(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気圧縮システムにおいて用いられるよう構成される熱交換器であって、
長手方向中心軸が水平面と略平行に延びるシェルと、
第一トレー部および複数の第二トレー部を有する冷媒分配アッセンブリであって、
前記第一トレー部は、前記シェルの内部に配置され、前記シェルに入る冷媒を受けるよう前記シェルの前記長手方向中心軸に略平行に連続的に延び、かつ、複数の第一放出孔を有し、
前記複数の第二トレー部は、前記第一放出孔から放出される前記冷媒を受け、前記第二トレー部に貯留された前記冷媒が前記第二トレー部間を移動しないように、前記シェルの内部の、前記第一トレー部の下方に配置され、
前記複数の第二トレー部は、前記シェルの前記長手方向中心軸と略平行な方向に沿って並んで配置され、
前記第二トレー部のそれぞれは、複数の第二放出孔を有している、
冷媒分配アッセンブリと、
前記第二トレー部の前記第二放出孔から放出される前記冷媒が供給されるよう、前記シェルの内部の、前記第二トレー部の下方に配置される熱伝達ユニットと、
を備え、
前記冷媒分配アッセンブリは、前記シェルの前記長手方向中心軸に略平行に延びる入口管部を有する入口部を更に有し、
前記第一トレー部の少なくとも底面は、前記入口管部の下方に配置されており、
前記第一トレー部の底面と前記入口管部との間には鉛直方向の隙間がない、
熱交換器。
【請求項２】
前記第二トレー部の前記第二放出孔の総断面積は、前記第一トレー部の前記第一放出孔の総断面積より大きい、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第二トレー部の前記第二放出孔の総断面積は、前記第一トレー部の前記第一放出孔の総断面積の１．２倍よりも大きい、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第二トレー部の前記第二放出孔の総断面積は、前記第一トレー部の前記第一放出孔の総断面積の１．５倍よりも大きい、
請求項２又は３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第一トレー部の前記第一放出孔のそれぞれの大きさは、前記第二トレー部の前記第二放出孔より大きい、
請求項２から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第一トレー部の長手方向長さは、前記第二トレー部の総長手方向長さと実質的に同一である、
請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第二トレー部のそれぞれの長手方向長さは、実質的に同一である、
請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第二トレー部の数は、３以上である、
請求項１から７のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第一トレー部の横方向幅は、前記第二トレー部のそれぞれの横方向幅より小さい、
請求項１から８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記複数の第二トレー部は、前記シェルの長手方向に互いに間隔を空けて配置されている、
請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第二トレー部は、単一の一体部材として一体的に形成されている、
請求項１から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記熱伝達ユニットは、前記シェルの前記長手方向中心軸と略平行に延びる複数の伝熱管を含む管束を有する、
請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第二トレー部の前記第二放出孔は、前記伝熱管の位置に対応する位置に配置されている、
請求項１２に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記管束の上部と下部との間に形成される隙間に配置され、前記管束の前記上部の前記伝熱管から滴下する前記冷媒を受ける第三トレー部を更に備える、
請求項１２又は１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記第三トレー部の長手方向長さは、前記第一トレー部の長手方向長さより小さい、
請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記第三トレー部は、前記管束の長手方向端部の一方に隣接して配置されている、
請求項１４又は１５に記載の熱交換器。
【請求項１７】
前記管束の前記上部と前記下部との間に形成される前記隙間に配置され、前記管束の前記上部の前記伝熱管から滴下する前記冷媒を受ける追加第三トレー部を更に備えており、
前記第三トレー部および前記追加第三トレー部は、それぞれ前記管束の長手方向端部に隣接して配置されるよう、前記シェルの前記長手方向中心軸と平行な方向に互いに間隔を空けて配置されている、
請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１８】
前記第三トレー部および前記追加第三トレー部は、横方向において、前記管束の前記下部の前記伝熱管の全体の上方を覆う、
請求項１７に記載の熱交換器。
【請求項１９】
前記シェルに前記冷媒を供給するよう構成され配置される供給導管と、
前記シェルの底面に形成される開口部に流体的に接続され、前記シェルの底部に貯留された前記冷媒を前記供給導管へと再循環させる再循環導管と、
を更に備える、
請求項１から１８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項２０】
前記管束は、当該熱交換器の動作の際に前記冷媒に完全に浸漬されるよう、前記シェルの底部に隣接して配置される複数の浸漬式伝熱管を含む、
請求項１２から１８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項２１】
前記シェルに前記冷媒を供給するよう構成され配置される供給導管と、
前記供給導管から分岐し、前記第三トレー部と流体的に接続され、前記第三トレー部に前記冷媒を供給する分岐導管と、
を更に備える、
請求項１４から１８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項２２】
前記シェルの底面に形成される開口部と前記第三トレー部とを流体的に接続し、前記シェルの底部に貯留された前記冷媒を前記第三トレー部へと再循環させる再循環導管を更に備える、
請求項１４から１８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項２３】
前記再循環導管に配置されるエジェクタ装置を更に備える、
請求項２２に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、蒸気圧縮システムにおいて用いられるよう構成される熱交換器に関する。より具体的には、本発明は、第一トレー部と複数の第二トレー部とを有する冷媒分配器を備えた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気圧縮冷凍は、大規模な建築物等の空調に最も一般的に用いられている方法である。従来の蒸気圧縮冷凍システムは典型的には蒸発器を有する。蒸発器は、冷媒を液体から蒸気へと蒸発させると同時に蒸発器を通過する被冷却液体から熱を吸収することのできる熱交換器である。あるタイプの蒸発器は、内部を被冷却液体が循環する水平に延びる複数の伝熱管を含む管束（tube bundle）を有し、管束は円筒シェル内に収容されている。このタイプの蒸発器において冷媒を蒸発させる方法がいくつか知られている。浸漬式蒸発器(flooded evaporator)においては、シェルが液体冷媒で満たされているとともに、液体冷媒が、沸騰するおよび／又は蒸気として蒸発するよう、伝熱管が液体冷媒のプールに浸漬されている。流下膜式蒸発器(falling film evaporator)においては、上方から液体冷媒が伝熱管の外部表面に落ち、これにより、液体冷媒の層あるいは薄膜が伝熱管の外部表面に沿って形成される。伝熱管の壁部からの熱は、対流および／又は液体膜を通じた伝導によって、液体冷媒の一部が蒸発している気液界面へと伝達され、これにより、伝熱管内を流れる水から熱が取り去られる。蒸発しなかった液体冷媒は、重力により上部位置の伝熱管から下部位置の伝熱管に向かって鉛直に落下する。また、管束におけるいくつかの伝熱管の外部表面に液体冷媒が落ち、管束における他の伝熱管はシェルの底部に集められた液体冷媒に浸漬される、ハイブリッド式の流下膜式蒸発器も存在する。
