JP2008304081A - 吸収式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収式冷凍装置において、プレート式の発生器と溶液熱交換器の一体化を、高い熱交換効率を確保しつつ実現する。
【解決手段】プレート式熱交換器の上部に発生器１を、下部に溶液熱交換器６を、それぞれ設定した吸収式冷凍装置において、上記溶液熱交換器６側のプレート一層における伝熱面積を、上記発生器１側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように該溶液熱交換器６と上記発生器１の伝熱面積比を相対的に設定する。係る構成によれば、発生器１側においてはその外部を液膜流下する吸収希溶液と内部を流れる加熱流体の間における交換熱量が、また上記溶液熱交換器６側においてはその外部を流れる吸収濃溶液と内部を流れる吸収希溶液の間の交換熱量が共に適正に維持され、これによって発生器１と溶液熱交換器６の一体化が高い熱交換性能を確保しつつ実現される。
【選択図】図１

Description

本願発明は、単一のプレート式熱交換器の上部に発生器を、下部に溶液熱交換器を形成した構成の吸収式冷凍装置に関し、さらに詳しくは係る発生器と溶液熱交換器を一体的に形成するに際しての具体的な構造に関するものである。

従来から、排熱駆動吸収式の冷凍サイクルにおいて、発生器は伝熱管の内部に加熱流体（排温水、若しくは蒸気等の加熱媒体）を通し、管外のリチウム溶液等の吸収液を加熱濃縮して冷媒蒸気を発生させるが、係る発生器のうち、プレート式発生器としては、例えば、特許文献１に示されるように、プレート内部を流れる加熱流体によって該プレート外面上を液膜流下する吸収液を濃縮するものとか、特許文献２に示されるように、プレート外面上に吸収液を液膜流下させて濃縮し、冷媒蒸気の発生を促進させるもの、等が知られている。

特開平７−１３９８５０号公報 特開平７−１３９８５１号公報。

ところで、リチウム溶液を吸収液として用いた吸収式冷凍装置における単効用サイクルでは、吸収希溶液は、発生器で加熱されて冷媒蒸気を発生して吸収濃溶液となり、発生器から溶液熱交換器側へ流出されるが、この場合、高温の吸収濃溶液と吸収器側から上記発生器へ流入する低温の吸収希溶液とを溶液熱交換器において熱交換して熱回収を行なうことで効率の良いサイクルを構成している。

従って、このように吸収液の循環系において隣接する発生器と溶液熱交換器を、従来のようにこれらを別体構成とはせずに、これらを一体的に構成すれば、機器構成が簡素化され、安価で且つ作動上の信頼性も向上するものと考えられる。しかるに、このような発生器と溶液熱交換器を一体化する場合の構成については未だ有効な提案がなされていないというのが現状である。

その第１の理由は、プレート内部流量の調整に関するものである。

即ち、プレート式の発生器と溶液熱交換器を一体化するに際しては、プレート一層で、発生器となる部分と溶液熱交換器となる部分を構成する必要があるが、この場合、平板状の一対のプレートを所定間隔をもって離間対向させた構成をもつ一般的なプレート熱交換器では、その内部間隔が上端側から下端側まで同一に設定されていることから、その上部に形成される発生器部分の内部流量と、その下部に形成される溶液熱交換器部分の内部流量との流量差に対しては、該発生器の内部に形成されるパス流路の高さと溶液熱交換器の内部に形成されるパス流路の高さ（即ち、流路面積）を変更することで対応せざるを得ない。

しかし、発生器と溶液熱交換器を一体化する場合、該発生器内を流れる加熱流体の流量と溶液熱交換器内を流れる吸収希溶液の流量の流量差は一般的に大きく、これら発生器と溶液熱交換器の内部に形成されるパス流路の高さ変更のみでは対応できず、プレートの内部間隔を変更せざるを得ないが、このような内部間隔の変更に関しても未だ有効な提案はなされていない。

第２の理由は、熱交換効率の調整に関するものである。

即ち、プレート式熱交換器の外部には、発生器部分も溶液熱交換器部分も、共に吸収液が流れるが、発生器部分では吸収液がプレート外部を液膜状に流下し、この液膜流下する吸収液とプレート内部を流れる加熱流体との間で熱交換が行なわれ冷媒蒸気を発生する一方、溶液熱交換器部分においては、プレート外部を吸収濃溶液が満液で流れ、プレート内部も吸収希溶液が同様に満液で流れて、これらプレート内外をそれぞれ流れる溶液同士の間で熱交換が行なわれることから、上記発生器部分での熱交換効率と上記溶液熱交換器部分での熱交換効率が異なる。このため、発生器と溶液熱交換器をプレート式熱交換器として一体化する場合には、これら両者におけるプレート層数を同じにした上で、該発生器と溶液熱交換器のそれぞれにおける交換熱量から熱交換効率と温度差よりその伝熱面積を決定し、且つこれらそれぞれの流路等も工夫する必要があるが、係る伝熱面積の決定に関しても未だ有効な提案はなされていない。

