(57)【要約】【課題】吸収器の性能を広い流量範囲で向上させるとともに、吸収器の性能をフレキシブルに制御することが可能な吸収器およびこれを用いた吸収式冷凍機の提供。【解決手段】吸収器１は、複数の平板状の伝熱板１１および仕切板１２を交互に配列し、伝熱板１１の裏面１１ｂ側に複数個の超音波振動子１３を固定したものである。ＬｉＢｒ水溶液５は、各伝熱板１１の表面１１ａに沿って液膜を形成しながら流下する。このとき、超音波振動子１３によってＬｉＢｒ水溶液５の流下液膜内に超音波が印加されることにより、微細気泡１６や音響流１７が発生し、微細気泡１６の崩壊に伴う圧力波１８の伝播と音響流１７の作用、さらに気液界面１９の超音波振動と微小擾乱の相互作用により、液膜内の攪拌と気液界面１９の更新が促進され、ＬｉＢｒ水溶液５の液膜の熱伝達特性および物質伝達特性が向上する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱板の表面に接触させた吸収液によって冷媒を吸収させる吸収器であって、前記伝熱板に接触した吸収液に超音波を印加する超音波印加手段を備えた吸収器。
【請求項２】
前記超音波印加手段は、前記伝熱板の裏面に固定した超音波振動子により前記伝熱板を振動させて前記吸収液に超音波を印加するものである請求項１記載の吸収器。
【請求項３】
前記伝熱板の裏面に、冷却水を強制循環させた請求項１または２に記載の吸収器。
【請求項４】
前記伝熱板の裏面に冷却フィンを備えるとともに、冷却気体を強制送風させた請求項２記載の吸収器。
【請求項５】
前記伝熱板は、その表面に複数の微小な柱状体を備えたものである請求項１から４のいずれかに記載の吸収器。
【請求項６】
前記超音波振動子の振動方向が、前記伝熱板の表面に対して平行であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の吸収器。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の吸収器を備えた吸収式冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度と圧力を制御することにより冷媒を吸収または放出する性質を有する熱媒体（吸収液）を使用した吸収器およびこれを用いた吸収式の冷凍機・ヒートポンプ（本明細書において「吸収式冷凍機」と総称する）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸収式冷凍機の特徴は、地球温暖化係数とオゾン破壊係数の高いフロン系冷媒を用いない熱駆動型のシステムであるという点にある。したがって、この熱駆動型の吸収式冷凍機を用いることで電力需要の平準化に貢献でき、さらに小型ガスタービンや燃料電池などの分散型電源の排熱を利用する電熱併用システムを構築することによって、環境負荷の少ない空調・冷凍システムを実現することが可能となる。
【０００３】
排熱を利用した吸収式冷凍機の例を図７に示す。図７に示すＬｉＢｒ／Ｈ２Ｏ系吸収式冷凍機は、吸収液にリチウムブロマイド（ＬｉＢｒ）水溶液を、冷媒に水蒸気（Ｈ２Ｏ）をそれぞれ用いたものであって、吸収器１００、再生器２００、蒸発器３００、凝縮器４００の四つの要素機器からなる。この吸収式冷凍機は、吸収液が冷媒を吸収する性質を利用して、ポンプ動力と熱投入量により一連のサイクルを構成したものである。
【０００４】
吸収器１００で水蒸気５０１を吸収した吸収液５００は、再生器２００内で加熱・蒸発されて再生され、濃度と温度が調整された後、再び吸収器１００へ戻される。一方、再生器２００で発生した水蒸気５０２は、凝縮器４００で凝縮された後、蒸発器３００へ送られ、伝熱管３０１上を流下しながら蒸発する。図７の吸収式冷凍機は、この際の吸熱作用により伝熱管３０１内を流れる媒体３０２を冷却して冷熱を得る。このとき、排熱は、再生器２００や再生器２００入口付近において吸収液５００の加熱および再生に利用される。
【０００５】