【０００３】
浸漬式蒸発器の伝熱性能は高いが、伝熱管を液体冷媒のプールに浸漬するため、浸漬式蒸発器では相当量の冷媒が必要となる。最近開発された新しい冷媒（Ｒ１２３４ｚｅ又はＲ１２３４ｙｆ等）は地球温暖化係数が非常に低いが、コストが高いので、蒸発器における冷媒充填を低減することが望ましい。流下膜式蒸発器の主たる利点は、良好な伝熱性能を確保しながら冷媒充填を低減できることにある。したがって、流下膜式蒸発器は、大規模な冷房システムにおいて浸漬式蒸発器と置き換えられる可能性が大いにある。
【０００４】
一般に、面（例えば伝熱管の面）と液体状態の物質（例えば冷媒）との間の伝熱率は、面と気体状態の同じ物質との間の伝熱率よりはるかに高い。したがって、有効で効率的な伝熱性能のためには、動作中に蒸発器における管を液体冷媒で覆ったすなわち湿らせた状態に維持することが重要である。管が液体冷媒のプールに浸漬される浸漬式蒸発器では、冷媒循環条件が変動する場合にあっても、蒸発器シェル内の液位を制御することにより、蒸発器の性能を大きく低下させることなく維持できる。しかしながら、流下膜式蒸発器においては、下部領域に達する前に冷媒がすべて管束の上部領域において蒸発した場合、下部側管は湿っていない状態となり、そのため、伝熱に貢献することができない。したがって、流下膜式蒸発器においては、冷媒循環条件が変動する場合であっても、管束に対し液体冷媒が十分流れることが特に重要である。
【０００５】
米国特許出願公報２００９／０１７８７９０号には、外側分配器と、外側分配器内に配置された内側分配器と、を有する冷媒分配アッセンブリを有する流下膜式蒸発器が開示されている。凝縮器から二相の気液冷媒がまず内側分配器に流入する。二相の冷媒の蒸気成分は、内側分配器から外側分配器へと、内側分配器の上部に形成された複数の孔を介して放出される。内側分配器は下部に複数の開口部を有し、複数の開口部を通って、二相の冷媒の液体成分が外側分配器へ放出される。外側分配器は、外側分配器の側壁に形成された複数の孔を有しており、これにより、外側分配器から冷媒分配アッセンブリを囲んでいるフード内の空間へと、蒸気冷媒が流れ込むことができる。液体冷媒は外側分配器の底部に集まり、ノズル、孔、開口部、弁（バルブ）等の分配装置を通って、冷媒分配アッセンブリの下方に配置された管束上に流れる。このように、この公報に開示された冷媒分配アッセンブリでは、蒸気冷媒は液体冷媒から分離され、液体冷媒だけが分配装置から管束に向かって放出される。
【０００６】
米国特許５，５８８，５９６号には、気液分離器を有する流下膜式蒸発器およびスプレーツリー（spray tree）分配システムが開示されている。膨張弁からの二相の冷媒は、冷媒が蒸気と液体とに分離される気液分離器に入る。気液分離器のドレインは、スプレーツリー分配システムと流体連通状態にあり、管束の上方に位置しているスプレーツリー分配システムの上方に配置されている。スプレーツリー分配システムは、マニホルドと、一連の水平分配管を有する。水平分配管のそれぞれは、管束の最も上にある１の管に、平行に、隣接して、かつ、直上に配置される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
蒸気冷媒を液体冷媒から分離し、液体冷媒のみを管束に向かって分配する冷媒分配システムにおいては、動作中にすべての管を湿らせた状態にするために管束上に確実に液体冷媒が十分流れるよう、大量の冷媒の充填が必要となる。例えば、米国特許出願公報２００９／０１７８７９０号に開示された冷媒分配アッセンブリにおいては、内側分配器および外側分配器の両方に貯留された液体冷媒の液位（高さ）は比較的高い。したがって、このような分配システムは、比較的大量の冷媒の充填が必要とされる。一方、米国特許５，５８８，５９６号に開示されたスプレーツリー分配システムを利用する分配システムにおいては、分配フロー量と分配管の管長による圧力損失とを考慮して、分配管に形成されるスプレーオリフィスの数および大きさを正確に管理する必要があり、したがって、スプレー分配システムの構造が複雑化して製造コストが上昇する。さらに、分配管を使用する場合、分配システムにおいてより大きな圧損が生じる。さらに、蒸発器が部分負荷条件で動作する場合、冷媒流量の低下により、液体冷媒の分配が不均一となりうる。
【０００８】
より具体的には、蒸気圧縮システムの負荷は例えば２５％から１００％の間で変動するので、蒸気圧縮システムにおける冷媒の循環量もまた運転条件に応じて変動する。近年、定格負荷条件だけでなく部分負荷条件における性能向上の要望も高まっている。浸漬式蒸発器では、部分負荷条件下で冷媒の循環量が減少する場合であっても、蒸発器シェル内の液位を制御することによって、蒸発器の性能を大きく低下させることなく維持できる。しかしながら、流下膜式蒸発器では、冷媒の循環量が減少することにより管束上に分配される冷媒が減少する場合、分配器システム内の冷媒の分配は不均一となる場合があり、これにより、管束にドライパッチ（dry patch）が形成されるおそれがある。さらに、蒸発器は完全に水平に設置されるとは限らず、この場合には、管束上における冷媒の分配が更に不均一になるおそれがある。
【０００９】
上記の点に鑑みて、本発明の一の目的は、熱伝達ユニットへの冷媒の均一な分配を確保しながら、冷媒充填の量を低減することができる冷媒分配システムを有する熱交換器を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、蒸発器が完全には水平でない場合であっても、熱伝達ユニットへの冷媒の分配の均一性を向上させる冷媒分配システムを有する熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の観点にかかる熱交換器は、蒸気圧縮システムにおいて用いられるよう構成されており、シェルと、冷媒分配アッセンブリと、熱伝達ユニットとを有する。シェルは、水平面と略平行に延びる長手方向中心軸を有する。冷媒分配アッセンブリは、入口部と、第一トレー部と、複数の第二トレー部と、を有する。入口部は、シェルの内部に配置され、冷媒を放出する少なくとも一つの開口部を有している。第一トレー部は、入口部の開口部から放出される冷媒を受けるよう、シェルの内部に配置されるとともに、シェルの長手方向中心軸に略平行に連続的に延びる。第一トレー部は複数の第一放出孔を有する。複数の第二トレー部は、第一放出孔から放出される冷媒を受け、第二トレー部に貯留された冷媒が第二トレー部間を移動しないように、シェルの内部の、第一トレー部の下方に配置されている。第二トレー部は、シェルの長手方向中心軸と略平行な方向に沿って並んで配置されている。第二トレー部のそれぞれは、複数の第二放出孔を有する。熱伝達ユニットは、第二トレー部の第二放出孔から放出される冷媒が熱伝達ユニットに供給されるよう、シェルの内部の、第二トレー部の下方に配置される。冷媒分配アッセンブリは、シェルの長手方向中心軸に略平行に延びる入口管部を有する入口部を更に有する。第一トレー部の少なくとも底面は、入口管部の下方に配置されている。第一トレー部の底面と入口管部との間には鉛直方向の隙間がない。
