(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、
前記シェルの内部に配置され、冷媒を分配するよう構成され配置される分配部と、
複数の伝熱管を有する管束であって、前記伝熱管が、前記分配部から放出される前記冷媒が該管束上に供給されるよう前記シェルの内部において前記分配部の下方に配置され、前記伝熱管が前記シェルの前記長手方向中心軸と略平行に延びる、管束と、
少なくとも１つの前記伝熱管の下方で前記シェルの前記長手方向中心軸と略平行に延び、内部に前記冷媒を貯留するトラフ部であって、前記シェルの前記長手方向中心軸に垂直な水平方向に沿って見て、前記少なくとも１つの前記伝熱管と少なくとも部分的に重なっているトラフ部と、
を備え、
前記管束は、流下膜領域と、前記流下膜領域の下方に配置される貯留領域と、を有し、少なくとも１つの前記伝熱管は、前記貯留領域に配置され、
前記貯留領域における前記伝熱管は、前記シェルの前記長手方向中心軸に沿って見て、互いに平行に延びる、互いに設置高さの異なる複数の行に配置されており、
前記トラフ部は、前記貯留領域における前記伝熱管の前記行の下方にそれぞれ配置される複数のトラフ部分を有し、
前記トラフ部分のそれぞれは、前記冷媒を貯留する凹部を形成する底壁部および側壁部を含み、
前記シェルの前記長手方向中心軸に垂直な水平方向に沿って見た、前記側壁部と、その側壁部を有する前記トラフ部分の直上に配置された前記伝熱管との間の重なり距離は、前記伝熱管の高さの１／２以上で、前記伝熱管の高さより小さく、
前記貯留領域における前記伝熱管の前記複数の行のうち最も上の行以外の第１の行の下方に配置される前記トラフ部分の数は、前記貯留領域における前記伝熱管の前記第１の行の１つ上の第２の行の下方に配置される前記トラフ部分の数よりも少なく、
前記貯留領域における前記伝熱管の前記第２の行の下方に配置される前記トラフ部分の冷媒は、前記貯留領域における前記伝熱管の前記第１の行の下方に配置される前記トラフ部分に向かってオーバーフローする、
熱交換器。
【請求項２】
前記流下膜領域における前記伝熱管は、前記シェルの前記長手方向中心軸に沿って見て、互いに平行に延びる複数の列に配置されている、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
少なくとも１つの前記トラフ部分は、前記貯留領域に配置される２以上の前記伝熱管の下方に連続的に延びる、
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
少なくとも１つの前記トラフ部分は、前記貯留領域における少なくとも１つの前記行における前記伝熱管の全部の下方に連続的に延びる、
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
少なくとも、前記貯留領域の最も下の前記行の下方に配置される前記トラフ部分は、前記貯留領域の最も下の前記行における前記伝熱管の全部の下方に連続的に延びる、
請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記貯留領域における前記伝熱管の前記行の数は、前記流下膜領域における前記列のそれぞれにおける前記伝熱管の数より小さい、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記貯留領域における前記伝熱管の前記行の前記数と、前記流下膜領域における前記列のそれぞれにおける前記伝熱管の前記数と、の比は、１：９から２：８である、
請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記シェルの前記長手方向中心軸に沿って見て、前記貯留領域における最も外側の前記伝熱管は、横方向に関し、前記流下膜領域における前記伝熱管の前記列の中の最も外側に位置している前記列の外側に位置する、
請求項２に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記伝熱管は、前記シェルの前記長手方向中心軸に沿って見て互いに平行に延びる複数の列に配置されており、前記列のそれぞれにおける少なくとも２の前記伝熱管が、前記貯留領域に配置されている、
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記トラフ部分は、前記列のそれぞれにおける前記貯留領域に配置されている各前記伝熱管の下方にそれぞれ配置される、
請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記列のそれぞれにおける前記貯留領域に配置される前記伝熱管の数は、前記列のそれぞれにおける前記流下膜領域に配置される前記伝熱管の数より小さい、
請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記分配部に前記冷媒を供給するように、前記分配部と流体的に接続される供給導管と、
前記シェルの底面に形成される開口部と流体的に接続されて、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１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記トラフ部と流体的に接続されて、前記トラフ部に貯留される流体を前記シェルの外部に向かって放出するバイパス導管を更に備える、
請求項１２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、少なくとも１つの伝熱管の下方に延設され、内部に冷媒を貯留するトラフ部を有する熱交換器に関する。
【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流下する。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】
米国特許５，８３９，２９４号には、浸漬方式で動作する部分と、流下膜方式で動作する部分と、を有するハイブリッド式の流下膜式蒸発器が開示されている。より具体的には、この公報に開示された蒸発器は、管束において、複数の水平方向伝熱管が通る外側シェルを有する。シェルへと入る冷媒が管の上部に分配されるよう、分配システムは、管束における最上位の伝熱管を覆うような関係に配置される。液体冷媒は、液体冷媒の一部が蒸気冷媒として蒸発する、それぞれの伝熱管の外壁に沿って膜を形成する。残りの液体冷媒は、シェルの下部に溜まる。定常状態動作において、外側シェル内の冷媒の液位は、シェルの下端近傍の水平方向伝熱管の少なくとも２５パーセントが液体冷媒に浸漬される液位に保持される。したがって、この公報においては、シェルの下側部分における伝熱管が浸漬伝熱方式で動作すると同時に、液体冷媒に浸漬されていない伝熱管が流下膜伝熱方式で動作する状態で、蒸発器は動作する。
【０００５】
米国特許７，８４９，７１０号には、蒸発器シェルの下部に集められた液体冷媒が再循環される流下膜式蒸発器が開示されている。より具体的には、この公報において開示された蒸発器は、シェル内を実質的に水平に延びる複数の伝熱管を含む管束を有するシェルを備えている。シェルに入る液体冷媒は、分配器から伝熱管に送られる。液体冷媒は、液体冷媒の一部が蒸気冷媒として蒸発するそれぞれの伝熱管の外壁に沿って膜を形成する。残りの液体冷媒は、シェルの下部に溜まる。この公報においては、シェルの下部に溜まった液体冷媒を吸引し、シェルの下部から分配器に液体冷媒を再循環させるよう、ポンプ又はエジェクタが備えられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
