JP2003075014A - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】吸収式冷凍サイクルにおいて，高温の熱源を必
要とせず，一つの熱源のみを利用して目的の媒体の冷却
や加熱を行う方法および装置を小型化する方法を提案す
る． 【解決手段】冷媒と吸収剤の混合溶液をポンプで昇圧し
た後，膜分膜を利用して冷媒と吸収剤を分離する．分離
された冷媒液は膨張弁で減圧された後，蒸発器に入り，
吸収剤は減圧弁を経て吸収器に戻る．冷媒液は蒸発器で
加熱媒体から吸熱しながら蒸発し，冷媒蒸気は吸収器に
入り，吸収剤に吸収される．その際，吸収熱および凝縮
潜熱は冷却媒体に放出される．冷却目的の場合，蒸発器
で目的の媒体が冷却され，吸収器で発生する熱は環境温
度の水や空気に放出される．加熱目的の場合，吸収器で
発生する熱が目的の媒体の加熱に利用され，蒸発器では
環境温度の水や空気により冷媒が加熱されて蒸発する．
また，再生器と凝縮器が不要であるため装置を小型にす
ることができる．

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、冷媒を吸収剤で
吸収して溶液ポンプにより加圧する吸収式冷凍機および
吸収式ヒートポンプにおいて、冷媒と吸収剤を分離膜で
分離する分離器を有する吸収式冷凍機および吸収式ヒー
トポンプに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】図１は従来使用されている吸収式冷凍機
の基本的な作動原理を表したものである。従来の吸収式
冷凍機の作動原理は以下のとおりである。 (イ)吸収器(１)で生成される冷媒と吸収剤の混合溶液
は、溶液ポンプ(２)により昇圧され、再生器(３)に送ら
れる。 (ロ)再生器(２)では、高温熱源(９)から供給された熱に
より混合溶液は冷媒蒸気と吸収剤に分離され、冷媒蒸気
は凝縮器(４)に、吸収剤は吸収器(１)に入る。 (ハ)凝縮器(４)で冷却媒体(１０)に熱を放出し凝縮した
冷媒液は、膨張弁(５)を経て蒸発器(６)に入る。 (ニ)蒸発器(６)で加熱媒体から熱を受け取り、蒸発した
冷媒蒸気は吸収器(１)に入る。 (ホ)吸収器(１)で冷媒蒸気は吸収剤に吸収され、液化さ
れる。その際、吸収熱および凝縮潜熱は冷却媒体に放出
される。 (ヘ)吸収器(１)で生成された冷媒と吸収剤の混合溶液は
再び溶液ポンプ(２)に送られ、(イ)の過程に戻り、サイ
クルを繰り返す。 【０００３】なお、エネルギー効率を高めるために、熱
回収熱交換器(７)において再生器に入る前の混合溶液を
再生器から吸収器に戻る吸収剤を用いて予熱することが
一般的に行われる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】以上に述べた従来の吸
収式冷凍機では、再生器において冷媒を吸収した溶液か
ら再び蒸気を発生させるために高温の加熱源を利用して
いる。したがって、吸収式冷凍機を運転する際に溶液ポ
ンプを運転する電気エネルギーの他に、高温熱源を発生
させるための電気エネルギーや燃料の燃焼エネルギー、
太陽の熱エネルギーなどを必要とする欠点がある。ま
た、再生器や吸収器、熱回収熱交換器が必要になるた
め、蒸気圧縮式冷凍機に比べて装置が大型になる欠点が
ある。 【０００５】本発明は、分離膜を使用した冷媒分離器を
使用することで環境温度の熱源、すなわち大気中の空気
や水だけを利用して、冷却または加熱を行う方法を提案
すること、およびその方法を使った装置を実現すること
を目的とするものである。 【０００６】 【課題を解決するための手段】図２は本発明の吸収式冷
凍機であり、作動原理は以下のとおりである。 (イ) 吸収器(１)で生成される冷媒と吸収剤の混合溶液
は、溶液ポンプ(２)により昇圧される。 (ロ)昇圧された混合溶液は、冷媒分離器(３)により吸収
剤と冷媒液に分離される。 (ハ)冷媒分離器(３)で分離された冷媒液は、膨張弁(４)
