JP6552425B2

JP6552425B2 - 熱交換装置

Info

Publication number: JP6552425B2
Application number: JP2016014008A
Authority: JP
Inventors: 拓樹中村
Original assignee: Porta Park Inc
Current assignee: Porta Park Inc
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: JP6683861B2; JP2019132583A; JP2017058119A

Description

本発明は、コンパクトに構成された熱交換装置に関する。

従来、太陽の光エネルギーを熱エネルギーに変える集熱器が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、熱源により冷媒を得て、冷媒の気化熱により循環水等を冷却する吸収式冷凍機が知られている（例えば、特許文献２参照）。吸収式冷凍機では、蒸発した冷媒を吸収するための吸収液が機内を循環している。蒸発させた冷媒の吸収過程や、吸収液から沸騰分離により再生させた冷媒の凝縮過程では、熱が発生する。冷媒と吸収液の組み合わせとしては、水と臭化リチウム水溶液や、アンモニアと水等を使用するのが一般的である。臭化リチウム式のものはアンモニア式のものより格段に効率がよいが、一般に器内を１／１０〜１／１００気圧程度の真空に保って運転する必要がある。

また、集熱器で集熱した太陽熱を利用して、吸収式冷凍機の吸収液を加熱する技術が従来から提案されている。この種の技術としては、例えば、建物の屋根に真空式集熱器を設置し、地上階や地下に設けた機械室に吸収式冷凍機を設置し、集熱器と吸収式冷凍機とを熱媒管で相互に接続した装置が実用化されている。

特開２０１２−１２７５７４号公報特開２０１０−１４３２８号公報

しかし、上記した装置では、集熱器と吸収式冷凍機が別々の場所に設置されるため、大気圧に耐える耐圧性や真空度を維持する気密性を持った壁をそれぞれ独立して備える必要がある。このため、装置全体として重量増やコスト増を招くことになる。また、冷媒の吸収過程や凝縮過程で発生した熱を機械室から出す必要があるため一般に冷却水を導入する水冷式とされている。更に、冷房効果を居住空間に伝達する必要があり、第２の冷媒を導入して吸収式冷凍機と居住空間を第２の冷媒管で相互に接続する。これらも重量増やコスト増を招く要因となっている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、耐圧性及び気密性を有する壁を共有でき、放熱量又は吸熱量と、集熱量の増加を同時に実現できる熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため以下の構成を有する。

（１）取得した外部エネルギーによって吸収液を加熱し、前記吸収液から冷媒を蒸発させて蒸気冷媒を生成する再生器と、
前記再生器により生成された蒸気冷媒を冷却して液体化し、液体冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器により生成された液体冷媒を気化することにより蒸気冷媒を生成し、その気化熱によって対象物を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された蒸気冷媒を前記吸収液に吸収させる吸収器と、を有する熱交換装置であって、
二次元的に延びる第１面及び第２面が表側及び裏側に各々配設されて所定の厚みを有する板状構造体と、
前記第１面を覆うように当該第１面から離間して配置され、当該第１面との間に第１空間を設定する第１カバー部材と、
を有し、
前記第１空間を前記第１カバー部材から放熱する前記凝縮器又は前記吸収器の少なくともいずれか一方として機能させ、前記冷媒及び前記吸収液を循環させることを特徴とする熱交換装置。

（２）前記第２面を覆うように前記第２面から離間して配置され、前記第２面との間に第２空間を設定する第２カバー部材を更に有し、
前記第２空間を前記蒸発器として機能させ、前記蒸発器が第２カバー部材から吸熱することを特徴とする前記（１）に記載の熱交換装置。

（３）前記第１カバー部材又は前記第１面のうち少なくともいずれか一方に前記第１空間を上側空間と前記上側空間の下方に位置する下側空間とに仕切る仕切り壁が設けられ、前記上側空間と前記下側空間のいずれか一方を前記凝縮器、他方を前記吸収器として機能させ、外部動力を用いることなく前記冷媒及び前記吸収液を循環させることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の熱交換装置。

（４）前記板状構造体がハニカム構造又は格子構造を有することにより、前記第１面と前記第２面との間に一方向に沿って延びる複数の中空空間を有することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の熱交換装置。

（５）取得した太陽エネルギーに基づき前記吸収液を加熱可能な集熱器を更に有し、
前記集熱器が前記板状構造体の内部に配置されており、かつ、
前記第１面及び前記第１カバー部材、又は前記第２面及び前記第２カバー部材の少なくともいずれか一方が光透過性を有することを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の熱交換装置。

（６）取得した外部エネルギーに基づき熱媒を加熱して前記熱媒と吸収液との熱交換により当該吸収液を加熱可能な集熱器と、
前記熱媒の流路を第１流路と第２流路とに切り替える切替弁とを更に有し、
前記第１流路に切り替えられた際に前記熱媒は前記吸収液との熱交換によって前記吸収液を加熱し、
前記第２流路に切り替えられた際に前記熱媒は前記吸収液との熱交換を行うことなく前記第２面側又は前記第２カバー部材側、又は外部に設けられた放熱部に導かれることを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の熱交換装置。

（７）前記吸収器、前記凝縮器、前記蒸発器、前記再生器、及びそれらをつなぐ配管のいずれかと前記板状構造体の内部の間に、差圧ブレーカーが設置されていることを特徴とする前記（５）又は（６）に記載の熱交換装置。

