JP2007212083A

JP2007212083A - 冷却装置、水生成装置および空気調和装置

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Publication number: JP2007212083A
Application number: JP2006033707A
Authority: JP
Inventors: Takao Hara; 隆雄原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP5007381B2

Abstract

【課題】管部材の流路を流れる空気を含む流体を従来になく効率よく冷却できる冷却装置、水生成装置および空気調和装置を提供する。
【解決手段】流体に流動抵抗を与える多数の凸部１７を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材１と、この管部材１の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段１５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、管部材の流路を流れる流体を効率よく冷却できる冷却装置、水生成装置および空気調和装置に関する。

一般に、空気中には水分が含まれ、空気を冷却すると、凝縮水が得られることが知られている。飽和水蒸気圧線図（図示せず）を参照すると、例えば、１気圧、１ｍ³の空気中には、４０℃で５１．２ｇの水分が含まれ、２０℃で１７．２ｇの水分が含まれる。従って、空気を４０℃から２０℃に冷却した場合に、３８ｇの凝縮水が造れる計算になる。この凝縮水は例えば飲料水として利用でき、この水生成装置が実用化されれば、砂漠地帯等のいかなる環境下であっても、容易に飲料水を確保できる。

この水生成装置の実用化は、いかに効率よく空気を冷却するかに掛かっており、その冷却装置の実現が待たれている。また、この種の装置を使用することにより、冷凍装置としての利用も可能になり、冷却媒体として例えば空気やブラインを利用することにより、ノンフロン型の環境にやさしい空気調和装置が提供される。

本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、管部材の流路を流れる空気を含む流体を従来になく効率よく冷却できる冷却装置、水生成装置および空気調和装置を提供することにある。

本発明は、流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備えたことを特徴とする。

この場合において、流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる流体を冷却してもよい。
また、流路を流れる空気に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる空気に高速スピン回転を与える制御手段と、前記管部材の下流に接続された気液分離器とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる空気を冷却し、その凝縮水を前記気液分離器で捕集してもよい。

流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる流体を冷却し、この冷却流体で空気調和してもよい。

また、流路を流れる空気に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる空気に高速スピン回転を与える制御手段と、前記管部材の下流に接続された気液分離器とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる空気を冷却し、前記気液分離器により凝縮水を除去した後の冷却空気で空気調和してもよい。

本発明では、流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備え、流路を流れる流体を効率よく冷却できる。
管部材を空気中に配置すれば、特別に冷却装置を使用することなく、この空気中で流路を流れる流体を効率よく冷却でき、逆に加熱もできる。

また、空気中で流路を流れる空気を冷却し、その凝縮水を気液分離器で捕集すれば、空気中に含まれる水分を効率よく捕集でき、例えば砂漠地帯であっても、飲料水を簡易に生成することができる。
空気中で流路を流れる流体を冷却し、この冷却流体で空気調和し、或いは、空気中で流路を流れる空気を冷却し、気液分離器により凝縮水を除去した後の冷却空気で空気調和すれば、ノンフロン型の空調機が実現できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図１Ａ、図１Ｂは、本発明に係る冷却装置の一実施の形態を示す。
図１において、１００は冷却ユニットを示す。この冷却ユニット１００には、螺旋状に形成された銅製の管部材（キャピラリーチューブ）１が配置されている。このキャピラリーチューブ１の上流には開閉弁３が接続され、この開閉弁３の上流にはエアーフィルタ５が接続されている。また、キャピラリーチューブ１の下流には気液分離タンク（気液分離器）７が接続され、この気液分離タンク７の下流には真空ポンプ９が接続されている。この真空ポンプ９の下流には熱交換器１１が接続され、この熱交換器１１は被調和室（図示せず）に配置されている。気液分離タンク７には当該タンク内で捕集された凝縮水を排水する排水弁１３が接続されている。
１５はコントローラであり、このコントローラ１５は、開閉弁３、真空ポンプ９、排水弁１３に接続され、これらを制御する。

キャピラリーチューブ１の流路内面には、図１Ｂに示すように、当該流路内を流れる流体に流動抵抗を与える凸部１７が形成されている。この凸部１７は、キャピラリーチューブ１の成形時に一体に形成される。

