技術紹介

密閉型湿式冷却器の開発 基礎試験と実規模機の試作
秋吉

亮 *Ryo Akiyoshi

横溝博 **

H i r o s h i Yo k o m i z o

馬 場 尚 一 郎 ***Shoichiro Baba

冷凍機やヒートポンプの効率向上・省エネルギー化のため、密閉型湿式冷却器の開発が有効であると考え、伝熱面を十分に濡らし性能を向上させること、およびそれによって開放型と同程度の小型化を図ることを目標とし、以下の結果を得た。
①コルゲートフィンを持つアルミニウム合金製熱交換器の外面に散水し、さらに熱交換器下部を空気下流側に傾けることによって、空気側伝熱面をより広く濡らすことができ、伝熱を促進することができた。これは空気による粘性力と重力とがある程度バランスしたためと考えられる。
②上記結果をもとに、実規模の密閉型湿式冷却器を設計・製作した。

キーワード：熱工学、伝熱、相変化、蒸発、冷却器、冷水塔、冷凍機、ヒートポンプ、密閉型、開放型、湿式、乾球温度、湿球温度

1.

①冷却器に循環する流体の出口温度を下げる。

はじめに②熱交換器を介して作動流体を間接的に冷却す冷凍機やヒートポンプでは、作動流体を冷却するのではなく、作動流体を冷却器に直接循環る必要があり、どのようなシステムでも、通常はさせる。

大気によって冷却する。大気で水を冷却する場合冷却器として従来から「開放型冷水塔」が多用には、この冷却器は冷水塔と呼ばれることもある。

されている。これは水が蒸発するときに奪われる

冷 凍 機 や ヒ ー ト ポ ン プ の 性 能 は、COP蒸発潜熱が大きいこと、および水が充填材を通（Coefﬁcient Of Performance ＝冷却熱量／所要動力）過する際に水滴となり蒸発面積が拡大することで評価されることが多いが、この COP を向上さを利用したもので、盛夏を想定した乾球温度 Td

せるには、冷却器には次のようなことが求められ35℃、湿球温度 Tw 27℃、水入口温度 37℃のときる。に、水出口温度として乾球温度より低い 32℃を、

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研究開発事業部
研究開発事業部
研究開発事業部

熱流体技術部
熱流体技術部
熱流体技術部部長

工学博士

課長

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IIC REVIEW/2007/10. No.38

安価にコンパクトに実現できる。

ことになるが、小型化するためには熱交換器の伝しかし開放型冷水塔は大気圧の水しか冷却する

熱面密度 [㎡ /m3] を高める必要がある。しかし、ことができず、上記②を実現するためには、密閉

これにより空気の流速が増え、また流路の形状が型である必要がある。

複雑になり、さらに水が伝熱面上を流れ空気流路

密閉型の実用化には、開放型と同程度の小型化が狭まるために、空気の圧力損失が増加する。所が必要であり、フィンを利用することによって実要電力や騒音を低減するには、このような空気の現されている。夏季など特に高い性能を求められ圧損増加を避ける必要がある。このようなことをるときには、さらにフィンに水を散布し、開放型考慮した上での冷却器の小型化が、本開発の第二と同様の効果により性能を向上させている。の課題である。
また伝熱面密度が高い熱交換器を低コストで製

このような湿式冷却器の性能は、模擬的に次のように表すことができる。
Q = AdKd (Tf−Td) + AwKw (Tf−TTw)

造できる材質は、アルミニウム合金、銅合金、ス(1)テンレス鋼に限られる。これらの中で、コスト、
2

ここで Q は冷却熱量 [W]、A は伝熱面積 [m ]、2

伝熱面密度、および軽量化についてはアルミニウ

K は 熱 通 過 率 [W/m K]、T は 温 度 [K]、 添 字 の d

ム合金が有利であり、耐食性ではステンレス鋼がは乾き部または乾球温度、w は湿り部または湿球有利である。

温度、f は冷却される流体を示す。

耐食性に関しては、水に対してだけでなく、屋

夏季は式 (1) の右辺第 1 項が負になることがあり、この悪影響を小さくするためには Ad ≪ Aw

外に設置することによる酸・アルカリに対しても考慮する必要がある。

である必要がある。また右辺第 2 項の効果が大きさらに屋外に設置することに関しては、埃やス

ければ、従来の水入口 37℃出口 32℃という温度ライムによって空気流路が詰まらないことも重要条件を、例えば水入口 34℃出口 29℃などと低くである。このように、冷却器を長期間、安定的にできる可能性がある。これによる冷凍機やヒート使用する技術の確立が、本開発の第三の課題であポンプの COP 向上効果は大きい。

る。

伝熱面を十分に濡らすために簡便かつ有効な方

そこで著者らは、東京電力 ( 株 ) 殿の委託によ

法は、水を多量に散布することであるが、散布すり、上記第一と第二の課題、つまり密閉型湿式冷る水のコストも無視できない。開放型冷水塔の水却器において伝熱面を十分に濡らし性能を向上さは、スライム、水垢、腐食などを防ぐために添加せること、およびそれによって開放型と同程度の剤を添加している。しかし本方法では、散布した小型化を図ることを目標とし、基礎試験を行い、水の多くを蒸発させてしまうため、溶解物の析出実規模の冷却器を試作した。

を抑えるために、添加物の添加を最小限にとどめ、ここではその結果を報告する。

溶解物の少ない水を、蒸発量より若干多いだけの2.

