JP6887119B2 - 吸収式冷凍装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸収液への冷媒の吸収と吸収液からの冷媒の放出を利用した吸収式冷凍装置に関するものである。

従来、吸収液への冷媒の吸収と吸収液からの冷媒の放出とを利用した吸収式冷凍サイクルが知られている。例えば特許文献１には、原動機の軸出力を、冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプサイクル（圧縮式冷凍サイクル）と、原動機の排熱を、吸収液を加熱する再生器の熱源として利用する吸収式ヒートポンプサイクル（吸収式冷凍サイクル）とを備えた排熱利用ヒートポンプシステムが開示されている。

特開２０１０−９６４２９号公報

しかしながら、吸収式冷凍サイクルにおいて、二酸化炭素（ＣＯ_２）のような高圧下で使用される冷媒を採用する場合、吸収器と再生器との差圧が大きくなる。このため、吸収器と再生器との間で吸収液を循環させるポンプの動力が大きくなり、この分だけ吸収式冷凍サイクルのＣＯＰ（成績係数：Coefficient of Performance）が低くなる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ＣＯＰを向上させることができる吸収式冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の吸収式冷凍装置は、吸収器で冷媒を吸収した吸収液を、再生器へ向けて昇圧する昇圧装置と、前記再生器から前記吸収器へ向かう前記吸収液より動力を回収し、回収した前記動力を使用して前記昇圧装置を駆動する容積式の動力回収機と、前記吸収液から分離され凝縮器に向かうガス状の前記冷媒の一部を、前記動力回収機に供給する供給路と、前記昇圧装置から前記再生器へ向かう前記吸収液と、前記動力回収機から前記吸収器へ向かう前記吸収液とを熱交換させる熱交換器と、を備える。

本発明によれば、吸収式冷凍装置のＣＯＰを向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る吸収式冷凍装置の概要を示す図

以下、本発明の実施の形態に係る吸収式冷凍装置ついて、図面を参照しながら説明する。以下に示す実施の形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施の形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。また、本実施の形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。さらに、本実施の形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

［１．吸収式冷凍装置の概要］
以下、本発明の実施の形態の吸収式冷凍装置の概要について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る吸収式冷凍装置１の概要を示す図である。本実施の形態の吸収式冷凍装置１は、圧縮吸収ハイブリッドサイクルを使用した冷凍装置である。すなわち、この吸収式冷凍装置１は、ガス状の冷媒（以下「冷媒ガス」ともいう）を低温低圧の吸収液に吸収させて熱交換した後、吸収液と冷媒ガスとを分離する吸収式冷凍回路１０と、圧縮して高温高圧となった冷媒を凝縮する時の放熱を利用する圧縮式冷凍回路２０と、を有する。また、本実施の形態に係る吸収式冷凍装置１では、冷媒として二酸化炭素ＣＯ_２を使用する。

吸収式冷凍回路１０は、吸収器１１と、再生器１３と、気液分離タンク１４と、流量調整弁１５と、吸収液熱交換器１７と、を有する。吸収器１１と再生器１３とは、太破線で示す濃吸収液管３１および細破線で示す稀吸収液管３２によって接続されている。濃吸収液管３１の途中には、吸収器１１から再生器１３に向かって、循環ポンプ１２、吸収液熱交換器１７がこの順に配置されている。稀吸収液管３２の途中には、再生器１３から吸収器１１に向かって、気液分離タンク１４、循環ポンプ１２、吸収液熱交換器１７がこの順に配置されている。

また、稀吸収液管３２には、循環ポンプ１２を迂回するバイパス管３２ａが設けられており、このバイパス管３２ａの途中には流量調整弁１５が配置されている。バイパス管３２ａおよび流量調整弁１５についてさらに後述する。

