JP2003185289A

JP2003185289A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2003185289A
Application number: JP2001382614A
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: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】水を冷媒として、その蒸発潜熱を利用して冷
却するとき、小さな動力で効率よく行う。【解決手段】タンク４に通じる流量調整弁５と蒸発器
１とを給水管６、７で接続する。蒸発器１と送風機２と
を排出管１０で接続する。送風機２の排出口は、開放空
間に向かって開口される。蒸発器１に給水し、送風機２
の吸引により蒸発器１内を減圧する。水が沸騰して蒸発
し、残った水が冷却される。発生した水蒸気は、送風機
２を冷却しながら開放空間に排出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水を冷却媒体とし
たエアコンやチラー等に利用される冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
の冷却装置の冷媒として、フロンやアンモニア等を利用
したものが公知である。フロンは地球温暖化やオゾン層
破壊の原因物質として環境問題となっている。また、ア
ンモニアはその毒性、腐食性、臭気等の問題を有してお
り、冷媒として利用するには解決すべき問題点が数多く
ある。

【０００３】これに対し、容易に入手でき、かつ安全性
も高い水の蒸発熱（蒸発潜熱）を利用して冷却する方式
も行われてきている。この技術を用いた冷却装置として
は、冷風扇が代表的である。しかし、大気圧中で水はそ
の空気中の温度に対する飽和水蒸気圧までしか蒸発でき
ないため、水を蒸発させても、周囲温度に対して４〜５
℃しか下がらない。逆に、水の蒸発によって湿度が１０
０％近くになるに従い蒸発量が減り、冷却能力が低下す
るとともに、湿度が高くなる欠点があった。

【０００４】また、水を収容した容器内の圧力を下げる
ことによって水の沸点が下がり、その水が蒸発するとき
の蒸発潜熱で水温を下げることも知られている。しか
し、水が低温で沸騰して蒸発するようにしたとき、その
水蒸気の体積は水の時の体積の数万倍から十数万倍にも
なってしまう。蒸発器から排出するためにピストン式や
ギア式等のポンプで排出する場合、大きな容量のシリン
ダが必要となる。

【０００５】ヒートポンプや冷凍機等において、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
も公知となっている。例えば特開昭６３−２３１１５０
号公報や特開平７−２８０４０１号公報に開示されてい
る。

【０００６】前者では、６０℃で−６１０ｍｍＨｇ（８
１．１ｋＰａ）程度まで圧力を下げると、水が蒸発して
水蒸気が得られ、ポンプによって１ｋｇ／ｃｍ²Ｇ（１
０１ｋＰａ）まで圧力を高めると、凝縮器で１２０℃ま
で温度が上がり、その熱を回収するようにしている。こ
の場合、蒸発器では６０℃の水が必要であり、さらに圧
力を１５０ｍｍＨｇ（１９．９５ｋＰａ）から７６０ｍ
ｍＨｇ（１０１ｋＰａ）まで圧縮する必要があるため、
ポンプには高駆動力なものが必要となる。

【０００７】後者では、真空製氷部における蒸発器にお
いて、０℃で４．５Ｔｏｒｒ（０．６０ｋＰａ）に減圧
すると、沸点に至り蒸発していく。この水蒸気を遠心式
圧縮機によって昇圧し、凝縮器で凝縮させる。このとき
の凝縮圧力は１０Ｔｏｒｒ（１．３３ｋＰａ）、凝縮温
度は１１℃に設定されている。

【０００８】この装置は、真空製氷部の蒸発器において
蒸発潜熱により氷を製造し、凝縮器では吸収式冷凍機に
より冷却された冷媒を循環させて水蒸気を冷却する構成
とされる。真空製水部で発生した水蒸気を昇圧するの
に必要な圧縮機の圧力比は２．２２である。凝縮器では
１１℃まで温度を下げる必要があるので、エアコン等の
冷房装置には向かず、また常に真空ポンプより凝縮器を
１０Ｔｏｒｒまで減圧しておく必要があり、真空ポンプ
の容量も大きなものが必要となる。

【０００９】しかも、蒸発器がポンプを介して大気に開
放された水蓄熱槽に接続されており、蒸発器から氷水ス
ラリーの状態で排出することはできても、空気が逆流し
て入り込む可能性があり、低圧を維持することは難し
い。すなわち、ほとんど連通された状態となって、密閉
することが困難な構造である。