そこで、本願発明は、吸収式冷凍装置において、プレート式の発生器と溶液熱交換器の一体化を、高い熱交換効率を確保しつつ実現することを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、プレート式熱交換器の上部に発生器１を、下部に溶液熱交換器６を、それぞれ設定するとともに、上記発生器１はその外表面を液膜状態で流下する吸収希溶液をその内部に流される加熱用流体によって加熱濃縮して冷媒蒸気を発生して吸収濃溶液とし、上記溶液熱交換器６はその内部に上記発生器１側へ流入される吸収希溶液を流すとともにその外表面には上記発生器１側で濃縮された吸収濃溶液を流し、該吸収希溶液と吸収濃溶液の間の熱交換によって上記吸収希溶液を昇温させると共に上記吸収濃溶液を降温させる構成とした吸収式冷凍装置において、上記溶液熱交換器６側のプレート一層における伝熱面積を、上記発生器１側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように該溶液熱交換器６と上記発生器１の伝熱面積比を相対的に設定したことを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係る吸収式冷凍装置において、上記プレートの板厚を「ｔ」として、上記溶液熱交換器６の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｐを、上記発生器１の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｍに対して、［（Ｍ／２−ｔ／２）〜Ｍ］の範囲に設定したことを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第２の発明に係る吸収式冷凍装置において、上記溶液熱交換器６の外表面の外側に外側面プレート１４を対向配置するとともに、上記溶液熱交換器６の外表面と上記外側面プレート１４の間の外部間隔Ｑを、上記溶液熱交換器６の内部間隔Ｐと略同等に設定したことを特徴としている。

本願の第４の発明では、上記第１、第２又は第３の発明に係る吸収式冷凍装置において、上記発生器１の内部と上記溶液熱交換器６の内部にそれぞれパス流路１８、１９を設けるとともに、上記発生器１側のパス数を、上記溶液熱交換器６側のパス数と同じかそれ以下に設定したことを特徴としている。

本願の第５の発明では、上記第１、第２又は第３の発明に係る吸収式冷凍装置において、上記発生器１の内部と上記溶液熱交換器６の内部にそれぞれパス流路１８、１９を設けるとともに、上記発生器１側のパス流路１８の高さを、上記溶液熱交換器６側のパス流路１９の高さと略同一かそれ以上に設定したことを特徴としている。

本願の第６の発明では、上記第４又は第５の発明に係る吸収式冷凍装置において、上記溶液熱交換器６の外部にパス流路２０を設けるとともに、該パス流路２０の高さを上記溶液熱交換器６の内部のパス流路１９の高さと略同一に設定したことを特徴としている。

本願発明では次のような効果が得られる。

（ａ）本願の第１の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記溶液熱交換器６側のプレート一層における伝熱面積を、上記発生器１側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように該溶液熱交換器６と上記発生器１の伝熱面積比を相対的に設定している。

ここで、上記「０．４〜０．７」の範囲の意義を説明すると以下の通りである。

即ち、排温水によって発生器を加熱し冷媒蒸気を発生させ、この冷媒蒸気を凝縮器によって凝縮する一般的な単効用吸収式冷凍サイクルにおいては、例えば、発生器入口の吸収希溶液の濃度が５１．７％時、発生器の圧力は６７．５ｍｍＨｇ、発生器での沸騰開始温度は７２．３℃となる。また、発生器出口の吸収濃溶液の濃度を５５％とすると、その沸騰終了温度は７９．６℃となる。発生器の加熱温水温度を８３℃とすると、それらの温度差としては６．３℃程度となる。

この場合の液膜流下式発生器のプレート一枚当りの熱通過率は、上記の条件における種々の実験の結果より、プレートへの吸収希溶液流量と発生器への温水流量の関数として、図６に示す特性図を得たものである。即ち、発生器の液膜流下式のプレートとして、その伝熱面形状が、試験プレート（イ）と同（ロ）で異なるにも拘らず、熱通過率としては、熱通過率の測定誤差を１０％程度とした場合、ほぼ同一であるといえる。

従って、液膜流下式の発生器としては、その交換熱量は、これらのプレートの形状については大きく関係せず、プレート一枚へ流す吸収希溶液流量（即ち、液膜流量）と加熱用の温水流量により、ほぼ決定されることになる。

一方、溶液熱交換器としては、発生器への流入する吸収希溶液流量に対して、発生器より流出する吸収濃溶液流量の比がほぼ決定されることから、該溶液熱交換器での交換熱量も自ずと決まってくる。

図７は、熱交換器一体型の発生器の試験データであるが、発生器と溶液熱交換器の交換熱量の比率は、伝熱面積が、発生器が「１．０」に対し溶液熱交換器が０．４７である場合、発生器の交換熱量「１．０」に対し、溶液熱交換器の交換熱量は溶液流量が少ない場合の「０．２７」から、流量が増加した場合の「０．３５」程度となった。

よって、一般的な単効用吸収式冷凍サイクルでの発生器の交換熱量「１．０」に対し溶液熱交換器の交換熱量が「０．３〜０．３６」の場合では、溶液熱交換器の発生器に対する伝熱面積比としては、交換熱量が低く吸収液流量が少ない場合の伝熱面積比「０．２７」を、伝熱面積比「０．３６」まで増加させるためには、「（０．３６／０．２７）×０．４７＝０．６３」となる。ここで、約１０％程度の変動幅を加味すれば、伝熱面積比としては「０．７」となる。

