JP6463954B2

JP6463954B2 - 吸収式冷凍機

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Publication number: JP6463954B2
Application number: JP2014238601A
Authority: JP
Inventors: 浩伸川村; 藤居　達郎; 達郎藤居; 武田　伸之; 伸之武田
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: JP2016099094A

Description

本発明は、２つの再生器へ熱源媒体を供給する二段吸収サイクルの吸収式冷凍機に関する。

二段吸収サイクルの吸収式冷凍機は、蒸発器、低圧吸収器及び低圧再生器からなる低圧側サイクルと、高圧吸収器、高圧再生器及び凝縮器からなる高圧側サイクルと、を含み、低圧再生器において熱源媒体で溶液を加熱し蒸発した冷媒蒸気を、高圧吸収器の溶液に吸収させることで低圧側サイクルと高圧側サイクルを連結したサイクルとなっている。二段吸収サイクルの吸収式冷凍機は、一般に、単効用の吸収式冷凍機に比べて低温の熱源で駆動できることが知られている。

特開２００４−２１１９７９号公報（特許文献１）には、二段吸収サイクルの吸収式冷凍機として、低圧側サイクルとなる低圧吸収器と低圧再生器とを循環する溶液と、高圧側サイクルとなる高圧吸収器と高圧再生器とを循環する溶液とが、混合することなく独立して高圧側サイクル及び低圧側サイクルを循環するサイクルフロー図が記載されている。

特開２００４−２１１９７９号公報

二段吸収サイクルでは、低圧吸収器と低圧再生器とを循環する低圧側サイクルの溶液と、高圧吸収器と高圧再生器とを循環する高圧側サイクルの溶液とが、独立して循環している。そのため、冷媒を水、溶液を臭化リチウム水溶液とした場合、運転条件によって溶液濃度が変化しても、臭化リチウムの量は変化しない。つまり、低圧側サイクルと高圧側サイクルの溶液濃度は運転条件によって決まり、蒸発器内に溜められる冷媒量は溶液濃度によって調整され変化することになる。したがって、二段吸収サイクルの吸収式冷凍機では、運転条件によって溶液濃度が変化しても問題ないように冷媒量及び溶液量が決定され封入される。

一方、低圧側サイクルと高圧側サイクルを連結している低圧再生器と高圧吸収器では、低圧再生器で蒸発した冷媒蒸気が高圧吸収器内の溶液に吸収される。一般に、低圧再生器及び高圧吸収器の内部は、複数本の伝熱管を有する熱交換器が収容され、熱交換器の上部に配置される散布ユニットから溶液が散布されるようになっている。散布された溶液は、熱交換器の上部から伝熱管の外面の上部に流下し、伝熱管の外面の下部から離脱することを繰り返すため、細かい液滴が生じる。このとき、冷凍能力を増加させる条件では、冷媒蒸気量が増加するため、冷媒蒸気の流速が増加し、低圧再生器で生じた細かい液滴が冷媒蒸気流に随伴して高圧吸収器内に流入することが考えられる。

低圧側サイクルの溶液が高圧側サイクルに流入すると、低圧側サイクルでは臭化リチウム量が減少するため濃度を維持しようと溶液量が減少し、高圧側サイクルでは臭化リチウム量が増加するため濃度を維持しようと溶液量が増加する。

このため、低圧側サイクルでは、徐々に溶液量が減少し、低圧再生器や低圧吸収器において溶液不足によって液面が低下し連続した運転ができなくなることが考えられる。

本発明の目的は、低圧側サイクルから高圧側サイクルに溶液が流入しても、連続した運転が可能な二段吸収サイクルの吸収式冷凍機を得ることにある。

本発明の吸収式冷凍機は、蒸発器、低圧吸収器及び低圧再生器を含む低圧側サイクルと、高圧吸収器、高圧再生器及び凝縮器を含む高圧側サイクルと、を備え、低圧再生器から発生する冷媒蒸気は、高圧吸収器の溶液に吸収される構成を有し、低圧再生器の底部に溜められる溶液の液面高さが所定値以上に維持されるように制御する。

本発明によれば、低圧側サイクルから高圧側サイクルに溶液が流入しても、連続した運転が可能な二段吸収サイクルの吸収式冷凍機を得ることができる。

本発明の吸収式冷凍機を示す概略構成図である。図１の楕円の破線で囲んだ部分を変形した実施例を示す部分断面図である。図１の楕円の破線で囲んだ部分を変形したもう一つの実施例を示す部分断面図である。

以下、本発明の具体的な実施例について図面を用いて説明する。なお、各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

