JP3269634B2 - 液体分配装置及び流下液膜式熱交換器並びに吸収式冷凍機 - Google Patents

液体分配装置及び流下液膜式熱交換器並びに吸収式冷凍機

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聡 三宅
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体分配装置及び流下液膜式熱交換器並び
に吸収式冷凍機に関する。
背景技術 従来、流下液膜式熱交換器用の液体分配装置は滴下
式、スプレー式などがあり、これを用いた流下液膜式熱
交換器は吸収式冷凍機の蒸発器、吸収器、再生器、二重
効用吸収式冷凍機の低温再生器に多く利用されている。
例えば蒸発器では、密閉容器内に伝熱管を水平に多数配
置して管群とし、その管群の表面に、蒸発を伴う冷却媒
体である冷媒液を流下させ、冷媒液の蒸発を前記密閉容
器に連結されている吸収器で蒸気を吸収することによっ
て促進し、この蒸発熱により伝熱管を介して管内の熱交
換媒体を冷却している。
蒸発は伝熱管表面を覆う冷媒液の気液界面で生じ、伝
熱管表面の全面積に対する冷媒液で覆われた部分の面積
の割合が大きいほど蒸発性能が向上する。この面積の割
合は、流下液膜を形成する冷媒液を、各伝熱管の長手方
向に満遍なく供給することによって増加する。また伝熱
管群を縦方向に複数列配置した場合は、冷媒液を各管列
の最上段の伝熱管の長手方向に満遍なく供給することに
よって、伝熱管表面の全面積に対する冷媒液で覆われた
部分の面積の割合が増加して蒸発器の性能が向上する。
従って、蒸発性能を向上させるためには、流下液膜を
形成する冷媒液を各伝熱管の全長にわたって均一に分配
することが必要となる。また限られた冷媒液供給量で広
い範囲に液膜を形成するためには、流下液膜を形成せず
に落下する無効な冷媒液を生じないよう、すべての冷媒
液を確実に伝熱管群上に分配することが重要である。こ
の点において、液体を平面的に一様に散布するスプレー
式に比較して伝熱管の表面に確実に液体を供給するでき
る滴下式が有利である。
滴下式液体分配装置としては、例えば特開平５−1724
38号公報に記載のものが挙げられる。この装置では、散
布密度の配分すなわち分配性能を向上させるために、分
岐ヘッダ、伝熱管と平行に配置した一次分配用分配管、
飛散防止用の覆い板、次分配用液滴分散板を組み合わせ
て滴下式分配装置を構成している。
また他の滴下式液体分配装置としては、特開平７−47
82号公報に記載のものが挙げられる。この装置では、伝
熱管と平行に配置した箱形の一次分配用トレーの下部に
幅広で山形形状の二次分配用ガイド体を備え、ガイド体
の液体受止部の四方に塞止壁を設けてトレー状にし上面
に液体を溜めることによって、傾斜を伴って設置された
場合の傾きの上方側においてガイド体の液面が切れてし
まうことを防止している。
また伝熱管の形状によって吸収式冷凍機本体が傾斜し
て設置された場合の性能低下を防止する方法としては、
特開平８−159605号公報に記載の装置のように、伝熱管
の管軸方向に延びる複数の凹部を管軸方向に断続的に配
列したものがある。
上記スプレー式の液体分配装置は、伝熱管と平行に設
置された分配管の下面にノズルを設置する必要があるこ
と、液体を微粒化するために4mm以下の小径の散布孔が
必要となることから、金属粒子などの異物が混入した場
合に、散布孔が異物によって塞がれて散布不良を起こ
す。
また上記特開平５−172438号公報に記載のものは、２
列の伝熱管に対して１本の分配管とそれに付属する覆い
板及び液滴分散板が必要になるなど形状が複雑であり、
コストが高くなる。また、上記特開平７−4782号公報に
記載の液体散布装置も２列の伝熱管に対して１本のトレ
ー及び四方に塞止壁を備えたガイド体が必要となり、さ
らに液体を円滑に滴下するためにはそれぞれのガイド体
に下方に延びる水切り突起を延設する必要があるなど部
品点数が多く、また構造が複雑であるためにコストが高
くなる。
さらに、四方に塞止壁を設けたガイド体は一種のトレ
ー状であり、上面に液体を溜めることができるが、設置
条件により傾斜が生じた場合、一次分配用トレーから流
出した液体が傾斜によってガイド体上を傾きの下方側に
移動してしまう。その結果、上方側と下方側では分配孔
における液深によるヘッドが著しく異なり、傾きの上方
側に設けられた滴下孔からの流量は減少し、下方側にお
いては流量が増大する。このように、液体分配装置が傾
斜して設置された場合に、ガイド体の傾きの下方側から
の液体の流出を阻止することはできるが、長手方向の分
布は依然として不均一性が著しい。
さらに、一次分配用トレーが開放形であるために、一
次分配用トレーからの液体の分配に関しても、傾斜して
設置された場合には、その上方側と下方側の分配孔にお
ける液深によるヘッドの違いにより分配が不均一にな
る。
さらに上記特開平５−172438号公報、特開平７−4782
号公報に記載のいずれにおいても、単一の液体分配装置
から液体を供給しうる伝熱管の列数が２列に固定されて
いるため、これらの集合によって流下液膜式熱交換器の
伝熱管の列数を奇数に設定しようとすると、一列の伝熱
管列に流下液膜を形成しうる液体供給量が伝熱管上に供
給されることなく熱交換器の底部に落下してしまい、無
駄な散布となるなど、設計上の自由度が低く、性能やサ
イズ、コストを考慮した最適化に支障を来す。
また上記特開平８−159605号公報記載のものにおいて
は、伝熱管の表面に管軸方向に延びる複数の凹部を管軸
方向に断続的に配列することによって、傾斜による性能
低下を生じないものの、この効果は最上段の伝熱管に液
体が均一に分配、滴下されることを前提にしているの
で、課題の本質的な解決に至っていない。
本発明の目的は、設置時に傾斜を伴った場合でも、良
好な分配を実現する液体分配装置を提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、伝熱管上に滴下すべき液体に金
属粒子などの異物が混入した場合でもこれらの影響を排
除して液体の良好な分配を長期にわたり実現する液体分
