JPH0776653B2 - 直接接触型凝縮器およびこれを用いた熱サイクル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，直接接触型凝縮器並びにこれを用いた熱サイ
クル装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より，冷凍機や冷暖房機器などのヒートポンプ装
置，さらには地熱バイナリー発電，海洋温度差発電等の
熱回収装置の凝縮器としては，凝縮すべき気体熱媒と冷
却流体とを金属壁を介して間接的に熱交換する方式が多
用されている。例えばバイナリー発電等に提案されてい
る凝縮器では，凝縮室の内部に配設した冷却流体の通流
する伝熱管の外表面に，凝縮すべき気体を接触させて気
体を凝縮液化する方式が用いられ，一般的には伝熱面積
を増すように管表面に溝を付けたりフイン付き管を用い
たシエルアンドチューブ型熱交換器が用いられている。
すなわち，伝熱管であるチューブ内に冷却水を通流し，
シエル内に導入された気体熱媒をチューブ外壁に凝縮さ
せるものであり，金属性チューブ外壁と気体との固体−
気体間の熱伝達で凝縮していた。この固体−気体間の熱
伝達は液体−気体間の熱伝達に比べて熱伝達特性が低い
ので，伝熱面積を増加させるために凝縮器を大型化した
り，チューブの表面に溝や凹凸を形成する工夫がなされ
たりしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のような理由から，従来の凝縮器にあっては，凝縮
器の大型化に伴って，また伝熱管表面の加工に伴ってコ
ストアップを招くといった問題があった。さらに伝熱管
の外表面に凝縮液や，熱媒中の油等の不純物が付着して
熱伝達性能が著しく低下するといった問題も生じてい
た。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で，その目的とするところは，凝縮すべき気体を，冷却
した液体に直接接触させて凝縮することにより，凝縮器
の熱伝達性能を向上せしめ，もって，小型且つ安価な凝
縮器を提供し，ひいては効率のよい熱サイクル装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため，内部に冷却流体の通流する
複数本の伝熱管（チューブ）を配設した凝縮室内に，凝
縮すべき気体を導入して該気体の凝縮を行う凝縮器にお
いて，本発明に従う凝縮器は，該凝縮室内に該伝熱管に
より冷却される液体を充填し，この充填液体中に凝縮す
べき気体を気泡状で導入するための気泡発生手段を該凝
縮室底部に設けたことを特徴とする。

そして，本発明はまた，クローズド配管系内に配置され
た蒸発器と凝縮器との間を熱媒を強制的に循環させ，該
蒸発器で気化した気体熱媒を該凝縮器で液化させ，この
液体熱媒を再び蒸発器に循環するようにした熱サイクル
装置において，該凝縮器がシエル内に多数本のチユーブ
を横方向に配置してなるシエルアンドチューブ型熱交換
器からなり，この熱交換器のシエル側に該熱媒が，そし
てチユーブ側に放熱用流体が通流されることにより該シ
エル内が凝縮室に構成され，この凝縮室内に該熱媒が液
体状態で且つ該チユーブの管壁表面の実質上全てを覆う
に充分な量で充填され，この凝縮室内に充填された液層
の下部に前記の蒸発器で気化した気体熱媒を気泡状で導
入するための気体熱媒導入手段が設けられ，該手段より
も上方の液層位置から液の一部を蒸発器に向けて抜き出
すための液体熱媒導出口が該凝縮室に設けられたことを
特徴とする熱サイクル装置を提供する。そのさい，蒸発
器から凝縮器に至る気体熱媒通路に動力回収用タービン
を配置すれば，地熱や工場廃熱などから動力を回収する
装置に構成することができる。系内に循環させる熱媒と
しては，最も一般的にはフロン，アンモニアなどの低温
度差エネルギー回収サイクルで利用される作動熱媒体を
使用することができる。

