JP3966446B2 - 吸収式冷暖房装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転、および直火加熱暖房運転の３つのモードで運転できる吸収式冷暖房装置に関し、特に、直火加熱暖房運転時の運転性能を高めることができる吸収式冷暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷房運転だけでなく、吸収器で汲み上げた熱を利用してヒートポンプ暖房運転を行えるようにした吸収式冷暖房装置に対する需要が高まりつつある。このヒートポンプ暖房には、外気温度が低くなるにつれて外気からの熱の汲み上げ効率が低下していくという特性がある。そこで、外気温度が低い場合に、ヒートポンプ暖房運転に代えて直火加熱暖房運転を行えるようにした装置が提案されている（特公平６−９７１２７号）。
【０００３】
本出願人は、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転および直火加熱暖房運転の３つのモードの切換えを簡単にすることができる吸収式冷暖房装置を提案している（特開平１０−１９７００８号）。この冷暖房装置では、ヒートポンプ暖房運転時に暖房能力の不足が生じた場合は、再生器で加熱されて抽出された高温の冷媒蒸気を凝縮器に送って冷却水管と接触させて凝縮させた後、再び再生器に還流する冷媒の閉循環ループを構成した。その結果、再生器で抽出された冷媒蒸気は凝縮器で全縮される一方、凝縮された冷媒は凝縮器から蒸発器に戻されなくなり、ヒートポンプ暖房運転が停止されて直火加熱暖房運転に切換えられる。
【０００４】
さらに、本出願人は、凝縮器から精留器を通じて再生器へ冷媒を環流させるため、凝縮器から精留器へ冷媒が自然落下できるようにした専用の環流路を設けた吸収式冷暖房装置を提案している（特開平１０−２６７４４８号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記専用の環流路を設けた吸収式冷暖房装置では、冷媒の環流だけのために管路が増えることになるし、継ぎ手部分が増えるので、真空度合の確保が重要であるこの種システムにとって好ましくない。そこで、凝縮器から精留器上部へ、冷媒を直接逆流させることが考えられる。しかし、冷媒の逆流量が多い場合、精留器に充填されている充填材に上部から流下する冷媒が充満してしまい、フラッディングを生じて良好な運転状態を損なってしまうおそれがる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消し、システムの真空度を低下させることなく凝縮器から再生器へ冷媒を戻すことができ、良好な運転状態で直火加熱暖房をすることができる吸収式冷暖房装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒を収容する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収する吸収剤を含む溶液を収容する吸収器と、前記溶液の一部を加熱して冷媒蒸気を抽出し、溶液中の吸収剤濃度を回復させる再生器と、抽出された前記冷媒蒸気を再生器から凝縮器へ給送する冷媒蒸気通路と、前記冷媒蒸気を凝縮させて前記蒸発器へ供給する凝縮器とを具備し、冷房運転、ヒートポンプ暖房運転または直火加熱暖房運転が選択的に可能な冷暖房装置において、前記直火加熱暖房運転時には、凝縮器から蒸発器への冷媒液の供給を断ち、凝縮器に溜まった冷媒液を、前記冷媒蒸気通路を介して前記再生器上方の精留器上部に溢れさせるよう構成するとともに、前記精留器上部に溢れた冷媒液を、精留器の側壁寄りへ導くガイド部材を設けた点に第１の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