米国特許５，８３９，２９４号に開示されたハイブリッド流下膜式蒸発器には、上述のように、シェルの底部に浸漬部分があるので、比較的大量の冷媒充填を必要とするという問題が未だ残っている。一方、米国特許７，８４９，７１０号に開示された、集められた液体冷媒をシェルの底部から分配器に再循環させる蒸発器では、蒸発器の運転の変動によりドライパッチ（dry patch）が形成された場合に、伝熱管上のドライパッチを再度湿った状態にするためには、過量の循環冷媒が必要となる。さらに、蒸気圧縮システムにおけるコンプレッサが潤滑油（冷凍機油）を利用する場合、油が冷媒ほど揮発性ではないので、コンプレッサから蒸気圧縮システムの冷凍回路へと移動した油が蒸発器に貯留されやすい。このため、米国特許７，８４９，７１０号に開示された冷媒再循環システムでは、油が液体冷媒と共に蒸発器内で再循環され、蒸発器において循環する液体冷媒中の油の濃度が高くなる。したがって、蒸発器の性能が低下する。
【０００７】
上記の点に鑑みて、本発明の一の目的は、熱交換器の高い性能を確保しながら冷媒充填の量を低減することができる熱交換器を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、コンプレッサから蒸気圧縮システムの冷凍回路へと移動した冷凍機油を貯留し、冷凍機油を蒸発器の外部に排出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】
【０００９】
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、分配部と、管束と、トラフ部とを有する。シェルは、水平面と略平行に延設される長手方向中心軸を有する。分配部は、シェルの内部に配置されて、冷媒を分配するよう構成され配置される。管束は、複数の伝熱管を有する。複数の伝熱管は、分配部から放出される冷媒が管束上に供給されるよう、シェルの内部において、分配部の下方に配置されている。伝熱管は、シェルの長手方向中心軸と略平行に延びる。トラフ部は、少なくとも１つの伝熱管の下方でシェルの長手方向中心軸と略平行に延び、内部に冷媒を貯留する。トラフ部は、シェルの長手方向中心軸に垂直な水平方向に沿って見て、前記の少なくとも１つ伝熱管と少なくとも部分的に重なっている。管束は、流下膜領域と、流下膜領域の下方に配置される貯留領域と、を有する。少なくとも１つの伝熱管は、貯留領域に配置される。貯留領域における伝熱管は、シェルの長手方向中心軸に沿って見て、互いに平行に延びる、互いに設置高さの異なる複数の行に配置されている。トラフ部は、貯留領域における伝熱管の行の下方にそれぞれ配置される複数のトラフ部分を有する。トラフ部分のそれぞれは、冷媒を貯留する凹部を形成する底壁部および側壁部を含む。シェルの長手方向中心軸に垂直な水平方向に沿って見た、側壁部と、その側壁部を有するトラフ部分の直上に配置された伝熱管との間の重なり距離は、伝熱管の高さの１／２以上で、伝熱管の高さより小さい。貯留領域における伝熱管の複数の行のうち最も上の行以外の第１の行の下方に配置されるトラフ部分の数は、貯留領域における伝熱管の第１の行の１つ上の第２の行の下方に配置されるトラフ部分の数よりも少ない。貯留領域における伝熱管の第２の行の下方に配置されるトラフ部分の冷媒は、貯留領域における伝熱管の第１の行の下方に配置されるトラフ部分に向かってオーバーフローする。
【００１０】
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、分配部と、管束と、トラフ部とを有する。シェルは、水平面と略平行に延設される長手方向中心軸を有する。分配部は、シェルの内部に配置されて、冷媒を分配するよう構成され配置される。管束は、複数の伝熱管を有する。複数の伝熱管は、分配部から放出される冷媒が管束上に供給されるよう、シェルの内部において、分配部の下方に配置されている。伝熱管は、シェルの長手方向中心軸と略平行に延びる。トラフ部は、少なくとも１つの伝熱管の下方でシェルの長手方向中心軸と略平行に延び、熱交換器が通常条件で動作する時、前記の少なくとも１つの伝熱管の少なくとも一部がトラフ部に貯留される冷媒に浸漬されように、内部に冷媒を貯留する。
【００１１】
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】
【００１２】
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凍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、熱交換器が使用されている状態における、図７の領域Ｘに配置された伝熱管およびトラフ部の拡大概略断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる、伝熱管と、トラフ部の複数のトラフ部分のうちの１つと、の拡大断面図である。
【図１０】図９の矢印１０に沿った方向から見た、本発明の第一実施形態にかかる、伝熱管およびトラフ部分の部分側面図である。
【図１１Ａ】本発明の第一実施形態にかかる、熱貫流率に対する、トラフ部と伝熱管との間の重なり距離のグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示すグラフをプロットするために用いられたサンプルの概略断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａに示すグラフをプロットするために用いられたサンプルの概略断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ａに示すグラフをプロットするために用いられたサンプルの概略断面図である。
【図１２】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第一変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１３】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第二変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１４】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第三変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１５】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第四変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１６】本発明の第一実施形態にかかる、熱交換器が使用されている状態における、図１５の領域Ｙに配置された伝熱管およびトラフ部分の拡大概略断面図である。
