熱の伝わり方｜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

物体や気体に熱が伝わるときは伝導、対流、放射の3つがあります。このうち伝導と対流は物体や気体を介して熱が伝わりますが、放射は電磁波の形で物体から物体へ直接熱が伝わります。宇宙にある太陽からの熱が地球に届くのは、放射によるものです。

また、熱は高いところから低いところへ移動する性質を持っています。この性質を利用しているのが熱交換器です。熱交換器はエアコンや自動販売機などに搭載されており、私たちの生活と密接に結びついています。

今回の記事で解説しているのは、熱の伝わり方や熱の性質についてです。また、熱を利用する生活用品や設備、建物への熱の伝わり方についても解説しています。

熱と熱の性質を利用した技術について知りたい方にとって参考になるはずです。

熱の伝わり方

熱の伝わり方を3種類ご紹介します。その運ばれ方によって熱を分けることができます。

対流熱（流体によって運ばれる）

『対流熱』とは、水や空気などの移動する流体によって伝わります。コーヒーに手をかざした時、その湯　気(空気)が温かいと感じるのが『対流熱』です。

熱伝導（物質によって運ばれる）

『熱伝導』とは、容器などの熱をもった物を保有することが出来る物質によって伝わります。コーヒーカップに手を添えた時、そのカップが温かいと感じるのが『熱伝導』です。

輻射熱（電磁波によって運ばれる）

『輻射熱（放射熱）』とは、温度を持つ物か発せられる電磁波によって伝わります。コーヒーカップに手をかざした時、触れていなくても温かいと感じるのが『輻射熱』です。

熱の正体と性質

熱とは、物体を構成している分子や原子の運動です。例えば、水を構成する分子がほとんど動いていないときは氷になります。反対に分子の動きが活発になれば氷は溶け出して液体になり、さらに激しく動くようになれば蒸発して水蒸気になります。

このように分子や原子の動きによって高くなったり低くなったりするエネルギーの動きが熱です。

また、熱は高い方から低い方へ移動しますが原理については以下の記事を参照してください。

関連ページ：温度が高い方から低い方へ熱が移動する理由

熱気球の原理

熱気球が宙に浮かぶのは、暖めた空気が上昇する力を利用しているからです。膨張した空気がバルーン内部に入り込むと、冷たい空気が押し出されます。押し出した空気の分だけ周囲の空気より密度が低くなり、浮力が生まれて宙に浮かぶという仕組みです。

そのため、熱気球は外気の冷たい冬のほうがより高く浮かびます。

真空でも熱が伝わる理由

太陽の熱が地球上へ届いているのは、放射によるものです。電磁波によって熱を伝えているため、真空からでも伝達できます。反対に、真空では対流や伝導によって熱を伝えることはできません。

真空における熱の伝わり方は、身近なところでいえば魔法瓶に用いられています。

例えば、熱い飲み物の入った魔法瓶を私たちが素手で触れるのはステンレスの2重構造によって真空状態を作り出し、表面に熱が伝わるのを防いでいるからです。

また、内びんの外側に金属箔（はく）を巻き付けて外側へ逃げようとする熱を反射させることで、熱放射による放熱も防ぎます。

電子レンジにおける熱の伝わり方

物体への熱の伝わり方は3つですが、電子レンジにおいては当てはまりません。なぜなら、電子レンジはマイクロ波という電磁波を使用した誘電加熱だからです。マイクロ波が食材に吸収され、食材の内部にある水分子を振動させることによってあたたまります。

そのため、水分をほとんど含んでいない食材や食品をあたためるのに電子レンジは不向きです。

熱を利用する生活用品や設備

熱エネルギーを利用する生活用品や設備は、私たちの身の回りにたくさんあります。ここでは代表的なものを6つ挙げました。

なお、ここに挙げた車の暖房や自動販売機、家庭用エアコンには熱交換器が搭載されています。熱交換器とは、高いところから低いところへ移動する熱の性質を利用した機器です。

熱交換器については以下の記事をご覧ください。

関連ページ：熱交換器とは何か？その基本的な仕組みと種類を紹介

トースター

トースターでパンがこんがり焼けるのは、熱の放射と対流によるものです。トースター庫内には上下もしくはどちらかにヒーターがあり、通電によって発熱します。発熱したヒーターから発せられる赤外線の放射と加熱された庫内の空気の対流によって食品を加熱します。

電子レンジでは使えないアルミホイルをトースターで使用できるのは、加熱の仕方の違いによるものです。

電気ストーブ

電気ストーブのなかでも一般的なのは、ニクロム線を巻き付けた筒状のヒーターを搭載したものです。通電によってヒーターがオレンジ色になり、熱や光を発するとともに赤外線を放射します。

