(57)【要約】【課題】伝熱管の表面における冷却媒体の供給量の分布を適正化する。【解決手段】本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器（１０１）は、シェル（２０１）と、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管（２０２）と、伝熱管（２０２）に向かって第２流体を噴霧するノズル（２０４）と、を備えている。入口（２０２ｐ）及び出口（２０２ｑ）から等距離に位置する伝熱管（２０２）の表面上の点を中間点（Ｐ１）とし、ノズル（２０４）から噴霧され、単位時間あたりに伝熱管（２０２）における入口（２０２ｐ）から中間点（Ｐ１）までの範囲に到達する第２流体の量をＱ１とし、ノズル（２０４）から噴霧され、単位時間あたりに伝熱管（２０２）における出口（２０２ｑ）から中間点（Ｐ１）までの範囲に到達する第２流体の量をＱ２としたとき、Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たす。【選択図】図２
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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位置し、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管と、
前記シェルの内部に位置し、前記伝熱管に向かって第２流体を噴霧するノズルと、を備えた、シェルアンドチューブ式熱交換器における噴霧方法であって、
前記入口及び前記出口から等距離に位置する前記伝熱管の表面上の点を中間点とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記入口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ１とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記出口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ２としたとき、
前記方法は、Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たすように、前記ノズルから前記伝熱管に向かって前記第２流体を噴霧すること、
を含む、噴霧方法。
【請求項２】
前記ノズルは、前記伝熱管に向かって前記シェルの底部に貯留された前記第２流体を噴霧する、
請求項１に記載の噴霧方法。
【請求項３】
単位時間あたりに前記伝熱管に到達する前記第２流体の量が前記入口から前記出口に向かって徐々に減少するように、前記ノズルから前記伝熱管に向かって前記第２流体を噴霧する、
請求項１又は２に記載の噴霧方法。
【請求項４】
さらに、前記伝熱管に前記第１流体を流すことを含む、
請求項１から３のいずれか１項に記載の噴霧方法。
【請求項５】
シェルと、
前記シェルの内部に位置し、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管と、
前記シェルの内部に位置し、前記伝熱管に向かって第２流体を噴霧するノズルと、
を備え、
前記入口及び前記出口から等距離に位置する前記伝熱管の表面上の点を中間点とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記入口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ１とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記出口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ２としたとき、
Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たす、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項６】
前記ノズルは、前記シェルの底部に貯留された前記第２流体を前記伝熱管に向かって噴霧する、
請求項５に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項７】
前記ノズルから噴霧されて単位時間あたりに前記伝熱管に到達する前記第２流体の量が前記入口から前記出口に向かって徐々に減少する、
請求項５又は６のいずれかに記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項８】
前記ノズルは、前記第２流体を流入させる導入部と、前記導入部に接続され、前記第２流体の速度を増加させる噴出孔と、前記噴出孔に接続され、前記第２流体をミスト状にするミスト形成部と、を備え、
前記伝熱管の扁平面に垂直な方向からみたとき、前記噴出孔の中心軸は、鉛直方向において、前記入口と前記中間点との間に位置し、
前記ミスト形成部は、鉛直方向の上側に位置する第１面及び鉛直方向の下側に位置する第２面を含み、
前記第１面と前記噴出孔の前記中心軸とのなす角度が角度αであり、
前記第２面と前記噴出孔の前記中心軸とのなす角度が角度βであるとき、
前記角度α＜前記角度βの関係を満たす、
請求項５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】
前記ノズルと前記伝熱管の前記入口との間の距離は、前記ノズルと前記伝熱管の前記出口との間の距離よりも短い、請求項５から８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１０】
