JP2007285531A - 熱交換チューブ、蒸発器、及びヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】シェル・アンド・チューブ式の熱交換に好ましく用いられる熱交換チューブを提供する。
【解決手段】熱交換チューブは、チャンバ（２０）内の空間を第１方向に沿って横切りかつ第２方向に沿って並ぶ第１要素（５１，５２，６１，６２）と、第１要素（５１，５２，６１，６２）同士をつなぐ屈曲要素（５３，６３）とを備える。第１層（５０）と第２（６０）とは、第１方向に対する第１要素（５１，５２，６１，６２）の配設角度が互いに異なる。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換チューブ、蒸発器、及びヒートポンプに関する。

ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える。エネルギー利用効率が比較的高く、冷暖房機能を有する空気調和装置あるいは冷凍装置などの熱利用装置に多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２５３１５５号公報

ヒートポンプのエネルギー利用効率は、一般に、入力動力に対する出力熱量の比である成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）で表される。環境問題に関する意識の高まりとともに、エネルギー効率の向上が望まれている。

ヒートポンプの作動媒体に、環境的な利点（オゾン破壊係数ゼロ、温暖化係数ゼロなど）を多く有する水を採用した技術がある。水は、蒸発潜熱が比較的大きく、理論上は高いＣＯＰが見込まれる。しかしながら、水は、フロンなどに比べて比体積が大きく、また、低温域での飽和圧力変化が大きいなどの理由から、ヒートポンプへの適用が進んでいない。

作動媒体の比体積が大きいことは、圧力損失の許容度の低下を招く。すなわち、圧力損失が小さい機器が要求される。蒸発器あるいは凝縮器としては、チャンバ内に配置された熱交換チューブに作動媒体が直接接触するシェル・アンド・チューブ式の機器が、圧力損失の低減に有利である。

本発明は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換に好ましく用いられる熱交換チューブ、及び蒸発器を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、エネルギー効率向上に有利なヒートポンプ及び熱利用装置を提供することにある。

本発明の熱交換チューブは、チャンバ内に配置される熱交換チューブであって、前記チャンバ内の空間を第１方向に沿って横切りかつ第２方向に沿って並ぶ第１要素と、前記第１要素同士をつなぐ屈曲要素と、を備えることを特徴とする。

この熱交換チューブにおいて、前記第１要素同士が、前記第１要素及び／又は前記屈曲要素の撓みによって互いに近接されている構成にできる。

また、この熱交換チューブにおいて、前記第１要素が、前記第２方向に沿って交互に並ぶ第２要素と第３要素とを有し、前記第２要素同士が互いに実質的平行であり、前記第３要素同士が互いに実質的平行であり、前記第３要素が前記第２要素に対して非平行である構成にできる。

この場合、前記第３要素の１つの一端部が前記第２要素の１つに近接され、前記第３要素の前記１つの他端部が前記第２要素の別の１つに近接されている構成にできる。

また、この熱交換チューブにおいて、各々が前記第１要素と前記屈曲要素とを有する複数の層をさらに備える構成にできる。

この場合、前記複数の層が、前記第１方向に対する前記第１要素の配設角度が互いに異なる第１層と第２層とを有する構成にできる。

また、前記複数の層が、前記第１方向に対する前記第１要素の配設角度が実質的同じである第１層と第２層とを有する構成にできる。

また、前記複数の層が、重力方向に沿って積層されている構成にできる。

また、この熱交換チューブにおいて、前記第１要素及び前記屈曲要素が金属チューブである構成にできる。

また、この熱交換チューブにおいて、前記チャンバが、円筒形状を有し、前記屈曲要素が前記チャンバの内周面に沿って配列されている構成にできる。

また、前記チャンバが、真空チャンバである構成にできる。

本発明の蒸発器は、チャンバと、前記チャンバ内に配置された熱交換チューブと、前記熱交換チューブの外面に向けて液体を落とす散液機構と、を備え、前記熱交換チューブが、上記の熱交換チューブであることを特徴とする。

この蒸発器において、前記散液機構は、各々が前記熱交換チューブに面しかつ互いに離間して配置された複数のノズルと、前記複数のノズルを有する散液配管と、液体源と前記散液配管とを流体的につなぐ供給配管とを有する構成にできる。

また、前記供給配管は、前記散液配管における複数の箇所に前記液体を導く分岐配管を有する構成にできる。

また、前記散液配管の少なくとも一部が、前記熱交換チューブと実質的に同じ配列を有する構成にできる。

また、前記熱交換チューブが、第１チューブ層と、前記第１チューブ層と配設角度が異なる要素を有する第２チューブ層とを有し、前記散液配管が、前記第１チューブ層と実質的に同じ配列を有する第１配管層と、前記第２チューブ層と実質的に同じ配列を有する第２配管層と、を有する構成にできる。ただし第１チューブ層と第２チューブ層とが重なる部分については、第１配管層及び第２配管層の一方を省略できる。

