JP2974005B2 - 吸収冷凍機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房等に用いら
れる吸収冷凍機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に吸収冷凍機は、吸収器，蒸発器，
凝縮器，低温再生器，高温再生器およびこれらを結ぶポ
ンプ，熱交換器からなっている。図７はその原理を示す
系統図である。蒸発器内の管群の管内には水を通水して
おり、管外には冷媒として水が散布され、その蒸発潜熱
によって管内の水を冷却し、冷水として冷房器等へ供給
する。蒸発器で発生した水蒸気は吸収器に流入し、吸収
器内の管群の管外面に散布された吸収液（リチウムブロ
マイドなど）に吸収され、このとき発生する吸収熱は管
内を流れる冷却水によって冷却される。

【０００３】吸収器で水蒸気を吸収した吸収液は濃度が
低下し、吸収力が弱くなる。そこでこれを熱交換器を通
して予熱したのち、高温再生器および低温再生器に送
り、加熱濃縮する。高温再生器の熱源には、ガス，油な
どを燃焼させた熱を用いるのが一般的である。低温再生
器の熱源には、高温再生器で発生した蒸気を用いる。低
温再生器および高温再生器で発生した蒸気は、最終的に
凝縮器で冷却水によって冷却されて凝縮する。凝縮した
水は蒸発媒体として、蒸発器に供給される。これらの吸
収冷凍機の構成要素のうち吸収冷凍機としての性能を左
右する点で特に重要なのは吸収器である。

【０００４】蒸発器および吸収器は低圧に保たれてい
る。そのため、蒸発器では前述のように管外面に散布し
た水などの蒸発媒体を蒸発することで、その潜熱で管内
を流れる水などの冷房媒体を冷却できる。吸収器は、一
般に、千鳥または格子配列の伝熱管群とその表面に吸収
液を散布するための散布装置とから構成される。一般的
には、吸収液は臭化リチウム溶液を用い、伝熱管の外表
面に散布する。臭化リチウムの蒸気圧は水に比べるとは
るかに小さく、蒸発器から吸収器に流入する蒸気はその
蒸気圧差に基づいて吸収液に吸収される。その際、吸収
熱により吸収液の温度が上昇するため、伝熱管内に水な
どの冷却媒体を流して冷却する。

【０００５】吸収冷凍機の性能を向上するには、上述の
吸収サイクル作動原理から、蒸発器における蒸発媒体の
蒸気圧と吸収器における吸収液の蒸気圧との有効な圧力
差を大きくする必要がある。そのため、まず、第一に吸
収器及び蒸発器の管群内での蒸気の流動抵抗（圧力損
失）を小さくし、吸収器内での蒸気の吸収に利用できる
圧力差を大きくすることである。

【０００６】第二には、吸収器内の吸収伝熱特性を向上
することにある。そのためには、主に三つの方策があ
る。一つは本発明とは直接関係しないが、伝熱管単管の
吸収伝熱特性を向上させるために特開昭63−6363号公報
に記載のように伝熱管の表面にフィンを形成し、伝熱面
積を増大するとともに吸収液の保持量を増加させる方法
がある。他の方策は、蒸気側の伝熱抵抗となる空気など
の不凝縮性ガスの溜りを防止することである。もう一つ
の方策は、吸収液を吸収器内の各伝熱管に万遍なく供給
散布し、吸収に供されない無駄な伝熱管を無くすことで
ある。

