純アルミニウムの熱伝導率は205～237 W/m・Kであり、一般的な金属の中では銀と銅に次ぐ値です。 合金の熱伝導率は、およそ117～218 W/m·Kまで低下します。しかし、最高値だけで判断するのは不十分です。単位質量あたりでみると、アルミニウムは銅の約1.4倍の熱を伝達するため、ヒートシンク、コールドプレート、熱交換器にはアルミニウムが頻繁に使用されています。 選定のポイントは、動作温度における熱伝導率の値、強度と熱伝導率のトレードオフ、そして用途に適した合金の3つに集約されます。
アルミニウムが優れた熱伝導体である理由
金属は主に自由電子を介して熱を伝導します。結晶格子内を移動する電子が、高温側から低温側へと熱を運びます。電子が遭遇する衝突が少ないほど、その物質の熱伝導率は高くなります。純アルミニウムは格子が均一で不純物が極めて少ないため、電子はほぼ妨げられることなく移動し、熱伝導率と電気伝導率の両方が高いまま維持されます。 合金化によってこの状況は変化します。溶解した元素が散乱中心として作用し、電子の軌道が乱されるため、伝導率は低下します。
自由電子はどのように熱を運ぶのか
熱伝導と電気伝導は同じ自由電子を共有しているため、通常は共に上昇・下降します。 純アルミニウムの熱伝導率は237 W/m・K近くに達し、これは銅の約60%に相当します。ここから導かれる実用的な経験則として、アルミニウムの電気伝導率を著しく低下させるような添加物があれば、その熱伝導率もほぼ同じ割合で低下するということです。
熱伝導率と熱拡散率の比較
この2つの値は、それぞれ異なることを表しています。熱伝導率（k）は、定常状態でどれだけの熱が流れるかを示すもので、ヒートシンクのサイズ決定に用いる数値です。熱拡散率（α）は、温度変化がどれほど速く広がるかを示し、部品が均一に温まるか、あるいは高温箇所が生じるかを決定します。 アルミニウムのαは約91 mm²/sで、ステンレス鋼よりも1桁ほど大きいため、アルミニウム製のヒートシンクは急速に温まり、温度分布も均一に保たれます。定常状態の設計にはkを用い、立ち上がり時間やホットスポットが問題となる場合はαを確認してください。
アルミニウム合金シリーズの熱伝導率
以下の数値は、室温（20～25°C）における定常状態での測定値です。W/m·K は、1 m³の材料を通る温度差1°Cあたりの熱流量（ワット）を示しています。サプライヤーのデータシートやサイズと、当該グレードのデータとの間には、数W/m·K程度のばらつきが見込まれます。
アルミニウム合金の熱伝導率参考表
| 素材 | 熱伝導率（W/m・K） | 備考 |
|---|---|---|
| 純アルミニウム（1xxx系） | 222–237 | 1050 ≈ 229、1100 ≈ 222；導電性が最も高く、強度が最も低い |
| 3003 (3xxx) | 163–193 | マンガン合金；適度な強度で、損失もさほど大きくない |
| 5052/5083 (5xxx) | 117–200 | マグネシウム濃度が高くなると導電率は低下する。耐食性に優れる。 |
| 6061-T6 (6xxx) | ≈ 167 | 力と伝導の通常のバランス |
| 6063-T5 (6xxx) | 200–209 | 押出成形ヒートシンクフィンに一般的に用いられる |
| 7075 (7xxx) | 125–157 | 最高の導電性を犠牲にして得た航空宇宙レベルの強度 |
| 純銅（参考） | 385–401 | アルミニウムよりも約60～70%高い |
| 304ステンレス鋼（参考） | 14～25 | アルミニウムのわずか1/10～1/15 |
1xxxシリーズは熱伝導率が最も高いが、構造部品としては柔らかすぎる。一方、6xxxシリーズは熱伝導率は低いものの、熱を放散しながら荷重を支えることができるため、実際のヒートシンク構造ではこのシリーズが主流となっている。