で減圧された後に蒸発器(５)に入り、加熱媒体(７)から
熱を受け取り冷媒蒸気となり、吸収器(１)に入る。 (ニ)冷媒分離器(３)で分離された吸収剤は、減圧弁(６)
で減圧された後に吸収器に入る。 (ホ)吸収器(１)で冷媒蒸気は吸収剤に吸収され、液化さ
れる。その際に発生する吸収熱は冷却媒体に放出され
る。 (ヘ) 吸収器(１)で生成された冷媒と吸収剤の混合溶液
は再び溶液ポンプ(２)に送られ、(イ)の過程に戻り、サ
イクルを繰り返す。 【０００７】このように、本発明の吸収式冷凍機では、
図１に示す従来の吸収式冷凍機に比べて、再生器におけ
る高温熱源、凝縮器における冷却媒体が不要となる。ま
た、再生器、凝縮器、熱回収熱交換器が不要となること
で装置を小型化することができる。 【０００８】本発明のサイクルを吸収式冷凍機として冷
却効果を発生させる場合には、蒸発器での加熱媒体から
の吸熱、すなわち被冷却媒体の冷却が目的となり、吸収
器で発生する吸収熱は冷却媒体、すなわち環境温度の空
気や水に放熱する。 【０００９】本発明のサイクルを吸収式ヒートポンプと
して加熱効果を発生させるためには、吸収器での冷却媒
体への放熱、すなわち被加熱媒体の加熱が目的となり、
蒸発器での加熱媒体からの吸熱、すなわち環境温度の空
気や水から熱供給を受ける。 【００１０】 【実施の形態】本発明の吸収式冷凍サイクルは、膜分離
が可能である全ての冷媒と吸収剤の組合せに対して原理
的に適用できる。 【００１１】代表的な冷媒と吸収剤の組合せは、冷媒に
水を吸収剤に臭化リチウム水溶液を使用するもの、冷媒
にアンモニアを吸収剤に水を使用するものである。 【００１２】その他の冷媒と吸収剤の組合せには、メチ
ルアミンを冷媒とし、エチレングリコールやチオシアン
酸リチウム、チオシアン酸ナトリウム、水、臭化リチウ
ムなどを吸収剤とするもの、アルコール類を冷媒とし、
臭化リチウム、ジメチルエーテルテトラエチレングリコ
ールなどを吸収剤とするものなどがある。 【００１３】水と臭化リチウム水溶液の組合せでは、溶
解度改善のためヨウ化リチウム、硝酸リチウム、エチレ
ングリコール、塩化亜鉛、チオシアン酸リチウムなど
が、防食のためモリブデン酸リチウム、クロム酸リチウ
ムなどが、吸収促進のため1-オクタノールなどの界面活
性剤が添加される。 【００１４】アンモニアと水の組合せでは、吸収促進の
ため界面活性剤が添加される。 【００１５】水と臭化リチウム水溶液の分離およびアン
モニアと水の分離には、酢酸セルロース膜、架橋ポリア
ミド系複合膜などの逆浸透膜が使用できる。また、モジ
ュールの形式はスパイラルや中空糸などが使用できる。 【００１６】現在の技術で最も有望な分離膜モジュール
は、架橋ポリアミド系複合膜を使用したスパイラル形式
のモジュールであり、他の分離膜に比べて分離効率もよ
く、低圧で運転できるため消費電力が低減できる。 【００１７】逆浸透膜では、水が透過し、その他の物質
は濃縮されて分離膜モジュールを出て行く。 【００１８】水と臭化リチウム水溶液の組合せでは、透
過した水が冷媒として蒸発器に送られ、濃縮された臭化
リチウム水溶液は吸収器に入り、蒸発器から戻る水蒸気
を吸収する。 【００１９】分離器を出る臭化リチウム水溶液の濃度を
高めたい場合には、図３に示すように分離膜モジュール
を複数段組み合わせて使用する。また、図４に示すよう
に各段に流量調節バルブを設置し、各段からの透過水お
よび濃縮溶液の流量を変えることで濃度を調整すること
ができる。また、図３および図４は３段の例であるが、
目的の濃度に応じて段数を増減できる。 【００２０】アンモニアと水の組合せでは、濃縮された
アンモニア水溶液が冷媒として蒸発器に送られ、透過し
た水は吸収器に戻り、蒸発器から戻るアンモニア蒸気を
吸収する。 【００２１】この場合も、分離器を出るアンモニア水溶
液の濃度を高めるために、図３および図４に示すような
複数段の分離膜モジュールが使用できる。なお、アンモ
ニアが冷媒としてしよされるため、アンモニアの濃度を