図１は、本発明の実施例１の吸収式冷凍機を示すサイクル系統図である。

先ず、図１により本実施例の全体構成を説明する。吸収式冷凍機は、蒸発器１（Ｅ）、低圧吸収器９（ＬＡ）、低圧再生器１７（ＬＧ）及び低圧側溶液熱交換器１６からなる低圧側サイクルの熱交換器要素と、高圧吸収器２４（ＨＡ）、高圧再生器３３（ＨＧ）、凝縮器４１（Ｃ）及び高圧側溶液熱交換器３１からなる高圧側サイクルの熱交換器要素と、を備えている。このほか、吸収式冷凍機は、冷媒ポンプ６、溶液ポンプ１４、２２、２９、３８なども備えている。

蒸発器１においては、蒸発器１の下部に溜められた冷媒が冷媒ポンプ６により冷媒配管７を通して散布ユニット２に導かれ、熱交換器３の伝熱管外に散布される。散布された冷媒は、熱交換器３の伝熱管内を流れる冷水により加熱され、一部は冷媒蒸気となり、エリミネータ８を介して低圧吸収器９に導かれる。このときに、冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱を利用して熱交換器３の伝熱管内を流れる冷水が冷却される。熱交換器３には、冷水配管４、５が接続され、負荷側に冷熱を供給するための冷水が通水される。

低圧吸収器９においては、低圧再生器１７で濃縮された溶液が散布ユニット１０から熱交換器１１の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、蒸発器１からの冷媒蒸気を吸収し、濃度が薄くなる。その後、この溶液は、溶液配管１５の途中に設置された溶液ポンプ１４により低圧側溶液熱交換器１６を通して低圧再生器１７に導かれる。熱交換器１１の伝熱管内には、溶液が冷媒蒸気を吸収する際に発生する吸収熱を取り除くために冷却水が通水される。熱交換器１１には、冷却水配管１２、１３が接続されている。

低圧再生器１７においては、低圧吸収器９で濃度の薄くなった溶液が散布ユニット１８から熱交換器１９の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、熱交換器１９の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃度の濃い溶液と冷媒蒸気とに分離される。濃度の濃い溶液は、溶液配管２３の途中に設置した溶液ポンプ２２により、低圧側溶液熱交換器１６を通され低圧吸収器９に導かれる。濃度の濃い溶液から分離した冷媒蒸気は、エリミネータ３２を介して高圧吸収器２４に導かれる。熱交換器１９には、熱源媒体配管２０、２１が接続されている。

高圧吸収器２４においては、高圧再生器３３で濃縮された溶液が散布ユニット２５から熱交換器２６の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、低圧再生器１７からの冷媒蒸気を吸収して濃度が薄くなる。その後、溶液配管３０の途中に設置した溶液ポンプ２９により高圧側溶液熱交換器３１を通して高圧再生器３３に導かれる。熱交換器２６の伝熱管内には、溶液が冷媒蒸気を吸収する際に発生する吸収熱を取り除くために冷却水が通水される。熱交換器２６には、冷却水配管２７、２８が接続されている。

高圧再生器３３においては、高圧吸収器２４で濃度の薄くなった溶液が散布ユニット３４から熱交換器３７の伝熱管外に散布される。散布された溶液は、熱交換器３７の伝熱管内を流れる熱源媒体で加熱され、濃度の濃い溶液と冷媒蒸気とに分離される。濃度の濃い溶液は、溶液配管３９の途中に設置した溶液ポンプ３８により高圧側溶液熱交換器３１を通して高圧吸収器２４に導かれる。濃度の濃い溶液から分離した冷媒蒸気は、バッフル４０を介して凝縮器４１に導かれる。熱交換器３７には、熱源媒体配管３５、３６が接続されている。

凝縮器４１においては、高圧再生器３３で濃度の濃い溶液から分離した冷媒蒸気は、熱交換器４２の伝熱管内を流れる冷却水により冷却され、凝縮液化する。凝縮液化した冷媒は、冷媒配管４５を通して蒸発器１に導かれる。熱交換器４２には、冷却水配管４３、４４が接続されている。

以上のように、本発明の構成は、蒸発器１、低圧吸収器９及び低圧再生器１７で構成された低圧側サイクルと、高圧吸収器２４、高圧再生器３３及び凝縮器４１で構成された高圧側サイクルとからなる二段吸収サイクルとなっている。通常、低圧側サイクル内を循環する溶液と、高圧側サイクル内を循環する溶液とは、混合することはない。一方、冷媒は、蒸発器１、低圧吸収器９、低圧再生器１７、高圧吸収器２４、高圧再生器３３、凝縮器４１の順に移動する。また、器内圧力は、それぞれが同じ筐体で構成する蒸発器１と低圧吸収器９、低圧再生器１７と高圧吸収器２４、高圧再生器３３と凝縮器４１がほぼ同じになる。