（８）前記第２カバー部材の近傍における温度を検知する温度センサを更に有し、
前記切替弁は、前記温度センサにより検知された温度が所定温度以上の場合に前記熱媒の流路を自動的に前記第１流路に切り替え、かつ、
前記温度センサにより検知された温度が所定温度未満の場合に前記熱媒の流路を自動的に前記第２流路に切り替えることを特徴とする前記（６）に記載の熱交換装置。

（９）前記第１カバー部材において前記第１空間に対面する側の面である第１内面、及び、前記第２カバー部材において前記第２空間に対面する側の面である第２内面のうち少なくともいずれか一方に、超親水膜が形成されていることを特徴とする前記（２）乃至（８）のいずれか１項に記載の熱交換装置。

（１０）前記板状構造体と、前記第１カバー部材と、前記第２カバー部材と、前記再生器と、を気密状態に覆ってその内部を真空に維持するガスバリア層を更に有することを特徴とする前記（２）乃至（９）のいずれか１項に記載の熱交換装置。

本発明によれば、耐圧性及び気密性を有する壁を共有でき、放熱量又は吸熱量と、集熱量の増加を同時に実現できる熱交換装置を提供することができる。

本発明の熱交換装置に用いる押出成形素材を示す図本発明の熱交換装置に用いる筐体の屋外側を示す図本発明の熱交換装置に用いる筐体の屋内側を示す図本発明の熱交換装置に用いる筐体の組み立て状態を示す図本発明の熱交換装置に用いる筐体の組み立て後の状態を示す図本発明の熱交換装置に用いる透明熱交換器パッケージの組み立て状態を示す図本発明の熱交換装置に用いる透明熱交換器パッケージの組み立て後の状態を示す図本発明の熱交換装置に用いる透明熱交換器パッケージに外枠を取付ける状態を示す図本発明の熱交換装置に用いる透明熱交換器パッケージに外枠を取付けた後の状態を示す図本発明の熱交換装置の熱媒の流れを示す図本発明の熱交換装置の吸収液の流れを示す図本発明の熱交換装置の水の流れを示す図本発明の熱交換装置の第１の断面図本発明の熱交換装置の第２の断面図本発明の熱交換装置の真空パック工程を説明するための図本発明の熱交換装置の第２の実施形態を示す第１の図本発明の熱交換装置の第２の実施形態を示す第２の図本発明の熱交換装置の第３の実施形態を示す第１の図本発明の熱交換装置の第３の実施形態を示す第２の図本発明の熱交換装置の第４の実施形態のパッケージの組み立て状態を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態のパッケージの組み立て後の状態を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態の透明真空パック材を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態の真空パッケージの組み立て状態を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態の真空パッケージの組み立て後の状態を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態の真空パッケージに外枠を取付ける状態を示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態のパッケージを示す図本発明の熱交換装置の第４の実施形態の透明真空パック材で小穴を塞いだ状態を示す図

本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ以下に説明する。

図１の１は、本発明の筐体を構成する素材となる、透明なプラスチック材料で作られた上下方向に押出された壁で仕切られた複数の部屋が存在する、ハニカム状の押出成形素材である。透明プラスチック材料は、耐候性、臭化リチウム水溶液に対する耐性や水蒸気耐性が高く、吸水率が低く、熱伝導率が低く、太陽光の透過率が高く、１００℃程度以上の連続使用可能温度を持ち、かつガスバリア性の高い素材が望ましく、ベース樹脂としてポリカーボネートや飽和ポリエステル樹脂、ＡＳ樹脂、シクロオレフィンポリマー、ポリサルホン、フッ素樹脂などが考えられる。このようなハニカム状中空の透明押出成形製品の例として、例えばタキロン株式会社のルメカーボ（登録商標）等がある。

このように押出成形された素材に、図２、図３に示されるように切欠き、穴加工等の機械加工を行い、筐体１ａを製作する。図２は筐体１ａの屋外側を見た図である。屋外面の上１／３ほどのエリアは、凝縮器を形成するために必要な水蒸気（冷媒）の横方向通路となる切欠き１ｃや、水蒸気流路を形成するために必要な横方向仕切り壁を形成するための切欠き１ｄを設けている。屋外面の下側２／３ほどのエリアは、吸収器を形成するために必要な横方向水蒸気通路となり、かつ後述のルーバー型ガイドプレートを設置するための切欠き１ｆや、吸収器に濃吸収液を滴下するヘッダーとなる横方向路を形成するための切欠き１ｅを設けている。図３は、筐体１ａの屋内側を見た図である。屋内面は全面が蒸発器を形成するが、そのために必要な水を滴下するヘッダーとなる横方向路を形成するための切欠き１ｇや、横方向水蒸気通路となる切欠き１ｈが設けられている。切欠き１ｈの一部は、後述の熱媒放熱路６ｃ（図６参照）とも嵌合する。

この筐体１ａには更に、図４に示すように吸収器内を流下する吸収液をガイドするためのガイドプレート２が切欠き１ｆに挿入され、またこの筐体１ａに流出入する水や吸収液の配管を取り付けるためのニップル３が取り付けられる。ニップル３は筐体１ａに対し接着又は熱溶着されるが、ガイドプレート２は挿入するだけでよい。ガイドプレート２は、押出成形素材１と同素材の透明プラスチック材料で製作される。図５はこれらの加工が行われた状態の筐体１ｂを示す。

