業務紹介

伝熱関連業務のアクティビティー
秋吉亮＊

Akiyoshi Ryo
伝熱技術は、各種工業製品において、性能やコストはもちろんのこと、品質、安全、環境などの面でも必要な技術である。本稿では著者らの伝熱関連のアクティビティーを紹介する。
キーワード：熱工学、伝熱、温度、性能、品質、安全、環境、対流、沸騰、凝縮、熱放射、熱伝導、熱物性、熱伝達率、熱交換器、熱通過率、熱貫流率
・安全（触れても火傷しないかなど）

1．製品と伝熱の関わり・環境（放熱ロスなど）製品の設計・製造に当たって、性能やコストに類似製品や類似の設計があれば、それらを利用伝熱が直接関わる場合には、必要に応じて伝熱のして設計することも可能であるが、これらが利用教科書、技術者、研究開発者の力を借りることにできない新製品の場合、あるいは精度を高めたいなる。しかし性能やコストに関わらない場合には、場合は、伝熱技術を使って、温度や熱的な仕様を伝熱の技術に拠るべき点があったとしても見出し予測する必要がある。
これらを精度良く予測するには、機器全体をモにくく、あるいはそのようなことにコストと時間をかけにくいものである。

デル化する必要がある場合が多いが、設計の実務

本稿では、性能、コスト、品質、安全、環境なとしては、最高温度、最低温度を予測できればよ

どの様々な観点から、伝熱に関連する例をいくついことが多い。要求仕様を定める場合や、強度やか挙げ、当部のアクティビティーの紹介とする。

腐食が問題になるかどうかを調べる場合などがこれに相当する。例えば発熱機器を水で冷やす場合、

2．温度予測発熱部温度を決めている諸項目の関係を図 1 に製品の設計においては、次のような検討が必要示す。つまり冷却水の温度上昇は、発熱量と流となる。

量から算出し、発熱部と冷却水との温度差は、発・性能熱量、および発熱部から冷却水までの熱抵抗から・寸法、重量（小型化、薄肉化など）算出する。

・コスト

ここで言う熱抵抗とは熱の流れにくさを意味

・強度

し、機器の材質、形状 ･ 寸法、および冷却水の流・腐食量や物性値などによって異なるが、当グループで＊研究開発事業部 プラント技術部

燃焼伝熱グループ 部長—

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工学博士

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は、各パラメータの影響の大きさをあらかじめ推度、圧力、流量）と物性値から、排ガス側と冷却定し、必要な精度に応じた適切な算出方法を選択

空気側と熱抵抗、および排ガスの温度低下を算出できる。これより発熱部の温度を推算できるほか、し、最低温度を予測することができる。排ガスの発熱部を許容温度以下に抑えるために必要な冷却温度低下は、冷却器として使う熱交換器の構造や水流量、あるいは形状や寸法を定めることができ寸法に大きく依存するが、代表的な熱交換器の構る。

造であるシェル ･ アンド ･ チューブの他、プレー必要な精度で算出できない場合は、誤差の程度

ト型、プレートフィン型などのコンパクト型熱交を見積もることができ、あるいは試験確認、さら換器においても、Aspen ONE などの設計計算コーには数値計算を実施し、精度を高めることも可能ドを利用し、温度低下を算出することができる。
排ガスが酸露点以下まで低下する場合には、排である。

ガス側、あるいは冷却空気側（あるいはその両方）の熱抵抗を大きくする、つまり熱が伝わりにくくする必要がある。しかし冷却器全体の熱の伝わりを悪くすることは、冷却器の大型化、さらには製造価格の上昇につながるため、冷却空気入口部のみについて、熱の伝わりを抑えればよい。具体的には伝熱管表面の流れをよどませ熱伝達率を低下させる、あるいは管内に熱伝導率が低い物質を挿入するなどの方法がある。
高温腐食の場合も、同様の考え方で、最も高温になる箇所の温度を抑えることになる。これらの

図1

対策は、最低温度部や最高温度部だけに施せばよ

最高温度の算出の例

く、価格上昇は比較的小さいことが多い。

3．伝熱の腐食対策への適用例
例えば排ガスを空気で冷却する、あるいは空気を排ガスの熱で加熱する場合は、「製品は性能が良く小型の方が良い」という常識に従えば、排ガスがよく冷えるように設計することになる。しかし亜硫酸ガスを含む排ガスなどが、約 150℃（SO3 濃度により異なる）とされるいわゆる酸露点温度まで低下すると、ガス中の酸化成分が結露し、いわゆる低温腐食が生じる。このようなことが起こるかどうかは、
図 2 のように、冷却空気入口部で排ガス温度が酸露点以下に低下するかどうかで決まる。

図2

当グループでは、排ガスと空気の流れの条件（温—DJ618_13_伝熱関連業務_05[063-067].indd 6464

排ガス冷却器内の排ガス最低温度算出の例—

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当グループでは、断熱性能を高めるためのノウ

4．断熱の例

ハウを多く保有している。例えば空気側の熱抵抗

高温や低温の機器や配管には断熱を施し、触れを大きくするには、断熱材表面に放射率が小さいても火傷をしないように、また放熱 ･ 吸熱によるテープや布を巻き付け、熱放射を抑えることがあエネルギーのロスを抑え環境への負荷を低減するる程度有効である。また常温より低温の場合、断必要がある。