また、前記散液機構は、前記熱交換チューブと前記散液配管とを抱き合わせる結合手段を有する構成にできる。

本発明のヒートポンプは、圧縮機と、凝縮機と、上記の蒸発器と、を備えることを特徴とする。

また、このヒートポンプにおいて、前記作動媒体が水である構成にできる。

図１は、蒸発器１０を示す断面模式図である。図１に示すように、この蒸発器１０は、シェル・アンド・チューブ式であり、チャンバ２０と、ポンプ３０と、熱交換チューブ４０と、散液機構７０と、ミストセパレータ８０（省略可）とを備える。

蒸発器１０において、チャンバ２０には、液状の作動媒体が供給される。チャンバ２０内に貯溜された作動媒体がポンプ３０によって流動され、その作動媒体が、チャンバ２０、ポンプ３０、及び散液機構７０を含む経路を循環する。熱交換チューブ４０内を流れる高温媒体との熱交換により、チャンバ２０内で作動媒体が蒸発する。ガス状の作動媒体（蒸気）が、開口２２を介してチャンバ２０から排出される。このような形式の蒸発器は、蒸発した作動ガスの流れに対する圧力損失が小さいという利点を有する。

チャンバ２０は、真空チャンバであり、チャンバ２０の内部空間が負圧に設定される。チャンバ２０の外形は、丸みを帯びた角を必要に応じて有する、概略的な円筒形状を有する。本実施形態において、チャンバ２０の軸方向は重力方向（Ｚ方向）に実質的に一致する。チャンバ２０の周面に、周方向に延びる波形あるいは凹凸を設けることにより、高い耐圧強度を有するチャンバ２０を、比較的薄い材料によって形成することが可能である。薄い材料で形成されたチャンバ２０は、装置コスト低減に有利である。例えば、チャンバ２０の構成部材の厚さは、５ｍｍ以下であるのが好ましく、３ｍｍ以下であるのがより好ましい。例えば、その厚さは、３ｍｍ、２．５ｍｍ、２ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍ、あるいは０．５ｍｍ以下である。

熱交換チューブ４０は、チャンバ２０内に、チャンバ２０の軸方向（重力方向）に沿って多段の層状に配置される。チャンバ２０内には、ヘッダパイプ４２，４４が設けられている。ヘッダパイプ４２，４４は、チャンバ２０の軸方向に延びた筒形状を有し、チャンバ２０の内周面に隣接しかつチャンバ２０の径方向に沿って互いに離間して配置されている。熱交換チューブ４０における各層のチューブの一端が第１ヘッダパイプ４２に接続され、各層のチューブの他端が第２ヘッダパイプ４４に接続されている。第１ヘッダパイプ４２に供給された高温媒体が分岐し、熱交換チューブ４０の各層のチューブを流れる。熱交換チューブ４０内の高温媒体は、チャンバ２０内の作動媒体に熱を与える。熱交換チューブ４０からの高温媒体が第２ヘッダパイプ４４で合流する。熱交換チューブ４０の構成部材としては、高い熱伝導率を有する金属チューブ（例えば、銅チューブ、アルミニウムチューブ）が好ましく用いられる。

また、熱交換チューブ４０は、表面が滑らかな素チューブ、表面に網状の部材が配設された網付チューブ、多数の溝が表面に形成された溝付チューブ、多数のフィンが表面に設けられたフィンチューブのいずれでもよい。網、溝、及びフィンなどの設置により、熱交換チューブ４０における表面積の拡大、及び熱交換の促進が図られる。また、熱交換チューブ４０の表面に対して熱交換に適した処理を施してもよい。熱交換チューブ４０の表面の少なくとも１部を親液処理してもよく、撥液処理してもよい。例えば、熱交換チューブ４０の表面のうち、上方領域を親液処理し、下方領域を撥液処理してもよい。

図２は、熱交換チューブ４０の具体的構成を示す平面図である。図２に示すように、熱交換チューブ４０の第１層５０は、チャンバ２０内の空間をＸ方向（第１方向）に沿って横切りかつＹ方向（第２方向）に沿って並ぶ第１要素５１，５２（線要素）と、第１要素５１，５２同士を流体的につなぐ屈曲要素５３とを有する。例えば、折り曲げ加工あるいは溶接加工を用いることにより、第１要素５１，５２（線要素）及び屈曲要素５３を有するチューブを形成することができる。本実施形態において、Ｘ方向及びＹ方向を含む面（ＸＹ平面）は水平面に実質的に一致する。