【００１２】
他の観点にかかる熱交換器は、蒸気圧縮システムにおいて用いられるよう構成されており、シェルと、冷媒分配アッセンブリと、熱伝達ユニットとを有する。シェルは、水平面と略平行に延びる長手方向中心軸を有する。冷媒分配アッセンブリは、入口部と、第一分配部と、第二分配部と、を有する。入口部は、冷媒を放出する。第一分配部は、入口部から放出される冷媒を貯留するとともに、冷媒を下方へと放出する。第二分配部は、互いに連通しない複数の部分に冷媒が分配されるよう第一分配部から放出される冷媒を貯留するとともに、複数の部分のそれぞれにおける冷媒を下方へと放出する。第二分配部において貯留される冷媒の高さは、第一分配部において貯留される冷媒の高さより小さい。熱伝達ユニットは、第二分配部から放出される冷媒を用いて伝熱を行う。
【００１３】
これらおよび他の本発明に係る目的、特徴、態様、および利点は、添付の図面と組み合わせて、好ましい態様を開示する以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
当開示の一部をなす添付の図面を参照しながら以下に説明を行う。
【図１】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器を有する蒸気圧縮システムの概略全体斜視図である。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器を有する蒸気圧縮システムの冷媒回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の概略斜視図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の内部構造の概略斜視図である。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の内部構造の分解図である。
【図６】図３の切断線６−６’に沿って見た、本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の概略長手方向断面図である。
【図７】図３の切断線７−７’に沿って見た、本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の概略横方向断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の冷媒分配アッセンブリの第一トレー部の上面図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器の冷媒分配アッセンブリの第二トレー部の上面図である。
【図１０】本発明の第一実施形態にかかる蒸発器が完全には水平ではない状態を示す第一トレー部の長手方向断面図である。
【図１１】本発明の第一実施形態にかかる第一放出孔の総断面積が様々な場合についての、第一トレー部に貯留される液体冷媒の高さと、第一トレー部から放出される液体冷媒の流量との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる第二トレー部の数を変えたときの、第二トレー部のそれぞれに蓄積される液体冷媒の高さの変化を説明するための概略図である。
【図１３】第二トレー部の数と、第二トレー部のそれぞれに蓄積される液体冷媒の高さと、の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の第一実施形態にかかる、第二トレー部の数と、第一トレー部およびそれぞれの第二トレー部に貯留される液体冷媒の体積と、の関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第一実施形態にかかる、第二トレー部の数と、第一放出孔の総断面積に対する第二放出孔の総断面積の比との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の第一実施形態にかかる第二トレー部の構成の変形例を示す熱交換器の概略長手方向断面図である。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる図１６に示した変形例の第二トレー部の上面図である。
【図１８】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器に冷媒再循環システムが備えられている変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１９】本発明の第一実施形態にかかる熱交換器に浸漬部が備えられている変形例を示す熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２０】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２１】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器の概略長手方向断面図である。
【図２２】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器が複数の中間トレー部を有している変形例を示す概略長手方向断面図である。
【図２３】本発明の第二実施形態にかかる、冷媒が冷媒回路から中間トレー部に直接供給される変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２４】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器に冷媒再循環システムが備えられている変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２５】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器に冷媒再循環システムが備えられているとともに、再循環される冷媒が中間トレー部に供給される変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２６】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器に冷媒再循環システムが備えられているとともに、再循環される冷媒が冷媒分配アッセンブリおよび中間トレー部に供給される変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２７】本発明の第二実施形態にかかる熱交換器にエジェクタ装置を有する冷媒再循環システムが備えられている変形例を示す、熱交換器の概略横方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の選択的な実施形態を、図面を参照して説明する。以下の本発明にかかる実施形態の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される本発明を限定するものではないことは、本開示から、当業者には明らかであろう。
【００１６】
まず図１および図２を参照して、第一実施形態にかかる熱交換器を有する蒸気圧縮システムを説明する。図１から分かるように、第一実施形態にかかる蒸気圧縮システムは、大きな建築物等の空調のための暖房、換気および空調（ＨＶＡＣ）システムにおいて用いることができる冷凍機である。第一実施形態の蒸気圧縮システムは、蒸気圧縮冷却サイクルを介して被冷却液（例えば水、エチレン、エチレングリコール、塩化カルシウムブライン等）から熱を取り去るよう構成され配置される。
【００１７】
図１および図２に示すように、蒸気圧縮システムは次の４つの主要な構成要素、蒸発器１、コンプレッサ２、凝縮器３、および膨張装置４、を有する。
【００１８】