図６の４は、押出アルミ材料で製作された集熱器を示す。集熱器４は、中央部に熱媒の流路となるパイプ部４ａと太陽光を受けて熱をパイプ部４ａ内の熱媒に伝える集熱フィン４ｂからなり、その外表面には太陽光選択吸収膜処理が施されている。このような集熱器４は、筐体１ｂの中央の区画に複数挿入して設置され、それらの上端は熱媒上ヘッダー４ｃ、下端は熱媒下ヘッダー４ｄに接続される。筐体１ｂ内は後述のように真空に保たれる。

筐体１ｂの屋外側には、外壁５が接着又は熱溶着される。外壁５は、押出成形素材１とほぼ同等の透明プラスチック材料の横方向の押出成形で製作されるが、熱伝導率は高いほうが望ましく、材料組成を若干変更した高熱伝導率グレードの飽和ポリエステル樹脂やポリカーボネート等の使用が考えられる。外壁器内面５ｂには、凝縮器内を流れる水や吸収器内を流下する吸収液が外壁５によく濡れ広がり熱移動が行われるよう、光触媒による超親水性膜処理が施されている。このような超親水性膜処理として例えばＴＯＴＯ株式会社のハイドロテクト（登録商標）が知られており、タキロン株式会社の透明ポリカーボネート採光材でも利用されている。

外壁５の外壁器外面５ａは外気に接するが、本発明のシステム全体の真空を保つためには特に高いガスバリア性が求められる。このため、外壁器外面５ａには薄いガラス膜が貼り付けられている。このようなガラス膜とポリカーボネートの貼り合わせは、例えば日本電気硝子のＬａｍｉｏｎ（登録商標）という商品が知られている。また外壁器外面５ａは、大気への放熱性を高めるためにリブつきのガラス板にする等して表面積を増やしてもよいし、防汚性能を向上するためにそのガラスの外表面にも超親水性膜処理を施してもよい。

外壁器内面５ｂには、凝縮器の水蒸気流路を形成するために必要な横方向仕切り壁５ｃがあり、筐体１ｂの切欠き１ｄと嵌合する。また同様に吸収器の吸収液を滴下ヘッダーとなる横方向路を形成する横方向仕切り壁５ｄがあり、切欠き１ｅと嵌合、溶着又は接着される。これらの横方向仕切り壁５ｃ、５ｄは、横方向の押出成形により外壁５と一体に成形されている。

筐体１ｂの屋内側には、横方向の押出成形で製作される屋内壁６が熱溶着される。屋内壁６は、押出成形素材１と熱溶着又は接着する都合からほぼ同等の透明プラスチック材料が使用されるが、必ずしも透明である必要はない。屋内壁６も外壁５と同様に、横方向の押出成形で製作され、熱伝導率が高いほうが望ましく、材料組成を若干変更した高熱伝導率グレードの飽和ポリエステル樹脂やポリカーボネート等の使用が考えられる。

屋内壁器内面６ｂには、蒸発器内を流下する水がよく濡れ広がり、熱移動が効率よく行われるよう、超親水性膜処理が施されている。屋内壁６の屋内壁器外面６ａも家屋内の外気に接するため本発明のシステム全体の真空を保つために特に高いガスバリア性が求められる。このため、屋内壁器外面６ａにも薄いガラス膜が貼り付けられている。屋内壁器外面６ａは、室内からの吸熱性を高めるためにリブつきのガラスにして表面積を増やしてもよい。屋内壁器内面６ｂには、暖房として機能する際に熱媒が通る流路となる熱媒放熱路６ｃが設けられていて、切欠き１ｈと嵌合、溶着又は接着される。

図７は、こうして完成した透明熱交換器パッケージ７を示す。透明熱交換器パッケージ７は、全体が透明であり、図示していないが内部の集熱器４が透けて見える構造になっている。透明熱交換器パッケージ７の端面には複数の流路開口部が存在するが、外壁器外面５ａと屋内壁器外面６ａはガスバリア性の高いガラスが貼られているため高い気密性を有し、真空を保つことができる。また、内部の筐体１ｂが多くのセルに分かれたハニカム状になっているため、外壁器外面５ａ、屋内壁器外面６ａにかかる大気の圧力に充分に耐えることができる。

透明熱交換器パッケージ７には、図７に示されるように以下の部品が組み付けられ、熱交換装置を構成する吸収式冷暖房パッケージとして完成する。再生器９は、必ずしも透明である必要はないが、筐体１ａと同等のプラスチック素材で作られた円筒押出成形材料を使用した圧力容器を基本にしている。その内部には隔壁９ａが２枚あり、それらを貫通する熱交換チューブ９ｂと濃吸収液チューブ９ｃがある。熱交換チューブ９ｂは、２枚の隔壁９ａで仕切られた空間内で熱媒からの熱を効率よく受けチューブ内を流れる吸収液に伝えるため高い熱伝導性が必要であり、アルミナやシリコンカーバイト等のセラミックチューブ材料の使用が考えられる。濃吸収液チューブ９ｃは熱交換の必要はなく、プラスチック材料でよい。