チャンバ２０の内部空間において、任意のＹ位置におけるＸ方向に沿った壁間距離に近い範囲にわたり、第１要素５１，５２のそれぞれが延びている。屈曲要素５３は、ほぼ半数ずつがチャンバ２０の径方向（Ｘ方向）に沿って分かれて配置され、かつチャンバ２０の内周面に沿って配列されている。熱交換チューブ４０のこうした折り返し・折り畳み型の蛇腹構造により、チャンバ２０内の作動媒体の流れ方向（Ｚ方向）に概ね垂直な面内に、熱交換チューブ４０の各層がそれぞれ比較的隙間なく配置される。これは、低コストで製作可能な円筒形真空容器内において広い伝熱面積を得ること、及び、チャンバ２０内の作動媒体と熱交換チューブ４０内の高温媒体との間の熱交換の促進に有利である。

第１要素５１，５２は、Ｙ方向に沿って交互に並ぶ第２要素５１（線要素）と第３要素５２（線要素）とを含む。屈曲要素５３の１つの一端が第２要素５１の１つに接続され、他端が第３要素５２の１つに接続されている。本実施形態において、第２要素５１同士が互いに実質的平行であり、第３要素５２同士が互いに実質的平行である。また、チャンバ２０における熱交換チューブ４０ができるだけ密な構造を有するように、第３要素５２が第２要素５１に対して非平行である。すなわち、第３要素５２の１つの一端部が第２要素５１の１つに近接され、第３要素５２の１つの他端部が第２要素５１の別の１つに近接されている。こうした構成は、次に説明するように、第１要素（第２要素５１、第３要素５２）及び／又は屈曲要素５３の撓みを利用することにより、複雑な加工を伴うことなく、少ない労力で実現可能である。

図３は、熱交換チューブ４０の変形を示す模式図である。図３に示すように、平行な第１要素５１，５２と屈曲要素５３とを有する第１形態は、第１要素５１，５２の配列方向（Ｙ方向）に平行な力が与えられることにより、その配列方向に沿って縮んだ第２形態に変形することができる。すなわち、第１形態に比べて、第２形態の第１要素（第２要素５１，及び第３要素５２）が互いに近接され、第２形態の配列方向（Ｙ方向）の幅が狭まる。平行に並んだ第１要素５１，５２を有する第１形態に比べ、配設角度が互いに異なって並んだ第２要素５１と第３要素５２とを有する第２形態は、密である。

また、図３に示す第２形態における屈曲要素５３の曲率は第１形態のそれと同程度であり、密化に伴う流路抵抗の増加が抑制される。すなわち、第２形態では、第１形態に比べて、チューブ内を流れる媒体の圧力損失の拡大を抑えつつ、密化に伴う熱交換性の向上が図られる。しかも、第１要素（第２要素５１、第３要素５２）及び／又は屈曲要素５３の撓みを利用して第２形態を得る加工方法は、第２形態を直接的に得る加工方法に比べて、簡素であり労力コストが軽減される。

図４は、熱交換チューブ４０の第１層５０と、次の下層である第２層６０とを示し、第１層５０を一部破断した平面図である。図４において、第２層６０も第１層５０と同様に、チャンバ２０内の空間をＸ方向に沿って横切りかつＹ方向に沿って並ぶ第１要素６１，６２（線要素）と、第１要素６１，６２同士を流体的につなぐ屈曲要素６３とを有する。第１要素６１，６２は、Ｙ方向に沿って交互に並ぶ第２要素６１（線要素）と第３要素６２（線要素）とを含む。また、第２要素６１同士が互いに実質的平行であり、第３要素６２同士が互いに実質的平行であり、第３要素６２が第２要素６１に対して非平行である。すなわち、第３要素６２の１つの一端部が第２要素６１の１つに近接され、第３要素６２の１つの他端部が第２要素６１の別の１つに近接され、これにより、チャンバ２０内におけるチューブの密化が図られている。

本実施形態において、第２層６０のチューブの少なくとも１部が、第１層５０のチューブの隙間の下に位置するように、第１層５０のチューブの真下からずれて配置されている。具体的には、第１層５０の第３要素５２がＸ方向に対して時計方向に傾いているのに対して、第２層６０の第３要素６２がＸ方向に対して反時計方向に傾いている。第２層６０の第２要素６１は、第１層５０の第２要素５１と同様に、Ｘ方向に対して概ね平行である。すなわち、第２層６０は、ヘッダパイプ４２と４４を通る軸を基準に、第１層５０に対して概ね鏡像関係にある。こうした第２層６０の形態は、例えば、第２層６０の屈曲要素６３の配列を、ヘッダパイプ４２，４４を挟んで第１層５０のそれと対称にすることにより実現可能である。この場合、ヘッダパイプ４２，４４に最も近い第２層６０の屈曲要素６３が、第１層５０のそれとヘッダパイプ４２，４４を挟んで逆側に配置される。