蒸発器１は、蒸発器１を通過する被冷却液（この例では水）から熱を取り去る熱交換器であり、循環する冷媒が蒸発器１において蒸発すると、水の温度が低下する。蒸発器１に入る冷媒は、二相の気体／液体状態にある。液体冷媒は蒸発器１において蒸気冷媒として蒸発すると同時に、水から熱を吸収する。
【００１９】
低圧低温蒸気冷媒が蒸発器１から放出され、そして吸引によってコンプレッサ２に入る。コンプレッサ２において、蒸気冷媒は高圧高温蒸気へと圧縮される。コンプレッサ２は、任意のタイプの従来のコンプレッサ、例えば遠心式コンプレッサ、スクロールコンプレッサ、往復式コンプレッサ、およびスクリューコンプレッサ等とできる。
【００２０】
次に、高温高圧蒸気冷媒が、凝縮器３へと入る。凝縮器３は、蒸気冷媒から熱を取り去って気体状態から液体状態に凝縮させる他の熱交換器である。凝縮器３は、空冷式、水冷式又は任意の適切なタイプの凝縮器とできる。熱は、凝縮器３を通過する冷却水又は空気の温度を上昇させ、そして、熱は、冷却水又は空気により運ばれて、システムの外部へと排出される。
【００２１】
その後、凝縮された液体冷媒は、冷媒が圧力の急激な低下を受ける膨張装置４に入る。膨張装置４は、オリフィスプレートと同程度に簡単な構成とすることができ、あるいは電子調整熱膨張弁と同程度に複雑な構成とすることもできる。急激な減圧により、液体冷媒は部分的に蒸発し、その結果、蒸発器１に入る冷媒は二相の気体／液体状態となる。
【００２２】
蒸気圧縮システムにおいて用いられる冷媒の例として、ハイドロフルオロカーボン（HFC）ベースの冷媒（例えばＲ−４１０Ａ、Ｒ−４０７ＣやＲ−１３４ａ）、ハイドロフルオロオレフィン（HFO）、不飽和ＨＦＣベースの冷媒（例えばＲ−１２３４ｚｅやＲ−１２３４ｙｆ）、自然冷媒（例えばＲ−７１７やＲ−７１８）、又は他の適切なタイプの冷媒が挙げられる。
【００２３】
蒸気圧縮システムは、蒸気圧縮システムの動作を制御するようコンプレッサ２の駆動機構に機能的に連結される制御ユニット５を有する。
【００２４】
本発明を実施するために、従来のコンプレッサ、凝縮器および膨張装置を、それぞれ、コンプレッサ２、凝縮器３および膨張装置４として用いることができることは、本開示から当業者には明らかであろう。言いかえれば、コンプレッサ２、凝縮器３および膨張装置４は、当該技術において周知の従来の構成要素である。コンプレッサ２、凝縮器３および膨張装置４は、当該技術において周知であるので、これらの構造をここでは詳細に説明・例示しない。蒸気圧縮システムは、複数の蒸発器１、コンプレッサ２および／又は凝縮器３を有することもできる。
【００２５】
次に図３〜図５を参照して、第一実施形態にかかる熱交換器である蒸発器１の詳細な構造を説明する。図３および図６に示すように、蒸発器１は、長手方向中心軸Ｃ（図６）が略水平方向に延びる略円筒形状のシェル１０を有する。シェル１０は、入口水室１３ａおよび出口水室１３ｂを有する接続ヘッド部材１３と、水室１４ａを有する戻りヘッド部材１４と、を有する。接続ヘッド部材１３および戻りヘッド部材１４は、シェル１０の円筒状本体の長手方向両端部に固定して連結される。入口水室１３ａおよび出口水室１３ｂは、水バッフル１３ｃによって分割される。接続ヘッド部材１３は、シェル１０に入る水が通過する水入口管１５と、シェル１０から放出される水が通過する水出口管１６と、を有する。図３および図６に示すように、シェル１０は、冷媒入口管１１と冷媒出口管１２とを更に有する。冷媒入口管１１は、供給導管６（図７）を介して膨張装置４に流体的に接続され、これにより、二相の冷媒がシェル１０へと導入される。膨張装置４は、冷媒入口管１１に直接連結されてもよい。二相の冷媒における液体成分は、蒸発器１を通る水から熱を吸収し、蒸発器１において沸騰および／又は蒸発し、液体から蒸気へと相変化する。蒸気冷媒は冷媒出口管１２からコンプレッサ２へと吸引によって流出する。
【００２６】
図４は、シェル１０に収容される内部構造を示す概略斜視図である。図５は、図４に示される内部構造の分解図である。図４および図５に示すように、蒸発器１は基本的に、冷媒分配アッセンブリ２０と、管束３０と、トラフ(trough)部４０とを有する。蒸発器１は、好ましくは、図７に示すようなバッフル部材５０を更に有する。しかしながら、図４〜図６においては簡潔化のため、バッフル部材５０の図示を省略している。
【００２７】
冷媒分配アッセンブリ２０は、気液分離器および冷媒分配器の両方として機能するよう構成され配置される。図５に示すように、冷媒分配アッセンブリ２０は、入口管部２１（入口部の一例）と、第一トレー部２２と、複数の第二トレー部２３と、を有する。入口管部２１、第一トレー部２２および第二トレー部２３を、金属、合金、樹脂等の種々の材料で形成できる。第一実施形態において、入口管部２１、第一トレー部２２および第二トレー部２３は、金属材料で形成されている。
【００２８】
図６に示すように、入口管部２１はシェル１０の長手方向中心軸Ｃと略平行に延びる。入口管部２１は、シェル１０の冷媒入口管１１と流体的に接続され、これにより、二相の冷媒が冷媒入口管１１を介して入口管部２１へと導かれる。入口管部２１は、二相の冷媒を放出するために、入口管部２１の長手方向長さに沿って配置される複数の開口部２１ａを有する。二相の冷媒が入口管部２１の開口部２１ａから放出されると、入口管部２１の開口部２１ａから放出される二相の冷媒の液体成分が、第一トレー部２２に受けとられる。一方、二相の冷媒の蒸気成分は上方へと流れて、図７に示すバッフル部材５０に衝突し、蒸気に含まれる液滴がバッフル部材５０によって捉えられる。バッフル部材５０によって捉えられた液滴は、バッフル部材５０の傾斜面に沿って第一トレー部２２に向かって案内される。バッフル部材５０は、プレート部材、メッシュスクリーン等として構成できる。蒸気成分は、バッフル部材５０に沿って下方へ流れ、その後、出口管１２に向かって上方へと方向を変える。蒸気冷媒は出口管１２を介してコンプレッサ２に向かって放出される。
【００２９】
図５および図６に示すように、第一トレー部２２は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃと略平行に延びる。図７に示すように、第一トレー部２２の底面は、入口管部２１の下方に配置され、入口管部２１の開口部２１ａから放出される液体冷媒を受ける。第一実施形態において、図７に示すように、第一トレー部２２の底面と入口管部２１との間には鉛直方向の隙間が形成されないよう、入口管部２１は第一トレー部２２内に配置される。言いかえれば、第一実施形態においては、図６に示すように、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向から見て、入口管部２１の大部分が第一トレー部２２と重なっている。第一トレー部２２に貯留される液体冷媒の液位（高さ）を比較的高く維持しながら、第一トレー部２２において貯留される液体冷媒の総体積を低減することができるので、この構成には利点がある。あるいは、第一トレー部２２の底面と入口管部２１と間に鉛直方向に大きな隙間が形成されるよう、入口管部２１および第一トレー部２２を配置することもできる。入口管部２１、第一トレー部２２およびバッフル部材５０は、好ましくは互いに連結され、シェル１０の上部において適切な方法で上方から吊り下げられる。
【００３０】
図８に示すように、第一トレー部２２は複数の第一放出孔２２ａを有し、第一トレー部２２に貯留された液体冷媒が第一放出孔２２ａから下方へと放出される。第一トレー部２２の第一放出孔２２ａから放出される液体冷媒は、第一トレー部２２の下方に配置された第二トレー部２３のいずれかによって受けられる。
【００３１】
