(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒冷凍機システム用の流下式薄膜蒸発器であって、
冷媒の二相混合体が流入するシェルと、
液体冷媒を流出させ、それが前記チューブ束に付着するように前記シェル内の前記チューブ束の上方に配設された、流入口を有する冷媒分散器とを含み、
前記冷媒分散器が、前記二相混合体が前記冷媒分散器から流出する前に前記チューブ束の実質的に長さ方向全体及び幅方向全体に渡って前記二相混合体が分散される経路と、前記経路と連通しその下流の分散容積部分とを画定し、更に、前記分散容積部分の圧力が前記経路の圧力より低くなり、冷媒が前記経路から前記分散容積部分に流入し、前記分散容積部分を画定する表面に衝当し、前記冷媒の液体部分が前記分散器から出て前記チューブ束に接触する前に、前記冷媒の運動エネルギーを低減するように構成されており、
実質的に前記経路が、前記分散器の長さ方向の端部に向かって実質的に収束する先細型の２つの分岐を有し、
実質的に前記経路の前記各分岐の長さ方向全体に沿って、実質的に前記経路から前記分散器の幅方向の端部に延在する複数の先細型の副分岐が存在することを特徴とする流下式薄膜蒸発器。
【請求項２】
前記冷凍機システムが運転中は、前記分散容積部分の内部圧力が、前記シェル内の圧力と実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項３】
前記分散容積部分は長さ及び幅を有し、前記分散器内の前記経路の下側に設けられ、
前記冷媒分散器が、前記経路と前記分散容積部分とを連通させる複数の孔を画定し、
前記経路から流出した冷媒が衝当する前記表面が、実質的に前記複数の孔とは整合しないそれらより大きい複数の開口を画定することを特徴とする請求項１に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項４】
前記冷媒の経路が、第１段分散部及び第２段分散部の２つの個別の部分からなり、前記第１分散部が、前記分散器の長さ方向の端部に向かって実質的に収束する先細型の前記２つの分岐を画定し、前記第２分散部が、前記複数の先細型の副分岐を画定し、
前記冷媒混合体が、実質的に前記チューブ束の長さの少なくとも大部分に沿って軸方向に、実質的に一定の第１の速度で、前記第１段分散部の中を流れることを特徴とする請求項２に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項５】
前記第２段分散部を流れる冷媒混合体が、実質的に前記チューブ束の幅全体に渡って流れ、冷媒が前記第２段分散部から複数の孔を介して前記分散容積部分に至ることを特徴とする請求項４に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項６】
前記分散容積部分に流入する冷媒の流れが前記分散器の幅全体に渡って実質的に均一な量となるように、前記孔が実質的に前記分散器の幅全体に渡って位置することを特徴とする請求項５に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項７】
前記分散容積部分の幅方向の所定の位置の前記分散容積部分により多くの量の冷媒が送られ、それによって前記分散器の下側の垂直方向により多くのチューブが存在する位置のチューブ束により多くの量の液体冷媒が付着するように、前記分散容積部分に対して配置された複数の孔を、前記第２段分散部から前記分散容積部分に流入する冷媒が通過することを特徴とする請求項５に記載の流下式薄膜蒸発器。
【請求項８】
冷媒冷凍機の流下式薄膜蒸発器内に二相冷媒を分散する方法であって、
前記蒸発器内の分散器の下側にチューブ束を配設するステップと、
前記冷凍機内の膨張装置から前記分散器に二相冷媒を送るステップと、
前記二相冷媒混合体を、前記分散器内部の前記チューブ束の長さ方向及び幅方向の大部分に分散するように、前記分散器内に流すステップと、
前記分散器内部の二相冷媒混合体の運動エネルギーを減少させるステップと、
液体冷媒を液滴の形で前記チューブ束上に比較的低速で付着させるステップとが含まれ、
前記二相冷媒混合体を前記分散器内に流すステップが、前記膨張装置からの二相冷媒混合体を前記分散器内部において軸方向及び横方向の何れか一方の方向である第１方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す第１ステップと、続いて前記二相冷媒混合体を、前記分散器の内部において前記両方向の何れか他方の方向である第２方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す第２ステップとを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記冷媒混合体が、少なくとも前記軸方向及び横方向を流れるときの流速を実質的に一定に維持するステップを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒を分散する方法。
【請求項１０】
前記運動エネルギーを減少させるステップが、前記液体冷媒を付着させるステップの前に、前記冷媒の圧力を前記蒸発器の内部の圧力に実質的に等しくなるように低下させるステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１１】
前記膨張装置から流入した二相冷媒を前記第１方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第１ステップが、前記二相冷媒を第１圧力で前記方向に流すステップを含み、前記二相冷媒混合体を前記第２方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第２ステップが、前記蒸発器の内部の圧力よりは高いが前記第１の圧力よりは低い第２の圧力で、前記二相冷媒混合体を前記他方の方向に流すステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１２】
前記膨張装置から流入した二相冷媒を前記第１方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第１ステップが、前記膨張装置から流入した前記二相冷媒が流れる軸方向に延在する複数の分岐経路を画定するステップと、前記流入口から流入した前記二相冷媒混合体をその容積に従って前記分岐経路に配分するステップと、前記膨張装置から流入した前記二相冷媒を前記分岐経路に通して前記軸方向に流すステップとを含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１３】
