(57)【要約】【目的】熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器において、伝熱管を気液界面に集中して配置した熱交換器を提供する。【構成】アンモニア／水混合媒体を用いた熱交換器において、気液界面に集中してコイル状またはＵ字状の伝熱管を設置し、気液界面で発生した混合熱を直接冷却することにより、冷却能力を向上させるようにした。具体的には、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器では気液界面で混合熱が発生することから、この部分に集中して伝熱管を配置することで、伝熱管は蒸気側では蒸気を凝縮させて潜熱除去の役割を果たし、液側では液体の温度を下げて顕熱冷却の役割を果たすことが可能となり、冷凍機全体の熱効率を向上させることが可能となる。【選択図】　　　　図１
2004036965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液または液液混合時に発熱を伴う混合熱媒体を用いる熱交換器において、凝縮器および／または吸収器の伝熱管を気液界面に設置した熱交換器。
【請求項２】
伝熱管が気相と液相に適切な割合で触れるように配置することを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
気液界面が伝熱管部分にくるように制御することを特徴とした請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
混合熱媒体がアンモニアと水であることを特徴とした請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンモニア吸収冷凍機の吸収器や、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器における伝熱管の配置に特徴を有する熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱媒体として単成分媒体を用いた熱交換器では、伝熱管が蒸気中または液中に配置されている。しかし、アンモニア／水混合媒体を用いる場合は気液界面で混合熱（溶解熱と希釈熱）が発生するので、混合熱の冷却に工夫を要する。すなわち、蒸気空間に設けた伝熱管では、蒸気の熱伝導率が小さく、蒸気の対流も弱いので、気液界面で発生した混合熱をスム−ズに除去することが困難である。また、液側でも界面から離れた位置にある伝熱管ほど気液界面で発生した混合熱を除去することが困難となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このことから、上述した従来型の熱交換器では次のような課題がある。
１）熱交換効率を高めるには伝熱面積を拡大することによって熱伝達量を増大させなければならないが、このようにすると熱交換器のサイズが大きくなり、装置全体の小型化が困難となる。
２）圧力または温度の制御が困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器において、伝熱管を気液界面に集中して配置した熱交換器を提供することにより、上記従来の問題点を解決することを目的とする。
本発明は、アンモニア／水混合媒体を用いた熱交換器において、気液界面に集中してコイル状またはＵ字状の伝熱管を設置し、気液界面で発生した混合熱を直接冷却することにより、冷却能力を向上させるようにしたことを特徴としている。具体的には、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器では気液界面で混合熱が発生することから、この部分に集中して伝熱管を配置することで、伝熱管は蒸気側では蒸気を凝縮させて潜熱除去の役割を果たし、液側では液体の温度を下げて顕熱冷却の役割を果たすことが可能となり、冷凍機全体の熱効率を向上させることが可能となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
気液または液液混合時に発熱を伴う混合熱媒体を用いる熱交換器において凝縮器および／または吸収器の伝熱管を気液界面に設置した熱交換器である。
また、伝熱管が気相と液相に適切な割合で触れるように配置することを特徴とした熱交換器である。
また、気液界面が伝熱管部分にくるように制御することを特徴とした熱交換器である。
