(57)【要約】【課題】冷凍機の蒸発器の管群配置を変えることで、所定の伝熱性能を維持し、熱交換効率の高い蒸発器を実現する必要がる。【解決手段】管群内の最下段よりも上の段内の単数もしくは複数の管において、管ピッチは変えずに周囲の管径よりも小径化して管隙間を大きくする。または千鳥管群配列中の複数の管から成る一箇所以上の領域を格子配列として，高さ方向の管隙間の蛇行を避ける。または、一連の管群内の１本以上の伝熱管を削除するかあるいは管ピッチを広げて管群内からの気泡の流出を促進する。もしくはこれらの組み合わせから一連の管群を構成させる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器内に冷媒と複数の伝熱管からなる伝熱管群を配し、前記伝熱管内に２次媒体を流して前記伝熱管群周りの冷媒と熱交換させて冷熱を取り出す蒸発器において、
前記伝熱管群は一連の管群から構成され、前記一連の伝熱管群内に密と疎の部分を設けた構成とすることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸発器において、前記伝熱管群は、複数の略同一径の一連の伝熱管群から構成され、前記伝熱管群内部に前記の伝熱管群径より小さく管ピッチが略同じ配置の小径管を一連の伝熱管群間に配置したことを特徴とする蒸発器。
【請求項３】
請求項１に記載の蒸発器において、一連の伝熱管群から構成され、そのうちの複数本を千鳥管配列、残りの複数本を格子配列として配置させたことを特徴とする蒸発器。
【請求項４】
請求項１記載の蒸発器において、一連の伝熱管群から構成され、そのうちの複数本は管ピッチを広げて配置させて、一連の伝熱管群内に密と疎の部分を設けた構成とすることを特徴とする蒸発器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいづれか１項に記載の蒸発器と、高温高圧の冷媒を液化させるための凝縮器、凝縮器からの高圧冷媒を減圧させるための膨脹具及び前記蒸発器からの低圧気相冷媒を圧縮させるための圧縮機とを組み合わせて冷凍サイクルを構成させたことを特徴とする冷凍機。
【請求項６】
冷媒を高温高圧の加熱蒸気を生成する圧縮機と、前記圧縮機で生成した冷媒蒸気を液化する凝縮器と、凝縮器で液化された冷媒を低圧にするための膨張弁と、低圧になった冷媒を複数の伝熱管からなる伝熱管群を収納した蒸発器内に導入して、前記伝熱管を流れる２次媒体と熱交換して、前記冷媒を再び前記圧縮機に還流させる構成の冷凍機において、
前記蒸発器に設けた伝熱管群が、前記冷媒の導入側の内壁に沿って冷媒液面近傍まで伝熱管を密に構成した管群と、前記密に構成した管群の内側に冷媒導入側から排出側に向う粗の伝熱管群部分と密の伝熱管群部分を交互に配置した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】
蒸発器内に低温低圧の冷媒と伝熱管群を配し、その伝熱管群内に２次媒体を流して管群周りの冷媒と熱交換させて冷熱を取り出す蒸発器及びそれを用いた冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍機に用いられている蒸発器として、特開２００１−２１５０７０号公報に記載のものがある。この蒸発器では冷媒が導入される容器内に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配管されている伝熱管を複数の伝熱管群に分けて、伝熱管群同士が離間して配置した構成としている。このように、伝熱管群を離間して配置することで、容器の下部に位置する伝熱管の周りで沸騰した冷媒が気泡となり、伝熱管にまとわり付きながら浮かび上がるために、上部の伝熱管まわりに液状の冷媒が充分に共供されず、中央部付近に配設された伝熱管の熱伝達率が周囲に比べて低くなってしまうという問題を解決している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の蒸発器の構成では、伝熱管群を複数の管群に分けて離間させて配置させるため、下方から上昇してくる気泡の抜けは良くなるが、伝熱管の本数が明らかに減少するため、蒸発器全体の伝熱性能は低下してしまうという問題が発生する。