吸収液熱交換器８は２重管構造の向流式熱交換器で、内筒８ａと外筒８ｂからなる。内筒８ａのうち外筒８ｂに覆われた部分では高い熱伝導性が必要で、直線部はアルミナやシリコンカーバイト等のセラミックチューブ材料の使用が考えられる。内筒８ａのうち外筒８ｂに覆われていない立ち上がり部分は熱交換の必要がなく、外筒８ｂと共にプラスチックチューブ又はホースで製作される。水蒸気流路１０は、再生器９内で放出された水蒸気を凝縮器に導くもので、プラスチックチューブ又はホースで製作される。水流路１１も同様にプラスチックチューブ又はホースで製作される。自立式温度調節弁１２は、室内温度を検知する温度プローブ１２ａ内で室温にさらされた油の温度膨張の程度によって自動で作動する方向切換え弁で、熱媒の流路を切り替えるために使用される。

これらの部品が組み付けられたのち、透明熱交換器パッケージ７の全体が図８に示すように外枠１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによって端部を覆われ、図９に示すようなパッケージ１４が完成する。温度プローブ１２ａはこのパッケージ１４の外に設置されている。外枠１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは吸収液に直接接することはないため耐薬品性等は必要ないが、内部の真空を保つために高いガスバリア性が必要であり、アルミ押出成形での製作が考えられる。このパッケージ１４は、外気に対してはガスバリア性の高いガラス製の外壁器外面５ａ、屋内壁器外面６ａとガスバリア性の高いアルミ製の外枠１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのみが接しており、平面部は透明で、内部の集熱器４が見える。１気圧の外圧に対しては内部の筐体１ｂが耐えている。内部の再生器９と凝縮器は１／１０気圧程度、蒸発器と吸収器は１／１００気圧程度の真空で運転され、集熱器４はそれより更に低い圧力の真空度に保たれているため、全体として高い断熱性能を有している。

パッケージ１４内ではこのように種々の真空度の部分があるが、それらの圧力差は最高でも１／１０気圧以下であり、内部の部品はそのようなわずかな圧力差に耐える強度があればよい。なんらかの破損等により外気がパッケージ１４内に侵入、真空が毀損した場合には内部の部品が高い圧力差にさらされて破損することがないよう、熱交換装置である吸収式冷凍機を構成する部品と集熱器４が収められた内部空間の間には差圧ブレーカーが設けられており、１／１０気圧を超える圧力差が生じた場合には圧力均衡弁が開いて圧力を均衡させるようになっている。なお、差圧ブレーカーについては後に詳しく説明する。

熱媒の流れを図１０に示す。本実施例の熱交換装置では外部エネルギーとして太陽エネルギーを用いる。太陽エネルギーのおよそ半分は可視光域の波長を有する光であるが、その太陽光は、透明な外壁５を通して透明な筐体１ｂ内に設置された集熱器４に到達し、その内部の熱媒を温める。集熱器４には太陽光選択吸収処理が施されているため太陽光の吸収率が９０％程度以上あり、効率よく集熱できる。集熱により温度が上昇した結果、集熱器４は赤外線を発することになるが、太陽光選択吸収処理が施されているため赤外線の放射率は１０％程度と低く、熱放射により熱エネルギーを失うことが殆どない。また真空内に設置されているため、熱伝達により熱エネルギーを失うことも殆どない。

このようにして温められた熱媒は、自然対流によって集熱器４のパイプ部４ａ内を上昇して熱媒上ヘッダー４ｃに流入し、自立式温度調節弁１２に導かれる。室温が比較的高いときには温度プローブ１２ａ内の油の温度膨張により自立式温度調節弁１２が熱媒を再生器９に導くように作動する。熱媒は、再生器９内の２枚の隔壁９ａで仕切られた室内に流入し、そこで熱交換チューブ９ｂを介して熱交換チューブ内を上昇する吸収液を温め、熱媒自身は熱エネルギーを失いながら自然対流により、再生器９内の２枚の隔壁９ａで仕切られた室内を流下し、熱媒下ヘッダー４ｄに流入し、再び集熱器４に導かれる。室温が比較的低いときには温度プローブ１２ａ内の油の温度収縮により自立式温度調節弁１２が熱媒を屋内壁６に導くように作動する。

熱媒は、屋内壁６に設けられた熱媒放熱路６ｃを熱を放出しながら流下し、熱媒下ヘッダー４ｄに流入し、再び集熱器４に導かれる。熱媒は、およそ大気圧で熱媒流路に封入されるが、外気温から１００℃以上の使用温度範囲内で常に液体であり熱膨張が少ないものが望まれる。不凍液を加えた水又は油の使用が考えられる。

なお、室内の温度が中間的である場合は、自立式温度調節弁１２の作用により熱媒が再生器９と熱媒放熱路６ｃの両方に少量ずつ流れ、結果的に暖冷房効果が打ち消し合う状態になる。また図示していないが自立式温度調節弁１２には温度調節ダイヤルがあり、再生器９と熱媒放熱路６ｃに熱媒を振り分ける温度の設定を調整することができる。このような自立式温度調節弁１２は、温水ラジエーター式のヒーターやボイラーの制御に広く使われている。