配装置を提供することにある。
さらに本発明の他の目的は、伝熱管上に滴下すべき液
体の飽和蒸気圧が流下液膜式熱交換器内の蒸気圧と異な
る場合でも、急激な蒸気の吸収、自己蒸発及び沸騰等に
よる分配、散布の不安定を生じることなく安定した液体
の供給、滴下を実現する液体分配装置を提供することに
ある。
さらに本発明の他の目的は、単純な形状にして低コス
トの液体分配装置を提供することにある。
さらに本発明の他の目的は、以上に述べた液体分配装
置を用いることにより、高性能の流下液膜式熱交換器、
及び高性能の吸収式冷凍機を提供することにある。
さらに本発明の他の目的は、伝熱管の列数の制約がな
く設計上の自由度が高い、性能、サイズ、コストを考慮
して最適化することができる流下液膜式熱交換器、及び
吸収式冷凍機を提供することにある。
発明の開示 上記目的は、熱交換の過程で相変化を伴う液体を伝熱
管群上に上部から分配して散布する液体分配装置におい
て、液体分配装置を液体の出口となりかつ液体を分配す
るための複数の分配孔をダクトの長手方向に並べて形成
したに一次分配用ダクトと、この一次分配用ダクトの長
手方向に沿って一次分配用ダクトの下方に配置され、前
記分配孔に対応して長手方向に複数の領域に分割される
とともに各領域に前記液体を滴下させるための液体滴下
孔を形成した二次分配用トレーとから構成する、ことに
よって達成される。
また上記目的は、管の内外で熱交換を行う伝熱管群
と、この伝熱管群を構成する各伝熱管の上部から熱交換
媒体を分配して散布する液体分配装置とを有し、この熱
交換媒体が重力によって流下しながら前記伝熱管外壁面
に液膜を形成して管内を流れる熱交換媒体と熱交換を行
う流下液膜式熱交換器において、前記液体分配装置は、
液体の出口となりかつ液体を分配するための複数の分配
孔をダクトの長手方向に並べて形成したに次分配用ダク
トと、この一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分
配用ダクトの下方に配置され、前記分配孔に対応して長
手方向に複数の領域に分割されるとともに各領域に前記
液体を滴下させるための液体滴下孔を形成した二次分配
用トレーとから構成され、前記伝熱管群を構成する各伝
熱管は前記液体分配装置に形成した液体滴下孔に平行で
ある、ことによって達成される。
さらに上記目的は、蒸発器、吸収器、高温再生器、低
温再生器、これら蒸発器、吸収器、低温再生器に組み込
まれ管の内外で熱交換を行う伝熱管群の上部から熱交換
媒体を分配して散布する液体分配装置及び凝縮器を備え
る多重効用吸収式冷凍機において、前記液体分配装置
は、液体の出口となりかつ液体を分配するための複数の
分配孔をダクトの長手方向に並べて形成したに次分配用
ダクトと、この一次分配用ダクトの長手方向に沿って一
次分配用ダクトの下方に配置され、前記分配孔に対応し
て長手方向に複数の領域に分割されるとともに各領域に
前記液体を滴下させるための液体滴下孔を形成した二次
分配用トレーとから構成され、前記伝熱管群を構成する
各伝熱管は前記液体分配装置に形成した液体滴下孔に平
行である流下液膜式熱交換器を少なくとも前記蒸発器、
吸収器、低温再生器のいずれか一つに組み込む、ことに
よって達成される。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の液体分配装置の一実施の形態を示す
部分断面斜視図である。
第２図は第１図に示す液体分配装置の断面構造、及び
伝熱管群との位置関係を示す断面図である。
第３図は第１図に示す液体分配装置の側面図である。
第４図は第１図に示す液体分配装置が軸方向に傾斜を
して設置された場合の伝熱管群への滴下の形態、及び流
下液膜の形態を表す側面図である。
第５図は第１図に示す液体分配装置の一次分配用ダク
トから二次分配用トレーへの流量分布を、平均値からの
ばらつきをとって示す図である。
第６図は第１図に示す液体分配装置の通気孔を示す斜
視図である。
第７図は第１図に示す液体分配装置の分解斜視図であ
る。
第８図は第７図に示す液体分配装置の二次分配用トレ
ーの分解斜視図である。
第９図は本発明の液体分配装置の他の実施の形態にお
ける二次分配用トレーの分解斜視図である。
第10図は本発明の液体分配装置のさらに他の実施の形
態を示す斜視図である。
第11図は本発明の流下液膜式熱交換器の一実施の形態
における内部構造を表す断面図である。
第12図は本発明の吸収式冷凍機の一実施の形態を示す
系統図である。
発明を実施するための最良の形態 以下本発明の実施の形態を第１図ないし第４図を用い
て説明する。
第１図に示すように、液体分配装置は密閉形の一次分
配用ダクト１及び開放形の二次分配用トレー群２から構
成されており、液体分配装置に液体を供給する配管３及
び入口ヘッダ４が接続されている。ヘッダ４の下部は一
次分配用ダクト１内に連通している。
また、一次分配用ダクト１は、上向きコの字形断面を
持つ第一構成部材10と、下向きコの字形断面を持つ第二
構成部材15から構成されており、内側断面形状は長方形
となっている。また第一構成部材10の左右の側面にそれ
ぞれ同じ形状の複数個の液体の分配孔11が設けられてお
り、これらは左右一列ずつすなわち２列の、一次分配用
ダクト１の軸方向の直線上に中心点を有するとともに、
すべて同一形状となっている。
また第二構成部材15の垂直部15aは分配孔11から流出
した液体を二次分配用トレーに導くガイド板を形成して
いるとともに、複数個の通気孔16が設けられている。こ
の通気孔16は、液体分配装置を側面から見て一次分配用
ダクト１の各液体分配孔11の中間部に開口している。な
お図には示していないが、第一構成部材10は両端部、す
なわち短辺部が液体の流出を防ぐ塞止壁となっており、
従って一次分配用ダクト１は液体の入口、すなわち入口
ヘッダ４との連通部と液体の分配孔11以外に外部との連
通部を持たない密閉形となっている。
二次分配用トレー群２は、複数個のトレー2a、2
b、...、2m（第５図参照）から構成されており、これら
のトレーには液体滴下孔21が多数設けられており、この
