蒸発冷却器

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大量の熱を吸収する（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、液体の水から水蒸気への相転移（蒸発）によって大幅に下げることができます。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。極端に乾燥した気候では、空気の蒸発冷却には、建物の居住者の快適さのために空気をより多くの湿気で調整するという追加の利点があります。

蒸発冷却の冷却能力は、湿球温度降下、つまり乾球温度と湿球温度の差に依存します(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ベースの冷却の代替として、エネルギー消費量と空調設備の総量を削減できます。乾燥していない気候でも、間接蒸発冷却は湿度を上げずに蒸発冷却プロセスを利用できます。受動蒸発冷却戦略は、設備やダクトの複雑さがなく、機械式蒸発冷却システムと同じ利点を提供できます。

蒸発冷却の初期の形態であるウィンドキャッチャーは、数千年前に古代エジプトとペルシャで屋根の風洞の形で初めて使用されました。風洞は風を捕らえ、カナートの地下水に風を通し、冷却された空気を建物内に排出しました。現代のイランでは、動力式蒸発冷却器（クーレレ・アビ）が広く採用されています。^[1]

蒸発冷却器は、20 世紀に多数の米国特許の対象となった。その多くは、1906 年に始まり、^{[2]大量の水を移動する空気と接触させて蒸発させるための要素として}エクセルシオール (木綿)パッドの使用を提案または想定していた。1945 年の特許に示されているように、典型的な設計には、貯水槽 (通常はフロート弁でレベルを制御)、エクセルシオール パッド上で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る。 ^{[3]この設計とこの素材は、}アメリカ南西部の蒸発冷却器で今でも主流であり、湿度を上げるためにも使用されている。^[4]米国でスワンプ クーラーという用語が使用されているのは、初期のユニットから発生する藻の臭いによるものと思われる。^[5]

現代の蒸気圧縮式エアコンが広く普及するまで、車外に取り付けられた蒸発冷却装置（カークーラー）は、車内の空気を冷却するために、アフターマーケットのアクセサリーとして^[6]一部の自動車で使用されていました。

建物におけるパッシブ蒸発冷却技術は、何世紀にもわたって砂漠建築の特徴となってきましたが、西洋での受容、研究、革新、商業的応用はすべて比較的最近のことです。1974 年、ウィリアム H. ゴットルは、乾燥気候での蒸発冷却技術の仕組みに着目し、組み合わせユニットの方が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」を発明しました。1986 年、アリゾナ大学の研究者がパッシブ蒸発冷却塔を建設し、アリゾナ州ツーソンのこの実験施設のパフォーマンス データが蒸発冷却塔の設計ガイドラインの基礎となりました。^[7]

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  建物の蒸発冷却に使用された古代イランの風よけとカナートの概略図
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  サラサビルの涼しい噴水（レッドフォート、デリー、インド）

蒸発冷却器は、蒸気圧縮冷凍や吸収冷凍を使用する一般的な空調システムとは異なり、蒸発冷却の原理を使用して空気の温度を下げます。蒸発冷却は、空気中の熱エネルギーを使用して液体の水を蒸気に変換するもので、その結果、空気の温度が低下します。水を蒸発させるために必要なエネルギーは、空気の温度に影響を与える顕熱の形で空気から取り出され、潜熱に変換されます。潜熱は、空気の水蒸気成分に存在するエネルギーであり、空気は一定のエンタルピー値を維持します。顕熱から潜熱へのこの変換は、一定のエンタルピー値で発生するため、等エンタルピー過程として知られています。したがって、蒸発冷却により、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増加します。蒸発冷却は、初期の空気状態を見つけ、一定のエンタルピーの線に沿って湿度の高い状態に向かって移動することによって、湿度チャートを使用して視覚化できます。 ^[8]

自然な蒸発冷却の簡単な例としては、体から分泌される発汗が挙げられます。発汗は蒸発することで体を冷やします。熱伝達量は蒸発率によって異なりますが、蒸発した水 1 キログラムごとに 2,257 kJ のエネルギー (95 °F (35 °C) の純水 1 ポンドあたり約 890 BTU) が伝達されます。蒸発率は空気の温度と湿度によって異なり、湿度の高い日には汗が十分に蒸発しないため、汗がより多くたまります。

