JPH0339867A - ジェットエゼクタ式冷凍装置 - 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、水・油等の低圧下の冷媒液を略４０乃至８０
’ε以下位の電力による熱、又は排熱等で加熱して発生
させた冷媒蒸気の速度エネルギーをジェットエゼクタに
用いて、周囲の低圧低温冷媒蒸気を吸引することで結果
的に圧力エネルギーに変換し、これを冷凍機外部の周囲
温度に放熱して凝縮液化し、再びこの凝縮液を容器低圧
側に圧力差で送液し、容器低圧部でのその圧力に応じた
飽和蒸気（沸騰蒸気）を生じせしめ、該容器低圧部液中
に配置された冷却器中の作動媒体（水・油）を冷却する
冷凍方法及びその装置に関するものであり、一般空調、
冷蔵冷凍庫、倉庫、車内クーラー、室内クーラー、冷凍
分野に利用するものである。

（従来の技術） 近年に於いて、従来のフロン系冷媒を用いる冷凍機は地
球規模の公害の一因として深刻な問題となって来た。　
又、これに関連してエネルギーの無駄使いも将来的な温
度公害としてとらえられるようになって来た。　そして
、クリーンエネルギーとしての太陽熱エネルギーの利用
技術分野に於いても、ンーラーエレクターで容易に得ら
れる８００Ｃ以下の低温熱源を利用して、給湯だけでな
く冷房のエネルギー源として用いる事が出来る吸着式冷
凍機等の開発が行なわれるようになって来ている。

この吸着式冷凍機はシリカゲル等の物理的吸着剤の冷媒
（水）吸脱若作用を応用したものであり、原理的には古
くから知られていたものであるが、近年の小温度差で機
能する熱交換器の発達と吸着剤の物性データーの確立化
により実用化されてきたものである。　然しながら、上
記の如き吸着式冷凍機に於いては、以下に列挙するよう
な問題があった。

（ａ）シリカゲル等の吸着剤と水蒸気冷媒の結合力は単
にファンデルワールス力で表面と吸着分子（水蒸気）が
結合している物理吸着のみではなくて、実際には表面原
子と吸着分子（水蒸気）との間に弱い化学的な結合力（
化学吸着）が存在している事が吸着剤を真空排気する場
合の実験データーより明らかになっている。　即ち、高
真空系を得る為に用いられるンープシ璽ンボンプとスパ
ッタイオンポンプのドライ系に於いてみちれるが如く、
ンープションポンプにバーンアウト（やき出し）熱源を
物理吸着熱の２乃至３倍（４４，２ＫＪ／ｍｏｌＸ２ｏ
ｒ３）要する事である。　この様に従来の吸着式冷凍機
に於いては冷媒移動の為の熱エネルギーは理論値（物理
吸着熱）の２乃至３倍を必要としており、冷媒の物質移
動に対する熱効率は低いものであった。

（ｂ）シリカゲル等の吸着剤を用いた吸着式冷凍機に於
いては、吸着剤の加熱再生とその冷却が本質的に必要で
あるから、連続して冷凍機としての冷却作用を行う為に
は２組の吸着式冷凍機サイクルを組み合わせて１式の冷
凍機ユニットを構威せざるを得なかった。　この為に、
従来の吸着式冷凍機は大型化し高価となっている。　又
、配管系も切替等が必要で複雑なものとなった。

（ｃ）更に、従来の吸着式冷凍機に於いては、シリカゲ
ル等の吸着剤の充填を密にすることが冷媒の移動効率を
低下させる為、シリカゲルをフィン間に充填する熱交換
器は充填層を薄くするために大型化せざるを得ず、この
為に凝縮器として働く熱交換器も相対的に大型化してい
る。　又、吸着剤再生運転時に於いては蒸発凝縮器側の
冷却水入口及び冷却水出口の間の温度差が生じる為に、
凝縮器表面の冷媒液膜の厚みにバラツキが生じ、蒸発ス
ピードの劣化、冷媒液の冷凍機胴体低部への落下による
冷凍能力の低下が生じていた。　これを防ぐ為に胴体低
部の加熱等の手段がとられているが本質的に冷凍能力の
効率向上ではなかった。

