冷水机
チラーは、冷却対象の設備や工程に適した機種を選定することが重要です。 必要な温度まで冷えない、流量が不足する、配管条件に対応できないなど、選定を誤ると設備トラブルや品質不良の原因になります。
チラー選定の方法は、大きく以下の2つに分かれます。
- 設備の要求仕様が決まっている場合
- 設備の要求仕様が決まっていない場合
それぞれのケースについて解説します。
設備の要求仕様が決まっている場合
設備メーカーや装置仕様書によって、必要な冷却条件が明確になっている場合は、その要求仕様を満たすチラーを選定します。
確認する主な項目は以下の通りです。
- 設定温度
- 制冷能力
- 流量
- 扬程
- 設置環境（屋内・屋外）
- 冷却方式（空冷・水冷）
例えば、
- 循環水温度：25℃
- 必要流量：30L/min
- 必要揚程：15m
- 冷却能力：3kW
といった条件が明確であれば、その仕様を満たす機種を選定します。
アピステのチラーラインナップ
設備の要求仕様が決まっていない場合
設備の構想段階や新規ラインの立ち上げ時には、必要な仕様が決まっていないこともあります。
この場合は、まず冷却回路の構成を決め、その後で必要な仕様を整理していきます。
①開放回路か密閉回路かを決める
最初に確認するのが、冷却対象との接続方式です。
開放回路の場合
開放回路とは、冷却対象のタンクや槽が大気に開放されている回路です。
例えば、
- めっき槽
- 洗浄槽
- 薬液槽
- 大型タンク
などが該当します。
開放回路では、以下のいずれかの方法を選択します。
水槽なしチラーを使用する
冷却液を直接循環させる方式です。
構成がシンプルで熱交換ロスも少なくなりますが、循環液の種類や設備側の条件によっては適用できない場合があります。
水槽有チラー＋熱交換器を使用する
チラー側と設備側を熱交換器で分離する間接冷却方式です。
設備側の液体が、
- 薬液
- 切削油
- 洗浄液
などの場合に多く採用されます。
設備液がチラー内部に流れ込まないため、チラーを保護しやすいことが特長です。
密閉回路の場合
密閉回路とは、冷却水が外気と接触しない循環回路です。
例えば、
- 激光加工机
- 半导体制造设备
- 分析機器
- 成形機
などが該当します。
密閉回路では一般的に水槽有りチラーを選定します。
水槽を介して温度変動を吸収できるため、安定した温度制御が行えます。
アピステは水槽なし、水槽あり、どちらもラインナップしています。
（水槽なしチラー）
（水槽ありチラー）
②必要な仕様を確認する
回路構成が決まったら、必要な能力を確認します。
設定温度を決める
まずは冷却対象が必要とする温度を確認します。
例えば、
- スピンドル冷却：25℃
- レーザー発振器冷却：22℃
- 検査機器冷却：20℃
など、設備ごとに適切な温度条件があります。
チラーは、その温度を安定して維持できる機種を選定する必要があります。
アピステにはさまざまな温度範囲で使用できるチラーをラインナップしていますので、幅広いニーズに合わせて適切なチラーをお選びいただけます。
冷却能力を決める
設備から発生する熱量に応じて、必要な冷却能力を決定します。
冷却能力が不足すると、設定温度まで冷えない、温度が安定しないといった問題が発生します。
必要な冷却能力は熱量計算によって求めます。
詳しくは熱量計算方法をご参照ください。
また、算出した熱量に対して、選定したチラーが実際の使用条件で十分な冷却能力を発揮できるか確認する必要があります。
詳しくはチラー能力確認方法をご参照ください。
ポンプ能力（流量・揚程）を決める
チラーには冷却水を循環させるためのポンプが搭載されています。
設備側で必要となる流量と揚程を確認し、それらを満たす機種を選定します。
揚程は配管長や継手、高低差などによって変化します。
詳しくは揚程計算方法をご参照ください。
③設置場所を決める（屋内・屋外）
次に、チラーの設置場所を決めます。
屋内設置
屋内設置は、
- 配管距離を短くできる
- 操作しやすい
- メンテナンスしやすい
というメリットがあります。
一方で、空冷式の場合は排熱が室内に放出されます。
室外安装
屋外設置は、
- 室内スペースを使用しない
- 排熱の影響を受けにくい
というメリットがあります。
ただし、
- 防雨対策
- 凍結対策
- 配管保温
などが必要になります。
＜アピステの屋外設置可能なチラー＞
④空冷式か水冷式かを決める
