JP4297822B2 - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、再生器と凝縮器と吸収器と蒸発器と、蒸発器から冷水などの冷凍用媒体を取出す冷凍用媒体取出し管と、冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱する熱交換器とを備え、更に、冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、吸収器から再生器に戻す冷媒吸収後の吸収液の量を調整するように構成した吸収式冷凍機に関する。

この種の吸収式冷凍機としては、従来、高温再生器と低温再生器とを備え、高温再生器から吸収器に供給される冷媒蒸発後の吸収液により、吸収器から低温再生器に供給される冷媒吸収後の吸収液を加熱するように構成されている。

また、冷水取り出し用の蒸発器管（冷凍用媒体取り出し管）に冷水温度を検出する温度検出器を取り付け、その温度検出器により検出した負荷信号を調節器に入力し、温度検出器で検出される負荷信号をもとに制御弁の開度を変え、高温再生器に設けられた加熱手段に供給される燃料ガス量や重油量を増減するように構成されている。

更に、制御弁には、その開度を検出するためのポテンショが取り付けられ、制御弁の開度信号をもとにインバータを作動させ、吸収液ポンプや中間濃度吸収液ポンプの回転数を変え、負荷に応じた最適な吸収液の循環量になるように調整するように構成されている（特許文献１参照）。
特開平１−９８８６４号公報

しかしながら、上述従来例のものでは、負荷が部分負荷になって吸収液の循環量を減少させるに伴い、必要な加熱手段の量が増加することがあり、吸収式冷凍機の部分負荷性能が低下する欠点があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、熱交換器の伝熱性能の低下を抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能を向上できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、吸収式冷凍機の部分負荷性能をより適確に向上できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、熱交換器の伝熱性能の低下を簡単な構成で抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能を向上できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
冷媒を含んだ吸収液を加熱して冷媒を再生する再生器と、
前記再生器で再生・蒸発した冷媒を供給して凝縮液化する凝縮器と、
前記再生器から冷媒蒸発後の吸収液を供給する吸収器と、
前記吸収器に接続されて前記凝縮器で凝縮液化した冷媒を供給して前記吸収器による冷媒吸収により冷媒を蒸発する蒸発器と、
前記蒸発器に付設されて前記蒸発器での蒸発潜熱により冷却した冷凍用媒体を取出す冷凍用媒体取出し管と、
前記吸収器と前記再生器とに接続されて冷媒を吸収した吸収液を前記再生器に戻す吸収液戻し管と、
前記再生器から前記吸収器に冷媒蒸発後の吸収液を供給する供給管と、
前記吸収液戻し管と前記供給管との間で冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱する熱交換器と、
前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、前記吸収器から前記再生器に戻す冷媒吸収後の吸収液の量を調整する吸収液循環量調整手段と、
を備えた吸収式冷凍機において、
前記熱交換器を互いに並列に複数個設け、前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて熱交換する前記熱交換器の個数を変更する伝熱性能制御手段を備えて構成する。

（作用・効果）
吸収式冷凍機の負荷が部分負荷になるに伴ってその性能が低下する要因について考察した結果、熱交換器において、負荷率の減少に応じて吸収液の循環量を減少させるに伴い、図３の負荷率と伝熱性能比との相関を示すグラフのＡに示すように、負荷率が特定の領域より低くなると伝熱性能比が急激に減少することを見出すに至った。

これは、熱交換器の熱交換面との接触箇所において、吸収液の循環流量が減少するに伴って乱流状態から層流状態に変化し、総括伝熱係数が大幅に減少することが原因であると推測された。

請求項１に係る発明の吸収式冷凍機の構成によれば、上記結果に着目し、負荷が低くなって循環される吸収液の量が少なくなったときに、熱交換する熱交換器の個数を少なくし、熱交換のために熱交換器内を流れる吸収液の流速が必要以上に低下しないようにすることができる。