前記ノズルから前記伝熱管に向かう前記第２流体の流れを前記第２流体の流れ方向と垂直な方向に切断して観察したとき、前記第２流体の流れの外縁が矩形の形状を示す、
請求項５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１１】
前記矩形の形状は、前記伝熱管の扁平面に垂直な方向に平行な１組の短辺を有する形状である、
請求項１０に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項１２】
請求項５から１１のいずれか１項に記載されたシェルアンドチューブ式熱交換器と、
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それにおける噴霧方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０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２０１３−５３６２０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】
ただし、従来のシェルアンドチューブ式熱交換器においては、冷却媒体の噴霧量が十分に適正化されていない。噴霧量が足りない箇所ではドライアウトが発生する。噴霧量が過剰な箇所では冷却媒体が滞留して厚い液膜を形成する。その結果、実質的な伝熱面積が減少して効率よく冷却媒体を蒸発させることができず、高い伝熱性能を発揮させることができない。
【０００６】
本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器において、伝熱管の表面における冷却媒体の供給量の分布を適正化す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位置し、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管と、
前記シェルの内部に位置し、前記伝熱管に向かって第２流体を噴霧するノズルと、を備えた、シェルアンドチューブ式熱交換器における噴霧方法であって、
前記入口及び前記出口から等距離に位置する前記伝熱管の表面上の点を中間点とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記入口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ１とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記出口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ２としたとき、
前記方法は、Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たすように、前記ノズルから前記伝熱管に向かって前記第２流体を噴霧すること、
を含む、噴霧方法を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器において、伝熱管の表面における冷却媒体の供給量の分布を適正化することができる。これにより、冷却媒体の厚い液膜が形成されたり、ドライアウトが発生したりすることを回避できる。
【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、本開示の実施形態１に係る蒸発器の縦断面図である。
【図３】図３は、本開示の実施形態１に係る蒸発器の別の縦断面図である。
【図４】図４は、伝熱管の断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、冷媒ミストの噴霧状態を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、伝熱管への冷媒ミストの噴霧状態を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、噴霧ノズルの縦断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、噴霧ノズルの横断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、別の噴霧ノズルの縦断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、伝熱管と噴霧ノズルとの位置関係を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、変形例に係る噴霧ノズルの姿勢を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、冷媒ミストの流れの立体形状を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、冷媒ミストの流れの立体形状を示す別の図である。
【図９】図９は、伝熱管の並び方向への冷媒ミストの拡がりを示す図である。
【図１０】図１０は、扁平伝熱管を用いた従来の熱交換器の構成図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、噴霧ノズルから伝熱管に対して噴霧された冷却媒体の拡散状態を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、噴霧ノズルから伝熱管に対して噴霧された冷却媒体の拡散状態を示す図である。
