(57)【要約】  ２相冷凍装置又はプロセス装置に使用するための落下フィルム蒸発器が提供される。蒸発器（８０、２８０）は上方部分（１０２）と、下方部分（１０４）と、シェル（１００）内で実質上水平に延びるチューブを備えたチューブ束（１０６）とを有するシェル（１００）を含む。フード（１１２）はチューブ束（１０６）の上に位置し、フード（１１２）はチューブ束（１０６）の上方で上方部分（１０２）に隣接する上方端部（１１４）を有し、上方端部（１１４）は下方部分（１０４）の方へ延びる対向する実質上平行な壁（１１６）を有し、壁は上方端部（１１４）とは反対側の開いた端部（１１８）で終端する。液体冷媒（１２０）又は液体冷媒（１２０）及び蒸気冷媒がチューブ束（１０６）上に付着した後、フード（１１２）の実質上平行な壁（１１６）はチューブ束（１１６）のチューブ間での冷媒蒸気又は液体及び蒸気の横断流れを実質上阻止する。
2008516187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍装置において、
冷媒閉ループ内で接続されたコンプレッサ、コンデンサ、膨張装置及び蒸発器を有し、
上記蒸発器が、
上方部分及び下方部分を有するシェルと；
上記シェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有するチューブ束と；
上記チューブ束の上に位置し、上記シェルの上記上方部分に隣接して当該チューブ束の上方に位置する閉じた端部と、同閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、上記シェルの閉じた部分から開いた部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を更に有するフードと；
上記フードの下方で上記チューブ束の上方に位置し、当該チューブ束上に液体冷媒又は液体及び蒸気冷媒を付着させるように形状づけられた冷媒分配器と；
を有し、
上記フードの上記実質上平行な壁が上記チューブ束の上記複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止することを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
上記実質上平行な壁が実質上垂直方向に延びることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
上記実質上平行な壁が上記チューブ束の上記複数のチューブを横方向で実質上取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項４】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブがフィンを備え、同少なくとも１つのフィン付きチューブが当該チューブ束の上方区域内に位置することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項５】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項６】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。
【請求項７】
上記冷媒分配器に冷媒の流れを提供するエゼクタを設けたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項８】
上記冷媒分配器が冷媒を少なくとも部分的に膨張させるように形状づけられることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項９】
上記冷媒分配器が少なくとも１つの噴霧ノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項１０】
冷凍装置に使用する落下フィルム蒸発器において、
上方部分及び下方部分を有するシェルと；
上記シェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有するチューブ束と；
上記チューブ束の上に位置し、上記シェルの上記上方部分に隣接して当該チューブ束の上方に位置する閉じた端部と、同閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、上記シェルの閉じた部分から開いた部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を更に有するフードと；
上記フードの下方で上記チューブ束の上方に位置し、当該チューブ束上に液体冷媒又は液体及び蒸気冷媒を付着させるように形状づけられた冷媒分配器と；
を有し、
上記フードの上記実質上平行な壁が上記チューブ束の上記複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止することを特徴とする落下フィルム蒸発器。
【請求項１１】