【００１０】ここで、例えば５℃で圧力が０．８６ｋＰ
ａ（６．５ｍｍＨｇ）のとき、１ｇの水は体積１４７リ
ットルの水蒸気であるが、この水蒸気を３０°Cの大気
に接触させると、水蒸気は凝縮して１ｇの水に戻る。こ
の事実に着目して、本発明は、小さな動力でも効率よく
冷却できる冷却装置の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、給水手段と、該給水手段から供給された水を蒸発
させるための空間を形成する蒸発器と、該蒸発器内を減
圧しながら水蒸気を排出する送風機と、前記給水手段、
蒸発器および送風機を順に接続する管路とを備えたもの
であり、管路の出口は、蒸発器において熱交換される空
間とは異なる空間に向かって開口される。

【００１２】そして、蒸発器で発生した熱を取り出す手
段として、蒸発器に熱交換用の空気を送風する室内送風
機を備えている。なお、熱交換用の媒体として空気の代
わりに水を用いてもよい。なお、ここでの室内とは、人
が出入りする室内だけでなく、物を貯蔵する冷蔵室、一
定温度に維持される恒温室等の室内も含む。

【００１３】蒸発器内が送風機の吸引によって減圧され
ると、蒸発器に供給された水は蒸発し、蒸発潜熱により
残っている水を冷却する。大気圧以下の水蒸気は、蒸発
器から管路を通じて、送風機を冷却しながら異なる空間
に放出される。放出する空間としては、室外等の開放さ
れた空間が好ましい。

【００１４】このように水蒸気が排出される空間は熱交
換される空間とは異なるので、熱交換によって冷却され
た空間の湿度が高くなることはない。しかも、開放され
た空間であると、ストレスなく排出することができるの
で、蒸発器を減圧するための送風機を大型のものにしな
くてもよい。その結果、小さな動力で用が足りる。

【００１５】このとき、蒸発器内の環境は、温度０℃、
このときの飽和水蒸気圧に等しい圧力０．６１ｋＰａ
（４．５８ｍｍＨｇ）から室温と同じ温度、この温度に
おける飽和水蒸気圧の範囲とする。この範囲に設定して
おくことにより、適切に室内を冷却できる。温度が０℃
より低いと、水が凍ってしまい、給水や蒸発ができなく
なる。また、室温より高い圧力に設定すると、水が沸騰
しなくなり、蒸発潜熱が得られず、冷却効率が非常に悪
くなる。

【００１６】なお、室内の冷房を目的として使用する場
合は、温度１０℃、このときの飽和水蒸気圧に等しい圧
力１．２２ｋＰａ（９．２ｍｍＨｇ）から温度３０℃、
このときの飽和水蒸気圧に等しい圧力４．２３ｋＰａ
（３１．８ｍｍＨｇ）の範囲とすることが好ましい。

【００１７】送風機は軸流式あるいは遠心式とされる。
また、送風機を多段に配列した構成としてもよい。した
がって、ポンプや圧縮機を用いなくても、発生した水蒸
気を十分に排出することができ、蒸発器内を上記の範囲
において減圧することが可能となり、小さな動力で効率
よく冷却できる。

【００１８】そして、給水手段は、タンクと流量調整弁
とから構成される。あるいは、タンクの代わりに水道水
を利用してもよい。この場合、蒸発器よりも上流側、好
ましくは流量調整弁よりも上流側の管路に、水に含まれ
る不純物を除去するためのフィルタを設けるとよい。フ
ィルタを通して給水することにより、蒸発器内あるいは
流量調整弁内に水あか等の不純物が付着することを防止
でき、メンテナンスの手間を省ける。