【図１２】図１２は、参照例の構成における噴霧状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の基礎となった知見）
本発明者らは、鋭意検討を進めた結果、扁平形状の伝熱管を用いて構成されたフィンアンドチューブ式熱交換器において、ドライアウトが顕著に発生すること突き止めた。その理由は、以下の通りである。
【００１１】
図１１Ａは、噴霧ノズル１１から伝熱管１２に対して噴霧された冷却媒体の拡散状態を示している。伝熱管１２は、円形の断面を有する伝熱管である。噴霧ノズル１１から伝熱管１２に向けて一定の流量で冷却媒体が噴霧される。噴霧された冷却媒体は、ミスト状態で伝熱管１２に到達する。図１１Ａは、噴霧ノズル１１から噴霧されたミスト状態の冷却媒体が時間の経過とともに前進する様子を円弧で示している。図１１Ａに示すように、伝熱管１２において、伝熱管１２の入口までの距離及び出口までの距離が等しい点を中間点Ｍ１と定義する。伝熱管１２の上端が入口であり、伝熱管１２の下端が出口である。伝熱管１２の中間点Ｍ１を含む円弧を円弧ａ１と定義し、伝熱管１２の入口を含む円弧を円弧ｂ１と定義する。噴霧ノズル１１は、伝熱管１２の中間点Ｍ１の高さに配置されている。
【００１２】
冷却媒体のミストが円弧ａ１の位置まで進んだとき、ミストは伝熱管１２の中間点Ｍ１に接触する。ミストが円弧ｂ１の位置まで進んだとき、ミストは伝熱管１２の入口及び出口（上端と下端）に接触する。円弧ａ１が円弧ｂ１よりも短いので、円弧ｂ１上におけるミストの粒子の密度は、円弧ａ１上におけるミストの粒子の密度よりも低い。フィンアンドチューブ式熱交換器が蒸発器であるとき、伝熱管１２の中を流れる流体とミストとの温度差は、伝熱管１２の入口で最も大きく、伝熱管１２の出口で最も小さい。よって、フィンアンドチューブ式熱交換器が蒸発器であるとき、伝熱管１２の入口の近傍で最もドライアウトが発生しやすい。
【００１３】
入口近傍でドライアウトが発生しやすいという事実は、円形断面の伝熱管にも扁平形状の伝熱管にも当てはまる。ただし、扁平形状の伝熱管では、入口近傍でのドライアウトがより顕在化する。その理由は以下の通りである。
【００１４】
図１１Ｂは、図１１Ａと同じく、噴霧ノズル１１から噴霧されたミスト状態の冷却媒体が時間の経過とともに前進する様子を円弧で示している。伝熱管１３は、扁平形状を有する伝熱管である。伝熱管１３は、ミストの進行方向に関して広い幅を持つ。そのため、ミストが円弧ｃ１の位置まで進んだときに円弧ｃ１上に存在するミストの粒子の密度は、ミストが円弧ａ１の位置まで進んだときに円弧ａ１上に存在するミストの粒子の密度よりも低く、ミストが円弧ｂ１の位置まで進んだときに円弧ｂ１上に存在するミストの粒子の密度よりも低い。つまり、伝熱管１３の入口近傍の部分であって、噴霧ノズル１１から遠い側に位置している部分に十分な量の冷却媒体を供給できず、当該部分においてドライアウトがより発生しやすい。扁平形状の伝熱管１３においては、長手方向だけでなく、幅方向にも冷却媒体の供給量の偏りが存在し、このことがドライアウトの発生を助長していると言える。
【００１５】
本発明者らは、上記知見に基づき、本開示にかかる各態様を想到するに至った。
【００１６】
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における噴霧方法は、
シェルと、
前記シェルの内部に位置し、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管と、
前記シェルの内部に位置し、前記伝熱管に向かって第２流体を噴霧するノズルと、を備えた、シェルアンドチューブ式熱交換器における噴霧方法であって、
前記入口及び前記出口から等距離に位置する前記伝熱管の表面上の点を中間点とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記入口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ１とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記出口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ２としたとき、
前記方法は、Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たすように、前記ノズルから前記伝熱管に向かって前記第２流体を噴霧すること、
を含む。
【００１７】
本開示の第１態様によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器において、伝熱管の表面における冷却媒体の供給量の分布を適正化することができる。これにより、冷却媒体の厚い液膜が形成されたり、ドライアウトが発生したりすることを回避できる。
【００１８】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る噴霧方法では、前記ノズルは、前記伝熱管に向かって前記シェルの底部に貯留された前記第２流体を噴霧してもよい。第２態様によれば、液相冷媒の回収が容易であるとともに、ノズル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。
【００１９】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る噴霧方法では、単位時間あたりに前記伝熱管に到達する前記第２流体の量が前記入口から前記出口に向かって徐々に減少するように、前記ノズルから前記伝熱管に向かって前記第２流体を噴霧してもよい。第３態様によれば、伝熱管の表面における液相冷媒の供給量の分布を更に適正化することができる。