前記二相冷媒が前記膨張装置を通過させることによって前記二相冷媒を混合して、前記分散器に入るときの前記二相冷媒の流れが相に分離するのを抑制するべく、前記分散器の上方に充分に近接して前記膨張装置を配設するステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の冷媒分散器。
【請求項１４】
前記膨張装置から流入した二相冷媒を前記第１方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第１ステップ及び前記二相冷媒混合体を前記第２方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第２ステップのそれぞれが、前記二相冷媒を実質的に連続的に断面積が減少する経路を流すステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１５】
前記第１方向に流れる前記冷媒の流速を実質的に一定な第１の流速に維持するステップと、前記第２方向に流れる前記冷媒混合体の流速を実質的に一定なより速い第２の流速に維持するステップとを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１６】
前記冷媒混合体が圧力によって、前記第１方向、第２方向及び分散容積部分に送られ、前記第１方向及び第２方向を流れる前記冷媒混合体の圧力が、分散容積部分を流れる前記冷媒混合体の圧力より高いことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１７】
前記付着ステップが、複数の開口を介して冷媒を前記分散容積部分から流出させるステップを含み、更に、前記冷媒混合体を前記第１方向に流すステップと前記冷媒混合体を前記第２方向に流すステップとの間に前記冷媒混合体を第１の複数の孔を通過させるステップと、前記冷媒混合体の運動エネルギーを減少させる前に前記冷媒混合体を第２の複数の孔を通過させるステップとを含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１８】
前記分散器内部の分散容積部分を画定するステップと、前記分散容積部分の圧力を前記蒸発器の内部の圧力と実質的に等しくするべく、前記分散容積部分を前記蒸発器の内部と連通するように設けるステップと、前記付着ステップの前に、前記二相冷媒混合体を前記分散容積部分に流すステップとを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の冷媒分散器。
【請求項１９】
前記運動エネルギーを減少させるステップが、前記分散器内部の前記分散容積部分の表面に冷媒を衝当させるステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の冷媒分散器。
【請求項２０】
前記膨張装置から流入した二相冷媒混合体を前記第１方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第１ステップが、前記二相冷媒混合体の流速を実質的に一定に維持するステップを含み、前記第２方向に端部に向かって収束する先細の流れとなるように流す前記第２ステップが、前記冷媒混合体の流速を実質的に一定に維持するステップを含むことを特徴とする請求項１９に記載の冷媒分散器。
【請求項２１】
二相冷媒混合体を前記軸方向に流すステップが、前記二相冷媒混合体の流速を実質的に一定に維持し、前記横方向に流入する際の前記二相冷媒混合体の流速を変化させ、前記チューブ束の幅に渡って液体冷媒の選択的な不均一な分散を達成するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の冷媒分散器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、冷媒システムの蒸発器における二相冷媒混合体の分散に関する。特に、冷媒冷凍機に用いられる流下式薄膜蒸発器において、チューブ束の上方或いはその上部に飽和二相冷媒を均一に分散させることに関する。
【０００２】
発明の背景
冷媒冷凍機の主な構成部分は、圧縮機及び凝縮器、膨張装置、蒸発器である。高圧の気体冷媒が圧縮機から蒸発器に送られ、そこで冷媒ガスが冷却されて液体に凝縮される。凝縮された冷媒は蒸発器から膨張装置に至り、そこを通過する。冷媒は、膨張装置を通過する際に圧力が低下し、更に冷却される。その結果、膨張装置から蒸発器に送られる冷媒は、比較的温度の低い飽和二相混合体である。
【０００３】
蒸発器に送られた二相冷媒混合体は、水などの比較的温度の高い熱交換媒体が流れる該蒸発器内に配設されたチューブ束と接触する。この冷媒は、冷媒冷凍機を冷却するために熱負荷と熱交換して温められる。比較的低温の冷媒とチューブ束の中を流れる比較的高温の熱交換媒体との熱交換によって、冷媒が蒸発し、熱交換媒体が冷却される。冷却された媒体は熱負荷に戻されて負荷を冷却し、加熱されて気化した冷媒は、蒸発器から圧縮機に引っ張られて圧縮され、次に凝縮器に送られプロセスが循環する。
【０００４】
近年、環境問題等に対処するために、熱交換効率がより高く、少ない冷媒注入量で済む冷媒冷凍機における蒸発器の設計の再考が必要になってきた。即ち、オゾン層の減少及び地球温暖化に関する環境問題が、過去数年の間により重要になってきた。これらの問題及びそれに付随する問題から、冷媒冷凍機に用いられる冷媒量を減少させること及び冷媒の特性を変える必要が生じた。当分野で周知ではあるが一般的には使用されていないいわゆる流下式薄膜蒸発器は、効率及び環境、その他の問題、または上記した特性を考慮すると、現段階では冷媒冷凍機に好適である。冷媒冷凍機における流下式薄膜蒸発器の使用及び適用は理論的には有効であるが、それらの設計及び製造、さらに冷却器への組み入れは容易ではないが、蒸発器のチューブ束全体に冷媒を均一に分散することが特に困難である。冷媒冷凍機への適用において、このような蒸発器の中に送られた冷媒を均一に分散することは、蒸発器及び冷凍機全体の効率的な運転にとって極めて重要であり、冷凍機の性能を損ねることなくそのような分散を達成し、冷却器の冷媒注入量を低減できる装置の構造の設計が極めて重要である。冷媒の均一な分散を達成することはまた、オイルが蒸発器に入ってそこから冷却器の圧縮機に戻されるプロセスを成功させる及びその効率を高める決定因子となる。オイルが冷却器の蒸発器から戻されるプロセスの効率は、冷却器内に必須のオイル量及び冷却器の効率の双方に影響を及ぼす。本発明の譲受人に付与された米国特許第5,761,914号を参照されたい。
【０００５】
