吸収冷凍機

吸収式冷凍機は、冷却プロセスに必要なエネルギーを供給するために熱源を利用する冷凍機です。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利用可能な熱源の例です。

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、その後2つ目の冷媒に吸収されます。その後、2つの冷媒を元の状態に戻すために熱が必要となります。

吸収式冷凍機は、レクリエーショナルビークル（RV）、キャンピングカー、キャラバンなどで広く使用されています。これは、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系統から）、または商用電源の電気ヒーターのいずれかから電力を供給できるためです。また、吸収式冷凍機は、建物内のガスタービンや給湯器の廃熱を利用して空調を行うこともできます。ガスタービンの廃熱を利用することで、タービンはまず電気を生成し、次に温水、そして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。

歴史

20世紀初頭には、水とアンモニアを混合した蒸気吸収サイクルが広く普及していましたが、蒸気圧縮サイクルの開発後、その成績係数（蒸気圧縮サイクルの約5分の1）の低さから、その重要性は大きく低下しました。吸収式冷凍機は、電力供給が不安定、高額、あるいは入手困難な場合、コンプレッサーの騒音が問題となる場合、あるいは余剰熱を利用できる場合など、通常のコンプレッサー式冷凍機の代替として広く利用されています。

1748年、グラスゴーでウィリアム・カレンは現代の冷蔵技術の基礎を発明しましたが、実際に実用化された技術は彼の功績とはされていません。冷蔵の歴史については、 「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。吸収システムでは、固体の吸着器を使用する代わりに、吸収器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 ]。}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三流体構成へと改良されました。この「プラテン・ムンタース」設計はポンプなしで動作可能です。

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、キャラバン用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企業として設立された。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、発展途上国での使用を目的とした「間欠吸収型」ワクチン冷却ユニットの研究を発表しました。この冷却ユニットはキャンプファイヤーの上に置か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℃（86°F）の環境で24時間、氷点下よりわずかに高い温度まで冷却することができます。^{[ 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却装置に類似していました。

原則

一般的な吸収式冷蔵庫では、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、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 つ目の流体、つまり吸収剤、つまりそれぞれ水（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。つまり、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。流体以外の可動部品はありません。

1: ボイラー 2: 分離室 3: アンモニアの少ない水逆配管 4: アンモニア凝縮器 5: 圧力バランス管 6: 液体アンモニア管 7: 蒸発器（キャビネット内） 8: アンモニアガス管 9: 吸収器（水がアンモニアを吸収する）

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（例えば冷蔵室）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：第二の流体は、空乏状態にある冷媒を吸収し、低い分圧を提供します。これにより冷媒飽和液が生成され、次のステップへと流れます。
• 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（例えば周囲の常温の空気）に伝達し、高い位置で凝縮します。凝縮した（液体の）冷媒は重力によって蒸発段階に供給されます。

このシステムは、通常のポンプを使用せずに、液体の機械的な循環を静かに実現します。凝縮発生時の圧力上昇を回避するため、通常は第3の流体であるガスが追加されます（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出すことで動作します。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。冷媒を圧縮する際には、このエネルギーを用いてガスに仕事を行い、ガスの温度を上昇させます。高温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、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（スロットルバルブまたはジュール・トムソン弁とも呼ばれます）を介して低圧蒸発器へ移動します。膨張弁は冷媒を部分的に蒸発させ、蒸発冷却によって冷却します。そして、生成され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気化します。気化し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。

シンプルな塩と水のシステム

大規模な商業プラントで一般的に使用されているシンプルな吸収冷凍システムは、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。冷却対象となるコイルから低圧の水が蒸発し、その水は臭化リチウム水溶液に吸収されます。このシステムは、熱によって臭化リチウム水溶液から水を追い出します。^{[ 5 ]}

水噴霧吸収冷凍

水噴霧吸収システム

別の方法では、空気、水、そして塩水溶液を使用します。取り込んだ暖かく湿った空気は、塩水溶液を噴霧した箇所を通過します。噴霧によって湿度は低下しますが、温度に大きな変化はありません。湿度が低く暖かい空気は、次に、真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。冷却された空気から湿気は、再び塩水溶液を噴霧することで除去され、冷たく乾燥した空気が排出されます。

