JP5055071B2 - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、２組の蒸発器と吸収器を有し、高圧側の蒸発器によって低圧側の吸収器を冷却する構成とした２段蒸発吸収冷凍機に関する。

背景技術として特許文献１の公知技術が挙げられる。この特許文献１では、２組の蒸発器と吸収器が設置され、高温側の蒸発器で低温側の吸収器を冷却する構成となっている。低温側吸収器から高温側蒸発器への熱輸送は、ヒートパイプ２３を用いた実施例と、高温側蒸発器の液冷媒を低温側吸収器の伝熱管内に循環させて吸収熱を奪い高温側蒸発器内でフラッシュ蒸発させる実施例が示されている。また、低温側の蒸発器の液冷媒を散布する冷媒ポンプの吸込配管と高温側蒸発器の下部とを連通する配管の構成が示されている。

また、他の背景技術として、特許文献２の公知技術が挙げられる。特許文献２では、２組の蒸発器と吸収器が設置され、高温側蒸発器１１と低温側吸収器２２は伝熱面８１を介して隣接しており、低温側吸収器の吸収熱を高温側蒸発器に直接伝える構成となっている。また、高温蒸発器の冷媒は冷媒ポンプにより高温蒸発器の伝熱面に散布されるとともに、冷媒ポンプの吐出配管から分岐して低温蒸発器に送られる構成となっている。

特開平７−１３９８４４号公報 特開２０００−２２７２６２号公報

特許文献１の公知技術では、低温側吸収器から高温側蒸発器への熱輸送に、ヒートパイプ２３による熱輸送あるいは液冷媒の顕熱による熱輸送を行っているために、熱交換温度差が大きくなり、その分サイクルの汲み上げ温度差が小さくなるという欠点があった。

これに対して、特許文献２の公知技術では、高温側蒸発器１１と低温側吸収器２２は伝熱面８１を介して隣接しており、低温側吸収器の吸収熱を高温側蒸発器に直接伝える構成となっており、熱交換温度差を小さくして、サイクルの汲み上げ温度差を大きくすることができる。しかし、高温側蒸発器１１から高温側吸収器２１への蒸気の流動抵抗については配慮がなされていない。即ち、高温側蒸発器の表面から発生する蒸気は上昇しようとするが、散布装置があるため上方への蒸気の抜けが悪く流動抵抗が大きくなる。この抵抗が大きいと、高温側吸収器での蒸気の吸収効率が悪くなり高温側吸収器と高温側蒸発器の温度差を大きく出来なくなる恐れがある。

また、冷媒ポンプ６１、６２が低温側蒸発器１２と高温側蒸発器１１の両方に設置されており、ポンプ台数が増加してコストが上昇するとともに、電力消費量も増加するという不具合点があった。さらに、低温側吸収器と高温側吸収器の両方に設置されており、ポンプ台数が増加してコストが上昇するとともに、電力消費量も増加するという不具合点があった。

本発明の目的は、蒸発器と吸収器を２組備え、高温側の蒸発器で低温側の吸収器を冷却する構成とすることにより、汲み上げ温度差を大きくして、低温度の駆動熱源でも低い温度の冷熱が得られる２段蒸発吸収サイクルにおいて、サイクルの熱交換温度差を有効に利用して大きな汲み上げ温度差が得られる吸収式冷凍機を提供することである。逆に同等の汲み上げ温度差を得るのに必要な伝熱面積を小さくして、小型で低コストな吸収式冷凍機を提供することである。また、本発明の他の目的は、サイクルの媒体を循環するためのポンプ台数を削減して冷凍機のコストを削減しエネルギー効率の向上を可能とする吸収式冷凍機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、低温吸収器をほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に構成して低温蒸発器と蒸気通路で接続し、高温蒸発器をほぼ垂直に設置した前記複数の伝熱管の内面に構成して高温吸収器と蒸気通路で接続し、高温蒸発器の下部に配置した冷媒タンクと低温蒸発器の下部に配置した冷媒タンクを連通管で連通するとともに、高温蒸発器から高温吸収器への蒸気通路の下端部の高さを、低温蒸発器から低温吸収器への蒸気通路の下端部の高さよりも低くしている。

