逆流交換

向流交換は、自然界で発生し、産業や工学で模倣されるメカニズムであり、互いに反対方向に流れる 2 つの流体間で、通常は熱または何らかの化学物質などの何らかの特性が交差します。流体は、液体、気体、さらには固体粉末、またはそれらの任意の組み合わせである可能性があります。たとえば、蒸留塔では、蒸気は下向きに流れる液体を通って泡立ち、熱と質量の両方を交換します。

得られる熱または物質移動の最大量は、向流交換の方が並流（平行）交換よりも高くなります。これは、向流では、徐々に減少する差または勾配（通常は温度差または濃度差）が維持されるためです。並流交換では、初期の勾配は高くなりますが、すぐに低下するため、無駄なポテンシャルが発生します。たとえば、隣の図では、加熱されている流体（上部から排出）の排出温度は、加熱に使用された冷却された流体（下部から排出）よりも高くなっています。並流または平行交換では、加熱された流体と冷却された流体は互いに近づくことしかできません。その結果、同様の条件下では、向流交換の方が平行交換よりも多くの熱または物質移動を達成できます。

フロー配置を参照してください。

回路またはループ内に設置された逆流交換は、流れる液体の濃度、熱、またはその他の特性を高めるために使用できます。具体的には、回路内を流れる流入流体と流出流体の間に緩衝液を配置し、流出流体のチューブに能動輸送ポンプを配置したループ内に設置されたシステムは、逆流倍増装置と呼ばれ、多数の小型ポンプの相乗効果により、緩衝液の濃度を徐々に高めることができます。

流入流体と流出流体が互いに接触するその他の逆流交換回路は、溶解物質の高濃度を保持したり、熱を保持したり、システム内のあるポイントで熱や濃度を外部に蓄積したりするために使用されます。

向流交換回路またはループは、自然界、特に生物系に広く見られます。脊椎動物では、これらはrete mirabileと呼ばれ、もともとは魚のえらにある、水中から酸素を吸収する器官の名前です。これは工業システムで模倣されています。向流交換は、例えばテンサイの根 からスクロースを抽出する場合など、化学工学の 熱力学と製造プロセスにおける重要な概念です。

逆流増殖は、類似しているが異なる概念であり、液体がループ状に移動し、その後、中間ゾーンで反対方向に長い距離移動します。ループにつながるチューブは、受動的に熱（または冷却）または溶媒濃度の勾配を構築し、一方、戻りのチューブは、その全域にわたって一定の小さなポンプ作用を持ち、ループに向かって熱または濃度が徐々に強化されます。逆流増殖は、腎臓^[1]だけでなく、他の多くの生物器官でも確認されています。

向流交換と並流交換は、流体の特性を、ある流体の流れから別の流体の流れに、それらの間で特性の一方向の流れを可能にする障壁を越えて転送するために使用される 2 つのメカニズムです。転送される特性は、熱、化学物質の濃度、または流れのその他の特性である可能性があります。

熱を伝達する場合は、2 本のチューブの間に熱伝導膜を使用し、化学物質の濃度を伝達する場合は半透膜を使用します。

並流交換メカニズムでは、2 つの流体が同じ方向に流れます。

並流および向流交換メカニズムの図に示されているように、並流交換システムでは、交換器の長さにわたって可変勾配があります。2 本のチューブの流量が等しい場合、この交換方法では、交換器の長さに関係なく、一方の流れから他方の流れに物質の半分しか移動できません。

各ストリームの特性が、反対側のストリームの入口条件に 50% 近づくように変化すると、平衡点に達したときに交換が停止し、勾配はゼロに減少します。不均等な流量の場合、平衡条件は、流量の多いストリームの条件にいくらか近くなります。

並流熱交換器は、並流交換メカニズムの一例です。2
本のチューブに同じ方向に流れる液体があります。1 本は最初は 60 °C で高温で、もう 1 本は 20 °C で低温です。熱伝導膜またはオープン セクションにより、2 つの流れの間で熱伝達が可能になります。