図５および図９に示すように、第一実施形態の冷媒分配アッセンブリ２０は３つの同一構成の第二トレー部２３を有する。複数の第二トレー部２３は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに沿って並べて配置されている。図８および図９に示すように、３つの第二トレー部２３の総長手方向長さＬ２は、図６に示すように、第一トレー部２２の長手方向長さＬ１と実質的に同一である。図７に示すように、第二トレー部２３が管束３０の全幅にわたって延設されるように、第二トレー部２３の横方向幅は第一トレー部２２の横方向幅より大きく設定されている。第二トレー部２３は、第二トレー部２３に貯留された液体冷媒が第二トレー部２３間で移動しないように構成される。図９に示すように、第二トレー部２３のそれぞれは、複数の第二放出孔２３ａを有し、液体冷媒は第二放出孔２３ａから管束３０に向かって下方へと放出される。第一トレー部２２の第一放出孔２２ａのそれぞれの大きさは、好ましくは第二トレー部２３の第二放出孔２３ａより大きい。この場合、第一トレー部２２に形成される孔の数を低減することができ、これにより、製造コストを低減することができる。
【００３２】
図７において、冷媒回路における冷媒のフローを概略的に示す。簡潔化のため、入口管１１を省略している。分配部２０に供給された冷媒の蒸気成分は、分配部２０の第一トレー部２２において液体成分から分離されて、出口管１２を通って蒸発器１から出る。一方、二相の冷媒の液体成分は、第一トレー部２２に貯留され、その後第二トレー部２３に貯留されて、そして、第二トレー部２３の放出孔２３ａから管束３０に向かって下方へ放出される。
【００３３】
図７に示すように、管束３０は冷媒分配アッセンブリ２０の下方に配置されており、これにより、冷媒分配アッセンブリ２０から放出される液体冷媒は、管束３０上へと供給される。図６に示すように、管束３０は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃと略平行に延びる複数の伝熱管３１を有する。伝熱管３１は、金属等の高い熱伝導率を有する材料で形成されており、好ましくは冷媒と伝熱管３１の内部を流れる水との間の熱交換をさらに促進するために内部溝および外部溝が形成されている。このような内部溝および外部溝を有する伝熱管は、当該技術において周知である。例えば、日立電線株式会社のサーモエクセル（登録商標）−Ｅを本実施形態の伝熱管３１として用いることができる。図５に示すように、伝熱管３１は、シェル１０に固定して連結される鉛直に延びる複数の支持板３２によって支持される。好ましくは、支持板３２は、第二トレー部２３も支持する。第一実施形態において、管束３０は、二経路（ツーパス）システムを形成するよう構成される。ツーパスシステムでは、伝熱管３１は、管束３０の下部に配置された供給ライングループと、管束３０の上部に配置された戻りライングループと、に分割される。図６に示すように、供給ライングループの伝熱管３１の入口端部は、接続ヘッド部材１３の入口水室１３ａを介して水入口管１５と流体的に接続されており、これにより、蒸発器１に入る水が供給ライングループの伝熱管３１へと分配される。供給ライングループの伝熱管３１の出口端部および戻りライン管の伝熱管３１の入口端部は、戻りヘッド部材１４の水室１４ａと流体的に連通されている。したがって、供給ライングループの伝熱管３１の内部を流れる水は水室１４ａへと放出され、戻りライングループの伝熱管３１へと再分配される。戻りライングループの伝熱管３１の出口端部は、接続ヘッド部材１３の出口水室１３ｂを介して、水出口管１６と流体的に連通されている。このように、戻りライングループの伝熱管３１の内部を流れる水は、水出口管１６を通って蒸発器１から出る。典型的なツーパス蒸発器において、水入口管１５から入る水の温度を華氏約５４度（約１２°Ｃ）とでき、水出口管１６から出て行く時、水は華氏約４４度（約７°Ｃ）に冷却される。本実施形態においては、水が蒸発器１の同じ側で出入りするツーパスシステムを形成するよう蒸発器１が構成されているが、一経路（ワンパス）あるいは三経路（スリーパス）システム等の他の従来のシステムを用いることができることは、本開示から当業者には明らかであろう。また、ツーパスシステムにおいて、ここで例示した構成の代わりに、戻りライングループを供給ライングループの下方に又は横に並べて配置することもできる。
【００３４】
伝熱管３１は、液体冷媒の流下膜式蒸発を行うよう構成され配置される。より具体的には、伝熱管３１は、冷媒分配アッセンブリ２０から放出される液体冷媒が各伝熱管３１の外壁に沿って層（すなわち膜）を形成するよう構成される。この構成では、液体冷媒は蒸気冷媒として蒸発し、同時に伝熱管３１の内部を流れる水から熱を吸収する。図７に示すように、シェル１０の長手方向中心軸Ｃと平行な方向から見て（図７のように）、伝熱管３１は、互いに平行に延びる複数の鉛直方向列上に配置されている。したがって、冷媒は、重力によって、一の伝熱管から他の伝熱管へと下方へ落下する。伝熱管３１の列は、第二トレー部２３の第二放出開口部２３ａに対して配置され、第二放出開口部２３ａから放出される液体冷媒は、各列における伝熱管３１のうち最も上方にある管上へと落ちる。第一実施形態において、図７に示すように、伝熱管３１の列は千鳥状(staggered pattern)に配置される。また、第一実施形態において、伝熱管３１のうちの２つの隣接する管の間の鉛直方向ピッチは実質的に一定である。同様に、伝熱管３１の列の２つの隣接する列の間の水平方向ピッチは実質的に一定である。
【００３５】
次に図１０〜図１５を参照して、第一実施形態にかかる冷媒分配アッセンブリ２０の第一トレー部２２および第二トレー部２３の構造をより詳細に説明する。
【００３６】
第一実施形態において、好ましくは、蒸発器１の使用時に、第一トレー部２２に貯留される液体冷媒の高さが、第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の高さより高くなるよう、第一トレー部２２および第二トレー部２３は構成される。言いかえれば、第一トレー部２２および第二トレー部２３における液体冷媒が所望の高さとなるよう、第一トレー部２２の第一放出孔２２ａおよび第二トレー部２３の第二放出孔２３ａの、大きさおよび数が調整される。具体的には、第一放出孔２２ａから放出される液体冷媒の流量と第二放出孔２３ａから放出される液体冷媒の流量とを略同一としながら、第一トレー部２２に貯留される液体冷媒の高さが第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の高さより高くなるよう、第一トレー部２２の第一放出孔２２ａの総断面積および第二トレー部２３の第二放出孔２３ａの総断面積が設定される。第一実施形態によれば、第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の体積を低減することができるので、蒸発器１の伝熱性能を低下させることなく、冷媒の総充填を低減することができる。また、第一実施形態にかかる構成によれば、以下により詳細に説明されるように、蒸発器１が完全には水平でない場合であっても、液体冷媒を冷媒分配アッセンブリ２０から管束３０上に実質的に均一に分配することができる。
【００３７】
図１０〜図１５を参照して、第一トレー部２２の第一放出孔２２ａの総断面積と第二トレー部２３の第二放出孔２３ａの総断面積とを決定する方法の一例を説明する。
【００３８】
容器内の液体が容器に形成された孔から放出される場合、孔から放出される液体の流量は以下の式（１）および式（２）によって表現される。
【００３９】
0005970605.tif 000002
【００４０】
式（１）および式（２）において、「Ｑ」は孔から放出される液体の流量を表し、「Ａ」は孔の断面積を表し、「Ｖ」は孔から放出される液体の流速を表し、「ｈ」は容器における液体の高さを表し、「Ｃ」は所定の補正係数を表す。このように、孔から放出される液体の流量Ｑは、孔の断面積Ａおよび容器内の液体の高さｈの関数である。
【００４１】