このキャピラリーチューブ１は、金属製（例えば、銅製。）の真直なチューブ素材を製造した後に、これを螺旋状に巻いて製造する。銅製のチューブ素材を製造する段階では、例えば、線材（ピアノ線）を引き抜くようにして、チューブ素材の内側に流路を形成するが、本実施の形態では、ピアノ線の外周部に、その軸線に沿って略平行に長手方向に一様に連続する複数条（例えば、８〜１０条。）の凹条部を形成し、このピアノ線を引き抜く段階で、凹条部に対応させて流路面に長手方向に連続する複数条の凸部を一体に形成する。ピアノ線の直径が７〜８ｍｍの場合、凹条部は好適には０．１ｍｍ程度である。凸部は複数条に限定されず、単数条であってもよい。
ついで、この真直なチューブ素材を、図２に示すように、螺旋状に巻いていく。このチューブ素材の一端Ａから螺旋状に巻いていくと、チューブ素材の他端Ｂには巻きの方向と同一方向の捻り力が作用し、真直なチューブ素材は、一般的に、その軸線周りに周方向（矢印Ｃの方向）に捻られる。

本実施の形態では、チューブ素材の一端Ａを螺旋状に巻いていく段階で、チューブ素材の他端Ｂの周方向（矢印Ｃの方向）への移動を拘束する。
これを拘束すると、キャピラリーチューブ１を一端から他端に巻いていく段階で、チューブ素材が矢印Ｃの方向と逆の方向へ捻られ、このチューブ素材が捻られることにより、上述した複数条の凸部も捻られる。
この凸部が周方向に捻られた状態で、チューブ素材が螺旋状に巻かれるため、キャピラリーチューブ１の流路面には、キャピラリーチューブ１内を流れる空気への流動抵抗になるように複数の凸部１７が形成される。本構成では、流体に好適な流動抵抗を与える複数の凸部１７を簡単に形成できる。

この凸部１７は、図示を省略したが、凹部でも、或いは凸部と凹部の連続でもよい。流路面に凹部を形成する場合、チューブ素材の製造段階で使用するピアノ線の外周に凸状部を形成しておけばよく、凹部及び凸部を形成する場合、ピアノ線の外周に凸状部及び凹状部を交互に形成しておけばよい。

つぎに、冷却装置の動作を説明する。
この冷却装置では、少なくともキャピラリーチューブ１が空気中に配置される。そして、コントローラ１５の制御下で、真空ポンプ９が間欠駆動され、所定のタイミングで開閉弁３および排水弁１３が開閉される。まず、開閉弁３および排水弁１３を閉じた状態で、真空ポンプ９を駆動する。すると、真空ポンプ９の上流のキャピラリーチューブ１および気液分離タンク７内が真空引きされ、所定の負圧（真空状態）に至る。ついで、真空ポンプ９を停止させ、開閉弁３を全開にする。
これにより、気液分離タンク７内には、エアーフィルタ５で浄化された空気が、キャピラリーチューブ１を経て、一気に引き込まれる。本構成では、キャピラリーチューブ１を通過する空気の流速が５０ｍ／秒以上となるように、真空ポンプ９の能力、気液分離タンク７の容量、キャピラリーチューブ１の長さ、流路径等が各々設定されている。この空気の流速は、５０ｍ／秒以上、好ましくは１００ｍ／秒以上で、例えば亜音速に近い流速であってもよい。本構成では、キャピラリーチューブ１内を流れる空気に、５０ｍ／秒以上の高速のスピン回転が与えられる。

キャピラリーチューブ１では、空気が、螺旋状の流路面に形成された凸部１７での摩擦と、空気そのものが旋回流をおこすことにより、圧力損失を生じさせて、その温度を低下させる。圧力の低下とチューブ壁面よりの若干の放熱により、キャピラリーチューブ１を通過する空気中の水蒸気は飽和状態に至り、キャピラリーチューブ１の出口では液化水分と空気になり、下流に接続された気液分離タンク７に入る。気液分離タンク７では気液分離され、水分は当該タンクに溜まり、冷却空気は下流の熱交換器１１に入り被調和室の冷房に供される。そして、気液分離タンク７に付設された排水弁１３が開かれ、水分が排水されて、サイクルが完了する。なお、排水弁１３は、１サイクル毎に開かずともよく、数サイクルが完了した後に開いてもよい。

