(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する伝熱面と、伝熱面を流下する吸収液を一旦貯留し再度流下させるための一又は複数の堰と、を備え、該堰は、貯留した吸収液を再分配して流下させるための流出部を備え、かつ、前記伝熱面に設けられた対向する堰は高さをずらして配設されていることを特徴とする流下液膜式吸収器。
【請求項２】
前記伝熱面が、平板で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流下液膜式吸収器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸収性能に優れた吸収式冷凍機の流下液膜式吸収器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸収式冷凍機は種々の熱交換器を主要構成とするが、その中でも熱移動とともに物質移動を伴う吸収器の性能如何は、冷凍機能力に大きな影響を与える。吸収器の種類としては水平管群方式と流下液膜方式とがよく知られているが、このうち流下液膜方式は、上下に長い伝熱面で構成され、一方の面では吸収液が重力で流下しつつ気相との界面から冷媒蒸気を吸収し、他方の面では流動する熱媒体により伝熱面を介して冷却が行われるものである。流下液膜方式は、プレート熱交換器タイプ、空冷タイプ等の吸収器に適した方式である。
【０００３】
図５は、従来の流下液膜式吸収器１００の一例を示す図である。吸収器１００は、空冷フィン１０２を外側に備えた伝熱管１０１により構成されている。実際にはこのような伝熱管が複数、フィンを介して束ねられて吸収器が構成されることになるが、ここでは１本の伝熱管のみ示してある。吸収器１００の上部は蒸発器（図示せず）と連通しており、冷媒蒸気１０５が伝熱管１０１内部に導入されるように構成されている。さらに吸収器１００の上部には吸収液滴下装置（図示せず）が設けられている。吸収液滴下装置から滴下される吸収液１０６は、真空下で伝熱管１０１内壁を伝って流下しながら冷媒蒸気１０５を吸収し、希液となって下部ヘッダ（図示せず）に集められるように構成されている。伝熱管１０１の外部には熱媒体１０４（例えば冷却用空気）が流れており、冷媒蒸気の吸収に伴い発生する吸収熱は伝熱管１０１を介して熱媒体１０４に与えられ、最終的に大気に放散される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
流下液膜方式においては、吸収液の流下速度が小さく層流状態で流下するため、伝熱面側と気相側との間で熱交換及び物質移動が十分に行われない。この現象を概念的に示したのが図７（ａ）乃至（ｃ）である。
【０００５】
図７（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ図５における吸収器最上部Ｐ１、中央部Ｐ２、最下部Ｐ３における吸収液の温度分布、濃度分布を示したものである。各図において、横軸は液膜厚さ方向、縦軸は吸収液の温度（左図）又は濃度（右図）を示している。横軸の左端は伝熱面、右端は気相（冷媒蒸気）との界面（気液界面）に対応している。
【０００６】
最上部Ｐ１においては、吸収液滴下直後であるため吸収液の温度、濃度とも均一である（図７（ａ））。中央部Ｐ２では、温度分布、濃度分布ともに横軸方向に不均一が生じる（図７（ｂ））。すなわち、温度分布についてみると、熱媒体により冷却される伝熱面側では顕著な温度低下が見られるのに対して、気液界面側では吸収熱の発生により温度上昇傾向となる。また、濃度分布については、冷媒を直接吸収する気液界面での低下が顕著であるのに対して、伝熱面側では変化が少ない。これは、前述の通り吸収液が層流状態で流下しているため、伝熱面側と気液界面間の熱交換及び物質移動が小さいためである。最下部Ｐ３ではこの傾向がさらに顕著になる（図（ｃ））。
【０００７】
吸収性能は、気相部の蒸気圧力と気液界面における吸収液の飽和蒸気圧力との圧力差に比例すると考えられており、気液界面に於ける吸収液の温度上昇と濃度低下は、ともに気液界面の飽和蒸気圧の上昇を招くことになるため、吸収能力が低下するのである。この傾向は、吸収器が長くなり流下する液量が増加するほど、また、吸収器の下流側になるに従い顕著になる。
【０００８】
このように、従来の流下液膜方式吸収器では流下長さが大きくなるに従い吸収能力が低下するという問題があった。本発明は、このような課題を解決するためのものであって、吸収器が長くなっても能力低下することなく吸収性能を確保できる流下液膜式吸収器を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、対向する伝熱面と、伝熱面を流下する吸収液を一旦貯留し再度流下させるための一又は複数の堰と、を備え、該堰は、貯留した吸収液を再分配して流下させるための流出部を備え、かつ、伝熱面に設けられた対向する堰は高さをずらして配設されていることを特徴とする流下液膜式吸収器を提供する。
【００１０】
