熱交換器の原理とは ｜ 特徴から効率的な使い方まで詳しく解説！

熱交換器は、私たちの身近な生活に欠かせない装置の一つです。
エアコンや冷蔵庫、自動車のエンジンなど、さまざまな場面で使われています。
仕組みとしては、別々の流体間で熱を移動させる装置であり、低温から高温まで温度変化が可能です。

本記事では、熱交換器の原理、種類、使い方などについて初心者向けに解説しています。

熱交換器の基礎を学び、熱交換器の役割を理解すれば、より効率的な使用方法が見つかるかもしれません。

熱交換器について詳しく知りたい方は、ぜひご覧ください。

熱交換器の原理｜異なる流体の熱エネルギーを交換する

熱交換器は、それぞれの流体間で熱を移動させる装置で、主に加熱や冷却などの温度変化を起こすのが役割です。
熱交換器は、一般的に複数の熱伝達管を用いて作られます。

また、熱交換器はチューブ管やプレート式など構造が分かれており、用途に合わせて設計されています。

熱交換器は身近に存在している

熱交換器は普段の生活において、さまざまな場面で使われる非常に重要な部品です。
ここでは、身近にある熱交換器が使われている機器を紹介します。

エアコン
熱交換器が室内機・室外機に設置され、室内に放出された熱エネルギーを外に逃がして室内を冷却します。
なお、エアコンの暖房機能は、冷却する仕組みを反対に利用して、熱をつくりあげています。

冷蔵庫
冷蔵庫の内部には冷媒と呼ばれる液体が循環していて、蒸発熱現象により室内から熱を吸収し、冷たくなった空気を放出します。

自動車
自動車にもエンジンの熱を冷やすために、熱交換器であるラジエーターを搭載しています。
エンジンの熱はラジエーター内部を通過して、周囲の空気に熱を放出します。
そして、元のエンジンに循環させて冷却効果を発揮しているのです。

このように、熱交換器はさまざまな機器の中で、重要な役割を果たしています。

熱交換器が利用される5つの場面

ここでは、熱交換器が活躍する5つの場面を紹介します。
熱交換器について、イメージしやすくなるでしょう。

場面その1｜加熱

一つ目の場面は、加熱が必要なときです。
具体例として、洗濯機の乾燥機能があげられます。
熱交換器によって、高温の空気を洗濯機内に送り込み、衣類が乾燥する仕組みです。

場面その2｜冷却

二つ目の場面は、冷却が必要なときです。
空冷式熱交換器は、別名空冷ラジエーターとも呼ばれ、石油コンビナートやゴミ焼却プラントなどで活躍しています。

これらは大量の熱を発生させるため、熱交換器による冷却が不可欠です。

場面その3｜冷凍

三つ目の場面は、冷凍が必要なときです。
一例として、スーパーなどの大型冷凍庫は熱交換器によって温度を一定にしています。
最近では、冷凍品の需要が増加しているため、熱交換器も大いに活躍しています。

場面その4｜蒸発

四つ目の場面は、蒸発が必要なときです。
例えば、サウナの場合、熱交換器によって水を蒸発させることで湿度を上げ、快適なサウナ体験を提供しています。

上記のように、熱交換器は水分などを蒸発させる場面でも使われています。

場面その5｜凝縮

最後の場面は、凝縮が必要なときです。
具体的には、除湿器は熱交換器を内蔵しています。
湿気を吸い取るために、空気中の水分を冷却して凝縮させるからです。

以上でわかる通り、熱交換器は私たちの生活や社会において、さまざまな場面で活用されているのです。

熱交換器｜2つの構造について

熱交換器には、チューブ式とプレート式の2つの構造があります。
それぞれの構造や特徴について詳しく解説していきます。

チューブ式熱交換器
内部に熱交換管を設けた筒状の構造で、圧力に強く大量の流体を処理できます。
そのため、主に工場などの機械で使われています。

プレート式熱交換器
高い熱伝導率を持つプレートを使用して熱を移動させ、異なる流体の熱を効率的に交換します。
プレート式熱交換器は、メンテナンスが容易なため、24時間稼働するホテルなどの施設で採用されています。

熱交換器を効率よく使う方法

熱交換器を効率よく使うには、以下の2つの方法が効果的です。

伝熱面積を広げる
熱伝達チューブやプレートの数を増設すれば、伝熱面積が増えるため、効率もあがります。

伝熱効率を高める
熱交換器の伝熱効率を高めるには、以下の3点が効果的です。

1.流体の量を増やす
熱交換器に流れる流体の量を増やし、熱の伝達効率を向上させます。2.伝熱面の汚れを落とす
伝熱面に付着した汚れを取り除けば、伝熱効率の向上が期待できます。

3.熱伝導がしやすい材質にする
熱伝導しやすい材質（銅・アルミニウムなど）に変更すれば、熱の伝達効率を高められます。

上記にあげた方法を組み合わせれば、熱交換器を効率よく使えるようになるでしょう。

まとめ

本記事では、熱交換器について、その構造や種類、使用される場面や重要性を詳しく解説してきました。
熱交換器は、さまざまな温度変化が必要な場面で活躍し、私たちのライフラインを支える重要な装置です。

このように、熱交換器は現代社会には欠かせない重要な装置であり、その効率を高めるためには定期的なメンテナンスや注意点も学ばなければなりません。

これから熱交換器に携わる方は、今回の記事を参考にしながら熱交換器についての理解を深めてください。