空調設備で使われる冷却塔の仕組みと構造

冷却塔(クーリングタワー)は、クーリングワーともいわれ、ビルなどの空調設備には不可欠なものですが、その構造や仕組みはどうなっているのでしょうか。

空調設備は、ビル内で快適に仕事をしたり、マンションやホテル等で快適に暮らしたりするためにはなくてはならないものです。
その空調設備を稼働させるには冷却塔(クーリングタワー)が必要です。

しかし、冷却塔(クーリングタワー)が必要なことはわかっていても、その構造やどのような仕組み、原理で動いているのかご存知の方は、少ないのではないでしょうか。

そこで、ここでは冷却塔(クーリングタワー)の仕組み、基礎的な原理、構造などについてご紹介します。

冷却塔(クーリングタワー)とは

冷却塔(クーリングタワー)は、空調設備を設置したり、維持していく上で不可欠なものです。
いわば、空調設備を支えている重要な設備といってよいでしょう。

例えば、家にエアコンを付けようとする場合には、部屋の外に室外機を設置して、温かい空気や冷たい空気を部屋に送り、暖房や冷房をしているのはご存じでしょう。
この室外機の冷房時の働きのように、室内の熱を室外に放出する役割をしているのが冷却塔(クーリングタワー)なのです。

冷却塔(クーリングタワー)は、主に冷凍機や、放熱を必要とする機械と組み合わせて利用することが多いです。

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この冷却塔(クーリングタワー)について、皆さんがよくわかるようにさらに詳しく見ていくことにしましょう。

冷却塔(クーリングタワー)の役割

それでは、冷却塔(クーリングタワー)の役割について具体的にご説明します。

室内で熱交換されて温められた冷水は冷凍機に戻ります。冷凍機の中で冷却水に放熱された熱を外へ放出するのが冷却塔(クーリングタワー)の役割です。

その際に冷却塔(クーリングタワー)内部では温度の高くなった冷却水を元の低温に戻す働きをするのです。

ダクトなどを通じて空気を移動させる機械などと組み合わせて、ビル内や冷房の必要な場所、温度を一定に保つ必要のある部屋を冷却、冷房するための設備の一部になります。

家庭用のエアコンの室外機も同じ機能を持っており、夏場の部屋の暖かい空気を冷やす役割をしているのです。その際には、エアコンからしずくとなった冷却水がホースから流れていると思います。

冷却塔(クーリングタワー)の用途には、ビルの冷房だけでなく、ショッピングセンターなどの商業施設、工場などのように一定の温度に保つ必要のある建物などにも利用されています。

また、発電所では例として福島第一発電所が東日本大震災で事故を起こした時に、燃料棒を冷やす装置が紹介されていましたが、この場合の冷却機能をもたらしていたのは冷却塔(クーリングタワー)だったといえます。

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冷却塔(クーリングタワー)の仕組みはどうなっているの?

室内の空気を冷やし、熱を外に放出するために必要不可欠なのが冷却塔(クーリングタワー)。
室内の温かい空気は、まず空調機内で空気を冷やすための冷水と熱交換されます。

そこで吸熱して温められた冷水は冷凍機で元の温度に戻すために凝縮され、その際に温められた冷却水は冷却塔(クーリングタワー)へと送られます。
冷却水に放熱された熱を外気に捨てる役割をしているのが冷却塔(クーリングタワー)です。

冷却塔(クーリングタワー)内部には、シート型をした熱交換器があり、そこにまんべんなく水を行き渡らせます。
その熱交換器は冷却水と外気から取り入れられた空気が最大限に接触できるように、表面面積を大きくした仕組みになっているのです。

例えば、お風呂から出たばかりの温まった体に扇風機などの風が当たると、非常に涼しくて気持ちよくなります。

これは、温まった肌に風があたることで、気化熱が放出された体を冷やしてくれるためです。
これと同じ気化熱の原理が、冷却塔(クーリングタワー)で作り出されているといえるでしょう。
この気化熱は蒸発熱ともいわれています。

気化熱によって温められた空気は、冷却塔(クーリングタワー)上部にあるファンを通って外に放出されます。

冷却塔(クーリングタワー)の方式にはどのようなものがあるのか

冷却塔(クーリングタワー)には、冷却水を直接触れさせる「開放式」か、間接的に触れさせる「密閉式」2つの方式があります。

それぞれ仕組みが異なるので、見ていきましょう。

開放式の特徴

開放式は、外気を取り込んで水と直接触れるようにする方式をいいます。
この方式は冷却効率が高く、密閉式に比べるとコンパクトな設備ですみます。

しかし、水が外気に直接接触してしまうため、汚れやすいのが欠点となっています。
すぐに冷却塔(クーリングタワー)の付属設備など内部が汚れてしまうため、それらを頻繁にメンテナンスする必要があるのです。

特に、現代の都市部や工場の多い地域などでは、空気中に細かい塵がたくさん含まれています。
したがって開放式の冷却塔(クーリングタワー)は、定期的にメンテナンスを行うことが必要となります。

また、オフィスビルなどの空調設備の冷却用として採用されています。

密閉式の特徴

一方、密閉式は冷却水を銅管コイルなどの中を通るようにして、それに温まった空気を接触させているため、外気などの空気に直接触れることはなく、メンテナンスの頻度は開放式に比べると少なくてすみます。

その代わり、冷却効率は落ちざるを得ず、設備的にも大きくならざるを得ません。

この方式は、一般の空調設備以外でも、データセンターや専門的な研究のための重要施設の冷凍機の冷却用として使われています。

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冷却塔(クーリングタワー)の構造について

冷却塔(クーリングタワー)の構造は、いくつかの複数のパーツで作られています。
水をシートに散水するための散水パイプ

  • 水(冷却水または散布水)を熱交換機に散水するための散水装置
  • 外気を取り入れるための送風機
  • 冷却水を貯めておくための水槽
  • 循環することにより汚れた水(冷却水または散布水)を排出するブロー装置(排水装置)

ただし、開放式と密閉式の場合では水の流し方が違うため、パーツとしての装置も違っています。
このような、いくつかの装置を組み合わせることで冷却塔(クーリングタワー)の機能、役割を果たすことができるのです。

したがって、空調設備における冷却塔(クーリングタワー)は、その用途に応じていろいろな組み合わせになるため、実際に導入する際には、それらの組み合わせから最適な構造を設計する必要があります。

そのためには、専門の業者に相談するのがよいでしょう。

まとめ

空調設備では、冷たい空気を作る際に、室内で熱交換され温められた冷水は冷凍機に戻ります。

冷凍機では冷水を冷やす働きをしますが、その際に冷却水に放熱された熱を外気に捨てる役割をしているのが冷却塔(クーリングタワー)です。

一般の家庭などのエアコンの場合には、室外機の中に組み込まれていますが、ビルや工場などの大きな建物では専用の空調設備でおこなうため、冷却塔(クーリングタワー)は不可欠な設備といえます。
冷却塔(クーリングタワー)は、気化熱の原理を利用して冷却水を冷やす役割があり、基本的には開放式と密閉式の2つの方式があります。
開放式は水と空気が直接触れる形であり、密閉式は水を銅管コイルなどの中を通るようにした形で冷却するもので、いずれも冷凍機などの装置を組み合わせて機能を発揮しています。

冷却塔(クーリングタワー)の詳細については、空研工業株式会社までお問い合わせください。

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