Loading article…
過冷却（またはアンダークーリング）とは、液体を通常の沸点以下に意図的に冷却する過程を指します。例えば、水は373 Kで沸騰しますが、室温（293 K）では液体の水は「過冷却」状態にあると言えます。過冷却は、冷凍サイクルや蒸気タービンサイクルにおいて一般的な段階です。ロケットエンジンの中には、過冷却された推進剤を使用するものもあります。
冷凍システムでは、冷凍サイクルの残りの段階が確実に完了するように、冷媒の過冷却が必要です。過冷却段階により、冷媒がサイクルの次のステップである熱膨張弁に到達する前に完全に液体になっていることが保証されます。熱膨張弁では、ガスの存在が妨げとなる可能性があります。[ 1 ]過冷却は、多くの場合、熱交換器 で行われます。
過冷却は通常、冷媒がサーモスタット膨張弁に到達したときに、冷媒がすべて液体の状態になるように使用され、これにより弁が適切に機能します。ガスが膨張弁に到達すると、一連の望ましくない現象が発生する可能性があります。[ 3 ]これらは、フラッシュガス現象で観察されるものと同様の動作につながる可能性があります。サイクル全体にわたるオイル調整の問題、 [ 4 ]過剰で不必要な電力の誤用と電気の浪費、設備内のいくつかのコンポーネントの誤動作と劣化、システム全体の不規則な動作、監視されていない場合は機器の破損。
過冷却のもう一つの重要かつ一般的な応用例は、過熱プロセスへの間接的な利用です。過熱は、作動原理において過冷却と類似しています。つまり、冷媒が液気状態になるとサイクルが阻害される段階（非圧縮性の液気混合物は圧縮機を破壊する）よりも前に過冷却が発生し、両方のプロセスは内部熱交換器を用いて結合できます。この場合、過冷却は過熱と同時に行われ、高圧（液体）の過冷却冷媒から低圧（気体）の過熱冷媒へと熱が流れます。これにより、過冷却現象と過熱現象の間にエネルギー的な等価性が生まれ、エネルギー損失はほとんど、あるいは全くありません。通常、過冷却される流体は過熱される冷媒よりも高温であるため、必要な方向にエネルギーの流れが生じます。したがって、過冷却は過熱プロセスにとって容易かつ広く利用されている熱源となります。
凝縮器の外側で過冷却プロセスを行うこと（内部熱交換器を用いる場合など）は、凝縮器の熱交換能力を最大限に活用する方法の一つです。冷凍システムの大部分は、凝縮器の一部を過冷却に利用していますが、これは非常に効果的でシンプルな方法ではあるものの、公称凝縮能力を低下させる要因となり得ます。蒸発器で過熱が発生する場合にも同様の状況が見られるため、内部熱交換器は熱交換能力を最大化するための優れた、比較的安価な解決策となります。
過冷却のもう一つの広く普及している用途は、冷却能力の向上と省エネです。過熱とは逆に、過冷却、つまり過冷却プロセスで液体冷媒から取り除かれる熱量は、システムの冷凍能力の向上として現れます。これは、凝縮（過冷却）後に余分な熱を除去することで、サイクルの後の段階での熱吸収率が高くなることを意味します。過熱はまさにその逆の効果をもたらします。内部熱交換器だけではシステムの能力を向上させることはできません。なぜなら、過冷却による冷却能力向上効果は過熱によって弱められ、正味の能力向上はゼロになるからです。一部のシステムは、高圧流体で冷媒を移動させたり熱を除去したりすることで、より少ないエネルギーで冷却能力を向上させることができます。高圧流体は、その後、より低圧（冷却がより困難な）流体を冷却または過冷却します。
宇宙飛行用途では、過冷却とは、沸点よりかなり低い温度（ただし融点よりは低くない）まで冷却された極低温燃料または酸化剤を指します。[ 5 ]これにより、推進剤の密度が高くなり、推進剤タンクの容量が増加し[ 6 ] 、蒸発損失が減少します。
SpaceXのファルコン9とスターシップの打ち上げロケットは、推進剤に過冷却を利用しています。[ 6 ] [ 7 ] この技術はスーパーチリングとも呼ばれます。
過冷却プロセスはさまざまな方法で発生するため、プロセスが発生するさまざまな部分を区別することができます。通常、過冷却とは容易に測定できる温度低下の大きさを指しますが、除去される総熱量という観点から過冷却について語ることもできます。最もよく知られている過冷却は凝縮器の過冷却であり、これは通常、流体が完全に凝縮した直後から凝縮器ユニットから出るまでの間に凝縮器内部で発生する総温度低下として知られています。