したがって、熱交換器内を流れる吸収液の流速が、層流状態に変化する流速以下になることを回避でき、熱交換器の伝熱性能の低下を抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能を向上できる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の吸収式冷凍機において、
熱交換器の個数を変更する負荷が、前記熱交換器内での流動状態が乱流状態から層流状態に変化する前の負荷になるように設定する。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の吸収式冷凍機によれば、熱交換器内を流れる吸収液の流速が、層流状態に変化する流速以下になることを確実に回避でき、熱交換器の伝熱性能の低下を抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能をより適確に向上できる。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
冷媒を含んだ吸収液を加熱して冷媒を再生する再生器と、
前記再生器で再生・蒸発した冷媒を供給して凝縮液化する凝縮器と、
前記再生器から冷媒蒸発後の吸収液を供給する吸収器と、
前記吸収器に接続されて前記凝縮器で凝縮液化した冷媒を供給して前記吸収器による冷媒吸収により冷媒を蒸発する蒸発器と、
前記蒸発器に付設されて前記蒸発器での蒸発潜熱により冷却した冷凍用媒体を取出す冷凍用媒体取出し管と、
前記吸収器と前記再生器とに接続されて冷媒を吸収した吸収液を前記再生器に戻す吸収液戻し管と、
前記再生器から前記吸収器に冷媒蒸発後の吸収液を供給する供給管と、
前記吸収液戻し管と前記供給管との間で冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱する熱交換器と、
前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、前記吸収器から前記再生器に戻す冷媒吸収後の吸収液の量を調整する吸収液循環量調整手段と、
を備えた吸収式冷凍機において、
前記熱交換器を、冷媒吸収後の吸収液を並列に流す圧力損失の異なる複数の流路を備えて構成したことを特徴としている。

（作用・効果）
請求項３に係る発明の吸収式冷凍機の構成によれば、前述請求項１に係る発明におけると同じ考察結果に着目し、負荷が低くなって循環される吸収液の量が少なくなるに伴い、圧力損失の少ない流路側に集中して吸収液が流れ、熱交換のために熱交換器内を流れる吸収液の流速が必要以上に低下しないようにすることができる。

したがって、熱交換器内を流れる吸収液の流速が、層流状態に変化する流速以下になることを自ずと回避でき、熱交換器の個数を変更したりせずに、熱交換器の伝熱性能の低下を簡単な構成で抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能を向上できる。

請求項１に係る発明の吸収式冷凍機によれば、吸収式冷凍機の部分負荷性能が低下する要因が、吸収式冷凍機の負荷が部分負荷になって吸収液の循環流量が減少するに伴って乱流状態から層流状態に変化し、総括伝熱係数が大幅に減少することにあるという考察結果に着目し、負荷が低くなって循環される吸収液の量が少なくなったときに、熱交換する熱交換器の個数を少なくし、熱交換のために熱交換器内を流れる吸収液の流速が必要以上に低下しないようにするから、熱交換器内を流れる吸収液の流速が、層流状態に変化する流速以下になることを回避でき、熱交換器の伝熱性能の低下を抑制して吸収式冷凍機の部分負荷性能を向上できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る吸収式冷凍機の実施例１を示す全体概略構成図であり、水を冷媒、リチウム・ブロマイド溶液を吸収液とした作動流体により動作するように構成されており、冷媒を含んだ吸収液を加熱して冷媒を再生する低温再生器１と、再生・蒸発した冷媒を凝縮液化する凝縮器２とが、互いに連通する状態で設けられている。

低温再生器１および凝縮器２の下方に、蒸発器３と吸収器４とが互いに連通する状態で設けられている。

凝縮器２と蒸発器３とが第１の冷媒液配管５を介して接続され、凝縮器２で凝縮液化された冷媒液を蒸発器３に供給するように構成されている。

蒸発器３の上部に蒸発用散布ノズル６が設けられ、その蒸発用散布ノズル６と蒸発器３の下部とが、冷媒液ポンプ７を介装した第２の冷媒液配管８を介して接続されるとともに、蒸発用散布ノズル６の下方に冷凍用媒体取出し管９が設けられ、吸収器４による冷媒吸収により冷媒を蒸発するとともに、その蒸発に伴う蒸発潜熱により水やブラインなどの冷凍用媒体を冷却して取出すように構成されている。

吸収器４から凝縮器２にわたって、クーリングタワー（図示せず）からの冷却水配管１０が設けられている。

吸収器４と高温再生器１１とが、吸収液ポンプ１２を介装した第１の配管１３、第１の低温溶液熱交換器１４、第１の中間配管１５、第１の高温溶液熱交換器１６および第２の配管１７を介して接続されている。

第１の配管１３の吸収液ポンプ１２よりも下流側箇所と、第２の配管１７の第１の高温溶液熱交換器１６よりも下流側箇所とが、第１の開閉弁１８を介装した第３の配管１９、第２の低温溶液熱交換器２０、第２の中間配管２１、第２の高温溶液熱交換器２２および第４の配管２３を介して接続されている。