上記実質上平行な壁が実質上垂直方向に延びることを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１２】
上記実質上平行な壁が上記チューブ束の上記複数のチューブを横方向で実質上取り囲むことを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１３】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブがフィンを備え、同少なくとも１つのフィン付きチューブが当該チューブ束の上方区域内に位置することを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１４】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１５】
上記チューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項１３に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１６】
上記冷媒分配器に冷媒の流れを提供するエゼクタを設けたことを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１７】
上記冷媒分配器が冷媒を少なくとも部分的に膨張させるように形状づけられることを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１８】
上記冷媒分配器が少なくとも１つの噴霧ノズルを有することを特徴とする請求項１０に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項１９】
冷凍装置に使用する混成落下フィルム蒸発器において、
上方部分及び下方部分を有するシェルと；
上方のチューブ束及びこれに流体連通する下方のチューブ束であって、上記下方及び上方のチューブ束の各々が上記シェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有し、当該下方のチューブ束が当該シェルの上記下方部分内の冷媒により少なくとも部分的に浸されるような上方及び下方のチューブ束と；
上記上方のチューブ束の上に位置し、当該上方のチューブ束の上方で上記シェルの上記上方部分に隣接する閉じた端部と、同閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、当該シェルの上記下方部分に隣接して上記閉じた端部から上記開いた端部の方へ延びる対向する実質上平行な壁を更に有するフードと；
上記上方のチューブ束の上方に位置し、当該上方のチューブ束上に冷媒を付着させる冷媒分配器と；
を有し、
上記フードの上記実質上平行な壁が上記上方のチューブ束の上記複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止することを特徴とする混成落下フィルム蒸発器。
【請求項２０】
上記実質上平行な壁が実質上垂直方向に延びることを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２１】
上記実質上平行な壁が上記上方のチューブ束の上記複数のチューブを横方向で実質上取り囲むことを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２２】
上記上方のチューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブがフィンを備え、同少なくとも１つのフィン付きチューブが当該チューブ束の上方区域内に位置することを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２３】
上記上方のチューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２４】
上記上方のチューブ束の上記複数のチューブのうちの少なくとも１つのチューブが同少なくとも１つのチューブの外表面の少なくとも一部に施された多孔性のコーティングを有することを特徴とする請求項２２に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２５】
上記冷媒分配器に冷媒の流れを提供するエゼクタを設けたことを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２６】
上記冷媒分配器が冷媒を少なくとも部分的に膨張させるように形状づけられることを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２７】
チューブ束内を流れる流体が２パス装置により処理され、同２パス装置においては、流体が最初に第１のパス中に上記下方のチューブ束の上記複数のチューブ内を流れ、次いで流体が第２のパス中上記上方のチューブ束の上記複数のチューブ内を流れることを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２８】