また、上記の目的を達成するために、本発明においては、高温蒸発器で蒸発した冷媒蒸気をほぼ垂直な複数の伝熱管の上下の開口から流出させ、高温吸収器へ導く構成としている。
さらに、上記の目的を達成するために、本発明においては、低温蒸発器と高温蒸発器の２ヶ所の蒸発器への液冷媒の供給を同一の冷媒ポンプで行うように構成している。また、再生器からの溶液を吸収器へ送る配管に溶液ポンプを設置し、この溶液ポンプの吐出側配管を分岐して、一方は高温吸収へ、他方は低温吸収器へ接続するように構成している。

本発明によれば、低温吸収器と高温蒸発器の間の熱交換温度差を小さくするとともに、高温蒸発器から高温吸収器までの蒸気流動抵抗を小さくすることができ、汲み上げ温度差を増加させることができる。

また、本発明によれば、冷媒ポンプ及び溶液ポンプの台数を削減して冷凍機のコストを低減するとともに、冷凍機のエネルギー効率を向上することができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図1は本発明の吸収式冷凍機の一実施例を示すサイクル系統図である。吸収式冷凍機は、再生器１、凝縮器２、高温吸収器３、高温蒸発器４、低温吸収器５、低温蒸発器６、溶液熱交換器７１、７２、溶液ポンプ１４、３４、５４、冷媒ポンプ６４などを備えている。ここで、冷媒は水で、溶液は蒸発した水を吸収する臭化リチウム水溶液である。

再生器１内には伝熱管１１が備えられており、伝熱管１１の上部には溶液散布装置１２が配置されている。凝縮器２の内部には伝熱管２１が備えられており、再生器１と凝縮器２は蒸気通路１３で接続されている。再生器１の底部は溶液ポンプ１４と溶液熱交換器７１を介して高温吸収器３の上部に設けられた溶液散布装置３２と配管で接続されている。

高温吸収器３の内部には伝熱管３１が配置されており、下部は溶液タンク３３となっている。溶液タンク３３の底部は、溶液ポンプ３４、溶液熱交換器７２を介して低温吸収器５の上部に設けられた溶液散布装置５２と配管で接続されている。

図１、図３に示すように、高温蒸発器４はほぼ垂直に配置された伝熱管４１の内面に構成されており、上部は冷媒散布装置４２に開口し、蒸気通路４８、エリミネータ４６を介して高温吸収器３と接続される。伝熱管４１の下部は冷媒タンク４３に開口し、蒸気通路４７、エリミネータ４６を介して高温吸収器３と接続される構成となっている。冷媒タンク４３と溶液タンク３３は仕切り４５で仕切られている。冷媒タンク４３の底部は、絞り２２を介して凝縮器２の底部と配管で接続されるとともに、連通管４４を介して低温蒸発器６の下部に配置された冷媒タンク６３と接続されている。

低温吸収器５は前記伝熱管４１の外面に構成されており、上部には伝熱管４１が貫通し、まわりから伝熱管４１の外面に溶液を供給する溶液散布装置５２が備えられており、下部には溶液タンク５３が配置されている。溶液タンク５３の底部は溶液ポンプ５４、溶液熱交換器７２、７１を介して、高温再生器１の上部に設けられた溶液散布装置１２と配管で接続されている。

図３で高温蒸発器４と低温吸収器５における作動流体の流れを説明する。高温蒸発器４および低温吸収器５は複数の伝熱管４１で構成されるが、本図では１本の伝熱管について説明する。

高温蒸発器４の冷媒散布装置４２にはポンプ６４から開口部４９を通って液冷媒が送られ、伝熱管４１の上部の開口部から管４１の内壁に沿って流下し、その後冷媒タンク４３に集められる。液冷媒は伝熱管４１の内壁に沿って流下する間に、管４１の外壁を流下する溶液からの吸収熱を受けて蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は伝熱管４１の上部の開口、溶液散布装置４２、蒸気通路４８を通る経路と、伝熱管４１の下方の開口、蒸気通路４７を通る経路の２つの経路から高温吸収器３へ送られる。

低温吸収器５の溶液散布装置５２にはポンプ３４から開口部５５を通って溶液が送られ、伝熱管４１が貫通する開口穴と伝熱管４１の外壁との隙間５６から管外４１の外壁に沿って流下し、溶液タンク５３に集められる。溶液は伝熱管４１の外壁に沿って流下する間に、低温蒸発器６からの冷媒蒸気を吸収し、その時の吸収熱は伝熱管４１の内壁を流下する冷媒液により冷却される。

