JPH06241605A - 吸収冷温水機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸収冷温水機の再生器の高い分離効率を有す
る膜を提供することにある。 【構成】 プラズマ重合法により荷電膜を形成した疎水
性多孔質膜モジュールを内蔵した再生器を具備する吸収
冷温水機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吸収冷温水機に係り、
特に再生器にパーベーパレーション膜分離を用いた吸収
冷温水機に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸収冷温水機において、希溶液を加熱し
てプール沸騰により冷媒と溶液を分離する高温再生器に
代わり、パーベーパレーション膜により冷媒と溶液を分
離するパーベーパレーション膜分離が採用されている。

【０００３】パーベーパレーション膜分離とは、膜の一
次側（供給側）に流す溶液の温度を高めると共に、膜の
二次側（透過側）を減圧して膜を透過する成分に蒸気圧
差を与えることによってより揮発性の成分を選択的に膜
透過させ、その蒸気をコールドトラップ等で捕集して液
体混合物の分離を行う操作である。蒸気の膜透過のメカ
ニズムは膜の一次側において透過する蒸気の成分が膜に
溶解し、膜中を拡散し、膜の二次側が減圧されているか
ら気化し蒸気となるものである。パーベーパレーション
膜分離は、膜を隔てて一次側が液相、二次側が気相とい
う相変化を伴うので潜熱の補給のため一次側の温度を高
める必要がある。

【０００４】従来の再生器にパーベーパレーション膜分
離を用いた吸収冷温水機の構成を図４、図５により説明
する。

【０００５】図４は従来の吸収冷温水機の構成を示すフ
ローダイアグラムである。

【０００６】図５は図４の再生器における膜モジュール
内の加熱水と媒体の流れを示す説明図である。

【０００７】以下の説明では吸収液としてＬｉＢｒ水溶
液を、冷媒に水を、また加熱、冷却液にそれぞれ水を用
いた場合を例として詳述する。

【０００８】再生器３は膜モジュール３０１を収納し、
当該膜モジュールにはそれぞれ吸収液入口管３００、出
口開口部３１１、加熱水入口管３２及び出口管３０を有
している。また凝縮器４は冷却用熱交換器４０をそれぞ
れ収納し、再生器３と凝縮器４は蒸気通路７０で接続さ
れている。吸収器１と再生器３とを流れるＬｉＢｒ水溶
液は熱交換器５を介して流れる系統となっている。

【０００９】次に以上の機器で冷熱を得る場合の動作に
ついて図６も併用し説明をする。濃度５５％のＬｉＢｒ
水溶液（Ｃ）は吸収液入口管３００により再生器３の膜
モジュール３０１へ導入される。膜モジュール３０１の
内部では図５に示すように、伝熱面３３と疎水性多孔質
材５００とから形成される間隙３５を当該吸収液が流れ
る。一方、加熱水（Ａ）は、管３２から導入され、壁３
６と伝熱面３３とで形成される間隙を流れ、当該流れは
前述した吸収液とは対向して流れる。従って、濃度５５
％のＬｉＢｒ水溶液は、当該加熱水（Ｂ）で伝熱面を介
して加熱され、蒸発する。発生した蒸気は疎水性多孔質
材５００の開孔部を通過し他の疎水性多孔質材５００と
で形成される間隙３８を通り、蒸気通路７０を経て凝縮
器４へ導入される。以上の操作により濃度６０％（Ｄ）
まで濃縮されたＬｉＢｒ水溶液は開口部３１１により再
生器３の容器底部に溜まり、吸収液出口管３１０により
熱交換器５へ流れる。

【００１０】次に６０％まで濃縮されたＬｉＢｒ水溶液
は熱交換器５により冷却されて、液管１００により吸収
器１へ導入される。水蒸気を吸収して濃度が低下し、温
度が上昇したＬｉＢｒ水溶液は、より低温の冷却水によ
り冷却されるため、再び蒸気が吸収できる。したがっ
て、最終的に開口部１１１から排出されるＬｉＢｒ水溶
液は濃度５５％、温度３５℃（Ｆ）となる。この水溶液
は吸収器１の底面に滞留し液管１１０より、ポンプ１４
０により吸引されて、液管１３０を経て熱交換器５へ導
入され、吸収液出口管３１０から導入された８０℃で６
０％のＬｉＢｒ水溶液から熱を得て昇温し、吸収液入口
管３００を経て再生器３へ導入される経路をとる。

【００１１】上記の再生器３において膜モジュール３０
１による吸収液の濃縮について説明する。

【００１２】図７は再生器の膜モジュールによる吸収液
の濃縮について説明する説明図である。

【００１３】図７に示すように、伝熱面３３と疎水性多
孔質材５００とで形成された間隙６００を流れる吸収液
３００は、当該吸収液とは対向して流れる加熱水３２に
より伝熱面３３を介して加熱されて蒸発し、蒸気１００
０は疎水性多孔質材５００の開孔部より透過する。蒸発
して濃縮された吸収液は当該間隙部を流れて、より高温
の加熱水で加熱されるために、さらに蒸発し濃縮され
る。

