凝縮器のしくみと種類｜水冷・空冷・蒸発式と凝縮温度【冷凍三種】
この記事で分かること
- 凝縮器が何をしているかが分かります
- 水冷・空冷・蒸発式の違いが分かります
- 凝縮温度が上がると何が悪いのかが分かります
- 汚れ係数・不凝縮ガスの影響が分かります
凝縮器は「熱を捨てる」装置です。ここがうまく働かないと、圧力が上がり、電力を多く使い、最悪の場合は装置が止まります。
凝縮器の役割
用語凝縮器とは？
圧縮機から出た高温・高圧の冷媒ガスを冷やして、液体に戻す熱交換器です。このとき冷媒が持っていた熱を、水や空気に渡します。
- 入ってくるもの … 高温・高圧のガス
- 出ていくもの … 高圧の液
- 捨てる熱の量（凝縮負荷Φk） … 冷凍能力Φo ＋ 圧縮動力P（第5回）
例簡単な例え
やかんのふたに水滴が付くのと同じです。湯気（気体）が冷たいふたに触れて熱を奪われ、水（液体）に戻ります。凝縮器の中では、これが冷媒で起きています。気体が液体に戻るときに、大きな熱を出す——その熱を水や空気に受け取ってもらうのが、この装置の仕事です。
3つの方式
覚える覚え方
「水で冷やすほうが、空気で冷やすより効率がよい」。水は空気よりずっと熱を受け取りやすいからです。そのぶん冷却塔・ポンプ・水処理という手間がかかります。
水冷式のかたち
- 横形シェルアンドチューブ … 円筒（シェル）の中に細い管（チューブ）を束ねた形。管の中を冷却水、外を冷媒が通る。最も一般的
- 二重管式 … 管の中に管を通し、内側に冷却水、外側に冷媒
- ブレージングプレート式 … 薄い板を重ねたもの。小型で高性能
空冷式のかたち
- フィン付きの管に、ファンで風を当てる
- フィン（ひれ）で表面積を増やしている
- フィンが汚れたり、目詰まりすると能力が落ちる
熱伝達率と熱通過率──空気は熱を受け取りにくい
熱伝達率は、水・空気・冷媒などの流れと、管の表面とのあいだで、熱がどれだけ受け渡ししやすいかを表す値です。一方、熱通過率は「冷媒 → 管の壁 → 水や空気」と、熱が通る道すじ全体をひっくるめた伝わりやすさです。
熱の通り道は、いちばん通りにくい所に足を引っぱられます。水や冷媒にくらべて、空気の熱伝達率はずっと小さいので、空冷凝縮器では空気側が弱点になります。そこで空気側の管の外にフィン（うすい板）をたくさん付けて、面積を広げて補っています。
「フィンは、熱が伝わりにくい側に付ける」のが基本です。フルオロカーボン（フロン）の水冷シェルアンドチューブ凝縮器では、冷媒側のほうが熱を伝えにくいため、管の外側（冷媒側）に低いフィンを付けた銅製のローフィンチューブがよく使われます。冷却水側（管の中）にフィンを付けるわけではありません。
水冷式では、管の中の水の速さ（水速）を上げると水側の熱伝達率が上がり、熱通過率も大きくなります。ただし熱通過率は冷媒側や汚れも含めた全体の値なので、水速を2倍にしても、熱通過率は2倍にはなりません。水速を上げすぎると管が傷みやすくなる点にも注意が要ります。
空冷は「顕熱」、蒸発式は「蒸発潜熱」で冷やす
空冷凝縮器は、空気の温度が上がることで熱を受け取ります。温度の変化として出入りする熱を顕熱といい、空冷式が使うのはこの顕熱です（水が蒸発するときの潜熱ではありません）。設計では、入ってくる空気の乾球温度（ふつうの温度計が示す温度）をおよそ32℃として考えます。コイルの正面を通る風の速さ（前面風速）を大きくすると、熱通過率は大きくなります。
