JPH024181A - 冷却媒体の凝縮促進方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、冷媒の圧縮式及び熱駆動式のサイクルを利用
した冷凍機における、放熱能力を向上させて冷却能力の
低下を抑制することにより、冷凍機を円滑に作動させる
だめの方法に関するものであり、自動車、電車、船舶な
どの移動体や住宅、事務所、工場などの固定設備に設置
された冷凍機に好適に用いることができる。

従来の技術 冷媒の圧縮式及び熱駆動式のサイクルを利用した冷凍機
、いわゆる圧縮冷凍機は、蒸発器から蒸発してきた冷媒
の蒸気を圧縮するための圧縮機、圧縮機で圧縮された冷
媒の蒸気を冷却し、凝縮するための凝縮器、凝縮された
液体冷媒を低圧の蒸発器に適正量送り出すための膨張弁
及び液体冷媒を蒸発して周囲を冷却するだめの蒸発器か
ら構成されている。ところで、上記の凝縮器においては
、冷媒の液化に際して発生する熱を連続的に除去するこ
とが必要であるが、その方法としては、これまで、放熱
部に水を循環させ、凝縮器内部の温度と水温との温度差
を利用して熱を除去する水冷式、水の代りに空気を用い
る空冷式が知られている。

しかし、水冷式は、多量の水を常時循環させる必要があ
るため、設備全体が大型化するのを免れず、自動車、電
車のような移動体に取り付けるには不便である。このよ
うな水冷式の欠点を改良したものとして、水を薄膜状で
放熱面に供給し、水の蒸発熱を利用して冷媒の冷却を行
う、いわゆる蒸発式のものが提案されている。このもの
は水冷式に比べ理論上の水の使用量を数％程度でよい筈
であるが、実際には放熱面を常に水膜でおおう必要があ
る上、蒸発した水量を補充しなければならないため、そ
れほど減少させることができないし、また蒸発に従って
水中の不純物が濃縮され、接触面の腐食、汚染など望ま
しくない事態を招くため、ときどき水を交換しなければ
ならないという欠点がある。

以上の理由で現在用いられている圧縮冷凍機は一部の産
業用を除き、はとんどが空冷式である。

ところで、この空冷式凝縮器は、空気との熱交換のため
の放熱部を有しているが、一般にこの部分の伝熱係数が
ｌ　Ｏ〜３０　ｋｃａ（１／　＋ｉ２・ｂ「・℃と低い
ため、プレート式又はコルゲート式のフィンが備えられ
、空気との接触面積を増大させている。しかしながら、
冷凍機の容量が増し、放熱量が多くなるのに対応させる
ためには、より大きいフィンを設け、さらにこの部分に
供給する空気の流速を十分に速くしうるように送風機を
大型化する必要があるが、配設場所の関係で、それには
おのずから限度がある。

一方において、空冷式凝縮器の周囲条件が凝縮器の能力
の許容限度を越える場合、例えば空気温度が上昇し、冷
媒と空気との温度差が小さくなり、冷媒の凝縮に必要な
熱量の除去に追従できなくなった場合には、凝縮器を作
動させてもその内部が臨界状態に達し、正常な冷媒の液
化が行われず、したがって、冷凍機の冷却能力が失われ
る結果になる。特に自動車、電車のような移動体の場合
は、凝縮器を常にその能力限度内の条件下、例えば日陰
や風通しの良い場所にのみ置くことは困難なので、冷却
能力の低下が著しく、交通渋滞などでは設計値の５０％
以下になるような状態にもしばしば遭遇する。また、放
熱温度の上昇によって冷媒圧力が上昇する結果、冷凍機
の安全限界を超える圧力が発生し、安全装置が作動して
運転停止となる場合もある。

このような、圧縮冷凍機の熱交換能力の低下を防止する
方法として、室外側交換器に微小液滴を噴霧する方法、
すなわち前記した蒸発式凝縮器を利用することが提案さ
れている（特公昭６０−４０５８３号公報）。