【００１９】管路に複数のジョイントが設けられ、蒸発
器あるいは流量調整弁が管路から取外し可能とされる。
ジョイントは、タンクあるいは水道の吐出口と流量調整
弁との間、流量調整弁と蒸発器との間、蒸発器と送風機
との間に配置される。これによって、水あか等の不純物
が付着しやすい流量調整弁あるいは蒸発器をそれぞれ単
独で管路から取外すことができ、必要に応じて交換ある
いは洗浄できる構造となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態の冷
却装置を図１に示す。冷却装置は、給水手段と、給水手
段から供給された水を蒸発させるための空間を形成する
蒸発器１と、蒸発器１内を減圧しながら水蒸気を排出す
る送風機２と、蒸発器１に熱交換用の空気を送風する室
内送風機３と、給水手段、蒸発器１および送風機２を順
に接続する管路とを備えている。

【００２１】給水手段は、水が貯められたタンク４と、
給水量を調整する流量調整弁５とから構成される。蒸発
器１は、フィン付き管からなる一般的なものであり、下
側に位置する入口から上側に位置する出口に向かう流れ
が形成される。

【００２２】タンク４は、第１給水管６によって流量調
整弁５に接続され、流量調整弁５は、第２給水管７によ
って蒸発器１に接続される。第２給水管７は、蒸発器１
の入口に連通しており、第１給水管６よりも大径とされ
る。

【００２３】送風機２は、軸流式、遠心式、横断流式の
いずれかのファン２ａが使用され、モータ２ｂによって
駆動される。軸流式ファンとしては、プロペラファンが
あげられる。遠心式ファンとしては、ターボファン、シ
ロッコファンがあげられる。横断流式ファンとしては、
クロスフローファンがあげられる。いずれの形式を採用
しても、連続的に大容量の空気および水蒸気を排気する
ことが可能である。

【００２４】ファン２ａおよびモータ２ｂは、ケーシン
グ８に内装され、ケーシング８の吸入口に、蒸発器１の
出口に連通した排出管９が接続される。ケーシング８は
屋外に設置され、ケーシング８の排出口は、開放空間に
向かって開口される。ここで、開放空間とは、蒸発器１
が設置された空間とは異なる大気圧状態の空間であり、
例えば蒸発器１が設置された室内とは異なる他の室内あ
るいは屋外とされる。

【００２５】室内送風機３は、ファン３ａとこれを駆動
するモータ３ｂとからなり、室内から吸い込んだ空気を
蒸発器１のフィンの間を通過させ、室内に吹き出すこと
ができればよく、ファン３ａの形式は問わない。

【００２６】そして、タンク４からケーシング８に至る
管路は、第１給水管６、第２給水管７、蒸発器１、排出
管９によって形成され、漏れあるいは空気の侵入が生じ
ないようにこれらが接続される。

【００２７】また、流量調整弁５、送風機２、室内送風
機３を駆動制御するためのマイコン等からなる制御装置
が設けられる。制御装置は、設定された温度に対して、
流量調整弁５を駆動して、給水量を調整するとともに、
各送風機２、３の風量を調整する。送風機２の風量とし
ては、蒸発器１内の圧力が設定温度における飽和水蒸気
圧と同じ圧力になるまで減圧できるように設定される。

【００２８】次に、本冷却装置におけるの熱交換の原理
を説明する。まず、タンク４からの水は、流量調整弁５
により設定された流量で蒸発器１に供給され、蒸発器１
の下部に溜まる。例えば室温が３０℃であれば、送風機
２を駆動して蒸発器１内を排気し、蒸発器１内の圧力を
３０℃のときの飽和水蒸気圧である４．２３ｋＰａ（３
１．８ｍｍＨｇ）以下まで減圧する。すると、蒸発器１
に充填された水は沸騰して蒸発し、その気化熱（蒸発潜
熱）によって残っている水は冷却される。このとき、約
２．２６ｋＪ／ｇの熱を奪って気化する。そして、蒸発
器１内の水を例えば１０℃まで冷却すると、そのときの
圧力は１０℃のときの飽和水蒸気圧である１．２２ｋＰ
ａ（９．２ｍｍＨｇ）まで下がり、沸騰も止まる。

【００２９】室内送風機３を駆動して、蒸発器１に対し
て送風することにより、蒸発器１と空気とが熱交換さ
れ、通過する空気は冷却される。これを室内に吹き出す
と、冷房等に利用できる。一方、蒸発器１内に発生した
水蒸気は、送風機２によって吸い出され、水蒸気を含ん
だ低温の空気が、送風機２のモータを冷却しながらケー
シング８の排出口から開放空間（室外）へ排気される。
また、水が蒸発器１内で蒸発し、排出されるので、この
減少に応じてタンク４から連続してあるいは間欠的に水
が供給され、運転が継続される。