図５に示すように、図３に示した第１形態の鏡像である第３形態は、第１要素６１，６２の配列方向（Ｙ方向）に平行な力が与えられることにより、その配列方向に沿って縮んだ第４形態に変形することができる。すなわち、第３形態に比べて、第４形態の第１要素（第２要素６１，及び第３要素６２）が互いに近接され、第４形態の配列方向（Ｙ方向）の幅が狭まる。第４形態は、図３に示した第２形態に対して概ね鏡像関係にある。

本実施形態において、熱交換チューブ４０の層の数は、装置仕様に応じて設定される。層の数は、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０のいずれでもよい。また、層の数は、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、あるいは５０以上でもよい。４層以上の熱交換チューブ４０において、例えば、第１層５０と同様の形態を有する層と、第２層６０と同様の形態を有する層とが重力方向に沿って交互に配置される。図２及び図４に示すように、上下層の間で互いにチューブが水平方向にずれて配置されることにより、チャンバ２０の上部空間に対して開放された（露出した）、熱交換チューブ４０の表面積の拡大が図られる。これは、散液機構７０からの液体を熱交換チューブ４０の表面に多く付着させる上で有利である。

図１に戻り、散液機構７０は、ポンプ３０と、複数のノズル７２を有する散液配管７４と、ポンプ３０と散液配管７４とを流体的につなぐ供給配管７６とを有する。散液配管７４のノズル７２から落下した液状の作動媒体が熱交換チューブ４０の表面（外面）に付着する。すると、熱交換チューブ４０内の高温媒体の熱が、熱交換チューブ４０の表面に付着した作動媒体に速やかに伝わり、その作動媒体がチャンバ２０内で蒸発する。

図６は、散液配管７４を示す模式的な平面図である。本実施形態において、ノズル７２は、各々が熱交換チューブ４０（図２及び図４参照）に面するように互いに離間して配置されている。すなわち、各ノズル７２は、熱交換チューブ４０のいずれかの部分の真上に位置する。こうしたノズル７２の配置により、散液配管７４からの液体が確実に熱交換チューブ４０上に落下する。熱交換チューブ４０がチャンバ２０内で密配置されていることにより、熱交換チューブ４０に対するノズル７２の位置決めが容易であり、また、チャンバ２０内の水平面における広い範囲で作動媒体が蒸発する。できるだけ多くのノズル７２が熱交換チューブ４０の真上の位置に配置されることが好ましいが、一部のノズル７２が熱交換チューブ４０の真上の位置からずれていてもよい。

本実施形態において、図６に示すように、散液配管７４は、熱交換チューブ４０（図４参照）と同様の形態を有する。すなわち、散液配管７４は、熱交換チューブ４０の第１層５０（図４）と同様の折り返し・折り畳み型の蛇腹構造を有する第１配管層８１と、熱交換チューブ４０の第２層６０（図４）と同様の折り返し・折り畳み型の蛇腹構造を有する第２配管層８２とを有する。こうした構成により、散液配管７４のノズル７２が確実に熱交換チューブ４０（図４）の真上に配置される。図１に示すように、散液配管７４と熱交換チューブ４０とを離間させてもよく、散液配管７４と熱交換チューブ４０（最上層）とを近接あるいは密着させてもよい。散液配管７４が熱交換チューブ４０と同様の形態を有することにより、散液配管７４と熱交換チューブ４０とを互いに近接あるいは密着させることが容易にできる。例えば、図７に示すように、散液配管７４と熱交換チューブ４０とを結合手段７５（結合バンドなど）によって抱き合わせることが可能である。散液配管７４と熱交換チューブ４０とが、抱き合わせ構造及び／又は密着構造を有することにより、散液配管７４のノズル７２が確実に熱交換チューブ４０の真上に配置されるとともに、散液配管７４のノズル７２からの液状の作動媒体が熱交換チューブ４０の表面（外面）に確実に付着する。

図６に示すように、供給配管７６は、ポンプ３０からの作動媒体を散液配管７４における複数の箇所に導く分岐配管７７を有する。本実施形態において、散液配管７４の第１配管層８１は、流体的に互いに分かれた第１配管８１Ａと第２配管８１Ｂとを有する。図６において、第２配管８１Ｂの一部が破断して描かれている。第１及び第２配管８１Ａ，８１Ｂはそれぞれ、熱交換チューブ４０（図４）の形態に応じた、折り返し型の形態を有する。また、第１及び第２配管８１Ａ，８１Ｂはそれぞれ、両端に設けられた入口ポート８３，８４を有し、各入口ポート８３，８４が分岐配管７７に流体的につながっている。第１配管８１Ａが複数の入口ポート８３，８４を有することにより、第１配管８１Ａ内の流体圧力（静圧）が均一化される。すなわち、複数箇所からの流体供給により、供給位置からの距離に基づく流路空間内での圧力差が緩和される。これは、ノズル７２からの液体排出圧・流量の均一化に有利である。第２配管８１Ｂもこれと同様である。１つの流路空間に対する液体の供給箇所は２に限らず、３以上でもよい。第２配管層８２も、第１配管層８１と同様に、流体的に互いに分かれた第１配管８２Ａと第２配管８２Ｂとを有する。第１及び第２配管８２Ａ，８２Ｂはそれぞれ、両端に設けられた入口ポート８３，８４を有し、各入口ポート８３，８４が分岐配管７７に流体的につながっている。

