(57)【要約】【課題】気相の冷媒と伝熱管との接触面積を十分に確保する。【解決手段】本開示の熱交換器（１３）は、シェル（２０）と、シェル（２０）の内部に配置された複数の伝熱管（３０）と、を備えている。複数の伝熱管（３０）は、互いに平行に並べられている。複数の伝熱管（３０）のそれぞれは、第１の角部（３１）を有する。第１の角部（３１）は、鉛直方向において複数の伝熱管（３０）のそれぞれの最も下に位置する部分を構成している。第１伝熱管（３０Ａ）の第１の角部（３１）は、第２伝熱管（３０Ｂ）の頂点（３３ｐ）から水平方向に離れた位置にある。複数の伝熱管（３０）のそれぞれは、複数の伝熱管（３０）のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分を３つ又は３つを越えて有する。【選択図】図３
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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配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第１の角部を有し、
前記第１の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う１組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第１伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第２伝熱管と定義したとき、前記第１伝熱管の前記第１の角部は、前記第２伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にあり、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す前記部分を３つ又は３つを越えて有する、熱交換器。
【請求項２】
前記第１の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第２の角部をさらに含み、
前記縦断面において、前記第１伝熱管の前記第１の角部及び前記第２伝熱管の前記第１の角部は、前記鉛直方向に平行な第１の基準線の上に存在し、前記第１伝熱管の前記第２の角部及び前記第２伝熱管の前記第２の角部は、前記鉛直方向に平行な第２の基準線の上に存在する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記縦断面において、前記複数の伝熱管が格子状に並んでいる、請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記縦断面において、前記複数の伝熱管が互い違いのパターンで並んでいる、請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記複数の伝熱管のそれぞれの底面は、平坦面であり、前記水平方向に対して１０〜２０度の範囲で傾斜している、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記縦断面における前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭は、前記伝熱管を包囲する最小の面積の前記正三角形よりも前記複数の伝熱管のそれぞれの内側に向かって引き下がった凹状部分を有する、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれの重心を通り、かつ前記鉛直方向に平行な基準線に関して、前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭が非対称である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第１の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第２の角部をさらに含み、
前記第２の角部は、前記第１の角部よりも、前記鉛直方向において上方に位置している、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜角度は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜角度に等しく、
前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜方向は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜方向と異なっている、請求項５又は６に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記縦断面において、前記複数の伝熱管が格子状に並んでおり、
前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形であり、
前記複数の伝熱管のそれぞれの底面は、平坦面であり、
前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜角度は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜角度に等しく、
前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜方向は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜方向と異なっており、
前記鉛直方向における奇数段に位置する前記複数の伝熱管の前記第１の角部の位置が前記水平方向に関して互いに揃っており、
前記鉛直方向における偶数段に位置する前記伝熱管の前記第２の角部は、前記水平方向に関して、前記奇数段に位置する前記伝熱管の前記第１の角部と前記頂点との間に位置している、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１２】
冷媒を加熱する蒸発器と、
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、
を備え、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換器によって前記凝縮器が構成されている、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、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を凝縮させるために使用される熱交換器として、シェルアンドチューブ熱交換器が知られている。図２１は、特許文献１に記載された従来のシェルアンドチューブ熱交換器の断面図である。
【０００３】
