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蒸発冷却器（蒸発式エアコン、スワンプクーラー、スワンプボックス、デザートクーラー、ウェットエアクーラーとも呼ばれる）は、水の蒸発によって空気を冷却する装置です。蒸発冷却は、蒸気圧縮式または吸収式冷凍サイクルを使用する他の空調システムとは異なります。蒸発冷却は、水が蒸発するために比較的多くの熱を吸収する（つまり、蒸発エンタルピーが大きい）という事実を利用します。乾燥した空気の温度は、液体の水が水蒸気に相転移する（蒸発する）ことによって大幅に低下します。これにより、冷凍よりもはるかに少ないエネルギーで空気を冷却できます。極度に乾燥した気候では、空気の蒸発冷却は、建物の居住者の快適性を高めるために空気に水分を補給するという利点も持ち合わせています。
蒸発冷却の冷却能力は、乾球温度と湿球温度の差である湿球温度差に依存します（相対湿度を参照）。乾燥気候では、蒸発冷却はコンプレッサー式冷却の代替手段として、空調に必要なエネルギー消費量と設備全体を削減できます。乾燥気候ではない地域でも、間接蒸発冷却は湿度を上げることなく蒸発冷却プロセスを利用できます。受動蒸発冷却方式は、複雑な設備やダクト工事を必要とせずに、機械式蒸発冷却システムと同じメリットを提供できます。
蒸発冷却の初期の形態であるウィンドキャッチャーは、数千年前の古代エジプトとペルシャで屋根の風のシャフトの形で初めて使用されました。これらは風を捉え、カナート内の地下水に通し、冷却された空気を建物内に放出しました。現代のイラン人は、動力式蒸発冷却器（クーラール・アビ）を広く採用しています。[ 1 ]
蒸発冷却器は20世紀に数多くの米国特許の対象となりました。1906年から始まったこれらの特許の多くは、大量の水を動く空気と接触させて蒸発を促す要素として、木毛パッドの使用を提案または想定していました。 1945年の特許に示されている典型的な設計には、貯水槽（通常はフロートバルブで水位が制御される）、木毛パッドに水を循環させるポンプ、パッドを通して空気を家の中に引き込む遠心ファンが含まれています。 [ 3 ]この設計とこの材料は、湿度を上げるためにも使用される米国南西部の蒸発冷却器で依然として主流です。 [ 4 ]米国では、初期のユニットから発生する藻の臭いが原因で、スワンプクーラーという用語が使用されている可能性があります。 [ 5 ]
自動車では、外部に取り付けられた蒸発冷却装置（別名カークーラー、スワンプクーラー）が、アフターマーケットのアクセサリーとして車内の空気を冷却するために使用されていました[ 6 ]。これは、現代の蒸気圧縮式エアコンが広く普及するまで続きました。
建物における受動蒸発冷却技術は、砂漠建築の特徴として何世紀にもわたって用いられてきたが、西洋におけるその受容、研究、革新、商業的応用は、いずれも比較的最近のことである。1974年、ウィリアム・H・ゴットルは、乾燥気候における蒸発冷却技術の働きに着目し、複合ユニットの方がより効果的であると推測し、冷凍と蒸発冷却を組み合わせたエアコン「高効率アストロエアピギーバックシステム」を発明した。1986年、アリゾナ大学の研究者らは受動蒸発冷却塔を建設し、アリゾナ州ツーソンにあるこの実験施設の性能データが、蒸発冷却塔の設計ガイドラインの基礎となった。[ 7 ]
蒸発冷却器は、蒸気圧縮冷凍や吸収冷凍を用いる一般的な空調システムとは異なり、蒸発冷却の原理を利用して空気の温度を下げます。蒸発冷却とは、空気中の熱エネルギーを利用して液体の水を蒸気に変換することで、空気の温度を下げる現象です。水を蒸発させるのに必要なエネルギーは、空気の温度に影響を与える顕熱として空気から奪われ、空気中の水蒸気成分に含まれるエネルギーである潜熱に変換されます。この間、空気のエンタルピー値は一定に保たれます。顕熱から潜熱へのこの変換は、エンタルピー値が一定であるため、等エンタルピー過程と呼ばれます。したがって、蒸発冷却では、顕熱の低下に比例して空気の温度が低下し、潜熱の増加に比例して湿度が上昇します。蒸発冷却は、乾湿線図を用いて、初期の空気の状態を見つけ、一定エンタルピーの線に沿って湿度の高い状態へと移動することで視覚化できます。[ 8 ]
