JP3957558B2 - 満液二重管式の蒸発器及びアンモニア吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外筒と内筒とからなり筒軸方向を水平横向きにした内外二重筒において、外筒と内筒との間を冷媒溶液が流れる冷媒液室に、内筒の内部を被冷却媒体が流れる冷却媒体室に夫々形成した満液二重管式の蒸発器、及び、この満液二重管式の蒸発器を備えたアンモニア吸収式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、上記アンモニア吸収式冷凍機は、アンモニア水溶液を動作媒体とする吸収式冷凍機であり、その一般的な冷凍サイクルについて、図１を参照しながら説明する（尚、図１は本発明に係るアンモニア吸収式冷凍機の冷凍サイクルを示す図である）。蒸発圧力Ｐｅ（例えば、０．２９ＭＰａ ａｔ −１０℃）下で蒸発器１内において蒸発したアンモニア蒸気は、吸収器２で蒸発圧力Ｐｅに維持するようにアンモニア水溶液に吸収される。その際発生する吸収熱は外部へ冷却水等により放出する。アンモニア蒸気を吸収して生じた濃溶液（アンモニアを吸収してアンモニア濃度が高まった溶液）は、溶液ポンプ９によって圧力が高められ、溶液熱交換器８を経て熱回収した後、精留器４に送られる。そして、発生器３に流下した濃溶液は、凝縮圧力Ｐｃ（例えば、１．５５ＭＰａ ａｔ ４０℃）下で外部の熱源蒸気等によって加熱されてアンモニア蒸気を発生させる。ただし、アンモニアと水との沸点差があまり大きくないので、発生器３からは水分を含んだアンモニア蒸気が発生する。この蒸気は精留器４並びに分縮器５に入り、凝縮器６で発生した冷媒溶液の一部をリフラックスポンプ１０により分縮器５に還流して、自己蒸発によって蒸気を過冷却し水分を分縮させて蒸気中の水分を除去する。そして、図２に示すような高濃度（高純度）のアンモニア蒸気（例えば、９９．８％以上）に精製して凝縮器６に送り、凝縮器６において冷却水等により冷却液化させてアンモニア溶液（冷媒溶液）にする。
【０００３】
上記冷媒溶液は膨張弁７を経て冷媒溶液供給口１９から蒸発器１に入り、ブライン入口２２から流入した被冷却媒体（例えばブライン）から熱を奪うことにより蒸発したのち、蒸発したアンモニア蒸気は吸収器２内でスプレーされる稀溶液（発生器３で部分的にアンモニアを蒸発してアンモニア濃度が低くなった溶液）に吸収される。このとき、冷媒溶液中に含まれている水分はアンモニアに比べて蒸発し難いので、蒸発器１内の冷媒溶液中の水分濃度が高まり、図３に示すように沸点（蒸発温度）の上昇を生じる。図３には、蒸発圧力を変えて冷媒の蒸発温度を変化させた各条件での蒸発温度の上昇を示す。尚、上記冷媒溶液は、蒸発器１に入る前に、蒸発器１から出るアンモニア蒸気の冷熱を回収するための過冷却器１１、及び、後述のブリード熱交換器１２に通されて冷却される。
【０００４】
上記冷媒溶液の沸点上昇が生じると、被冷却媒体（ブライン）の温度と冷媒の蒸発温度の差が小さくなり、蒸発器１の熱交換量が低下して、ブライン出口２３で所定のブライン出口温度が得られなくなる。そのため、蒸発器１内の冷媒溶液のアンモニア濃度を、凝縮器６からの冷媒溶液のアンモニア濃度（例えば、９９．８％）に対して沸点上昇分１℃程度に抑えることができる値、具体的には、９６〜９７％に維持する必要がある（図３参照）。すなわち、凝縮器６から送られてくる冷媒溶液中の水分と同じ量の水分を取り除く必要がある。ただし、水分だけを取り除くことは不可能であるので、水分を含んだ冷媒溶液（アンモニア濃度９６〜９７％）をブリードとして、冷媒循環量（凝縮器６から送られてくる冷媒溶液量）の４〜５％を蒸発器１から取り出すようにしている。
【０００５】