〔作 用〕

上記の構成により，凝縮室内において気体熱媒（気泡）
が，多数本の伝熱管によって冷却される液体熱媒と直接
接触して気体−液体間の熱伝達で凝縮させるため，従来
の凝縮器の気体−固体間の熱伝達に比べて熱伝達性能が
向上する。そして，凝縮室内に導入された気体熱媒は，
同一物質の凝縮室内の液体熱媒と一体化するので，この
液を抜き出す操作も安定化する。さらに，熱媒気体は気
泡発生手段によって微細な気泡状となって凝縮室内部の
液体中に導入されるので気体の冷却速度が高まると共
に，発生した気泡により伝熱管周辺の液体が攪拌される
ので，液体と伝熱管との伝熱性能も向上する。従って，
小型でも極めて凝縮効率のよい凝縮器が構成でき，これ
を用いることによって，非常に効率のよい熱サイクル装
置および動力回収装置を構成できる。

〔実施例〕

以下に，本発明を図示の実施例にもとづいて説明する。

第１図は，本発明に係る凝縮器の縦断面図，第２図は，
第１図の一部を破断したＡ−Ａ線拡大横断面図である。
図示のように本発明の凝縮器は，中心軸を水平方向に向
けた略円筒状の凝縮器本体１の両端開口を端板2a,2bで
閉塞するとともに，その内部を隔壁３により区分して凝
縮室４と冷却水供給室５を形成している。

凝縮室４の内部には，凝縮室４内を周回し，その両端部
が隔壁３を貫通するＵ字形の伝熱管６がそれらの軸をほ
ぼ水平方向にして多数本配設されている。また凝縮室４
の下面部には気体流入口７が，上面部の一方端には不活
性ガスを抜くためのガス抜き口８が，側面ほぼ中央部に
は凝縮液取出し口９が，それぞれ凝縮器４の半径方向外
方に突出するように形成されている。そしてこの凝縮室
４内には，後述の凝縮すべき気体と同一の物質であるフ
ロン液10が，伝熱管６の実質上全てがその液中に浸漬さ
れるように充填されている。なお11は，凝縮フロン液10
の流れを制御する制御板である。略長方形状の板状体か
らなる該制御板11は，第２図に見られるように，左端と
右端に位置するＵ字形の伝熱管６に対して，その長辺側
の上下縁を巻きつけてほぼ垂直方向に取り付けられてい
る。この制御板11の存在によって，稼働中は伝熱管６の
群の側方に凝縮液が循環下降する流れが形成される。

冷却水供給室５は，第１図に見られるように，上部に冷
却水流出口12が，また下部に冷却水流入口13が，それぞ
れ冷却水供給室５の半径方向外方に突出するように形成
されるとともに，内部が遮蔽板14により上室5aと下室5b
とに分離され，この上室5aと下室5bに各伝熱管６の両端
が開口している。したがって，下室5bが各伝熱管６への
冷却水送入ヘッダー室，上室5aが各伝熱管６からの冷却
水送出ヘッダー室を構成している。

凝縮室４の底面部には，前記した気体流入口７の上方位
置において，気泡発生板15が水平方向に設置されてい
る。この気泡発生板15は凝縮室４の底面部のほぼ長手方
向全長にわたる大きさを有しており，この気泡発生板15
と凝縮器本体１との間には，給気室16が形成される。気
泡発生板15は，図示の実施例では，第３図に示すよう
に，長方形の平板部に直径４ミリの孔15aを，横方向に5
8個形成したものを縦方向に７列設けた多孔板からなっ
ている。この気泡発生板15の孔15aの個数並びに径は，
凝縮する流体物質の熱物性値によって適正に決める必要
があるが，気体がこの孔を通過するときの流動抵抗を極
力小さくするために，孔15aの総面積が気体流入口７の
口径断面積にほぼ等しくなるくらいが適当である。また
列数およびその位置は，伝熱管群の最下部の管数などに
関連させて，気泡による伝熱管周辺の液体の攪拌効果を
高める配置とする。これによって液体と伝熱管との伝熱
性能を格段に向上させることができる。なお長手方向に
沿った15cが気泡発生板15の裏面に垂直に取付けられ，
薄板からなる気泡発生板15の強度を補強している。な
お，気泡発生手段としては，既述の気泡発生板のほか多
孔管を使用することもできる。