低温蒸発器６の内部には伝熱管６１が備えられており、上部には冷媒散布装置６２、下部には冷媒タンク６３が配置されており、エリミネータ６６を介して低温吸収器５と接続している。冷媒タンク６３と溶液タンク５３は仕切り６５で仕切られている。冷媒タンク６３の底部は、前記したように連通管４４を介して冷媒タンク４３と接続されるとともに、冷媒ポンプ６４、分岐部６７を介して冷媒散布装置６２と、さらに分岐部６７からＵシール部６８を介して冷媒散布装置４２と配管で接続している。

このように構成した吸収式冷凍機の動作は以下の通りである。再生器１の溶液散布装置１２から散布された溶液は伝熱管１１上で管内を流れる加熱媒体と熱交換して、冷媒蒸気を発生し、溶液は濃縮される。濃縮された溶液は、溶液ポンプ１４により溶液熱交換器７１に送られ、低温吸収器５からの溶液と熱交換して冷却され、高温吸収器３の溶液散布装置３２に送られる。

高温吸収器３において溶液散布装置３２から散布された溶液は、伝熱管３１上で高温蒸発器４からの冷媒蒸気を吸収し、冷媒吸収により発生した吸収熱は伝熱管３１内を流れる冷却水により冷却される。冷媒蒸気を吸収して濃度が薄くなった溶液は溶液タンク３３に一旦溜められて、溶液ポンプ３４により溶液熱交換器７２に送られる。溶液熱交換器７２で低温吸収器５からの溶液と熱交換して冷却され、低温吸収器５の溶液散布装置５２に送られる。

低温吸収器５において溶液散布装置５２から伝熱管４１の外面に供給された溶液は、ほぼ垂直な伝熱管４１の外面を流下する間に、低温蒸発器６からの冷媒蒸気を吸収し、冷媒吸収により発生した吸収熱は伝熱管４１内の冷媒により冷却される。冷媒蒸気を吸収して濃度がさらに薄くなった溶液は溶液タンク５３に一旦溜められて、溶液ポンプ５４により溶液熱交換器７２に送られる。溶液熱交換器７２で高温吸収器３からの溶液と熱交換して温度上昇した溶液は、溶液熱交換器７１で再生器からの溶液と熱交換してさらに温度上昇したのち、再生器１の溶液散布装置１２に送られる。

一方、再生器１で発生した冷媒蒸気は、蒸気通路１３を通って凝縮器２に送られ、伝熱管２１の表面で凝縮液化する。この時の凝縮熱は伝熱管２１内を流れる冷却水で冷却される。凝縮液化した冷媒は凝縮器２の底部から絞り２２を通って高温蒸発器４の冷媒タンク４３に送られる。

冷媒タンク４３の液冷媒は連通管４４を介して冷媒タンク６３の液冷媒と連通しており、冷媒タンク６３の液冷媒は冷媒ポンプ６４により、分岐部６７、Ｕシール部６８を通って、低温蒸発器６の冷媒散布装置６２および高温蒸発器４の冷媒散布装置４２に送られる。

冷媒散布装置４２の液冷媒は伝熱管４１の上部の開口部から管内壁に沿って流下し、管外を流下する溶液からの吸収熱を受けて蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は、伝熱管４１の上部の開口部、溶液散布装置４２、蒸気通路４８を通ってエリミネータ４６から高温吸収器３へ送られる経路、及び伝熱管４１の下部の開口部、蒸気通路４７を通ってエリミネータ４６から高温吸収器３へ送られる経路、これら２つの経路から高温吸収器３へ送られる。伝熱管４１の内面で蒸発しきれなかった液冷媒は冷媒タンク４３に溜められる。

冷媒散布装置６２の液冷媒は伝熱管６１に散布され、伝熱管６１内を流れる冷水から熱を奪って蒸発し、エリミネータ６６を通って低温吸収器５に送られる。伝熱管６１上で蒸発しきれなかった液冷媒は冷媒タンク６３に溜められる。

吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ６４の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、Ｕシール部６８の冷媒液は落下することなく残っているので、高温蒸発器４と低温蒸発器６が蒸気側で連通して圧力差がなくなることはない。

以上説明したように本実施例においては、ほぼ垂直に設置した伝熱管４１の外面で冷媒蒸気を吸収した溶液の吸収熱を、伝熱管４１の内面を流下する液冷媒の蒸発潜熱で直接冷却するようにしているので、低温吸収器と高温蒸発器の間の熱交換温度差を小さくすることができるとともに、高温蒸発器４の圧力は低温蒸発器６の圧力よりも高く、高温蒸発器４の冷媒タンク４３は低温蒸発器６の冷媒タンク６３と連通管４４を介して連通しているので、冷媒タンク４３の液面高さは冷媒タンク６３の液面高さよりも低くなる。