上記サイクルは連続的に繰り返され、キャピラリーチューブ１を通過する空気が、その周囲の空気によって冷却され、この冷却空気が、熱交換器１１に入り、被調和室の冷房に供され、これにより冷房運転が継続される。

上記凸部１７の形態は上記形態に限定されず、例えば溝形状、または突起状の乱流を発生させる形状、鮫肌状、やすり状等の多数凹凸の種々形態が可能である。この溝や突起の形態は螺旋状の流路内の流体流れに対し、平行ではなく、かつ部分的に不連続であることが望ましい。流路が螺旋状であれば、流路内を流れる流体に回転力が与えられ、同時に遠心力も発生し、かつ凸部１７により流体に局所的に乱流を起こし、流体速度が局部的に速められ、亜音速域に達し、伝熱効果も高められる。
凸部１７による乱流効果により流路内の境界層が薄くなり、管路抵抗が小さくなり、流路内の流体速度が、凸部１７のない流路に比べて速くなる。

キャピラリーチューブ１の断面を考えるとき、上述のように、内面での熱伝達が活発になり、同時にチューブ断面の中心より外側に行くほど、回転方向の流速が速まることにより、温度勾配が発生し、流体そのものの熱伝達が中心から外側に向かって発生し、中心付近の流体の温度が急速に低くなる。本実施の形態では、比較的長いキャピラリーチューブ１内で、流速を少なくとも５０ｍ／秒以上にあげ、空気に高速スピン回転を与えるため、空気速度の上昇と、壁面の伝熱効果とにより、チューブ１の出口の空気温度を、通常管での温度低下よりも飛躍的に下げることが可能になる。

図３は、別の実施の形態を示している。
この実施の形態では、冷却ユニット２００内に、螺旋状に形成された金属製の管部材（キャピラリーチューブ）２１が配置されている。このキャピラリーチューブ２１は並列に接続され、キャピラリーチューブ２１の上流にはコンプレッサ２３が接続されている。このコンプレッサ２３の上流にはエアーフィルタ２５が接続されている。
また、キャピラリーチューブ２１の下流には気液分離タンク２７が接続され、この気液分離タンク２７の下流には熱交換器３１が接続されている。この熱交換器３１は被調和室（図示せず）に配置されている。気液分離タンク２７には当該タンク内で捕集された凝縮水を排水する排水弁３３が接続されている。
３５はコントローラであり、コンプレッサ２３および排水弁３３に接続され、これらを制御している。キャピラリーチューブ２１の流路内面には、上記実施の形態と同様に、流動抵抗を与える突部（図示せず）が形成されている。コンプレッサ２３は、往復動型コンプレッサであり、例えば毎分１０回程度とゆっくり圧縮する。

この冷却装置では、少なくともキャピラリーチューブ２１が空気中に配置される。そして、コントローラ３５の制御下で、コンプレッサ２３が駆動される。このコンプレッサ２３は、エアーフィルタ２５を通った空気を、できるだけ温度上昇させないように、比較的ゆっくりと空気を加圧し、キャピラリーチューブ２１に送り込む。このキャピラリーチューブ２１内で空気は加速され、かつ螺旋状の流路面に形成された凸部１７での摩擦と、空気そのものが旋回流をおこすことにより、圧力損失を生じさせ空気を下げる。
圧力の低下とチューブ壁面よりの若干の放熱により、キャピラリーチューブ１を通過する空気中の水蒸気は飽和状態に至り、キャピラリーチューブ２１の出口では液化水分と空気になり、下流に接続された気液分離タンク２７に入る。気液分離タンク２７では気液分離され、水分は当該タンクに溜まり、冷却空気は下流の熱交換器１１に入り被調和室の冷房に供される。そして、気液分離タンク２７に付設された排水弁３３を適宜のタイミングで開き、水分をタンク外に排水する。

本実施の形態でも、キャピラリーチューブ２１を通過する空気の流速が、例えば、５０ｍ／秒以上の高速になるように、コンプレッサ２３の能力、気液分離タンク２７の容量、キャピラリーチューブ２１の長さ、流路径等が各々設定されている。
本構成では、コンプレッサ２３の回転数が低速であり、空気がそれほど高圧とならないため、動力が少なくて済み、経済的である。