以上の構成からなる凝縮器の作用を，凝縮すべき気体と
してフロンガスを使用した場合を例にとって説明する。
先ず，冷却水流入口13より冷却水17を冷却水供給室５の
下室5b内に流入せしめると該冷却水17が伝熱管６内を通
流し，再び冷却水供給室５の上室5a内を通過して冷却水
流出口12より排出される。これによって伝熱管６が冷却
されると，凝縮室４内に充填されているフロン液10が該
伝熱管６により冷却される。そのさい，伝熱管６とフロ
ン液10との熱伝達は，固体−液体間の熱伝達となってい
るので固体−気体間の熱伝達に比べて熱伝達性能が良
い。

この冷却されたフロン液10内に，気泡発生板15を通じて
フロンガスが気泡20（第２図）として導入されると，こ
の気泡20が凝縮室４の上方へ上昇していく過程でフロン
液10によって冷却されて凝縮する。また，本発明の凝縮
器ではフロンガスをフロン液の下部から吹き込むので，
この気泡吹き込みによる攪拌が強力に発生し，特に伝熱
管６と液との界面に拡散流が発生することによって伝熱
管６とフロン液10との熱伝達が非常に促進される。この
ようにして，フロンガス気泡20とフロン液10とが直接接
触する熱伝達によって凝縮が行われるため，従来の気体
−固体間の熱伝達による凝縮に比べて熱伝達性能が非常
に良い。即ち，従来の気体−固体間の凝縮による熱透過
係数は300乃至千数百kcal/m²℃ｈであったが，本発明の
気体−液体間の凝縮では熱伝達性能を数千kcal/m²℃ｈ
とすることが可能である。

凝縮液化された凝縮液は凝縮室４上方部まで上昇した後
下降してくるが，その下降流れ18は制御板11により凝縮
室４の内周面沿いに流れるように制御され，再び室内中
央部に移動して上昇流となる。かような液の攪拌と循環
が行われる間において，凝縮分に相当する液は，室のほ
ぼ中央側部に存在する凝縮液取出し口９から，気泡は実
質的に流れ出さずに取り出される。またフロンガスに不
活性ガス19が混合していた場合，該不活性ガス19は不活
性ガス取出し口８より凝縮室４外部へ適宜排出される。

この液体−気体の直接接触の動作は連続して行われる
が，稼働初期においては，凝縮室４のフロン液10を充分
に冷却したあと，気体流入口７からフロンガスを導入す
る。このフロン液10の予冷は給気室16内にもフロン液10
を充満した状態で行なうことができる。そして，このフ
ロン液10が給気室16内に充満した状態でフロンガスの導
入を開始すると，給気室16内のフロン液は，導入される
フロンガスが有する圧で排出させられフロンガスが有す
る熱によって蒸発し該空間はやがてフロンガスで占める
ことになり，以後はその状態で連続動作が行われる。

第４図は，前述の凝縮器を使用した熱サイクル装置を示
したものである。第４図において,1は前述の凝縮器を,2
2は蒸発器を示しており，凝縮器１の液取出し口19から
蒸発器22に通ずる液配管23にポンプ24および絞り弁25を
介装し，蒸発器22から凝縮器１の気体流入口７に高圧配
管26を配設し，熱媒としててフロンがその中を循環する
クローズド熱サイクルを形成したものである。第４図に
おける蒸発器22は高温水を抜熱流体とする熱交換器であ
り，例えばシエルアンドチューブ型熱交換器を使用し，
チューブ内に高温水をそしてシエル内に熱媒液を通流す
ることによりシエル内を蒸発器に構成することができ
る。また通常のフインチューブ型のコイルを使用し，コ
イル内に熱媒液を通流するようにしてもよい。この場合
には，第５図に示すように，高温気体を抜熱流体として
熱交換コイル22aの表面に通過させるようにすることも
できる。いずれにしても，蒸発器22は抜熱用二次流体を
冷却する機能をもつことから，冷凍機や冷房機の吸熱機
器を構成することになる。

