(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、当該冷媒と熱交換を行う被冷却物の流通経路となる伝熱管が束になって配管されて構成された蒸発器において、
前記伝熱管の束は複数の管群に分けられ、前記流通経路が当該各管群を順に巡るように構成されるものであって、
前記流通経路における上流側の管群に属する伝熱管どうしの間隔は、下流側の管群に属する伝熱管どうしの間隔より拡大されていることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
前記多数の伝熱管に径の等しい管が用いられることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
【請求項３】
前記各管群における最上段の伝熱管の高さが、上流側の管群ほど高く、下流側の管群ほど順次低くなっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の蒸発器。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載の蒸発器と、気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された気体状の冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、液化された冷媒を前記蒸発器に流す過程で該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構内を循環させ、居室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６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。
【０００４】
伝熱管２は冷水入口３に連通する管群ａ、容器１の両端に設けられた水室（図示略）間に連通する２つの管群ｂ，ｃ、冷水出口４に連通する管群ｄとに別れており（各管群における伝熱管は同数）、冷水入口３から流入した冷水は管群ａを通り一方の水室に至って折り返し、管群ｂを通り他方の水室に至って再度折り返し、管群ｃを通り他方の水室に至って三度折り返し、管群ｄを通って冷水出口４から流出する。冷水は管群中を通って容器１内を２往復する過程で、容器１に別経路から導入される冷媒との間で熱交換を行って冷却され、かたや冷媒は冷水に加熱されて沸騰し、気化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような構造の蒸発器については、次のような点が問題となっている。
（１）従来の蒸発器では各管群を構成する伝熱管が同数であり、その長さも同じである。ところで、冷水の流れに沿っていうところの上流側の管群と下流側の管群とを比較すると、管内を流れる冷水の流速はほぼ一定であるものの管内を流れる冷水と管の周囲を流れる冷媒との温度差は下流側の方が小さく、上流側に比べて熱流束が小さくなるため、下流側の管群において熱伝達率が低下してしまう。
【０００６】
（２）上流側の管群では、下流側の管群と比較すると管内を流れる冷水と管の周囲を流れる冷媒との温度差が大きく、上流側に比べて熱流束が大きくなって熱伝達率が向上する。熱伝達率が向上すること自体に問題はないが、上流側の管の周囲では冷媒が積極的に気化しボイド率が高まって液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり難くなってしまい、結果的に上流側の管群においても熱伝達率が低下してしまう。
【０００７】
（３）上流側の管群では、冷媒の気液界面（フロスレベル；正確には気相冷媒と気液二相冷媒との界面）が上昇し、かたや下流側の管群では、上流側の管群における気液界面の上昇に影響されて気液界面が低下する。したがって、各管群において最上段の伝熱管の高さが同じであれば、下流側の管群では最上段の伝熱管が気相冷媒中に露出して液相冷媒と冷水との熱交換が起こり難くなるため、結果的に下流側の管群においても熱伝達率が低下してしまう。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、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。
【０００９】
【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に記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、当該冷媒と熱交換を行う被冷却物の流通経路となる伝熱管が束になって配管されて構成された蒸発器において、前記伝熱管の束は複数の管群に分けられ、前記流通経路が当該各管群を順に巡るように構成されるものであって、前記流通経路における上流側の管群に属する伝熱管どうしの間隔は、下流側の管群に属する伝熱管どうしの間隔より拡大されていることを特徴とする。
【００１４】
この蒸発器においては、被冷却物の流れ方向上流側に位置する伝熱管どうしの間隔を広くすることにより、気化した冷媒が伝熱管の間を抜け易くなるため、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなって、上流側でも熱伝達率が向上する。
【００１５】
請求項２に記載の蒸発器は、請求項１に記載の蒸発器において、前記多数の伝熱管に径の等しい管が用いられることを特徴とする。
【００１６】
この蒸発器においては、気化した冷媒が伝熱管の間を抜け易くなるため、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなって、上流側でも熱伝達率が向上する。
【００１７】
