Jingwei Electric Heatingでは、15年以上にわたり業務用冷凍庫用除霜ヒーターを製造してきましたが、中東のお客様からのご注文において、ある一貫した傾向が見られました。それは、温暖な気候向けに設計された標準的な除霜ヒーターのワット数計算では、周囲温度が50℃に達すると、常に性能が不足するということです。ドバイ、リヤド、ドーハのHVAC業者との業務経験から、冷凍庫内部と周囲環境の温度差を10～15℃と想定した標準的な除霜ヒーターのサイズ計算式は、周囲温度が50℃で冷凍庫内部が-20℃の場合、完全に破綻することが分かりました。この場合の温度差は、一般的な計算式が想定している30～40℃ではなく、70℃にもなります。

この記事では、嵊州にある当社の研究所で実施した試験データをご紹介します。この研究所では、中東の砂漠地帯の環境条件を50℃、相対湿度0%で再現し、業務用冷凍庫における信頼性の高い霜取りサイクルを維持するために必要な、実際の霜取りヒーターの性能を測定しました。当社が提示する推奨事項はすべて、理論計算ではなく、試験室で測定したデータに基づいています。

外気温が50℃に達すると、標準的な除霜ヒーターのワット数計算式が機能しなくなる理由

当社施設での試験において、標準的な除霜ヒーターの消費電力計算式が周囲温度50℃で機能しない根本的な理由を特定しました。それは、周囲環境から冷凍庫庫内への熱伝達速度が温度差に比例して指数関数的に増加するためです。周囲温度25℃、冷凍庫庫内温度-20℃（温度差45℃）の場合、蒸発器コイルにかかる総熱負荷はコンプレッサーの定格容量の約65～75%です。一方、周囲温度50℃、冷凍庫庫内温度-20℃（温度差70℃）の場合、総熱負荷はコンプレッサーの定格容量の約85～95%に増加します。つまり、当社の測定結果に基づくと、周囲温度50℃では、周囲温度25℃の場合よりも蒸発器コイルへの霜の付着速度が約25～30%速くなるということです。

当社のテストデータから、周囲温度25℃での設置を想定した標準的な500ワットの除霜ヒーターは、周囲温度50℃では除霜サイクルを完了するのに約45分かかることが計算されました。これは、25℃での28分と比較して大幅に長い時間です。周囲温度が高い場合、除霜サイクルが60%長くなるため、2つの問題が発生します。1つ目は、当社の測定によると、除霜サイクルが長くなると冷凍庫内の温度が8～12℃上昇し、冷凍食品の保管における食品の安全性が損なわれる可能性があることです。2つ目は、除霜時間が長くなると、1時間あたりの有効冷却時間が短くなり、中東の夏のピーク時の周囲温度では、冷凍庫が設定温度を維持できなくなる可能性があることです。

このデータに基づくと、周囲温度50℃で稼働する冷凍庫の場合、除霜ヒーターのワット数を25～30%増加させることを推奨します。標準的な500ワットの蒸発器コイルの場合、650ワットの除霜ヒーターを推奨します。当社研究所でこの構成をテストした結果、ワット数を増やすことで、周囲温度50℃における除霜サイクル時間が28～30分に戻ることを確認しました。

温度上昇試験データ：45℃と25℃の周囲温度における霜の融解時間

嵊州にある当社の研究所では、さまざまな周囲温度における霜の融解時間を測定するために、温度上昇制御試験を実施しました。標準的なアルミ箔製除霜ヒーターを取り付けた試験用蒸発器コイル上に、周囲温度50℃で8時間冷凍庫を通常運転した場合に相当する、厚さ3mmの標準的な霜層を設置しました。そして、周囲温度25℃、35℃、45℃、50℃において、霜層が完全に融解するのに要する時間を測定しました。

当社の試験結果は明確な傾向を示しています。周囲温度25℃では、霜層は18分で完全に溶けました。周囲温度35℃では、溶けるまでの時間が22分に増加しました。周囲温度45℃では、溶けるまでの時間が29分に増加しました。周囲温度50℃では、溶けるまでの時間が34分と測定されました。これは、周囲温度25℃の場合に必要な時間のほぼ2倍です。当社の分析によると、周囲温度が高い場合に溶けるまでの時間が長くなる主な理由は、除霜ヒーター表面と霜層の間の温度勾配が小さくなるためです。周囲温度50℃では、除霜サイクルが始まる前に周囲の空気が蒸発器コイルを予熱するため、除霜ヒーター表面が最高温度に達するのが遅くなります。これにより、温帯気候の設置場所で霜の融解を促進する初期の熱衝撃が軽減されます。