このような構成により、伝熱面を流下する吸収液は、流路途中で堰と伝熱面により形成される貯液部に一旦貯留される。これにより、液膜厚さ方向に対して濃度、温度が不均一となった吸収液は、貯液部で混合され均一濃度、温度となり、吸収能力が回復する。この吸収液を再度、伝熱面に流下させることにより、伝熱面の途中に堰を設けない吸収器と比較して、出口における吸収液濃度、温度の不均一度を小さくすることができ、吸収能力を向上させることができる。
【００１２】
堰に流出部を設けることにより、貯液部に生じる微小の液柱差圧を利用して、伝熱面に均等に吸収液を流出させることが可能となる。
【００１５】
伝熱面に堰を取り付けると冷媒蒸気の流路が狭められてしまうため、流路抵抗が増加することになる。本発明によれば、取り付け高さをずらして堰を設置するため、流路抵抗増加を抑制することができる。
【００１６】
請求項２の発明は、伝熱面が平板で形成されていることを特徴とする流下液膜式吸収器を提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の実施の形態は例示であって、本発明の範囲は各実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
本発明の第一の実施の形態について図１及び２を参照して説明する。図１は、本発明に係る流下液膜式吸収器１の縦断面図である。吸収器１は、空冷フィン４を外側に備えた伝熱管３を１ユニットとし、このような伝熱管ユニットを複数、フィンを介して束ねることにより吸収器が構成されている。但し、同図では1ユニットのみ示してある。吸収器１の上部は蒸発器（図示せず）と連通しており、冷媒蒸気１１が伝熱管３内部に導入されるように構成されている。さらに吸収器１の上部には吸収液滴下装置（図示せず）が設けられており、滴下される吸収液２は伝熱管３の内壁を伝って流下し、下部ヘッダ（図示せず）に集められるように構成されている。伝熱管３の外側には熱媒体６（例えば冷却用空気）が流れており、吸収に伴い発生する吸収熱は、伝熱管３、フィン４を介して熱媒体に放熱されるように構成されている。
【００２１】
伝熱管３内壁の流下方向中央部には、堰５が嵌入されている。図２は堰５の拡大図である。堰５は、上端部６の口径が下端部７の口径より小さなリング形状をなしており、下端部７が伝熱管３の内壁に密接して嵌入されることにより貯液部９が形成されるように構成されている。下端部７近傍には、貯液部９に貯留する吸収液を流出させるための複数の流出孔８が設けられている。
【００２２】
流下液膜式吸収器１は以上のように構成されており、次にその吸収作用について説明する。伝熱管３の内壁を伝って冷媒蒸気１１を吸収しながら流下する吸収液２は、堰５により堰き止められ、貯液部９に貯留していく。貯液部９に流入直前の吸収液２は、気液界面と伝熱面で温度、濃度に勾配が生じているが、貯液部９で混合されることにより温度、濃度が均一となる。貯液部９に貯留する吸収液量が一定以上になると、微小液柱差圧の作用により流出孔８から再度流出する。流出する吸収液は、上述の通り均一温度、濃度となっている。吸収液は、再度吸収管１の内壁を伝って冷媒蒸気を吸収しつつ流下し、最下部Ｐ３に達し、さらに図示しない下部ヘッダに集められる。
【００２３】
なお、本実施の形態では堰５として椀形リング形状のものを示したが、これに限らず、吸収管内壁との間に貯液部が構成される構造、例えば円錐台形状のものであってもよい。
【００２４】
また、堰５を伝熱管の中央部に1個設ける構造としたが、伝熱管の長さ、吸収液の滴下液量等に応じて複数の堰を適当な位置に設けることができる。
【００２５】
また、８の個数、取付位置についても、伝熱管長さ、吸収液の滴下液量等に応じて選択することができる。
【００２６】
また、流出部形状は円形流出孔に限らず、例えばスリット、切り欠き形状等、任意の形状を選択することができる。
【００２７】
図３は、本発明に係る吸収器の第二の実施の形態を示す図である。本実施の形態は、特に請求項1及び２に対応するものである。本発明に係る吸収器２０は、複数の互いに対向して配置される伝熱プレートユニット２１、吸収液滴下装置２３、希液タンク３１を主要構成とし、これらが筐体３０内に格納されている。
【００２８】
伝熱プレートユニット２１は、上下に長い伝熱面を有する密閉された中空薄箱形状であり、内部には熱媒体（例えば冷却水）が流れており、冷媒蒸気の吸収に伴い発生する吸収熱を、伝熱面２２を介して熱媒体に与えるように構成されている。
【００２９】
今、左側２つの伝熱プレートユニットに着目すると、隣接する伝熱面２２ａ、２２ｂが所定の距離ｄを隔てて並列に配置されている。伝熱面２２ａ、２２ｂの中央近傍には、堰２７ａ、２７ｂが伝熱面の紙面奥行向に水平に設けられている。また、堰２７ａ、２７ｂは、流下方向に対してＬだけ離して取り付けられている。
【００３０】
吸収器の上方には蒸発器（図示せず）が設けられており、蒸発器から供給される冷媒蒸気２４は、伝熱面２２ａ、２２ｂの間隙２５を下降するように構成されている。吸収液滴下装置２３には、伝熱面２２ａ、２２ｂに吸収液を滴下するように複数の滴下ノズル２３ａが設けられている。
【００３１】
図４は伝熱面２２ａの堰部分の拡大図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は正面図である。吸収液は、図４（ａ）では斜線、図４（ｂ）では矢印、で示している。図４（ａ）から分かるように、伝熱面２２ａと堰２７により貯液部２８が形成されている。また、堰２７の下部には、水平方向に所定の間隔ごとに複数の流出孔２９が設けられている。
