(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記管群に、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群を上下に貫通するように設けられていることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の上側から半ばまで設けられていることを特徴とする蒸発器。
【請求項３】
冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の下側から半ばまで設けられていることを特徴とする蒸発器。
【請求項４】
冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記容器の上部に位置する管群に属する伝熱管が、下部に位置する管群に属する伝熱管と比べて疎に配列されていることを特徴とする蒸発器。
【請求項５】
請求項１、２、３または４記載の蒸発器と、該蒸発器において気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、該凝縮器において液化された前記冷媒を前記蒸発器に流す過程で前記冷媒を減圧する膨張弁とを備えることを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却物（例えば水、ブライン等）と冷媒との間で熱交換を行わせて被冷却物を冷却する蒸発器と、該蒸発器を具備する冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばビルのような大規模構造物においては、冷凍機で冷却した冷水を構造物内に布設した配管を通じて循環させ、各スペースの空気と熱交換させて冷房を行うようになっている。
【０００３】
冷凍機に具備される蒸発器の一例を図９に示す。蒸発器は、冷媒が導入される円筒形の容器１の中に冷水を流通する多数の伝熱管２が千鳥状に束になって配管された構造となっている。伝熱管２は、冷水入口３に連通する往路側の管と冷水出口４に連通する復路側の管とに別れており、冷水入口３から流入した冷水は容器１内を通り水室（図示略）に至って折り返し、再び容器１内を通って冷水出口４から流出する。この過程で、冷水は容器１に導入された冷媒との間で熱交換を行って冷却され、一方の冷媒は冷水に熱を奪われて沸騰し、気化する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の蒸発器では多数の伝熱管がひとつに束ねられた構造となっているので、容器の下部に位置する伝熱管のまわりで沸騰した冷媒が気泡となり、その上に位置する伝熱管にまとわり付くようにして液中を浮かび上がるので、上部の伝熱管のまわりに液状の冷媒が十分に供給されない傾向にある。そのため、特に束の中央（芯にあたる部分）付近に配設された伝熱管における熱伝達率が周囲に比べて低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、容器中で沸騰した冷媒の気泡の抜けを改善することで蒸発器の熱伝達率を高め、さらにこれによって冷却効率の高い冷凍機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の蒸発器および冷凍機を採用する。すなわち、本発明に係る請求項１記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記管群に、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群を上下に貫通するように設けられていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の上側から半ばまで設けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の下側から半ばまで設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この蒸発器においては、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、比較的下方に位置する伝熱管のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がり、管群の中に存在する気泡が減少する。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【００１０】
また、容器内に導入される液状の冷媒は流れを生じるが、管群どうしを離間させて配置することにより冷媒が流れ易くなる。これにより、冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。さらに、管群に空隙を設けることにより、管群の中央付近からの気泡が抜け易くなる。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなって熱伝達率の低下が抑えられる。
【００１５】
請求項４記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記容器の上部に位置する管群に属する伝熱管が、下部に位置する管群に属する伝熱管と比べて疎に配列されていることを特徴とする。
【００１６】
この蒸発器においては、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。加えて、容器の下部に位置する管群の伝熱管のまわりで発生した気泡が上部に位置する管群を通過するとき、該管群に属する伝熱管が下部の管群に比べて疎に配列されており、上部に位置する管群に属する伝熱管の間を気泡が抜け易くなる。これにより、上部に位置する管群の熱伝達率の低下が抑えられる。
【００１７】
請求項５記載の冷凍機は、請求項１、２、３または４記載の蒸発器と、該蒸発器において気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、該凝縮器において液化された前記冷媒を前記蒸発器に流す過程で前記冷媒を減圧する膨張弁とを備えることを特徴とする。
【００１８】
