吸収冷凍機

吸収式冷凍機は、冷却プロセスの駆動に必要なエネルギーを熱源から得る冷凍機です。使用可能な熱源の例としては、太陽エネルギー、化石燃料の燃焼、工場の廃熱、地域暖房システムなどがあります。吸収式冷凍機は 2 つの冷媒を使用します。1 つ目の冷媒は蒸発冷却を行い、2 つ目の冷媒に吸収されます。2 つの冷媒を初期状態に戻すには熱が必要です。吸収式冷凍機は、RV (レクリエーショナル ビークル)、キャンピングカー、キャラバンなどでよく使用されます。これらの車両を動かすために必要な熱は、プロパン燃料バーナー、低電圧 DC 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によって供給できるためです。吸収式冷凍機は、建物内のガスタービンや給湯器からの廃熱を使用して建物の空調を行うためにも使用できます。ガスタービンからの廃熱を使用すると、タービンは最初に電気を生成し、次に温水、最後に空調を行うため、非常に効率的になります(トリジェネレーション)。

より一般的な蒸気圧縮冷凍システムとは異なり、吸収冷凍機には可動部品がありません。

20 世紀初頭には、水アンモニア システムを使用した蒸気吸収サイクルが人気があり、広く使用されていましたが、蒸気圧縮サイクルの開発後、その性能係数が低い (蒸気圧縮サイクルの約 5 分の 1) ため、その重要性は大幅に低下しました。吸収式冷蔵庫は、電気が不安定、高価、または利用できない場合、またはコンプレッサーからの騒音が問題になる場合、または余剰熱が利用できる場合に、通常のコンプレッサー冷蔵庫の代替として人気があります。

1748 年、グラスゴーでウィリアム カレンが現代の冷蔵の基礎を発明しましたが、実際に使用できる応用例は知られていません。冷蔵の歴史の詳細については、 「冷蔵」ページの「冷蔵研究」の段落を参照してください。

吸収冷凍は、1821 年にマイケル ファラデーによって発明された吸着冷凍と同じ原理を使用しますが、吸収システムでは、固体の吸着剤を使用する代わりに、吸収剤が冷媒の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]元の設計では、水と硫酸が使用されていました。1922年、スウェーデンのストックホルムにある王立工科大学の2人の学生、バルツァール・フォン・プラテンとカール・ムンタースは、3流体構成で原理を改良しました。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年に新設のABアークティック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。 1960年代には、キャラバン（旅行用トレーラー）用の冷蔵庫の需要が大幅に増加したため、吸収式冷凍機が復活した。ABエレクトロラックスは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た。同社はドメティック・ブランドでレクリエーション用車両（RV）用の冷蔵庫を販売した。2001年、エレクトロラックスはレジャー製品ラインのほとんどをベンチャーキャピタル会社EQTに売却し、ドメティックは独立した会社として設立された。ドメティックは2021年現在も吸収式冷蔵庫を販売している。^[2]

1926年、アルバート・アインシュタインと彼の元弟子レオ・シラードは、アインシュタイン冷蔵庫として知られる代替設計を提案した。^[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の国々での使用を目的とした、非常に小型で新しい「間欠吸収」ワクチン冷蔵ユニットの研究を発表しました。この冷蔵庫はキャンプファイヤーの上に設置される小型ユニットで、15リットル（3.3英ガロン、4.0米ガロン）の水を30°C（86°F）の環境で24時間氷点よりわずかに高い温度に冷やすのに使用できます。^{[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ます。

一般的な吸収式冷蔵庫は、コンプレッサー式冷蔵庫と同様に、沸点が非常に低い（-18 °C（0 °F）未満）冷媒を使用します。圧縮式冷蔵庫では通常、HCFCまたはHFC が使用されますが、吸収式冷蔵庫では通常、アンモニアまたは水が使用され、冷媒を吸収できる少なくとも 2 番目の液体、つまり吸収剤、それぞれ水（アンモニアの場合）または塩水（水の場合）が必要になります。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、熱がいくらか奪われ、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ことができるように冷媒をガス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ガスを液体に戻します。液体以外の可動部品はありません。

吸収冷却サイクルは、次の 3 つのフェーズで説明できます。

• 蒸発: 液体冷媒は低分圧環境で蒸発し、周囲(冷蔵庫のコンパートメントなど)から熱を奪います。低分圧のため、蒸発に必要な温度も低くなります。
• 吸収: 枯渇した状態の 2 番目の流体が、気体となった冷媒を吸い出し、低い分圧を提供します。これにより、冷媒が飽和した液体が生成され、次のステップに流れます。
• 再生：冷媒が飽和した液体を加熱し、冷媒を蒸発させます。
  1. 蒸発は細い管の下端で起こり、冷媒ガスの泡が冷媒のなくなった液体を上のチャンバーに押し込み、そこから重力によって吸収チャンバーに流れていきます。
  2. 高温のガス冷媒は熱交換器を通過し、その熱をシステム外（周囲の常温の空気など）に伝達し、高い場所で凝縮します。凝縮した（液体の）冷媒は重力によって流れ、蒸発段階に供給されます。

このシステムでは、通常のポンプを使用せずに、静かに液体の機械的な循環が行われます。凝縮が発生したときに圧力の問題を回避するために、通常は 3 番目の流体であるガスが追加されます (以下を参照)。