冷媒溶液中の水分を効率よく取り除くためには、冷媒溶液中の水分濃度が一番高い位置の冷媒溶液を取り出すことが必要である。そこで、ブライン入口２２付近ではブラインと冷媒溶液との温度差が大きく、すなわちヒートフラックが大きく蒸発が盛んな部分であり、冷媒溶液中の水分濃度が最も高くなる傾向になり、また、冷媒液室内での冷媒溶液の流れを一方方向にすることにより、冷媒溶液が流れるに従って水分濃度が次第に高くなることから、冷媒溶液及びブラインの流れ方向を筒軸方向に沿って反対向きにして、ブライン出口２３側に冷媒溶液の供給口１９を配置するとともに、ブライン入口２２側にブリード取出し口２０を設けている。なお、このブリード取出し口２０で取り出した高水分濃度の冷媒溶液は、ブリード熱交換器１２で蒸発器１に入る前の冷媒溶液に冷熱回収されたのち、吸収器２に送られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、満液二重管式の蒸発器においては、冷媒の蒸発によって未蒸発の冷媒溶液がキャリーオーバーする場合があるので、蒸発器の後段にアキュームレータ（気液分離器）を接続して、冷媒蒸気の流れの中から冷媒液を分離回収して蒸発器に戻すような手段が必要になる。しかしながら、上記アキュームレータを設けると、それに付随して降水管（回収した冷媒液を冷媒液室に送る管）等を設けることが必要になり、また、回収した冷媒液を蒸発器に戻す（落下させるための有効圧力を得る）ために、アキュームレータを蒸発器よりも高い位置に設置する必要がある。その結果、蒸発器周りの装置構成が大型化（特に、高さが高くなる等）して、コストアップの要因になるという不具合があった。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、第１の目的は、装置構成をコンパクト化しつつ、冷媒蒸気による冷媒溶液のキャリーオーバーを抑制することが可能となる満液二重管式の蒸発器、及び、冷媒溶液中の水分濃度の上昇を抑制することが可能となる満液二重管式の蒸発器を提供することである。
第２の目的は、上記満液二重管式の蒸発器を備えて、良好な冷凍能力を維持することが可能となるアンモニア吸収式冷凍機を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するための本発明に係る満液二重管式の蒸発器の第一の特徴構成は、請求項１に記載した如く、筒軸方向に沿う断面視において、前記内筒の左右両側に夫々形成される前記冷媒液室の側部の横幅が互いに異なるように前記内筒を設けるとともに、前記冷媒液室の側部のうち横幅が広い方の内部を外筒側部分と内筒側部分とに左右方向で仕切る仕切体を設けている点にある。
【０００９】
同第二の特徴構成は、請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記冷媒液室内の冷媒溶液を前記冷媒液室外に取り出す冷媒溶液取出口を、前記冷媒液室の側部のうち横幅が狭い方の側方に位置する前記外筒に設けている点にある。
【００１０】
同第三の特徴構成は、請求項３に記載した如く、上記第二の特徴構成に加えて、前記冷媒溶液取出口を、前記内筒の上下方向における幅の中央位置付近に配置している点にある。
【００１１】
同第四の特徴構成は、請求項４に記載した如く、上記第二又は第三の特徴構成に加えて、前記冷媒液室内での冷媒溶液の流れ及び前記冷却媒体室内での被冷却媒体の流れを筒軸方向に沿わせるとともに、前記冷媒液室に対する冷媒溶液供給口を前記冷却媒体室に対する被冷却媒体出口付近に配置し、前記冷媒溶液取出口を前記冷却媒体室に対する被冷却媒体入口付近に配置している点にある。
【００１２】
上記第２の目的を達成するための本発明に係るアンモニア吸収式冷凍機の特徴構成は、請求項５に記載した如く、上記第一から第四のいずれかの特徴構成の満液二重管式の蒸発器を備えた点にある。
【００１３】
以下に作用並びに効果を説明する。
本発明に係る満液二重管式の蒸発器の第一の特徴構成によれば、筒軸方向を水平横向きにした内外二重筒の筒軸方向に沿う断面視において、外筒と内筒との間に形成した冷媒液室を流れる冷媒溶液が内筒の内部に形成した冷却媒体室を流れる被冷却媒体から熱を奪って蒸発するときに、内筒の左右両側に夫々形成された冷媒液室の側部のうち横幅が広い方の内部で、内筒の表面近くで発生した冷媒蒸気が仕切体で仕切られた内筒側部分を上昇し、仕切体で仕切られた外筒側部分を冷媒液が下降し、上昇する冷媒蒸気と下降する冷媒液が干渉せず、自然循環によってスムーズに入れ替わる。一方、横幅が広い方の冷媒液室の側部の内部は、内筒の表面に近いので、主として冷媒蒸気が上昇する。
