JP3785737B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、冷媒を蒸発させて冷熱を発生させる蒸発器と、同蒸発器において発生した冷熱を利用する冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器とをそなえた冷凍装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
上記のような冷凍装置（たとえば圧縮式冷凍装置や吸収式冷凍装置）は既に公知であるが、公知の各種冷凍装置においてはその冷熱は冷水として取り出される場合が多い。
【０００４】
ところで、冷凍装置で生成した冷熱を搬送する熱搬送媒体として「水」を使用する場合は、水循環ポンプ等のための熱搬送動力が大きい、あるいは大がかりな水配管工事を必要とする、あるいは水もれの可能性がある、等の問題があるところから、熱搬送媒体として「水」のかわりにたとえばＲ１３４ａやＲ２２等のように潜熱変化によって熱搬送する媒体を使用することが行われている。このように、熱搬送媒体としてＲ１３４ａやＲ２２等のような潜熱変化媒体を使用すると、熱搬送媒体として「水」を使用する場合の種々の問題点を解決することができるが、本願発明者らは、熱搬送媒体として「潜熱変化媒体」を使用する場合にあっても単に「水」にかわる熱搬送媒体としての観点からだけではなく、同時に他の利点をも生じ得るような方法での「潜熱変化媒体」の使用態様を研究してきたものである。
【０００５】
冷凍装置の蒸発器と冷房用室内熱交換器のような冷熱利用機器との間を循環する熱搬送媒体は、単位質量あたりの熱搬送能力それ自体が大きいことも大事な要素であるが、場合によっては冷熱利用機器における入口温度が低いことも必要な条件となることがある（たとえば除湿能力向上のため、等）。
【０００６】
一方、各種の冷凍装置においてはそのＣ．Ｏ．Ｐを向上させることが常に求められているが、吸収式の冷凍装置においてそのＣ．Ｏ．Ｐを向上させるための一手段として、蒸発器において冷媒を多段階に蒸発させるとともに、これに対応して吸収器においても多段階にわけて溶液に冷媒蒸気を吸収させる、いわゆる多段吸収方式の冷凍システムが開発され、公開されている（たとえば、特開平２−１１８３６６号公報）。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、冷凍装置において冷熱を熱搬送する媒体として「水」を使用する場合に生じる上記のような諸問題を改善することを第１の目的としてなされたものである。
【０００８】
又、本願発明は、冷凍装置の蒸発器と冷房用室内熱交換器のような冷熱利用機器との間の冷熱搬送媒体として潜熱変化を伴う媒体を使用するに際しても、単なる「水」の代用としてだけでなく他の利点をも付加し得るような態様での潜熱変化媒体の使用を探求することを他の目的とするものである。
【０００９】
又、本願発明は、吸収式の冷凍装置、とりわけ多段吸収式の冷凍装置においてさらにＣ．Ｏ．Ｐを向上させることをさらに他の目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、上記目的を達成するために、冷媒を蒸発させて冷熱を発生させる蒸発器と、蒸発器において発生した冷熱を利用する冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器とをそなえた冷凍装置において、冷熱を冷熱利用機器に搬送する熱搬送媒体として沸点の異なる複数種類の冷媒成分を混合させた非共沸混合冷媒を使用したことを基本構成とするものである。
【００１１】
本願発明の上記基本構成によれば、蒸発器において発生した冷熱を冷熱利用機器に熱搬送するにあたって、その媒体として従来のように水を使用しないから大がかりな水配管工事の必要もなく、又水ポンプ等のように比較的大きな熱搬送動力を必要とすることもない。
