JP2008064426A - 凝縮器及び冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率向上に有利な凝縮器を提供する。
【解決手段】凝縮器は、第１媒体（５）が凝縮される凝縮器本体（２１０）と、放熱器（２３０）とを備える。放熱器（２３０）は、凝縮器本体（２１０）からの液状の第１媒体（５）が流れる配管（３２０）と、配管（３２０）に液体（６）を付着させる第１装置（３３０）と、液体（６）が付着した配管（３２０）にガス（７）を吹き付ける第２装置（３４０）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮器、及び冷凍機に関する。

冷凍機（ヒートポンプ）は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程を有するサイクルにおける作動媒体の相変化を利用して、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える。冷凍機（ヒートポンプ）は、エネルギー利用効率が比較的高く、空気調和装置、冷凍装置などの熱利用装置の熱源装置として一般に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２５３１５５号公報

冷凍機の作動媒体に、環境的な利点を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（Coefficient of Performance）が見込まれる。しかしながら、水は、フロンなどの一般媒体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、冷凍機への適用が進んでいない。

本発明は、エネルギー効率向上に有利な凝縮器及び冷凍機を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１媒体が凝縮される凝縮器本体と、前記凝縮器本体からの液状の前記第１媒体が流れる配管と、前記配管に液体を付着させる第１装置と、前記液体が付着した前記配管にガスを吹き付ける第２装置とを有する放熱器と、を備える凝縮器が提供される。

この凝縮器では、第１媒体の凝縮が凝縮器本体で行われ、凝縮した液状の第１媒体の冷却が放熱器で行われる。その結果、放熱器における配管の大サイズ化が回避される。これは、水などの比体積が大きい媒体の使用に有利である。また、放熱器は、ガス冷式と水冷式とを兼用した方式であり、冷却効率の向上が図られる。

この凝縮器において、前記凝縮器本体は、ガス状の前記第１媒体と液状の前記第１媒体とが直接的に接触する構造を有することができる。

この凝縮器において、前記凝縮器本体は、ガス状の前記第１媒体と冷却用媒体とが間接的に接触する構造を有することができる。

この凝縮器において、前記第１装置は、前記液体を落下させる構造を有することができる。

この凝縮器において、前記第２装置は、前記配管内の前記第１媒体の流れ方向と交差する方向に沿って、前記配管の近傍に前記ガスを流す構造を有することができる。

この凝縮器において、前記凝縮器本体及び前記配管の各内部空間を負圧に設定することができる。

この凝縮器において、前記第１媒体として水を用いることができる。

本発明の別の態様に従えば、上記凝縮器を用いる冷凍機が提供される。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、凝縮器を示す模式構成図である。図１において、凝縮器１３は、凝縮器本体２１０と、放熱器２３０とを備える。

凝縮器本体２１０は、チャンバ２１１と、ポンプ２１２と、散液機構２１３とを備える。凝縮器本体２１０において、チャンバ２１１に、ガス状の作動媒体５が供給される。作動媒体５は、チャンバ２１１内で凝縮する。凝縮した液状の作動媒体５がチャンバ２１１内に貯溜される。液状の作動媒体５がチャンバ２１１、ポンプ２１２、放熱器２３０、及び散液機構２１３を含む経路を流れる。液状の作動媒体５は、放熱器２３０において冷却される。配管２１５を介して液状の作動媒体５が適宜排出される。

作動媒体５として、フロン系、アンモニア、炭化水素などの公知の様々な媒体が挙げられる。この他に、作動媒体５として、水を用いることができる。本実施形態では、作動媒体５として水を用いる。相変化条件の調整などを目的として、水に添加物を加えてもよい。水は、環境面で多くの利点（オゾン破壊係数ゼロ、温暖化係数ゼロなど）を有する。一方、水は飽和圧力変化が大きい。

本実施形態において、作動媒体５が水であることに対応して、チャンバ２１１の内部空間が負圧に設定される。本実施形態において、チャンバ２１１は真空チャンバである。チャンバ２１１の外形は、例えば、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２１１の軸方向は重力方向に実質的に一致する。チャンバ２１１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ができる。この構造により、高い耐圧強度を有するチャンバ２１１を、比較的薄い材料を用い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２１１は、装置コスト及び装置重量の低減に有利である。例えば、チャンバ２１１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。この数値は理解を助けるための例であって、本発明はこれに限定されない。