（ｄ）又、従来の吸着式冷凍機に於いては、加熱再生後
の吸着剤の冷却が必要であり、その為の冷却水回路及び
クーリングタワーが必須のものであった。

この為に温水、冷却水回路は交互に切り替える必要があ
り、温水系、冷却水系を密閉サイクルとして、スケール
の発生を防止する事は設備的に高画なものとなり、それ
故一般のクーリングタワーを使う事が多く、熱交換器内
圧のスケールスラッジの発生を併いメンテナンスを必要
としている。

そして日本の大気の事情を考え、又クーリングタワーの
保守点検の必要性からみても一般家庭に応用する事は困
難であった。

以上の如く、低温熱源（８０°Ｃ以下）を駆動源として
用いる吸着式冷凍機には現実的に種々の問題が内蔵して
いた。

（技術的課題） 而して、本発明は従来技術の問題に鑑みなされたもので
、特に、低位熱入力（８０’ｃ以下乃至４０６Ｃ位迄）
を用いて連続的に冷房、冷凍出来従来の吸着式冷凍機に
比べて装置の簡便化と大幅なエネルギー効率向上及び装
置コストの低減、公害の発生防止という優れた効果を発
揮することが出来る冷凍機を得ることを技術的課題とす
るものである。

（技術的手段） 本発明では上記の技術的課題を解決する為に従来の低温
熱源を利用した吸着式冷凍機に代表される冷凍機システ
ムに於ける問題点を解消し、エネルギー効率の向上を図
り、冷凍機としての連続冷却なる目的を遠戚する為に、
水、油、水とエタノールとの混合等の所定量の冷媒を封
入した真空容器中にヒーター、又は熱源側熱媒を通過さ
せる熱交換器をジェットエゼクタの蒸気発生部として用
い、冷媒蒸気をエゼクタ効果により吸引、加圧、加熱さ
せ、冷媒蒸発を促進させ冷媒液の冷却を行い、この冷媒
液中に設置した冷却器中の作動媒体を冷却させると共に
、前記真空容器中にて冷媒蒸発の凝縮を行わしめ、又容
器中の冷媒液の蒸発を促進せしめる為の高電場発生用電
極装置（絶縁被膜型電極）を右し、更に又、ヒートパイ
プ式熱交換器を有して成るものである。

具体的には図示（第１図乃至第５図）に示す如く下記の
構ｄｔとなる。

尚、本発明に於いて使用する冷媒は水（蒸留水）、又は
エステル系ＤＥＰ　（ジエチルフタレート）油等であり
、水は一般冷房空調用、油は一般冷蔵冷凍用に使用され
るが、ここでは冷媒として水を採用するが他に油等を用
いても原理的に本発明の主旨から逸脱するものではない
。

１はジェットエゼクタ式冷凍装置であり、高圧蒸気発生
器室２と、ジェットエゼクタ本体３と、凝縮室４と、低
圧蒸発室５との各室から構成されている。

前記、高圧蒸気発生器室２の内底部にはそこに貯溜され
た冷媒液Ｗを加熱蒸発せしめるための低位熱エネルギー
人力又は電気ヒーター等６を配設せしめてあり、該冷媒
液Ｗ面上には前記凝縮室４底部の導管７に接続した処の
フロートバルブ８のボールタップ８Ａを浮かせである。

而して、凝縮室４の内底部に液化して溜った冷媒液Ｗは
導管７を経て前記フロートバルブ８に制御されて高圧蒸
気発生器室２内へ送り込まれるように威してある０文、
この凝縮室４の底部とフロートバルブ８との高低差は約
４００ｍｍ以上に保たれる様にしてある為、重力作用に
より冷媒液Ｗは高圧蒸気発生器室２内の蒸気圧Ｐ、　と
凝縮室４内の蒸気圧Ｐ。