高めることが特に必要となる。 【００２２】本発明は、冷却媒体の種類に依存しない。
代表的な冷却媒体は、水および空気である。 【００２３】本発明は、加熱媒体の種類に依存しない。
代表的な冷却媒体は、水および空気である。 【００２４】本発明は、蒸発器の種類に依存しない。代
表的な蒸発器は、シェルアンドチューブ型、プレート
型、プレートフィン型、二重管型、フィンチューブ型な
どである。 【００２５】本発明は、吸収器の種類に依存しない。代
表的な吸収器は、シェルアンドチューブ型、プレート
型、プレートフィン型、二重管型、フィンチューブ型な
どである。 【００２６】本発明は、膨張弁の種類に依存しない。ま
た、膨張弁の代わりにキャピラリーチューブなども使用
できる。 【００２７】本発明は、減圧弁の種類に依存しない。ま
た、減圧弁の変わりにキャピラリーチューブなども使用
できる。 【００２８】本発明は、溶液ポンプの種類に依存しな
い。 【００２９】冷媒分離器から出る吸収剤は高圧であるの
で、そのエネルギーを動力として回収し、溶液の昇圧に
利用することができる。図５はその方式を示したもので
ある。 【００３０】冷媒分離器から出る冷媒液は高圧であるの
で、そのエネルギーを動力として回収し、溶液の昇圧に
利用することができる。図６はその方式を示したもので
ある。 【００３１】冷媒分離器から出る高圧の吸収剤と冷媒の
両方のエネルギーを動力として回収し、溶液の昇圧に利
用することができる。図７はその方式を示したものであ
る。 【００３２】図２に示した発明では、蒸発器と吸収器の
圧力がほぼ等しいため、蒸発温度と吸収温度の差はその
冷媒と吸収剤との組合せおよび濃度差により決まる沸点
上昇分の温度差しかなく、加熱媒体と冷却媒体との温度
差に制限が生じる。すなわち、吸収器の冷却媒体として
環境温度の水または空気を利用する場合には、蒸発器で
得られる被冷却媒体の温度が制限を受ける。また、蒸発
器の加熱媒体として環境温度の水または空気を利用する
場合には、吸収器で得られる被加熱媒体の温度が制限を
受ける。 【００３３】図８はその制限を緩和し、サイクルの運転
範囲を広げるために改良された吸収式冷凍サイクルの図
である。本発明では、蒸発器と吸収器の間に圧縮機を組
入れて、蒸発器の圧力を吸収器の圧力より低くすること
で、蒸発温度と吸収温度との差を大きくすることができ
る。 【００３４】図８に示した発明では、圧縮機動力を外部
から加える必要があり、エネルギー効率が低下する。 【００３５】図９はエネルギー効率を高めるために、冷
媒分離器と吸収器の間に動力回収機を組入れたサイクル
の図である。冷媒分離器から出るる高圧の吸収剤から動
力を回収して、それを圧縮機の動力として使うことでエ
ネルギー効率を高めることができる。 【００３６】図１０はエネルギー効率を高めるために、
冷媒分離器と蒸発器の間に動力回収機を組入れたサイク
ルの図である。冷媒分離器から出るる高圧の冷媒から動
力を回収して、それを圧縮機の動力として使うことでエ
ネルギー効率を高めることができる。 【００３７】図１１はエネルギー効率を高めるために、
冷媒分離器と吸収器の間および冷媒分離器と蒸発器の間
に動力回収機を組入れたサイクルの図である。冷媒分離
器から出るる高圧の吸収剤および冷媒から動力を回収し
て、それを圧縮機の動力として使うことでエネルギー効
率を高めることができる。 【００３８】図９、図１０、図１１に示す吸収式冷凍サ
イクルでは、圧縮機に投入できる動力が動力回収機での
回収動力以下であるという制限を受ける。これを改善す
るために、動力回収機からの動力に加えて、外部から圧
縮機に電力などの動力を加えることで、より広い範囲で
圧力を制御することができる。 【００３９】図１２は図２で示した吸収式冷凍機を２段
に組合せ、冷却媒体と加熱媒体の温度差を大きくしたも
のである。第１段の冷凍機の吸収器での放熱を第２段の
冷凍機の蒸発器で吸熱することで、第１段の吸収器の温
度が下がる。それによって、第１段の冷凍機での蒸発温
