JP3832569B2

JP3832569B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP3832569B2
Application number: JP2001195139A
Authority: JP
Inventors: 宏和田中; 諭史高橋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003014331A

Description

【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６３−２３１１５０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（１ｋｇ／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１１７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、給水手段と、蒸発器と、ケーシングと、凝縮器と、凝縮水回収手段と、前記蒸発器に送風を行うための第１の送風手段と、前記凝縮器に送風を行うための第２の送風手段を備え、前記給水手段は、給水弁を介して第１の管路により前記蒸発器に接続され、前記蒸発器と前記ケーシングが第２の管路で接続されるとともに、前記第２の管路の途中にはバルブが配設され、前記ケーシングと前記凝縮器が第３の管路で接続され、前記凝縮水回収手段は、排水弁を介して第４の管路により前記凝縮器に接続され、前記ケーシングは、排気弁を介して排気経路に接続されるともに、内部に第３の送風手段を配設しており、前記給水弁を開いて前記給水タンクから前記蒸発器に水を供給した後、前記給水弁と前記排気弁は閉じて前記排水弁と前記バルブを開いた状態とし、前記第１、第２、第３の送風手段を駆動して、前記第１の送風手段により前記蒸発器で冷却された空気の送風を行うとともに、前記凝縮器の温度が所定の範囲内になるよう前記第２の送風手段の風量を調整す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】
また、再運転を行う場合は、前記バルブを閉じ、前記排水弁と前記排気弁を開き、前記第３の送風手段を駆動して前記ケーシング以降の前記凝縮器側の搬送経路を減圧した後、前記排気弁を閉じ前記バルブと前記給水弁を開くことにより前記蒸発器へ給水を行うことを特徴とする。そして、前記給水手段は水道であって、前記蒸発器に水を供給し、少なくとも前記給水弁と前記第１の管路を用いて形成される前記給水経路を、前記水道に直結すると、手作業による水の補給が不要となる。
【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２２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（凝縮水バルブ）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１ａに直交する方向に略平行に配設された複数のフィン１ｂ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（３１．８ｍｍＨｇ）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（９．２ｍｍＨｇ）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５．６２５〜１９．９４２ｋＰａ（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１９．９４２ｋＰａ（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１１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に設けられた排水弁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、排水弁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７５ｇ／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Ｒ２２は常温では気体であり、４０℃で液体とするには１５３３．８ｋＰａ（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１０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、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

給水手段と、蒸発器と、ケーシングと、凝縮器と、凝縮水回収手段と、前記蒸発器に送風を行うための第１の送風手段と、前記凝縮器に送風を行うための第２の送風手段を備え、
前記給水手段は、給水弁を介して第１の管路により前記蒸発器に接続され、
前記蒸発器と前記ケーシングが第２の管路で接続されるとともに、前記第２の配管の途中にはバルブが配設され、
前記ケーシングと前記凝縮器が第３の管路で接続され、
前記凝縮水回収手段は、排水弁を介して第４の管路により前記凝縮器に接続され、
前記ケーシングは、排気弁を介して排気経路に接続されるともに、内部に第３の送風手段を配設しており、
前記給水弁を開いて前記給水タンクから前記蒸発器に水を供給した後、前記給水弁と前記排気弁は閉じて前記排水弁と前記バルブを開いた状態とし、前記第１、第２、第３の送風手段を駆動して、前記第１の送風手段により前記蒸発器で冷却された空気の送風を行うとともに、前記凝縮器の温度が所定の範囲内になるよう前記第２の送風手段の風量を調整することを特徴とする冷却装置。
再運転を行う場合は、前記バルブを閉じ、前記排水弁と前記排気弁を開き、前記第３の送風手段を駆動して前記ケーシング以降の前記凝縮器側の搬送経路を減圧した後、前記排気弁を閉じ前記バルブと前記給水弁を開くことにより前記蒸発器へ給水を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記給水手段は水道であって、前記蒸発器に水を供給し、少なくとも前記給水弁と前記第１の管路を用いて形成される給水経路を、前記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。