循環ポンプ１２は、吸収液を循環させるためのものである。循環ポンプ１２を作動させることで、濃吸収液管３１内の濃吸収液（冷媒を吸収した吸収液）が吸収器１１から再生器１３へ供給されると共に稀吸収液管３２内の稀吸収液（冷媒が分離された吸収液）が再生器１３から吸収器１１へ供給される。循環ポンプ１２は、容積式の回転ポンプであり、動力回収機１２ｃを一体に備える。具体的には、循環ポンプ１２は、回転体により吸収液を昇圧して圧送する吸収液ポンプ（昇圧装置）１２ａと、吸収液ポンプ１２ａの前記回転体を駆動する電動モータ（以下「モータ」と称する）１２ｂと、吸収液ポンプ１２ａの前記回転体と一体に回転する容積式の動力回収機１２ｃ（例えばベーンモータ）とを備える。

吸収液ポンプ１２ａは、濃吸収液管３１に接続され、この濃吸収液管３１内の濃吸収液を再生器１３へ向けて圧送する。

動力回収機１２ｃは、吸収器１１と再生器１３との差圧を回収し、再生器１３側から流れてきた稀吸収液を減圧して吸収器１１側に供給する。そして、動力回収機１２ｃは、吸収液ポンプ１２ａの軸１２ｄと一体化しており、差圧を軸１２ｄの回転エネルギーの形で回収して吸収液ポンプ１２ａと一体に回転する。つまり、動力回収機１２ｃは、稀吸収液管３２を流れる稀吸収液から動力を回収し、この回収した動力により吸収液ポンプ１２ａのモータ１２ｂによる駆動をアシストする。

吸収器１１は、後述する圧縮式冷凍回路２０から供給される冷媒ガスを吸収液に吸収させる。吸収器１１には、再生器１３に接続される濃吸収液管３１が接続されており、吸収器１１は、冷媒を吸収した吸収液（濃吸収液）を濃吸収液管３１に送出する。

再生器１３は、例えば各種排熱を使用して、濃吸収液管３１から供給される濃吸収液を加熱し、気液分離タンク１４に供給する。気液分離タンク１４は、供給された濃吸収液を冷媒ガスと稀吸収液とに分離する。気液分離タンク１４は稀吸収液を貯留する貯留部（図示せず）を備えている。貯留部上部の空間には、実線で示す圧縮式冷凍回路２０の冷媒管４１が接続され、貯留部下部には循環ポンプ１２に繋がる稀吸収液管３２が接続され、貯留部の中間部には再生器１３から延びる稀吸収液管３２が接続されている。また、稀吸収液管３２は、稀吸収液が循環ポンプ１２を迂回するバイパス管３２ａを備えている。このバイパス管３２ａは、気液分離タンク１４と循環ポンプ１２との間と、循環ポンプ１２と吸収液熱交換器１７との間とを繋ぐように設けられる。気液分離タンク１４により、濃吸収液から冷媒ガスが分離され、冷媒ガスのみが圧縮式冷凍回路２０に供給され、冷媒ガスが分離された稀吸収液が循環ポンプ１２の動力回収機１２ｃまたは流量調整弁１５に供給される。

吸収器１１は、圧縮式冷凍回路２０の後述する蒸発器２４における飽和温度によって決定される飽和圧力で作動する。一方、圧縮機２１の吸込み圧力を蒸発器２４の圧力より高くすることで圧縮機２１の入力を低減させるために、再生器１３の作動圧力を吸収器１１の作動圧力よりも高くする。そのため、循環ポンプ１２の吸収液ポンプ１２ａは、吸収器１１から供給された濃吸収液を差圧分だけ昇圧して再生器１３に供給する。

吸収液熱交換器１７には、濃吸収液管３１が循環ポンプ１２と再生器１３との間で接続されると共に、稀吸収液管３２が循環ポンプ１２と吸収器１１との間で接続されており、吸収液熱交換器１７において稀吸収液により濃吸収液が加熱される。これにより、再生器１３における加熱により吸収液に与えられた熱量が回収され、この分、吸収式冷凍回路１０の効率が向上する。

