伝熱係数とは？熱伝導率との違いや計算方法についても解説 | アルファラバルの熱交換器やヒートポンプによる排熱利用と省エネならMDI

伝熱係数は、固体と流体の温度差によって生まれる熱の移動量を示す数値です。伝熱形態の3つのうち、主に対流伝熱に適用されます。

熱交換器や冷却装置などの設計において、伝熱係数は非常に重要なポイントです。なぜなら高温から低温への熱移動量は、装置の効率や性能を左右するためです。

伝熱係数を計算するときは、熱伝達率と熱伝導率の違いに気をつけましょう。熱伝導率は固体内部の熱の伝わりやすさを示すため、熱伝達率とは計算の仕方が異なります。

今回の記事では、伝熱係数の概要と測定、計算方法について解説しています。

伝熱係数とは

伝熱係数とは、固体と流体の温度差によって生じる熱の移動量を示す数値で、主に対流伝熱に適用されます。対流伝熱は以下の4つです。

熱伝達率はhまたはαで示し、単位はW/(m2･K)、分母は面積です。単位の意味は、1平方メートルの板に1℃の温度差があるときの1秒間に流れる熱量となります。

ただし、係数は物質の種類や形状、温度差で変化します。

熱伝導率が示すのは、固体内部での熱の伝わりやすさです。熱の伝わりやすさを決めるのは、その物体が持つ固有の性質となります。

熱伝導率の単位はW/m･K、計算式ではλ（ラムダ）で表します。単位の意味は、厚さ1mで面積が1平方メートルの板の両端に1℃の温度差があるとき、板を通して1秒間に流れる熱量です。

一般的な室温での熱伝導率の定義は以下のとおりです。

数値が低いほど、熱が伝わりにくくなります。建物の断熱性を高めるために2重サッシが使われているのは、空気の熱伝導率がもっとも低いためです。

伝熱係数を計算するときは、伝導伝熱と対流伝熱で異なります。それぞれの計算の仕方を簡単にまとめました。

伝導伝熱の伝熱係数は、フーリエの法則に基づいて計算されます。

Q=-kA(dT/dx)

Qは熱流束、K(λを使うこともある)は熱伝導度を示します。

Aが示すのは面積、dTは温度、dxは物質の厚みです。

フーリエの法則は、熱流束が温度勾配(dT/dx)に比例すると仮定しています。温度勾配とは、物体や空間の温度が時間経過による影響がない状態での変化率です。

Kがマイナスなのは、温度が高いところから低いところへ移動するのを表すためです。つまり温度勾配とは逆の方向へ熱が移動することを示します。

対流伝熱の伝熱係数は、ニュートンの冷却法則にのっとって計算されます。

Q=αA(Tw-Ta)

Qは熱移動量、αは熱伝達率を示します。Aが示すのは熱伝達面積、Twは物体表面の温度、Taは流体の温度です。物体から流体への熱移動量(Q)は、温度差と物体の表面積に比例します。

熱交換器を始めとした伝熱装置における伝熱係数を計算するときは、総括熱伝達係数（U値）で算出します。総括熱伝達係数は、熱貫流率ともいいます。

総括熱伝達係数は、伝導伝熱と対流伝熱の数値を複合して計算されます。U値の単位はw/m2kかJ/m2Kです。

熱交換器の内部で3つの熱移動が発生しているときの状態を、以下にまとめました。