最後に冷却方式を選定します。
空冷式冷水机
空気と熱交換して冷却する方式です。
好处
- 冷却水設備が不要
- 導入が容易
- メンテナンスが比較的簡単
缺点
- 周囲温度の影響を受けやすい
- 排熱が発生する
水冷式冷水机
冷却水と熱交換して冷却する方式です。
好处
- 高効率
- 周囲温度の影響を受けにくい
- 室内への排熱が少ない
缺点
- 冷却水設備が必要
- 配管工事が必要
チラー選定に必要な計算方法
チラーの能力を選定する際は、
(1)熱負荷の熱量 ＜ (2)チラー冷却能力
となるように選定します。熱負荷の熱量、チラー冷却能力は下記式にて算出します(計算例、参考資料あり)。
(1)热量计算方法
热量计算公式
Q[kW] =- Q:负载容量 [kW]
- ① Vs:对象体积 [m3]
- ② Cs:物体的比热 [kJ/kg·°C]
- ③ γs:对象物的密度 [kg/m3]
- ④ ΔT:对象温度差 [°C]
- ⑤ t—物体冷却时间 [sec]
计算示例 (1)
油箱内的800 L工作油在1小时内温度上升到30°C→60°C时
根据下物性表，(2) 1.95、(3) 870另外，(4) 60 -30=30
进行单位换算，(1) 800 L=0.8m3、(5) 1h=3600sec
将上述值代入公式，
（0.8 x 1.95 x 870 x 30 / 3600）x 1.2（安全系数）= 13.6 kW
计算示例 (2)
流入设备的冷却水IN:26°C、OUT:29°C、流量45L/min时
根据下物性表，(2) 4.18、(3) 998 (4) 29 -26=3
将流量分解为分子和分母，并根据下方单位换算表换算成单位，则为36升/分钟=36升/1分钟=0.036立方米/60秒。因此，①0.036，⑤60
将上述值代入公式，
（0.045 x 4.18 x 998 x 3 / 60）x 1.2（安全系数）= 11.3kW
※循环溶液为水时，以物性值等为系数，仅通过温差 [ΔT] 和流量 [A]
可通过下式求出。
Q[kW] = 0.07 × A[L/min] × ΔT[°C]
计算示例 (3)
热处理后，3重量钢工件需要在3分钟内从250°C冷却到40°C。
根据下物性表，(2) 0.46另外，(4) 250 -40=210
进行单位换算，(5) 3min=180sec
对于①和③，单位可以换算为体积[m3] x 密度[kg/m3] =重量[kg]，因此① x ③ = 3，
将上述值代入公式，
（3 x 0.46 x 210 / 180）x 1.2（安全系数）= 1.93 kW
单位换算表
| ① 体积Vs | 50 L | = 0.05 m3 |
|---|---|---|
| 100 L | = 0.1 m3 | |
| 1000 L | = 1 m3 | |
| ② 比热Cs | 1 cal/g・°C | = 4.18 kJ/kg・°C |
| 1 kcal/kg・°C | = 4.18 kJ/kg・°C | |
| 1000 J/kg・°C | = 1 kJ/kg・°C | |
| ③ 密度γs | 1 g/cm3 | = 1000 kg/m3 |
| ⑤ 时间t | 1 min | = 60 sec |
| 1 H | = 3600 sec |
物性表
- 数值均为20°C时。
- 表中的值仅供参考。对于使用这个表的计算结果，敝公司概不负责。
| 物质名称 | ② 比热 (kJ/kg·K) | ③ 密度 (kg/m3) | |
|---|---|---|---|
| 液体 体 |
水 | 4.18 | 998 |
| 水溶性切削油 (90%水) | 3.90～4.05 | 940～960 | |
| 润滑油 | 1.80～1.95 | 850～870 | |
| 轴油 | |||
| 液压油 | |||
| 金 属 |
铁 (钢材) | 0.46 | 7870 |
| 铝 | 0.91 | 2700 | |
| 铜 | 0.39 | 8900 | |
| 黄铜 | 0.38 | 8500 | |
| 锌 | 0.39 | 7150 | |
| 非 金 属 |
陶瓷 | 0.80 | 3600～3950 |
| 玻璃 | 0.80～0.84 | 2600～2700 | |
| 烘焙灯 | 1.59 | 1270 | |
| 树 脂 |
ABS (丁二烯苯乙烯等) | 1.35～1.65 | 1000～1150 |
