熱解析

伝熱解析でわかる4つのこと

伝熱解析（熱解析）とは、熱が「どこから・どこへ・どれだけの速さで」移動するかを予測する技術です。電子機器の冷却、建物の断熱、熱交換器の設計、食品の加熱冷却——温度が品質や安全を左右するあらゆる場面で使われます。

熱の3つの伝わり方 — 式と実数値で

① 熱伝導 — 物体の中を伝わる

固体内部の熱移動はフーリエの法則 q = kA·ΔT/L で決まります。実際に計算してみましょう。面積 A = 10 m² の壁に厚さ L = 50 mm の断熱材（熱伝導率 k = 0.04 W/m·K）を入れ、内外温度差 ΔT = 20 ℃ のとき、逃げる熱は q = 0.04×10×20 ÷ 0.05 = 160 W。白熱電球2個ぶんの熱損失です。断熱材を倍の100 mmにすれば半分の80 Wになる——この「厚さに反比例」の感覚が断熱設計の基本です。1次元熱伝導シミュレーターで時間変化まで含めて確かめられます。

② 対流 — 流れが運ぶ

固体表面と流体の間の熱移動はニュートンの冷却法則 q = hA(T_s−T_∞)。難しさは熱伝達率 h がレイノルズ数・プラントル数に依存する点で、実務では相関式から見積もります。強制対流計算ツールと、身近なコーヒーの冷め方シミュレーターが入口に最適です。物体内部の温度ムラを無視してよいかはビオ数で判定します。

③ 放射 — 真空でも伝わる

すべての物体は温度の4乗に比例して電磁波を放ちます（ステファン・ボルツマンの法則 q = εσAT⁴）。高温になるほど支配的になり、太陽熱・炉・宇宙機の熱設計では主役です。黒体放射・プランク分布と輻射熱伝達計算で「温度の4乗」の威力を体感してください。

目的別 — 伝熱シミュレーターの選び方

伝熱ツール119種のうち、まず触るべき定番を目的別に挙げます。すべて無料・登録不要です。

熱伝導の基礎

• 1次元非定常熱伝導 — 温度分布が時間発展する様子を見る
• 2次元熱伝導FDM — 差分法の仕組みごと理解する
• ヒーズラー線図 — 過渡伝導の実務チャート
• 断熱材の臨界半径 — 「巻くほど逃げる」逆転現象

対流・冷却

• 強制対流熱伝達 — 相関式でhを見積もる
• ニュートン冷却 — 冷却曲線と時定数の直感
• ビオ数判定 — 集中容量モデルが使える条件

フィン・ヒートシンク（電子冷却）

• フィン効率・温度分布 — 1本のフィンの物理
• フィン配列 — ヒートシンク全体の熱伝達
• ヒートシンク設計 — ジャンクション温度まで一気通貫

熱交換器

• NTU-ε法 — 出口温度が未知のときの定石
• 熱交換器設計（NTU・LMTD両対応） — 方式の使い分け
• シェル&チューブ設計 — 工業装置の定番形式
• 二重管式の設計 — 最小構成で原理を掴む

サイクル・放射

• カルノーサイクル効率 — 熱機関の理論上限
• ヒートポンプCOP — 「1の電気で3の熱」の理由
• 黒体放射スペクトル — 色と温度の関係まで

全119種は熱工学シミュレーター一覧から。物理シミュレーション全体の入門は物理シミュレーションとはへ。

よくある質問（実務・学習）

Q. 伝導・対流・放射、どれが効いているか分かりません

温度帯と媒体で見当がつきます。常温付近の空気中では対流と伝導が主役で、放射は1〜2割程度。数百℃を超えると温度の4乗で効く放射が急速に支配的になります。迷ったら3つを別々に見積もって比べるのが実務の定石で、上のツール群はその「別々に見積もる」練習にそのまま使えます。

Q. 熱抵抗という考え方がよく分かりません

電気回路のオームの法則とまったく同じ構造です。温度差=電圧、熱流量=電流、熱抵抗=電気抵抗と読み替えると、壁の多層断熱は「抵抗の直列」、フィン付き面は「抵抗の並列」として電卓で解けます。この類推が身につくと、複雑な系も回路図として整理できるようになります。

Q. ヒートシンクはどう選べばよいですか？

①チップの発熱量[W]を確認 → ②許容ジャンクション温度から必要な全熱抵抗[K/W]を逆算 → ③ヒートシンクのカタログ熱抵抗＋接触熱抵抗の合計がそれ以下になるものを選ぶ、の順です。ヒートシンク設計計算機でこの一連の流れを体験できます。