【００２０】
本開示の第４態様において、例えば、第１から第３態様のいずれか１つに係る噴霧方法は、さらに、前記伝熱管に前記第１流体を流すことを含んでもよい。
【００２１】
本開示の第５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位置し、入口から出口に向かって第１流体が流れる扁平形状の伝熱管と、
前記シェルの内部に位置し、前記伝熱管に向かって第２流体を噴霧するノズルと、
を備え、
前記入口及び前記出口から等距離に位置する前記伝熱管の表面上の点を中間点とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記入口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ１とし、
前記ノズルから噴霧され、単位時間あたりに前記伝熱管における前記出口から前記中間点までの範囲に到達する前記第２流体の量をＱ２としたとき、
Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たす。
【００２２】
本開示の第５態様によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器において、伝熱管の表面における冷却媒体の供給量の分布を適正化することができる。これにより、冷却媒体の厚い液膜が形成されたり、ドライアウトが発生したりすることを回避できる。
【００２３】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記ノズルは、前記シェルの底部に貯留された前記第２流体を前記伝熱管に向かって噴霧してもよい。第６態様によれば、液相冷媒の回収が容易であるとともに、ノズル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。
【００２４】
本開示の第７態様において、例えば、第５又は第６態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記ノズルから噴霧されて単位時間あたりに前記伝熱管に到達する前記第２流体の量が前記入口から前記出口に向かって徐々に減少してもよい。第７態様によれば、伝熱管の表面における液相冷媒の供給量の分布を更に適正化することができる。
【００２５】
本開示の第８態様において、例えば、第５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、前記ノズルは、前記第２流体を流入させる導入部と、前記導入部に接続され、前記第２流体の速度を増加させる噴出孔と、前記噴出孔に接続され、前記第２流体をミスト状にするミスト形成部と、を備えていてもよく、前記伝熱管の扁平面に垂直な方向からみたとき、前記噴出孔の中心軸は、鉛直方向において、前記入口と前記中間点との間に位置していてもよく、前記ミスト形成部は、鉛直方向の上側に位置する第１面及び鉛直方向の下側に位置する第２面を含んでいてもよく、前記第１面と前記噴出孔の前記中心軸とのなす角度が角度αであってもよく、前記第２面と前記噴出孔の前記中心軸とのなす角度が角度βであってもよく、前記角度α＜前記角度βの関係を満たしてもよい。第８態様によれば、伝熱管の局所における水と液相冷媒の温度差に応じて適正量の液相冷媒を噴霧することが可能となる。そして、ドライアウト及び／又は未蒸発の冷媒の滞留による伝熱面積の減少を抑制することが可能となる。更に、効率よく液相冷媒を蒸発させることが可能となり、伝熱性能を向上することができる。
【００２６】
本開示の第９態様において、例えば、第５から第８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、前記ノズルと前記伝熱管の前記入口との間の距離は、前記ノズルと前記伝熱管の前記出口との間の距離よりも短くてもよい。このような構成によれば、伝熱管の表面における液相冷媒の供給量の分布を適正化しやすい。
【００２７】
本開示の第１０態様において、例えば、第５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、前記ノズルから前記伝熱管に向かう前記第２流体の流れを前記第２流体の流れ方向と垂直な方向に切断して観察したとき、前記第２流体の流れの外縁が矩形の形状を示してもよい。このような構成によれば、矩形領域に配列された伝熱管に対応した形状にて液相冷媒を噴霧することが可能である。
【００２８】
本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記矩形の形状は、前記伝熱管の扁平面に垂直な方向に平行な１組の短辺を有する形状であってもよい。このような構成によれば、矩形領域に配列された伝熱管に対応した形状にて液相冷媒を噴霧することが可能である。
【００２９】
本開示の第１２態様に係る冷凍サイクル装置は、
第５から第１１態様のいずれか１項に記載されたシェルアンドチューブ式熱交換器と、
圧縮機と、
を備えている。
【００３０】
蒸発器において冷媒を効率的に蒸発させる又は凝縮器において冷媒を効率的に凝縮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。
【００３１】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本開示が限定されるものではない。
【００３２】
（実施形態）
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及び流路１１０ａ〜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。