この熱サイクル装置の特徴は，前述のように凝縮器１が
シエル内に多数本のチユーブ６を横方向に配置してなる
シエルアンドチューブ型熱交換器からなり，この熱交換
器のシエル側に熱媒（フロン）が，そしてチユーブ６内
に放熱用流体（冷却水）が通流されることにより該シエ
ル内が凝縮室に構成され，この凝縮室内に該熱媒を液体
状態で且つ該チユーブ６の管壁表面の実質上全てを覆う
に充分な量で充填したうえ，その液層の下部に，蒸発器
22で気化した気体熱媒を気泡状で導入するための気体熱
媒導入手段15を設け，この手段15よりも上方の液層位置
から液の一部を蒸発器に向けて抜き出すための液体熱媒
導出口19を該凝縮室に設け，運転中は該凝縮室内におい
て常に液体−気体の直接熱交換で凝縮操作を行わせる点
にある。そのさい，稼働中において，チューブ６のほぼ
全ての管壁表面を覆うに充分な液量を凝縮室内に常時滞
留させるには，液面検出計27による検出値を指示値とし
たポンプ24の回転数制御或いはポンプ24の吸込側の液管
路に設けた制御弁28の開度制御によって行うことができ
る。これによって，クローズドサイクル内での熱媒の凝
縮動作は，気体熱媒の気泡と液体熱媒との直接熱交換に
よって行われ，しかも，液体熱媒の攪拌が該気泡によっ
て助成されることから（特にチューブ外壁周囲の液膜が
拡散することから）冷却水と液体熱媒との熱伝達効率が
向上するので凝縮効率が向上し，ひいては気体熱媒から
冷却水への熱伝達が極めて高い効率のもとで行われ，凝
縮器自体の容量がそれほど大きくなくても，意図する凝
縮挙動が完全に実現できる。

第６図は，蒸発器22で得られた高圧気体熱媒を利用して
動力を回収するようにした以外は，第４図と同様の熱サ
イクル装置を示したものである。すなわち，蒸発器22か
ら凝縮器１に通ずる高圧ガス管路26にタービン30を介装
し，このタービン30によって発電機31で電力を取り出す
ようにしたものである。かような動力回収装置は，温泉
や工場等での過剰な熱水を熱源とするのに適用され，こ
のため，蒸発器22は熱水と効率よく熱交換できるものを
使用する。

例えば，第７図に示したように，熱水槽33の底部に熱水
またはスチームを噴出する噴出管34を配置することによ
って，槽33内の熱水を攪拌しつつ高温を維持せしめ，こ
の熱水槽33内に凝縮器１で得られた液体熱媒が通流する
熱交換コイル35を浸漬する。さらに，該熱水槽33内には
内容積の大きなチヤンバー36（蒸発器）も浸漬してお
き，このチヤンバー36内にコイル35を通過して昇温した
熱媒を噴射して気化させる。このチヤンバー36内には適
宜槽内の熱水が通流する伝熱管を配置しておくこともで
きる。これによってチヤンバー36（蒸発器）では高圧の
熱媒蒸気が効率よく得られ，この高圧蒸気を利用してタ
ービン30を駆動する。タービン30を通過した熱媒気体は
再び凝縮器１に戻って液化される。

なお前述の実施例では作動媒体としてフロンを用いた例
を示したが，アンモニア等の低温度差エネルギー回収サ
イクルで使用される通常の熱媒を使用しても同様に稼働
することができる。

