(57)【要約】【課題】扁平形状を有する伝熱管の平坦な伝熱面に冷媒などの液体を行き渡らせるための技術を提供する。【解決手段】本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル（２０１）と、シェル（２０１）の内部に並べられ、それぞれ平坦な伝熱面（２０２ｐ）を有する複数の伝熱管（２０２）と、複数の伝熱管（２０２）に向かって液体を噴霧する噴霧ノズル（２０４）と、複数の伝熱管（２０２）から選ばれる特定の伝熱管（２０２Ａ）の平坦な伝熱面（２０２ｐ）に沿って配置され、噴霧ノズル（２０４）から噴霧された液体を捕獲して特定の伝熱管（２０２Ａ）の平坦な伝熱面（２０２ｐ）に拡散させるトラップ（１２）と、を備えている。【選択図】図５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェルと、
前記シェルの内部に並べられ、それぞれ平坦な伝熱面を有する複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管に向かって液体を噴霧する噴霧ノズルと、
前記複数の伝熱管から選ばれる特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に沿って配置され、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を捕獲して前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に拡散させるトラップと、
を備えた、シェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項２】
前記トラップは、毛管現象によって前記液体を前記平坦な伝熱面に拡散させる、
請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項３】
前記トラップは、第１部分及び第２部分を有し、
前記第１部分は、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を捕獲する部分であり、
前記第２部分は、前記第１部分によって捕捉された前記液体を前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に拡散させる部分である、
請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項４】
前記第２部分の単位時間あたりの吸液量は、前記第１部分の単位時間あたりの吸液量よりも大きい、請求項３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項５】
前記第１部分は、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面から前記噴霧ノズルに向かって突出している部分であり、
前記第２部分は、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に接する又は向かい合う部分である、
請求項３又は４に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項６】
前記第１部分がメッシュによって構成され、
前記第２部分が複数のワイヤによって構成されている、請求項３から５のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項７】
前記トラップは、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に向かってそれぞれ開口している複数の貫通孔を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項８】
前記トラップは、貫通多孔体及び複数のワイヤからなる群より選ばれる少なくとも１つによって構成されている、
請求項１から７のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項９】
前記貫通多孔体がメッシュである、請求項８に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項１０】
前記特定の伝熱管は、前記複数の伝熱管の並び方向において最も外側に位置する伝熱管である、
請求項１から１０のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項１１】
前記複数の伝熱管は、前記複数の伝熱管の並び方向において最も外側に位置する１対の伝熱管を含み、
前記１対の伝熱管のそれぞれが前記特定の伝熱管を構成し、
前記１対の伝熱管のそれぞれに沿って前記トラップが設けられている、
請求項１から９のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項１２】
前記噴霧ノズルは、前記平坦な伝熱面に平行な方向に向かって前記液体を噴霧する、
請求項１から１１のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器と、
前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