【００３３】
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（冷媒蒸気）が生成される。生成された気相冷媒は圧縮機１０２に吸入されて圧縮される。圧縮されて高温高圧となった気相冷媒が圧縮機１０２から凝縮器１０３に供給される。供給された高温高圧の気相冷媒は凝縮器１０３で冷却されて凝縮液化し、液相冷媒（冷媒液）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に液相冷媒として返流される。
【００３４】
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で冷却された被冷却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１０３で加熱された被冷却媒体が室内に供給され、室内の暖房に利用される。被冷却媒体は、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。
【００３５】
本実施形態において、「被冷却媒体」の語句に代えて「水」の語句を使用する。ただし、伝熱管２０２を流れる第１流体としての被冷却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。
【００３６】
図２は、蒸発器１０１の縦断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。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、伝熱管２０２、ヘッダー２０３、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。伝熱管２０２、ヘッダー２０３、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。扁平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。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。伝熱管２０２に水（第１流体）を循環させる回路１０５は、外気から隔離された密閉回路であってもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、伝熱管２０２の側面に向かい合っており、扁平面に平行な方向から伝熱管２０２に向かって液相冷媒を噴霧する。本実施形態においては、一例として、噴霧ノズル２０４は、鉛直方向において、伝熱管２０２の入口と同じ高さの位置に配置されている。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。
【００４２】
本明細書において、「伝熱管２０２の入口」の位置は、噴霧ノズル２０４から噴霧された液相冷媒が直接到達しうる伝熱管２０２の表面の最も上の位置を意味する。「伝熱管２０２の出口」の位置は、噴霧ノズル２０４から噴霧された液相冷媒が直接到達しうる伝熱管２０２の表面の最も下の位置を意味する。例えば、伝熱管２０２の端部がヘッダー２０３の内部に位置している場合、その端部の表面に液相冷媒は直接到達できない。したがって、「伝熱管２０２の入口」の位置は、伝熱管２０２の開口端の位置に必ずしも一致しない。「伝熱管２０２の出口」の位置は、伝熱管２０２の開口端に必ずしも一致しない。
【００４３】
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。
【００４４】
図３は、図２における蒸発器のＣ−Ｃ断面を示す。
【００４５】
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て、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と接続されている。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。
【００４６】
単位時間あたりに伝熱管２０２に到達する液相冷媒の量が伝熱管２０２の入口から伝熱管２０２の出口に向かって徐々に減少するように、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって第２流体が噴霧される。詳細は、後述する。
【００４７】
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、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が備えられている。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。
【００４８】
また、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。
【００４９】
図４は、伝熱管２０２の断面の拡大図である。伝熱管２０２は、外壁４０１と隔壁４０２とで構成され、外壁４０１と隔壁４０２で囲われた空間が水の流路４０３となる。外壁４０１と隔壁４０３は薄板であり、例えば０．５〜０．８ｍｍ程度の厚みを有する。一方、流路４０３の断面形状は、本実施形態では四角形をしている。流路４０３は、例えば、一辺が０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度の四角形の断面を有する細管形状を成している。なお、本実施形態では、流路４０３の断面形状は四角形であるが、円形、三角形など形状でもよい。また、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
