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水冷は、部品や産業機器から熱を除去する方法の一つです。水を用いた蒸発冷却は、多くの場合、空冷よりも効率的です。水は安価で無毒ですが、不純物を含んで腐食を引き起こす可能性があります。
水冷は、自動車の内燃機関や発電所の冷却に一般的に用いられています。対流熱伝達を利用した水冷装置は、一部のハイエンドパソコン内部で使用され、空冷よりもCPUやその他の部品の温度をさらに下げることができます。
水は安価で無毒であり、地球表面のほとんどの場所で利用可能です。液体冷却は空気冷却よりも高い熱伝導率を提供します。水は、室温および大気圧下で一般的に入手可能な液体の中で比熱容量が非常に高く、低い物質移動速度で効率的な熱伝達を可能にします。冷却水は、再循環システムでリサイクルするか、単回通過冷却（OTC）システムで使用できます。水の高い蒸発エンタルピーにより、冷却塔や冷却池で廃熱を除去するための効率的な蒸発冷却の選択肢が提供されます。[ 1 ]再循環システムは、蒸発冷却に依存する場合は開放型、熱交換器で熱除去が行われる場合は閉鎖型となり、蒸発損失は無視できます。熱交換器または凝縮器は、非接触冷却水を冷却対象流体から分離できます[ 2 ]。または、接触冷却水は、相差によって容易に分離できる鋸刃などの物体に直接衝突する場合があります。環境規制では、非接触冷却水中の廃棄物の濃度を低減することが重視されています。[ 3 ]
水は金属部品の腐食を促進し、生物の成長に適した媒体です。天然水に含まれる溶解ミネラルは蒸発によって濃縮され、スケールと呼ばれる堆積物を形成します。冷却水には、腐食を最小限に抑え、スケールや生物付着物の堆積を絶縁するために、化学物質の添加が必要となることがよくあります。[ 4 ]
水には、大気、土壌、容器との接触により、さまざまな量の不純物が含まれています。水は電気伝導体であり、金属イオンと酸素の溶媒でもあるため、冷却中の機械の腐食を促進する可能性があります。腐食反応は温度の上昇とともに急速に進行します。[ 4 ]高温水が存在する状況下での機械の保護は、亜鉛、クロム酸塩、リン酸塩などの腐食抑制剤の添加によって改善されています。[ 5 ] [ 6 ]最初の2つは毒性の懸念があり、[ 7 ]最後の1つは富栄養化と関連付けられています。[ 8 ]殺生物剤と腐食抑制剤の残留濃度は、開放型循環冷却水システムからのOTCとブローダウンで潜在的な懸念事項となります。[ 9 ]設計寿命の短い機械を除き、密閉型循環システムでは定期的な冷却水処理または交換が必要であり、密閉システムの環境安全性の仮定に基づいて使用される化学物質を含む冷却水の最終的な処分について同様の懸念が生じます。[ 10 ]
生物付着は、水が多くの生物にとって好ましい環境であるため発生します。循環冷却水システムの流れ特性は、循環する食物、酸素、栄養素を利用して定着性生物のコロニー形成を促進します。 [ 11 ]温度は、真菌類などの好熱性生物の個体群を支えるのに十分な高さになることがあります。[ 12 ] 熱交換面の生物付着は冷却システムの熱伝達率を低下させ、冷却塔の生物付着は流れの分布を変化させて蒸発冷却率を低下させる可能性があります。生物付着は、酸素濃度の差を生み出し、腐食速度を増加させる可能性もあります。OTCおよび開放循環システムは、生物付着の影響を受けやすいです。生物付着は、一時的な生息環境の変更によって抑制される可能性があります。温度差は、断続的に運転される施設での好熱性生物の個体群の定着を阻害する可能性があり、意図的な短期間の温度上昇は、耐性の低い個体群を周期的に死滅させる可能性があります。 持続的な施設運転が必要な場合、生物付着を制御するために殺生物剤が一般的に使用されています。[ 13 ]
塩素は、冷却水システムでの生物付着を減らすために次亜塩素酸塩の形で添加されるが、その後、自然水環境に戻されるブローダウン水またはOTC水の毒性を最小限に抑えるために塩化物に還元される。次亜塩素酸塩は、pHが上昇するにつれて木製冷却塔への破壊力が増す。塩素化フェノールは、冷却塔の殺生物剤として、または防腐処理された木材から溶出する。次亜塩素酸塩とペンタクロロフェノールはどちらも、pH値が8を超えると効果が低下する。[ 14 ]非酸化性殺生物剤は、ブローダウン水またはOTC水を自然水環境に放出する前に解毒するのがより困難になる可能性がある。[ 15 ]