を備えた、冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は、特許文献１に記載されたシェルアンドチューブ式熱交換器の構成を示している。特許文献１に記載されたシェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル１、扁平伝熱管２、ノズル部材３及び冷却媒体流入管４を備えている。扁平伝熱管２は、３列及び４段で配置されている。冷却媒体は、ノズル部材３から扁平伝熱管２に向けて噴出される。扁平伝熱管２の扁平面に冷却媒体が接触して扁平伝熱管２の内部を流通する被冷却媒体と熱交換を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３０３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
扁平形状を有する伝熱管をシェルアンドチューブ式熱交換器に使用すると、シェルの内部における伝熱管の実装密度を高めることができるので、シェルアンドチューブ式熱交換器の単位体積あたりの伝熱面積を増加させるのに有利である。つまり、扁平形状を有する伝熱管を使用することは、シェルアンドチューブ式熱交換器の小型化に有利である。
【０００５】
しかし、扁平形状の伝熱管は幅方向に長いので、噴霧ノズルから伝熱管の伝熱面に冷媒などの液体を行き渡らせることは容易ではない。
【０００６】
本開示は、扁平形状を有する伝熱管の平坦な伝熱面に冷媒などの液体を行き渡らせるための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、
シェルと、
前記シェルの内部に並べられ、それぞれ平坦な伝熱面を有する複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管に向かって液体を噴霧する噴霧ノズルと、
前記複数の伝熱管から選ばれる特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に沿って配置され、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を捕獲して前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に拡散させるトラップと、
を備えた、シェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の技術によれば、扁平形状を有する伝熱管の平坦な伝熱面に冷媒などの液体を行き渡らせることができる。これにより、シェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】図２は、II-II線に沿った蒸発器の縦断面図である。
【図３】図３は、III-III線に沿った蒸発器の縦断面図である。
【図４】図４は、伝熱管の断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、シェルの内部に並べられた伝熱管を上方から見たときの図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、シェルの内部に並べられた伝熱管を伝熱面に垂直な方向から見たときの図である。
【図６Ａ】図６Ａは、トラップの第１部分と第２部分との位置関係を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、トラップの第１部分と第２部分との別の位置関係を示す図である。
【図７】図７は、扁平伝熱管を用いた従来の熱交換器の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
所定の並び方向に並べられた複数の伝熱管に向けて横から放射状に液体を噴霧すると、並び方向において最も外側に位置する伝熱管の伝熱面及びその近くに位置している伝熱管の伝熱面には液体が行き渡りにくい。特に、並び方向において最も外側に位置する伝熱管の外側の伝熱面には、液体が全く供給されないこともありうる。扁平形状の伝熱管は幅方向に長いので、扁平形状の伝熱管を用いたシェルアンドチューブ式熱交換器では、円管断面の伝熱管を用いたシェルアンドチューブ式熱交換器に比べ、上記の問題がより顕在化する。
【００１１】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、
シェルと、
前記シェルの内部に並べられ、それぞれ平坦な伝熱面を有する複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管に向かって液体を噴霧する噴霧ノズルと、
前記複数の伝熱管から選ばれる特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に沿って配置され、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を捕獲して前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に拡散させるトラップと、
を備えている。
【００１２】
第１態様によれば、扁平形状を有する伝熱管の平坦な伝熱面に冷媒などの液体を行き渡らせることができる。これにより、シェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換効率が向上する。