蒸気圧縮冷凍は蒸発冷却を使用しますが、蒸発した蒸気は密閉されたシステム内にあり、その後圧縮されて再び蒸発する準備ができ、エネルギーを消費します。単純な蒸発冷却器の水は環境に蒸発し、回収されません。室内空間冷却ユニットでは、蒸発した水は冷却された空気とともに空間に導入されます。蒸発塔では、蒸発した水は気流排気で運び去られます。

密接に関連したプロセスである昇華冷却は、液体から蒸気への相転移ではなく、 固体から蒸気への相転移が起こる点で蒸発冷却と異なります。

昇華冷却は、小惑星冥王星において惑星規模で作用することが観測されており、反温室効果と呼ばれています。

冷却への相変化の別の応用は、「自己冷却」飲料缶です。缶内の別のコンパートメントには、乾燥剤と液体が入っています。飲む直前にタブが引かれ、乾燥剤が液体と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量の熱エネルギーを吸収します。蒸発冷却は、液体から蒸気への相変化と蒸発潜熱を利用して機能しますが、自己冷却缶は、固体から液体への変化と融解潜熱を利用して同じ結果を達成します。

現代の冷蔵技術が登場する以前、蒸発冷却は数千年にわたって、例えばカナート、風よけ、マシュラビーヤなどで使用されていました。多孔質の土器は、壁からの蒸発によって水を冷却しました。紀元前2500年頃のフレスコ画には、奴隷が水瓶を扇いで部屋を冷やしている様子が描かれています^[要出典]。あるいは、ミルク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、水に浸した濡れた布で全体を覆い、ミルクやバターをできるだけ新鮮に保つこともできました ( zeer、botijo ​​、Coolgardie safeを参照)。^[9]

蒸発冷却は、他の冷却方法に比べて比較的安価で、必要なエネルギーも少ないため、 建物の熱的快適性を高めるためによく使われる冷却方法です。

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、夏季の快適範囲を拡大するための直接および間接蒸発冷却戦略の可能性を示しています。これは主に、一方では空気の速度が速く、他方では地域で直接蒸発冷却戦略が可能な場合に室内の湿度が上昇する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の質に関する推奨値以下にとどまる乾燥した状態で実施する必要があります。パッシブ冷却塔には、従来の HVAC システムが居住者に提供する制御がありません。ただし、空間に提供される追加の空気の動きは、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、その人気は乾燥した気候に限られます。蒸発冷却は内部の湿度レベルを大幅に上昇させます。砂漠の住民は、湿った空気が乾燥した肌や副鼻腔に潤いを与えるので、これをありがたく思うかもしれません。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ための重要な手順です。気候に関する最も重要な 3 つの考慮事項は、典型的な夏の日の乾球温度、湿球温度、および湿球温度低下です。湿球温度低下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。屋外の乾球温度から湿球温度低下を引くと、蒸発冷却装置から出る空気のおおよその温度を推定できます。屋外の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。直接蒸発冷却の適用に関する一般的な推奨事項は、屋外の湿球温度が22℃（72℉）を超えない場所で実施することです。^[7]しかし、ソルトレイクシティの例では、湿度チャート上の直接蒸発冷却の上限は20℃（68℉）です。気温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、空気が暑く湿度が低い気候に特に適しています。米国では、西部および山岳州が適しており、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装置が普及しています。蒸発式エアコン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、蒸発冷却装置の設置および運用コストは、冷蔵エアコンよりも大幅に低く、80%程度安くなることがよくあります。ただし、蒸発冷却と蒸気圧縮式エアコンは、最適な冷却結果を得るために併用されることがあります。一部の蒸発冷却装置は、暖房シーズンに加湿器としても機能します。ほとんどが乾燥している地域では、湿度の高い期間が短時間続くと、蒸発冷却が効果的な冷却戦略にならない場合があります。この現象の一例としては、 7 月と 8 月のニューメキシコ州、アリゾナ州中部および南部のモンスーン シーズンが挙げられます。

適度な湿度の場所では、乾燥した気候での広範な使用に加えて、費用対効果の高い蒸発冷却の用途が多数あります。たとえば、工業プラント、業務用厨房、ランドリー、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、運動競技、作業場、ガレージ、犬小屋)、および閉鎖型農業 (養鶏場、豚、酪農場) では、蒸発冷却がよく使用されます。湿度の高い気候では、蒸発冷却は、換気と空気の流れを 増やす以外に、温度快適性の向上にほとんど効果がありません。