自然な蒸発冷却の簡単な例として、体から分泌される発汗（汗）が挙げられます。発汗によって体が冷やされます。熱伝達量は蒸発速度によって異なりますが、水1キログラムが蒸発するごとに2,257キロジュール（純水1ポンドあたり 約890 BTU、華氏95度（摂氏35度））のエネルギーが伝達されます。蒸発速度は気温と湿度によって変化するため、湿度の高い日には汗が溜まりやすくなります。これは、湿度が高いと汗の蒸発速度が遅くなるためです。
蒸気圧縮式冷凍機は蒸発冷却を利用しますが、蒸発した蒸気は密閉されたシステム内にあり、エネルギーを使って圧縮され、再び蒸発します。単純な蒸発冷却器では、水は環境中に蒸発し、回収されません。室内冷却装置では、蒸発した水は冷却された空気とともに室内に導入されます。一方、蒸発塔では、蒸発した水は排気流に乗って排出されます。
密接に関連するプロセスである昇華冷却は、蒸発冷却とは異なり、液体から気体への相転移ではなく、固体から気体への相転移が起こる。
昇華冷却は、準惑星冥王星において惑星規模で作用していることが観測されており、そこでは反温室効果と呼ばれている。
相変化を利用した冷却のもう一つの例として、「自己冷却式」飲料缶が挙げられます。缶内部の独立した区画には、乾燥剤と液体が入っています。飲む直前にタブを引くと、乾燥剤が液体に接触して溶解します。その際、乾燥剤は融解潜熱と呼ばれる熱エネルギーを吸収します。蒸発冷却は液体が気体に変化する際の相変化と蒸発潜熱を利用しますが、自己冷却式缶は固体から液体への変化と融解潜熱を利用して同じ効果を得ています。
近代的な冷蔵技術が登場する以前は、蒸発冷却が何千年にもわたって利用されていました。例えば、カナート、ウィンドキャッチャー、マシュラビヤなどです。多孔質の土器は、壁を通して蒸発することで水を冷やします。紀元前2500年頃のフレスコ画に は、奴隷が部屋を冷やすために水の入った壺を扇いでいる様子が描かれています。あるいは、牛乳やバターを入れたボウルを水を入れた別のボウルに入れ、両方を水に浸した濡れた布で覆うことで、牛乳やバターをできるだけ新鮮に保つことができました（zeer、botijo 、Coolgardie safeを参照）。[ 9 ]
蒸発冷却は、比較的安価で他の冷却方法よりもエネルギー消費量が少ないため、建物の快適な温度環境を実現するための一般的な冷却方法である。
ソルトレイクシティの気象データを示す図は、典型的な夏の気候（6月から9月）を表しています。色付きの線は、直接および間接蒸発冷却戦略が夏の快適範囲を拡大する可能性を示しています。これは主に、一方では風速が高く、他方では直接蒸発冷却戦略が可能な地域では室内湿度が高いという組み合わせによって説明されます。空気の加湿を伴う蒸発冷却戦略は、水分含有量の増加が居住者の快適性と室内空気質の推奨値を下回る乾燥した状態で実施する必要があります。パッシブ冷却塔は、従来のHVACシステムが居住者に提供する制御機能がありません。しかし、空間に提供される追加の空気の流れは、居住者の快適性を向上させることができます。
蒸発冷却は相対湿度が低い場合に最も効果的であるため、その普及は乾燥した気候に限られます。蒸発冷却は室内の湿度を大幅に上昇させるため、湿った空気が乾燥した肌や副鼻腔を潤すので、砂漠地帯の住民にとってはありがたいかもしれません。したがって、典型的な気候データを評価することは、建物に対する蒸発冷却戦略の可能性を判断する上で不可欠な手順です。最も重要な気候に関する考慮事項は、典型的な夏の日の乾球温度、湿球温度、および湿球温度差の 3 つです。湿球温度差が夏の日に十分な冷却を提供できるかどうかを判断することが重要です。外気乾球温度から湿球温度差を差し引くことで、蒸発冷却器から出る空気のおおよその温度を推定できます。外気乾球温度が湿球温度に達する能力は飽和効率に依存することを考慮することが重要です。直接蒸発冷却を適用する一般的な推奨事項は、外気の湿球温度が22 °C (72 °F)を超えない場所で実施することです。[ 7 ]ただし、ソルトレイクシティの例では、乾湿線図上の直接蒸発冷却の上限は20 °C (68 °F)です。温度が低いにもかかわらず、蒸発冷却はソルトレイクシティと同様の気候に適しています。
