熱伝導率と熱伝達率の違いとは？単位・計算式とU値の求め方

熱伝導率λは材料内部の熱の伝わりやすさ、熱伝達率hは流体と物体表面の間の熱の伝わりやすさを表します。両側の熱伝達と壁内部の熱伝導を合わせた係数が、熱貫流率とも呼ばれる総括伝熱係数Uです。

熱交換器で水を温めるときは、高温流体から壁へ、壁の内部を通り、壁から低温流体へと熱が移ります。λとhが担当する場所を分けると、単位の違いやU値の式も理解しやすくなります。

ここでは、それぞれの意味と使う温度差を整理し、平板を挟んだ伝熱を数値で計算します。最後に、壁の材質・厚み・流体の流れを変えたとき、どの改善が効くかを比較します。

熱伝導率と熱伝達率の違い

熱伝導は、材料の中で温度の高い場所から低い場所へ熱が移る現象です。対流による熱伝達では、壁の近くの熱の移動に、流体の流れによる熱の運搬が組み合わさっています。

例えば、金属板の両側を温水と冷水が流れる場合、金属板の内部には熱伝導率λを使います。温水と板、板と冷水の間には、それぞれの流れの条件に応じた熱伝達率hを使います。

このため、単に「同じ物質か、違う物質か」だけで区別すると混乱します。両側が同じ水でも壁との熱伝達は起こり、水や空気の内部にも熱伝導はあるため、熱が通る場所を先に分けるのが基本です。

温度差の両端が、壁面なのか流体なのかで使う係数が変わります。

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T₁・T₂は壁から離れた流体の代表温度、Tₛ₁・Tₛ₂は両壁面の温度。定常的に高温側から低温側へ熱が移る例です。

比較する観点	熱伝導率λ	熱伝達率h	総括伝熱係数U
表す範囲	材料の内部	流体と接する表面の間	両流体側と壁を合わせた全体
単位	W/(m・K)	W/(m²・K)	W/(m²・K)
使う温度差	壁の両表面の差	流体と壁面の差	高温流体と低温流体の差
値を左右する条件	材質・温度・組成など	流体の物性・流れ・表面形状など	両側のh・壁の厚みとλ・汚れなど

熱伝導率

熱伝導率は、物質が内部で熱を伝える性質を表す物性値です。記号はλ（ラムダ）やkを使い、単位はW/(m・K)で、同じ形状・温度差なら大きい材料ほど多くの熱を伝えます。

熱を伝える金属板では、熱が通る断面積が広いほど伝熱量が増え、通る距離が長いほど減ります。板を厚み方向に熱が通る場合、この距離が板厚Lになるため、薄い板ほど熱を伝えやすくなります。

単位のWはJ/sなので、ここで求めるQは「何秒間かの総熱量」ではなく、1秒あたりに移動する熱です。例えば100Wの状態が10秒続けば移動したエネルギーは1000Jで、WとJを分けると計算を追いやすくなります。

式の単位を整理すると、λに面積m²と温度差Kを掛け、板厚mで割ってWになります。λの単位にmが一つだけ入るのは、面積と熱が通る距離の両方を含む式で使う物性だからです。

ここでの厚みは、熱が板を横切る距離です。

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板の両表面温度を固定した熱伝導だけの比較。流体側の抵抗を含むU値は、板厚に単純反比例するわけではありません。

材料の差の目安として、Spirax Sarcoの25℃の表では銅401、アルミニウム250、ステンレス鋼16W/(m・K)です。同資料の代表値では水が約0.6、空気が約0.025で、金属と気体には大きな差があります。

これらは材料名だけで固定した設計値ではなく、温度や組成、純度などの条件を伴う目安です。産総研の熱物性データも物質の状態などを分けて収録しており、設計では使用温度と材料規格に合う値を選びます。

例えばステンレスと銅は、熱の伝えやすさ以外にも耐食性や強度、加工性が違います。配管・伝熱板を選ぶときはλの大小だけで決めず、ステンレスの熱伝導や熱膨張の特徴も踏まえて比較します。

二重窓が断熱に役立つ理由の一つは、ガラスの間に熱を伝えにくい気体層を設けられることです。ただし窓全体の熱の移動には気体層内の対流や放射、枠の部分も関わるため、空気のλだけで性能は決まりません。

乾いた布の隙間にある空気が水に置き換わると、熱の伝わり方も変わります。濡れた布で熱い鍋を持つと熱を受けやすいのはこの違いと関係しますが、やけどの危険があるので比較実験は避けます。