樹木は葉にある気孔から大量の水を蒸散させ、この蒸発冷却のプロセスを通じて、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]蒸発冷却チャンバー（ECC）や粘土ポットクーラー、または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、電気を使わずに野菜を新鮮に保つ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、蒸発冷却チャンバーの利点には、収穫後の損失の削減、市場への移動時間の短縮、金銭的節約、消費用野菜の入手可能性の向上などがあります。^{[11] [12]}

蒸発冷却は極低温用途でよく使用されます。極低温液体の貯蔵庫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、液体は継続的に蒸発します。通常のヘリウムの蒸発冷却では1 K ポットが形成され、少なくとも 1.2 K まで冷却できます。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作成や、希釈冷凍機などの低温クライオスタットのコンポーネントとして使用できます。温度が下がると、液体の蒸気圧も下がり、冷却の効果が低下します。これにより、特定の液体で達成可能な温度の下限が設定されます。

蒸発冷却は、ボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)に必要な超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使用して、残りの雲が BEC 遷移温度以下に冷却されるまで、高エネルギー (「ホット」) 原子を原子雲から選択的に除去します。100 万個のアルカリ原子の雲の場合、この温度は約 1μK です。

ロボット宇宙船はほぼ熱放射のみを使用するが、多くの有人宇宙船はオープンサイクルの蒸発冷却が可能な短期ミッションを担当する。例としては、スペースシャトル、アポロ司令・機械船(CSM)、月着陸船、ポータブル生命維持システムなどがある。アポロCSMとスペースシャトルにもラジエーターがあり、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た。アポロ宇宙船は昇華器を使用した。これは小型で大部分が受動的な装置で、廃熱を水蒸気 (蒸気) にして宇宙に放出する。^[要出典]液体の水は真空にさらされると勢いよく沸騰し、残りの熱を凍らせるのに十分な熱を奪い、昇華器を覆い、熱負荷に応じて給水の流れを自動的に調整する。消費される水は、多くの有人宇宙船で発電に使用されている 燃料電池から余剰分として利用できることが多い。

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。このため、蒸発冷却器は、蒸気圧縮式または吸収式空調システムのエネルギーのほんの一部しか使用しません。非常に乾燥した気候を除いて、単段 (直接) 冷却器は、居住者が不快に感じるレベルまで相対湿度(RH) を上昇させる可能性があります。間接式および 2 段式蒸発冷却器は、RH を低く保ちます。

直接蒸発冷却（オープンサーキット）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、湿度を上げるために使用されます。このプロセスでは、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は、湿った空気を冷やすために変化します。外気の熱は、水を蒸発させるために使用されます。相対湿度は 70 ～ 90% に上昇し、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ます。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ユニットは、ファンを使用して湿潤膜またはパッドに空気を通します。これにより、空気中に水が蒸発するための広い表面積が確保されます。パッドの上部に水が噴霧され、膜に滴り落ちて膜が常に飽和した状態になります。膜の下部から滴り落ちる余分な水は受け皿に集められ、上部に再循環されます。シングルステージ直接蒸発冷却器は、膜、水ポンプ、遠心ファンのみで構成されるため、通常は小型です。市水道のミネラル含有量により膜にスケールが発生し、膜の寿命が長くなるにつれて目詰まりが発生します。このミネラル含有量と蒸発率に応じて、最適なパフォーマンスを確保するには定期的な清掃とメンテナンスが必要です。通常、シングルステージ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出する必要があります (一貫流)。空気中のエネルギーを利用する設計上の解決策がいくつか考案されている。例えば、排気を二重ガラスの窓に通して、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である。^[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、単段蒸発冷却器はより少ないエネルギーを消費する。^[7]

