JP2003144855A - 膜分離装置および膜分離利用吸収式冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分離膜モジュールを多段に組み合わせて高濃度
溶液が処理できる装置，およびこの分離装置を利用して
冷媒と吸収剤の分離を行い，環境温度の熱源だけを利用
して目的の媒体の冷却や加熱を行う吸収式冷凍機を提案
する． 【解決手段】逆浸透膜の両側に濃度差の小さい高濃度溶
液を流すことで，高圧溶液から低圧溶液へ溶媒の移動が
起こり，低圧溶液の濃度を下げることができる．この操
作を連続的に行うことで，高濃度溶液の処理ができる．
また，この分離装置を利用すれば，吸収式冷凍機におい
て，高温熱源を利用せず，冷媒と吸収剤を分離できる．
そして，再生器と凝縮器が不要であるため装置を小型に
できる．分離された冷媒液は膨張弁で減圧された後，蒸
発器で蒸気となり，吸収器に戻る．吸収剤は減圧弁を経
て吸収器に戻り，冷媒蒸気を吸収する．冷却目的の場
合，蒸発器で目的の媒体が冷却され，加熱目的の場合，
吸収器で目的の媒体が加熱される．

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、多段に組み合わ
せた分離膜を用いて高濃度溶液から溶媒を分離する装
置、および低濃度の溶液から高濃度の溶液を分離する装
置に関するものである。また、この分離装置を使って冷
媒と吸収剤を分離する吸収式冷凍機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の逆浸透膜装置では、溶液の持つ浸
透圧以上の圧力を加えることにより、逆浸透膜を通して
溶媒を分離する。しかし、逆浸透膜には膜の種類に依存
して最高使用圧力があり、それ以上の圧力はかけられな
い。

【０００３】また、従来の吸収式冷凍機では、溶液ポン
プで昇圧した冷媒と吸収剤の混合溶液を、再生器におい
て高温熱源で加熱して冷媒蒸気を取り出し、それを凝縮
器で冷却して冷媒液を作り出す。その冷媒液は膨張弁で
減圧され蒸発器に入り、蒸発しながら被冷却媒体を冷却
して蒸気となる。蒸気となった冷媒は吸収器に入り、被
加熱媒体に吸収熱を放出しながら、吸収剤に吸収されて
液化する。そして冷媒と吸収剤の混合溶液は溶液ポンプ
で昇圧され、サイクルを繰り返す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、従来の膜
分離装置では最高使用圧力以上の浸透圧を持つ高濃度溶
液を処理することができないものであった。

【０００５】また、従来の吸収式冷凍機では溶液ポンプ
を運転する電気エネルギーのほかに高温熱源が必要にな
る欠点がある。そして、装置を構成する熱交換器とし
て、凝縮器と蒸発器のほかに吸収器や再生器が必要にな
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。

【０００６】なお、冷媒と吸収剤の混合溶液の濃度は高
く、従来の膜分離装置では混合溶液から冷媒を分離する
ことができない。

【０００７】本発明は、従来の膜分離装置が有している
このような問題を解決し、高濃度溶液の処理ができる膜
分離装置を実現しようとするものである。また、この膜
分離装置を利用することで、従来の吸収式冷凍機が有し
ている問題を解決し、小型で高温熱源を必要としない、
新しい吸収式冷凍機を実現しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】浸透圧は浸透膜の両側に
ある溶液の濃度差によって決まり、浸透圧は濃度差が大
きくなれば大きくなり、濃度差が小さくなれば小さくな
る。したがって、逆浸透膜の両側に濃度差の小さい溶液
を流せば、比較的小さな圧力差で高圧側から低圧側に溶
媒の移動が起こり、高圧の溶液の濃度は高くなり、低圧
の溶液の濃度は小さくなる。

【０００９】この操作を複数段階に分けて行うことで、
浸透圧以下の低圧で高濃度溶液から低濃度溶液や溶媒を
分離すること、および低濃度溶液から高濃度溶液を分離
することが可能となる。

