熱交換器の種類・仕組み・代表的な使用用途を解説

熱交換器とは、温度の違う2つの流動体を接触させて、熱を交換する機械です。
具体的には、熱い流動体を冷たい流動体へ、冷たい流動体を熱い流動体へ入れ替えていきます。

エアコンや冷蔵庫も、互いの熱を入れ替えて稼働している機械の一種です。
本記事では、熱交換器の代表的な種類・仕組み・使用用途を解説していきます。

熱交換器の仕組み

熱交換器とは、温度の違う流動体を接触させて、熱を入れ替える機械です。
流動体同士が接触する面を「伝熱面」といい、伝熱面を介して熱の入れ替えをします。

必要無くなった熱エネルギーを利用しているため、省エネやCO2削減にも貢献している仕組みです。
日常生活に必要な家電から、工場で使われる工業製品まで、さまざまな場所で稼働しています。

代表的な熱交換器の種類と使用用途

熱交換器にはさまざまな種類があります。
中でも代表的な種類が、以下の9点です。

1.多管式熱交換器｜ヒーター・クーラー
2.プレート式熱交換器｜ホテルなどの大きな建築物
3.スパイラル式熱交換器｜工場・排水処理場
4.フィンチューブ型熱交換器｜廃熱回収・脱臭機
5.2重管｜半導体
6.全熱交｜建物の空調
7.空冷式熱交換器｜コンデンサ
8.コイル式熱交換器｜工場の予熱・冷却
9.クーリングタワー｜ビルの空調

それぞれの種類についてみていきましょう。

①多管式熱交換器｜ヒーター・クーラー

最も一般的で、昔から使われてきた機械です。
太い円管（シェル）の中に細い円環（チューブ）を何本も入れた構造をしています。
中の流動体は平行に流れるため、大きな温度差が必要です。

加熱・冷却・蒸発など、すべての熱交換に対応可能な汎用性がある一方、本体がかさばるといったデメリットがあります。
身近なところだと、ヒーター・クーラー・コンデンサなどに使用されています。

②プレート式熱交換器｜ホテルなどの大きな建築物

凹凸のあるプレートを重ね合わせたタイプの機械です。
温度の違う流動体を互い違いに流し、お互いの温度を入れ替える方式となっています。

コンパクトかつ熱交換率が良いといったメリットがある一方、流動体の詰まりが発生しやすくメンテナンスも大変といったデメリットがあります。
オフィスビル・ホテル・工場などの建物でよくみられる機械です。

③スパイラル式熱交換器｜工場・排水処理場

名前の通り、うず巻きの形状をしているタイプの機械です。
うず巻きの中では、温度の違う流動体が交互に流れています。

うず巻きの間隔や通路幅をある程度自由に設計できるため、固形物を含む流動体に対応できるのがメリットです。

主に二次産業で使用される機会が多く、石油化学工場・製油所・製鋼所・製紙工場などで活躍しています。

④フィンチューブ型熱交換器｜廃熱回収・脱臭機

フィンチューブ型熱交換器とは、主に「気体×液体」で用いられる機械です。
チューブ側に液体を送り、フィンの方には気体を送ります。

材料として主に金属が使用され、寸法が自由に設計できるメリットがあります。
そのため、必要な場所に適切なサイズで設置が可能です。
エアコン・脱臭機・ボイラー廃熱回収などによく利用されています。

⑤2重管｜半導体

2重管は、円管を2重にした構造です。
シンプルな作りであるため、流動体が詰まりづらく、大きさも自由に設計可能です。
円管をコイル状にしてコンパクトにもできます。

中には、内側の円管を複雑な形状にして伝熱効率を上げているタイプもあります。
半導体などによく使用されている構造です。

⑥全熱交｜建物の空調

全熱交は、ビルや住宅の空調としてよく利用されています。
回転型と静止型があり、回転型は熱交換器と送風機が一体になっています。
静止型の場合は、回転型よりもパワフルですが、設置時の工事が少し大変です。
外へ排気される流動体を交換器に通して、適切な温度で室内へ戻す役割を果たしています。

⑦空冷式熱交換器｜コンデンサ

空冷式熱交換器とは、空気を媒介とするタイプの機械です。
自然エネルギーを利用するタイプは数多くありますが、空冷式熱交換器は比較的場所を選びません。

管束の中に冷やしたい流動体を流し、ファンで空気を取り込んで冷やしていく仕組みです。
ランニングコストが低く、メンテナンスの手間もかかりません。
しかし、空気と流動体の温度差が小さい場合、熱交換の効率が下がるデメリットも併せ持っています。

⑧コイル式熱交換器｜工場の予熱・冷却

コイル式熱交換器とは、伝熱管をコイル状に巻きつけた形状をしています。
とてもシンプルな構造で、使用用途によってコイルの大きさや形状を柔軟に変更できるのがメリットです。

タンクなどの流動体に直接投入し、中の温度を変化させるタイプが多く、主に食品工場や製薬工場の予熱・冷却で使用されています。

⑨クーリングタワー｜ビルの空調

クーリングタワーとは、自然エネルギーを利用して流動体を冷やすタイプの機械です。
空気と流動体を直接または間接的に接触させ、流動体の熱を放出（冷却）します。

直接接触させるタイプは、開放式と呼ばれており、本体がコンパクトで冷却効率が高いです。

間接的に接触するタイプは密閉式と呼ばれ、冷却効率は劣るものの流動体の清潔が保たれます。
商業施設やオフィスビルの屋上に設置されているパターンがほとんどです。

まとめ

熱交換器とは、温度の違う流動体同士を直接または間接的に接触させて熱を交換する機械です。
流動体は、人工のものや自然を利用したものなど、数多くの種類があります。

身近なものだと、エアコン・ラジエーター・給湯器なども熱交換器の一種です。
種類によって熱交換率の高い・低いはありますが、どの種類であってもエネルギーの削減に大きく貢献しています。