JPH10148414A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部が大気圧よりも低圧である密閉回路の内
部で冷媒の凝縮、蒸発を行なう冷凍装置において、密閉
回路内部への大気の侵入を抑制する。 【解決手段】 冷媒としての水が封入された密閉容器１
０と、この密閉容器１０を収容する外側密閉容器２０と
の間の空間Ｃは、大気圧の環境であり、この空間Ｃに水
Ｗを充填してある。よって、密閉容器１９内には水Ｗが
侵入し、大気の侵入を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大気圧よりも低圧
な環境下で、冷媒を蒸発器、凝縮器にて蒸発、凝縮させ
ることにより作動する冷凍装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、上記冷凍装置として、例え
ば、吸着剤の吸着、脱着作用を利用した吸着式冷凍装置
が挙げられる。この装置は、凝縮器、蒸発器、および、
吸着剤を内蔵する一対の吸着器を、１つの密閉回路内に
設け、さらにこの密閉回路内に、冷媒としての水が封入
されている。そして、一方の吸着器の吸着剤が気体冷媒
を吸着することにより、蒸発器における液体冷媒の蒸発
を促進し、他方の吸着器の吸着剤が脱着した気体冷媒を
凝縮器にて凝縮するものである。

【０００３】なお、蒸発器では水を１０℃程度で蒸発さ
せ、凝縮器では水蒸気を４０℃程度で凝縮させている。
このため、密閉容器内は、水の１０℃における飽和蒸気
圧（約９ｔｏｒｒ＝９／７６０気圧）から、水の４０℃
における飽和蒸気圧（約５５ｔｏｒｒ＝５５／７６０気
圧）の間の圧力程度となっている。このように、密閉回
路内は大気（１気圧）に比べて非常に低圧となってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、密閉回路内
が大気よりも非常に低圧であるため、大気（酸素、水
素、窒素等）が密閉回路の接続部分等の微小な隙間を経
て、密閉回路内に侵入する。ここで、酸素、水素、窒素
等は、水に比べて飽和蒸気圧が非常に高く、非常に低圧
な密閉回路内に侵入しても、気体のまま存在する。そし
て、密閉回路内において、気体状態の酸素、水素、窒素
等が拡散するため、水蒸気の拡散が妨げられる。これに
より、蒸発器における水の蒸発や、凝縮器における水の
凝縮や、吸着器の吸着剤による水蒸気の吸着、脱着が妨
げられるため、この冷凍装置の冷凍性能が低下する、と
いった問題があった。

【０００５】なお、ポンプ等の特別な排気手段により、
酸素、水素、窒素等を除去することで、上記問題は解決
できるが、このような排気作業を行なう煩わしさがあ
り、上記冷凍装置が大型化したり、ポンプを駆動する動
力が必要となる等の理由でコスト高となるため、好まし
くない。本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、内
部が大気圧よりも低圧である密閉回路の内部で冷媒の凝
縮、蒸発を行なう冷凍装置において、密閉回路内部への
大気の侵入を抑制することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１、２および４に記載の発明では、密閉回路
（１０）の内部で、冷媒の蒸発、凝縮を繰り返す冷凍装
置であって、密閉回路（１０）を収容する外側容器（２
０）と、密閉容器（１０）との間の空間（Ｃ）は、大気
圧の環境であるとともに、この空間（Ｃ）に、上記冷媒
と同種の冷媒（Ｗ）を充填したことを特徴としている。

【０００７】従って、密閉回路（１０）の内外で大きな
圧力差があるが、この密閉回路（１０）の外周部が、密
閉回路（１０）内に封入されている冷媒と同種の冷媒
（Ｗ）により覆われているので、この密閉回路（１０）
内に侵入するのは、上記同種の冷媒（Ｗ）である。この
ため、密閉回路（１０）内の冷媒の拡散が妨げられるこ
とを抑制できる。従って、冷媒の蒸発や凝縮が良好に行
なわれ、この冷凍装置の冷房能力を維持できる。