請求項３に記載の蒸発器は、請求項１又は請求項２に記載の蒸発器において、前記各管群における最上段の伝熱管の高さが、上流側の管群ほど高く、下流側の管群ほど順次低くなっていることを特徴とする。
【００１８】
この蒸発器においては、各管群における最上段の伝熱管の高さを、上流側の管群ほど高く、下流側の管群ほど順次低くすることにより、上流側の管群における気液界面の上昇に影響されて下流側の管群において気液界面が低下しても、最上段の伝熱管が気相冷媒中に露出することがない。このため、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなって、下流側でも熱伝達率が向上する。
【００１９】
請求項４に記載の冷凍機は、請求項１〜３の何れかに記載の蒸発器と、気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された気体状の冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、液化された冷媒を前記蒸発器に流す過程で該冷媒を減圧する膨張弁とを備えることを特徴とする。
【００２０】
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。
【００２１】
【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および図２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ものである。
【００２２】
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。
【００２３】
図２は蒸発器１２の断面図である。伝熱管１５にはすべて径の等しい管材が用いられ、間隔を同じくして千鳥状に配置されている。また、これら伝熱管１５はいくつかにまとまって４つの管群Ａ〜Ｄに分けられるとともに、容器１４の両端にそれぞれ設けられた水室（図示略）の区分けによって冷水の流通経路が各管群Ａ〜Ｄを順に巡ように構成されている。
【００２４】
詳しくは、冷水入口１６には管群Ａに属する伝熱管１５の一端（図２でいえば紙面の手前側）が連通し、管群Ａに属する伝熱管１５の他端（同じく紙面の奥側）には管群Ｂに属する伝熱管１５の他端が連通し、管群Ｂに属する伝熱管１５の一端には管群Ｃに属する伝熱管１５の一端が連通し、管群Ｃに属する伝熱管１５の他端には管群Ｄに属する伝熱管１５の他端が連通し、管群Ｄに属する伝熱管１５の一端に冷水出口１７が連通し、冷水は容器１４内部を２往復するように流れるのである。
【００２５】
本実施形態における蒸発器１２において特徴的なのは、冷水の流通経路の下流側にあたる管群Ｄに属する伝熱管１５の数が、Ａ〜Ｃいずれの管群に属する伝熱管１５の数と比較して少なくなっている点である。
【００２６】
また、本実施形態における蒸発器１２においては、管群Ｄに属する伝熱管１５と他の管群との伝熱管数の差分が管群Ａに割り当てられ、管群Ａに属する伝熱管１５の数が増やされ、従来の同サイズの蒸発器と伝熱管１５の総数としては同じとなっている。
【００２７】
上記にように構成された蒸発器１２においては、各管群Ａ〜Ｄに属する伝熱管１５の割り振りをかえ、管群Ｄの伝熱管１５の数を減らし、管群Ａの伝熱管１５の数を増やしたことにより、冷水の流れ方向の各位置における伝熱管１５の合計の流路断面積を比較すると、流れ方向の上流側より下流側のほうが小さくなっている。
【００２８】
ここで、伝熱管１５を流れる冷水の流量は上流側でも下流側でもほとんどかわらないことから、結果的には流通経路の下流側における冷水の流速が上流側に比べて速くなり、冷水と冷媒との温度差が小さい下流側でも熱流束が大きくなるので、管群Ｄにおいても熱伝達率が向上する。
【００２９】
さらに、冷凍機についていえば、蒸発器１２に上記構造を採用し熱伝達率を高めることによって冷却効率を高めることができる。
【００３０】
本実施形態においては伝熱管を４つの管群に分けたが、これらは蒸発器そのもの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、本実施形態では管群Ｄに属する伝熱管１５の数を減らし、その分管群Ａに属する伝熱管１５の数を増やした構成となっているが、例えば管群Ａ〜Ｄまでで順次伝熱管１５の数を減らすようにしたり、管群Ｄだけ伝熱管１５の数を減らすようにしても構わない。
【００３１】
また、本実施形態においては伝熱管１５の数を減らすことで流路断面積の縮小を図ったが、伝熱管１５の数はそのままに、径を小さくしても同様の効果が期待できる。
【００３２】
加えて、伝熱管１５に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。
【００３３】
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３および図４に示して説明する。なお、上記第１の実施形態において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３は蒸発器１２の断面図である。第１の実施形態と同様に、伝熱管１５にはすべて径の等しい管材が用いられ、これらが４つの管群Ｅ〜Ｈに等分されるとともに、容器１４の両端にそれぞれ設けられた水室（図示略）の区分けによって冷水の流通経路が各管群Ｅ〜Ｈを順に巡ように構成されている。
【００３４】
本実施形態における蒸発器１２において特徴的なのは、冷水の流通経路の上流側にあたる管群Ｅに属する伝熱管１５どうしの間隔が、Ｆ〜Ｈいずれの管群と比較しても拡大されている点である。伝熱管１５どうしの間隔は、図４に示すように伝熱管１５の直径をｄとすると管群Ｆ〜Ｈにおいては１．１５ｄであるものが管群Ｅにおいては１．２ｄ〜１．５ｄの範囲に設定されている。