本実施形態において、凝縮器本体２１０は、直接接触式である。すなわち、チャンバ２１１において、ガス状の作動媒体（水蒸気）５と液状の作動媒体（水）５とが直接的に接触し、また、液状の作動媒体５がガス状の作動媒体５を冷却する。チャンバ２１１に供給された水蒸気は、散液機構２１３からの水に直接接するなどにより、熱を奪われる。直接接触式の凝縮器は、例えば、高い温度効率、低圧力損失、という利点を有する。

本実施形態において、散液機構２１３は、ポンプ２１２と、複数のノズルを有する散液配管２２２と、ポンプ２１２と散液配管２２２とを流体的につなぐ供給配管２２３とを有する。

図２Ａ及び図２Ｂは、散液配管２２２の例を示す斜視図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、散液配管２２２は、複数の管を有する管群２２５を有する。管群２２５は、複数の管が並べられた構造を有する。図２Ａの管群２２５はスプレー式、図２Ｂの管群２２５は液柱式である。

図２Ａにおいて、管群２２５の各管には、少なくとも１つのノズル（スプレーノズル）２２６が設けられている。ノズル２２６から液体がスプレーされる。ノズル２２６において、様々なスプレー形態が適用可能である。スプレー式では、広範囲に液体が散布され、液体とガスとの接触面積の拡大が図られる。

図２Ｂにおいて、管群２２５の各管には、少なくとも１つのノズル（孔）２２７が設けられている。すなわち、各管には、スプレーノズルが取り付けられていない。各管からの液体は、ノズル２２７を介して柱状に落下する。液柱式では、例えば、構造が簡素である、液柱の調整（液柱の直径、流速、空間密度などの調整）が容易である、という利点を有する。なお、スプレー式の管群と、液柱式の管群との組み合わせ構造を散液配管２２２が有してもよい。

本実施形態において、図１に示すように、放熱器２３０は、凝縮器本体２１０とは別に設けられる。放熱器２３０は、凝縮器本体２１０からの液状の作動媒体５が流れる配管３２０と、水冷装置３３０と、空冷装置３４０とを有する。水冷装置３３０は、配管３２０の外表面に液体（水）６を散布・供給する。空冷装置３４０は、配管３２０の外表面に空気７を吹き付ける。すなわち、水冷装置３３０は、空冷と水冷とを併用する構造を有する。

放熱器２３０において、配管３２０には、凝縮器本体２１０からの液状の作動媒体（水）５が流れる。配管３２０に、作動媒体５の熱が伝わる。水冷装置３３０によって配管３２０に水６が吹き付けられあるいは滴下され、また、空冷装置３４０によって配管３２０に空気７が吹き付けられる。配管３２０の外表面に付着した水６の少なくとも一部が蒸発する。水６の蒸発潜熱によって配管３２０の熱が吸収される。すなわち、相変化に伴って水６が配管３２０の熱を奪う。空冷装置３４０によって配管３２０に吹き付けられた空気７も、配管３２０から熱を奪う。さらに、空気７は、水６の蒸発を促進させる。これにより、放熱器２３０は、配管３２０内の作動媒体５を高効率に冷却することができる。水冷装置３３０に用いる冷却液体は、水に限らず、他の液体を用いてもよい。

本実施形態において、作動媒体（水蒸気）５の凝縮は凝縮器本体２１０で行われ、凝縮した液状の作動媒体（水）５の冷却が放熱器２３０で行われる。つまり、放熱器２３０は、凝縮器本体２１０とは実質的に別に設けられる。放熱器２３０の配管３２０を流れる作動媒体５はほとんど液相であるから、放熱器２３０における配管３２０の大サイズ化が回避される。これは、水などの比体積が大きい媒体の使用に有利である。

また、本実施形態において、凝縮器１３は、一般的な水冷式凝縮器のような大気開放型の循環構造を有しない。冷却用の水に藻等の発生が防止されるため、凝縮器１３は、優れたメンテナンス性を有する。さらに、本実施形態において、凝縮器１３は、冷却塔等の大規模な水冷設備が不要である。また、本実施形態の空冷装置３４０も簡素に構造することができる。そのため、凝縮器１３は、設備のコンパクト化、設備コストの低減に有利である。