以上のように構成された蒸発器１０１について、以下その動作及び作用を説明する。
【００５３】
蒸発器１０１において液相冷媒が加熱され蒸発気化する。蒸発気化した低温低圧の気相冷媒は、流路１１０ａを通じて圧縮機１０２に吸入され高温高圧の気相冷媒に圧縮される。圧縮された高温高圧の気相冷媒は流路１１０ｂを通じて凝縮器１０３に流入する。凝縮器１０３に流入した高温高圧の気相冷媒は、凝縮器１０３において冷却され凝縮液化する。凝縮液化した高圧の液相冷媒は流路１１０ｃを通じ、流量弁１０４を介して減圧されながら流路１１０ｄから低圧の液相冷媒として蒸発器１０１に戻される。
【００５４】
このような冷凍サイクルにおいて、噴霧ノズル２０４から噴霧される冷媒ミストの流動状態について説明する。図５Ａは、冷媒ミストの噴霧状態を示す。
【００５５】
蒸発器１０１内では、循環ポンプ２０６により圧送される液相冷媒が循環回路２０５を通じて噴霧ノズル２０４から霧化状態の冷媒液として伝熱管２０２に向かって噴霧される。
【００５６】
図５Ａに示すように、液相冷媒は、噴霧ノズル２０４から水平方向に向かって噴霧され、放射状に拡がりながら伝熱管２０２に到達する。これにより、液相冷媒は、伝熱管２０２の入口から出口にわたって噴霧される。鉛直方向の下方向への冷媒ミストの拡がりの角度は、水平方向に対する角度β（単位：度）で表される。角度βは、冷媒ミストの流れの下限を通る平面と水平方向に平行な平面とのなす角度である。
【００５７】
図５Ｂは、伝熱管２０２への冷媒ミストの噴霧量を示している。伝熱管２０２の入口２０２ｐ及び伝熱管２０２の出口２０２ｑから等距離に位置する伝熱管２０２の表面上の点を中間点Ｐ１と定義する。噴霧ノズル２０４から噴霧され、単位時間あたりに伝熱管２０２における入口２０２ｐから中間点Ｐ１までの範囲に到達する液相冷媒の量をＱ１と定義する。噴霧ノズル２０４から噴霧され、単位時間あたりに伝熱管２０２における出口２０２ｑから中間点Ｐ１までの範囲に到達する液相冷媒の量をＱ２と定義する。本実施形態では、Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たすように、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって液相冷媒が噴霧される。
【００５８】
伝熱管２０２に水を流しつつ、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって液相冷媒を噴霧すると液相冷媒によって伝熱管２０２の中の水が冷却される。水の温度は、伝熱管２０２の入口２０２ｐの近傍で高く、伝熱管２０２の出口２０２ｑの近傍で低い。Ｑ１＞Ｑ２の関係を満たすように、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって液相冷媒が噴霧される場合、入口２０２ｐの近傍でドライアウトが発生しにくく、中間点Ｐ１及び出口２０２ｑの近傍で液相冷媒が過剰となりにくい。つまり、本実施形態によれば、伝熱管２０２の表面における液相冷媒の供給量の分布を適正化することができる。これにより、液相冷媒の厚い液膜が形成されたり、ドライアウトが発生したりすることを回避できる。その結果、蒸発器１０１の熱交換性能が十分に発揮されうる。
【００５９】
図６Ａは、噴霧ノズル２０４の縦断面を示している。図６Ｂは、噴霧ノズル２０４の横断面を示している。噴霧ノズル２０４は、導入部５０１、噴出孔５０２及びミスト形成部５０４を備えている。導入部５０１は、循環回路２０５を経由して液相冷媒を流入させる部分である。噴出孔５０２は、導入部５０１に接続された部分である。噴出孔５０２の流路断面積は、導入部５０１の流路断面積よりも小さい。したがって、噴出孔５０２において、液相冷媒の速度が増加する。本実施形態では、導入部５０１は、円形の断面を有するとともに、一定の流路断面積を有する。噴出孔５０２も、円形の断面を有するとともに、一定の流路断面積を有する。ミスト形成部５０４は、噴出孔５０２に接続された部分であって、液相冷媒をミスト状にする機能を持つ。噴出孔５０２の出口５０３において、ミスト形成部５０４が噴出孔５０２に接続されている。ミスト形成部５０４は、その内面として、第１面５０５及び第２面５０６を有する。第１面５０５は、鉛直方向の上側に位置している面である。第２面５０６は、鉛直方向の下側に位置している面である。第１面５０５及び第２面５０６は、それぞれ、伝熱管２０２の入口２０２ｐ及び伝熱管２０２の出口２０２ｑに向かって延びている平坦面である。
【００６０】
ただし、蒸発器１０１に適用可能な噴霧ノズルは、本実施形態のものに限定されない。
【００６１】
本実施形態では、導入部５０１及び噴出孔５０２の中心を通る噴霧ノズル２０４の中心軸Ｏが水平方向に平行である。「水平方向に平行」は、数学的に完全に平行であることを必ずしも意味しない。製造上の誤差及び組立誤差を考慮に入れると、例えば、中心軸Ｏが水平方向に対して±１度傾いていたとしても、中心軸Ｏが水平方向に平行であるとみなすことができる。ただし、後述するように、中心軸Ｏは水平方向に平行でなくてもよい。
【００６２】
導入部５０１から流入した液相冷媒は噴出孔５０２を通って噴出する。伝熱管２０２の扁平面に垂直な方向から見たとき、導入部５０１及び噴出孔５０２の中心軸Ｏは、鉛直方向において、入口２０２ｐと中間点Ｐ１（図５Ｂ参照）との間に位置する。噴出孔５０２の出口５０３を中心に放射状に液相冷媒は噴出する。液相冷媒は、ミスト形成部５０４の第１面５０５（図６Ａの上側の面）によって水平方向に方向転換され噴出される。
【００６３】