【００１３】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記トラップは、毛管現象によって前記液体を前記平坦な伝熱面に拡散させてもよい。このような構成によれば、液体を伝熱面の端までスムーズに行き渡らせることができる。
【００１４】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記トラップは、第１部分及び第２部分を有していてもよく、前記第１部分は、前記噴霧ノズルから噴霧された前記液体を捕獲する部分であってもよく、前記第２部分は、前記第１部分によって捕捉された前記液体を前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に拡散させる部分であってもよい。このような構成によれば、特定の伝熱管の伝熱面に液体を効率的に供給することが可能である。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記第２部分の単位時間あたりの吸液量は、前記第１部分の単位時間あたりの吸液量よりも大きくてもよい。このような構成によれば、第１部分で補足した液体を無駄なく伝熱面に拡散させて蒸発させることができる。
【００１６】
本開示の第５態様において、例えば、第３又は第４態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記第１部分は、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面から前記噴霧ノズルに向かって突出している部分であってもよく、前記第２部分は、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に接する又は向かい合う部分であってもよい。このような構成によれば、従来は無駄になっていた液体のミストを伝熱管に接触させて確実に蒸発させることができる。
【００１７】
本開示の第６態様において、例えば、第３から第５態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記第１部分がメッシュによって構成されていてもよく、前記第２部分が複数のワイヤによって構成されていてもよい。このような構成によれば、第２部分の開口の粗さが第１部分の開口の粗さを上回るように材料を選択しやすい。
【００１８】
本開示の第７態様において、例えば、第１から第６態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記トラップは、前記特定の伝熱管の前記平坦な伝熱面に向かってそれぞれ開口している複数の貫通孔を有していてもよい。このような構成によれば、伝熱面において蒸発及び気化した媒体が貫通孔を通じてシェルの内部空間にスムーズに導かれる。
【００１９】
本開示の第８態様において、例えば、第１から第７態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記トラップは、貫通多孔体及び複数のワイヤからなる群より選ばれる少なくとも１つによって構成されていてもよい。このような構成によれば、毛管現象によって液体を拡散させることができる。
【００２０】
本開示の第９態様において、例えば、第８態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記貫通多孔体がメッシュであってもよい。メッシュは、様々な種類のものが市販されており、所望の設計のものを入手しやすい。
【００２１】
本開示の第１０態様において、例えば、第１から第１０態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記特定の伝熱管は、前記複数の伝熱管の並び方向において最も外側に位置する伝熱管であってもよい。このような構成によれば、並び方向において最も外側に位置する伝熱管の伝熱面を液体で十分に濡らすことができる。
【００２２】
本開示の第１１態様において、例えば、第１から第９態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記複数の伝熱管は、前記複数の伝熱管の並び方向において最も外側に位置する１対の伝熱管を含んでいてもよく、前記１対の伝熱管のそれぞれが前記特定の伝熱管を構成してもよく、前記１対の伝熱管のそれぞれに沿って前記トラップが設けられていてもよい。このような構成によれば、並び方向における両端に位置する１対の伝熱管のそれぞれにおいて、上記した効果が得られる。
【００２３】
本開示の第１２態様において、例えば、第１から第１１態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記噴霧ノズルは、前記平坦な伝熱面に平行な方向に向かって前記液体を噴霧してもよい。このような構成によれば、噴霧ノズルの数が複数の伝熱管の数よりも大幅に少なかったとしても、伝熱管と伝熱管との隙間に液体のミストを効率的に侵入させることができる。
【００２４】
本開示の第１３態様に係る冷凍サイクル装置は、
第１から第１２態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器と、
前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