| EP (环氧树脂) | 1.10 | 1850 | |
| PC (聚碳酸酯) | 1.25 | 1200 | |
| PE (聚乙烯) | 2.30 | 910～960 | |
| PET | 1.25 | 1450～1670 | |
| PMMA (丙烯酸) | 1.48 | 1200 | |
| PP (聚丙烯) | 1.95 | 900 | |
| PS (聚苯乙烯) | 1.35 | 1030～1070 | |
| 聚氯乙烯 (PVC) | 0.85～2.1 | 1160～1450 |
（2）冷水机能力检查方法
检查循环水温度（冷水机设定温度）、环境温度（对于风冷式机型）和冷却水温度（对于水冷式机型），然后根据目标机型的特性图计算温度。
例：计算循环水温度为25℃，环境温度为20℃时，PCU-3300R的制冷能力。
由上图计算得出制冷能力为3600W（以频率60Hz选定）。
扬程计算方法
水泵循环冷却水所需的力可以用“扬程”来表示。
所需扬程取决于冷水机与负载（设备）之间的管道配置，但前提是泵的能力必须大于根据管道配置计算出的所需扬程。下面我们将解释如何根据管道条件等因素计算扬程。
步骤1:确定管道长度。
从冷水机到设备的管道长度：
3 + 5 + 4 = 12米 × 2（往返）= 24米 ...①
步骤2:将管件阻力转换为直管长度，并将其添加到管道长度。
从表中求出接头的直管相当长度。
见表...螺丝型90°短弯头25A→1.6m
1.6×4 (处) =6.4m ... (2)
(1) + (2) =24m+6.4m=30.4m ... (3)
| 名称 | 接头形状 | 管径 (上段B) (下段mm) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1¼ | 1½ | 2 | 2½ | ||
| 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | ||
| 90° 短弯头 |
螺钉 | 1.6 | 2.0 | 2.3 | 2.6 | 2.9 |
| 法兰 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.9 | 1.1 | |
| 90°长弯头 | 螺钉 | 0.8 | 1.0 | 1.0 | 1.1 | 1.1 |
| 法兰 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | |
电阻随接头形状而变化，因此请参照上表确认转换为直管长时的值。
步骤3:根据流量和管道直径计算“水头损失※Hf (m) ”，将其乘以“步骤2”管道总长度。
流量30L/min、配管直径25A时，根据右边的图表Hf=0.04Hf (m) ... (4)
(3) × (4) =30.4×0.04=1.2 (m) ... (5)
※损失水头:将菅的摩擦产生的压力按配管的不同直径、每流量用配管1m的长度表示。
※威廉·哈森官方
Hf=5.4775×10-3·C-1.85·D-4.87·Q1.85·L·α
（D：管道内径，Q：流量，L：管道长度，α：安全系数）
步骤 4：将冷水机到设备的高度增加量加上提升高度。
如果从冷水机到设备的距离是 5 米……⑥ ⑤ + ⑥ = 1.2(米) + 5(米) = 6.2(米)
要求扬程6.2m ... (7)
选择满足步骤5:4中计算的扬程的泵。
图中所示的冷水机能力为 35 米，流量为 30 升/分钟（60 赫兹）。
因此，该冷水机的提升能力满足所需的提升高度（6.2米）。
35m > 6.2m
例1）循环水流量为30m3/min时，PCU-3310R的扬程为（所需流量大于额定流量时）。
※根据上面的图表，扬程为35m。
チラー選定の流れまとめ
チラーを選定する際は、まず設備の要求仕様が決まっているかを確認します。
仕様が決まっていない場合は、
- 開放回路か密閉回路かを決める
- 設定温度を決める
- 冷却能力を決める
- ポンプ能力（流量・揚程）を決める
- 設置場所（屋内・屋外）を決める
- 空冷式か水冷式かを決める
という順番で検討すると、設備に適したチラーを効率的に選定できます。特に、冷却能力とポンプ能力の不足はトラブルの原因となるため、十分な余裕を持った機種選定が重要です。
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