周囲には下方に向かう突起22が形成されている。一次分
配用ダクト１の複数個の液体の分配孔11はダクトの左右
に対称に設けられており、それぞれのトレーに対して左
右一個づつの一組の分配孔が対応している。従って各ト
レーに対する一次分配用ダクト１の液体分配孔11はそれ
ぞれ二個づつであり、同数となっている。二次分配用ト
レー2a、2b、...、2mの下面に多数設けた液体滴下孔21
はバーリング加工によって形成されており、これらの周
囲に形成された下方に向かう突起22はバーリング加工時
にトレーの底面の部材が下方に変形することによって形
成したものである。
分配させる液体は配管３によってヘッダ４に導かれ、
一次分配用ダクト１へ流入した後、液体の分配孔11から
流出する。さらにこの液体は、一次分配用ダクト１の第
二構成部材15の垂直部15aによって二次分配用トレー群
２を構成する複数個のトレー2a、2b、...、2mに導かれ
た後、各トレーに設けられた液体滴下孔21から伝熱管群
５上に滴下する。
以上説明したように、本実施の形態においては、一次
分配用ダクトを密閉形としているので、液体分配孔の内
径を適切に定めることによって、ダクトから各トレーへ
の分配を決定する液体分配孔の流動抵抗、すなわち分配
孔前後の圧力差を大きく設定することができる。
従って、軸方向に傾斜をして設置された場合において
も、ダクトから各トレーへの分配に関してはこの流動抵
抗による圧力差が支配的になり、傾斜によって生じる両
端部の高低差の影響を排除することができる。
以上に述べた効果を第５図を用いてさらに詳しく説明
する。
図は横軸に入口ヘッダ側を起点とするトレー番号、縦
軸には一次分配用ダクト１から各トレー2a、2b、...、2
mに供給される液体の流量の、すべてのトレーの平均値
に対するばらつきを示したものである。図には、液体分
配装置が軸方向に傾きを伴って設置された場合を想定し
て、ダクト入口側から見て先端部が30mm高い場合、30mm
低い場合、及び比較のために完全に水平に設置された場
合の液体の分配特性を示した。この分配特性は、一次分
配用ダクト１の内部摩擦損失、先端部に行くに従って流
速が低下することによる静圧回復、各液体分配孔11の圧
力損失、及びダクトの軸方向の傾きによる圧力変化を考
慮し、二次分配用トレーの数を13個とした場合を、計算
によって求めたものである。
図から、分配装置は傾きによって先端部が入口から上
下方向に30mmの差異を生じた場合においても、各トレー
への分配量は平均値の±５％以内に収まっており、良好
な分配特性を持っていることがわかる。
また、本実施の形態では、液体分配孔11を各二次分配
用トレー2a、2b、...、2mに対して同数で２個、さらに
すべての液体分配孔11を同一半径の円形とすること、こ
れらをダクトの軸方向に２列で、直線上に中心を持つよ
うに配置することによって上述する効果を実現してい
る。
また、一次分配用ダクトの軸方向断面形状は長方形と
なっているので、液体に金属粒子などの異物12が混入し
た場合、これらは液体の流れの影響が小さい長方形の角
部に滞留する。従ってこれらは一次分配用ダクトによっ
て捕捉されるので、二次分配用トレー群２への流出によ
る滴下孔21の滴下不良を防止することができる。
さらに、一次分配用ダクト１からの液体分配孔11をダ
クトの側面に設けているので、前記角部によって捕捉さ
れた異物が下部に保持されるとともに、上述した二次分
配用トレー群２への流出防止作用がさらに効果的になっ
ている。
さらにこの液体分配孔を、ダクトの断面積を上下に二
分する水平面13に対して高い箇所に中心点を持つように
開口しているので、重力によりダクト内の下部に沈んだ
異物を一定保持でき、前述した異物捕捉作用を長期にわ
たって実現できる。
さらにまた、各二次分配用トレー2a、2b、...、2m上
に供給される液体は、一次分配用ダクトの良好な分配特
性によって、ほぼ等しい流量となる。このため、各トレ
ー上に保持される液体の量もほぼ等しくなる。
従って、第４図に示すように、伝熱管群が傾斜するこ
とによって液体分配装置全体としての滴下量の分布が滴
下量の多い箇所と少ない箇所が交互に生じても、滴下量
が少なく流下液膜の生成が不十分な領域には、隣接する
滴下量の多い箇所から液体が移動してくるので、位置的
に最も高くなる極一部を除いて管群の広範な領域におい
て流下液膜の生成を良好に達成することができる。
さらに本実施の形態では、第６図に示すように、一次
分配用ダクト１の外部、すなわち二次分配用トレー群２
の上部は通気孔16及び端部の開口部17を介して熱交換器
内の空間と連通している。このため、液体分配装置に供
給された液体が熱交換器内の蒸気圧に対してスーパーヒ
ート状態である場合、一次分配用ダクト１から流出した
段階で自己蒸発を起こして飽和状態となる。このため、
滴下時に自己蒸発によって伝熱管群の外部に飛散するこ
となく、円滑かつ安定した液体の滴下を実現することが
できる。
なお、二次分配用トレー上の自己蒸発によって発生し
た蒸気は、第６図に点線矢印で示したように、通気孔16
及び端部の開口部17を通って熱交換器内へ流れる。
本実施の形態では、伝熱管群５上に分配すべき液体が
熱交換器内の蒸気圧に対してスーパーヒート状態である
場合を想定して第６図のように通気孔16を多数設けてい
るが、このような場合が起こらないような条件で液体分
配装置を使用する場合は通気孔は省略してもよい。ただ
し、起動時に二次分配用トレー上に液面を形成する過程
で内部の気体を排出する必要があるので、開口部17を設
けることが望ましい。
さらに本実施の形態では、二次分配用トレー2a、2
b、...、2mの下面に多数形成した液体滴下孔21の周囲に
下方に向かう突起22を設けたので、液体は滴下孔の真下
に確実に滴下され、トレーの下面に付着したり伝熱管群
の外部や伝熱管の間に落下して無駄に散布されることが
ない。また、突起22をバーリング加工によってトレーの
下面の部材を変形させることによって形成しているの
で、新たな部品を別個に用いることなく、低コストでで
きる。
さらに、液体滴下孔21は液体分配装置全体において装