【００１４】
すなわち、内筒の左右両側に形成される冷媒液室の側部の横幅が同じであると、少しの流れの変化によって、冷媒溶液が一方の冷媒液室の側部を多く流れる状態と他方の冷媒液室の側部を多く流れる状態とに不安定に変動して冷媒蒸気と冷媒液の混合攪拌が発生し、未蒸発の冷媒液が冷媒蒸気によって運ばれるキャリーオーバーが増大するおそれがあるのに対して、左右両側の冷媒液室の側部の横幅が異なると、冷媒溶液は横幅の広い方の冷媒液室の側部を多く流れる状態に安定するので、その横幅の広い方の冷媒液室の側部内を左右に仕切る仕切体によって、冷媒蒸気の上昇流と冷媒液の下降流をスムーズに入れ替えることで、冷媒蒸気と冷媒液の混合攪拌を防止してキャリーオーバーを抑制することができる。
従って、内筒の左右両側に形成される冷媒液室の側部のうち横幅が広い方の内部に仕切体を設けるという簡素な手段より、冷媒液室内での冷媒蒸気流による冷媒液のキャリーオーバーが抑制されるので、例えば蒸発器の後段にアキュームレータ（気液分離器）を接続して装置構成を大型化するような手段を要することなく、装置構成をコンパクト化しつつ、冷媒蒸気による冷媒溶液のキャリーオーバーを抑制することが可能となる満液二重管式の蒸発器が提供される。
【００１５】
同第二の特徴構成によれば、前記冷媒液室内の冷媒溶液が、内筒の左右両側に形成された冷媒液室の側部のうち横幅が狭い方の側方に位置する冷媒溶液取出口から前記冷媒液室外に取り出される。
すなわち、内筒の左右両側の冷媒液室の側部のうち横幅が狭い方の内部は、内筒の表面との距離が短いため、主として発生した冷媒蒸気が上昇する状態で安定している。そのため、横幅が狭い方の冷媒液室の側部内では、冷媒蒸気の発生に伴って冷媒溶液中の水分濃度が高くなっているので、その水分濃度が高くなった冷媒溶液を冷媒液室外に取り出して、冷媒液室内での冷媒溶液中の水分濃度が上昇することを抑制する。
従って、上記第一の特徴構成による冷媒溶液のキャリーオーバーを抑制する効果に加えて、冷媒溶液中の水分濃度の上昇を抑制することが可能となる満液二重管式の蒸発器が提供される。
【００１６】
同第三の特徴構成によれば、前記冷媒液室内の冷媒溶液が、内筒の左右両側に形成された冷媒液室の側部のうち横幅が狭い方の側方で、内筒の上下方向における幅の中央位置付近に配置した冷媒溶液取出口から冷媒液室外に取り出される。すなわち、横幅が狭い方の冷媒液室の側部の内部において、内筒の上下方向幅の中央よりも下側領域では、冷媒液室の底から内筒表面に沿って冷媒蒸気が上昇する途中であるため、冷媒溶液中の水分濃度は十分な水分濃度まで高まっていない。一方、内筒の上下方向幅の中央よりも上側領域では、上昇する冷媒蒸気量が多くなり、冷媒蒸気の上昇流により冷媒溶液の巻き込みが生じて、冷媒溶液と冷媒蒸気の混合攪拌作用が発生し、せっかく高まった冷媒溶液中の水分濃度が平均化する。そこで、冷媒蒸気の吸い込みのおそれがなく、安定して水分濃度が高い内筒の上下方向幅の中央位置付近から冷媒溶液を冷媒液室外に取り出している。従って、冷媒溶液中の水分濃度の上昇を一層有効に抑制することができる満液二重管式の蒸発器が提供される。
【００１７】
同第四の特徴構成によれば、前記冷却媒体室に対する被冷却媒体出口付近に配置した冷媒溶液供給口から前記冷媒液室に供給された冷媒溶液が、筒軸方向に沿って流れて前記冷却媒体室に対する被冷却媒体入口付近に配置した前記冷媒溶液取出口から冷媒液室外に取り出され、一方、上記被冷却媒体入口から前記冷却媒体室に流入した被冷却媒体が、筒軸方向に沿って上記冷媒液室内での冷媒溶液の流れとは反対向きに流れて上記被冷却媒体出口から流出する。
すなわち、冷媒溶液は筒軸方向に沿って流れるときに、冷却媒体室内の被冷却媒体から奪った熱で冷媒が蒸発して冷媒溶液取出口に近いほど水分濃度が高くなるので、冷媒溶液取出口から水分濃度が高くなった冷媒液体を効率良く取り出すことができる。一方、水分濃度が増加すると冷媒溶液の蒸発温度が上昇し、冷媒溶液の蒸発温度は冷媒溶液供給口に近いほど低くなるので、冷媒溶液供給口に近い被冷却媒体出口から良好に冷却された被冷却媒体が流出する。