図３は、放熱器２３０の構成例を示す模式断面図である。図４は、図３のＶ−Ｖ断面図である。図３及び図４に示すように、放熱器２３０は、容器３１０と、配管３２０と、水冷装置３３０と、空冷装置３４０とを有する。容器３１０は、後述するように、水冷装置３３０で用いる冷却用の水６の排出路として、また、空冷装置３４０のダクトとして機能する。配管３２０は、容器３１０内の底部から上部に向けて延設されている。水冷装置３３０は、配管３２０の上方に配置されている。空冷装置３４０は、配管３２０の側方に配置されている。

配管３２０は、容器３１０内において、少なくとも１つの平板状の支管３２１を有する。容器３１０は、支管３２１を囲むように設けられており、少なくとも１面が開放された箱形状を有する。各支管３２１は、入口配管３２２、及び出口配管３２３に流体的につながる。支管３２１の形成材料としては、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム等）が好ましく用いられる。本実施形態において、支管３２１は、所定の間隙を介して互いに略平行であり、多段に配置されている。配管３２０において、入口配管３２２からの作動媒体５が支管３２１に分流する。支管３２１を流れる作動媒体５が水冷装置３３０及び空冷装置３４０によって冷却される。冷却された作動媒体５が出口配管３２３を介して放熱器２３０から排出される。配管３２０が複数の支管３２１を有することにより、水及び空気との熱交換面積の増大、作動媒体５の冷却能力の向上が図られる。支管３２１の内面及び／又は外面に、表面積を増大させて冷却効率を向上させるためのフィン、突起、及び／又は凹凸などを設けることができる。

水冷装置３３０は、支管３２１に向けて水６を滴下する。水冷装置３３０は、水６を貯めるタンク３３１と、滴下部３３２とを有する。タンク３３１は、支管３２１の上方に配置される。滴下部３３２は、タンク３３１の側面及び／又は底面に設けられた少なくとも１つの孔３３２ａと、タンク３３１の表面から突出した少なくとも１つの突起部３３２ｂとを有する。突起部３３２ｂは、孔３３２ａからの水６が沿って流れる表面を有する。

水冷装置３３０において、タンク３３１に水６が供給される。タンク３３１の孔３３２ａ、及び突起部３３２ｂの表面を介して、タンク３３１から水６が滴下する。主として突起部３３２ｂによってタンク３３１における水６の落下位置が定まる。水冷装置３３０からの水６の滴下量は、タンク３３１に貯溜された水６の水頭値、孔３３２ａ、及び突起部３３２ｂの数、形状などによって調整可能である。孔３３２ａ、及び突起部３３２ｂの数、形状、配置の最適化によって、支管３２１の表面全体に均一に水６を供給することができる。重力によって水６を落下させる構造は、冷却水６の使用量及び動力の低減に有利である。

タンク３３１から支管３２１に向けて滴下する水６は、大量である必要はない。すなわち、支管３２１の表面に大量に水６が付着すると、水膜による熱抵抗が増大する。これは、水６の蒸発を阻害したり、冷却効率の低下を招いたりする。例えば、水６の供給量は、支管３２１の表面でほとんどの水６が蒸発するように設定される。この場合、開口３１０ｄからの排水量がゼロに近い。こうした設定により、冷却水６の使用量の低減が図られる。

タンク３３１からの水６のほとんどが、複数の支管３２１の表面（上端近傍）に付着する。付着した水６は、各支管３２１の外表面に沿って、重力によって下方に向けて流れる。支管３２１から熱を吸収しながら水６が流れる。水６の蒸発によって支管３２１からさらに熱が奪われる。これにより、支管３２１内を流れる作動媒体５が冷却される。蒸発しなかった水６は、容器３１０の底部３１０ｃを流れ、容器３１０の開口３１０ｄを介して排出される。

空冷装置３４０は、支管３２１に向けて空気７を供給する。空冷装置３４０は、ダクトとしての容器３１０と、容器３１０内で空気７を流すためのファン３４１と、を有する。本実施形態において、空気７の流れ方向は、概ね水平方向を有する。空気７の流れ方向は、水平方向に限らず、斜め方向、鉛直方向を有してもよい。また支管３２１を空気７の流れ方向に対して適当な角度に傾斜させて配置することにより、滴下された水６の支管３２１上での滞留時間を長くすることができ、冷却効率の向上と節水が可能である。空冷装置３４０は、容器３１０の内部空間において、空気７の流れを整えるための不図示の整流板をさらに有することができる。

