JP2007514127A - 吸収式冷凍機／加熱機の多段再生器のための高効率乱流発生器 - Google Patents

Abstract

排気により作動する吸収式冷凍機／加熱機の多段再生器に使用するための乱流発生器（４０）が開示される。乱流発生器（４０）は、乱流発生器（４０）における圧力低下を最小にし、こうして排気源への効率損失を最小にするように設計されている。乱流発生器の一設計は、中央ウェブ（４８）に対して非垂直の角度で延在する複数のフランジ（５０，６０）を有する。さらに、フランジのいくつかは切欠き部分（５８）を有する。全体的な乱流発生器設計は、さもなければ望ましくない圧力低下を生じさせる乱流発生器ブレードの下流の伴流を最小にすることを目的とする。乱流発生器の第二実施例（７０）は、中央ウェブ（７２）に対して垂直角度で延在するフランジ（７４，７６，７８）を備えるが、フランジは非矩形の断面形状を有する。

Description

本発明は、乱流発生器における圧力低下の軽減が重要である環境で利用される乱流発生器に関連する。特に好適な用途の一つは、熱源がマイクロタービンなどのエンジンの排気である吸収式冷凍機／加熱機のための多段再生器である。

冷媒吸収サイクルは、建物内での環境温度制御のための冷水または温水源を提供するために数十年にわたって使用されてきた。周知のように、冷媒吸収サイクルの吸収器と蒸発器はそれぞれ、ＬｉＢｒ溶液などの濃縮吸収流体と、別の冷媒（たいていは水）を選択的に受け入れる。吸収流体は、吸収器の独立チューブセットへ選択的に投入されて、蒸発器から発生した冷媒蒸気を吸収する。吸収流体と冷媒の両方を含有する希釈溶液は、次に、加熱・濃縮された吸収流体を発生させるため再生器へ戻る。再生器では、作動熱源が冷媒蒸気を混合流体から蒸発させる。再生器からは、吸収流体と、除去された冷媒蒸気とがそれぞれ、吸収器と蒸発器へ別々に戻る。

上記は、複雑なシステムをごく単純に記したものである。しかし、本出願においては、システムの詳細は周知である。さらに、上述したシステムは冷水を提供するが、吸収サイクルは建物の暖房のため温水を提供するのにも利用される。本発明はこのようなシステムにも及ぶ。本出願では、吸収式冷凍機と吸収式加熱機は、特許請求の範囲では「吸収溶液／冷媒システム」として大まかに定義されるものとする。当業者であれば、平行吸収加熱機システム、そしてこのようなシステムが開示された冷凍機システムとどのように異なっているかを理解するだろう。

これらのシステムは、加熱された排気を、「煙管」として知られる数本の通路へ送る。煙管は、吸収流体へ熱を伝達するため煙管の周囲に吸収混合物を連通させる数本の流路の間に配置されている。

従来技術では、乱流発生器は細長い部材に固定されたブレードを有する。ブレードは一般的に、中央ウェブに対して垂直角度で矩形フランジを有する。ブレードは良好な熱伝達特性を付与する。しかし従来技術では、熱源が専用熱源であった。時には、加熱流体を提供するため、別の独立システムから発生した排熱の供給源を利用するのが有益なことがある。一例を挙げると、熱源を提供するのにマイクロタービンの排気を利用することが望ましい。従来技術の矩形フランジは、その形状と構造の両方において、下流の伴流領域を発生させ、これが煙管における圧力低下を増大させる。この圧力低下の増大は、原動機（つまりマイクロタービン）の上流側で効率の問題を引き起こす。これは望ましくない。

開示される本発明の実施例では、煙管における圧力低下を最小にするための乱流発生器が提案される。好ましくは、乱流発生器の設計は、圧力低下を最小にしながら適切な熱伝達特性を付与するように構成される。