このような蒸発器１０では、作動媒体に対する圧力損失が小さく、また、熱交換チューブ４０を介した熱交換の効率が高い。そのため、蒸発器１０は、作動媒体が水であるヒートポンプに好ましく適用される。

なお、本実施形態では、熱交換チューブ４０の撓みを利用することにより、密な構造を実現しているが、熱交換チューブ４０の変形は、弾性変形に限らず、少なくとも一部が塑性変形でもよい。

また、熱交換チューブに媒体を供給するためのヘッダパイプの数は２に限定されず、１あるいは３以上でもよい。ヘッダパイプを真空チャンバの補強に利用してもよい。

また、熱交換チューブ４０の第２要素５１（６１）同士あるいは第３要素５２（６２）同士は完全に平行である必要はない。チューブの配設角度が異なる複数の層を有する構成では、チューブ要素の密度に比べて、チューブ要素同士の平行度の重要度は低い。

また、本実施形態では、チューブ要素の配設角度が異なる第１層と第２層とに加え、さらに、別の配設角度を有する第３層を熱交換チューブ４０が有してもよい。

また、本実施形態の変形例として、第１方向（Ｘ方向）に対する第１要素の配設角度が実質的同じである複数の層を、熱交換チューブが有する構成を採用することができる。この場合、各層のチューブ要素同士が水平方向に実質的にずれることなく重力方向に同一直線上に並ぶ。この構成は、散液配管のノズルの配置設計の容易性、ノズル数の低減などに有利である。

また、本実施形態の変形例として、圧力開放穴を有するパイプあるいはトレイを散液配管に採用することができる。例えば、トレイは、液体の流路と、液体が落下するノズル孔とを有する。散液配管が開放系であることにより、流路における供給位置からの距離に基づく圧力差が緩和される。

次に、上記の蒸発器１０が好ましく適用されるヒートポンプについて説明する。

図８は、ヒートポンプ１００の概念図である。図８において、ヒートポンプ１００は、蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２を有する。ヒートポンプ１００において、蒸発器１０内の液状の作動媒体は、熱交換チューブ４０から吸収した熱により蒸発する。作動媒体のガス（蒸気）は圧縮機１１で圧縮され、高温高圧のガスになる。そのガスは凝縮器１２で放熱して冷却凝縮される。凝縮器１２を出た液状の作動媒体は膨張弁１５を経て圧力と温度が下がり、再び蒸発器１０に戻る。

蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２は、その順に、作動媒体の流れ方向に沿って一列に並んでいる。この構成によれば、蒸発器１０の媒体出口と圧縮機１１の媒体入口との距離、並びに圧縮機１１の媒体出口と凝縮器１２の媒体入口との距離が短く、その結果、蒸気配管の長さが短い。これは、蒸気配管での圧力損失の低減、装置のコンパクト化、及び圧縮機１１の仕事の利用効率の向上に有利である。

本実施形態において、蒸発器１０の媒体出口１０Ａと圧縮機１１の媒体入口１１Ａとが対向して配置され、圧縮機１１の媒体出口１１Ｂと凝縮器１２の媒体入口１２Ａとが対向して配置されている。これは、蒸気配管の長さの短縮、蒸気配管の屈曲部分の低減、及びそれらに伴う圧力損失の低減に有利である。

例えば、蒸発器１０の媒体出口１０Ａと圧縮機１１の媒体入口１１Ａとが直結され、圧縮機１１の媒体出口１１Ｂと凝縮器１２の媒体入口１２Ａとが直結される。この場合、各機器間に蒸気配管が実質的に介在しない。つまり、蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２が一体的に構成される。

本実施形態において、蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２を、圧縮機１１の回転軸１１Ｃと同軸上に配置することが可能である。また、蒸発器１０の媒体出口１０Ａと、圧縮機１１の媒体入口１１Ａ及び媒体出口１１Ｂと、凝縮器１２の媒体入口１２Ａを、圧縮機１１の回転軸１１Ｃと同軸上に配置することが可能である。この場合、圧縮機１１における配管構成が簡略化され、装置がコンパクト化される。