容器３１０は、空気入口としての開口３１０ｄと、空気出口としての開口３１３と、絞り部３１０ａとを有する。出口開口３１３の面積は、入口開口３１０ｄよりも小さい。絞り部３１０ａは、出口開口３１３に向かって容器３１０の流路断面積を徐々に狭める。容器３１０は、他の形状を有してもよい。開口３１３の近傍には、少なくとも１つのファン３４１が配置されている。ファン３４１によって、容器３１０の内部空間において、開口３１０ｄから開口３１３に向けて空気７が流れる。ファン３４１が、作動媒体５が流れる支管３２１よりも下流に配置されることにより、支管３２１同士の各隙間を通過する空気７の流れを均質化が図られる。しかしながら、支管３２１の上流にファン３４１を配置してもよい。

空冷装置３４０において、ファン３４１が駆動されると、開口３１０ｄを介して容器３１０に空気７が入る。容器３１０において、作動媒体５が流れる支管３２１の表面に沿って空気７が流れる。支管３２１から熱を吸収しながら空気７が流れる。これにより、支管３２１内を流れる作動媒体５が冷却される。支管３２１から熱を奪った空気７は、容器３１０の開口３１３から排出される。

図５、放熱器２３０の別の構成例を示す模式断面図である。図６は、図５のＰ−Ｐ断面図、図７は図５のＱ−Ｑ断面図である。

図５〜図７において、放熱器２３０は、容器４１０と、作動媒体５が流れる配管３２０と、水冷装置３３０と、空冷装置３４０とを備える。容器４１０は、配管３２０の少なくとも一部を囲み、水平方向に延びた四角柱形状を有する。容器４１０は、後述するように、水冷装置３３０で用いる冷却用の水６の排出路として、また、空冷装置３４０のダクトとして機能する。容器４１０の底部４１０ｃには、水冷装置３３０からの水６を容器４１０の外に排水するための排水口４１４が形成されている。配管３２０は、容器４１０の長手方向の第１端面（側壁４１０ａ）から対向する第２端面（側壁４１０ｂ）に向けて容器４１０内を貫くように延設されている。水冷装置３３０は、容器４１０内の配管３２０の上方に配置されている。空冷装置３４０は、容器４１０内の配管３２０の下方に配置されている。

配管３２０は、複数の支管４２１と、入口配管４２２と、出口配管４２３とを有する。側壁４１０ａの近傍（上流側）において、入口配管４２２が複数の支管４２１に分岐する。側壁４１０ｂの近傍（下流側）において、複数の支管４２１が出口配管４２３に統合される。本実施形態において、支管４２１は、上下及び左右方向に複数段に重ねられる。各支管４２１の間には隙間が形成される。各支管４２１は、直線形状を有してもよく、湾曲形状を有してもよい。配管３２０の分岐部と統合部には、作動媒体５が一時的に充満し、作動媒体５の流れを円滑にするプレナム部４２４、４２５が設けられる。支管４２１の形成材料としては、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム等）が好ましく用いられる。

配管３２０において、入口配管４２２からの作動媒体５がプレナム部４２４を介して支管４２１に分流する。各支管４２１を流れる作動媒体５が水冷装置３３０及び空冷装置３４０によって冷却される。冷却された作動媒体５がプレナム部４２５及び出口配管４２３を介して放熱器２３０から排出される。配管３２０が複数の支管４２１を有することにより、水及び空気との熱交換面積の増大、作動媒体５の冷却能力の向上が図られる。支管４２１の内面及び／又は外面に、表面積を増大させて冷却効率を向上させるためのフィン、突起、及び／又は凹凸などを設けることができる。

水冷装置３３０は、支管４２１に向けて冷却用の水６を滴下及び／又は吹き付ける。水冷装置３３０は、水６が供給される配管４３１と、配管４３１に設けられた複数のノズル４３２とを有する。配管４３１は、支管４２１の上方において支管４２１と略平行に配置され、水６を一時的に貯溜する。ノズル４３２は、配管４３１からの水６を支管４２１に向けて放出する。配管４３１は、支管４２１の延在方向に沿って延びる複数の配管を有すること（対称配置）ができ、支管４２１の延在方向と略直交方向に沿って延びる複数の配管を有すること（格子配置）ができる。配管４３１は、少なくとも一部が多孔質体からなる配管を有してもよい。配管４３１は、水６が落下する複数の孔が形成された棚を有してもよい。

