4 Types of Refrigeration Systems: Which One Fits Your Facility

ほとんどの人が冷却について考えるとき、最初に思い浮かべるのは冷蔵庫やエアコンです。しかし、冷却システムはほぼ至る所に存在します。果物でいっぱいの冷蔵倉庫、サーバーが積み重なったデータセンター、化学プラント内の冷却ループ、家庭用の小さなワインクーラーでさえ — すべていくつかの基本技術に依存しています。

エンジニアは、不要な用途から熱を除去するために、四つの主要なアプローチを使用します：圧縮システム、吸収システム、蒸発冷却、熱電方式。

各アプローチは異なる業界やシナリオに適用可能です。新しいプロジェクトにどのシステムが最適かを検討している場合、それぞれを包括的に理解することで、正しい選択を行う助けになります。

圧縮式冷却システム

圧縮冷却は最も一般的な冷却方式で、直接膨張式チラーやVFDチラーで広く使用されています。圧縮機を使用して冷媒を圧縮し、蒸発器と凝縮器の間で循環させることで冷却を実現します。

圧縮冷却システムの核心プロセスは4つの主要なステップで構成されています。圧縮機は蒸発器から低圧冷媒ガスを吸入し、圧力と温度を上げて熱を放出する準備をします。

ガスは次に凝縮器に入り、空気や水に熱を放出して液体に凝縮されます。液体が膨張弁を通過すると、その圧力と温度はさらに低下します。

蒸発器に入ると、熱交換器の反対側の熱い冷却液または空気と接触し、熱を吸収して再びガスに変化し、圧縮機に吸い込まれます。

これは非常に成熟した効率的な冷却技術であり、ほぼすべての産業用チラー、空調システム、およびデータセンターや半導体チラーアプリケーションの主要冷却設備に使用されています。しかし、いくつかの制約があります。

ほとんどの圧縮チラーは電力で動作し、VFD技術を使用するものでもかなりのエネルギーを消費します。さらに、圧縮機は運転中に騒音を発生するため、居住・作業区域から離れた場所に設置する方が適しています。

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吸収式冷却システム

圧縮式冷却システムとは異なり、吸収式冷却システムは圧縮機を駆動するために電力に依存しません。代わりに、吸収液と冷媒の循環を駆動するために熱エネルギーを使用します。

蒸発器では、冷媒が環境またはプロセスから熱を吸収して気体に蒸発し、その後吸収液に吸収されます。一般的な吸収液は水-ブロム化リチウムおよびアンモニア-水です。

冷媒ガスを吸収した溶液は、発生器または加熱器に入り、ガス、蒸気、または温水で加熱され、冷媒ガスを吸収液から分離します。この時点でガスは高温・高圧状態です。その後、冷媒ガスは凝縮器に入り、熱を放出して液化し、蒸発器に循環します。これで冷却サイクルが完了します。

ガスチラーを紹介した際、吸収式チラーは廃熱やガスを暖房に利用でき、さらに廃熱回収でプロセス用水や空間暖房に利用できることを学びました。そのため、エネルギー節約と環境保護は吸収式冷却システムの大きな利点です。

しかし、圧縮式冷却システムと比較すると、吸収式チラーの性能係数(COP)は低く、サイズも大きいため、より多くのスペースが必要です。そのため、吸収式チラーは一般的に、廃熱回収が可能な大型冷却システム、例えば発電所やプロセス冷却用途で使用されます。

蒸発式冷却システム

As we all know, water absorbs heat from the surrounding environment when it evaporates. Evaporative refrigeration systems utilize this principle, lowering the temperature of air or liquid by absorbing heat during evaporation. They lack complex compressors and high-pressure circuits, relying instead on the flow and heat exchange structure between water and air to improve heat exchange efficiency.

Water can be evenly distributed on the surface of the object requiring heat exchange through spraying or cooling pads. When air flows over the moistened surface, the water molecules absorb heat from the air and the surface, evaporating. This lowers the air and object temperatures. Any remaining water can be recovered and recycled.

This method is limited by climate and water availability. However, it consumes very little energy and is environmentally friendly. Therefore, it is commonly used in industrial cooling towers, agricultural greenhouses, and data centers.

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Thermoelectric Cooling System

A thermoelectric cooling system uses the thermoelectric effect to convert heat into cold. Its core component is the Peltier module.

When direct current passes through a Peltier module, electron flow transfers heat. The temperature on one side of the module drops, while the temperature on the other side rises.

At this point, a heat sink removes the heat from the hot side, keeping the cold side cool. A cooling plate then transfers the cold side’s temperature to the object to be cooled, achieving cooling.

This cooling method does not require mechanical components such as refrigerants and compressors, resulting in a smaller device size and suitable for space-constrained environments such as ラボラトリーズ, automobiles, and medical offices.

However, the cooling power of a single module is typically only a few tens of watts, limiting cooling capacity and significantly lower efficiency than compression refrigeration systems. Furthermore, high-performance thermoelectric materials and modules are expensive.

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Comparison Table of Four Refrigeration Systems

The following table provides a clear comparison of the four major types of refrigeration systems, highlighting their principles, costs, performance, and typical applications.

カテゴリー	Vapor Compression	Absorption	蒸発式	Thermoelectric
動作原理	Compressor circulates refrigerant	Heat-driven, absorbent + refrigerant cycle	Water evaporation absorbs heat	Peltier effect with DC current
効率性	Medium to high, less at part load	Low to medium, COP < compression	High, but drops in humid climates	Low, good for small-scale precise cooling
Energy Source	Electricity	Heat (gas/steam/waste heat)	Water + fan power	DC electricity
System Size	Medium to large	Large	Medium to large	Small
初期投資	ミディアム	高い	Low to medium	ミディアムハイ
営業費用	High electricity cost	Low if waste heat used	High water use, low power use	High electricity cost
メンテナンス	Medium, compressor upkeep	High, solution control needed	Low, water quality issues	Low, minimal electronics care
メリット	Mature, reliable, widely used	Energy-saving, uses waste heat	Eco-friendly, low cost	Precise, silent, no refrigerant
Disadvantages	Noisy, power dependent	Bulky, lower efficiency	Climate-dependent	Low capacity, poor efficiency
代表的なアプリケーション	Chillers, HVAC, data centers	Large buildings, trigeneration	Cooling towers, greenhouses, factories	Medical devices, labs, electronics cooling
環境への影響	Medium, refrigerant dependent	High, no CFCs/HFCs	High, refrigerant-free	High, refrigerant-free

結論

The most suitable refrigeration system is never the one with the best performance, but rather the one that matches your application. If you’re struggling to choose one of the four systems above, our refrigeration experts can help.

LNEYA offers a wide range of compression refrigeration equipment and Peltier cooling systems, from standard equipment to カスタマイズ・サービス. We can provide the most suitable solution tailored to your needs.

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