JP5711680B2 - 吸収式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、加熱源及び冷却源を利用して冷熱を発生する吸収式冷凍機に関する。

特許文献１には、効率が高い吸収冷凍機を提供することを目的として、冷媒としてアンモニアを用い、吸収剤として水を用いるとともに、(1)再生器で蒸気冷媒が分離した後の吸収溶液の顕熱を、再生器に流入する吸収溶液が自己再生するための潜熱として供給する顕熱・潜熱熱交換器（再生熱交換器）と、(2)冷媒を吸収して吸収器から再生器へ送出される吸収溶液で、吸収器に流入する吸収溶液を冷却して蒸発器からの冷媒蒸気を吸収させる顕熱・潜熱熱交換器（吸収熱交換器）と、(3)吸収部の吸収熱によって再生部の吸収溶液を加熱して冷媒蒸気を発生させる自己再生吸収部（ＧＡＸ）とを備えた吸収冷凍機が記載されている。

また、特許文献２には、再生器から吸収器に流入する吸収液と吸収器から再生器に送られる吸収液とを熱交換させる高温熱交換器及び低温熱交換器を設けるとともに、吸収器の底部から吸収液ポンプで送出される吸収液が吸収器内の上部に設けられた散布器の下方を経由して高温再生器に送られる吸収式冷凍機が開示されている。

特開平１１−２９４８８７号公報 特開２００５−２８２９６８号公報

吸収式冷凍機の分野においては、作動圧力を大気圧未満に維持し、温度及び吸収液濃度を安全性の高い範囲に維持する観点から、水冷式が広く普及している。しかし、水冷式においては、冷却塔に補給する淡水の確保が難しい場合もあるため、空冷式の需要が見込まれている。この背景を鑑み、本発明は以下の課題を解決しようとするものである。

特許文献１に記載された吸収冷凍機においては、自己再生吸収部の熱交換を成立させるために、吸収液サイクルの濃度差を大きく設定する必要がある。よって、作動媒体を精留する必要があり、毒性を有するアンモニアを冷媒として用いる必要がある。したがって、臭化リチウム等の吸収剤を用い、水を冷媒とする吸収式冷凍機に自己再生吸収部の構成を適用することは困難であった。また、特許文献１に記載された吸収冷凍機においては、加熱源（高温熱源）と冷却源（低温熱源）との間に十分な温度差が必要となるため、加熱源として未利用の中・低温排熱を用いること、及び、冷却方式を水冷に代えて空冷とすることが難しいという課題もあった。

また、特許文献２に記載された吸収式冷凍機は、臭化リチウムを吸収剤として用い、水を冷媒とするものであるが、水冷式であるため、空冷式の課題を解決するものではない。臭化リチウムを吸収剤とした場合、加熱源の温度が高くなると、結晶の析出が問題となる。

本発明の目的は、低温排熱を有効利用する場合、又は、吸収式冷凍機が空冷式の場合であっても、加熱源のエネルギーを有効に活用するとともに、吸収器を小型化することにある。

本発明は、再生器と、凝縮器と、蒸発器と、吸収器とを備えた吸収式冷凍機において、吸収器は、第一の吸収部と第二の吸収部とを有し、第一の吸収部は、再生器で濃縮された吸収液が第二の吸収部を介して導入される構成であり、第二の吸収部は、第一の吸収部から再生器に還流する吸収液で冷却される構成であることを特徴とする。

本発明によれば、加熱源のエネルギーを有効に活用するとともに、吸収器を小型化した吸収式冷凍機を提供することができる。

実施例１の吸収式冷凍機を示す概略構成図である。 図１の吸収式冷凍機のデューリング線図である。 実施例２の吸収式冷凍機を示す概略構成図である。 図３の吸収式冷凍機のデューリング線図である。 従来の吸収式冷凍機を示すブロック図である。 図５の吸収式冷凍機のデューリング線図である。

以下、本発明の実施形態に係る吸収式冷凍機について説明する。

前記吸収式冷凍機は、冷媒と吸収剤とを含む吸収液を用い、該吸収液を加熱して該冷媒を蒸発させ該吸収液を濃縮する再生器と、該再生器から流入する冷媒の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から流入する冷媒が蒸発して熱媒体を冷却する蒸発器と、再生器で濃縮された吸収液を用いて該蒸発器から流入する蒸気を吸収する吸収器とを備えた吸収式冷凍機であって、吸収器は、第一の吸収部と第二の吸収部とを有し、該第一の吸収部は、再生器で濃縮された吸収液が該第二の吸収部を介して導入される構成であり、第二の吸収部は、第一の吸収部から再生器に還流する吸収液で冷却される構成であることを特徴とする。