【０００８】また、請求項３および４に記載の発明で
は、冷媒の飽和蒸気圧よりも低い飽和蒸気圧を有する低
蒸気圧材料（Ｐ）により、密閉回路（１０）の外周部を
覆ったことを特徴としている。従って、密閉回路（１
０）の内外で大きな圧力差があるが、この密閉回路（１
０）の外周部が上記低蒸気圧材料（Ｐ）により覆ってあ
るので、この密閉回路（１０）内に侵入するのは低蒸気
圧材料（Ｐ）である。ここで、低蒸気圧材料（Ｐ）によ
れば、冷媒よりも高い飽和蒸気圧を有する材料、例え
ば、酸素、水素、窒素等に比べて、密閉回路（１０）内
の低圧な環境において、この密閉回路（１０）内に広く
拡散することが抑制でき、冷媒の拡散を妨げることを抑
制できる。よって、上記請求項１、２および４に記載の
発明と同様の効果が得られる。

【０００９】また、請求項４に記載の発明では、１つの
箱状の密閉容器（１０）の内部に、凝縮器室（３１）、
蒸発器室（４１）、および、第１、第２吸着コア室（１
１、２１）を区画形成してあるため、この密閉容器（１
０）の外周部を、上記冷媒と同種の冷媒（Ｗ）や低蒸気
圧材料（Ｐ）で覆う構造が単純となり、コスト安であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。 （第１の実施形態）図１（ａ）ないし（ｃ）に示す本実
施形態の吸着式冷凍装置１００は、車両に搭載されて空
調装置の一部として機能する。この吸着式冷凍装置１０
０は、１つの箱状の密閉容器１０を備え、この内部に、
冷媒（例えば水やアルコール水溶液等）を吸着、脱着可
能な第１、第２吸着コア１、２、凝縮器３、および、蒸
発器４を設けたものである。密閉容器１０内部は、第
１、第２吸着コア１、２、凝縮器３、および、蒸発器４
をそれぞれ収容する第１、第２吸着コア室１１、２１、
凝縮器室３１、および、蒸発器室４１に仕切られてい
る。

【００１１】第１、第２吸着コア室１１、１２と、凝縮
器室３１との境界部分には、三方切替弁５が配置され、
第１、第２吸着コア室１１、１２と、蒸発器室４１との
境界部分には、三方切替弁６が配置されている。三方切
替弁５により、第１、第２吸着コア室１１と凝縮器室３
１との連通状態を切り替え、三方切替弁６により、第
１、第２吸着コア室１１と蒸発器室４１との連通状態を
切り替えるようになっている。

【００１２】また、凝縮器室３１と蒸発器室４１との境
界部分には、キャピラリチューブ３５が配置されてい
る。このキャピラリチューブ３５は、凝縮器室３１と蒸
発器室４１とを連通するものであり、所定の圧力損失を
発生させる絞り弁３５ａが設けられている。ここで、密
閉容器１０は、内部を一旦真空状態とした後、所定量の
冷媒（本実施形態では水）を封入してある。この結果、
密閉容器１０の内部は、大気圧に比べて非常に低圧（９
〜５５ｔｏｒｒ）となっている。本実施形態では、１つ
の吸着コア１、２で吸着可能な冷媒量の２倍程度の冷媒
を封入してある。そして、密閉容器１０内外の圧力差に
耐えうる強度を有するとともに、耐食性に優れる材料
（例えばアルミニウム合金、ステンレス等）からなる板
状部材を複数枚溶接にて接合して、密閉容器１０が構成
されている。

【００１３】そして、密閉容器１０の外周部には、この
密閉容器１０を収容可能な大きさの外側密閉容器２０が
設けられている。この外側密閉容器２０は、耐食性に優
れる材料（例えばアルミニウム合金、ステンレス、樹脂
等）からなる。そして、密閉容器１０と外側密閉容器２
０との間の空間Ｃは大気圧程度であるとともに、水（上
記冷媒と同種の冷媒）Ｗが隙間なく充填されている。図
１に、水Ｗの充填されている様子をハッチングで示す。