蒸発式凝縮器は、冷却管に水をまきながら風を送り、水が蒸発するときの蒸発潜熱で冷媒を冷やします。冷やす力のほとんどが、この水の蒸発によるものです。主にアンモニアの装置で使われます。
蒸発で冷やすので、空冷式より凝縮温度を低く保てます。水冷式（冷却塔で冷やした水を使う方式）とくらべても、凝縮温度が高くなるわけではなく、条件によってはより低くできます。「蒸発式は凝縮温度が高い」という記述は誤りと考えてください。
受液器兼用凝縮器
水冷シェルアンドチューブ凝縮器には、胴の底を受液器（液をためるタンク）の代わりに使う受液器兼用凝縮器があります。底にたまった冷媒液の中にも冷却管の一部を通しておき、その液を過冷却（凝縮温度よりさらに低い温度まで冷やすこと）にします。
凝縮温度が上がると何が悪いのか
例凝縮温度が上がると…
- 凝縮圧力（高圧側の圧力）が上がる
- 圧力比（低圧側に対する高圧側の圧力の比）が大きくなる → 体積効率（圧縮機が理論上吸い込める量に対する、実際に吸い込める量の割合）が下がる（第8回）
- 圧縮動力が増える → COPが下がる（第5回）
- 吐出しガス温度（圧縮機から出るガスの温度）が上がる → 油が劣化する
- 高圧遮断装置（圧力が上がりすぎると運転を止める安全装置）が働いて、装置が止まる（第17回）
覚える覚え方
「凝縮温度は、基本的に低いほどよい」。この一言で、凝縮器まわりの正誤問題の多くを見分けやすくなります。冷却水温を下げる・水の量を十分にする・汚れを取る・不凝縮ガスを抜く——どれも凝縮温度を下げるための手です。
凝縮温度が上がる原因
用語汚れ係数（ファウリングファクタ）とは？
伝熱面の汚れによって、熱が伝わりにくくなる度合いを表した数字です。汚れが多いほど大きくなり、熱通過率（熱の伝わりやすさを表す値）が小さくなります。設計のときにはあらかじめ汚れることを見込んで余裕を持たせます。
コツ不凝縮ガスの見分け方（重要）
- 装置を止めて、冷媒の温度が周りと同じになるまで待つ
- そのときの凝縮器の圧力が、その温度での冷媒の飽和圧力より高ければ、不凝縮ガスがある
- → 凝縮器の上部から抜く（ガスパージ）
受液器と冷媒の量
- 凝縮器を出た液は、受液器（レシーバ）にためられる
- 負荷が変わっても冷媒の量を調整できる
- 修理のときに冷媒を回収する場所にもなる
- 入れすぎ（過充填）は、凝縮圧力を上げる
試験ではこう出る
- ①凝縮負荷 … 「凝縮器で放出する熱量は、冷凍能力と圧縮動力の和である」→正しい。
- ②水冷と空冷 … 「空冷式は水冷式より凝縮温度が低くなる」→誤り。逆です。
- ③汚れ … 「伝熱面に水あかが付着すると、熱通過率は小さくなる」→正しい。
- ④不凝縮ガス … 「不凝縮ガスが混入すると凝縮圧力が下がる」→誤り。上がります。
- ⑤過充填 … 「冷媒を多く充填すると、凝縮圧力が高くなることがある」→正しい。
よくある質問
Q．「凝縮温度」と「冷却水温度」は違うのですか？
A．違います。凝縮温度は、冷媒が液に戻る温度。冷却水温度は、熱を受け取る水の温度です。熱は温度差があって初めて流れるので、凝縮温度は必ず冷却水温度より高くなります。その差が小さいほど効率がよい、ということになります。
Q．空冷式は水冷式より劣るのですか？