蒸発冷却は、気温が高く湿度が低い気候に特に適しています。米国では、西部や山岳地帯が適しており、アルバカーキ、デンバー、エルパソ、フレズノ、ソルトレイクシティ、ツーソンなどの都市で蒸発冷却器が普及しています。蒸発式空調は、オーストラリア南部（温帯）でも人気があり、適しています。乾燥した気候では、蒸発冷却器の設置および運転コストは、冷凍式空調よりも大幅に低く、多くの場合80%程度低くなります。ただし、最適な冷却効果を得るために、蒸発冷却と蒸気圧縮式空調を組み合わせて使用することもあります。一部の蒸発冷却器は、暖房シーズンには加湿器としても機能します。ほとんどが乾燥地帯である地域では、短期間の高湿度によって蒸発冷却が効果的な冷却方法とならない場合があります。この現象の一例として、ニューメキシコ州とアリゾナ州中部および南部における7月と8月のモンスーンシーズンが挙げられる。
適度な湿度の地域では、乾燥した気候での幅広い利用に加え、蒸発冷却には費用対効果の高い用途が数多くあります。例えば、工業プラント、業務用厨房、洗濯工場、ドライクリーニング店、温室、スポット冷却（荷積み場、倉庫、工場、建設現場、スポーツイベント、作業場、ガレージ、犬舎）、畜産（養鶏場、養豚場、酪農場）などで蒸発冷却がよく利用されています。湿度の高い気候では、蒸発冷却は換気と空気の流れを促進する以外に、熱快適性の向上にはほとんど効果がない場合があります。
樹木は葉の気孔と呼ばれる孔から大量の水を蒸散させ、この蒸発冷却の過程を通じて、森林は地域的および地球規模で気候と相互作用します。[ 10 ]蒸発冷却室（ECC）や粘土製のポットクーラー、ポットインポット冷蔵庫 などのシンプルな蒸発冷却装置は、電気を使用せずに野菜を新鮮に保つためのシンプルで安価な方法です。北アフリカ、アフリカのサヘル地域、アフリカの角、南部アフリカ、中東、南アジアの乾燥地域、オーストラリアなど、世界中のいくつかの暑く乾燥した地域は、蒸発冷却の恩恵を受ける可能性があります。これらの地域の多くの農村コミュニティにとっての蒸発冷却室の利点には、収穫後の損失の減少、市場への移動時間の短縮、金銭的節約、消費可能な野菜の入手可能性の増加などがあります。[ 11 ] [ 12 ]
蒸発冷却は極低温用途で一般的に使用されています。極低温液体の貯蔵槽の上にある蒸気はポンプで排出され、液体の蒸気圧が十分である限り、液体は連続的に蒸発します。通常のヘリウムの蒸発冷却では、少なくとも 1.2 K まで冷却できる1 K ポットが形成されます。ヘリウム 3の蒸発冷却では、300 mK 未満の温度を実現できます。これらの技術は、クライオクーラーの製造や、希釈冷凍機などの低温クライオスタットの構成要素として使用できます。温度が低下すると、液体の蒸気圧も低下し、冷却効果が低下します。これにより、特定の液体で達成可能な温度の下限が決まります。
蒸発冷却は、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）に必要な極低温に到達するための最後の冷却ステップでもあります。ここでは、いわゆる強制蒸発冷却を用いて、原子雲から高エネルギー（「ホット」）原子を選択的に除去し、残りの原子雲をBEC転移温度以下に冷却します。100万個のアルカリ原子からなる原子雲の場合、この温度は約1μKです。
ロボット宇宙船はほぼ完全に熱放射を利用しますが、有人宇宙船の多くは短期間のミッションで開放型蒸発冷却が可能です。例としては、スペースシャトル、アポロ司令船・機械船（CSM）、月着陸船、携帯型生命維持装置などが挙げられます。アポロCSMとスペースシャトルにはラジエーターも搭載されており、スペースシャトルは水だけでなくアンモニアも蒸発させることができました。アポロ宇宙船は昇華器を使用しました。これは小型でほぼ受動的な装置で、廃熱を宇宙空間に放出される水蒸気（蒸気）に放出します。液体の水が真空にさらされると激しく沸騰し、残りの水を氷に凍らせるのに十分な熱を運び去ります。氷は昇華器を覆い、熱負荷に応じて給水量を自動的に調整します。消費される水は、多くの有人宇宙船が発電に使用する燃料電池から余剰として供給されることが多いです。
ほとんどの設計では、水が一般的な物質の中で最も高い蒸発エンタルピー（蒸発潜熱）値を持つという事実を利用しています。そのため、蒸発式冷却器は、蒸気圧縮式または吸収式空調システムのほんの一部のエネルギーしか消費しません。非常に乾燥した気候を除き、単段式（直接式）冷却器は相対湿度（RH）を上昇させ、居住者が不快に感じるレベルまで高める可能性があります。間接式および二段式蒸発式冷却器は、RHを低く保ちます。