チューブ束内を流れる流体が少なくとも１パス装置により処理され、同１パス装置においては、流体が上記下方のチューブ束及び上記上方のチューブ束の上記複数のチューブの各々の少なくとも一部の内部を流れることを特徴とする請求項１９に記載の落下フィルム蒸発器。
【請求項２９】
制御プロセスに使用する落下フィルム蒸発器において、
上方部分及び下方部分を有するシェルと；
上記シェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有するチューブ束と；
上記チューブ束の上に位置し、上記シェルの上記上方部分に隣接して当該チューブ束の上方に位置する閉じた端部と、同閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、上記シェルの上記下方部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を更に有するフードと；
上記フードの下方で上記チューブ束の上方に位置し、当該チューブ束上に液体流体又は液体及び蒸気流体を付着させるように形状づけられた流体分配器と；
を有し、
上記フードの上記実質上平行な壁が上記チューブ束の上記複数のチューブ間での流体の横断流れを実質上阻止することを特徴とする落下フィルム蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に加熱及び冷却装置又はプロセス装置における蒸発器の作動に関し、特に、２相冷媒加熱及び冷却装置又はプロセス装置における落下フィルム蒸発器の作動に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には建造物内で温度制御を維持するビル又は他の建造物のためのあるプロセス装置や加熱及び冷却装置は、チューブ上で別の流体を通過させることにより２つの流体間で熱エネルギの伝達を行うように、コイル状のチューブ内で流体を循環させる。このような加熱及び冷却装置における主要な素子は、チューブ束を形成する複数のチューブを備えたシェルを有する蒸発器であり、チューブ束を通って、水又はエチレングリコールのような補助的な流体が循環する。Ｒ１３４ａのような主要な流体即ち冷媒は蒸発器のシェルの内部でチューブ束の外表面に接触させられ、補助的な流体と冷媒との間で熱エネルギ伝達を生じさせる。典型的な２相加熱及び冷却装置においては、冷媒は加熱されて蒸気状態に変換され、次いで、この蒸気はコンプレッサへ戻され、そこで、別の冷媒サイクルを開始するように蒸気が圧縮される。冷却されてしまった補助的な流体はビル全体にわたって位置する複数のコイルへ循環させられる。一層暖かな空気はコイル上を通過させられ、そこで、補助的な流体はビルのための空気を冷却しながら暖められ、次いで、蒸発器へ戻されて、再度冷却され、プロセスを繰り返す。
【０００３】
チューブの外部で冷媒を沸騰させる蒸発器は満液式蒸発器、落下フィルム蒸発器及び混成落下フィルム蒸発器を含む。従来の満液式蒸発器においては、シェルは沸騰液体冷媒のプールで部分的に満たされ、その中にチューブ束が浸かる。それ故、かなりの量の高価な冷媒流体が必要となり、冷媒の全体のチャージが失われることのあるような蒸発器からの又は全体の装置からの冷媒の漏洩の場合に、冷媒の組成に応じて環境上及び（又は）安全上の問題が生じることがある。
【０００４】
落下フィルム蒸発器においては、例えば噴霧により、分配器は、チューブ束の上方の位置から、ある量の液体冷媒をチューブ束のチューブの表面上に付着させ、チューブの表面上に液体冷媒の（層）フィルムを形成する。液体としての又は２相液体及び蒸気状態の冷媒はチューブ束の上方チューブ表面に接触し、そして、重力により、下方に位置するチューブのチューブ表面上へ垂直に落下する。分配された流体層がチューブ束のチューブ表面に接触する流体の源となるため、シェルの内部で必要とされる流体の量は大幅に減少する。しかし、落下フィルム蒸発器の有効な作動に関連する技術的な挑戦が存在している。
【０００５】
１つの挑戦は、流体の一部を蒸発させて、その体積を大幅に膨張させることである。蒸発した流体はあらゆる方向に膨張し、重力の効果の下での液体流体の垂直流れ方向に対して横断又は少なくとも部分的に横断する方向への蒸発した流体により横断流れ（クロスフロー）即ちトラベルを生じさせる。流体の垂直流れを中断させる横断流れのため、チューブの少なくとも一部、特にチューブ束の下方に位置するチューブは、その湿潤が不十分となり、チューブ束のこれらのチューブの内部を流れる補助的な流体に対する熱伝達が大幅に減少する。
【０００６】
落下フィルム蒸発器に関連するこの問題に対する１つの試みられた解決策は米国特許第６，２９３，１１２号明細書（以下、「１１２特許」という）に記載されている。１１２特許は、チューブ束のチューブが蒸気レーンを形成するように配列された落下フィルム蒸発器に関する。蒸気レーンの目的は、液体冷媒の垂直下向きの流れが実質上影響を受けないように、膨張する蒸発流体のためのアクセス経路を提供することである。換言すれば、アクセス経路は蒸発流体を膨張させることにより生じる横断流れの効果を減少させるために設けられる。従って、１１２特許は、蒸発流体を膨張させることにより生じる横断流れが必ず発生することを特定している。