それに比べて、コンプレッサーベースのヒートポンプは、冷媒ガスを蒸発器から凝縮器に送り込むことで機能します。これにより、蒸発器内の圧力と沸騰温度が低下し、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を作動させるには、電気モーターまたは内燃機関からのエネルギーが必要です。冷媒を圧縮すると、このエネルギーがガスに作用して温度が上昇します。次に、高温で高圧のガスが凝縮器に入り、そこで液体に相変化し、凝縮器の周囲に熱を放出します。高温の液体冷媒は、高圧凝縮器から膨張弁 (スロットル弁またはジュール・トムソン弁とも呼ばれる) を介して低圧蒸発器に移動します。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、結果として生じる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ガスによる仕事の組み合わせで、どちらもガスの内部エネルギーを犠牲にして行われます) 冷たく低圧の液体冷媒は、蒸発器の周囲から熱を吸収して蒸発します。その結果生じたガスはコンプレッサーに入り、サイクルが再び始まります。

大規模な商業プラントで一般的に使用されている単純な吸収冷凍システムでは、臭化リチウムまたは塩化リチウム塩と水の溶液を使用します。低圧の水が冷却されるコイルから蒸発します。水は臭化リチウム/水溶液に吸収されます。システムは熱で臭化リチウム溶液から水を追い出します。^[5]

別のバリエーションでは、空気、水、塩水溶液を使用します。取り込まれた暖かく湿った空気は、噴霧された塩水溶液を通過します。噴霧により湿度は下がりますが、温度は大きく変化しません。湿度の低い暖かい空気は、次に、新鮮な水を噴霧した蒸発冷却器を通過し、空気を冷却して再び加湿します。塩水溶液をもう一度噴霧して冷却された空気から湿気を取り除き、冷たく乾燥した空気を排出します。

塩溶液は低圧下で加熱され、水を蒸発させることで再生されます。塩溶液から蒸発した水は再凝縮され、蒸発冷却器に戻されます。

単圧吸収式冷蔵庫は、液体の蒸発率は液体の上の蒸気の分圧に依存し、分圧が低いほど蒸発率が上がるという事実を利用しています。冷蔵庫は、システム全体で総圧力が同じである一方で、低温の冷蔵庫内部から熱を奪うシステム部分では冷媒の分圧を低く（したがって蒸発率を高く）維持し、冷蔵庫外部の周囲温度の空気に熱を放出するシステム部分では冷媒の分圧を高く（したがって蒸発率を低く）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。サイクルは閉じられており、水素、水、アンモニアはすべて収集され、無限に再利用されます。システムは、アンモニアの沸点がコンデンサー コイル (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達するコイル) の温度よりも高くなる圧力まで加圧されます。この圧力は通常 14～16 標準気圧 (1,400～1,600 kPa) で、この圧力ではアンモニアの露点は約 35 °C (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、余分なスペースはガス状アンモニアと水素の混合物で占められています。水素の存在により、アンモニアガスの部分圧が下がり、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。蒸発が続く間、大きな蒸発エンタルピー(熱) は、より暖かい冷蔵庫内部からより冷た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 つのステップでは、アンモニアガスが水素から分離され、再利用できるようになります。

1. アンモニア (ガス) と水素 (ガス) の混合物は、蒸発器からパイプを通って吸収装置に流れ込みます。吸収装置では、このガス混合物が水 (厳密には、アンモニアの弱い水溶液) と接触します。ガス状のアンモニアは水に溶解しますが、溶解しない水素は吸収装置の上部に集まり、底部には今や強いアンモニア水溶液が残ります。水素は分離され、アンモニアは水に溶解します。
2. 次のステップでは、アンモニアと水を分離します。アンモニア/水の溶液はジェネレーター (ボイラー) に流れ、そこで熱が加えられてアンモニアが沸騰し、ほとんどの水 (沸点​​が高い) が残ります。一部の水蒸気と泡がアンモニアと混ざったまま残ります。この水は、最終分離ステップで、泡をはじくための小さな障害物がある上り坂のねじれたパイプのセパレーターに通して除去され、水蒸気が凝縮してジェネレーターに戻ります。

純粋なアンモニアガスは、その後、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気へ熱を伝えます。外気は、全圧アンモニアの沸点より低いため、凝縮します。凝縮された（液体の）アンモニアは流れ落ち、吸収工程から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。

• 吸着冷凍
• アイシーボール
• 量子吸収冷凍機

• Levy, A.; Kosloff, R. (2012). 「量子吸収冷凍機」. Phys. Rev. Lett . 108 (7): 070604. arXiv : 1109.0728 . Bibcode :2012PhRvL.108g0604L. doi :10.1103/PhysRevLett.108.070604. PMID  22401189. S2CID  6981288.

• 吸収ヒートポンプ（エネルギー効率および再生可能エネルギー局）。
• アリゾナエネルギー図解付き説明
• 臭化リチウム/水サイクル - BYU のキャンパス冷却用吸収冷凍。
• アメリカ規格協会。「吸収式冷蔵庫の AHRI 規格 560–2000」(PDF) 。2012年 10 月 31 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2012年 3 月 31 日閲覧。