との圧力差（Ｐｌ−Ｐｓ　）に抗して充分に流れ易いよ
うにしてある。

前記ジェットエゼクタ本体３は第２図に示す如く、流体
のもつ運動エネルギーを圧力エネルギーに有効に変換さ
せるための亜音速のデイフユーザ−９と、吸引口ｌＯを
有する処の低圧室ｌｌ内に超音速−次ノズルとしての噴
射ノズル１２とを該亜音速のデイフユーザ−９の開口方
向と同軸に臨ませてあり、蒸気圧Ｐｌを有する高圧蒸気
の供給口１３からの流れで前記吸引口１０より前記低圧
蒸発室５内の蒸気圧Ｐｏ　を有する低圧蒸気を吸引する
ものである。

即ち、前記高圧蒸気発生器室２より発生した高圧蒸気は
ジェットエゼクタ本体３の供給口１３へ入り、低圧室１
１内に形成した噴射ノズル１２より混合部１４に向けて
噴出し該高圧蒸気は前記吸引口ｌＯの低圧蒸気の有する
蒸気圧Ｐｏまで降下し噴射ノズル１２の出口に於いて高
速となる。

この噴射された高圧蒸気（蒸気圧Ｐｌ）と吸引口１０よ
り吸引された低圧蒸発室５からの低圧蒸気とは第４図に
示した混合点Ｍに於いて衝撃を起こし、高圧蒸気の流れ
に巻き込まれて吸引され連続的に混合部１４へ突進して
行く。

然る時、混合は前記デイフユーザ−９内で速度エネルギ
ーが高い圧力のポテンシャルエネルギーに変換されると
きに行なわれてゆく。

ジェットエゼクタ本体３の熱力学的サイクルであるモリ
エル線図（圧力−エンタルピー曲線図）は第４図に示す
如く、第一にＡ→Ｂの噴射ノズル１２内の噴射蒸気の断
熱膨張過程と、Ｃ＋Ｄの吸引口ｌＯからの吸入ガスの断
熱膨張過程との共に等エントロピー曲線に沿ってのエン
タルピー減少過程と、Ｄ−Ｍのエンタルピー減少及びＢ
＋Ｍのエンタルピー増大との混合点Ｍでの混合過程（不
可逆過程）と、Ｍ−４−Ｅのデイプ１−ザー９に於ｃｌ
る断熱圧縮過程（］；ンタルビー増大）とによって表わ
される。

１５は冷奴液Ｗ面上約２０〜３０ｍｍの位置に複数配設
せしめた、浅川効果を生じる略１５　Ｋ　Ｖ程度の直流
又は交流の高圧電場を形成するための絶縁被覆電極であ
り、この様な高電場により冷媒液Ｗの表面張力の低下、
粘性の低下が生じ（浅川効果）冷奴液Ｗの蒸発が促進す
るように威してある。

即ち、第３図に示す如く、ＢＸチューブによる絶縁導線
１５Ａの先端金属電極１５Ｂをポリプロビレ゛ン・１５
Ｃ等で被覆したものを使えば良い。

例えば冷媒液として水を採用１．た場合温度１２０Ｃに
於いて蒸発速度が散見Ｏ倍にも達する。

−力、この時のジェットエゼクタ式冷凍装置１全体は７
−スが施されである。

前記凝縮室４内には前記ジェットエゼクタ本体３より噴
射された蒸気を凝縮液化するための凝縮用熱交換器１６
としてのヒートパイプ式熱交換器を設置してある。　こ
の凝縮室４内の中圧蒸気の蒸気圧はｐｓである。　即ち
、Ｐ＋　＞ＰＩＩ＞Ｐｏの関係にある。

前記凝縮用熱交換器１６内には冷媒Ｑ、が密封されてお
り液化、気化を繰り返している。

１６Ａは沸騰部で凝縮室４内に配設してあり、凝縮部１
．６Ｂは大気中に配設置１．且つ送風機１７から空気を
送り冷媒Ｑ蒸気を冷却し冷媒Ｑ液に液化するものである
。

而して、ジェットエゼクタ本体３より噴射された蒸気は
凝縮室４内へ送出され、ここで該蒸気は前記した凝縮用
熱交換器１６により液化される。

１９は絞り装置としてのオリフィスで導管７に接続した
導管１８を介して低圧蒸発室５と導通してある。

而して、凝縮室４内の蒸気圧ＰＩＩ　と低圧蒸発室５内
の蒸気圧ＰＧ　との差圧がオリフィス１９に加わり冷媒
液Ｗは低圧蒸発室５へ一部気化した状態で送り込まれる
。　２０は冷却器として内部に冷媒Ｑを充填したヒート
パイプ式熱交換器で放熱部２ＯＡを低圧蒸発室５内の冷
媒液Ｗ内に臨ませ、吸熱部２０Ｂを被冷却室Ｖ内に配設
してある。２１は送風機である。