パッシブ直接蒸発冷却は、ファンの助けを借りずに蒸発冷却された水が空間を冷却できる場所であればどこでも行うことができます。これは、噴水の使用や、蒸発下降気流冷却塔（別名「パッシブ冷却塔」）などのより建築的な設計によって実現できます。パッシブ冷却塔の設計では、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入します。外気は、湿潤膜またはミスターを介して塔内の水と接触します。外気中の水が蒸発すると、空気は冷たくなり、浮力が低下し、塔内に下向きの流れが生じます。塔の下部には、出口があり、冷たい空気が内部に流入します。機械式蒸発冷却装置と同様に、塔は水を塔の上部まで上げるための水ポンプのみを必要とするため、暑く乾燥した気候に適した低エネルギーソリューションです。^[14] パッシブ直接蒸発冷却戦略を使用することで節約されるエネルギーは、気候と熱負荷によって異なります。湿球温度降下が大きい乾燥気候では、冷却塔は夏期の設計条件で十分な冷却効果を発揮し、実質ゼロにすることができます。例えば、アリゾナ州ツーソンにある371m ² (4,000ft ^{2 )の小売店では、顕熱増加量が29.3kJ/h (100,000Btu/h)で、それぞれ11890m 3} /h (7,000cfm)のパッシブ冷却塔2基で完全に冷却できます。 ^[15]

2基のパッシブ冷却塔を使用しているザイオン国立公園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、米国西部の一般的な建物の62.5 MJ/m ² (5.5 kBtu/ft ² )よりも77%低い値でした。^[16]クウェートでの現場性能調査の結果、蒸発冷却器の電力要件は、従来のパッケージユニットエアコンの電力要件よりも約75%低いことが明らかになりました。^[17]

間接蒸発冷却（閉回路）は、直接蒸発冷却と熱交換器を使用して冷気を給気に移す冷却プロセスです。直接蒸発冷却プロセスで冷却された湿った空気は、調整された給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がよい太陽電池などの外部機器の冷却に使用されます。これは、密閉された空間での過剰な湿気を避けるために行われますが、住宅用システムには適していません。

間接冷却器メーカーは、発明者で教授のヴァレリー・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）を使用しており、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おり、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ます。 [ ^18]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サイクルにより、効率が150～400％大幅に向上しましたが、これは乾燥した米国の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、冷却トンあたり2～3ガロン（12,000 BTU）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ほぼ同等の効率であることがわかりました。これは、より高い効率を利用して、追加の水を必要とせずにグリッドの負荷を軽減できることを意味し、電源に高効率の冷却システムがない場合には、実際に水の使用量を削減できる可能性があります。^[19]

Coolerado 社が開発した M-Cycle ベースのシステムは、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 度以下では空冷式で、それ以上の温度では Coolerado システムを使用します。これが可能なのは、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です。これにより、条件が許せば自動的に冷たい外気を使用することができます。これにより、不要なときに冷却システムを稼働させる必要がなくなります。このシステムは、主電源が失われた場合に二次電源としても機能するソーラーパネルアレイによって電力が供給されます。^[20]

このシステムは非常に効率が高いのですが、他の蒸発冷却システムと同様に、周囲の湿度レベルによって制約されるため、住宅用途での採用は限られています。酷暑の際には、電気インフラに大きな追加負担をかけずに補助冷却として使用できます。水供給量や淡水化能力が過剰な場所であれば、手頃な価格の M-Cycle ユニットで水を利用して過剰な電力需要を削減できます。従来の空調ユニットは高価で、多くの電気ユーティリティ システムには極端な制限があるため、極度に気温が高く電力需要が高い貧困地域に適した唯一の冷却システムは M-Cycle ユニットである可能性があります。発展した地域では、電気過負荷の場合の補助バックアップ システムとして機能し、既存の従来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定されず、スターリング エンジンから大気圧水生成器まで、さまざまな技術に適用できます。冷却アプリケーションでは、クロス フロー構成とカウンターフロー構成の両方で使用できます。カウンターフローは、家庭の冷房に適した低温を実現できますが、クロス フローは性能係数(COP) が高いため、大規模な産業設備に適しています。

従来の冷却技術とは異なり、小型システムの COP は高いままです。これは、冷却塔に必要なリフト ポンプやその他の機器が不要だからです。1.5 トン/4.4 kW の冷却システムでは、ファンの動作に 200 ワットしか必要としないため、COP は 26.4、EER 定格は 90 になります。これは、水の浄化や供給に必要なエネルギーを考慮に入れておらず、水が供給された後にデバイスを稼働させるために必要な電力のみです。水の淡水化にもコストがかかりますが、水の蒸発潜熱は、水自体を浄化するために必要なエネルギーのほぼ 100 倍です。さらに、デバイスの最大効率は 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。ただし、これらの損失に関係なく、最初に水を淡水化によって浄化する必要がある場合でも、有効な COP は従来の冷却システムよりも大幅に高くなります。水がいかなる形でも入手できない地域では、乾燥剤と併用して太陽熱エネルギーなどの利用可能な熱源を使用して水を回収することができます。^{[21] [22]}