【００１４】第１、第２吸着コア１、２には、エンジン
７ａにて加熱された熱交換流体（加熱流体）と、室外熱
交換器８にて冷却された熱交換流体（冷却流体）とが、
所定時間（例えば６０秒）毎に交互に流れるようになっ
ている。なお、エンジン７ａにて加熱された熱交換流体
は、ラジエータ７ｂへも循環可能となっている。凝縮器
３には、室外熱交換器８からの熱交換流体が常に流れ、
蒸発器４には、室内熱交換器９からの熱交換流体が常に
流れるようになっている。

【００１５】なお、図１には、室外熱交換器８を２つ示
してあるが、実際は１つの室外熱交換器８により、第
１、第２吸着コア１、２、および、凝縮器３への熱交換
流体の供給を行なっている。また、上記加熱流体と冷却
流体とを交互に流すために、その流体通路を、四方切替
弁１５、１６にて切り替えるようになっている。また、
エンジン７ａ、室外熱交換器８、室内熱交換器９からの
熱交換流体は、図示しないポンプにて流れるようになっ
ている。

【００１６】また、第１、第２吸着コア１、２と、エン
ジン７ａおよび室外熱交換器８との間、凝縮器３と室外
熱交換器８との間、蒸発器４と室内熱交換器９との間
は、流体配管にてそれぞれ接続されている。そして、密
閉容器１０および外側密閉容器２０のうち、流体配管
や、三方切替弁５、６を回動駆動するための駆動手段等
が貫通する部位は、パッキン等により確実にシールして
ある。なお、密閉容器１０内は大気圧より非常に低圧で
あり、外側密閉容器２０内（空間Ｃ）は大気圧程度であ
るため、密閉容器１０におけるシールをより確実に行な
っている。具体的に、密閉容器１０においては、ベロー
ズやＳＵＳ等の金属ガスケットを用いたシールを行なっ
ている。

【００１７】ここで、第１、第２吸着コア１、２は、上
記熱交換流体が流れる流体配管の周囲に、多数の吸着剤
を設けたものからなる。この吸着剤は、シリカゲル、ゼ
オライト、活性炭、活性アルミナ等の粉粒体から構成さ
れている。そして、第１、第２吸着コア１、２に上記冷
却流体を供給することにより、吸着剤が冷却されて気体
冷媒を高能力で吸着する。この吸着に伴い吸着能力が次
第に低下しても、第１、第２吸着コア１、２に上記加熱
流体を供給することにより、吸着剤が加熱されて吸着し
ていた気体冷媒を脱着し、吸着能力が再生される。

【００１８】このような構成において、第１吸着コア１
が吸着工程、第２吸着コア２が脱着工程を実行する場合
について説明する。このとき、三方切替弁５、６の回動
位置は、図１（ａ）および（ｃ）に実線で示すように設
定される。そして、第１吸着コア１に室外熱交換器８か
らの冷却流体が流れ、第２吸着コア２にエンジン７ａか
らの加熱流体が流れる。

【００１９】これにより、加熱流体が第２吸着コア２の
吸着剤を加熱し、吸着剤から気体冷媒を脱着する。この
気体冷媒が、三方切替弁５を経て凝縮器３へ供給され、
凝縮器３において冷媒を凝縮する。なお、凝縮器３を流
れる熱交換流体は、冷媒の凝縮による凝縮熱を奪い、室
外熱交換器８において、上記凝縮熱を室外へ放出する。

【００２０】また、冷却流体が第１吸着コア１の吸着剤
を冷却し、吸着剤に気体冷媒を吸着する。これにより、
第１吸着コア室１１、および、このコア室１１に三方切
替弁６を経て連通する蒸発器室４１内の圧力が下がり、
蒸発器４による冷媒の蒸発が促進される。なお、蒸発器
４を流れる熱交換流体は、冷媒の蒸発による蒸発熱を奪
われて冷却され、室内熱交換器９において室内空気と熱
交換して、室内を冷却する。

