熱放射｜真空でも起こる電磁波放熱現象

熱放射

熱放射は、物体の温度に起因して電磁波としてエネルギーが空間へ放出される現象である。媒質を必要とせず真空中でも成立するため、伝熱の三形態の中で唯一宇宙空間で機能する。表面の温度、放射率、形状・相互配置によって正味の交換量が決まり、エネルギー密度は温度の4乗に強く依存するのが特徴である。

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物質内の荷電粒子は熱運動により加速度運動を受け、電磁波を発する。統計的にはプランク分布で波長別エネルギーが定まり、全波長で積分すると温度依存の総放射能となる。熱放射は表面性状に敏感で、光沢面と粗面では振る舞いが異なる。

すべての波長で吸収率1の理想物体を黒体と呼ぶ。実在表面は放射率ε(0≦ε≦1)で特徴づけ、吸収率αと同波長同方向でα=ε(キルヒホッフの法則)が成り立つ。熱放射解析では灰色体(εを波長一定)近似がよく用いられる。

室温〜数百度では主に赤外域(IR)に分布し、高温で可視域へ延びる。表面被膜や酸化皮膜はスペクトル放射率を変え、熱放射の吸収・放出効率を制御する。多層膜は特定波長の選択放射を実現できる。

2面間の正味放射熱流qは、拡散・灰色近似で放射抵抗網を用いq=σ(T1^4−T2^4)/[(1−ε1)/(A1ε1)+1/(A1F12)+(1−ε2)/(A2ε2)]と表せる。F12は形態係数で、熱放射はT^4の非線形性を持つため小温度差では線形化を用いる。

形態係数Fijは、面iから放出された放射が面jへ到達する割合を表す。相反則A1F12=A2F21、加法則∑jFij=1が成り立つ。囲い系では連立方程式を解いて各面の放射交換量を得る。

熱放射は真空で有効で、伝導・対流と異なり媒質特性の影響を受けにくい。高温差で支配的となる一方、低温差や高放射率でない場合は寄与が小さい。対流と並列に働くため、設計では総合熱伝達を評価する。

工業炉の熱設計、宇宙機熱制御、太陽熱集熱、赤外線加熱乾燥、低放射(低-e)ガラスによる建築の放射損失低減などに使われる。熱放射は非接触でエネルギー授受でき、クリーンな加熱が可能である。

実務では灰色・拡散面、等温面、広大平行板などの近似を置き、ラジオシティ(放射能)と入射能の平衡で未知を解く。複数面は行列解法を用い、熱放射ネットワークを電気回路に類比して計算する。

放射温度計やIRカメラは、対象の放射率設定が要点である。校正板を併用し反射成分を補正する。分光測定で放射率の波長依存を取得し、熱放射の逆問題(温度推定)の精度を高める。

表面粗さ・酸化・塗装はεを変化させる。高ε黒色塗装は放熱に有効、低-e膜は損失抑制に有効。シールド板の挿入で放射抵抗が直列化し交換量を低減できる。T^4非線形ゆえ小ΔTでの線形化と感度評価が有益である。