ミスト形成部５０４の第１面５０５は、伝熱管２０２の入口２０２ｐの近くに位置する。第１面５０５から入口２０２ｐまでの距離は、例えば、第２面５０６から入口２０２ｐまでの距離よりも短い。第１面５０５と中心軸Ｏとがなす角度を角度α（度）と定義する。
【００６４】
図６Ａに示すように、ミスト形成部５０４の第２面５０６は、鉛直方向に平行な面に対し、角度θにて傾斜している。
【００６５】
図６Ａにおいて、第２面５０６は、伝熱管２０２の出口２０２ｑの近くに位置する。第２面５０６と中心軸Ｏとがなす角度を角度β（度）と定義する。
【００６６】
角度βは、例えば、冷媒ミストの流れの下限を通る面が伝熱管２０２の出口２０２ｑを通るように調整されうる。
【００６７】
図６Ｃは、角度αが０度のときのミスト形成部５０４の一例を示す図である。第１面５０５は、水平方向に平行である。
【００６８】
ミスト形成部５０４は、角度α＜角度βの関係を満たす。その結果、伝熱管２０２の局所における水と液相冷媒の温度差に応じて適正量の液相冷媒を噴霧することが可能となる。そして、ドライアウト及び／又は未蒸発の冷媒の滞留による伝熱面積の減少を抑制することが可能となる。更に、効率よく液相冷媒を蒸発させることが可能となり、伝熱性能を向上することができる。
【００６９】
図１２は、噴霧ノズル６０１の中心軸Ｏ１が伝熱管６０２の入口６０２ｐと出口６０２ｑとの中間点に位置しているときの冷媒ミストの噴霧状態を示している。伝熱管６０２の斜線部は、同一時刻に噴霧された液相冷媒が所定時間内に到達しうる領域（ｓ１）を表している。伝熱管６０２の斜線部以外の領域は、同一時刻に噴霧された液相冷媒が所定時間内に到達していない領域（ｓ２）である。
【００７０】
図１２に示す例において、液相冷媒は、噴霧ノズル６０１の中心軸Ｏ１の上下方向に放射状に噴霧される。伝熱管６０２の出口６０２ｑと噴霧ノズル６０１とを通る直線と水平方向に平行な平面（中心軸Ｏ１を含む平面）とのなす角度を角度δと定義する。冷媒ミストの特定の軌跡と水平方向に平行な平面とのなす角度を角度γと定義する。角度γが大きくなるに伴い、所定時間内に冷媒ミストが到達しうる領域ｓ１の水平方向の幅（Ｌ）は短くなる。幅Ｌは、伝熱管６０２の側面から領域ｓ１の外縁までの水平方向の距離である。噴霧ノズル６０１の中心軸Ｏ１を基準（＝０度）とした場合、０≦γ≦δの間で角度γが角度δに近づくほど、同一時刻に噴霧された液相冷媒で濡らすことのできる伝熱管６０２の水平方向の面積は小さくなる。言い換えると、０≦γ≦δの間で角度γが角度δに近づくほど、水平方向の単位面積あたりの噴霧量は減少する。
【００７１】
伝熱管６０２の中を流れる水と冷媒との温度差は、伝熱管６０２の入口６０２ｐで最も大きい。効率的な熱交換を達成するためには、伝熱管６０２の入口６０２ｐの近傍で最も多くの冷媒ミストが必要とされる。しかし、図１２の構成によれば、伝熱管６０２の上流部分（入口６０２ｐから中間点までの部分）に十分な量の冷媒ミストを供給できないことがあり、ドライアウトが発生することがある。中間点の近傍に過剰な量の冷媒ミストが供給されて液相冷媒の厚い液膜が形成されることがある。
【００７２】
図５Ｂを参照して説明したように、本実施形態によれば、入口２０２ｐから中間点Ｐ１までの上流部分に十分な量の冷媒ミストが供給されるので、ドライアウトの発生を防止して効率的な熱交換を達成できる。中間点Ｐ１の近傍に冷媒ミストが過剰に供給されないので、液相冷媒の厚い液膜が形成されにくい。
【００７３】
特に、図６Ｃを参照して説明した噴霧ノズル２０４ｃによれば、冷媒ミストが第１面５０５の形成方向に向かって集約されながら噴霧されるため、水平方向に高密度で冷媒ミストが噴霧される。
【００７４】
伝熱管２０２を流れる水は、一定温度で噴霧される低温の液相冷媒と熱交換されるため、伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑにかけてその温度は徐々に低下する。すなわち、伝熱管２０２を流れる水の温度と液相冷媒との温度差は伝熱管２０２の入口２０２ｐで最も大きく、出口２０２ｑに向かうに伴い小さくなる。
【００７５】
同一伝熱面積においては、水と液相冷媒との温度差が小さいほど熱交換できる熱量は小さくなる。すなわち、蒸発することができる液相冷媒の流量も少なくなる。
【００７６】
本実施形態によれば、伝熱管２０２に到達する液相冷媒の流量は、水と液相冷媒との温度差が最も大きい伝熱管２０２の入口２０２ｐの位置で最大となる。伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かうにつれて、水と液相冷媒との温度差が徐々に小さくなり、液相冷媒の流量も徐々に少なくなる。本実施形態によれば、伝熱管２０２の中の水と液相冷媒との温度差に応じて適切な流量で液相冷媒が噴霧される。詳細には、単位時間あたりに伝熱管２０２に到達する液相冷媒の量が入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かって徐々に減少するように、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって液相冷媒が噴霧される。言い換えれば、伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かって噴霧密度が徐々に小さくなるように液相冷媒が噴霧される。このようにすれば、伝熱管２０２の表面における液相冷媒の供給量の分布を更に適正化することができる。
【００７７】
また、噴霧ノズル２０４の第１面５０５に沿って、液相冷媒が水平に噴霧されるため、垂直に配置された伝熱管２０２の入口２０２ｐの近傍に液相冷媒が直接噴霧される。つまり、伝熱管２０２の上方に逃げる冷媒ミストを大幅に減らせる。このため、ヘッダー２０３に冷媒ミストが衝突することが少なくなり、衝突にともないヘッダー２０３から流下する余剰冷媒の伝熱管２０２の伝熱面への再付着が抑制される。