しかしながら、伝熱面に液滴を噴霧したのみでは、過剰
な液体の噴霧によって伝熱面に厚い液膜が生成し、液体
の蒸発によって凝縮器の放熱を促進しようとしているに
もかかわらず、放熱部からの熱は液膜の伝熱面側から熱
交換されるため、液膜の空気側とは反対側から蒸発が起
こることとなり、この場合液膜の存在が蒸発を阻害する
ことになる。ざらに液膜の存在によって空気との熱交換
が困難となることから、単に液滴を噴霧しただけでは凝
縮器の放熱作用を低下させる欠点を有している。また、
放熱部で蒸発しきれない過剰な液体の噴霧は、常に凝縮
器を濡らす状態を発生させるとともに、空気と同伴して
液状の水分飛沫が装置内に付着する等の問題も起こり、
冷凍機の故障の原因となることもある。また、空冷式の
熱交換器の場合でも被冷却媒体が凝縮するか冷却される
かの違いのみであり、空気側の放熱に関しては凝縮器の
場合と同様の現象が起こる。

発明が解決しようとする課題 本発明は、従来の空冷式凝縮器がもつ前記した欠点を克
服し、その許容能力を超えた周囲条件下においても、円
滑に機能を発揮させるための、簡単な冷却促進方法を提
供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明者らは、圧縮冷凍機特に空冷式凝縮器を有する圧
縮冷凍機の周囲条件の変化による機能低下を防止する方
法について種々研究を重ねた結果、凝縮器内の温度が冷
媒の液化限界温度に達したとき、間欠的に少量の水を噴
霧状で空気と同伴させて放熱部に供給し、放熱部表面で
気化させ、その際の蒸発潜熱を利用して、内部温度を臨
界値以下にもたらすことにより、その目的を達成しうろ
ことを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至っ
た。

すなわち、本発明は、放熱部を有する冷凍機の空冷式凝
縮器において、凝縮器内の温度が冷媒の液化限界温度に
達したとき、該放熱部に空気と同伴させて少量の水を微
細液滴として供給し、この水の蒸発潜熱と空気の顕熱と
を利用して、凝縮器内の温度を冷媒の液化限界温度以下
に低下させる処理を間欠的に行うことを再利用する冷却
媒体の冷却促進方法である。

本発明方法における、水の供給量としては、放熱部表面
に液膜として滞留しない程度の量、すなわち放熱部に水
が付着したときに生じる黒変が１秒以内に消失する程度
の量が好ましい。この水の中には、所望に応じ伝熱促進
剤、蒸発促進剤、洗浄剤、防錆剤などを添加して、気化
の促進あるいは器材の腐食、汚染の防止をはかることが
できる。

本発明方法によれば、最適量の水を散布し、その水の蒸
発潜熱を利用する場合、蒸発潜熱が５６０ｋｃａｌ１ｋ
ｇと空気に比べて格段に大きく、適量の水の散布によっ
て空気による放熱量の不足分を補うことが可能であり、
また、一定温度で水の蒸発が起きることから、放熱部の
温度を下げることもでき、空気温度の上昇による冷却能
力の低下も避けられる。さらに、放熱温度の低下は冷媒
の作動圧力を低下させることが可能となり、それによっ
て冷凍機の正常運転や冷凍サイクル上の性能の向上につ
ながる。また、空気と同伴させることによりては、凝縮
器に入る前に水が空気中で蒸発し、それによって空気の
温度を低下させることができるとともに、放熱部へ散布
された水の蒸発時の伝熱係数は空気に比べて１００倍以
上あり、放熱部での伝熱特性の向上による冷却能力の向
上もはかれることが分かった。この場合、水の散布量、
空気との熱交換量および冷媒の凝縮量との関係は次式％
式％ ΔＨｃ：冷媒の凝縮潜熱［ｋｃａｌ／＃ｇｌＷｃ：冷媒
の流量［ｋｇ／ｈｒｌ Ｘ：乾き度［−］ Ｃａ：空気の比熱［ｋｃａｌ／＃ｇ・’（！］Ｗａ：空
気流量［ｋｇ／ｈｒｌ Δ【ａ：凝縮器での空気の出入口温度差［’Ｏ］ｙ：水
の散布量［ｂｇ／ｈｒｌ ΔＨｗ：水の蒸発潜熱　［ｋｃａｌ／に９］水を散布し
ない場合は、上式の右辺第２項のｙ・ΔＨｗがない場合
であり、空気温度の上昇によって冷媒との温度差が減少
すると、空気との熱交換が十分に行われずΔｔａが減少
し、その結果冷媒の乾き度Ｘが上昇する。Ｘの上昇は冷
媒が完全に凝縮しないことを意味しており、この場合の
冷却能力は低下する。