この冷凍機においては、上記のように蒸発器における伝熱管の熱伝達率が高められ、その結果として熱交換効率が高められるので、エネルギー消費を抑えても従来と同等の性能が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る蒸発器および冷凍機の第１の実施形態を図１ないし図３に示して説明する。
冷凍機の概略構成を図１に示す。図に示す冷凍機は、冷却水と気体状の冷媒との間で熱交換を行わせて冷媒を凝縮、液化する凝縮器１０と、凝縮された冷媒を減圧する膨張弁１１と、凝縮された冷媒と冷水（被冷却物）との間で熱交換を行わせて冷水を冷却するとともに冷媒を蒸発、気化する蒸発器１２と、気化された冷媒を圧縮したうえで凝縮器に供給する圧縮機１３とを備えている。冷凍機は、蒸発器１２で冷水を製造しビルの空調等に利用するようになっている。
【００２０】
蒸発器１２は、冷媒が導入される円筒形の容器１４の中に冷水を流通する多数の伝熱管１５が束になって（図１では簡略して図示）容器１４の長手方向に配管された構造となっている。伝熱管１５は、冷水入口１６に連通する往路側の管と冷水出口１７に連通する復路側の管とに別れており、冷水入口１６に連通する管路と冷水出口１７に連通する管路とでは冷水の流れる方向が異なっている。
【００２１】
図２は蒸発器１２の断面図である。伝熱管１５は、容器１４内の下半分において９つの管群Ａ〜Ｉに分けられ、該管群Ａ〜Ｉは隣り合うものどうし離間し、かつ千鳥状に配列されている。詳しくは、管群Ａ〜Ｅが水平に配列され、その下に管群Ｆ〜Ｉが水平に配列されるとともに管群Ａ〜Ｅに対して横方向にオフセットされることにより千鳥状に配列されている。
【００２２】
さらに、管群Ａ〜Ｉのいずれにおいても伝熱管１５は１００本程度にまとめられており、さらにこれら管群Ａ〜Ｉにおいて伝熱管１５は千鳥状に配列されている。この場合も、上下に多段に配列された伝熱管１５が各段ごとに左右にオフセットされることにより千鳥状の配列がなされている。
【００２３】
また、千鳥状に配列された伝熱管１５は、図３に示すようにその直径をＤとすると横方向に隣り合う伝熱管１５どうしの間隔が１．１５Ｄとなっている。
【００２４】
上記のように構成された蒸発器１２においては、伝熱管１５を管群Ａ〜Ｉに分け、管群どうしを離間させて配置したことにより、各管群内の比較的下方に伝熱管１５のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がり、管群の中に存在する気泡が減少する。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管１５に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【００２５】
また、容器１４内には、液状の冷媒が下部から導入され、気化して上部から容器１４外に流出する構造となっており、導入される冷媒は容器１４内で上方に向かって流れる傾向が強いが、管群どうしを離間させて配置したことにより冷媒が流れ易くなり、冷媒と冷水とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。
【００２６】
さらに、管群Ａ〜Ｉを千鳥状に配列するとともに、各管群Ａ〜Ｉにおいて伝熱管１５も千鳥状に配列することにより、上方に向かって流れる冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。
【００２７】
以上のように、蒸発器１２を上記構造とすれば熱伝達率を高めることができ、これによって冷凍機の冷却効率の高めることができる。
【００２８】
なお、本実施形態においては、伝熱管１５を９つの管群Ａ〜Ｉに分けたが、これらは蒸発器の大きさや発揮すべき性能に応じてもっと少数の管群に分けても、逆に多数の管群に分けてもよい。また、横方向に隣り合う伝熱管１５どうしの間隔を１．１５Ｄに設定したが、必ずしもこれに限定されるものではなく各種の条件に応じて選択可能である。
【００２９】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第２の実施形態を図４に示して説明する。なお、上記第１の実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図４は蒸発器１２の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器１２では、管群Ａ〜Ｅにおいて、伝熱管１５が縦横に整列されたいわゆる格子状の配列となっている。なお、管群Ｆ〜Ｉは上記第１の実施形態と同じ千鳥状の配列となっている。
【００３０】
さらに、管群Ａ〜Ｅにおいて、横方向に隣り合う伝熱管１５どうしの間隔は１．１５Ｄに設定されているが、伝熱管１５どうしの上下の間隔は２〜３Ｄと管群Ｆ〜Ｉのそれと比較して拡大されており、これによって管群Ａ〜Ｅに属する伝熱管１５は、管群Ｆ〜Ｉに属する伝熱管１５と比べて疎に配列されている。
【００３１】
上記のように構成された蒸発器１２においては、管群Ｆ〜Ｉの伝熱管１５のまわりで発生した気泡が管群Ａ〜Ｅを通過するとき、これら管群Ａ〜Ｅに属する伝熱管１５が管群Ｆ〜Ｉに比べて疎に配列されているので、管群Ａ〜Ｅに属する伝熱管１５の間を気泡が抜け易くなり、熱伝達率の低下が抑えられる。
【００３２】
以上のように、本実施形態における蒸発器１２によっても熱伝達率を高めることができ、これによって冷凍機の冷却効率の高めることができる。
【００３３】
なお、本実施形態においては、管群Ａ〜Ｅの伝熱管１５を格子状としたうえで、さらに管群Ｆ〜Ｉの伝熱管１５よりも疎に配列したが、管群Ａ〜Ｅの伝熱管１５のいずれか、もしくは全体を千鳥状のまま、疎に配列しても構わない。
【００３４】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第３の実施形態を図５に示して説明する。なお、上記各実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図５は蒸発器１２の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器１２では、伝熱管１５が、横方向に並ぶ４つの管群Ｊ〜Ｍに分けられており、各管群の間には上下に貫通する空隙が設けられている。この空隙は、従来のように伝熱管１５を千鳥状配列でひとつの束ねた場合から所定の伝熱管１５を２本または３本と交互に除いたようにして設けられていることから、以下ではこれを抜き列２０とする。
