チラー

チラーは、蒸気圧縮、吸着冷凍、または吸収冷凍サイクルによって液体冷媒から熱を取り除く機械です。この液体は、熱交換器を介して循環し、機器または別のプロセスストリーム（空気やプロセス水など）を冷却します。必要な副産物として、冷凍は廃熱を生み出します。この廃熱は大気中に排出するか、効率を上げるために加熱目的で回収する必要があります。^[1]蒸気圧縮チラーは、さまざまな種類のコンプレッサーを使用できます。今日最も一般的なのは、密閉スクロール、半密閉スクリュー、または遠心コンプレッサーです。チラーの凝縮側は、空冷または水冷のいずれかです。液体冷却の場合でも、チラーは誘導通風または強制通風冷却塔によって冷却されることがよくあります。吸収式および吸着式チラーは、機能するために熱源を必要とします。^{[2] [3]}

冷水は、中規模から大規模の商業施設、工業施設、公共施設の空気を冷却および除湿するために使用されます。水冷式チラーは、液体冷却（冷却塔経由）、空冷、または蒸発冷却が可能です。水冷または液体冷却システムは、空冷システムよりも効率性と環境への影響の点で優れています。 ^[4]

空調システムでは、空調または冷却プラントのチラーから出る冷却された冷媒（通常はエチレングリコールを混ぜた冷水）が、通常、それぞれの空間の空気を冷却するエアハンドラーまたはその他の端末装置の熱交換器またはコイルに分配される。その後、水はチラーに再循環され、再冷却される。これらの冷却コイルは、空気から顕熱と潜熱を冷水に伝達し、それによって空気流を冷却し、通常は除湿する。空調用途の一般的なチラーの定格は50kW  （ 17万 BTU /時）から7MW（2400万BTU/時）で、少なくとも2つのメーカー（York internationalとLG）が最大21MW（7200万BTU/時）の冷却が可能なチラーを製造できる。^{[5] [6]}冷水の温度（チラーから出る温度）は通常1～7°C（34～45°F）の範囲で、用途の要件によって異なる。一般的に、チラーは12℃（入口温度）の水を受け取り、それを7℃（出口温度）まで冷却します。^[7]

空調システム用のチラーが作動しない場合や修理または交換が必要な場合、緊急用チラーを使用して冷水を供給することができます。レンタルチラーはトレーラーに搭載されており、すぐに現場に配備できます。レンタルチラーと空調システムを接続するには、大型の冷水ホースが使用されます。 ^[8]

工業用途では、チラーからの冷水またはその他の冷却液がプロセス装置または実験装置に送り込まれます。工業用チラーは、幅広い産業における製品、機構、工場機械の制御された冷却に使用されます。プラスチック産業、射出成形およびブロー成形、金属加工切削油、溶接装置、ダイカストおよび機械工具、化学処理、医薬品配合、食品および飲料加工、製紙およびセメント加工、真空システム、X線回折、電源およびガスタービン発電所（タービン吸気冷却#蒸気圧縮チラーを参照）、分析装置、半導体、圧縮空気およびガス冷却でよく使用されます。また、病院、ホテル、キャンパスのMRI装置やレーザーなどの高熱の特殊アイテムを冷却するためにも使用されます。

産業用途のチラーは、1 台のチラーで複数の冷却ニーズに対応する集中型と、各アプリケーションまたはマシンに専用のチラーがある分散型があります。それぞれのアプローチには利点があります。特に、一部のアプリケーションまたは使用ポイントの冷却要件が同じで、すべてではない場合、集中型チラーと分散型チラーの両方を組み合わせることも可能です。

冷水は、中規模から大規模の商業、工業、公共施設 (CII) で空気を冷却および除湿するために使用されます。液体チラーには、液体冷却、空冷、または蒸発冷却があります。水冷または液体冷却チラーには冷却塔が組み込まれており、空冷チラーと比較してチラーの熱力学的有効性が向上します。これは、空気の湿球温度またはその付近で熱が除去されるためであり、乾球温度よりも高い (場合によってははるかに高い) 場合もあります。蒸発冷却チラーは、空冷チラーよりも効率が高く、液体冷却チラーよりも効率が低くなります。