図２１に示すように、従来のシェルアンドチューブ熱交換器は、シェル１及び複数の伝熱管２を備えている。シェル１は、入口４及び出口５を有する。入口４からシェル１に高温かつ気相の冷媒が導入される。冷媒は、伝熱管２を流れる冷却水によって冷却され、伝熱管の表面上で液化する。これにより、液相の冷媒が生成される。液相の冷媒は、下方に向かって流れ、出口５からシェル１の外部へと排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１５９６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換器の性能を向上させるためには、気相の冷媒などの蒸気と伝熱管との接触面積を十分に確保することが重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本開示は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第１の角部を有し、
前記第１の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う１組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第１伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第２伝熱管と定義したとき、前記第１伝熱管の前記第１の角部は、前記第２伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にあり、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す前記部分を３つ又は３つを越えて有する、熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の技術によれば、気相の冷媒などの蒸気と伝熱管との接触面積を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示の第１実施形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
【図２】図２は、本開示の第１実施形態に係る凝縮器のII-II線に沿った概略断面図である。
【図３】図３は、図２の部分拡大図である。
【図４】図４は、伝熱管の断面形状を詳細に示す拡大図である。
【図５】図５は、第１実施形態の凝縮器の作用説明図である。
【図６】図６は、変形例に係る伝熱管の断面図である。
【図７】図７は、別の変形例に係る凝縮器の断面図である。
【図８】図８は、本開示の第２実施形態に係る凝縮器の概略断面図である。
【図９】図９は、図８の部分拡大図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態の凝縮器の作用説明図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、液滴の離脱位置を調べるために実施した実験の概要を示す模式図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、伝熱管の傾斜角度と液滴の離脱位置との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、液滴の落下位置と液滴の直径との関係を示す模式図である。
【図１３】図１３は、伝熱管の傾斜角度と液滴の直径との関係を示すグラフである。
【図１４】図１４は、状態１〜４における液の流れを示す模式図である。
【図１５】図１５は、伝熱管の傾斜角度と値（ｂ−Φ）との関係を示すグラフである。
【図１６】図１６は、伝熱管の段数と第１伝熱面における液膜の厚さとの関係を各段における伝熱管の状態とともに示す図である。
【図１７】図１７は、伝熱管の段数と伝熱管の外周面の熱伝達率（１段目の値に対する比率）との関係を示すグラフである。
【図１８】図１８は、伝熱管の傾斜角度と伝熱管の外周面の熱伝達率（１段目の値に対する比率）との関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、変形例に係る凝縮器の断面図である。
【図２０】図２０は、別の変形例に係る凝縮器の断面図である。
【図２１】図２１は、従来のシェルアンドチューブ熱交換器の概略断面図である。
【図２２】図２２は、従来の凝縮器の作用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らの知見によれば、図２１に示す従来のシェルアンドチューブ熱交換器には次のような課題がある。図２２に示すように、シェルの内部に冷媒が導入されると、上側に位置する伝熱管２ａの表面上で冷媒が冷却され、液相の冷媒が生成する。液相の冷媒は、伝熱管２ａの底部から真下に流れ落ち、伝熱管２ａよりも下側に位置する伝熱管２ｂの頂部に付着する。液相の冷媒が伝熱管２ｂの表面に沿って流れるので、伝熱管２ｂの表面は全体的に液相の冷媒の膜で覆われる。伝熱管２ｂの表面が全体的に液相の冷媒の膜で覆われると、伝熱管２ｂと気相の冷媒との接触面が失われる。その結果、伝熱管２ｂは、伝熱性能を十分に発揮できない。上側に位置する伝熱管２ａから下側に位置する伝熱管２ｂに流れ落ちる液相の冷媒の量は、液相の冷媒が上側から下側に移動するにつれて徐々に増加する。液相の冷媒の膜の厚さも液相の冷媒が上側から下側に移動するにつれて徐々に増加する。伝熱管２ｂが十分な伝熱性能を発揮できなければ、熱交換器も性能（熱交換性能）を十分に発揮できない。
【００１０】
上記の知見によれば、上側に位置する伝熱管の表面上で生成した凝縮液（液相の冷媒）によって下側に位置する伝熱管の表面が全体的に覆われること防止できれば、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮させることができる。
【００１１】
本開示の第１態様に係る熱交換器は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第１の角部を有し、
前記第１の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う１組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第１伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第２伝熱管と定義したとき、前記第１伝熱管の前記第１の角部は、前記第２伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にあり、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す前記部分を３つ又は３つを越えて有する、というものである。
換言すると、前記鉛直方向から見たときに、前記第１の伝熱管の前記第１の角部は、前記第２の伝熱管の前記頂点と重ならない。
【００１２】
第１伝熱管及び第２伝熱管が上記のような位置関係を満たすとき、第１伝熱管の表面で生じた凝縮液（液相の冷媒）が第２伝熱管の頂点に流れ落ちることを回避できる。これにより、第２伝熱管の表面が全体的に凝縮液で覆われることを回避でき、第２伝熱管と蒸気との接触面が十分に確保される。その結果、第２伝熱管においても十分な伝熱性能が発揮され、ひいては熱交換器が高い性能を発揮しうる。