【００１２】
又、本願発明において、従来の水にかわる熱搬送媒体として、Ｒ１３４ａやＲ２２のような単一成分の冷媒を使用せずに、沸点の異なる複数種類の冷媒成分を混合した非共沸混合冷媒を使用しているのは次のような理由による。
【００１３】
すなわち、各種の冷凍システムにおいて従来から熱搬送媒体として使用されているＲ１３４ａやＲ２２のような単一成分の媒体は、冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器内で蒸発するときは単一の蒸発温度（たとえば８℃）で蒸発する。
【００１４】
これに対して、冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器における冷却熱負荷条件を一定として考えると、複数種類の冷媒成分からなる非共沸混合冷媒は蒸発温度が連続的に変化するため、それを使用した場合は、室内熱交換器等の冷熱利用機器において所定の温度幅をもつ蒸発温度（たとえば５℃〜１１℃）を実現することができ、室内熱交換器等の冷熱利用機器での入口蒸発温度としてたとえばさきのＲ１３４ａやＲ２２の場合より低い５℃程度を得ることが可能となる。そして上記のような低い入口蒸発温度を有効に活用してたとえば除湿効果を向上させたりする等の有利な結果を得ることが可能となるものである。
【００１５】
以下、吸収式の冷凍装置に本願発明の基本構成を適用した場合の各種変形例について説明する。
【００１６】
吸収式の冷凍装置は、その基本構成として、冷媒を蒸発させて冷熱を発生させる蒸発器と、冷媒蒸気を溶液中に吸収させる吸収器と、冷媒蒸気を吸収して濃度が低下した稀溶液を加熱して冷媒蒸気を分離させ且つ溶液を濃縮して濃溶液とする再生器と、再生器において溶液から分離された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器において発生した冷熱を利用する冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器とをそなえている。
【００１７】
そして、本願発明の吸収式の冷凍装置は上記のような基本構成に加えてさらに以下のような構成を付加される。
【００１８】
先ず、蒸発器と吸収器はそれぞれその蒸発作用又は吸収作用を多段化して、多段階的に冷媒の蒸発と溶液による冷媒蒸気の吸収作用が行われるようにする。そしてその際、蒸発器内で形成される複数段の蒸発器部分は上下方向に配列され、これに対して複数種類の冷媒成分を混合した非共沸混合冷媒流が下方から上方に向って流動するようにするとよい。又、吸収器内で形成される複数段の吸収器部分も、蒸発器内での複数段の蒸発器部分と対をなすように上下方向に配列され、これに対して溶液を冷却する冷却水が下方から上方に向って流動するようにするのが好適である。
【００１９】
再生器は、ガスバーナ等を熱源とする高温再生器と高温再生器で溶液から分離された高温蒸気を熱源とする低温再生器の２種類をそなえて構成されるのがよく、さらに熱効率を高めるために、吸収器から高温再生器への稀溶液給送回路の途中に低温再生器から吸収器へ移動する濃溶液と熱交換する第１の熱交換器（低温熱交換器）と高温再生器から低温再生器へ移動する高温の溶液と熱交換する第２の熱交換器（高温熱交換器）とを組込むのがよい。
【００２０】
吸収器と凝縮器に対して溶液又は冷媒蒸気を冷却する冷却水を供給する冷却水回路は吸収器と凝縮器とを直列に貫通し、高温となった冷却水は空冷冷却塔等の冷却手段で冷却するのがよい。
【００２１】
なお、吸収器と凝縮器に対する冷却方式は水冷式のものばかりでなく空冷式のものを採用してもよい。
【００２２】
使用する非共沸混合冷媒の一例としては、水を冷媒とし、ＬｉＢｒ溶液を吸収液とした場合に蒸発器内で得られる蒸発温度である３℃〜５℃程度の温度範囲において温度変化しながら凝縮する、複数種類の冷媒成分を混合した非共沸混合冷媒（たとえばＲ４０４Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ４１０Ａ等）が好適である。