【０００７】これらの性能向上策に対する従来技術とし
ては、日本特許第1187335 号に記載のように、蒸発器の
蒸気上流部をピッチの狭い格子配列の伝熱管配列にし蒸
気流量の多い下流部をピッチの広い千鳥配列にするとと
もに、吸収器では蒸気流量の多い蒸気上流部でピッチの
広い千鳥配列にし蒸気下流部ではピッチの狭い格子配列
の伝熱管群にすることで、管群内での蒸気の流動抵抗を
均一化する方法がある。また、特開昭62−155482号公報
に記載のように、吸収器の伝熱管群内に管列に平行な仕
切り板を設けることで、不凝縮性ガスの溜りを防止し抽
気する方法がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、吸
収器内の圧力損失低減と空気（不凝縮性ガス）滞留抑制
の両者を同時に満足することはできない。吸収器内での
蒸気の流動状態は大変複雑で、蒸気の流速，流れ方向ま
たは空気滞留個所などの実測は極めて困難である。その
ため経験的知見に基づいて管配列は設計されており、低
圧損と空気滞留抑制をともに満足する管群を得ることは
大変難しい。吸収器内の伝熱管を千鳥配列と格子（碁盤
目）配列を組合せ管ピッチを工夫して配置することで、
圧力損失は低減できたとしても、空気滞留を抑制するこ
とはできない。

【０００９】一方、吸収器の伝熱管群内に管列に平行な
仕切り板を設けることで、空気滞留は抑制できたとして
も圧力損失が大きくなってしまう。更に、吸収器では各
伝熱管に吸収液が供給されているかどうかが蒸気吸収性
能に大きく影響する。吸収液が供給されない伝熱管があ
ると、その管は蒸気の吸収に全く寄与しないことにな
る。この問題点はともに吸収器の伝熱管の配置、すなわ
ち、管群構造に密接に関係する。

【００１０】本発明の目的は、伝熱管群内での圧力損失
を低減でき、且つ空気滞留を抑制できる吸収冷凍機を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、複数の伝熱管の表面の液を蒸発させて
蒸気を発生する蒸発器及び該蒸発器から流入する蒸気を
複数の伝熱管の表面の吸収液で吸収させる吸収器を設け
た吸収冷凍機において、前記吸収器は、前記伝熱管の長
手方向から見た断面で、壁面とこれに隣接する前記伝熱
管との間に前記壁面に沿った蒸気流路が形成され、前記
伝熱管が碁盤目状に配列された管群内に抽気口が設けら
れ、水平方向の伝熱管表面の間隔が１０mm以上、垂直方
向の伝熱管表面の間隔が５mm以下となるように構成す
る。

【００１２】蒸気流路での蒸気の流動抵抗は、伝熱管を
密に配置した管群内での流動抵抗に比べるとはるかに小
さく無視できる。本発明によると、吸収器内の蒸気は主
に蒸気流路を流れ、吸収器内全体の圧力損失は大幅に低
減できる。この蒸気流路に蒸気を管群内方向に導く手段
（蒸気案内手段）を設置しない場合は、管群の周り全体
から管群の中心部に向かって蒸気が流れ、蒸気流の到達
点は管群内の中心付近になる。

【００１３】蒸気は管群内を流れるに伴い吸収液に吸収
され流量が少なくなり、蒸気流の最終到達点には主に吸
収液に吸収されない不凝縮性ガス（空気）が到達する。
そこで、管群内に抽気口を配置することで空気の抽気が
可能となる。このようにして、管群内での圧力損失を低
減し空気の滞留を抑制できる。尚、上記の理由から、抽
気口を管群の中心付近に配置すればより効果的となる。

【００１４】また、蒸気流路に蒸気を管群内方向に導く
蒸気案内部材を設置することは、蒸気流の最終到達点を
かえる作用を持つ。特に、管群下部が蒸気流の最終到達
点（抽気口）になる場合、管群の上部から蒸気が流入
し、側壁面と管群との間の蒸気流路に流路内の蒸気流を
管群内へ導き且つ抽気口の方向に導く蒸気案内部材を設
けることにより、吸収器全体としての蒸気流が管群上部
から下部の抽気口に流れるようにできる。従って、管群
内での圧力損失を低減し空気の滞留を抑制できる。この
場合、管群下部に配置する抽気口は、エゼクタ構造など
にすることで吸収液の排出口を兼ねることもできる。