【００１３】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる熱交換器の前記第１の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第２の角部をさらに含み、前記縦断面において、前記第１伝熱管の前記第１の角部及び前記第２伝熱管の前記第１の角部は、前記鉛直方向に平行な第１の基準線の上に存在し、前記第１伝熱管の前記第２の角部及び前記第２伝熱管の前記第２の角部は、前記鉛直方向に平行な第２の基準線の上に存在する。換言すると、前記第１の基準線は、前記第１の伝熱管の前記第１の角部及び前記第２の伝熱管の前記第２の角部に接触しており、前記第２の基準線は、前記第１の伝熱管の前記第２の角部及び前記第２の伝熱管の前記第２の角部に接触している。このような構成によれば、伝熱管の表面で生じた液相の冷媒が第１の角部及び第２の角部の各々に均等に集まり、下方に向かって流れ落ちる。液相の冷媒の量を左右に均等に振り分けることができるので、液相の冷媒が伝熱管の１箇所のみから下方に向かって流れ落ちる場合と比べて、液相の冷媒による膜が厚くなることを抑制できる。
【００１４】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管が格子状に並んでいる。第３態様によれば、第１態様による効果をより十分に得ることができる。
【００１５】
本開示の第４態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管が互い違いのパターンで並んでいる。このような構成によれば、シェルの内部における気相の冷媒の流れ方向が不規則になるとともに、気相の冷媒に強い撹拌作用が働く。その結果、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮させることができる。気相の冷媒に撹拌作用が働くと、気相の冷媒の流れによって伝熱管の表面からの液相の冷媒の離脱を促すことができる。これに伴い、伝熱管の表面における液相の冷媒の膜の厚さが減少し、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮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１〜第４態様のいずれか１つにかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である。このような形状によれば、円管を成形して伝熱管を容易に作製することができる。また、伝熱管が正三角形に近似した断面形状を有する場合、第１の角部と頂点との水平方向の距離を稼ぎやすい。
【００１７】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様の熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれの底面は、前記水平方向に対し、１０〜２０度の範囲の傾斜角度を有する。第６態様によれば、液相の冷媒は、第１伝熱管の第１の角部から流れ落ち、第２伝熱管の１つの側面のみに接触しうる。つまり、液相の冷媒を１／３の面積の伝熱面に集中させることができる。これにより、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮させることができるので、小負荷運転時など冷媒の凝縮量が少ない条件においても、速やかに冷媒を凝縮させることができる。
【００１８】
本開示の第７態様において、例えば、第５態様にかかる熱交換器の前記縦断面における前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭は、前記伝熱管を包囲する最小の面積の前記正三角形よりも前記複数の伝熱管のそれぞれの内側に向かって引き下がった凹状部分を有する。第７態様によれば、液相の冷媒が角部に集まりやすい。
【００１９】
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれの重心を通り、かつ前記鉛直方向に平行な基準線に関して、前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭が非対称である。このような構成によれば、伝熱管の表面上で生成した液相の冷媒は、第１の角部に容易に集められる。伝熱管の表面から速やかに液相の冷媒を排除することが可能である。
【００２０】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第８態様のいずれか１つにかかる熱交換器の前記第１の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第２の角部をさらに含み、前記第２の角部は、前記第１の角部よりも、前記鉛直方向において上方に位置する。このような構成によれば、伝熱管の表面上で生成した液相の冷媒は、第１の角部に容易に集められ、伝熱管の表面から速やかに排除されうる。
【００２１】
本開示の第１０態様において、例えば、第５又は第６態様にかかる熱交換器の前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜角度は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜角度に等しく、前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜方向は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜方向と異なっている。第１０態様によれば、液相の冷媒の流れが左右に分配されるため、伝熱管の第１伝熱面における液膜の成長が抑制されうる。
【００２２】
本開示の第１１態様において、例えば、第１態様にかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管が格子状に並んでおり、前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形であり、前記複数の伝熱管のそれぞれの底面は、平坦面であり、前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜角度は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜角度に等しく、前記水平方向に対する前記第１伝熱管の底面の傾斜方向は、前記水平方向に対する前記第２伝熱管の底面の傾斜方向と異なっており、前記鉛直方向における奇数段に位置する前記複数の伝熱管の前記第１の角部の位置が前記水平方向に関して互いに揃っており、前記鉛直方向における偶数段に位置する前記伝熱管の前記第２の角部は、前記水平方向に関して、前記奇数段に位置する前記伝熱管の前記第１の角部と前記頂点との間に位置している。第１１態様によれば、液相の冷媒が上側の伝熱管から下側の伝熱管へと流れ落ちることによる影響をより確実に排除することができる。
【００２３】
本開示の第１２態様に係る冷凍サイクル装置は、
冷媒を加熱する蒸発器と、
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、
を備え、
第１〜第１１態様のいずれか１つの熱交換器によって前記凝縮器が構成されているものである。
