- 熱交換器って聞いたことはあるけど、そもそも何をするためのものなんだろう？
- 熱交換器って部品なの？設備（部品を組み立てたもの）なの？
- 熱交換器の仕組みはどうなっているの？
- 熱交換器にも種類とかあるの？それぞれの構造、特徴、使用用途が分からない
皆さんは、上記のように、
「熱交換器の役割、仕組み、種類、使用用途がよく分かっていない」
という状態ではないでしょうか？
熱交換器は、気体や液体の温度をコントロールすることができ、プラントにおいて必ず使用されている超重要部品です。
そのため、「熱交換器とは何か？」を具体的に理解することは、プラントエンジニアリング業界で働く人にとって必須といえます。
そこで本記事では、皆さんが「熱交換器とは何か？」を具体的に理解できるよう、熱交換器の役割、仕組み、種類（皆さんが知っておくべき構造と特徴、使用用途を踏まえて）を解説します！
この記事で分かること
- 熱交換器の役割、仕組み、種類、使用用途が分かる
そして、
- 「熱交換器とは何か？」を具体的に理解できる
その結果、
- 技術者と熱交換器に関する会話を不自由なく行えるようになる
文系出身で現在、プラントエンジニアリング業界の調達部門で働く武将が、自身の経験を踏まえてわかりやすく解説しますので、ぜひ一緒に学んでいきましょう！！
熱交換器の役割
では、まず熱交換器の役割を解説していきますが、ここで覚えておくべきポイントは下記2点です！
- 熱交換器の役割は、熱交換を効率的に行うこと
- 熱交換器は部品である
順番に解説していきます。
熱交換器の役割は、熱交換を効率的に行うこと
この文章を見て、「熱交換って何？」となった方も多いと思いますので、まずは「熱交換」について説明します。
熱交換とは、下記の現象のこと。
「温度の高い流体から温度の低い流体へ熱エネルギーが移動する現象」
※流体：液体や気体のこと
なんだか難しそうに感じますが、全然そんなことはありません。
そもそも熱交換は、熱交換器を使わなくても、自然法則によって勝手に起こる現象です。
例えば、夏の暑い日に皆さんはぬるい缶ビールを持っていたとします。
そして、偶然近くに氷水が入ったクーラーボックスがあったとします。
当然、皆さんはぬるい缶ビールをそのクーラーボックスに入れて、冷やしますよね。
ぬるい缶ビールは氷水が入ったクーラーボックスに入れられることで、徐々に冷えていきます。
そして、最後にはキンキンに冷えた缶ビールが出来上がります。
上記の例で缶ビールが冷えていくのは、缶ビールが持つ熱エネルギーが周囲の氷水へ移動していくためであり、まさに熱交換が行われている現象です。
このように熱交換は、温度の異なる二つの流体があるときに、特別な機械がなくても自然に発生する現象です。
では、なぜ熱交換器が存在するのでしょうか？、熱交換器の存在意義は何なのでしょうか？
その答えは、熱交換器は熱交換を効率的に（短時間で、大量に）行うことができるからです。
例えば、熱交換器にぬるいビールと氷水を流し込んだ場合、クーラーボックスに入れて冷やしていた時に比べて、圧倒的に短時間で、大量のビールを冷やすことが可能です。
（上記の具体例はイメージです。BBQ場に熱交換器を持ってきてぬるいビールを冷やすことは多分無いはずです。。）
熱交換器はこのように熱交換を効率的に行えることから、身近な物でいえば、エアコンや給湯器にも使用されています。
ではここで、プラントについても説明しておきます。プラントは以下のような場所です。
- プラントは、製品を化学反応によって製造している。その化学反応を起こすにはシビアな温度コントロールをし続ける必要がある
- プラントの設備は稼働することによって発熱する設備もあり、そういった設備は熱による破損を防ぐために常に冷やし続ける必要がある