【００３０】ここで、この送風機２において、一般家庭
で使用されるフロン用エアコンで冷却する場合と同等に
冷却するのに必要な送風機２の能力について、具体的数
値を挙げて説明する。通常、一般家庭で使用される1馬
力程度のエアコンの冷却能力は2．５ｋＷである。これ
と同等の冷却に必要な水の蒸発量は、蒸発潜熱を約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）＝３９８０（ｇ／ｈ）となる。

【００３１】これが、毎分では３９８０／６０＝６６．
３（ｇ／ｍｉｎ）となる。すなわち、ロスも含めて1分
間に１馬力当たり約７５ｇ／ｍｉｎの水の蒸発量が必要
となる。一方、蒸発器１において、温度１０℃まで冷却
した場合、圧力が１．２２６ｋＰａ（９．２ｍｍＨｇ）
で水は沸騰して、蒸気が発生する。このときの水蒸気
の体積は約１０７リットル／ｇである。そして、前述の
ように毎分７５ｇ蒸発させると、その体積は約８ｍ³／
ｍｉｎとなる。

【００３２】したがって、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。この吸
入量（８ｍ³／ｍｉｎ）は、大気中における直径２０ｃ
ｍで５０Ｗ程度の換気扇の吸入量と同等であることか
ら、一般的な送風機によって容易に実現することができ
る。このように、高い能力の送風機を用いる必要がな
く、小さな動力で効率のよい冷却性能を得ることができ
る。

【００３３】ちなみに、フロンＲ２２の場合、常温では
気体であり、４０℃で液体とするには１５２２．８ｋＰ
ａ（１５．６４ｋｇｆ／ｃｍ²）の圧縮力が必要であ
り、相当大きな圧力が必要となる。また、１０℃におけ
る蒸発潜熱は１９６Ｊ／ｇであり、水と比べて大変小さ
いことがわかる。ただし、蒸気の体積が小さいので、ポ
ンプの排気量は小さくて済む。

【００３４】（第２実施形態）本実施形態の冷却装置を
図２に示す。本冷却装置では、第１給水管６においてタ
ンク４と流量調整弁５との間に、ストレーナ１１が着脱
可能に介装されている。その他の構成および作用は上記
第１実施形態と同じである。

【００３５】フィルタとしてストレーナ１１を設けるこ
とにより、供給される水に含まれるごみ等の不純物を取
り除くことができる。したがって、蒸発器１に給水され
て、水が蒸発した後に不純物が蒸発器１内に堆積するこ
とを防止でき、このような堆積物による熱交換効率の低
下および給水の詰まりを防げる。

【００３６】（第３実施形態）本実施形態の冷却装置を
図３に示す。本冷却装置では、給水手段として、タンク
４を使用する代わりに水道直結式とする。第１給水管６
が、水道の吐出口である蛇口１２に接続具１３を介して
接続される。このように、水道から水を供給することに
よって、長時間の運転が可能となる。なお、その他の構
成および作用は上記第１実施形態と同じである。

【００３７】そして、図４に示すように、蛇口１２と流
量調整弁５との間にストレーナ１１を着脱可能に介装し
てもよい。水道水に含まれるさび等の不純物を取り除く
ことができる。また、水道水に含まれる鉄、カルシウ
ム、マグネシウム等の水あかを取り除く水あかフィルタ
を第１給水管６に介装してもよく、蒸発器１および流量
調整弁５に水あかが付着することを防止できる。したが
って、ストレーナ１１等のフィルタを定期的に交換すれ
ば、長期間にわたって運転能力を維持することができ
る。なお、ストレーナ１１および水あかフィルタは、そ
れぞれ単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよ
い。

【００３８】（第４実施形態）本実施形態の冷却装置を
図５に示す。本冷却装置では、管路に管同士あるいは管
と機器を接続するためのジョイント１４を複数設け、管
路を分解できる構造としている。すなわち、第１給水管
６では、流量調整弁５の上流側にジョイント１４が設け
られ、第２給水管７では、流量調整弁５の下流側にジョ
イント１４が設けられる。排出管９では、蒸発器１の下
流側にジョイント１４が設けられる。なお、その他の構
成および作用は上記第３実施形態と同じである。

