伝熱工学基礎対流熱伝達解析連成解析基礎注意事項

はじめに ― 製造業現場での伝熱工学の重要性

製造現場では、生産プロセスや設備管理、品質保証のさまざまな場面で「熱」をうまく制御することが求められます。

いくら高度な自動化やDXが進んでも、金属加工、化学プロセス、樹脂成形、食品加工など、熱が関与する工程は非常に多いからです。

このような現場目線での必須知識が「伝熱工学」です。

この記事では、「対流熱伝達」の基礎、「数値連成解析」の考え方、現場でよくある課題、そして実務で注意すべきレガシーな業界慣習について、20年以上の現場経験をもとに、わかりやすく解説します。

バイヤー志望者はもちろん、サプライヤーとしてバイヤーの考えや要求を深く理解したい方、さらには現場リーダー、技術者、工場長などの次世代リーダー層にも向けて、実践的な内容を届けます。

伝熱工学の基礎知識 ― なぜ現場で必須なのか

伝熱工学とは、熱が物体間、または物体内部で、どのように移動するかを扱う工学の分野です。

現場では、主に

• 熱伝導（Conduction）
• 対流（Convection）
• 放射（Radiation）

が関わりますが、その中でも「対流」は多くの装置設計や工程管理に密接に関わっています。

なぜなら、加熱炉、冷却水路、空調、乾燥炉など、気体や液体を介して熱を伝える工程がとても多いからです。

この伝熱現象を正しく理解・コントロールできないと、品質不良、歩留まり低下、エネルギーロス、安全面のトラブルにつながりやすくなります。

つまり、「対流熱伝達」を理解することは、製造現場の生産効率・品質維持・コストダウンに直結します。

対流熱伝達とは何か ― そのメカニズムと計算の概要

対流とは？

対流とは、流体（気体や液体）が動いていることにより、熱が一緒に運ばれる現象です。

たとえば、鍋の中で水を加熱しているとき、底から伝わった熱が水全体に広がっていく現象や、エアコンが部屋の空気を温める動きが典型例です。

対流熱伝達率とは？

対流による熱の移動の大きさは「対流熱伝達率（h）」という値で表します。

このhは、現場でよく登場する「Q = h·A·ΔT」という熱伝達公式にも出てきます。

ここで

• Q：単位時間あたりの熱量（W）
• h：対流熱伝達率（W/(m²·K）
• A：伝熱面積（m²）
• ΔT：流体と壁面の温度差（K）

を表します。

このh（対流熱伝達率）は、流体の種類や流れの速さ、物体の形状、温度差、物質の性質（粘度や熱伝導率）など、さまざまな因子に依存します。

工場の加熱・冷却プロセス、金型の温調設計、空調・乾燥設備など、至る場面で必須となる基礎パラメータです。

対流熱伝達率の算出法 ― 実務における留意点

伝熱工学の教科書では、ヌセルト数（Nu）、レイノルズ数（Re）、プラントル数（Pr）などの無次元数を使って、対流熱伝達率を算出します。

たとえば、円管内を水が流れる場合、

• Q= h·A·ΔT の「h」を算出するには、まずレイノルズ数を出し、流れが層流か乱流かを判定します。
• 乱流なら「Dittus-Boelter式」など、層流なら「Graetz式」など、代表的な相関式を使ってヌセルト数を算出。
• ヌセルト数から「h」が求まります。