【０００４】
そこで本発明は、一連の伝熱管群において、極端に管本数を減少させること無く、管群の配列状態を変化させることによって、本数減少による伝熱性能低下がなく、且つ気泡流通と液の供給を良好にしたことによる伝熱性能向上を両立させた熱交換効率の高い蒸発器及びその蒸発器を用いたエネルギー効率の高い冷凍機を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
管群内の最下段よりも上の段内の単数もしくは複数の管において、管ピッチは変えずに周囲の管径よりも小径化して管隙間を大きくする。または千鳥管群配列中の複数の管から成る一箇所以上の領域を格子配列として、高さ方向の管隙間の蛇行を避ける。または、一連の管群内の１本以上の伝熱管を削除するかあるいは管ピッチを広げて管群内からの気泡の流出を促進する。もしくはこれらの組み合わせから一連の管群を構成させる。前述の構成とすることにより、一連の管群の伝熱面積を減らさずに、個々の伝熱管の伝熱性能を確保することができるため、蒸発器全体としての伝熱性能を大幅に向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図７に満液式の本発明を適用した蒸発器を用いた冷凍機の基本構成を示す。
【０００７】
冷凍機９は主に遠心式に代表される圧縮機２、凝縮器３、膨脹弁４、蒸発器１から構成されている。空調や食品の冷凍などに利用される冷熱は、蒸発器１内の伝熱管群５内を流れる２次媒体６を冷媒７の蒸発熱で冷やすことによって取り出される。すなわち、冷凍機９ではまず、圧縮機２によって冷媒７を高温高圧の過熱蒸気とし、その冷媒７を凝縮器３内において冷水１０を流す配管と熱交換して冷やしたのち、膨脹弁４を介して低圧とする。低温低圧となった冷媒７は蒸発器１内に導かれ、蒸発器１内に設けられた伝熱管群５内を流れる２次媒体６と熱交換させて蒸発させ、気体となった冷媒７を圧縮機２で再び圧縮させるサイクルとなる。大きな冷凍能力を有する冷凍機９においては、蒸発器１は高い伝熱性能の確保と冷凍負荷の変動による余剰冷媒量の保持を兼ね備えた満液式の蒸発器１が使用される。この蒸発器１は、蒸発器１容器内に、冷熱を空調用ファンコイル等に運び出すための２次媒体６が内部を流れる伝熱管群５を配置し、その伝熱管群５周囲を低温低圧の冷媒７が満たした構成となっている。
【０００８】
ところで、従来の略１つの束に形成された伝熱管群５からなる蒸発器１では、伝熱管群５内の２次媒体６から熱を与えられた冷媒７は沸騰するため、冷凍サイクル運転中は、蒸発器１内の伝熱管群５の周囲は激しく気泡が発生する。さらに、その下の伝熱管群から発生した気泡や、凝縮器２からある乾き度をもって入ってくる冷媒７の気体も上昇してくる。このため、上部にいくほど気泡の占有率が大きくなり、蒸発する液冷媒の供給が不足気味となり、伝熱性能が低下して蒸発温度が下がり、冷凍機としてのエネルギー効率が下がる問題があった。そこで、本発明ではこの気泡発生の問題を解決すると共に、伝熱性能の低下を防止する構成としたものである。
【０００９】
従来管群は千鳥配列にするのが良いとされている。これは、管群下部で発生した細かい気泡が、それよりも上部に位置する管の隙間を蛇行して上昇するときに液冷媒そのものを攪拌する効果が有るためです。しかしながら、最近の管の性能が向上するに従って、発生する気泡も増大し、この気泡の影響を無視することができなくなった。そのため、本発明では、気泡をスムーズに液面まで上昇させるための構成を提案するものである。以下、図面を用いてその詳細を説明する。
【００１０】
図１は本発明の一実施形態である蒸発器の基本構成図である。本実施形態は蒸発器１内部に収めた一連の伝熱管群５のうち、蒸発器１底部（冷媒７の導入側）から４段目の管配列の中央付近の複数の伝熱管８と、それよりも上段の伝熱管８配列の一部を、周囲の伝熱管８ｂ径よりも小径化した伝熱管８ａを配置した構成となっている。特に４段目よりも上段での小径管８ａは、高さ方向において標準の管径の伝熱管８ｂを挿まずに伝熱管群５の上端まで、いくつかの小径管８ａの一続きとなる配列が形成されるように配置した構成としている。