また、溶液熱交換器の交換熱量比が「０．３」とすれば、流量比の大きな場合は、「０．３６」となるので、「（０．３／０．３６）×０．４７＝０．４」となる。

以上から、伝熱面積比としては、ほぼ「０．４〜０．７」に集約される。

このような知見事項から、この発明のように、上記溶液熱交換器６側のプレート一層における伝熱面積が、上記発生器１側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように設定することで、発生器１側においてはその外部を液膜流下する吸収希溶液と内部を流れる加熱流体の間における交換熱量が、また上記溶液熱交換器６側においてはその外部を流れる吸収濃溶液と内部を流れる吸収希溶液の間の交換熱量が共に適正に維持され、これによって発生器１と溶液熱交換器６の一体化が高い熱交換性能を確保しつつ実現される。

（ｂ）本願の第２の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記（ａ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記プレートの板厚を「ｔ」として、上記溶液熱交換器６の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｐを、上記発生器１の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｍに対して、［（Ｍ／２−ｔ／２）〜Ｍ］の範囲に設定している。

ここで、図３を参照して、上記間隔設定の根拠を説明する。

発生器１の内部を流れる加熱流体の流量と溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量は大きく異なることから、この流量比率でプレートの内部空間の大きさを決定すると、この発生器１と溶液熱交換器６で構成されるプレート式熱交換器を多層に列設した場合、該発生器１の外部を流れる吸収希溶液が濃縮されて発生する冷媒蒸気の通路の確保が困難となるため、少なくとも、溶液熱交換器６の内部間隔Ｐは、上記発生器１の内部間隔Ｍの「１／２−ｔ／２（ｔはプレート板厚）」か、それ以上が最適値となる。即ち、図３において、溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液と外部を流れる吸収濃溶液の流量は発生器１の内部を流れる加熱流体の流量と比較すれば、ほぼ等しいことから、溶液熱交換器６の内部間隔Ｐと外部間隔Ｑを等しくすれば、「Ｍ＋Ｎ＋２ｔ＝３Ｐ＋３ｔ」の関係から、Ｎ＝２（Ｐ）を上限とすれば（これ以上ではプレートの層の間隔が広がりコストアップとなる）とすれば、「Ｐ＝Ｍ−ｔ」となり、Ｎ＝Ｐが下限（発生器１での冷媒蒸気の確保という観点から）とすれば、「Ｐ＝Ｍ／２−ｔ／２」となる。従って、上記のように内部間隔Ｍと内部間隔Ｐの相対的な大きさを決定すれば、発生器１の外部を流れる吸収希溶液が濃縮されて発生する冷媒蒸気の通路が十分に確保されることになる。

以上のことから、本発明のように、上記プレートの板厚を「ｔ」として、上記溶液熱交換器６の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｐを、上記発生器１の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｍに対して、［（Ｍ／２−ｔ／２）〜Ｍ］の範囲に設定することで、冷媒蒸気の通路が十分に確保された熱交換器一体型発生器を得ることができる。

（ｃ）本願の第３の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記（ｂ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記溶液熱交換器６の外表面の外側に外側面プレート１４を対向配置するとともに、上記溶液熱交換器６の外表面と上記外側面プレート１４の間の外部間隔Ｑを、上記溶液熱交換器６の内部間隔Ｐと略同等に設定しているので、上記内部間隔Ｐ内を流れる吸収希溶液と上記外部間隔Ｑ内を流れる吸収濃溶液との間における液対液による熱交換効率が向上し、延いては上記溶液熱交換器６の性能向上をよりコンパクトな構成によって実現できる。

（ｄ）本願の第４の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記発生器１の内部と上記溶液熱交換器６の内部にそれぞれパス流路１８、１９を設けるとともに、上記発生器１側のパス数を、上記溶液熱交換器６側のパス数と同じかそれ以下に設定している。

ここで、上記発生器１の内部を流れる加熱流体の流量は、上記溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して多いこと、また、上記発生器１側における熱交換形態は「液膜―液」による熱交換であって、上記溶液熱交換器６側における熱交換形態は「液―液」による熱交換であること、さらに上記発生器１の外部を液膜流下する吸収液の流量と上記溶液熱交換器６の外部を流れる吸収液の流量は略同じであること、等からして、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用を行なわせ、熱交換量を適正にするためには、上記発生器１側においては溶液熱交換器６側よりもパス数を同一か、もしくは少なくしても、溶液熱交換器６側よりも熱交換効率が良く交換熱量が確保できる一方、上記溶液熱交換器６側においては発生器１側よりパス数を増加しないと熱交換効率が低下し、適正な交換熱量が確保できなくなると考えられる。

そこで、この発明のように、上記発生器１側のパス数を、上記溶液熱交換器６側のパス数と同じかそれ以下に設定することで、上記発生器１側の加熱流体による交換熱量に対し、上記溶液熱交換器６側の吸収溶液の交換熱量が増加し、その結果、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６側の双方において共に適正な熱交換作用が行なわれる。

（ｅ）本願の第５の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記発生器１の内部と上記溶液熱交換器６の内部にそれぞれパス流路１８、１９を設けるとともに、上記発生器１側のパス流路１８の高さを、上記溶液熱交換器６側のパス流路１９の高さと略同一かそれ以上に設定している。