置の軸方向に複数の列を形成しているので、滴下される
液体もまた複数の列状になり、これらの各列を熱交換器
内に設置される各伝熱管もしくは縦方向の伝熱管列に対
応させることによって、供給された全ての液体を確実に
伝熱管群上に導くことができる。
液体分配装置について、さらに第７図及び第８図を用
いて説明する。
液体分配装置は入口ヘッダ４、一次分配用ダクトを構
成する第一の部材10、第二の部材15、二次分配用トレー
群２とを接続して構成され、二次分配用トレー群２は第
８図に示すように同一形状の二次分配用トレー2a、2
b、...2hを一次分配用ダクトの軸方向に一列に並設され
ている。
入口ヘッダ４には液体を供給する配管を接続する開口
部41を設け、一次分配用ダクトの第一部材10には入口ヘ
ッダ４内と一次分配用ダクト内を連通させる開口部18を
設ける。二次分配用トレー2a、2b、...2hは略直方体形
状であるから接続が容易である。また装置全体の組み立
ても、滴下式の分配装置でありながら極めて容易であ
り、二次分配用トレー群２に設けた液体滴下孔21の軸方
向の列数を増やすことによって１組の構成に対して多数
の列の伝熱管に液体を供給することができ、流下液膜式
熱交換器全体としてのコストダウンが達成できる。
また本実施の形態によれば、二次分配用トレー群２を
同一形状のトレー2a、2b、...2hの列状配置で構成して
いるので、このトレーの数を増減させて全体の長さを変
更することによって容量の異なる熱交換器にも同一のト
レーを適用することができ、同一部品の量産効果による
生産効率の向上、すなわちコストダウンを達成できる。
次に、本発明による液体分配装置の構成方法に関する
他の実施の形態を第９図を用いて説明する。
図では、第７図における二次分配用トレー２を同一形
状の複数のトレーで構成するかわりに、一次分配用ダク
トと同じ長さを持つトレー本体25に、トレー25内を複数
の領域に分割し、これらの領域相互の液体の流動を抑止
する手段であるトレー仕切板26を設置して、二次分配用
トレー２を構成している。
本実施の形態においては、二次分配用トレー２の内部
を分割する部分がトレー仕切板26一枚で構成できるの
で、トレー全体の材料が少なくて済み、軽量化できると
いう効果がある。
本発明のさらに他の実施の形態を第10図を用いて説明
する。
図に示す液体分配装置は、第１図ないし第８図に示し
た実施の形態、または第９図に示した実施の形態と同じ
部品構成及び内部形状であるが、次の点において異なっ
ている。
すなわち第10図では、一次分配用ダクト１への流体入
口及び入口ヘッダ４が、上記一次ダクト１の上面の、長
手方向中央部に設けられている。この実施の形態では、
入口配管３から入口ヘッダ４を介して液体分配装置の一
次分配用ダクトに流入した液体は、液体分配装置を横方
向から見て左右に分流し、その後は第１図ないし第８
図、または第９図に示した実施の形態と同様に液体分配
孔から二次分配用トレー２に分配される。
このように、第10図に示した液体分配装置において
は、一次分配用ダクト１への流体入口及び入口ヘッダ４
が、上記一次ダクト１の上面の、長手方向中央部に設け
られているので、流入した液体が左右にそれぞれほぼ等
しい流量で分流される。このため、第１図ないし第８図
に示した実施の形態に比較して、ダクト内最大流量はほ
ぼ半分となる。従って、一次分配用ダクトの断面積を小
さくすることができ、内部に充填される流体の体積も低
減されるので、軽量化、低コスト化が可能になるという
効果がある。
また、第１図ないし第８図に示した実施の形態に対し
て、断面が同等の一次分配用ダクト及びそれを用いた液
体分配装置で２倍の液体流量を賄うことができるという
効果があり、従って第10図の構成は特に大形・大容量の
流下液膜式熱交換器にこれら液体分配装置を適用する場
合に好適である。
次に本発明による流下液膜式熱交換器の実施の形態の
例を、第２図及び第11図を用いて説明する。
第11図は本発明による流下液膜式熱交換器の実施の形
態例の内部構造を示す断面図である。図に示すように流
下液膜式熱交換器70は、筐体すなわち密閉容器71、その
内部に設置された散布装置すなわち液体分配装置72及び
伝熱管群５、この伝熱管群５の表面に流下液膜を形成す
る第一の熱交換媒体を熱交換器の外部から導く入口配管
３及び入口ヘッダ４、管群表面から落下した液体を一旦
蓄える下部の液体滞留部６、この液体滞留部６から液体
を外部へ導く出口配管７、及び伝熱管内を流れる第二の
熱交換媒体の流路80ないし90などから構成されている。
ここで液体分配装置72は前述の液体分配装置である。
さらに第二の熱交換媒体の流路80ないし90は、筐体71
の下部に設けられた入口配管80、第一ヘッダ81、第一パ
ス82、第二ヘッダ83、第二パス84、第三ヘッダ85、第三
パス86、第四ヘッダ87、第四パス88、第五ヘッダ89、及
び筐体71の上部に設けられた出口配管90から構成されて
いる。
なお、第一ないし第四パス82、84、86、88は伝熱管群
５を高さ方向に複数の小管群に分割した場合の各小管群
の管内側の流路である。また、これらの流路80ないし90
は、筐体71内の伝熱管外の空間と連通部を持たず、完全
に分離されている。
ここで、伝熱管群５を構成する伝熱管はそれぞれ互い
に平行であるとともに液体分配装置72とも平行に設置
し、これら液体分配装置72及び伝熱管群５は水平に設置
している。また、伝熱管群５内において各伝熱管は垂直
方向に複数の列を形成しており、この列の数は７列とな
っている。一方、液体分配装置72の下面に多数設けられ
た液体滴下孔21は、第11図に示すように液体分配装置全
体として一次分配用ダクト１に平行な複数の列を形成し
ている。さらに、この液体滴下孔21が形成している列の
数は第２図に示すように７列であり、上記伝熱管群５内
の各伝熱管が構成する列の数と同数、すなわち100％と
なっている。
さらに、液体滴下孔の列と伝熱管の列の位置関係は、
第２図に示すように、各液体滴下孔の真下に伝熱管列が
位置するように配置されている。すなわち、各伝熱管列