冷媒冷凍機に現在用いられている流下式薄膜蒸発器の例には、本発明の譲受人によって製造された比較的新しいRTHC冷凍機がある。冷媒冷凍機に用いられる流下式薄膜蒸発器及び冷媒分散装置の設計に関連する前記米国特許第5,761,914号のみならず、１つの米国特許から派生した本発明の譲受人に付与された米国特許第5,645,124号及び第5,638,691号、第5,588,596号を参照されたい。これらの特許は、冷媒冷凍機に用いられる流下式薄膜蒸発器及び冷媒分散装置の設計に関連する。また、流下式薄膜蒸発器を用いる冷凍機及び冷凍機システムに関連する本発明の譲受人に付与された米国特許第5,561,987号を参照されたい。
【０００６】
当分野で最新技術であるRTHC冷凍機において、流下式薄膜蒸発器に送られる冷媒は、二相混合体ではなく液体状態である。当業者には明らかなように、液体のみからなる冷媒の均一な分散は、二相冷媒混合体の分散と比べ極めて容易に達成することができる。RTHC冷凍機における流下式薄膜蒸発器のチューブ束上に冷媒を分散するための液体のみからなる冷媒の輸送では、冷媒の分散を均一にすることは容易に達成できるが、蒸発器の冷媒分散器の冷凍機上流に気液分離装置を設置する費用が必要となる。RTHC冷凍機に気液分離器を設置するためには、材料及び冷凍機の製造コストなど余分な費用がかかる。ASME圧力塔と呼ばれるこのような気液分離器は、製造コストが比較的高く、また冷凍機システムに組み込むための費用もかかる。
【０００７】
PTHC冷凍機はスクリュー圧縮機型の冷凍機であるが、流下式薄膜蒸発器を用いることが可能なタイプの冷凍機システムの一例であることを理解されたい。遠心冷凍機及びその他の冷凍機におけるこのような蒸発器の使用については、以下に記載する好適な実施例の説明を参照されたい。
【０００８】
冷凍機を駆動する圧縮機の特性に関わらず、二相冷媒混合体を蒸気と液体に分離するための装置を必要としない、蒸発器及び／または冷媒分散装置に冷媒を送る前に冷凍機の蒸発器チューブ束に二相混合体を均一に散布する冷媒分散器及び冷媒冷凍機システム用の流下式薄膜蒸発器の需要が高まっている。
【０００９】
本発明の要約
本発明の目的は、蒸発器に送られた冷媒の二相混合体が均一に分散して蒸発器のチューブ束と熱交換する冷媒冷凍機用の流下式薄膜蒸発器を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、蒸発器の冷媒分散器がこのような冷媒を受け入れる前に、冷媒冷凍機の膨張装置から流下式薄膜蒸発器に送られる冷媒を蒸気と液体とに分離する分離装置またはその方法の必要性をなくすことである。
【００１１】
本発明の別の目的は、流れを多段式にすることによって、蒸発器のチューブ束の長さ方向に沿って幅全体に渡る分散器からの冷媒の流出を制御し、かつ／または均一化する薄膜蒸発器に用いられる冷媒分散器を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、分散プロセス及び／または分散装置によって、分散される冷媒の圧力低下を最小にする冷媒冷凍機の流下式薄膜蒸発器用の分散器を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、二相冷媒混合体の均一な分散を達成するための分散器内部の冷媒混合体の圧力を高める装置／構造を用いないで、二相冷媒混合体の均一な分散を達成する流下式薄膜蒸発器用の分散器を提供することである。
【００１４】
本発明の更なる目的は、熱交換させるためにチューブ束に送られる冷媒の飛沫を最小にするべく、冷媒の液体部分が蒸発器のチューブ束と接触する前に、冷媒の運動エネルギーを吸収する冷媒冷凍機の流下式薄膜蒸発器の二相冷媒用の分散器を提供する。
【００１５】
本発明の更なる目的は、冷凍機に流下式薄膜蒸発器を用いること及び製造コストは低いが冷媒の液体と気体とに分離する装置を必要としない装置によって蒸発器のチューブ束の全体に渡る均一な冷媒の分散を達成することの少なくとも一部によって、冷媒の注入量を低減し、冷凍機の圧縮機へのオイルの戻りを容易にすることでより効率的になった冷媒冷凍機を提供することである。
【００１６】
以下に記載する本発明の好適な実施例及び添付の図面を参照すると明らかになる本発明のこれらの目的及びその他の目的は、冷媒冷凍機の流下式薄膜蒸発器に冷媒分散器を配設することによって達成することができる。膨張装置から二相冷媒混合体を受け入れるこの冷媒分散器は、（１）分散器の内部で多段式に分散させ、（２）分散プロセスのそれぞれの段において冷媒混合体の流速を実質的に一定に維持し、（３）分散器から放出される前に、分散器の最終段で混合体の運動エネルギーを吸収して、蒸発器のチューブ束の実質的に長さ全体及び幅全体に渡って液滴或いは液滴状で液体冷媒を均一に分散する。均一な分散は、二相冷媒混合体の流速を実質的に一定に維持する用に構成された分散器内部の経路において、二相冷媒混合体を第１の軸方向に流すことによって達成できる。こうすることによって、このような二相冷媒が分散器の長さ全体に沿って行き渡り、即ちその分散器の下側のチューブ束の長さに渡って分散される。次に、この冷媒が、同様に実質的に冷媒の流速を維持するように構成された経路を通って分散器の内部を横方向に流れる。冷媒が分散器から流出して蒸発器のチューブ束と接触する前に、分散器の内部の第３の分散部と区分け可能な第３段分散部において、冷媒の運動エネルギーが吸収されるため、分散器からチューブ束に送られる液体冷媒は、エネルギーの低い大きな液滴であり、蒸発器のチューブ束の上側部分のチューブに均一に付着する。チューブ束の長さ方向及び幅方向全体におけるこのような均一な分散によって、蒸発器内の熱交換プロセスの効率が上がり、蒸発器から冷凍機の圧縮機へオイルが容易に戻されるため、運転中の冷凍機の冷媒量が少なくて済む。
【００１７】
本発明の好適な実施例
図１を参照すると、冷凍機システム１０の主な構成部である、モータ１４によって駆動される圧縮機１２、凝縮器１６、エコノマイザー１８及び蒸発器２０が示されている。これらの構成装置は、後により詳しく説明するように、冷媒が基本的な冷媒経路を流れるように直列に連結されている。
【００１８】
好適な実施例では、圧縮機１２は遠心圧縮機である。しかしながら、ここで記載するタイプの流下式薄膜蒸発器及び冷媒分散器を、圧縮機が遠心圧縮機でない冷凍機に用いる場合も考慮され、本発明の範囲に含まれる。
【００１９】
一般に、凝縮器１６に送られる高圧冷媒ガスは、配管２２を通って凝縮器に送られる通常は水である液体と熱交換して凝縮して液体になる。殆どの冷凍機の場合、圧縮機内で使用される潤滑油の一部は、圧縮機から排出される高圧ガスに混ざって圧縮機から送出される。圧縮機から排出されるガスに含まれる全ての潤滑油は、凝縮器の底部に落下する或いは排出され、そこに溜まっている凝縮した冷媒に加えられる。
【００２０】
好適な実施例では、凝縮器の底に溜まった液体は、圧力によって凝縮器から第１の膨張装置２４に送られ、そこを通過する際に冷媒の第１の圧力低下が起こる。この圧力低下によって、膨張装置の下流で冷媒が潤滑油を含む二相冷媒混合体になる。この二相冷媒混合体及び共に流れる潤滑油は節減装置１８に送られ、比較的高い温度を維持している二相冷媒の気体部分のほとんどが、配管２６を通って、好適な実施例では二段圧縮機である圧縮機１２に戻される。