空冷装置３４０は、配管３２０（複数の支管４２１）に向けて、容器４１０の下部位置から空気７を供給する。空冷装置３４０は、空気７が流れる空気配管４４２と、容器４１０内で空気７を流すためのファン４４１と、ダクトとしての容器４１０と、を有する。容器４１０は、側壁４１０ａの下方位置に設けられた給気口４１２と、側壁４１０ｂもしくは４１０ａの上方、あるいは容器４１０の上面に設けられた排気口４１３とを有する。

空気配管４４２は、容器４１０内において、支管４２１の下方に配置される複数の空気支管４４３を有する。空気支管４４３は、他と異なる長さを有する少なくとも１つの管を有する。空気支管４４３の形成材料としては、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム等）が好ましく用いられる。空気配管４４２の分岐部は、給気口４１２の近傍に設けられる。空気配管４４２の分岐部には、空気７が一時的に充満し、空気７の流れを円滑にするプレナム部４４５が設けられる。給気口４１２の近傍であるプレナム部４４５に、少なくとも１つのファン４４１が配置される。また、ファン４４１はプレナム部４４５より上流にあってもよい。

複数の空気支管４４３は、上下方向に複数段（３段）に配置されており、下段の空気支管４４３Ａと、中段の空気支管４４３Ｂと、上段の空気支管４４３Ｃとを有する。下段において、空気支管４４３Ａの長さは互いに略同じである。同様に、他の各段において、空気支管４４３Ｂ、４４３Ｃ、の長さは互いに同じである。上段の空気支管４４３Ｃの長さは、中段の空気支管４４３Ｂ及び下段の空気支管４４３Ａよりも長い。中段の空気支管４４３Ｂの長さは、下段の空気支管４４３Ａよりも長い。すなわち、下段の空気支管４４３Ａが他の段に比べて最も短い。空気支管４４３Ａ、４４３Ｂ、４４３Ｃの間には、上下方向の隙間及び左右方向の隙間が形成される。空気支管４４３Ａ、４４３Ｂ、４４３Ｃの底部には、下向きに空気７が放出される孔４４４が形成されている。空気支管４４３Ａにおいて、孔４４４は、軸方向全体にわたって形成される。孔４４４は、空気支管４４３Ｂ、４４３Ｃにおいて、軸方向の先端領域にのみ形成される。これにより、容器４１０内の一水平面にわたって複数の空気孔４４４が略均等に配置される。

空気配管４４２は、さらに、容器４１０内に配置される複数の仕切板４４６を有する。仕切板４４６は、空気支管４４３の延在方向と略直交し、互いに所定の間隔を有する。各仕切板４４６は、容器４１０の内壁及び空気支管４４３に接合される。容器４１０において、空気支管４４３の配置空間が、仕切板４４６によって複数の空間（空間Ｓ１〜Ｓ１５）に仕切られる。容器４１０及び仕切板４４６の形成材料としては、断熱性が高い材料が好ましく用いられる。

上記構成の放熱器２３０において、水冷装置３３０によって、作動媒体５が流れる支管４２１に水６が吹き付けられ、また、空冷装置３４０によって支管４２１に空気７が吹き付けられる。

本実施形態の水冷装置３３０において、配管４３１内を水６が圧送され、ノズル４３２を介して容器４１０内に散水される。主としてノズル４３２によって配管４３１における水６の落下位置が定まる。配管４３１からの水６の少なくとも一部が、配管３２０のうちの最上段の支管４２１の表面に付着する。付着した水６は、その支管４２１の外表面に沿って、重力によって下方に向けて流れる。支管４２１から熱を吸収しながら水６が流れる。水６の相変化（蒸発）に伴って支管４２１からさらに熱が奪われる。これにより、支管４２１内を流れる作動媒体５が冷却される。蒸発しなかった水６は、その支管４２１から重力によって落下する。その水６の少なくとも一部が、下段の支管４２１の表面に付着する。以後同様に、各支管４２１において、作動媒体５が冷却される。支管４２１の配置空間で蒸発しなかった残りの水６は、空気支管４４３の配置空間に重力によって落下する。水６の相変化（蒸発）に伴って、空気支管４４３を流れる空気７が冷却される。さらに残った水６は、容器４１０の底部４１０ｃを流れ、容器４１０の排水口４１４を介して排出される。