現場ではこの属人化や、そもそも仮定条件が正しいかの見極めが極めて重要です。

一方で、業界には「経験則」や「昔ながらの慣習」が残り、「とりあえず〇〇～〇〇の範囲で」といった曖昧な設定がなされているケースも散見されます。

これでは、立場が違うバイヤーやサプライヤーとの意思疎通がずれやすく、見積もりも不正確になります。

連成解析とは ― 現代製造業の標準に近づくために

なぜ連成解析が求められるのか

従来の熱伝達計算では、流体と固体（たとえば、流れてくる空気と金属部品）の熱移動を別々に考えていました。

しかし、近年は複合材料や複雑な自動車部品、EVバッテリー冷却など「流体と構造」「伝熱」と「構造応力」など、複数の物理現象が同時に絡み合う場面が増えています。

こうした課題に対応するのが「連成解析（カップリング解析）」です。
たとえば、

• CFD（流体解析）+ 熱伝達解析の連成
• CFD + 構造解析（熱応力含む）

など、現代の業界標準になりつつあります。

連成解析の活用例

代表的な現場事例としては、

• 金型内部の冷却回路設計（射出成形工場）
• パワー半導体・EVバッテリーパックの熱対策設計（自動車サプライヤー）
• 熱交換器の最適設計（空調・冷凍機メーカー）

などが挙げられます。

先端メーカーでは、設計段階から「CFD×構造連成」でシミュレーションし、製品仕様やバイヤー要求に対して根拠を持った見積もりや材質選定がなされています。

これは、今後バイヤーやサプライヤーが「共通言語」として不可欠なスキルとなるでしょう。

現場での注意点 ― アナログ慣習と令和のデジタルギャップ

古い経験則と最新技術のギャップ

昭和から続く製造現場では、「熱伝達率は昔の手帳のデータ」「昔ながらの作業標準書」「“たぶんこれで大丈夫”の経験則」が意外なほど根強いです。

バイヤーとサプライヤー間でも、業界ごとに標準値や暗黙のルールが異なり、新人や他業界出身者にはブラックボックスとなりやすいです。

一方で、グローバルでは「CFD解析結果の提示」「実計測とシミュレーション照合」が品質管理でも採用されつつあり、日本の現場が乗り遅れかけています。

現場でのトラブル事例

• 熱交換効率が予想より悪く、納入後に冷却性能不足でクレームに。
• 設備仕様書で「設計値h:100」とあったが、実は設備環境が異なり条件が全く合っていなかった。
• 熱伝達係数が曖昧なまま工数見積もりしてしまい、発注後にコストオーバーで赤字化。

こういったトラブルを防ぐためには「共通言語」として伝熱工学と解析手法を学び、依頼側・受託側で透明性と根拠を持つことが大事です。

これから求められるバイヤー・サプライヤー像 ― 知識と連携の強化

バイヤー志望者向けアドバイス

バイヤーとして成長するためには、

• 伝熱工学の原理や計算根拠を自分の言葉で説明できること
• 最新のシミュレーションのトレンドや、実測データとのギャップに敏感であること
• サプライヤーと具体的な数値根拠で交渉・調整できる力

が必要です。

決して場当たり的な経験則や、「お客様は神様」的な無茶振りに頼ってはいけません。

サプライヤー側が知っておくべきポイント

サプライヤー側としては、

• バイヤーがなぜ「根拠を求めてくるのか」の背景を理解する
• 自社の技術資産（たとえば、CFD解析結果や熱伝達率の実験データ）を武器にする
• 古い慣習や暗黙知を現場で「見える化」し、改善提案する姿勢

が重要です。

これにより単なる下請けから、「提案型パートナー」へ脱皮することができます。

まとめ ― 製造業の進化のために現場から伝熱工学のアップデートを

対流熱伝達と連成解析は、新旧が混在する日本の製造現場で今こそアップデートが求められている分野です。

昭和の成功体験やアナログ慣習に依存しすぎず、現場のデータと最新のシミュレーション手法を融合させることで、バイヤー・サプライヤー双方の競争力が大きく伸びます。

「熱さまし」「熱カット」など日々の言葉の裏側にも、しっかりとした伝熱工学の知恵が詰まっています。

少し面倒に思えるかもしれませんが、現場感覚を大事にしつつ、一歩ずつ実務と理論をつなげていくことが、あらゆるトラブル回避や次世代技術への架け橋となるでしょう。

これからの業界発展のために、今こそ製造現場から伝熱工学を見直し、「令和視点のものづくり」へと進化していきましょう。