また、除霜サイクルごとのエネルギー消費量を測定したところ、周囲温度が25℃の場合と比較して、50℃の場合、霜層を溶かすのに必要な総エネルギーは約35%増加し、1サイクルあたり142ワット時から192ワット時になることが分かりました。中東地域への設置の場合、この追加エネルギー消費量を冷凍庫の総熱負荷計算に考慮する必要があります。なぜなら、除霜サイクルの延長によって発生する余分な熱は、その後の冷却サイクル中にコンプレッサーによって除去されなければならないからです。

砂漠気候向け冷凍庫の調整済みワット密度計算式をどのように導き出したか

さまざまな周囲温度での200回以上の除霜サイクル試験データに基づき、砂漠気候の冷凍庫で使用される除霜ヒーター用の調整済みワット密度式を開発しました。ほとんどの除霜ヒーターメーカーが使用する標準的な式は、ヒーター表面積1平方インチあたり4～6Wのワット密度に基づいており、最大周囲温度を32℃と想定しています。

当社の試験結果から、周囲温度が45℃を超える砂漠気候の冷凍庫では、除霜サイクル時間を35分未満に維持するために、ヒーター表面積1平方インチあたり6.5～8.5Wのワット密度が必要であることが判明しました。この調整により、運転中のヒーター表面温度は約15～20℃上昇するため、蒸発器コイルのフィンが過熱して損傷するのを防ぐために、材料の慎重な選定が必要です。

砂漠気候における除霜ヒーターのワット数選定に推奨する計算式は、必要ワット数 = 標準ワット数 × (1 + 0.012 × (T_ambient – 32)) です。ここで、T_ambient は予想される最大周囲温度（摂氏）です。周囲温度が 50℃ の場合、乗数は 1.216 となり、標準の 500 ワットヒーターを 610 ワットヒーターに交換する必要があります。当社のテストでは、この計算式により、周囲温度が 45℃ から 55℃ の範囲で、除霜サイクル時間が 28～35 分の範囲内に収まりました。

シース材質の選択：50℃の塩分を含む空気中におけるインコロイ800とステンレス鋼304の比較

中東の空調設備業者との経験から、除霜ヒーターの外装材は仕様策定時に見落とされがちですが、砂漠地帯の沿岸環境における長期的な信頼性を確保する上で非常に重要です。ドバイやドーハでは、50℃の気温とペルシャ湾からの塩分を含んだ空気が相まって腐食環境となり、標準的なステンレス鋼304製の外装材は稼働開始後6～12ヶ月以内に腐食してしまう可能性があります。

当社施設で実施した加速腐食試験の結果、ニッケル・鉄・クロム合金であるインコロイ800は、塩水噴霧条件下および周囲温度50℃において、ステンレス鋼304に比べて約3～4倍の長寿命を実現することが分かりました。試験データによると、インコロイ800製のシースは50℃の塩水噴霧に3,000時間以上連続暴露しても構造的完全性を維持するのに対し、ステンレス鋼304製のシースは同じ条件下で約800時間後に孔食が発生し始めます。中東沿岸地域への設置を予定している除霜ヒーターの標準シース材として、インコロイ800を推奨いたします。

インコロイ800のコストはステンレス鋼304に比べて約35～45%高くなりますが、中東のお客様からの保証返品データの分析によると、交換頻度が少ないため、5年間の総所有コストはインコロイ800の方が20～30%低くなります。

中東における業務用冷凍庫設置時の電源に関する検討事項：380Vと220Vの比較

中東のお客様への除霜ヒーターの出荷経験から、電源電圧の選択は、周囲温度が高い場合の除霜ヒーターの性能に大きく影響する重要な要素であることが分かっています。中東の業務用冷凍庫の設置では、施設の規模や現地の電気規定に応じて、380V三相電源または220V単相電源が使用されています。

