ヒートシールド

工学において、ヒートシールドとは、熱を放散、反射、吸収することで、物体または作業者を火傷や過熱から保護するために設計された部品です。[ 1 ]この用語は、排気熱管理や摩擦熱を放散するシステムに関して最もよく使用されます。ヒートシールドは、自動車産業や航空宇宙産業で最も一般的に使用されています。[ 2 ]

動作原理

ヒートシールドは、2つの主なメカニズムによって極端な温度と温度勾配から構造物を保護します。[ 3 ]断熱と放射冷却はそれぞれ、下にある構造物を外部の高温表面から隔離し、熱放射によって外部に熱を放出します。優れた機能性を実現するために、ヒートシールドには、低い熱伝導率（高い熱抵抗）、高い放射率、および優れた熱安定性（耐火性）の3つの特性が求められます。[ 4 ]セラミックスの優れた熱安定性、多孔質材料の断熱性、およびHECの 優れた放射冷却効果により、高放射率コーティングを施した多孔質セラミックス（HEC）がこれら3つの特性に対処するためによく使用されます。

用途

自動車

内燃機関は大量の熱を放出するため、[ 5 ]ほとんどのエンジンには、部品や車体を熱による損傷から保護するためにヒートシールドが使用されています。効果的なヒートシールドは保護機能に加え、エンジンベイの温度を下げ、エンジンに入る空気の温度を下げることで性能向上にも役立ちます。[ 6 ]ヒートシールドの価格は様々ですが、ほとんどはステンレス鋼製クリップ、耐熱テープ、または専用に設計された金属製ケーブルタイなどで簡単に取り付けられます。自動車用ヒートシールドには主に3つの種類があります。

  • BMW Eシリーズエンジンのスチール製ヒートシールドの例
    硬質ヒートシールドは最近まで一般的に鋼鉄製でしたが[ 7 ]、現在ではアルミニウム製が多くなっています。高級硬質ヒートシールドの中には、アルミニウム、金、または複合材料で作られているものもあり、ほとんどの製品には断熱性を向上させるためのセラミックコーティングが施されています。
  • フレキシブルヒートシールドは通常、薄いアルミニウムまたは金のシートで作られ、平らな状態またはロール状で販売されるのが一般的です。これらのヒートシールドは、設置業者によって手作業で曲げられることがよくあります。高性能のフレキシブルヒートシールドには、プラズマ溶射によるセラミック断熱材などの追加機能が組み込まれている場合もあります。フレキシブルヒートシールドのもう一つの一般的な手法は、断熱性を向上させ、軽量化するために特殊複合材料を使用することです。これらの最新製品は、 F1などのトップレベルのモータースポーツで広く使用されています。
  • トヨタ・セリカST205のアルミ製ヒートシールドの例
    テキスタイルヒートシールド（ヒートラップとも呼ばれる）は、排気管内の排気ガスから放出される熱を閉じ込めることで、様々な排気部品を断熱するために使用されます。これにより、排気管内の部品から発生する膨大な熱がエンジンベイ内に放出されるのを防ぎます。このラップは、オートバイの排気管で最もよく使用されます。

ヒートシールドは、エンジンチューニングの最適化段階で、アマチュアとプロの両方によって取り付けられることが多い。ヒートシールドは、エンジンマウントの通気口を冷却するためにも使用される。車両が高速走行しているときは、エンジンルーム内のエンジンを冷却するのに十分なラムエアが存在するが、低速走行時や登坂時には、エンジンの熱が周囲の部品（例えばエンジンマウント）に伝わらないように断熱する必要がある。適切な熱解析とヒートシールドの使用により、エンジンマウントの通気口を最適化し、最高の性能を引き出すことができる。[ 8 ]

航空機

コンコルドやSR-71ブラックバードのような高速航空機は、宇宙船で発生するのと同様の、しかしより低い過熱を考慮して設計する必要がある。コンコルドの場合、アルミニウム製の機首は最高動作温度が127℃に達することがある（これは氷点下の外気より180℃高い）。この最高温度に伴う冶金学的影響は、航空機の最高速度を決定する上で重要な要素であった。[ 9 ]