吸収液の流れを図１１に示す。熱交換装置である吸収式冷凍機にはアンモニア−水系と水−臭化リチウム系等が考えられるが、本発明では水−臭化リチウムを採用するため、吸収液は臭化リチウム水溶液である。臭化リチウム水溶液は、一例として濃度が５８．５％程度で、再生器９内の最下部の空間９ｄと熱交換チューブ９ｂの下部に満たされている。

この再生器下部の空間９ｄの圧力はおよそ１／１００気圧である。その上の隔壁９ａで区切られた空間が集熱器４から流入する熱媒で温められると、熱交換チューブ９ｂ内の吸収液が温められ、８７℃程度を超えると吸収液中の水分が沸騰し、水蒸気（冷媒）の気泡を発生し、気泡リフト効果で熱交換チューブ９ｂ内を水蒸気とともに上昇する。

熱交換チューブ９ｂ上端からは水蒸気と、水分が減少して濃度が上昇した濃吸収液が噴出する。濃吸収液は一例として９６℃程度、濃度が６２．５％程度になる。熱交換チューブ９ｂから出て水蒸気と分離しエアリフト効果を失った濃吸収液は濃吸収液チューブ９ｃに流入して落下し、２重管構造になった向流式熱交換器である吸収液熱交換器８の内筒８ａに流入する。内筒８ａの出口は立ち上がって外壁５や筐体１ｂの下側の２／３程度に形成された吸収器の上端に接続されている。

熱交換チューブ９ｂ内の沸騰が進み、熱交換チューブ９ｂ上端の空間の圧力が徐々に高まると内筒８ａの立ち上がり部内の濃吸収液の液面は徐々に上昇し、熱交換チューブ９ｂ上端の空間の圧力がおよそ１／１０気圧に達すると内筒８ａ内の濃吸収液は内筒８ａから吸収器に流入する。吸収器内に流入するまでに液中圧力により圧力を失うため、吸収器内での圧力は１／１００気圧程度になっている。吸収器内の濃吸収液は、超親水膜処理を施された外壁５の外壁器内面５ｂに濡れ広がり、吸収器内で水蒸気を吸収し、吸収熱を外壁５を介して外気に放出しながら流下する。

このようにして温度、濃度とも低下した吸収液は吸収液熱交換器８の外筒８ｂと内筒８ａの間の円環状の流路に導かれ、内筒内の濃吸収液との熱交換により予備加熱されながら再度、再生器下部の空間９ｄに流入する。図１１では、低濃度の吸収液を実線で、濃吸収液を点線で模式的に表している。

水と水蒸気の流れを図１２に示す。水蒸気の流れを点線で、液体である水の流れを実線で模式的に表している。外壁５や筐体１ｂの下側２／３程度に形成された吸収器の内部で吸収液に溶解、吸収された水は、吸収液の一部として吸収液熱交換器８の外筒８ｂと内筒８ａの間の円環状の流路に導かれ、内筒内の濃吸収液との熱交換により予備加熱されながら再生器下部の空間９ｄに流入し、その空間を満たしている。

その上の隔壁９ａで区切られた空間が集熱器４から流入する熱媒で温められると、熱交換チューブ９ｂ内の吸収液が温められ、８７℃程度を超えると吸収液中の水分が沸騰して水蒸気の気泡を発生し、気泡リフト効果で熱交換チューブ９ｂ内の吸収液を押し上げなら上昇する。吸収液は熱交換チューブ９ｂの上端から噴出すると、水蒸気と、水分が減少して濃度が上昇した濃吸収液に分離する。

水蒸気は水蒸気流路１０を通過して外壁５や筐体１ｂの上側１／３程度に形成された凝縮器の上部に導かれ、外壁５を介して大気に放熱しながら凝縮し、超親水膜処理を施された外壁５の外壁器内面５ｂに水滴になって付着し濡れ広がり、更に液化しながら凝縮器内を流下し水流路１１に流入する。再生器９内の沸騰が進み、熱交換チューブ９ｂ上端の空間の圧力が徐々に高まると水流路１１内の水の液面は徐々に上昇し、熱交換チューブ９ｂ上端の空間の圧力がおよそ１／１０気圧に達すると水流路１１内の水は内筒８ａから屋内壁６や筐体１ｂで形成された蒸発器に流入する。

蒸発器内に流入するまでに液中圧力により圧力を失うため、蒸発器内での圧力は１／１００気圧程度になっており、その環境下で水の蒸気圧は５℃程度であるため、超親水処理を施された屋内壁器内面６ｂに濡れ広がって流下しながら蒸発し、屋内壁６を介して室内の空気から気化熱を奪い冷房効果を発揮する。

発生した蒸気は切欠き１ｈを通過し、外枠１３ｂで形成された空間を通って切欠き１ｆから吸収器に吸い込まれ、吸収器内を流下する吸収液に吸収、溶解され、再び吸収液の一部となって吸収液熱交換器８を通過して再生器９へと向かう。

なお、本実施例の熱交換装置では、熱媒、冷媒である水蒸気、吸収液の循環にモーター、ポンプ等の外部動力を使用していない。勿論、熱媒の循環にこれら外部動力を使用してもよいし、更に冷媒及び吸収液の循環に使用してもよい。

図１３は、熱交換装置の冷房作動時のパッケージ１４の吸収器３０及び蒸発器５０の中央部の断面を示したものである。吸収器３０内のガイドプレート２は、外壁器内面５ｂと幅の狭いギャップを保って設置されている。吸収器３０内を流下する吸収液は、ガイドプレート２により外壁器内面５ｂに接するよう導かれ、外壁器内面５ｂに施された超親水性膜処理により濡れ広がり、外壁５に熱を伝達し外壁器外面５ａから外気に熱放出しながら流下する。