【００２１】
圧縮機１２に戻るこのようなガスは、節減装置から圧縮機に送られるガスより圧力が低い圧縮機で冷媒が圧縮されている部分に送られる。このような相対的に高圧の気体が、節減装置から圧縮機内の相対的に圧力の低い気体の流れの中に送られ、低圧の気体冷媒が流入した冷媒と混ざり、機械で圧縮することなくその圧力が上昇する。節減装置の機能については当分野では周知であり、その目的は、モータ１４が圧縮機１２を駆動する際に使われるエネルギーを節減する。好適な実施例では、多段式遠心圧縮機及び節減装置を備えた冷凍機が示されているが、本発明はその他のタイプの圧縮機によって駆動される冷凍機だけではなく、一段或いは二段式の圧縮を用い、かつ／または節減装置を用いる或いは用いない遠心機にも適用できる。
【００２２】
節減装置１８を出た冷媒は、配管２８を通って第２の膨張装置３０に送られる。後に詳細に説明する第２の膨張装置３０は、蒸発機２０の中に配設された冷媒分散器５０に近接し、蒸発器２０のシェル３２の上部或いはその内部に都合良く配設されている。冷媒が第２の膨張装置３０を通過することによって冷媒の第２の圧力低下が起こり、相対的に低い圧力の二相冷媒混合体が、それと共に送られる全ての潤滑油と共に第２の膨張装置３０から冷媒分散器の中に送られる。
【００２３】
後により詳しく説明するが、第２の膨張装置３０からの二相冷媒混合体及びその中に含まれる全ての潤滑油が、分散器５０によって蒸発器２０のチューブ束５２の長さ方向に沿って幅方向全体に均一に分散されるため、蒸発器のチューブ束のチューブと熱交換することによって混合体の液体冷媒部分が非常に効率良く蒸発し、潤滑油及び比較的少量の液体冷媒５４が蒸発器底部に落下する。分散器５０に送られた二相混合体の初めから蒸気だった部分は、分散器５０で蒸気になった全ての蒸気或いは分散器５０から液体で出た後に容器３２の内部で蒸気になった蒸気と共に、蒸発器の上部から上方に引き込まれて圧縮機１２に戻され、そこで進行中の工程において再圧縮される。蒸発器シェルの底部の潤滑油を多量に含んだ混合体５４は、ポンプ３４或いはエダクターなどの別の駆動装置によって冷凍機の圧縮機に別に戻され再使用される。
【００２４】
ここで図２及び図３を参照すると、本発明の流下式薄型蒸発器２０及び冷媒分散器５０の端部の断面図及び横方向の断面図が模式的に例示されている。冷媒分散器５０が、蒸発器２０内部のチューブ束５２の少なくとも上側部分の長さL及び幅Wの少なくとも大部分に沿って延在していることが分かるであろう。当然、チューブ束５２の長さ方向及び幅方向のより多くの部分が分散器５０の下側に位置するほど、蒸発器のチューブ表面をより生産的に使って熱交換できるため、蒸発器２０内部の熱交換プロセスの効率が高まり、冷凍機に注入する冷媒の量が少なくてすむ。
【００２５】
チューブ束５２は複数の個々のチューブ５８から成り、液体冷媒との接触が最大となるように、そのそれぞれのチューブは分散器５０の下側に互い違いに配設されている。後に詳しく述べるが、液体冷媒は、比較的大きな液滴の形で分散器５０の下面６０からチューブ束の上側部分に滴下する。好適な実施例では、チューブ束５２は水平方向に束になっているが、本発明では別の方向に束になったチューブ束を用いることが可能であることを理解されたい。
【００２６】
液体冷媒の比較的大きな液滴に加えて、上記した少なくともいくらかの気体冷媒が分散器５０から直接放出され、直接蒸発器の上側部分に接触する。チューブ束との接触によって先に蒸発した冷媒がチューブ束内部からその外側に誘導されるいわゆる蒸気経路６２が、チューブ束内部に画定され得る。矢印６４で示すように、気化した冷媒がチューブ束の外側部分から分散器５０の周りを通って上方に流れ、分散器５０から直接放出された全ての気体冷媒と共に蒸発器の上側部分に至る。次に、この気体冷媒は、蒸発器２０の上側部分を通って圧縮機１２に引っ張られる。
【００２７】
図４−図６、図６Ａ及び図７を参照すると、分散器５０には、流入管６６と、第１段注入孔７２及び７２ａが形成されたカバー部分７０の上側の第１段分散部分６８と、第２段注入孔８０が形成された第２段注入プレート７８の上側に位置し、複数の個々のダイヤモンド型のスロット７６が形成され、カバー部分７０の内側に取着された第２段分散プレート７４と、第３段分散開口８４が形成された底部プレート８２とが含まれる。
【００２８】
好適な実施例では、第１段の分散部分６８は２つの分岐８６及び８８を有し、流入管６６から流入した二相冷媒がそれらの分岐８６及び８８に送られる。後に記載するように、蒸発器に流入した二相冷媒混合体の分散は、分散器の第１段の各分岐に好適に配分するために分散器の吸入部分に配設された流れ分配装置によって制御／促進することができる。
【００２９】
しかしながら、特に図６Ａを参照すると、第２の膨張装置３０が、分散器５０の流入口に近接して配設されているため、該膨張装置３０内で二相冷媒混合体が膨張してその温度及び圧力が低下するのみならず、分散器に流入する直前に乱流が起こり、その混合体の分離した相が都合良く混合されることに注目されたい。分散器５０の流入管６６に近接して膨張装置３０が配設されているため、蒸発器２０に続く配管を通過する際に発生する冷媒混合体の相の分離が都合よく減る或いは相の分離がなくなる。従って、常に実質的に均一な冷媒混合体が分散器の流入口に送られ、分散器の冷媒分散効率が著しく高められる。
【００３０】
第１段分散部分６８の分岐８６及び８８とプレート７０によって画定された分岐経路８６ａ及び８８ｂは、必ずしも必要ではないが、流入口６６から離れるとその断面積が減少する４面からなる矩形の断面積が好ましい。好適な実施例では、分岐８６の端部９０及び分岐８８の端部９２は、上から見ると、経路８６の側面８６ｂと８６ｃ及び経路８８の側面８８ｂと８８ｃとがそれぞれの末端部で収束して直線になっている。端部を尖らせずに鈍くすれば分散器の形成が容易になることに注意されたい。要するに、分岐８６の経路８６ａ及び分岐８８の経路８８ａは、流入口６６から離れるにつれてその断面積が徐々に減少するように形成されるのが好ましい。そのような形状及びその内部を流れる流れについての一般的な特性は、本発明の譲受人に付与された米国特許第5,836,382号に記載され、それに言及することをもって本明細書の一部とする。分岐８６と８８の長さ及び分岐経路８６ａと８８ａの長さは等しく例示されているが、以降に記載するように、それぞれの容積に従って好適に冷媒が分配されれば必ずしもその必要はない。
【００３１】