直接蒸発冷却（開放回路）は、蒸発潜熱を利用して液体の水を水蒸気に変えることで、空気の温度を下げ、湿度を上げる方法です。この過程では、空気中のエネルギーは変化しません。暖かく乾燥した空気が、冷たく湿った空気に変わります。外気の熱を利用して水を蒸発させます。相対湿度は70～90%まで上昇するため、人間の発汗による冷却効果が低下します。湿った空気は継続的に外に放出する必要があり、そうしないと空気が飽和状態になり、蒸発が停止します。
機械式直接蒸発冷却器は、ファンを使用して湿らせた膜（パッド）を通して空気を吸い込み、空気中に水を蒸発させるための広い表面積を提供します。パッドの上部に水を噴霧し、膜に滴り落ちて膜を常に飽和状態に保ちます。膜の下部から滴り落ちる余分な水はパンに集められ、上部に再循環されます。単段式直接蒸発冷却器は、膜、ウォーターポンプ、遠心ファンのみで構成されているため、通常は小型です。水道水のミネラル成分は膜にスケールを付着させ、膜の寿命中に目詰まりを引き起こします。このミネラル成分と蒸発速度に応じて、最適な性能を確保するために定期的な清掃とメンテナンスが必要です。一般的に、単段式蒸発冷却器からの供給空気は、直接蒸発冷却と同様に、直接排気する必要があります（一方向流）。空気中のエネルギーを利用するために、排気を二重ガラス窓の2枚を通して導くことでガラスを通して吸収される太陽エネルギーを減らすなど、いくつかの設計上の解決策が考案されている。[ 13 ]コンプレッサーで同等の冷却負荷を達成するために必要なエネルギーと比較すると、単段蒸発冷却器はエネルギー消費量が少ない。[ 7 ]
受動直接蒸発冷却は、ファンを使わずに蒸発冷却された水が空間を冷却できる場所ならどこでも可能です。これは、噴水や、蒸発ダウンフロー冷却塔（「受動冷却塔」とも呼ばれる）などの建築的な設計によって実現できます。受動冷却塔の設計では、建物内または建物の隣に建設された塔の上部から外気が流れ込みます。外気は、湿潤膜またはミストを通して塔内の水と接触します。外気で水が蒸発すると、空気は冷たくなり、浮力が低下し、塔内に下降流が発生します。塔の下部にある出口から、冷えた空気が内部に流れ込みます。機械式蒸発冷却器と同様に、塔は、水を塔の上部まで汲み上げるための水ポンプのみを必要とするため、高温乾燥気候向けの魅力的な低エネルギーソリューションとなります。[ 14 ] 受動直接蒸発冷却戦略を使用することによるエネルギー節約は、気候と熱負荷によって異なります。湿球温度差が大きい乾燥気候では、冷却塔は夏の設計条件下で十分な冷却を提供し、正味ゼロを実現できます。たとえば、顕熱利得が 29.3 kJ/h (100,000 Btu/h) のアリゾナ州ツーソンの 371 m 2 (4,000 ft 2 ) の小売店は、それぞれ 11890 m 3 /h (7,000 cfm)を提供する 2 基の受動冷却塔で完全に冷却できます。[ 15 ]
2基のパッシブ冷却塔を使用するザイオン国立公園のビジターセンターでは、冷却エネルギー強度は14.5 MJ/m 2 (1.28 kBtu/ft 2 )で、62.5 MJ/m 2 (5.5 kBtu/ft 2 )を使用する米国西部の一般的な建物よりも77%少ない。[ 16 ]クウェートでの現場性能結果の調査では、蒸発冷却器の電力要件は、従来のパッケージ型エアコンの電力要件よりも約75%少ないことが明らかになった。[ 17 ]
間接蒸発冷却（閉回路）は、直接蒸発冷却を使用して別の回路で空気を冷却し、熱交換器を使用して供給空気から熱を奪い、水蒸気を加えない冷却プロセスです。[ 18 ]これは、建物に供給される空気に水分を加えることなく空気を冷却する方法です。[ 19 ]直接蒸発冷却プロセスからの冷却された湿った空気は、調整された供給空気と直接接触することはありません。湿った空気の流れは屋外に放出されるか、冷却された方が効率的な太陽電池などの他の外部機器を冷却するために使用されます。これは、住宅システムには適さない密閉空間での過剰な湿度を避けるために行われます。
間接蒸発冷却では、2 つの別々の空気流と空気対空気熱交換器を使用します。水は二次空気流に蒸発します。熱は熱交換器を通って一次空気流から二次空気流に移動します。[ 19 ] 冷却された一次空気は、加湿せずに建物に供給されます。間接蒸発冷却システムには、熱交換器、水分配システム、ファンが含まれます。[ 20 ]直接蒸発冷却では、水分が供給空気に直接加えられます。[ 19 ]