【０００７】
別の挑戦は、蒸発流体が随伴された液体の液滴を含む場合に、典型的には蒸発器の上方部分に形成された出口から蒸発流体の供給を受けるコンプレッサが損傷する可能性があることに対するものである。チューブ束の上方部分に隣接する蒸発流体が、典型的には、コンプレッサ内へ引き込まれる虞のあるこのような随伴された液体液滴を含むので、素子を設けて、蒸気と液体液滴との間の分離を提供しなければならない。例えば、このような素子は、液体液滴の重力分離に対して典型的には蒸発器の容積の約半分の容積を必要とする蒸発器内の容積を占めるバッフル又はメッシュのような、液体液滴の衝突を生じさせる手段、又は、重力分離容積と組み合わせた衝突手段である。しかし、各このような手段及びその組合せは複雑さ及び装置のコストを増大させ、また、蒸気冷媒がコンプレッサに達する前に望ましくない圧力降下を生じさせることがある。
【０００８】
落下フィルム蒸発器に関連する更なる挑戦は蒸発器のシェルの上方部分内に位置する分配器に関連する。高圧及び（又は）２相液体及び蒸気状態で分配器により適用される冷媒は、チューブ束上の液体の蒸発により発生するものに加えて、霧及び微細な液体液滴を発生させる傾向を有する。蒸発器のシェルの上方部分内で発生されたこのような液滴はコンプレッサの吸入口へ容易に随伴される。従って、多くのデザインは分配器の前で流体の圧力を低下させる装置と、チューブ束の頂部上に液体をきわめて穏やかに付着させるために分配器の前で液体から蒸気を分離する装置との組合せを必要とする。
【０００９】
「ＢＶＫＦ形式のためのインストラクションガイド、最新ナンバー、１９９８」という名称のウイット社(Witt GmbH)により作成されたパンフレットは、チューブ束上に位置する拡散壁を備えた金属シートのフード及び冷媒分配ノズルを有する落下フィルム蒸発器に関する。フードはチューブ束を覆い、束の側部に沿って部分的に延び、蒸発器の排出部の方に向かうガスがフードの外部に発生したときに液滴がガス流から分離する付加的な機会を有するように、随伴された液滴を伴う冷媒蒸気をフードのまわりに導く。しかし、この概念は蒸発流体を膨張させることにより生じる横断流れを阻止しない。
【００１０】
最後に、混成落下フィルム蒸発器は、落下フィルム蒸発器と同様に、依然として上方のチューブ上に流体を噴霧しながら、満液式蒸発器よりも一層小さな比率でチューブ束のチューブを浸すことにより、落下フィルム蒸発器及び満液式蒸発器の特性を組み込んでいる。
【特許文献１】米国特許第６，２９３，１１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
必要なのは、蒸発流体を膨張させることにより生じる横断流れを実質上阻止し、また、満液式フィルム又は混成蒸発器の従来の満液式又は既存のデザインよりも、液体液滴の分離に対して、満液式蒸発器よりも一層小さな空間を必要とする落下フィルム蒸発器である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、冷媒閉ループ内で接続されたコンプレッサ、コンデンサ、膨張装置及び蒸発器を有する冷凍装置の関する。蒸発器は上方部分及び下方部分を備えたシェルと、シェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを備えたチューブ束とを有する。フードはチューブ束上に位置し、フードは閉じた端部と、閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、閉じた端部はシェルの上方部分に隣接してチューブ束の上方に位置する。フードは更にシェルの閉じた部分から開いた部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を有する。冷媒分配器はフードの下方でチューブ束の上方に位置し、冷媒分配器はチューブ束上に液体冷媒又は液体及び蒸気冷媒を付着させるように形状づけられる。フードの実質上平行な壁は、チューブ束の複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止する。
【００１３】
本発明は更に、上方部分及び下方部分を備えたシェルを有する冷凍装置に使用する落下フィルム蒸発器に関する。チューブ束はシェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有する。フードはチューブ束の上に位置し、フードは閉じた端部と、閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、閉じた端部はシェルの上方部分に隣接してチューブ束の上方に位置する。フードは更にシェルの閉じた部分から開いた部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を有する。冷媒分配器はフードの下方でチューブ束の上方に位置し、冷媒分配器はチューブ束上に液体冷媒又は液体及び蒸気冷媒を付着させるように形状づけられる。フードの実質上平行な壁は、チューブ束の複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止する。