【図１７】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第五変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１８】本発明の第一実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第六変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図１９】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２０】本発明の第三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】本発明の第三実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第一変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２２】本発明の第三実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第二変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２３】本発明の第三実施形態にかかる、管束およびトラフ部の構成の第三変形例を描画する、熱交換器の概略横方向断面図である。
【図２４】本発明の第四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２５】本発明の第四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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
低圧低温蒸気冷媒は、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。
【００１８】
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るとき、システムの外部へと排出される。
【００１９】
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、あるいは電子可変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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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が、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。
【００２３】
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と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。
【００２４】
図４は、シェル１０内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、分配部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。
【００２５】
分配部２０は、気液分離器と冷媒分配器と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、分配部２０は、入口管部２１と、第一トレー部２２と、複数の第二トレー部２３と、を有する。
【００２６】
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、蒸気中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。
【００２７】
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い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。
【００２８】
図５及び図７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複数の第一放出孔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。
【００２９】
図５および図６に示すように、第一実施形態の分配部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に沿って近接して並べて配置されている。図６に示すように、３つの第二トレー部２３の総長手方向長さは、図６に示すように、第一トレー部２２の長手方向長さ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５及び図７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、液体冷媒は複数の第二放出孔２３ａから管束３０に向かって下方へと放出される。
【００３０】
分配部２０の構造および構成はここで説明したものに限定されないことは、本開示から当業者には明らかであろう。液体冷媒を下方へと管束３０上に分配するあらゆる従来の構造を、本発明を実行するために用いることができる。例えば、スプレーノズルおよび／又はスプレーツリー管（spray tree tubes）を用いる従来の分配システムを、分配部２０として用いることができる。つまり、流下膜式蒸発器に対応しているあらゆる従来の分配システムを、本発明を実行するために分配部２０として用いることができる。
【００３１】
管束３０は分配部２０の下方に配置されており、これにより、分配部２０から放出される液体冷媒が管束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いる。伝熱管３１は、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方向に延びる複数の支持板３２によって支持される。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の下部領域に配置された供給ライングループと、管束３０の上部領域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に入る水の温度を華氏約５４度（約１２℃）とでき、水出口管１６から出ていく時、水は華氏約４４度（約７℃）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。
【００３２】
第一実施形態にかかる蒸発器１の伝熱機構の詳細な構成を、図７を参照して説明する。図７は、図３の切断線７−７’に沿って見た蒸発器１の概略横方向断面図である。
【００３３】
上述の通り、二相状態の冷媒は、供給導管６を通って入口管１１を介して分配部２０の入口管部２１に供給される。図７において、冷凍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における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。
