水槽の冷却　その4

夏場を乗り切るには水量は多い程良い?
この言葉、良く聞きますよね。水量の多い方が水温の変化が小さいからだと聞いたことはありますが、本当に水量が多い方が良いのでしょうか。そんなの当たり前でしょって言われるかもしれませんが、ちょっとだけお付き合い下さい。

水温が上昇する主な原因は周囲温度が高くなり、水槽の吸熱量が増えるからです。それ以外の要因はもちろんあるのですが、ここでは話しを単純にするために割り切ってそう考えます。
また同じく話しを単純にするために、吸熱は水槽の上面も含めた全表面から均等に行われることとします。従って、水槽の表面積の大小により吸熱量の大小が決まることから、水槽が保有している水の容量と表面積の関係を比べれば、夏場を乗り切るのに有利か不利かはっきりしそうですね。
さあそれでは小さい水槽と大きい水槽とで比較してみましょう。

小さい水槽は水の容量が少ないのですが同様に表面積も小さいため吸熱量が少なくて済み、大きい水槽は水の容量が多いのですが同様に表面積も大きくなるため吸熱量が大きくなります。
ハハハ、当たり前ですよね。これだけでは小さい水槽と大きい水槽のどちらが有利なのか漠然としていてよく分かりませんので、もうちょっと具体的な数字を挙げて考えてみる必要がありそうです。

ここでは小さい水槽の水量を１とし、大きい水槽は小さい水槽の倍の水量2として考えてみることにします。また小さい水槽と大きい水槽は相似形とします。
小さい水槽と大きい水槽では容量は2倍違いますので、大きい水槽のほうが1辺の長さは約1.26倍長いことになります。またこのことから大きい水槽のほうが表面積は約1.59倍大きいことになります。
水の容量が2倍多いことは熱容量が2倍大きいことになり、表面積が1.59倍大きいことは、吸熱量が1.59倍多いことになることから、大きい水槽の水温上昇に掛かる時間は小さい水槽に比べ1.26倍長くなります。

１辺の長さ
小さい水槽の容積：a×b×c
大きい水槽の容積：2×（a×b×c） = 1.26a×1.26b×1.26c
大きい水槽は小さい水槽に比べ１辺の長さが1.26倍

表面積
小さい水槽：｛(a×b)＋(a×c)＋(b×c)｝×2
大きい水槽：｛(1.26a×1.26b)＋(1.26a×1.26c)＋(1.26b×1.26c)｝×2 = 1.59×｛(a×b)＋(a×c)＋(b×c)｝×2
大きい水槽は小さい水槽に比べ表面積が1.59倍

水温上昇に掛かる時間
熱容量は小さい水槽；C、大きい水槽2C、吸熱量は小さい水槽；Q、大きい水槽1.59Qなので、
小さい水槽：C/Q
大きい水槽：2C/1.59Q = 1.26×C/Q
大きい水槽は小さい水槽に比べ温度上昇に掛かる時間が1.26倍

以上は小さい水槽と大きい水槽の容量比が2倍の場合ですが、容量がx倍の時について纏めると次のようになります。
小さい水槽と大きい水槽が相似形であるならば、容量がｘ倍のとき、表面積はｘ^(2/3)倍となり、結果として水温の上昇に掛かる時間はx/(x^(2/3))倍つまりｘ^(1/3)倍長くなる。

ちょっと小難しい話しになってしまいましたが、小さい水槽に比べ大きい水槽は、水の量が多い割に表面積が小さいので、水温上昇に掛かる時間は長くなるという結論だけ分かれば充分です。管理人も数学が苦手でしたので、自分で書いておきながらちょっと不安です。汗）

せっかくですから60cm規格水槽（600W×360H×300D）と90cm規格水槽（900W×450H×450D）で上記のことを確かめてみましょう。
60cm規格水槽は体積64.8L、表面積10080cm2、90cm規格水槽は体積182.3L、表面積20250cm2となります。60cm規格水槽に比べ90cm規格水槽は、容量で2.81倍、表面積で2.01倍となり、従って水温の上昇に掛かる時間は1.40倍となります。60cm規格水槽と90cm規格水槽は、まったくの相似形ではありませんが概略上記の考え方が当てはまっていることが分かりました。（纏めた式に当てはめると容量が2.81倍なので表面積は2.81^(2/3)＝1.99倍、水温の上昇は2.81^(1/3)＝1.41倍となります）