熱材の内部で空気中の水蒸気が凝縮 ･ 凍結する

触れても大丈夫かどうか、は表面温度で決まる。と、断熱材内部の水や氷によって熱が伝わりやす当グループでは、図 3 に示す断熱材内部、およくなり、断熱性能が劣化してしまう。これを避けび外気の熱抵抗を推算し、表面温度を予測するこるためには、断熱材の内部に空気が出入りしないとができる。表面温度を下げるには、さらには放よう、気泡が独立した断熱材、あるいは表面を密熱を抑制するには、熱抵抗が大きい断熱材が好ま封した断熱材を使用する。

しい。空気などの気体は熱伝導率が小さく、つま当グループは、宇宙用の断熱材の取り扱いにもり熱抵抗が大きくなるため、空隙率が大きい断熱実績がある。真空下では対流熱伝達が排除され熱材がよく使われる。

放射のみとなるため、積層することによって熱放射を抑えた多層断熱材が使われるが、これを大気圧下で使用するときの断熱性能について、著者らが設計製作した試験装置と試験の様相を図 4 に示す。外面の加熱を促進するために加熱ガスの流速を上げて熱伝達率を高め、液体窒素で冷却した
断熱材内面との温度差、および液体窒素の蒸発量から、断熱性能を評価した。
5．温度計測技術の紹介

図3

断熱材の表面温度の予測例

図4

最後に、当グループが関わった、最近の温度計

多層断熱材の大気圧下での断熱性能試験—

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表1
シース径
非接地型
接地型
先端露出型

太細
太細◎

計測対象への影響＊1△○△○◎

各種のシース熱電対の比較

応答特性＊2

絶縁性＊3

ばらつき＊4

使いやすさ＊5

耐電気ノイズ

全体評価

△○
○
○
△○
○
○○○

◎
◎△△△

◎○
◎○
△○
○
△△
△

○
○△△
△

＊ 1：シースの熱容量が大きいと、シース熱電対を計測対象に接触させることによる計測対象の温度変化が大きい＊ 2：シースの熱容量によって、時間遅れが生じる＊ 3：シース先端の密封が不十分だと、シース内に封入されている酸化マグネシウムが吸湿して絶縁性が悪化し、温接点以外の温度の影響を受けやすくなる＊ 4：温接点とシースとを接触させる溶接がばらつきやすい＊ 5：太い方が、耐熱性と強度に優れる

測について紹介する。

る程度のコストと時間を要する。特に 0℃以下の温度を計測する方法としては、熱電対や測温抵低温や数百℃以上の高温では、較正自体が容易で抗体などのセンサを計測対象に接触させる方法はない。このような温度領域で、特に 1K 以下のと、赤外線を利用する非接触の方法とがある。

小さい温度差を計測する場合、差動熱電対は大変接触式の代表例である熱電対は、シース熱電対有効である。2 本の熱電対を同じロットで製作し、として使われることが多く、その先端部の形状にまた十分な精度で較正し、さらにその温度におけよって、温接点がシースと接していない非接地型、る起電力の差から温度差を評価することによっ接している接地型、および温接点がシースから露て、0.01K のオーダーの温度差を計測することが出している先端露出型があるが、それらの比較をできる。

表 1 に示す。

赤外線を利用した非接触式温度センサの技術が最近はφ 1.0㎜、φ 0.5㎜、φ 0.25㎜などの細い進んでおり、当グループも実績を積んでいる。図

シース熱電対の製造技術が進んでおり、従来の非6 は、空冷凝縮器の温度分布を赤外線サーモグラ接地型の欠点を補うことができる。

フィーで撮影したものである。直交流のコンパク

温度の絶対値ではなく温度差を計測するには、ト型で相変化が起こるという最も複雑な熱交換器

図 5 に示す差動熱電対が採用できる。温度センの一つであるが、凝縮域が一目瞭然であり、そのサ自体に固有の誤差があり、またその補正にはあ性能評価に有効であった。

図5—

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差動熱電対
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10/09/16 15:00なお赤外線サーモグラフィーが受ける赤外線に

6．謝辞

は、対象とする固体表面の熱放射に加え、外部からの赤外線の反射が含まれてしまい、誤差となる。

本稿に記載した宇宙用断熱材の大気圧下におけ金属などの反射しやすい面は、この影響が特に大る断熱性能試験は、JAXA 殿、および IHI エアロ

きい。例えば計測対象が常温の場合は、撮影者かスペース殿の委託により実施したもので、試験条らの赤外線さえ影響する。

件のご指導、装置設計と試験結果のレビューなどをいただき、厚く感謝いたします。

このため日光や高温の照明などが直接当たる面は、極力、暗幕などで遮るのが好ましい。計測対

参考文献

象が比較的低温の場合、あるいは反射しやすい場

1） 日 本 機 械 学 会 編、 伝 熱 工 学 資 料 改 訂 第 5 版

合も、暗幕を利用した方がよく、また黒体塗料を（2009.5）.

塗布すると反射を抑えることができる。

図6

凝縮器の温度分布計測

研究開発事業部
プラント技術部
燃焼伝熱グループ部長

工学博士

秋吉

亮

TEL. 045-759-2122
FAX. 045-759-2119—

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