フライパンでは底の材料や厚みが、加熱の応答や温度の広がりに影響します。薄くすれば厚み方向の抵抗は小さくなる一方、熱を蓄える量も変わるので、調理性能をλだけで説明することはできません。

保温では逆に、熱を伝えにくい材料で適切な厚みを確保する方向で考えます。管のように曲面を通る伝熱と厚みの扱いは、配管の放熱量と保温の計算や保温厚みの選び方で具体例を確認できます。

同じ室温でも金属が木より冷たく感じる場面は、触れた体から熱を受け取る速さの違いと関係します。熱伝導と接触時の感覚の例は、夏場の鉄棒が冷たく感じる理由でも扱っています。

熱伝達率

熱伝達率は、流体と物体表面の間で、温度差に応じてどれだけ熱が移るかを表す係数です。記号はhやα（アルファ）を使い、単位はW/(m²・K)で、流体の種類に加えて流れや表面形状にも左右されます。

こちらの式で使う温度差は、板の両表面ではなく、流体の代表温度と接している表面温度との差です。例えば水が80℃、板の水側表面が70℃なら、その側の温度差は10Kとして計算します。

同じ空気と金属の組み合わせでも、静かな場所と送風機で風を当てた場所では熱の移り方が変わります。材料のλを取り替えたのではなく、表面近くの流れが変わり、hが変化したと考えます。

扇風機の風で涼しく感じるのも、体表面の熱や水分の移動が変わる身近な例です。ただし汗の蒸発も関わるため、体感温度をそのままhの値や空気温度の低下へ置き換えることはできません。

同じ材料でも、表面近くで何が起きるかによってhは変わります。

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概念図。沸騰・凝縮は運転状態で係数が大きく変わります。表面全体が蒸気膜で覆われる状態では、熱が伝わりにくくなることもあります。

自然対流は、温度差で生じる密度差と浮力によって流れが起こるものです。強制対流は、ポンプ・ファン・かくはん機などで流れを作るもので、流路の寸法や向きも熱伝達に影響します。

熱伝達率の目安として、TLVの平板伝熱の解説では、流れる空気10〜300、流れる水500〜4000W/(m²・K)が示されています。凝縮する蒸気は6000〜15000とされていますが、いずれも個別装置の保証値ではなく代表的な範囲です。

例えば油を扱う場合、温度で粘度が変わると、同じ流量でも流れの状態が変化します。「油のhはいくつ」と一つの値に固定せず、使用温度、物性、流路、流速に合う計算方法や実績値を使います。

流速を上げると熱伝達が改善する場面が多い一方、必要な送液動力や圧力損失も増えます。流速の確認には流量と内径から求める配管流速を使い、高流速が配管に与える影響も合わせて検討します。

沸騰熱伝達では、加熱された面の近くで液体が蒸気へ変わり、気泡の発生などが熱の移動に関わります。打ち水のように水面から蒸発する現象と、加熱面で気泡が生じる沸騰は区別して考えます。

凝縮熱伝達は、蒸気が冷たい面で液体になり、相変化に伴う熱を放出するものです。蒸気加熱では凝縮液の排出や空気などの非凝縮性ガスの影響も大きく、蒸気の温度を上げるだけでは改善しない場合があります。

装置全体の性能を調べる際は、熱伝達率の大小だけでなく、どの面で熱交換しているかもそろえます。局所的なhと伝熱面全体を代表する平均hは意味が違うため、計算に使った定義を記録しておくと比較が容易です。

熱伝導率と熱伝達率を合わせたU値について

流体から流体へ壁を通して熱を渡す設備では、片側のhや壁のλだけでは全体の伝わりやすさを表せません。複数の部分を通る熱の移動をまとめて扱うために、総括伝熱係数Uを使います。

U値とは？

U値は、流体と壁の間、壁の内部、その先の流体側をまとめた係数で、単位はW/(m²・K)です。同じ面積と流体間温度差なら、Uが大きいほど大きな熱流量を得られます。

hとUは単位が同じでも、温度差を取る範囲が違います。hには一方の流体とその壁面の温度差を、Uには高温側流体と低温側流体の温度差を使うので、数値を取り替えて使うことはできません。

Uの記号は資料によってKなどの場合もありますが、ここでは熱交換器の総括伝熱係数をUと書きます。記号が違うときは、単位と式の温度差・面積の定義を見れば、同じ物理量かどうかを判断できます。

Uは蓄えられる熱の量を示す係数ではなく、温度差に応じた熱の移動を表します。物体を何度まで何分で温めるかを考えるときは、質量や比熱から必要エネルギーも別に求めます。