前記吸収式冷凍機において、冷媒は水であり、吸収剤はイオン結合を有する水溶性の塩であることが望ましい。

前記吸収式冷凍機において、上記の塩は、臭化リチウムであることが望ましい。

前記吸収式冷凍機において、凝縮器及び第一の吸収部は、それぞれ、空冷熱交換部を有することが望ましい。

前記吸収式冷凍機において、再生器は、加熱源を用いて吸収液を加熱して冷媒を蒸発させ吸収液を濃縮する第一の熱交換部と、該加熱源で濃縮された吸収液を用いて吸収器から還流する吸収液を加熱して冷媒を蒸発させ吸収液を濃縮する第二の熱交換部とを有することが望ましい。

前記吸収式冷凍機は、さらに、再生器で濃縮された吸収液と、第一の吸収部から再生器に向かう吸収液との熱交換を行う溶液熱交換器を備えたことが望ましい。

前記吸収式冷凍機において、蒸発器は、第一の蒸発部と第二の蒸発部とを有し、該第一の蒸発部で発生した蒸気が第一の吸収部で吸収され、該第二の蒸発部で発生した蒸気が第二の吸収部で吸収される構成であることが望ましい。

前記吸収式冷凍機において、蒸発器の冷媒によって冷却される熱媒体は、第一の蒸発部から第二の蒸発部に向かって流れる構成であることが望ましい。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

下記の実施例においては、吸収剤として臭化リチウムを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸収剤として塩化リチウム、塩化カリウム、臭化カリウム、臭化カルシウム等の水溶性の塩を用いてもよい。

図１は、一実施例の吸収式冷凍機の概略構成を示したものである。

本図において、吸収式冷凍機は、蒸発器１、吸収器２０、再生器３０及び凝縮器４を基本構成要素とする。再生器３０においては、吸収液が加熱源３６によって加熱されて濃縮され、濃溶液となるとともに、冷媒の蒸気が発生するようになっている。濃溶液は、吸収器２０に送られ、蒸発器１から流入する冷媒の蒸気を吸収して希釈され、希溶液となる。

一方、再生器３０で発生した冷媒の蒸気は、凝縮器４に送られ、冷却されて凝縮し、液体の冷媒となる。液体の冷媒は、蒸発器１に送られ、冷水１６（熱媒体）から熱を奪って蒸発し、吸収器２０に送られる。図中の破線は、冷媒の蒸気の流れを表している。

本図に示す再生器３０は、第一の熱交換部３１と第二の熱交換部３２とを含む構成である。第一の熱交換部３１にて加熱源３６によって加熱され濃縮された吸収液（濃溶液）は、再生器３０の底部から第二の熱交換部３２に送られ、吸収器２０から再生器３０に導入された希溶液を加熱する。よって、希溶液は、第二の熱交換部３２で加熱された後、第一の熱交換部３１で更に加熱されるようになっている。

また、本図に示す吸収器２０は、第一の吸収部２１と第二の吸収部２２とを含む構成である。第一の吸収部２１及び第二の吸収部２２には、それぞれ、蒸発器１から冷媒の蒸気が導入されるようになっている。

さらに、本実施例においては、再生器３０と吸収器２０との間に溶液熱交換器５が設けてある。第二の熱交換部３２を出た濃溶液は、溶液熱交換器５で吸収器２０から送られてきた希溶液との熱交換によって冷却された後、第二の吸収部２２に導入され、蒸発器１からの冷媒の蒸気を吸収する。第二の吸収部２２に導入された濃溶液は、第一の吸収部２１から送られてきた希溶液によって冷却される。

第二の吸収部２２で冷媒の蒸気を吸収した吸収液は、第一の吸収部２１に流入し、更に冷媒の蒸気を吸収する。

本図においては、吸収器２０及び凝縮器４は、空冷式となっている。すなわち、これらは空冷熱交換部を有する。これらの空冷熱交換部には、それぞれ、空冷ファン２７、４７が設けてある。第二の吸収部２２は、上記のように空冷された希溶液によって濃溶液を冷却する点から、「自己吸収器」とも呼ぶべきものである。