本実施形態において、圧縮機１１として、単段圧縮機または多段圧縮機が適用される。多段圧縮機は、比較的小型であっても、高い圧縮比を達成することができるから、高い圧縮比を必要とする作動媒体の使用に有利である。

作動媒体としては、フロン系媒体、アンモニアなどの公知の様々な媒体の他に、水が挙げられる。水は蒸発潜熱が大きく、理論上高いＣＯＰ（フロンの約１．５倍）が見込まれる。ただし、水は、飽和圧力変化が大きいために、ヒートポンプで利用するには高い圧縮比（フロンの約３倍以上）を必要とし、また、圧力損失の許容値が小さい（フロンの約１／１３０）。本実施形態においては、圧縮機１１の仕事を高効率に利用可能な構成であるから、高い圧縮比を必要とする水冷媒の使用が可能である。

ヒートポンプ１００は、例えば、冷房、暖房、除湿、及び加湿の少なくとも１つの機能を有する空気調和装置に適用される。この他に、冷却装置（ヒートシンクなど）、暖房装置（床暖房装置など）、給湯装置、冷凍装置、脱水装置、蓄熱装置、融雪装置、乾燥装置など、熱源との間で熱の授受を行う様々な熱利用装置（プラントやシステムを含む）に適用可能である。熱利用装置において、高い圧縮効率を有するヒートポンプ１００の採用により、装置のコンパクト化、エネルギー効率の向上が図られる。また、作動媒体が水であることにより、エネルギー効率の向上とともに、環境面での様々な利点が得られる。以下に、ヒートポンプ１００を空気調和装置に適用した例について説明する。

図９は、ヒートポンプ１００を空気調和装置に適用した例を模式的に示す構成図である。空気調和装置１１０は、室内空気を冷房及び暖房するものであり、蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２を有するヒートポンプ１００を備えている。ヒートポンプ１００の作動媒体は水（Ｈ_２Ｏ）である。

ヒートポンプ１００において、蒸発器１０内の水は、周囲から熱を吸収して蒸発する。その熱は冷房時には室内から供給され、暖房時には大気から供給される。圧縮機１１で圧縮された水蒸気は、凝縮器１２で周囲に熱を放出することにより冷却凝縮される。その熱は冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。凝縮器１２を出た水は膨張弁１５を経て圧力と温度が下がり、再び蒸発器１０に戻る。以下の説明において、特に断りのない場合は、冷房運転を想定するものとする。

図９において、蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２はそれぞれ外形が円筒形状を有する。一実施形態において、下から蒸発器１０、圧縮機１１、及び凝縮器１２の順に、鉛直方向に一列に配置されている。

図１０は、圧縮機１１の構成を模式的に示す図である。図１０において、圧縮機１１は、多段（例えば４段）の遠心圧縮機であり、回転軸１２０と、複数のインペラ１２１と、ケーシング１２２と、回転軸１２０を駆動する駆動装置１２３とを有する。インペラ１２１は、回転軸１２０に取り付けられかつ回転軸１２０の軸方向に多段に配置される。ケーシング１２２は、回転軸１２０を回転自在に支持しかつ複数のインペラ１２１を囲う。また、ケーシング１２２は、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するためのディフューザ１２４（省略可）と、前段のインペラ１２１からの作動ガス（水蒸気）を後段のインペラ１２１に導く流路であるリターンチャネル１２５と、ガイドベーン１２６（省略可）とを有する。一実施形態において、駆動装置１２３は、コンパクト化に有利な内蔵タイプの電動機（ビルトインモータ）である。

圧縮機１１において、駆動装置１２３が回転軸１２０を駆動すると、入口部１１Ａを介して作動ガスが圧縮機１１内に流入する。作動ガスは、インペラ１２１の回転により周方向かつ外方に移動されてディフューザ１２４に入り、ここで圧縮されて圧力が高められる。圧縮された作動ガスはリターンチャネル１２５及びガイドベーン１２６を通って次の段のインペラ１２１に導かれる。以後同様にして作動ガスの圧縮が各段で行われる。複数段の圧縮により、所望の圧縮比（例えば、圧縮比５〜１５程度）に作動ガスが昇圧される。その作動ガスが出口部１１Ｂを介して圧縮機１１から排出される。

圧縮機１１において、作動ガスの入口部１１Ａ及び出口部１１Ｂはそれぞれ、回転軸１２０と同軸上であり、回転軸１２０の軸端の両側に分かれている。すなわち、回転軸１２０の一方の軸端側から作動ガスが流入し、他方の軸端側から作動ガスが排出される。圧縮機１１の入口部１１Ａは蒸発器１０の出口部１０Ａに接続され、圧縮機１１の出口部１１Ｂは凝縮器１２の入口部１２Ａに接続されている。