【００２４】
第１２態様によれば、優れたＣＯＰ（coefficient of performance）を発揮しうる冷凍サイクル装置を提供できる。特に、冷媒の流量（質量流量）が増加する条件で冷凍サイクル装置を運転する場合に高い効果が得られる。
【００２５】
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。
【００２６】
（第１実施形態）
図１に示すように、冷凍サイクル装置１０は、蒸発器１１、圧縮機１２、凝縮器１３、流量制御弁１４及び流路１６ａ〜１６ｄを備えている。蒸発器１１の出口は、流路１６ａによって圧縮機１２の吸入口に接続されている。圧縮機１２の吐出口は、流路１６ｂによって凝縮器１３の入口に接続されている。凝縮器１３の出口は、流路１６ｃによって流量制御弁１４の入口に接続されている。流量制御弁１４の出口は、流路１６ｄによって蒸発器１１の入口に接続されている。流路１６ａ及び１６ｂは蒸気経路であり、流路１６ｃ及び１６ｄは液経路である。各流路は、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。
【００２７】
蒸発器１１において冷媒が加熱されて蒸発する。これにより、気相の冷媒（冷媒蒸気）が生成される。気相の冷媒は、圧縮機１２に吸入されて圧縮される。高温高圧の気相の冷媒が圧縮機１２から凝縮器１３に供給される。冷媒は、凝縮器１３において冷却されて液化する。これにより、液相の冷媒（冷媒液）が生成される。液相の冷媒は、流量制御弁１４を経由して凝縮器１３から蒸発器１１に戻される。
【００２８】
冷凍サイクル装置１０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１１で冷却された熱媒体が室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器１３で加熱された熱媒体が室内に供給され、室内の暖房に使用される。熱媒体は、例えば水である。ただし、冷凍サイクル装置１０は空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。
【００２９】
図２に示すように、凝縮器１３は、シェルアンドチューブ熱交換器によって構成されている。具体的に、凝縮器１３は、シェル２０及び複数の伝熱管３０を備えている。複数の伝熱管３０は、シェル２０の内部に配置されている。シェル２０は、入口２０ａ及び出口２０ｂを有する。入口２０ａ及び出口２０ｂには、それぞれ、流路１６ｂ及び流路１６ｃが接続されうる。鉛直方向において、シェル２０の入口２０ａが最も上に位置し、シェル２０の出口２０ｂが最も下に位置している。例えば、入口２０ａが全ての伝熱管３０よりも鉛直方向の上側に位置し、出口２０ｂが全ての伝熱管３０よりも鉛直方向の下側に位置している。入口２０ａを通じて、シェル２０の内部に気相の冷媒が導入される。冷媒の温度よりも低い温度の熱媒体を伝熱管３０に流すと、伝熱管３０の表面で冷媒が冷却されて凝縮する。出口２０ｂを通じて、シェル２０の外部へと液相の冷媒が排出される。本実施形態において、シェル２０は、矩形の断面形状を有している。ただし、シェル２０は、円形の断面形状を有していてもよい。シェル２０は、耐圧容器であってもよい。
【００３０】
複数の伝熱管３０は、それぞれ、直線形状を有する。複数の伝熱管３０は、シェル２０の内部において、互いに平行に並べられている。複数の伝熱管３０の両端部には、それぞれ、図示しないヘッダが設けられている。熱媒体がヘッダから各伝熱管３０に分配されるとともに、各伝熱管３０からヘッダに熱媒体が集められる。
【００３１】
図２は、伝熱管３０の長手方向に垂直な凝縮器１３の断面を表している。以下、本開示において、伝熱管３０の長手方向に垂直な断面を「縦断面」と称する。本実施形態において、縦断面は鉛直方向に平行である。伝熱管３０の両端部を除き、伝熱管３０の断面形状は、長手方向のどの位置でも同一である。伝熱管３０の長手方向に平行な方向（第１の方向）がＺ方向であるとき、鉛直方向（第１の方向に垂直な第２の方向）がＹ方向であり、水平方向（第１の方向及び第２の方向に垂直な第３の方向）がＸ方向である。
【００３２】
図２に示す縦断面において、複数の伝熱管３０は、格子状に並んで配置されている。鉛直方向に平行な複数の鉛直基準線Ｖｒと、水平方向に平行な複数の水平基準線Ｈｒとを定義したとき、複数の鉛直基準線Ｖｒと複数の水平基準線Ｈｒとの交点の各々の上に伝熱管３０（詳細には、伝熱管３０の重心Ｇ）が位置している。複数の鉛直基準線Ｖｒは、互いに等間隔で並んでいる。複数の水平基準線Ｖｒも互いに等間隔で並んでいる。複数の伝熱管３０は、鉛直方向（縦方向）及び水平方向（横方向）にマトリクス状に配置されている。水平方向において互いに隣り合う伝熱管３０の間には、冷媒の流路として、適度な広さの空間が確保されている。同様に、鉛直方向において互いに隣り合う伝熱管３０の間には、冷媒の流路として、適度な広さの空間が確保されている。
【００３３】
図３に示すように、伝熱管３０（３０Ａ，３０Ｂ）は、非円形の断面形状を有する。具体的に、各伝熱管３０は、角部３１（「第１の角部３１」とも称する）を有する。角部３１は、縦断面において伝熱管３０の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である。また、角部３１は、鉛直方向において伝熱管３０の最も下に位置する部分を構成している。
【００３４】
図３に示すように、各伝熱管３０は、鉛直方向において最も上に位置する頂点３３ｐを含む。鉛直方向において互いに隣り合う１組の伝熱管３０から選ばれる上側の伝熱管３０を第１伝熱管３０Ａと定義し、下側の伝熱管３０を第２伝熱管３０Ｂと定義する。第１伝熱管３０Ａ及び第２伝熱管３０Ｂは、共通の鉛直基準線Ｖｒの上に位置している。第１伝熱管３０Ａの角部３１は、第２伝熱管３０Ｂの頂点３３ｐから水平方向に離れた位置にある。第１伝熱管３０Ａ及び第２伝熱管３０Ｂがこのような位置関係を満たすとき、第１伝熱管３０Ａの表面で生じた液相の冷媒は、第２伝熱管３０Ｂの頂点３３ｐから水平方向に離れた位置に集まり、下方に向かって流れ落ちる。つまり、第１伝熱管３０Ａの表面で生じた液相の冷媒が第２伝熱管３０Ｂの頂点３３ｐに流れ落ちることを回避できる。これにより、第２伝熱管３０Ｂの表面が全体的に液相の冷媒で覆われることを回避でき、第２伝熱管３０Ｂと気相の冷媒との接触面が十分に確保される。その結果、第２伝熱管３０Ｂにおいても十分な伝熱性能が発揮され、ひいては凝縮器１３の性能が十分に発揮される。
【００３５】