温度の変化が数値に与える影響
温度は最も見落とされがちな値です。純アルミニウムの熱伝導率は、0°Cで約236 W/m·Kから、527°Cで220 W/m·Kまで変化し、一旦上昇してから下降し、溶融すると約92 W/m·Kまで急激に低下します。 室温のデータは20～25°Cにおける定常状態の値に過ぎないため、実際の動作温度における数値を参照してください。
アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因
合金組成と熱処理によって、特定のグレードにおける値が決定され、使用温度によってどの値が適用されるかが決まります。合金化により、純アルミニウムの熱伝導率（205～237 W/m・K）が各シリーズの範囲内に広がり、熱処理によって同一グレード内の数値が変化します。
合金元素が熱伝導率に与える影響
合金元素は、強度、耐食性、あるいは成形性を向上させますが、そのいずれもが、ある程度導電率を低下させます：
- 銅：導電性を犠牲にして大幅な強度向上を実現。航空宇宙用2xxx系合金の基礎となる素材。
- シリコン：ダイカストには流動性が良いが、溶液中の導電率は明らかに低下する
- マグネシウム：耐食性と溶接性。含有量が多いほど熱伝導率が高くなり、マグネシウム含有量の高い5xxx系合金ではその特性が最も失われる。
- 亜鉛：7xxx系アルミニウム合金の強度の源であり、導電性への悪影響が最も大きい要素
その効果は数値化可能です。純アルミニウムの熱伝導率は約237 W/m・K、6061-T6は約167であり、その差はおよそ40%です。
熱処理が熱伝導率に与える影響
同じグレードでも、熱処理状態によって熱伝導率は変化します。6061-Oは約180 W/m・K、6061-T6は約167です。 Oは焼鈍状態を指し、T4/T5/T6/T7はそれぞれ異なる溶体化処理および時効処理に対応しており、その結果生じる析出状態によって熱伝導率が変化します。データシートを確認する際は、必ず熱処理状態を示す接尾辞が記載されたものを参照してください。
アルミニウムと銅、鋼、その他の熱伝導体との比較
一般的な金属の中で、銀が約428 W/m·Kでトップであり、銅は385～401、アルミニウムは205～237、304ステンレス鋼はわずか14～25である。
銅がアルミニウムに勝る時
銅は定常状態において、6061アルミニウムの約2.3倍の熱伝導率を持つため、高出力密度、限られたスペース、および高い熱流束下での用途――薄いスプレッダー、バスバー、IGBTベースプレートなど――において最適な材料となります。 その代償として、アルミニウムよりもはるかに高い密度と、材料価格の高さが挙げられます。これらを組み合わせた場合、一般的なハイブリッド構造は、アルミニウム製の本体に銅製のチューブやインサートを組み込んだものです。銅が高熱流束の伝達経路を担い、アルミニウムが軽量な構造を提供します。
304ステンレス鋼はまったく異なる役割を果たしています。その熱伝導率はアルミニウムの1/10から1/15程度に過ぎず、 鋼 これは、導電性ではなく、耐食性と強度が重視されて選ばれている。
重量換算では：アルミニウムが優勢
導電率を密度で割ると、状況が一変します。ヒートシンクやコールドプレートなど、重量やコストが重要な要素となる設計においては、この比較こそが肝心なのです：
| 素材 | 熱伝導率（W/m・K） | 密度 (g/cm³) | k/ρ (W·cm³/(m·K·g)) | 役割 |
|---|---|---|---|---|
| 純アルミニウム | 205–237 | 2.70 | 62–76 | ヒートシンク、コールドプレート、熱交換器；重量面での優位性 |
| 銅 | 385–401 | 8.96 | 43–45 | 高出力かつ設置スペースが限られている用途 |