これにより冷媒タンク４３と溶液タンク３３の間の仕切り４５の高さ（高温蒸発器４から高温吸収器３への蒸気通路の下端部の高さ）は、冷媒タンク６３と溶液タンク５３の間の仕切り６５の高さ（低温蒸発器６から低温吸収器５への蒸気通路の下端部の高さ）よりも低くできるので、蒸気通路４７の流路面積を広くすることができ、冷媒蒸気の流動抵抗を小さくできる。この抵抗の減少により冷媒蒸気の高温吸収器３での吸収効率が高まり、高温吸収器３と高温蒸発器４の間の温度落差を大きくすることができ、低温蒸発器から高温吸収器までの汲み上げ温度差を大きくすることができる。

また、高温蒸発器４の伝熱管４１の上部の開口と下部の開口の両方から冷媒蒸気を導いて、高温吸収器に送るようにし、冷媒蒸気の流動抵抗を小さくすることができたので、高温吸収器３と高温蒸発器４の間の温度落差を大きくすることができ、低温蒸発器から高温吸収器までの汲み上げ温度差を大きくすることができる。逆に、汲み上げ温度差が同等であれば各蒸発器、吸収器の伝熱面積を小さくして、小型で低コストな吸収式冷凍機を提供することができる。

また、高温蒸発器４の冷媒タンク４３と低温蒸発器６の冷媒タンク６３を連通管４４を介して連通するとともに、冷媒タンク６３の液冷媒を冷媒ポンプ６４により、冷媒散布装置４２及び冷媒散布装置６２の両方に送るようにしたので、高温蒸発器４と低温蒸発器６のそれぞれに冷媒ポンプが必要ではなくなり、冷媒ポンプの台数を削減して、吸収式冷凍機のコストを削減するとともに、消費電力も低減できるのでエネルギー効率の高い吸収式冷凍機を提供することができる。

また、吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ６４の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、Ｕシール部６８の冷媒液は落下することなく残っているので、高温蒸発器４と低温蒸発器６が蒸気側で連通して圧力差がなくなり、汲み上げ温度差が低下するという不具合を防止することができる。

本実施例において、凝縮器２の伝熱管２１と高温吸収器３の伝熱管３１は独立に構成されているが、管内を流れる冷却水を両者に直列に流しても良いし、並列に流しても良い。

図２は本発明の吸収式冷凍機の他の実施例を示すサイクル系統図である。本実施例は、サイクルの主な構成要素は図１の実施例と同様であり、再生器１から高温吸収器３及び低温吸収器５への溶液経路と、高温吸収器３及び低温吸収器５から再生器１への溶液経路、冷媒ポンプ６４から高温蒸発器４及び低温蒸発器６への冷媒経路が異なっている。

以下、図１の実施例と異なっている構成及び作用について説明する。再生器１の底部は溶液ポンプ１４、溶液熱交換器７１を介し、その後2つに分岐して一方は高温蒸発器３の溶液散布装置３２、他方はさらに溶液熱交換器７２を介して低温吸収器５の溶液散布装置５２と配管で接続されている。また、高温吸収器３の下部の溶液タンク３３と低温吸収器５の下部の溶液タンク５３の底部から出た配管は合流し、溶液ポンプ５４により溶液熱交換器７２、７１を通って、再生器１の溶液散布措置１２に接続している。

また、低温蒸発器６の下部の冷媒タンク６３の底部からの配管は冷媒ポンプ６４を通ったのち分岐部６７で分岐して、一方は高温蒸発器4の冷媒散布装置４２、他方は低温蒸発器６の冷媒散布装置６２に接続されている。分岐部６７の高さは、低温蒸発器６の下部の冷媒タンク６３の最低液面高さよりも低い位置に配置されている。その他の構成は実施例１と同様である。

上記の様に構成した本実施例の吸収式冷凍機の動作で実施例１と異なる点は、以下の通りである。再生器１で冷媒蒸気を発生し濃縮された溶液は、溶液ポンプ１４により溶液熱交換器７１に送られ、低温吸収器５および高温吸収器３からの溶液と熱交換して冷却され、その後２つに分岐して、一方は高温吸収器３の溶液散布装置３２に送られる。他方はさらに溶液熱交換器７２に送られ、低温吸収器５および高温吸収器３からの溶液と熱交換してさらに冷却され、低温吸収器５の溶液散布装置５２に送られる。