【００２１】そして、三方切替弁５、６が図１（ａ）お
よび（ｃ）に破線で示すように切り替えられた場合に
は、逆に、第１吸着コア１が吸着工程、第２吸着コア２
が脱着工程を行う。このときの詳細な作動説明は省略す
る。本実施形態によれば、密閉容器１０の内外で大きな
圧力差があるが、この密閉容器１０の外周部が、大気圧
程度の環境にある水により覆われているので、この密閉
容器１０内には水が侵入し、大気（酸素、水素、窒素
等）が侵入することを抑制できる。このため、密閉容器
１０内の冷媒の拡散が妨げられることを抑制でき、冷媒
の蒸発や凝縮、吸着や脱着が良好に行なわれ、この冷凍
装置の冷房能力を維持できる。

【００２２】また、１つの箱状の密閉容器１０の外周部
を覆うように、外側密閉容器２０を設け、これら容器１
０、２０の間に水を封入するだけでよいので、その組付
構造が単純となる。 （第２の実施形態）本実施形態は、図２に示すように、
２つの箱状の第１、第２密閉容器１０Ａ１０Ｂを備えて
いる。そして、第１、第２密閉容器１０Ａ、１０Ｂの内
部には、流体通路Ｌおよび吸着剤Ｓを備えた第１、第２
吸着コア１、２、および、凝縮器および蒸発器の役割を
果たす第１、第２凝縮蒸発器３０、４０が収容されてい
る。なお、図２には表れていないが、密閉容器１０Ａ、
１０Ｂのうち、上方内部に吸着コア１、２が配置され、
下方内部に凝縮蒸発器３０、４０が配置されている。

【００２３】そして、両密閉容器１０Ａ、１０Ｂの下方
には、両密閉容器１０Ａ、１０Ｂを互いに連通するキャ
ピラリチューブ３５が設けられている。このキャピラリ
チューブ３５は非常に細く形成されており、この結果、
絞りの役割も兼ねている。第１、第２凝縮蒸発器３０、
４０は、一方が蒸発器としてはたらくとき、他方が凝縮
器としてはたらくようになっている。

【００２４】そして、室外熱交換器８、凝縮蒸発器３
０、４０、四方切替弁１７、室内熱交換器９、四方切替
弁１８、吸着コア１、２、四方切替弁１９、ポンプ２
５、室外熱交換器８は、直列に接続されている。また、
室外熱交換器８、凝縮蒸発器３０、４０、四方切替弁１
７、ポンプ２５、室外熱交換器８は、直列に接続されて
いる。

【００２５】このものでは、四方弁１７、１８、１９が
実線で示す状態にあるときには、第１吸着コア１が吸着
行程にあり、第２吸着コア２が脱着行程にある。このと
き、加熱流体は第２吸着コア１の流体通路Ｌを流れて第
２吸着コア２の吸着剤Ｓを加熱し、これにより吸着剤Ｓ
から脱着した冷媒蒸気は第２凝縮蒸発器４０側へ流入す
る。

【００２６】これに対し、室外熱交換器８で冷却された
冷却流体は第１、第２凝縮蒸発器３０、４０に分流し、
第２凝縮蒸発器４０に分流した冷却流体は、第２密閉容
器１０Ｂ内において第２凝縮蒸発器４０近傍の冷媒蒸気
を凝縮した後、室外熱交換器８に戻る。この凝縮された
冷媒液は、第２密閉容器１０Ｂの下方内部に貯えられた
り、第１密閉容器１０Ａへ供給される。

【００２７】また、第１凝縮蒸発器３０に分流した冷却
流体は、この凝縮蒸発器３０において冷却された後、室
内熱交換器９に供給されてエアコンの送風ダクト内を流
れる空気を冷却する。この冷却された冷却流体は、第１
吸着コア１の流体通路Ｌに流れて吸着コア１の吸着剤Ｓ
を冷却し、室外熱交換器８に戻る。これにより、吸着コ
ア１の吸着剤Ｓは、凝縮蒸発器室３０で蒸発した冷媒蒸
気を吸着する。