図３に示すように、伝熱管３０は、第１の角部３１に加え、他の角部３２（「第２の角部３２」とも称する）及び頂部３３をさらに有する。第１の角部３１は、水平方向における一端に位置する部分である。第２の角部３２は、水平方向における他端に位置する部分である。第１の角部３１だけでなく、第２の角部３２も鉛直方向において伝熱管３０の最も下に位置する部分を構成している。つまり、鉛直方向において、第１の角部３１は、第２の角部３２と同じ高さに位置している。頂部３３は、鉛直方向において伝熱管３０の最も上に位置する部分である。頂点３３ｐは、頂部３３に含まれる位置である。縦断面において、第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１及び第２伝熱管３０Ｂの第１の角部３１は、鉛直方向に平行な第１の基準線Ｖ１の上に存在する。縦断面において、第１伝熱管３０Ａの第２の角部３２及び第２伝熱管３０Ｂの第２の角部３２は、鉛直方向に平行な第２の基準線Ｖ２の上に存在する。第１の基準線Ｖ１と第２の基準線Ｖ２との間の距離Ｄは、水平方向に関する伝熱管３０の寸法（幅）に等しい。つまり、本実施形態において、伝熱管３０の断面形状は、鉛直基準線Ｖｒに関して対称である。このような構成によれば、伝熱管３０の表面で生じた液相の冷媒が第１の角部３１及び第２の角部３２の各々に均等に集まり、下方に向かって流れ落ちる。液相の冷媒の量を左右に均等に振り分けることができるので、液相の冷媒が伝熱管３０の１箇所のみから下方に向かって流れ落ちる場合と比べて、液相の冷媒による膜が厚くなることを抑制できる。また、第１の角部３１の位置及び第２の角部３２の位置が鉛直方向に関して揃っているので、第１伝熱管３０Ａの表面で生じた液相の冷媒が第２伝熱管３０Ｂの角部３１及び３２以外の部分に流れ落ちることを概ね回避できる。したがって、第１伝熱管３０Ａの表面で生じた液相の冷媒によって被覆される第２伝熱管３０Ｂの表面の面積を最小限に抑えることができる。
【００３６】
なお、「第１の角部３１」、「第２の角部３２」及び「頂部３３」は、次のように定義することもできる。縦断面において伝熱管３０の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の円弧状の輪郭を示す部分を「角部」と定義する。鉛直方向の最も上に位置している「角部」を「頂部」と定義することができる。本実施形態によれば、第１の角部３１、第２の角部３２及び頂部３３は、いずれも、縦断面において、同一の曲率半径の円弧状の輪郭を示す。
【００３７】
本実施形態によれば、伝熱管３０は、縦断面において伝熱管３０の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分（角部）を３つ又は３つを越えて有する。詳細には、縦断面において、伝熱管３０を包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である。このような形状によれば、円管を成形して本実施形態の伝熱管３０を容易に作製することができる。また、伝熱管３０が正三角形に近似した断面形状を有する場合、第１の角部３１と頂点３３ｐとの水平方向の距離を稼ぎやすい。ただし、伝熱管３０を包囲する最小の面積の三角形は、正三角形に限定されず、二等辺三角形、直角三角形又は不等辺三角形であってもよい。さらに、伝熱管３０を包囲する最小の面積の四角形は、長方形、正方形、ひし形又は不等辺四角形であってもよい。角部の数の上限は特に限定されないが、成形の容易性を考慮すると、例えば６個である。
【００３８】
本実施形態によれば、縦断面における伝熱管３０の輪郭は、複数（３つ）の曲線部分と複数（３つ）の直線部分とで構成されている。複数の曲線部分は、それぞれ、第１の角部３１、第２の角部３２及び頂部３３に対応している。複数の直線部分は、それぞれ、曲線部分と曲線部分との間に位置している。もちろん、伝熱管３０の輪郭は、第１の角部３１、第２の角部３２及び頂部３３のそれぞれに対応する部分を除き、滑らかな曲線で構成されていてもよい。
【００３９】
図４に示すように、縦断面における伝熱管３０の輪郭は、伝熱管３０を仮想的に包囲する最小の面積の正三角形４０よりも伝熱管３０の内側に向かって引き下がった凹状部分３０ｐ，３０ｑ及び３０ｒを有する。凹状部分３０ｐ，３０ｑ及び３０ｒは、それぞれ、正三角形４０の辺に向かい合っている。凹状部分３０ｐは、第１の角部３１と第２の角部３２との間の部分である。凹状部分３０ｑは、第１の角部３１と頂部３３との間の部分である。凹状部分３０ｒは、第２の角部３２と頂部３３との間の部分である。また、凹状部分３０ｐは、伝熱管３０の底面に対応する部分であり、水平面に対して傾斜している。水平面に対する凹状部分３０ｐの傾斜角度θは、例えば、１〜５度の範囲にある。伝熱管３０の輪郭は、３つの辺において同一の凹形状を有している。つまり、縦断面における伝熱管３０の輪郭は、重心Ｇに関する回転対称性を有する（例えば、３回の回転対称性）。このような構成によれば、円管を成形して本実施形態の伝熱管３０を容易に作製することができる。伝熱管３０に方向性が無いので、ヘッダ等に多数の伝熱管３０を組み付ける作業が非常に容易である。つまり、伝熱管３０を用いた凝縮器１３（熱交換器）を製造しやすい。
【００４０】
また、第１の角部３１と第２の角部３２との間における伝熱管３０の底面が上方に向かって凹状に形成されているので、液相の冷媒が第１の角部３１又は第２の角部３２に集まりやすい。その結果、伝熱管３０の底面と気相の冷媒との接触を持続的に確保することができる。
【００４１】
次に、図５を参照しつつ凝縮器１３の作用を詳細に説明する。
【００４２】
シェル２０の内部に気相の冷媒が導入されると、冷媒の一部が第１伝熱管３０Ａを流れる熱媒体によって冷却され、第１伝熱管３０Ａの表面上で凝縮する。第１伝熱管３０Ａの表面上で生成した液相の冷媒は、第１伝熱管３０Ａの表面に沿って流れ、角部３１及び３２に集まる。その後、液相の冷媒は、第２伝熱管３０Ｂの頂部３３から水平方向にずれた位置に流れ落ちる。詳細には、液相の冷媒は、第１伝熱管３０Ａの角部３１及び３２から第２伝熱管３０Ｂの角部３１及び３２の表面付近に流れ落ち、第２伝熱管３０Ｂの角部３１及び３２からさらに下方へと流れ落ちる。つまり、液相の冷媒の大部分が伝熱管３０の角部３１及び３２の近傍を自重によって流れ落ち、伝熱管３０の表面から速やかに排除される。したがって、伝熱管３０がマトリクス状に配置されている場合においても、気相の冷媒と第２伝熱管３０Ｂの表面との接触面積が十分に確保されうる。本実施形態によれば、伝熱管３０の伝熱性能を十分に発揮させることができるので、伝熱管３０の本数、表面積などを増加させることなく、凝縮器１３の性能を高めることができる。また、第１の角部３１と第２の角部３２との間における伝熱管３０の底面が上方に向かって凹状に形成されている。この構成も、気相の冷媒と伝熱管３０の表面との接触面積を確保することに寄与する。
【００４３】
また、本実施形態によれば、次のような効果も得られる。シェル２０に導入された気相の冷媒は、伝熱管３０の内部の熱媒体によって冷却される。顕熱変化域では、気相の冷媒の密度が増加するので、シェル２０の内部には鉛直方向の下方に向かう気相の冷媒の流れが形成される。
【００４４】
図２２に示すように、円形断面を有する伝熱管２を用いた凝縮器においては、気相の冷媒の流れが伝熱管２の表面から剥離して淀みが発生する。このとき、伝熱管２の底部付近に集まった液相の冷媒に対して浮力が働く。その結果、伝熱管２からの液相の冷媒の自由落下が妨げられる。
【００４５】
これに対し、本実施形態によれば、角部３１及び３２に集まった液相の冷媒に対してそのような浮力が働きにくい。そのため、液相の冷媒は、自重によってスムーズに角部３１及び３２から下方に向かって流れ落ちることができる。
【００４６】
（変形例）