【００１４】
本発明は、流体分配器が凝縮圧力に近い中圧又は高圧で冷媒を受け取り、２相液体及び蒸気冷媒にできることを許容する。このような状態の下で、発生した冷媒の霧及び液滴はフードの下方に収容され、チューブ及びフードの屋根や壁上で合体し、冷媒の霧及び液滴が吸入ライン内へ随伴されるのを阻止する。
【００１５】
本発明はまた更に上方部分及び下方部分を備えたシェルを有する冷凍装置に使用する混成落下フィルム蒸発器に関する。下方のチューブ束は上方のチューブ束と流体連通し、下方及び上方のチューブ束の各々はシェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有し、下方のチューブ束はシェルの下方部分内の冷媒に少なくとも部分的に浸される。フードは上方のチューブ束の上方に位置し、フードは閉じた端部と、閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、閉じた端部は上方のチューブ束の上方でシェルの上方部分に隣接する。フードは更にシェルの下方部分に隣接して閉じた端部から開いた端部の方へ延びる対向する実質上平行な壁を有する。冷媒分配器は上方のチューブ束の上方に位置し、冷媒分配器は上方のチューブ束上に冷媒を付着させる。フードの実質上平行な壁は上方のチューブ束の複数のチューブ間での冷媒の横断流れを実質上阻止する。
【００１６】
本発明はまた更に上方部分及び下方部分を備えたシェルを有する制御プロセスに使用する落下フィルム蒸発器に関する。チューブ束はシェル内で実質上水平に延びる複数のチューブを有する。フードはチューブ束の上方に位置し、フードは閉じた端部と、閉じた端部とは反対側の開いた端部とを有し、閉じた端部はシェルの上方部分に隣接してチューブ束の上方に位置する。フードは更にシェルの下方部分の方へ延びる対向する実質上平行な壁を有する。流体分配器はフードの下方でチューブ束の上方に位置し、流体分配器はチューブ束上に液体流体又は液体及び蒸気流体を付着させるように形状づけられる。フードの実質上平行な壁はチューブ束の複数のチューブ間での流体の横断流れを実質上阻止する。
【００１７】
本発明の利点は、蒸発流体を膨張させることにより生じる横断流れを実質上阻止し、最小循環量での増大した熱伝達を容易にすることである。
本発明の更に別の利点は、コンプレッサの吸入部内への液体液滴の持越しを回避する有効な手段を提供することである。
【００１８】
本発明の更に別の利点は、製造及び設置が容易になることである。
本発明の更にまた別の利点は、分配器によりチューブ束上に適用される適圧又は高圧での液体及び蒸気の混合物を許容できることである。
【００１９】
本発明の別の利点は、落下フィルム蒸発器構造又は混成落下フィルム蒸発器構造に使用できることである。
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として示す添付図面に関連して行う以下の好ましい実施の形態の一層詳細な説明から明らかとなろう。当業者なら、図における素子は簡単及び明瞭のために示したものであり、必ずしも実寸で描いたものとは限らないことを認識できよう。例えば、図におけるある素子の寸法は、本発明の種々の実施の形態の理解を促進させる補助として、他の素子に比べて誇張して示してある。また、商業的に実行可能な実施の形態にとって有用又は必要な普通であるが周知の素子は典型的には、本発明の種々の実施の形態の図示を一層妨げないように図示省略してある。
【実施例】
【００２０】
図１は本発明の１つの装置の形状を全体的に示す。冷凍即ち冷却装置１０は、パワー／制御パネル３５内に位置する制御子により制御されるように、コンプレッサ６０を駆動するモータ４０を付勢する可変速度駆動子（ＶＳＤ）３０及びパワー／制御パネル３５の組合せを給電するＡＣ電源２０を有する。「冷凍装置」という用語は熱ポンプのような代わりの構成を含むことができることを認識されたい。本発明の１つの実施の形態においては、ＶＳＤ３０のすべての素子はパワー／制御パネル３５内に収容される。ＡＣ電源２０は単相又は多相（例えば３相）の一定電圧で一定の周波数のＡＣパワーをその箇所に存在するＡＣパワー格子又は分配装置からＶＳＤ３０へ提供する。コンプレッサ６０は冷媒蒸気を圧縮し、排出ラインを通して蒸気をコンデンサ７０へ送給する。コンプレッサ６０は例えば遠心コンプレッサ、往復運動コンプレッサ、スクリューコンプレッサ、スクロールコンプレッサ等の任意の適当な形式のコンプレッサとすることができる。コンプレッサ６０によりコンデンサ７０へ送給された冷媒蒸気は冷却タワー５０に接続された熱交換コイル即ちチューブ束５５を通って流れる好ましくは水である流体と熱交換関係となる。しかし、コンデンサ７０は空冷とすることができ又は任意の他のコンデンサ技術を使用できることを理解すべきである。コンデンサ７０内の冷媒蒸気は、熱交換コイル５５内の液体との熱交換関係の結果、冷媒液体へと位相変化する。コンデンサ７０からの凝縮された液体冷媒は、蒸発器８０へ入る前に冷媒の温度及び圧力を大幅に減少させる膨張装置７５へ流入する。代わりに、膨張の大半は圧力調整装置として使用した場合のノズル１０８（図２−７）内で生じることができる。次いで、蒸発器８０との熱交換関係で循環する流体はインテリア空間に冷却を提供できる。