【００３４】
図７に示すように、第一実施形態の管束３０は、流下膜領域Ｆと、貯留領域Ａとを有する。流下膜領域Ｆにおける伝熱管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、分配部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）を形成し、そこで液体冷媒が蒸気冷媒として蒸発するとともに、伝熱管３１の内部を流れる水から熱を吸収するように、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１は構成される。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）、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１は、互いに平行に延びる複数の鉛直方向の列に配置されている。したがって、伝熱管３１の列のそれぞれにおいて、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に落下する。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、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の列は、千鳥状(staggered pattern)に配置される。第一実施形態において、流下膜領域Ｆにおける伝熱管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、流下膜領域Ｆにおける伝熱管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】
図７に示すように、流下膜領域Ｆにおいて蒸発しなかった液体冷媒は、重力によって、トラフ部４０が配置される貯留領域Ａ内へと連続的に落下する。トラフ部４０は、貯留領域Ａにおける伝熱管３１がトラフ部４０に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬されるように、上方から流下する液体冷媒を貯留するように構成され配置される。トラフ部４０が配置される貯留領域Ａにおける伝熱管３１の行の数は、好ましくは、管束３０の伝熱管３１の行の総数の約１０％〜約２０％である。つまり。貯留領域Ａにおける伝熱管３１の行の数と、流下膜領域Ｆにおける１の列の伝熱管３１の数と、の比は、約１：９〜約２：８である。あるいは、伝熱管３１が不規則なパターンに配置される（例えば、各列における伝熱管の数が異なる）場合、貯留領域Ａに配置される（つまり、トラフ部４０に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬された）伝熱管３１の数は、好ましくは管束３０における伝熱管の総数の約１０％から約２０％である。図７に示す例において、トラフ部４０は、貯留領域Ａにおける２行の伝熱管３１に対して設けられ、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の各列は、１０行を含んでいる（つまり、管束３０における行の総数は１２である）。蒸発器がより大きい容量を有し、より多くの伝熱管を有する場合、流下膜領域Ｆにおける伝熱管の列の数および／又は貯留領域Ａにおける伝熱管の行の数も増加することは、本開示から当業者には明らかであろう。
【００３６】
図７に示すように、トラフ部４０は、第一トラフ部分４１と、１対の第二トラフ部分４２と、を有する。図６のように、第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２は、伝熱管３１の長手方向長さと実質的に同一の長手方向長さにわたって、シェル１０の長手方向中心軸Ｃと略平行に延びる。図７のように、長手方向中心軸Ｃに沿って見て、トラフ部４０の第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２は、シェル１０の内面から間隔を空けて配置される。第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２は、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は、第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２は、鋼板（薄板鋼板）等の金属材料で形成されている。第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２は、支持板３２によって支持される。支持板３２は、第一トラフ部分４１の内部領域に対応する位置に配置された開口部（図示せず）を有しており、これにより、トラフ部分４１のすべての区分（セグメント）が第一トラフ部分４１の長手方向長さに沿って流体連通状態にある。したがって、第一トラフ部分４１に貯留された液体冷媒は、トラフ部分４１の長手方向長さに沿って、支持板３２における開口部を介して流動する。同様に、開口部（図示せず）が、支持板３２に、それぞれの第二トラフ部分４２の内部領域に対応する位置に設けられており、これにより、第二トラフ部分４２のすべての区分が第二トラフ部分４２の長手方向長さに沿って流体連通状態にある。したがって、トラフ部分４２に貯留された液体冷媒は、第二トラフ部分４２の長手方向長さに沿って、支持板３２における開口部を介して流動する。
【００３７】
図７に示すように、第一トラフ部分４１は貯留領域Ａにおける伝熱管３１の最も下の行の下方に配置されており、第二トラフ部分４２は伝熱管３１の下から二番目の行の下方に配置されている。図７に示すように、貯留領域Ａにおける下から二番目の行の伝熱管３１は２つのグループに分割されており、第二トラフ部分４２のそれぞれは、２つのグループのそれぞれの下方に配置されている。第二トラフ部分４２の間に隙間が形成されており、これにより、液体冷媒が第二トラフ部分４２から第一トラフ部分４１に向かってオーバーフローする。
【００３８】
第一実施形態においては、貯留領域Ａにおける伝熱管３１は、図７に示すように、管束３０の両側において、貯留領域Ａのそれぞれの行における伝熱管３１のうち最も外側の管が、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の最も外側の列の外側に配置されるよう構成される。シェル１０内の蒸気フローにより、液体冷媒のフローは、管束３０の下側領域に向かうにつれて外側に広がる傾向があるので、図７に示すように、貯留領域Ａのそれぞれの行において少なくとも１つの伝熱管を、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の最も外側の列の外側に配置することが好ましい。
【００３９】