而して、空気冷却器２０の吸熱部２０Ｂにおいては冷媒
Ｑ液が吸熱して気化し、その際の気化熱により被冷却室
りを冷却する。

一方、気化された冷媒Ｑ蒸気は放熱部２０Ａで放熱して
液化され、その際低圧蒸発室５内の冷媒液Ｗを温めて蒸
気化せしめる。

又、低圧蒸発室５内にも前記高圧蒸気発生器室ｚ内と同
様に浅川効果を生じる直流又は交流路１５ＫＶ程度の高
圧電場を発生する為の絶縁被覆電極１５を冷媒液Ｗ面に
略２０〜３０ｍｍの位置に複数配設せしめである。

具体的に冷媒液Ｗとして水を採用した場合、各室内での
圧力はＰＧ　ｆｆ６ｍｍＨｇ　（３°ｃ〜５６Ｃ）、Ｐ
１≧５６ｍｍＨｇ（Ｊ、５°ｅ〜５０°ｅ）、Ｐｔ＋’
：３２ｍｍＨｇ　（３０’　ｅ　〜）位の圧力である。

水の飽和曲線（沸騰曲線）は第５図に示す如くなる。

（作　用） 上記の技術的手段は下記の如く作用する。

先ず、凝縮用熱交換器１６と空気冷却器２０の夫々空気
送風機（１７、２１）を運転せしめると共に、浅用効実
用の絶縁被覆電極１５に高電場約１５Ｋｖを印加せしめ
、又低位熱入力（例えば太陽熱エネルギーより得られた
温水）、又は電気ヒーター６等により高圧蒸気発生器室
２内の冷媒液Ｗとしての水を４５°Ｃ〜５０’　ｃ位に
沸騰蒸発せしめて圧力を高める。（蒸気圧Ｐ＋　） 次いで、蒸気圧ｐｔを有する高圧蒸気は毎秒約２００程
度の速度となってジェットエゼクタ本体３の供給口１３
へ送出せしめられる。

然る時、低圧蒸発室５丙の冷媒液Ｗは高電場１５Ｋりを
印加されているので蒸発作用が通常の数１０倍に促進さ
れ且つ空気冷却器２０の放熱部２０Ａよりの熱が冷媒液
Ｗ中に放熱される九に激しく沸騰蒸発をはじめる。　然
し、この低圧蒸発室５内の冷媒温度は約３００Ｃ程度が
最大であり、高圧蒸気発生器室２内の蒸気圧ＰＩ　に比
し圧力が低いものとなっている。　因って、ジェットエ
ゼクタ本体３によりこの低圧蒸発室５内の冷媒Ｗ蒸気は
吸引され、蒸発作用が連続していくことが出来る。

又、その為、被冷却室ｖ側に在る空気冷却器２０の吸熱
部２０Ｂのヒートパイプ内の冷媒Ｑ液の温度は被冷凍物
品から蒸発熱を奪うので上昇し、気化しく蒸発潜熱を奪
う）被冷却室■の温度を冷媒Ｑの蒸発温度近くまで冷や
すと共に、前記ヒートパイプ内の気化した冷媒Ｑは、低
圧蒸発室５内の空気冷却器２０のヒートパイプの放熱部
２０Ａの周囲を浸漬した冷媒液Ｗの温度を極めて早く上
昇せしめ該冷媒Ｑを再び液化せしめる。