間接蒸発冷却は乾燥した気候で最も効果を発揮します。[ 20 ]国立再生可能エネルギー研究所 のテストでは、乾燥地域では従来の空調と比較してエネルギー消費量が少ないことが示されました。[ 21 ]間接蒸発冷却は、商業ビル、工業ビル、住宅ビルで使用されています。[ 22 ] また、データセンターや換気システムでも使用されています。[ 23 ]
間接冷却器メーカーは、発明者であり教授でもあるヴァレリー・マイソツェンコ博士にちなんで名付けられたマイソツェンコサイクル（Mサイクル）を使用し、製品空気の温度を湿球温度以下に下げ、露点に近づけることができる薄いリサイクル可能な膜で作られた反復（多段階）熱交換器を採用しています。 [ 24 ]米国エネルギー省によるテストでは、標準的な圧縮冷凍システムと組み合わせたハイブリッドMサイクルは、効率を150～400%大幅に向上させましたが、これは米国の乾燥した西半分でのみ可能であり、はるかに湿度の高い米国の東半分での使用は推奨されませんでした。評価では、冷却トン（12,000 BTU）あたり2～3ガロンのシステム水消費量は、新しい高効率発電所の水消費量と効率的にほぼ同等であることがわかりました。これは、効率を高めることで追加の水を必要とせずに電力網の負荷を軽減できることを意味し、電源に高効率冷却システムがない場合は実際に水の使用量を削減できる可能性がある。[ 25 ]
Coolerado社が構築したMサイクルベースのシステムが、現在NASAの国立雪氷データセンター（NSIDC）のデータセンターの冷却に使用されています。この施設は華氏70度以下では空冷され、それ以上の温度ではCooleradoシステムを使用しています。これは、システムのエアハンドラーが新鮮な外気を使用するため、状況が許せば自動的に冷たい外気を使用できるからです。これにより、不要なときに冷凍システムを稼働させることを回避できます。このシステムはソーラーパネルアレイによって駆動され、主電源が失われた場合の補助電源としても機能します。[ 26 ]
このシステムは非常に高い効率性を備えていますが、他の蒸発冷却システムと同様に、周囲の湿度レベルに制約されるため、住宅用途での普及は限られています。極度の暑さの時期には、電力インフラに大きな負担をかけることなく、補助冷却として使用できます。水資源が豊富な地域や、海水淡水化能力に余裕のある地域では、手頃な価格のMサイクルユニットで水を利用することで、過剰な電力需要を削減できます。従来のエアコンユニットの高コストと、多くの電力会社のシステムの極度の制約のため、Mサイクルユニットは、極度の高温と電力需要の増加時に、貧困地域に適した唯一の適切な冷却システムとなる可能性があります。先進地域では、電力過負荷時の補助バックアップシステムとして機能し、既存の従来型システムの効率を高めるために使用できます。
Mサイクルは冷却システムに限らず、スターリングエンジンから大気水生成器まで、様々な技術に応用可能です。冷却用途では、クロスフローとカウンターフローの両方の構成で使用できます。カウンターフローは家庭用冷却に適した低温が得られることが分かっていますが、クロスフローは成績係数（COP）が高く、大規模な産業設備に適しています。
従来の冷凍技術とは異なり、小型システムのCOPは、冷却塔に必要なリフトポンプやその他の機器を必要としないため、高いままです。1.5トン/4.4kWの 冷却システムでは、ファンの運転にわずか200ワットしか必要とせず、COPは26.4、EERは90となります。これは、水の浄化や供給に必要なエネルギーを考慮しておらず、水が供給された後に装置を稼働させるのに必要な電力のみを示しています。水の脱塩にもコストがかかりますが、水の蒸発潜熱は、水自体を浄化するのに必要なエネルギーのほぼ100倍です。さらに、この装置の最大効率は55%であるため、実際のCOPはこの計算値よりもはるかに低くなります。しかし、これらの損失に関係なく、水を最初に脱塩して浄化する必要がある場合でも、実効COPは従来の冷却システムよりもかなり高くなります。水が全く利用できない地域では、太陽熱エネルギーなどの利用可能な熱源を利用して水を回収するために、乾燥剤と併用することができる。[ 27 ] [ 28 ]
