JP2003014331A

JP2003014331A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2003014331A
Application number: JP2001195139A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Tanaka; 宏和田中; Satoshi Takahashi; 諭史高橋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-15
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP3832569B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水蒸気の搬送される密閉経路を比較的小さ
な動力で減圧して、効率よく冷気を取り出せる冷却装置
を提供する。【解決手段】冷却装置は、蒸発器１、凝縮器１１、前
記蒸発器１から前記凝縮器１１に至る水蒸気の搬送経路
２，３、該搬送経路２，３の前記蒸発器１の下流側に設
けられ前記搬送経路２，３内の密閉系を減圧するととも
に、水蒸気を前記搬送経路２，３内を通って前記凝縮器
１１に搬送する減圧ファン４、前記蒸発器１に水を供給
する給水経路１７と、前記密閉系を必要に応じて開放す
る排気経路８と、前記凝縮器１１によって凝縮された水
の排水経路１３と、を具備している。そして、前記蒸発
器１内を温度１０〜３０℃、かつ、圧力１．２２６〜
４．２３９ｋＰａの範囲に維持して水を蒸発させるとと
もに、前記凝縮器１１内を温度３５〜６０℃、かつ、圧
力５．６２５〜１９．９４２ｋＰａの範囲に維持して水
蒸気を凝縮させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水を冷却用冷媒と
するエアコンやチラーなどの冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを採用
した空気調和機では、フロンやアンモニアなどを冷却媒
体とするものが一般的である。しかしながら、フロンは
地球温暖化やオゾン層破壊などの原因物質として環境問
題が指摘されている。また、アンモニアは、その毒性、
腐食性、臭気などの問題を有しており、現状では冷却冷
媒としての実用性は乏しい。

【０００３】これに対し、容易に入手でき、安全性も高
い水の蒸発熱（蒸発潜熱）を利用して冷却する方式も提
案されている。しかしながら、大気圧下ではその気温に
おける飽和水蒸気圧までしか蒸発させることができな
い。そのため、水の蒸発によって湿度が１００％近くに
なるに伴って蒸発量が減り、冷却能力が低下してしま
う。その結果、水面付近の空気の温度は周囲に比べて４
〜５℃程度しか下がらないという欠点があった。

【０００４】また、水を収容した容器内の圧力を低下さ
せることによって水の沸点を下げ、その水が蒸発すると
きに奪われる蒸発潜熱により水温を下げることも知られ
ている。しかし、水蒸気の体積は水の数万〜数十万倍に
膨れ上がるので、減圧された雰囲気を維持するために
は、ピストン式やギア式のポンプで強制的に水蒸気を排
出する必要がある。そのため、大容量なシリンダが必要
であった。

【０００５】また、特開昭６３−２３１１５０号公報や
特開平７−２８０４０１号公報には、ヒートポンプや製
氷装置などにおいて、水を冷媒として蒸発器や凝縮器で
熱交換を行うようにした技術が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６３−２３
１１５０号公報に開示されたヒートポンプによると、気
液分離器（内部温度６０℃）内の圧力を真空ポンプによ
り−６１０ｍｍＨｇ程度まで下げた後、気液分離器内の
温水から発生する水蒸気を断熱圧縮して約１気圧（１ｋ
ｇ／ｃｍ²Ｇ＝７６０ｍｍＨｇ）まで昇圧し、約１２０
℃まで温度上昇した水蒸気から熱を回収することにより
約１００℃以上の高温水が得られる。この場合、気液分
離器内に６０℃の水蒸気を供給する必要があり、しか
も、圧力を−６１０ｍｍＨｇの超低圧まで下げられる高
出力の真空ポンプが必要となる。そのため、運転コスト
が上昇する問題があった。

【０００７】他方、特開平７−２８０４０１号公報に開
示された真空製氷装置１１０は、図６に示すように、真
空製氷部Ａ、吸収式冷凍機Ｂ、冷媒循環ラインＣを備え
ている。真空製氷部Ａは、水の三重点圧力以下の圧力条
件に維持され、供給された水の一部を蒸発させ、この水
の蒸発による潜熱で残りの水の一部を凍結させる真空製
氷容器１１１と、真空製氷容器１１１内で蒸発した水蒸
気を圧縮する圧縮機１１６と、真空製氷容器１１１内で
蒸発した水蒸気を冷却して凝縮させる水蒸気冷却用熱交
換器１１８を有する真空製氷部側凝縮器１１７とを具備
する。そして、冷媒循環ラインＣが蒸発器１２１の内部
に設けられた冷媒冷却用熱交換器１２３及び水蒸気冷却
用熱交換器１１８の内部を経て冷媒を循環させるように
配設され、蒸発器１２１で発生した冷熱を水蒸気の冷却
に利用するようになっている。