図８は、図７の領域Ｘの拡大断面図で、蒸発器１が通常条件で使用されている状態を概略的に示している。簡潔化のため、図８には伝熱管３１の内部で流れる水を描画していない。図８に示すように、液体冷媒は流下膜領域Ｆにおいて伝熱管３１の外面に沿って膜を形成し、液体冷媒の一部は蒸気冷媒として蒸発する。しかしながら、液体冷媒が蒸気冷媒として蒸発するうちに、伝熱管３１を伝って落下する液体冷媒の量は、管束３０の下側領域に向かうにつれて減少する。さらに、分配部２０からの液体冷媒の分配が均一でない場合には、管束３０の下側領域に配置された伝熱管３１にドライパッチが形成される可能性が高くなり、伝熱には不利益である。そのため、本発明の第一実施形態において、トラフ部４０は、管束３０の下側領域に配置される貯留領域Ａに配置され、これにより、上方から流下する液体冷媒を貯留し、貯留された冷媒をシェルの長手方向Ｃに沿って再分配する。したがって、貯留領域Ａにおけるすべての伝熱管３１は、第一実施形態にかかるトラフ部４０に集められた液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬される。こうして、管束３０の下側領域におけるドライパッチの形成を防止することができ、また、良好な蒸発器１の熱伝達効率を確保することができる。
【００４０】
例えば、図８に示すように、「１」と印した伝熱管３１が冷媒をほとんど受けないとき、「１」と印した伝熱管の直下に配置された「２」と印した伝熱管３１は、上方からの液体冷媒を受けない。しかしながら、液体冷媒が他の伝熱管３１に沿って流れるため、液体冷媒は第二トラフ部分４２に貯留される。したがって、第二トラフ部分４２の直上の伝熱管３１は、第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬される。さらに、伝熱管３１が第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒に部分的にのみ浸漬される（つまり、それぞれの伝熱管３１の一部が露出している）場合であっても、トラフ部分４２に貯留された液体冷媒は、毛管現象により、図８に示す矢印のように、伝熱管３１の外壁の露出面に沿って上昇する。したがって、第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒は、伝熱管３１を通る水から熱を吸収すると同時に、沸騰および／又は蒸発する。さらに、第二トラフ部分４２は、液体冷媒が第二トラフ部分４２から第一トラフ部分４１へとオーバーフローするよう設計されている。第二トラフ部分４２からオーバーフローした液体冷媒を受け易くするために、図７および図８に示すように、第一トラフ部分４１の外縁は、第二トラフ部分４２の外縁の外側に配置される。図８に示すように、第一トラフ部分４１直上に配置された伝熱管３１は、第一トラフ部分４１に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬される。さらに、伝熱管３１が第二トラフ部分４１に貯留された液体冷媒に部分的にのみ浸漬される（つまり、それぞれの伝熱管３１の一部が露出している）場合であっても、トラフ部分４１に貯留された液体冷媒は、毛管現象により、貯留された冷媒に少なくとも部分的に浸漬された伝熱管３１の外壁の露出面に沿って上昇する。したがって、第一トラフ部分４１に貯留された液体冷媒は、伝熱管３１の内部を通る水から熱を吸収すると同時に、沸騰および／又は蒸発する。したがって、液体冷媒と、貯留領域Ａにおける伝熱管３１の内部を流れる水と、の間で、効果的に伝熱が行われる。
【００４１】
図９および図１０を参照して、第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２の詳細な構造と、第一トラフ部分４１および第二トラフ部分４２の伝熱管３１に対する配置とを、第二トラフ部分４２の１つを用いて一例として説明する。図９から分かるように、第二トラフ部分４２は、底壁部４２ａと、底壁部４２ａの横方向端部から上方に延びる１対の側壁部４２ｂと、を有する。第一実施形態においては、側壁部４２ｂは上方へと広がる外形を有しているが、第二トラフ部分４２の形状はこの構成に限定されない。例えば、第二トラフ部分４２の側壁部４２ｂは、互いに平行に延びてもよい（図１１Ｂ〜図１１Ｄ参照）。
【００４２】
底壁部４２ａおよび側壁部４２ｂは、液体冷媒が貯留される凹部を形成し、これにより、蒸発器１が通常条件で動作する時、伝熱管３１が第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬される。具体的には、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向に沿って見て、第二トラフ部４２の側壁部４２ｂは、第二トラフ部４２の直上に配置された伝熱管３１と部分的に重なっている。図１０は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向に沿って見た、トラフ部分４２および伝熱管３１を示す。シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向に沿って見た、側壁部４２ｂと、第二トラフ部分４２の直上に配置された伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１が第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬されるよう設定される。また、重なり距離Ｄ１は、蒸発器１が通常条件で動作する時、液体冷媒が第二トラフ部分４２から確かにオーバーフローするように設定される。好ましくは、重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１の高さ（外径）Ｄ２の２分の１以上（Ｄ１／Ｄ２≧０．５）に設定される。より好ましくは、重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１の高さ（外径）の４分の３以上（Ｄ１／Ｄ２≧０．７５）に設定される。言いかえれば、第二トラフ部分４２は、第二トラフ部分４２が縁まで液体冷媒で満たされたとき、それぞれの伝熱管３１の高さ（外径）の少なくとも２分の１（またはより好ましくは少なくとも４分の３）が液体冷媒に浸漬されるよう構成される。重なり距離Ｄ１を伝熱管３１の高さＤ２以上とすることもできる。このような場合、伝熱管３１は、第二トラフ部分４２に貯留された液体冷媒に完全に浸漬される。しかしながら、第二トラフ部分４２の容量が増加するにつれて、冷媒充填の量が増加するので、重なり距離Ｄ１は実質的に伝熱管３１の高さＤ２以下あることが好ましい。
【００４３】
伝熱管３１と第二トラフ部分４２との間で液体冷媒が流れる上で十分な空間が伝熱管３１と第二トラフ部分４２との間で形成される限り、底壁部４２ａと伝熱管３１との間の距離Ｄ３、および、側壁部４２ｂと伝熱管３１との間の距離Ｄ４は、特定の距離に限定されない。例えば、距離Ｄ３および距離Ｄ４は、それぞれ約１ｍｍ〜約４ｍｍに設定できる。また、距離Ｄ３および距離Ｄ４は、同一でも、異なってもよい。
【００４４】
第一トラフ部分４１の高さを第二トラフ部分の高さと同一又は異なるようにできることを除いて、第一トラフ部分４１は上述した第二トラフ部分４２と同様の構造を有する。第一トラフ部分４１が最も下の行の伝熱管３１の下方に配置されるので、液体冷媒を第一トラフ部分４１からオーバーフローさせる必要はない。したがって、第一トラフ部分４１の全体高さは、第二トラフ部分４２より高く設定できる。いずれの場合も、上述のように、第一トラフ部分４１と伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１の高さ（外径）Ｄ２の２分の１（または、より好ましくは４分の３）以上に設定されることが好ましい。