【００３５】
また、管群Ｋ，Ｌには、伝熱管１５を配設されない空隙が、抜き列２０と平行に設けられている。この空隙も、抜き列２０と同様にして所定の伝熱管１５を１本または２本と交互に除いたようにして設けられるから、以下ではこれを補助抜き列２１とする。
【００３６】
上記のように構成された蒸発器１２においては、抜き列２０および補助抜き列２１を設けたことにより、管群Ｊ〜Ｍ内の比較的下方に伝熱管１５のまわりで発生した気泡が抜き列２０を抜けて浮かび上がる。これにより、管群の中央および上部付近に配設された伝熱管１５に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【００３７】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第４の実施形態を図６に示して説明する。なお、上記各実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図６は蒸発器１２の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器１２では、管群Ｊ，Ｍに、補助抜き列２１とは異なり上下に抜けていない半補助抜き列２２が補助抜き列２１と同様にして設けられている。
【００３８】
上記のように構成された蒸発器１２においては、半補助抜き列２２を設けたことにより、管群Ｊ，Ｍの中央付近からの気泡が抜け易くなり、管群Ｊ，Ｍの中央付近に配設された伝熱管１５に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。なお、この半補助抜き列２２は、管群Ｊ〜Ｍのいずれに配しても差し支えないものである。
【００３９】
以下ではその他の実施形態について簡単に説明する。
図７は、半補助抜き列２２を管群Ｊ，Ｍの下側に設けた例である。図８は補助抜き列２１から枝を伸ばすように斜め上方に向けてさらに小さな補助抜き列２３を設けた例である。これら各種の配列パターンは、蒸発器の大きさや発揮すべき性能に応じて適宜選択されることが望ましい。
【００４０】
なお、上記各実施形態において、伝熱管１５にはディンプルチューブやフィンチューブ、その他あらゆる形態の管材が使用可能であることはいうまでもない。
【００４１】
また、上記各実施形態においては、冷水が蒸発器中を一往復する構造のものを例に説明を進めたが、本発明に係る蒸発器は、冷水が一方向に流通してしまうもの、複数回往復するもの、一方から流入して往復し他方から流出するもの等、あらゆる構造の蒸発器に適用可能な技術である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１、２または３記載の蒸発器によれば、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、比較的下方に位置する伝熱管のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がって管群の中に存在する気泡が減少し、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。また、容器内に導入される液状の冷媒は流れを生じるが、管群どうしを離間させて配置することにより冷媒が流れ易くなり、冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されるので、熱伝達率を向上させることができる。さらに、管群に空隙を設けることにより、管群の中央付近からの気泡が抜け易くなり、管群の中央付近に配設された伝熱管に熱伝達率低下等の影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。
【００４６】
請求項４記載の蒸発器によれば、容器の下部に位置する管群の伝熱管のまわりで発生した気泡が上部に位置する管群を通過するとき、該管群に属する伝熱管が下部の管群に比べて疎に配列されており、上部に位置する管群に属する伝熱管の間を気泡が抜け易くなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。
【００４７】
請求項５記載の冷凍機によれば、上記のように優れた性能を発揮し得る蒸発器を備えることにより、エネルギー消費を抑えても従来と同等の冷却効率が得られる等の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態を示す図であって、冷凍機の概略構成図である。
【図２】蒸発器の断面（図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面）図である。
【図３】蒸発器内の伝熱管の配置を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図５】本発明に係る第３の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図６】本発明に係る第４の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図７】本発明に係るその他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図８】同じく、本発明に係るその他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図９】冷凍機に具備される従来の蒸発器の断面図である。
【符号の説明】
１２    蒸発器
１４    容器
１５    伝熱管
１６    冷水入口
１７    冷水出口
Ａ〜Ｍ  管群
２０    抜き列
２１    補助抜き列
２２    半補助抜き列
【図１】
0003572234.tif 000002
【図２】
0003572234.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003572234.tif 000006
【図６】
0003572234.tif 000007
【図７】
0003572234.tif 000008
【図８】
0003572234.tif 000009
【図９】
0003572234.tif 000010