【０００８】この真空製氷装置１１０において、真空製
氷容器１１１へ、氷蓄熱槽１５３からポンプ１１３によ
り冷水供給パイプ１１２を経て冷水が連続的に供給され
る。一方で、圧縮機１１６を駆動させて、真空製氷容器
１１１の内部の水蒸気を吸引し、その内部を氷の三重点
圧力（４．６ｍｍＨｇ）以下の圧力（４．５ｍｍＨｇ）
まで減圧するとともに、水蒸気を昇圧して製氷部側凝縮
器１１７に送る。この凝縮器１１７では、昇圧された水
蒸気が、水蒸気冷却用熱交換器１１８により冷却されて
凝縮され、ドレーンとなる。このドレーンは、ドレーン
戻り管１２０を介して真空製氷容器１１１に戻される。
ここで、凝縮器１１７における凝縮温度は１１℃であ
り、凝縮圧力は約１０ｍｍＨｇに設定される。真空製氷
容器１１１の内部圧力が４．５ｍｍＨｇであるので、圧
縮機１１６に必要な圧力比は２．２２である。

【０００９】しかしながら、凝縮器１１７では１１℃ま
で温度を下げる必要があるので、エアコンなどの冷房装
置には向かず、また常に真空ポンプ１１９で凝縮器１１
７を１０ｍｍＨｇまで減圧しておく必要があり、真空ポ
ンプ１１９の出力も大きなものが必要となってくる。ま
た、真空製氷部Ａの下部がポンプ１１５を介して大気に
開放された氷蓄熱槽１５３に接続されているため、氷水
スラリーの状態で真空製氷容器１１１から排出する際
に、空気が逆流して入り恐れがある。そのため、真空製
氷容器１１１内の機密性が充分に確保されず、内部の低
圧を維持することは困難である。

【００１０】本発明は、上記の従来技術の問題に鑑みて
なされたものであり、水蒸気の搬送される密閉経路を比
較的小さな動力で減圧して、効率よく冷気を取り出せる
冷却装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の冷却装置は、蒸発器、凝縮器、前記蒸発器から
前記凝縮器に至る水蒸気の搬送経路、該搬送経路の前記
蒸発器の下流側に設けられ前記搬送経路内の密閉系を減
圧するとともに、水蒸気を前記搬送経路内を通って前記
凝縮器に搬送する減圧ファン、前記蒸発器に水を供給す
る給水経路と、前記密閉系を必要に応じて開放する排気
経路と、前記凝縮器によって凝縮された水の排水経路
と、を具備した冷却装置において、前記蒸発器内を温度
１０〜３０℃、かつ、圧力１．２２６〜４．２３９ｋＰ
ａ（９．２〜３１．８ｍｍＨｇ）の範囲に維持して水を
蒸発させるとともに、前記凝縮器内を温度３５〜６０
℃、かつ、圧力５．６２５〜１９．９４２ｋＰａ（４
２．２〜１４９．６ｍｍＨｇ）の範囲に維持して水蒸気
を凝縮させることを特徴とする。これによると、運転時
の圧縮比の上昇が抑えられる。

【００１２】この場合、前記給水経路の途中に、不純物
を除去する交換可能なストレーナを設けると、蒸発器に
給水される前に、あらかじめ異物が除去される。そし
て、前記給水経路を水道に直結すると、手作業による水
の補給が不要となる。

【００１３】そして、前記給水経路、前記搬送経路又は
前記廃水経路を着脱可能に連結するジョイントを設ける
と、水あかなどで各経路や構成部品が汚れても、単品で
取り外して個別に洗浄したり、交換したりできる。ま
た、前記減圧ファンとしては、軸流ファン又は遠心式フ
ァンを好適に使用できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。＜第１の実施形態＞図１は、本発明の第１の実施形態に
係る冷却装置を示す系統斜視図である。図１に示すよう
に、蒸発器１、ケーシング６及び凝縮器１１が順次管路
２及び管路３により連通接続されている。管路２の途中
には、蒸発側バルブ２３が配設されている。蒸発器１の
前方には、ファンモータ１９によって回転駆動されるフ
ァン２０が配設されている。また、凝縮器１１の前方に
は、ファンモータ２１によって回転駆動されるファン２
２が配設されている。