記精留器上部に前記蒸発器から冷媒の一部を給送する手段と、前記蒸発器から給送された冷媒を分散して流下させるため前記精留器内に設けられた分散器とを具備し、前記分散器が、精留器の壁面との間に間隙を有して配されるとともに、前記ガイド部材が、前記溢れた冷媒液を衝突させて前記間隙に導くよう前記分散器外周に立設された点に第２の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記精留器が円筒状に形成され、前記分散器が、椀状の分散板を有し、かつ該分散板が前記精留器と同心で配置され、前記ガイド部材が、前記分散板の縁から立ち上げられている点に第３の特徴がある。
【００１０】
上記特徴によれば、直火加熱暖房運転に移ったときに再生器に冷媒を還流させる際、専用の管路を必要とせず、冷房運転やヒートポンプ運転時の冷媒通路の一部を使うことができる。したがって、専用の管路を設けるときのように、スペースを新たに確保する必要がない。特に、ガイド部材により、冷媒液を精留器の側壁寄りへ導くことができるので、精留器内の中央寄りを上昇する傾向がある冷媒蒸気との衝突が避けられ、スムーズな流体の流れが確保される。
【００１１】
さらに、第３の特徴によれば、分散板が精留器内に壁面と間隙を有して同心で配置され、かつ、冷媒液のガイド部材が分散板の縁から立ち上げられているので、冷房運転やヒートポンプ運転時にも、冷媒蒸気の上昇のむらがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図４は本発明の一実施形態に係る吸収式冷暖房装置の要部構成を示す系統ブロック図である。蒸発器１には冷媒としてトリフルオロエタノール（ＴＦＥ）などのフッ化アルコールが、吸収器２には吸収剤を含む溶液としてジメチルイミダゾリジノンなどのＤＭＩ誘導体が収容されている。この場合、前記冷媒はフッ化アルコールに限らず非凍結範囲が広くとれるものであればよく、溶液についてもＤＭＩ誘導体に限らず非結晶範囲が広く取れるものであり、前記冷媒よりも高い常圧沸点を有し、かつこれを吸収しうるものであればよい。例えば、水と臭化リチウムの組み合わせは、外気温度が零度近くになった状態での暖房運転時において、溶液が結晶化するもしくは冷媒である水が凍結するおそれがあるので、本実施形態の系統に好適とは言い難い。
【００１３】
蒸発器１と吸収器２とは、蒸発（冷媒）通路を介して互いに流体的に連結されており、これらの空間を、例えば３０mmＨｇ程度の低圧環境下に保持すると蒸発器１内の冷媒が蒸発し、冷媒蒸気は図中に２重矢印で示したように、前記通路を介して吸収器２内に入る。この冷媒蒸気を吸収器２内の吸収剤溶液が吸収することにより、吸収冷凍動作が行われる。前記蒸発通路には冷却器（熱交換器）１８が配置されている。
【００１４】
まずバーナ７が点火され、再生器３によって吸収器２内の溶液濃度が高められると（バーナおよび再生器、ならびに溶液濃縮については後述する）、吸収器２内の溶液が冷媒蒸気を吸収し、該冷媒の蒸発による潜熱によって蒸発器１内が冷却される。蒸発器１内には、ポンプＰ４によって冷水が通過させられる管路１ａが設けられる。管路１ａの一端（図では出口端）は第１の四方弁Ｖ１の＃１開口に、その他端（図では入口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃１開口にそれぞれ連結される。冷媒はポンプＰ１によって蒸発器１内に設けられた散布手段１ｂに導かれ、前記冷水が通過している管路１ａ上に散布される。前記冷媒が管路１ａ内の冷水から蒸発熱を奪って冷媒蒸気となる一方、前記冷水の温度は降下する。冷媒蒸気は、蒸発通路に配置された冷却器１８を通って吸収器２に流入する。蒸発器１内の冷媒は、ポンプＰ１によって前記散布手段１ｂに導かれるほか、後で詳述するように、その一部はフィルタ４を通して精留器６にも給送される。蒸発器１とフィルタ４間のブリードラインとしての管路１ｃには流量調節弁Ｖ５が設けられている。なお、管路１ａを流れる冷水としてはエチレングリコール又はプロピレングリコ−ル水溶液を使用するのが好ましい。
