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吸収式冷凍機とは、冷却プロセスに必要なエネルギーを熱源から供給する冷凍機のことです。太陽エネルギー、石油燃焼、工場からの廃熱、地域暖房システムなどが、利用できる熱源の例です。
吸収式冷凍機は2種類の冷却剤を使用し、1つ目の冷却剤が蒸発冷却を行った後、2つ目の冷却剤に吸収されます。その後、2つの冷却剤を元の状態に戻すために熱が必要となります。
吸収式冷蔵庫は、プロパン燃料バーナー、低電圧直流電気ヒーター（バッテリーまたは車両の電気システムから）、または商用電源の電気ヒーターのいずれかで稼働に必要な熱を供給できるため、レクリエーション車両（RV）、キャンピングカー、キャラバンなどで一般的に使用されています。吸収式冷蔵庫は、建物内のガスタービンや給湯器からの廃熱を利用して建物を冷房するためにも使用できます。ガスタービンからの廃熱を利用すると、タービンはまず電気を生成し、次に温水を生成し、最後に冷房を行うというトリジェネレーション方式になるため、非常に効率的になります。
一般的な蒸気圧縮式冷凍システムとは異なり、吸収式冷凍機には可動部品がなく、ほぼ無音で動作します。
20世紀初頭には、水アンモニア系を用いた蒸気吸収サイクルが普及し広く利用されていましたが、蒸気圧縮サイクルの開発後、その低い成績係数（蒸気圧縮サイクルの約5分の1）のために重要性を大きく失いました。吸収式冷凍機は、電力供給が不安定、高価、または利用できない場合に、圧縮式冷凍機の代替として利用できます。また、吸収式冷凍機の静音性は、圧縮機の騒音が問題となる場合や、余剰熱が利用可能な場合にも利点となります。
1748年、グラスゴーでウィリアム・カレンは現代の冷凍技術の基礎となる発明をしましたが、実用的な応用例は残されていません。冷凍技術の歴史については、 「冷凍」ページの「冷凍研究」の項をご覧ください。
吸収式冷凍は、1821年にマイケル・ファラデーによって発明された吸着式冷凍と同じ原理を利用しています。固体吸着器の代わりに、吸収式冷凍システムでは吸収器が冷媒蒸気を液体に吸収します。
吸収冷却は、 1858年にフランスの科学者フェルディナン・カレによって発明されました。 [ 1 ]当初の設計では水と硫酸が使用されていました。この原理は、1922年にストックホルム王立工科大学の学生であったバルツァール・フォン・プラテンとカール・ムンタースによって、3流体構成で改良されました。この「プラテン・ムンタース」設計はポンプなしで動作できます。
商業生産は1923年に新設されたAB Arctic社によって開始され、同社は1925年にエレクトロラックス社に買収された。エレクトロラックス社は1990年代まで吸収式冷蔵庫を製造し、市場を席巻していた圧縮式冷蔵庫と比較して、その静音性を主要なセールスポイントとして挙げていたが、効率の悪さによってこの利点は次第に薄れていった。
また、1960年代には、キャラバン用の冷蔵庫に対する需要が大きかったため、吸収式冷凍機が復活しました。ABエレクトロラックスは後に米国にドメティック・セールス・コーポレーションという子会社を設立しました。同社はドメティックブランドでレクリエーション車両（RV）用の冷蔵庫を販売しました。2001年、エレクトロラックスはレジャー製品ラインの大部分をベンチャーキャピタル会社のEQTに売却し、EQTはドメティックを独立した会社として設立しました。ドメティックは2025年7月現在も吸収式冷蔵庫を販売しています。[ 2 ]
1926年、アルバート・アインシュタインと彼の元教え子レオ・シラードは、アインシュタイン冷蔵庫として知られる別の設計を提案した。[ 3 ]
2007年のTEDカンファレンスで、アダム・グロッサーは第三世界諸国で使用するための「間欠吸収」ワクチン冷蔵装置の研究を発表した。この冷蔵庫はキャンプファイヤーの上に置く小型の装置で、その後、30 ℃（86 °F）の環境で15リットル（3.3英ガロン、4.0米ガロン）の水を24時間かけて氷点下ぎりぎりまで冷却するために使用できる。[ 4 ]このコンセプトは、アイシーボールとして知られる初期の冷蔵装置に似ていた。