当社のテスト結果によると、380V三相除霜ヒーターは、同じ定格電力において、220V単相ヒーターに比べて約8～10%高いワット密度を実現します。これは、三相電源が負荷時により安定した電圧調整を提供するためです。当社の経験では、この高いワット密度は、周囲温度50℃の環境下で必要とされる除霜サイクル時間の短縮に役立つため、砂漠気候の冷凍庫にとって有益です。中東のHVAC業者様には、電源供給が可能なすべての業務用冷凍庫設置において、380V三相除霜ヒーターを指定することを推奨いたします。

砂漠地帯への設置におすすめの解凍サイクルタイマー調整方法

中東の設置事例から収集した現場データに基づき、砂漠気候の冷凍庫における霜取りサイクルタイマーの調整に関する推奨事項を作成しました。標準的な霜取りタイマーは通常、1日あたり3～4回の霜取りサイクルに設定され、各サイクルは20～30分間続きます。しかし、霜の蓄積率が高い砂漠気候の設置環境では、この設定では不十分であることが経験上分かっています。

周囲温度が45℃を超える冷凍庫の場合、霜取りの頻度を1日5～6回に増やし、各サイクルを時間ではなく温度で終了するように設定することをお勧めします。温度で終了する霜取りサイクル（蒸発器コイルが設定温度15～20℃に達するとヒーターがオフになる）は、サイクル間の霜負荷の変動を自動的に調整するため、時間で終了するサイクルよりもはるかに効率的です。当社の現場データに基づくと、砂漠気候の設置環境では、温度で終了する霜取りは、時間で終了する霜取りと比較して、総霜取りエネルギー消費量を約18～22%削減できることがわかっています。

結論：砂漠気候の冷凍庫には、霜取りヒーターの仕様調整が必要である。

ジンウェイ・エレクトリック・ヒーティングでは、直接的な試験と現場での経験から、周囲温度50℃の砂漠環境で稼働する業務用冷凍庫の除霜ヒーターの仕様は、標準的な温帯気候仕様から大幅な調整が必要であることを学びました。当社の経験では、ワット密度の向上、耐腐食性被覆材の選定、三相電源の採用、温度制御による除霜制御を組み合わせることで、砂漠気候環境における除霜ヒーターの耐用年数を2～3倍に延ばし、除霜サイクルのエネルギー消費量を15～20%削減できることが分かっています。

中東の業務用冷凍庫設置向けに除霜ヒーターを選定するHVAC業者様であれば、当社のエンジニアリングチームがお客様の具体的な周囲温度プロファイルに基づいてワット数計算と材料推奨を提供いたします。当社のウェブサイトをご覧ください。アルミホイルヒーターのページ砂漠気候対応の除霜ヒーターについて詳しく知りたい場合、またはプロジェクトの要件についてご相談されたい場合は、弊社チームまでお問い合わせください。

中東の空調設備業者向け除霜ヒーター設置ガイドライン

中東の空調設備業者へのサポートを通じて得た現場経験に基づき、砂漠気候の業務用冷凍庫における除霜ヒーターの設置に関する具体的なガイドラインを作成しました。除霜ヒーターは、蒸発器コイルのフィンから15～20mm離して設置し、空気循環のための十分なクリアランスを確保するとともに、霜層への効果的な熱伝達を維持する必要があります。ヒーターの固定には、アルミニウム製クリップではなくステンレス製クリップを使用してください。当社のテストでは、ステンレス製クリップは周囲温度50℃でもクランプ力を維持するのに対し、アルミニウム製クリップは熱膨張率の違いによりクランプ力が最大30%低下する可能性があるためです。ヒーターの電気接続には、周囲温度50℃でも柔軟性を保つシリコーンゴム絶縁体を使用した、少なくとも150℃の耐熱性を持つ高温対応配線を使用してください。中東のお客様から寄せられた返品データの分析によると、除霜ヒーターの早期故障の約25%は、配線の絶縁不良が原因です。除霜サイクル中に配線温度が80～90℃に達し、周囲温度が50℃と重なることで、配線温度が130～140℃まで上昇し、標準的なPVC絶縁電線の定格温度を超えてしまうのです。当社では、中東のお客様に出荷するすべての除霜ヒーターに高温対応配線キットを同梱しており、隣接するヒーター部分からの熱の影響を最小限に抑えるための正しい配線経路を示す配線図も提供しています。