【００４５】
図１１Ａは、熱貫流率（overall heat transfer coefficient）に対する、第一実施形態にかかるトラフ部分と伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１のグラフである。図１１Ａに示すグラフでは、縦軸は重なり伝熱係数(overlapping heat transfer coefficient)（ｋｗ／ｍ2Ｋ）を表し、横軸は重なり距離Ｄ１を伝熱管３１の高さＤ２に対する比として表現して示している。図１１Ｂ〜図１１Ｄに示す３つのサンプルを用いて、熱貫流率を測定するよう実験を行った。図１１Ｂに示す第一サンプルにおいては、トラフ部４０'と伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１は伝熱管３１の高さＤ２と等しく、したがって、伝熱管３１の高さに対する比として表現される重なり距離は１．０である。図１１Ｃに示す第二サンプルにおいては、トラフ部４０’’と伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１の高さＤ２の４分の３（０．７５）と等しい。図１１Ｃに示す第三サンプルにおいては、トラフ部４０’’’と伝熱管３１との間の重なり距離Ｄ１は、伝熱管３１の高さＤ２の２分の１（０．５）と等しい。図１１Ｂ〜図１１Ｄに示す第一〜第三サンプルにおいては、トラフ部分の底壁と伝熱管３１との間の距離Ｄ３、および、トラフ部分の側壁と伝熱管３１との間の距離Ｄ４は、約１ｍｍである。第一〜第三サンプルには液体冷媒（Ｒ−１３４ａ）が縁まで満たされ、異なる熱流束レベル（３０ｋｗ／ｍ2、２０ｋｗ／ｍ2および１５ｋｗ／ｍ2）に関し、熱貫流率が測定された。
【００４６】
図１１Ａのグラフに示すように、重なり距離が０．７５である第二サンプル（図１１Ｃ）の熱貫流率は、全ての熱流束レベルで、重なり距離が１．０である第一サンプル（図１１Ｂ）の熱貫流率と実質的に同じであった。さらに、重なり距離が０．５である第三サンプル（図１１Ｄ）の熱貫流率は、高い熱流束レベル（３０ｋｗ／ｍ2）では、第一サンプル（図１１Ｂ）の熱貫流率の約８０％であった。また、さらに、第三サンプル（図１１Ｄ）の熱貫流率は、低い熱流束レベル（２０ｋｗ／ｍ2）では、第一サンプル（図１１Ｂ）の熱貫流率の約９０％であった。つまり、重なり距離Ｄ１が伝熱管３１の高さの２分の１（０．５）に設定された場合でも、性能が大きく低下することはなかった。したがって、重なり距離Ｄ１は、好ましくは伝熱管３１の高さの２分の１以上（０．５）に、より好ましくは４分の３（０．７５）以上に設定される。
【００４７】
第一実施形態にかかる蒸発器１では、管束３０の下側領域に配置された伝熱管３１がトラフ部に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬されるよう、液体冷媒は貯留領域Ａにおけるトラフ部４０に貯留される。したがって、液体冷媒が上方から均一に分配されない場合であっても、管束３０の下側領域にドライパッチが形成されるのを容易に防止できる。さらに、第一実施形態にかかる蒸発器１では、トラフ部４０が、伝熱管３１に隣接して配置されるとともに、シェル１０の内面から間隔を空けて配置されるので、良好な伝熱性能を確保しながら、蒸発器シェルの底部において冷媒のプールを形成する浸漬部分を有する従来のハイブリッド蒸発器と比較して、冷媒充填の量を大幅に低減できる。
【００４８】
管束３０およびトラフ部４０の構成は、図７に示す構成に限定されない。本発明の範囲を逸脱することなく、本実施形態に種々の変更および変形が行えることは、本開示から当業者には明らかであろう。いくつかの変形例を、図１２〜図１８を参照して説明する。
【００４９】
図１２は、第一実施形態にかかる管束３０Ａおよびトラフ部４０Ａの構成の第一変形例を示す蒸発器１Ａの概略横方向断面図である。図１２に示すように、蒸発器１Ａは、管束３０Ａの両側において、それぞれの行における貯留領域Ａにおける伝熱管３１の最も外側の管が、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の最も外側の列に沿って鉛直方向に整列して配置されていることを除いて、図２〜図７に示した蒸発器１と基本的に同じである。この場合も、第二トラフ部分４２Ａの最も外側の端部が外側に延びるので、液体冷媒のフローが管束３０Ａの下側領域に向かうにつれて外側に広がる場合であっても、液体冷媒を第二トラフ部分４２Ａによって容易に受けることができる。
【００５０】
図１３は、第一実施形態にかかる管束３０Ｂおよびトラフ部４０Ｂの構成の第二変形例を示す蒸発器１Ｂの概略横方向断面図である。図１３に示すように、蒸発器１Ｂは、流下膜領域Ｆにおける管束３０Ｂの伝熱管３１が千鳥状ではなくマトリックス状に配置されていることを除いて、図１２に示した蒸発器１Ａと基本的に同じである。
【００５１】
図１４は、第一実施形態にかかる管束３０Ｃおよびトラフ部４０Ｃの構成の第三変形例を示す蒸発器１Ｃの概略横方向断面図である。蒸発器１Ｃは、トラフ部４０Ｃが横方向に連続的に延びる単一の第二トラフ部分４２Ｃを有することを除いて、図１３に示される蒸発器１Ｂと基本的に同じである。この場合も、第二トラフ部分４２Ｃに貯留された液体冷媒は、第一トラフ部分４１Ｃに向かって第二トラフ部分４２Ｃの両方の横方向側部からオーバーフローする。
【００５２】
図１５は、第一実施形態にかかる管束３０Ｄおよびトラフ部４０Ｄの構成の第四変形例を示す蒸発器１Ｄの概略横方向断面図である。図１５に示す例においては、トラフ部４０Ｄは、貯留領域Ａにおける伝熱管３１の下方にそれぞれ独立して配置される複数のトラフ部分４３を有する。図１６は、図１５の領域Ｙに配置された伝熱管３１およびトラフ部分４３の拡大概略断面図であり、蒸発器１Ｄが使用されている状態を示す。図１６に示すように、貯留領域Ａにおける最も上の行のトラフ部分４３に貯留された液体冷媒は、下方に配置されたトラフ部分４３に向かってオーバーフローする。したがって、貯留領域Ａにおけるすべての伝熱管３１は、トラフ部分４３に貯留された液体冷媒に少なくとも部分的に浸漬される。したがって、液体冷媒と伝熱管３１の内部を流れる水との間で伝熱が起こると、液体冷媒は蒸気冷媒として蒸発する。
【００５３】
トラフ部分４３の形状は図１５および図１６に示した構成に限定されない。例えば、トラフ部分４３の断面は、Ｃ字状、Ｖ字状、Ｕ字状等とすることもできる。上述の例と同様に、長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向に沿って見て、トラフ部分４３と、トラフ部分４３の直上に配置された伝熱管３１と、の間の重なり距離は、好ましくは伝熱管３１の高さの２分の１以上（０．５）に、より好ましくは４分の３（０．７５）以上に設定される。
【００５４】
図１７は、第一実施形態にかかる管束３０Ｅおよびトラフ部４０Ｅの構成の第五変形例を示す蒸発器１Ｅの概略横方向断面図である。図１７に示すように、蒸発器１Ｅは、管束３０Ｅの両側において、それぞれの行における貯留領域Ａ内の伝熱管３１の最も外側の管が、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の最も外側の列に沿って鉛直方向に整列して配置されていることを除いて、図１６に示した蒸発器１Ｄと基本的に同じである。