【００２３】
因みに、Ｒ４０７Ｃは３種類の冷媒成分（ＨＦＣ−３２／１２５／１３４ａ）を質量比２３／２５／５２で混合したもので、第１の冷媒成分（ＨＦＣ−３２）と、第２の冷媒成分（ＨＦＣ−１２５）と、第３の冷媒成分（ＨＦＣ−１３４ａ）とが相互に混合された状態で、蒸発器内では前記の温度範囲で温度変化しながら凝縮するとともに、室内熱交換器等の冷熱利用機器側ではたとえば５℃〜１１℃程度の温度範囲で温度変化しながら蒸発する。
【００２４】
なお、Ｒ４０４Ａは３種類の冷媒成分（ＨＦＣ−１２５／１４３ａ／１３４ａ）を質量比４４／５２／４で混合したもの、Ｒ４１０Ａは、２種類の冷媒成分（ＨＦＣ−３２／１２５）を質量比５０／５０で混合したものである。
【発明の実施の形態】
【００２５】
図１を参照して本願発明を吸収式の冷凍装置に適用した場合の実施の形態を説明すると、図１には本願発明を適用して構成されている二段吸収式の冷凍装置が示されている。
【００２６】
図１において、符号１は第１段蒸発器部分１１と第２段蒸発器部分１２をそなえた蒸発器、２は第１段吸収器部分２１と第２段吸収器部分２２をそなえた吸収器、３は高温再生器、４は低温再生器、５は凝縮器、６は冷熱利用機器となる冷房用室内熱交換器、７は冷却水を冷却するための空冷の冷却塔である。
【００２７】
図１に示す二段吸収式の冷凍装置では、凝縮器５で凝縮した冷媒（水）は、蒸発器１で蒸発して冷媒蒸気となり、吸収器２で溶液（ＬｉＢｒ溶液）に吸収される。吸収器２内で冷媒蒸気を吸収して稀釈された溶液（濃度約５６％の稀溶液）は溶液ポンプ５３によって高温再生器３側へ送給される。高温再生器３ではガスバーナ３１で溶液を加熱して冷媒蒸気を分離するとともに溶液の濃度を高めて濃溶液（濃度約６０％）を作る。高温再生器３で作られた濃溶液（温度約１５０℃）は高温熱交換器５１で稀溶液（温度約７２℃）と熱交換して温度降下した後、低温再生器４へ流入し、そこで高温再生器３で分離された高温の冷媒蒸気（温度約９８℃）と熱交換してさらに冷媒蒸気を分離し、且つさらに高濃度溶液（濃度約６４％）となる。
【００２８】
低温再生器４で生成された高濃度溶液は、低温熱交換器５２で稀溶液と熱交換して温度降下（稀溶液は温度上昇）した後、吸収器２内のヘッダー２９から散布される。
【００２９】
一方、高温再生器３で溶液から分離された冷媒蒸気は低温再生器４において凝縮した後凝縮器５へ流入し、又低温再生器４で溶液から分離された冷媒蒸気は凝縮器５において冷却用熱交換器７２を通る冷却水によって冷却されて凝縮する。このようにして凝縮冷媒（水）は冷媒回路を一巡する。
【００３０】
冷却塔７から冷却水ポンプ７５によって送給される冷却水（温度約３２℃）は冷却水回路７０を通って吸収器２内の熱交換器７１へ入り、溶液を冷却して冷媒吸収を促進させた後、さらに凝縮器５内の熱交換器７２へ送給され、同凝縮器５内の冷媒蒸気を凝縮させる（冷却水の出口温度約３７℃）。
【００３１】
蒸発器１で生成された冷熱を冷熱利用機器である室内熱交換器６へ搬送する熱搬送媒体としては非共沸混合冷媒であるＲ４０７Ｃが使用され、同Ｒ４０７Ｃは混合冷媒回路５５を通って蒸発器１と室内熱交換器６の間を循環する。
【００３２】
蒸発器１内ではヘッダー１９から冷媒液（水）が散布され、上方の第１段蒸発器部分１１と下方の第２段蒸発器部分１２で気化潜熱により熱搬送媒体Ｒ４０７Ｃを冷却する。
【００３３】
熱搬送媒体Ｒ４０７Ｃは、この冷媒流と対向して下方から上方へ供給され、下方の第２段蒸発器部分１２と上方の第１段蒸発器部分１１を通過する間に所定温度幅内で温度変化しながら蒸発する冷媒によって連続的に冷却される。
【００３４】
冷媒（水）は、上方の第１段蒸発器部分１１で気化するときは蒸発温度が３℃以下であり、下方の第２段蒸発器部分１２では５℃程度で蒸発する。