【００３９】これによって、流量調整弁５および蒸発器
１が管路に対して容易に取外し可能となる。長期間の使
用によって流量調整弁５あるいは蒸発器１では、供給さ
れた水に含まれる水あか等の不純物が付着して汚れた
り、あるいは堆積したりする。その結果、運転能力の低
下、給水の詰まりを招く。そこで、流量調整弁５あるい
は蒸発器１を取外して、新品に交換する、あるいは洗浄
を行うことにより、本来の能力を発揮させることができ
る。

【００４０】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多く
の修正および変更を加え得ることは勿論である。上記冷
却装置は、室内の冷房を行うものであるが、これに限ら
ず冷蔵室内や容器内の閉じた空間の冷却の用途に使用し
てもよい。

【００４１】また、蒸発器内を減圧するための送風機を
複数直列に配した多段構成としてもよい。このようにす
れば、能力の低い送風機を用いることができ、個々の送
風機の能力が低くても、順々に減圧の程度を高めていく
ことができる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、蒸発器で発生した水蒸気を凝縮させることなく
開放された空間に放出することにより、蒸発器内の低圧
を維持でき、蒸発器において水の蒸発潜熱によって大き
な冷却効果を得ることができる。しかも、冷媒は水であ
るため、例え漏れても環境に悪影響を及ぼすことがな
く、フロン系冷媒に比べ内部が低圧であるため、破裂の
危険性もなく、安全性が高い。

【００４３】したがって、冷却運転の動力源として送風
機を駆動するだけであるので、簡単な構造でありなが
ら、安全性が高く、冷却効率の高い冷却装置を実現する
ことが可能となり、冷房、冷蔵といった各種用途に容易
に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の冷却装置の構成図

【図２】第２実施形態の冷却装置の構成図

【図３】第３実施形態の冷却装置の構成図

【図４】同実施形態における他の冷却装置の構成図

【図５】第４実施形態の冷却装置の構成図

【符号の説明】

１蒸発器２送風機３室内送風機４タンク５流量調整弁６第１給水管７第２給水管９排出管１１ストレーナ１２蛇口１３接続具１４ジョイント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3L044 AA04 BA05 BA06 BA09 CA11 CA18 DB01 DD04 FA03 FA04 GA02 KA04 3L050 BB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】給水手段と、該給水手段から供給された
水を蒸発させるための空間を形成する蒸発器と、該蒸発
器内を減圧しながら水蒸気を排出する送風機と、前記給
水手段、蒸発器および送風機を順に接続する管路とを備
え、該管路の出口は、前記蒸発器において熱交換される
空間とは異なる空間に向かって開口されたことを特徴と
する冷却装置。
【請求項２】給水手段と、該給水手段から供給された
水を蒸発させるための空間を形成する蒸発器と、該蒸発
器内を減圧しながら水蒸気を排出する送風機と、前記蒸
発器に熱交換用の空気を送風する室内送風機と、前記給
水手段、蒸発器および送風機を順に接続する管路とを備
え、該管路の出口は、冷却される室内空間とは異なる空
間に向かって開口され、前記蒸発器内の環境を温度０
℃、圧力０．６１ｋＰａから室温と同じ温度、この温度
における飽和水蒸気圧の範囲とすることを特徴とする冷
却装置。
【請求項３】給水手段と蒸発器との間に、水に含まれ
る不純物を除去するためのフィルタが設けられたことを
特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】給水手段は、タンクと流量調整弁とから
構成され、前記タンクと流量調整弁との間にフィルタが
配されたことを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】タンクの水の代わりに水道水を利用した
ことを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
【請求項６】管路に複数のジョイントが設けられ、蒸
発器あるいは流量調整弁が前記管路から取外し可能とさ
れたことを特徴とする請求項４または５記載の冷却装
置。
【請求項７】送風機は軸流式とされたことを特徴とす
る請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項８】送風機は遠心式とされたことを特徴とす
る請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項９】送風機が多段に配列されたことを特徴と
する請求項７または８記載の冷却装置。