【００２８】なお、四方弁１７、１８、１９が図４に破
線で示す状態に切り替えられた場合には、逆に、第１吸
着コア１が脱着行程を行い、第２吸着コア３が吸着行程
を行うだけで、加熱流体、冷却流体、冷媒の流通経路は
上述したものと同様であるので詳細な説明は省略する。
このような吸着式冷凍装置１において、第１、第２密閉
容器１０Ａ、１０Ｂをそれぞれ収容する第１、第２外側
密閉容器２０Ａ、２０Ｂを設けている。そして、第１、
第２密閉容器１０Ａ、１０Ｂと、外側密閉容器２０Ａ、
２０Ｂとの間の空間Ｃには、冷媒の飽和蒸気圧（２０℃
で１０³ Ｐａ程度）よりも低い飽和蒸気圧を有する低蒸
気圧材料Ｐを充填してある。なお、図２において、低蒸
気圧材料Ｐが充填されている様子をハッチングで示して
ある。

【００２９】この低蒸気圧材料Ｐとしては、例えば、シ
リコングリース（２０℃で１０^-4Ｐａ以下）、エレクト
ロングリース（３０℃で１０^-5Ｐａ以下）、アビエゾン
Ｌ（２０℃で１０^-8〜１０^-9Ｐａ程度）、アビエゾンＭ
（２０℃で１０^-5〜１０^-6Ｐａ程度）、アビエゾンＮ
（２０℃で１０^-6〜１０^-7Ｐａ程度）、アビエゾンＴ
（２０℃で１０^-6Ｐａ程度）等が挙げられる。

【００３０】これによれば、たとえ密閉容器１０内部に
低蒸気圧材料が侵入しても、飽和蒸気圧が上述のように
非常に小さいため、密閉容器１０内部において気化する
ことはなく、固体状のままである。このため、密閉容器
１０内部における冷媒の拡散を妨げることはない。な
お、上記低蒸気圧材料は、水に溶けることがなく、大き
な蒸発潜熱を有するといった水の特性を妨げることはな
い。

【００３１】この低蒸気圧材料としては、密閉容器１０
Ａ、１０Ｂ内部の温度範囲において、飽和蒸気圧が１ｔ
ｏｒｒ（＝１３３．３Ｐａ）以下であれば、冷媒に水を
使用した場合に、この水蒸気の拡散を妨げることはほと
んどないことが、発明者の実験により確認されている。
よって、冷媒に水を使用する本実施形態では、低蒸気圧
材料として、飽和蒸気圧が１ｔｏｒｒ以下のものを空間
Ｃに充填するのが好ましい。

【００３２】また、上記した低蒸気圧材料、例えば、シ
リコングリースの熱伝導率は０．２０９Ｗ／ｍＫであ
り、水の熱伝導率は０．６１Ｗ／ｍＫである。ここで、
この冷凍装置はエンジンルームに配置されているため、
このエンジンルーム内の熱が、蒸発器としてはたらく凝
縮蒸発器３、４に伝わり、この凝縮蒸発器３、４内部の
水を経て熱交換流体が加熱される、といった問題があっ
た。これに対して、水よりも熱伝導率の悪い低蒸気圧材
料にて密閉容器１０Ａ、１０Ｂの外周面を覆うことによ
り、蒸発器としてはたらく凝縮蒸発器３、４に、エンジ
ンルーム内の熱が伝わることを抑制できる。よって、上
記熱交換流体を良好に冷却でき、室内の冷房を良好に行
なうことができる。

【００３３】また、本実施形態のように、第１密閉容器
１０Ａを収容する第１外側密閉容器２０Ａと、第２密閉
容器１０Ｂを収容する第２外側密閉容器２０Ｂとが別体
であるので、それぞれを独立して離れた場所に配置可能
となり、レイアウトが自在となる。さらに、本実施形態
では、上記第１の実施形態における凝縮器３および蒸発
器４の替わりに、第１、第２凝縮蒸発器３０、４０を用
いることにより、以下の効果がある。まず、上記第１の
実施形態における開閉弁５、６を廃止でき、吸着式冷凍
装置１の小型化を図ることができるとともに、開閉弁
５、６の制御が必要なく、この制御に関わる周囲部品を
減らすことができる。従って、コスト安となる。