分岐経路８６ａ及び８８ａはそれぞれ、プレート７０の第１段注入孔７２及び７２ａの上に位置する。注入孔７２は、カバー部分７０の上面９６の軸方向の中心線９４に沿い、カバー部分７０の実質的に軸方向の全長に渡って形成されている。図に示されているように、カバー部分７０の長さの大部分において、注入孔７２は組になって整列している。好適な実施例では、各組の注入孔間の距離Dは、実質的に分岐経路８６ａ及び８８ａの断面積が縮小するに従って、流入口６６から分岐経路を進む方向に短くなる。カバー部分７０の実質的に中心線９４に設けられた組になっていない単一の注入孔７２ａは、経路８６ａ及び８８ａの収束の最終段階のカバー部分７０の軸端部に存在するのが好ましい。
【００３２】
注入孔７２の各組及び／または各単一注入孔７２ａは、第２段の分散プレート７４に形成されたダイヤモンド型に切り取られた部分７６の上方に位置する。図から分かるように、二相冷媒が、圧力によって注入孔７２及び７２ａからプレート７４に形成された対応する個々のダイヤモンド型スロット７６内に流入するように、第２段の分散器プレート７４がカバー部分７０の内側に取着される。
【００３３】
スロット７６は、カバー部分７０及び第２段注入プレート７８とで、画定する分散器の第１段部分の分岐経路８６ａ及び８８ａと実質的に同じ特性及び効果を果たすように、個々の経路が冷媒流入部から離れるにつれてその断面積が縮小する同じ４面から成る矩形状に画定されている。しかしながら、ダイヤモンド型スロット７６はプレート状部材７０の中心線９４を横断する方向に位置し、第１段分散部分の分岐経路８６ａ及び８８ａの軸方向とは反対方向であるため、チューブ束の横方向の幅Wに渡って均一に二相冷媒を分散することができる。要するに、好適な実施例では、分散器の第２段によって画定された経路は、それぞれが下流方向にその断面積が減少し、少なくとも１つの孔７２及び／または７２ａと連通し、以降に記載する少なくとも１つ好ましくは複数の孔８０と連通する複数のッ個々の経路から成る。
【００３４】
分散器５０内部において、初めに流入冷媒混合体が軸方向に分散され、次に分散器５０の幅に渡る横方向に分散されるのが望ましいが、初めに横方向に分散され、次に軸方向に分散してもよいことを理解されたい。スロット７６は、下流方向で収束する形であれば必ずしもダイヤモンド型にしなくてもよいことを理解されたい。
【００３５】
第２段注入孔８０が形成された第２段注入プレート７８は、第２段分散プレート７４のダイヤモンド型スロット７６のそれぞれが、第２段注入プレート７８の第２段注入孔８０横方向のそれぞれの列９８の上に位置するように、カバー部分７０内部の第２段分散プレート７４にしっかりと取着される。
【００３６】
図６及び図７を参照すると、カバー部分７０の第１段注入孔７２及び７２ａと、第２段分散プレート７４のダイヤモンド型スロット７６と、第２段プレート状部材７８の第２段注入孔８０との配置は、全ての注入孔７２及び７２ａと第２段注入孔８０が、それぞれ対応するダイヤモンド型スロット７６の軸１００上に位置するのが望ましい。しかしながら、第１段注入孔７２及び７２ａが、何れの第２段注入孔８０も直上に位置しないようにするのが望ましいことを理解されたい。以降により詳細に説明するが、第３段分散開口８４は相対的に大きく、第２段注入孔８０の何れもがその直上に位置しないように配置するのが望ましい。
【００３７】
一般に、第１段注入孔７２及び７２ａは、分散器の長さ全体に渡って液体冷媒が均一に分散されるように最適な位置に配置される。従って、好適な実施例では、経路８６ａ及び８８ａの底部に沿って注入孔７２及び７２ａが配列される。更に、注入孔７２及び７２ａを、分散器の軸に沿って密度を変えて配置し、軸方向の第１段分散プロセスで発生し得る偏りをなくして均一にする。しかしながら、大部分の孔７２及び７２ａは、分散器の長さ方向に沿って等分に配置される。
【００３８】
繰り返しになるが、第２段注入孔８０は、ダイヤモンド型スロット７６の軸１００に沿って配置される。これらの注入孔をその上の各ダイヤモンド型スロット７６の軸に沿って配置することによって、分散器の製造工程で発生し得るカバー７０内部へのプレート７４及び７８の装着時のわずかな誤差に対して許容差を設けた。つまり、注入孔８０の列９８とダイヤモンド型チャネル７６の軸１００とのわずかな不整合は、分散工程に著しい影響を及ぼさない。ダイヤモンド型スロット７６の実質的に中心線に沿って注入孔８０を配置するのではなく、実質的にその縁に沿って配置してもよいことを理解されたい。注入孔８０をこのように配置すると、液体冷媒がダイヤモンド型スロットの縁に集まる傾向を示すという利点があるが、プレート７４と７８とのわずかな不整合によっても非常に多くの注入孔８０が覆われてしまうという危険も伴う。以降に記載するように、例えば不均一な冷媒分散の方が都合が良い分散器５０の下側のチューブ束のジオメトリー或いはチューブパターンの場合には、チューブ束全体に均一に冷媒を分散するのではなく目的に合った分散にするように、注入孔８０をスロット７６の長さ方向に沿って不均一な間隔で配置することもできる。
【００３９】
好適な実施例では、底部プレート８２とカバー部分７０との間に部材７４及び７８を安定させるべく、分散器５０の底部プレート８２の外側の縁部１０４を、カバー部分７０のフランジ部分１０２と面を合わせて接着剤或いは溶接によって固定される。第２段分散プレート７４はカバー部分７０の下側の面１０６と面が合い、第２のプレート状部材７８はプレート７４と面が合う。第３段分散容積部分１０８が分散器の内部に画定されるように、これら２つの部材を上記と同様に接着剤或いは溶接によってそこに固定する。
【００４０】
運転中は、二相液体冷媒及びそれに含まれている全ての潤滑油が、第１段分散部分６８の流入口６６に流入し、分岐経路８６ａ及び８８ａに好適に配分される。本発明の冷媒分散器の設計によっては、分散器に流入する冷媒混合体の圧力が、蒸発器内部の分散器の外側の圧力よりわずかに高いだけで良い。従って本発明の一実施例では、遠心冷却器では、分散器に流入する冷媒混合体の圧力は、冷媒がR-134Aの場合、蒸発器内部の圧力50 p.s.i.g.（約3.29×10−３ kgf/cm2）より約5 p.s.i.（約3.29×10−２ kgf/cm2）高い。
【００４１】
経路８６ａ及び８８ａの最も幅の広い部分にこの混合体が流入し、流入口６６から離れる方向にこれらの経路が収束するため、流入口６６から経路８６ａ及び８８ａを通って下流に移動する際、混合体の速度は実質的に一定に維持され圧力低下は殆どない。その結果、冷凍機１０が運転中の経路８６ａ及び８８ａを通る二相冷媒は実質的に一定の圧力に保たれ、全ての第１段注入孔７２及び７２ａを通る二相冷媒の連続した流れが起こる。このような連続した流れは、分散器５０の第１段分散部及び第２段分散部内の相対的に高い圧力と、分散器内及びその分散器を含む蒸発器シェル内のより下流の低い圧力との圧力差から起こる。相対的に小さな第１段注入口７２及び７２ａからの冷媒の連続した流れは、分散器５０の下側のチューブ束の実質的に長さL全体に渡っている。好適な実施例では、注入孔７２及び７２ａの直径は相対的に小さく、約３／３２インチ（約2.38 mm）程度である。