食塩水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。食塩水から蒸発した水は再び凝縮され、蒸発冷却器へと戻されます。

単圧吸収冷凍機

家庭用吸収式冷蔵庫1. 水素が液体アンモニアとともにパイプに入ります。 2. アンモニアと水素が内部コンパートメントに入ります。 容積の増加により、液体アンモニアの分圧が低下します。 アンモニアが蒸発し、液体アンモニアから熱を奪って (ΔH _Vap ) 温度が下がります。 熱は冷蔵庫の内部のより高温の部分からより低温の液体へと流れ、さらなる蒸発を促進します。3. アンモニアと水素が内部コンパートメントから戻り、アンモニアは吸収装置に戻って水に溶解します。 水素は自由に上昇します。4. アンモニアガスの凝縮 (パッシブ冷却)。5. 高温のアンモニアガス。6. 水からアンモニアガスを断熱して蒸留します。7. 電気熱源。8. 吸収容器 (水とアンモニア溶液)。

上のラベル付き画像と同等のタイプのドメティック吸収式冷蔵庫の熱画像。色は相対的な温度を示し、青は低温、赤は高温です。熱源（7）は断熱部（6）内に完全に収容されています。

単圧吸収式冷凍機は、液体の蒸発速度が液体上に存在する蒸気の分圧に依存し、分圧が低いほど蒸発速度が上昇するという事実を利用しています。システム全体の全圧を一定に保ちながら、冷凍機内部の低温部分から熱を奪う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、冷凍機外部の常温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。このサイクルは閉ループ構造で、水素、水、アンモニアはすべて回収され、無限に再利用されます。システムは加圧されており、アンモニアの沸点が凝縮コイル（外気よりも高温になることで冷蔵庫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、余分な空間はガス状の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。アンモニアは蒸発する際に液体から少量の熱を奪い、液体の温度を下げます。アンモニアは蒸発を続け、その間に大きな蒸発エンタルピー（熱）が、より温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、アンモニアガスを水素から分離して再利用できるようにします。

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器へと流れます。吸収器では、この混合ガスが水（厳密には、アンモニアの薄い水溶液）と接触します。アンモニアガスは水に溶解しますが、溶解しない水素は吸収器の上部に集まり、底部にはアンモニアと水の強い水溶液が残ります。こうして水素は分離され、アンモニアは水に溶解した状態になります。
2. 次のステップでは、アンモニアと水を分離します。アンモニア水溶液は発生器（ボイラー）に流れ込み、加熱することでアンモニアを蒸発させ、沸点の高い水の大部分を残します。アンモニアには水蒸気と泡が混ざった状態で残りますが、この水は最終分離工程で分離器（セパレーター）を通過することで除去されます。セパレーターは、泡を破裂させるための小さな障害物を備えた、上り坂に続くねじれたパイプで構成されています。これにより水蒸気は凝縮し、発生器に戻ります。

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気へ熱を伝達します。外気はアンモニアの沸点よりも低いため、凝縮します。凝縮された（液体の）アンモニアは下方に流れ、吸収工程から放出された水素ガスと混合され、このサイクルを繰り返します。

参照

• 吸着冷凍
• アイシーボール
• 量子吸収冷凍機

参考文献

1. Granryd, Eric; Palm, Björn (2005)、「4-3」、冷凍工学、ストックホルム：王立工科大学
2. 「RV用冷蔵庫」。2025年7月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2025年9月3日閲覧。
3. US 1781541、アインシュタイン & シラード、「冷凍」、1930 年 11 月 11 日発行 
4. Grosser, Adam (2007年2月). 「アダム・グロッサーと彼の持続可能な冷蔵庫」 . TED . 2018年9月18日閲覧。
5. Sapali, S. N. (2009年2月11日). 「臭化リチウム吸収冷凍システム」.冷凍空調学教科書. ニューデリー: PHIラーニング. 258ページ. ISBN 978-81-203-3360-4。

さらに読む

• 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 .

外部リンク

• 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の図解付き説明
• 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（AHRI）. 「吸収式冷凍機に関するAHRI規格560-2000」（PDF） .オリジナル（PDF）から2012年10月31日にアーカイブ。 2012年3月31日閲覧。