熱い流体は冷たい流体を熱し、冷たい流体は温かい流体を冷やします。その結果、熱平衡が実現します。つまり、両方の流体の温度は最終的にほぼ同じ 40 °C になり、元の 2 つの温度 (20 °C と 60 °C) のほぼ中間になります。入力端では、40 °C という大きな温度差があり、熱伝達も大きくなります。出力端では、温度差が非常に小さく (両方とも同じ 40 °C かそれに近い温度)、熱伝達はほとんどないか、まったくありません。液体がチューブから出る前に平衡 (両方のチューブが同じ温度) に達した場合、チューブの残りの長さに沿ってそれ以上の熱伝達は達成されません。

同様の例として、並流濃度交換があります。このシステムは、1 つには塩水 (濃縮塩水) が入ったチューブ、もう 1 つには淡水 (低濃度の塩分を含む) が入ったチューブ 2 本と、浸透圧プロセスで 2 つのチューブの間を水だけが通過できる半透膜で構成されています。淡水の流れから多くの水分子が通過して塩水を希釈しますが、淡水の塩分濃度は常に増加します (水は流れから出ますが、塩分はこの流れから出ないため)。この状態は、両方の流れが同様の希釈度、つまり 2 つの元の希釈度の中間付近の濃度に達するまで続きます。それが起こると、両方の希釈度が同様のレベルになり、浸透圧もなくなるため、2 つのチューブ間の流れはなくなります。

逆流では、2 つの流れが反対方向に移動します。

2 本のチューブに反対方向に流れる液体があり、一方のチューブからもう一方のチューブに特性が伝達されます。たとえば、熱い液体の流れから冷たい液体の流れに熱が伝達されたり、溶解した溶質の濃度が高濃度の液体の流れから低濃度の流れに伝達されたりします。

向流交換システムは、接触する長さ全体にわたって 2 つの流れの間の勾配をほぼ一定に保つことができます。長さが十分に長く、流量が十分に低い場合、ほぼすべての特性が伝達されます。したがって、たとえば熱交換の場合、排出される液体は、最初に流入する液体の熱とほぼ同じくらい熱くなります。

向流熱交換器では、熱い流体は冷たくなり、冷たい流体は熱くなります。

この例では、60 °C のお湯が上部のパイプに入ります。その過程で暖められていた下部のパイプの水が、ほぼ 60 °C まで暖められます。わずかですが熱差が存在し、少量の熱が伝達されるため、下部のパイプから出る水の温度は 60 °C 近くになります。お湯の入力温度は最高 60 °C で、下部のパイプから出る水はその温度に近いものの、完全には達していないため、上部のパイプの水は下部のパイプの水の温度をほぼその温度まで温めることができます。上部のパイプから出る冷たい端では、下部のパイプに入る冷たい水がまだ 20 °C と冷たいため、上部のパイプの冷却されたお湯から最後の熱を奪い、その温度を冷たい入力流体のレベル (21 °C) 近くまで下げることができます。

その結果、温水を受け取っていた上部のパイプからは 20 °C の冷水が排出され、冷水を受け取っていた下部のパイプからは 60 °C 近くの温水が排出されることになります。つまり、ほとんどの熱が伝達されたことになります。

逆流交換を実装するシステムでは、2 つの流れが何らかの意味で「等しい」場合にのみ、ほぼ完全な転送が可能になります。

物質濃度を最大限に伝達するには、溶媒と溶液の流量を等しくする必要があります。熱伝達を最大限にするには、各流れの平均比熱容量と質量流量が同じでなければなりません。2つの流れが等しくない場合、たとえば熱が水から空気へ、またはその逆に伝達される場合、並流交換システムと同様に、適切に伝達されない特性の蓄積により勾配に変化が生じることが予想されます。^[2]