このような吸収式冷凍機では、各構成要素機器に投入された熱を高効率に利用することがシステム全体の高性能化と小型化に直結することから、各構成要素機器の熱および物質伝達促進に関する研究開発が盛んに行われている。例えば、凝縮器や蒸発器では、図８の（ａ）〜（ｅ）に示すように、伝熱管（面）上に二次元または三次元の螺旋状の溝や突起を設けることが、熱伝達特性を向上させる有効な手段であることが明らかにされており、同様の手法が吸収器にも広く採用されている。
【０００６】
図９は吸収器内の伝熱面を流下する液膜の温度分布および濃度分布の様相を模式的に示したものである。伝熱面６００を流下する液膜（吸収液）６０１は、気液界面６０２で水蒸気（冷媒）６０３を吸収すると、気液界面６０２近傍の濃度が急激に低下するとともに温度が上昇するため、吸収性能が低下する。そこで、液膜６０１の吸収性能を維持するために、発生した熱を冷却面（伝熱面６００）を介して速やかに取り去るととともに、気液界面６０２近傍で濃度が低下した溶液と伝熱面６００近傍の溶液とを撹拌して気液界面６０２を更新することが重要となる。つまり、液膜６０１内の熱伝達および物質伝達を促進することが、吸収器の高性能化に繋がる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の吸収器では、液膜６０１の厚さが熱抵抗および物質拡散抵抗として作用するため、吸収液６０１の流量が増加するほどその熱伝達特性および物質伝達特性は低下する。したがって、高い吸収性能を得るためには、伝熱面６００を薄い一様な液膜６０１で濡らすことが要求される。
【０００８】
しかし、吸収液６０１の流量が小さくなると、伝熱面６００上にドライパッチ（乾き面）が形成されることになり、吸収器の性能が大幅に低下してしまう。つまり、システムの運転上、液膜６０１の極小厚さとドライパッチ形成の両条件を考慮した非常にシビアな領域に、吸収器の性能が最大となる吸収液６０１の流量の限界値が存在する。
【０００９】
一方で、吸収液６０１に界面活性剤を添加して、吸収液６０１と伝熱面６００との濡れ性を向上させ、表面張力に起因する液膜６０１の擾乱効果を積極的に利用する吸収器の高性能化手法も用いられているが、この手法では、連続使用による界面活性剤の蒸発に起因する吸収液の性能低下が問題となる。
【００１０】
このように、従来、吸収器の高性能化技術として、（１）伝熱面上に二次元および三次元の溝や突起を設ける方法、（２）界面活性剤を添加する方法、が広く採用されているが、これらの方法では、吸収器の運転条件を設定する際に吸収液および冷却液の温度と流量を調整するしかないので、熱の需要に応じてフレキシブルに吸収器の性能を制御することは困難である。
【００１１】
そこで、本発明においては、吸収器の性能を広い流量範囲で向上させるとともに、吸収器の性能をフレキシブルに制御することが可能な吸収器およびこれを用いた吸収式冷凍機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の吸収器は、伝熱板の表面に接触させた吸収液によって冷媒を吸収させる吸収器であって、伝熱板に接触した吸収液に超音波を印加する超音波印加手段を備えたものである。
【００１３】
本発明の吸収器では、超音波印加手段による超音波の印加によって、伝熱板の表面に接触した吸収液内に微細気泡や音響流を発生させる。そして、この発生した微細気泡の崩壊に伴う圧力波の伝播と音響流の作用、さらに気液界面の超音波振動と微小擾乱の相互作用により、吸収液の攪拌と気液界面の更新が促進されるため、吸収液の熱伝達特性および物質伝達特性が向上する。
【００１４】
超音波印加手段は、伝熱板の裏面に固定した超音波振動子により伝熱板を振動させて吸収液に超音波を印加するものとして構成できる。これにより、超音波振動子へ入力する高周波電気を調整することによって、吸収液に印加する超音波の振幅と周波数とを変化させることが可能となる。
【００１５】