【００１１】
図１のように、蒸発器内壁面に沿って、下部から液面までの伝熱管を一連の千鳥配列構成としているのは、千鳥配列のほうが、蒸発器内壁と管群の隙間をより滑らかな形状とすることができ、他の伝熱管配列に比べて液冷媒の下降流を円滑にすることができるためである。
【００１２】
すなわち、冷媒７の導入側から蒸発容１器の内壁面に沿って冷媒液面近傍までは所定の径（標準の管径）の伝熱管８ｂが連続配置（千鳥配列）され、その連続配置された伝熱管８ｂの内側の伝熱管の配置を、所定の径の伝熱管８ｂ群と、その伝熱管群を複数に分割するように、小径の伝熱管８ａを冷媒液面に向かって連続的に配置したものである。
【００１３】
図８（ａ）に従来の伝熱管配置における液の流れと気泡の状態を（ｂ）に図１の伝熱管配置の場合の液の流れと気泡の状態を示す。図に示すように、蒸発器内を上昇する気泡には、蒸発器下部から流入する冷媒の乾き度に応じて発生する気泡２１と、各伝熱管から蒸発して生じる気泡２２がある。これらは管群を上昇して行く間に、途中の伝熱管で発生した気泡や、滞留している気泡と衝突して大きくなっていく。伝熱管同士の隙間よりも気泡が大きくなると、例えば、（ａ）の千鳥状の伝熱管配列の場合、千鳥配列の隙間を蛇行しながら気泡が上昇しなければならず、途中で気泡が大きくなり気泡が上昇しにくくなる。また、大きな気泡となると、その気泡が上昇して通過した後の空間に液の流入（戻り）が交互に行われ、この作用で流体振動が発生する。
【００１４】
これに対して、図８（ｂ）の伝熱管配列とすると、気泡が合体して、ボイド率が上昇し始める伝熱管位置において、気泡を抜け易くなるように小径管を配置しているために、気泡を蛇行させずに管群上部まで放出することできる。これにより、管群内部で発生してる流体振動も抑制できる。また、気泡が抜け易くなったことから、蒸発器内壁を伝わって蒸発器下部に戻る液冷媒の流れ２０も促進でき、液の循環も良好になる。
【００１５】
前述のように、標準径の伝熱管８ｂと小径の伝熱管８ａを組合わせて配置することで、小径管と標準径管との間に冷媒が入り込む隙間（気泡の通過隙間）が形成され、気泡がスムーズに上昇して伝熱管群５内部も冷媒との熱交換が促進される。
【００１６】
すなわち、このような構成とすることにより、中央部側の伝熱管群では、蒸発器１に流入した冷媒７の乾き度に応じて発生する蒸気２１、及び４段目以下の伝熱管で発生した蒸気２１が、４段目の小径管８ａの周囲の隙間に集められた後、流動抵抗の少ない一続きとなる配列を形成している小径管８ａの周囲の隙間を上昇していく。このため４段目よりも上段の伝熱管８周りが下方から上昇してくる気泡で満たされて、伝熱性能が低下するのを抑えることができる。又伝熱管と伝熱管の間に隙間が確実に形成されることから、蒸発容器内の冷媒がこの隙間に確実に流れ込み、この冷媒と伝熱管内の冷媒との間の熱交換が確実に行われるため、伝熱効率が向上する。
【００１７】
なお図１においては、蒸発器１の中心付近の小径管８ａの一続きの配列が、上端までの途中のある段（略中間部の段）において隣り合う２本の伝熱管を小径管８ａとして、そのうちの蒸発器１中心よりの小径管８ａから、それよりも上部の小径管８ａと一続きとなる配列を形成するような構成となっている。すなわち、隣り合う２本の管を小径管８ａとした段において、蒸発器１中心側へ小径管８ａの配列をシフトし直した構成としている。そのため、小径管８ａの配列が見かけ上、蒸発器１内の伝熱管群５の外方向に広がっていくのを抑制した構成としている。これにより、蒸発器１下部中心付近に流入する冷媒の乾き度に応じた蒸気は、上記小径管８ａの配列周囲の隙間を流通して蒸発器１上部へ抜けていく。このため、他の標準の管径からなる管８ｂの配列への拡散を極力防ぐことができる。
【００１８】
また小径管８ａの一続きとなる配列と配列の間においても、熱交換量が大きく気泡の発生が多い場合には、必要に応じて新たな一続きとなる小径管８ａの配列を設けるとよい。また本実施形態では、一連の伝熱管群５の形状を堅持しているため、伝熱管群５中央上部の気泡の上昇流れと、蒸発器１内壁と一連の伝熱管群５との隙間における液冷媒の下降流れとが作り出す、蒸発器１内部全体での冷媒の循環が強化でき、伝熱管群５内部への液冷媒の供給を良好にできる。よって気泡発生量の多い高冷凍負荷時でも、安定した冷凍能力を確保できる。