【００３４】（他の実施形態）上記第１の実施形態にお
ける上記空間Ｃに、上記低蒸気圧材料を充填してもよい
し、上記第２の実施形態における上記空間Ｃに、冷媒
（水等）を充填してもよい。また、上記第１の実施形態
では、１つの密閉容器１０の外側に外側密閉容器２０を
設けていたが、これに限定されることはなく、第１、第
２吸着コア室１１、２１、凝縮器室３１、および、蒸発
器室４１が、それぞれ独立に箱状に配置されるものにお
いて、第１、第２吸着コア室１１、２１、凝縮器室３
１、および、蒸発器室４１のそれぞれの外側に外側密閉
容器を設け、この容器内部の空間に、冷媒や低蒸気圧材
料を充填してもよい。また、第１、第２吸着コア室１
１、２１、凝縮器室３１、および、蒸発器室４１の少な
くとも１つに、冷媒や低蒸気圧材料を充填してもよい。

【００３５】また、上記第１、第２の実施形態では、密
閉容器１０の外側に、箱状の外側密閉容器２０を設けて
いたが、外側密閉容器２０の代わりに、密閉容器１０を
収容可能な大きさで、かつ、一面が開口した外側容器を
用いてもよい。そして、一面が上方に向くように配置
し、この外側容器と密閉容器１０との間に、冷媒や、低
蒸気圧材料を充填するようにしてもよい。また、上記し
た低蒸気圧材料は、非常に粘性が高く、粘着性が高いた
め、密閉容器１０の接合部分のみに厚く塗布するだけで
もよい。

【００３６】また、上記実施形態では、吸着式冷凍装置
１００に本発明を適用したが、内部が大気圧よりも低圧
となるような密閉容器１０内部で、冷媒の蒸発、凝縮を
繰り返す冷凍装置、例えば、吸収式冷凍装置に本発明を
適用してもよい。なお、吸収式冷凍装置は、蒸発器、吸
収器、発生器、凝縮器、膨張弁、蒸発器をこの順に接続
したもので、１０℃程度における飽和蒸気圧が大気圧よ
りも低い、水等の循環冷媒が、発生器における高圧下で
の加熱によって、臭化リチウムから分離され、ついで、
吸収器における低圧下（例えば５〜６０ｔｏｒｒ）で臭
化リチウムに再吸収されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係わる吸着
式冷凍装置の概略的な上面図、（ｂ）は（ａ）の正面
図、（ｃ）は（ａ）の側面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係わる吸着式冷凍装
置の概略的な全体構成図である。

【符号の説明】

１０…密閉容器（密閉回路）、２０…外側密閉容器（外
側容器）、Ｃ…空間、Ｗ…水。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部が大気圧よりも低圧である密閉回路
   （１０）の内部で、冷媒の蒸発、凝縮を繰り返す冷凍装
   置であって、 前記密閉容器（１０）を収容する外側容器（２０）と、
   前記密閉容器（１０）との間の空間（Ｃ）は、大気圧の
   環境であるとともに、前記冷媒と同種の冷媒（Ｗ）が充
   填されていることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記冷媒、および、この冷媒と同種の冷
   媒は、水であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍
   装置。
3. 【請求項３】 内部が大気圧よりも低圧である密閉回路
   （１０）の内部で、冷媒の蒸発、凝縮を繰り返す冷凍装
   置であって、 前記密閉容器（１０）の外周部は、大気圧の環境である
   とともに、前記冷媒の飽和蒸気圧よりも低い飽和蒸気圧
   を有する低蒸気圧材料（Ｐ）により覆われていることを
   特徴とする冷凍装置。
4. 【請求項４】 前記密閉回路は、１つの箱状の密閉容器
   （１０）からなり、 この密閉容器（１０）は、 冷媒を凝縮する凝縮器（３）を収容する凝縮器室（３
   １）と、 冷媒を蒸発させる蒸発器（４）を収容する蒸発器室（４
   １）と、 気体冷媒を吸着する吸着工程と、気体冷媒を脱着する脱
   着工程とを交互に実行する第１、第２吸着コア（１、
   ２）を収容する第１、第２吸着コア室（１１、２１）と
   に区画形成されていることを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれか１つに記載の冷凍装置。