冷却システムでは、熱交換面を十分に清浄に保つために、亜鉛やクロム酸塩、または類似の化合物を含むポリリン酸塩またはホスホン酸塩の濃度が維持されており、ガンマ酸化鉄とリン酸亜鉛の膜が陽極および陰極反応点を不動態化することで腐食を抑制します。[ 16 ]これらは塩分濃度と総溶解固形物を増加させ、リン化合物は藻類の成長に必要な制限栄養素となり、冷却システムの生物付着やブローダウン水またはOTC水を受け入れる自然水生環境の富栄養化に寄与する可能性があります。クロム酸塩は冷却水システムで効果的な腐食抑制に加えて生物付着を減少させますが、ブローダウン水またはOTC水中の残留毒性により、クロム酸塩濃度を低くし、柔軟性の低い腐食抑制剤を使用するよう促されています。[ 7 ]ブローダウンには、クロム酸銅ヒ酸塩で防腐処理された木材で作られた冷却塔から溶出したクロムも含まれている可能性があります。[ 17 ]
総溶解固形物または TDS (濾過残渣とも呼ばれる) は、測定量の濾過水を蒸発させたときに残る残渣の質量として報告されます。[ 18 ]塩分濃度は、溶解物質によって引き起こされる水の密度または導電率の変化を示します。 [ 19 ]スケール形成の可能性は、総溶解固形物の増加とともに増加します。スケール形成によく関連する固形物は、炭酸塩と硫酸塩の両方のカルシウムとマグネシウムです。腐食速度は、最初は電気伝導率の増加に応じて塩分濃度とともに増加しますが、塩分濃度が高くなると溶存酸素濃度が低下するため、ピークに達した後は減少します。[ 4 ]
井戸から汲み上げた地下水には酸素がほとんど含まれていないものもありますが、ほとんどの天然水源には溶存酸素が含まれています。酸素濃度の上昇は腐食を促進します。[ 4 ]冷却塔では溶存酸素が飽和レベルに近づきます。ブローダウン水やOTC水が自然の水環境に戻される際には有益です。[ 20 ]
水は、ヒドロニウムイオン（H 3 O +）陽イオンと水酸化物イオン（OH −）陰イオンに電離します。冷却水システム内の電離水素（プロトン化水として）の濃度は、pHレベルとして報告されます。[ 21 ] pH 値が低いと腐食速度が上昇し、pH 値が高いとスケールの形成が促進されます。両性物質は、水冷却システムで使用される金属ではまれですが、アルミニウムの腐食速度は、pH 値が 9 を超えると上昇します。銅とアルミニウムの部品を含む水システムでは、ガルバニック腐食が深刻になる可能性があります。pHの低下が塩分濃度と溶解固形物の増加を相殺する場合、スケールの形成を防ぐために冷却水システムに酸を加えることができます。[ 22 ]
発電所で低圧蒸気を凝縮するために必要な大量の水に匹敵する冷却用途は他にほとんどない。[ 24 ]多くの施設、特に発電所では、冷却のために1日に数百万ガロンの水を使用している。[ 25 ]この規模の水冷は、自然の水環境を変化させ、新たな環境を作り出す可能性がある。河川、河口、沿岸水域の熱汚染は、このような施設を立地する際の考慮事項である。周囲の受水域よりも高い温度で水生環境に戻された水は、生化学反応速度を増加させ、生息地の酸素飽和容量を減少させることにより、水生生息地を変化させる。温度上昇は当初、冷水の高酸素濃度を必要とする種から、温水での代謝速度の増加という利点を享受する種への個体群のシフトを促進する。[ 11 ]
貫流冷却(OTC) システムは、非常に大きな河川や沿岸および河口域で使用されることがあります。これらの発電所は、廃熱を河川または沿岸水に放出します。したがって、これらの OTC システムは、冷却に必要な河川水または海水の十分な供給に依存しています。このような施設は、大量の水を高い流量で取り込むように設計された取水構造物で建設されます。これらの構造物は、多数の魚やその他の水生生物も引き込む傾向があり、それらは取水スクリーンで死んだり傷ついたりします。[ 26 ]流量が大きいと、熱交換器の小径チューブの詰まりを防ぐスクリーンに、魚やエビなどの泳ぎの遅い生物が閉じ込められる可能性があります。高温またはポンプの乱流とせん断により、冷却水とともにスクリーンを通過する小型の生物が死んだり、機能しなくなったりする可能性があります。[ 27 ] : Ch. A2米国では 1,200 を超える発電所および製造施設が OTC システムを使用しています。[ 28 ] : 4–4取水構造物では毎年数十億匹の魚類やその他の生物が死滅しています。[ 29 ]より機敏な水生捕食者はスクリーンに衝突した生物を捕食し、温水捕食者や腐肉食動物は冷却水の排出口に定着して、巻き込まれた生物を餌としています。