ここで、上記発生器１の内部を流れる加熱流体の流量は、上記溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して多いこと、また、上記発生器１側における熱交換形態は「液膜―液」による熱交換であって、上記溶液熱交換器６側における熱交換形態は「液―液」による熱交換であること、さらに上記発生器１の外部を液膜流下する吸収液の流量と上記溶液熱交換器６の外部を流れる吸収液の流量は略同じであること、等からして、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用を行なわせ、交換熱量を適正にするためには、上記発生器１側においては溶液熱交換器６側よりもパス流路の高さを同一か、もしくは高くしても、溶液熱交換器６側よりも熱交換効率が良く交換熱量が確保できる一方、上記溶液熱交換器６側においては発生器１側よりパス流路の高さを低くしないと熱交換効率が低下し、適正な交換熱量が確保できなくなると考えられる。

そこで、パス流路１８、１９の高さは、その流路断面積を規定するものであることから、この発明のように、上記発生器１側のパス流路１８の高さ（即ち、流路断面積）を、上記溶液熱交換器６側のパス流路１９の高さと略同一かそれ以上に設定すると、上記発生器１側の加熱流体による交換熱量に対し、上記溶液熱交換器６側の吸収希溶液の交換熱量が増加し、その結果、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用が行なわれる。

（ｆ）本願の第６の発明に係る吸収式冷凍装置によれば、上記（ｄ）又は（ｅ）に記載の効果に加えて、以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記溶液熱交換器６の外部にパス流路２０を設けるとともに、該パス流路２０の高さを上記溶液熱交換器６の内部のパス流路１９の高さと略同一に設定しているので、上記パス流路１９を流れる吸収希溶液の流量と上記パス流路２０を流れる吸収濃溶液の流量が可及的に一致し、これら両者間における熱交換効率が適正に保持される。

以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。

図１には、吸収式冷凍装置の基本システムを示している。この吸収式冷凍装置は、冷媒として水（Ｈ_２Ｏ）を、吸収液として臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を採用するとともに、排温水を加熱源として用いた排熱駆動式の吸収式冷凍装置であって、吸収器４からの吸収希溶液を熱交換器１Ａにおいて排温水で加熱して冷媒蒸気と吸収濃溶液を生成させる発生器１と、上記発生器１からの冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液とする凝縮器２と、該凝縮器２からの冷媒液を被冷却流体が流れているプレート式熱交換器３Ａのプレート面に散布して蒸発させる蒸発器３と、上記発生器１からの吸収濃溶液に対して上記蒸発器３で生成された冷媒蒸気を吸収させて吸収希溶液を生成させる吸収器４と、上記発生器１へ流入される吸収希溶液と該発生器１からの吸収濃溶液をプレート式熱交換器６Ａにおいて熱交換させる溶液熱交換器６と、上記溶液熱交換器６からの吸収濃溶液を過冷却させて上記吸収器４に流入させる空冷式の溶液冷却器５と、上記吸収器４からの吸収希溶液を上記溶液熱交換器６を介して上記発生器１に流入させる溶液ポンプ７を備えて構成される。

そして、この発明では、共にプレート式熱交換器を備えて構成される上記発生器１と溶液熱交換器６を、良好な熱交換性能を維持しつつ、一体化することで、機器構成の簡素化、低廉化等を実現するものである。

以下、この発生器１と溶液熱交換器６を一体化してなる発生器構成体Ｘを幾つかの実施形態に基づいて具体的に説明する。

ここで、発生器１と溶液熱交換器６を一体化させるに際して考慮すべき点は、以下の通りである。

第１点は、発生器１の内部に流される加熱流体としての排温水の流量は、溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して大きく、これら両者間には大きな流量差があること、
第２点は、発生器１の外部を液膜流下する吸収希溶液と上記溶液熱交換器６の外部を流れる吸収濃溶液との間には殆ど流量差がないこと、
第３点は、発生器１側での「液膜−液」の熱交換で冷媒蒸気を発生させること、溶液熱交換器６側では「液−液」の熱交換形態であること、
第４点は、上記第１点〜第３点を考慮した上で、伝熱プレート面を単一のプレートで構成し、且つ一体化のメリットの一つであるコンパクト性を損なわないこと、
等である。

そして、以下の各実施形態においては、特に熱交換効率の相違に対して、伝熱面積の調整と流量調整によって実現するものとし、さらに流量調整に関しては、パス流路の通路面積で調整するものとし、具体的には「プレート間の内部間隔の調整」と「パス流路の数の調整」及び「パス流路の高さの調整」で行なうようにしている。

Ａ：第１の実施形態
図２には、本願発明の第１の実施形態に係る発生器ユニットＺを示している。この発生器ユニットＺは、ケース１０内に、次述の発生器構成体Ｘを所定間隔で多層に列設配置して構成され、全体として図１に示した発生器１と溶液熱交換器６を一体的に構成するものである。

上記発生器構成体Ｘは、その上端寄り部位と中段部位をそれぞれ同方向へ折曲させた一対のプレート１１、１１を所定間隔で対向配置するとともに、その対向間隔内に、上端寄りの折曲部同士を連結する天板１６と、下端同士を連結する底板１７と、中段部分の折曲部同士を連結して内部空間を上下方向に区画する内部仕切板１２をそれぞれ取付けて構成される。そして、上記天板１６より上側の上方開口部分を溶液溜８とする一方、上記天板１６と内部仕切板１２で隔成される部分を発生器１とし、上記内部仕切板１２と上記底板１７で隔成される部分を上記溶液熱交換器６としている。

上記発生器１の内室１ａには、その下部側から排温水が流入し、その上部側から流出するようになっている。また、上記溶液熱交換器６の内室６ａには、上記吸収器４からの吸収希溶液がその下部側から流入し、その上部側から流出し、上記発生器１側の上記溶液溜８に流入されるようになっている。