以下、吸収式冷凍機の動作について更に詳しく説明する。

再生器３０においては、希溶液は、最初に第二の熱交換部３２に供給され、再生器３０の出口の濃溶液によって加熱されて濃縮される。そして、濃縮された希溶液は、第一の熱交換部３１に導かれ、加熱源３６によって更に加熱されて濃縮され、濃溶液となる。第一の熱交換部３１の濃溶液は、第二の熱交換部３２の加熱側流路に導かれ、上述のように希溶液を加熱して濃縮した後、溶液熱交換器５の高温側流路に送られる。そして、溶液熱交換器５において吸収器２０から再生器３０に送られる希溶液と熱交換して温度を下げた後、第二の吸収部２２に供給される。

第二の吸収部２２においては、供給された濃溶液が吸収器２０の出口の希溶液によって冷却されて、蒸発器１から冷媒の蒸気を吸収する。そして、第一の吸収部２１に導かれ、冷却空気２６によって冷却され、更に冷媒の蒸気を吸収して希溶液となる。第一の吸収部２１の希溶液は、第二の吸収部２２の冷却側流路に導かれて溶液熱交換器５からの濃溶液を冷却した後、溶液熱交換器５の低温側流路に送られる。そして、溶液熱交換器５において再生器３０から吸収器２０に送られる濃溶液と熱交換して温度が上昇した後、再生器３０の上部に設けられた第二の熱交換部３２に供給される。

一方、第一の熱交換部３１及び第二の熱交換部３２で希溶液が加熱濃縮される際に発生した冷媒蒸気は、再生器３０と連通した凝縮器４に導かれる。そして、冷却空気４６によって冷却されて凝縮して冷媒液となり、蒸発器１に導かれる。

蒸発器１においては、凝縮器４から導かれた冷媒液が冷水１６から熱を奪って蒸発して冷媒蒸気となる。この際、冷水１６は、冷媒の気化熱によって冷却されて温度が低下する。この冷水１６を吸収式冷凍機の出力として取出し、冷房などの用途に供する。一方、冷媒蒸気は、蒸発器１と連通した第一の吸収部２１及び第二の吸収部２２の溶液（吸収液）に吸収される。

以上の動作により、吸収式冷凍機に加熱源３６及び冷却空気２６、４６を連続的に供給し、溶液を連続的に循環させることにより、蒸発器１内の蒸気圧を低圧に保持して蒸発器１における冷水１６の冷却を連続的に行うことができる。

次に、本実施例における第一の熱交換部３１と第二の熱交換部３２との関係及び第一の吸収部２１と第二の吸収部２２との関係について、図２を用いて説明する。

図２は、本実施例の吸収式冷凍機のサイクルをデューリング線図上に模式的に表したものである。横軸に温度Ｔ、縦軸に蒸気圧Ｐをとっている。

図中の各部に付した番号はそれぞれ、図１の各番号に対応する吸収液の状態である。また、図中の白抜き矢印は、サイクル内の熱移動および外部との熱の授受を表しており、物質の移動を伴わないものである。

本図において、状態３０ｉは、溶液熱交換器５で温度が上昇し、再生器３０に供給される希溶液（吸収液）である。この希溶液は、第二の熱交換部３２で加熱され、濃縮されて状態３１ｉとなる。さらに、状態３１ｉの吸収液は、第一の熱交換部３１で加熱され、濃縮されて状態３０ｏとなる。図２の横軸で表されるように、温度は、状態３０ｉに比べて高いので、状態３０ｉの希溶液を加熱することができる。したがって、状態３０ｏの濃溶液は、第二の熱交換部３２において状態３０ｉの希溶液を加熱し、濃縮することができる。これにより、加熱源３６による加熱量を低減することができる。

一方、状態２２ｉは、溶液熱交換器５で温度が低下して第二の吸収部２２に供給される濃溶液（吸収液）を表している。この濃溶液は、第二の吸収部２２で冷却され、冷媒蒸気を吸収して状態２１ｉとなる。さらに、状態２１ｉの吸収液は、第一の吸収部２１で冷却され、冷媒蒸気を吸収して状態２１ｏとなる。状態２１ｏの温度は、状態２２ｉよりも低いので、状態２２ｉの濃溶液を冷却することができる。したがって、第二の吸収部２２における熱交換が成立する。この冷却熱量（熱交換量）に対応して、冷却空気２６による冷却熱量を低減することができる。言い換えると、第一の吸収部２１を小型化することができ、空冷ファン２７の入力を低減することができる。