【００４２】
二相冷媒が、経路８６ａ及び８８ａから第１段注入孔７２及び７２aを通過して、第２段分散プレート７４の個々のダイヤモンド型スロット７６の最も広い部分に実質的に一定の圧力及び一定の速度で連続的に流入し、同様に二相冷媒が、分散器５０の下方のチューブ束の幅W全体に渡るように分散器５０内で横方向に分散される。この時、ダイヤモンド型スロットを流れる際の圧力低下は殆どなく、速度は実質的に一定である。再度言及するが、これは下流方向にダイヤモンド型スロット７６の各分岐が収束する形状及びそれらの断面積が徐々に縮小すること、また幅が最大となるスロットの中心部の圧力及び速度が一定で実質的に二相混合体が連続的に流入することによる。
【００４３】
ダイヤモンド型スロット７６を通過する冷媒混合体は、実質的に一定の速度及び圧力であるが、好適な実施例では、この一定の速度及び圧力は、第１段分散部を通過する混合体の一定の速度及び圧力とは異なる。この差は、相対的に小径の注入孔７２及び７２ａを二相混合体が通過する際に生じる圧力低下と、ダイヤモンド型スロットの長さが第１段分散部分の混合体が流れる分岐経路の長さより相対的に極めて短いことによる。つまり、冷媒にR-134Aを用い、分散器に流入する冷媒の圧力が蒸発器シェルの圧力より5 p.s.i.（約3.29×10−２ kgf/cm2）高い前述の冷凍機の実施例では、ダイヤモンド型スロット７６内を流れる混合体の圧力は、第１段分散部の圧力より約2.5 p.s.i. （約1.65×10−２ kgf/cm2）低い。この実施例では、混合体の速度は、ダイヤモンド型スロットにおいては実質的に一定であるが、第２段分散部の速度は第１段分散部の約２倍である。
【００４４】
しかしながら、分散器の幅全体に渡る各ダイヤモンド型スロット７６の二相冷媒の流れは、圧力低下が最小であって速度が実質的に一定であるという点で、第１段分散部の経路８６ａ及び８８ａにおいて分散器の長さ方向に沿って起こる流れと総体的な効果が同じであるという特徴がある。すなわち、冷凍機が運転中は、分散器５０の第１段及び第２段の分散によって、分散器５０の流入口６６に流入する冷媒の二相混合体が、相対的に圧力低下が殆どなく実質的に一定の速度で、連続して分散器５０の長さ方向及び幅方向に分散される。その結果、二相冷媒が分散器５０の下側のチューブ束５２の長さL及び幅Wの全体に渡って送られるように、分散器内部に一様に広がる。
【００４５】
二相冷媒混合体の圧力は、第１段及び第２段の分散において長さ方向及び幅方向に分散された後も、蒸発器の圧力よりも通常は高く維持されるため、必ずしも必要ではないが、第３段の分散が分散器内部で行われるのが望ましい。すなわち、分散器の幅及び長さ方向全体に渡って分散された後も、通常は高圧の冷媒混合体にかなりの量の運動エネルギーが存在する。液体冷媒とチューブ束のチューブとが効率良く熱交換するように、分散器から出た冷媒の液体部分がチューブ束５２の上側部分に接触する前に、このようなエネルギーを速やかに低下させる或いは消滅させるのが望ましい。
【００４６】
第３段の分散において、第２段分散孔８０から出た冷媒が、底部プレート８２の上側の表面と比較的高いエネルギーで衝突する（底部プレート８２に形成された分散開口８４が、第２段注入孔と整合していないことを思い出されたい）。このような衝撃のため及び分散開口８４の大きさを相対的に大きくその数を多くして分散容積部分１０８の圧力が低くされているため、冷媒の運動エネルギーが分散器内部で放出され、分散容積部分中全ての二相冷媒の圧力が実質的に蒸発器圧力であってエネルギーも低い。
【００４７】
容積部分１０８のエネルギーの低い液体冷媒は、この分散部に流入したオイルと共に通常は分散容積部分の比較的大きな各分散開口８４の外周縁から滴り落ち、一方その蒸気部分は、これらの各分散開口の中央部から流出する。分散開口８４及び第１段注入孔７２及び７２ａ、第２段注入孔８０の形状は、円形である必要はなく、限定するものではないがスロット状の形状を含む様々な形状できることを理解されたい。従って、本明細書で用いた用語「孔」及び「開口」は、「開口部」という概念を単に意味する。しかしながら、好適な実施例では、注入孔７２及び７２ａ、８０、開口８４は円形であり、開口８４の大きさは直径が約1/4から3/8インチ（0.635〜0.952 cm）である。
【００４８】
流下式薄膜蒸発器２０の効率的な動作は、液体冷媒が比較的低速かつ比較的エネルギーの低い液滴の形態でチューブ束５２の上側部分に付着し、そのチューブ束の各チューブの周りに液体冷媒の薄膜がその液滴によって形成され、チューブと接触した後も液体状態のままの冷媒は全て、低エネルギーの液滴の形態でチューブ束の下側の他のチューブに付着し、同じようにそれらチューブの周りに液体冷媒の薄膜が形成されるということに基づいている。チューブ束５２の上部全体への均一な分散は、そのチューブ束の上側の部分が分散器５０の下側の面６０に近接し、分散器５０から流出する冷媒のエネルギーが低く、冷媒がチューブ束に付着する前に分散器の内側でチューブ束の横方向及び長さ方向全体に均一に分散され、冷媒が分散容積部分１０８からチューブ束に付着する前に通過する開口の数を比較的多くすることによって達成される。
【００４９】
チューブ束の中を液体冷媒が連続的に滴下し、下方へ流れてチューブ束の下側のチューブと次々と接触する際に、残った液体冷媒が次第に蒸発する。図２を再び参照すると、チューブ束の下側部分の破線で示した少なくとも幾つかのチューブ５８ａを、好適に互い違いに配列されていることから液体冷媒が下方では外側方向に移動する可能性があるため、チューブ束５２の上側部分の幅Wの外側に配設することも可能である。
【００５０】
個別のチューブ５８の内側を流れる液体とその外側に形成された液体冷媒の薄膜との熱交換は、極めて効率的なプロセスであり、最終的には、分散器５０に送られた液体冷媒のほんの一部及び実質的に潤滑油全てが、蒸発器の底部に溜まり、そこにはチューブ束５２の少数のチューブ５８が存在する。通常はチューブ束５２の２５％或いはそれ以下の比較的少ない個々のチューブによって、貯留部の液体冷媒のほとんどが蒸発し、相対的に潤滑油の濃度が極めて高い混合体が蒸発器の底部に残る。この混合体は、ポンプ３４またはエダクター、譲受人の上記米国特許第5,761,914号に示されたタイプのフラッシュシステムによって、圧縮機に戻され再利用される。
【００５１】