【００１５】蒸発器１の上方には、水の収容されたタン
ク９が配置されている。タンク９は、給水弁１０を介し
て管路１７により蒸発器１の上流側に接続されている。
これらのタンク９、給水弁１０及び管路１７は、給水経
路を形成している。

【００１６】一方、凝縮器１１の下方には、凝縮水回収
タンク１４が配置されている。凝縮水回収タンク１４
は、排水弁１２を介して管路１３により凝縮器１１の下
流側に接続されている。これらの管路１３、排水弁１２
及び凝縮水回収タンク１４は、排水経路を形成してい
る。

【００１７】蒸発器１は、パイプを端部で水平方向に折
り返して上下方向に蛇行させた管路部１ａと、管路部１
ａに直交する方向に略平行に配設された複数のフィン１
ｂからなる。管路部１ａの下端及び上端は、管路１７の
下流端及び管路２の上流端にそれぞれ接続されている。
また、フィン１ｂの放熱面は隙間を有して互いに対向し
ており、その隙間をファン２０の送風による空気が通過
して放熱面と熱交換されることにより、冷却されるよう
になっている。

【００１８】一方、凝縮器１１は、パイプを端部で水平
方向に折り返して上下方向に蛇行させた管路部１１ａ
と、管路部１１ａに直交する方向に略平行に配設された
複数のフィン１１ｂからなる。管路部１１ａの上端及び
下端は、管路３の下流端及び管路１３の上流端にそれぞ
れ接続されている。また、フィン１１ｂの放熱面は隙間
を有して互いに対向しており、その隙間をファン２２の
送風による空気が通過して放熱面と熱交換されることに
より、加熱されるようになっている。

【００１９】ケーシング６は、例えば、管路２，３より
大きな内径寸法に選ばれた円筒状に形成されており、そ
の上部には排気弁７を介して排気経路８が接続されてい
る。排気経路８の下流端は大気中に開放されており、必
要に応じて排気弁７を開くことにより、ケーシング６内
の水蒸気又は空気を排出できるようになっている。ケー
シング６の内部には、モータ５と、このモータ５によっ
て回転駆動される減圧ファン４が配設されている。減圧
ファン４は具体的には、軸流式、遠心式又は横断流式の
ファンを好適に使用できる。これらのファンにはプロペ
ラファン、ターボファン、シロッコファン、クロスフロ
ーファンなどと呼ばれるものが含まれる。

【００２０】以上のような構成の冷却装置の使用形態の
一例について説明する。給水弁１０を開いてタンク９か
ら蒸発器１に一定量の水を供給した後、給水弁１０を閉
じる。そして、蒸発側バルブ１２を開いて減圧ファン４
を駆動することにより、蒸発器１から凝縮器１１に至る
密閉系全体を減圧する。例えば、室温が３０℃のとき、
蒸発器１内の圧力を４．２３９ｋＰａ（３１．８ｍｍＨ
ｇ）以下に減圧すれば、蒸発器１に充填された水の一部
は沸騰して蒸発し、その気化熱（蒸発潜熱）を奪われた
残りの水が冷却される。その際、約２．２６ｋＪ／ｇの
気化熱が奪われる。そして、例えば１０℃まで冷却され
ると、蒸発器１内の圧力は１．２２６ｋＰａ（９．２ｍ
ｍＨｇ）まで下がって水の沸騰が止まる。

【００２１】このとき、ファンモータ１９を駆動してフ
ァン２０によって蒸発器１に送風を行うことにより、フ
ィン１ｂの放熱面で熱交換されて冷却された空気を送風
して室内の冷房等を行うことができる。

【００２２】一方、減圧ファン４の駆動によって水蒸気
は、管路２を通ってケーシング６内に導かれモータ５を
冷却した後、管路３を通って凝縮器１１内に搬送され
る。このとき、ファンモータ２１を駆動してファン２２
によって凝縮器１１に送風を行うことにより、空気はフ
ィン１１ｂの放熱面で熱交換され、水蒸気の凝縮熱を奪
う。その結果、水蒸気は凝縮器１１内で外気と熱交換さ
れて凝縮され、水（ドレン）となる。本冷却装置では、
温度３５〜６０℃、圧力５．６２５〜１９．９４２ｋＰ
ａ（４２．２〜１４９．６ｍｍＨｇ）の範囲で凝縮する
ようにファン２２の風量が調整されている。