【００１４】再生器３の膜モジュール３０１の吸収液は
通さず水蒸気のみを透過する材料としては疎水性多孔質
材であり、その形状は膜状、管状等があり、材質はポリ
テトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（Ｐ
Ｅ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン、シリコン、
酢酸セルロース等がある。これらの材質で形成した膜又
は管と、熱交換用伝熱面又は伝熱管とで間隙を形成し、
当該間隙に吸収液を流す。 再生器に膜分離を用いた吸
収冷温水機の公知例として特開平１−９８８６６号公報
及び特開昭６１−２７２５６６号公報がある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術は膜素材とし
て疎水性多孔質膜を用いており、これは膜の幾何学的孔
を水蒸気が透過する原理を応用したものであり、透過流
束はフィックの拡散則に従い膜の両側の水蒸気圧差に比
例する。従って、透過流束を大きくするには、水蒸気圧
差を大きくすれば良いが、その為に再生器の温度を上げ
る必要があり腐食により膜材の耐久性が低下する。それ
故に再生器の温度を高くせずに透過流束を大きくする膜
素材が求められている本発明の目的は、吸収冷温水機の
再生器の高い分離効率を有する膜を提供することにあ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、液冷媒を蒸
発させ低温媒体から蒸発熱を奪って冷却する蒸発器と、
該蒸発器で気化した冷媒蒸気を濃溶液に吸収させて希溶
液を生成する吸収器と、該吸収器より希溶液を導入して
多孔質膜とにより冷媒蒸気と濃溶液に分離して再生する
再生器と、該再生器で分離した冷媒蒸気を凝縮液化させ
前記蒸発器に供給する凝縮器と、上記再生器で再生した
濃溶液を上記吸収器に圧送する吸収液ポンプとを具備す
る吸収冷温水機において、前記多孔質膜が疎水性多孔質
膜に荷電膜を形成した膜であることにより達成される。

【００１７】

【作用】パーベーパレーション膜分離による透過流束は
フィックの拡散式で表される。

【００１８】

【数１】

【００１９】本発明によれば、疎水性多孔質膜上に荷電
膜を形成することで、荷電膜近傍のイオンを排除（ドナ
ン排除）しＬｉＢｒ濃度を見かけ上低下させることによ
り、水の分圧が高くなり疎水性多孔質膜の両側の蒸気圧
差が大きくなる。再生器として水蒸気透過の駆動力とな
る蒸気圧差を小さくしても、以上の理由から高い水蒸気
透過流束が得られる。

【００２０】プラズマ重合法により荷電させた荷電膜は
高い水蒸気透過流束が得られる。

【００２１】プラズマ重合法によりマイナスに荷電させ
た荷電膜はその細孔で塩のマイナスイオンを排除し、水
の分圧が高くなり疎水性多孔質膜の両側の蒸気圧差が大
きくなるから高い水蒸気透過流束が得られる。

【００２２】疎水性多孔質膜にマイナス荷電させた膜と
プラス荷電させた膜とを交互に積層すると、それぞれの
正イオン、負イオン例えばＬｉＢｒ水中のＬｉ+イオ
ン、Ｂｒ~イオンを膜表面で排除し、水の分圧が高くな
り疎水性多孔質膜の両側の蒸気圧差が大きくなるから高
い一層水蒸気透過流束が得られる。

【００２３】ポリテトラフロロエチレンの疎水性多孔質
膜上にプラズマ重合法により荷電させると大きい透過流
束が得られる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。

【００２５】本実施例と図４に示す従来技術の吸収冷温
水機としての構成の相違点は、再生器に内蔵される膜モ
ジュールにある。この膜モジュールは疎水性多孔質膜に
荷電膜を形成した素材を成型したものである。

【００２６】まず、本実施例のプラズマ重合法による疎
水性多孔質膜に荷電膜を形成するプロセスを説明する。
公知のプラズマグラフト重合装置の反応容器に基材を入
れ減圧し（２．７Ｐａ）、低温プラズマを照射してラジ
カルを発生させた後、モノマー容器中の５％アクリル酸
水溶液（減圧下で凍結、溶融を繰り返して溶存酸素を除
去したもの）を液相で減圧したまま接触させた反応容器
を恒高槽内で３０〜３００ｍｉｎグラフト重合させた。

【００２７】次の表１にプラズマグラフト重合条件を示
す。

【００２８】

【表１】 膜Ｎｏ． 圧力(Pa) 電力(W) 照射時間(min) グラフト時間(min) １ ２．７ １０ １ ３０ ２ ２．７ １０ １ ６０ ３ ２．７ １０ １ １８０ ４ ２．７ １０ １ ３００ ５ ２．７ １０ １ １８０ 基材 Ｎｏ．１〜４ 高密度ポリエチレン多孔質膜（ＨＤＰ
Ｅ） （東燃化学製 膜厚２５μｍ、孔径０．０３μｍ） Ｎｏ．５ 疎水性ポリテトラフロロエチレン膜（Ｐ
ＴＦＥ） （日東電工製 膜厚８０μｍ、孔径０．２μｍ） 次の表２にプラズマグラフト重合させた膜のイオン交換
容量を示す。