【００１５】
前記冷媒蒸気が吸収器２の吸収剤溶液に吸収されると、吸収熱によって該溶液の温度は上昇する。前記溶液の吸収能力は該溶液の温度が低いほど、また溶液中の吸収剤濃度が高いほど大きい。そこで、該溶液の温度上昇を抑制するため、吸収器２の内部には管路２ａが設けられ、該管路２ａには冷却水が通される。管路２ａの一端（図では出口端）は凝縮器９内を通過した後、ポンプＰ３を介して第１の四方弁Ｖ１の＃２開口に、管路２ａの他端（図では入口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃２開口にそれぞれ連結される。管路２ａを通過する冷却水として、前記冷水と同じ水溶液を使用する。
【００１６】
溶液はポンプＰ２によって吸収器２内に設けられた散布手段２ｂに導かれ、管路２ａ上に散布される。その結果、管路２ａを通っている冷却水によって溶液が冷却される一方、冷却水の温度は上昇する。吸収器２内の溶液が冷媒蒸気を吸収し、その吸収剤濃度が低下すると吸収能力が低下する。そこで、再生器３および精留器６により、吸収剤溶液から冷媒蒸気を分離発生させ、溶液中の吸収剤濃度を高めて吸収能力を回復させる。このために、吸収器２で冷媒蒸気を吸収して希釈された溶液つまり希液は、前記ポンプＰ２によって、管路７ｂおよび制御弁Ｖ３を通して精留器６に給送され、再生器３へと流下させられる。再生器３は前記希液を加熱するバーナ７を有している。該バーナ７はガスバーナを使用しているが、どのような加熱手段であってもよい。再生器３で加熱され、冷媒蒸気が抽出されて濃度が高められた溶液（濃液）は、管路７ａおよび制御弁Ｖ４を通して前記吸収器２に戻され、前記散布手段２ｂによって管路２ａ上に散布される。
【００１７】
再生器３で発生された前記冷媒蒸気は、精留器６内を上昇する際に精留器６内を流下する溶液と十分に接触することによって、混入した微量の吸収剤溶液成分が十分に分離された後、凝縮器９へ給送される。凝縮器９で冷却されて液化された冷媒は、管路９ｂを通り、冷却器１８および減圧弁（流量制御バルブ）１１を経由して蒸発器１に戻され、散布手段１ｂで管路１ａ上に散布される。前記冷却器１８は、前記蒸気通路に配置された１種の熱交換器であり、蒸発器１で発生した冷媒蒸気中に混在する冷媒ミストを、凝縮器９から還流される暖かい冷媒で加熱してその気化を促進する一方、蒸発器１へ還流される前記冷媒の温度を降下させる。
【００１８】
なお、凝縮器９から蒸発器１に供給される還流冷媒の純度は極めて高くなってはいるが、その中にごくわずかに混在する吸収剤成分が長時間の運転サイクルによって蓄積し、蒸発器１内の冷媒の純度が徐々に低下することは避けられない。そこで、上述のように、蒸発器１から冷媒のごく一部をフィルタ４を介して精留器６に給送し、再生器３から生じる冷媒蒸気と共に再び純度を上げるためのサイクルを経るように構成している。なお、前記フィルタ４は、冷媒中に混入する塵埃や錆などが精留器６内の充填材管路に詰まって機能低下の原因になるのを防止するのに役立つ。
【００１９】
吸収器２と精留器６を連結する管路７ａ、７ｂの中間に設けられた熱交換器１２により、再生器３から出た管路７ａ中の高温濃液は吸収器２から出た管路７中の希液と熱交換して冷却された後、吸収器２へ給送されて散布される。一方、熱交換器１２で予備的に加熱された希液は精留器６へ給送される。こうして熱効率の向上が図られているが、さらに、還流される前記濃液の熱を吸収器２または凝縮器９から出た管路２ａ内の冷却水に伝達するための熱交換器（図示せず）を設けることにより、吸収器２に還流される濃液の温度はより一層低下させ、冷却水温度はさらに上げるように構成してもよい。