而して、被冷却室Ｖ内の熱はこの低圧蒸発室５内の冷媒
液Ｗに吸収される。

次いで、前記ジェットエゼクタ本体３の噴射ノズル１２
により吐出された高圧蒸気発生器室２の蒸気とこれによ
り牽引されて吸引せしめられた低圧蒸発室５の低圧蒸気
とが混合され、ジェットエゼクタ本体３から凝縮室４へ
と送られる。

この送られて来た蒸気は凝縮用熱交換器１６に於ける沸
騰部１６Ａ内の冷媒Ｑにより熱が吸収されて液化され冷
媒液Ｗとなって凝縮室４内の底部へ貯溜せしめられる。

　又、この凝縮室４内の冷媒液Ｗは内底部にある導管７
を経て、夫々高圧蒸気発生器室２内へはフロートバルブ
８のポールタップ８Ａに制御されて送り込まれると共に
、低圧蒸発室５内へは絞り装置としてのオリフィス１９
を経て送り込まれる而して、前述の熱力学的サイクルが
繰り返へされて冷房冷却作用が続行せしめられる。

又、前述の如き絶縁被覆電極１５の高電場によって冷媒
液Ｗとしての水の表面張力の低下、粘性の低下が生じ（
浅川効果）、水の蒸発が促進され熱伝達が極めて効率の
良い状態となるので、今まで吸着剤を用いた吸着式冷凍
機で問題であった化学的吸着（分子間結合）を解離させ
るのに必要な熱エネルギーが本質的に不要となる為、熱
エネルギーの使用効率は極めて高くなり高電場に依る寄
与を含めれば冷凍機の成績係数ＣＯＰは略１．１以上と
なる。

これは吸着式冷凍機のＣＯＰが最大で０．７程度である
事を考えれば約５０％以上の効率上昇となる。

更に又、本発明では冷却状態を連続的に保つ事が出来、
又冷凍機構成が今までの吸着式冷凍機に比し極めて簡単
であり、配管系の切替えも不要であるから一般の吸着式
冷凍機に比し本体で約１７３の容積とすることが出来る
。

尚、以下の各実施例に於いて本発明と実質的に同じ部分
には同じ番号を附してある。

（実施例１） 第６図に示す如く、本実施例の特徴は全体をアース接続
Ｅしたジェットエゼクタ式冷凍装置ｌを夫々高圧蒸気発
生器室２と低圧蒸発室５と凝縮室４とに各室に仕切り構
成すると共に、該高圧蒸気発生器室２の上部にジェット
エゼクタ本体３をＷ１１１室４へ向けて直立状態に付設
せしめる一方、前記フロートバルブ８を有する導管７及
びオリフィス１９を有する導管１８とを夫々凝縮室４内
に突き出たオーバーフローの部分を逆Ｕ字管２２状に形
成せしめて臨ませる他方、前方絶縁被覆電極１５に交流
電場１５ＫＶＡＣを印加せしめるためにＡＣｌｏｏＶ・
５０〜６０Ｈｚのネオントランス２３を採用せしめたも
のである。　而して、其の具体的構成に基く作用効果は
本発明と略同−である。

（実施例２） 第７図に示す如く本実施例の特徴は本発明装置及びその
方法として、真空装置として使われる油拡散ポンプの原
理を応用せしめた点にあり、オリフィス２４Ａを各所に
有するジェット系２４を介して超音速の蒸気噴流を得、
水冷パイプ２５によって水冷されたポンプ容器の内壁で
凝結液化せしめて高圧蒸気発生器室２に戻るようなサイ
クルに於いて、ジェットエゼクタ本体３によって吸入口
側１０の低圧蒸発室５内の冷媒蒸気を排出口側の凝縮室
４内へ導くものであり、又、前記高圧蒸気発生器室２内
の冷媒液Ｗ面上には浅川効果を発生させる絶縁被覆電極
１５を配設せしめである。