逆流交換は、生物系においてさまざまな目的で広く使用されています。たとえば、魚はエラで逆流交換を利用して周囲の水から血液に酸素を移し、鳥は脚の血管の間に逆流熱交換器を使用して体内の熱を集中させます。脊椎動物では、このタイプの器官はrete mirabile (元々は魚のエラにある器官の名前) と呼ばれています。哺乳類の腎臓は、尿から水分を除去するために逆流交換を利用しており、体が窒素老廃物を移動するために使用する水分を保持できます (逆流乗数を参照)。

逆流増幅ループは、入口と出口では溶解物質の濃度が同程度に低く、ループの遠端ではその物質の濃度が高くなるように流体がループ内を流れるシステムです。流入チューブと流出チューブの間にある緩衝液が濃縮物質を受け取ります。流入チューブと流出チューブは互いに接触しません。

このシステムでは、流入管内の先端に向かって自然に濃度が上昇するのを可能にし（たとえば、入力パイプからバッファー液への水の浸透圧を使用）、ループから出るときに非常に小さな勾配に逆らってのみポンプを動かす多数の能動輸送ポンプを使用することで、徐々に高濃度を蓄積し、出力パイプ内の濃度を元の濃度に戻します。

低濃度から始まる流入流には半透膜があり、水は小さな勾配で浸透によって緩衝液に流れていきます。ループ内では濃度が徐々に増加し、ループの先端で濃度が最大になります。

理論的には、熱交換用の同様のシステムが存在するか、構築される可能性があります。

画像に示されている例では、水は 299 mg/L (NaCl / H ₂ O) で流入します。この例では、水は小さな浸透圧のため 300 mg/L (NaCl / H ₂ O) で緩衝液を通過します。ループをさらに上に行くと、チューブから緩衝液への水の流れが継続し、チューブ内の NaCl 濃度が徐々に上昇して、先端で 1199 mg/L に達します。2 本のチューブ間の緩衝液の濃度は徐々に上昇し、常に流入する液体よりわずかに高く、この例では 1200 mg/L に達します。これは、すぐに説明するように、戻りチューブのポンプ作用によって調整されます。

ループの先端では、流入チューブの塩分濃度 (NaCl) が最も高く、この例では 1199 mg/L、バッファーでは 1200 mg/L です。戻りチューブには能動輸送ポンプがあり、チューブ内より最大 200 mg/L 高い低い濃度差で塩分をバッファー液に送り出します。したがって、バッファー液の 1000 mg/L と反対側では、チューブ内の濃度は 800 であり、送り出す必要があるのは 200 mg/L だけです。ただし、ラインのどの部分でも同じことが当てはまり、ループの出口でも 200 mg/L だけを送り出す必要があります。

実際には、これは徐々に増加する効果と見ることができます。そのため、この現象は「逆流乗算器」と呼ばれ、メカニズムは「逆流乗算」と呼ばれますが、現在の工学用語では、逆流乗算とは、プロセス全体にわたって濃度または熱の一定の小さな差が徐々に最大まで上昇するため、わずかなポンプ操作のみが必要なプロセスを指します。出力パイプで高濃度を受け取ることが目的の場合は、緩衝液は必要ありません。^[3]

腎臓の重要な部分であるヘンレループ内の流体回路は、排出されるネフロン（尿素を徐々に濃縮する過程で液体を運ぶ細管）での能動輸送を利用して、腎臓内の尿の濃度を徐々に高めることを可能にします。能動輸送ポンプは、逆流倍増機構により、一定かつ低い濃度勾配を克服するだけで済みます。^[4]