を備えている。
【００２５】
本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器を用いることによって、冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が向上しうる。
【００２６】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２７】
（実施形態）
図１は、本実施形態のシェルアンドチューブ式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置１００の構成を示している。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１０１、圧縮機１０２、凝縮器１０３、流量弁１０４、流路１１０ａ、流路１１０ｂ、流路１１０ｃ及び流路１１０ｄを備えている。蒸発器１０１の出口は流路１１０ａによって圧縮機１０２の吸入口に接続されている。圧縮機１０２の出口は流路１１０ｂによって凝縮器１０３の入口に接続されている。凝縮器１０３の出口は、流路１１０ｃによって流量弁１０４の入口に接続されている。流量弁１０４の出口は流路１１０ｄによって蒸発器１０１の入口に接続されている。流路１１０ａ及び流路１１０ｂは蒸気経路であり、流路１１０ｃ及び流路１１０ｄは液経路である。各経路は、例えば、少なくとも１つの金属製の配管で構成されている。
【００２８】
圧縮機１０２を起動すると、蒸発器１０１において冷媒が加熱されて蒸発する。これにより、気相冷媒が生成される。気相冷媒は圧縮機１０２に吸入されて圧縮される。圧縮された気相冷媒は圧縮機１０２から凝縮器１０３に供給される。気相冷媒は凝縮器１０３で冷却されて凝縮及び液化する。これにより、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、流量弁１０４を経由して凝縮器１０３から蒸発器１０１に戻される。
【００２９】
冷媒の種類は特に限定されない。冷媒としては、フロン冷媒、低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒、自然冷媒などが挙げられる。フロン冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）及びＨＦＣ（hydrofluorocarbon）が挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ及び水が挙げられる。自然冷媒としては、二酸化炭素及び水が挙げられる。
【００３０】
冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む冷媒であってもよい。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。「負圧」は、絶対圧で大気圧よりも低い圧力を意味する。「常温」は、日本工業規格（JIS Z8703）によれば、２０℃±１５℃の範囲内の温度を意味する。
【００３１】
冷凍サイクル装置１００は、例えば、業務用又は家庭用の空気調和装置である。蒸発器１０１で冷却された熱媒体が回路１０５を通じて室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器１０３で加熱された熱媒体が回路１０６を通じて室内に供給され、室内の暖房に利用される。熱媒体は、例えば、水である。ただし、冷凍サイクル装置１００は空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置など他の装置であってもよい。
【００３２】
回路１０５は、蒸発器１０１の伝熱管に水を循環させる回路である。回路１０５は、外気から隔離された密閉回路であってもよい。
【００３３】
本実施形態において、「熱媒体」の語句に代えて「水」の語句を使用する。ただし、回路１０５を流れる第１流体としての熱媒体は水に限定されず、オイル、ブラインなどの液体であってもよく、空気などの気体であってもよい。
【００３４】
図２は、II-II線に沿った蒸発器１０１の縦断面を示している。図２に示すように、蒸発器１０１は、シェルアンドチューブ式熱交換器で構成されている。具体的に、蒸発器１０１は、シェル２０１、複数の伝熱管２０２、複数のヘッダー２０３、複数の噴霧ノズル２０４、循環回路２０５、循環ポンプ２０６、流入管２０７及び流出管２０８を備えている。複数の伝熱管２０２、複数のヘッダー２０３、複数の噴霧ノズル２０４、循環回路２０５及び循環ポンプ２０６は、シェル２０１の内部に配置されている。蒸発器１０１において冷媒を効率的に蒸発させることによって冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が向上しうる。
【００３５】
流入管２０７及び流出管２０８には、それぞれ、流路１１０ｄ及び流路１１０ａが接続されうる。
【００３６】
伝熱管２０２は、多穴かつ扁平形状の伝熱管である。伝熱管２０２の入口から出口に向かって水が流れる。平坦な伝熱面が鉛直方向に平行となるように複数の伝熱管２０２がヘッダー２０３とヘッダー２０３との間に並べられている。図２では、Ｚ軸に平行な方向が鉛直方向である。
【００３７】
伝熱管２０２の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材料が挙げられる。