第一実施例において乱流発生器は、細長い接続部材に固定された中央ウェブを有する。中央ウェブは非垂直の角度で延出するフランジを有する。これらのフランジは乱流発生器ブレードを越える伴流を最小にし、こうして圧力低下を軽減する。さらに、最も外側のフランジの内側には、中央ウェブから両方向に延出する一連の切欠き部材が設けられる。乱流発生器ブレードは、接続部材の両側に交互に設けられる。全体的な構造は、乱流発生器における圧力低下が軽減するようなものである。こうして、周知の乱流発生器と比較して圧力低下を増大させることはなく、おそらくは軽減させるように多数のブレードが乱流発生器に取り付けられる。これは良好な熱伝達特性を与える。

第二実施例では、フランジは中央ウェブに対して垂直角度に延在するが、非矩形であって、三角形とすることができる。このようにして、伴流と圧力低下を軽減するという同じ利点が達成される。

本発明の以上および他の特徴は、上記の明細書および図面から最もよく理解することができる。

図１は、吸収式冷凍機／加熱機または「吸収溶液／冷媒システム」を示す。特に、多段（ｈｉｇｈ−ｓｔａｇｅ）再生器２０は熱源２２を受け入れる。好適な実施例において熱源２２は、入口ダクト２４へ排気を供給するマイクロタービンまたは他のなんらかのエンジンでよい。入口ダクト２４は、出口２６へ、出口２６からは下流の大気２８などへ、加熱空気を連通させる。

吸収式冷凍機／加熱機は、吸収溶液と、加熱または冷却される媒体との間で熱が交換される吸収器３０を備える。周知のように、吸収溶液は入口管路３２を通過して、煙管アセンブリ３６へ通じている。煙管アセンブリ３６からは、吸収溶液と蒸発した冷媒とが出口管路３４から排出される。概略図示されているように、流体の流れの詳細は周知の通りである。

図２Ａに見られるように、煙管構造は、各々が乱流発生器１４０を含む複数の通路３８つまり煙管を含む。入口２４からの排気流はこれらの乱流発生器１４０を通過する。乱流発生器の目的は、乱流を発生させて、排気の熱伝達係数を上昇させることである。同図には図示されていないが、通路３８の周囲に配置された通路を吸収溶液が通過するので、通路３８から吸収溶液へ熱が伝達されることは、当該技術では周知である。

図２Ｂは従来技術の乱流発生器を示す。理解できるように、従来技術の乱流発生器１４０は、中央ウェブ１４４に対して垂直つまり直角に延在するフランジ１４６，１４８，１５０を備えるブレード１４３を備える。

ブレード１４３は、細長い中央接続部材１４２に固定されている。フック部材１４１は、周知なように乱流発生器１４０を通路３８内に固定する。最も内側のフランジ１４８，１５０は中央ウェブ１４４に対して反対方向にそれぞれ延在し、垂直でかつ矩形である。最も外側のフランジ１４６は概ね矩形であるが、最も外側の端部に切欠き１４７を有する。見て分かるように、ブレード１４３は、細長い接続部材１４２の反対側にそれぞれ交互に取り付けられている。図２Ａ〜図２Ｃに図示された乱流発生器１４０は確かに良好な熱伝達特性を提供するが、ブレードの下流に伴流領域を発生させ、そのため望ましくない大きな圧力低下を引き起こす。図２Ｃは、ブレード１４３上のフランジ１４６，１４８と中央ウェブ１４４の構造を示す。

図３は、本発明による乱流発生器４０を示す。乱流発生器４０は中央接続部材４２を含む。フック４６は、通路３８内に乱流発生器を固定するのに役立つ。ブレード４７は中央ウェブ４８を含む。中央ウェブは、傾斜端部５２と頂部５４とを有する第１フランジ５０を有する横方向における最も外側の端部まで延在する。内側端部５５はフランジ５０の最終形状を成す。さらに、フランジ５６が中央ウェブ５５から延出し、非矩形である。図示されているように、フランジ５６には矩形の切欠き５８が形成されている。だが、第３フランジ６０も矩形の切欠き５８を有する。第３フランジ６０は、ブレード４８が接続部材４２に溶接された時に接続部材４２と概ね整列する。同図から理解できるように、この実施例では、ブレード４８，４９が接続部材４２の反対側にそれぞれ交互に配置されている。