次に、圧縮式冷凍回路２０について説明する。図１に示すように、圧縮式冷凍回路２０は、圧縮機２１と、凝縮器２２と、膨張弁２３と、蒸発器２４とを、上流側からこの順に備えている。圧縮式冷凍回路２０のこれらの構成は、吸収式冷凍回路１０の気液分離タンク１４から延び吸収器１１へと至る実線で示す冷媒管４１によって互いに接続されている。また、本実施形態では、圧縮機２１の上流側（つまり気液分離タンク１４側）には放熱器２５が設けられている。

圧縮機２１は、放熱器２５を介して気液分離タンク１４と接続されている。圧縮機２１は、気液分離タンク１４において分離された冷媒ガスを適切な圧力レベル、例えば臨界圧力以上の任意の圧力値まで昇圧しながら、凝縮器２２に搬送する。また、放熱器２５により、圧縮機２１に流入する前に冷媒ガスを放熱させ降温させることで圧縮機２１の動力の低減が図られる。

凝縮器２２は、いわゆるガスクーラであり、例えば外気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を冷却してエンタルピーを下げ、凝縮液化させる。

膨張弁２３は、流量調整弁として機能し、冷媒の流量を調整し、減圧して膨張させる。これにより、冷媒は等エンタルピー膨張し、低温低圧かつ気液混合状態の冷媒となる。

蒸発器２４は、この潜熱を保有した冷媒を蒸発させ、冷却効果を生じさせる。蒸発器２４において蒸発し、冷却効果を失った冷媒は、冷媒管４１を介して吸収器１１に供給される。

ここで、吸収式冷凍装置１には、冷媒管４１における圧縮機２１と気液分離タンク１４との間と、稀吸収液管３２における気液分離タンク１４と循環ポンプ１２との間（本実施形態ではバイパス管３２ａよりも上流側）とを繋ぐ冷媒ガス供給管（供給路）４２が設けられている。この冷媒ガス供給管４２により、凝縮器２２へ向かって流れる冷媒ガスの一部が、圧縮機２１の上流側で冷媒管４１から取り出され、循環ポンプ１２やバイパス管３２ａの上流側で稀吸収液管３２内へと供給される。

上述したように、稀吸収液管３２には、循環ポンプ１２をバイパスするバイパス管３２ａが備えられると共にバイパス管３２ａの途中に流量調整弁１５が配置されている。この流量調整弁１５の開度を調整することで、循環ポンプ１２の動力回収機１２ｃとバイパス管３２ａとに流れる稀吸収液と冷媒ガスとの混合体の配分が調整され、動力回収機１２ｃへの混合体の流量が調整される。

［２．作用効果］
以下、引き続き図１を参照して本発明の実施の形態の吸収式冷凍装置１の作用効果を説明する。
（１）吸収式冷凍装置１では、吸収液から分離され凝縮器２２へと流れる冷媒ガスの一部を、動力回収機１２ｃへ供給する。ここで、動力回収機１２ｃは容積式なので、冷媒ガスの一部を動力回収機１２ｃへ供給することで、動力回収機１２ｃへ供給する流体の容積が大きくなり、動力の回収効率を向上させることができる。

また、冷媒ガスは、稀吸収液の温度が低いほど稀吸収液に溶け込み易くなる。吸収式冷凍装置１では、冷媒ガスの稀吸収液への供給を、吸収液熱交換器１７で稀吸収液が濃吸収液と熱交換して稀吸収液の温度が低下する前に行うようにして、冷媒ガスの稀吸収液への溶け込みを抑制している。したがって、本発明の吸収式冷凍装置１によれば、動力回収機１２ｃへ供給される流体の容積を効果的に増大でき、動力回収機１２ｃによる動力の回収により循環ポンプ１２の動力を低減して、吸収式冷凍装置１のＣＯＰを向上させることができる。