液冷式チラーは、通常、屋内での設置と操作を目的としており、独立した凝縮器水ループによって冷却され、屋外の冷却塔に接続されて熱を大気中に放出します。

空冷式および蒸発冷却式のチラーは、屋外に設置して操作するように設計されています。空冷式の機械は、周囲の空気を機械の凝縮器コイルに直接機械的に循環させて、熱を大気中に放出することで直接冷却されます。蒸発冷却式の機械も同様ですが、凝縮器コイルに水のミストを吹き付けて凝縮器の冷却を補助し、従来の空冷式機械よりも機械の効率を高めます。これらのタイプのパッケージ型空冷式または蒸発冷却式のチラーでは、通常、リモート冷却塔は必要ありません。

利用可能な場合、近くの水域で容易に入手できる冷水は、冷却塔の冷却、交換、または補助に直接使用できます。カナダのオンタリオ州トロントの深層水源冷却システムはその一例です。このシステムでは、冷たい湖水を使用してチラーを冷却し、次に地域冷房システムを介して都市の建物を冷却します。戻り水は都市の飲料水供給を温めるために使用されます。これは、この寒冷な気候では望ましいことです。チラーの排熱を冷却機能に加えて生産目的に使用できる場合はいつでも、非常に高い熱効率が可能です。

蒸気圧縮式チラーは、通常、4 種類のコンプレッサのいずれかを使用します。往復圧縮、スクロール圧縮、スクリュー駆動圧縮、および遠心圧縮はすべて、電気モーター、蒸気、またはガスタービンで駆動できる機械です。半密閉または密閉構成で電気モーターを使用する方法は、コンプレッサを駆動する最も一般的な方法です。これは、燃料供給や排気換気を必要とせず、電気モーターを冷媒によって効果的かつ容易に冷却できるためです。また、モーターは冷媒内で動作できるためシャフトシールも不要で、メンテナンス、漏れ、運用コスト、およびダウンタイムが削減されますが、オープン コンプレッサが使用される場合もあります。これらのチラーは、逆ランキン サイクル(蒸気圧縮とも呼ばれます) によって冷却効果を生み出します。蒸発冷却熱遮断により、成績係数 (COP) は非常に高く、通常は 4.0 以上になります。

警官${\displaystyle ={\frac {\text{冷却電力}}{\text{入力電力}}}}$

現在の蒸気圧縮チラー技術は、蒸気圧縮として知られる「逆ランキン」サイクルに基づいています。チラー システムの主要コンポーネントの概要を示す添付の図を参照してください。

チラーの主要コンポーネント:

冷凍コンプレッサーは、本質的には冷媒ガスのポンプです。コンプレッサーの容量、つまりチラーの冷却能力は、キロワット入力 (kW)、馬力入力 (HP)、または体積流量 (m ³ /h、ft ³ /h) で測定されます。冷媒ガスを圧縮するメカニズムはコンプレッサーによって異なり、それぞれに独自の用途があります。一般的な冷凍コンプレッサーには、往復動、スクロール、スクリュー、または遠心があります。これらは、電気モーター、蒸気タービン、またはガスタービンによって駆動されます。コンプレッサーには、特定のメーカーのモーターが組み込まれている場合もあれば、別の種類の機械的接続に接続できるオープンドライブの場合もあります。コンプレッサーは、密閉型 (溶接密閉) または半密閉型 (ボルトで固定) の場合もあります。

近年、可変速ドライブ (VSD) 技術の適用により、蒸気圧縮チラーの効率が向上しました。最初の VSD は 1970 年代後半に遠心圧縮チラーに適用され、エネルギー コストの上昇に伴い標準となりました。現在、VSD は回転スクリューおよびスクロール技術のコンプレッサーに適用されています。

コンデンサーには、空冷式、液冷式、蒸発式があります。コンデンサーは、熱を冷媒ガスから水または空気へ移動させる熱交換器です。空冷式コンデンサーは、銅管 (冷媒の流れ用) とアルミニウム フィン (空気の流れ用) で製造されています。コンデンサーごとに材料費が異なり、効率も異なります。蒸発冷却コンデンサーの場合、成績係数 (COP) は非常に高く、通常は 4.0 以上です。空冷式コンデンサーは屋外に設置され、操作され、電気ファンを使用してコンデンサーに強制的に送り込まれる外気で冷却されます。水冷式または液冷式コンデンサーは水で冷却され、その水は多くの場合、冷却塔で冷却されます。

膨張装置 ( TEV ) または冷媒計量装置 (RMD) は、液体冷媒の流れを制限して圧力降下を引き起こし、冷媒の一部を気化させます。この気化により、近くの液体冷媒から熱が吸収されます。RMD は蒸発器の直前に配置され、蒸発器内の冷たいガスが蒸発器内の水から熱を吸収できるようにします。蒸発器の出口側には RMD 用のセンサーがあり、これにより RMD はチラーの設計要件に基づいて冷媒の流れを調整できます。