【００２３】従って、ファン２２の送風を継続すること
により、水蒸気は続けて凝縮器１１内で凝縮することに
なり、長時間の冷却装置の運転が可能となる。更には、
ファン２２の送風で強制的に凝縮熱を奪うことにより、
凝縮器１１内の雰囲気が温度６０℃、圧力１９．９４２
ｋＰａ（１４９．６ｍｍＨｇ）以上に上昇するのを防止
でき、圧縮比の上昇を抑制できる。これにより、減圧フ
ァン４の負荷が軽減され、モータ５の焼き付きによる誤
動作や故障を未然に防止できる。

【００２４】このような冷却装置を室内の冷房に使用す
るときには、例えば、蒸発器１やファン２０を室内に配
置し、管路２の一部、ケーシング６、管路３、凝縮器１
１などは室外に配置すればよく、室内の省スペース化が
図られる。凝縮水回収タンク１４内に凝縮水が溜まった
場合は、排水経路１３に設けられた凝縮水バルブ１２を
閉鎖し、凝縮水回収タンク１４を取り外して水を排水溝
などに捨ててやればよい。

【００２５】また、冷却装置の再運転を行う場合は、管
路２に設けられた蒸発側バルブ２３を閉じ、タンク９か
ら蒸発器１の間を低圧に保つとともに、凝縮水回収タン
ク１４をセットした後、凝縮水バルブ１２と排気弁７を
開き、モータ５を駆動して減圧ファン４を用いてケーシ
ング６以降の凝縮水回収タンク１４を含む凝縮器１１側
の搬送経路を減圧（排気）し、減圧終了後排気弁７を閉
じて蒸発側バルブ２３を開けばよい。

【００２６】ここで、本発明の冷却装置と一般的な蒸気
圧縮式の冷凍サイクル（フロン冷媒）を用いたエアコン
の冷却能力を比較してみることにする。通常、１馬力程
度の出力のフロン用エアコンの冷却能力は約２．５ｋＷ
である。本発明の冷却装置において、これと同程度の冷
却能力を得るのに必要な水の蒸発量は、水の蒸発潜熱を
２．２６ｋＪ／ｇとすると、２．５（ｋＷ）／２．２６
（ｋＪ／ｇ）＝２．５×３．６×１０³（ｋＪ／ｈ）／
２．２６（ｋＪ／ｇ）＝３．９８ｋｇ／ｈとなる。これ
が毎分では、３９８０／６０＝６６．３ｇ／ｍｉｎとな
る。つまりロスも含めて１分間に１馬力あたり大体７５
ｇ／ｍｉｎの蒸発量が必要となる。

【００２７】一方、蒸発器１内を１０℃まで冷却した場
合、９．２ｍｍＨｇの圧力下で水は沸騰して水蒸気とな
る。このときの水蒸気の体積は約１０７Ｌ／ｇである。
よって、上記のように毎分７５ｇの水を蒸発させると、
水蒸気の発生量は約８ｍ³／ｍｉｎとなる。即ち、フロ
ン用エアコンと同等の冷却能力を水の蒸発潜熱を利用し
て得るには、圧縮機の吸入量が８ｍ³／ｍｉｎであれば
よいことになる。

【００２８】この吸入量（８ｍ³／ｍｉｎ）は、大気中
では直径２０ｃｍで５０Ｗ程度の換気扇と同等であるこ
とから容易に実現することができる。ちなみにフロンＲ
２２は常温では気体であり、４０℃で液体とするには１
５３３．８ｋＰａ（１５．６４ｋｇｆ／ｃｍ²）以上の
圧縮力が必要であり相当大きな出力が必要となる。しか
も、１０℃におけるフロンＲ２２の蒸発潜熱は１９６Ｊ
／ｇであり、水と比べて大変小さいことがわかる。

【００２９】＜第２の実施形態＞図２は、本発明の第２
の実施形態に係る冷却装置を示す系統斜視図である。こ
の図において、上記第１の実施形態と共通の部材には同
一の符号を付している。本実施形態に特徴的な構成は、
図２に示すように、タンク９と給水弁１０との間の給水
経路に、不純物を除去する交換可能なストレーナ１５を
設けたことである。この構成によると、タンク９から給
水される水は、ストレーナ１５を通過する際にあらかじ
め異物が除去されるので、蒸発器１内にゴミが溜まるの
を防止できるようになる。また、寿命の近づいたストレ
ーナ１５は、新しいものと交換すればよい。

【００３０】＜第３の実施形態＞図３は、本発明の第３
の実施形態に係る冷却装置を示す系統斜視図である。こ
の図において、上記第１の実施形態と共通の部材には同
一の符号を付している。本実施形態に特徴的な構成は、
図３に示すように、給水経路を給水弁１０を介して蛇口
１６に接続することにより、水道直結式としたことであ
る。この構成によると、タンクに水を補給する必要がな
く、長時間の連続運転が可能となる。