なお、本実施例においては、溶液（吸収剤）として臭化リチウム水溶液を使用し、また冷媒として水を使用している。

次に、本発明に係る構成について図１を用いて説明する。

低圧再生器１７内には、底部に溜まる溶液の液面高さを検出するフロート式液面センサ５０を設置する。さらに、溶液ブロー弁５２を設けた溶液ブロー配管５１を、高圧吸収器２４と接続する溶液配管３０の途中のＡ点と、低圧再生器１７の下部に接続した構成とした。

次に、本発明に係る動作と効果について説明する。

吸収式冷凍機においては、冷凍能力に比例して蒸発器１で発生する冷媒蒸気量が増加する。これにより、同等の圧力になる低圧再生器１７及び高圧吸収器２４においても、低圧再生器１７で発生した冷媒蒸気量が増加し、エリミネータ３２を通過する冷媒蒸気の流速が増加する。このとき、低圧再生器１７においては、散布ユニット１８から散布された溶液が熱交換器１９の伝熱管外を着脱を繰り返しながら流下し、伝熱管内を流れる熱源媒体に加熱されて冷媒蒸気を発生し、濃度の濃くなった溶液が下部に一旦溜められる。また、熱交換器１９の伝熱管外を流下する溶液からは、伝熱管外を着脱を繰り返すことから、細かい液滴が発生する。このとき、発生する溶液の液滴の大半はエリミネータ３２で捕捉できると考えるが、溶液の細かい液滴が冷媒蒸気流に随伴して、高圧吸収器２４内に流入する可能性がある。

二段吸収サイクルにおいては、低圧側サイクルの低圧吸収器９と低圧再生器１７とを循環する溶液と、高圧側サイクルの高圧吸収器２４と高圧再生器３３とを循環する溶液とは、別々の経路で循環している。このため、最初に封入した溶液に溶け込んでいる臭化リチウムの量は、運転中に変化することがないようになっている。しかし、運転中に細かい液滴が発生する場合には、低圧再生器１７の溶液が高圧吸収器２４内に流入することになり、臭化リチウム量のバランスが封入時と変化する。

具体的には、低圧再生器１７内の溶液が高圧吸収器内２４内に流入するので、低圧サイクル側の臭化リチウム量が減少し、高圧サイクル側の臭化リチウム量が増加する。これにより、低圧再生器１７においては、溶液濃度を維持する方向となるため、溶液に含まれる冷媒の量が減少し、低圧側サイクルを循環する溶液量が徐々に減少する。一方、高圧吸収器２４においては、溶液濃度を維持する方向となるため、溶液に含まれる冷媒量が増加し、高圧側サイクルを循環する溶液量が徐々に増加する。これらが徐々に進行すると、低圧側サイクルの溶液不足となり、低圧再生器１７の液面が低下し、運転ができなくなる可能性がある。

そこで、本実施例においては、低圧再生器１７の下部にフロート式液面センサ５０が設けてある。このフロート式液面センサ５０の検出データを制御ユニット（図示せず）に送り、溶液ブロー配管５１の溶液ブロー弁５２を制御するようにしている。

制御ユニットにおいては、予め液面の高さに関する第一の所定値及び第二の所定値を設定しておく。第二の所定値は、第一の所定値より高くなるように設定する。これにより、低圧再生器１７の溶液の液面が低下し、第一の所定値より低くなったときには、制御ユニットからの信号により溶液ブロー弁５２を開け、高圧側サイクルの溶液を低圧再生器１７内に導入する。一方、溶液の液面高さが第二の所定値に達したときには、制御ユニットからの信号により溶液ブロー弁５２を閉じるようにする。これにより、液面高さは、第一の所定値と第二の所定値との間の範囲内に調整される。

上記の制御により、低圧側サイクル及び高圧側サイクルにおける臭化リチウムの量を適正に保つことができる。よって、低圧再生器１７の溶液が高圧吸収器２４内に流入しても、低圧側サイクルで溶液不足になることはなく、連続した運転をすることができる。

なお、蒸発器１及び低圧吸収器９、並びに高圧再生器３３及び凝縮器４１は、それぞれ、器内圧力が同等になるが、従来の単効用サイクルの吸収式冷凍機と同様の構成と動作となることから、蒸発器１で発生する冷媒蒸気量の増加に伴い、二段吸収サイクルで連続運転ができなくなる不具合が生じることはない。