配管４３１から支管４２１に向けて吹き付ける水６は、大量である必要はない。すなわち、支管４２１の表面に大量に水６が付着すると、水膜による熱抵抗が増大する。これは、水６の蒸発を阻害したり、冷却効率の低下を招いたりする。例えば、水６の供給量は、支管４２１の表面でほとんどの水６が蒸発するように設定される。この場合、排水口４１４からの排水量がゼロに近い。こうした設定により、冷却水６の使用量の低減が図られる。

放熱器２３０において、配管３２０には、凝縮器本体２１０からの液状の作動媒体５が流れる。配管３２０に、作動媒体５の熱が伝わる。水冷装置３３０によって配管３２０に水６が吹き付けられ、また、空冷装置３４０によって配管３２０に空気７が吹き付けられる。配管３２０の外表面に付着した水６の少なくとも一部が蒸発する。水６の蒸発潜熱によって配管３２０の熱が吸収される。すなわち、相変化に伴って水６が配管３２０の熱を奪う。空冷装置３４０によって配管３２０に吹き付けられた空気７も、配管３２０から熱を奪う。さらに、空気７は、水６の蒸発を促進させる。これにより、放熱器２３０は、配管３２０内の作動媒体５を高効率に冷却することができる。水冷装置３３０に用いる冷却液体は、水に限らず、他の液体を用いでもよい。

本実施形態の空冷装置３４０において、ファン４４１が駆動されると、給気口４１２を介して空気配管４４２に空気７が入る。空気７は圧送され、空気支管４４３に略均一に分かれる。各空気支管４４３の孔４４４から空気７が吹き出される。空間Ｓ１〜Ｓ５において、空気支管４４３Ａ、４４３Ｂ、４４３Ｃの隙間を上方に向けて空気が流れる。空間Ｓ６〜Ｓ１０において、空気支管４４３Ｂ、４４３Ｃの隙間を上方に向けて空気が流れる。空間Ｓ１１〜Ｓ１５において、空気支管４４３Ｃの隙間を上方に向けて空気が流れる。なお、空気支管４４３Ａ、４４３Ｂ、４４３Ｃにおける複数の孔４４４の略均一配置により、容器４１０における空気７の供給量は平面的かつ全体的に略均一である。

空間Ｓ１〜Ｓ１５において、空気７は、各空気支管４４３から熱を奪う。これにより、空気支管４４３内を流れる空気７が自己冷却される。空間Ｓ１〜Ｓ５に放出された空気７は、空気支管４４３Ａ、４４３Ｂ、４４３Ｃから熱を奪う。空間Ｓ６〜Ｓ１０に放出された空気７は、空気支管４４３Ｂ、４４３Ｃから熱を奪う。空間Ｓ１１〜Ｓ１５に放出された空気７は、空気支管４４３Ｃから熱を奪う。つまり、空気支管４４３Ｃの熱が最も多く奪われる。その結果、空気支管４４３Ｃ、空気支管４４３Ｂ、及び空気支管４４３Ａの順に、低温になりやすい。すなわち、空気支管４４３Ｃの温度が最も低くなりやすい。また、第１方向（空気支管４４３内の空気７の流れの下流に向かう方向）に従って、空気７が徐々に低温になる。第１方向は、支管４２１における作動媒体５の流れ方向と同じである。空間Ｓ１〜Ｓ１５において、低温化された空気７が空気支管４４３から供給される。仕切板４４６によって、空間Ｓ１〜Ｓ１５の間での空気７の混合が防止され、容器４１０内での空気７の温度勾配（第１方向に向かって低温になる勾配）が維持される。

容器４１０において、空気支管４４３の配置空間からの空気７が支管４２１の配置空間に入る。支管４２１の配置空間において、作動媒体５が流れる支管４２１の表面に沿って空気７が流れる。支管４２１から熱を吸収しながら空気７が流れる。これにより、支管４２１を流れる作動媒体５が冷却される。さらに、空気７は、支管４２１に付着した水６の蒸発を促進させる。

本実施形態において、自己冷却された空気７が、作動媒体５が流れる支管４２１に供給される。そのため、空気７と作動媒体５との温度差の拡大が図られ、効率的な作動媒体５の冷却が可能である。また、本実施形態において、作動媒体５が流れる支管４２１に供給される空気７が温度勾配を有している。最適化された冷却空気７の温度勾配は、作動媒体５の冷却の効率向上に有利である。支管４２１から熱を奪った空気７は、容器４１０の排気口４１３から排出される。