チューブ束上に液体冷媒が付着する前に、蒸発器に流入した液体冷媒の圧力を低下させ、運動エネルギーを消滅させるための第３段の分散が行われない場合は、（たとえ二相冷媒混合体が、チューブ束の長さ及び幅方向全体に渡って分散するように、第１段及び第２段の分散によって分散器の内部に首尾よく分散されたとしても）チューブ束の上側部分のチューブに比較的エネルギーの高い液体冷媒が衝当して飛び散る。液体冷媒が飛び散るような構造の場合、このように飛び散った液体冷媒の一部は、圧縮機によって気体冷媒と共に霧状で蒸発器から上方に引っ張られて蒸発器から排出される或いはチューブ束５２のどのチューブとも熱交換せずに蒸発器の底部に落下する。何れの場合も、蒸発器の熱交換効率が低下し、冷凍機の消費電力が増大する。冷媒の運動エネルギーの多くを消失させる第３の分散を行うことによって、分散器５０から流出した液体冷媒の実質的に全てが、チューブ束５２に付着し、チューブ束の少なくとも１つ或いは複数のチューブと低いエネルギーで接触する。
【００５２】
分散器５０による冷媒の均一な分散、また蒸発器２０内の極めて効率的な冷媒の蒸発によって、冷凍機に注入する冷媒の量を大幅に減らすことができる。更に、分散器５０が二相冷媒混合体を効率的に均一に分散できるため、冷凍機の運転に必要な冷媒の量が少なくて済み、冷凍機１０に気液分離器を設ける必要がなくなり、また冷媒量の削減と同様に冷凍機１０の製造コスト及び運転コストを大幅に削減することができる。更に、蒸発器シェル内の分散器に流入する冷媒混合体の圧力と分散器から流出する冷媒混合体の圧力との差が比較的低い本発明の分散器によって、二相冷媒が均一に分散されるため、本発明の分散器ほど効率的でない他の冷媒分散器が冷媒を分散器内に到達させる際に発生し得る、内部の圧力上昇に耐えるられるように分散器５０を極端に強固な構造にする必要はなく、また構造補強装置を備える必要もない。ここで、図８−図１０を参照すると、蒸発器２０に流入した二相冷媒をその中で第１の軸方向に分散させるために配分する装置が示されている。上記したように、分散器５０に流入した二相冷媒混合体は、好ましくは分散器の第１段分散部の各分岐経路に好適に配分され、それによって混合体が軸方向に分散される。この配分は、各分岐経路（３つ以上も可）の容積に応じて行わなければならない。
【００５３】
このような分岐経路の数が２つであってそれらの容積が等しい場合は、流入する冷媒混合体の半分が分岐経路のそれぞれに流入するのが好ましい。しかしながら、図８の実施例のように、第１段分散部への流入口が中心に位置しないなど、分散器が非対称の場合は、一方の分岐経路の容積が他方より大きいため、流入する冷媒混合体はその容積に従って配分される或いは蒸発器内部の冷媒分散工程の効率に従って配分されなければならず、蒸発器内の熱交換プロセスの効率が低下する。
【００５４】
まず、図８の実施例を参照すると、流入口案内羽根３００は、非対称の第１段分散部３０４の分岐経路３０２ａ及び３０２ｂに冷媒混合体を配分するのに有用である。この案内羽根は、流れをほとんど制限しないため、冷媒混合体の圧力低下がほとんど起こらない。この案内羽根は冷媒の流れを分割し、分散器流入口３０８の領域において流れが層を形成しにくくする効果を有する各羽根チャネル３０６に分割された冷媒混合体を案内する。その結果、殆ど圧力が低下することなく、十分に混合された好適な量の二相冷媒混合体が案内羽根構造から分散器経路に送られる。再び言及するが、図６Ａに例示した分散器流入口に近接して膨張装置を設置することも同様の効果があることを理解されたい。
【００５５】
図８から分かるように、混合体のより多くの部分が、流入口３０６を経て分岐経路３０２ａより長くて容積が大きい分岐経路３０２ｂに送られる。分岐経路３０２ａ及び分岐経路３０２ｂに送られる冷媒の量は、垂直方向の間仕切りとなるスプリッター３１０によって決まる。このスプリッター３１０は、流入口３０８の内部及び／またはその下側にあり、非対称の分岐経路３０２ａ及び３０２ｂにその容積に応じて冷媒が分割されるように配置される。
【００５６】
ここで図９及び図１０を参照すると、分散器の高さと幅の比率によるが、その分散器の第１段分散部が対称、非対称にかかわらず、その性能は、流入口案内羽根の代わりに回転式スプリッター４００を用いることで改善することができる。二相冷媒混合体は流入口４０２に流入し、本実施例の流入管４０６のキャップ型端部（capped end）４０４によって９０度回転する。回転式スプリッター４００を出た冷媒混合体は、ルーバ４０８によって、第１段分散部４１２の分岐経路４１０ａ及び４１０ｂに送られる。第１段分散部分４１２の内側の側壁４１４が回転式スプリッター４００に近接しているため、回転式スプリッター４００を出た二相冷媒の一部が、第１段分散部分の内側の側壁に衝当することによって流入部で十分に混合される。その流入部近位で二相冷媒混合体の流れが層に別れる傾向があるが、それによって緩和される。ルーバ４０８は図に示されているように直線的に形成されているが、曲線にすることも可能であることを理解されたい。軸方向のルーバ４０８ａを排除し、横方向のルーバ４０８ｂのみを用いることによって、更に冷媒混合体が層に別れないようにすることができる。これは、このようにした場合、回転式スプリッター４００から出た冷媒混合体の全てが、分散器の内側の側壁に瞬時に直接衝当し、分散器内部で軸方向に流れ始める前に混合されるためである。
【００５７】
上記したように、分散器流入部の流速と第１段及び第２段分散の流速とを、できる限り等しくすることが重要であることを理解されたい。流れが加速される結果、速度が変化する。混合体の流れが加速されると、分散器内部の混合体が分離して、二相混合体の層の形成が起こる。上記したような特性を有する装置を用い、流入部の速度と第１段及び第２段の分散過程の混合体の速度とを等しくすることによって、第１段及び第２段分散部内の二相混合体の流れの加速及び層の形成を最小に留めることができる。要するに、案内羽根や流れ配分装置を必ずしも用いる必要はないが、必要に応じてそれらを使うことによって分散工程の効率を高めることできる。
【００５８】
ここで図１１及び図１２を参照すると、異なった設計の第１段分散部が示されている。好適な実施例では、第１段分散部６８において、高さは一定であるが分岐経路の側面が収束してその容積が減少する分岐経路を画定しているが、図１１及び図１２の実施例では、第１段分散部５００において、幅は一定であるが流入部５０２から離れるにつれてその高さが低くなる分岐経路を採用して好適な実施例と同様の効果を生み出している。しかしながら、この実施例の製造は好適な実施例のそれより困難である。
【００５９】
図１３を参照すると、本発明の別の実施例が示されている。図４の好適な実施例に対応するこの冷媒分散器は、第１段及び第２段の分散部が組み合わさって１つになっているが、それら第１段及び第２段の分散部の本質は保たれたままである。つまり、図１３の分散器５０ａにおいて、冷媒の流入部６６ａから経路６００への形状は、好適な実施例における第１段分散部の収束する形状と第２段分散部の収束する形状とが組み合わさっている。経路６００を画定するプレート６０２は、立体カバー部分６０４内に収容される。
【００６０】