米国の浄水法は、環境保護庁（EPA）に工業用冷却水取水構造物に関する規制を発行することを義務付けた。 [ 30 ] EPAは、2001年に新規施設に関する最終規制を発行し（2003年に改正）、[ 26 ] [ 31 ] 2014年に既存施設に関する最終規制を発行した。 [ 32 ]
OTCの代替として、工業用冷却塔では、再循環河川水、沿岸水（海水）、または井戸水を使用する場合があります。工業プラントの大型機械式誘引通風または強制通風冷却塔では、冷却水が熱交換器やその他の機器を通して連続的に循環し、そこで水が熱を吸収します。その熱は、冷却塔内で上昇気流が下降気流と接触する際に水の一部が蒸発することによって大気中に放出されます。大気中に排出される蒸発した水の損失は、「補給」として新鮮な河川水または新鮮な冷却水によって補われますが、蒸発冷却中に失われる水の量は、水生生物の自然生息地に影響を与える可能性があります。蒸発した純水は炭酸塩やその他の溶解塩を含む補給水によって補われるため、循環水中の塩分の過剰な蓄積を最小限に抑えるために、循環水の一部が「ブローダウン」水として継続的に廃棄されます。これらのブローダウン廃棄物は、受水水の水質を変化させる可能性があります。[ 33 ]
加熱された冷却液混合物は、ヒーターコアを介して車内の空気を暖めるために使用できます。また、エンジンの周囲にあるウォータージャケットは、機械音を効果的に減衰させ、エンジンを静かにします。
開放型水冷システムは蒸発冷却を利用し、残りの（蒸発していない）水の温度を下げます。この方法は、水中の溶解塩やミネラルによるスケールの蓄積が観察されるまで、初期の内燃機関で一般的でした。現代の開放型冷却システムは、スケールの形成を防ぐのに十分な低濃度の溶解固形物を除去するために、循環水の一部をブローダウンとして継続的に廃棄します。一部の開放型システムでは安価な水道水を使用しますが、これは脱イオン水や蒸留水よりも高いブローダウン率を必要とします。精製水システムでも、腐食や生物付着を防ぐために化学処理の副産物の蓄積を除去するためにブローダウンが必要です。[ 34 ]
冷却用水の沸点は大気圧下で約100℃です。高温で運転されるエンジンでは、過熱を防ぐために加圧リサイクルループが必要になる場合があります。[ 35 ]現代の自動車用冷却システムは、リサイクル冷却水の沸点を上げて蒸発損失を減らすために、15psi （103kPa ）で運転されることがよくあります。 [ 36 ]
水冷方式では凍結による損傷のリスクがあります。自動車やその他多くのエンジン冷却用途では、水と不凍液の混合液を使用して、凍結点を実際に経験することのない温度まで下げる必要があります。不凍液は異種金属の腐食も抑制し、沸点を上昇させることで、より広い範囲の水冷温度を可能にします。[ 36 ]また、不凍液特有の臭いは、水冷システムでは気づかれない冷却システムの漏れや問題にオペレーターを知らせます。
その他、あまり一般的ではない化学添加剤としては、表面張力を低下させる製品があります。これらの添加剤は、自動車の冷却システムの効率を高めることを目的としています。こうした製品は、性能が低い、あるいは容量不足の冷却システムの冷却性能を向上させるため、または大型冷却システムの重量が不利になる可能性があるレースにおいて使用されます。
1930年頃から、高出力送信機の真空管には水冷が一般的に用いられるようになった。これらの機器は高電圧（約10kV）で動作するため、脱イオン水の使用が必須であり、その温度管理も厳密に行う必要がある。現代の固体型送信機は、高出力送信機であっても水冷を必要としないように設計されている。ただし、高電圧直流送電（HVDC）バルブのサイリスタには、脱イオン水の使用が必須となるため、水冷が用いられる場合もある。