度をさらに下げることができる。 【００４０】また、このシステムをヒートポンプとして
使えば、より高温の熱源の加熱が行える。 【００４１】図２から図１２に示した吸収式冷凍サイク
ルにおいて、冷媒液予冷器を組込み、蒸発器から出る低
温の冷媒蒸気を利用して膨張弁に入る冷媒液を冷却する
ことで、蒸発器での吸熱量を増加させることができる。
図１３は冷媒予冷器の組込み例を示したものである。冷
媒予冷器は膨張弁に入る前に設置し、蒸発器から出る低
温の冷媒蒸気を利用して膨張弁に入る冷媒液を冷却す
る。 【００４２】 【発明の実施例】本発明は、冷却または加熱を必要とす
るあらゆる対象に適用できるものである。なお、具体的
な実施例として以下のものがある。 (イ)一般家庭用および業務用の空調システムにおける加
熱冷却装置。 (ロ)ビルおよび大型建造物の空調システムにおける加熱
冷却装置。 (ハ)一般家庭用および業務用の冷蔵庫や冷凍庫の冷却装
置。 (ニ)冷蔵倉庫および冷凍倉庫などにおける冷却装置。 (ホ)食品などの冷凍、冷蔵および凍結のための冷却装
置。 (ヘ)冷水やブラインをつくるチリングユニットの冷却装
置。 (ト)氷を製造する機械の冷却装置。 (チ)自動車や列車、飛行機など乗り物における空調シス
テムの加熱冷却装置。 (リ)車両用や船舶用などの運輸における冷蔵冷凍庫の冷
却装置。 (ヌ)冷凍コンテナおよび保冷コンテナの冷却装置。 (ル)小型冷蔵庫およびクーラーボックスなどの冷却装
置。 (ヲ)除湿機の加熱冷却装置。 (ワ)給湯器における加熱装置。 (カ)給湯と冷水を同時に製造する装置。 【００４３】 【発明の効果】本発明の吸収式冷凍サイクルは、高温の
熱源からの熱供給を必要としないことと装置を小型化で
きることから、一般に普及しやすいこと、装置のエネル
ギー効率が高くなることが期待される。 【００４４】また、従来の冷凍空調機は蒸気圧縮式のも
のが多く、そこではオゾン層破壊や地球温暖化の問題と
なるフロン系の冷媒が多く使用されているが、本発明の
吸収式冷凍機は従来の冷凍空調機に代わりえるものであ
り、オゾン層破壊や地球温暖化に影響を及ぼさない冷媒
や吸収剤が使用できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】従来の吸収式冷凍サイクルの作動原理を示す図
である。 【図２】本発明の吸収式冷凍サイクルの作動原理を示す
図である。 【図３】分離膜モジュールを複数段組み合わせた場合の
例を示す図である。 【図４】分離膜モジュールを複数段組み合わせたものに
濃度を調節するための流量調整弁を設置した例を示す図
である。 【図５】冷媒分離器と吸収器の間に動力回収機を設置し
て溶液の昇圧に利用したサイクルの図である。 【図６】冷媒分離器と蒸発器の間に動力回収機を設置し
て溶液の昇圧に利用したサイクルの図である。 【図７】冷媒分離器と吸収器の間および冷媒分離と蒸発
器の間に動力回収機を設置して溶液の昇圧に利用したサ
イクルの図である。 【図８】本発明の吸収式冷凍サイクルに蒸発器と吸収器
の間に圧縮機を組入れたサイクルの図である。 【図９】本発明の吸収冷凍サイクルに冷媒分離器と吸収
器の間に動力回収機を蒸発器と吸収器の間に圧縮機を組
入れたサイクルの図である。 【図１０】本発明の吸収冷凍サイクルに冷媒分離器と蒸
発器の間に動力回収機を蒸発器と吸収器の間に圧縮機を
組入れたサイクルの図である。 【図１１】本発明の吸収冷凍サイクルに冷媒分離器と吸
収器の間および冷媒分離器と蒸発器の間に動力回収機を
蒸発器と吸収器の間に圧縮機を組入れたサイクルの図で
ある。 【図１２】本発明の吸収式冷凍サイクルを２段に組合わ
せた場合のサイクルの図である。 【図１３】本発明の吸収式冷凍サイクルに冷媒予冷器を
組入れる方法を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】分離膜を使用して冷媒と吸収剤の分離を行
   う吸収式冷凍機および吸収式ヒートポンプ。