【００２１】
蒸発器８０は冷却負荷９０に接続された供給ライン８５Ｓ及び帰還ライン８５Ｒを備えた熱交換コイル８５を有することができる。熱交換コイル８５は蒸発器８０内で複数のチューブ束を有することができる。水又は例えばエチレンやエチレングリコールや塩化カルシウムブラインのような任意の他の適当な補助的な冷媒は帰還ライン８５Ｒを介して蒸発器８０内を進行し、供給ライン８５Ｓを介して蒸発器８０から出る。蒸発器８０内の液体冷媒は熱交換コイル８５内の水と熱交換関係となり、熱交換コイル８５内の補助的な冷媒を冷却する。蒸発器８０内の冷媒液体は、熱交換コイル８５内の液体との熱交換関係の結果、位相変化を起こし、冷媒蒸気となる。次いで、蒸発器８０内の蒸気冷媒はコンプレッサ６０に戻り、サイクルを完了させる。
【００２２】
本発明の冷却装置１０はＶＳＤ３０、モータ４０、コンプレッサ６０、コンデンサ７０及び蒸発器８０の複数の任意の組合せを使用できることに留意されたい。
図２を参照すると、蒸発器８０の１つの実施の形態は落下フィルム蒸発器である。この実施の形態においては、蒸発器８０は上方部分１０２及び下方部分１０４を備えた実質上円筒状のシェル１００を有し、シェル１００の長さに沿って実質上水平に延びるチューブ束１０６を形成する複数のチューブを有する。水、エチレン、エチレングリコール又は塩化カルシウムブレインのような適当な流体はチューブ束１０６のチューブを通って流れる。チューブ束１０６の上方に位置する分配器１０８は、コンデンサ１２６から受け取った、液体状態又は２相液体及び蒸気状態のＲ１３４ａのような冷媒流体を、チューブ束１０６内の上方のチューブ上に分配する。換言すれば、冷媒流体は２相状態、即ち、液体及び蒸気冷媒となることができる。図３においては、分配器１０８へ送給される冷媒は完全な液体である。図２及び図４−６においては、分配器１０８へ送給される冷媒は完全な液体又は液体と蒸気との２相混合物とすることができる。状態を変化することなくチューブ束１０６のチューブを通して導かれた液体冷媒は下方部分１０４に隣接して集められ、この集められた液体冷媒は液体冷媒１２０として参照する。下方部分１０４から分配器１０８（図３、４）へ液体冷媒１２０を循環させるためにポンプ９５を使用することができるが、図２に示すように、ベルヌーイ効果により作動するコンデンサ１２６からの加圧冷媒を使用して下方部分１０４から液体冷媒１２０を吸引するために、エゼクタ１２８を使用することができる。更に、液体冷媒１２０のレベルはチューブ束１０６の下方にあるものとして示す（例えば図２−４）が、液体冷媒１２０のレベルはチューブ束１０６のチューブの一部を浸すことができることを理解すべきである。
【００２３】
更に図２を参照すると、フード１１２はチューブ束１０６のチューブ間での蒸気冷媒又は液体及び蒸気冷媒の横断流れを実質上阻止するようにチューブ束１０６の上方に位置する。フード１１２はチューブ束１０６の上方及び分配器１０８の上方でシェル１００の上方部分１０２に隣接する上方端部１１４を有する。対向する実質上平行な壁１１６は上方端部１１４の両端からシェル１００の下方部分１０４の方へ延び、好ましくは、壁１１６は実質上垂直に延び、上方端部１１４とは実質上反対側の開いた端部１１８で終端する。好ましくは、上方端部１１４及び平行な壁１１６はチューブ束１０６のチューブに近接して位置し、平行な壁１１６はチューブ束１０６のチューブを実質上横方向で取り囲むのに十分なほど下方部分１０４の方へ延びる。しかし、チューブ束１０６の輪郭内で形成される蒸気冷媒は平行な壁１１６の範囲内で実質上垂直に流れてフード１１２の開いた端部１１８を通るが、平行な壁１１６はチューブ束１０６の下方のチューブを通過して垂直に延びる必要もなければ、平行な壁１１６は平坦である必要もない。フード１１２は、蒸気冷媒１２２を、壁１１６間で開いた端部１１８を通るように下方へ強制し、次いで、シェル１００と壁１１６との間の空間内でシェル１００の下方部分１０４からシェル１００の上方部分１０２へ上方に強制する。次いで、蒸気冷媒１２２は平行な壁１１６の上方端部１１４に隣接して突出する一対の延長部１５０の上方を流れ、吸入チャンネル１５４内に至る。蒸気冷媒１２２は、コンプレッサ６０に接続された出口１３２において蒸発器８０から出る前に、溝穴５１２を画定する延長部１５０の端部とシェル１００との間の空間である溝穴１５２を通って吸入チャンネル１５４内へ入る。
【００２４】