上記のようなプラントでは、常に温度をコントロールするためにも熱交換を効率的に（短時間で、大量に）行っていくことが求められます。
熱交換器は、熱交換を効率的に（短時間で、大量に）行うことができるため、そんなプラント内で原材料やユーティリティ（冷却水など）の温度を調節する設備などで使用され、役割を果たしています。
そのため、熱交換器はプラントにとって極めて重要な役割を果たす、超重要部品として扱われます。
「プラントって何？」「プラントって何をする場所？工場と何が違うの？」「プラントの中身（内部構造）はどうなっているの？よく分からない」という方は、こちらの記事で詳しく解説しますので、ぜひご覧ください！
「ユーティリティ」や、熱交換器を使用している温度調節設備が含まれる「ユーティリティ設備」については、こちらの記事で詳しく解説していますので、ぜひご覧ください！
ここまで、いろいろ説明しましたが要するに、
熱交換器は、熱交換（温度の異なる二つの流体があるときに自然に発生する）を、効率的に（短時間で、大量に）行うという役割を果たしています。
熱交換器は部品である
この文章は熱交換の役割ではなく、「熱交換器」の定義に近いですが、頭を整理するために覚えておいてほしい内容になります。
文章の通り、熱交換器は部品です。つまり、設備内部に組み込まれて使用される部品です。
ものによっては熱交換器単体で使用されることもありますが、基本的には設備内部に組み込まれ、設備内部で役割を果たしています。
例えば、熱交換器が使用されている身近な物として、上述しているエアコンや給湯器がありますが、これらは内部に、熱交換器が組み込まれています。
皆さんに覚えておいてほしい重要な認識としては、
エアコンや給湯器が熱交換器ということではなく、熱交換器はエアコンや給湯器の内部で効率的に熱交換を行う内部部品であるということです。
熱交換器の仕組み
ここまでで、「熱交換器の役割は、熱交換を効率的に行うこと」、「熱交換器は部品であること」について分かったと思います。
ここからは、熱交換器がどのような仕組みで熱交換を効率的に行っているのかについて解説していきます！
熱交換を決める3要素
熱交換器が「効率的に熱交換を行うことができる」ということは、「一度にたくさんの熱エネルギーを移動させることができる」ということと同じ意味になります。
そこでまず、熱交換によって移動する熱エネルギーの量は、どのように決まるかを考えていきます。
熱交換によって移動する熱エネルギーは次の３要素で決まります。
- 伝熱面積
- 熱の伝わりやすさ
- 温度差
そのため、熱交換器は（後述する種類によって方法は違えど）、上記の３つの要素を高めるような構造になっています。
では、ここからは「熱交換を決める３要素がどのようなものなのか？」と「熱交換器では熱交換を決める３要素をどのように高めているのか」を解説していきます。
「熱交換器では熱交換を決める３要素をどのように高めているのか」については、後述する熱交換器の種類の一つである、「シェル＆チューブ式熱交換器」を例に説明します！
熱交換を決める3要素①：伝熱面積
伝熱面積とは？
- 伝熱面積とは、熱交換が行われる二つの流体が接する伝熱面の面積のこと。
- 例えば、氷水を入れたクーラーボックスに入った缶ビールの場合、下図の部分が伝熱面積になる。
- 伝熱面積が大きいほど、熱エネルギーが移動する「出入口」が大きいことになるため、一度にたくさんの熱エネルギーを移動させることができる。
熱交換器ではどのように伝熱面積を高めているのか？
- 例えば、シェル＆チューブ式熱交換器では、下図のように一方の流体をたくさんの細いチューブに流し、もう一方の流体はたくさんの細いチューブの隙間を流れる構造になっている
- シェル＆チューブ式熱交換器の伝熱面積は細いチューブの表面積であり、細いチューブがたくさんあることで、非常に大きい伝熱面積となっている。