ここで、特許文献１に記載された吸収冷凍機との相違点を説明する。

図５は、特許文献１に記載された吸収冷凍機の一例であり、図６は、この吸収冷凍機のサイクルを示したものである。

図５に示す吸収冷凍機は、再生器１２０、吸収器１３６、蒸発器１３２、凝縮器１２６等を備えている。再生器１２０は、熱供給手段１２２を有する。再生器１２０と吸収器１３６との間には、潜熱・顕熱熱交換器１５２、潜熱・潜熱熱交換器１５４及び顕熱・潜熱熱交換器１５６があり、再生器１２０から吸収器１３６に向かう吸収液と、吸収器１３６から再生器１２０に向かう吸収液との熱交換を行うようになっている。また、再生器１２０と顕熱・潜熱熱交換器１５６との間には、排熱投入熱交換器７０が設置してある。

図６は、デューリング線図であり、横軸に温度、縦軸に蒸気圧をとっている。

本図に示す符号１０１〜１０９、１１１及び１１２は、図５における各位置を示す符号に対応している。また、Ａ／Ｌ、Ａ／Ｇ及びＬ／Ｇはそれぞれ、潜熱・顕熱熱交換器１５２（自己吸収部）、潜熱・潜熱熱交換器１５４（自己再生吸収部）及び顕熱・潜熱熱交換器１５６（自己再生部）における熱移動を表している。

特許文献１においては、再生した後の溶液とアンモニアを吸収した後の溶液とのアンモニアの濃度幅を拡大することにより、図６に示す符号１０６の温度を符号１０５の温度よりも高くし、符号１０６における吸収熱で符号１０５の溶液を加熱して濃縮する自己再生吸収部（ＧＡＸ）を設けている。しかしながら、この熱交換が成立するためには、高温の加熱源が必要である。

これに対して、本実施例においては、低温排熱の有効利用を目的としているので、濃度幅を拡大して図２に示す状態２２ｉにおける吸収熱で希溶液を状態３０ｉにおける温度以上に加熱することはできない。このため、第二の熱交換部３２において希溶液を濃溶液（３０ｏ〜３２ｏ）で加熱し、さらに、溶液熱交換器５において濃溶液（３２ｏ〜２２ｉ）で希溶液（２２ｏ〜３０ｉ）を加熱する構成としている。

上述のように、本実施例は、吸収液の濃度幅が小さいサイクルに対応するものであり、第二の熱交換部３２を設けて加熱量を低減するとともに、第二の吸収部２２を設けて第一の吸収部２１における冷却熱量を低減する。さらに、溶液熱交換器５を設けて内部熱回収を行うことにより再生器３０における加熱量を低減し、吸収器２０における冷却熱量を低減している。これにより、低温排熱を有効に利用して省エネルギーを図ることが可能となり、空冷化が容易な構成とすることができる。すなわち、加熱源と冷却源との温度差が小さい場合であっても、空冷式の吸収式冷凍機の効率的な運転を実現することができる。

さらに、本実施例においては、吸収液の濃度差が小さいサイクルに対応した構成を有するため、濃度幅の大きいサイクルに適用できない系、すなわち、冷媒が水であって吸収剤がイオン結合を有する水溶性の塩である系にも適用可能となる。

したがって、精留器の必要性や毒性の問題を持つアンモニア−水系の使用を回避することができる。さらには、第一の吸収部２１における冷却熱量を低減することができるため、吸収式冷凍機を空冷式とした場合に機器の容積の大部分を占める空冷熱交換器を小型化することができ、空冷式の吸収式冷凍機全体の小型化が可能となる。

図３は、２つの吸収器に対応して蒸発器を２つに分割することにより性能を更に向上した吸収式冷凍機を示したものである。

以下の説明においては、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

本図に示す吸収式冷凍機においては、蒸発器１０が第一の蒸発部１１と第二の蒸発部１２とに分割されている。そして、第一の蒸発部１１は第一の吸収部２１と連通し、第二の蒸発部１２は第二の吸収部２２と連通している。冷水１６は、最初に第一の蒸発部で冷却された後、第二の蒸発部１２で更に冷却されて吸収式冷凍機の出力として取出される。

図４は、本実施例の吸収式冷凍機のサイクルをデューリング線図上に模式的に表したものである。

本図に示すように、第一の蒸発部１１は、冷水１６が先に通水されるため、第二の蒸発部１２よりも横軸で表される蒸発温度が高い。このため、縦軸で表される蒸気圧も高くなる。その結果、第一の蒸発部１１と連通した第一の吸収部２１の圧力も、第二の蒸発部１２と連通した第二の吸収部２２の圧力よりも高くなる。