一方、隣接する一対の発生器構成体Ｘ、Ｘ間には、高さ方向において上記内部仕切板１２に対応するようにして外部仕切板１３が略水平方向へ向けて延設されている。さらに、この外部仕切板１３の短辺方向の中央部には、その下面側から垂下状態で外側面プレート１４が取付けられており、該外側面プレート１４とこれに対向する上記溶液熱交換器６の外表面の間には外室１４ａが形成される。また、上記外部仕切板１３の幅方向端部寄りで且つ上記外側面プレート１４を挟んだ両側位置には、それぞれ通口１５が形成されている。

上記溶液溜８の側壁下部には散布孔２５が所定間隔で形成されるとともに、側壁の外面側には上記各散布孔２５を覆うようにして分散板２１が取付けられている。従って、上記溶液溜８に上記吸収器４からの吸収希溶液が流入されると、この吸収希溶液は、上記散布孔２５から流出した後、上記分散板２１によって上記発生器１の外周面の幅方向全域に跨るように分散され、該外周面に沿って液膜状に流下することになる。

このように上記発生器１の外周面を液膜流下する吸収希溶液は、該発生器１の内室１ａを流れる排温水によって加熱され、冷媒蒸気を発生し、次第に濃縮されて吸収濃溶液とされる。

また、上記発生器１側での加熱濃縮により生成された吸収濃溶液は、上記外部仕切板１３に達した後、上記通口１５を通して上記外室１４ａに流入し、上記溶液熱交換器６の内室６ａ内を流れる吸収希溶液との間で熱交換して冷却され、上記ケース１０の底部寄りに設けた流出管３０から流出し、上記吸収器４側へ送られる。

以上のように構成された複数の発生器構成体Ｘをケース１０内に所定間隔で多層配置することで上記発生器ユニットＺが構成されるが、この場合、この発生器構成体Ｘ及び発生器ユニットＺにおいては、上記発生器１と溶液熱交換器６を一体化構成とする場合における上述の課題を解決すべく、以下に述べるような特有の構成を採用している。

先ず第１には、上記発生器１と溶液熱交換器６を一体化して構成の簡素化を図る一環として、上記発生器構成体Ｘを一対のプレート１１で構成している。そして、この場合、上記発生器１の内部に流される排温水の流量は、溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して大きく、これら両者間には大きな流量差があり、上記発生器１側の内部間隔と上記溶液熱交換器６側の内部間隔を同じに設定したのでは、上記流量差に対応できないことから、以下のように上記発生器１と上記溶液熱交換器６の内部間隔を相対的に設定している。

即ち、図３に示すように、上記発生器１の内部間隔Ｍに対して上記溶液熱交換器６の内部間隔Ｐを小さく設定している。そして、この内部間隔Ｍと内部間隔Ｐの比率については、上記「発明の効果（ｂ）」においても述べたところであるが、発生器１の内部を流れる加熱流体の流量と溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量は大きく異なることから、この流量比率でプレートの内部空間の大きさを決定すると、この発生器１と溶液熱交換器６で構成されるプレート式熱交換器を多層に列設した場合、該発生器１の外部を流れる吸収希溶液が濃縮されて発生する冷媒蒸気の通路の確保が困難となるため、少なくとも、溶液熱交換器６の内部間隔Ｐは、上記発生器１の内部間隔Ｍの「１／２−ｔ／２（ｔはプレート板厚）」か、それ以上が最適値となる。

即ち、図３において、「Ｍ＋Ｎ＋２ｔ＝３Ｐ＋３ｔ」の関係から、Ｎ＝２（Ｐ）を上限（これ以上ではプレートの層の間隔が広がりコストアップとなる）とすれば、「Ｐ＝Ｍ−ｔ」となり、Ｎ＝Ｐが下限（発生器１での冷媒蒸気の確保という観点から）とすれば、「Ｐ＝Ｍ／２−ｔ／２」となる。

従って、上記のように内部間隔Ｍと内部間隔Ｐの相対的な大きさを決定すれば、発生器１の外部を流れる吸収希溶液が濃縮されて発生する冷媒蒸気の通路が十分に確保されることになる。

以上のことから、この実施形態では、上記プレートの板厚を「ｔ」として、上記溶液熱交換器６の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｐを、上記発生器１の内部流路におけるプレート間の内部間隔Ｍに対して、［（Ｍ／２−ｔ／２）〜Ｍ］の範囲に設定している。これによって、冷媒蒸気の通路が十分に確保された発生器構成体Ｘ及び発生器ユニットＺを得ることができる。

第２には、上記発生器１側での「液膜−液」の熱交換形態における熱交換量と、上記溶液熱交換器６側での「液−液」の熱交換形態における熱交換量を各々の熱交換効率を考慮して、上記発生器１と上記溶液熱交換器６の伝熱面積比を設定している。

この伝熱面積比の設定に関しては、上記「発明の効果（ａ）」においても述べたところであり、重複するが敢えてこれを説明する。

即ち、排温水によって発生器を加熱し冷媒蒸気を発生させ、この冷媒蒸気を凝縮器によって凝縮する一般的な単効用吸収式冷凍サイクルにおいては、例えば、発生器入口の吸収希溶液の濃度が５１．７％時、発生器の圧力は６７．５ｍｍＨｇ、発生器での沸騰開始温度は７２．３℃となる。また、発生器出口の吸収濃溶液の濃度を５５％とすると、その沸騰終了温度は７９．６℃となる。発生器の加熱温水温度を８３℃とすると、それらの温度差としては６．３℃程度となる。