今までのことから大きい水槽のほうが、水温はゆっくり上昇することが分かりましたが、それでは冷却ファンで冷やす場合はどうでしょうか。
先ほどの例に挙げた容量が2倍違う水槽の場合、水面の面積は大きい水槽と小さい水槽ではやはり1.59倍違うことになります。どちらの水槽にも水面全体に同じ風速で風を当てると考えた場合、冷却能力は水面の面積に比例すると考えられるので、大きい水槽の場合、水の量が多い割に水面の面積が小さいということになり、水温を冷やすのに掛かる時間はやはり1.26倍長くなります。

ここまで考えたことも踏まえて、総合的に水量が多いのと少ないのではどちらが有利か見ていきましょう。

水温の変動
今まで記載してきた通り、大きい水槽の場合の温度変化は確かにゆっくりしたものになります。（水量の多いほうが有利）

冷却ファン使用時の温度上昇
（ファンが未作動の場合）
大きい水槽と小さい水槽を並べて置いていた場合、小さい水槽の水温が上昇してファンが作動した場合でも大きい水槽は温度上昇が緩やかなのでファンが作動せず、その後気温が下がったため大きい水槽のファンが作動せずに済んだとしたら、水量の多い方が良いと考えるでしょう。（水量の多いほうが有利）

（ファンが作動した場合）
しかし大きい水槽もファンが作動するまで温度が上昇した場合、今度は水温が下がりにくいことから、温度変化という観点ではゆっくりしていますが、高温状態は長く続くことになります。この点に注目すると水量の少ない方が良いと考えるでしょう。（水量の少ないほうが有利）

水槽用クーラー使用時の温度上昇
水槽用クーラーで冷却する場合は、冷却能力は水槽用クーラーの能力に依存するため、水面の面積には比例しません。従って同じ能力のクーラーならば小さい水槽の方が早く冷えますが、通常は水量に比例して能力の大きいクーラーを使用するので、その場合は同じスピードで冷やすことになります。この場合大きい水槽はゆっくり温度が上がり、温度が下がるスピードは大差ないことになります。（引き分け）

冷却ファン使用時の水の補給頻度、水質変化
小さい水槽の方は水の量が少ない割に表面積が大きいと言えるので、水の容量に対して吸熱量の割合が多くなります。このことから冷却ファンで水温を下げる場合、例えば先ほどの2倍の容量が違う水槽では、大きい水槽が2蒸発させるとした場合、小さい水槽は1でなく1.26蒸発させる必要があります。従って元々保有している水量が小さいので、水の補給の頻度や水質変化の大きさの点では小さい水槽は不利になります。（水量の多いほうが有利）

このように総合的にみてみると、やはり一般的に言われているように、夏場は水量の多いほうが有利であると言えると思います。
でも大きい水槽で水量が多いからって、冷却ファンのみでの冷却の場合は、先に書いたように温度が下がり辛いので油断は禁物です。危ない時は、例のエアコン併用で乗り切りましょう。

エアレーションで水温は上がる？下がる？
一般的に、夏場水温が上がる場合は、溶存できる酸素量が減ることから酸素不足に成りがちなので、エアレーションをしたほうがよいと言われています。
さあそこでエアレーションをした場合、水温は上がってしまうのでしょうか、それとも水温は下がってしまうのでしょうか。
なんとなく気温が高いときにエアレーションすると水温が上がってしまうのでは？そんな不安がよぎる方もいれば、今までの説明通りであるならば水温は下がるのでは、と思う方もいるはずです。本当はどうなんでしょう。
下記クリック先に、エアレーションによる冷却効果について簡易的に実験した結果を掲載しています。

⇒　　エアレーションによる冷却実験 へ

実験前までは、これまで説明してきた内容から以下の様に考えていました。
気温が水温より高い場合、エアレーションの気泡から水に対して熱が与えられる。
同時に水の蒸発が起こり、気泡は水分飽和に近づく。
理論的には水温は湿球温度に近づいていく。