【００２０】
前記冷水または冷却水を外気と熱交換するための顕熱交換器１４には管路４ａ、室内機１５には管路３ａがそれぞれ設けられている。管路３ａ、４ａの各一端（図では入口端）は第１の四方弁Ｖ１の＃３、４開口に、その他端（図では出口端）は第２の四方弁Ｖ２の＃３、４開口にそれぞれ連結される。室内機１５は冷暖房を行なう室内に備えられ、冷風または温風の吹出し用ファン１０（両者は共通）と吹出し出口（図示せず）とが設けられる。前記顕熱交換器１４は室外に置かれ、ファン１９で強制的に外気との熱交換が行われる。なお図中の添字付き符号Ｔは温度感知器、添字付き符号Ｌは液面感知器、添字付き符号ＰＳは圧力感知器をそれぞれ表わしている。
【００２１】
ヒートポンプによる暖房運転時には、第１および第２の四方弁Ｖ１、Ｖ２をそれぞれの＃１および＃４開口が連通され、＃２および＃３開口が連通されるような位置に切替え制御する。これにより、吸収器２および凝縮器９内で暖められた管路２ａ内の冷却水が、ポンプＰ３により、室内機１５の管路３ａへ導かれて室内の暖房が行われる。
【００２２】
上記ヒートポンプによる暖房運転時において、外気温度が極端に低くなると、外気からの熱汲上げが難しくなり、暖房能力が低下する。このような外気温度条件の時にはヒートポンプサイクル運転は停止し、再生器３で発生した冷媒蒸気を凝縮器９との間で環流させ、バーナ７による加熱熱量を、凝縮器９内で効率よく管路２ａ内の冷却水に伝導する直火加熱暖房運転により、前記冷却水を昇温させて暖房能力を向上させるようにする。
【００２３】
本実施形態では、この直火加熱暖房運転に際し、凝縮器９で凝縮された冷媒を再生器３へ戻すため、精留器６から凝縮器９へ冷媒蒸気を給送する管路を使って冷媒液を逆流させる。外気温度が低くなって暖房能力が不足する時には、凝縮器９から蒸発器１に至る冷媒液の管路９ｂ、および再生器３から吸収器２に至る濃液の管路７ａを遮断してヒートポンプサイクルを停止させる。ヒートポンプサイクルを停止させて直火加熱に移ることにより、凝縮器９で凝縮されて液化した冷媒は、凝縮器９内に溜まるようになり、その量が多くなると、凝縮器９から溢れて精留器６に逆流する。
【００２４】
ヒートポンプ運転から直火加熱暖房運転への切換え、つまり管路７ａ，９ｂの遮断は、室内外の適当な箇所（例えば顕熱交換器１４の近傍）に温度感知器Ｔ１４を設け、感知された温度が予定値以下になったときに自動的に行えるようにするのがよい。外気温度が予定値以下に低下したことは暖房負荷の大小によっても判定することができる。暖房負荷の演算や直火加熱運転への切り替えについては、本出願人の出願に係る特開平９−３１８１８３号や、特開平１０−１８５３４４号公報などに詳細に説明されているので、これらの記載を援用し、本明細書に統合する。
【００２５】
次に、精留器６の構造を詳細に説明する。図３は精留器の断面図である。精留器６は円筒状をなし、その上端は閉塞され、下端は前記再生器３の上方に結合される。精留器６の上部側壁には、前記凝縮器９との連通路を形成する連結管２０が設けられる。連結管２０には、凝縮器９との連結のためのフランジ２０ａが形成される。
【００２６】
精留器６は、２つのステージつまり回収段および濃縮段を有していて、それぞれに充填材２１，２２が配置される。充填材２１，２２の下面は、中央部が下方に膨出した錐状をなす。一方、充填材２１，２２の上面は平らになっていて、そこには分散器２３，２４が載置される。分散器２３，２４は、後で詳述する。
【００２７】
回収段に設けられた分散器２３の上方には、精留器６の側壁を貫通して水平に延びた希液滴下用のノズル２５が突出して設けられる。ノズル２５は、その先端が開口しており、前記管路７ｂを通じて吸収器２から給送される希液がこの開口から分散器２３の上に滴下する。