ハーバード大学ワイス研究所による、より新しいがまだ商品化されていない「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しますが、水分バリアとして機能する疎水性材料で半分覆われています。^[23] 入ってくる空気に水分が追加されていない間、相対湿度（RH）は温度-RH式に従ってわずかに上昇します。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、居住者の汗をより簡単に蒸発させ、この技術の相対的な効果を高めます。間接冷却は、室内の空気の質と人間の温熱快適性への懸念から、供給空気の水分含有量を増やす余裕がない高温多湿の気候に効果的な戦略です。

パッシブ間接蒸発冷却戦略は、熱交換器として機能する建築要素（屋根など）を必要とするため、まれです。この要素に水を噴霧し、この要素上の水の蒸発によって冷却することができます。この戦略は水の使用量が多いためまれであり、水の浸入や建物の構造の損傷のリスクも生じます。

2 段階冷却器の第 1 段階では、暖かい空気は湿気を加えずに間接的に予冷されます (外側で蒸発して冷却される熱交換器内を通過することによって)。直接段階では、予冷された空気は水に浸したパッドを通過し、冷却されるときに湿気を吸収します。空気供給は第 1 段階で予冷されるため、直接段階で伝達される湿気は少なく、目的の冷却温度に達します。メーカーによると、その結果、気候に応じて RH が 50 ～ 70% のより冷たい空気が生まれます。これは、調整された空気の相対湿度が約 70 ～ 80% である従来のシステムと比較して優れています。

別のハイブリッド設計では、直接または間接冷却を蒸気圧縮または吸収空調と組み合わせて、全体的な効率を高めたり、温度を湿球限界以下に下げたりします。

蒸発冷却は、昼間のパッシブ放射冷却および断熱と組み合わせることで、エネルギーを一切使用せずに冷却力を高めることができますが、設置場所の気候帯によっては、ときどき水を「補充」する必要があります。Lu らが開発したシステムは、「太陽光反射板、水分を多く含み IR を放出する蒸発層、蒸気透過性、IR 透過性、太陽光反射断熱層」で構成されており、最上層は「蒸発と放射の両方で熱を除去しながら、環境加熱に抵抗する」ことができます。このシステムは、独立型の昼間のパッシブ放射冷却よりも 300% 高い周囲冷却力を示し、冷蔵せずに、冷蔵湿度の高い気候では食品の保存期間を 40%、乾燥した気候では 200% 延長できます。 [ ^24]

従来の蒸発冷却は、例えば湿度比が約 0.02 kg_水/ kg_空気を下回る場合など、乾燥した空気でのみ機能します。^[25]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て、膜除湿と組み合わせることができます。^[25]これらの膜を通過する空気はコンプレッサーで濃縮できるため、より暖か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では、蒸発冷却用の水を完全に提供でき、あらゆる条件下でベースラインのデシカント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、冷媒を使用せずに高湿度での冷却も可能になります。冷媒の多くは、かなりの温室効果ガスを排出する可能性があります。^[25]

伝統的に、蒸発冷却パッドは封じ込めネットの中にエクセルシオール（アスペン 材の繊維）が入っていますが、プラスチックやメラミン紙などのより現代的な素材が冷却パッドの素材として使われるようになっています。現代の硬い素材は一般的に8インチまたは12インチの厚さで、より多くの水分を加えるため、通常ははるかに薄いアスペン素材よりも空気を冷やします。^[26]時々使用される別の素材は段ボールです。^{[27] [28]}

乾燥地帯や半乾燥地帯では、水不足のため、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、2002年にはザイオン国立公園ビジターセンターの2つの受動冷却塔で420,938リットル（111,200ガロン）の水が消費された。^{[29]しかし、このような懸念は専門家によって対処されており、彼らは発電には通常大量の水が必要であり、蒸発冷却器は}チラーに比べてはるかに少ない電力、したがって全体的な水の使用量は同程度で、全体的なコストも低いと指摘している。^[30]