【００３８】
本実施形態では、伝熱管２０２は、鉛直方向に３段で配置されている。噴霧される液相冷媒の量は、各段で等しくてもよく、異なっていてもよい。
【００３９】
シェル２０１は、その底部に液相冷媒を貯留するように構成されている。循環回路２０５は、シェル２０１の底部と噴霧ノズル２０４のそれぞれとを接続している。循環回路２０５に循環ポンプ２０６が配置されている。循環ポンプ２０６の働きにより、シェル２０１の底部に貯留された液相冷媒が循環回路２０５を通じて噴霧ノズル２０４に供給される。このような構成によれば、液相冷媒の回収が容易であるとともに、噴霧ノズル２０４に液相冷媒を供給するためのエネルギー消費を抑えることができる。
【００４０】
噴霧ノズル２０４は、横から水平方向に伝熱管２０２に向かって液相冷媒を噴霧するように配置されている。詳細には、噴霧ノズル２０４は、複数の伝熱管２０２の側面に向かい合っており、複数の伝熱管２０２に向かって液相冷媒を放射状に噴霧する。本実施形態において、水は、図面の上から下に向かって伝熱管２０２の中を流れる。液相冷媒は、第１流体の一例である水と熱交換するべき第２流体の一例である。
【００４１】
本実施形態において、シェル２０１は矩形の断面形状を有しているが、円形の断面形状を有してもよい。また、シェル２０１は、耐圧容器であってもよい。
【００４２】
図３は、III-III線に沿った蒸発器１０１の断面を示している。
【００４３】
伝熱管２０２は、鉛直方向にシェル２０１の下部から上部に向かって延びるように、シェル２０１の内部に配置されている。鉛直方向における伝熱管２０２の両端部は、ヘッダー２０３に接続されている。伝熱管２０２内に水が流れる。伝熱管２０２に水を流す方法は、ヘッダーを用いない別の方法でもよい。
【００４４】
ヘッダー２０３の入口は、管板カバー２０９ａに接続されている。ヘッダー２０３の出口は、管板カバー２０９ｂに接続されている。管板カバー２０９ａには水が流入する入口管３０１が設けられている。管板カバー２０９ｂには伝熱管２０２において熱交換された水が流出する出口管３０２が設けられている。つまり、水は、シェル２０１の下部に位置する入口管３０１から蒸発器１０１に流入する。そして、水は、複数のヘッダー２０３及び伝熱管２０２を経由して、シェル２０１の上部に位置する出口管３０２から蒸発器１０１の外部に流出する。
【００４５】
管板カバー２０９の内部の流路は、仕切り板３０３によって仕切られている。ヘッダー２０３から流出した水が直上のヘッダー２０３に流入するように管板カバー２０９ａ及び２０９ｂの内部が仕切られている。
【００４６】
図４は、伝熱管２０２の断面を示している。伝熱管２０２は、１対の平坦な伝熱面２０２ｐを有するように、管状の外壁４０１と複数の隔壁４０２とによって構成されている。外壁４０１と隔壁４０２とによって囲まれた空間が水の流路４０３である。外壁４０１及び隔壁４０３は、それぞれ、薄板によって構成されている。薄板の厚さは、例えば、０．５ｍｍから０．８ｍｍの範囲にある。流路４０３は、例えば、四角形の断面形状を有する。伝熱管２０２の断面において、流路４０３の一辺は、例えば、０．５ｍｍから３ｍｍの範囲にある。流路４０３は、円形、三角形などの他の形状の断面を有していてもよい。流路４０３の内壁面に微細な溝又はフィンを形成して表面積を増大させてもよい。
【００４７】
圧縮機１０２は、遠心圧縮機などの速度型圧縮機であってもよく、スクロール圧縮機などの容積型圧縮機であってもよい。
【００４８】
凝縮器１０３の型式は特に限定されない。プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などの熱交換器が凝縮器１０３に使用されうる。
【００４９】
蒸発器１０１を更に詳細に説明する。
【００５０】
図５Ａは、シェル２０１の内部に並べられた伝熱管２０２を上方から見たときの図である。図５Ｂは、シェル２０１の内部に並べられた伝熱管２０２を伝熱面２０２ｐに垂直な方向から見たときの図である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、ヘッダー２０３は省略されている。複数の伝熱管２０２は、シェル２０１の内部において、所定方向に並べられている。本実施形態では、伝熱面２０２ｐが鉛直方向に平行となるように、シェル２０１の内部に複数の伝熱管２０２が水平方向に並べられている。図５Ａでは、Ｙ軸に平行な方向が複数の伝熱管２０２の並び方向である。
【００５１】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、蒸発器１０１は、トラップ１２をさらに備えている。トラップ１２は、複数の伝熱管２０２から選ばれる特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐに沿って配置され、噴霧ノズル２０４から噴霧された液相冷媒を捕獲して特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐに拡散させる。液相冷媒は、伝熱面２０２ｐに接触し、特定の伝熱管２０２Ａの中の熱媒体と熱交換し、蒸発する。トラップ１２によれば、特定の伝熱管２０２Ａの伝熱面２０２ｐに液相冷媒を行き渡らせることができる。これにより、蒸発器１０１の熱交換効率が向上し、ひいては冷凍サイクル装置１００のＣＯＰが向上する。