図８は、図１の凝縮器１３の変形例を示す模式構成図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図８において、凝縮器１３は、さらに、チャンバ２１１内での作動ガスの凝縮を促進させるための凝縮促進部材２５０とを備えて構成されている。チャンバ２１１において、散液配管２２２からの液状の作動媒体（水）５が凝縮促進部材２５０に付着する。これにより、液状の作動媒体（水）５の表面積が拡大し、ガス状の作動媒体（水蒸気）５の凝縮が促進する。

図９Ａ及び９Ｂはそれぞれ、凝縮促進部材２５０の形態例を模式的に示す斜視図である。図９Ａにおいて、凝縮促進部材２５０は、網状の形態を有する。図９Ｂにおいて、凝縮促進部材２５０は、綿状又はスポンジ状の形態を有する。こうした形態の凝縮促進部材２５０は、液体を保持しかつ、ガスの流れに対して抵抗となりにくい。そのため、圧力損失を大きく増やすことなく、作動媒体５の凝縮を促進させることができる。

図１０は、図１の凝縮器１３の別の変形例を示す模式構成図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図１０において、凝縮器１３は、さらに、チャンバ２１１内での作動ガスの凝縮を促進させるための冷却装置２６０を備える。冷却装置２６０は、ガス状の作動媒体（水蒸気）５と冷却用媒体（冷媒）とが間接的に接触する構造を有する。すなわち、冷却装置２６０は、冷媒が流れる熱交換チューブ２６１と、ポンプ２６２と、冷媒を冷却するための放熱器２６３とを有する。熱交換チューブ２６１は、チャンバ２１１内における、作動媒体（水）５の液面と散液配管２２２との間に配置される。

図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄは、熱交換チューブ２６１の形態例を示す図である。図１１Ａにおいて、熱交換チューブ２６１は、通常の表面を有する素チューブである。図１１Ｂにおいて、熱交換チューブ２６１は網状の部材が配置された表面、または網状の凹部（又は凸部）が形成された表面を有する網付チューブである。図１１Ｃにおいて、熱交換チューブ２６１は、多数の溝が形成された表面を有する溝付チューブである。図１１Ｄにおいて、熱交換チューブ２６１は、多数のフィンが設けられた表面を有するフィンチューブである。熱交換チューブ２６１の表面積（伝熱面積）の拡大により、熱交換チューブ２６１内の冷媒と作動媒体（水、水蒸気）５との熱交換が促進する。また、熱交換チューブ２６１の表面への付着によって、液状の作動媒体（水）５の表面積が拡大することにより、ガス状の作動媒体５（水蒸気）と液状の作動媒体５（水）との熱交換も促進する。熱交換チューブ２６１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２６１の表面の少なくとも一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２６１の表面のうち、上方領域を撥液処理し、下方領域を撥液処理してもよい。熱交換チューブ２６１の形成材料としては、高い熱伝導率を有する金属（例えば、銅、アルミニウム等）が好ましく用いられる。

図１０に戻り、放熱器２６３は、熱交換チューブ２６１からの冷媒が流れる配管２７０と、水冷装置２７１と、空冷装置２７２とを有する。水冷装置２７１は、配管２７０の外表面に液体（水）６を吹き付ける。空冷装置２７２は、配管２７０の外表面に空気７を吹き付ける。すなわち、放熱器２６３は、放熱器２３０と同様に、空冷と水冷とを併用する構造を有する。例えば、放熱器２６３は、図３の放熱器２３０又は図５の放熱器２３０と同様の構成を有することができる。

放熱器２６３において、配管２７０には、熱交換チューブ２６１からの冷媒が流れる。配管２７０に、冷媒の熱が伝わる。水冷装置２７１によって配管２７０に水６が吹き付けられ、また、空冷装置２７２によって配管２７０に空気７が吹き付けられる。配管２７０の外表面に付着した水６の少なくとも一部が蒸発する。水６の蒸発潜熱によって配管２７０の熱が吸収される。すなわち、相変化に伴って水６が配管２７０の熱を奪う。空冷装置２７２によって配管２７０に吹き付けられた空気７も、配管２７０から熱を奪う。さらに、空気７は、水６の蒸発を促進させる。これにより、放熱器２６３は、配管２７０内の冷媒を高効率に冷却することができる。冷媒として、フロン系、アンモニア、炭化水素などの公知の様々な媒体が挙げられる。また、冷媒として、水又は添加物を加えた水を用いることができる。