ユニットを通る空気流のどの部分にでも余分な熱を伝達する可能性のある表面が太陽光に直接さらされると、空気の温度が上昇します。パッドを通過する前に熱が空気に伝達される場合、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、これを達成するために必要な追加の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、太陽によって供給されます。これにより、温度が上昇するだけでなく湿度も高くなります。これは、何らかの方法で入口の空気温度を上昇させたり、何らかの方法でパッド上に分配する前に水を加熱したりするのと同じです。さらに、日光は一部のメディアやクーラー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、どのような状況でも日よけが推奨されますが、パッドを垂直にし、外部と内部の水平（上向き）表面の間に断熱材を入れて熱伝達を最小限に抑えれば十分です。

機械式蒸発冷却に使用されるファンを除けば、ポンプは機械的および受動的な用途の両方において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、湿潤媒体パッドに水を再循環させるか、受動冷却塔のミスターシステムに非常に高圧の水を供給するために使用できます。ポンプの仕様は、蒸発速度と媒体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。^[31]

空調エリアから空気が継続的に排出されるように、排気ダクトや開いた窓を常に使用する必要があります。そうしないと、圧力が発生し、システム内のファンまたはブロワーが媒体を通して空調エリアに多くの空気を押し出すことができなくなります。蒸発システムは、空調エリアから外部に継続的に供給される空気を排出しなければ機能しません。家の通路、関連するドア、部屋の窓のレイアウトとともに、冷却された空気の入口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、冷却された空気を必要なエリアに導くことができます。適切に設計されたレイアウトは、天井より上のダクト付き換気システムを必要とせずに、必要なエリアから熱気を効果的に掃き出し、排出することができます。継続的な空気の流れが不可欠であるため、排気窓または通気口は、蒸発冷却装置によって導入される空気の量と通路を制限してはなりません。また、屋外の風向きにも注意する必要があります。たとえば、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。常に、風下の窓を開け、風上の窓を閉めておくのが最善です。

通常、住宅用および産業用の蒸発冷却器は直接蒸発を使用し、通気口のある側面を持つ密閉された金属またはプラスチック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、 HVAC用語で「シーブ」と呼ばれるプーリー付きの電動モーター、または直接駆動軸流ファンによって駆動) によって動かされ、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 (ダウンドラフト、またはダウンフロー) または外壁や窓 (サイドドラフト、または水平フロー) に取り付けることができます。冷却するために、ファンはユニットの側面にある通気口と湿ったパッドを通して周囲の空気を吸い込みます。空気中の熱によってパッドから水分が蒸発し、パッドは常に再び湿らせて冷却プロセスを継続します。次に、冷却された湿った空気が屋根または壁の通気口から建物内に送り込まれます。

冷却空気は建物の外部から発生するため、空気が建物内から外部へ移動できるように、1 つ以上の大きな通気口が必要です。空気はシステム内を 1 回だけ通過する必要があります。そうしないと、冷却効果が低下します。これは、空気が飽和点に達するためです。蒸発冷却装置が設置されている空間では、1 時間あたり 15 回程度の空気交換 (ACH) が発生することが多く、空気交換率は比較的高くなります。

冷却塔は、水やその他の熱伝達媒体を周囲の湿球温度近く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で動作しますが、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、多くの場合、大きな建物や工業用地に設置されています。冷却塔は、たとえば チラー、工業プロセス、またはランキン発電サイクルから環境に熱を伝達します。

ミストシステムは、約5マイクロメートルの開口部を持つ真鍮とステンレス鋼のミストノズルに高圧ポンプとチューブを介して水を送り込み、超微細なミストを発生させる仕組みです。ミストを発生させる水滴は非常に小さいため、瞬時に蒸発します。瞬間蒸発により、わずか数秒で周囲の空気温度を35°F (20°C)も下げることができます。^[32]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 (2.4〜3.0m)の高さに取り付けるのが理想的です。ミストは、花壇、ペット、家畜、犬小屋、害虫駆除、臭気制御、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。ファンは空気中に細かい霧状の水を吹き出します。空気があまり湿っていない場合、水は蒸発して空気から熱を吸収するため、ミストファンは空気冷却器としても機能します。ミストファンは、特に乾燥した気候の屋外で使用できます。屋内でも使用できます。

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散水ポンプで構成され、ノベルティアイテムとして販売されています。日常使用における効果は不明です。^[要出典]

蒸発冷却の性能を理解するには、湿度測定学の理解が必要です。蒸発冷却の性能は、外気温と湿度レベルの変化によって変わります。住宅用クーラーは、空気の温度を湿球温度の 3 ～ 4 °C (5 ～ 7 °F) 以内に下げることができなければなりません。