複数の開口６０８を有するという点で図４の好適な実施例のプレート７８に類似したプレート６０６は、経路６００の下側に位置し、同様にカバー６０４内に収容される。好適な実施例の底部プレート８２に類似した底部プレート６１０は、カバープレート６０２の底部に取着され、プレート６０６と共に、好適な実施例の分散容積部分１０８と類似した両プレート間に形成される分散容積部分を画定する。
【００６１】
構成部品の少ないこの実施例の分散器は、好適な実施例の分散器と概ね同じ方法で動作するが、経路６００の形状が、ダイヤモンド型副分岐６１２が主経路６１４から分岐しているため変則的であり、冷媒が流入する部分から下流に連続して収束しないため、この経路６００の中を流れる冷媒混合体は、好適な実施例ほど速度及び圧力を容易に調節すること、即ち一定に維持することができない。従って、図１３の実施例の分散器の性能は、図４の好適な実施例の分散器の性能に類似しているが、その性能はやや低く、冷媒の分散の均一性が劣る。本発明の目的である、分散器５０ａを用いた冷凍機に注入する冷媒の量に影響を及ぼす冷媒を均一に分散する能力及び流速や圧力を一定に維持する能力などは、好適な実施例の分散器と比べやや劣る。
【００６２】
図１４を参照すると、分散器５０が、チューブ束５２の上部全体に渡って冷媒を均一に分散するのではなく目的に応じたように冷媒を分散するのが好ましい例が示されている。つまり、図１４の実施例では、チューブ束５２の構成が、外側のチューブより中心部分のチューブが垂直方向により深くチューブの数が多いため、チューブ束の中央部に冷媒を付着すべきより多くのチューブ表面が存在することを理解されたい。
【００６３】
このような場合、熱交換できるように充分な量の冷媒がチューブ束の中央部に送られ、チューブの数が少ないチューブ束の外側には少量の冷媒が送られるようにするために、チューブ束の中央部の上部に多量の冷媒を配分するのが好ましい。このような場合、垂直方向にチューブの数が少なく熱交換表面が少ないチューブ束の外側部分よりも、チューブ束の中央部により多くの冷媒が送られるようにするために、分散器５０のダイヤモンド型スロット７６の下側に位置する第２段注入孔８０が、図に示されているようにスロット７６の長さ方向において意図的に不規則な間隔で配置されている。このような目的に合わせた不均一の分散では、冷媒混合体が分散器の幅方向に分散する際に冷媒混合体の流速がやや変化するが、このような不都合な点は、より多くの冷媒をチューブ束内で起こる全熱交換プロセスにおいて最も有効な部分のチューブ束に付着させることによって解決可能であり、場合によっては完全に解決できる。
【００６４】
最後に図１５に示された別の実施例を参照すると、分散器５０のダイヤモンド型スロット７６の形状が、図１５の破線で示されたような形状に変更されている。図１５の実施例では、前記した実施例と同様に、破線で示した第１段注入孔７２から冷媒混合体が流入する不規則な「星の破裂」型のスロットが用いられている。しかしながら、この場合、冷媒は比較的狭いそれぞれのチャネル７００を通って、チューブ束のパターンによって決まる冷媒の幅方向の分散が均一或いは目的に合った分散となるように意図的に配置された、それぞれの第２段注入孔７０２に送られる。
【００６５】
図１４及び図１５の別の実施例を見ると分かるように、チューブ束に対する冷媒の軸方向の分散に続く冷媒混合体の均一の分散及び流速の維持は、軸方向の分散過程において冷媒混合体を軸方向に分散させることや冷媒混合体の流速を一定に保つことほど重要ではない。これは、チューブ束の長さが、通常はその幅よりも数倍の寸法であるため、流速が変化した時などに発生する分散を妨げる働きが、軸方向の分散過程においてより顕著になるためである。従って、チューブ束の幅方向に渡って概ね等量の冷媒が付着させ、かつ／または幅方向の分散過程において流速の変化を許容できるように、冷媒混合体の幅方向の分散において冷媒の速度を適合させることは、好適な実施例には含まれなくても、本発明の範囲に包含される。
【００６６】
本発明は、好適な実施例及び幾つかの別の実施例、またはその変更例を用いて説明してきたが、当業者にとって明らかな他の様々な改変も本発明の範囲に含まれることを理解されたい。同様に、請求の範囲の「第１段分散部」は一般に、分散器の中に流入した二相冷媒が分散器の幅方向或いは長さ方向の何れか一方に流れる分散器の部分及び／または構造を指し、「第２段分散部分」は一般に、二相混合体が長さ方向及び幅方向の他方に流れる分散器の部分及び／または構造を指す。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の流下式薄膜蒸発器及び冷媒分散器を用いた本発明の水冷凍機の模式図である。
【図２】  本発明の流下式薄膜蒸発器の模式的な断面図である。
【図３】  本発明の流下式薄膜蒸発器の長さ方向の断面図である。
【図４】  図１−図３の冷媒分散器の組み立て分解等角図である。
【図５】  図４の冷媒分散器の平面図である。
【図６】  図５の線６−６に沿って切り取った図である。
【図６Ａ】  膨張装置が取り付けられた位置を例示する本発明の蒸発器の上側の部分の拡大断面図である。
【図７】  図５の一部の拡大した部分的な破断図である。
【図８】  案内羽根及びスプリッターを備えた第１段分散部分の模式的な断面図である。
【図９】  流入部回転式スプリッターの模式的な側面図である。
【図１０】  流入部回転式スプリッターの模式的な平面図である。
【図１１】  別の設計の第１段分散器の模式的な側面図である。
【図１２】  別の設計の第１段分散器の模式的な平面図である。
【図１３】  本発明の冷媒分散器の別の実施例の組み立て分解図である。
【図１４】  本発明の分散器の分散容積部分内に冷媒を送り込む孔が、分散器の下側のチューブ束のチューブパターンに従って冷媒を目的に合わせて分散させるべく不均一に配置された本発明の別の実施例である。
【図１５】  二相冷媒混合体が、分散器の下側のチューブ束の幅に渡って分散するように構成された別の経路の形状を示す本発明の分散器の別の実施例である。
【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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【図６Ａ】
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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１１】
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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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