【００１９】
本実施形態の蒸発器１を冷凍機９に用いれば、従来に比べて蒸発器１としての伝熱性能が向上する。このため、同じ冷凍能力を得るのに、蒸発温度を高く設定できるため、圧縮機２の入力を少なくすることができる。また蒸発器１の伝熱性能が向上する分、同じ冷凍能力に対して、冷凍機設備容積を小さくすることができ、小型化が可能となる。また伝熱面積を確保しつつ、且つ蒸発器１内の伝熱管群５からの気泡の放出を良好としたため、安定した伝熱管８性能を確保できる。よって、幅広い冷凍能力の変化にも対応でき、冷凍機９としての使用範囲を拡大できる。
【００２０】
なお、本実施形態の図１では、一連の伝熱管の配置を冷媒７の導入側（下側）から４段目まで同じとしたが、これを２段目としても同様の効果を得ることができる。
【００２１】
図２は本発明の他の実施形態を示した蒸発器の断面図である。本実施形態では、図１の実施例において伝熱管８を小径化する替わりに、伝熱管の径はそのままに伝熱管のピッチを大きくした構成としたものである。すなわち、蒸発器内径に沿って配置された一連の伝熱管の内側に配置される伝熱管の配置を、外周側のピッチと同じピッチで配置した伝熱管群と、その伝熱管群を分割するように大きなピッチで伝熱管を配置したものである。言い換えると、伝熱管の配置が疎の部分と密の部分の組合せとすることで管群内部に冷媒７が入り込むようにしたものである。
【００２２】
これにより、図１の実施形態と同様に気泡の抜きのための隙間を確保することができる。さらに伝熱管８の径がすべて同一のため、部品の種類が減り、製作工程の短縮化と簡素化が可能となる。
【００２３】
図３は本発明の他の実施形態を示した蒸発器の断面図である。本実施形態では、気泡の抜けを良好とするための小径管化をせずに、一連の伝熱管群５形状と必要最小限の伝熱面積を確保しつつ、気泡の上昇を円滑にするために伝熱管８を抜いた構成となっている。すなわち、蒸発器内壁に沿って一連の伝熱管を配置すると共に、その内側の伝熱管は中心付近を幹として、左右に複数に枝分かれするように配置したものである。言い換えると、中央の幹に連続して左右に枝分かれした伝熱管群と伝熱管群との間の隙間が液面側に伸びるように形成されている。このような構成とすることにより、伝熱管群５からの気泡放出の強化とそれに伴う蒸発器１内部全体での冷媒循環を強化することができる。すなわち、本実施形態は、特に伝熱管群５内での気泡の発生量が多くなる高冷凍負荷への使用に適している。
【００２４】
図４は図１に示した実施形態の変形例を示したものである。本実施形態は図１において、小径管化した一続きとなる複数の配列が伝熱管群５全体の千鳥配列に同調した配列であったのに対して、本実施形態では蒸発器１の底部（冷媒の導入側）から上部（冷媒に排出側）へほぼ垂直に気泡を伝熱管群５から放出できるように小径管８ａを配列にした構成となっている。本実施形態は特に蒸発器１に流入する冷媒７の乾き度に応じた蒸気を蒸発器１の上部へ速やかに放出するのに適した構成となっており、蒸発器１流入前の冷媒７を液相と気相に分離するエコノマイザ（図示せず）を装備していない比較的小型の冷凍機９に適している。
【００２５】
図５は本発明の他の実施形態を示した蒸発器の断面図である。上記の実施形態は小径管や管ピッチを変化させることで中央側の複数の管群間の隙間を大きくしたものであるが、本実施形態は感の配列を千鳥配列にせずに格子配列にすることで気泡の上昇をし易くしたものである。すなわち、一連の伝熱管群５において、蒸発器１の下部（冷媒７の導入側）に位置する部分は千鳥配列とし、それよりも上部は格子配列とした構成とした。言い換えると、蒸発器１下部からの流入蒸気もしくは下段で発生した気泡が伝熱性能に影響を及ぼさない段範囲においては千鳥配列として、千鳥配列による管群効果を利用して伝熱性能を確保し、下段からの気泡が伝熱性能に影響を及ぼす範囲においては、伝熱管同士の間を気泡が上昇しやすい格子配列とした構成としている。