【００２８】
濃縮段に設けられた分散器２４の上方には、ブリード滴下用のノズル２６が設けられる。ノズル２６はノズル２５と同様先端が開口しており、このノズル２６を通じて、蒸発器１から給送されるブリード液つまりごくわずかに吸収剤成分を含んだ冷媒液が分散器２３の上に滴下する。さらに、分散器２４の、前記連結管２０側には、凝縮器９から逆流する冷媒液を精留器６の内壁に沿うよう案内するガイド部材としてのプレート２７が設けられる。
【００２９】
充填材２１，２２は、錐状の底部形状を有する網状の型材にポールリングやラシヒリング等のチップを詰め込んで、この型材とともに精留器６に充填するのがよい。また、ステンレスの金網をロール状に巻き、このロールの中心部を膨出させることによって充填材２１，２２を形成してもよい。
【００３０】
次に、精留器塔頂部の構造を詳述する。図１は分散器２４を含む精留器塔頂部の断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。両図において、分散器２４は、有底円筒つまり椀状の分散板２４１、および分散板２４１を上下に貫通して冷媒蒸気を上方に通過させるための通路形成部材としての複数（この例では４本）のライザ２４２を有する。分散板２４１には、冷媒を充填材２２上に滴下させるための滴下孔２４３が複数（この例では９個）形成される。滴下孔２４３の下方には分散ノズル２４４が固着されている。滴下孔２４３には、冷媒液が流れ込みやすいように錐状の座ぐりを設けるのがよい。分散板２４１はその下面と充填材２２との間に間隙を保持できるように脚２４５を有している。
【００３１】
分散板２４１は精留器６の壁との間に均等に外周蒸気通路としての間隙Ｇを保持できるように寸法が設定され、円筒状の精留器６と同心で配置される。冷媒蒸気は前記ライザ２４２だけでなく、間隙Ｇをも通過して上方に流入する。
【００３２】
分散板２４１の上縁部には、外周に沿ってプレート２７が立設される。このプレート２７は凝縮器９から連結管２０を通って精留器６に流入する冷媒液が分散板２４１内に流入しないよう阻止する衝立またはガイドとして機能する。凝縮器９から流入する冷媒液はプレート２７に当たって矢印Ｃで示すように下方に案内され、分散板２４１を通過せず、精留器６の内壁に沿って流下する。プレート２７は、冷媒液を下方に案内することができるように、連結管２０の内壁下面より上方に立ち上がっているとともに、水平方向では連結管２０の全域をカバーするように寸法が設定される。ただし、プレート２７を高くしすぎて、精留器６を上昇する冷媒蒸気が連結管２０を通って凝縮器９に流入するのを阻害しないようにするのはもちろんである。
【００３３】
精留器６の側壁外面には、フランジ付きのパイプ２８が溶接されており、このパイプ２８で支持された前記ブリード滴下用のノズル２６が精留器６の側壁を貫通して分散板２４１の上まで延びている。ノズル２６にはフランジ２６ａが溶接されていて、このフランジ２６ａは、ボルト等、適宜の締結部材で前記パイプ２８のフランジ部２８ａと結合される。
【００３４】
図１では、濃縮段つまり分散器２４と充填材２２について説明したが、回収段つまり分散器２３と充填材２１についても、プレート２７がないことを除き、同様に構成される。
【００３５】
上記構成により、ノズル２５，２６から滴下した希液または冷媒は、滴下孔２４３を通じて充填材２１，２２上に滴下する。希液または冷媒は充填材２１，２２と接触して吸収剤成分の分離が促進される。この構成により回収段で希液から分離された冷媒蒸気は濃縮段でさらに高い精度で分離され、凝縮器９に給送される。そして、直火加熱暖房運転時、凝縮器９に溜まった冷媒液はその量が多くなると、連結管２０の内周下面レベルを超えて、精留器６に溢れ出す。溢れ出た冷媒液はプレート２７に当たって下方に案内され、精留器６の内壁面に沿って流下する。