水を散布する、という方法を取らざるを得ない。

基礎試験装置と試験方法

散布水量を抑え、かつ伝熱面の多くを濡らす、と上記課題を解決するために、熱交換器として、いう相反する要求を満たすことが、本開発の第一

図 1 に示すアルミニウム製コンパクト熱交換器の課題である。

を採用した。住友精密工業 ( 株 ) 製ドロンカップ

次に、冷却性能を向上させるには Aw を増やすであり、空気流路のコルゲートフィンが見えて̶ 52 ̶

空気上流側に設置したスプレーから散水した。
本開発の課題である、散水によるフィンの濡れを促すためには、図 2 のように熱交換器の下部を空気下流側に傾斜できるようにした。
3. 試験結果と考察
試験結果の一例を、図 3 に示す。縦軸の熱通過率 (K × A)[W/K] は、次式で定義した。
空気流路

図1

温水流路

Q=(A×K)(Tf-TTw)

熱交換器の拡大写真(2)

ここで水温 Tf と湿球温度 Tw は、いずれも熱交換器の入口出口の平均温度である。

いる。一つのブロックの寸法は、高さ 625㎜、幅

図 3 より、熱交換器の下部を空気下流側に傾199㎜、奥行き 65㎜である。図 2 に、基礎試験装斜させることによって、性能が向上することがわ

置の概要を示す。

かる。これは重力と粘性力がほぼバランスし、伝熱面が濡れた状態が維持されるためと考えられ

式 (1) 右辺第 2 項の効果を精度良く把握するた
め、空気を加熱加湿した。加熱には 10kW の電気800ヒータを用い最高 35℃に制御した。加湿には蒸熱通過率[W/K]

発量 200㎏ /h の小型貫流ボイラを用い、湿球温度を 27℃まで上げられるようにした。標準的な空筒速度は、3.2m/s とした。温水は、電気ヒータで約 34℃に制御し、温水タンクにため、ポンプで600
400
傾斜大 散水管
傾斜大 スプレー
傾斜小 散水管
傾斜無 散水管

200

熱交換器に供給した。
0

また 0.5㎏ /min 程度の上水を、熱交換器の空気

00.2

0.4

上流側高さ方向 4 ヶ所に水平に設置した散水管に0.60.8

1

散水量[㎏/min]

図3

設けた孔（φ 1㎜× 36 ヶ所）、または熱交換器のF試験結果の一例

T④T H

T H

⑥DP

⑤ ①

① Air Duct
② Heat Exchanger③ Fan④ Boiler⑤ Heater⑥ Silencer⑦ Heater⑧ Tank
⑨ Pump②③⑦T⑧⑨図2基礎試験装置の概要

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る。またスプレーから散水するよりも、熱交換器に接触させた散水管から散水したときの方が性能が高い。これは伝熱面を一様に濡らすことができたためと考えられる。散水量が多い方が性能は向上するが、その効果は小さかった。
空気の圧力損失は、空筒速度 3.2m/s のとき 12㎜ Aq 程度であり、通常の冷水塔よりは大きいが、適応可能な範囲であった。
4.

実規模の冷却器の設計・製作

表 1 に実規模の冷却器の定格値を示す。通常

図 4 実規模の冷却器

水入口 37℃水出口 32℃のところを、3K 下げ、冷凍機やヒートポンプの全体の性能向上を狙った。

ンパクト化することができた。

このような冷却器を実現させるため、伝熱面積5.

を基礎試験装置の 32 倍とした。設計・製作したまとめ冷却器を、図 4 に示す。空気は表と裏の 2 面か密閉型湿式冷却器の関し以下の結果を得た。

ら取り入れ、容積の低減を図った。熱交換器は上①コルゲートフィンを持つアルミニウム合金製

下 2 段とし、設置面積の低減を図った。熱交換器

熱交換器の外面に散水し、さらに熱交換器下の下部は空気下流側に傾斜させている。

部を空気下流側に傾けることによって、空気その結果、高さ 2.3m、幅 2.2m、ファン部幅 2.95m、側伝熱面をより広く濡らすことができ、伝熱奥行き 0.9m となり、開放型冷水塔と同程度にコを促進することができた。
②上記結果をもとに、実規模の冷却器を設計・

表1

実規模の冷却器の定格値製作した。

単位

目標性
冷却水入口温度
冷却水出口温度
大気湿球温度
大気乾球温度
散布水量
通風量

kW℃
℃
℃
℃
L/分
m3/分

74
3429273517970

謝 辞
本開発は、東京電力 ( 株 ) 殿の委託により実施し、同社には多大なるご協力をいただきました。
ここに記し、感謝の意を表します。

研究開発事業部
熱流体技術部
部長 工学博士

研究開発事業部
熱流体技術部

研究開発事業部
熱流体技術部課長

秋吉 亮

横溝 博

馬場 尚一郎TEL. 045-759-2122
FAX. 045-759-2155

TEL. 045-759-2122
FAX. 045-759-2155

TEL. 045-759-2122
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