断熱

断熱とは、熱接触または放射影響範囲内の物体間の熱伝達（異なる温度の物体間の熱エネルギーの伝達）を減らすことです。断熱は、特別に設計された方法やプロセス、および適切な物体の形状と材料によって実現できます。

熱の流れは、異なる温度の物体が接触すると必然的に生じます。断熱材は、熱伝導が低減される断熱領域を提供し、熱遮断層または熱障壁^[1]を形成します。つまり、熱放射は低温の物体に吸収されるのではなく反射されます。

材料の絶縁能力は熱伝導率（k）の逆数として測定されます。熱伝導率が低いということは、絶縁能力（抵抗値）が高いということです。^[2]熱工学において、絶縁材料の他の重要な特性は、製品密度（ρ）と比熱容量（c）です。

熱伝導率kはワット/メートル/ケルビン（W·m ⁻¹ ·K ⁻¹またはW/mK）で測定されます。これは、電力として測定される熱伝達が（ほぼ）比例することがわかっている ためです。

• 温度差${\displaystyle \デルタT}$
• 熱接触面積 ${\displaystyle A}$
• 材料の厚さの逆数${\displaystyle d}$

このことから、熱損失の力は次のように 表される。${\displaystyle P}$${\displaystyle P={\frac {kA\,\Delta T}{d}}}$

熱伝導率は材質によって異なり、流体の場合は温度と圧力によって異なります。比較のために、標準条件 (1 気圧で 20 °C) での伝導率が一般的に使用されます。材質によっては、熱伝導率は熱伝達の方向によっても異なります。

断熱は、物体を熱伝導率の低い厚い材料で覆うことで実現します。露出表面積を減らすことで熱伝達も低下しますが、この量は通常、断熱する物体の形状によって決まります。

多層断熱材は、放射損失が支配的な場合、または断熱材の容積と重量が制限されている場合に使用されます（例：緊急用ブランケット、放射バリア）

断熱された円筒の場合、臨界半径ブランケットに到達する必要があります。臨界半径に到達する前は、断熱材を追加すると熱伝達が増加します。^[3]対流熱抵抗は表面積、つまり円筒の半径に反比例しますが、円筒シェル（断熱層）の熱抵抗は半径自体ではなく、外半径と内半径の比率に依存します。断熱材を適用して円筒の外半径が増加すると、一定量の伝導抵抗（2×π×k×L（Tin-Tout）/ln（Rout/Rin）に等しい）が追加されます。ただし、同時に対流抵抗は減少します。これは、特定の臨界半径未満で断熱材を追加すると、実際に熱伝達が増加することを意味します。断熱された円筒の場合、臨界半径は次の式で与えられます^[4]

${\displaystyle {r_{\text{臨界}}}={k \over h}}$

この式は、臨界半径が断熱材の熱伝達係数と熱伝導率のみに依存することを示しています。断熱された円筒の半径が断熱の臨界半径よりも小さい場合、断熱材をいくら追加しても熱伝達は増加します。

気体は液体や固体に比べて熱伝導性が低いため、閉じ込めることができれば優れた断熱材になります。気体（空気など）の有効性をさらに高めるには、自然対流では効果的に熱を伝達できない小さなセルに分割します。対流は浮力と温度差によって駆動される大量のガスの流れを伴いますが、それを駆動する密度差がほとんどない小さなセルではうまく機能しません。また、小さなセルの表面積と体積の比率が高いと、粘性抵抗によってセル内のガスの流れが遅くなります。

人工断熱材で小さなガスセルを形成するには、ガラスやポリマー材料を使用して、泡のような構造に空気を閉じ込めます。この原理は、グラスウール、セルロース、ロックウール、ポリスチレンフォーム（発泡スチロール）、ウレタンフォーム、バーミキュライト、パーライト、コルクなどの建物や配管の断熱材に工業的に使用されています。空気を閉じ込めることは、ウール、羽毛、フリースなどの断熱性の高い衣類素材の原理でもあります。

空気を閉じ込める性質は、羽毛や天然の羊毛などの断熱毛など、恒温動物が暖かさを保つために採用している断熱原理でもあります。どちらの場合も、主な断熱材は空気であり、空気を閉じ込めるために使用されるポリマーは天然のケラチンタンパク質です。

建物内の温度を適正に保つこと（暖房と冷房による）には、世界のエネルギー消費の大部分が使われます。建物の断熱材にも、上記で説明したように、閉じ込められた小さな気室の原理が一般的に利用されており、たとえばグラスファイバー（特にグラスウール）、セルロース、ロックウール、ポリスチレンフォーム、ウレタンフォーム、バーミキュライト、パーライト、コルクなどです。一時期、アスベストも使用されていましたが、健康上の問題を引き起こしました。