【００２９】

【表２】 膜Ｎｏ． イオン交換容量 イオン交換容量 (mol/kg dry Mem.) (mol/m³ wet Mem.) １ ０．１１３ ０．５５０ ２ ０．１１６ ０．５４１ ３ ０．１２８ ０．５７０ ４ ０．１３０ ０．５８９ ５ ０．１６９ ０．４００ 表２に示される結果よりプラズマグラフト重合させた膜
はマイナスの電荷を有する陽イオン交換膜であることが
判明した。

【００３０】次に上記のプラズマグラフト重合させた膜
と従来の疎水性多孔質膜の水蒸気透過特性をパーベーパ
レーション法により評価した。

【００３１】図１はポリエチレン多孔質膜とポリエチレ
ン多孔質膜上にプラズマ重合させた膜の蒸気圧差Δｐと
透過流束Ｑの関係を示す図表である。

【００３２】図１に示すように従来の疎水性多孔質膜で
あるポリエチレン多孔質膜とＮｏ．３のポリエチレン多
孔質膜上にプラズマ重合させた膜を比較すると、プラズ
マ重合させた膜の透過流束Ｑが高い。

【００３３】図２はポリテトラフロロエチレン多孔質膜
とポリテトラフロロエチレン多孔質膜上にプラズマ重合
させた膜蒸気圧差Δｐと透過流束Ｑの関係を示す図表で
ある。図２に示すように従来の疎水性多孔質膜であるポ
リテトラフロロエチレン多孔質膜とＮｏ．５のポリテト
ラフロロエチレン多孔質膜上にプラズマ重合させた膜を
比較すると、プラズマ重合させた膜の透過流束Ｑが高
い。

【００３４】図３は各イオン交換膜の蒸気圧差Δｐと透
過流束Ｑの関係を示す図表である。

【００３５】図３に示すイオン交換膜よりも図２に示す
ポリテトラフロロエチレン多孔質膜上にプラズマ重合さ
せた膜の方が高い透過流束を示している。

【００３６】表２に示すようにプラズマグラフト重合さ
せた膜はマイナスの電荷を有しており、この電荷が透過
流束を大きくしており、膜表面のマイナス電荷を更に高
密度にすること、あるいは膜表面にマイナス電荷に加え
ビニルピリジン若しくは４級アンモニウム塩をプラズマ
グラフト重合させて得られるプラス電荷を交互に形成す
ることにより透過流束は更に増大する。

【００３７】以上述べたように本実施例によれば、吸収
冷温水機の再生器で冷媒分離する手段として膜を用いる
と再生側と凝縮側を対向させることが出来、気液界面の
面積拡大により再生器をよりコンパクトに出来る。分離
膜として多孔質膜上に荷電膜を形成することで、膜近傍
のＬｉＢｒ濃度を見かけ上低下させ、透過の駆動力とな
る蒸気圧差を小さくさせ、透過量を増大させることが可
能になる。これにより再生器・凝縮器のコンパクト化・
再生器の低温化が可能となる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、疎水性多孔質膜上に荷
電膜を形成することで、荷電膜近傍のイオンを排除する
ことにより、水の分圧が高くなり疎水性多孔質膜の両側
の蒸気圧差が大きくなるから、再生器として小さな蒸気
圧差で高い水蒸気透過流束が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のポリエチレン多孔質膜と本発明のポリエ
チレン多孔質膜上にプラズマ重合させた膜の透過流束を
示す図表である。

【図２】従来のＰＴＦＥ膜と本発明のＰＴＦＥ膜上にプ
ラズマ重合させた膜の透過流束を示す図表である。

【図３】一般的な各イオン交換膜の透過流束を示す図表
である。

【図４】従来の吸収冷温水機の構成を示すフローダイア
グラムである。

【図５】図４の再生器における膜モジュール内の加熱水
と媒体の流れを示す説明図である。

【図６】図４に示す系統における操作線図である。

【図７】図４の再生器の膜モジュールによる吸収液の濃
縮について説明する説明図である。

【符号の説明】

１ 吸収器 ２ 蒸発器 ３ 再生器 ４ 凝縮器 ５ 熱交換器 ３０ 加熱水出口管 ３２ 加熱水入口管 ３０１ 膜モジュール ３００ 吸収液入口管 ３１０ 吸収液出口管 ３１１ 出口開口部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液冷媒を蒸発させ低温媒体から蒸発熱を
   奪って冷却する蒸発器と、該蒸発器で気化した冷媒蒸気
   を濃溶液に吸収させて希溶液を生成する吸収器と、該吸
   収器より希溶液を導入して多孔質膜により冷媒蒸気と濃
   溶液に分離して再生する再生器と、該再生器で分離した
   冷媒蒸気を凝縮液化させ前記蒸発器に供給する凝縮器
   と、上記再生器で再生した濃溶液を上記吸収器に圧送す
   る吸収液ポンプとを具備する吸収冷温水機において、前
   記多孔質膜は疎水性多孔質膜に荷電膜を形成した膜であ
   ることを特徴とする吸収冷温水機。