【００５２】
本実施形態において、噴霧ノズル２０４は、伝熱管２０２の平坦な伝熱面２０２ｐに平行な方向に向かって液相冷媒を噴霧する。このような構成によれば、噴霧ノズル２０４の数が複数の伝熱管２０２の数よりも大幅に少なかったとしても、伝熱管２０２と伝熱管２０２との隙間に液相冷媒のミストを効率的に侵入させることができる。図５Ａ及び図５Ｂでは、Ｘ軸に平行な方向が伝熱面２０２ｐに平行な方向である。
【００５３】
本実施形態において、特定の伝熱管２０２Ａは、複数の伝熱管２０２の並び方向において最も外側に位置する伝熱管２０２である。並び方向において最も外側に位置する伝熱管２０２には、液相冷媒のミストが最も届きにくい。したがって、並び方向において最も外側に位置する伝熱管２０２に沿ってトラップ１２が設けられている場合、当該伝熱管２０２の伝熱面２０２ｐを液相冷媒で十分に濡らすことができる。結果として、蒸発器１０１の熱交換効率が向上する。最も外側に位置する伝熱管２０２以外の伝熱管２０２に沿ってトラップ１２が設けられていてもよい。ただし、本実施形態によれば、熱交換効率の向上の効果がより十分に得られる。
【００５４】
詳細には、トラップ１２は、複数の伝熱管２０２の並び方向において最も外側に位置する平坦な伝熱面２０２ｐに沿って配置されている。並び方向において最も外側に位置する平坦な伝熱面２０２ｐは、他の伝熱管２０２の伝熱面２０２ｐと向かい合っておらず、液相冷媒のミストが非常に届きにくい。このような伝熱面２０２ｐに沿ってトラップ１２が設けられていると、熱交換効率の向上の効果がより十分に得られる。
【００５５】
本実施形態において、トラップ１２は、並べられた複数の伝熱管２０２の両側に設けられている。複数の伝熱管２０２は、複数の伝熱管２０２の並び方向における両端に位置する１対の伝熱管２０２を含む。１対の伝熱管２０２のそれぞれが特定の伝熱管２０２Ａを構成する。１対の伝熱管２０２のそれぞれに沿ってトラップ１２が設けられている。言い換えれば、複数の伝熱管２０２が１対のトラップ１２によって挟まれている。このような構成によれば、並び方向における両端に位置する１対の伝熱管２０２のそれぞれにおいて、上記した効果が得られる。
【００５６】
トラップ１２は、毛管現象によって液相冷媒を平坦な伝熱面２０２ｐに拡散させるように構成されている。このような構成によれば、液相冷媒を伝熱面２０２ｐの端までスムーズに行き渡らせることができる。
【００５７】
本実施形態において、トラップ１２は、シート状の材料によって構成されている。トラップ１２は、特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐに向かってそれぞれ開口している複数の貫通孔を有する。このような構成によれば、伝熱面２０２ｐにおいて蒸発及び気化した冷媒が貫通孔を通じてシェル２０１の内部空間にスムーズに導かれる。
【００５８】
トラップ１２は、例えば、貫通多孔体及び複数のワイヤからなる群より選ばれる少なくとも１つによって構成されている。トラップ１２がこのような材料によって構成されている場合、毛管現象によって液相冷媒を拡散させることができる。液相冷媒が伝熱面２０２ｐの隅々まで行き渡ることによって、熱交換効率の更なる向上を期待できる。
【００５９】
貫通多孔体としては、メッシュ、パンチングメタル、スポンジなどが挙げられる。例えば、メッシュは、様々な種類のものが市販されており、所望の設計のものを入手しやすい。複数のワイヤは、トラップ１２が毛管現象を発揮できるように密に配置されうる。例えば、複数のワイヤが水平方向に延びていると、液相冷媒がワイヤに沿って流れることができるので、伝熱面２０２ｐにスムーズに液相冷媒が拡散されうる。トラップ１２が複数のワイヤで構成されている場合、隣り合うワイヤ間の線状の隙間（スリット）がトラップ１２の貫通孔を構成する。
【００６０】
トラップ１２は、伝熱管２０２に接していてもよいし、伝熱管２０２から離れていてもよい。トラップ１２が伝熱管２０２に接する構造は製造しやすいうえ、トラップ１２と伝熱面２０２ｐとの間隔を維持するための工夫も必要としない。トラップ１２が伝熱管２０２から離れている場合、気化した冷媒がシェル２０１の内部の空間に拡散しやすい。
【００６１】
トラップ１２は、金属製であってもよく、樹脂製であってもよい。
【００６２】
図５Ｂに示すように、伝熱面２０２ｐに垂直な方向から伝熱管２０２を見たとき、トラップ１２は、伝熱面２０２ｐの大部分を覆っている。伝熱面２０２ｐの全部がトラップ１２に覆われていてもよい。
【００６３】
本実施形態において、トラップ１２は、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂを有する。第１部分１２ａは、噴霧ノズル２０４から噴霧された液相冷媒のミストを捕獲する部分である。第２部分１２ｂは、第１部分１２ａによって捕捉された液体を特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐに拡散させる部分である。このような構成によれば、特定の伝熱管２０２Ａの伝熱面２０２ｐに液相冷媒を効率的に供給することが可能である。特に、トラップ１２が毛管現象によって液相冷媒を平坦な伝熱面２０２ｐに拡散させるように構成されている場合、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂによって、液相冷媒を確実に捕捉して伝熱面２０２ｐに拡散させることができる。第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂのそれぞれの役割に適した材料を選択してトラップ１２を構成することができる。