図６に示す伝熱管３０ｃにおいて、第１の角部３１と第２の角部３２との間における表面は、鉛直方向の上方に向かって凹状に形成されている。他方、頂部３３と第１の角部３１との間における表面は、水平面に対して傾斜角度β（例えば、６０度）にて傾斜している平坦面である。頂部３３と第２の角部３２との間における伝熱管３０ｃの表面も、水平面に対して傾斜角度βにて傾斜している平坦面である。本変形例のように、伝熱管３０ｃの底面のみが上方に向かって凹状に形成されている場合にも、底面における液相の冷媒の滞留を防ぐことができる。また、図３を参照して説明した伝熱管３０と比較して、側面の傾斜角度βを増やすことができるので、伝熱管３０ｃの表面（側面）から速やかに液相の冷媒が排除されうる。
【００４７】
図７に示すように、別の変形例に係る凝縮器２３と図２に示す凝縮器１３との相違点は、複数の伝熱管３０の配置にある。本変形例によれば、凝縮器２３の縦断面において、複数の伝熱管３０が互い違いのパターンで並んでいる。本変形例においても、複数の伝熱管３０は、各鉛直基準線Ｖｒの上に位置している。互いに隣り合う鉛直基準線Ｖｒの一方における伝熱管３０の位置は、他方における伝熱管３０の位置と鉛直方向にずれている。また、互いに隣り合う鉛直基準線Ｖｒの一方の上に位置する伝熱管３０を鉛直方向に平行移動させても、互いに隣り合う鉛直基準線Ｖｒの他方の上に位置する伝熱管３０と重ならないように、互いに隣り合う鉛直基準線Ｖｒの間隔が調整されている。同様に、複数の伝熱管３０は、各水平基準線Ｈｒの上に位置している。互いに隣り合う水平基準線Ｈｒの一方における伝熱管３０の位置は、他方における伝熱管３０の位置と水平方向にずれている。また、互いに隣り合う水平基準線Ｈｒの一方の上に位置する伝熱管３０を水平方向に平行移動させても、互いに隣り合う水平基準線Ｈｒの他方の上に位置する伝熱管３０と重ならないように、互いに隣り合う水平基準線Ｈｒの間隔が調整されている。例えば、互いに隣り合う鉛直基準線Ｖｒの間隔は、互いに隣り合う水平基準線Ｈｒの間隔に等しい。このような構成によれば、より効率的な熱交換を達成することが可能である。
【００４８】
凝縮器２３において、複数の伝熱管３０の周囲に形成された流路の形状は、鉛直方向と水平方向との少なくとも一方向に関して非対称である。本変形例では、凝縮器２３のシェル２０の内部における流路の形状は、鉛直方向に関して非対称である。詳細には、縦断面において、互いに隣り合う３つの鉛直基準線Ｖｒ及び互いに隣り合う３つの水平基準線Ｈｒに囲まれたシェル２０の内部の流路を特定流路と定義する。３つの鉛直基準線Ｖｒから選ばれる真ん中の鉛直基準線Ｖｒに関して、特定流路は対称である。他方、３つの水平基準線Ｈｒから選ばれる真ん中の水平基準線Ｈｒに関して、特定流路は非対称である。
【００４９】
本変形例の凝縮器２３によれば、次のような効果が得られる。まず、本変形例によれば、シェル２０の内部における気相の冷媒の流れ方向が不規則になるとともに、気相の冷媒に強い撹拌作用が働く。その結果、伝熱管３０の伝熱性能を十分に発揮させることができる。また、気相の冷媒に働く撹拌作用、伝熱管３０の形状、及び、互い違いのパターンが組み合わさることによって、第１の角部３１及び第２の角部３２の周りを気相の冷媒が積極的に流れる。さらに、第１の角部３１及び第２の角部３２からの液相の冷媒の剥離が促進されるとともに、伝熱管３０の表面を覆う液相の冷媒の膜の厚さも減少する。その結果、伝熱管３０の伝熱性能がより十分に発揮されうる。
【００５０】
（第２実施形態）
図８及び図９に示すように、本実施形態にかかる凝縮器４３では、先に説明した伝熱管３０に代えて、複数の伝熱管３０ｄが使用されている。凝縮器４３のその他の構成は、第１実施形態で説明した通りである。本実施形態においても、鉛直方向において互いに隣り合う１組の伝熱管３０ｄから選ばれる上側の伝熱管３０ｄを第１伝熱管３０Ａと定義し、下側の伝熱管３０ｄを第２伝熱管３０Ｂと定義する。第１伝熱管３０Ａ及び第２伝熱管３０Ｂは、共通の鉛直基準線Ｖｒの上に位置している。第１伝熱管３０Ａの角部３１は、第２伝熱管３０Ｂの頂点３３ｐから水平方向に離れた位置にある。したがって、本実施形態においても、第１実施形態で説明した効果と同じ効果が得られる。
【００５１】
伝熱管３０ｄは、第１の角部３１、第２の角部３２及び頂部３３を有する。伝熱管３０ｄは、複数（３つ）の表面を有する。複数の表面の１つは、第１の角部３１と頂部３３との間における表面３４（側面）である。複数の表面の他の１つは、第１の角部３１と第２の角部３２との間における表面３６（底面３６）である。複数の表面の他の１つは、第２の角部３２と頂部３３との間における表面３５（側面）である。これら複数の表面は、いずれも平坦面である。つまり、伝熱管３０ｄは凹部を有していない。第１の角部３１、第２の角部３２及び頂部３３を除いた部分が凹状に形成されていることは必須ではない。このような伝熱管３０ｄは容易に作製されうる。また、伝熱管３０ｄに方向性が無いので、ヘッダ等に多数の伝熱管３０ｄを組み付ける作業が非常に容易である。つまり、伝熱管３０ｄを用いた凝縮器４３を製造しやすい。さらに、伝熱管３０ｄの特定の部分に応力が集中しにくいので、伝熱管３０ｄは耐圧性にも優れている。
【００５２】
本実施形態において、伝熱管３０ｄの第１の角部３１は、鉛直方向において伝熱管３０ｄの最も下に位置する部分である。他方、伝熱管３０ｄの第２の角部３２は、鉛直方向において伝熱管３０ｄの最も下に位置する部分ではない。鉛直方向において、第２の角部３２は、第１の角部３１と異なる高さに位置している。詳細には、鉛直方向において、第２の角部３２は、第１の角部３１よりも上方に位置している。鉛直方向において、第２の角部３２は、頂部３３と第１の角部３１との間に位置している。第１の角部３１と第２の角部３２との間における表面３６（底面３６）は、水平面に対して、傾斜角度θにて傾斜している。傾斜角度θは、例えば、１〜２９度の範囲にある。第１の角部３１と頂部３３との間における表面３４（側面）も水平面に対して傾斜角度βにて傾斜している。傾斜角度βは、例えば、（θ＋６０）度である。縦断面において、伝熱管３０ｄの重心Ｇを通り、かつ鉛直方向に平行な基準線Ｖｒ（鉛直基準線）に関して、伝熱管３０ｄの輪郭が非対称である。このような構成によれば、伝熱管３０ｄの表面上で生成した液相の冷媒は、第１の角部３１に容易に集められる。図６を参照して説明した伝熱管３０ｃと同様、伝熱管３０ｄの表面から速やかに液相の冷媒を排除することが可能である。
【００５３】
本実施形態においても、複数の伝熱管３０ｄのそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である。複数の伝熱管３０ｄのそれぞれの底面３６は、平坦面であり、水平方向（Ｘ方向）に対して１０〜２０度の範囲で傾斜している。言い換えれば、底面３６と水平方向に平行な平面とのなす角度θが１０〜２０度の範囲にある。
【００５４】
本実施形態において、伝熱管３０ｄの３つの面３４，３５，３６のうち、仮想的な水平面に対して最も大きい傾斜角度βを有する表面３４を第１伝熱面３４とも称する。第１の角部３１に向かい合う表面３５を第２伝熱面３５とも称する。頂部３３に向かい合う底面３６を第３伝熱面３６とも称する。水平面に対する第２伝熱面３５の傾斜角度（６０−θ）は、水平面に対する第１伝熱面３４の傾斜角度βよりも小さく、水平面に対する第３伝熱面３６の傾斜角度θよりも大きい。
【００５５】