標準的な天気予報情報からクーラーの性能を予測するのは簡単です。天気予報には通常、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、湿度図表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特定されると、クーラーの冷却性能または排出空気温度を決定できます。

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排出される空気の温度が流入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して求められる。^[33]${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle \epsilon ={\frac {T_{e,db}-T_{l,db}}{T_{e,db}-T_{e,wb}}}}$

どこ：

${\displaystyle \epsilon }$= 直接蒸発冷却飽和効率（％）

${\displaystyle T_{e,db}}$= 入気時の乾球温度（°C）

${\displaystyle T_{l,db}}$= 出口空気の乾球温度 (°C)

${\displaystyle T_{e,wb}}$= 入ってくる空気の湿球温度 (°C)

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の温度を湿球温度の95%まで下げることができますが、最も効率の悪いシステムでは50%しか下げられません。^[33]蒸発効率は時間の経過とともにほとんど低下しません。

住宅用蒸発冷却装置で使用される一般的なアスペン パッドの効率は約 85% ですが、CELdek ^{[詳細な説明が必要]}タイプの蒸発媒体は、空気の速度に応じて 90% を超える効率を提供します。CELdek 媒体は、大規模な商業施設や工業施設でよく使用されます。

たとえば、ラスベガスでは、典型的な夏の設計日が乾球温度 42 °C (108 °F)、湿球温度 19 °C (66 °F)、または相対湿度約 8% の場合、効率 85% の住宅用クーラーの出口空気温度は次のようになります。

${\displaystyle T_{l,db}}$ = 42 °C – [(42 °C – 19 °C) × 85%] = 22.45 °C または 72.41 °F

ただし、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。

• 湿度チャートを使用して湿球温度を計算し、上記のように 5～7 °F を加算します。
• 湿球温度は、周囲温度から周囲温度と露点の差の 1/3 を引いた値にほぼ等しいと推定される経験則を使用します。前述のように、5～7 °F を追加します。

この関係を明確にする例をいくつか示します。

• 気温が 32 °C (90 °F)、相対湿度が 15% の場合、空気は 16 °C (61 °F) 近くまで冷却されることがあります。この条件での露点は 2 °C (36 °F) です。
• 気温が 32 °C、相対湿度が 50% の場合、空気は約 24 °C (75 °F) まで冷却されます。この条件での露点は 20 °C (68 °F) です。
• 気温が 40 °C (104 °F)、相対湿度が 15% の場合、空気は 21 °C (70 °F) 近くまで冷却されることがあります。この条件での露点は 8 °C (46 °F) です。

(冷却の例は、2000 年 6 月 25 日のアイダホ大学出版物「Homewise」から抜粋)。

蒸発冷却器は乾燥した条件で最もよく機能するため、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、最も効果的です。

同じ式は、湿度の高い環境では蒸発冷却器の使用が限られる理由を示しています。たとえば、東京の暑い 8 月の日は、気温が 30 °C (86 °F)、相対湿度が 85%、気圧が 1,005 hPa です。この場合、露点は 27.2 °C (81.0 °F)、湿球温度は 27.88 °C (82.18 °F) になります。上記の式によると、効率が 85% の場合、空気は 28.2 °C (82.8 °F) までしか冷却できず、まったく実用的ではありません。

蒸発冷却と冷凍ベースの空調の比較:

設置と運用コストが安い

• 専門家による設置費用の見積もりは、中央冷蔵空調の半分以下です。^[34]
• 推定運転コストは冷蔵空調の1/8である。^[35]
• コンプレッサーがないため、電源投入時に電力スパイクは発生しません。
• 電力消費は、起動時の電流消費が比較的低いファンとウォーターポンプに限定されます。
• 作動流体は水です。アンモニアやCFCなどの、有毒であったり、交換に費用がかかったり、オゾン層破壊の原因になったり、厳しいライセンスや環境規制の対象になったりする可能性のある特殊な冷媒は使用されていません。
• 新しく発売されたエアクーラーはリモコンで操作できる。^[36]

設置とメンテナンスの容易さ

• 専門技術と専門家による設置が必要な冷蔵設備に比べ、機械に詳しいユーザーでも大幅に低コストで設備を設置できます。
• ほとんどの基本的な蒸発冷却器の機械部品はファン モーターとウォーター ポンプの 2 つだけです。どちらも低コストで修理または交換でき、機械に詳しいユーザーであれば簡単に修理または交換できるため、HVAC 請負業者への高額なサービス コールが不要になります。