【００５５】
図１８は、第一実施形態にかかる管束３０Ｆおよびトラフ部４０Ｆの構成の第六変形例を示す蒸発器１Ｆの概略横方向断面図である。蒸発器１Ａは、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１の配置パターンを除いて図２〜図７に示した蒸発器１と基本的に同じである。より具体的には、図１８に示す例においては、それぞれの列における伝熱管３１の２つの隣接する管の間の鉛直方向ピッチが、流下膜領域Ｆの上側領域において流下膜領域Ｆの下側領域よりも大きくなるよう、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１は配置されている。さらに、伝熱管の２つの隣接する列の間の水平方向ピッチが、流下膜領域Ｆの横方向における中央領域において流下膜領域Ｆの外側領域よりも大きくなるよう、流下膜領域Ｆにおける伝熱管３１は配置されている。
【００５６】
シェル１０における蒸気フローの量は、流下膜領域Ｆの上側領域において、流下膜領域Ｆの下側領域よりも大きくなる傾向がある。同様に、シェル１０における蒸気フローの量は、流下膜領域Ｆの横方向における中央領域において、流下膜領域Ｆの外側領域よりも大きくなる傾向がある。したがって、流下膜領域Ｆの上側領域および外側領域における蒸気速度は、しばしば非常に大きくなる。その結果、横方向の蒸気フローが、伝熱管３１間の液体冷媒の鉛直フローを乱す。また、液体冷媒が高速の蒸気フローによってコンプレッサ２へと持ちだされ、運ばれた液体冷媒によりコンプレッサ２が損傷するおそれがある。したがって、図１８に示す例においては、流下膜領域Ｆの上側領域および外側領域における伝熱管３１の間で形成される蒸気経路の断面積が大きくなるよう、伝熱管３１の鉛直方向ピッチおよび水平方向ピッチが調整されている。これにより、流下膜領域Ｆの上側領域および外側領域における蒸気フローの速度を低減できる。したがって、液体冷媒の鉛直フローの乱れと、蒸気フローにより液体冷媒が運ばれることと、を防止できる。
【００５７】
＜第二実施形態＞
次に図１９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を付している。また、説明の簡潔化のために、第一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。
【００５８】
第二実施形態の蒸発器１０１は、第二実施形態にかかる蒸発器１０１が冷媒再循環システムを備えることを除いて、第一実施形態の蒸発器１と基本的に同じである。第二実施形態のトラフ部１４０は、第一実施形態のトラフ部４０と基本的に同じである。上述したように第一実施形態においては、液体冷媒が分配部２０から管束３０上に比較的均等に（例えば±１０％で）分配される場合、冷媒充填を、ほとんどすべての液体冷媒が流下膜領域Ｆ又は貯留領域Ａにおいて蒸発する所定量に設定することができる。このような場合、第一トラフ部分４１からシェル１０の底部に向かってオーバーフローする液体冷媒はほとんどない。しかしながら、分配部２０から管束３０上への液体冷媒の分配がかなり不均一（例えば±２０％）である場合、管束３０にドライパッチが形成される可能性が高くなる。そのため、このような場合、ドライパッチの形成を防止するために、所定量を超える量の冷媒をシステムに供給する必要がある。このため、第二実施形態においては、トラフ部１４０からオーバーフローしシェル１１０の底部に貯留した液体冷媒を再循環させるための冷媒再循環システムを、蒸発器１０１が備える。図１９に示すように、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１７を有する。シェル１１０の底部に貯留された液体冷媒が、導管６と入口管１１を介して蒸発器１１０の分配部２０に再循環されるよう、ポンプ装置７ａは選択的に動作させられる（図１）。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。
【００５９】
あるいは、ポンプ装置７ａは、ベルヌーイの原理に基づいて、凝縮器３からの加圧冷媒を用いて、シェル１１０の底部に貯留された液体冷媒を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ができる。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を併せ持つ。
【００６０】
こうして、第二実施形態にかかる蒸発器１１０では、蒸発しなかった液体冷媒を効率的に再循環して伝熱のために再利用でき、これにより、冷媒充填の量を低減できる。
【００６１】
第二実施形態において、管束１３０およびトラフ部１４０の構成は、図１９に示す構成に限定されない。本発明の範囲を逸脱することなく、本実施形態に種々の変更および変形が行えることは、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、図１２〜図１５、図１７および図１８に示した管束およびトラフ部の構成を、第二実施形態にかかる蒸発器１１０においても用いることができる。
【００６２】
＜第三実施形態＞
次に図２０〜図２５を参照して、第三実施形態にかかる蒸発器２０１を説明する。第一実施形態、第二実施形態および第三実施形態の類似点を考慮して、第一実施形態又は第二実施形態のパーツと同一の、第三実施形態のパーツには、第一実施形態又は第二実施形態のパーツと同じ参照符号を付している。また、説明の簡潔化のために、第一実施形態又は第二実施形態のパーツと同一の、第三実施形態のパーツの説明を省略する。
【００６３】
第三実施形態の蒸発器２０１は、シェル２１０の底部に貯留された液体冷媒を底部出口管１７および導管７を介して再循環させる冷媒再循環システムを蒸発器２０１が備えている点で、第二実施形態の蒸発器１０１と同様である。蒸気圧縮システムのコンプレッサ２（図１）が潤滑油を利用する場合、油は、コンプレッサ２から蒸気圧縮システムの冷凍回路へと移動しやすい。言いかえれば、蒸発器２０１に入る冷媒は、コンプレッサ油（冷凍機油）を含んでいる。したがって、冷媒再循環システムが蒸発器２０１に備えられる場合、油が液体冷媒と共に蒸発器２０１内で再循環され、これにより、蒸発器２０１において液体冷媒中の油が高濃度となり、その結果、蒸発器２０１の性能が低下する。そのため、第三実施形態の蒸発器２０１は、トラフ部２４０を用いて油を貯留し、貯留された油を、蒸発器２０１の外部に、コンプレッサ２に向かって放出するよう構成され配置される。
【００６４】
より具体的には、蒸発器２０１は、管束２３０における伝熱管３１の最も下の行の一部の下方に配置されるトラフ部２４０を有する。トラフ部２４０は、バイパス導管８を介してバルブ装置８ａに流体的に接続される。トラフ部２４０に貯留された油が所定レベルに達すると、トラフ部２４０から蒸発器２０１の外部へと油を放出するよう、バルブ装置８ａは選択的に動作させられる。
【００６５】