図１０に示すように、第１伝熱面３４で生じた液相の冷媒は、第１の角部３１に向かって移動する。第２伝熱面３５で生じた液相の冷媒は、第３伝熱面３６（底面）を経由して、第１の角部３１に向かって移動する。第３伝熱面３６で生じた液相の冷媒も第１の角部３１に向かって移動する。水平面に対する第３伝熱面３６の傾斜角度θが十分に大きいとき（例えば、θ＝２５度）、液相の冷媒は、第１の角部３１にスムーズに集まる。水平面に対する第３伝熱面３６の傾斜角度θが比較的小さいとき（例えば、θ＝５度）、液相の冷媒は、第１の角部３１に集まる前に第３伝熱面３６から離脱する。つまり、上側の伝熱管３０ｄ（第１伝熱管３０Ａ）から下側の伝熱管３０ｄ（第２伝熱管３０Ｂ）の第１伝熱面３４に液相の冷媒が流れ落ち、第１伝熱面３４と気相の冷媒との接触が妨げられる。したがって、水平面に対する第３伝熱面３６の傾斜角度θは、適度に確保されていることが望ましいと言える。
【００５６】
本発明者らは、水平面に対する第３伝熱面３６の傾斜角度θと液相の冷媒の離脱位置との関係をシミュレーションによって調べた。具体的には、図１１Ａに示すように、水平面に対する第３伝熱面３６（底面）の傾斜角度θを変化させながら、伝熱管３０ｄからの液滴Ｗの離脱位置を調べた。液滴Ｗは、第２伝熱面３５に滴下させた。伝熱管３０ｄからの液滴Ｗの離脱位置を特定し、その離脱位置における液滴Ｗの重心と伝熱管３０ｄの重心との水平方向に関する距離ｄを記録した。伝熱管３０ｄの径（伝熱管３０ｄの断面の外接円の直径）は、１６ｍｍであった。液滴Ｗは水であった。結果を図１１Ｂに示す。
【００５７】
図１１Ｂに示すように、傾斜角度θが１０度よりも小さいとき、液滴Ｗは、伝熱管３０ｄの第１の角部３１に到達する前に伝熱管３０ｄから離脱した。傾斜角度θが１０度以上であるとき、液滴Ｗは第１の角部３１に到達し、第１の角部３１から離脱した。この結果は、水平面に対する第３伝熱面３６（底面）の傾斜角度θが１０度以上であることが望ましいことを示している。
【００５８】
次に、傾斜角度θを変化させつつ、伝熱管３０ｄから液滴Ｗが離脱したときの液滴Ｗの直径φを実験によって調べた。具体的には、図１２に示すように、伝熱管３０ｄの頂部３３ｐに液体（水）を少しずつ垂らし、伝熱管３０ｄから離脱した瞬間の液滴Ｗをカメラで撮影し、その直径φ（水平方向に関する最大の寸法）を記録した。結果を図１３に示す。傾斜角度θが増加するにつれて、液滴Ｗの直径φは減少した。
【００５９】
図１２に示すように、第１の角部３１に接する第１の基準線Ｖ１と頂点３３ｐとの水平方向に関する距離ｂは、縦断面における第１伝熱面３４の長さａを用いると、下記式（１）で表される。第１伝熱管３０Ａから液滴Ｗが離脱したとき、距離ｂ、液滴Ｗの直径φ、及び、傾斜角度θの関係に応じて、第２伝熱管３０Ｂの表面における液滴Ｗの落下位置も変化する。
【００６０】
ｂ＝ａ・ｃｏｓ（６０＋θ）・・・（１）
【００６１】
図１４に示すように、距離ｂが液滴Ｗの直径φよりも大きく、傾斜角度θが１０度よりも小さいとき（状態１）、液滴Ｗの落下位置が伝熱管３０ｄの重心Ｇに接近する方向に移る。そのため、第１伝熱管３０Ａから落下した液滴Ｗは、第２伝熱管３０Ｂの全ての伝熱面を流れる。距離ｂが液滴Ｗの直径φよりも大きく、傾斜角度θが１０度以上であるとき（状態２）、液滴Ｗは、第１伝熱面３４の一部を流れる。距離ｂが液滴Ｗの直径φに等しく、傾斜角度θが１０度以上であるとき（状態３）、液滴Ｗは、第１伝熱面３４のみを流れる。距離ｂが液滴Ｗの直径φよりも小さく、傾斜角度θが１０度以上であるとき（状態４）、液滴Ｗは、頂点３３ｐの上に落下し、全ての伝熱面を流れる。
【００６２】
次に、１２．７ｍｍ、１６．０ｍｍ、１９．０５ｍｍの直径Φを有する伝熱管３０ｄのそれぞれについて、傾斜角度θと値（ｂ−Φ）との関係をシミュレーションによって調べた。結果を図１５に示す。なお、「伝熱管３０ｄの直径Φ」は、縦断面において伝熱管３０ｄに外接する最小の円の直径を意味する。
【００６３】
図１５に示すように、伝熱管３０ｄの直径Φが小さければ小さいほど、状態３をとりうる傾斜角度θの最大値、つまり、液滴Ｗが第１伝熱面３４のみを流れるときの傾斜角度θの最大値は小さかった。伝熱管３０ｄの直径Φが大きければ大きいほど、状態３をとりうる傾斜角度θの最大値は大きかった。
【００６４】
図１６に示すように、液滴Ｗが第１伝熱面３４のみを流れるとき（状態３）、第１伝熱面３４における液膜ＷＦの厚さは、蒸発器４３における伝熱管３０ｄの段数の増加にともなって加速度的に増加する。図１６において、「第１伝熱面における液膜ＷＦの厚さ」は、１層分の液膜ＷＦの厚さを基準値として、基準値の整数倍の厚さで表されている。「伝熱管３０ｄの段数」は、同一の鉛直基準線Ｖｒの上に位置する伝熱管３０ｄの数を表している。鉛直方向において最も上側の段が第１段である。
【００６５】
図１６に示すように、液相の冷媒は、第１伝熱面３４のみに蓄積され、第１伝熱面３４において液膜ＷＦが成長する。第２伝熱面３５及び第３伝熱面３６においても液相の冷媒は生じるものの、第２伝熱面３５及び第３伝熱面３６には液相の冷媒は蓄積されず、第２伝熱面３５及び第３伝熱面３６は常にフレッシュな状態（厚い液膜で被覆されていない状態）に保たれる。このように、本実施形態によれば、第１伝熱面３４において、液膜ＷＦの厚さが伝熱管３０ｄの段数の増加にともなって加速度的に増加する。鉛直方向における最も上側の段を第１段目としたとき、第ｎ段目（ｎは整数）に位置する伝熱管３０ｄの第１伝熱面３４の伝熱性能は、円管を用いた凝縮器の（３ｎ−２）段目の伝熱管の伝熱性能に相当する。第２伝熱面３５及び第３伝熱面３６の伝熱性能は、伝熱管３０ｄの段数の増加に依存せず、常にｎ＝１（１段目）のときの伝熱性能に等しい。伝熱管３０ｄの段数と伝熱管３０ｄの外周面（各伝熱面）の熱伝達率との関係をシミュレーションによって調べた。結果を図１７に示す。
【００６６】
図１７において、横軸は、伝熱管３０ｄの段数を表している。縦軸は、１段目の伝熱管３０ｄの外周面（各伝熱面）の熱伝達率に対する、ｎ段目の伝熱管３０ｄの外周面（各伝熱面）の熱伝達率の比率を表している。図１７には、第１伝熱面３４、第２伝熱面３５及び第３伝熱面３５の熱伝達率に加え、平均値と、円管の値とが示されている。本実施形態の凝縮器４３によれば、第１伝熱面３４の熱伝達率は、２段目以降の全ての段数で円管の表面の熱伝達率を下回った。しかし、第２伝熱面３５及び第３伝熱面３６は、２段目以降の全ての段数で円管の表面の熱伝達率を上回った。第１伝熱面３４、第２伝熱面３５及び第３伝熱面３５の熱伝達率の平均値は、２段目以降の全ての段数で円管の表面の熱伝達率を上回った。
【００６７】
次に、１０段目に位置する伝熱管３０ｄについて、傾斜角度θと伝熱管３０ｄの外周面の熱伝達率（３つの面の平均値）との関係をシミュレーションによって調べた。シミュレーションは、１２．７ｍｍ、１６．０ｍｍ、１９．０５ｍｍの直径Φを有する伝熱管３０ｄを用いた凝縮器のそれぞれについて実施した。結果を図１８に示す。図１８から理解できるように、状態２又は状態３において、伝熱管３０ｄは優れた熱伝達率を示した。１２．７〜１９．０５ｍｍの直径Φを有する伝熱管３０ｄに関して、傾斜角度θが１０〜２０度の範囲にあるとき、凝縮器４３は、より優れた熱交換性能を示す。水平面に対する伝熱管３０ｄの底面３６（第３伝熱面）の傾斜角度θは、１０〜２０度であることが望ましいと言える。