したがって、第一放出孔２２ａの総断面積および第二放出孔２３ａの総断面積を調整することによって、第一トレー部２２からの放出流量と第二トレー部２３からの放出流量を実質的に同一にしながら、第一トレー部２２における液体冷媒の高さおよび各第二トレー部２３における液体冷媒の高さを調整することができる。一般的に、可能な限り冷媒の充填を低減するために、第一トレー部２２における液体冷媒の高さおよび第二トレー部２３における液体冷媒の高さは、様々な動作条件の全てに対して所望の流量を達成できる、可能な限り最も小さい値に設定されることが望ましい。このため、蒸発器１が完全に水平に設置される場合であって、かつ、入口管部２１からの液体冷媒の分配が実質的に均一である場合には、第一放出孔２２ａの総断面積および第二放出孔２３ａの総断面積のそれぞれは、第一トレー部２２における液体冷媒の高さおよび第二トレー部２３における液体冷媒の高さを低く維持できるよう、様々な動作条件の全てに対して所望の流量を達成できる最も大きい値に設定されることが望ましい。
【００４２】
しかしながら、入口管部２１に入る冷媒が二相状態にあるので、入口管部２１から第一トレー部２２へと長手方向に沿って二相の冷媒を均一に分配することは困難である。さらに、蒸発器１を完全に水平に設置することは非常に困難で、蒸発器１の長手方向中心軸Ｃは水平面に対して多少傾斜している場合もある。蒸発器１が多少傾斜している場合、蒸発器１の長手方向両端部間に高さの差が生じる。例えば、蒸発器１の全体的長手方向長さが約３メートルであって、長手方向中心軸Ｃが水平面に対して（一般に設置に関する最大許容傾斜である）３／１０００ラジアン（ｒａｄ）傾斜している場合、蒸発器の長手方向両端部間に高さの差は約９ｍｍである。このような場合、図１０に示すように、第一トレー部２２の一方の側の液体冷媒の高さｈ１と第一トレー部２２の他方の側の高さｈ２の間の差もまた約９ｍｍである。式（１）および式（２）に関して説明した通り、第一トレー部２２からの液体冷媒の流量は第一トレー部２２に貯留された液体冷媒の高さの関数であるので、第一トレー部２２内の液体冷媒の高さｈ１，ｈ２間のこのような差のために、液体冷媒の放出流量は、第一トレー部２２の一方の領域から他方の領域へと変化する。このような場合、第一トレー部２２からの液体冷媒の分配は不均一となり、管束３０にドライパッチ（dry patch）が形成される可能性が高くなる。これに対して、第一実施形態においては、蒸発器１が多少傾斜した面に設置される場合であっても、液体冷媒が第二トレー部２３に向かって実質的に均一に分配されるよう、第一トレー部２２の第一放出孔２２ａの総断面積が決定される。
【００４３】
図１１は、第一放出孔２２ａの総断面積を異ならせた場合の、第一放出孔２２ａからの液体冷媒の流量Ｑ（ｋｇ／ｈ）と、第一トレー部２２における液体冷媒の高さｈ（ｍｍ）と、の関係を示すグラフである。この例においては、蒸発器１は最大流量９０００ｋｇ／ｈの１５０トンの容量を有し、蒸発器１の長手方向長さは約３メートルである。図１１に示すように、総断面積が小さくなるにつれ、ある流量Ｑを達成するための第一トレー部２２における液体冷媒の高さｈも大きくなる。例えば、約９０００ｋｇ／ｈの流量を達成するためには、第一トレー部２２における液体冷媒の高さｈは、第一放出孔２２ａの総断面積が５．８９ｘ１０-3ｍ2である場合には約１０ｍｍであり、第一放出孔２２ａの総断面積が２．９５ｘ１０-3ｍ2である場合には約４０ｍｍであり、第一放出孔２２ａの総断面積が２．４１ｘ１０-3ｍ2である場合には約６０ｍｍである。一般的に、第一トレー部２２における液体冷媒の高さを低く維持できるよう、第一トレー部２２の第一放出孔２２ａの総断面積を大きな値に設定することが望ましい。
【００４４】
しかしながら、図１０に示すような蒸発器１の傾斜のために、あるいは、入口管部２１からの冷媒の分配が不均一なために、第一トレー部２２に貯留される液体冷媒に高さに差がある場合、流量Ｑも、第一トレー部２２の一方の側の高さｈ１に対応する値から、反対側の高さｈ２に対応する値まで変化する。第一トレー部２２の一方の側から他方の側までの貯留された液体冷媒の高さの差を９ｍｍ、液体冷媒の平均の高さｈを４０ｍｍと仮定すると、液体冷媒の高さは、一方の側における３５．５ｍｍ（ｈ１）から他方の側における４４．５ｍｍ（ｈ２）まで変化する。したがって、図１１に示すように、第一放出孔２２ａの総断面積が２．９５ｘ１０-3ｍ2である場合、高さｈ１に対応する流量Ｑと高さｈ２に対応する流量Ｑとの間の変化は約１０％である。高さｈがさらに小さい場合、流量Ｑのこの変化は相当大きくなる。例えば、第一放出孔２２ａの総断面積が５．８９ｘ１０-3ｍ2であり、かつ液体冷媒の平均の高さが約１０ｍｍである場合、高さｈ１に対応する流量Ｑと高さｈ２に対応する流量Ｑとの間の変化は約３７％である。流量Ｑのこのような大きい変化により、第一トレー部２２からの液体冷媒の分配が不均一となる。一方、第一放出孔２２ａの総断面積が、２．４１×１０-3ｍ2である場合、流量Ｑの変化は小さく約７％である。しかしながら、このような場合、９０００ｋｇ／ｈの流量を達成するのに必要な液体冷媒の高さは大きくなり、冷媒充填の量の望ましくない増加を引き起こす。
【００４５】
したがって、第一放出孔２２ａの総断面積は好ましくは、流量Ｑの変化を抑制することと、冷液体媒の高さｈを可能な限り低く抑えることと、の間でバランスをとるよう設定される。本発明の第一実施形態においては、第一トレー部２２に貯留される液体冷媒に高さに差がある場合の流量Ｑの変化が１０％を超えないと同時に、液体冷媒の平均の高さを可能な限り低く抑えるよう、第一放出孔２２ａの総断面積が設定される。第一放出孔２２ａの最適な総断面積は、個々の蒸発器の大きさおよび容量（つまり最大流量）に応じて変更されることは、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、図１１に示す、最大流量９０００ｋｇ／ｈで容量１５０トンの、長手方向長さが約３メートルの蒸発器１の例では、第一放出孔２２ａの総断面積は好ましくは約２．９５×１０-3ｍ2に設定される。このような場合、蒸発器１の使用時に第一トレー部２２に貯留される液体冷媒の平均の高さｈは、約４０ｍｍである。
【００４６】
第二トレー部２３の第二放出孔２３ａの総断面積を決定する場合にも、上述の同じ原理が適用される。しかしながら、それぞれの第二トレー部２３の長手方向長さが第一トレー部２２より短いので、各第二トレー部２３に貯留された液体冷媒の、一方の側から他方の側までの高さの差は、第一トレー部２２の差より小さい。したがって、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の高さを、第一トレー部２２より小さく抑えることができる。図１２は、この概念を説明するための概略図である。第一トレー部２２と同一の長手方向長さを有している第二トレー部２３が１つだけある場合には、上述の通り、平均の高さが約４０ｍｍで、第二トレー部２３に貯留される液体冷媒に９ｍｍの高さの差異が存在するとき、一方の側の高さｈ１が３５．５ｍｍとなり、他方の側に高さｈ２が４４．５ｍｍとなるよう、第二放出孔２３ａの総断面積が設定される。しかしながら、２つの第二トレー部２３が備えられ、各第二トレー部２３が第一トレー部２２の長手方向長さの約半分の長手方向長さを有する場合、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の一方の側から他方の側までの高さの差は、４．５ｍｍに低減される。このような場合、高さの差による、各第二トレー部２３から放出される液体冷媒の流量Ｑの変化も低減される。したがって、流量の変化を約１０％に抑えながら、第二トレー部２３における液体冷媒の高さを低減するために、第二放出孔２３ａの総断面積を大きくすることができる。例えば、２つの第二トレー部２３がある場合、図１２に示すように、流量の変化を約１０％に抑えながら、それぞれの第二トレー部２３における液体冷媒の平均の高さが約２２ｍｍとなるよう、第二放出孔２３ａの総断面積を拡大できる。
【００４７】
