熱交換器の種類や特徴について解説

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熱交換器の種類や特徴について解説

熱交換器という言葉に耳馴染みがない人は多いかもしれません。ですが、家庭やオフィス、自動販売機など、身近なところに熱交換器はあります。
今回は熱交換器とは何か、種類やその特徴を解説します。

熱交換器の種類や特徴について解説

熱交換器とは

温度差がある2つの物体を隣り合わせると、高い温度の物体の熱は、低い温度の物体に移動する特徴があります。この現象が熱交換といわれるものです。

高い熱を持っていた物体から熱が移動することで、今まで高い温度だった物体は冷え、低い温度だった物体は温まります。この熱交換をより効率よくできるようにする設備のことを、熱交換器といいます。

さまざまなところで使われる熱交換器

熱交換器は身近な生活の場でも数多く使われています。
例えばエアコンには「フィンチューブ式」と呼ばれる熱交換器が活用されています。温浴施設や温水プールの加熱・保温には「多管式熱交換器」が使われることが多くなります。パソコンのCPUなどの半導体の冷却には「ヒートシンク」が使われます。車のラジエーター・オイルヒーター・冷蔵庫や自動販売機の内部にも熱交換器は使われています。

熱交換器の種類と特徴

熱交換器はその種類により特徴があります。特徴が活かせる場所で使用することで、効率よく安全な熱交換が可能となります。

多管式熱交換器

熱交換器の中でも古くから使われている構造の1つが多管式熱交換器です。胴体となる筒状のシェルの中に、伝熱管となるチューブを通す構造で、シェルにもチューブにも液体を流体として使用します。比較的メンテナンスが容易で、分解できる構造のものもあります。流体となる液体の粘度を問わないため、流体として粘度が高いオイルなども使用できます。多管式熱交換器は強固な造りをしているため、高圧力がかかる流体も使用可能です。そのため多様性がある熱交換器といえるでしょう。
ただ熱交換器が大きく設置場所を選びます。工場や大型施設など設置スペースが十分に取れる施設でなければ、多管式熱交換器を設置するのは難しいでしょう。

プレート式熱交換器

伝熱版として凹凸にプレスされた金属のプレートを用い、交互に異なる流体を流し熱交換を実施するのがプレート式熱交換器です。先ほどの多管式熱交換器は液体を流体としますが、プレート式熱交換器は気体も流体にできます。多管式熱交換器に比べ、コンパクトにできるのが特徴の1つです。
プレート式熱交換器の5倍の大きさの多管式熱交換器と同等の能力を備えています。ただしメンテナンスがやや煩雑で、流体として液体を使った場合、詰まりが発生するリスクが高まります。そのため、液体を使用する場合は粘度が低いものを利用しなければなりません。

プレート式熱交換器にはガスケットプレート熱交換器と、ブレージングプレート熱交換器の2種類があります。基本となるのはブレージングプレート熱交換器です。

ガスケットプレート熱交換器は、プレートとプレートの間にガスケットと呼ばれるゴム製の部品を挟みます。プレートが分解できるため、メンテナンスが楽になります。
またプレートを増やせば熱交換能力が高まります。

空冷式熱交換器

たくさんの細い管が束ねられた管束に、ファンから外気を送り込むことで、管束内の流体を冷却または放熱させる構造の熱交換器です。空冷式熱交換器は設置場所を選びません。屋外に設置して使用できるのも特徴です。

水冷式熱交換器

空冷式熱交換器がファンで外気を送り込み熱交換するのに対し、水冷式は冷却水を用いて熱交換する構造です。冷却水を供給する設備が必要ですが、空冷式と同じように比較的自由に設置できる熱交換器です。水冷式熱交換器の冷却水を温水に切り替えると、流体の温度が上がります。

投げ込み式熱交換器

冷却または暖めたい液体に直接熱交換器を沈めて、熱交換を実施する構造です。イメージとしては、お湯が入った鍋に氷を入れるとお湯が冷える仕組みと同じです。構造自体が単純なので導入が容易ですが、熱交換の際の伝導効率が悪く、撹拌機などが別途必要になります。また、どの程度熱交換が可能かといった予測が難しい点もデメリットとなるでしょう。

ジャケットタンク式熱交換器

内槽と外槽の二重構造になっており、外槽の流体として温度調整した水を循環させることで、内槽内の流体を冷却・加温・保温する構造です。湯煎と同じ構造と考えるとわかりやすいでしょう。投げ込み式熱交換器と同様に伝導効率が悪く、交換熱量の予測も付きにくいのが難点です。ですが、構造自体が簡易なのでメンテナンスが簡単です。
内槽をステンレス素材にすれば清掃がより簡単になるため、食品や医薬品の製造過程でも使われる熱交換器です。

まとめ

熱交換器は身近な場所でも使われています。使用するものに合わせ適した熱交換器があります。
今回は6種類の熱交換器について紹介しましたが、実際にはもっとさまざまな種類の熱交換器があります。どのようなものを冷却または加温、保温するのかにより適切なものを選ぶことが必要です。

 

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