アルミの熱伝導率について知ろう：その特性と活用法熱伝導率

アルミニウム（以下アルミ）は、多くの産業分野で広く使用される金属です。

その理由の一つに、アルミの熱伝導率の高さが挙げられます。

この記事では、アルミの熱伝導率について詳しく解説します。

また、他の金属との比較や実際の活用例も紹介し、ユーザーの疑問や悩みを解決することを目指します。

熱伝導率ついての詳細説明

熱伝導率とは

まず、熱伝導率とは何かを理解しましょう。

熱伝導率とは、材料が熱をどれだけ効率よく伝えるかを示す指標です。

単位はW/m・K（ワット毎メートルケルビン）で表されます。

これは、1メートルの距離で1ケルビンの温度差があるときに、どれだけの熱が伝わるかを示しています。

1ケルビン（1K）の温度差とは　クリックで展開します

1ケルビン（1K）は、温度の変化（温度差）の単位で1ケルビンの温度差は、1℃ の温度差と同じです。

たとえばお風呂を沸かすとき26℃の水を40℃まで加熱すると、40℃−26℃=14℃ です。

温度差をケルビンで表す場合も同じなので、14℃ 上昇する場合は14℃=14K です。

アルミニウムの熱伝導率とW/m・Kについて解説

アルミニウムの熱伝導率

アルミニウムの熱伝導率は 約 237 W / m・K とされています。この数値は、アルミの純度や測定条件に依存しますが、一般的にはこの範囲で認識されています。

Periodic Table　参考

熱伝導率の定義

固体材料の熱伝達特性は、熱伝導率 k（または λ）と呼ばれる特性によって測定され、W/m·Kで表されます。W/m・K（ワット毎メートルケルビン）は、熱伝導率の単位で、物質がどれだけ効率よく熱を伝えるかを示しています。

アルミニウムの熱伝導率と W/m・K をもっと詳しく　

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W/m・Kの意味

W/m・K（ワット毎メートルケルビン）は、熱伝導率の単位で、物質がどれだけ効率よく熱を伝えるかを示しています。

• W（ワット）：エネルギーの伝達速度を表す単位です。
• m（メートル）：距離の単位です。
• K（ケルビン）：温度差の単位です。

1W/m・Kは、1メートルの距離で1ケルビン（ 1 ℃ ）の温度差があるときに、1ワットの熱エネルギーが伝わる能力を示します。

例えば、1メートルの長さの金属の棒を持っています。

棒の片方を冷たく（例えば 5 ℃）、もう片方を温かく（例えば 25 ℃）します。もしこの棒の熱伝導率が高ければ、熱がすぐに冷たい側に伝わり、両側の温度がすぐに同じになります。この熱の伝わりやすさを数値で表したのが W/m・Kです。

アルミニウムの熱伝導率の具体例

アルミニウムの熱伝導率 237 W / m・Kは、1 メートルの距離で 1 ケルビンの温度差があるときに1秒間に 237 ワットの熱エネルギーが伝わることを意味します。

具体例（20ケルビンの場合）

先ほどの棒の例では、温度差は 20 ケルビンなので、この場合の熱エネルギーの伝達量は次のように計算されます。

熱エネルギーの伝達量=熱伝導率×温度差

237 W / m・K × 20 K ＝ 4740 W

1メートルの厚さのアルミニウムの板に20ケルビンの温度差を作ると、アルミニウムを通して1秒間に 4740 ワットの熱エネルギーが伝わります。

棒の太さの影響

断面積（A）

棒の断面積が大きいほど、同じ温度差と長さでより多くの熱エネルギーが伝わります。例えば、直径が2倍の棒は、断面積が4倍になるため、熱エネルギーの伝達量も 4 倍になります。

棒の太さ（断面積）は、実際の熱エネルギーの伝達量に大きく影響します。太い棒は同じ長さと温度差でより多くの熱を伝えることができます。ただし、熱伝導率 自体は材料の固有の性質であり、棒の太さに依存しません。

アルミニウムの優れた特性

アルミニウムは非常に効率的に大量の熱を伝えることができるため、短時間で大きなエネルギーを移動させることが可能です。これが、アルミニウムが冷却装置や放熱板として優れている理由の一つです。

フーリエの法則

フーリエの法則は、物質を通してどのように熱が伝わるかを記述する法則です。以下のように定義されます。

​

フーリエの法則で何が分かるのか

フーリエの法則を使うことで、次のことが分かります。

• 温度分布の予測：材料内部や表面における温度分布を予測することができます。これにより、特定の条件下でどの部分が最も熱くなるかを把握できます。
• 熱流束の計算：与えられた温度勾配に対する熱流束を計算することができ、これにより材料の冷却や加熱の効率を評価できます。
• 設計の最適化：熱伝導率の高い材料を選ぶことで、冷却装置やヒートシンクの設計を最適化し、効率的に熱を管理することができます。