【００１５】また、吸収器の管群の右側が蒸気流の最終
到達点（抽気口）になる場合、吸収器の管群の左側の蒸
気流路内に流路内の蒸気流を管群内へ導き且つ抽気口の
方向に導く蒸気案内部材を設けることにより、吸収器全
体としての蒸気流が管群の左側から右側の抽気口に流れ
るようにできる。

【００１６】更に、実施例ベースでより具体的に説明す
る。吸収器での吸収液の供給は、まず管群の最上部の伝
熱管に散布され、伝熱管表面を流れ、その下に配置され
た伝熱管へと、順次、流下する。下部の伝熱管表面が十
分に吸収液でおおわれるためには、上下の伝熱管の間隔
が狭い方が良い。安定して下部の管へ吸収液が供給され
るには、上下の伝熱管表面の間隔（伝熱管の外表面間の
最短距離）を５mm以下にする必要がある。

【００１７】伝熱管外径によらずこの条件を満足するた
めには、伝熱管を碁盤目状に配列する。碁盤目状配列の
管群での圧力損失は、蒸気の流入方向に対して垂直方向
の管間隔、すなわち蒸気が流入できる断面積によって決
まる。管群の上部から蒸気が流入する場合には、水平方
向の伝熱管表面の間隔を１０mm以上にすることで圧力損
失を低減でき、さらに上下の伝熱管表面の間隔を５mm以
下にすると、流下する吸収液がカーテン状に上下の管を
連結し、蒸気はあたかも平板間を流れるが如く下へ向か
って流れ、蒸気流の最終到達点は管群中心よりも下側に
なる。従って、管群の中心付近の位置や下側の位置に抽
気口を配置することで、効果的に抽気口から空気を排出
することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明による吸収冷凍機の一例を
図８に示す。本吸収冷凍機は、吸収器１０，蒸発器１
１，凝縮器１２，低温再生器１３，高温再生器１４，熱
交換器１５およびこれらを結ぶ配管と、種々のポンプか
ら構成されている。

【００１９】図８で蒸発器１１内には、複数の伝熱管１
の集合体である伝熱管群を内蔵し、各伝熱管１内には水
が通水される。各伝熱管１の外表面には、冷媒散布装置
１７から冷媒として水が散布される。蒸発器１１内は数
mmＨｇ／cm² の低圧に維持されているために、伝熱管１
外表面の冷媒が蒸発しその蒸発潜熱で伝熱管１内を流れ
る水が冷却され冷水として冷房器等へ供給される。蒸発
しなかった冷媒は蒸発器１１底部より冷媒ポンプ２７に
よりパイプ２２を通って冷媒散布装置１７へ循環する。

【００２０】蒸発器１１で発生した蒸気は吸収器１０に
その上部から流入する。吸収器１０内にも伝熱管群を配
列し、その伝熱管群の上方には吸収液散布装置４を配置
し伝熱管１外表面に吸収液５（ＬｉＢｒなど）を散布す
る。蒸発器１１から流入した蒸気は、伝熱管１外表面の
吸収液５に吸収される。その時に発生する吸収熱は伝熱
管１内を流れる冷却水で冷却する。この冷却水は低温再
生器１３を介して冷却塔との間を循環する。吸収器１０
内には、伝熱管群と側壁面との間に空間があり、そこが
蒸気流路２を形成する。蒸気流路２には蒸気整流板９が
設置され、蒸気の流れを伝熱管群の領域方向に向けて斜
め下方へ誘導する。この吸収器１０の構造に関しては詳
細を後述する。