高温吸収器３の下部の溶液タンク３３と低温吸収器の溶液タンク５３のそれぞれの溶液は、溶液ポンプ５４により溶液熱交換器７２、７１を通って、再生器１の溶液散布装置１２に送られる。冷媒タンク６３の液冷媒は冷媒ポンプ６４により、配管途中の分岐部６７で分岐して、一方は高温蒸発器４の冷媒散布装置４２へ送られ、他方は低温蒸発器６の冷媒散布装置６２に送られる。

以上説明したように、本実施例においては、再生器で加熱濃縮された溶液を１台の溶液ポンプ１４で高温吸収器３と低温吸収器５に送るようにしているので、溶液ポンプの台数を削減し、吸収式冷凍機のコストを低減するとともに、消費電力も低減できるのでエネルギー効率の高い吸収式冷凍機を提供することができる。

また、吸収式冷凍機の部分負荷運転条件や冷却水温度の低い運転条件などでは、冷媒ポンプ６４の冷媒流量が低下し、冷媒流量がゼロとなる場合も発生する可能性がある。このような場合においても、分岐部６７は冷媒タンク６３の最低液面高さより低い位置にあるので常に液冷媒で満たされており、高温蒸発器４と低温蒸発器６が蒸気側で連通して圧力差がなくなることにより冷媒蒸気の流動抵抗が大きくなって、汲み上げ温度差が低下するという不具合を防止することができる。

本発明の実施例１のサイクル系統図である。 本発明の実施例２のサイクル系統図である。 本発明の実施例の作動流体の流れの説明図である。

符号の説明

１…再生器、２…凝縮器、３…高温吸収器、４…高温蒸発器、５…低温吸収器、６…低温蒸発器、１１、２１、３１、４１、６１…伝熱管、１２、３２、５２…溶液散布装置、１４、３４、５４…溶液ポンプ、３３、５３…溶液タンク、４３、６３…冷媒タンク、４２、６２…冷媒散布装置、４５、６５…仕切り、４７、４８…蒸気通路、６７…分岐部、６８…Ｕシール部、７１、７２…溶液熱交換器。

Claims (5)

1. 低温蒸発器、低温吸収器、高温蒸発器、高温吸収器、再生器、凝縮器、溶液熱交換器で構成され、低温吸収器の吸収熱を高温蒸発器の蒸発潜熱で冷却する吸収式冷凍機において、
   前記低温吸収器をほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の外面に構成して前記低温蒸発器と蒸気通路で接続し、前記高温蒸発器を前記ほぼ垂直に設置した複数の伝熱管の内面に構成して前記高温吸収器と蒸気通路で接続し、
   高温蒸発器の冷媒タンクと低温蒸発器の冷媒タンクを連通管で連通するとともに、高温蒸発器から高温吸収器への蒸気通路の下端部の高さを、低温蒸発器から低温吸収器への蒸気通路の下端部の高さよりも低くし、
   前記高温蒸発器と高温吸収器を接続する蒸気通路は、前記伝熱管の上下の開口に連通する２系統の蒸気通路から構成され、前記高温蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を前記伝熱管の上下の開口から流出させ、前記高温吸収器へ導くことを特徴とする吸収式冷凍機。
2. 前記低温蒸発器と前記高温蒸発器の２ヶ所の蒸発器への液冷媒の供給を同一の冷媒ポンプで行うように構成したことを特徴とする請求項１に記載の吸収式冷凍機。
3. 前記冷媒ポンプの吐出側配管の低温蒸発器と高温蒸発器への分岐部から低温蒸発器への配管または高温蒸発器への配管のいずれかにＵシールを設けたことを特徴とする請求項２に記載の吸収式冷凍機。
4. 前記冷媒ポンプの吐出側配管の低温蒸発器と高温蒸発器への分岐部を、前記冷媒ポンプの吸込配管が接続されている冷媒タンクの最低液面より低い位置に設けたこと特徴とする請求項２に記載の吸収式冷凍機。
5. 再生器からの溶液を吸収器へ送る配管に溶液ポンプを設置し、この溶液ポンプの吐出側配管を分岐して、一方は高温吸収へ、他方は低温吸収器へ接続するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の吸収式冷凍機。

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