最近、RCC より優れている可能性のある新しい材料が開発されました。プロトタイプの SHARP (Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probe) は、二ホウ化ジルコニウム (ZrB 2 ) や二ホウ化ハフニウム (HfB 2 )などの超高温セラミックに基づいています。[ 10 ]これらの材料に基づく耐熱システムは、海面でマッハ7、高度 35000 メートルでマッハ 11 の速度に到達でき、極超音速用に設計された車両に大きな改善をもたらします。使用される材料は、0 °C ～ +2000 °C の温度範囲で耐熱特性があり、融点は 3500 °C を超えています。また、構造的に RCC よりも耐性が高いため、追加の補強が必要なく、吸収した熱を再放射するのが非常に効率的です。[ 11 ] NASAは2001年にモンタナ大学を通じてこの防護システムをテストするための研究開発プログラムに資金を提供した（その後中止された）。[ 12 ] [ 13 ]

欧州委員会は、 2016年に研究技術開発枠組み計画のNMP-19-2015公募の下で研究プロジェクトC3HARMEに資金を提供した（現在も継続中）。このプロジェクトは、厳しい航空宇宙環境での用途に適した炭化ケイ素繊維と炭素繊維で強化された新しいクラスの超耐火性セラミックマトリックス複合材料の設計、開発、製造、試験を目的としている。[ 14 ]

宇宙船

アポロ12号カプセルのアブレーション熱シールド（使用後）がバージニア航空宇宙センターに展示されている
スペースシャトルで使用される熱浸透空力熱シールド

地球、火星、金星などの大気圏を持つ惑星に着陸する宇宙船は現在、ロケット動力ではなく空気抵抗を利用して高速で大気圏に突入することで着陸しています。この大気圏再突入方法の副作用として空力加熱が挙げられ、保護されていない、あるいは故障した宇宙船の構造に大きな損害を与える可能性があります。[ 15 ]空力熱シールドは、熱を放散させるための特殊な材料の保護層で構成されています。これまでに2種類の基本的な空力熱シールドが使用されています。

米国（低軌道飛行試験用膨張式減速機 - LOFTID）[ 25 ]や中国[ 26 ]が開発した可能性のある膨張式熱シールドにより、スペース・ローンチ・システムのような使い捨てロケットにこのような熱シールドを後付けして高価なエンジンを再利用することが検討されており、打ち上げコストを大幅に削減できる可能性がある。[ 27 ] 2022年11月10日、LOFTIDはアトラスVロケットを使用して打ち上げられ、その後、大気圏に再突入するために切り離された。[ 28 ]熱シールドの外層はシリコンカーバイドセラミックで構成されていた。[ 29 ]回収されたLOFTIDの損傷は最小限だった。[ 28 ]

パッシブ冷却

受動冷却式プロテクターは、大気圏突入時に宇宙船を保護するために使用され、熱ピークを吸収して大気圏に熱を放射します。初期のバージョンには、チタン、ベリリウム、銅などの金属が大量に使用されていました。これにより、機体の質量が大幅に増加しました。そのため、熱吸収システムとアブレーションシステムが好まれるようになりました。

現代の乗り物では、受動冷却は金属の代わりに強化炭素炭素材料として使用されています。この材料は、スペースシャトルの機首と前縁の耐熱システムを構成しており、 X-33乗り物に提案されました。炭素は、昇華温度 (グラファイトの場合) が 3825 °C である、最も耐火性の高い材料として知られています。これらの特性により、炭素は受動冷却に特に適した材料となっていますが、非常に高価で壊れやすいという欠点があります。一部の宇宙船では、大型ロケットエンジンによって発生する熱から燃料タンクや機器を保護するために、熱シールド (従来の自動車の意味での) も使用されています。このようなシールドは、アポロサービスモジュールと月着陸船の降下段階で使用されました。太陽コロナに突入するように設計されたパーカー太陽探査機の表面温度は2,500 °F に達します[ 30 ] [ 31 ]探査機は2018年8月18日に宇宙に打ち上げられた。[ 32 ]

軍隊

ヒートシールドは、半自動または自動のライフルやショットガンに銃身を覆うシュラウドとして取り付けられることが多く、連射による熱から使用者の手を保護するために使用されます。また、ポンプアクション式の戦闘用ショットガンにもヒートシールドが取り付けられることがあり、兵士が銃剣を使用しながら銃身を握ることができるようになっています。

業界

熱シールドは冶金産業において、建物やその他の機器の構造用鋼を近くの液体金属の高温から保護するために使用されます。[ 33 ]

参照

参考文献

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