コンデンサ７０及びシェル１００の下方部分１０４から受け取られた冷媒１２６（液体冷媒１２０）は分配器１０８を通して導かれ、好ましくは、複数の位置１１０からチューブ束１０６の上方チューブ上に付着される。これらの位置１１０はチューブ束１０６に関する長手方向又は横方向の位置の任意の組合せを含むことができる。好ましい実施の形態においては、分配器１０８はコンデンサ７０により供給される液体傾斜(ramp)を供給される複数のノズルを有する。ノズルは好ましくは上方の列のチューブを覆うように所定のジェットパターンを適用する。チューブ束１０６のチューブ表面に沿って生じる熱交換により、ある量の冷媒が沸騰する。この膨張した蒸気冷媒１２２は開いた端部１１８の方へ下方に導かれる。その理由は、フード１１２の上方端部１１４及び実質上平行な壁１１６が交互の逃避経路を提供しないからである。実質上平行な壁１１６が好ましくはチューブ束１０６の外側縦列のチューブに隣接しているので、蒸気冷媒１２２は実質上垂直方向下方に強制され、フード１１２の内部での蒸気冷媒１２２の横断流れの可能性を実質上阻止する。チューブ束１０６のチューブはチューブ表面のまわりでのフィルムの形をした冷媒の流れを促進させるように配列され、液体冷媒は、液滴、又は、ある場合は、チューブ表面の底部での液体冷媒のカーテン又はシートを形成するように、合体する。結果としてのシート化はチューブ表面の湿潤を促進し、これは、チューブ束１０６のチューブ内を流れる流体とチューブ束１０６のチューブの表面のまわりを流れる冷媒との間の熱伝達効率を向上させる。
【００２５】
現代の装置とは異なり、フード１１２の上方端部１１４は、チューブ束１０６の頂部において蒸気及び霧の形をした適用された冷媒１１０の流れが出口１３２へ直接流れてコンプレッサ６０へ供給されるのを実質上阻止する。代わりに、下向きの流れを有するように冷媒１２２を導くことにより、蒸気冷媒１２２は、冷媒が開いた端部１１８を通過できる前に、実質上平行な壁１１６の長さにわたって下方に進行しなければならない。蒸気冷媒１２２が急激な方向変化を伴う開いた端部１１８を通過した後、蒸気冷媒１２２はフード１１２とシェル１００の内表面との間を強制的に進行させられる。この急激な方向変化の結果、冷媒の随伴された液滴のかなりの部分が液体冷媒１２０又はシェル１００又はフード１１２と衝突し、蒸気冷媒１２２の流れからこのような液滴を除去する。また、実質上平行な壁１１６の長さを進行する冷媒霧は一層大きな液滴となるように合体し、このような液滴は重力により容易に分離できるか又はチューブ束１０６上での熱伝達により容易に蒸発する。
【００２６】
蒸気冷媒１２２がフード１１２の平行な壁１１６を通過した後、次いで、蒸気冷媒１２２は、出口１３２に達する前に、フード１１２及びシェル１００の表面間に形成された規定された狭い通路好ましくは実質上対称的な通路に沿って下方部分１０４から上方部分１０２へ流れる。増大した液滴寸法の結果、重力による液体分離の効果は改善され、蒸発器を通って流れる蒸気冷媒１２２の増大した上向きの速度を許容する。バッフルはコンプレッサの入口への蒸気冷媒１２２の直接の経路を阻止するように蒸発器の出口に隣接して設けられる。バッフルは延長部１５０の端部とシェル１００との間の間隔により画定される溝穴１５２を有する。実質上平行な壁１１６と狭い通路と蒸発器８０の溝穴１５２との組合せは、蒸発冷媒１２２から実質上すべての残りの随伴液滴を除去する。
【００２７】
チューブ束１０６に沿った蒸気冷媒及び液体の合体した液滴の横断流れを実質上排除することにより、再循環させるべき冷媒１２０の量を減少させることができる。従来のポンプと対比して、これは、エゼクタ１２８の使用を可能にできるような量の再循環冷媒流れの減少である。エゼクタ１２８は膨張装置及び冷媒ポンプの機能を組み合わせる。更に、すべての膨張機能を分配器１０８のノズル内に組み込むことが可能である。好ましくは、２つの膨張装置が使用される：第１の膨張装置は分配器１０８の噴霧ノズルに組み込まれる。第２の膨張装置はまた、液体ライン１３０内の固定オリフィスのような部分的な拡大部、又は代わりに、蒸発及び凝縮圧力並びに部分的な冷却負荷のような作動条件の変化を考慮するように液体冷媒１２０のレベルにより制御される弁とすることができる。更に、また、同時にノズルの寸法の減少を許容しながら、一層大きな圧力差を提供するように、大半の膨張をノズル内で生じさせることが好ましく、これにより、ノズルの寸法及びコストを減少させる。
【００２８】
図５を参照すると、チューブ束１０６に加えて、浸された又は少なくとも部分的に浸されたチューブ束２０７を含む混成落下フィルム蒸発器２８０の実施の形態が提示される。説明するようなものを除いて、蒸発器２８０における対応する素子は蒸発器８０のものと同様である。好ましくは、蒸発器２８０は、最初に冷却すべき流体が下方のチューブ束２０７のチューブの内部を流れ、次いで、上方のチューブ束１０６のチューブの内部を流れるように導かれるような２パス装置を組み込む。２パス装置の第２のパスが頂部のチューブ束１０６上で行われるので、チューブ束１０６内を流れる流体の温度は減少し、従って、チューブ束１０６の表面上を流れる冷媒の量は一層少なくて済む。従って、分配器１０８へ冷媒１２０を再循環させる必要はない。また、束２０７はチューブ束１０６から落下する余分な冷媒を蒸発させる。例えばポンプ又はエゼクタのような再循環装置が無い場合は、落下フィルム蒸発器は混成式のものにしなければならない。
【００２９】