【００１０】図１は本発明の請求項１の分離装置であ
り、浸透圧の高い高濃度溶液から低濃度溶液を浸透圧よ
り低い圧力で分離する方法を示している。

【００１１】装置の、作動原理は以下のとおりである。 (イ)第１段目の溶液ポンプ(１)により昇圧された高圧の
高濃度溶液は、第１段目の分離膜モジュールに入り、最
終段の溶液ポンプと第２段目の溶液ポンプとにより吸入
された低圧の高濃度溶液は、他方から第１段目の分離膜
モジュールに入る。 (ロ)そこでは、逆浸透圧により、高圧溶液から低圧溶液
へ溶媒の移動が起こり、その結果、低圧溶液の濃度が低
下する。 (ハ)濃度低下した溶液の一部は、第２段目の溶液ポンプ
により昇圧され第２段目の分離膜モジュールに入り、残
りの溶液は、低圧のまま第２段目の分離膜モジュールに
入る。 (ニ)第２段目の分離膜モジュールにおいても、逆浸透圧
により高圧の溶液から低圧の溶液へ溶媒の移動が起こ
り、低圧の溶液の濃度がさらに低下する。 (ホ)濃度低下した低圧の溶液に対して、（ハ）から
（ニ）の過程を複数段繰り返すことにより、目的の濃度
の低濃度溶液を製造することができる。

【００１２】図２は本発明の請求項２の分離装置であ
り、上述の（ホ）で製造された低濃度溶液を昇圧し、従
来型の膜分離装置を用いて溶媒を製造することができ
る。

【００１３】図３は本発明の請求項３の分離装置であ
り、低濃度溶液から浸透圧の高い高濃度溶液を浸透圧よ
り低い圧力で分離する方法を示している。

【００１４】装置の、作動原理は以下のとおりである。 (イ)溶液ポンプ(１)により昇圧された高圧の低濃度溶液
は二つに分けられ、一方は高圧のまま第１段目の分離膜
モジュールに入り、他方は減圧弁で圧力を下げられ低圧
の溶液となり、第１段目の分離膜モジュールに入る。 (ロ)そこでは、逆浸透圧により、高圧溶液から低圧溶液
へ溶媒の移動が起こり、その結果、高圧溶液の濃度が高
くなる。 (ハ)濃度が高くなった高圧の溶液は、さらに二つに分け
られ、一方は高圧のまま第２段目の分離膜モジュールに
入り、他方は減圧弁で圧力を下げられて低圧の溶液とな
り、第２段目の分離膜モジュールに入る。 (ニ)第２段目の分離膜モジュールにおいても、逆浸透圧
により、高圧溶液から低圧溶液へ溶媒の移動が起こり、
その結果、高圧溶液の濃度がさらに高くなる。 (ホ)濃度上昇した高圧の溶液に対して、（ハ）から
（ニ）の過程を複数段繰り返すことにより、目的の濃度
の高濃度溶液を製造することができる。

【００１５】図４は請求項４の吸収式冷凍機およびヒー
トポンプの作動原理を示したものであり、本発明の分離
装置を使用して、冷媒と吸収剤の混合溶液から冷媒と吸
収剤の分離を行う分離装置を有する吸収式冷凍サイクル
の系統図である。

【００１６】代表的な冷媒と吸収剤の組合せには、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がある。

【００１７】水を冷媒とし、臭化リチウム水溶液を吸収
剤とする場合は、請求項１または請求項２の分離装置を
使用して、高濃度臭化リチウム水溶液から低濃度臭化リ
チウム水溶液または水を分離し、冷媒として使用する。

【００１８】アンモニアを冷媒とし、水を吸収剤とする
場合は、請求項３の分離装置を使用して、アンモニア水
溶液から高濃度アンモニア水溶液を分離し、冷媒として
使用する。

【００１９】図４に示す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)により昇圧される。 (ロ)昇圧された混合溶液は、本発明の分離装置(３)によ
り吸収剤と冷媒液とに分離される。 (ハ)分離装置(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)分離装置(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。

【００２０】図５および図６は、請求項５の吸収式冷凍
機およびヒートポンプの作動原理を示したものであり、
本発明の分離装置を使用して、低濃度溶液から吸収剤と
なる高濃度溶液の分離を行う分離器を有する吸収式冷凍
サイクルの系統図である。

【００２１】水または低濃度臭化リチウム水溶液を冷媒
とし、高濃度臭化リチウム水溶液を吸収剤とする場合
は、請求項３の分離装置を使い、低濃度臭化リチウム水
溶液から高濃度臭化リチウムを分離して吸収剤として使
用する。

【００２２】図５に示す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)により低濃度溶液タンク(９)に送ら
れる。 (ロ)低濃度溶液は溶液ポンプ(１０)により昇圧され、本
発明の分離装置(３)により吸収剤が分離される。 (ハ)昇圧された低濃度溶液の一部は冷媒として使用さ
れ、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)分離装置(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。