A．効率だけを見れば水冷式が有利ですが、空冷式には水が要らない・冷却塔が要らない・水処理やレジオネラ（冷却塔の水で増えやすい細菌）対策が要らないという大きな利点があります。中小規模では空冷式が主流です。試験では効率の比較として問われることが多いので、「水冷のほうが凝縮温度を低くできる」と覚えておくとよいでしょう。
Q．不凝縮ガスは、どこから入ってくるのですか？
A．主に修理や部品交換のときです。配管を開けると空気が入り、真空引き（ポンプで配管内の空気を抜くこと）が不十分なまま冷媒を入れると残ってしまいます。また低圧側が大気圧より低い状態で運転する装置では、わずかな漏れ口から空気を吸い込むこともあります。だから第18回の真空試験が大切なのです。
過去問で確かめる 3問
この回と、それより前の回の内容で解ける過去問を3つ選びました。問題文は、各年度の過去問ページで確認できます。冷凍三種は「正しい記述の組合せ」を選ぶ形なので、記述を1つずつ〇か×かで見ていきます。
令和7年度 保安管理技術 問6 凝縮器
イ 〇 空冷凝縮器では、空気と管の表面とのあいだの熱伝達率は、冷媒側よりずっと小さい。だから空気側にフィンを付ける。
ロ × 水冷シェルアンドチューブでは、管の中が冷却水、管の外（胴の中）が冷媒。水と冷媒の場所が逆になっている。
ハ 〇 空気は水より熱を受け取りにくいので、空冷のほうが凝縮温度は高くなる。
ニ 〇 凝縮負荷（凝縮器で捨てる熱）＝冷凍能力＋圧縮動力（第5回）。
正しいのはイ・ハ・ニで、正解（5）です。 → 令和7年度 保安管理技術の解説
令和6年度 保安管理技術 問6 凝縮器
イ 〇 受液器兼用凝縮器は、底にたまった液の中にも冷却管を通し、その液を過冷却にする。
ロ × 水速を上げると熱通過率は大きくなるが、2倍にしても2倍にはならない。熱通過率は冷媒側や汚れも含めた全体の値だから。
ハ 〇 空冷の設計では入口空気の乾球温度を約32℃とする。前面風速を大きくすると熱通過率は大きくなる。
ニ × 蒸発式凝縮器は水の蒸発潜熱で冷やすので、凝縮温度を低く保てる。水冷より高くなるわけではない。
正しいのはイ・ハで、正解（1）です。 → 令和6年度 保安管理技術の解説
令和2年度 保安管理技術 問6 凝縮器
イ 〇 横形シェルアンドチューブでは、管の中を流れる冷却水が、管の外の冷媒ガスを冷やして液にする。
ロ 〇 汚れ係数が大きいほど熱が伝わりにくくなり、熱通過率は下がる。
ハ × 空冷凝縮器が使うのは空気の顕熱（温度が上がる熱）。潜熱ではない。
ニ × 不凝縮ガスが混ざると、凝縮圧力は上がる。下がるのではない。
正しいのはイ・ロで、正解（1）です。 → 令和2年度 保安管理技術の解説
まとめこのページのまとめ
- 凝縮器は高温高圧のガスを液に戻し、熱を水や空気に捨てる
- 凝縮負荷 Φk ＝ 冷凍能力 Φo ＋ 圧縮動力 P
- 水冷式のほうが凝縮温度を低くできる＝効率がよい
- 凝縮温度は低いほどよい。上がると圧力比が増えCOPが下がる
- 上がる原因は冷却水の不足・汚れ・不凝縮ガス・過充填
- 不凝縮ガスは凝縮圧力を上げる。上部から抜く
- 空気側の熱伝達率は小さい。フィンは熱が伝わりにくい側に付ける（フロンのローフィンチューブは冷媒側）
- 空冷は空気の顕熱、蒸発式は水の蒸発潜熱で冷やす。蒸発式は凝縮温度を低く保てる
- 水速を上げると熱通過率は大きくなるが、2倍にしても2倍にはならない
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