第9章 凝縮器
凝縮器の役割と凝縮負荷の計算、空冷式・水冷式・蒸発式のちがい、凝縮圧力が上がる原因と、そのとき装置に起こることを押さえる。
1. 凝縮器の役割と凝縮負荷
凝縮器は、圧縮機から出た高温・高圧の冷媒蒸気から熱を奪って、液に戻す（凝縮させる）熱交換器です。蒸発器で冷媒が吸い取った熱を、外気や冷却水へ捨てる場所でもあります。
凝縮器で捨てる熱の量（凝縮負荷）は、蒸発器で吸った熱に、圧縮機で加えた仕事が上乗せされたものです。
凝縮負荷 Φk ＝ 冷凍能力 Φo ＋ 圧縮機の軸動力 P（損失の熱がすべて冷媒に入るとした場合）
凝縮器の中では、まず過熱蒸気が冷やされて飽和温度になり、つぎに凝縮し、出口付近ではさらに少し冷やされて過冷却液になります。
熱交換器が伝える熱量は、次の式で表されます。
Φ ＝ K × A × Δtm
（K：熱通過率 kW/(m2・K)、A：伝熱面積 m2、Δtm：冷媒と冷却水（空気）の平均温度差 K）
熱通過率Kが小さくなると（汚れなど）、同じ熱量を捨てるのに大きな温度差が必要になり、凝縮温度＝凝縮圧力が上がります。
例：冷凍能力84kW、軸動力21kWなら、凝縮負荷は105kW。水冷式で冷却水の比熱を4.2kJ/(kg・K)、温度上昇を5Kとすると、冷却水量は105÷（4.2×5）＝5kg/sです。
2. 空冷式凝縮器
空冷式は、送風機で外気を当てて冷媒を冷やします。管の中を冷媒が流れ、外側を空気が通ります。空気側の熱の伝わりやすさ（熱伝達率）が小さいので、管の外側にフィン（ひれ）を付けて伝熱面積を広げます。
・凝縮温度は外気温より高くなり、外気温が上がると凝縮温度・凝縮圧力も上がります
・フィンの汚れや目詰まり、吹き出した熱い空気をまた吸い込む「ショートサーキット」は、凝縮圧力を上げる原因です
・冬に外気温が下がりすぎると、凝縮圧力が下がりすぎて膨張弁の前後の圧力差が小さくなり、冷媒が十分に流れなくなることがあります。そのため凝縮圧力を下限以上に保つ制御を行うことがあります
3. 水冷式凝縮器と冷却塔
水冷式は、冷却水で冷媒を冷やします。代表的なのが横形シェルアンドチューブ凝縮器で、円筒形の胴（シェル）の中に多数の冷却管を通し、冷却水を管の中に、冷媒を胴の側に流します。胴の下部には凝縮した液がたまります。小形のものには、二重の管を使う二重管凝縮器もあります。
・冷却管の内側に水あか（スケール）が付くと熱通過率が下がり、凝縮圧力が上がります。定期的な清掃と水質管理が大切です
・冷却水の量が減ったり、冷却水の入口温度が上がったりしても、凝縮圧力は上がります
冷却水は、ふつう冷却塔で冷やして循環させます。冷却塔は、冷却水を空気と接触させ、水の一部を蒸発させてその潜熱で残りの水を冷やす装置です。冷媒を直接凝縮させる装置ではありません。蒸発で水が減り、溶けている成分が濃くなるので、補給水と水の入れ替え（ブロー）が必要です。
高圧ガス保安法の冷凍保安規則（冷凍則）は、凝縮器について次のように定めています。
・圧縮機、油分離器、凝縮器及び受液器並びにこれらの間の配管は、引火性・発火性の物をたい積した場所や火気の付近にないこと（安全な措置を講じた場合を除く）（冷凍則 第7条第1項第1号）
・縦置円筒形で胴部の長さが5メートル以上の凝縮器は、耐震に関する性能が必要な「耐震設計構造物」に含まれる（同第5号）
4. 蒸発式凝縮器
蒸発式凝縮器は、冷媒が流れる冷却管の外側に水を散布し、送風して水を蒸発させ、その蒸発の潜熱で冷媒を冷やす凝縮器です。冷却塔と凝縮器を一つにしたような形で、アンモニア冷凍装置などで使われます。
水の蒸発のしやすさは空気の湿り具合で変わるので、能力は外気の湿球温度の影響を受けます。湿球温度が高い（蒸し暑い）と、凝縮温度も高くなります。水を使うので、空冷式と同じく冷却管の汚れや水質の管理が必要です。
5. 凝縮圧力が上がる原因と影響
凝縮圧力が上がる主な原因は次のとおりです（中小機構 J-Net21「冷凍機の凝縮器の省エネ」も、冷却水や風量の不足、ショートサーキット、冷媒の過充てん、不凝縮ガスの混入を性能低下の原因に挙げています）。
・不凝縮ガス（空気など）の混入 … 凝縮しない空気が凝縮器にたまり、伝熱を妨げる。圧力計は、凝縮温度に対応する冷媒の飽和圧力に空気の分の圧力が加わった値を示すので、飽和圧力より高くなる。不凝縮ガスは凝縮器や受液器の上部にたまりやすく、そこから抜く
・冷却水量の不足、冷却水温度（外気温）の上昇
・水あか・フィンの汚れ
・冷媒の過充てん … 凝縮器に液が多くたまって冷却管が液に浸かり、凝縮に使える伝熱面積が減る
凝縮圧力が上がると、圧力比が大きくなり、吐出しガス温度が上がり、軸動力が増え、冷凍能力と成績係数が下がります。
運転が正常かどうかの目安として、中小機構 J-Net21「凝縮器（室外機）に対する省エネ対策は？」は次のように示しています。
・水冷凝縮器：凝縮温度と冷却水出口温度との差（アプローチ温度）は通常3〜5℃程度。7〜8℃以上あれば異常。温度差が正常でも、凝縮温度が冷却水入口温度より13℃以上高ければ異常
・空冷凝縮器：凝縮温度が外気温より20℃以上高ければ異常
・ただし、凝縮温度の下限を保つ自動制御（ウィンターコントロール）が働いているときは、この目安は当てはまりません
アプローチ温度が大きいのは、汚れや不凝縮ガスなどで熱交換が十分に行われていないサインです。
POINT
6. ここだけは覚える
・凝縮負荷＝冷凍能力＋圧縮機の軸動力。冷却水量＝凝縮負荷÷（比熱×温度上昇）
・空冷式はフィン付き（空気側の熱伝達率が小さい）。凝縮温度は外気温より高い
・横形シェルアンドチューブは冷却水が管内、冷媒が胴側。水あかで凝縮圧力↑
・冷却塔は冷却水を冷やす装置（水の蒸発の潜熱）。冷媒を凝縮させる装置ではない
・蒸発式凝縮器は散水＋送風で水の蒸発潜熱を使う。外気の湿球温度の影響を受ける
・凝縮圧力↑の原因：不凝縮ガス・冷却水不足・水温上昇・汚れ・過充てん → 圧力比↑・吐出し温度↑・動力↑・成績係数↓
・冷凍則 第7条第1項：第1号＝火気の付近に置かない、第5号＝縦置円筒形で胴長5m以上の凝縮器は耐震