この場合の液膜流下式の発生器１のプレート１１一枚当りの熱通過率は、上記の条件における種々の実験の結果より、プレート１１への吸収希溶液流量と発生器１への温水流量の関数として、図６に示す特性図を得たものである。即ち、発生器の液膜流下式のプレートとして、その伝熱面形状が、試験プレート（イ）と同（ロ）で異なるにも拘らず、熱通過率としては、熱通過率の測定誤差を１０％程度とした場合、ほぼ同一であるといえる。

従って、液膜流下式の発生器としては、その交換熱量は、これらのプレートの形状については大きく関係せず、プレート一枚へ流す吸収希溶液流量（即ち、液膜流量）と加熱用の温水流量により、ほぼ決定されることになる。

一方、溶液熱交換器６としては、発生器１への流入する吸収希溶液流量に対して、該発生器１より流出する吸収濃溶液流量の比がほぼ決定されることから、該溶液熱交換器６での交換熱量も自ずと決まってくる。

図７は、熱交換器一体型の発生器１の試験データであるが、発生器１と溶液熱交換器６の交換熱量の比率は、伝熱面積が、発生器１が「１．０」に対し溶液熱交換器６が０．４７である場合、発生器１の交換熱量「１．０」に対し、溶液熱交換器６の交換熱量は溶液流量が少ない場合の「０．２７」から、流量が増加した場合の「０．３５」程度となった。

よって、一般的な単効用吸収式冷凍サイクルでの発生器の交換熱量「１．０」に対し溶液熱交換器の交換熱量が「０．３〜０．３６」の場合では、溶液熱交換器の発生器に対する伝熱面積比としては、交換熱量が低く吸収液流量が少ない場合の伝熱面積比「０．２７」を、伝熱面積比「０．３６」まで増加させるためには、「（０．３６／０．２７）×０．４７＝０．６３」となる。ここで、約１０％程度の変動幅を加味すれば、伝熱面積比としては「０．７」となる。

また、溶液熱交換器の交換熱量比が「０．３」とすれば、流量比の大きな場合は、「０．３６」となるので、「（０．３／０．３６）×０．４７＝０．４」となる。

以上のことから、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６側の伝熱面積比としては、ほぼ「０．４〜０．７」に集約される。

このような知見事項に基づき、この実施形態においては、上記溶液熱交換器６側のプレート一層における伝熱面積が、上記発生器１側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように設定している。

このように上記発生器１と上記溶液熱交換器６の伝熱面積比を設定することで、上記発生器１側においてはその外部を液膜流下する吸収希溶液と内部を流れる排温水の間における交換熱量が、また上記溶液熱交換器６側においてはその外部を流れる吸収濃溶液と内部を流れる吸収希溶液の間の交換熱量が共に適正に維持され、これによって上記発生器１と上記溶液熱交換器６を一体化してなる発生器構成体Ｘ、及び該発生器構成体Ｘを多層配置してなる発生器ユニットＺにおいては、高い熱交換性能が確保されることになる。

第３には、図３における上記溶液熱交換器６の内部間隔Ｐと、該溶液熱交換器６の外表面と上記外側面プレート１４の間にあって、上記発生器１側からの吸収濃溶液の流路となる上記外室１４ａの外部間隔Ｑを、上記溶液熱交換器６の内部間隔Ｐと略同等に設定している。これによって、上記内部間隔Ｐ内を流れる吸収希溶液と上記外部間隔Ｑ内を流れる吸収濃溶液との間における液対液による熱交換効率が向上し、延いては上記発生器構成体Ｘ発生器ユニットＺの性能向上をよりコンパクトな構成によって実現することができる。

Ｂ：第２の実施形態
図４には、本願発明の第２の実施形態に係る発生器構成体Ｘ及び該発生器構成体Ｘをケース１０内に多層配置してなる発生器ユニットＺを示している。この第２の実施形態における発生器構成体Ｘは、基本構成を上記第１の実施形態に係る発生器構成体Ｘと同じにするものであって、これと異なる点は、上記第１の実施形態における発生器構成体Ｘでは上記発生器１及び溶液熱交換器６の内部流路を１パス構成としていたのに対して、この第２の実施形態における発生器構成体Ｘでは、後述する理由から、上記発生器１及び上記溶液熱交換器６の内部流路を複数パス構成とした点である。さらに、このように複数パス構成とするに当たって、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６側とにおいて「パス数」及び「パス流路の高さ」を相対的に設定している。

従って、上記相違点以外の構成及び作用効果等については上記第１の実施形態の場合と同様であるので、図４の各構成部材に、図２の各構成部材に対応させて同一符号を付した上で、該第１の実施形態における該当説明を援用し、ここでは上記相違点を中心に説明する。

上記発生器１の内室１ａで構成される内部流路には、上下方向に所定間隔で複数枚のパス板２２が、略水平方向に延出するとともに左右方向へ交互に位置ズレした状態で取付けられており、これによって上下方向へ蛇行状に延びる複数のパス流路１８が形成されている。そして、これら各パス流路１８には排温水が、その下端側のパス流路１８の一端から流入し、上端側のパス流路１８の一端から流出するように構成されている。即ち、上記発生器１では、その内部のパス流路１８を流れる排温水と、該発生器１の外部を液膜流下する吸収希溶液とは対向流とされ、熱交換効率の向上が図られている。