しかし実験結果を見た限り、ちょっと上記想定通りには行かず、エアレーションをしていても、していないものと同様の温度上昇があり、冷却効果が見られませんでした。

なぜ冷却効果が見られなかったのかについては、管理人は以下の様に考えています。
容器が小さいこともあり、エアレーションを行っている方は攪拌効果が大きく作用し、結果として外部からの伝熱が良くなって吸熱量が増えた。
エアーポンプによるエアレーションでは風量が少ないため、冷却効果が小さい。
従って冷却効果より外部からの吸熱量が上回り、冷却効果が見られなかった。

については、例えば水槽用冷却ファンと同程度と思われる7cm角のCPUファンの風量はおおよそ20CFM（566L/min）であり、一方今回用いた水作SSPP-3の場合カタログスペック値で1.5L/min程度しか風量が無く、その差は歴然としています。つまりエアレーションの風量はファンに比べ圧倒的に少なく、冷却効果はその分かなり小さいのです。

従ってエアレーションで水温が上がるか、下がるかについて、管理人の結論はエアーポンプによるエアレーションでは水温にあまり影響を与えないということに至りました。

結果をもう少し詳しく見た上で細かいことを言うと、エアレーション側は撹拌効果により外部からの吸熱量が多いため、水温の上がりが速く見られ、気温と水温の差が小さくなると、外部からの吸熱量が減り、多少なりとも有る冷却効果により、徐々にエアレーション無し側と同じ温度になったと考えています。
また実際の水槽の場合は、エアレーションをしていない時でもフィルターによる水流があるので、外部からの吸熱量の差はでないと考えられ、今回の実験結果の様に、エアレーションをしているほうの水温が先に上がることはないのではと考えています。

このようにエアレーションによる水温上昇についてはあまり心配せずに、そして冷却効果のほうもあまり期待せずに、それよりは溶存酸素量を上げることを優先して、エアレーションをしてあげたほうが良いと管理人は考えています。
しかし水草もやっていて炭酸ガスを添加している場合は、エアレーションをすると抜けていってしまうので、ライトを点灯中はエアレーションを行わないのが一般的です。その場合は水草をたくさん植えて、光合成を活発にさせることにより、溶存酸素を増やすようにしてあげましょう。

こんな冷却ファンが欲しい
「冷却ファンの冷却効果を高めるとは」に記載した内容が実現できるようなファンが発売されると良いですね。そこで管理人が自分の環境ではこんなファンが欲しいという観点で、気ままに書いてみました。「そうそう」という同調の考えや「そんなのイラネ」って考えがあるかと思いますが、そこは「チラシの裏」ということでさくっと読み流してください。

静かなファン
水槽に使用するファンは、PCファンのようにケース内に設置されずにむき出しで設置される上、24時間必要に応じて稼動させるため、何はともあれ、とにかく良いモーターを使った静かなファンが欲しいものです。
プロペラタイプのファンは既に静かなものが手に入るようですが、シロッコファンタイプはまだうるさいのが多いので、ぜひ静かなものを作ってもらいたいと思います。

それでも風量を多くするには回転数を上げざるを得ないので、音が大きくなりがちです。そこで回転数を調整できるようにして、冷却能力が必要な場合は回転数を高くし、静音を重要とする場合は回転数を低く出来ればよいと考えます。管理人はACアダプターを交換して回転数を落として静音化しています（「飼育器具>冷却ファン／冷却ファン用サーモスタット」参照）が、こんなことはしなくても、扇風機のようにスイッチで３段階ぐらいに回転数を切り換えられると便利になると思います。
もちろん回転数が高いときでも、今のものよりずっと静かな基本性能は必要です。更に欲を言えば、CPU冷却ファンみたいに温度で回転数を自動に変えるような機能があれば、静音化と温度制御の面で有利なので、追加して頂きたい機能です。

風の吹き出し先をもっと自由にできるファン
プロペラファンタイプは真っ直ぐ風を吹きだすので、風の当たる部分はおおよそファンの取付位置で決まってしまい、あとは取付角度を変える程度の自由度しかありません。一方現在発売されているシロッコファンタイプで外掛け式のものは自由度があるかというと、付属する吹き出し口の角度調整ぐらいしか自由度がないため、やはりファンの取り付け位置で決まってしまいます。

工業的にはシロッコファンタイプというのはダクトを設けて使用するタイプであるので、風の取り回しがある程度自由になるタイプなのです。従って現状発売されている水槽用ファンのように、せっかくシロッコファンタイプを採用していても、風の吹き出し位置が固定されてしまうのはもったいない気がします。