高温再生器１１と低温再生器１とが、第５の配管２４、第１の高温溶液熱交換器１６および第６の配管２５を介して接続されている。

また、第５の配管２４の第１の高温溶液熱交換器１６よりも上流側箇所と、第６の配管２５の第１の高温溶液熱交換器１６よりも下流側箇所とが、第２の開閉弁２６を介装した第７の配管２７、第２の高温溶液熱交換器２２および第８の配管２８を介して接続されている。

低温再生器１と吸収器４の上部に設けた吸収用散布ノズル２９とが、第９の配管３０、第１の低温溶液熱交換器１４および第１０の配管３１を介して接続されている。

また、第９の配管３０の第１の低温溶液熱交換器１４よりも上流側箇所と、第１０の配管３１の第１の低温溶液熱交換器１４よりも下流側箇所とが、第３の開閉弁３２を介装した第１１の配管３３、第２の低温溶液熱交換器２０および第１２の配管３４を介して接続されている。

高温再生器１１に、加熱手段としてのバーナ３５が設けられ、高温再生器１１の上部と凝縮器２とが、低温再生器１内の冷媒を加熱蒸発可能な状態で設けられた蒸気配管３６を介して接続されている。すなわち、蒸発配管３６内を流れる蒸気が低温再生器１の加熱源となるように構成されている。

上記第１の配管１３、第１の中間配管１５、第２の配管１７、第３の配管１９、第２の中間配管２１および第４の配管２３から成る、冷媒を吸収した吸収液を吸収器４から高温再生器１１に戻すための構成をして吸収液戻し管と称する。

また、第５の配管２４、第６の配管２５、第７の配管２７、第８の配管２８、第９の配管３０、第１０の配管３１、第１１の配管３３および第１２の配管３４から成る、冷媒蒸発後の吸収液を高温再生器１１から吸収器４に供給するための構成をして供給管と称する。

上記構成により、第１および第２の高温溶液熱交換器１６，２２ならびに第１および第２の低温溶液熱交換器１４，２０により、冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱できるようになっている。

第１および第２の高温溶液熱交換器１６，２２、ならびに、第１および第２の低温溶液熱交換器１４，２０それぞれは、図２の（ａ）の熱交換器の側面図、および、図２の（ｂ）の熱交換器の断面図〔図２の（ａ）のＸ−Ｘ線断面図〕に示すように構成されている。

すなわち、ひとつのケーシング３７を隔壁３７ａで区画して一方に第１の高温溶液熱交換器１６（第１の低温溶液熱交換器１４）が、他方に第２の高温溶液熱交換器２２（第２の低温溶液熱交換器２０）が形成されている。

ケーシング３７の両端それぞれに、前述した吸収液戻し管を接続する合流流路３８が形成され、両合流流路３８に連通するとともに隣り合うものの間に流路が形成されるように多数のパイプ３９が設けられている。

パイプ３９の軸心に直交させて、前述した供給管に接続するジグザグ流路を形成するように仕切り板４０が設けられ、パイプ３９の管壁を介して伝熱するように構成されている。

第１の配管１３に、冷媒吸収後の吸収液の温度を測定する第１の温度計４１が設けられ、第１０の配管３１に、冷媒蒸発後の吸収液の温度を測定する第２の温度計４２が設けられている。

また、吸収液ポンプ１２に、周波数によって吐出容量を調整するインバータ４３が付設されるとともに、そのインバータ４３に、出力する周波数を感知して吸収液の循環量を検出する循環量検出手段４４が付設されている。

第１および第２の温度計４１，４２それぞれが、図３の（ａ）の循環量制御系のブロック図に示すように、吸収液循環量調整手段としての第１のコントローラ４５に接続され、その第１のコントローラ４５にインバータ４３が接続されている。

第１のコントローラ４５には、濃度幅算出手段４６と第１の比較手段４７とが備えられている。

濃度幅演算手段４６では、第１の温度計４１で測定される冷媒吸収後の吸収液の温度と、第２の温度計４２で測定される冷媒蒸発後の吸収液の温度との差に基づいて冷媒を含んだ吸収液の濃度幅を算出するようになっている。

第１の比較手段４７では、濃度幅算出手段４６で算出された濃度幅と設定値とを比較し、算出濃度幅が設定値よりも大きいときには増加信号を出力し、一方、算出濃度幅が設定値よりも小さいときには減少信号を出力するようになっている。

インバータ４３では、第１の比較手段４７からの増加信号に応答して周波数を高くし、吸収液ポンプ１２の吐出容量を増加して吸収液の循環流量を増加し、一方、減少信号に応答して周波数を低くし、吸収液ポンプ１２の吐出容量を減少して吸収液の循環流量を減少するように、すなわち、冷凍用媒体取り出し管９から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、吸収器４から高温再生器１１に戻す冷媒吸収後の吸収液の量（吸収液の循環流量）を調整するようになっている。この吸収液の循環流量を調整するのに、吸収液ポンプ１２の下流側に流量調整弁を設け、その弁開度を調整するようにしても良い。