上記溶液熱交換器６の内室６ａで構成される内部流路には、上下方向に所定間隔で複数枚のパス板２３が、略水平方向に延出するとともに左右方向へ交互に位置ズレした状態で取付けられており、これによって上下方向へ蛇行状に延びる複数のパス流路１９が形成されている。そして、これら各パス流路１９には排温水が、その下端側のパス流路１９の一端から流入し、上端側のパス流路１９の一端から流出するように構成されている。即ち、上記溶液熱交換器６側においても、その内部のパス流路１９を流れる吸収希溶液と、該溶液熱交換器６の外部を流れる吸収濃溶液とは対向流とされ、熱交換効率の向上が図られている。

ここで、この実施形態では、上記発生器１の内部を流れる排温水の流量と、上記溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量の差を考慮して、上記発生器１と上記溶液熱交換器６の間において、「パス数」と「パス流路の高さ」を相対的に設定している。

先ず、「パス数」に関しては、この実施形態では、上記発生器１側のパス数を、上記溶液熱交換器６側のパス数と同じか、もしくはそれ以下に設定している。

ここで、上記発生器１の内部を流れる加熱流体の流量は、上記溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して多いこと、また、上記発生器１側における熱交換形態は「液膜―液」による熱交換であって、上記溶液熱交換器６側における熱交換形態は「液―液」による熱交換であること、さらに上記発生器１の外部を液膜流下する吸収液の流量と上記溶液熱交換器６の外部を流れる吸収液の流量は同じであること、等からして、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用を行なわせ、交換熱量を適正にするためには、上記発生器１側においては溶液熱交換器６側よりもパス数を同一か、もしくは少なくしても、溶液熱交換器６側よりも熱交換効率が良く交換熱量が確保できる一方、上記溶液熱交換器６側においては発生器１側よりパス数を増加しないと熱交換効率が低下し、適正な交換熱量が確保できなくなると考えられる。

そこで、この実施形態のように、上記発生器１側のパス数を、上記溶液熱交換器６側のパス数と同じかもしくはそれ以下に設定することで、上記発生器１側の加熱流体による交換熱量に対し、上記溶液熱交換器６側の吸収溶液の交換熱量が増加し、その結果、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用が行なわれることになる。

次に、「パス流路の高さ」に関しては、この実施形態では、上記発生器１側のパス流路１８の高さを、上記溶液熱交換器６側のパス流路１９の高さ以上に設定している。

ここで、上記発生器１の内部を流れる加熱流体の流量は、上記溶液熱交換器６の内部を流れる吸収希溶液の流量に比して多いこと、また、上記発生器１側における熱交換形態は「液膜―液」による熱交換であって、上記溶液熱交換器６側における熱交換形態は「液―液」による熱交換であること、さらに上記発生器１の外部を液膜流下する吸収液の流量と上記溶液熱交換器６の外部を流れる吸収液の流量は同じであること、等からして、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用を行なわせ、交換熱量を適正にするためには、上記発生器１側においては溶液熱交換器６側よりもパス流路の高さを同一か、もしくは高くしても溶液熱交換器６側よりも熱交換効率が良く交換熱量が確保できる一方、上記溶液熱交換器６側においては発生器１側よりもパス流路の高さを低くしないと熱交換効率が低下し、適正な交換熱量が確保できなくなると考えられる。

そこで、パス流路１８、１９の高さは、その流路断面積を規定するものであることから、この実施形態では、上記発生器１側のパス流路１８の高さ（即ち、流路断面積）を、上記溶液熱交換器６側のパス流路１９の高さ以上に設定している。従って、上記発生器１側の加熱流体による交換熱量に対し、上記溶液熱交換器６側の吸収溶液の流量の交換熱量が増加し、その結果、上記発生器１側と上記溶液熱交換器６の双方において共に適正な熱交換作用が行なわれる。

Ｃ：第３の実施形態
図５には、本願発明の第３の実施形態に係る発生器構成体Ｘ及び該発生器構成体Ｘをケース１０内に多層配置してなる発生器ユニットＺを示している。この第３の実施形態における発生器構成体Ｘは、基本構成を上記第２の実施形態に係る発生器構成体Ｘと同じにするものであって、これと異なる点は、上記第２の実施形態における発生器構成体Ｘでは上記発生器１及び溶液熱交換器６の内部流路にそれぞれ複数のパス流路１８，１９を設け、上記溶液熱交換器６の外側に位置する上記外室１４ａで構成される外部流路は１パス構成としていたのに対して、この第３の実施形態における発生器構成体Ｘでは、上記外部流路にも複数のパス流路２０を設定した点である。

従って、上記相違点以外の構成及び作用効果等については上記第１の実施形態又は上記第２の実施形態の場合と同様であるので、図５の各構成部材に、図２及び図４の各構成部材に対応させて同一符号を付した上で、該第１の実施形態又は第２の実施形態における該当説明を援用し、ここでは上記相違点を中心に説明する。