【００３６】
冷媒液を精留器の内壁に沿って流下させるようにすることで、冷媒液が充填材２３，２４内に充満してフラッディングをきたすことなく速やかに、再生器３に戻ることができる。特に、精留器６内を上昇する冷媒蒸気は精留器６の中心寄りを流れる傾向があるので、冷媒液を内壁に沿って流下させることにより、精留器６内での流体の上昇分と下降分とが衝突しにくくなり、流れがスムーズになる。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１〜請求項３の発明によれば、直火加熱暖房運転用の専用管路を設けることなく、直火加熱暖房運転中に凝縮器内の冷媒液を再生器に環流させることができる。したがって、専用の管路を設けたのと同等の性能を確保できるうえ、専用の管路を設けるためのスペースを必要としないし、余分な管継手が増えることがないので、真空度を高度に維持しやすい。
【００３８】
特に、冷媒液は、精留器の壁面に沿って流下するので、フラッディングを生ずることなくスムーズに再生器に戻すことができる。
【００３９】
さらに、請求項３の発明によれば、精留器内を冷媒蒸気がむらなく上昇する通路が確保されるので、精留性能を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る精留器の塔頂部縦断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る精留器の縦断面図である。
【図４】 本発明の実施形態に係る冷暖房装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…蒸発器、 １ａ…冷水用管路、 ２…吸収器、 ２ａ…冷却水用管路 ３…再生器、 ４…フィルタ、 ６…精留器、 ９…凝縮器、 ２０…連結管、 ２１，２２…充填材、 ２３，２４…分散器、 ２５…希液滴下用ノズル、 ２６…ブリード滴下用ノズル、 ２７…プレート（ガイド部材）、 ２４１…分散板、 ２４２…ライザ、 ２４３…滴下孔、 ２４５…脚

Claims (3)

1. 冷媒を収容する蒸発器と、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収する吸収剤を含む溶液を収容する吸収器と、前記溶液の一部を加熱して冷媒蒸気を抽出し、溶液中の吸収剤濃度を回復させる再生器と、抽出された前記冷媒蒸気を再生器から凝縮器へ給送する冷媒蒸気通路と、前記冷媒蒸気を凝縮させて前記蒸発器へ供給する凝縮器とを具備し、
   冷房運転、ヒートポンプ暖房運転または直火加熱暖房運転が選択的に可能な冷暖房装置において、
   前記直火加熱暖房運転時には、凝縮器から蒸発器への冷媒液の供給を断ち、凝縮器に溜まった冷媒液を、前記冷媒蒸気通路を介して前記再生器上方の精留器上部に溢れさせるよう構成するとともに、
   前記精留器上部に溢れた冷媒液を、精留器の側壁寄りへ導くガイド部材を設けたことを特徴とする吸収式冷暖房装置。
2. 前記精留器上部に前記蒸発器から冷媒の一部を給送する手段と、
   前記蒸発器から給送された冷媒を分散して流下させるため前記精留器内に設けられた分散器とを具備し、
   前記分散器が、精留器の壁面との間に間隙を有して配されるとともに、
   前記ガイド部材が、前記溢れた冷媒液を衝突させて前記間隙に導くよう前記分散器外周に立設されたことを特徴とする請求項１記載の吸収式冷暖房装置。
3. 前記精留器が円筒状に形成され、
   前記分散器が、椀状の分散板を有し、該分散板が前記精留器と同心で配置され、
   前記ガイド部材が、前記分散板の縁から立ち上げられていることを特徴とする請求項２記載の吸収式冷暖房装置。

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