千鳥配列の場合、管隙間を上昇した気泡は、その上の段の伝熱管下部に衝突して、どちらかに迂回する形で順次上昇する。これに対して、格子配列では、気泡の上昇方向の管の隙間は一致するため、発生した気泡が管と衝突することなく上昇する。このため、本構成とすることにより、伝熱面積を確保しつつ、伝熱管群５からの気泡を特定の箇所に絞り込まずに放出することができる。よって、より均一に気泡を伝熱管群５から放出できるため、蒸発器１内上部空間への液冷媒７の跳ね上げを抑えることができる。また規則的な管群配列のため、製作も容易にとなる。また本実施形態において、伝熱管群５からの気泡の放出をさらに促進するために、格子配列の伝熱管を細径管８ａとしてもなんら差し支えない。
【００２６】
図６は図５に示した実施形態の変形例を示したものである。本実施形態は伝熱管８の一連の伝熱管群５において、下段からの気泡の上昇が多くなる箇所を格子配列とし、同じ配列段内でも、それよりも下方に位置する伝熱管８の本数の少ない管群断面に対する左右両端部では、千鳥配列のままとすることによる複合的な配列とした構成となっている。特に、伝熱管群５うちの中央部付近の伝熱管群を格子配列としている。このような構成とすることにより、基本的には千鳥配列による管群効果を得つつ、下方からの気泡の上昇による伝熱性能への影響のある領域のみ格子配列による気泡の流出を促進させることができるため、千鳥配列による管群効果を極力損なわずに、さらに気泡流出による伝熱性能向上が得られる。
【００２７】
通常、満液式の蒸発器では、伝熱管内を流れる２次媒体の流れは複数回のパスにより蒸発器内を通過させる構成となっているが、そのうちの後流側のパスに用いる伝熱管を、通常用いられる伝熱促進管ではなく、管内外壁に何の加工も施さないベア管を用いてもよい。このような構成にすると、蒸発器全体の伝熱性能への効果の小さい２パス目の伝熱性能を落とす代わりに、伝熱管群からの気泡の放出を良好とするため、これよりも浅いパスの伝熱管周りのボイド率（気泡の占有率）が下がって伝熱性能を大幅に向上させることができる。これは、既往の伝熱管群に利用するのみでなく、本発明の伝熱管群に利用することもでき、より大きな伝熱性能向上が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、伝熱管群内の最下段よりも上の段内の単数もしくは複数の伝熱管において、伝熱管ピッチは変えずに周囲の伝熱管径よりも小径化して伝熱管隙間を大きくする。または千鳥管群配列中の複数の管から成る一箇所以上の領域を格子配列として、高さ方向の伝熱管隙間の蛇行を避ける。または、一連の伝熱管群内の１本以上の伝熱管を削除するかあるいは管ピッチを広げて伝熱管群内からの気泡の流出を促進する。もしくはこれらの組み合わせから一連の伝熱管群を構成させる。このような構成とすることにより、一連の伝熱管群の伝熱面積を減らさずに、個々の伝熱管の伝熱性能を確保することができるため、蒸発器全体としての伝熱性能を大幅に向上させることができる。さらに本発明の蒸発器を冷凍機に用いることによって、エネルギー効率の高い冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図４】図１に示す実施形態の変形例を示す蒸発器断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す蒸発器断面図である。
【図６】図５に示す実施形態の変形例を示す蒸発器断面図である。
【図７】満液式の蒸発器を用いた２次媒体方式の冷凍機の基本構成図である。
【図８】従来の伝熱管配列と図１の伝熱管配列時の液冷媒の流れと気泡の移動状況を示す図である。
【符号の説明】
１…蒸発器、２…圧縮機、３…凝縮器、４…膨脹弁、５…伝熱管群、６…２次媒体、７…冷媒、８…伝熱管、８ａ…小径管、８ｂ…標準の管径の伝熱管、９…冷凍機、１０…冷却水。
【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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