（２）本実施形態では、吸収液ポンプ１２ａと動力回収機１２ｃとが共に容積型であると共に回転軸１２ｄで直結され、且つ、吸収液ポンプ１２ａと動力回収機１２ｃとの容積が同一に設定されている。このため、吸収液ポンプ１２ａを流れる濃吸収液と、動力回収機１２ｃを流れる稀吸収液とが同じ体積流量となる。吸収液の密度は冷媒の含有量や温度によって変化するため、濃吸収液と稀吸収液との密度が相違すると、吸収器１１から再生器１３へ流れる濃吸収液と、再生器１３から吸収器１１へと流れる稀吸収液との質量流量のバランスが崩れ、吸収器１１と再生器１３との差圧を適切な目標に安定して制御できないようになる。特に、稀吸収液に加えて冷媒ガスを動力回収機１２ｃに流す場合には、質量流量のバランスが大きく崩れやすい。本発明の吸収式冷凍装置１によれば、バイパス管３２ａの途中に設けた流量調整弁１５の開度を調整することで、動力回収機１２ｃとバイパス管３２ａとの稀吸収液の流量の配分を制御して、係る質量のバランスを適正にすることが可能となる。したがって、吸収器１１と再生器１３との差圧を適切な目標値に安定して維持することができる。

［３．その他］
（１）本発明は、圧縮式冷凍回路２０で本来使用される冷媒ガスを、動力回収機１２ｃに供給して循環ポンプ１２の駆動に使用するため、圧縮式冷凍回路２０の出力が僅かながら減少する。このため、吸収式冷凍装置１全体としてのＣＯＰが向上するか否かは、冷媒ガスを動力回収機１２ｃに供給することで得られる仕事量による。この仕事量は、吸収液の冷媒輸送能力（単位量当たりの吸収液が吸収し輸送できる冷媒量）や、動力回収機１２ｃの回収効率や、再生器１３に使用できる排熱量に応じたものとなる。そこで、冷媒ガス供給管４２の途中にバルブを設け、冷媒輸送能力や回収効率や排熱量を勘案して冷媒ガスの供給により動力回収機１２ｃで得られる仕事量では、吸収式冷凍装置１のＣＯＰの向上を期待できないときは、このバルブを閉弁するようにしてもよい。

（２）上記の実施の形態では、本発明の吸収式冷凍装置を、冷媒の圧縮に圧縮機２１を使用した圧縮吸収ハイブリッドサイクルに適用した例を説明したが、これに限定されない。例えば、図１に示す構成から圧縮機２１を省略して循環ポンプ１２単独で冷媒を圧送するようにし、且つ、圧縮機２１を使用した場合と同程度の冷媒圧力が得られるように循環ポンプ１２の出力を高くするようにしてもよい。

（３）上述した目的に限らず、発明を実施するための形態に示した各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的である。

本発明は、吸収液への冷媒の吸収と吸収液からの冷媒の放出を利用した吸収式冷凍装置に利用可能である。

１ 吸収式冷凍装置
１０ 吸収式冷凍回路
１１ 吸収器
１２ 循環ポンプ
１２ａ 吸収液ポンプ（昇圧装置）
１２ｂ モータ
１２ｃ 動力回収機
１３ 再生器
１４ 気液分離タンク
１５ 流量調整弁
１７ 吸収液熱交換器
２０ 圧縮式冷凍回路
２１ 圧縮機
２２ 凝縮器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
２５ 放熱器
３１ 濃吸収液管
３２ 稀吸収液管
４１ 冷媒管
４２ 冷媒ガス供給管（供給路）

Claims (2)

1. 吸収器で冷媒を吸収した吸収液を、再生器へ向けて昇圧する昇圧装置と、
   前記再生器から前記吸収器へ向かう前記吸収液より動力を回収し、回収した前記動力を使用して前記昇圧装置を駆動する容積式の動力回収機と、
   前記吸収液から分離され凝縮器に向かうガス状の前記冷媒の一部を、前記動力回収機に供給する供給路と、
   前記昇圧装置から前記再生器へ向かう前記吸収液と、前記動力回収機から前記吸収器へ向かう前記吸収液とを熱交換させる熱交換器と、
   を備えた、吸収式冷凍装置。
2. 前記吸収液と前記ガス状の冷媒との混合体に、前記動力回収機をバイパスさせるバイパス路と、
   前記バイパス路の前記混合体の流量を調整する流量調整器と、
   をさらに備えた、請求項１に記載の吸収式冷凍装置。

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