同様に、３つの第二トレー部２３が備えられ、各第二トレー部２３が第一トレー部２２の長手方向長さの約３分の１の長手方向長さを有する場合、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の一方の側から他方の側までの高さの差は、３ｍｍに低減される。したがって、流量Ｑの変化を約１０％に抑えながら、それぞれの第二トレー部２３における液体冷媒の平均高さが約１４ｍｍとなるよう、第二放出孔２３ａの総断面積をさらに大きくすることができる。４つの第二トレー部２３が備えられ、各第二トレー部２３が第一トレー部２２の長手方向長さの約４分の１の長手方向長さを有する場合、それぞれの第二トレー部２３貯留される液体冷媒の一方の側から他方の側までの高さの差は、２．２５ｍｍに低減される。したがって、流量Ｑの変化を約１０％に抑えながら、それぞれの第二トレー部２３における液体冷媒の平均高さが約１１ｍｍとなるよう、第二放出孔２３ａの総断面積をさらに大きくすることができる。５つの第二トレー部２３が備えられ、各第二トレー部２３が第一トレー部２２の長手方向長さの約５分の１の長手方向長さを有する場合、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の一方の側から他方の側までの高さの差は、３ｍｍに低減される。したがって、流量Ｑの変化を約１０％に抑えながら、それぞれの第二トレー部２３における液体冷媒の平均高さが約９ｍｍとなるよう、第二放出孔２３ａの総断面積を大きくすることができる。
【００４８】
図１３は、図１２に示した、各第二トレー部２３における液体冷媒の高さｈと第二トレー部２３の数との関係を示すグラフである。図１３に示すように、第二トレー部２３の数が増え、これにより各第二トレー部２３の長手方向長さが減少するにつれて、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の高さを、より小さくできる。第二トレー部２３の数が３つ以上である場合、それぞれの第二トレー部２３における液体冷媒の高さは劇的に小さくなる。したがって、第一実施形態において、蒸発器１は３つ以上の第二トレー部２３を備えることが好ましい。しかしながら、第二トレー部２３の最適な数は蒸発器１の実際の大きさおよび容量に応じて変わることは、本開示から当業者には明らかであろう。
【００４９】
図１４に、第一トレー部２２および第二トレー部２３に貯留される冷媒の体積と、第二トレー部２３の数と、の関係を示すグラフを示す。図１５に、第一放出孔２２ａと第二放出孔２３ａとの総断面積の比と、第二トレー部２３の数と、の関係を示すグラフを示す。
【００５０】
図１４に示すように、貯留される液体冷媒の高さは図１３に示すように減少するので、第二トレー部２３の数が増えるにつれ、第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の体積は減少する。さらに、上述の通り、第二トレー部２３の数が増えると、流量の変化を約１０％に抑えながら第二孔２３ａの総断面積を増加することができる。したがって、図１５に示すように、第二トレー部２３の数が増えるにつれ、第一放出孔２２ａの総断面積に対する第二放出孔２３ａの総断面積の比が増加する。図１４および図１５に示すように、第一放出孔２２ａの総断面積に対する第二放出孔２３ａの総断面積の比が１．２以上である場合、第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の体積はより小さくなる。したがって、第一実施形態において、第一トレー部２２および第二トレー部２３は、好ましくは、第一放出孔２２ａの総断面積に対する第二放出孔２３ａの総断面積の比が、１．２以上、より好ましくは１．５以上となるよう、構成される。
【００５１】
このように、第一実施形態にかかる冷媒分配アッセンブリ２０では、入口管部２１から第一トレー部２２への二相の冷媒の分配が均一でない場合であっても、液体冷媒は、長手方向に連続的に延びる第一トレー部２２に貯留される。したがって、入口管部２１からの液体冷媒の分配における不均一さは、第一トレー部２２によって軽減される。さらに、比較的大量の液体冷媒が第一トレー部２２において貯留されるので、蒸発器１が水平でない場合であっても、第一トレー部２２から放出される液体冷媒の流量の変化を抑制することができる。さらに、複数の第二トレー部２３が備えられるので、第二トレー部２３からの液体冷媒の流量の変化を所定レベル（例えば１０％）以下に抑えながら、それぞれの第二トレー部２３に貯留される液体冷媒の高さを低減することができる。したがって、良好な伝熱性能を確保しながら冷媒充填を低減できる。さらに、液体冷媒を分配するためのパイプすなわち管の代わりに第一トレー部２２および第二トレー部２３を用いることにより、冷媒分配アッセンブリ２０における圧力損失を低減できる。
【００５２】
上述の実施形態において、第二トレー部２３は、互いに間隔を空けて配置される別の部材として構成される。液体冷媒の長手方向における連続的な分配に間隙が形成されないように、第二トレー部２３の間の長手方向距離は十分に小さく設定される。あるいは、図１６および図１７に示すように、第二トレー部２３を一体的に形成することもできる。この場合も、第二トレー部２３に貯留された液体冷媒が第二トレー部２３間で移動しないように、第二トレー部２３が構成される。
【００５３】
さらに、第一実施形態において、第一放出孔２２ａおよび第二放出孔２３ａを、円形状の孔として示した。しかしながら、第一放出孔２２ａおよび第二放出孔２３ａの形状および構成は簡単な円形状の孔に限定されない。あらゆる適切な開口部を第一放出孔２２ａおよび第二放出孔２３ａとして利用することができる。
【００５４】
第一実施形態の変形例にかかる蒸発器１Ａは、冷媒再循環システムを備えることができる。より具体的には、図１８に示すように、シェル１０は、ポンプ装置７ａに連結される導管７と流体連通状態にある底部出口管１７を有することができる。シェル１０の底部に貯留された液体冷媒が入口管１１を介して蒸発器１０の分配部２０に再循環されるよう、ポンプ装置７ａは選択的に運転される（図１）。底部出口管１６は、シェル１１０の任意の長手方向位置に配置することができる。あるいは、ポンプ装置７ａを、ベルヌーイの原理に基づいてシェル１０の底部に貯留された液体冷媒を凝縮器２からの加圧冷媒を用いて吸い込むよう動作するエジェクタ装置と置き換えることもできる。このようなエジェクタ装置は、膨張装置の機能とポンプの機能と併せ持つ。
【００５５】
さらに、第一実施形態の他の変形例にかかる蒸発器１Ｂを、図１９に示すように、流下膜部と浸漬部とを有するハイブリッド蒸発器として構成することもできる。このような場合、管束３０Ｂはさらに、シェル１０の底部に隣接して配置される複数の浸漬式伝熱管３１ｆを有する。蒸発器１の使用時には、浸漬式伝熱管３１ｆは、シェルの底部に貯留された液体冷媒のプールに浸漬される。
【００５６】
＜第二実施形態＞
次に図２０〜図２７を参照して、第二実施形態にかかる蒸発器１０１を説明する。第一実施形態と第二実施形態との類似点を考慮して、第一実施形態のパーツと同一の第二実施形態のパーツには、第一実施形態のパーツと同じ参照符号が付されている。また、説明の簡潔化のために、第二実施形態のパーツと同一の第二実施形態のパーツの説明を省略する。
【００５７】
第二実施形態の蒸発器１０１は、中間トレー部６０が、管束１３０の供給ライングループの伝熱管３１と、管束１３０の戻りライングループの伝熱管３１との間に備えられることを除いて、第一実施形態の蒸発器１と基本的に同じである。中間トレー部６０は、複数の放出孔６０ａを有し、放出孔６０ａを通って液体冷媒が下方へ放出される。放出孔６０ａは、放出孔６０ａの下方に配置された伝熱管３１上に、冷媒を所定パターン（例えばジェットパターン）で噴射するスプレーノズル等に連結されてもよい。
【００５８】