【００３２】
次に、図３、４により伝熱面２２ａを例にして吸収器２０の吸収作用について説明する。滴下ノズル２３ａから滴下される吸収液は、伝熱面２２ａの最上部から堰２７ａに達するまでに冷媒蒸気を吸収しながら伝熱面を流下するが、堰２７ａによって堰き止められ、貯液部２８に貯留していく。ここに至るまでに吸収液は、液膜の気液界面側と伝熱面側で温度、濃度に勾配が生じているが、貯液部２８で混合されることにより、温度、濃度は再び均一化され、吸収能力が回復する。
【００３３】
貯液部２８に貯留する吸収液が一定量に達すると、液面差圧の作用により流出孔２９から再度流出する。流出する吸収液は上述の通り吸収能力を回復しているため温度、濃度が均一化されており、冷媒蒸気を十分に吸収しながら流下して最下部に達し、さらに希液タンク３１に集められる。この場合において、堰２７ａ、２７ｂが流下方向に対してＬだけ離して取り付けられているため、両伝熱面の間隙２５を下降する冷媒蒸気の供給も十分に行われる。
【００３４】
なお、本実施の形態では伝熱面として平板プレートのものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば蛇腹状プレートのものであってもよい。
【００３５】
【実施例】
本発明による吸収器の吸収性能を評価するために以下の試験を行った。本試験は、吸収器出口における吸収液の過冷却度が吸収性能評価指標となることに基づくものである。図６は、この原理を説明するためのものであり、デューリング線図と呼ばれるものである。同図において平行四辺形ＡＢＣＤは吸収冷凍機の冷凍サイクルである。Ｃ→Ｄは吸収過程が理想的（気相と液相とが平衡を保ちつつ、液膜厚さ方向について温度、濃度が均一）に行われた場合を示している。この場合、吸収器内で温度がＴｃに到達すると吸収が始まり、吸収器入口で濃度ξｉであった濃液の濃度は流下に伴い低下していく。そして吸収器出口において温度Ｔｄとなり、このときの濃度はξｆ（希液）となる。この間、吸収器内の圧力は冷媒の飽和蒸気圧Ｐで一定である。
【００３６】
以上の過程は吸収が理想的に行われた場合であるが、実際には吸収器出口で混合された希液の温度を測定するとＴｄ’を示す。すなわち、理想状態と比べてΔＴ＝Ｔｄ−Ｔｄ’だけ過冷却されている。過冷却が発生する原因としては、気相と液相とが完全には平衡に達していないこと、液膜厚さ方向に温度、濃度が均一でないこと、が挙げられる。このように実際の吸収器では、過冷却分だけ過剰に溶液を冷却することになるので、その分、能力低下となる。このことから過冷却度が小さいほど吸収性能がよいことになり、ΔＴを吸収器の吸収性能指標として用いることができるのである。
【００３７】
本評価試験に用いた吸収器は、図１に示す伝熱管と同一構造であり、公称外径１５．８８ｍｍ、管厚０．８ｍｍ、有効長さ８００ｍｍの銅管で構成され、伝熱管内壁の流下方向中央部近傍には、堰が嵌入されている。伝熱管の外周部はフィン付構造であり、３５℃の空気で冷却している。吸収液には濃度約６０％のＬｉＢｒ溶液を用いた。伝熱管内の飽和蒸気圧は約１．２ｋＰａである。
【００３８】
表１に上記吸収器を用いて過冷却度を測定した結果を示す。同表には比較のため、堰が嵌入されていない従来タイプの吸収器を用いた結果も併せて示している。同表に示す通り、従来タイプの吸収器では、２回の実験結果についていずれもΔＴ（過冷却度）が８．５℃であるのに対して、本発明の吸収器ではこの値が１．５乃至１．６℃であり、ΔＴが1/5以下であることが分かる。これらの結果から本発明の吸収器の性能は、従来の吸収器と比較して大幅に向上していることが分かる。
【００３９】
【表１】
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【発明の効果】
本発明によれば、流下液膜式吸収器の吸収性能を飛躍的に向上させることが可能となった。これにより吸収式冷凍機の小型軽量化、コストダウンが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態に係る吸収器を示す図である。
【図２】第一の実施の形態の堰の拡大図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態に係る吸収器を示す図である。
【図４】第二の実施の形態の堰部の拡大図である。
【図５】従来の流下液膜式吸収器を示す図である。
【図６】吸収液の過冷却度を示す図である。
【図７】吸収液流下に伴い温度、濃度分布に勾配が発生することを示す図である。
【符号の説明】
１、２０…流下液膜式吸収器、２、３３…吸収液、３…伝熱管、４…空冷フィン、５、２７ａ、２７ｂ…堰、６…上端部、７…下端部、８、２９…流出孔、９、２８…貯液部、１１，２４…冷媒蒸気、２１…伝熱プレートユニット、２２ａ、２２ｂ…伝熱面、２３…吸収液滴下装置、２３ａ…滴下ノズル、３０…筐体、３１…希液タンク
【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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