〔効果〕

以上のようにして，本発明に従う凝縮器では気体熱媒は
気泡となって凝縮室内部の冷却された液体熱媒と直接接
触し，気体（気泡）−液体間の熱伝達で凝縮されるので
従来の凝縮器の気体−固体（伝熱管）の熱伝達に比べて
熱伝達性能が格段に向上し，しかも気体熱媒の気泡によ
って凝縮室内の液体熱媒の攪拌が行われるので伝熱管表
面での固体−液体間の熱伝達も極めて良好となり，少な
い伝熱面積でも大きな凝縮効果が得られる。このため，
凝縮器を小型化することができ，熱サイクル装置に使用
したときに，安価でしかも効率の良い装置に構成するこ
とができる。特に熱水からの動力回収装置等は，装置が
大掛かりになるためにその実用化の妨げになっていた
が，本発明によって効率のよう小型の凝縮器が得られた
ことは，かような動力回収装置の改善に大きく貢献でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は，本発明に従う凝縮器の例を示す縦断面図， 第２図は，第１図の一部を破断したＡ−Ａ線拡大横断面
図， 第３図（イ）乃至（ハ）は，気泡発生板の構成図で
（イ）は正面図，（ロ）は平面図，（ハ）は側面図， 第４図は，本発明に従う熱サイクル装置の実施例を示す
略断面図， 第５図は，第４図の熱サイクル装置における別の蒸発器
を用いた例を示す略断面図， 第６図は，本発明に従う動力回収熱サイクル装置の実施
例を示す略断面図， 第７図は，第６図における蒸発器の好ましい例を示す略
断面図である。 １……凝縮器本体,4……凝縮室,6……伝熱管,7……気体
流入口,10……凝縮室内に充填された液体,15……気泡発
生板,16……給気室,17……冷却水,20……凝縮すべき気
体の気泡,22……蒸発器,23……液配管,24……ポンプ,25
……絞り弁,26……高圧配管,33……熱水槽,35……熱交
換コイル,36……チヤンバー式蒸発器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に冷却流体の通流する複数本の伝熱管
   を配設した凝縮室内に，凝縮すべき気体を導入して該気
   体の凝縮を行う凝縮器において，該凝縮室内に該伝熱管
   により冷却される液体を充填し，この充填液体中に凝縮
   すべき気体を気泡状で導入するための気泡発生手段を該
   凝縮室底部に設けたことを特徴とする直接接触型凝縮
   器。
2. 【請求項２】充填液体は，凝縮すべき気体と同一の物質
   である請求項１に記載の直接接触型凝縮器。
3. 【請求項３】クローズド配管系内に配置された蒸発器と
   凝縮器との間を熱媒を強制的に循環させ，該蒸発器で気
   化した気体熱媒を該凝縮器で液化させ，この液体熱媒を
   再び蒸発器に循環するようにした熱サイクル装置におい
   て， 前記の凝縮器がシエル内に多数本のチユーブを横方向に
   配置してなるシエルアンドチューブ型熱交換器からな
   り，この熱交換器のシエル側に該熱媒が，そしてチユー
   ブ側に放熱用流体が通流されることにより該シエル内が
   凝縮室に構成され， この凝縮室内に該熱媒が液体状態で且つ該チユーブの管
   壁表面の実質上全てを覆うに充分な量で充填され， この凝縮室内に充填された液層の下部に前記の蒸発器で
   気化した気体熱媒を気泡状で導入するための気体熱媒導
   入手段が設けられ， 該手段よりも上方の液層位置から液の一部を蒸発器に向
   けて抜き出すための液体熱媒導出口が該凝縮室に設けら
   れたことを特徴とする熱サイクル装置。
4. 【請求項４】熱媒はフロンまたはアンモニアである請求
   項３に記載の熱サイクル装置。
5. 【請求項５】蒸発器から凝縮器に至る気体熱媒通路に動
   力回収用タービンが配置される請求項３または４に記載
   の熱サイクル装置。
6. 【請求項６】蒸発器は熱水槽内に浸漬される請求項５に
   記載の熱サイクル装置。