ハーバード大学のワイス研究所による、より新しいがまだ商業化されていない「コールドスナップ」設計では、3Dプリントされたセラミックが熱を伝導するが、半分は水分バリアとして機能する疎水性材料でコーティングされている。[ 29 ] 流入する空気に水分は加えられないが、温度-RH式によれば相対湿度（RH）はわずかに上昇する。それでも、間接蒸発冷却によって生じる比較的乾燥した空気は、居住者の汗をより容易に蒸発させ、この技術の相対的な有効性を高める。間接冷却は、室内空気の質や人間の熱的快適性の問題から供給空気の水分含有量を増やすことができない高温多湿気候にとって効果的な戦略である。
受動的な間接蒸発冷却法は、熱交換器として機能する建築要素（例えば屋根）を必要とするため、あまり一般的ではありません。この要素に水を噴霧し、その表面で水が蒸発することで冷却します。しかし、大量の水を使用するため、水の浸入や建物の構造への損傷といったリスクも伴うため、こうした方法は普及していません。
2段階式クーラーの第1段階では、暖かい空気が間接的に予冷されます（外部で蒸発冷却される熱交換器を通過することで、湿度が加わりません）。直接冷却段階では、予冷された空気が水に浸したパッドを通過し、冷却される過程で湿度を吸収します。第1段階で空気供給が予冷されているため、直接冷却段階では、所望の冷却温度に達するために必要な湿度の伝達量が少なくなります。メーカーによると、その結果、気候にもよりますが、相対湿度が50～70%のより冷たい空気が得られます。これは、従来のシステムで調整された空気の相対湿度が約70～80%であるのと比較して大きな違いです。
別のハイブリッド設計では、直接冷却または間接冷却を蒸気圧縮式または吸収式空調と組み合わせることで、全体的な効率を高めたり、温度を湿球温度限界以下に下げたりしている。
蒸発冷却は、日中のパッシブ放射冷却および断熱と組み合わせることで、設置場所の気候帯によっては時折水の「再充電」が必要になるものの、エネルギー消費ゼロで冷却能力を高めることができます。Lu らが開発したこのシステムは、「太陽光反射板、水分を豊富に含み赤外線を放出する蒸発層、および水蒸気透過性、赤外線透過性、太陽光反射性の断熱層」で構成されており、最上層は「蒸発と放射の両方によって熱を除去しながら、環境加熱に抵抗する」ことができます。このシステムは、単独の日中のパッシブ放射冷却よりも 300% 高い周囲冷却能力を示し、冷蔵なしで、涼しく湿潤な気候では食品の保存期間を 40%、乾燥した気候では 200% 延長できることが実証されました。[ 30 ]
従来の蒸発冷却は、湿度比が約 0.02 kg水/ kg空気以下の乾燥した空気でのみ機能します。[ 31 ]また、大量の水の投入も必要です。これらの制限を取り除くために、露点蒸発冷却は、水蒸気は通過させるが空気は遮断する膜を使用した膜除湿とハイブリッド化できます。 [ 31 ]これらの膜を通過する空気は圧縮機で濃縮できるため、より高い温度で凝縮できます。このアプローチの最初の構成では、除湿水を再利用してさらに蒸発冷却を行いました。このようなアプローチは、蒸発冷却に必要な水を完全に供給でき、あらゆる条件下でベースラインの乾燥剤ホイールシステムよりも優れており、乾燥状態では蒸気圧縮よりも優れています。また、多くの冷媒が温室効果ガスを大量に排出する可能性があるため、冷媒を使用せずに高湿度での冷却も可能です。[ 31 ]
コストパフォーマンスと耐久性の点で優れているため、ほとんどの蒸発式冷却パッドは依然として封じ込めネット内のエクセルシオール（アスペン材繊維）で構成されていますが、一部の最新/ニッチな蒸発式冷却器では、要件を満たすために、特定のプラスチックやメラミン紙などの材料を冷却パッドの媒体として使用する場合があります。一般的に厚さ 8 インチまたは 12 インチの最新の硬質媒体は、水分を吸収する表面積が広いため、通常、1 層あたり約 1.5 インチのはるかに薄いアスペン媒体よりも効果的に空気を冷却します。[ 32 ]段ボールが使用されることもあります。[ 33 ] [ 34 ]
乾燥地帯や半乾燥地帯では、水の不足により冷却システムの設計において水の消費量が懸念事項となる。設置された水道メーターによると、ザイオン国立公園のビジターセンターにある2基のパッシブ冷却塔では、2002年に420,938リットル（111,200ガロン）の水が消費された。[ 35 ]しかし、専門家は、ベースロード発電では通常、冷却塔に大量の水が必要になると指摘し、こうした懸念に対処している。蒸発冷却器はエアコンよりもはるかに少ない電力を使用するため、同等の水使用量は全体的に少なくなり、チラーと比較して全体的なコストも低くなる可能性がある。[ 36 ]