の中心線51がその上部に設けられた液体滴下孔21の中心
を通るように配置したものである。
本実施の形態では流下液膜式熱交換器70は次のように
動作する。
伝熱管外に供給される第一媒体は入口配管３から入口
ヘッダ４を介して筐体71内の最上部に設けられた液体分
配装置72に流入する。液体分配装置72では上述した液体
分配装置の実施の形態に述べた液体分配作用によって、
伝熱管群５を構成する各伝熱管列の最上段の伝熱管の表
面に散布されて流下液膜52を形成し、伝熱管内の第二媒
体と熱交換をしながら伝熱管群５上を流下して液体滞留
部６に到達した後、出口配管７から熱交換器外へ流出す
る。
このとき、伝熱管内に供給される第二媒体は、入口配
管80から熱交換器70内の第一ヘッダ81に流入し、第一パ
ス82を構成する各伝熱管の管内に分配されて管内を流
れ、同時に管外を流下する第一媒体との熱交換を行う。
第一パス82に通過した第二媒体は、各伝熱管内から第二
ヘッダ83に流入して再び混合する。第二ヘッダ83ではこ
の混合した第二媒体が第二パス84を構成する各伝熱管の
管内に分配されて管外を流下する第一媒体との熱交換を
行い、以下同様に第三ヘッダ85、第三パス86、第四ヘッ
ダ87、第四パス88、第５ヘッダ89を通過して出口配管90
から熱交換器外へ流出する。
以上説明したように、流下液膜52を形成する第一媒体
を各伝熱管の全長にわたって満遍なく供給することがで
き、伝熱管表面の全面積に対する流下液膜52で覆われた
部分の面積の割合が増加して熱交換器の性能が向上する
という効果がある。すなわち、流下液膜に覆われずに熱
交換に寄与しない部分の割合が下がるので、従来よりも
少ない伝熱面積で同等の性能を得ることができ、熱交換
器の小形化、軽量化、低コスト化を達成できるという効
果がある。
また、液体分配装置の、金属粒子などの異物による液
体滴下孔の閉塞を長期間にわたって防止できるという効
果によって、経年劣化の少ない流下液膜式熱交換器が得
られ、さらに液体分配装置の、熱交換器やそれを含む機
器・システムが液体分配装置及び伝熱管群の軸方向に傾
斜を伴って設置された場合においても第一流体の良好な
分配、すなわち伝熱管群上への供給が可能となるという
効果によって、傾斜を伴う設置に対する性能安定性が良
好な流下液膜式熱交換器が得られるという効果もある。
さらに本実施の形態では、液体分配装置の二次分配用
トレーの上部に通気孔を設けているので、第一媒体が熱
交換器内の蒸気圧に対して過熱状態、あるいは過冷却状
態で流入する場合においても、第一媒体の急激な自己蒸
発および蒸気吸収の不安定要因を排除して、二次分配用
トレー上の液面を円滑に形成することができる汎用性の
高い流下液膜式熱交換器が得られるという効果もある。
さらに以上に述べた実施の形態では、伝熱管群５を構
成する各伝熱管をそれぞれ互いに平行に設置し、液体滴
下孔21を含む断面方向から見て垂直方向に複数の列を形
成するとともに、これらの列の中心線、すなわち列を形
成する各伝熱管の中心点を結ぶ直線51がそれぞれ上部の
液体滴下孔21の中心線に一致するように構成している。
すなわち、伝熱管群５内に形成された垂直方向の複数の
列は、すべて液体滴下孔21が形成する軸方向の列のいず
れかの真下に中心線が位置するように配置したので、液
体分配装置72から滴下された第一媒体は、すべて伝熱管
群５内に縦方向に形成された各伝熱管列の最上段の伝熱
管の断面方向カから見た中央部に的確に供給される。
従って断面方向端部への供給による管群からの離脱
や、液体滞留部６への直接落下等の流下液膜形成阻害要
因を排除する効果がある。
さらに本実施の形態では、伝熱管群５を高さ方向に複
数の小管群に分割してそれらの内部に伝熱管内を流れる
第二媒体の第一ないし第四パス82、84、86、88を形成
し、下部の小管群から上記第二媒体を順次流通させて、
流下液膜を形成して上部から下部に向かって流れる第一
媒体との熱交換をさせる構成としたことによって、対向
流形熱交換器を構成することができ、高性能、高効率化
を図れるという効果がある。
なお、伝熱管群５を直管の集合で構成して高さ方向に
分割する代わりに、上記伝熱管群５を複数の水平な伝熱
部とこのっ伝熱部の間に設けられた高さ方向に180゜方
向転換するターン部とからなる蛇行管の集合体で構成
し、伝熱管内を流れる第二媒体を上記蛇行管群の下部か
ら流通させた場合においても同様の効果が得られる。
さらに本実施の形態では、単一の液体分配装置で多数
の列から構成される伝熱管群のすべてに第一媒体を供給
できるので、伝熱管の列数が奇数である場合においても
第一媒体の余分な供給量を生じることなく伝熱管群上に
分配することができる。従って流下液膜式熱交換器の設
計時の自由度が高くなり、前記特開平５−172438号公報
及び特開平７−4782号公報に記載するものに比較して最
適化が図れるという効果がある。
以上説明したように本実施例の形態によれば、小形・
軽量・低コスト、高性能・高効率であり、経年劣化が少
なく、傾斜を伴う設置に対する性能安定性が良好であ
り、汎用性が高く、設計上の自由度が高く最適化が可能
な流下液膜式熱交換器が得られる。
次に本発明による吸収式冷凍機の実施の形態につい
て、第12図と第１表を参照しながら説明する。なお本発
明における吸収式冷凍機とは所謂吸収式の総称であり、
吸収冷凍機、吸収冷温水機、第一種吸収ヒートポンプ
（ヒートアンプリファイア）、第二種吸収ヒートポンプ
（ヒートトランスフォーマ）を含む。
図は本発明による吸収式冷凍機の一形態である吸収冷
温水機の系統図であり、表は液体分配装置ならびに流下
液膜式熱交換器を用いた要素機器の名称及び伝熱管外で
生じる相変化の形態、流下液膜式熱交換器において流下
液膜を形成する第一媒体及び伝熱管内を流れる第二媒体
の吸収冷温水機内での作動流体名を表している。
吸収冷温水機は、吸収溶液を外部の熱源によって加熱
濃縮する高温再生器101、伝熱管外に吸収溶液の流下液
膜を形成し、前記高温再生器101で発生した冷媒蒸気の
熱エネルギーで加熱濃縮する低温再生器102、この低温
再生器102で発生した冷媒蒸気を凝縮するとともに高温