ネフロンに入る液体からループから出るまでの間に、さまざまな物質が通過します (ネフロン フロー図を参照)。フローの順序は次のとおりです。

• 腎小体：液体はボーマン嚢からネフロン系に入ります。 ^[5]
• 近位尿細管：その後、太い下行脚で尿素が再吸収される。 ^[6]浸透圧によってネフロンから水分が除去され（グルコースやその他のイオンは能動輸送によって排出され）、ネフロン内の濃度が徐々に上昇する。 ^[7]
• ヘンレループ下降：液体は細い下降肢から太い上昇肢へと通過します。水は浸透によって絶えず放出されます。^{[8] [要出典]}浸透圧濃度は徐々に増加し、ループの先端で1200 mOsmに達しますが、膜を挟んだ差は小さく一定に保たれます。

たとえば、細い下行脚の内側のある部分の液体は 400 mOsm ですが、外側は 401 です。下行脚のさらに下に行くと、内側の濃度は 500 ですが、外側は 501 です。そのため、内側と外側の濃度は徐々に増加していますが、膜全体で 1 mOsm の一定の差が保たれています。^{[引用が必要]}

• ヘンレ上昇ループ：ループの先端（または「曲がり」）の後、液体は細い 上昇肢を流れます。^{[9] [出典が必要]}塩（ナトリウムNa ⁺と塩化物Cl ⁻イオン）が液体から汲み出され^{[10] [出典が必要]}徐々に排出液の濃度が低下しますが、逆流倍増機構を使用して、常に一定の小さな浸透圧差に逆らって汲み上げられます。

たとえば、曲がりに近い部分のポンプは、上昇肢の内側の 1000 mOsm から外側の 1200 mOsm まで、200 mOsm の幅でポンプで送り出します。細い上昇肢のさらに上のポンプは、400 mOsm から 600 mOsm の液体にポンプで送り出します。そのため、内側から外側への差は 200 mOsm のままですが、液体の流れが進むにつれて、内側と外側の両方の濃度が徐々に減少します。

液体は、細い上昇肢を出て太い上昇肢を通過するときに最終的に100mOsmの低濃度に達する^[11]

• 遠位尿細管：ヘンレループを離れると、太い上行脚は必要に応じて再吸収し、ネフロン内の濃度を再び高めることができる。 ^[12]
• 集合管：集合管は、再吸収が行われない場合は100mOsm、再吸収が行われた場合には300mOsm以上の濃度の液体を受け取ります。集合管は、必要に応じて、ヘンレループの上行脚と同じ勾配を使用して、遠位尿細管と同じイオンを徐々に排出し、同じ濃度に達することで、濃度を上げ続けることができます。 ^[13]
• 尿管: 液状の尿は尿管へ排出されます。
• 同じ原理が人工腎臓装置内の血液透析にも使用されています。

当初、逆流交換メカニズムとその特性は、1951年にヴェルナー・クーン教授と2人の元学生によって提唱され、彼らは哺乳類の腎臓のヘンレ係蹄で発見されたメカニズムを逆流乗数と呼びました^{[14] 。そして1958年に}カール・ゴットシャルク教授によって実験結果によって確認されました。^[15]この理論は、綿密な研究によってネフロンの両側の液体に浸透圧の差がほとんどないことが示された1年後に認められました。^{[16]腎臓生理学の当時の権威である}ホーマー・スミスは、1959年に譲歩するまで8年間、逆流濃縮モデルに反対しました。^[17]それ以来、多くの同様のメカニズムが生物系で発見されており、その中で最も有名なのは魚類の奇網です。

寒い気候では、鳥類や哺乳類の四肢への血流は冷たい環境条件にさらされることで減少し、動脈と並んで存在する深部静脈（venae comitantes を形成）を経由して体幹に戻ります。^{[19] [20] [21]}これは、動脈血の熱を体幹に戻る静脈血に直接短絡させる逆流交換システムとして機能し、寒い気候でも四肢からの熱損失を最小限に抑えます。^{[18] [19]}四肢の皮下静脈はしっかりと収縮し、それによってこの経路を介した熱損失を減らし、四肢から戻る血液を四肢の中心部の逆流血流システムに強制的に流します。定期的に手足を冷たい水や氷水に浸す鳥類や哺乳類は、手足への逆流血流システムが特に発達しており、手足が鳥類の下肢のように細い場合でも、体温を著しく失うことなく、長時間寒さにさらすことができる。 [ ^20]