図４に（図３にも）見られるように、フランジ６０，５６，５０はすべて中央ウェブ５５に対して非垂直の角度で延在している。一実施例の角度は、中央ウェブの平面に対して３０°と４５°の間である。

ブレード４８のさらなる詳細は、図５から理解できる。

図６は別の乱流発生器の実施例７０を示す。乱流発生器７０は、中央ウェブ７２と最も外側のフランジ７４とを有する。理解できるように、最も外側のフランジ７４は概ね非矩形である。フランジ７４，７６，７８の正確な形状は三角形であるが、他の非矩形形状、特にフランジの各側方に切欠きまたは切取部分を有するものも伴流を減少させ、ゆえに圧力低下を軽減するという利点を提供することを理解すべきである。内側フランジ７６は、フランジ７４が延出する方向とは反対の方向に中央ウェブ７２から延出する。同図から理解できるように、好ましくはフランジ７６の断面積はフランジ７４の断面積より小さいが、２枚のフランジ７６が各側方に設けられる。中央フランジ７８も三角形であり、中央ウェブから第１方向に延出している。図７に図示されているように、中央ウェブ７２は、フランジ７４，７６を垂直配向で支持する。

図８に図示されているように、ブレードは第一実施例と同様の方法で中央接続部材８０に取り付けられている。

図９は、従来技術（図２Ａ）と第一実施例（図３）と第二実施例（図８）のいくつかの結果をグラフで示す。見て分かるように、従来技術と比較すると、本発明の乱流発生器では流体摩擦係数が大幅に低下している。これは、圧力低下の軽減という結果につながる。

図１０は、従来技術が、第一実施例４０（図３）よりも高い熱伝達係数を有しうることを示す。しかし、図９に見られる流体摩擦係数の低下のため、本発明の設計では、従来技術の場合よりも多数のブレードを利用することができる。そのため、適切な熱伝達が達成されるのである。

図６には三角形フランジが図示されており、図５には矩形の切欠き以外は矩形である形状が図示されているが、他の矩形以外の形状も本発明の範囲に包含される。

本発明の好適な実施例が開示されたが、ある種の変形が本発明の範囲に包含されることを、当業者であれば理解するだろう。そのため、本発明の真の範囲と内容を判断するには、特許請求の範囲を検討すべきである。

吸収式冷凍機／加熱機の概略図である。 周知の煙管構造を示す説明図である。 図２Ａの構造の詳細を示す説明図である。 図２Ｂの構造の側面図である。 図２Ａの煙管に使用する第一実施例の乱流発生器を示す説明図である。 図３の乱流発生器のブレードの側面図である。 図３のブレードの上面図である。 第二実施例のブレードを示す説明図である。 図６のブレードの側面図である。 組み立てられた第二実施例のブレードの説明図である。 従来技術と二種類の本発明の設計についてブレード数に対する流体摩擦係数を示すグラフである。 第一実施例と従来技術についてブレードの数に対する熱伝達係数を示すグラフである。

Claims (20)