一実施形態において、圧縮機１１の入口部１１Ａ及び出口部１１Ｂは、フランジ構造からなり、その軸心中央の開口を作動ガスが通過する。圧縮機１１の入口部１１Ａと蒸発器１０の出口部１０Ａとがフランジを介して互いに直結され、圧縮機１１の出口部１１Ｂと凝縮器１２の入口部１２Ａとがフランジを介して互いに直結されている。圧縮機１１の入口部１１Ａ及び出口部１１Ｂの開口は、回転軸１２０の軸上にある。作動ガスは、それらの開口を回転軸１２０の軸方向に流れる。圧縮機１１に対して流入あるいは流出する作動ガスの流路において、屈曲部がほとんどない。この実施形態は、開口面積を大きく取ることで、十分な流路断面積を確保し、大流量の蒸気圧縮に対応するのに有利である。

一実施形態において、段間の流路（リターンチャネル１２５）を流れる作動ガスを冷却する構成（中間段冷却）を採用することができる。例えば、リターンチャネル１２５を流れる作動ガスに冷却媒体を加えたり、あるいはリターンチャネル１２５を流れる作動ガスと別の媒体とを熱交換させたりすることにより、あるいはケーシング１２２を十分に冷却することにより、圧縮機１１内の作動ガスの温度が降下する。中間段冷却は、圧縮効率の向上、圧縮動力の低減に有利である。

図９に示すように、本実施形態において、凝縮器１２は、直接接触式である。すなわち、凝縮器１２は、水を貯溜するチャンバ１３０と、水循環のためのポンプ１３１と、冷却器（例えば空冷式熱交換器）１３２と、チャンバ１３０内で水を噴霧する散液配管１３３と、必要に応じて不図示の凝縮促進部材とを有している。

チャンバ１３０内の作動媒体（水）は、冷却器１３２によって冷却され、散液配管１３３のノズルを介してチャンバ１３０の内部空間に供給される。圧縮機１１からの高温高圧の水蒸気は、ノズルからの水に接するなどにより冷却されて凝縮する。凝縮促進部材は、ノズルからの水を表面に付着させて、それに接する水蒸気の凝縮を促進させる。このような直接接触式の凝縮器は、作動ガスの流れに対する圧力損失が小さいという利点を有する。なお、図１に示した蒸発器１０の一部構成と凝縮器１２の一部構成とを共通化することにより、装置コストの低減化が図られる。図９において、凝縮器１２のチャンバ１３０と冷却器１３２とが別配置されているが、一体化することも可能である。

なお、圧縮機の下に蒸発器があり、上に凝縮器がある構成に限らず、図１１に示すように、圧縮機の上に蒸発器があり、下に凝縮器がある構成を採用することも可能である。また、縦型配置以外の構成を採用することも可能である。

図９に示した、圧縮機の下に蒸発器があり上に凝縮器がある構成は、例えば次の利点を有する。（１）凝縮器用のポンプにおける減圧沸騰の回避に有利である。すなわち、作動媒体が水であると、凝縮器の内部が負圧（例えば０．１ａｔａ）に設定されるから、凝縮器用のポンプにおける吸入部で減圧沸騰が生じてポンプが蒸気閉塞（ベーパロック）を起こす可能性があるが、鉛直配置に伴う圧力ヘッドによってそれが安定的に回避される。（２）圧力損失の低減に有利である。すなわち、蒸発器の圧力（例えば、０．００９ａｔａ）は、凝縮器の圧力（例えば、０．１ａｔａ）に比べて低いから、作動ガスの体積流量が比較的多い（例えば、０．１／０．００９＝１１倍）。このガスが下位置の蒸発器から上位置の圧縮機に流入する構成では、凝縮器のような還り通路が不要である。そのため、小さいガス速度が維持され、圧力損失が少なくて済む。圧力損失は流速の２乗で効く。この他、シェル・アンド・チューブ式凝縮器（非図示）を用いた場合、重力の利用により、膨張弁が設置された配管におけるポンプを省略することが可能である。

一方、図１１に示した、圧縮機の下に凝縮器があり上に蒸発器がある構成は、例えば次の利点を有する。（１）蒸発器用のポンプにおける減圧沸騰の回避に有利である。すなわち、作動媒体が水であると、蒸発器の内部が負圧（例えば０．００９ａｔａ）に設定されるから、蒸発器のポンプにおける吸入部で減圧沸騰が生じてポンプが蒸気閉塞（ベーパロック）を起こす可能性があるが、鉛直配置に伴う圧力ヘッドによってそれが安定的に回避される。（２）圧縮機の信頼性向上に有利である。すなわち、下位置の凝縮器の圧力（例えば、０．１ａｔａ）に比べて、上位置の蒸発器の圧力（例えば、０．００９ａｔａ）が低いから、圧縮機におけるスラストが下から上に作用する。一方、圧縮機の軸及び回転翼の自重は上から下に作用する。両者が互いに打ち消し合うことで、スラスト軸受の負荷が軽くなり、圧縮機の信頼性の向上が図られる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