【００２１】吸収器１０内で吸収液５は蒸気を吸収する
ために濃度が低下する。濃度が低くなった吸収液５は吸
収器１０の下部から排出し、吸収液ポンプ１６によって
熱交換器１５に送られ余熱され、一部は低温再生器１３
に送られ、残りの吸収液５はパイプ２５を通って高温再
生器１４に送られる。高温再生器１４では、油又はガス
の燃焼により熱交換器１５から送られてきた吸収液５を
加熱して濃縮する。濃縮された吸収液５はパイプ２０を
通って熱交換器１５の加熱側に戻され、加熱源として用
いられるとともに、一部は吸収器１０内の吸収液散布装
置１７にパイプ１８を通って供給される。

【００２２】また、高温再生器１４で吸収液５の濃縮に
より発生した蒸気はパイプ２１を通って低温再生器１３
の加熱源として供給され、熱交換器１５で余熱されパイ
プ２４で低温再生器１３に供給される吸収液５を加熱濃
縮する。濃縮された吸収液５はパイプ１９を通って熱交
換器１５の加熱側に戻される。低温再生器１３での吸収
液５の濃縮で発生した蒸気は、凝縮器１２で冷却され凝
縮し、冷媒としてパイプ２３を通って蒸発器１１の冷媒
散布装置１７に供給される。

【００２３】上述の各機内は０.０１〜０.１気圧程度の
低圧に維持された密閉容器と成っているが、溶接部等か
ら微量の空気（不凝縮性ガス）が漏れ込むと、吸収器１
０での吸収液５による冷媒蒸気の吸収特性が低下する。
そのため、吸収器１０では抽気をする必要がある。図８
では、吸収液５の抽出口が抽気口６を兼ねており、エゼ
クター方式などにより不凝縮性ガスは吸収液５とともに
パイプ２６で吸収器１０から排出され、最終的には、凝
縮器１２から系外へ排出される。吸収器１０内の蒸気流
路２と蒸気整流板９とにより、不凝縮性ガスの排出を効
率よく行うことが出来ることや、また、吸収器１０の不
凝縮性ガスの抽気口は吸収液の排出口と兼ねない独立し
た口であっても良いことは後述する通りである。

【００２４】図９は、本発明による吸収冷凍機の別の一
例を示す構成図である。基本構成は図８と同じである
が、蒸発器１１から吸収器１０への蒸気の流れ方向、及
び吸収器１０の構造が異なる。蒸発器１１と吸収器１０
との間にはエリミネータ２８が配置されており、蒸発器
１１で冷媒の蒸発により発生した蒸気はエリミネータ２
８を通過して吸収器１０内に流入する。エリミネータ２
８の主な機能は蒸発器１１から吸収器１０に流入する蒸
気からミストを除去することである。

【００２５】吸収器１０では、伝熱管群のサイドから蒸
気が流入するように、蒸気の流入口としての開口が水平
横向きに向けられている。伝熱管群と壁面との間には蒸
気流路２が形成されており、蒸気流路２には蒸気を伝熱
管群内の方向へ導く手段として整流板９が傾斜させて設
置されている。不凝縮性ガスの抽気口７は、図８の場合
とは異なり、側壁面に設けられており、吸収液５の排出
口８とは独立している。

【００２６】以下、吸収器１０について詳細に説明す
る。図１（ａ)，(ｂ）は、本発明の吸収冷凍機の吸収器
の二つの実施例をそれぞれ、伝熱管長手方向から見た断
面の模式図である。１は伝熱管、２は蒸気流路、３は蒸
発器から流入する蒸気の流入部、４は吸収液散布装置、
５は吸収液、６は吸収液排出口を兼ねた抽気口、７は抽
気口、８は吸収液排出口、９は蒸気流路に設置され蒸気
案内部材として機能する整流板を示す。蒸気流入部３に
は吸収液の飛散を防止するためにエリミネータ等が設置
されている場合もあるが、何も設置されない開口部にな
っている場合もある。