- シェル＆チューブ式熱交換器は、この非常に大きい伝熱面積によって効率的に熱交換を行うことができる。
熱交換を決める3要素②：熱の伝わりやすさ
熱の伝わりやすさとは？
- 熱の伝わりやすさは、二つの流体間を熱エネルギーがどの程度スムーズに移動することができるかを表したもの。
- 熱の伝わりやすさは、複数の要素によって決まり、設計者はそれらの要素の状態から複雑な計算を行って熱の伝わりやすさを数値化している。
- 熱がより伝わりやすい状態であれば、同じ伝熱面積であっても、よりたくさんの熱エネルギーが移動する。
設計者ではない皆さんは、熱の伝わりやすさを数値化する計算方法を覚える必要はありません。
各要素がどのような状態だと熱が伝わりやすいのかだけ、知っておきましょう！
流体側の状態
- 流速：流速が早いほど熱が伝わりやすい
- 次から次へと新しい冷たい（または熱い）流体に触れることができるから
- また、流体がかき混ぜる作用のある乱流が発生しやすく、同様に新しい冷たい（または熱い）流体に触れることができるから
- 流体の種類：流体の種類によって熱の伝わりやすさが異なる
- 例：熱が伝わりやすい・・・油＞水＞空気・・・熱が伝わりにくい
伝熱面の状態
- 伝熱面の材質：伝熱面の材質によって熱の伝わりやすさが異なる
- 例：熱が伝わりやすい・・・銀＞銅＞金＞アルミニウム＞鋼＞鋳鉄＞ステンレス＞ガラス＞プラスチック＞ゴム・・・熱が伝わりにくい
- 壁の厚み：伝熱面の壁が薄いほど熱が伝わりやすい
- 伝熱面の汚れ：伝熱面に汚れが付着していると熱が伝わりにくい
熱交換器ではどのように熱の伝わりやすさを高めているのか？
- 例えば、シェル＆チューブ式熱交換器では、伝熱面となる細いチューブの材質を熱が伝わりやすい銅製にしたり、チューブの厚みを薄くして、熱を伝わりやすくしている。
- 他にもチューブの内径を細くすることで流速を上げたり、チューブ表面の汚れを清掃できるような構造にすることで、熱を伝わりやすくしている。
- シェル＆チューブ式熱交換器は、上記のような工夫により熱を伝わりやすくして、効率的に熱交換を行うことができる。
熱交換を決める3要素③：温度差
温度差とは？
- 温度差とは、熱交換が行われる二つの流体の温度差のこと。
- 例えば、ぬるい缶ビール（20℃）を冷やすとき、氷水（０℃）が入ったクーラーボックスとと水道水（18℃）が入ったクーラーボックスでは、氷水（０℃）の方が、圧倒的に早く冷える。
- 温度差が大きいほど、熱エネルギーが勢いよく移動しようとするため、短時間でたくさんの熱エネルギーが移動する。
2つの流体の温度差が熱交換によって徐々に小さくなってくると、熱エネルギーが移動する勢いも徐々に落ちていきます。
二つの流体が移動しない場合は、最終的に二つの流体は同じ温度になります。
熱交換器ではどのように温度差を高めているのか？
温度差に関しては、熱交換器に入る前の流体の状態によって決まるため、基本的に熱交換器でどうにかすることはできません。
ただし、熱交換器内部の二つの流体の流れる向きを操作することで、温度差を高めることができます。
- 熱交換は二つの流体の流れる方向が向流のときのほうが並流のときよりも温度差を高く保つことができ、効率的に熱交換が行える。（下図参照）
- 向流のときは、二つの流体の温度差は入り口から出口まで、常に温度差がある状態がキープされて、熱エネルギーが移動する勢いが落ちない
- 並流のときは、二つの流体の温度差が入り口で最も大きく、勢いよく熱交換が行われるが、徐々に温度差が減るため、熱エネルギーが移動する勢いが落ちていく。
- 結果的に、向流の方が、より多くの熱エネルギーを移動させることができる。
- そのため、特段の理由が無ければ、向流の熱交換器が使用されることが多い。
知っておくべき熱交換器の種類