循環量検出手段４４には、図３の（ｂ）の熱交換器制御系のブロック図に示すように、伝熱性能制御手段としての第２のコントローラ４８が接続されている。

第２のコントローラ４８には第２の比較手段４９が備えられ、この第２の比較手段４９において、循環量検出手段４４で検出された吸収液の循環量と設定値とを比較し、循環吸収液量が設定値よりも大きいときには開き信号を出力し、第１、第２および第３の開閉弁１８，２６，３２を開き、吸収液を第１および第２の低温溶液熱交換器１４，２０、ならびに、第１および第２の高温溶液熱交換器１６，２２に流すようになっている。

一方、循環吸収液量が設定値よりも小さいときには閉じ信号を出力し、第１、第２および第３の開閉弁１８，２６，３２を閉じ、吸収液を第１の低温溶液熱交換器１４および第１の高温溶液熱交換器１６に流すようになっている。

上記第２の比較手段４９に入力される設定値としては、予め、冷凍用媒体取り出し管９から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷、すなわち、吸収式冷凍機の負荷率が０．５５のときの循環吸収液量が設定される。

詳述すれば、図４の負荷率と伝熱性能比との相関を示すグラフに示すように、前述のように、冷凍用媒体取り出し管９から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて吸収液の循環量を制御すると、熱交換器において、負荷率が０．５０〜０．５６の範囲で、伝熱性能比が急激に低下する（実線Ａで示す）。これは、乱流状態から層流状態（破線Ｂで示す）に変化してしまうためであると考えられる。

上記の点に着目して吸収液を流す熱交換器の個数を負荷率の低下に伴って切り換えたところ、図５の負荷率と成績係数（ＣＯＰ）の相関を示すグラフに示すように、従来構成Ｊ１の場合、負荷率が０．５を越えるに伴って成績係数（ＣＯＰ）が低下するのに対し、実施例１の構成Ｊの場合、吸収液が熱交換器内を流れる流速を、層流状態に変化する流速以下にならないようにして成績係数（ＣＯＰ）の低下を抑え、高い状態を維持できることが明らかであった。

図６は、本発明に係る吸収式冷凍機の実施例２を示す全体概略構成図、図７の（ａ）は実施例２の熱交換器の側面図、図７の（ｂ）は実施例２の熱交換器の断面図〔図７の（ａ）のＹ−Ｙ線断面図〕であり、実施例１と異なるところは次の通りである。

すなわち、１個づつの低温溶液熱交換器６１と高温溶液熱交換器６２とが設けられ、それぞれにおいて、ケーシング６３の両端それぞれに合流流路６４が形成され、両合流流路６４に連通するとともに隣り合うものの間に流路が形成されるように多数の小径の第１のパイプ６５と大径の第２のパイプ６６とが設けられている。

第１および第２のパイプ６５，６６の軸心に直交させて、ジグザグ流路を形成するように仕切り板６７が設けられ、第１および第２のパイプ６５，６６の管壁を介して伝熱するように構成されている。

第２のパイプ６６の内径が第１のパイプ６５の内径の√２倍に設定されるとともに、第１のパイプ６５の本数が第２のパイプ６６の本数の２倍に設定され、更に、第１のパイプ６５の流路断面積の総和と第２のパイプ６６の流路断面積の総和とが等しくなるように設定されている。これにより、実施例１における、熱交換器を複数にする流路構成や開閉弁、更には開閉弁を切り換えるための制御構成を不要にしている。他の構成は、実施例１と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。

上記構成により、負荷率が低下して吸収液の循環量が減少すると、吸収液は流動抵抗の少ない大径の第２のパイプ６６内に流れ、第１のパイプ６５内を流れる吸収液の量が自ずと減少し、第２のパイプ６６内で流速を遅くすること無く、乱流状態を維持しながら吸収液を流し、第２のパイプ６６において高い伝熱性能比を維持し、成績係数（ＣＯＰ）を高くできるようになっている。

本発明の吸収式冷凍機の作動流体としては、水を冷媒、リチウム・ブロマイド溶液を吸収液としたものに限らず、例えば、アンモニア溶液を冷媒、水を吸収液としたものなど、各種の作動流体が適用できる。

