熱伝導率とは？熱拡散率との違いも解説、設計者のための実践知識

熱伝導率は、材料が熱をどれだけ伝えやすいかを示す物性値であり、放熱や断熱といった熱設計の性能を決める基本的な指標です。この数値の正しい理解は、電子機器の冷却から省エネルギー製品の開発まで、幅広い課題を解決する上で欠かせません。ただし、性能を最大限に活かすには、フーリエの法則による計算、材料特性の理解、さらにコストとのバランスを考えることが重要です。 

本記事では、熱伝導率の基本から、設計に役立つ計算方法や材料選定の実践的なポイントについて解説します。熱設計に関わる設計・開発担当者の方は、ぜひ最後までご覧ください。 

熱伝導率とは何か 

熱伝導率は、材料が熱をどれだけ伝えやすいかを示す基本的な物性値です。値が大きいほど熱をよく伝え（放熱性が高い）、小さいほど熱を伝えにくく（断熱性が高い）なります。 

単位はW/(m·K)（ワット毎メートル毎ケルビン）で、「厚さ1mの材料の両端に1Kの温度差があるとき、1㎡あたり1秒間にどれだけの熱量が伝わるか」を表します。例えば、金属に触れると冷たく感じるのは、熱伝導率が高く手からの熱が急速に移動するためです。 

このように、熱伝導率は材料の熱的な性質を定量的に理解し、適切な熱設計を行うための重要なパラメータです。 

熱伝導率の代表値一覧 

熱伝導率の把握は、適切な材料選定の第一歩です。一般に、金属は熱伝導率が高く、セラミックスや樹脂、気体になるにつれて低くなる傾向にあります。ここでは、設計現場でよく使われる代表的な材料の熱伝導率を、一覧表で紹介します。 

材料名	熱伝導率 k［W/(m·K)］	主な用途
ダイヤモンド	1000～2000	半導体の放熱基板、超精密工具の刃先
グラファイトシート	700～1500 (面方向)	スマートフォン・PCの熱拡散シート
銀 (Ag)	428	電気接点、高級オーディオケーブル
銅 (Cu)	403	ヒートシンク、ヒートパイプ、電子基板の配線
金 (Au)	319	半導体のワイヤボンディング、腐食環境の接点
アルミニウム (Al)	236	ヒートシンク、電子機器筐体、エンジン部品
窒化アルミニウム (AlN)	180～200	パワー半導体用放熱基板、高出力LED基板
タングステン (W)	177	高温炉の部材、フィラメント、電極
アルミニウム合金 (A5052)	140	電子機器筐体・パネル、一般的な機械部品
モリブデン (Mo)	139	高温炉のヒーター、半導体製造装置部品
黄銅（真鍮）	97	熱交換器部品、バルブ、配管部品
ニッケル (Ni)	94	メッキ、二次電池の電極、耐食合金
青銅	53	軸受、歯車、ばね
炭素鋼	50	機械構造部品（シャフト、歯車、金型）
ニッケル−クロム鋼	33	電熱線のヒーター（ニクロム線）、工業炉
チタン (Ti)	22	航空機部品、化学プラント部品
アルミナ (Al₂O₃)	20	絶縁・耐熱セラミックス部品、ICパッケージ
18−8ステンレス鋼	15	厨房機器、食品・化学プラントの配管
氷	2.2	食品の保冷剤、医療分野での冷却
ガラス	0.55～0.75	窓ガラス、実験器具、光学レンズ
アクリル樹脂	0.2	カバー、表示パネル、照明器具
ポリカーボネート	0.19	電子機器筐体、ヘルメット、DVDディスク
木材	0.14～0.18	建築材料、家具
紙	0.06	書籍、包装材、紙コップ、断熱材（セルロースファイバー）
グラスウール	0.04	住宅用断熱材、吸音材
空気 (静止状態)	0.024	断熱層（複層ガラス、ダウンジャケット）

※数値は代表値であり、材料のグレードや温度、構造によって変動します。 

熱伝導率を活用した基本計算 

熱伝導率を放熱や断熱の設計に活かすための基本的な計算式を紹介します。これらは、熱の移動量を定量的に評価するための重要なツールとなります。 

熱伝導による熱流量の求め方（フーリエの法則） 

材料を通過する熱の量（熱流量）は、フーリエの法則で計算できます。これは、熱流量Qが熱伝導率kと面積A、温度差ΔTに比例し、厚さLに反比例する関係を示すものです。計算式は以下のとおりです。 

記号	意味（単位）
Q	熱流量 (W)
K	熱伝導率 (W/m·K)
A	断面積 (m²)
ΔT	温度差 (K)
L	熱が通る距離 (m)

 