一般的な吸収式冷蔵庫は、圧縮式冷蔵庫と同様に、沸点が非常に低い（ -18 °C (0 °F)未満）冷媒を使用します。圧縮式冷蔵庫は通常HCFCまたはHFC を使用しますが、吸収式冷蔵庫は通常アンモニアまたは水を使用し、冷却剤を吸収できる少なくとも 2 つ目の流体、吸収剤、それぞれ水（アンモニアの場合）または塩水（水の場合）が必要です。どちらのタイプも蒸発冷却を使用します。冷媒が蒸発（沸騰）すると、熱が奪われ、冷却効果が得られます。2 つのシステムの主な違いは、サイクルを繰り返すために冷媒を気体から液体に戻す方法です。吸収式冷蔵庫は、熱のみを必要とする方法を使用して気体を液体に戻します。流体以外の可動部品はありません。
吸収式冷却サイクルは、以下の3つの段階で説明できます。
このシステムは、通常のポンプを使用せずに、液体を機械的に循環させる仕組みを静かに実現する。凝縮時に圧力の問題を回避するため、通常は気体状の第3の流体が加えられる（下記参照）。
一方、コンプレッサー式ヒートポンプは、冷媒ガスを蒸発器から凝縮器へ送り込むことで作動します。これにより、蒸発器内の圧力と沸点が低下し、凝縮器内の圧力と凝縮温度が上昇します。コンプレッサーポンプの作動には、電動モーターまたは内燃機関からのエネルギーが必要です。冷媒を圧縮する際に、このエネルギーがガスに作用し、温度が上昇します。温かく高圧のガスは凝縮器に入り、そこで相変化を起こして液体となり、周囲に熱を放出します。温かく液体の冷媒は、膨張弁（絞り弁またはジュール・トムソン弁とも呼ばれる）を介して、高圧凝縮器から低圧蒸発器へと移動します。膨張弁は冷媒を部分的に気化させ、蒸発冷却によって冷却し、発生した蒸気は膨張冷却によって冷却されます。これは、ジュール・トムソン冷却と膨張するガスによる仕事の組み合わせであり、どちらもガスの内部エネルギーを消費します。低温で低圧の液体冷媒は、蒸発器の周囲から熱を吸収して気化する。生成されたガスは圧縮機に入り、サイクルが再び始まる。
大規模な商業プラントで一般的な単純な吸収式冷凍システムでは、臭化リチウムまたは塩化リチウムの塩と水の溶液が使用されます。冷却対象のコイルから低圧の水が蒸発します。水は臭化リチウム/水溶液に吸収されます。システムは熱によって臭化リチウム溶液から水を押し出します。[ 5 ]
別の方式では、空気、水、そして塩水溶液を使用します。温かく湿った空気を吸入し、塩水溶液を噴霧します。この噴霧によって湿度は低下しますが、温度は大きく変化しません。湿度が低下した温風は、次に蒸発冷却器を通過します。蒸発冷却器は、真水を噴霧することで空気を冷却し、再び加湿します。冷却された空気から再び塩水溶液を噴霧することで湿度が除去され、冷たく乾燥した空気が排出されます。
塩溶液は、低圧下で加熱することで水分を蒸発させ、再生される。塩溶液から蒸発した水分は再び凝縮され、蒸発冷却器に戻される。
単圧吸収式冷蔵庫は、液体の蒸発速度が液体上の蒸気の分圧に依存し、分圧が低いほど蒸発速度が速くなるという性質を利用しています。システム全体の圧力を一定に保ちながら、冷蔵庫の低温内部から熱を吸い出す部分では冷媒の分圧を低く（したがって蒸発速度を高く）維持し、冷蔵庫外部の周囲温度の空気へ熱を放出する部分では冷媒の分圧を高く（したがって蒸発速度を低く）維持します。
冷蔵庫は、アンモニア、水素ガス、水の3つの物質を使用します。サイクルは閉じており、すべての水素、水、アンモニアは回収され、無限に再利用されます。システムは加圧され、アンモニアの沸点が凝縮器コイル（冷蔵庫の外気よりも高温になることで、冷蔵庫の外の空気に熱を伝えるコイル）の温度よりも高くなります。この圧力は通常14～16標準気圧（1,400～1,600 kPa）で、アンモニアの露点は約35 ℃（95 °F）になります。
冷却サイクルは、室温の液体アンモニアが蒸発器に入ることから始まります。蒸発器の容積は液体の容積よりも大きく、余剰空間には気体アンモニアと水素の混合物が満たされています。水素の存在によりアンモニアガスの分圧が低下し、液体の蒸発点が冷蔵庫内部の温度よりも低くなります。アンモニアは蒸発し、液体から少量の熱を奪い、液体の温度を下げます。蒸発は続き、大きな蒸発エンタルピー（熱）は、より温度の高い冷蔵庫内部からより温度の低い液体アンモニアへ、そしてさらにアンモニアガスへと流れていきます。
次の2つの工程では、アンモニアガスを水素から分離し、再利用できるようにする。
純粋なアンモニアガスは凝縮器に入ります。この熱交換器では、高温のアンモニアガスが外部の空気に熱を伝達します。外部の空気は全圧アンモニアの沸点よりも低いため、凝縮します。凝縮した（液体の）アンモニアは下方へ流れ、吸収工程で放出された水素ガスと混合され、サイクルが繰り返されます。