ここで、伝熱板の裏面に、冷却水を強制循環させる構成とすれば、伝熱板を水冷却することによって、伝熱板の表面に接触させた吸収液および伝熱板裏面の超音波振動子を同時に冷却し、冷媒を吸収液に吸収させるとともに超音波振動子の発熱を防止する。これにより、超音波印加手段を備えた水冷式の吸収器が得られる。
【００１６】
あるいは、伝熱板の裏面に、冷却フィンを備えるとともに、冷却気体を強制送風させる構成とした空冷式の吸収器とする。冷却フィンは、熱伝達率が水と比べて大幅に小さい空気などの気体に対して、伝熱面積の拡大による気体側の伝熱促進のために設けるものである。これにより、吸収液と超音波振動子を同時に冷却し、冷媒を吸収液に吸収させるとともに超音波振動子の発熱を防ぎ、振動特性を維持することが可能となる。
【００１７】
また、伝熱板は、その表面に複数の微小な柱状体を備えたものとするのが望ましい。複数の微小な柱状体を伝熱板表面に備えることで、伝熱板の振動がこの柱状体にまで伝播し、吸収液の攪拌効果を向上させることができる。また、この柱状体を金属製のものとすれば、伝熱フィンとして作用するため、吸収液の冷却効率の向上も期待できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態における吸収式冷凍機の概略構成図、図２は図１の吸収器の構成を示す斜視図、図３は図１の吸収器の縦断面図である。
本実施形態における吸収式冷凍機は、図１に示すように、吸収器１、再生器２、蒸発器３および凝縮器４を備え、吸収液としてリチウムブロマイド（ＬｉＢｒ）水溶液５を、冷媒として水蒸気（Ｈ２Ｏ）６をそれぞれ用いたものである。
【００１９】
本吸収式冷凍機では、吸収器１で水蒸気６を吸収したＬｉＢｒ水溶液５は、再生器２内で加熱、蒸発されて再生された後、再び吸収器１へ戻される。一方、再生器２で発生した水蒸気６は、凝縮器４で凝縮された後、蒸発器３へ送られ、伝熱管３ａ上を流下しながら蒸発する。この際の吸熱作用によって伝熱管３ａ内を流れる媒体を冷却することにより、冷熱が得られる。
【００２０】
図２および図３に示すように、吸収器１は、複数の平板状の伝熱板１１および仕切板１２を交互に配列したものである。伝熱板１１の裏面１１ｂ側には複数個の超音波振動子１３がボルト締めまたは接着樹脂により固定されている。この超音波振動子１３の周波数は、１０〜１００ｋＨｚであり、外部からの高周波電気入力によって振動振幅を調整することが可能である。
【００２１】
伝熱板１１の表面１１ａには、直径０．５〜２ｍｍ程度の微小な柱状体としての金属製のピン１４を数ｃｍ間隔で直立させている。超音波振動子１３によって振動させられた伝熱板１１の振動は、このピン１４にまで伝播する。
【００２２】
ＬｉＢｒ水溶液５は、伝熱板１１の表面１１ａと仕切板１２との間を流下する。また、伝熱板１１の裏面１１ｂと仕切板１２との間には、冷却水１５が強制循環されており、伝熱板１１の表面１１ａに接触したＬｉＢｒ水溶液５および裏面１１ｂの超音波振動子１３を同時に冷却する。
【００２３】
上記構成の吸収器１に吸収液入口１ａから導入されたＬｉＢｒ水溶液５は、各伝熱板１１に均等に分配され、各伝熱板１１の表面１１ａに沿って液膜を形成しながら流下し、吸収液出口１ｂから排出される。この際、伝熱板１１の裏面１１ｂに設置された超音波振動子１３によって、ＬｉＢｒ水溶液５の流下液膜内に超音波が印加される。
【００２４】
図４は超音波が印加された流下液膜内の様相を模式的に示す説明図である。
超音波が印加されたＬｉＢｒ水溶液５の流下液膜内には、微細気泡（キャビテーション）１６や音響流１７が発生する。そして、この発生した微細気泡１６の崩壊に伴う圧力波１８の伝播と音響流１７の作用、さらに気液界面１９の超音波振動と微小擾乱の相互作用により、液膜内の攪拌と気液界面１９の更新が促進される。これにより、ＬｉＢｒ水溶液５の液膜の熱伝達特性および物質伝達特性が向上するため、水蒸気６の吸収性能が向上する。
【００２５】
そして、水蒸気６を吸収して温度が上昇したＬｉＢｒ水溶液５の液膜は、伝熱板１１の裏面１１ｂと仕切板１２との間に強制循環される冷却水１５により、伝熱板１１を介して冷却される。また、この冷却水１５は、伝熱板１１の裏面１１ｂに固定された超音波振動子１３も同時に冷却するため、超音波振動子１３の長時間使用による発熱を防止し、超音波振動子１３の特性を維持することができる。