電子部品の熱管理には、液冷技術がますます広く用いられるようになっています。この冷却方式は、エネルギー効率の最適化と同時に、騒音と設置スペースの最小化を実現するソリューションです。特にスーパーコンピュータやデータセンターでは、ラックのメンテナンスが迅速かつ容易なため、非常に有効です。ラックの分解後、高度な技術を用いたクイックリリース式カップリングにより、液漏れを防ぎ、作業者の安全を確保するとともに、液の完全性（回路への不純物混入なし）を維持します。これらのカップリングは、アクセスが困難な場所でも目視接続ができるよう、ロック（パネルマウントなど）することも可能です。電子技術においては、接続システムを分析して以下の点を確保することが重要です。
水冷は、水を輸送するためのポンプ、チューブ、配管、そして熱を大気中に放出するためのラジエーター（多くの場合ファン付き）が必要となるため、空冷設計に比べて複雑さとコストが増加することが多い。用途によっては、水冷は新たなリスク要因を生み出す可能性があり、冷却液の循環ループからの漏水によって繊細な電子部品が腐食したり、ショートしたりする恐れがある。
コンピューター機器のCPUコアを冷却するための水冷の主な利点は、熱源から二次冷却面に熱を運び、熱源に直接取り付けられた小型で比較的効率の悪いフィンではなく、より 大きく最適化されたラジエーターを使用できることです。さまざまな液体を使用してコンピューターの高温部品を冷却する方法は、少なくとも1982年のCray-2 （ Fluorinertを使用）以来使用されています。1990年代を通じて、家庭用PCの水冷は愛好家の間で徐々に認知されるようになりましたが、2000年代初頭に最初のギガヘルツクロックのプロセッサが登場してからは、より普及しました。2018年現在、水冷部品とキットのメーカーは数十社あり、多くのコンピューターメーカーは、高性能システムに水冷ソリューションをプリインストールしています。
水冷は多くのコンピュータ部品に使用できますが、通常はCPUとGPUに使用されます。水冷では一般的に、ウォーターブロック、ウォーターポンプ、および水対空気熱交換器が使用されます。大型で低速のファンを使用してデバイスの熱を別の大型熱交換器に伝達することで、水冷はより静かな動作、プロセッサ速度の向上（オーバークロック）、またはその両方のバランスを実現できます。あまり一般的ではありませんが、ノースブリッジ、サウスブリッジ、ハードディスクドライブ、メモリ、電圧レギュレータモジュール（VRM）、さらには電源ユニットも水冷できます。[ 37 ]
内部ラジエーターのサイズは、 40mmデュアルファン（80mm ）から140mmクアッドファン（560mm ）まで、厚さは30mmから 80mmまで様々 です。ラジエーターファンは、片側または両側に取り付けることができます。外部ラジエーターは、コンピューターケースの限られたスペースに収まる必要がないため、内部ラジエーターよりもはるかに大型にすることができます。ハイエンドケースには、背面に吸気ホースと排気ホース用のゴム製グロメット付きポートが2つあり、外部ラジエーターをPCから離れた場所に設置することができます。
Tラインは、循環水から閉じ込められた気泡を除去するために使用されます。T型コネクタとキャップ付きのチューブで構成されています。チューブはミニリザーバーとして機能し、気泡がT型コネクタで捕捉されるとチューブ内に流れ込み、最終的にエア抜きによってシステムから除去されます。キャップ付きのラインには、閉じ込められたガスを放出したり液体を追加したりするための充填ポート継手を取り付けることができます。
デスクトップコンピュータ用の水冷クーラーは、1990年代末まで自作でした。自動車用ラジエーター（またはより一般的には自動車のヒーターコア）、水槽用ポンプ、自作のウォーターブロック、実験室グレードのPVCおよびシリコンチューブ、さまざまなリザーバー（プラスチックボトルを使用した自作、または円筒形のアクリル板や透明なアクリル板を使用したもの）、およびTラインを使用して作られていました。最近では、コンピュータケース内に収まるほどコンパクトな水冷コンポーネントを製造する企業が増えています。[ 38 ]これと、CPUの消費電力が増加する傾向により、水冷の人気が大幅に高まっています。