ユニット内の空気の流れに余分な熱を伝えることができる表面に直射日光が当たると、空気の温度が上昇します。熱がパッドを通過する前に空気に伝わる場合、または日光がパッド自体を温める場合、蒸発は増加しますが、これに必要な追加エネルギーは周囲の空気に含まれるエネルギーからではなく、太陽から供給されるため、吸気温度を何らかの方法で上昇させたり、パッドに分配する前に水を加熱したりした場合と同様に、温度だけでなく湿度も高くなります。最悪の場合、クーラーを屋根の上の日陰よりも30度以上高い温度の日当たりの良い屋根に設置すると、正常に機能するクーラーが-30度の差を生み出す場合と比べて、排気温度が変化しないか、さらに高くなる可能性があります。さらに、日光はクーラーの媒体やその他のコンポーネントを劣化させる可能性があります。したがって、あらゆる状況において日よけが推奨されますが、パッドの垂直方向の配置と、熱伝達を最小限に抑えるための外側と内側の水平面（上向き）間の断熱だけでも十分です。
機械式蒸発冷却で使用されるファンを除けば、ポンプは機械式およびパッシブ式の両方の用途における蒸発冷却プロセスに必要な唯一の機械装置です。ポンプは、湿潤メディアパッドへの水の再循環、またはパッシブ冷却塔のミストシステムに非常に高い圧力で水を供給するために使用できます。ポンプの仕様は、蒸発速度とメディアパッドの面積によって異なります。ザイオン国立公園のビジターセンターでは、250 W (1/3 HP) のポンプを使用しています。[ 37 ]
最適な冷却を実現するには、排気ダクトや開口部が、空調エリアを1時間に数回の空気交換が行えるだけの十分な大きさでなければなりません。そうでない場合、正圧が発生して空気交換が減少し、システム内のファンや送風機が冷却媒体を通して十分な空気を吸い込むことができず、蒸発量が減り、効率が低下します。蒸発冷却システムは、空調エリアから外部へ継続的に空気を排出しないと効果的に機能しません。冷気取り入れ口の位置、および家の中の通路、関連するドア、部屋の窓の配置を最適化することで、システムを最も効果的に使用して、冷気を必要な場所に送ることができます。適切に設計されたレイアウトは、天井裏のダクト式換気システムを必要とせずに、目的のエリアから熱気を効果的に除去し、排出することができます。継続的な空気の流れが不可欠なので、排気窓や通気口は、蒸発冷却機によって導入される空気の量と流れを制限してはなりません。また、外風の向きにも注意が必要です。例えば、強い南風が吹くと、南向きの窓から排出される空気の流れが遅くなったり、妨げられたりします。風下側の窓は開け、風上側の窓は閉めておくのが常に最善です。
一般的に、住宅用および産業用蒸発冷却器は直接蒸発方式を採用しており、側面に通気孔のある密閉された金属製またはプラスチック製の箱として説明できます。空気は遠心ファンまたは送風機（通常はHVAC用語で「シーブ」と呼ばれるプーリーを備えた電動モーター、または直接駆動軸流ファンによって駆動される）によって移動され、水ポンプを使用して蒸発冷却パッドを湿らせます。冷却ユニットは、建物の屋根（下方吹き出し、または下方流）または外壁や窓（側面吹き出し、または水平流）に取り付けることができます。冷却するには、ファンがユニット側面の通気孔から外気を吸い込み、湿らせたパッドに通します。空気中の熱によってパッドから水が蒸発し、冷却プロセスを継続するためにパッドは常に湿らせられます。その後、冷却された湿った空気が屋根または壁の通気孔を通して建物内に送られます。
冷却器の吸気は建物の外から行われるため、室内から室外へ空気を循環させるための大きな通気口が1つ以上必要です。空気はシステム内を一度だけ通過させるようにしてください。そうしないと、空気が飽和点に達するたびに冷却効果が低下します。蒸発式冷却器を使用する空間では、 1時間あたり15回程度の換気回数（ACH）が一般的です。これは、冷却効率を最大化するための比較的高い換気回数です。最悪の場合、密閉された部屋にポータブル蒸発式冷却器を設置すると、室内が湿度の高い状態になり、最終的には元の室温に戻ってしまう可能性があります。