凝縮器の過冷却は、通常、全過冷却とは異なります。これは、凝縮器の後、配管全体で、冷媒が膨張弁に到達する前に自然にさらに冷却される傾向があるためですが、人工的な過冷却も関係しています。[ 3 ]全過冷却とは、冷媒が実際の凝縮温度から膨張弁に到達したときの具体的な温度まで受ける完全な温度低下のことです。これが有効な過冷却です。
自然過冷却とは、通常、凝縮器内部で発生する温度低下（凝縮器過冷却）と、配管のみで発生する温度低下を合わせたもので、熱交換器は一切含まれません。機械的な過冷却（つまり内部熱交換器）がない場合、自然過冷却は総過冷却と等しくなります。[ 8 ]一方、機械的な過冷却とは、過冷却を意図的に発生させるために設置された人工的なプロセスによって低下する温度のことです。[ 1 ]この概念は主に、内部熱交換器、独立した過冷却カスケード、エコノマイザー、ブースターなどの装置を指します。
過冷却は冷凍システムの効率向上において重要な要素であり、そのため広範な研究が行われてきた。高圧で動作するシステムは一般的に効率が高く、過冷却ループで使用されるコンプレッサーは、液体冷媒を直接冷却するコンプレッサーよりも一般的に効率が高い。
最新のエコノマイザー対応スクリューコンプレッサーが開発されており、[ 9 ]高度な製造技術が求められています。これらのコンプレッサーは、メインの蒸発器ではなく、内部の熱交換器から冷媒を圧縮プロセスの最終段階に注入することができます。この構成では、冷媒液は熱交換器内で高圧下で過冷却されます。このプロセスは機械的過冷却として知られています。ブースターシステムは別のアプローチで、1 つのコンプレッサーがより高い圧力とより高い効率で動作し、もう 1 つのコンプレッサーが低圧を処理します。ブースターシステムとは異なり、エコノマイザーは、エコノマイザー用に設計された単一のコンプレッサーで過冷却を実現します。
カスケードサブクーリングシステムは、冷媒をサブクーリングするために別の冷凍システムを使用する別の方法を提供します。効果的ではありますが、これらのシステムは高価で複雑であり、専用のコンプレッサーと追加の機器が必要です。それにもかかわらず、潜在的な利点から注目されています。米国エネルギー省は、連邦技術アラートで、冷媒のサブクーリングをシステム性能の向上とエネルギー節約のための信頼できる方法として認めています。[ 10 ]しかし、サブクーリングユニットをメインシステムから分離することは、流体の状態を監視するための高度で高価な制御システムが必要となるため、経済的に困難です。
最近、チリで開発された製品が、一般的な冷凍システムに機械式過冷却を導入し、システム容量を向上させる能力を実証した。[ 11 ]
過冷却の原理は単純明快です。過冷却によって得られる追加の冷却は冷媒の効率を直接的に向上させますが、過熱は効率を低下させます。過冷却に関わるコンプレッサーは、より高い圧力というより良い条件下で動作するため、冷却プロセスがより効率的になります。これにより、過冷却中に除去される熱は、主システムで除去される熱と比較して、エネルギー効率とコスト効率が向上します。
一般的な冷凍システムでは、冷媒は気体と液体の状態変化を繰り返します。この過程では、気体が液体に凝縮するために冷却され、液体が再び気体に戻るために加熱されるため、過熱と過冷却が発生します。この過程でわずかな過冷却や過熱を避けることはほぼ不可能であり、過熱と過冷却は従来の蒸気圧縮式冷凍システムにおいて必然的に発生する避けられない現象です。
一方、超臨界システムでは、サイクル中に冷媒が異なる相になります。具体的には、冷媒（一般的には二酸化炭素）は標準的な凝縮プロセスを経ません。代わりに、超臨界相でガス冷却器を通過します。このような条件下では、凝縮温度や過冷却の概念は完全には適用できません。
このテーマについては、多段プロセス、エジェクタ、エキスパンダ、その他さまざまな装置や改良に焦点を当てた重要な研究が行われています。グスタフ・ロレンツェンは、これらのシステム向けに、2段階内部過冷却を含むサイクルの改良を提案しました。[ 12 ]