上述実施例では、低温再生器１と高温再生器１１とを設けた吸収式冷凍機を示したが、本発明としては、１個の再生器を設けるタイプの吸収式冷凍機でも良い。

また、再生器の加熱手段としては、ガスバーナやヒーター、更には、エンジンや燃料電池から発生する排熱を利用するなど各種のものを用いることができる。

また、上述実施例２では、円形パイプによる熱交換器を示したが、矩形断面の流路を形成するプレート形の熱交換器を用い、その流路断面積の異なるものを設けて構成するものでも良く、要するに、圧力損失の異なる複数の流路を備えて構成するものであれば良い

本発明に係る吸収式冷凍機の実施例１を示す全体概略構成図である。 （ａ）は熱交換器の側面図、（ｂ）は、図２の（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 （ａ）は吸収液循環量の制御系を示すブロック図、（ｂ）は熱交換器制御系のブロック図である。 負荷率と伝熱性能比との相関を示すグラフである。 負荷率と成績係数（ＣＯＰ）との相関を示すグラフである。 本発明に係る吸収式冷凍機の実施例２を示す全体概略構成図である。 （ａ）は実施例２の熱交換器の側面図、（ｂ）は、図７の（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。

符号の説明

１…低温再生器
２…凝縮器
３…蒸発器
４…吸収器
９…冷凍用媒体取出し管
１１…高温再生器
１４…第１の低温溶液熱交換器
１６…第１の高温溶液熱交換器
２０…第２の低温溶液熱交換器
２２…第２の高温溶液熱交換器
４５…第１のコントローラ（吸収液循環量調整手段）
４８…第２のコントローラ（伝熱性能制御手段）
６１…低温溶液熱交換器
６２…高温溶液熱交換器

Claims (3)

1. 冷媒を含んだ吸収液を加熱して冷媒を再生する再生器と、
   前記再生器で再生・蒸発した冷媒を供給して凝縮液化する凝縮器と、
   前記再生器から冷媒蒸発後の吸収液を供給する吸収器と、
   前記吸収器に接続されて前記凝縮器で凝縮液化した冷媒を供給して前記吸収器による冷媒吸収により冷媒を蒸発する蒸発器と、
   前記蒸発器に付設されて前記蒸発器での蒸発潜熱により冷却した冷凍用媒体を取出す冷凍用媒体取出し管と、
   前記吸収器と前記再生器とに接続されて冷媒を吸収した吸収液を前記再生器に戻す吸収液戻し管と、
   前記再生器から前記吸収器に冷媒蒸発後の吸収液を供給する供給管と、
   前記吸収液戻し管と前記供給管との間で冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱する熱交換器と、
   前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、前記吸収器から前記再生器に戻す冷媒吸収後の吸収液の量を調整する吸収液循環量調整手段と、
   を備えた吸収式冷凍機において、
   前記熱交換器を互いに並列に複数個設け、前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて熱交換する前記熱交換器の個数を変更する伝熱性能制御手段を備えたことを特徴とする吸収式冷凍機。
2. 請求項１に記載の吸収式冷凍機において、
   熱交換器の個数を変更する負荷が、前記熱交換器内での流動状態が乱流状態から層流状態に変化する前の負荷になるように設定するものである吸収式冷凍機。
3. 冷媒を含んだ吸収液を加熱して冷媒を再生する再生器と、
   前記再生器で再生・蒸発した冷媒を供給して凝縮液化する凝縮器と、
   前記再生器から冷媒蒸発後の吸収液を供給する吸収器と、
   前記吸収器に接続されて前記凝縮器で凝縮液化した冷媒を供給して前記吸収器による冷媒吸収により冷媒を蒸発する蒸発器と、
   前記蒸発器に付設されて前記蒸発器での蒸発潜熱により冷却した冷凍用媒体を取出す冷凍用媒体取出し管と、
   前記吸収器と前記再生器とに接続されて冷媒を吸収した吸収液を前記再生器に戻す吸収液戻し管と、
   前記再生器から前記吸収器に冷媒蒸発後の吸収液を供給する供給管と、
   前記吸収液戻し管と前記供給管との間で冷媒蒸発後の吸収液により冷媒吸収後の吸収液を加熱する熱交換器と、
   前記冷凍用媒体取り出し管から取り出される冷凍用媒体の取出し負荷に応じて、前記吸収器から前記再生器に戻す冷媒吸収後の吸収液の量を調整する吸収液循環量調整手段と、
   を備えた吸収式冷凍機において、
   前記熱交換器を、冷媒吸収後の吸収液を並列に流す圧力損失の異なる複数の流路を備えて構成したことを特徴とする吸収式冷凍機。

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