蒸発器にはプレート型とシェルアンドチューブ型があります。蒸発器は熱交換器であり、熱エネルギーを水流から冷媒ガスへ移動させます。残りの液体がガスに変化する間、冷媒は温度を変えずに大量の熱を吸収できます。

吸収式冷凍機の熱力学サイクルは熱源によって駆動されます。この熱は通常、蒸気、温水、または燃焼によって冷凍機に供給されます。電気駆動の冷凍機と比較すると、吸収式冷凍機の電力要件は非常に低く、溶液ポンプと冷媒ポンプの両方を合わせた消費量が 15 kW を超えることはほとんどありません。ただし、熱入力要件は大きく、COP は 0.5 (単効用) ～ 1.0 (複効用) であることが多いです。同じ冷却能力を得るために、吸収式冷凍機では蒸気圧縮式冷凍機よりもはるかに大きな冷却塔が必要です。ただし、エネルギー効率の観点から見ると、吸収式冷凍機は安価で低品位の熱または廃熱が容易に利用できる場合に優れています。^[9]日照時間 が非常に多い気候では、太陽エネルギーを使用して吸収式冷凍機を稼働させています。

単効用吸収サイクルでは、冷媒として水、吸収剤として臭化リチウムを使用します。サイクルが機能するのは、これら 2 つの物質が互いに持つ強い親和性によるものです。プロセス全体は、ほぼ完全な真空状態で行われます。

1. 溶液ポンプ : 希薄臭化リチウム溶液 (濃度 60%) が吸収シェルの底に集められます。ここから密閉型溶液ポンプが溶液をシェル アンド チューブ熱交換器に送り、予熱します。
2. ジェネレーター : 熱交換器から出たあと、希薄溶液は上部シェルに移動します。溶液は、蒸気または熱水を運ぶチューブの束を取り囲んでいます。蒸気または熱水は、希薄臭化リチウム溶液のプールに熱を伝えます。溶液が沸騰し、冷媒蒸気がコンデンサーに上向きに送られ、濃縮臭化リチウムが残ります。濃縮臭化リチウム溶液は熱交換器まで下がっていき、そこでジェネレーターに汲み上げられる希薄溶液によって冷却されます。
3. コンデンサー : 冷媒蒸気はミストエリミネーターを通ってコンデンサーチューブバンドルに移動します。冷媒蒸気はチューブ上で凝縮します。熱はチューブ内を移動する冷却水によって除去されます。冷媒が凝縮すると、コンデンサーの底部の溝に集まります。
4. 蒸発器 : 冷媒液は上部シェルのコンデンサーから下部シェルの蒸発器まで移動し、蒸発器チューブ バンドルに噴霧されます。下部シェルの極度の真空状態 (絶対圧 6 mm Hg (0.8 kPa)) により、冷媒液は約 39 °F (4 °C) で沸騰し、冷媒効果を生み出します。(この真空は、真下の吸収器における吸湿作用 (臭化リチウムと水との強い親和性) によって生み出されます。)
5. 吸収器 : 冷媒蒸気が蒸発器から吸収器に移動すると、発生器からの濃い臭化リチウム溶液が吸収器の管束の上部に噴霧されます。濃い臭化リチウム溶液は実際に冷媒蒸気を溶液に引き込み、蒸発器内に極度の真空状態を作り出します。冷媒蒸気が臭化リチウム溶液に吸収されると熱も発生し、冷却水によって除去されます。これで希薄臭化リチウム溶液が下部シェルの底に集まり、そこから溶液ポンプに流れ落ちます。これで冷却サイクルが完了し、プロセスが再び始まります。^[10]

産業用チラーは、通常、チラーユニット、コンデンサー、再循環ポンプ、膨張弁、無流量シャットダウン、内部冷水制御を備えたポンプステーションを含む、完全なパッケージ化された閉ループシステムとして提供されます。コンプレッサーには、予算とチラーに期待されるパフォーマンスに応じて、スクロールとスクリューの2種類があります。内部タンクは冷水の温度を維持し、温度スパイクの発生を防ぎます。閉ループ産業用チラーは、一定の温度と圧力でクリーンな冷却剤または条件添加剤を含むクリーンな水を再循環させ、水冷式機械および機器の安定性と再現性を高めます。水はチラーからアプリケーションの使用ポイントに流れ、戻ってきます。^{[引用が必要]}