【００３１】＜第４の実施形態＞図４は、本発明の第４
の実施形態に係る冷却装置を示す系統斜視図である。こ
の図において、上記第１の実施形態と共通の部材には同
一の符号を付している。本実施形態に特徴的な構成は、
図４に示すように、給水経路を給水弁１０を介して蛇口
１６に接続することにより、水道直結式とするととも
に、蛇口１６と給水弁１０との間の給水経路に、不純物
を除去する交換可能なストレーナ１５を設けたことであ
る。この構成によると、水道から給水される水は、スト
レーナ１５を通過する際にあらかじめ異物が除去される
ので、蒸発器１内にゴミが溜まるのを防止できるように
なる。また、タンクに水を補給する必要がなく、水を長
時間の連続運転が可能となる。

【００３２】＜第５の実施形態＞図５は、本発明の第５
の実施形態に係る冷却装置を示す系統斜視図である。こ
の図において、上記第２の実施形態と共通の部材には同
一の符号を付している。本実施形態に特徴的な構成は、
図５に示すように、タンク９と給水弁１０との間の給水
経路、管路１７の途中、管路２の途中、管路３の途中及
び排水経路１３の途中に着脱可能に連結するジョイント
１８を設けたことである。この構成によると、調節弁１
０や蒸発器１などの各構成部品が水あかなどで汚れて
も、各部品を取り外してそれぞれを洗浄したり、交換す
ることが可能となり、長期間の運転による管路の詰まり
や能力の劣化を低減できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の冷却装置に
よると、蒸発器内で効率よく水を蒸発させることがで
き、その際の気化熱を利用して室内の冷房等を行うこと
ができる。そして、蒸発器から凝縮器に至る密閉系内を
減圧ファンにより減圧することにより、蒸発器内を温度
１０〜３０℃、かつ、圧力１．２２６〜４．２３９ｋＰ
ａ（９．２〜３１．８ｍｍＨｇ）の範囲に維持して水を
蒸発させるとともに、凝縮器内を温度３５〜６０℃、か
つ、圧力５．６２５〜１９．９４２ｋＰａ（４２．２〜
１４９．６ｍｍＨｇ）の範囲に維持して水蒸気を凝縮さ
せるようにしたので、圧縮比の上昇が抑えられ、減圧フ
ァンの負荷を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る冷却装置を
示す系統斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る冷却装置を
示す系統斜視図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係る冷却装置を
示す系統斜視図である。

【図４】本発明の第４の実施形態に係る冷却装置を
示す系統斜視図である。

【図５】本発明の第５の実施形態に係る冷却装置を
示す系統斜視図である。

【図６】従来の真空製氷装置の一例の系統説明図で
ある。

【符号の説明】

１蒸発器４減圧ファン５モータ８排気経路９タンク１１凝縮器１４凝縮水回収タンク１５ストレーナ１６蛇口１８ジョイント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸発器、凝縮器、前記蒸発器から前記凝
縮器に至る水蒸気の搬送経路、該搬送経路の前記蒸発器
の下流側に設けられ前記搬送経路内の密閉系を減圧する
とともに、水蒸気を前記搬送経路内を通って前記凝縮器
に搬送する減圧ファン、前記蒸発器に水を供給する給水
経路と、前記密閉系を必要に応じて開放する排気経路
と、前記凝縮器によって凝縮された水の排水経路と、を
具備した冷却装置において、前記蒸発器内を温度１０〜３０℃、かつ、圧力１．２２
６〜４．２３９ｋＰａ（９．２〜３１．８ｍｍＨｇ）の
範囲に維持して水を蒸発させるとともに、前記凝縮器内
を温度３５〜６０℃、かつ、圧力５．６２５〜１９．９
４２ｋＰａ（４２．２〜１４９．６ｍｍＨｇ）の範囲に
維持して水蒸気を凝縮させることを特徴とする冷却装
置。
【請求項２】前記給水経路の途中に、不純物を除去す
る交換可能なストレーナを設けたことを特徴とする請求
項１に記載の冷却装置。
【請求項３】前記給水経路を水道に直結したことを特
徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】前記給水経路、前記搬送経路又は前記廃
水経路を着脱可能に連結するジョイントを設けたことを
特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷却
装置。
【請求項５】前記減圧ファンが軸流ファンであること
を特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の冷
却装置。
【請求項６】前記減圧ファンが遠心式ファンであるこ
とを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の
冷却装置。