また、混合熱媒体がアンモニアと水であることを特徴とした熱交換器である。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明すると、図１は本発明を説明するための第１実施形態としての伝熱管の配置と形状を説明した図、図２は第２実施形態としての伝熱管の配置と形状を説明した図である。
【０００７】図１において、２１は熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器であり、この凝縮器または吸収器、あるいは凝縮器と吸収器の気液界面２２には図１（ａ）に示すようにコイル状の伝熱管２３が配置されている。この伝熱管２３は図１（ｂ）に示すように気液界面全体に広がるように配置されている。
また、図２に示す例では、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた熱機関の凝縮器または吸収器２１あるいは凝縮器と吸収器の気液界面２２には図２（ａ）に示すようにＵ字状をした伝熱管２４が配置されている。この伝熱管２４は図２（ｂ）に示すように気液界面全体にわたって配置される。
【０００８】そして、前記伝熱管２３、２４は必要に応じて図示せぬ適宜アクチュエータにより伝熱管が凝縮器、吸収器内において気相と液相に適切な割合で触れるように位置を変えることができる構成となっている。また、器内の液面（界面）の高さも、気液界面が伝熱管部分にくるように界面（液面）の高さを適宜手段で制御することができる構成となっている。
なお、伝熱管の形状および配置は上記例に限定されることなく、気液界面において伝熱管の表面積が大きくなるような形状などを種々の形態を採用することができる。
【０００９】上記のような伝熱管の配置とすることにより、伝熱管は蒸気側では蒸気を凝縮させて潜熱除去の役割を果たし、液側では液体の温度を下げて顕熱冷却の役割を果たすことが可能となり、冷凍機全体の熱効率を向上させることができる。
【００１０】図３は本発明に係る熱交換器の性能を確認するための実験装置の概要を示す。
図において、１は試験容器、２は白金線、３は観察窓、４は絶縁体、５は電極、６は伝熱管、７は圧力計、８は恒温層、９は恒温液潤滑装置、１０は制御バルブである。
試験容器１内に水平に張られた白金線２（直径０．３ｍｍ、長さ３７ｍｍ）に直流電流を通電する事によって発生するジュ−ル熱で白金線２が加熱される。また、白金線２は抵抗温度計としても利用され、その温度−電気抵抗特性を利用して過熱度が測定される。なお、白金線の温度−電気抵抗特性は予備実験で求められている。試験容器１は恒温槽８内に沈められており、恒温液循環装置９から恒温液によって一定の温度に保たれ、周囲の温度の影響を受けないようになっている。発生した蒸気は伝熱管６で凝縮させられてバルク液の中に戻る。伝熱管６は蒸気空間と気液界面の２箇所に設けられていて、制御バルブ１０で切り換えることによって別々に制御することが出来るようになっている。また、伝熱管６の出入口の温度を温度計（Ｔ４，Ｔ５　）で測定し、また、流量を測定することによって除去熱量が計算できる。
【００１１】実験の手順としては、白金線２への熱流束を段階的に上昇させながら、各熱流束において定常状態を確認したあと、過熱度、熱流束、バルク液温度（Ｔ１　，Ｔ２　）と蒸気温度（Ｔ３）および除去熱量を測定した。以上の実験を伝熱管を蒸気空間に設置した場合と気液界面に設置した場合について行った。なお、Ｔ１　は液面下１０ｍｍの位置に、Ｔ２　およびＴ３　は容器の壁面近傍に取り付けられている。試験容器内の圧力と温度は伝熱管６の冷却液の流量を調節することによって一定に保たれる。
【００１２】〔系の圧力と温度に及ぼす混合熱の影響（伝熱管を蒸気空間に設置した場合）〕図４はアンモニアの質量濃度Ｃ＝０．５及びＣ＝１において蒸気の温度（Ｔ３　）を飽和温度に保ちながら熱流束を増加させたときの圧力とバルク液温度（Ｔ１，Ｔ２　）の変化を示す。Ｃ＝１（アンモニア）の場合は熱流束が増加しても系内の圧力と温度はほとんど変化しない。一方、Ｃ＝０．５の場合は熱流束の増加とともに系の圧力およびバルク液の温度が上昇している。特に気液界面近傍の液体温度Ｔ１　の上昇が著しい。そしてＴ１　＞Ｔ２　であることから液表面近傍で熱が発生していることがわかる。これはバルク液よりも濃い濃度の凝縮液がバルク液へ溶けて希釈される際の希釈熱とアンモニア蒸気がバルク液へ溶解する際の溶解熱の双方に起因するためである。したがって、実験中系の圧力を一定に保つためにはこれらの発生熱を除去する必要がある。