【００２６】
また、本実施形態における吸収器１では、ＬｉＢｒ水溶液５の液膜内に発生する微細気泡１６や音響流１７の強さおよび発生頻度を、超音波振動子１３の振動周波数と超音波振動子１３への高周波電気入力（Ｗ：ワット）によって変化させることが可能である。つまり、超音波振動子１３の振動周波数と高周波電気入力の調整により、吸収器１の熱伝達率および物質伝達率を制御することができることを意味する。
【００２７】
なお、本実施形態における超音波振動子１３は、振動方向が振動面（伝熱板１１の表面１１ａ）に対して垂直なもの（縦振動型）または振動面に対して平行なもの（横振動型）を用いることが可能である。特に、横振動型のものを用いれば、伝熱板１１の広い範囲を振動させることが可能となるため、ＬｉＢｒ水溶液５の薄い液膜に対して効率良く超音波を照射することが可能となる。また、横振動型の場合、振動子の厚みが縦振動型のものよりも薄いため、吸収器１を小型化できるという利点がある。
【００２８】
また、本実施形態においては、伝熱板１１の表面１１ａにピン１４を備えていることから、超音波振動子１３による超音波の入力によってピン１４がＬｉＢｒ水溶液５の液膜内で振動し、この液膜内で攪拌棒として作用する。このようなピン１４は、特にＬｉＢｒ水溶液５の流量が大きく、液膜厚さが大きい場合に有効である。また、ピン１４は熱伝導率の高い金属製のものとしているため、伝熱フィンとして作用する。これにより、ＬｉＢｒ水溶液５の液膜の熱伝達性能が向上する。
【００２９】
また、本実施形態においては、伝熱板１１の裏面１１ｂに冷却水１５を導入した水冷式の例について説明したが、冷却気体として空気を用いた空冷式とすることも可能である。このとき、空気の熱伝導率は水の熱伝導率よりも大幅に小さいため、伝熱板１１の裏面１１ｂには冷却フィンを設けて伝熱面積を拡大するとともに、送風ファンを用いて強制送風する。
【００３０】
また、本実施形態においては、図１に示すように伝熱板１１を斜めに設置しているが、この伝熱板１１の角度は水平から垂直までの範囲（０〜９０°）で変更し、伝熱板１１の表面１１ａを流下するＬｉＢｒ水溶液５の流下速度を調整することが可能である。この伝熱板１１の角度は、ＬｉＢｒ水溶液５の流体力学的特性（粘度、密度、表面張力など）に応じて最適な角度を選定する。
【００３１】
以上のように、本実施形態における吸収器１では、ＬｉＢｒ水溶液５および冷却水１５の温度と流量の調整だけでなく、超音波振動子１３への高周波電気入力の調整によって吸収器１の性能を制御することができるため、吸収式冷凍機システムを所望の状態に迅速かつフレキシブルに制御することが可能である。
【００３２】
【実施例】
上記本発明の実施形態における吸収器１を模擬した流下液膜式吸収実験装置を用いて、ＬｉＢｒ水溶液（吸収液）による水蒸気（冷媒）の吸収実験を行い、流下液膜の熱伝達特性および物質伝達特性に及ぼす超音波の影響について調べた。図５は本実験に用いた実験装置の概略図である。
【００３３】
縦３００ｍｍ×横１２０ｍｍの銅製の伝熱板２１の裏面に、周波数４４ｋＨｚ、高周波入力（ＰＷ）０〜３０Ｗの超音波振動子２２を８０ｍｍ間隔で配置してＬｉＢｒ水溶液２４が流下する伝熱面２３を形成した。この伝熱面２３の上方よりＬｉＢｒ水溶液２４を導入するとともに、伝熱面２３の裏側（超音波振動子２２側）に冷却水２５を循環させて、ＬｉＢｒ水溶液２４と超音波振動子２２を同時に冷却した。吸収器の系内圧力は約１．３ｋＰａとし、蒸発器（図示せず）で発生した水蒸気２６を吸収器前面より吸収器内に導入した。
【００３４】
実験では、吸収器の出入口におけるＬｉＢｒ水溶液２４の温度（Ｔｉｎ，Ｔｏｕｔ）と濃度（ｘｉｎ，ｘｏｕｔ）をそれぞれ測定した後、吸収器の出入口における温度差ΔＴ＝Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎおよび濃度差Δｘ＝ｘｏｕｔ−ｘｉｎを算出して吸収特性を評価した。なお、吸収器の前面および側面はガラス製として液膜の様相が観察できるようにした。また、伝熱面の振動振幅は、超音波発振機から超音波振動子２２へ入力する高周波電気入力を変えることで調整した。