UをkJ/(m²・h・K)で示す資料では、時間の単位が秒から時へ変わっています。1Wは3.6kJ/hに相当するため、例えば100W/(m²・K)は360kJ/(m²・h・K)で、値の比較には単位をそろえます。

熱交換器にはプレート式や多管式などがあり、同じ流体でも流路形状によってUが変わります。設備の構造と能力式の関係は、熱交換器の種類と伝熱能力の考え方と合わせて見ると整理できます。

U値の求め方

両側の流体が同じ面積の平板を挟む場合、各部分の「熱の通りにくさ」を足してUを求めます。定常・一次元の熱移動で、壁のλを一定とし、汚れや接触抵抗を含めない基本式は次の形です。

1/h₁と1/h₂は流体側の面積あたりの熱抵抗、L/λは壁の熱抵抗です。熱伝達率や熱伝導率が大きいほど抵抗は小さくなり、壁が厚いほど抵抗は大きくなると読み取れます。

複数の材料を重ねる場合は、各層の厚みをそれぞれのλで割った抵抗を追加します。二重窓でも同じ発想を使えますが、空気層を単純な静止材料として扱えるか、対流や放射をどう含めるかでモデルが変わります。

伝熱面に付着物がある場合は、同じ面積基準の汚れ抵抗を加えます。付着物の厚みや性質による熱抵抗の考え方は汚れ係数の意味、水側の付着物はスケールが設備に与える影響でも説明しています。

ここで、h₁を1000、h₂を100W/(m²・K)、板厚を2mm、λを16W/(m・K)と仮定します。流体の温度は100℃と20℃、伝熱面積は0.5m²とし、汚れや外部への放熱は含めません。

3つの抵抗を比べると、低温側の0.01が全体0.011125の約90%を占めています。板内部の抵抗は約1%なので、この例では金属の熱伝導より、低温側の熱伝達が全体を強く制約しています。

同じ熱流束が順番に通る平板モデルでは、各部分の温度降下は抵抗に比例します。

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本文の仮定例による温度。横軸の距離は模式的で、熱抵抗と温度差の関係を示します。抵抗単位はm²・K/W。

両流体間の温度差80Kを使うと、熱流束は約7191W/m²となります。この値に各抵抗を掛けると、温度降下は高温側約7.19K、板内部約0.90K、低温側約71.91Kに分かれます。

したがって板表面は高温側約92.81℃、低温側約91.91℃で、板の両面温度は流体温度と一致しません。λの式へ100℃と20℃を直接入れると流体側抵抗を飛ばすことになり、この例の伝熱量を大きく見積もってしまいます。

この条件で壁のλだけを16から400へ変えても、Uは約90.9にとどまります。一方で低温側h₂を100から200へ変えると約163.3になり、抵抗の大きい部分へ対策する意味が分かります。

各行は基準条件から一項目だけ変更。実機の改善率を保証する表ではありません。

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変更項目	抵抗の合計［m²K/W］	U［W/(m²K)］
基準：h₁=1000、h₂=100、L=2mm、λ=16	0.011125	89.9
壁材だけλ=400へ	0.011005	90.9
板厚だけ1mmへ	0.0110625	90.4
低温側だけh₂=200へ	0.006125	163.3
汚れ抵抗0.001を追加	0.012125	82.5

汚れ以外の行は汚れ抵抗ゼロ。壁材変更時も流体側hを固定する比較であり、実際の表面状態・形状変化は含めません。

板厚を半分にしてもUが約90.4とほとんど変わらないのは、板の抵抗がもともと小さいためです。反対に断熱材の抵抗が大きい壁では、その厚みが全体を支配するので、同じ改善手段でも効果は変わります。

この平板式を厚肉の管へそのまま当てはめると、内外面積の違いを落としてしまいます。円筒では半径方向の熱伝導と内外の面積比を扱い、Uが内面基準か外面基準かも合わせて定義します。

U値の活用方法

Uが求まれば、伝熱面積Aと両流体の温度差から熱流量を計算できます。ここでもQの単位はWであり、装置に蓄えられた熱エネルギーや一定時間の積算熱量とは区別します。

例えば同じUと温度差で7.2kWを伝えたいなら、面積は約1.0m²になります。同じ熱流量と温度差でUが半分になれば、必要面積は2倍となり、係数・面積・温度差の関係から装置規模を考えられます。

Qと温度差を固定した、平板の面積比較です。

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面積比の概念図。熱交換器の型式選定では、圧力損失・流路・設置条件も含めて検討します。