| 炭素鋼 | 45–58 | 7.85 | 5.7～7.4 | 低コストの産業用構造物 |
| 304ステンレス鋼 | 14～25 | 8.00 | 1.9～3.8 | 耐食性と強度 |
| チタン | ≈ 22 | 4.51 | 4.9 | 航空宇宙分野における軽量化 |
アルミニウムの比導電率は銅の約1.4倍である（62～76 対 43～45）。
アルミニウムの熱的特性を活かした産業用途
アルミニウムの熱的特性は、熱交換・冷却、エレクトロニクス・電気、自動車・航空宇宙の各分野で活かされており、中でもエレクトロニクスの冷却が最大の用途分野となっています。
熱交換器および冷却システム
プレートフィン型およびチューブフィン型の熱交換器は、HVAC、冷凍、および工業プロセス分野においてアルミニウムが広く使用されています。 ろう付けされた3003/4343アルミニウム製ラジエーターは、銅・真鍮製の設計にほぼ取って代わり、重量を40～50%軽減しています。また、3xxxシリーズは、大量生産される熱交換コアにおいて、ろう付け時の成形性と耐食性のバランスに優れています。
電子・電気分野での応用
電子機器の冷却用途は、アルミニウムの最大の用途分野です。LED、サーバー、自動車用電子機器、産業用機器などで広く使用されており、一般的には6063-T5が用いられます。一方、電気用バスバーには6101-T6が使用されます。 アルミニウムは、押出成形されたフィンの形状や比熱伝導率（k/ρ、銅よりも高い；比較表を参照）の点で優れていますが、ヒートシンクの総抵抗は、材料の熱伝導率と同様に、界面、フィン面積、気流によっても決定されます。高出力設計では、ヒートパイプや銅製インサートが追加されることがよくあります。
自動車・航空宇宙
自動車用電子機器やEVバッテリーの熱管理には、強度バランスに優れた6061-T6/6063-T6アルミニウム製コールドプレートが使用されています。航空宇宙用熱交換器では、2024-T3/7075-T6が採用され、熱伝導率と重量のバランスが取られています。
結論
選定の手順は単純明快です。まず動作温度と熱流束を決定し、次に機械的要件を定め、最後に性能とコストに基づいて材質を決定します。 実際の使用温度における熱伝導率を確認し、高出力用途では銅または銅・アルミニウムのハイブリッド材を評価する。部品に荷重がかかる場合は6061-T6を、純粋な放熱形状の場合は6063-T5または1100を使用する。熱伝達経路には厚いコーティングを施さないようにし、焼鈍状態を示す接尾辞が付いたデータシートを比較検討する。
熱関連部品を 鋳造または機械加工 数量については、図面をお送りください。実際の仕様に基づき、等級とコストを算出いたします。
よくある質問
アルミニウムの熱伝導率はどうなっていますか？
純アルミニウムの熱伝導率は205～237 W/m·Kであり、一般的な合金の熱伝導率は、グレードや焼鈍状態によって、約117～218 W/m·Kの範囲にある。
6061アルミニウムの熱伝導率はどれくらいですか？
6061-T6は約167 W/m·K、6063-T5は約200～209 W/m·Kである。
アルミニウムと銅、どちらの熱伝導率が高いですか？
定常状態では銅の方が60～70%ほど導電性が高いが、単位質量あたりの放熱量はアルミニウムの方が約1.4倍多い。
アルミニウムとステンレス鋼、どちらの方が熱伝導率が高いですか？
アルミニウムの熱伝導率は、304ステンレス鋼の10～15倍です（205～237 対 14～25 W/m・K）。ステンレス鋼は、熱伝導性ではなく、耐食性や強度のために選ばれています。
なぜアルミニウム合金は純アルミニウムよりも熱伝導率が低いのでしょうか？
合金元素は結晶格子に溶け込み、散乱中心となり、自由電子の平均自由行程を短くします。1xxxシリーズの熱伝導率は222～237 W/m・Kですが、7xxxシリーズでは125～157 W/m・Kまで低下します。