蒸発器を示す断面模式図である。 熱交換チューブの具体的構成を示す平面図である。 熱交換チューブの変形の様子を示す模式図である。 熱交換チューブの第１層と、次の下層である第２層とを示し、第１層を一部破断した平面図である。 熱交換チューブの変形の様子を示す模式図である。 散液配管を示す模式的な平面図である。 散液配管と熱交換チューブとの抱き合わせ構造を示す模式図である。 ヒートポンプの概念図である。 ヒートポンプを空気調和装置に適用した例を模式的に示す構成図である。 圧縮機の構成を模式的に示す断面図である。 ヒートポンプを空気調和装置に適用した別の例を模式的に示す構成図である。

符号の説明

１０…蒸発器、１１…圧縮機、１２…凝縮器、１５…膨張弁、２０…チャンバ、３０…ポンプ、４０…熱交換チューブ、４２，４４…ヘッダパイプ、５０…第１層、５１，６１…第２要素（第１要素）、５２，６２…第３要素（第１要素）、５３，６３…屈曲要素、６０…第２層、７０…散液機構、７２…ノズル、７４…散液配管、７６…供給配管、７７…分岐配管、１００…ヒートポンプ、１１０…空気調和装置。

Claims (19)

1. チャンバ内に配置される熱交換チューブであって、
   前記チャンバ内の空間を第１方向に沿って横切りかつ第２方向に沿って並ぶ第１要素と、前記第１要素同士をつなぐ屈曲要素と、を備えることを特徴とする熱交換チューブ。
2. 前記第１要素同士が、前記第１要素及び／又は前記屈曲要素の撓みによって互いに近接されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換チューブ。
3. 前記第１要素は、前記第２方向に沿って交互に並ぶ第２要素と第３要素とを有し、
   前記第２要素同士が互いに実質的平行であり、前記第３要素同士が互いに実質的平行であり、前記第３要素が前記第２要素に対して非平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換チューブ。
4. 前記第３要素の１つの一端部が前記第２要素の１つに近接され、前記第３要素の前記１つの他端部が前記第２要素の別の１つに近接されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換チューブ。
5. 各々が前記第１要素と前記屈曲要素とを有する複数の層をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱交換チューブ。
6. 前記複数の層は、前記第１方向に対する前記第１要素の配設角度が互いに異なる第１層と第２層とを有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換チューブ。
7. 前記複数の層は、前記第１方向に対する前記第１要素の配設角度が実質的同じである第１層と第２層とを有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換チューブ。
8. 前記複数の層は、重力方向に沿って積層されていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の熱交換チューブ。
9. 前記第１要素及び前記屈曲要素が金属チューブであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱交換チューブ。
10. 前記チャンバは、円筒形状を有し、
    前記屈曲要素が前記チャンバの内周面に沿って配列されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の熱交換チューブ。
11. 前記チャンバは、真空チャンバであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の熱交換チューブ。
12. チャンバと、
    前記チャンバ内に配置された熱交換チューブと、
    前記熱交換チューブの外面に向けて液体を落とす散液機構と、を備え、
    前記熱交換チューブが、請求項１から１１のいずれかに記載の熱交換チューブであることを特徴とする蒸発器。
13. 前記散液機構は、各々が前記熱交換チューブに面しかつ互いに離間して配置された複数のノズルと、前記複数のノズルを有する散液配管と、液体源と前記散液配管とを流体的につなぐ供給配管とを有することを特徴とする請求項１２に記載の蒸発器。
14. 前記供給配管は、前記散液配管における複数の箇所に前記液体を導く分岐配管を有することを特徴とする請求項１３に記載の蒸発器。
15. 前記散液配管の少なくとも一部が、前記熱交換チューブと実質的に同じ配列を有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の蒸発器。
16. 前記熱交換チューブは、第１チューブ層と、前記第１チューブ層と配設角度が異なる要素を有する第２チューブ層とを有し、
    前記散液配管は、前記第１チューブ層と実質的に同じ配列を有する第１配管層と、前記第２チューブ層と実質的に同じ配列を有する第２配管層と、を有することを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の蒸発器。
17. 前記散液機構は、前記熱交換チューブと前記散液配管とを抱き合わせる結合手段を有することを特徴とする請求項１５または１６に記載の蒸発器。
18. 圧縮機と、
    凝縮機と、
    請求項１２から１７のいずれかに記載の蒸発器と、を備えることを特徴とするヒートポンプ。
19. 前記作動媒体が水であることを特徴とする請求項１８に記載のヒートポンプ。
    

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