実際の流動式熱交換器では、高温側と低温側の温度が入口から出口へ変わります。一組の入口温度だけを引くのではなく、流れの向きに対応した対数平均温度差LMTDを使って、伝熱面全体の温度差を代表させます。

並流と向流では温度の組み合わせや熱交換の限界が違うため、同じ四つの温度でも条件の整理が必要です。必要面積を求める手順は熱交換器の伝熱面積計算、温度条件の限界は最大交換熱量の考え方で確認できます。

運転実績からUを求める場合は、実際の熱流量を面積と有効な平均温度差で割ります。水側の流量と出入口温度から熱流量を求めるなら、比熱・質量・温度差による熱量計算と時間の単位をそろえます。

例えば熱流量3.0kW、面積0.5m²、平均温度差60Kなら、Uは100W/(m²・K)です。この値を過去と比較するときは、流量、使用温度、流体組成などを合わせ、条件変化と汚れの影響を切り分けます。

Uが低くなったという結果だけでは、付着物か、流量低下か、蒸気側の排水不良かは決まりません。入出口温度と流量、圧力、運転状態を一緒に残し、熱収支の確認も行うと、測定の食い違いを見つけやすくなります。

熱交換器の流路と伝熱面の関係は、日阪製作所の公式動画でも確認できます。流体を混ぜず、板を介して熱だけを受け渡す構造を見ると、両側のhと板内部のλを対応させやすくなります。

熱の伝わり方を改善するときの確認手順

最初に、熱流量を増やしたいのか、放熱を減らしたいのかを決めます。加熱・冷却ではUを大きくする方向が有効ですが、保温では熱抵抗を増やす方向になるため、目的を逆にしないことが大切です。

次に、温度差を測る位置をそろえ、流体温度と表面温度を分けて記録します。表面の温度計だけで流体間の温度差を代用すると、hやUを逆算した際に別の係数を計算してしまいます。

そのうえで、抵抗の大きい部分へ対策を絞り、流れの改善・清掃・材質変更を比較します。運転条件で流量や温度が変わる場合も試算し、圧力損失や材料強度を含めて変更後の成立条件を確かめます。

計算表には材料名とλの参照温度、板厚の単位、hの根拠、Uの面積基準を残します。仮定した値と測定した値を区別しておけば、実機で結果が違ったときに、どの入力を見直すか判断できます。

熱伝導率と熱伝達率のよくある質問

熱伝導率と熱伝達率は単位で区別できますか？

λはW/(m・K)、hはW/(m²・K)なので、長さmの指数で区別できます。ただしUもhと同じ単位のため、流体と壁面の温度差なのか、両流体間の温度差なのかを合わせて読みます。

板を薄くすれば熱伝導率は上がりますか？

板厚を変えても、同じ状態の材料のλを直接変えたことにはなりません。小さくなるのは板の熱抵抗L/λであり、流体側抵抗が大きければ、装置全体のUの変化は小さくなります。

熱伝達率が2倍ならU値も2倍ですか？

Uは壁や反対側の抵抗も含むため、一方のhだけを2倍にしても通常は2倍になりません。本文の例のように各抵抗を足し直し、改善前後のUを計算すると効果を比較できます。

放射による熱もU値に含まれますか？

放射を等価な係数へまとめるモデルもありますが、この記事の平板例は対流と伝導だけです。高温設備や周囲への放熱を扱う場合は、採用するUや表面係数が放射を含むかを定義して使います。

熱交換器のU値が下がったら汚れが原因ですか？

汚れは原因の一つですが、流量や物性の変化、蒸気側の凝縮液滞留でも伝熱性能は変わります。同じ運転条件で比較し、入出口温度・流量・排水状態から順に調べると原因を絞れます。

まとめ

U値の考え方は、こちらの動画でも解説しています。数式だけで覚えるより、熱が通る経路と抵抗の大きさを図に重ねると、加熱・冷却と保温の違いも整理できます。

出典

出典・参考資料（4件）を開く出典・参考資料を閉じる

• TLV「伝熱 前編（平板の場合）」：平板伝熱、hの代表範囲、汚れ抵抗とU
• Spirax Sarco「Heat Transfer」：伝熱の形態、材料の熱伝導率と温度条件
• 米国DOE「Thermodynamics, Heat Transfer, and Fluid Flow, Volume 2」：熱抵抗、対流、円筒と平板のモデル
• 産総研「アルミニウムの熱物性データ」：物性値の材料条件

用語の補助資料として、熱伝導率一覧と熱伝達率の解説も参照できます。本文の数値・式は上記のメーカー・公的資料と、明示した仮定に基づいています。