再生器101で発生して低温再生器102の管内で凝縮した冷
媒液と混合する凝縮器103、管外に冷媒液の流下液膜を
形成して蒸発させ、管内の冷水を冷却する蒸発器104、
この蒸発器104で発生した冷媒蒸気を吸収溶液の流下液
膜によって吸収して容器内を低圧に保ち、蒸発を促進す
る吸収器105、前記高温再生器101及び低温再生器102か
ら吸収器105に循環する吸収溶液から顕熱を回収して省
エネルギーを図る低温熱交換器106、高温熱交換器107及
びこれらを接続する配管類とポンプから構成されてい
る。
本実施の形態では低温再生器102、蒸発器104、吸収器
105に対して、本発明に拘る液体分配装置及び流下液膜
式熱交換器の構成が適用されている。
次に、これら３つの要素機器に本発明による液体分配
装置ならびに流下液膜式熱交換器を適用する方法を説明
する。ここに、吸収冷温水機は作動流体として冷媒に
水、吸収溶液に臭化リチウム水溶液を用いる一般的な二
重効用形であり、吸収冷温水機は冷房運転を行っている
ものとして説明を行う。
蒸発器104における熱交換媒体は凝縮器103から流入し
た冷媒液と冷房負荷系統と吸収冷温水機との間を往復す
る冷水である。冷媒液は気液界面を介して蒸発するため
に流下液膜を形成する必要があり、流下液膜式熱交換器
の第一媒体として一旦蒸発器104の下部に蓄えられ、蒸
発器の下部に設けられた冷媒散布用ポンプによって液体
分配装置72eに供給される。
一方、伝熱管内を流れる第二媒体は冷房負荷系統と吸
収冷温水機との間を往復する冷水とする。液体分配装置
72eから伝熱管群上に供給された冷媒液は流下液膜を形
成し、管内を流れる冷水から熱を奪って蒸発する。この
作用によって、冷房負荷管内の冷水が冷却され、この冷
水を冷房負荷系に供給して冷房を行う。蒸発しきれずに
容器の底部に流下した冷媒液は、凝縮器103から流入し
た冷媒液と混合し、再び液体分配装置72eに供給され
る。
次に吸収器105における熱交換媒体は再生器系から低
温熱交換器106を経て循環してきた吸収溶液と、これを
冷却して吸収溶液の吸収能力を維持する冷却水である。
吸収溶液は気液界面を介して蒸発器からの冷媒蒸気を吸
収するために流下液膜を形成する必要があるので、流下
液膜式熱交換器の第一流体として液体分配装置72aに供
給し、伝熱管内を流れる第二媒体を冷却水とする。冷媒
蒸気を吸収して底部に流下した吸収溶液は、吸収器105
の下部に設置された溶液循環ポンプ107によって再び低
温熱交換器106を経て再生器系へ送られる。
次に、低温再生器102における熱交換媒体は、吸収器1
05から低温熱交換器106を経た後に高温再生器101と低温
再生器102とに分岐した後の低温再生器102の吸収溶液
と、高温再生器101において発生して低温再生器内で凝
縮する冷媒蒸気とである。吸収溶液は気液界面を介して
冷媒蒸気を発生するために流下液膜を形成する必要があ
り、流下液膜式熱交換器の第一流体として液体分配装置
72gに供給する。
一方、冷媒蒸気もまた低温再生器内で相変化を生じる
媒体であるが、凝縮現象の場合は流下液膜を形成しなく
ても伝熱面への凝縮によって気液界面が自然に形成され
るので、第二媒体として伝熱管内へ供給して管内へ凝縮
させた後、凝縮器103内へ導かれる。冷媒蒸気を発生し
て底部に流下した吸収溶液は、高温再生器101からの吸
収溶液とともに再び吸収器104へ循環する。
以上説明したように第12図の実施の形態では、吸収冷
温水機の低温再生器102、蒸発器104、吸収器105に流下
液膜式熱交換器を設置したので、小形・軽量・低コス
ト、高性能・高効率であり、経年劣化が少なく、傾斜を
伴う設置に対する性能安定性が良好であり、汎用性が高
く、設計上の自由度が高く最適化が可能な吸収式冷凍機
が得られる。
さらに、吸収式冷凍機の冷媒及び吸収溶液の循環系統
には循環用のポンプが設置されるほか、溶液循環量の制
御に用いられる電磁弁や可変抵抗弁、出荷時やメンテナ
ンス時に用いる流量調整弁及び開閉弁、運転時に高温再
生器の溶液量を適正に維持するフロート弁などの流体要
素が設置される。これらの循環系統に金属粒子や銅メッ
キが剥離して生じた異物などが混入した場合には、これ
らの異物が冷媒の循環系統の一部である蒸発器104の液
体分配装置72e、吸収溶液の循環系統の一部である液体
分配装置72a、72gによって捕捉され、これらの異物に起
因するポンプの不具合や各種流体要素の動作不良、微細
な流路の閉塞を防止できるという効果があり、信頼性の
高い吸収式冷凍機が得られる。
以上説明したように、本発明によれば、液体分配装置
および流下液膜式熱交換器において、熱交換器本体もし
くは該熱交換器を含む装置本体が傾斜をし設置された場
合や、分配する液体が過冷却あるいは過熱状態で供給さ
れる場合においても良好な分配性能、流下液膜の形成が
可能になり、また、作動流体中に混入した異物が良好に
除去されて経年劣化が少なくなり、伝熱管の列数を自由
に設定できることにより設計自由度が高くなるとともに
以上の利点を低コストで実現するという効果がある。
さらに、この流下液膜式熱交換器を吸収式冷凍機の低
温再生器、蒸発器、吸収器などに適用することにより、
吸収式冷凍機の小形化、軽量化、低コスト化を実現し、
また信頼性が向上するという効果が得られる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−4782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−252869（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−43967（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−44370（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 33/00 F25B 37/00 F25B 39/02

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱交換の過程で相変化を伴う液体を伝熱管