【００２７】（ａ）は蒸気が管群の上部から流入する吸
収器であり、（ｂ）は蒸気が管群の側面から流入する吸
収器である。吸収器内の圧力損失は管群と壁面との間に
形成された蒸気流路２の効果により低減される。（ａ）
の吸収器では、側壁面の蒸気流路に整流板が設置され、
蒸気流は上部から下部に向かって流れ、蒸気流の最終到
達点は管群下部になる。管群下部に配置した吸収液排出
口を兼ねた抽気口から不凝縮性ガス（空気）を排出する
ことができる。（ｂ）の吸収器では、上下面と奥の側壁
面の蒸気流路に整流板が設置され、蒸気は水平方向に流
れ、管群の外の側壁面に設置した抽気口から空気を抽気
できる。

【００２８】図２（ａ)，(ｂ）は、図１（ａ)，(ｂ）と
それぞれほぼ同様の吸収器の伝熱管長手方向から見た断
面図を示す。図１（ａ)，(ｂ）の蒸気流路に整流板が設
置されずに、それぞれ、管群のほぼ中央に抽気口７が設
置されている。（ａ)，(ｂ）ともに流入した蒸気は、蒸
気流路２を流れ管群の周囲全体から中心部へ向かって流
れ、蒸気流の最終到達点は管群の中央付近になる。その
ため、管群の中央付近に配置した抽気口７から空気を排
出できる。

【００２９】本実施例で、水平方向の伝熱管表面の間隔
Ｌ₁ を１０mm以上に、上下の伝熱管表面の間隔Ｌ₂ を５
mm以下にして、管群の中心よりやや下側の位置に抽気口
を配置することにより、抽気口からの空気の排出をより
効果的にすることができる。図３（ａ）も、本発明の他
の実施例による吸収冷凍機の吸収器の伝熱管長手方向か
ら見た断面図を示す。蒸気は管群上部から流入し、一方
の側壁面の蒸気流路には整流板が二枚設置されている。
管群内の伝熱管は碁盤目配列され、水平方向の管ピッチ
は管径の二倍程度（即ち、水平方向の管表面間隔は管径
程度）と広く、垂直方向の管ピッチは垂直方向の管表面
間隔が３mm程度となるようにかなり狭い。

【００３０】図３（ｂ）及び図３（ｃ）も、本発明のさ
らに他の実施例による吸収冷凍機の吸収器の伝熱管長手
方向から見た断面図を示す。図３（ｂ）は両側壁面と伝
熱管群との間に蒸気流路２が形成されており、両側の各
蒸気流路２に蒸気整流板９が一枚ずつ設置されている。
図３（ｃ）では片側の側壁面と伝熱管群の間に蒸気流路
２が形成されており、蒸気流路２に蒸気整流板９が一枚
設置されている。

【００３１】次に、本発明の原理が妥当であることを、
吸収器内での基本的な管群配置の数値解析結果により説
明する。この数値解析では、流れに関して質量と運動量
の保存則を解き、伝熱管群における蒸気の吸収量を実験
式に基づいて求めている。この解析モデルの詳細は、
（Proceeding of the Second International Symposium
on Condensers and condensation(1990)，p.235〜p.24
4）に示されている。

【００３２】図４（ａ)，(ｂ）は、数値解析を行った二
種の吸収器の伝熱管群の伝熱管長手方向から見た断面を
示すものである。二種の吸収器は全て同一本数の伝熱管
（外径１９.０５mm ）１９８本が同一ピッチで配置され
ている。蒸気は吸収器の上部から流入する。（ａ）は管
群（同図中で斜線を付した）と壁面の間に蒸気流路が形
成されている吸収器である。（ｂ）は管群と側壁面の間
に蒸気流路が形成されていない吸収器である。同図
（ｃ）は、（ａ）と（ｂ）の図中に圧力プロット位置で
の圧力分布の数値解析結果を示すものである。これよ
り、明らかに管群と壁面の間に蒸気流路を形成した方
が、圧力分布が均一化し圧力損失が小さくなっているこ
とがわかる。