【００１３】図５は系圧力が０．４ＭＰａの条件下で熱流束の増加に伴うＴ３　の変化を示している。単成分媒体近傍の濃度域では熱流束の増加に伴うＴ３　の変化は小さいが、質量濃度Ｃ＝０．３および０．５では系圧力を一定に維持するためには特に沸騰開始後にバルク液温度Ｔ３　を飽和温度以下に下げる必要があることがわかる。これは気液界面での発生熱によって界面近傍のバルク液温が上昇するので、これを蒸気側で冷却するためには蒸気の温度を飽和温度以下に保つ必要があるからである。通常の混合媒体と異なり、アンモニア／水では混合熱が発生するという特殊な状況にあることに注意する必要がある。
【００１４】〔伝熱管の位置と除去熱量〕
図６は圧力０．４ＭＰａにおいて熱流束の増加に伴うＱｗ　−Ｑｃ　（加熱面からの供給熱量と伝熱管での除去熱量の差）の変化を濃度ごとに表したものである。単成分媒体および混合熱が発生しない２成分系ではＱｗ　＝Ｑｃ　であるが、アンモニア／水混合媒体では図６に示すようにＱｗ　−Ｑｃ　＜０となるから、加熱量よりも除去熱量を大きくしなければ系の圧力を一定に保つことができないことが分かる。さらに詳細に見ると、蒸気空間に置かれた伝熱管は気液界面に置かれた伝熱管よりも｜Ｑｗ　−Ｑｃ　｜が大きいので、蒸気空間に置かれた伝熱管のほうが大きな冷却能力を必要とする。｜Ｑｗ　−Ｑｃ　｜が大きくなる理由は蒸気の温度を飽和温度以下にするために、熱が周囲から流れ込みやすくなるためである。また、｜Ｑｗ　−Ｑｃ　｜は質量濃度Ｃ＝０．７よりも質量濃度Ｃ＝０．３において大きい。そして、質量濃度Ｃ＝０．７において伝熱管を気液界面に設置することにより、Ｑｗ　≒Ｑｃ　となる。
【００１５】これは図７から分かるようにＣ＝０．７よりもＣ＝０．３においてｙ１　−ｘ１　が大きいので、Ｃ＝０．３において混合による発生熱量が大きいからである。ちなみにＣ＝０．３においてｙ１　−ｘ１　＝０．６４、Ｃ＝０．７においてｙ１　−ｘ１　＝０．２９である。ここでｙ１　およびｘ１　は、それぞれ蒸気のアンモニア濃度および液のアンモニア濃度である。したがってｙ１　−ｘ１　は飽和状態のおける蒸気と液の濃度差である。蒸気と液の濃度差が大きいほど発生する混合熱も多くなく。
【００１６】〔沸騰熱伝達率の測定精度〕
図８は伝熱管の位置をパラメ−タとした熱伝達率に及ぼす濃度の影響の測定結果の一例である。０．４ＭＰａでは伝熱管の位置に依らず、デ−タの再現性がある。一方、０．７ＭＰａでは気液界面に設置した伝熱管を用いた場合は熱伝達率の濃度依存性が０．４ＭＰａにおける特性と一致しているが、蒸気空間に設けた伝熱管では質量濃度Ｃ＝０．１および０．９において、熱伝達率が大きく異なっている。このデ−タの誤差の原因は気液界面で発生する混合熱を蒸気空間に設けられた伝熱管で除去することに制御技術を要するからである。結果として、気液界面で混合熱が発生する場合、伝熱管を気液界面に設置することにより、冷却液流量の制御が容易になり、熱伝達の測定精度が良くなった。さらに、伝熱管の冷却能力が軽減されることが大きな改善である。
【００１７】
以上、本発明に係る熱交換器の一例について説明したが、上記実施形態は単なる例示にすぎず、伝熱管の形状等は本発明の機能を達成できるものであれば、採用する機器に応じて種々の形態のものを使用することができることは当然である。　　さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、
本発明により、凝縮器の伝熱管を気液界面に設置することで、アンモニア吸収冷凍機の吸収器において、吸収過程中、気液界面で発生する溶解熱を効率よく除去することができる。
また、アンモニア／水混合媒体を用いた熱機関サイクルの凝縮器や吸収器において、凝縮過程中に気液界面で発生した溶解熱と希釈熱を効率よく除去することができるので、次のような効果が得られる。
１）アンモニア吸収冷凍サイクルでは、吸収器の性能向上となり、冷凍機全体の熱効率を向上させることができる。
２）アンモニア／水混合媒体を用いた熱機関サイクルでは、凝縮器の性能向上となり、熱機関全体の熱効率を向上させることができる。
３）従来の熱交換器のように液中及び蒸気中に幅広く伝熱管を設置するのではなく、気液界面に集中して水平に設置するので、冷凍サイクルでも熱機関サイクルでも、伝熱管の伝熱面積を小さくできるので、吸収器または凝縮器のサイズが小さくなる。
４）気液界面で発生した混合熱を直接冷却するので、圧力と温度の制御が容易になる。
など、優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための第１実施形態としての伝熱管の配置と形状を説明した図である。
【図２】同第２実施形態としての伝熱管の配置と形状を説明した図である。
【図３】本発明の実験装置の説明図である。
【図４】アンモニアの質量濃度Ｃ＝０．５及びＣ＝１において蒸気の温度（Ｔ３　）を飽和温度に保ちながら熱流束を増加させたときの圧力とバルク液温度（Ｔ１，Ｔ２　）の変化を示す図である。
【図５】系圧力が０．４ＭＰａの条件下で熱流束の増加に伴うＴ３　の変化を示す図である。
【図６】圧力０．４ＭＰａにおいて熱流束の増加に伴うＱｗ　−Ｑｃ　（加熱面からの供給熱量と凝縮器での除去熱量の差）の変化を濃度ごとに表したものである。
【図７】圧力０．４ＭＰａでのアンモニア／水混合媒体の蒸気と液の温度差を説明するための相平衡線図である。
【図８】凝縮器の位置をパラメ−タとした熱伝達率に及ぼす濃度の影響の測定結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
２１　　　　　凝縮器または吸収器
２２　　　　　気液界面
２３、２４　　伝熱管
【図１】
2004036965.tif 000003
【図２】
2004036965.tif 000004
【図３】
2004036965.tif 000005
【図４】
2004036965.tif 000006
【図５】
2004036965.tif 000007
【図６】
2004036965.tif 000008
【図７】
2004036965.tif 000009
【図８】
2004036965.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月8日(2002.8.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
そこで、本発明は、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた凝縮器または吸収器において、伝熱管を気液界面に集中して配置した熱交換器を提供することにより、上記従来の問題点を解決することを目的とする。
本発明は、アンモニア／水混合媒体を用いた熱交換器において、気液界面に集中してコイル状またはＵ字状の伝熱管を設置し、気液界面で発生した混合熱を直接冷却することにより、冷却能力を向上させるようにしたことを特徴としている。具体的には、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた凝縮器または吸収器では気液界面で混合熱が発生することから、この部分に集中して伝熱管を配置することで、伝熱管は蒸気側では蒸気を凝縮させて潜熱除去の役割を果たし、液側では液体の温度を下げて顕熱冷却の役割を果たすことが可能となり、熱機関または冷凍機全体の熱効率を向上させることが可能となる。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
図１において、２１は熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた凝縮器または吸収器であり、この凝縮器または吸収器、あるいは凝縮器と吸収器の気液界面２２には図１（ａ）に示すようにコイル状の伝熱管２３が配置されている。この伝熱管２３は図１（ｂ）に示すように気液界面全体に広がるように配置されている。
また、図２に示す例では、熱媒体としてアンモニア／水混合媒体を用いた凝縮器または吸収器２１あるいは凝縮器と吸収器の気液界面２２には図２（ａ）に示すようにＵ字状をした伝熱管２４が配置されている。この伝熱管２４は図２（ｂ）に示すように気液界面全体にわたって配置される。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記のような伝熱管の配置とすることにより、伝熱管は蒸気側では蒸気を凝縮させて潜熱除去の役割を果たし、液側では液体の温度を下げて顕熱冷却の役割を果たすことが可能となり、冷凍機または熱機関全体の熱効率を向上させることができる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
これは図７から分かるようにＣ＝０．７よりもＣ＝０．３においてｙ１　−ｘ１　が大きいので、Ｃ＝０．３において混合による発生熱量が大きいからである。ちなみにＣ＝０．３においてｙ１　−ｘ１　＝０．６４、Ｃ＝０．７においてｙ１　−ｘ１　＝０．２９である。ここでｙ１　およびｘ１　は、それぞれ蒸気のアンモニア濃度および液のアンモニア濃度である。したがってｙ１　−ｘ１　は飽和状態における蒸気と液の濃度差である。蒸気と液の濃度差が大きいほど発生する混合熱も多くなる。