例えば、ヒートシンクの設計では、この式で部品の発熱を十分に逃がせるかを評価します。フーリエの法則は、材料の特性から具体的な熱の移動量を求めるための、熱設計における最も基本的な計算式です。 

熱抵抗の算出 

熱の伝わりにくさは、電気抵抗と似た考え方である「熱抵抗」で評価します。熱抵抗を算出する式は以下のとおりです。

記号	意味（単位）
R	熱抵抗 (K/W)
L	熱が通る距離 (m)
k	熱伝導率 (W/m·K)
A	断面積 (m²)

 

この値が大きいほど熱が流れにくく、断熱性が高くなり、厚い材料や熱伝導率が低い断熱材ほど熱抵抗は大きくなります。設計実務では、複数の材料を重ねた際の全体の断熱性能を、各層の熱抵抗の和として簡単に計算できるため、断熱材の選定や厚みの決定に欠かせません。 

熱伝達（対流）と表面熱抵抗 

熱は材料内部を伝わる熱伝導だけでなく、表面から空気などの流体へ移動する熱伝達（対流）も重要です。熱の伝わりやすさは熱伝達率で表され、以下の式で表されます。 

記号	意味（単位）
Q	熱流量 (W)
h	熱伝達率 (W/m²·K)
A	表面積 (m²)
ΔT	固体表面と流体との温度差 (K)

 

ヒートシンクの設計では、固体内部の熱抵抗よりも、表面から空気へ熱が逃げる際の抵抗の方が遥かに大きく、性能のボトルネックになりがちです。正確な熱設計のためには、材料の熱伝導率だけでなく、表面からの熱の逃げやすさも考慮しなければなりません。 

材料選定で注意すべきポイント 

熱伝導率の数値だけで材料を選ぶと、思わぬ落とし穴にはまる場合があります。ここでは、設計者が考慮すべき、より実践的な材料選定のポイントを解説します。 

熱伝導率に影響する要因 

材料の熱伝導率は、温度や内部構造などさまざまな要因で変化します。カタログの代表値だけでなく、これらの影響を理解しておきましょう。 

温度依存性 

熱伝導率は、使用する温度によって変化するという性質を持ちます。熱を運ぶ物質の振る舞いが温度によって変わるためで、金属の場合は温度が上がると熱伝導率がわずかに低下し、逆に空気などの気体は上昇する傾向があります。 

ヒートシンクに使うアルミニウムは、高温になると放熱性能がカタログ値より若干低下する可能性があります。設計時には常温での値だけでなく、実際の動作温度範囲での熱伝導率の変化を考慮し、安全率を見込むなどの配慮が求められます。 

材料の組成・構造 

熱伝導率は、材料の純度や内部構造にも大きく影響されます。一般に、純金属は熱伝導率が高く、他の元素を加えて合金にすると、熱の流れが妨げられて値が低下します。例えば、純粋な鉄にクロムやニッケルを混ぜたステンレス鋼は、鉄よりも熱伝導率が低いのはこのためです。 

また、木材のように繊維の向きがある材料や、発泡スチロールのように内部に多数の気泡を含む材料は、方向や密度によっても値が変わります。したがって、同じ材料名でも、そのグレードや構造を意識することが重要です。

機械的性質や加工性とのトレードオフ 

熱伝導率だけで材料を選ぶと、他の重要な特性を見落とす危険があります。熱性能と、強度・コスト・加工性といった機械的性質は、多くの場合トレードオフの関係にあるからです。 

熱伝導率が高い銅は、高価で重いという欠点があります。一方、強度に優れるステンレス鋼は、熱伝導率が低いため切削加工時に熱がこもりやすく、加工が難しいという側面も持ちます。熱伝導率の高さだけを追求するのではなく、製品に求められる総合的な要求性能を満たすバランスの取れた材料を選ぶことが、最適な設計の鍵となります。 

用途別に見る材料選定の考え方 

材料選定は「放熱」「断熱」「絶縁と放熱の両立」という目的によって方向性が異なります。熱を積極的に逃がしたい場合と、熱を遮断したい場合では、全く逆の特性が求められるからです。 

電子機器のヒートシンクには熱伝導率の高いアルミや銅が、建物の壁には空気を多く含むグラスウールのような断熱材が使われます。さらに、モーターの絶縁材のように電気は通さず熱だけを逃がしたい場合は、アルミナなどのセラミックスが選ばれます。 

熱伝導率データの信頼性 

カタログなどに記載されている熱伝導率の値を鵜呑みにするのは危険です。その数値は測定された温度や材料の方向、密度といった特定の条件下での値であり、実際の使用環境とは異なる可能性があるからです。 

カタログ値は常温でのデータが多く、高温下で使用すると性能は変化します。そのため、データシートの注記をよく読み、測定条件の確認は不可欠です。熱伝導率データは参考値として捉え、実際の設計では安全率を見込むなどの配慮が求められます。 

