鎮静効果があるので、健康を維持する面で極めて効果的である、、、とある専門家から教わったからだ。

続けて1カ月ほど経過したが、効果を実感している。

私が試しているのは、主に二種類のハーブティーである。

一つは、「ローズヒップ」、もう一つは「ジャーマンカモミール」である。

前者は、ビタミンCを効果的に摂取できる。ビタミンCは、成熟したコラーゲンの生成を促す効果があるので、老化を遅らせる効果が期待できる。朝、昼、夜と、一日コップ三杯ほど飲んでいる。。

(参考)ビタミンCが足りないと老化が進む！？

https://www.tmghig.jp/research/topics/201606/

ジャーマンカモミールの方は、自律神経を落ち着かせる鎮静効果が期待できるので、夜就寝前に飲むことにしている。寝入りが良くなったと思っている。

実は、これ以外にも、たまーに「ショウガ茶」「高麗人参」を飲んだりしている。体が寒くて代謝が悪くなっているときや、ひどく疲労が蓄積しているときに飲んでいる。

こんなご時世に関わらず、健康の基本は、免疫力を高めることだと思います。その為の基本は、適切な栄養摂取、十分な睡眠、代謝促進行為 です。つまり、 食事、睡眠、運動 が大事です。 これらを、健康、肉体改造などの目的意識をもてば、自ずと行動が変わると思います。

私は、健康寿命を長くし、生涯働き、生涯創造的であり、生涯人類の発展に貢献したいので、、健康はとても重視しています。水、コーヒー、お茶、野菜、肉、果実など、、口にするものは全て一定の基準で選ぶようにしています。

酒、タバコ、スナック菓子、ジャンクフード、、、、これからは食べないようにしたいと思います。。

【本日の写真】相模川沿いで発掘した木の葉の化石

新年、相模川沿いをサイクリングしてきました。河原には、コロナ下ということもあり、散歩する人を除いて殆ど人はいませんでした。私も少し自転車を止めて散歩をしていると、なんと、木の葉の化石を見つけました！写真右側に木の葉の本体が、左側には木の葉の型が出来ています！！こうした出会いに、感謝したいと思います