従って、冷媒溶液中の水分濃度の上昇を抑制するとともに、被冷却媒体に対する冷却効果を高めることが可能となる満液二重管式の蒸発器が提供される。
【００１８】
本発明に係るアンモニア吸収式冷凍機の特徴構成によれば、上記第一から第四のいずれかの特徴構成の満液二重管式の蒸発器を、冷媒溶液であるアンモニア溶液を蒸発させて被冷却媒体を冷却する蒸発器として用いる。
すなわち、第一から第四のいずれかのの特徴構成の満液二重管式の蒸発器を用いることで、アンモニア蒸気によるアンモニア溶液のキャリーオーバーを抑制することができ、また、アンモニアと水は沸点差が小さく蒸発器に供給されるアンモニア溶液は水分を含んでいるが、第二又は第三の特徴構成の満液二重管式の蒸発器を用いることで、冷媒液室内のアンモニア溶液中での水分濃度の上昇を抑制することができ、さらに、第四の特徴構成の満液二重管式の蒸発器を用いることで、アンモニアの蒸発による被冷却媒体の冷却効果を高めることができる。
従って、アンモニア溶液のキャリーオーバーを抑制し、アンモニア溶液中での水分濃度の上昇を抑制し、さらには、被冷却媒体に対する冷却効果を高めることが可能となる満液二重管式の蒸発器を用いて、良好な冷凍能力を維持することが可能となるアンモニア吸収式冷凍機が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る満液二重管式の蒸発器の実施形態について、アンモニア吸収式冷凍機に備えた場合を例にして説明する。なお、アンモニア吸収式冷凍機の基本構成については、既に、図１〜図３を参照しながら説明しているので、以下、重複する説明は省略する。
【００２０】
本発明に係る満液二重管式の蒸発器は、図４に示すように、外筒１３と内筒１４とからなり筒軸方向を水平横向きにした内外二重筒において、外筒１３と内筒１４との間を冷媒溶液としてのアンモニア溶液が流れる冷媒液室１６に、内筒１３の内部を被冷却媒体としてのブラインが流れる冷却媒体室１７に夫々形成している。なお、上記外筒１３及び内筒１４は円筒に形成している。
【００２１】
具体的には、前記冷媒液室１６内での冷媒溶液（アンモニア溶液）の流れ及び前記冷却媒体室１７内での被冷却媒体（ブライン）の流れを筒軸方向に沿わせるとともに、前記冷媒液室１６に対する冷媒溶液供給口１９を前記冷却媒体室１７に対する被冷却媒体出口２３付近に配置し、前記冷媒液室１６内の冷媒溶液（アンモニア溶液）を冷媒液室１６外に取り出す冷媒溶液取出口２０を前記冷却媒体室１７に対する被冷却媒体入口２２付近に配置している。なお、冷媒液室１６の上部に筒軸方向に間隔を隔てて２個の冷媒蒸気出口２１を接続している。
【００２２】
筒軸方向に沿う断面視において、内筒１４の左右両側に夫々形成される前記冷媒液室１６の側部１６Ａ，１６Ｂの横幅が互いに異なるように内筒１４を設けている。具体的には、外筒１３の筒軸中心に対して内筒１４の筒軸中心を偏心させて配置している。そして、冷媒液室１６の側部１６Ａ，１６Ｂのうち横幅が広い方の側部１６Ａの内部を外筒側部分（図の左側部分）と内筒側部分（図の右側部分）とに左右方向で仕切る仕切体１５を設けている。なお、仕切体１５は冷媒液室１６の筒軸方向の全長に亘って内筒１４の上下幅に対応する板体からなる。
これにより、仕切体１５を境にして、内筒側部分（右側部分）では蒸発した冷媒蒸気が上昇し、外筒側部分（左側部分）では冷媒溶液が下降して、互いに干渉せずに入れ替わるようにしている。
【００２３】
一方、前記冷媒液室１６の側部１６Ａ，１６Ｂのうち横幅が狭い方の側部１６Ｂの内部では、主として冷媒蒸気の上昇流が生じている。そして、前記冷媒溶液取出口２０を、上記横幅が狭い方の側部１６Ｂの側方に位置する外筒１３に設け、且つ、前記内筒１４の上下方向における幅の中央位置付近に配置している。即ち、冷媒溶液取出口２０を内筒１４の筒軸中心と同じ高さ位置に配置している。
【００２４】