以上の各実施の形態では、空気が、キャピラリーチューブを通過したが、空気以外の例えばブライン等の流体を通過させてもよい。この場合、ブライン自体を流さず、その中に若干の気泡を混在させて流すとよい。本構成では、空気やブラインが媒体となるので、ノンフロン型冷却装置が提供される。また、この冷却装置は空調機で説明したが、これに限定されず、他の冷凍機であってもよい。

図１および図３において、冷却ユニット１００，２００は、それ自体が、水生成装置を構成する。上記実施の形態に示すように、空気を空気で冷却することにより、気液分離タンク７，２７内には凝縮水が溜められ、この凝縮水を排水弁１３，３３から取り出すことにより、飲料水が確保される。飽和水蒸気圧線図（図示せず）を参照すると、例えば、１気圧、１ｍ³の空気中には、４０℃で５１．２ｇの水分が含まれ、２０℃で１７．２ｇの水分が含まれる。従って、空気を４０℃から２０℃に冷却した場合に、３８ｇの凝縮水が造れる計算になる。本構成では、災害地、砂漠、乾燥地はもとより、離島、船舶、山間地の畑等のあらゆる場所での利用が可能になる。

図４は、循環式の冷却装置を示している。
この実施の形態では、上記と略同様の構成のキャピラリーチューブ４１を備え、このキャピラリーチューブ４１の上流に開閉弁４２を備え、その上流にタンク４３を備える。さらに上流には開閉弁４４を備え、その上流にエアーフィルタ４５を備える。
一方、キャピラリーチューブ４１の下流には気液分離タンク４６を備え、その下流に真空ポンプ４７を備え、この真空ポンプ４７は、放熱用キャピラリーチューブ４８を介して、上記タンク４３に接続される。気液分離タンク４６には、当該タンク内で捕集された凝縮水を排水する排水弁４９が接続される。
この実施の形態では、キャピラリーチューブ４１を通過する空気に高速スピン回転が与えられるように、タンク４３の容量、キャピラリーチューブ４１の長さ、流路径、気液分離タンク４６の容量、真空ポンプ４７の能力等が設定される。

この冷却装置は、いわゆる循環式であり、まず、開閉弁４４を開き、開閉弁４２を閉じた状態で、真空ポンプ４７を駆動し、気液分離タンク４６内が所定の負圧に至った時点で、真空ポンプ４７を停止し、開閉弁４２を開く。すると、タンク４３内の空気がキャピラリーチューブ４１を経て一気に気液分離タンク４６に移動する。

キャピラリーチューブ４１を通過する空気は、上記実施の形態と同様の作用により、その温度を低下させ、圧力の低下とチューブ壁面よりの若干の放熱により、キャピラリーチューブ４１を通過する空気中の水蒸気は飽和状態に至り、キャピラリーチューブ４１の出口では液化水分と空気になり、下流に接続された気液分離タンク４６に入る。気液分離タンク４６では気液分離され、水分は当該タンクに溜まる。この水は、所定タイミングで開かれる排水弁４９を通じて排水される。ついで、開閉弁４２を閉じ、真空ポンプ４７を駆動する。すると、気液分離タンク４６内の冷却空気が、真空ポンプ４７により引かれて、放熱用キャピラリーチューブ４８に至り、例えば被調和室の冷房に供された後、タンク４３に戻され、これによりサイクルが完了する。

上記サイクルは連続的に繰り返され、その都度キャピラリーチューブ４１を通過する空気が、その周囲の空気によって冷却され、この冷却空気が、チューブ４８に入り、被調和室の冷房に供され、これにより冷房運転が継続される。開閉弁４４は、タンク４３および気液分離タンク４６内の空気が不足した場合に開かれる。
この実施の形態では、空気が、キャピラリーチューブを通過したが、空気以外の例えばブライン等の流体を通過させてもよい。この場合、ブライン自体を流さず、その中に若干の気泡を混在させて流すとよい。この実施の形態では、空気やブラインが媒体となるので、ノンフロン型冷却装置が提供される。この冷却装置は空調機で説明したが、これに限定されず、他の冷凍機であってもよい。