    郡上に上部から分配して散布する液体分配装置におい
    て、液体分配装置を液体の出口となりかつ液体を分配す
    るための複数の分配孔をダクトの長手方向に並べて形成
    され、上向きに開いたコの字形の第一の部材を下向きに
    開いたコの字形の第二の部材の下方から取り付けて構成
    した一次分配用ダクトと、この一次分配用ダクトの長手
    方向に沿って一次分配用ダクトの下方に配置され、前記
    分配孔に対応して長手方向に複数の領域に分割されると
    ともに各領域に前記液体を滴下させるための液体滴下孔
    を形成した上向きに開いたコの字形の部材からなる二次
    分配用とトレーとから構成することを特徴とする液体分
    配装置。
  2. 【請求項２】請求の範囲１項に記載の液体分配装置にお
    いて、分配孔は、上向きに開いたコの字形の第１の部材
    側面の中央より高い位置に中心点を持つことを特徴とす
    る液体分配装置。
  3. 【請求項３】請求の範囲１項に記載の液体分配装置にお
    いて、二次分配用トレーに形成した液体滴下孔の周囲に
    底面から下方に突起を形成することを特徴とする液体分
    配装置。
  4. 【請求項４】請求の範囲１項に記載の液体分配装置にお
    いて、二次分配用トレーは、上向きに開いたコの字形の
    箱形をした長い部材を複数個の仕切り板で分割してなる
    ものであることを特徴とする液体分配装置。
  5. 【請求項５】請求の範囲１項に記載の液体分配装置にお
    いて、二次分配用トレーは、上向きに開いたコの字形の
    箱形部材を複数個接続してなるものであることを特徴と
    する液体分配装置。
  6. 【請求項６】請求の範囲１項に記載の液体分配装置にお
    いて、一次分配用ダクトの下向きに開いたコの字形の第
    二の部材の長手方向の側面に通気孔を形成することを特
    徴とする液体分配装置。
  7. 【請求項７】請求の範囲６項に記載の液体分配装置にお
    いて、通気孔は各分配孔の中間部に形成することを特徴
    とする液体分配装置。
  8. 【請求項８】管の内外で熱交換を行う伝熱管群と、この
    伝熱管群を構成する各伝熱管の上部から熱交換媒体を分
    配して散布する液体分配装置とを有し、この熱交換媒体
    が重力によって流下しながら前記伝熱管外壁面に液膜を
    形成して管内を流れる熱交換媒体と熱交換を行う流下液
    膜式熱交換器において、前記液体分配装置は、液体の出
    口となりかつ液体を分配するための複数の分配孔をダク
    トの長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコの字
    形の第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の部材
    の下方から取り付けて構成した一次分配用ダクトと、こ
    の一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配用ダク
    トの下方に配置され、前記分配孔に対応して長手方向に
    複数の領域に分割されるとともに各領域に前記液体を滴
    下させるための液体滴下孔を形成した上向きに開いたコ
    の字形の部材からなる二次分配用トレーとから構成さ
    れ、前記伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分配装
    置に形成した液体滴下孔に平行であることを特徴とする
    流下液膜式熱交換器。
  9. 【請求項９】請求の範囲８項に記載の流下液膜式熱交換
    器において、伝熱管群を構成する伝熱管の列数を液体滴
    下孔を形成する列数の90から100％の範囲にすることを
    特徴とする流下液膜式熱交換器。
  10. 【請求項１０】請求の範囲８項に記載の流下液膜式熱交
    換器において、伝熱管群を高さ方向に複数の群に分割し
    て伝熱管内を流れる熱交換媒体を下方の群から順次流す
    ものであることを特徴とする流下液膜式熱交換器。
  11. 【請求項１１】管の内外で熱交換を行う伝熱管群と、こ
    の伝熱管群を構成する各伝熱管の上部から熱交換媒体を
    分配して散布する液体分配装置とを有し、この熱交換媒
    体が重力によって流下しながら前記伝熱管外壁面に液膜
    を形成して管内を流れる熱交換媒体と熱交換を行う流下
    液膜式熱交換器において、前記液体分配装置は、液体の
    出口となりかつ分配するための複数の分配孔をダクトの
    長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコの字形の
    第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の部材の下
    方から取り付けて構成した一次分配用ダクトと、この一
    次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配用ダクトの
    下方に配置され、前記分配孔に対応して長手方向に複数
    の領域に分割されるとともに各領域に前記液体を滴下さ
    せるための液体滴下孔を形成した上向きに開いたコの字
    形の部材からなる二次分配用トレーとから構成され、前
    記伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分配装置に形
    成した液体滴下孔に平行であり、伝熱管群を構成する伝
    熱管の列数を液体滴下孔の形成する列数の90から100％
    の範囲とし、前記伝熱管群を高さ方向に複数の群に分割
    して伝熱管内を流れる熱交換媒体を下方の群から順次流
    すものであることを特徴とする流下液膜式熱交換器。
  12. 【請求項１２】吸収式冷凍機．蒸発器、吸収器、再生器
    管、これら蒸発器、吸収器、再生器に組み込まれ管の内