【００３５】
すなわち、蒸発器１の第１段蒸発器部分１１と連通している吸収器２の第１段吸収器部分２１では、ヘッダー２９から散布される溶液（濃溶液）による冷媒吸収作用が強く（濃度約６４％→約６０％）、第１段蒸発器部分１１における蒸発温度を３．０℃程度にまで引下げることができる。これに対して、蒸発器１の第２段蒸発器部分１２と連通している吸収器２の第２段吸収器部分２２では溶液による冷媒吸収作用が上方の第１段吸収器部分２１程強くはなく（濃度約６０％→５６％）、第２段蒸発器部分１２における蒸発温度は５℃程度が限度となる。
【００３６】
これに対して蒸発器１の下方側から流入する非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃ（ガス状）は、第１冷媒成分と第２冷媒成分と第３冷媒成分とが相互に混合した状態で上記温度範囲（３℃以下〜５℃程度）で連続的に凝縮して液冷媒となる。そしてこの液状の非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃが室内熱交換器６で気化して冷房等の冷熱源となるのである。そしてその際、この非共沸混合冷媒Ｒ４０７Ｃは室内熱交換器６内においても５℃〜１１℃程度の範囲で多段階的且つ連続的に蒸発して従来の単一成分の冷媒（たとえばＲ２２）の蒸発温度（たとえば８℃）より低い入口蒸発温度（たとえば５℃程度）を得ることができ、それによってその低温度蒸発作用を利用して高度の除湿効果等の所定の効果を得ることができる。
【００３７】
又、図示の吸収式冷凍装置では、上記のように冷媒（水）の低い蒸発温度（３℃）に対応して低い熱搬送媒体（Ｒ４０７Ｃ）の取出し温度を実現して高度の除湿効果等の所定の効果を実現しながら冷凍装置のＣ．Ｏ．Ｐを高水準に維持することができる。すなわち、図１の多段吸収式冷凍装置では冷媒（水）の蒸発温度５℃の部分があるので、上記のようにＲ４０７Ｃの取出し温度を低くしても稀溶液濃度が上昇せず（濃度幅が小さくならず）、Ｃ．Ｏ．Ｐの低下を防ぐことができるものである。これに対して、通常の単段サイクルであれば、冷媒取り出し温度を低くすれば、それに対応する水冷媒蒸発温度も低くしなければならないので、結果的に吸収器圧力が低下し、吸収能力も低くなって稀溶液濃度が上昇し、濃度幅が小さくなってＣ．Ｏ．Ｐの低下を招くこととなる。
【発明の効果】
【００３８】
続いて本願発明の効果を説明すると、本願発明には次のような効果がある。
（１） 冷凍装置の蒸発器で生成された冷熱を冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器へ熱搬送するにあたり、従来の同種装置におけるように水を使用しないので、冷凍装置の蒸発器と冷熱利用機器との間の大がかりな水配管工事が不要となるほか、水循環ポンプ駆動に要する動力も節減できる。
（２） 熱搬送媒体として沸点の異なる複数種類の冷媒成分を混合した非共沸混合冷媒を使用しているので、室内熱交換器等の冷熱利用機器側でも所定の温度幅をもって蒸発温度を得ることができ、冷熱利用機器での冷却熱負荷条件を一定として考えると、単一成分の冷媒（たとえばＲ１３４ａやＲ２２）の場合より低い入口蒸発温度を実現することができ、それによりたとえば除湿効果等において従来より高い性能を発揮することができる。
（３） 熱搬送媒体として非共沸混合冷媒（たとえばＲ４０７Ｃ）を使用してこれを多段吸収式の冷凍システムと組合わせ、その際、相対的に蒸発温度の低い蒸発器部分を上方にまた相対的に蒸発温度の高い蒸発器部分を下方にした複数段式蒸発器と、相対的に溶液による冷媒吸収作用が強い吸収器部分を上方にまた相対的に溶液による冷媒吸収作用が弱い吸収器部分を下方にした複数段式吸収器とを使用する一方、前記蒸発温度の低い蒸発器部分と前記溶液による冷媒吸収作用が強い吸収器部分とが、また前記蒸発温度の高い蒸発器部分と前記溶液による冷媒吸収作用が弱い吸収器部分とがそれぞれ対になるようにし、さらに前記蒸発器において発生した冷熱を前記冷熱利用機器に搬送する熱搬送媒体として沸点の異なる複数種類の冷媒成分を混合させた非共沸混合冷媒を使用し、該非共沸混合冷媒を前記相対的に蒸発温度の高い蒸発器部分側から前記相対的に蒸発温度の低い蒸発器部分側に向けて流通させるようにしているので、非共沸混合冷媒のうち、沸点の異なる複数種類の冷媒成分が蒸発器において異なる温度において連続的に凝縮するに際して、蒸発器における冷媒の蒸発温度の高・低と吸収器における溶液による冷媒吸収作用の強・弱、及び非共沸混合冷媒のうちの沸点の異なる複数種類の冷媒成分それぞれの凝縮作用とがよりよくマッチングし、冷媒（水）の低い取り出し温度に対応して熱搬送媒体の低い取り出し温度を実現することができ、それにより冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器に対してより低温度の熱搬送媒体を供給することができる効果がある。また、それとともに、圧力（蒸発温度）レベルの異なる吸収器を設けることにより、圧力の高い吸収器の吸収効率が上がって、稀溶液濃度を低くすることができ、サイクルの濃度幅（稀溶液と濃溶液の濃度差）が大きくなってＣ．Ｏ．Ｐが向上する効果がある。
【００３９】
これに対して、従来の単一成分の冷媒（たとえばＲ１３４ａやＲ２２）を使用する場合は、凝縮温度が単一温度であるため、圧力レベルの変化する吸収器をそなえた多段吸収式冷凍システムと組合わせても、同システムのメリットを十分に生かすことができない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明を吸収式の冷凍装置に適用した場合の一実施形態を示す冷凍システム図である。
【符号の説明】
１は蒸発器、２は吸収器、３は高温再生器、４は低温再生器、５は凝縮器、６は冷熱利用機器、７は冷却塔、１１は第１段蒸発器部分、１２は第２段蒸発器部分、２１は第１段吸収器部分、２２は第２段吸収器部分、５１は高温熱交換器、５２は低温熱交換器、５５は混合冷媒回路、７０は冷却水回路である。

Claims (2)

1. 冷媒を蒸発させて冷熱を発生させる蒸発器（１）と、冷媒蒸気を溶液中に吸収させる吸収器（２）と、冷媒蒸気を吸収して濃度が低下した稀溶液を加熱して冷媒蒸気を分離させ且つ溶液を濃縮して濃溶液とする再生器（３，４）と、再生器（３，４）において溶液から分離された冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器（５）と、前記蒸発器（１）において発生した冷熱を利用する冷房用室内熱交換器等の冷熱利用機器（６）とをそなえるとともに、前記蒸発器（１）として相対的に蒸発温度の低い蒸発器部分（１１）を上方にまた相対的に蒸発温度の高い蒸発器部分（１２）を下方にした複数段式蒸発器を使用し、さらに前記吸収器（２）として相対的に溶液による冷媒吸収作用が強い吸収器部分（２１）を上方にまた相対的に溶液による冷媒吸収作用が弱い吸収器部分（２２）を下方にした複数段式吸収器を使用する一方、前記蒸発温度の低い蒸発器部分（１１）と前記溶液による冷媒吸収作用が強い吸収器部分（２１）とを、また前記蒸発温度の高い蒸発器部分（１２）と前記溶液による冷媒吸収作用が弱い吸収器部分（２２）をそれぞれ対にし、さらに前記蒸発器（１）において発生した冷熱を前記冷熱利用機器（６）に搬送する熱搬送媒体として沸点の異なる複数種類の冷媒成分を混合させた非共沸混合冷媒を使用し、該非共沸混合冷媒を前記相対的に蒸発温度の高い蒸発器部分（１２）側から前記相対的に蒸発温度の低い蒸発器部分（１１）側に向けて流通させるようにしたことを特徴とする吸収式の冷凍装置。
2. 非共沸混合冷媒がＲ４０４Ａ又はＲ４０７Ｃ又はＲ４１０Ａである請求項１記載の吸収式の冷凍装置。

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