【００３５】
図６は傾斜角４５°で吸収液を流下させた場合の実験結果であって、（ａ）および（ｂ）はそれぞれ吸収器の出入口における濃度差Δｘおよび温度差ΔＴを質量速度Ｍに対してプロットしたものである。なお、質量速度Ｍは、単位時間・単位幅を流下する吸収液の質量を表している。
【００３６】
図６によれば、超音波を印加しない場合（○）には、質量速度Ｍの増加に対してΔｘおよびΔＴは減少している。つまり、吸収性能は、液膜厚さが薄い場合に高く、液膜厚さの増加に伴って低下している。一方、液膜内に超音波を照射した場合（●）、ΔｘおよびΔＴは質量速度Ｍの増加に対していずれも増加しており、Ｍ＝０．４ｋｇ／ｍｓ付近でΔｘが超音波を照射しない場合の約３倍に達している。なお、観察結果によると、超音波を照射した場合、Ｍ＞０．２ｋｇ／ｍｓの領域で液膜内に微細気泡の発生が確認された。
【００３７】
以上の結果から、超音波の照射により流下液膜式吸収器の熱伝達特性および物質伝達特性を向上させることが可能であることが分かる。特に、吸収液の流量が大きい（液膜厚さが厚い）場合に超音波の効果が顕著に現れており、広い範囲で高い性能を実現できることが明らかになった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果を奏することができる。
【００３９】
（１）伝熱板に接触した吸収液に超音波を印加する超音波印加手段を備えたことにより、伝熱板の表面に接触した吸収液内に微細気泡や音響流を発生させ、この発生した微細気泡の崩壊に伴う圧力波の伝播と音響流の作用により、吸収液の攪拌と気液界面の更新を促進し、吸収液の熱伝達特性および物質伝達特性を向上させることができる。これにより、吸収器の性能を広い流量範囲で向上させるとともに、吸収器の性能を任意に制御することが可能となる。
【００４０】
（２）伝熱板が、その表面に複数の微小な柱状体を備えることによって、超音波印加手段により伝熱板に印加した超音波振動をこの柱状体にも伝播させ、伝熱板表面に接触した吸収液の攪拌効果を向上させることができる。これにより、吸収器の性能をさらに向上させることができる。
【００４１】
（３）超音波振動子の振動方向が、伝熱板の表面に対して平行であることによって、伝熱板の広い範囲を振動させ、吸収液の薄い液膜に対しても効率良く超音波を照射することが可能になるとともに、超音波振動子の厚みが薄くなるため、超音波印加手段を備えた吸収器の性能向上および小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における吸収式冷凍機の概略構成図である。
【図２】図１の吸収器の構成を示す斜視図である。
【図３】図１の吸収器の縦断面図である。
【図４】超音波が印加された流下液膜内の様相を模式的に示す説明図である。
【図５】実験装置の概略図である。
【図６】吸収器の吸収特性を測定した実験結果を示す図である。
【図７】従来の吸収式冷凍機の概略構成図である。
【図８】従来の吸収器および凝縮器の伝熱促進管の例を示す概略図である。
【図９】吸収器内の伝熱面を流下する液膜の温度分布および濃度分布の様相を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１　吸収器
２　再生器
３　蒸発器
３ａ　伝熱管
４　凝縮器
５，２４　ＬｉＢｒ水溶液
６，２６　水蒸気
１１，２１　伝熱板
１２　仕切板
１３，２２　超音波振動子
１４　ピン
１５，２５　冷却水
１６　微細気泡
１７　音響流
１８　圧力波
１９　気液界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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