コストと入手性 

熱設計において、コストと入手性は性能と同じくらい重要な選定基準です。どんなに熱伝導率が高くても、高価であったり、調達が困難であったりすれば、量産製品には採用できません。 

熱伝導率が最高の銀やダイヤモンドは、ごく一部の特殊な用途にのみ使われます。多くのヒートシンクが、性能で銅に劣るにもかかわらずアルミニウムで作られているのは、アルミの優れたコストパフォーマンスと入手性の良さが理由です。 

したがって、設計者は常に要求性能を満たす最も安価で安定供給される材料は何か、という視点を持つ必要もあります。 

接触熱抵抗とサーマルインターフェースマテリアル（TIM）の重要性 

部品同士の接点に生じる「接触熱抵抗」は、熱設計における見落としがちなボトルネックです。金属表面はミクロに見ると凹凸があり、部品を組み合わせると隙間に熱伝導率の極めて低い空気が介在し、熱の流れを妨げるからです。 

この問題を解決するのが、CPUとヒートシンクの間に塗る熱伝導グリスや、電子部品に貼る放熱シートといったサーマルインターフェースマテリアル（TIM）です。これらが隙間を埋めることで、接触熱抵抗を大幅に低減させます。したがって、高性能な放熱部品を選んでも、TIMを適切に使用しなければ性能が発揮されない点には注意しましょう。 

熱伝導率の測定方法と注意点 

ここでは、代表的な熱伝導率の測定方法の概要と、測定値のばらつきに繋がる注意点を解説します。 

測定方法 

熱伝導率の測定方法は、大きく「定常法」と「非定常法」の2種類に分けられます。 

定常法は、材料の両面に一定の温度差を与え、熱の流れが安定した状態（定常状態）で熱量を測定し、フーリエの法則から熱伝導率を算出する古典的な方法です。 

一方、非定常法は、材料にパルス状の熱を加え、その後の温度変化の速さから熱拡散率を求め、比熱や密度と掛け合わせて熱伝導率を計算します。近年では、レーザーフラッシュ法などの非定常法が、短時間で測定できるため広く用いられています。 

測定条件によるばらつき 

測定された熱伝導率のデータは、測定時の条件によってばらつきが生じるため、信頼性を慎重に評価しなければなりません。同じ材料でも、測定時の温度や湿度、試料の内部構造や密度、さらにはセンサーの接触状態といったわずかな違いが、結果に影響を与えるためです。 

例えば、多孔質な断熱材は、含まれる水分の量によって値が変動します。したがって、異なるデータを比較する際は、どのような条件下で測定された値なのかを必ず確認し、不確かさを考慮した上で設計に用いることが、信頼性の高い熱設計を行う上で不可欠です。 

熱伝導率と他の物性値との関係 

ここでは、熱拡散率、比熱、そして電気伝導率との関連性について解説します。 

熱伝導率と熱拡散率の違い 

熱伝導率と熱拡散率は混同されがちですが、「熱の伝わりやすさ」と「温度の広がる速さ」という明確な違いがあります。熱伝導率が定常状態での熱の移動量を示すのに対し、熱拡散率は非定常状態での温度変化の伝播速度を示します。 

熱拡散率は、熱伝導率を材料の密度と比熱で割ることで求められ、この値が大きいほど急速な加熱や冷却に適しています。 

したがって、定常的な放熱設計では熱伝導率が、過渡的な温度応答の解析では熱拡散率が、それぞれ重要な指標となります。 

熱伝導率と比熱との関係 

熱伝導率と比熱は、直接的な関係はありませんが、熱の伝わり方において相互に影響します。 

比熱は「物質の温まりにくさ」を示す指標であり、この値が大きい材料は多くの熱を蓄えられます。熱伝導率が熱の「通り道」の広さだとすれば、比熱は熱を溜める「バケツ」の大きさに例えられます。水は熱伝導率が低いですが比熱が大きいため、一度温まると冷めにくくなります。 

このように、材料の温度変化の速さを考える際には、熱伝導率だけでなく、比熱も合わせて評価することが重要です。 

熱伝導率と電気伝導率の相関（ウィーデマン・フランツの法則） 

金属材料においては、熱伝導率と電気伝導率の間に強い相関関係があります。これは「ウィーデマン・フランツの法則」として知られ、「電気をよく通す物質は、熱もよく通す」という経験則を裏付けるものです。銀や銅が優れた電線材料であると同時に、最高の放熱材料でもあるのはこのためです。 

この法則は、金属内では自由電子が電気と熱の両方を運ぶ担い手であることに由来します。ただし、セラミックスや半導体はこの法則に従いません。この相関を理解しておけば、材料の電気的特性から熱的特性をある程度推測できます。 