上述のように、蒸発器２０１に入る冷媒がコンプレッサ油を含んでいる場合、冷媒再循環システムによって油が液体冷媒とともに再循環される。第三実施形態においては、トラフ部２４０に貯留された液体冷媒がトラフ部２４０からオーバーフローしないように、トラフ部２４０が構成される。トラフ部２４０に貯留された液体冷媒は、貯留された液体冷媒に浸漬された伝熱管３１の内部を流れる水から熱を吸収すると、沸騰および／又は蒸発するが、油はトラフ部２４０に残留する。そのため、蒸発器２０１において液体冷媒が再循環されるにつれて、トラフ部２４０における油の濃度は次第に高くなる。トラフ部２４０に貯留された油の量が所定レベルに達すると、バルブ装置８ａが動作させられて、油が蒸発器２０１から放出される。第一実施形態と同様に、長手方向中心軸Ｃに垂直な水平方向に沿って見て、第三実施形態のトラフ部２４０と、トラフ部２４０の直上に配置された伝熱管３１と、の間の重なり距離は、好ましくは伝熱管３１の高さの２分の１以上（０．５）に、より好ましくは４分の３（０．７５）以上に設定される。
【００６６】
第三実施形態において、トラフ部２４０が配置されている管束２３０の領域は貯留領域Ａを構成し、一方、管束２３０の残りの領域は流下膜領域Ｆを構成している。
【００６７】
したがって、第三実施形態の蒸発器２０１では、コンプレッサ２から冷凍回路に移動したコンプレッサ油を、トラフ部２４０に貯留し、蒸発器２０１から放出でき、その結果、蒸発器２０１の熱伝達効率を改善できる。
【００６８】
第三実施形態において、管束２３０およびトラフ部２４０の構成は、図２０に示す構成に限定されない。本発明の範囲を逸脱することなく、本実施形態に種々の変更および変形が行えることは、本開示から当業者には明らかであろう。いくつかの変形例を、図２１〜図２３を参照して説明する。
【００６９】
図２１は、第三実施形態にかかる管束２３０Ａおよびトラフ部２４０Ａの構成の第一変形例を示す蒸発器２０１Ａの概略横方向断面図である。図２１に示すように、トラフ部２４０Ａは、図２０に示した側部領域の代わりに、伝熱管３１の最も下の行の下方の中央領域に配置されてもよい。
【００７０】
図２２は、第三実施形態にかかる管束２３０Ｂおよびトラフ部２４０Ｂの構成の第二変形例を示す蒸発器２０１Ｂの概略横方向断面図である。管束２３０Ｂの伝熱管３１は、千鳥状ではなく、図２２に示すようなマトリックス状に配置される。
【００７１】
図２３は、第三実施形態にかかる管束２３０Ｃおよびトラフ部２４０Ｃの構成の第三変形例を示す蒸発器２０１Ｃの概略横方向断面図である。この例において、管束２３０Ｃの伝熱管３１はマトリックス状に配置される。トラフ部２４０Ｃは、伝熱管３１の最も下の行の下方の中央領域に配置される。
【００７２】
さらに、第三実施形態にかかる管束２３０の伝熱管３１は、図１８に示した管束３０Ｆの伝熱管３１と同様に配置することもできる。言いかえれば、伝熱管３１の間の鉛直方向ピッチが管束２３０の上側領域において管束２３０の下側領域よりも大きくなるよう、かつ、伝熱管３１の間の水平方向ピッチが管束２３０の外側領域において管束２３０の中央領域よりも大きくなるよう、第三実施形態の管束２３０の伝熱管３１は配置されてもよい。
【００７３】
＜第四実施形態＞
次に、図２４および図２５を参照して、第四実施形態にかかる蒸発器３０１を説明する。第一〜第四実施形態の類似点を考慮して、第一実施形態、第二実施形態又は第三実施形態のパーツと同一の、第四実施形態のパーツには、第一実施形態、第二実施形態又は第三実施形態のパーツと同じ参照符号を付している。また、説明の簡潔化のために、第一実施形態、第二実施形態又は第三実施形態のパーツと同一の、第四実施形態のパーツの説明を省略する。
【００７４】
流下膜領域Ｆにおいて、中間トレー部６０が、供給ライングループの伝熱管３１と戻りライングループの伝熱管３１との間に配置されていることを除いて、第四実施形態の蒸発器３０１は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、複数の開口部６０ａを有し、そこを通って液体冷媒が下方へ放出される。
【００７５】
上述のように、蒸発器３０１は、水が初めに管束３０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３０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２５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。分配部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熱交換を行わねばならず、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。
【００７６】
したがって、第四実施形態においては、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によって一旦受けられ、そして、より多くの伝熱量を必要とする伝熱管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容易に防止され、良好な伝熱性能を確保できる。
【００７７】
第四実施形態においては、図２５に示すように、中間トレー部６０が管束３３０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３３０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。
【００７８】
第一実施形態と同様に、第四実施形態における管束３３０およびトラフ部４０の構成は、図２４に示した構成に限定されない。本発明の範囲を逸脱することなく、本発明に種々の変更および変形が行えることは、本開示から当業者には明らかであろう。例えば、中間トレー部６０は、図１２〜図１５および図１７〜図２３に示したいずれの構成とも組み合わせることができる。
【００７９】
＜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（integer）、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、単数形的に用いられる用語「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、ここでは、「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。
【００８０】
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】
【００８１】
【特許文献１】米国特許５，８３９，２９４号
【特許文献２】米国特許７，８４９，７１０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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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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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