ここまでで、熱交換器の役割、仕組みが分かったと思います。
仕組みの部分で、熱交換器の一種であるシェル＆チューブ式熱交換器を紹介しましたが、熱交換器には、そのほかにもたくさん種類が存在します。
そこでここからは、熱交換器の主要6種類を皆さんが知っておくべき構造と特徴、使用用途を踏まえて解説していきます！
- シェル＆チューブ式熱交換器（多管円筒式）
- プレート式熱交換器
- フィンチューブ熱交換器
- ジャケット型熱交換器
- 浸漬型熱交換器（投げ込み型）
- 直接式熱交換器
順番に解説していきます！
1. シェル＆チューブ式熱交換器（多管円筒式）
構造：
- 円筒形の胴体（シェル）の中に、多数の細い管（チューブ）を収めた構造をしている。
熱交換が行われる方法：
- 一方の流体は、熱交換器に入るとチューブ内を通過して、熱交換器を出る。
- （上図の場合は、低温流体）
- もう一方の流体は、熱交換器に入ると、シェル内部に流れていき、チューブの隙間を通過していく。また、バッフルといわれる仕切りによって、流体はシェル内部を蛇行していく。
- （上図の場合は、高温流体）
- 二つの流体は、熱交換器内部を上図のように流れることによって、直接接触することなく、チューブを伝熱面として、熱交換を効率的に行っている。
特徴：
- 汎用性：最も歴史が古く、産業界で最も汎用的に使われている種類。
- 高い信頼性: 構造が堅牢で、低圧から高圧、低温から高温まで幅広い条件に対応可能。
- メンテナンス性: チューブ内部の清掃が比較的容易で、故障時の部品交換も確立されている。
- 柔軟性: 材質の選択肢が広く、腐食性流体にも対応しやすい。
使用用途:
- 石油化学プラント、発電所の復水器・過熱器、大型船舶の冷却器、製油所など、大規模なプロセス全般。
シェル＆チューブ熱交換器は非常に汎用的であり、様々な用途に使用されています。
2. プレート式熱交換器
構造：
- プレート式熱交換器は多数のプレートが重ねられた構造。
- 重ねられたプレートはプレート同士を溶接して固定しているものもあれば、上図のようにボルトで締め付けて重ねられた構造のものもある。
- プレートの数を増やすほど、伝熱面積が増加し、熱交換によって移動する熱エネルギーの量を増やすことができる。
- プレートは波打った形状になっている
熱交換が行われる方法：
- 熱交換器に入った高温流体と低温流体は、上図のように、重なり合ったプレートの隙間を交互に流れる。
- 隣り合った高温流体と低温流体で、プレートを伝熱面として熱交換が行われる。
特徴:
- コンパクト: 伝熱面積が非常に大きく、シェル＆チューブ式の1/3〜1/5のスペースで同等の能力を発揮する。
- 高効率: プレートが波状になっているため乱流が起きやすく、また常に向流方向のため、より熱が伝わりやすく、効率よく熱交換可能。
- 拡張性: ボルトで締め付けてプレートを重ねているタイプの場合、設置後からでもプレートの枚数を増減させることで能力の調整が可能。
使用用途:
食品・飲料の殺菌（牛乳やビール）、ビル空調、地域冷暖房、化学プロステの液−液熱交換。
3. フィンチューブ熱交換器
構造：
- 熱交換器内部に薄板（フィン）のついたチューブが張り巡らされている構造
- チューブに取り付けられたフィンによって伝熱面積が非常に大きくなっている
熱交換が行われる方法：
フィンチューブ熱交換器は液体と気体の熱交換で使用されます。
- 熱交換器内部のフィンチューブに高温または低温の液体が流れ込む。
- チューブ内を高温または低温の液体が流れることで、フィンも暖められたり、冷たくなる。
- ファンなどで気体がフィンチューブ熱交換器へ吹き込まれる。
- 吹き込まれた気体はフィンチューブの隙間を通過することで、フィンチューブを伝熱面として熱交換が行われる。
特徴:
- 気体との熱交換が得意: フィンによって伝熱面積を稼ぐことで、熱が伝わりにくい空気（ガス）との熱交換でも効率的に行うことができる
使用用途:
- エアコンの室内機・室外機、自動車のラジエーター、工場の乾燥工程用ヒーター、空冷式オイルクーラー。
4. ジャケット型熱交換器
構造:
- 上図のように、容器（タンク）の外側をもう一層の壁で覆った２重壁の構造
- 容器内部の流体をかき混ぜられるように攪拌機がついていることも多い
熱交換が行われる方法:
- 温度調節したい流体を容器内部に入れる。
- 2重壁の間に高温または低温の流体を流し、容器の壁面を伝熱面として熱交換が行われる。
- 伝熱面に接している部分と、そうでない部分で温度にむらが発生するため、攪拌機でかき混ぜる。
特徴:
- 熱交換が行える容器: 熱交換をして温度を調節しつつ、化学反応を起こしたり、貯蔵することができる容器としての役割を果たす。
使用用途:
- 化学反応釜、医薬品の製造タンク、食品の調合タンク、チョコレートなどの保温。
5. 浸漬型熱交換器（投げ込み型）
構造:
- 上図のようなチューブをコイル状にしたものや、パネルにチューブを張り巡らせた形状のものがある。
熱交換が行われる方法:
- 浸漬（しんせき）型熱交換器に高温または低温の流体を流し続けた状態で、流体が入った容器内に入れる。
- コイル状やプレート状のチューブが伝熱面となり、熱交換が行われる。
特徴:
- 設置が簡単: 既存のタンクに後から入れるだけで使用でき、大がかりな配管工事が不要な場合が多い。
- 低コスト: 構造がシンプルで安価に導入できる。
使用用途:
- めっき槽の加熱・冷却、酸洗い槽、簡易的な水槽の温度調節、廃熱回収
6. 直接式熱交換器
構造:
- 上図のように、壁を隔てず、高温と低温の流体を直接接触させる構造
- 二つの流体が接触する面積（伝熱面積）が増えるように、流体を分散させる構造のものもある
熱交換が行われる方法:
- 高温と低温の流体を直接接触させて熱交換を行う
この熱交換器は、二つの流体が混ざらない組み合わせ（空気と水等）、または、混ざっても問題ない組み合わせ（水と水蒸気等）で使用されます。
特徴:
- 最高の熱効率: 伝熱面に物理的な壁が無いため、非常に素早く熱交換が行われる
使用用途:
- 冷却塔（クーリングタワー：水と空気を直接触れさせて冷却）、直接蒸気吹き込み（タンク内の液を蒸気で直接加熱）、排煙脱硫装置。
- 注意点として、流体同士が混ざっても問題ない場合に限られる
まとめ
今回は、皆さんが「熱交換器とは何か？」を具体的に理解できるよう、熱交換器の役割、仕組み、種類（皆さんが知っておくべき構造と特徴、使用用途を踏まえて）を解説しました。
〇熱交換器の役割
覚えておくべき２つのポイント
- 熱交換器の役割は、熱交換を効率的に行うこと
- 熱交換器は部品である
〇熱交換器の仕組み
熱交換器は、下記の「熱交換を決める3要素」を高めるような構造になっている
熱交換を決める３要素
- 伝熱面積
- 熱の伝わりやすさ
- 温度差
〇知っておくべき熱交換器の種類
熱交換器の主要6種類
- シェル＆チューブ式熱交換器
- プレート式熱交換器
- フィンチューブ熱交換器
- ジャケット型熱交換器
- 浸漬型熱交換器
- 直接式熱交換器
上記の内容を理解しておくことで、「熱交換器とは何か？」を具体的に理解することにつながります。
その結果、皆さんは、技術者と熱交換器に関する会話を不自由なく行えるようになります！
今後は熱交換器を使用した温度調節設備（チラー、冷却塔等）に関するを記事を皆さんが最低限知っておくべき内容を明確にして解説していきますので、ぜひ一緒に学んでいきましょう！
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