なお、既に述べた差圧ブレーカーは、例えば吸収器３０と集熱器空間である板状構造体の内部との間に設置すればよい。差圧ブレーカーの設置例を、模式的に図１３、図１４に示す。差圧ブレーカー２３ａは吸収器３０側の圧力が集熱器空間の圧力より１／１００気圧以上高い場合に導通し、差圧が１／１００気圧になった場合に閉塞するよう設定され、吸収器３０を含む吸収式冷凍機システムに大気が侵入する等して気圧が異常に上がった場合、気体を吸収器３０から集熱器空間に逃がし圧力を均衡させる働きをする。図１３、図１４では差圧ブレーカー２３ａ、２３ｂを吸収器３０と集熱器空間である板状構造体の内部との間に設置した場合を示したが、凝縮器４０（図１５参照）、蒸発器５０、再生器９、及びそれらを繋ぐ配管のいずれかと板状構造体の内部の間に設置してもよい。

なお、図１３ではパッケージ１４が鉛直に設置された場合を示しているが、図１４のように傾斜させて設置することもできる。ガイドプレート２は、このような場合でも吸収液を外壁器内面５ｂに接するように導くことができるような角度で設置されている。一方蒸発器５０内を流下する水は、傾斜して設置された図１４のような場合でも、ガイドプレート２がなくても屋内壁器内面６ｂに沿って流下することができる。

差圧ブレーカー２３ｂは、集熱器空間に大気が侵入する等して気圧が異常に上がった場合に気体を集熱器空間から吸収式冷凍機システム内に逃がし圧力を均衡させる働きをする。これらにより、真空パッケージ内部の吸収液熱交換器８、再生器９、水蒸気流路１０、水流路１１等は大気圧や大気圧に近い差圧に曝されるおそれがなく、設計を簡略化しコストダウンできるという効果がある。

更に差圧ブレーカー２３ａによれば、集熱器４を含む全体を透明真空パック材２０（図２２参照）に挿入して、１／１０００気圧程度に真空引きしたチャンバー内で透明真空パック材２０の開口部を溶着シールする真空包装機にかけるだけで、吸収器を含む吸収式冷凍機システム内を１／１００気圧にしてシールさせることができ、一工程で吸収式冷凍機システムの真空度と集熱器空間の真空度をそれぞれ適切に設定しながら真空パッケージを完成させることを可能にする効果がある。この場合の真空パック工程を以下に詳しく説明する。

図１５（ａ）は、真空パックを行う真空包装機のチャンバー１００内の状態を模式的に表したものである。図７のように組み立てられた透明熱交換器パッケージ７は、透明真空パック材２０に入れられ、真空包装機のチャンバー１００内に置かれている。透明真空パック材２０は一辺が開口しており、真空包装機のチャンバー１００の内部が真空包装機の真空ポンプにより徐々に減圧されると、透明真空パック材２０内部も徐々に減圧されていく。

集熱器４を収めた板状構造部体の内部はこの透明真空パック材２０内に連通しており、集熱器４の周囲も同時に減圧されていく。ただし集熱器４のパイプ部４ａ内の熱媒の流路は閉鎖された閉空間となっており、およそ大気圧を保っている。凝縮器４０、吸収器３０、再生器９、蒸発器５０及びそれらをつなぐパイプ等からなる吸収式冷凍装置内は互いに連通した上で独立した閉空間となっているが、差圧ブレーカー２３ａ、２３ｂを介して集熱器４が収められた空間は、透明真空パック材２０内部の余剰空間６０に連通している。チャンバー１００内の減圧が始まり、９９／１００気圧を下回ると差圧ブレーカー２３ａが開き、吸収式冷凍装置内の空気がチャンバー１００内に流出し、吸収式冷凍装置内の減圧も始まるが、その差圧が１／１００気圧以下になろうとすると再び差圧ブレーカー２３ａが閉じ、吸収式冷凍装置内の空気の流出が止まる。このようにして、チャンバー１００内の真空引きの工程の間、吸収式冷凍装置内の気圧はチャンバー１００内の気圧より１／１００気圧程度高い状態で追従して減圧されていく。チャンバー内が１／１０００気圧まで減圧された段階では、吸収式冷凍装置内の気圧は１／１００気圧となり、差圧ブレーカー２３ａが閉じた状態となる。この状態で透明真空パック材２０の開口部２０ａが熱溶着される。このようにして吸収式冷凍装置内を１／１００気圧に、集熱器４が収められた空間、すなわち透明真空パック材２０内部の余剰空間６０を１／１０００気圧にして真空パック工程が完了する。

差圧ブレーカー２３ａ、２３ｂを用いない場合は、図２７に示すように、吸収器の透明真空パック材２０に接する面に小穴２４を設けておき、チャンバー１００内を１／１００気圧まで真空引きした段階で小穴２４の周囲で透明真空パック材２０にヒーターを押し当てて熱溶着させることにより小穴２４を塞ぎ、その後更にチャンバー１００内を１／１０００気圧まで真空引きしてから透明真空パック材２０の開口部２０ａを溶着シールすることでも同様の効果が得られる。この場合の真空パック工程を以下に詳しく説明する。