【００６４】
図５Ａに示すように、第１部分１２ａは、平坦な伝熱面２０２ｐに平行な平面内において、特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐから噴霧ノズル２０４に向かって突出している部分である。Ｘ軸に平行な方向において、第１部分１２ａは、伝熱管２０２の前縁よりも噴霧ノズル２０４の近くに位置している。第２部分１２ｂは、特定の伝熱管２０２Ａの平坦な伝熱面２０２ｐに接する又は向かい合う部分である。このような構成によれば、噴霧ノズル２０４から噴霧された液相冷媒を第１部分１２ａによって確実に捕捉することができ、第２部分１２ｂによって伝熱面２０２ｐに確実に拡散させることができる。従来は無駄になっていた液相冷媒のミストを伝熱管２０２に接触させて確実に蒸発させることができる。
【００６５】
第２部分１２ｂが伝熱面２０２ｐから離れている場合、表面張力によって液相冷媒が第２部分１２ｂから伝熱面２０２ｐへと移動するように、第２部分１２ｂと伝熱面２０２ｐとの間の隙間の広さが調整されうる。
【００６６】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第１部分１２ａは、第２部分１２ｂに接している。本実施形態では、第１部分１２ａを構成する材料が第２部分１２ｂを構成する材料と異なる。第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂは、平面視で矩形の形状を有するシート状の材料によって構成されている。第１部分１２ａの一部が第２部分１２ｂに重なっている。このような構成によれば、第１部分１２ａから第２部分１２ｂへと液相冷媒がスムーズに移動しうる。第１部分１２ａと第２部分１２ｂとは、溶接によって接合されていてもよく、接着剤を用いて接合されていてもよい。接着剤には、樹脂接着剤だけでなく、半田のような無機接着剤も含まれる。
【００６７】
本実施形態では、第２部分１２ｂの面積が第１部分１２ａの面積よりも大きい。第２部分１２ｂの面積を十分に確保することによって、伝熱面２０２ｐの隅々まで液相冷媒を行き渡らせることが可能である。ただし、第２部分１２ｂの面積が第１部分１２ａの面積に等しい場合もありうる。第２部分１２ｂの面積が第１部分１２ａの面積よりも小さい場合もありうる。
【００６８】
図６Ａは、トラップ１２の第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの位置関係を示している。図６Ｂは、トラップ１２の第１部分１２ａと第２部分１２ｂとの別の位置関係を示している。図６Ａに示す例では、伝熱管２０２と第２部分１２ｂとの間に第１部分１２ａが位置するように、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとが重ね合わされている。図６Ｂに示す例では、伝熱管２０２と第１部分１２ａとの間に第２部分１２ａが位置するように、第１部分１２ａと第２部分１２ｂとが重ね合わされている。
【００６９】
図６Ａに示す位置関係は、図６Ｂに示す位置関係よりも有利な可能性がある。噴霧ノズル２０４からの液相冷媒Ｗは、第１部分１２ａによって捕捉され、第２部分１２ｂに進む。図６Ａに示す位置関係によれば、液相冷媒Ｗは、噴霧方向への慣性の助けを借りて、第１部分１２ａから第２部分１２ｂへと進むことができる。他方、図６Ｂに示す位置関係によれば、液相冷媒Ｗは、慣性の方向とは逆方向に進む必要があるので、毛管現象の駆動力が十分に必要とされる。
【００７０】
本実施形態において、第１部分１２ａは、メッシュによって構成されている。第２部分１２ｂは、複数のワイヤによって構成されている。第２部分１２ｂにおいて、ワイヤは、伝熱管２０２の前縁から後縁にかけて水平方向に延びている。第１部分１２ａにおいて毛管現象が起こるように、メッシュの粗さが調整されている。第２部分１２ｂにおいても毛管現象が起こるように、ワイヤとワイヤとの間隔が調整されている。このような構成によれば、第２部分１２ｂの開口の粗さが第１部分１２ａの開口の粗さを上回るように材料を選択しやすい。この場合、第１部分１２ａで補足した液相冷媒の全量が第２部分１２ｂにスムーズに吸い取られ、伝熱面２０２ｐに拡散されうる。
【００７１】
第１部分１２ａが第１メッシュで構成され、第２部分１２ｂが第２メッシュで構成されていてもよい。第２メッシュは、第１メッシュよりも粗い。この場合も、第１部分１２ａで補足した液相冷媒の全量が第２部分１２ｂにスムーズに吸い取られ、伝熱面２０２ｐに拡散されうる。メッシュの粗さは、１インチあたりの開口の数によって表される。
【００７２】
ただし、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂが同一の材料によって構成されていてもよい。つまり、トラップ１２が単一の材料によって構成されていてもよい。単一の材料としては、一定の粗さのメッシュが挙げられる。
【００７３】