この実施形態では、上記溶液熱交換器６の外側の外部流路にパス流路２０を設定するに際して、先ず第１に、上記パス流路２０の高さを上記溶液熱交換器６の内部流路のパス流路１９の高さと略同一に設定している（換言すれば、上記外部流路におけるパス数と上記溶液熱交換器６の内部流路のパス数を同じに設定している）。

係る設定とすることで、上記パス流路１９を流れる吸収希溶液の流量と上記パス流路２０を流れる吸収濃溶液の流量に大きな差異がないことより、これら両者間における熱交換効率が適正に保持され、延いては上記発生器ユニットＺ全体としての熱交換性能の向上が期待できるものである。

第２に、この実施形態では、上記溶液熱交換器６の内部の上記パス流路１９を流れる吸収希溶液の流れ方向と、上記溶液熱交換器６の外部の上記パス流路２０を流れる吸収濃溶液の流れ方向が対向するように、パス流路の数を設定している。係る構成とすることで、上記溶液熱交換器６部分の一対おける吸収希溶液と吸収濃溶液との間の熱交換がより一層促進され、延いては上記発生器ユニットＺ全体としての熱交換性能のさらなる向上が期待できるものである。

吸収式冷凍装置のシステム図である。 本願発明の第１の実施の形態に係る吸収式冷凍装置における一体型の発生器及び溶液熱交換器の部分斜視図である。 図２の要部拡大図である。 本願発明の第２の実施の形態に係る吸収式冷凍装置における一体型の発生器及び溶液熱交換器の部分斜視図である。 本願発明の第３の実施の形態に係る吸収式冷凍装置における一体型の発生器及び溶液熱交換器の部分斜視図である。 プレート式発生器における液膜流量と熱通過率の相関特性図である。 発生器及び溶液熱交換器における希溶液流量に対する発生器熱出力と吸収器熱出力の相関特性図である。

符号の説明

１ ・・発生器
２ ・・凝縮器
３ ・・蒸発器
４ ・・吸収器
５ ・・溶液冷却器
６ ・・溶液熱交換器
７ ・・溶液ポンプ
８ ・・溶液溜
１０ ・・ケース
１１ ・・プレート
１２ ・・内部仕切板
１３ ・・外部仕切板
１４ ・・外側面プレート
１５ ・・通口
１６ ・・天板
１７ ・・底板
１８ ・・パス流路
１９ ・・パス流路
２０ ・・パス流路
２１ ・・分散板
２２ ・・パス板
２３ ・・パス板
２４ ・・パス板
２５ ・・散布孔
３０ ・・流出管
Ｈ１ ・・流路高さ
Ｈ２ ・・流路高さ
Ｍ ・・内部間隔
Ｎ ・・外部間隔
Ｐ ・・内部間隔
Ｑ ・・外部間隔
ｔ ・・板厚
Ｚ ・・発生器ユニット
Ｘ ・・発生器構成体

Claims (6)

1. プレート式熱交換器の上部に発生器（１）を、下部に溶液熱交換器（６）を、それぞれ設定するとともに、上記発生器（１）はその外表面を液膜状態で流下する吸収希溶液をその内部に流される加熱用流体によって加熱濃縮して冷媒蒸気を発生して吸収濃溶液とし、上記溶液熱交換器（６）はその内部に上記発生器（１）側へ流入される吸収希溶液を流すとともにその外表面には上記発生器（１）側で濃縮された吸収濃溶液を流し、該吸収希溶液と吸収濃溶液の間の熱交換によって上記吸収希溶液を昇温させると共に上記吸収濃溶液を降温させる構成とした吸収式冷凍装置において、
   上記溶液熱交換器（６）側のプレート一層における伝熱面積が、上記発生器（１）側のプレート一層における伝熱面積の「０．４〜０．７」の範囲となるように該溶液熱交換器（６）と上記発生器（１）の伝熱面積比を相対的に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。
2. 請求項１において、
   上記プレートの板厚を「ｔ」として、上記溶液熱交換器（６）の内部流路におけるプレート間の内部間隔（Ｐ）を、上記発生器（１）の内部流路におけるプレート間の内部間隔（Ｍ）に対して、［（Ｍ／２−ｔ／２）〜Ｍ］の範囲に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。
3. 請求項２において、
   上記溶液熱交換器（６）の外表面の外側に外側面プレート（１４）を対向配置するとともに、上記溶液熱交換器（６）の外表面と上記外側面プレート（１４）の間の外部間隔（Ｑ）を、上記溶液熱交換器（６）の内部間隔（Ｐ）と略同等に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。
4. 請求項１、２又は３において、
   上記発生器（１）の内部と上記溶液熱交換器（６）の内部にそれぞれパス流路（１８）、（１９）を設けるとともに、上記発生器（１）側のパス数を、上記溶液熱交換器（６）側のパス数と同じかそれ以下に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。
5. 請求項１、２又は３において、
   上記発生器（１）の内部と上記溶液熱交換器（６）の内部にそれぞれパス流路（１８）、（１９）を設けるとともに、
   上記発生器（１）側のパス流路（１８）の高さを、上記溶液熱交換器（６）側のパス流路（１９）の高さと略同一かそれ以上に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。
6. 請求項４又は５において、
   上記溶液熱交換器（６）の外部にパス流路（２０）を設けるとともに、該パス流路（２０）の高さを上記溶液熱交換器（６）の内部のパス流路（１９）の高さと略同一に設定したことを特徴とする吸収式冷凍装置。

Images