以上、一実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。上記実施の形態では、キャピラリーチューブ１，２１，４１を、チューブ素材を巻いて形成したが、これに限定されず、図５に示すように、例えば、３部品からなるアルミニウム鋳物製のアッセンブリ構造としてもよい。この構造は、上構造体９１、下構造体９３および中構造体９５の３部品で構成され、各構造体には螺旋状に連続する溝が各々形成されると共に、各溝９１Ａ，９３Ａ，９５Ａの溝壁には、例えば、やすり状の細かな複数の凹凸部（図示せず）が形成される。これら３部品を、例えばボルト９７により締め付けて組み立てれば、各溝で囲まれた空間が流路となり、この流路には凹凸部が臨むため、この凹凸部が、流路を流れる空気等の流体の流動抵抗となる。９９は流路の入口ポートであり、図示は省略したが、出口ポートは対角位置に形成されている。この製造方法は、例えばチューブの径が２４ｍｍ程度と大きいキャピラリーの製造に好適であり、径が小さいものでは、上記のように、チューブ素材を巻いて形成すればよい。
上記凸部１７は上記構成に限定されず、例えば、凹部でも、或いは、凸部と凹部の連続でもよいことは明らかである。

図６Ａに示すように、例えば、２つのキャピラリーチューブ１０１，１０２を直列に接続すれば冷却性能をさらに向上させることができる。この場合、キャピラリーチューブ１０１とキャピラリーチューブ１０２との間に、容量の小さいチャンバ１０３を設けることが望ましい。このチャンバ１０３を設けることにより、各キャピラリーチューブ１０１，１０２に作用する振動を低減できる。種々の形態によるキャピラリーチューブの接続が可能であり、例えば、図６Ｂに示すように、キャピラリーチューブ１０４，１０５を並列に接続し、これに直列に、キャピラリーチューブ１０６を接続してもよい。この場合、中間にチャンバ１０７を接続してもよい。また、図６Ｃに示すように、キャピラリーチューブ１０８，１０９、およびキャピラリーチューブ１１０，１１１を各々直列に接続し、これらを並列に接続してもよい。１１２，１１３はチャンバである。これらにより、冷却性能をさらに増すことができる。キャピラリーチューブは、製造上、コスト管理上あまり長さを長くできないが、図６に示すように、複数のキャピラリーチューブを、例えば、チャンバを挟んで直列または並列に接続すれば、比較的長さの短いキャピラリーチューブを用いて冷却性能を向上させることができる。

Ａは本発明の一実施の形態に係る冷却装置の回路図、Ｂはキャピラリーチューブの断面図である。キャピラリーチューブを示す斜視図である。別の実施の形態を示す回路図である。別の実施の形態を示す回路図である。キャピラリーチューブの別の実施の形態を示す図である。Ａ，Ｂ，Ｃは各々チューブの別の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１，２１，４１管部材（キャピラリーチューブ）
３，４２開閉弁
５，２５，４５エアーフィルタ
７，２７，４６気液分離タンク（気液分離器）
９，４７真空ポンプ
１１熱交換器
１３，３３，４９排水弁
１５，３５コントローラ
１７凸部
１００，２００冷却ユニット

Claims

流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備えたことを特徴とする冷却装置。
流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる流体を冷却することを特徴とする冷却装置。
流路を流れる空気に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる空気に高速スピン回転を与える制御手段と、前記管部材の下流に接続された気液分離器とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる空気を冷却し、その凝縮水を前記気液分離器で捕集することを特徴とする水生成装置。
流体に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる流体に高速スピン回転を与える制御手段とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる流体を冷却し、この冷却流体で空気調和することを特徴とする空気調和装置。
流路を流れる空気に流動抵抗を与える多数の凹部及び／又は凸部を流路面に有し、当該流路が螺旋状に形成された管部材と、この管部材の流路を流れる空気に高速スピン回転を与える制御手段と、前記管部材の下流に接続された気液分離器とを備え、前記管部材を空気中に配置して、この空気中で前記流路を流れる空気を冷却し、前記気液分離器により凝縮水を除去した後の冷却空気で空気調和することを特徴とする空気調和装置。