オサガメやイルカなどの動物は、慣れていない冷たい水の中にいるとき、このCCHE機構を使ってひれ、尾ひれ、背びれからの熱の損失を防いでいます。このようなCCHEシステムは、最小限に断熱された四肢と細い流線型の突起から脂肪層を走る動脈周囲静脈叢、またはvenae comitantesの複雑なネットワークで構成されています。 ^[20]各叢は、心臓からの温かい血液を含む中心動脈と、体表面からの冷たい血液を含む静脈の束で構成されています。これらの体液が互いに流れていくと、熱勾配が形成され、体内で熱が移動して保持されます。温かい動脈血は、その熱のほとんどを、体外から入ってくる冷たい静脈血に伝えます。これにより、熱が体幹に戻って循環し、熱が保持されます。動脈はこの交換でかなりの熱を放出するため、末梢表面での対流による熱損失は少なくなります。 ^[18]

もう 1 つの例は、雪の上を歩くホッキョクギツネの脚に見られます。脚は必然的に冷たいのですが、血液は循環して、体から熱をあまり失うことなく、脚に栄養を運ぶことができます。脚の動脈と静脈が近いため熱交換が行われ、血液が下方に流れるにつれて冷たくなり、雪に熱をあまり奪われません。(冷たい)血液が脚から静脈を通って上方に流れる際、反対方向に流れる血液から熱を奪い、温かい状態で胴体に戻るため、キツネは快適な体温を雪に奪われることなく維持できます。このシステムは非常に効率的で、ホッキョクギツネは気温が -70 °C (-94 °F) まで下がるまで震えません。

海鳥や砂漠の鳥は鼻孔の近くに塩腺を持っていることが分かっており、そこで塩水が濃縮され、後に海に「くしゃみ」されて排出されます。これにより、これらの鳥は淡水資源を探すことなく海水を飲むことができます。また、海鳥は海で餌を食べたり、泳いだり、潜ったりするときに体内に入る余分な塩分を排出することができます。腎臓では、このような量や濃度の塩分を排出することはできません。^{[22] [23]}

塩分分泌腺は、ペリカン、ミズナギドリ、アホウドリ、カモメ、アジサシなどの海鳥に見つかっています。また、脱水症状や飲料水の不足により塩分濃度が上昇しているナミビアのダチョウやその他の砂漠の鳥にも見つかっています。

海鳥の場合、塩腺はくちばしの上にあり、くちばしの上の主管に通じています。くちばしにある 2 つの小さな鼻孔から水が吹き出され、くちばしを空にします。塩腺には、2 つの逆流機構が働いています。

a. 逆流増殖機構を備えた塩抽出システム。塩は血液の「細静脈」（小さな静脈）から腺管に能動的に送り込まれます。管内の液体は血液よりも塩分濃度が高いですが、流れは逆流交換に配置されているため、塩分濃度の高い血液は腺管が出て主管に接続する場所の近くでシステムに入ります。したがって、腺全体にわたって、ATPによる能動輸送で血液から塩分を含んだ液体に塩分を押し出すために登る必要がある勾配はわずかです。

b. 腺への血液供給システムは、腺の血液中の塩分濃度を高く保ち、それが血液システムに戻らないようにするための逆流交換ループ機構に設定されています。

この腺は塩分を効率的に除去するため、鳥は陸地から数百マイル離れた場所から塩水を飲むことができます。^{[24] [25]}

向流クロマトグラフィーは、向流または並流を使用して2つの混ざらない液体間で分析対象物を差別的に分配することに基づく分離法です。^[26]クレイグの向流分布（CCD）から発展した、最も広く使用されている用語および略語は、向流クロマトグラフィー（CCC）です。 ^[27]特に流体力学的CCC機器を使用する場合。分配クロマトグラフィーという用語は、ほぼ同義語であり、主に静水圧CCC機器に使用されます。