そこで排気口を好きな位置に延長できるように、外部フィルターのように様々な形状のパーツ化にするのはどうでしょうか。長いパーツ、短いパーツがあれば、それらを組み合わせて、吹き出し位置を調節できるようになります。
そうすればガラス蓋のコーナー切り欠き部から風を送ることが可能になったり、シャワーパイプ状のパーツや分岐パーツで吹き出し口を2つに増やしたりして、広い面積に風を当てることも実現できます。

シロッコファンタイプの冷却ファンにシャワーパイプ状のパーツを接続したイメージ図

シロッコファンタイプの冷却ファンに分岐パーツで吹き出し口を2つにした場合のイメージ図

またせっかくですから、そのパーツの形状は角型でなく丸型のパイプ状にしたほうが、より取り回しが自由になります。パイプ状の場合取付け部が回せることから角度が自由になるので、例えば先端部の吹き出し方向を容易に変えることができるようになります。
このようにすれば、現在は吹き出し位置に合わせてファンの位置を決めていたものが、ファンは好きな位置に設置し、吹き出し先は自由にできるようになる訳です。パーツのコストがかかりそうですが、外部フィルターのパーツの径と同サイズにして、パーツによっては兼用できるようにすれば、パーツの値段も少しは安くなるかもしれませんね。

水草水槽の場合は、添加した炭酸ガスを逃がさないように外部フィルターを使用するケースが多く、水の流れが大きいところはシャワーパイプの吹き出し部に限られています。風の吹き出し先を自由にできるファンがあれば、この位置にライティングの邪魔にならない上、ファンを目立たせずに風を当てることも可能になりそうです。

ライティングの邪魔にならずに水面全体に風を当てられるファン
管理人の場合水草水槽なので、ライティングの邪魔にならずに水面全体に風を当てられるファンが有ればいいなと考えます。
そのようなファンとして一つは上に書いたように、シロッコファンタイプを使用し、排気口をダクト状のパーツ化して、シャワーパイプ状のパーツや分岐パーツで広い面積に風を当てる方法を考えました。

他に思いつく方法として、ミニミニプロペラファンの連装タイプがあれば、あまり邪魔にならずにリフトアップした隙間から風を当てられそうです。でもそれではモーターが何個も必要になり、音もうるさそうですし値段も高くなりそうです。

ミニミニプロペラファンの連装タイプのイメージ図

それではモーターが一つで済み、形状がスマートで、広い面積に風を当てられるファンなんてあるのかなと考えていたところ一つ思いついたのが、プロペラファン（軸流ファン）やシロッコファン（多翼ファン）でなく、別タイプのファンとなるクロスフローファン（貫流ファン）を使用することです。この形式は羽根径を大きくせずに羽根車を軸方向に伸ばすことにより風量をあげることができ、エアコンの室内機にも用いられています。良いアイデアを思いついたと思いましたが、検索したら既に1年前からクロスフローファンタイプのパソコンファンで実践されている方がおられました。

「タナゴとともに」　mytanagoさんのブログで紹介されています。
⇒　　2006-07-28 メイン水槽の冷却 　へ
⇒　　2007-05-13 スクリュー・バリスネリア 　へ

ブログを拝見させていただいた限りでは、冷却能力に関しては優秀なようです。管理人のように脳内妄想でなく、既に実践されているmytanagoさんのサイトはとても参考になりますよ。

以下の参考サイトは、クロスフローファンを製造されている会社ですが、アクア関連の水中ポンプも製造されているようです。アクア業界につながりがあるということで、もしかしたらクロスフローファンタイプの水槽冷却ファンは本当に実現するかもしれませんね。

⇒　　株式会社 米子シンコー 　へ

好き勝手に欲しいものを書いてみましたが、こんなふうに考えて見るのも意外と楽しいものです。管理人ではこの程度しか思いつきませんでしたが、もっともっといいアイデアがあるよとか、もう実践しているよという目の付け所がシャープな閲覧者からのメールをお待ちしていま〜す。期限なんて全然ありませんので、思いついた時にでもどうぞ。

⇒　　管理人へのメール 　へ

暑い夏を乗り切るために、この記事を企画してみましたが、くどい内容で閲覧者をますます暑くさせてしまったかも（管理人だけ冷や汗）。
（記事作成　'07.06.28）

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