上述の通り、蒸発器１０１は、水が初めに管束１３０の下部領域に配置される供給ライングループの伝熱管３１の内部を流れ、その後、管束１３０の上部領域に配置される戻りライングループの伝熱管３１の内部を流れるよう案内されるツーパスシステムを備える。したがって、入口水室１３ａ近傍で供給ライングループの伝熱管３１の内部を流れる水の温度が最も高く、したがって、より多くの伝熱量が必要とされる。例えば、図２１に示すように、入口水室１３ａ近傍の伝熱管３１の内部を流れる水の温度が最も高い。したがって、より多くの伝熱量が入口水室１３ａ近傍の伝熱管３１で必要とされる。冷媒分配アッセンブリ２０からの冷媒の分配の不均一により、伝熱管３１のこの領域が完全に乾いてしまうと、蒸発器３０１は完全には乾いていない伝熱管３１の限られた表面を用いて伝熱を行わねばならず、このとき蒸発器３０１は圧力と平衡状態になる。このような場合、伝熱管３１の完全に乾いた部分を再度湿らせるためには、定格を超えた冷媒充填（例えば２倍程度）が必要となろう。
【００５９】
したがって、第二実施形態において、より多くの伝熱量を必要とする伝熱管３１の上方の位置に、中間トレー部６０が配置される。上から落下する液体冷媒は、中間トレー部６０によって一度受けられ、より多くの伝熱量を必要とする、中間トレー部６０の下方に配置された伝熱管３１に向かって均一に再分配される。こうして、伝熱管３１のこれらの部分が完全に乾くことが防止され、管束１３０における伝熱管３１の外壁の実質的にすべての表面を用いて、伝熱を効率的に行うことができる。
【００６０】
上述のように、中間トレー部６０の放出孔６０ａの総断面積は、好ましくは、流量の変化を抑制することと、冷液体媒の高さをできるだけ低減することと、の間でバランスをとるよう決定される。
【００６１】
図２１においては、中間トレー部６０が管束１３０の長手方向に部分的にのみ配置されているが、中間トレー部６０、又は、複数の中間トレー部６０を、管束１３０の長手方向長さの実質的に全体にわたって延びるよう配置することもできる。さらに、図２２に示すように、複数の中間トレー部６０は、長手方向に互いに間隔を空けて配置されるよう、蒸発器１０１’に備えられてもよい。図２２に示す構成では、接続ヘッド部材１３および戻りヘッド部材１４の位置が入れ換えられた場合でも、より多くの量の伝熱を必要とする管束１３０の位置の上方に、中間トレー部６０の少なくとも１つが配置される。
【００６２】
第二実施形態において、冷媒を、中間トレー部６０に直接供給することもできる。このような場合、十分な量の冷媒の中間トレー部への供給が確保されることにより、中間トレー部６０の下方に配置された伝熱管３１の部分を確実に湿らせることができる。
【００６３】
例えば、図２３に示すように、蒸発器１０１Ａは、導管６から分岐する導管６’を有する冷媒回路を有することもできる。冷媒が膨張弁４から中間トレー部６０に直接供給されるよう、導管６’は中間トレー部６０に流体的に接続される。
【００６４】
さらに、図２４に示すように、蒸発器１０１Ｂは、冷媒再循環システムを備えることもできる。より具体的には、シェル１１０は、ポンプ装置７ａに連結される導管７と流体連通状態にある底部出口管１６を有することができる。シェル１０の底部に貯留された液体冷媒が導管６を介して蒸発器１０の分配部２０に、また導管６’を通じて中間トレー部６０に再循環されるよう、ポンプ装置７ａは選択的に運転される。底部出口管１７は、シェル１１０の任意の長手方向位置に配置することができる。
【００６５】
さらに、図２５に示すように、蒸発器１０１Ｃは、再循環する冷媒を中間トレー部６０にのみ直接供給する冷媒再循環システムを有することもできる。あるいは、図２６に示すように、蒸発器１０１Ｄは、再循環した冷媒の一部を中間トレー部６０に直接供給する冷媒再循環システムを有することもできる。図２５および図２６に示す例では、液体状態の冷媒が中間トレー部６０に供給される。したがって、二相状態の冷媒が中間トレー部６０に供給される図２４に示す例と比較して、図２５および図２６に示す例においては、液体冷媒を中間トレー部６０に安定して供給することができる。
【００６６】
さらに、図２７に示すように、蒸発器１０１Ｅは、ベルヌーイの原理に基づいてシェル１０の底部に貯留された液体冷媒を凝縮器２からの加圧冷媒を用いて吸い込むよう動作するエジェクタ装置８を有することもできる。エジェクタ装置８は、膨張装置の機能とポンプの機能とを併せ持つため、エジェクタ装置が用いられる場合には、膨張装置４を省略することもできる。このような場合、コンプレッサ２からの加圧された冷媒はエジェクタ装置に導入され、そしてエジェクタ装置からの減圧された冷媒は導管６に供給される。エジェクタ装置８が用いられる場合、エジェクタ装置８の前後の圧力差が大きくないので、蒸発器における圧力損失が可能な限り小さいことが望ましい。例示の実施形態の冷媒分配アッセンブリ２０では、第一トレー部２２および第二トレー部２３を用いることにより圧力損失を抑制することができる。したがって、図２７に示すように、例示の実施形態にかかる冷媒分配アッセンブリ２０は、エジェクタ装置８を利用するシステムにおいて好適に用いられる。
【００６７】
＜用語の一般的な説明＞
本発明の範囲の理解において、ここで用いられる用語「備える」およびその派生語は、記載された特徴、要素、コンポーネント、群、整数（integer）、および／又はステップがあることを明記しているオープンエンドの用語を意味するのであって、記載されていない特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／又はステップがあることを排除するものではない。上記は、用語「有する」、「含む」およびそれらの派生語など同様の意味を持つ語にも当てはまる。また、単数形で用いられる用語「パート」、「部分」、「部」、「部材」あるいは「要素」は、単一のパーツあるいは複数のパーツの２つの意味を持ちうる。以上の実施形態の説明に用いられる、次の用語、「上部」、「下部」、「上方」、「下向き」、「鉛直」、「水平」、「下方」、「横方向」や他の同様な方向を示す用語が、図６および図７に示すように蒸発器の長手方向中心軸が実質的水平に配置されたときの、蒸発器の方向を示す用語として使用される。このように、本発明の説明に用いられるこれらの用語は、通常の動作位置において用いられている蒸発器に対して相対的に解釈される。さらには、ここでの、「実質的」、「約」、「およそ」といった程度を示す用語は、最終結果が大きく変わらないような、妥当な変形の条件の変更量を意味するものとして用いられる。
【００６８】
本発明の説明のためにいくつかの選ばれた実施例だけが選択されたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の変更、変形ができることは、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、必要に応じておよび／又は望まれるように、種々の構成要素の大きさ、形状、配置、向きを変更できる。互いに直接的に連結あるいは接触するよう示した構成要素は、それらの間に中間構造体を有することができる。１つの要素の機能は２つの要素によって達成することができ、またその逆の場合も同様である。一の態様の構造および機能を他の態様に適用することもできる。すべての利点が必ずしも同時に特定の態様にもたらされる必要はない。先行技術から区別されるそれぞれの特徴は、それ単独として、あるいは他の特徴と組み合わせとして、そのような特徴により実施される構造的なあるいは機能的な思想を含む出願人によるさらなる発明の別の内容として考慮されるものとする。このように、前述の本発明にかかる実施例の説明は単なる例示であって、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される本発明を限定するものではないことは、本開示から当業者には明らかであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】米国特許出願公報２００９／０１７８７９０号
【特許文献２】米国特許５，５８８，５９６号
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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