2020.08.12

熱交換器とは何か?その基本的な仕組みを紹介

”熱交換器”とは何だろうか?簡単に言うと読んで字の如く、『熱』を『交換する』ための機器です。熱交換器は、熱交換をする機械ではなく「器(うつわ)」です。温度の異なる2種類の流体を入れるための「器(うつわ)」なのです。つまり、熱交換器とは、電気を使ったり、動いたり、熱交換器自体が何かするものではなく、中に入れた温度の異なる2種類の流体を混ぜ合わせることなく温度だけを交換するものです。

熱交換器そのものを直接見ることは少ないと思いますが、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は幅広く使用されていますので、とある装置として知られているでしょう。家庭でも多くのことに利用されており、その代表的な物は、ほぼ全ての家庭に存在する電化製品の代表でもあるエアコンや冷蔵庫などがあります。それらは全て、温度変化を起こすためのものであり、そのような機械や装置に欠かせない心臓部なのが”熱交換器”ということです。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

温かいものと冷たいものを同じ空間の中に置いておくと熱の移動が起こります。温かいものが含んでいた熱が冷たいものに移動し、最終的には両方が同じ温度になり、その空間内温度は一定の温度に変化していきます。例えば、お湯を沸騰させた鍋に冷たい水をいれると、鍋の中の温度は、冷たい水を入れる前の温度より下がり、そして鍋の中の温度は一定となります。熱いお茶が暑すぎて飲めない時、氷を入れると氷が溶けてお茶の温度が下がるのも同じことです。つまり熱交換器は、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ための「器(うつわ)」なのです。但し熱交換器は、鍋やお茶の様に、2流体を混ぜ合わせるのではなく、部屋を仕切って熱だけを行き来させるため、熱交換器を通った後も2流体は、それぞれの流体のままになります。

熱が移動するためには、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。上の例では水が流体の役割を果たしています。熱交換器が搭載されている装置などの能力や目的などに合わせて、水の様な液体や気体など、様々な形と種類のものが流体として使われています。

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したり暖めたりする仕組みになっています。エアコンを例にして考えてみます。エアコンは、冷媒と呼ばれるガスをエアコン内部にて使用しています。外の空気と冷媒の熱交換、冷媒と室内の空気の熱交換と2回熱交換が行われています。室外機と室内機が存在するので、それぞれにて熱交換がされていると考えると分かりやすいかと思います。エアコンを使用して部屋を涼しくする場合、室外機から室内機へ流れた冷媒と、室内の空気が熱交換を行い、室内の熱が冷媒に移動します。すると室内には熱を冷媒に移動させた後の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。熱をもらった冷媒はその後、充分に熱を吸収して温められ、再び室外機へと移動し、今度はその熱を外の空気と熱交換して屋外に放出します。室内を冷房している際に室外機から、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。エアコンを使用して部屋を暖かくする場合は、その逆の熱交換が順番にされていきます。

存在する熱を移動させるための熱交換器

高い温度の流体は、熱を沢山持っているとも言えますので、その熱を低い温度の流体へ移動させることは簡単にできます。上の例の様に、沸騰したお湯と冷たい水という具合で、温度差が大きい場合は、熱交換したことを実感しやすいものです。一方で、二つの流体の温度差があまりない場合は、熱交換をすることは難しくなります。少し暖かいものと、少し冷たいものを混ぜても、お互いにぬるいと感じる程度にしかならないのと同じことです。つまり、どちらかに存在する熱を、もう一方に移動させることが熱交換であり、熱を作り出すのは熱交換器の役目ではなく、作り出すことは出来ません。熱そのものを作り出せるのは、電気やガスなどのエネルギー資源です。

空気中の熱を集めてお湯を沸かすこともできる

しかし、目的によっては、流体の温度があまり高くないと、そのままの状態では目的を達成することができない場合もあります。そのため、熱交換器を搭載した機械は、圧縮機などを使用して、熱の持つエネルギーを増やし、熱を増やしています。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となっていて、家庭用や業務用などのエアコンにも利用されている技術です。その技術により、熱い夏に冷たい空気を作って涼んだり、寒い冬に温かい空気を作って暖まることができるのです。圧縮機のエネルギー変換能力はかなり強力で、一時話題となった『空気の熱でお湯を沸かす』というキャッチフレーズでお馴染みになった「ヒートポンプ」というシステムに代表されます。このヒートポンプシステムにより、小型の機会などでもエネルギー変換を行える様になり、自動販売機の様な小型の機会にも搭載されるようになりました。

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、何かを温めたり冷やしたりするための「器(うつわ)」なのです。その器を使って、様々な機械や装置が作られており、それらを使って工場や家庭の快適さが作られているということです。又、熱交換を使ったシステムにより、温度差のないところでも、スムーズな熱利用を可能にしています。

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