【００３５】
また、本実施形態における蒸発器１２においては、管群Ｅにおける伝熱管１５どうしの間隔が拡大されるのに伴い、蒸発器１２を断面視した場合に管群Ｅが全体的に嵩上げされている。
【００３６】
上記にように構成された蒸発器１２においては、管群Ｅにおける伝熱管１５どうしの間隔を拡大したことにより、気化した冷媒が伝熱管１５の間を抜け易くなる。これにより、液相の冷媒に漬かった伝熱管１５の周囲にまとわり着くように漂っていた冷媒の気泡が伝熱管１５の間を抜けて浮かび上がり、伝熱管１５の周囲に漂う気泡が少なくなって、液相の冷媒と伝熱管１５内を流れる冷水との熱交換が起こり易くなるので、管群Ｆにおいても熱伝達率が向上する。
【００３７】
さらに、冷凍機についていえば、蒸発器１２に上記構造を採用し熱伝達率を高めることによって冷却効率を高めることができる。
【００３８】
本実施形態においては伝熱管を４つの管群に分けたが、これらは蒸発器そのもの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。さらに、本実施形態では管群Ｅに属する伝熱管１５どうしの間隔を拡大しただけだが、例えば管群Ｅ〜Ｈまでで順次伝熱管１５どうしの間隔を変化させ、上流側の管群ほど間隔が広く、下流側ほど狭くなるようにしても構わない。
【００３９】
また、本実施形態では管群Ｅにおける伝熱管１５どうしの間隔を１．２Ｄ〜１．５Ｄの間に設定することとしたが、必ずしもこれに限定されることはなく蒸発器そのものや冷却機に与えられる各種の条件に応じて適宜に選択可能である。ただし、間隔の拡大に伴って管群を嵩上げする際には、容器１４内に液分除去のためのデミスタ（図示略）を設置するに足る十分なスペースを確保しなければならないことを補足しておく。
【００４０】
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、上記の各実施形態において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。第１、第２の実施形態と同様に、伝熱管１５にはすべて径の等しい管材が用いられ、これら４つの管群Ｅ〜Ｈに等分されるとともに、容器１４の両端にそれぞれ設けられた水室（図示略）の区分けによって冷水の流通経路が各管群Ｅ〜Ｈを順に巡るように構成されている。
【００４１】
本実施形態における蒸発器１２において特徴的なのは、各管群Ｅ〜Ｈのうち、冷水の流通経路の上流側にあたる管群Ｅにおける最上段の伝熱管１５が各管群Ｅ〜Ｈのなかで一番高い位置にあり、下流側の管群（Ｆ→Ｇ→Ｈ）となるほど最上段の伝熱管１５の位置が低くなっている点である。
【００４２】
上記のように構成された蒸発器においては、各管群Ｅ〜Ｈにおける最上段の伝熱管１５の高さを、上流側の管群ほど高く、下流側の管群ほど順次低くすることにより、上流側の管群Ｅにおける気液界面の上昇に影響されて下流側の各管群（Ｆ，Ｇ，Ｈ）において気液界面が低下しても、最上段の伝熱管１５が気相冷媒中に露出することがない。このため、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなるので、下流側の各管群においても熱伝達率が向上する。
【００４３】
さらに、冷凍機についていえば、蒸発器１２に上記構造を採用し熱伝達率を高めることによって冷却効率を高めることができる。
【００４４】
なお、本実施形態において各管群Ｅ〜Ｈの最上段の伝熱管の位置を高くするためには、伝熱管１５どうしの間隔を大きくしても構わないし、あるいは伝熱管１５の本数を増やしても構わない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の蒸発器によれば、被冷却物の流れ方向上流側に位置する伝熱管どうしの間隔を広くすることにより、気化した冷媒が伝熱管の間を抜け易くなって、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなるので、上流側においても熱伝達率を向上させることができる。
【００４８】
請求項２に記載の蒸発器によれば、気化した冷媒が伝熱管の間を抜け易くなって、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなるので、上流側の管群においても熱伝達率を向上させることができる。
【００４９】
請求項３に記載の蒸発器によれば、各管群における最上段の伝熱管の高さを、上流側の管群ほど高く、下流側の管群ほど順次低くすることにより、上流側の管群における気液界面の上昇に影響されて下流側の管群において気液界面が低下しても、最上段の伝熱管が気相冷媒中に露出することがない。このため、液相の冷媒と冷水との熱交換が起こり易くなるので、下流側の管群においても熱伝達率を向上させることができる。
【００５０】
請求項４に記載の冷凍機によれば、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。
【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】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４】蒸発器内の伝熱管どうしの配置を示す図である。
【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】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〜Ｈ  管群
【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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