第１のパスが少なくとも部分的に浸された（満液式の）下方のチューブ束２０７に関連し、第２のパスが上方の（落下フィルム）チューブ束１０６に関連するような２パス装置を説明するが、他の構成も考えられることを理解すべきである。例えば、蒸発器は１パス装置を組み込むことができ、この場合、フラッディングの任意の百分率が下方のチューブ束２０７に関連し、１パスの残りの部分が上方のチューブ束１０６に関連する。代わりに、蒸発器は、２つのパスが下方のチューブ束２０７に関連し、残りのパスが上方のチューブ束１０６に関連するような、または、１つのパスが下方のチューブ束２０７に関連し、残りの２つのパスが上方のチューブ束１０６に関連するような３パス装置を組み込むことができる。更に、蒸発器は、１つのパスが上方のチューブ束１０６に関連し、第２のパスが上方のチューブ部分１０６及び下方のチューブ部分２０７の双方に関連するような２パス装置を組み込むことができる。要約すると、各パスが上方のチューブ束及び下方のチューブ束の一方又は双方と関連できるような任意の数のパスが考えられる。
【００３０】
実施の形態は冷凍装置に関連させたが、本発明の蒸発器はまた、一方が石油化学産業におけるような揮発物である２つの成分のブレンドを含む化学プロセスのようなプロセス装置に使用することができる。代わりに、プロセス装置は食品処理産業に関連することができる。例えば、本発明の蒸発器はジュースの濃度を制御するために使用することができる。図２を参照すると、流体分配器１０８を通して供給されたジュース（例えばオレンジジュース）は加熱され、その一部は蒸気となり、一方、蒸発器の下方部分に蓄積される液体１２０は一層高濃度のジュースを含む。当業者なら、蒸発器を他のプロセス装置のために使用できることを認識できよう。
【００３１】
壁１１６は平行であることが好ましいが、また、壁１１６は上方及び下方の部分１０２、１０４を二分する中央の垂直面１３４のまわりで対称的になることも好ましい。その理由は、チューブ束１０６の構成が典型的には同様に対称的だからである。
【００３２】
チューブ束１０６内のチューブの配列は示さないが、典型的な配列は、実質上矩形となることができる輪郭を形成する、垂直方向及び水平方向で整合した複数の等間隔で離間した複数のチューブにより画定される。しかし、チューブが垂直方向又は水平方向で整合しないような積み重ね配列、及び、等間隔で離間しないような配列も使用することができる。
【００３３】
加えて、または、本発明の他の特徴と組み合わせて、異なるチューブ束の構成が考えられる。例えば、冷媒が分配器１０８により広い角度にわたって付着される場合は、シェル１００の容積を減少させることが可能である。しかし、このような広い角度は水平速度成分を有する付着冷媒を生じさせることがあり、不均一な長手方向の液体分布を発生させる可能性がある。この問題に対処するため、チューブ束１０６の最上方の水平列又は最上方の部分に沿って、当業界で既知のフィン付きチューブ（図示せず）を使用することができる。頂部でフィン付きチューブを使用することが可能であるほかに、簡単な接近法は満液式蒸発器におけるプール沸騰のために開発された新世代の向上したチューブを使用することである。加えて、または、フィン付きチューブと組み合わせて、当業界で既知のような多孔性のコーティングもまたチューブ束１０６のチューブの外表面に施すことができる。
【００３４】
好ましい実施の形態を参照して本発明を説明したが、当業者なら、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、その素子を等価物と交換できることを理解できよう。更に、本発明の本質的な要旨を逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適用させるように多くの修正を行うことができる。それ故、本発明は本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施の形態に限定されず、本発明は特許請求の範囲の要旨内に入るすべての実施の形態を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のコンプレッサ装置の概略図である。
【図２】本発明の落下フィルム蒸発器の実施の形態の横断面図である。
【図３】本発明の落下フィルム蒸発器の別の実施の形態の横断面図である。
【図４】本発明の落下フィルム蒸発器の別の実施の形態の横断面図である。
【図５】本発明の混成落下フィルム蒸発器の実施の形態の横断面図である。
【図６】本発明の混成落下フィルム蒸発器の別の実施の形態の横断面図である。
【００３６】
可能な場合は、同じ又は同様の部品を参照するために図面全体を通して同じ符合を使用する。
【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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【国際調査報告】
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