1. 吸収溶液／冷媒システムであって、
   乱流発生器を収容する複数の煙管通路を含み、かつ加熱空気の供給源を受け入れるように接続されているとともに、前記煙管通路の周囲を流れて該煙管通路の加熱空気によって加熱される吸収流体も受け入れる多段再生器を含み、
   前記乱流発生器の少なくともいくつかが、複数のブレードに固定された細長い接続部材を有し、前記ブレードが中央ウェブから延出するフランジを含み、これらのフランジには横方向における最も外側のフランジおよび横方向内側フランジが含まれ、該横方向内側フランジの少なくともいくつかは、非矩形の断面形状を有する、ことを特徴とする吸収溶液／冷媒システム。
2. 前記横方向内側フランジは、前記中央ウェブから第１方向に非垂直の角度で延出している、ことを特徴とする請求項１記載の吸収溶液／冷媒システム。
3. 前記横方向内側フランジは、前記中央ウェブから最も離間した最も外側の端部に切欠きを備える略矩形形状を有する、ことを特徴とする請求項２記載の吸収溶液／冷媒システム。
4. 前記横方向内側フランジ要素は、横方向に離間するとともに第１方向に延在する一対のフランジ要素と、前記中央ウェブから第２方向に延出する中間フランジとを含み、該中間フランジは、前記接続部材と概ね整列した状態で配置されるとともに切欠き部分を備える、ことを特徴とする請求項３記載の吸収溶液／冷媒システム。
5. 前記横方向内側フランジが前記中央ウェブから第１方向に延出し、前記横方向外側フランジが該中央ウェブから第２方向に延出している、ことを特徴とする請求項１記載の吸収溶液／冷媒システム。
6. 前記横方向内側フランジは、前記横方向外側フランジよりも小さな断面積を有する、ことを特徴とする請求項５記載の吸収溶液／冷媒システム。
7. 前記横方向内側フランジ要素は、横方向に離間するとともに第１方向に延在する一対のフランジ要素と、前記中央ウェブから第２方向に延出するとともに前記接続部材と整列された中間フランジとを含む、ことを特徴とする請求項６記載の吸収溶液／冷媒システム。
8. 前記横方向内側フランジは三角形断面形状を有する、ことを特徴とする請求項６記載の吸収溶液／冷媒システム。
9. 前記横方向における最も外側のフランジも三角形断面形状を有する、ことを特徴とする請求項８記載の吸収溶液／冷媒システム。
10. 前記加熱空気供給源はエンジンの排気である、ことを特徴とする請求項１記載の吸収溶液／冷媒システム。
11. 前記エンジンがマイクロタービンである、ことを特徴とする請求項１０記載の吸収溶液／冷媒システム。
12. 熱交換器であって、
    乱流発生器を収容する複数の通路を含み、かつ加熱流体の供給源を受け入れるように接続されるとともに、前記通路の周囲を流通して該通路の加熱空気によって加熱される流体も受け入れる熱交換器本体を含み、
    前記乱流発生器は、複数のブレードに固定された細長い接続部材を有し、前記ブレードは、中央ウェブから非垂直の角度で延出するフランジ要素を含み、前記中央ウェブは前記接続要素に固定されており、少なくとも１つの他の前記乱流発生器が、それ自体の接続要素に固定された中央ウェブを含む、ことを特徴とする熱交換器。
13. 前記フランジのうちの横方向内側フランジが、前記中央ウェブから最も離間した最も外側の端部に切欠きを備える略矩形形状を有する、ことを特徴とする請求項１２記載の熱交換器。
14. 前記横方向内側フランジ要素は、横方向に離間するとともに前記中央ウェブから前記非垂直の角度で第１方向に延出する一対のフランジ要素を含み、前記中央ウェブから第２方向に延出する中間フランジが、該一対の横方向内側フランジ要素の間に設けられ、第２方向も該中央ウェブに対して非垂直である、ことを特徴とする請求項１３記載の熱交換器。
15. 前記角度が前記中央ウェブの平面に対して３０°〜４５°である、ことを特徴とする請求項１２記載の熱交換器。
16. 熱交換器であって、
    乱流発生器を収容する複数の通路を含み、かつ加熱流体の供給源を受け入れるように接続されるとともに、前記通路の周囲を流通して該通路の加熱空気によって加熱される流体も受け入れる熱交換器本体を含み、
    前記乱流発生器が、接続部材に固定された中央ウェブを含むとともに、該中央ウェブに対して垂直配向で延在して非矩形断面を有する横方向内側フランジを有する、ことを特徴とする熱交換器。
17. 非矩形断面を有するとともに、前記中央ウェブに対して垂直である横方向外側フランジも設けられている、ことを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
18. 前記横方向内側フランジは前記外側フランジよりも小さい断面積を有する、ことを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
19. 前記横方向内側フランジは三角形断面を有する、ことを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。
20. 前記非矩形の形状は、前記フランジの各横方向端部において切取部分を含む、ことを特徴とする請求項１６記載の熱交換器。

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