図１５（ｂ）は、真空包装機のチャンバー内での状態を模式的に表したものである。この例でも凝縮器４０、吸収器３０、再生器９、蒸発器５０及びそれらをつなぐパイプ等からなる吸収式冷凍装置内は互いに連通した上で独立した閉空間となっているが、上記したように吸収器３０の透明真空パック材２０に接する部位に小穴２４が設けられており、集熱器４が収められた空間、すなわち透明真空パック材２０内部の余剰空間６０に連通している。チャンバー１００内の減圧が始まると、吸収式冷凍装置内の空気もチャンバー内に流出し、吸収式冷凍装置内の減圧も同時に進行する。チャンバー１００内の圧力が１／１００気圧となった時点で小穴２４の周囲で透明真空パック材２０にヒーターを押し当てて熱溶着させることにより小穴２４を塞ぐ。これにより、吸収式冷凍装置内は１／１００気圧で封鎖され、以後減圧されなくなる。更にチャンバー１００内の減圧を進め、１／１０００気圧になったところで透明真空パック材２０の開口部２０ａを熱溶着する。このようにして吸収式冷凍装置内を１／１００気圧に、集熱器４が収められた空間、すなわち透明真空パック材２０内部の余剰空間６０を１／１０００気圧にして真空パック工程が完了する。

図１６は、本発明の第２の実施形態の熱交換装置を示したものである。本実施例では、本発明のパッケージ１５は、実施例１のパッケージ１４と同様の外観を有するが、集熱器４が内蔵されていない。集熱器４としては、既に広く普及している真空ガラス管タイプの給湯用集熱器が別に設置されて接続されている。すなわち、本実施例の熱交換装置では外部エネルギーとして給湯用集熱器のバーナー又はヒーターのエネルギーを用いる。本実施例では、本発明のパッケージ１５の凝縮器や吸収器は、透明である必要はない。また、図１７に示すように、集熱器４を内蔵しないパッケージ１５と市販の集熱器４は重ねて設置し、パッケージ１５と集熱器４との隙間、集熱器４を構成する真空ガラス管の隙間から大気にパッケージ１５の凝縮器、吸収器からの熱を放熱することができる。

集熱器４を内蔵しないパッケージ１５への熱湯の供給は、図１８に示すように広く普及しているガス給湯器１６から行ってもよい。この場合もパッケージ１５の凝縮器、吸収器が透明である必要はないが、パッケージ１５の外枠１３ａ等を除いて透明であれば、建物の採光部に使用することができる。

図１９は、本発明の第３の実施形態の熱交換装置を示したものである。本実施例では、本発明のパッケージ１７は、実施例１のパッケージ１４と同様の外観を有するが、暖房機能は有しておらず、自立式温度調節弁１２等は内蔵されていない。蒸発器には熱媒放熱路６ｃを有するが、そこには集熱器４からの熱媒の代わりに、冷水（ブライン）が導入されており、そのブラインを外に取り出し、外部の冷却効果を利用したい機器等に導くことができる。

図１９の例では、例えば東屋の屋根を本パッケージ１７で構成し、そこに冷蔵庫１８を設置するがその冷蔵庫をパッケージ１７からのブラインで作動させ、無電化冷蔵庫として使用する場合を示している。このようなパッケージ１７は、他にも既存の家屋に後から設置する場合で、壁材、屋根材そのものとしては設置が困難な場合に使用することができるし、特定の寒冷地種の魚介を養殖する養殖場で、水温を下げるためにブライン管を水中に水没されて使用することなども考えられる。

本発明の第４の実施形態であるガスバリア層を有する熱交換装置について説明する。既に述べたように、本発明の熱交換装置ではシステム全体の真空を保持するためには特に高いガスバリア性が求められる。そのため、ガスバリア層は高いガスバリア性のために有効である。ガスバリア層は、食肉等で広く利用されている真空パック技術によって作成される。まず、図７のように組み立てられた透明熱交換器パッケージ７に、図８で示された外枠１３ａ〜１３ｄを組み付ける前に真空パックを行う。そして、図１９に示されたように、真空パックを突き刺すことがないように図７のように組み立てられた透明熱交換器パッケージ７に鋭利な角をカバーするためのカバー１９ａ〜１９ｄを取り付ける。図２１はカバー１９ａ〜１９ｄが取り付けられた後の状態を示すものである。

図２２は、透明真空パック材２０を示す。この透明真空パック材２０は、透明で高いガスバリア性を有するプラスチックフィルムのラミネートでできており、上辺を除く３辺が既に熱溶着されている。透明真空パック材２０の内部は、ガスバリア層２５となる。この透明真空パック材２０に、図２１に示したパッケージを挿入し、真空パック機にかけて真空引きするとともに上辺を溶着し、図２３に示す真空パッケージ２１を完成する。

更に、図２３及び図２４に示すように突き刺しに弱い透明真空パック材２０を保護する透明硬質プラスチックシート２２ａ、２２ｂで真空パッケージ２１を挟んだ上で、図２５のように、外枠１３ａ〜１３ｄを取り付け、図２６のようにパッケージ１４を完成する。なお、屋外側の透明硬質プラスチックシート２２ａは耐候性の弱い透明真空パック材２０を保護するために紫外線吸収剤を添加している。屋内側の透明硬質プラスチックシート２２ｂは必ずしも透明である必要はない。