放射熱を利用してあたためるため、少し離れた場所でも暖を取れるのがメリットです。ですが、正面以外の場所では熱を感じにくく、消費電力が大きい点には注意してください。

よく似た形状のものとしてハロゲンヒーターとカーボンヒーターがありますが、ハロゲンヒーターは現在あまり使われていません。カーボンヒーターのほうが効率よく赤外線を放射できることと、ハロゲンヒーターによる事故が多発したのが原因です。

オイルヒーター

オイルヒーターは放射と対流を利用する暖房器具です。

密閉容器内のオイルを電熱器であたためて循環させ、放熱板から放熱します。あたためられた放熱板と室内の空気の温度差によって生じる対流と、放熱板から放たれる放射熱によって室内をあたためます。

火災ややけどのリスクが低く、部屋の空気を汚さないというメリットはありますが、あたたまるまでに時間がかかる点やランニングコストの高さがネックです。

オイルヒーターは気密性、断熱性に優れた住居で効果を実感しやすく、日本ではRC造や断熱性の高い家屋、狭い個室での使用が適しています。

車の暖房

車の暖房はエンジンの熱を冷却した冷却水（ラジエーター液）を利用しています。エンジンの熱を冷ますために使われた冷却水は熱を持っており、これに風を当てることで暖かい空気が生まれるのです。

ただし、電動車はエンジンの運転頻度が低いもしくはエンジンを搭載していないためPTCヒーターやヒートポンプが用いられています。

ヒートポンプとは平たく言えば、物体や気体を冷やすときに生じる熱を利用してあたためる仕組みのことです。これは車以外に自販機や家庭用エアコンにも活用されています。

自動販売機

自動販売機ではヒートポンプと真空断熱材を使用することにより、冷温どちらの飲み物も一緒に販売できるようになっています。この技術によって自動販売機の消費電力を30％カットすることにも成功しました。

これ以外にも、自動販売機は環境に配慮したシステムを搭載したものが設置されはじめています。

家庭用エアコン

家庭用エアコンに搭載されている熱交換器は、エアコン内部の空気をあたためたり冷やしたりするためのパーツです。

例えば室内を涼しくしたいとき、室内機が部屋の空気を取り込むと熱交換器が空気中の熱を分離させ、冷たい空気だけを室内に送り込みます。

分離した熱は冷媒とくっついて配管を通って室外機へ流れていき、室外機にある熱交換器が冷媒と熱を分離します。そして熱が排出され、冷媒のみが循環する仕組みです。

建物への熱の伝わり方

建物への熱の伝わり方は、季節によって異なります。これは熱が高いところから低いところへ移動する性質を持つためです。

ですから夏は室外から室内へ熱が移動し、冬は室内から室外へ移動します。熱が移動するときは、例えば夏なら熱伝達と熱伝導によって室内へ伝わります。

この一連の流れを熱通過といい、住居や建造物の断熱性能を表す指標の1つです。なお、熱通過は熱貫流ともいいます。

断熱の仕組み

断熱とは熱が物体や空気を通して伝わるのを防ぐことを指し、建物に断熱材が使われているのは、空気の層を作って熱が屋内へ伝わりにくくするためです。

これによって光熱費を抑えながら屋内で快適に過ごせるようになっています。

暑さ対策の肝は放射熱を防ぐこと

夏場に冷房のきいた屋内にいても熱射病になるリスクがあるのは、放射熱が原因です。

放射熱は電磁波によって伝わるため、断熱材では防げません。また、熱せられた家屋や外壁の熱は温度の低い人体へ向かいます。ですから、いかに放射熱を防ぐかが暑さ対策のカギです。

遮熱シートを外壁や屋根に施行したり庇（ひさし）を付けたりすると、放射熱を和らげて快適に過ごせます。また、打ち水も同様に放射熱を和らげる効果がありますが、アスファルトと土の地面の場合より効果を感じやすいのは後者です。

まとめ

熱の伝わり方は伝導、対流、放射の3つです。熱は高いところから低いところへ移動する性質を持っており、熱交換器はこの性質を利用しています。そして、私たちの身の回りには熱交換器を搭載した設備や生活家電が数多く存在しています。

熱交換器を搭載した設備として代表的なのは自動販売機や家庭用エアコン、車の暖房です。トースターや電気ストーブなどは熱の伝導や対流、放射によって食品を加熱し、また室内をあたためます。

このように熱は私たちの生活を快適にするために欠かせませんが、時として熱射病ややけどなど健康を害することもあります。家電や設備を扱うときは使用方法に十分に気をつけて、安全に使用してください。

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