    外で熱交換を行う伝熱管群の上部から熱交換媒体を分配
    して散布する液体分配装置及び凝縮器を備える単効用吸
    収式冷凍機において、前記液体分配装置は、液体の出口
    となりかつ液体を分配するための複数の分配孔をダクト
    の長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコの字形
    の第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の部材の
    下方から取り付けて構成した一次分配用ダクトと、この
    一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配用ダクト
    の下方に配置され、前記分配孔に対応して長手方向に複
    数の領域に分割されるとともに各領域に前記液体を滴下
    させるための液体滴下孔を形成した上向きに開いたコの
    字形の部材からなる二次分配用トレーとからなり、前記
    伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分配装置に形成
    した液体滴下孔に平行である流下液膜式熱交換器を少な
    くとも前記蒸発器、吸収器、再生器のいずれか一つに組
    み込むことを特徴とする吸収式冷凍機。
  13. 【請求項１３】蒸発器、吸収器、高温再生器、低温再生
    器、これら蒸発器、吸収器、低温再生器に組み込まれ管
    の内外で熱交換を行う伝熱管群の上部から熱交換媒体を
    分配して散布する液体分配装置及び凝縮器を備える多重
    効用吸収式冷凍機において、前記液体分配装置は、液体
    の出口となりかつ液体を分配するための複数の分配孔を
    ダクトの長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコ
    の字形の第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の
    部材の下方から取り付けて構成した一次分配用ダクト
    と、この一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配
    用ダクトの下方に配置され、前記分配孔に対応して長手
    方向に複数の領域に分割されるとともに各領域に前記液
    体を滴下させるための液体滴下孔を形成した上向きに開
    いたコの字形の部材からなる二次分配用トレーとから構
    成され、前記伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分
    配装置に形成した液体滴下孔に平行である流下液膜式熱
    交換器を少なくとも前記蒸発器、吸収器、低温再生器の
    いずれか一つに組み込むことを特徴とする吸収式冷凍
    機。
  14. 【請求項１４】蒸発器、吸収器、高温再生器、低温再生
    器、これら蒸発器、吸収器、低温再生器に組み込まれ管
    の内外で熱交換を行う伝熱管群の上部から熱交換媒体を
    分配して散布する液体分配装置及び凝縮器を備える多重
    効用吸収式冷凍機において、前記液体分配装置は、液体
    の出口となりかつ分配するための複数の分配孔をダクト
    の長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコの字形
    の第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の部材の
    下方から取り付けて構成した一次分配用ダクトと、この
    一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配用ダクト
    の下方に配置され、前記分配孔に対応して長手方向に複
    数の領域に分割されるとともに各領域に前記液体を滴下
    させるための液体滴下孔を形成した上向きに開いたコの
    字形の部材からなる二次分配用トレーとから構成され、
    前記伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分配装置に
    形成した液体滴下孔に平行である流下液膜式熱交換器を
    少なくとも前記蒸発器、吸収器、低温再生器のいずれか
    一つに組み込むことを特徴とする吸収式冷凍機。
  15. 【請求項１５】蒸発器、吸収器、高温再生器、低温再生
    器、これら蒸発器、吸収器、低温再生器に組み込まれ管
    の内外で熱交換を行う伝熱管群の上部から熱交換媒体を
    分配して散布する液体分配装置及び凝縮器を備える多重
    効用吸収式冷凍機において、前記液体分配装置は、液体
    の出口となりかつ分配するための複数の分配孔をダクト
    の長手方向に並べて形成され、上向きに開いたコの字形
    の第一の部材を下向きに開いたコの字形の第二の部材の
    下方から取り付けて構成した一次分配用ダクトと、この
    一次分配用ダクトの長手方向に沿って一次分配用ダクト
    の下方に配置され、前記分配孔に対応して長手方向に複
    数の領域に分割されるとともに各領域に前記液体を滴下
    させるための液体滴下孔を形成した上向きに開いたコの
    字形の部材からなる二次分配用トレーとから構成され、
    前記伝熱管群を構成する各伝熱管は前記液体分配装置に
    形成した液体滴下孔に平行であり、伝熱管群を構成する
    伝熱管の列数を液体滴下孔の形成する列数の90から100
    ％の範囲とし、前記伝熱管群を高さ方向に複数の群に分
    割して伝熱管内を流れる熱交換媒体を下方の群から順次
    流す流下液膜式熱交換器を少なくとも前記蒸発器、吸収
    器、低温再生器のいずれか一つに組み込むことを特徴と
    する吸収式冷凍機。
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