【００２３】図５に示す吸収式冷凍機において、高純度
の冷媒が必要となる場合は、図６に示すように、溶液ポ
ンプ(１０)で昇圧された低濃度溶液を分離装置(１１)に
送り高純度の冷媒を分離して蒸発器(５)に送る。

【００２４】図４、図５、および図６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。

【００２５】図４、図５、および図６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場合には、
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、蒸発器では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。

【００２６】

【実施の形態】本発明の分離装置は、膜分離が可能であ
る全ての溶液に対して原理的に適用できる。

【００２７】分離装置における逆浸透膜には、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。

【００２８】モジュールの形式は、プレート式や二重管
式、多管式などが有望である。

【００２９】本発明の請求項１および請求項２の装置
は、高濃度廃液などの水処理に使用できる。

【００３０】本発明の請求項３の装置は、海水からの製
塩において、濃縮海水の製造に使用できる。

【００３１】本発明の請求項３の装置は、溶液中の有用
物濃縮回収などに使用できる。

【００３２】本発明の請求項１、請求項２、請求項３の
装置において、減圧弁の代わりに動力回収機を設置して
高圧溶液のエネルギーを回収して、そこで得られたエネ
ルギーを次の段の分離膜モジュールに送られる高圧溶液
の昇圧に利用し、エネルギー回収を行うことで、装置の
エネルギー効率を高めることができる。

【００３３】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。

【００３４】代表的な冷媒と吸収剤の組合せには、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があり、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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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

【００４２】本発明は、減圧弁の種類に依存しない。ま
た、減圧弁の代わりにキャピラリーチューブなども使用
できる

【００４３】本発明は、溶液ポンプの種類に依存しな
い。

【００４４】図４、図５、および図６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。また、ヒートポンプの場合には吸収器での放
熱量を増加させることができる。図７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。

【００４５】本発明の請求項４および請求項５の装置に
おいて、減圧弁および膨張弁の代わりに動力回収機を設
置して高圧溶液のエネルギーを回収し、そこで得られた
エネルギーを溶液の昇圧に利用し、エネルギー回収を行
うことで、装置のエネルギー効率を高めることができ
る。

【００４６】

【発明の実施例】本発明の吸収式冷凍機および吸収式ヒ
ートポンプは、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

【００４７】

【発明の効果】本発明の分離装置は、低圧で高濃度溶液
の処理や濃縮ができるのでさまざまな工業分野での応用
が期待できる。

【００４８】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、などが期待される。

【００４９】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】多段分離膜モジュールを用いて高濃度溶液から
低濃度溶液を分離する作動原理を示す図である。

【図２】多段分離膜モジュールで得られた低濃度溶液か
ら高純度溶媒を分離する作動原理を示す図である。

【図３】多段分離膜モジュールを用いて低濃度溶液から
高濃度溶液を分離する作動原理を示す図である。

【図４】本発明の分離装置を組入れた吸収式冷凍サイク
ルの作動原理を示す図である。

【図５】本発明の分離装置および低濃度溶液タンクを組
入れた吸収式冷凍サイクルの作動原理を示す図である。

【図６】本発明の分離装置、低濃度溶液タンクおよび冷
媒分離装置を組入れた吸収式冷凍サイクルの作動原理を
示す図である。

【図７】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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分離膜の両側に、濃度差の小さい高濃度溶
   液を流す分離膜モジュールを多段に組み合わせることに
   より、浸透圧の高い高濃度溶液から、浸透圧より低い圧
   力で、低濃度溶液を分離する装置。
2. 【請求項２】請求項１の装置に、低濃度溶液から溶媒を
   分離する分離膜モジュールを組み合わせることにより、
   浸透圧の高い高濃度溶液から浸透圧より低い圧力で溶媒
   を分離する装置。
3. 【請求項３】分離膜の両側に、濃度差の小さい低濃度溶
   液を流す分離膜モジュールを多段に組み合わせることに
   より、低濃度溶液から浸透圧の高い高濃度溶液を浸透圧
   より低い圧力で分離する装置。
4. 【請求項４】請求項１、請求項２、または請求項３の多
   段膜分離装置を利用して、混合溶液から冷媒を分離する
   分離装置を有する吸収式冷凍機および吸収式ヒートポン
   プ。
5. 【請求項５】請求項１、請求項２、または請求項３の多
   段膜分離装置を利用して、混合溶液から吸収剤を分離す
   る分離装置を有する吸収式冷凍機および吸収式ヒートポ
   ンプ。