また、車載用等の移動式のものは、走行時と停止時とで
は冷却用空気流量Ｗａが異なり、停止時はＷａが減少す
るために乾き度Ｘが増加し、冷却能力が低下する。これ
に対し、本発明方法は、空気と同伴して凝縮器に水を間
欠的に散布し、この散布した水が蒸発する時の潜熱を利
用して、ΔｔａもしくはＷａの減少に伴う乾き度Ｘの増
加を防止し、凝縮器での冷媒の液化を促進させて、乾き
度を０に近づけようとしたものである。したがって、水
の散布！ｋｙは乾き度を０とする最適条件が存在する。

従来までのように凝縮器に常時水を噴霧することにより
、噴霧した水の量が最適値よりも過剰となる場合、凝縮
器の放熱面で蒸発しきれない液体が残存し、その液体が
厚い液膜を形成することにより空気との熱交換および液
体の放熱面側からの好適な蒸発を阻害することが発生す
るが、本方法によればそのような現象は生じない。

本発明方法における水の散布は、適度に散布した水が放
熱面より蒸発すると同時に次回の散布が行われることを
再利用しており、それによって最も有効に凝縮器での放
熱を行おうとするもので、そのため水の散布は間欠的に
実施される。ここで、散布量と散布間隔との関係は次式
のようになるｙ：散布量［７２９／ｈｒｌ Ａ　：　放熱部の伝熱面積［Ｉ’１ ｔ　：　散布した液が放熱部に 付着した場合の厚さ［，１１］ Ｐ　：　液体の密度［ｋｇ／ｍ３１ θｌ：　散布に要する時間［５ｅｃｌ θ２：　水の蒸発に用する時間［５ｅｃ１例えば自動車
用、家庭室内冷房用などの冷凍機においては、θ２は０
．１〜２秒、ｙは放熱部の単位面積（ｃｍり当り、１０
−１００ｍｇ程度が適当である。

実施例 次に添付図面に従って本発明の詳細な説明する。第１図
は本発明方法の実施態様の１例を示す説明図で、凝縮器
１１その放熱部２から構成された空冷式凝縮器の放熱部
に、ノズル４で発生させた水の微細液滴を送風機３から
送られる空気に同伴させて供給する。この水はタンク６
からポンプ５によりノズル４に送られ、かつこのノズル
４への水の供給は、タイマー７により制御されている。

凝縮器ｌの中で冷媒Ａは凝縮され、膨張弁８を経て蒸発
器９へ送られ、気化される。一般に空冷式では空気と冷
媒との熱交換能力が低いため、放熱部２にフィンを取付
け、さらに送風機３の能力を高めて空気量を増やす方法
がとられている。この場合、送風機を含む凝縮器の容量
が大きくなり、加えて空気温度が上昇すると放熱部での
熱交換量は大幅に低下する。その改善方法として、タン
ク６に充填された水をポンプ５によってノズル４に送り
、ノズル４で水を凝縮器の放熱部２に散布する方法があ
る。この方法でば放熱部２に散布された水は、放熱部に
おいて蒸発し、蒸発する時の潜熱を放熱部から奪うこと
で、凝縮器内の冷媒が冷却される。この蒸発は一定温度
で起こり、ノズル４から放熱部２までの間に、送風機３
から送られた空気と混合し、その部分での蒸発によって
空気の温度を下げる効果もあることから、放熱部の温度
の低下にも有効である。さらに、蒸発による伝熱係数は
空気に比べて大幅に大きいことから、凝縮器内の冷媒の
冷却効果は高い。