FAQ（よくある質問と回答） 

ここでは、熱伝導率に関して設計者が抱きやすい疑問について、Q&A形式で分かりやすく解説します。 

Q1：熱伝導率が高い材料は何に使われる？ 

熱を素早く移動させたい「放熱」や「熱拡散」が目的の部品に使われます。代表例は、電子機器のCPUを冷却するヒートシンクや、スマートフォンの内部で熱を均一に広げるグラファイトシートです。これらには、熱伝導率が非常に高いアルミニウムや銅、炭素材料が使われます。また、調理器具のフライパンや鍋も、熱を均一に伝えるために熱伝導率の高い材料で作られています。 

Q2：熱伝導率は温度で変わる？ 

はい、変わります。多くの材料は、温度によって熱伝導率が変化します。一般に、アルミニウムや銅などの純金属は、温度が上がると熱伝導率がわずかに低下する傾向があります。一方で、空気などの気体や、一部のセラミックスは、温度が上がると熱伝導率が高くなります。 

Q3：熱伝導率と断熱性はどう違う？ 

熱伝導率と断熱性は、同じ現象を逆の視点から見た、表裏一体の関係です。「断熱性が高い」とは、すなわち「熱伝導率が低い」ことを意味します。熱伝導率が熱の「伝えやすさ」を示す指標であるのに対し、断熱性は熱の「伝えにくさ」を示す性能です。断熱性を高めたい場合は、熱伝導率ができるだけ低い材料を選定しましょう。 

Q4：放熱には銅とアルミのどちらが適していますか？ 

コストと性能のバランスで使い分けられます。熱伝導率自体は銅の方がアルミニウムよりも優れています。そのため、限られたスペースで高い放熱性能が求められるCPUクーラーのコア部分などには銅が使われます。しかし、銅は重くて高価です。一方、アルミニウムは性能では劣るものの、軽量で安価、加工もしやすいため、一般的なヒートシンクや電子機器の筐体には、コストパフォーマンスに優れるアルミニウムが広く採用されています。 

Q5：熱伝導率はどのように測定するのですか？ 

主に「定常法」と「非定常法」という専門的な方法で測定されます。定常法は、材料に安定した熱の流れを作り、その際の温度差と熱量から算出する古典的な方法です。一方、非定常法は、材料にパルス状の熱を加え、温度が伝わる速さ（熱拡散率）を測定し、そこから熱伝導率を計算します。 

Q6：なぜステンレスは、鉄（炭素鋼）より熱を伝えにくいのですか？ 

主に、合金化によって熱の流れが妨げられるためです。純粋な鉄の結晶格子内は、熱を運ぶ自由電子がスムーズに移動できます。しかし、ステンレス鋼は、鉄にクロムやニッケルといった異なる種類の原子が混ざった合金です。これらの異種原子が格子内で「障害物」のようになり、自由電子の動きを散乱させて妨げます。その結果、熱の伝わりやすさ、すなわち熱伝導率が大幅に低下します。 

Q7：電気は通さず、熱だけをよく通す材料はありますか？ 

はい、存在します。代表的なのが、アルミナ（酸化アルミニウム）や窒化アルミニウムといったセラミックス材料です。これらの材料は、金属のように自由に動ける電子を持たないため電気は通しませんが、結晶格子そのものの振動（フォノン）によって熱を効率的に伝えることができます。 

まとめ 

熱伝導率は、材料が熱をどれだけ効率的に伝えるかを示す、熱設計の根幹となる物性値です。この数値を正しく理解し活用することで、放熱や断熱の性能を定量的に評価でき、信頼性の高い製品設計が可能になります。特に、フーリエの法則や熱抵抗の計算式に組み込むことで、熱の移動量を数値で把握できる点が最大の特徴です。 

しかし、単にカタログ値を参照するだけでは不十分です。熱伝導率は温度や材料構造に依存し、測定条件によっても変動します。さらに、性能だけでなく、コスト・加工性・入手性とのバランスを考慮しなければ、実用的な設計は成り立ちません。接触熱抵抗やサーマルインターフェースマテリアル（TIM）の影響も見落としがちなポイントであり、これらを適切に管理することで、設計性能を最大限に引き出せます。 

本記事で紹介した代表値一覧や計算式、材料選定の実践的な視点を活用すれば、ヒートシンクや断熱材の設計、さらには電子機器や省エネ製品の開発において、より精度の高い判断が可能になります。熱伝導率は単なる数値ではなく、設計者にとって「熱を制御するための羅針盤」です。ぜひ、ここで得た知識を日々の設計業務に取り入れ、性能・コスト・信頼性のバランスを取った最適な材料選定を実現してください。 

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