次に、前記冷媒液室１６内での冷媒溶液（アンモニア溶液）の流れ方向が、前記冷却媒体室１７内での被冷却媒体（ブライン）の流れ方向に対して、反対向き（対向流）である本実施形態の場合と、同じ向き（平行流）である比較例の場合での各液の温度分布を図５に示すが、この図５に基づいて、被冷却媒体（ブライン）に対する冷却効果の相違について説明する。
図５（イ）の対向流の場合には、被冷却媒体（ブライン）の出口温度が冷媒溶液（アンモニア溶液）の供給口温度から冷却温度差（ピッチポイント）分だけ高い温度になり、図５（ロ）の平行流の場合には、被冷却媒体（ブライン）の出口温度が冷媒溶液（アンモニア溶液）の取出口温度から冷却温度差（ピッチポイント）分だけ高い温度になるが、前記のように、冷媒溶液（アンモニア溶液）の取出口温度は供給口温度に比べて水分濃度の上昇に伴って高くなっているので、対向流の場合の方が被冷却媒体（ブライン）の出口温度は低くなり、被冷却媒体（ブライン）に対する冷却効果が高いことが判る。
【００２５】
〔別実施形態〕
次に、本発明に係る満液二重管式の蒸発器の別実施形態について説明する。
上記実施形態では、内外二重筒を構成する外筒１３と内筒１４を円筒に形成し、その両円筒の筒軸中心を偏心させて、内筒１４の左右両側に形成される冷媒液室１６の側部１６Ａ，１６Ｂの横幅が異なるように構成したが、外筒１３及び内筒１４は円筒以外の各種筒形状に形成することができ、また、内筒１４の左右両側に形成される冷媒液室１６の側部１６Ａ，１６Ｂの横幅が異なるようにする構成についても、内外筒の筒軸中心を偏心させる以外に、側部に対応する外筒又は内筒の筒壁を変形させる等の種々の構成が可能である。
【００２６】
なお、本発明に係る満液二重管式の蒸発器は、上記実施形態で説明したアンモニア水溶液を動作媒体とするアンモニア吸収式冷凍機以外の吸収式冷凍機の蒸発器として使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】アンモニア吸収式冷凍機の冷凍サイクルを示す図
【図２】精留温度とアンモニア濃度の関係を示すグラフ
【図３】アンモニア溶液中の水分濃度と蒸発温度の上昇との関係を示すグラフ
【図４】本発明に係る満液二重管式の蒸発器の構造を示す正面図と側面断面図
【図５】本発明に係る満液二重管式の蒸発器での液の流れと液の温度分布を示す図
【符号の説明】
１３ 外筒
１４ 内筒
１５ 仕切体
１６ 冷媒液室
１６Ａ 側部
１６Ｂ 側部
１７ 冷却媒体室
１９ 冷媒溶液供給口
２０ 冷媒溶液取出口
２２ 被冷却媒体入口
２３ 被冷却媒体出口

Claims (5)

1. 外筒と内筒とからなり筒軸方向を水平横向きにした内外二重筒において、外筒と内筒との間を冷媒溶液が流れる冷媒液室に、内筒の内部を被冷却媒体が流れる冷却媒体室に夫々形成した満液二重管式の蒸発器であって、
   筒軸方向に沿う断面視において、前記内筒の左右両側に夫々形成される前記冷媒液室の側部の横幅が互いに異なるように前記内筒を設けるとともに、前記冷媒液室の側部のうち横幅が広い方の内部を外筒側部分と内筒側部分とに左右方向で仕切る仕切体を設けている満液二重管式の蒸発器。
2. 前記冷媒液室内の冷媒溶液を前記冷媒液室外に取り出す冷媒溶液取出口を、前記冷媒液室の側部のうち横幅が狭い方の側方に位置する前記外筒に設けている請求項１記載の満液二重管式の蒸発器。
3. 前記冷媒溶液取出口を、前記内筒の上下方向における幅の中央位置付近に配置している請求項２記載の満液二重管式の蒸発器。
4. 前記冷媒液室内での冷媒溶液の流れ及び前記冷却媒体室内での被冷却媒体の流れを筒軸方向に沿わせるとともに、前記冷媒液室に対する冷媒溶液供給口を前記冷却媒体室に対する被冷却媒体出口付近に配置し、前記冷媒溶液取出口を前記冷却媒体室に対する被冷却媒体入口付近に配置している請求項２又は３記載の満液二重管式の蒸発器。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の満液二重管式の蒸発器を備えたアンモニア吸収式冷凍機。

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