冷却塔は、水やその他の熱媒体を周囲の湿球温度に近い温度まで冷却するための構造物です。湿式冷却塔は蒸発冷却の原理に基づいて動作しますが、空気ではなく水を冷却するように最適化されています。冷却塔は、大型ビル、ベースロード発電所、または工業用地などでよく見られます。例えば、チラー、工業プロセス、ランキンサイクルなどから熱を環境に放出します。
ミストシステムは、高圧ポンプとチューブを通して水を真鍮とステンレス鋼のミストノズルに送り込み、そのノズルの開口部が約5マイクロメートルであるため、非常に細かいミストを生成します。ミストを生成する水滴は非常に小さいため、瞬時に蒸発します。瞬時蒸発により、周囲の気温をわずか数秒で最大35 °F（20 °C）下げることができます。 [ 38 ]パティオシステムの場合、最適な冷却のために、ミストラインを地面から約8～10フィート（2.4～3.0メートル）の高さに設置するのが理想的です。ミストは、花壇、ペット、家畜、犬舎、害虫駆除、消臭、動物園、動物病院、農産物の冷却、温室などの用途に使用されます。
ミストファンは加湿器に似ています。ファンが細かい水の霧を空中に吹き出します。空気の湿度が高すぎなければ、水は蒸発する際に空気中の熱を吸収するため、ミストファンは冷風機としても機能します。ミストファンは屋外、特に乾燥した気候で使用できます。猛暑の際には、都市部で人々が涼をとれるようにミストファンが設置されることもあります。
小型の携帯型電池式ミストファンは、電動ファンと手動式噴霧ポンプで構成されており、目新しい商品として販売されている。しかし、日常的な使用における有効性は不明である。
蒸発冷却の性能を理解するには、乾湿計の知識が必要です。蒸発冷却の性能は、外気温と湿度の変化によって変動します。家庭用クーラーは、空気の温度を湿球温度から3～4 ℃（5～7 °F）以内に下げられる必要があります。
標準的な気象情報からクーラーの性能を予測するのは簡単です。気象情報には通常、露点と相対湿度は記載されていますが、湿球温度は記載されていないため、湿球温度を計算するには乾湿線図または簡単なコンピュータプログラムを使用する必要があります。湿球温度と乾球温度が分かれば、クーラーの冷却性能、つまり排気温度を算出できます。
直接蒸発冷却の場合、直接飽和効率は、直接蒸発冷却器から出る空気の温度が、流入する空気の湿球温度にどの程度近いかを測定する。直接飽和効率は次のように決定できる。[ 39 ]
蒸発媒体の効率は通常80%から90%の間です。最も効率的なシステムは乾燥空気温度を湿球温度の95%まで下げることができ、最も効率の低いシステムでは50%しか達成できません。[ 39 ]蒸発効率は時間の経過とともにほとんど低下しません。
家庭用蒸発式冷却器に一般的に使用されるアスペン材のパッドは、約85%の効率を提供する一方、CELdekタイプの蒸発媒体は、風速に応じて90%以上の効率を提供します。CELdek媒体は、大規模な商業施設や産業施設でより頻繁に使用されています。
例えば、ラスベガスでは、典型的な夏の設計日が乾球温度42 ℃（108 °F） 、湿球温度19 ℃（66 °F）、相対湿度約8%の場合、効率85%の家庭用クーラーの排気温度は次のようになります。
温度差は-36.4°F
しかし、パフォーマンスを推定するには、次の2つの方法のいずれかを使用できます。
この関係性を明確にするために、いくつかの例を挙げます。
（冷房に関する例は、2000年6月25日にアイダホ大学が発行した出版物「Homewise」から抜粋したものです。）
蒸発式冷却器は乾燥した環境で最も効果を発揮するため、米国南西部、メキシコ北部、ラジャスタン州などの乾燥した砂漠地帯で広く使用され、最も効果的である。
同じ式は、蒸発式冷却器が高湿度環境では用途が限られる理由を示しています。例えば、東京の暑い8月の日には、気温が30 ℃（86 °F） 、相対湿度が85%、気圧が1,005hPaとなることがあります。この場合、露点は27.2 ℃（81.0 °F）、湿球温度は27.88 ℃（82.18 °F）となります。上記の式によれば、85%の効率では空気を28.2 ℃（82.8 °F）までしか冷却できないため、実用的とは言えません。
設置費用と運用費用が安い
設置とメンテナンスが容易
換気空気
パフォーマンス
快適
水の使用
メンテナンス頻度
健康被害
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)蒸発式クーラー、リス型、南西部で人気。