換気空気

• 建物内を移動する空気の頻繁かつ高い流量により、建物内の「空気年齢」が大幅に短縮されます。
• 蒸発冷却により湿度が上昇します。乾燥した気候では、快適性が向上し、静電気の問題が軽減される可能性があります。
• パッド自体は、適切にメンテナンスされていれば、かなり効果的な空気フィルターとして機能します。非常に乾燥した天候に関係なく、汚染によって発生する都市部のオゾンを含む、空気中のさまざまな汚染物質を除去することが^できます。^{冷凍ベースの冷却システムは、}空気中の湿度が十分でなく、蒸発器を湿らせておくことができない場合は、この機能を失い、空気から除去された溶解不純物を洗い流す凝縮液が頻繁に発生します。

パフォーマンス

• ほとんどの蒸発冷却装置は、冷蔵空調システムほど低い温度に達することができません。
• 露点（湿度）が高い場合、蒸発冷却器の冷却能力が低下します。
• 除湿機能はありません。従来のエアコンは、空気中の水分を除去しますが、非常に乾燥した場所では、空気の循環によって湿気が蓄積する可能性があります。蒸発冷却によって水分が追加され、湿度の高い気候では、乾燥によって高温時の温度快適性が向上する場合があります。

快適

• 蒸発冷却器によって供給される空気の相対湿度は通常 80～90% で、室内の湿度レベルは 65% まで上昇することがあります。湿度の高い空気は、皮膚、鼻、肺、目からの水分の蒸発率を低下させます。
• 空気中の湿度が高いと、特にほこりがある場合には腐食が加速します。これにより、電子機器やその他の機器の寿命が大幅に短くなる可能性があります。
• 空気中の湿度が高いと、水分が結露することがあります。これは、状況によっては問題となる場合があります (例: 電気機器、コンピューター、紙、本、古い木材)。
• 十分なフィルタリングが行われていない場合、臭気やその他の屋外汚染物質が建物内に吹き込まれる可能性があります。

水の使用

• 蒸発冷却装置には一定の水の供給が必要です。
• ミネラル含有量の多い水(硬水) は、パッドとクーラー内部にミネラル沈着物を残します。ミネラルの種類と濃度によっては、パッドの交換と廃棄物の除去中に安全上の問題が発生する可能性があります。ブリードオフおよびリフィル (パージ ポンプ) システムにより、この問題を軽減できますが、完全に排除することはできません。インライン水フィルター (冷蔵庫の飲料水/製氷機タイプ) を設置すると、ミネラル沈着物が大幅に減少します。

メンテナンス頻度

• 硬水地域は湿度が高く、鉱物が大量に堆積する可能性があるため、錆びたり腐食したりする可能性のある機械部品は、定期的な清掃または交換が必要です。
• 冷却性能を維持するために、蒸発媒体は定期的に交換する必要があります。ウッドウールパッドは安価ですが、数か月ごとに交換する必要があります。高効率の硬質媒体ははるかに高価ですが、水の硬度に比例して数年間持続します。非常に硬水の地域では、硬質媒体はミネラルスケールの蓄積により許容できないほど性能が低下するまで 2 年しか持続しない場合があります。
• 冬が寒い地域では、水道管と蒸発冷却器を凍結による損傷から保護するために、蒸発冷却器の水を抜いて冬季対策を行い、冷房シーズン前に冬季対策を解除する必要があります。

健康被害

• 蒸発冷却器は蚊の繁殖によく使われる場所です。多くの当局は、適切にメンテナンスされていない冷却器は公衆衛生上の脅威であると考えています。^[37]
• 適切にメンテナンスされていないシステムや欠陥のあるシステムからカビや細菌が室内の空気中に拡散し、シックハウス症候群を引き起こしたり、喘息やアレルギー患者に悪影響を与えたりすることがあります。また、悪臭の原因にもなります。
• ドライクーラーパッドの木綿は小さな火花でも燃えることがあります。

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• Holladay, April (2001)。 「スワンプ クーラーは蒸発によって空気を冷却します」。WonderQuest Weekly Q&A 科学コラム。USAToday.com。2006年 7 月 14 日閲覧。