図２は、実施例１とは異なる実施例であり、図１の楕円の破線で囲んだ部分を変形したものである。

図２においては、図１に示すフロート式液面センサ５０の代わりに、低圧再生器１７に下位電極棒５４及び上位電極棒５３を設けている。下位電極棒５４は、第一の所定値に対応する液面高さに設置し、上位電極棒５３は、第二の所定値に対応する液面高さに設置している。

吸収式冷凍機の運転中において、低圧再生器１７の溶液の液面が低下し、下位電極棒５４が溜まっている溶液に接触していないことを検知した場合、制御ユニット（図示せず）によって溶液ブロー配管５１の溶液ブロー弁５２を開ける。一方、低圧再生器１７の溶液の液面が上昇し、上位電極棒５３が溜まっている溶液に接触したことを検知した場合、制御ユニット（図示せず）によって溶液ブロー配管５１の溶液ブロー弁５２を閉じる。

上記の制御により、実施例１と同様の作用及び効果を得ることができる。

また、液面を検知する手段としては、図２においては電極棒を用いたが、液面を検知できれば電極棒に限定されるものではなく、例えば温度センサでも温度の違いによって検知することができ、同様の作用及び効果を得ることができる。

図３は、実施例１及び２とは異なる実施例であり、図１の楕円の破線で囲んだ部分を変形したものである。

図３においては、図１に示すフロート式液面センサ５０の代わりに、低圧再生器１７と高圧吸収器２４とを仕切る壁に潜り堰５５を設けている。また、潜り堰５５を覆い、潜り堰５５の上方の隙間部分を介して液滴（溶液ミスト）が低圧再生器１７と高圧吸収器２４との間で流通しないようにするため、ミスト遮断部５６を設けている。

潜り堰５５の高さＨは、吸収式冷凍機の運転中において低圧再生器１７における第一の所定値の液面高さ（実施例１及び実施例２に示すものと同様である。）となるときの高圧吸収器２４の液面高さに設定する。

これにより、封入初期の低圧サイクル側と高圧側サイクルとの臭化リチウム量のバランスとは異なるが、低圧再生器１７において、吸収式冷凍機の運転に最低限必要な液面高さが確保することができる。

低圧側サイクルの低圧再生器１７内の溶液が高圧側サイクルの高圧吸収器２４内に流入した場合に、低圧側サイクルの臭化リチウム量が徐々に減少し、低圧再生器１７では溶液不足による液面低下が進行し、運転が不可能になるおそれがあるが、本発明によれば、低圧再生器１７内の溶液の液面高さを検知し、高圧側サイクルの溶液を低圧側サイクルに流入するように制御することにより、減少した臭化リチウム量を回復できるため、連続した運転が可能になる。

１：蒸発器、２、１０、１８、２５、３４：散布ユニット、３、１１、１９、２６、３７、４２：熱交換器、４、５：冷水配管、６：冷媒ポンプ、７、４５：冷媒配管、８、３２：エリミネータ、９：低圧吸収器、１２、１３、２７、２８、４３、４４：冷却水配管、１４、２２、２９、３８：溶液ポンプ、１５、２３、３０、３９：溶液配管、１６：低圧側溶液熱交換器、１７：低圧再生器、２０、２１、３５、３６：熱源媒体配管、２４：高圧吸収器、３１：高圧側溶液熱交換器、３３：高圧再生器、４０：バッフル、４１：凝縮器、５０：フロート式液面センサ、５１：溶液ブロー配管、５２：溶液ブロー弁、５３：上位電極棒、５４：下位電極棒、５５：潜り堰、５６：ミスト遮断部。

Claims

蒸発器、低圧吸収器及び低圧再生器を含む低圧側サイクルと、高圧吸収器、高圧再生器及び凝縮器を含む高圧側サイクルと、を備え、
前記低圧再生器と前記高圧吸収器とは、水平に隣り合うように配置され、
前記低圧再生器から発生する冷媒蒸気は、前記高圧吸収器の溶液に吸収される構成を有し、
前記低圧再生器と前記高圧吸収器とを仕切る壁には、潜り堰が設けられ、
前記高圧吸収器の底部に溜められる溶液の液面高さが前記潜り堰より高くなったときには、前記高圧吸収器の溶液が前記低圧再生器に流入する構成とし、
前記潜り堰の上方には、ミスト遮断部が前記潜り堰を覆うように付設され、
前記低圧再生器の底部に溜められる溶液の液面高さが所定値以上に維持されるように制御する、吸収式冷凍機。