本実施形態において、第２部分１２ｂの単位時間あたりの吸液量は、第１部分１２ａの単位時間あたりの吸液量よりも大きい。第２部分１２ｂに吸収された液相冷媒は、平坦な伝熱面２０２ｐの上で熱媒体と熱交換して蒸発する。このような構成によれば、第１部分１２ａで補足した液相冷媒を無駄なく伝熱面２０２ｐに拡散させて蒸発させることができる。例えば、第１部分１２ａによって捕捉された液相冷媒の全量が第２部分１２ｂに吸収されて蒸発してもよい。
【００７４】
第１部分１２ａを構成する材料と第２部分１２ｂを構成する材料とを互いに異ならせことによって、第１部分１２ａの吸液能力と第２部分１２ｂの吸液能力とを異ならせることができる。ただし、第１部分１２ａ及び第２部分１２ｂが同一の材料によって構成されていてもよい。つまり、トラップ１２が単一の材料によって構成されていてもよい。
【００７５】
トラップ１２が毛管現象を奏する材料であって、かつ、厚さ方向に貫通した複数の孔を有する材料で構成されている場合、第１部分１２ａの吸液量及び第２部分１２ｂの吸液量は、第１部分１２ａの貫通孔の粗さ及び第２部分１２ｂの貫通孔の粗さに置き換えて考えることができる。
【００７６】
当業者に知られているように、貫通細孔モデルにおいて、吸水速度と細孔半径との関係は、以下の式（１）によって表される。
【００７７】
ｒ＝（２ηＬ2）／（γｔ）・・・（１）
ｒ：細孔半径（ｃｍ）
η：実験に使用する水又は液体の粘性（ｐｏｒｓｅ）
γ：実験に使用する水又は液体の表面張力（ｄｙｎｅ／ｃｍ）
Ｌ：試料の長さ（ｃｍ）
ｔ：試料の細孔の一端から他端まで吸水するのに要する時間（ｓｅｃ）
【００７８】
細孔半径ｒが小さければ小さいほど、時間ｔが大きい。つまり、細孔半径ｒが減少するにつれて、吸水速度が下がる。例えば、毛管現象を発揮する材料がメッシュであるとき、メッシュが粗ければ粗いほど吸水速度が速い。貫通孔の粗さが粗ければ粗いほど吸水速度が速い。
【００７９】
第２部分１２ｂの貫通孔の粗さが第１部分１２ａの貫通孔の粗さよりも粗い場合、「第２部分１２ｂの単位時間あたりの吸液量が第１部分１２ａの単位時間あたりの吸液量よりも大きい」の要件が満たされる。第１部分１２ａ及び／又は第２部分１２ｂが複数のワイヤで構成されている場合、「貫通孔の粗さ」は、１インチあたりのスリット（ワイヤ間の間隔）の数によって表される。第１部分１２ａ及び／又は第２部分１２ｂがメッシュで構成されている場合、メッシュの粗さは、１インチあたりの開口の数によって表される。
【００８０】
また、第２部分１２ｂの単位時間あたりの吸液量は、特定の伝熱管２０２Ａの伝熱面２０２ｐにおいて単位時間あたりに蒸発する冷媒の量以上であってもよい。このような要件が満たされていると、特定の伝熱管２０２Ａの伝熱面２０２ｐにおいてドライアウトが発生することを防止できる。「ドライアウト」は、伝熱面２０２ｐから液相冷媒の液膜が消失し、気相冷媒が伝熱面２０２ｐに直接接する状況を意味する。
【００８１】
次に、蒸発器１０１の作用を説明する。
【００８２】
ポンプ２０６を起動すると、液相冷媒がシェル２０１の底部から噴霧ノズル２０４に供給される。噴霧ノズル２０４は、伝熱管２０２に向けて液相冷媒を噴霧する。伝熱管２０２に熱媒体を流しながら伝熱管２０２に液相冷媒を噴霧すれば、伝熱管２０２において熱媒体と液相冷媒との熱交換が行われ、冷媒が蒸発して気相冷媒が生成される。液相冷媒は、噴霧ノズル２０４から水平方向に放射状に噴霧され、所定の枚数の伝熱管２０２に到達する。
【００８３】
トラップ１２が設けられていない場合、液相冷媒は、伝熱管の前縁を掠めて通過するため、複数の伝熱管の並び方向において最も外側に位置する平坦な伝熱面に直接到達し得ない。
【００８４】
これに対し、本実施形態によれば、トラップ１２の働きによって、複数の伝熱管２０２の並び方向において最も外側に位置する伝熱面２０２ｐをも液相冷媒で濡らすことができる。これにより、熱交換に寄与しない無駄な伝熱面２０２ｐが生じることを防止できるので、蒸発器１０１の熱交換効率が向上する。
【００８５】
単位時間あたりに第１部分１２ａに捕捉されるべき液相冷媒の量は、単位時間あたりに第２部分１２ｂによって伝熱面２０２ｐに拡散されて蒸発する液相冷媒の量と等しいことが理想的である。メッシュで構成された第１部分１２ａによって十分に液相冷媒のミストを補足しつつ、複数のスリットを持つ第２部分１２ｂによって液相冷媒が伝熱面２０２ｐに効率的に拡散されうる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本明細書に開示されたシェルアンドチューブ式熱交換器は、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器のみならず、凝縮器として使用されてもよい。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置に限定されず、吸収式冷凍機、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１２  トラップ
１２ａ  第１部分
１２ｂ  第２部分
１００  冷凍サイクル装置
１０１  蒸発器
１０２  圧縮機
１０３  凝縮器
２０１  シェル
２０２  伝熱管
２０２ｐ  伝熱面
２０４  噴霧ノズル
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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