熱交換器とは何？熱交換器の構造から生活に果たす役割までを解説

「熱交換器って何？」
この言葉に聞きなれない方も多いでしょう。
熱交換器について、構造と日々の生活の中で果たす役割について解説します。

熱交換器を使用した代表的なものであるエアコンの発明についても解説するので、ぜひともご覧ください。
熱交換器の構造への理解を通して、より便利で快適な生活をするために発明した、人類の叡智について知りましょう。

熱交換器とは熱を移動交換させる機械の構造

熱交換器とは、言葉が示す通り、熱を交換する機械です。
熱エネルギーは、高い熱の方から低い熱の方へと自然に移動します。
自然界で生じるそのような熱の移動を、人工的に、効率よく移動させるのが熱交換器です。

熱交換器により、温度調整が可能になります。
便利な機能を持つ熱交換器は、実にさまざまなところで活用されています。
私たちの生活に身近なところでは、エアコンが代表的なものといえるでしょう。

熱交換器の媒体は液体や気体

熱交換器は、液体や気体を媒体にした構造になっています。
液体や気体を、流体として高温と低温に分けて機械へ通して、その間で熱の移動が行われる仕組みです。
こうして、流体の温度を上げたり下げたりできるようにしています。

温度差による熱交換だけでは、十分な効果が発揮されません。
エアコンをはじめとする熱交換器では、圧縮器を使用しています。
圧縮器で熱エネルギーを変え、より効率的に熱移動させる技術が使われているのです。

熱交換器の構造は2種類

熱交換器の種類は数多くありますが、構造は主に2種類に分けられます。
いずれも、液体や気体を媒体としながら、より効率よく効果を発揮できるよう工夫した構造になっています。

構造1.チューブ式

一本の管（チューブ）の中に流体を通し、外側にもまた別の流体を通します。
両者の流体間で温度差を設け、熱を移動交換させる仕組みです。

中でも「シェル&チューブ型熱交換器」は、多管式交換器で高い効率が期待でき、最も広く使われています。

チューブには金属製の羽（フィン）を付けるタイプもあり、自動車の冷却装置（ラジエーター）は「フィンチューブ式熱交換器」を使用しています。

構造2.プレート式

薄い波型の金属板を使用した構造です。
複数の金属板は、限られた一定の空間を残す形でガスケットを使用して固定され、積層構造となっています。

金属板の間に、高温と低温の流体を入れ替わりで流します。

流体は、金属板に開けた穴を通り、各金属板の表面へ行き渡る形です。
両者の流体間で温度差が作られ、熱が移動交換する仕組みになっています。

熱交換器の代表的な使用方法5選

温度調整ができる大変優秀な機能を持つ熱交換器は、実にさまざまな場面で活用されています。
熱交換器の代表的な使用方法は、次の5種類です。
それぞれの使われ方について解説します。

使用方法1.ヒーターで利用する「加熱」

熱交換器で最も使用される目的になっているのが、「加熱」です。
代表的なものがヒーターです。
ほかには、洗濯機の乾燥機能や給湯器、ボイラーなどがあります。

使用方法2.エアコンに利用される「冷却」

空気や水を冷やす場面で必要とされるのが、「冷却」です。
代表的なものがエアコン。
ほかには、冷蔵庫や自動車のラジエーターなどがあります。

使用方法3.冷凍倉庫に利用される「冷凍」

食品などを凍らせて保存する場合に必要とされるのが、「冷凍」です。
代表的なものが冷凍倉庫です。

最近では、調理や保存のしやすさから冷凍食品工場での需要が大きく、冷凍食品の製造や保存で活用されています。

0度以下でも凍らない不凍冷媒を使用するので、空気の0度以下への調整が可能です。

使用方法4.スチームサウナで活用する「蒸発」

液体を気化させて気体として利用する場合に必要とされるのが、「蒸発」です。
代表的なものがスチームサウナです。
ほかには、都市ガスも該当します。

スチームサウナは、水を蒸気に変えて熱気として利用します。
天然ガスや石油ガスは、液化したガスを蒸発させて利用しているのです。

使用方法5.除湿器で活用する「凝縮」

気体を液化させる方法を利用するのが、「凝縮」です。
代表的なものが除湿器です。
ほかに、工場で排出される有機溶剤ガスの回収があります。

除湿器では、夏場の不快な高い湿度を抑える目的で、湿気を液化して水に変えます。
有機溶剤ガスの回収は、環境問題を考慮した試みで、ガスを液化する方法で可能になるのです。

熱交換器の代表的な発明は「エアコン」

今では当たり前のように使っている、生活空間に欠かせない家電のエアコンです。
熱交換器の代表的なエアコンはどのようにして発明されたのでしょうか。

エアコンを最初に発明したのは、アメリカの技術者であるウィリス・ハヴィランド・キャリアでした。

時は、アメリカが先進的な工業国として発展していた時代の1902年です。

キャリアは温度と湿度を調整できる噴霧式の空調装置を発明し、世界に先駆けて売り出します。
噴霧式は、今のエアコンとは仕組みが異なり、水を加熱したり冷却したりする構造でした。

1928年、アメリカの工業化学者であるトマス・ミジリーは、「フレオン」を開発します。
フレオンは世界初のフロン類に当たり、現在のフロンガスを冷媒として使用するエアコンの開発につながります。

フロンガスは、人間の生活にとって有益なものです。

しかしながら、近年その有害性が指摘されるようになりました。
オゾン層破壊による地球温暖化の問題が、浮き彫りにされるようになったのです。

人類の生活環境は、快適さを求めて今後もさらなる開発が進むでしょう。
同時に、地球を守るグローバルな視点が今、求められているのです。

まとめ

本記事では、熱交換器の構造と、日々の生活の中で果たす役割について解説しました。
熱交換器を使用した代表的なものである、エアコンの発明についても解説したので、熱交換器への理解が深まったでしょう。

熱交換器の構造への理解を通して、より便利で快適に生活するために発明した、人類の叡智を讃えましょう。