窓断熱フィルムは、耐候性を高めるために適用され、夏の熱放射の入射と冬の熱損失を低減します。

断熱性が良好な建物は、次のような特徴があります。

• エネルギー効率が良く、冬は暖かく、夏は涼しく過ごすのに安価です。エネルギー効率は二酸化炭素排出量の削減につながります。
• 空間全体の温度が均一になるため、より快適になります。垂直方向（足首の高さから頭の高さまで）と、外壁、天井、窓から内壁までの水平方向の両方向の温度勾配が少なくなるため、外気温が極端に寒いときや暑いときでも、居住者にとってより快適な環境が生まれます。

産業界では、物体やプロセス流体の温度を上げたり下げたり、維持したりするためにエネルギーを消費する必要があります。これらが断熱されていない場合、プロセスのエネルギー要件が増加し、コストと環境への影響が増加します。

空間暖房および冷房システムは、パイプまたはダクトを使用して建物全体に熱を分配します。パイプ断熱材を使用してこれらのパイプを断熱すると、人がいない部屋へのエネルギーが削減され、冷えたパイプで 結露が発生するのを防ぎます。

パイプ断熱材は給水配管にも使用され、許容できる時間パイプの凍結を遅らせるのに役立ちます。

機械断熱材は、工業施設や商業施設によく設置されます。

断熱材は、直射日光の強度下で表面の温度を周囲温度より下げる能力を高めることで、受動放射冷却表面の熱放射率を向上させることがわかっています。 ^[5]断熱材にはさまざまな材料を使用できますが、ポリエチレンエアロゲルは太陽光の吸収と寄生熱の増加を減らし、放射体の性能を20％以上向上させる可能性があります。^[5]シリカ-アルミナナノファイバーエアロゲルなど、他のエアロゲルも放射冷却表面に対して強力な断熱性能を示しました。^[6]

冷蔵庫はヒートポンプと断熱室で構成されています。^[7]

打ち上げと再突入は宇宙船に厳しい機械的ストレスを与えるため、絶縁体の強度は極めて重要です。スペースシャトルコロンビア号の絶縁体タイルの破損により、再突入時にシャトルの機体が過熱して分解し、搭乗していた宇宙飛行士が死亡しました。大気圏再突入では、高速で空気が圧縮されるため、非常に高い温度が発生します。絶縁体は、熱伝達を遅らせる特性以外にも、厳しい物理的特性を満たす必要があります。宇宙船で使用される絶縁体の例としては、強化炭素-炭素複合材ノーズコーンやスペースシャトルのシリカ繊維タイルがあります。絶縁塗料も参照してください。

内燃機関は燃焼サイクル中に大量の熱を発生します。この熱がセンサー、バッテリー、スターターモーターなどの熱に敏感なさまざまな部品に到達すると、悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、排気熱がこれらの部品に到達しないように断熱材が必要です。

高性能車では、エンジン性能を向上させる手段として断熱材がよく使用されます。

断熱性能は多くの要因によって影響を受けますが、最も重要なものは次のとおりです。

• 熱伝導率（「k」または「λ」値）
• 表面放射率（「ε」値）
• 断熱材の厚さ
• 密度
• 比熱容量
• 熱橋

パフォーマンスに影響を与える要因は、材料の経年劣化や環境条件の変化に応じて時間の経過とともに変化する可能性があることに注意することが重要です。

業界標準は、多くの場合、長年かけて開発された経験則であり、人々が支払う金額、製造コスト、地域の気候、伝統的な建築慣行、さまざまな快適性基準など、多くの相反する目標を相殺します。熱伝達と層解析はどちらも大規模な産業用途で実行できますが、家庭の状況（家電製品や建物の断熱材）では、気密性が空気漏れ（強制対流または自然対流）による熱伝達を減らす鍵となります。気密性が達成されると、経験則に基づいて断熱層の厚さを選択するだけで十分であることがよくあります。断熱層を2倍に増やすごとに、収穫逓減が達成されます。一部のシステムでは、改善を実現するために最低限必要な断熱材の厚さがあることが示されています。^[8]

• 熱質量 - 建物設計における熱エネルギー貯蔵の利用
• 熱伝導率一覧
• 断熱塗料 – 表面をコーティングして熱伝達を減らすために使用できる塗料の種類
• ヒートトラップ – 給湯器のバルブまたはパイプのループ
• 取り外し可能な断熱ブランケット - 機械部品に固定されたカバー
• サーマルパッド - プリント基板上のパッドで、周囲の銅に熱接続して接続されています。フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• 断熱エンベロープ – 建築およびエンジニアリングの実践における概念リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ

ウィキメディア・コモンズには、断熱材に関連するメディアがあります。

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