ここで、本実施例における冷水１６の取出し温度を実施例１と同等とすると、本実施例における第二の蒸発部１２は、実施例１における蒸発器１と同等の蒸発温度となる。すなわち、同等の蒸気圧となる。したがって、第一の蒸発部１１及びこれと連通している第一の吸収部２１における蒸気圧は、実施例１の蒸発器１及び第一の吸収部２１よりも高くなる。その結果、本実施例の第一の吸収部２１の出口２１ｏにおける希溶液は、符号２１ｏ’で示す実施例１第一の吸収部２１の出口における希溶液よりも吸収温度及び蒸気圧を高くすることができる。

以上説明したように、本実施例においては、蒸発器１０を第一の蒸発部１１と第二の蒸発部１２とに分割し、それぞれ、第一の吸収部２１、第二の吸収部２２と連通したことにより、第一の吸収部２１の出口における希溶液の温度が上昇するので、冷却空気２６、４６の温度が実施例１よりも高い場合においても吸収式冷凍機の運転を行うことが可能になる。また、冷却空気２６、４６の温度が同一の場合には、熱交換温度差の拡大を利用して伝熱面積を縮小することが可能となる。空冷式の吸収式冷凍機においては、空冷熱交換器の大きさが機器サイズに与える影響が大きいため、本実施例による伝熱面積の縮小は、機器全体の小型化に大変有効である。

また、本発明によれば、安全性に優れた臭化リチウム等の吸収剤を用いた空冷式の吸収式冷凍機においても、効率的なサイクルを実現することができ、空冷熱交換部を小型化することができる。

なお、以上の実施例においては、凝縮器を空冷とし、冷熱を得るための吸収式冷凍機について説明しているが、本発明は、吸収器で熱源を加熱し、熱源の温度レベルを高める吸収式ヒートポンプにも適用可能である。この場合、蒸発器は、大気温度程度とし、空冷としてもよいし、河川水、工業用水、地下水等による水冷としてもよい。

１、１０：蒸発器、４：凝縮器、５：溶液熱交換器、１１：第一の蒸発部、１２：第二の蒸発部、１６：冷水、２０：吸収器、２１：第一の吸収部、２１ｉ、２１ｏ、２１ｏ’、２２ｉ、２２ｏ、３０ｉ、３０ｏ、３１ｉ、３２ｏ：吸収液の状態、２２：第二の吸収部、２６、４６：冷却空気、２７、４７：冷却ファン、３０：再生器、３１：第一の熱交換部、３２：第二の熱交換部、３６：加熱源。

Claims (6)

1. 冷媒と吸収剤とを含む吸収液を用い、該吸収液を加熱して該冷媒を蒸発させ該吸収液を濃縮する再生器と、該再生器から流入する前記冷媒の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から流入する前記冷媒に熱を与えて蒸発させる蒸発器と、前記再生器で濃縮された前記吸収液を用いて該蒸発器から流入する前記蒸気を吸収する吸収器とを備えた吸収式冷凍機であって、前記吸収器は、第一の吸収部と第二の吸収部とを有し、該第一の吸収部は、前記再生器で濃縮された前記吸収液が該第二の吸収部を介して導入される構成であり、前記第二の吸収部は、前記第一の吸収部から前記再生器に還流する前記吸収液で冷却される構成であり、前記蒸発器は、第一の蒸発部と第二の蒸発部とを有し、該第一の蒸発部で発生した前記蒸気が前記第一の吸収部で吸収され、該第二の蒸発部で発生した前記蒸気が前記第二の吸収部で吸収される構成であり、前記蒸発器の前記冷媒の蒸発によって冷却される熱媒体は、前記第一の蒸発部から前記第二の蒸発部に向かって流れる構成であることを特徴とする吸収式冷凍機。
2. 前記冷媒は水であり、前記吸収剤はイオン結合を有する水溶性の塩であることを特徴とする請求項１記載の吸収式冷凍機。
3. 前記塩は、臭化リチウムであることを特徴とする請求項２記載の吸収式冷凍機。
4. 前記凝縮器及び前記第一の吸収部は、それぞれ、空冷熱交換部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
5. 前記再生器は、加熱源を用いて前記吸収液を加熱して前記冷媒を蒸発させ前記吸収液を濃縮する第一の熱交換部と、該加熱源で濃縮された前記吸収液を用いて前記吸収器から還流する前記吸収液を加熱して前記冷媒を蒸発させ前記吸収液を濃縮する第二の熱交換部とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。
6. さらに、前記再生器で濃縮された前記吸収液と、前記第一の吸収部から前記再生器に向かう前記吸収液との熱交換を行う溶液熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸収式冷凍機。

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