他の金属との比較

アルミと他の金属の熱伝導率を比較してみましょう。

これを見てもわかるように、アルミの熱伝導率は銅や銀には及びませんが、鉄やステンレス、チタンと比べると非常に高いことがわかります。

アルミの熱伝導率を利用している場所

アルミの高い熱伝導率は、以下のような場所で利用されています。

• ヒートシンク：コンピュータのCPUなどの冷却装置に使用され、熱を効率よく拡散する役割を果たします。
• 調理器具：フライパンや鍋など、熱を均一に伝える必要がある製品に使用されます。
• 建築材料：アルミニウムは高い熱伝導率で夏の熱を分散し、室内温度の急上昇を防ぎます。冬は保温効果があり、暖房効率を向上。均一な熱分散で結露も防止し、建物の長寿命化に寄与します。耐腐食性も高く、軽量で施工が容易です。
• アルミ製のアイススプーン：アルミの熱伝導率の高さを利用した製品の一つにアイススプーンがあります。アルミ製のスプーンは手の熱をすばやく伝え、アイスクリームを簡単にすくうことができます。熱伝導率の低い材質のスプーンでは、アイスクリームが硬くてすくいにくいことがありますが、アルミ製のスプーンならその心配はありません。

特にアルミは、軽さや加工の容易さから、広く利用されています。

熱伝導率についてのよくある質問

熱伝導率が高いとどうなる？

熱伝導率が高い物質は、効率的に熱を拡散することができます。

そのため冷却や加熱が必要な場面で非常に重要となります。

例えば、電子機器の冷却装置（ヒートシンク）や調理器具に利用され、素早く均一に熱を伝えることができます。

これにより、機器の過熱を防ぎ、調理のムラを減らすことができます。

高い熱伝導率のメリットと低い素材

高い熱伝導率を持つ素材は、効率的に熱を拡散させます。

一方で、低い熱伝導率を持つ素材は断熱材として利用され、熱を逃がさない特性を持ちます。

例として、発泡スチロールやウールが挙げられます。

熱伝導率が一番高い物質は？

熱伝導率が最も高い物質はダイヤモンドです。

ダイヤモンドの熱伝導率は約 1000 ～ 2000 W/m・K と非常に高く、熱を非常に効率的に伝える能力があります。

この特性により、ダイヤモンドは高性能な熱伝導材料としても注目されています。

このダイヤモンドより熱電伝導率が高い特殊な例としてカーボンナノチューブがあります。

こちらは約 3000 ～ 5500 W/m・K となっています。

熱伝導率が最も低い物質は？

熱伝導率が最も低い物質の一つは、断熱材のシリカエアロゲルです。

シリカエアロゲルは非常に低い密度と優れた断熱特性を持ち、熱伝導率は約 0.017 W/m・K とされています。

これは非常に効果的な断熱材として利用されています。

なぜアルミが優れているのか？

アルミはその高い熱伝導率と、他の金属と比較した場合、非常にコストパフォーマンスに優れています。

例えば、銅の熱伝導率はアルミよりも高いですが、その価格も高いため、コスト面でアルミが選ばれることが多いです。

また、アルミは軽量であり、加工が容易であるため、さまざまな用途に適しています。

銅の場合は、アルミ以上の性能を持つハイエンドな製品に用いられることがあります。

熱伝導率と熱伝達の違い

熱伝導率は物質内部の熱の移動に関する指標です。

例えば、アルミの中で熱がどれだけ速く伝わるかを示します。

一方で、熱伝達は物質表面から周囲への熱の移動に関する指標です。

これには、熱伝導だけでなく、対流（熱が空気や液体を介して移動すること）や放射（熱が赤外線として移動すること）も含まれます。

熱伝導率の影響要因

熱伝導率は、物質の原子構造や電子の自由度、結晶構造、温度などに影響されます。

例えば、金属は自由電子が多いため高い熱伝導率を持ちますが、非金属はこれに比べて低くなります。

アルミニウムは金属であり、自由電子が多いため、熱伝導率が高いです。

アルミ形材の特性とその多様な利用法

アルミ形材は同じ断面の材料を効率よく生産できる特性を持っています。

この特性により、一貫した品質と同形状の製品を大量に生産することが可能です。

また、アルミニウムは熱伝導率が高い素材であるため、冷却装置や放熱板などの熱管理が重要な製品に広く使用されています。これらの特性が組み合わさることで、アルミニウムは多様な用途で高い評価を受けています。

まとめ

アルミの熱伝導率について理解することで、その多様な利用法や重要性が見えてきます。

アルミは、軽量でありながら高い熱伝導率を持つため、さまざまな分野で重宝されます。他の金属との比較や実際の活用例を通じて、アルミの特性についてさらに深く理解していただけたのではないでしょうか。

これからも、アルミの特性を活かした製品や技術が次々と登場することが期待されます。皆さんも、アルミの魅力を活かした新しいアイデアを考えてみてはいかがでしょうか。

参考元

Periodic Table – Thermal Conductivity of Aluminium

アルミの価格推移

アルミの価格は近年、高騰しています。以下に、2023年から2024年のアルミ価格の推移を示します。

アルミNSP価格

アルミの価格推移に関する詳細

為替レートの影響

また、アルミ価格はドル建てでも取引されるため、為替レートの影響も受けます。以下はアルミの国際価格の推移です​ 。

（注：為替レートは1ドル=130円で概算）

このように、アルミの価格は変動しています。価格の高騰は、世界的な供給不足や需要の増加、原材料の価格上昇などが原因です。