しかしながら、水の噴霧は放熱部での空気との熱交換の
不足分を補うもので、冷媒の液化に必要とする熱量以上
の過剰な量の水を供給した場合、蒸発しきれない水が放
熱部表面に残存し、それが厚い液膜を形成することに伴
う熱交換の阻害作用が発生する。したがって、本発明で
は、ポンプ５による水の供給をタイマー７を用いて所定
量の水を散布後いったん停止し、散布した水が蒸発する
と同時に再び水を散布するように、間欠的に行うことで
常に水の蒸発が円滑に行われることを再利用している。

これによって、放熱部からの伝熱が最良の状態で行われ
る。

また、ここで蒸発に用いる水は貯水タンク６に封入され
ていることから、前記したようなアルコール等の蒸発や
伝熱の容易な物質や水の散布による汚れ、錆を防止する
ための洗浄剤、防錆剤等を添加して使うこともできる。

第１図においては、貯水タンク６内の水をポンプ５によ
って加圧して散布したが、ポンプが使えない場合、別途
空気圧縮機を用いて貯水タンク６内を加圧し、その圧力
で水を散布する方法もある。

その場合、ポンプ５は不要となるが、間欠的な水の散布
には水配管中に電磁弁等を設けて行うことができる。さ
らに、流体を加圧する空気の流れのもつ静圧を利用して
水を空気と同伴させ、重力液体の表面張力を利用する方
法、あるいはこれらを複合したものであることも可能で
ある。

最適散布量は冷凍機の作動条件によって変化するが、そ
の場合凝縮器内に温度計または圧力計等の検出器を設け
、凝縮器内の冷媒の作動条件を観測し、それに応じて水
の散布間隔を調節する方法が有効である。この場合検出
器より得られた信号を制御器を介してポンプの起動信号
に変換し、それによって散布間隔を調節する方法を用い
ることができる。この場合もポンプを用いない時は水の
供給系に電磁弁等を設け、これによって散布間隔を調節
することができる。また、検出器は蒸発器側に取り付け
、冷却出力側で感知することも可能である。さらに蒸発
による水の消費量も補給方法として、空気の冷却に伴い
蒸発器において凝縮した水分をタンクに導き、これを利
用することも可能である。

また、移動式の装置に搭載された冷凍機や連続した水の
供給が不可能な場合はタンクを設けて、必要に応じてタ
ンク内の水を補給する方法もあるが、静置式で水の供給
が十分に行える場合、水の供給装置と併用することで常
時水の供給を行うこともでき、凝縮器の小型化と冷凍能
力の向上に有効となる。

これらの方法は、冷凍機の凝縮器における外部放熱を目
的としたものであるが、被冷却媒体が凝縮を伴わない媒
体であり、これを空気を利用して冷却する場合にも、冷
却能力を向上させる方法として有効である。この冷却に
おける水の散布量の最適値は水の蒸発によって空気が飽
和する値よりも若干低いものが好ましい。

適用例１ 車載用の既存冷房装置を用いて冷却能力の向上実験を行
った。用いた冷房装置は設計能力３　、３００ｋｃａｌ
／ｈｒのもので、第１図の４〜７に示したような冷却能
力向上機構を設けた。ノズルは噴霧量２５ｃｃ１ｍ団の
プラスチック製のものを２基使用し、これを自動車の直
流１２Ｖの電源で作動する最大流量５０ｃｃ／ｍｉｎの
ポンプと容ｆ１５１２のプラスチック製タンクに接続し
、ノズル手前にフィルターを設けてノズルの目詰りを防
止した。また、噴霧間隔については、１秒間水を噴霧し
、２秒間停止させて水を蒸発させ、これをタイマーによ
って連続的に繰り返した。