【００３３】図５（ａ)，(ｂ）は、管群（同図中で点線
で囲まれた領域）と壁面の間に蒸気流路が形成されてい
る吸収器においての、それぞれ蒸気流速分布と空気分圧
分布の数値解析結果を示すものである。蒸気は管群上部
から流入する。（ａ）の蒸気流速分布からは、蒸気流路
２を流れて蒸気が吸収器全体に供給され、管群のほぼ中
央付近が蒸気流の最終到達点になることがわかる。その
ときの空気分圧分布を示すのが（ｂ）である。蒸気流の
最終到達点付近に空気が滞留し、分圧が高くなっている
ことがわかる。そこで、図２（ａ）のように管群のほぼ
中央に抽気口を設けることで、連続的に不凝縮ガスの空
気を排出できる。

【００３４】図６（ａ)，(ｂ）も、図５（ａ)，(ｂ）と
同様に、管群（同図中で点線で囲まれた領域）と壁面の
間に蒸気流路が形成されている吸収器においての、それ
ぞれ蒸気流速分布と空気分圧分布の数値解析結果を示す
ものである。但し、側壁面の蒸気流路に六枚の整流板が
設置されている。蒸気は管群上部から流入し、管群下部
にむかって流れる。（ａ）の蒸気流速分布からは、管群
下部付近が蒸気流の最終到達点になることがわかる。そ
のときの空気分圧分布を示すのが（ｂ）である。蒸気流
の最終到達点付近に空気が滞留し、分圧が高くなってい
ることがわかる。そこで、図１（ａ）のように管群下部
に抽気口を設けることで、連続的に不凝縮ガスの空気を
排出できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、吸収冷凍機の吸収器で
の蒸気の圧力損失を低減できると共に、不凝縮性ガスを
効率よく抽気できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による吸収冷凍機の吸収器の
伝熱管長手方向の断面図。

【図２】本発明の第二の実施例による吸収冷凍機の吸収
器の伝熱管長手方向の断面図。

【図３】本発明の第三の実施例による吸収冷凍機の吸収
器の伝熱管長手方向の断面図。

【図４】数値解析による本発明と従来技術との圧力分布
図。

【図５】数値解析による蒸気流路をもつ吸収器内の蒸気
流速分布と空気分圧分布図。

【図６】数値解析による蒸気流路をもち、蒸気流路に整
流板を設置した吸収器内の蒸気流速分布と空気分圧分布
図。

【図７】従来の吸収冷凍機の全体系統図。

【図８】本発明の実施例による吸収冷凍機の全体系統
図。

【図９】本発明の他の実施例による吸収冷凍機の全体系
統図。

【符号の説明】

１…伝熱管、２…蒸気流路、３…蒸気の流入部、４…吸
収液散布装置、５…吸収液、６，７…抽気口、８…吸収
液排出口、９…蒸気整流板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相沢 道彦 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 横瀬 賢次 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−99972（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−123170（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−33582（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−10069（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 37/00 F25B 43/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の伝熱管の表面の液を蒸発させて蒸気
   を発生する蒸発器及び該蒸発器から流入する蒸気を複数
   の伝熱管の表面の吸収液で吸収させる吸収器を備えた吸
   収冷凍機において、 前記吸収器は、前記伝熱管の長手方向から見た断面で、
   壁面とこれに隣接する前記伝熱管との間に前記壁面に沿
   った蒸気流路が形成され、前記伝熱管が碁盤目状に配列
   された管群内に抽気口が設けられ、水平方向の伝熱管表
   面の間隔が１０mm以上、垂直方向の伝熱管表面の間隔が
   ５mm以下であることを特徴とする吸収冷凍機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記抽気口が前記伝熱
   管の管群の中央付近に配置されていることを特徴とする
   吸収冷凍機。
3. 【請求項３】請求項２において、前記抽気口が前記伝熱
   管の管群の中央よりも下側に配置されていることを特徴
   とする吸収冷凍機。