• 石油精製などの化学物質の蒸留は、多孔トレイを備えた塔またはカラムで行われます。低沸点留分からの蒸気は、下向きに流れる高沸点留分と接触するトレイの穴を通って泡立ちます。低沸点留分の濃度は、塔を上る各トレイで「ストリップ」されるにつれて増加します。低沸点留分は塔の上部から取り出され、高沸点留分は下部から取り出されます。トレイでのプロセスは、熱伝達と物質移動の組み合わせです。熱は「リボイラー」と呼ばれる下部で供給され、冷却は上部のコンデンサーで行われます。

• 液液抽出法（「溶媒抽出法」または「分割法」とも呼ばれる）は、ある液体から別の「相」（「スラリー」など）の液体に物質を抽出する一般的な方法です。この方法は、向流メカニズムを採用しており、核再処理、鉱石処理、微細有機化合物の製造、香水の処理、植物油やバイオディーゼルの製造、その他の産業で使用されています。
• メリル・クロウ法では、向流デカンテーション（CCD）を使用してシアン化物溶液から金を分離することができます。鉱山によっては、チタンで覆われたオートクレーブで濃硫酸と蒸気で元の鉱石を処理した後、ニッケルとコバルトをCCDで処理してニッケルコバルトスラリーを生成しています。スラリー中のニッケルとコバルトは、フラッシュ蒸気加熱水とコバルトとニッケルを交換するCCDシステムを使用してほぼ完全に除去されます。

• 石灰は、低コストで低温で燃焼する燃料を使用して、熱を高温にすることができる向流炉で製造できます。歴史的には、これは日本人によって特定のタイプの穴窯で開発されました。窯は段階的に構築され、燃料に入る新鮮な空気は下方に通され、煙と熱は上方に押し出されます。熱は窯から出ず、入ってくる空気に再び伝わり、ゆっくりと 3000 °C 以上にまで上昇します。

• セメントは、向流窯を使用して製造することができます。向流窯では、熱がセメント内を通過し、排気が組み合わされ、入ってくる空気の流れが 2 つに沿って通過し、熱を吸収して炉内に保持し、最終的に高温に達します。
• ガス化:有機物または化石物質からメタンと一酸化炭素を生成するプロセスは、穴窯と同様の方法で構築される向流固定床 (「上昇気流」) ガス化装置を使用して実行できるため、より厳しい条件に耐える必要がありますが、より高い効率が達成されます。
• 原子力発電所では、発電所から排出される水にウランの粒子が微量でも含まれていてはなりません。一部の施設では、ウランを完全に除去した水を抽出するために、逆流デカンテーション (CCD) が使用されています。

• Zippe 型遠心分離機は、上昇対流と下降対流の間の逆流乗算を利用して、カスケードに必要な段数を減らします。
• 一部の遠心抽出機では、目的の物質を高率に抽出するために、逆流交換メカニズムを使用します。
• 一部のプロテインスキマー（海水プールや魚のいる池から有機物を除去するために使用される装置）は、逆流技術を使用しています。
• 逆流プロセスは小動物の行動を研究したり、遺伝子変異により行動が変化した個体を分離したりするためにも使用されている。^{[28] [29] [30]}

• 穴窯
• 双方向トラフィック
• エコノマイザー
• 熱回収換気
• 再生熱交換器
• 逆流乗算器

• コロラド大学による逆流乗数アニメーション。
• 冬眠中に、呼吸中に体から熱が逃げないようにするために、逆流熱交換を使用するゾウアザラシに関する研究。
• 取り外し可能な逆流交換モジュールを備えたスノーマスクの特許。これにより、息を吐くときにマスクから熱が逃げるのを防ぎます。