第２図は上記装置の実験結果を示すグラフである。室内
空気温度が４０℃、外気温度が４０°Ｃの時点で圧縮式
冷凍機の運転を開始しｔ；ところ、室内が２８°Ｃまで
低下し、冷房出力は２．１００ｋｃａｌ／ｂｒが得られ
Ｉ；。しかしながら、外気温度が高いためこれ以上の冷
房出力の発生は不可能であった。次に上記の方法で断続
的にノズルより冷凍機の凝縮器の放熱部に水を散布した
ところ、冷凍機の蒸発器部分で８°Ｃの空気が得られ、
室内空気温度が１５°Ｃまで低下することが明らかとな
った。この時の冷房出力は３，４００ｋｃａｌ／ｂｒで
、１時間あたりの水（７）消費量はｌ　、　０００ｃｃ
であった。なお、鎖線は水の噴霧を行わない場合の例で
ある。

適用例２ 適用例１と同様の方法で水を散布し、冷房性能の向上実
験を行ったが、水の散布を凝縮器からの放熱用空気の出
口温度を検出し、その温度条件に対応して、第１図のポ
ンプ４を作動させ水を散布する方法を実施した。なお、
噴霧方法、量及び間隔については実施例１と同じである
。制御の基準は放熱用空気の出口温度が４０℃以上にな
った場合に水の散布を行い、４０°Ｃ以下となった場合
に空気のみの放熱とした。この結果、定常時に室内空気
温度で２０℃以下が確保することができることが明らか
となり、水の消費量は５００ｃｃであった。

発明の効果 本発明方法によれば、少量の水を微細液滴状で空気に同
伴させ、凝縮器の放熱部に供給するという非常に簡単な
操作で、凝縮器内の冷却媒体の凝縮を著しく促進しうる
ので、自動車、電車等の移動体で用いる冷凍機に好適に
利用しうる。また、従来のように放熱部、送風機を大型
にする必要がないので、冷凍機全体を小型化しうるとい
う利点もある。、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の１例を示す説明図、第２図は、本
発明により凝縮器内の温度が経時的に変化する状態を示
すグラフである。 ｌ・・・凝縮器、　　　２・・・放熱部３・・・送風機
、　　　４・・・ノズル５・・・ポンプ、　　　６・・
・貯水タンク７・・・タイマー　　８・・・膨張弁 ９・・・蒸発器 手続補正書 昭和６３年７月２０日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　放熱部を有する冷凍機の空冷式凝縮器において、凝
   縮器内の温度が冷媒の液化限界温度に達したとき、該放
   熱部に空気と同伴させて少量の水を微細液滴として供給
   し、この水の蒸発潜熱と空気の顕熱とを利用して、凝縮
   器内の温度を冷媒の液化限界温度以下に低下させる処理
   を間欠的に行うことを特徴とする冷却媒体の凝縮促進方
   法。 ２　空気と同伴させる水の量が放熱部表面に液膜として
   滞留しない程度の量である請求項１に記載の方法。 ３　空気と同伴させる水が伝熱促進剤、蒸発促進剤、洗
   浄剤及び防錆剤の中から選ばれた少なくとも１種の添加
   剤を含有する請求項１又は２に記載の方法。 ４　冷凍機の発生出力又は作動温度条件の変化に応じて
   水の供給量を制御する請求項１又は２に記載の方法。 ５　放熱部に水を供給するに際し、水を加圧する空気の
   流れの持つ静圧を利用して空気と同行させる請求項１又
   は２に記載の方法。 ６　供給する水に冷凍機の冷却によって発生する凝縮水
   の一部又は全部を再利用する請求項１又は２に記載の方
   法。