【００６８】
（変形例）
図１９に示すように、全ての伝熱管３０ｄの傾斜方向が一致していることは必須ではない。図１９に示す凝縮器５３において、水平方向に対する第１伝熱管３０Ａの底面の傾斜角度θは、水平方向に対する第２伝熱管３０Ｂの底面の傾斜角度θに等しい。ただし、水平方向に対する第１伝熱管３０Ａの底面の傾斜方向は、水平方向に対する第２伝熱管３０Ｂの底面の傾斜方向と異なっている。第１伝熱管３０Ａの底面は、第２伝熱管３０Ｂの底面の傾斜方向とは逆方向に傾斜している。第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１が水平方向の一方の側にあるのに対し、第２伝熱管３０Ｂの第１の角部３１が水平方向の他方の側にある。水平面に対する第１伝熱管３０Ａの底面の傾斜角度θが正の値であるとすると、水平面に対する第２伝熱管３０Ｂの底面の傾斜角度θは負の値である。水平方向に関して、第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１の位置は、第２伝熱管３０Ｂの第２の角部３２の位置に一致している。第１伝熱管３０Ａの第２の角部３２の位置は、第２伝熱管３０Ｂの第１の角部３１の位置に一致している。言い換えれば、縦断面において、第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１及び第２伝熱管３０Ｂの第２の角部３２は、鉛直方向に平行な第１の基準線Ｖ１の上に存在する。縦断面において、第１伝熱管３０Ａの第２の角部３２及び第２伝熱管３０Ｂの第１の角部３１は、鉛直方向に平行な第２の基準線Ｖ２の上に存在する。基準線Ｖ１及びＶ２は、第１実施形態で説明した通りである。
【００６９】
図１９に示す凝縮器５３によれば、液膜の成長がさらに抑制されうる。すなわち、液相の冷媒は、第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１から離脱し、第２伝熱管３０Ｂの第２の角部３２をかすめて通り、第２伝熱管３０Ｂの下方にある伝熱管３０ｄ（第１伝熱管と同一の配置を有する）の第１伝熱面３４に達する。また、液相の冷媒は、第２伝熱管３０Ｂの第１の角部３１から離脱し、第１伝熱管３０Ａの第２の角部３２をかすめて通り、第１伝熱管３０Ａの下方にある伝熱管３０ｄ（第２伝熱管と同一の配置を有する）の第１伝熱面３４に達する。このように、本変形例によれば、液相の冷媒の流れが左右に分配されるため、伝熱管３０ｄの第１伝熱面３４における液膜の成長が抑制されうる。その結果、円管に比較して、伝熱管３０ｄの熱伝達率（平均値）がさらに向上する。
【００７０】
また、本変形例によれば、気相の冷媒の流路（隣り合う伝熱管３０ｄの間の空間）の形状が複雑化し、伝熱管３０ｄの表面からの気相の冷媒の剥離が抑制され、伝熱管３０ｄの表面からの液相の冷媒の離脱が促進される。液相の冷媒が第１伝熱管３０Ａから離脱したとき、第２伝熱管３０Ｂの伝熱面への液相の冷媒の再接触を最小限に止めることができる。したがって、冷媒の流量が多い過負荷条件においても、伝熱管３０ｄの伝熱性能を十分に発揮させることができる。気相の冷媒の流路の幅も均一化されるので、流路の形状に起因する圧力損失も低減する。圧力損失の低減にともなって凝縮圧力が低下するため、伝熱性能のさらなる向上を期待できる。
【００７１】
さらに、伝熱管３０ｄの断面形状が概ね三角形であるため、伝熱管３０ｄと同じ流路断面積を有する円管と比較して、伝熱管３０ｄは、より長い濡れ縁長さ（断面における伝熱面の全長）を有する。したがって、内周面における熱伝達率が伝熱管３０ｄと円管とで等しかったとしても、（総括熱伝達率×伝熱面積）の値を増やすことができる。これにより、伝熱性能のさらなる向上を期待できる。
【００７２】
次に、図２０に示す凝縮器６３は、図１９を参照して説明した凝縮器５３をさらに変形させたものである。詳細には、図１９を参照して説明した凝縮器５３において、第２伝熱管３０Ｂを水平方向に移動させることによって、凝縮器６３が得られる。つまり、本変形例の凝縮器６３において、第１伝熱管３０Ａの重心の位置Ｇは、第２伝熱管３０Ｂの重心の位置Ｇから水平方向にオフセットしている。第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１を通り、かつ、鉛直方向に平行な基準線β１は、第２伝熱管３０Ｂの第２の角部３２を通り、かつ、鉛直方向に平行な基準線β２から水平方向に所定距離Ｌだけ離れている。
【００７３】
言い換えれば、凝縮器６３は、次のような構成を有する。凝縮器６３の縦断面において、複数の伝熱管３０ｄが格子状に並んでいる。鉛直方向における奇数段に位置する複数の伝熱管３０ｄの第１の角部３１の位置が水平方向に関して互いに揃っている。鉛直方向における偶数段に位置する伝熱管３０ｄの第２の角部３２は、水平方向に関して、奇数段に位置する伝熱管３０ｄの第１の角部３１と頂点３３ｐとの間に位置している。
【００７４】
このような構成によれば、液相の冷媒は、第１伝熱管３０Ａの第１の角部３１から離脱し、第２伝熱管３０Ｂに接触することなく第２伝熱管３０Ｂの下方にある伝熱管３０ｄ（第１伝熱管３０Ａと同一の配置を有する）の第１伝熱面３４に達する。すなわち、図２０に示す凝縮器６３によれば、図１９に示す凝縮器５３に比較して、液相の冷媒が上側の伝熱管３０ｄから下側の伝熱管３０ｄへと流れ落ちることによる影響をより確実に排除することができる。そのため、熱伝達率の更なる向上を期待できる。
【００７５】
ただし、上記した所定距離Ｌは特に限定されない。例えば、水平方向に関して互いに隣り合う第１伝熱管３０Ａと第１伝熱管３０Ａとの間に第２伝熱管３０Ｂが位置していてもよい。つまり、図７を参照して説明したように、第１伝熱管３０Ａ及び第２伝熱管３０Ｂが互い違いのパターンで並んでいてもよい。所定距離Ｌは、予測される液滴Ｗの直径φに概ね一致していてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本明細書に開示された熱交換器は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置などの様々な機器に利用されうる。
【符号の説明】
【００７７】
１０  冷凍サイクル装置
１１  蒸発器
１２  圧縮機
１３，２３，４３，５３，６３  凝縮器
１４  流量制御弁
２０  シェル
３０，３０ｃ，３０ｄ  伝熱管
３０Ａ  第１伝熱管
３０Ｂ  第２伝熱管
３１  第１の角部
３２  第２の角部
３３  頂部
３３ｐ  頂点
３４  第１伝熱面
３５  第２伝熱面
３６  第３伝熱面（底面）
Ｖ１  第１の基準線
Ｖ２  第２の基準線
Ｖｒ  鉛直基準線
Ｈｒ  水平基準線
Ｇ  重心
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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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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