入口と出口の水温差が大きい場合は、冷水を貯蔵するために大きな外部水タンクが使用されます。この場合、冷水はチラーからアプリケーションに直接送られるのではなく、一種の「温度バッファ」として機能する外部水タンクに送られます。冷水タンクは、外部タンクからアプリケーションに送られる内部水よりもはるかに大きく、アプリケーションから戻った温水はチラーではなく外部タンクに戻ります。^{[引用が必要]}

あまり一般的ではないオープン ループの産業用チラーは、オープン タンクまたはサンプ内の液体を常に循環させることで温度を制御します。液体はタンクから引き出され、チラーを通ってポンプで送られ、タンクに戻ります。産業用水チラーでは、空冷ではなく水冷が使用されます。この場合、コンデンサーは周囲の空気で熱い冷媒を冷却するのではなく、冷却塔で冷却された水を使用します。この開発により、エネルギー要件が 15% 以上削減され、水ベースのコンデンサーの表面積が小さくファンがないため、チラーのサイズも大幅に縮小できます。さらに、ファンがないため、騒音レベルが大幅に低下します。^{[引用が必要]}

ほとんどの産業用チラーは冷却媒体として冷凍を使用していますが、中には、冷却剤が入ったコイルに空気や水を流して温度を調節するなど、より単純な技術に頼っているものもあります。プロセスチラーでは水が最も一般的に使用されている冷媒ですが、冷媒混合物（主に水に熱放散を高めるための冷媒添加剤を加えたもの）もよく使用されます。^[11]

産業用チラーを探す際に考慮すべき重要な仕様には、総ライフサイクル コスト、電源、チラーの IP 定格、チラーの冷却能力、蒸発器の容量、蒸発器の材質、蒸発器の種類、凝縮器の材質、凝縮器の容量、周囲温度、モーター ファンの種類、騒音レベル、内部配管の材質、コンプレッサーの数、コンプレッサーの種類、冷凍機の回路の数、冷媒要件、流体の排出温度、COP (RT での冷却能力とチラー全体で消費されるエネルギー (kW) の比率) などがあります。中型から大型のチラーの場合、この値は 3.5 ～ 7.0 の範囲で、値が高いほど効率が高くなります。米国では、チラーの効率は多くの場合、冷凍トンあたりのキロワット数(kW/RT) で指定されます。

プロセス ポンプの仕様で考慮すべき重要な点としては、プロセス フロー、プロセス圧力、ポンプの材質、エラストマーおよび機械式シャフト シールの材質、モーター電圧、モーターの電気クラス、モーターの IP 定格、およびポンプの定格などがあります。冷水の温度が -5 °C 未満の場合は、高濃度のエチレン グリコールをポンプで送るために特殊なポンプを使用する必要があります。その他の重要な仕様には、内部の水タンクのサイズと材質、および全負荷電流などがあります。

産業用チラーを選択する際に考慮すべきコントロール パネルの機能には、ローカル コントロール パネル、リモート コントロール パネル、障害インジケーター、温度インジケーター、圧力インジケーターなどがあります。

その他の機能としては、緊急警報、高温ガスバイパス、市水切り替え、キャスターなどがあります。^[10]

取り外し可能なチラーは、遠隔地や高温や埃っぽい環境に設置するオプションでもあります。^[12]

チラーの騒音レベルが音響的に許容できない場合、騒音制御エンジニアはチラーの騒音レベルを下げるために音響減衰器を実装します。大型チラーでは通常、サイレンサー バンクとも呼ばれる音響減衰器の配列が必要になります。

蒸気圧縮式チラーは、内部で冷媒を作動流体として使用します。冷媒にはさまざまなオプションがあり、チラーを選択する際には、アプリケーションの冷却温度要件と冷媒の冷却特性を一致させる必要があります。考慮すべき重要なパラメータは、動作温度と圧力です。

冷媒に関係する環境要因はいくつかあり、それらはチラー用途の将来的な可用性にも影響します。これは、大型チラーが25年以上も使用される可能性がある断続的な用途では重要な考慮事項です。冷媒のオゾン層破壊係数（ODP）と地球温暖化係数（GWP）を考慮する必要があります。より一般的な蒸気圧縮冷媒のODPとGWPデータ（これらの冷媒の多くは非常に可燃性および/または毒性が高いことに注意してください）：^[13]

R12はODP基準です。CO2_はGWP基準です。

欧州で販売されているチラーに使用されている冷媒は主にR410a（70％）、R407c（20％）、R134a（10％）です。^[16]

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ウィキメディア・コモンズには、チラーに関連するメディアがあります。

• チラーエネルギー消費量計算機（Java が必要）