本発明の第５の実施形態の熱交換器について説明する。上記した実施例１から３はいずれも、吸収式冷凍装置が冷房用途に使用されている例について説明したが、吸収式冷凍装置を暖房用途に使用することもできる。

すなわち、実施例１および２においては、再生器９への熱入力のエネルギーとして屋内壁６（第２カバー部材）から吸熱し外壁５（第１カバー部材）から放熱する透明交換器パッケージ７により、屋内を冷房する実施例を示した。しかし、逆に屋内壁６を屋外に設置し、外壁５を屋内側に設置することにより、透明交換器パッケージ７により屋内を暖房するように使用することもできる。この場合、屋外側の屋内壁６は屋外から吸熱し、屋内側の外壁５は屋内に放熱することになる。また、実施例１のように透明交換器パッケージ７が集熱器４を内蔵している場合には、集熱器４よりも屋外側にある屋内壁６が光透過性を有する必要がある。

なお、実施例３においては、屋内壁６の蒸発器に設けた流路に冷水（ブライン）を導入し、そのブラインを外部の保温庫に導いて冷蔵庫として使用している例を示したが、同様に屋内側に設置された外壁５の凝縮器、吸収器に設けた流路に温水を導入し、その温水を外部の保温庫に導いて温蔵庫として使用することもできる。

１押出成形素材
４集熱器
５外壁
６屋内壁
７透明熱交換器パッケージ
８吸収液熱交換器
９再生器
１０水蒸気流路
１１水流路
１２自立式温度調節弁
１４パッケージ
２１真空パッケージ
２３ａ、２３ｂ差圧ブレーカー
２４小穴

Claims

取得した外部エネルギーによって吸収液を加熱し、前記吸収液から冷媒を蒸発させて蒸気冷媒を生成する再生器と、
前記再生器により生成された蒸気冷媒を冷却して液体化し、液体冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器により生成された蒸気冷媒を気化することにより蒸気冷媒を生成し、その気化熱によって対象物を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された液体冷媒を前記吸収液に吸収させる吸収器と、を有する熱交換装置であって、
互いに対向配置される板状部材である第１カバー部材及び第２カバー部材と、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間のうち前記第１カバー部材側の空間と前記第２カバー部材側の空間とを隔てて設けられ内部空間が前記凝縮器、前記蒸発器及び前記吸収器よりも低い真空度に保たれた筐体と、を有し、
前記蒸発器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間のうち前記第２カバー部材側の空間から、前記第２カバー部材を通じて吸熱するものであり、
前記吸収器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間うち前記第１カバー部材側の空間側から、前記第１カバー部材を通じて放熱するものである
ことを特徴とする熱交換装置。
前記吸収器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間側から、前記第１カバー部材の所定領域を通じて放熱するものであり、
前記凝縮器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間側から、前記所定領域を除く他の領域を通じて放熱するものであり、
前記吸収器及び凝縮器は、外部動力を用いることなく前記冷媒及び前記吸収液を循環させる
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
取得した外部エネルギーによって吸収液を加熱し、前記吸収液から冷媒を蒸発させて蒸気冷媒を生成する再生器と、
前記再生器により生成された蒸気冷媒を冷却して液体化し、液体冷媒を生成する凝縮器と、
前記凝縮器により生成された蒸気冷媒を気化することにより蒸気冷媒を生成し、その気化熱によって対象物を冷却する蒸発器と、
前記蒸発器により生成された液体冷媒を前記吸収液に吸収させる吸収器と、を有する熱交換装置であって、
互いに対向配置される板状部材である第１カバー部材及び第２カバー部材と、を有し、
前記蒸発器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間のうち前記第２カバー部材側の空間から、前記第２カバー部材を通じて吸熱するものであり、
前記吸収器は、前記第１カバー部材と前記第２カバー部材との間の空間うち前記第１カバー部材側の空間側から、前記第１カバー部材を通じて放熱するものであり、
前記第１カバー部材及び前記第２カバー部材の双方が光透過性を有する
ことを特徴とする熱交換装置。
取得した外部エネルギーに基づき熱媒を加熱して前記熱媒と吸収液との熱交換により当該吸収液を加熱可能な集熱器と、
前記熱媒の流路を第１流路と第２流路とに切り替える切替弁とを更に有し、
前記第１流路に切り替えられた際に前記熱媒は前記吸収液との熱交換によって前記吸収液を加熱し、
前記第２流路に切り替えられた際に前記熱媒は前記吸収液との熱交換を行うことなく前記第２カバー部材を介して放熱されるか、又は外部に設けられた放熱部に導かれる
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
前記第２カバー部材の近傍における温度を検知する温度センサを更に有し、
前記切替弁は、前記温度センサにより検知された温度が所定温度以上の場合に前記熱媒の流路を自動的に前記第１流路に切り替え、かつ、
前記温度センサにより検知された温度が所定温度未満の場合に前記熱媒の流路を自動的に前記第２流路に切り替える
ことを特徴とする請求項４に記載の熱交換装置。
前記第１カバー部材と、前記第２カバー部材と、前記再生器と、を気密状態に覆ってその内部を真空に維持するガスバリア層を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱交換装置。