2020.08.12

熱交換器とは何か?その基本的な仕組みを紹介

温度を変化させる機械や装置などは、工場など製造業の現場で幅広く使用されています。家庭用の電化製品などではエアコンや冷蔵庫などが温度変化を起こすものとして挙げられます。そのような機械や装置で欠かせないのが熱交換器です。ここでは熱交換器の基本的な仕組みについて紹介していきます。

熱を移動させる仕組み

温かい高い空気と冷たい空気を同じ空間の中に置いておくと熱の移動が起こります。温かい方の空気が含んでいた熱は冷たい方の空気に移動し、最終的には空間の温度が同じくらいになります。熱交換器は、このような熱の性質を利用して意図的に熱を移動させる仕組みです。

熱を移動させるには熱を運ぶための物質が必要になり、その物質を流体と呼びます。上の例では空気が流体の役割を果たしていますが、工場の装置などでは液体が流体として使われているケースも多いです。

家庭用のエアコンや冷蔵庫にも熱交換器が使われており、熱を移動させることで冷やす仕組みになっています。エアコンは室内機と室外機に分かれているので、仕組みが分かりやすいです。

エアコンを使用して部屋を涼しくする際、室内の気温よりも低い温度の冷媒とよばれる流体が、室外機から室内機へ流れ、室内の熱がその流体に移動します。すると室内には冷たい空気だけが残り、涼しさを感じることができるのです。その後、充分に熱を吸収して温められた冷媒は再び室外機の方に移動し、熱を屋外に放出します。室外機から、温かい風が出ているのはそのためです。これらを何度も繰り返すことで、エアコンの冷房が機能しています。

空気中の熱を集めてお湯を沸かすこともできる

高い温度の流体が持っている熱は、簡単に移動させることができます。しかし、流体の温度があまり高くないと、そのままの状態では熱を移動させることはできません。そのため、熱交換器では、圧縮機を使用することが多いです。

圧縮機を使って圧力をかけることで、流体の体積は小さくなりますが、その分だけ温度が上がります。そうすることで、熱の移動を促す仕組みです。エアコンにも圧縮機が入っているため、室内の空気から熱を奪って室内を冷やせるようになっています。

そして、圧縮機の温度を上げる能力はかなり強力です。常温の空気から流体に熱を移動させて、それを圧縮機にかけることでお湯を沸かせるくらいの温度になります。それが『ヒートポンプ』という機械です。

まとめ

熱交換器は、温度の高い方から低い方へ移動する熱の性質を利用して、ものを温めたり冷やしたりします。もし、温度差のないところでも圧縮機を使用すれば、スムーズに熱の移動が可能となります。