【００７８】
図７Ａは、伝熱管２０２と噴霧ノズル２０４との位置関係を示している。本実施形態において、噴霧ノズル２０４と伝熱管２０２の入口２０２ｐとの間の距離Ｌ１は、噴霧ノズル２０４と伝熱管２０２の出口２０２ｑとの間の距離Ｌ２よりも短い。このような構成によれば、伝熱管２０２の表面における液相冷媒の供給量の分布を適正化しやすい。
【００７９】
本実施形態において、噴霧ノズル２０４と伝熱管２０２の入口２０２ｐとを結ぶ直線は、噴霧ノズル２０４の中心軸Ｏであり、伝熱管２０２の前縁２０２ｆと垂直に交差している。
【００８０】
図７Ｂは、変形例に係る噴霧ノズル２０４の姿勢を示す図である。噴霧ノズル２０４から放射状に液相冷媒が噴霧される。液相冷媒の噴霧角度がβ１である。噴霧ノズル２０４の中心軸Ｏは、水平方向から下向きにβ１／２（度）傾斜している。このような配置によれば、冷媒ミストの流れの上限を通る平面が水平方向に概ね平行となるので、伝熱管２０２の入口２０２ｐの上部を通過する冷媒ミストを減らすことができる。もちろん、図６Ａから図６Ｃを参照して説明したように、噴霧ノズル２０４のミスト形成部５０４の第１面５０５の角度を適切に調節することによって、噴霧ノズル２０４の姿勢を変更することなく、同じ効果を得ることができる。
【００８１】
図８Ａ及び図８Ｂは、冷媒ミストの流れの立体形状を示している。図９は、伝熱管２０２の並び方向への冷媒ミストの拡がりを示している。図９は、鉛直方向から伝熱管２０２及び冷媒ミストを観察した様子を示している。冷媒ミストの流れは、噴霧ノズル２０４から伝熱管２０２に向かう液相冷媒の流れである。冷媒ミストの流れを冷媒ミストの流れ方向と垂直な方向に切断して観察したとき、冷媒ミストの流れの外縁が矩形の形状を示す。冷媒ミストの軌跡は、四角錘の立体形状を形成する。矩形の形状は、伝熱管２０２の扁平面に垂直な方向に平行な１組の短辺を有する形状である。このような構成によれば、矩形領域に配列された伝熱管２０２に対応した形状にて液相冷媒を噴霧することが可能である。そのため、複数の伝熱管２０２において、冷媒ミストが到達できない部分が発生することを防止できるとともに、冷媒ミストの濡れ性を向上することができる。特に、矩形領域の四隅の領域に冷媒ミストが到達できない部分が発生することを防止できる。
【００８２】
図５Ａを参照して説明したように、角度α＜角度βの関係を満たすようにノズル２０４が構成されている場合、図８Ａに示すような冷媒ミストの立体形状を形成しやすい。冷媒ミストの流れ方向は、例えば、中心軸Ｏに平行な方向である。冷媒ミストの流れを中心軸Ｏに垂直な平面によって切断して観察したとき、中心軸Ｏの位置は、伝熱管２０２の入口側にオフセットしている。これにより、伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かって理想的な噴霧量の分布を形成することが可能になる。
【００８３】
図８Ｂに示すように、冷媒ミストの流れは、横方向の長さＨかつ縦方向の長さＶの矩形の形状を示す。横方向の長さＨは、縦方向の長さＶよりも小さい。この場合、図９に示すように、伝熱管２０２に対する冷媒ミストの噴霧角度β２が小さくなるので、伝熱管２０２と伝熱管２０２との間を冷媒ミストが通過しやすい。噴霧ノズル２０４から遠い側に位置している部分にも十分な量の冷媒ミストが供給されるので、伝熱性能の更なる向上を期待できる。
【００８４】
図６Ａから図６Ｃを参照して説明したように、冷媒ミストの流れの立体形状は、噴霧ノズル２０４のミスト形成部５０４の形状によって制御可能である。
【００８５】
本実施形態によれば、水と液相冷媒の温度差に応じて適正量の液相冷媒を噴霧することが可能となる。伝熱管２０２の伝熱面上におけるドライアウトの発生を防止できるだけでなく、未蒸発の液相冷媒の滞留による伝熱面積の減少を抑制することが可能となる。その結果、効率よく液相冷媒を蒸発させることが可能となり、伝熱性能を向上することができる。
【００８６】
更に、伝熱管２０２の入口２０２ｐへ噴霧される冷媒ミストの噴霧角度が小さくなるため、伝熱管２０２に衝突せずに伝熱管２０２の入口２０２ｐの上部を通過する冷媒ミストを減らすことができる。そのため、余剰冷媒が伝熱管２０２に再付着して伝熱管２０２の表面に液相冷媒の過剰な液膜が形成されることも防止できる。このことも、蒸発器１０１の伝熱性能を向上に寄与する。特に、大型のシステムにおいては、余剰冷媒の再付着を回避して液膜の適正化が可能となるとともに、無駄な噴霧がなくなるため、ポンプ動力を低減でき、高効率化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
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】
【００８８】
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  入口
２０２ｑ  出口
２０４，２０４ｃ  噴霧ノズル
２０７  流入管
２０８  流出管
５０１  導入部
５０２  噴出孔
５０４  ミスト形成部
５０５  第１面
５０６  第２面
Ｏ  中心軸
【図１】
2019184228.tif 000003
【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６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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