熱心なオーバークロッカーは、より一般的な標準熱交換器の代わりに、蒸気圧縮冷凍機や熱電冷却器を使用することがあります。相変化システムの蒸発器コイルによって水が直接冷却される水冷システムは、循環冷却液を周囲の空気温度よりも低く冷却することができ（標準熱交換器では不可能）、その結果、一般的にコンピュータの発熱部品をより効果的に冷却できます。相変化冷却または熱電冷却の欠点は、消費電力がはるかに多く、低温のため不凍液を追加する必要があることです。さらに、冷却された表面に空気中の水蒸気が凝縮して損傷するのを防ぐために、通常は水道管の周囲に断熱材を巻き、冷却対象部品の周囲にネオプレンパッドを巻くなどの断熱材を使用する必要があります。必要な相変化システムを入手できる一般的な場所は、家庭用除湿機またはエアコンです。[ 39 ]
代替の冷却方式として、発熱部品とウォーターブロックの間に熱電素子（一般的に、その効果を実証したジャン・ペルティエにちなんで「ペルティエ接合」または「ペルト」と呼ばれる）を配置する方法がある。この方法では、周囲温度よりも低い温度領域は発熱部品との界面のみとなるため、断熱材は当該領域のみに必要となる。ただし、この方式の欠点は、消費電力が大きくなることである。
ペルチェ素子周辺の結露による損傷を防ぐため、適切な設置にはシリコーンエポキシ樹脂による「ポッティング」処理が必要です。エポキシ樹脂は素子の縁に塗布され、内部への空気の出入りを防ぎます。
AppleのPower Mac G5は、水冷を標準装備した最初の主流デスクトップコンピュータでした（ただし、最速モデルのみ）。Dellもこれに倣い、XPSコンピュータに液体冷却を搭載し、熱電冷却で液体を冷却しました。現在、Dellの液体冷却を提供するコンピュータはAlienwareデスクトップのみです。[ 40 ]
ASUSは、水冷式ノートパソコンを量産した最初で唯一の主流ブランドです。これらのノートパソコンには、空冷と水冷のハイブリッド冷却システムが内蔵されており、追加の冷却と電力供給のために外部液体冷却ラジエーターに接続できます。[ 41 ] [ 42 ]
水は船舶にとって理想的な冷却媒体です。船舶は常に水に囲まれており、水は年間を通して一般的に低温に保たれているからです。海水を使用するシステムは、白銅、青銅、チタン、または同様の耐腐食性材料で製造する必要があります。沈殿物を含む水は、高速での浸食や低速での沈殿による閉塞を防ぐために、配管内の流速制限が必要になる場合があります。[ 43 ]
植物の蒸散作用や動物の発汗作用は、蒸発冷却を利用して、高温によって代謝率が持続不可能になるのを防いでいる。
固定防御陣地で使用される機関銃は、連射時の銃身寿命を延ばすために水冷式を採用することがあるが、水とポンプシステムの重量が水冷式銃器の携帯性を著しく低下させる。第一次世界大戦中、水冷式機関銃は両陣営で広く使用されたが、終戦までに、水冷式に匹敵する火力、有効性、信頼性を備えた軽量兵器が戦場に登場し始めた。そのため、水冷式兵器はその後の紛争ではほとんど使用されなくなった。
スウェーデンのある病院は、雪解け水による雪冷を利用してデータセンターや医療機器を冷却し、快適な室温を維持している。[ 44 ]
原子炉の中には、冷却材として重水を使用するものがあります。重水は中性子吸収力が弱いため、原子炉で利用されます。これにより、濃縮度の低い燃料の使用が可能になります。主冷却システムには、重水よりもはるかに高価なため、熱交換器を用いて通常の水を使用するのが望ましいとされています。減速材として他の材料（黒鉛など）を使用する原子炉でも、冷却材として通常の水を使用する場合があります。
高純度の冷却水を必要とする工業プラントでは、高純度工業用水（逆浸透法または蒸留法で製造）や飲料水が使用されることがある。これらの高純度水の製造過程では、原水に含まれる濃縮された不純物を含む廃液が発生する。
2018年、コロラド大学ボルダー校とワイオミング大学の研究者らは、2017年から開発が進められてきた「RadiCold」と呼ばれる放射冷却メタマテリアルを発明した。このメタマテリアルは、太陽光線を反射することで下にある物体を冷却し、同時に表面から赤外線熱放射として熱を放出することで、水の冷却と発電効率の向上に役立つ。[ 45 ]
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