然る際、前記ジェット系２４によって噴射する冷媒液Ｗ
の方向が確定するので逆流の心配は全んど無い。

而して、其の具体的構成に基く作用効果は本発明と略同
−となる。

（実施例３） 第８図に示す如く本実施例の特徴は１本発明装置及びそ
の方法として分溜の考え方を利用した真空装置であるヒ
ックマンポンプの原理を応用せしめた点にある。　即ち
、第１、第２．第３噴射ノズル（１２Ａ、１２Ｂ、１２
ｃ）から噴き出した油等の冷媒蒸気はデイフユーザ−９
にて凝縮して液化せしめられ、第２ボイラー２６Ｂ、第
３ボイラー２６Ｃ１第４ボイラー２６Ｄの夫々の蒸発し
た溜分は戻り管２７を通して全部第１ボイラー２６Ａへ
戻すように威してある。　又、蒸気戻り管２８の一端側
２８Ａが高圧蒸気発生器室２側であり、高真空側配管２
９側が低圧蒸発室５側であり、低真空側配管３０側が凝
縮室４側に対応せしめられている。

又、前記各ボイラー（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ，２６Ｄ
）内の液面上に桟用効果を導く処の絶縁被覆電極１５を
夫々配設してある。

而して、其の具体的構成に基く作用効果は本発明と略同
−となる。

（効　果） 而して、本発明は下記の如き特有の効果を有する。

特に、本発明によるジェットエゼクタ式冷凍方法及び具
体的な装置に基き、低位熱入力を用いて連続的に冷却を
行うことが出来、従来の吸着式冷凍機に比し装置の簡便
化と大輻な効率向上という優れた効果を発揮し得、又装
置のコストも低減可能となり公害の発生も生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の方法及び装置を示すもので
、第１図は本発明方法の原理図であり、第２図はジェッ
トエゼクタ本体の原理を説明する断面図、第３図は絶縁
被覆電極の縦断面図、第４図はジェットエゼクタ本体の
モリエル線図であり、縦軸に圧力、横軸にエンタルピー
を採っである。　第５図は水の飽和曲線を示す状態図で
、縦軸に圧力、横軸に温度を採っである。　第６図は第
一の実施例を示すものである。　第７図は第二の実施例
を示すものである。　第８図は第三の実施例を示すもの
である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定量の冷媒液Ｗを封入した高圧蒸気発生器室２
   内の該冷媒液Ｗを蒸気化して高圧の蒸気をジェットエゼ
   クタ本体３へ送出する一方、該ジェットエゼクタ本体３
   により低圧蒸発室５内の低圧の蒸気を吸引し、前記高圧
   の蒸気と低圧の蒸気とを混合して凝縮室へ送出し、凝縮
   液化せしめると共に、凝縮室４内の冷媒液Ｗを前記高圧
   蒸気発生器室２及び前記低圧蒸発室５へ夫々フィードバ
   ックせしめる他方、前記低圧蒸発室５の冷却器により被
   冷却室Ｖを冷却せしめたジェットエゼクタ式冷凍方法
2. （２）所定量の冷媒液Ｗを封入した高圧蒸気発生器室２
   と該高圧蒸気発生器室２からの高圧の蒸気を受け入れる
   ジェットエゼクタ本体３と該ジェットエゼクタ本体３に
   よる吸引力により低圧の蒸気が吸引される低圧蒸発室５
   と前記ジェットエゼクタ本体３から噴出する中圧の混合
   された蒸気を受け入れる凝縮室４と該凝縮室４で液化さ
   れた冷媒液Ｗを受け入れるように成した前記低圧蒸発室
   ５と高圧蒸気発生器室２と前記低圧蒸発室５に配設した
   冷却器２０とから成り、前記冷媒液Ｗのタイミング的蒸
   気化又は液化により被冷却室りを冷却すべく成したジェ
   ットエゼクタ式冷凍装置
3. （３）前記高圧蒸気発生器室２、低圧蒸発室５内の冷媒
   液Ｗ面上に蒸発を促進せしめる為の高電場発生用の絶縁
   被覆電極１５を配設した請求項（２）記載のジェットエ
   ゼクタ式冷凍装置
4. （４）前記ジェットエゼクタ本体３に対して油拡散ポン
   プの原理を応用した請求項（２）乃至（３）記載のジェ
   ットエゼクタ式冷凍装置
5. （５）前記ジェットエゼクタ本体３に対してヒックマン
   ポンプの原理を応用した請求項（２）乃至（３）記載の
   ジェットエゼクタ式冷凍装置