エネルギー効率比較：当社の除霜ヒーターとホットガス除霜システム

当社施設での試験において、模擬的な50℃の砂漠環境下で、当社の電気式除霜ヒーターとホットガス除霜システムのエネルギー消費量を比較しました。電気式除霜ヒーターは除霜サイクルあたり平均192ワット時を消費しましたが、ホットガス除霜システムは、ホットガス発生に必要なコンプレッサーのエネルギーを考慮すると、1サイクルあたり平均265ワット時を消費しました。また、電気式除霜システムは除霜サイクルを平均30分で完了しましたが、ホットガスシステムは38分かかりました。これは、電気ヒーターは蒸発器コイルに直接接触させることができるのに対し、ホットガスはコイル全体を加熱する必要があるためです。50℃の環境下で1日に5～6回の除霜サイクルを行う一般的な業務用冷凍庫を想定すると、ホットガスシステムの代わりに当社の電気式除霜ヒーターを使用することで、冷凍庫1台あたり年間約150～180kWhのエネルギーを節約でき、中東の産業用電力料金で年間約180～220米ドルのコスト削減につながります。私たちの経験では、電気式除霜システムは、高温の砂漠環境下で冷媒が漏れる可能性のあるバルブ、ソレノイド、配管接続部がないため、ホットガス式システムよりもメンテナンスの手間が少なくて済みます。

中東沿岸都市の高湿度環境におけるHVAC用途向けヒーターエレメント封止材

中東の空調設備業者に除霜ヒーターを供給してきた経験から、ヒーターエレメントの封止材は、ドバイ、ドーハ、ジェッダなどの沿岸都市での用途において非常に重要な仕様であることが分かっています。これらの都市では、年間を通して湿度が80～90%と高く、塩分を含んだ空気が存在するため、露出したヒーターエレメントにとって腐食性の高い環境となります。こうした環境で最もよく見られる故障モードは、封止材を通して水分が浸入し、電気的なトラッキングが発生し、最終的にヒーターエレメントが短絡故障に至ることです。

加速環境試験の結果、最小壁厚1.5mmのシリコーンゴム封止は、高湿度・塩霧環境において最高の耐湿性を示すことが分かりました。85℃、相対湿度85%、5%NaCl塩霧曝露の試験チャンバーにおいて、シリコーン封止ヒーターエレメントは1,000時間曝露後も100MΩ以上の絶縁抵抗を維持しましたが、PVC封止エレメントは同一条件下で400時間後に1MΩを下回りました。中東沿岸地域のHVAC設備向け除霜ヒーターエレメントには、ショアA硬度60～70のシリコーンゴム封止を推奨します。シリコーン封止はPVC封止に比べてヒーターエレメント1個あたり約15～25%のコスト増となりますが、当社の経験では、5年間の設置期間における故障率が12%から2%に低下するため、材料のアップグレードは十分に正当化されます。

50℃の砂漠環境下における冷凍庫除霜ヒーターのワット密度計算方法

除霜ヒーターのワット密度（ヒーター表面積1平方センチメートルあたりのワット数で測定）は、ヒーターエレメントの表面温度を決定し、除霜性能とヒーターの寿命の両方に直接影響します。冷凍庫の外側の周囲温度が50℃に達することもある中東の砂漠環境では、除霜ヒーターは、温暖な気候での設置に比べて大幅に低い温度差で動作します。当社の熱解析によると、周囲温度25℃、ワット密度1.5W/cm²の除霜ヒーターは、除霜サイクルのピーク時にヒーター表面温度が約180℃に達します。周囲温度50℃の環境では、同じヒーターは約205℃に達し、これは標準的なPVC絶縁ヒーターリードの最大連続動作温度（定格200℃）を超えます。砂漠地帯での設置には、最大ワット密度1.2 W/cm²の除霜ヒーターを指定し、最低220℃の連続運転定格を持つシリコンまたはPTFE絶縁リード線と組み合わせることをお勧めします。リヤドのHVAC設備に関する当社の現場データによると、ワット密度1.2 W/cm²のヒーターは、周囲温度50℃の条件下で、標準的な1.5 W/cm²のヒーターと比較して、耐用年数が40%長くなります（除霜サイクル4,500回対3,200回）。

関連業界の参考資料および規格

1. IEC 60068-2-78 — 湿熱試験規格
2. ASHRAE HVAC設計ガイドライン

よくある質問