冷媒用の放熱器２６３と作動媒体５用の放熱器２３０との組み合わせにより、設備のコンパクト化、設備コストの低減を図ることができる。すなわち、放熱器２６３の少なくとも一部を、放熱器２３０と共用することにより、装置構成が簡素化される。例えば、放熱器２６３及び放熱器２３０は、水冷装置及び空冷装置を共用することができる。

なお、冷媒の放熱器２６３は、空冷と水冷との併用式に限らない。放熱器２６３は、空冷単式でもよく、水冷単式でもよい。

図１２は、図１の凝縮器１３が適用された冷凍機の実施形態を示す模式構成図である。図１２において、冷凍機１０は、蒸発器１１と、圧縮機１２と、凝縮器１３とを備える。本実施形態において、凝縮器１３、圧縮機１２、及び蒸発器１１が作動媒体５の流れ方向に沿って一列に並ぶ。例えば、凝縮器１３、圧縮機１２、及び蒸発器１１は、圧縮機１２の回転軸の同軸上に配置される。

冷凍機１０では、作動媒体５の相変化を利用して、入力媒体１９の温度を下げることができる。すなわち、蒸発器１１において、冷房負荷１８からの入力媒体１９（サイクル外の熱源）の熱を吸収して作動媒体５が蒸発する。圧縮機１２において、蒸発器１１からのガス状の作動媒体５が圧縮される。凝縮器１３において、サイクル外の熱源（例えば大気）に熱を奪われた作動媒体５が凝縮する。凝縮器１３を出た液状の作動媒体５は膨張弁１４を経て圧力と温度が下がり、蒸発器１１に戻る。

本実施形態において、冷房負荷１８からの媒体１９が蒸発器１１で冷却される。冷却された媒体１９は、冷房負荷１８に戻る。例えば、蒸発器１１に対する媒体１９の入力温度は約１２℃、出力温度は約７℃である。例えば、凝縮器１３の放熱器２３０に対する作動媒体５の入力温度は約３５〜３７℃、出力温度は約２９〜３２℃である。すなわち、空冷と水冷とを併用した放熱器２３０によって、作動媒体５を外気の露点近くまで冷却することができる。これらの数値は理解を助けるための例であって、本発明はこれに限定されない。

圧縮機１２として、単段圧縮機及び多段圧縮機のいずれも適用可能である。本実施形態では、多段圧縮機を用いる。多段圧縮機を用いることにより、比較的小型のもので、高い圧縮比を得ることができる。

本実施形態において、圧縮機１２は、遠心圧縮機である。圧縮機１２は、回転軸２０と、複数のインペラ２１と、ケーシング２２と、駆動装置２３とを備える。インペラ２１は、回転軸２０に取り付けられ、回転軸２０の軸方向に多段に配置される。ケーシング２２は、回転軸２０を回転自在に支持し、インペラ２１を囲う。駆動装置２３は、回転軸を駆動する。ケーシング２２には、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（不図示）と、前段のインペラ２１からの作動ガスを後段のインペラ２１に導く流路であるリターンチャネル（不図示）とが設けられる。本実施形態において、駆動装置２３は、内蔵タイプの電動機（ビルトインモータ）である。圧縮機１２において、複数段にわたって圧縮が繰り返されることにより、所望の圧縮比（例えば圧縮比１０程度）が得られる。

本実施形態において、蒸発器１１の出口部と圧縮機１２の入口部とが対向しかつ互いに直結されている。また、圧縮機１２の出口部と凝縮器１３の入口部とが対向しかつ互いに直結されている。蒸発器１１と圧縮機１２との間の距離が最小化され、圧縮機１２と凝縮器１３との間の距離が最小化されている。これら間隔の最小化により、作動媒体５の蒸気配管の長さが最小化される。つまり、蒸発器１１、圧縮機１２、及び凝縮器１３はいわば一体的につながり、蒸発器１１と圧縮機１２との間の配管、並びに圧縮機１２と凝縮器１３との間の配管が実質的に省かれている。また、本実施形態では、直結構造に伴い、蒸発器１１と圧縮機１２の間の流路（開口面積）、圧縮機１２と凝縮器１３の間の流路（開口面積）が大口径に設定される。これらは、蒸気配管の圧力損失の低減、装置のコンパクト化、及び圧縮機１２の仕事率向上などに寄与する。

なお、圧縮機１２において、段間の流路（リターンチャネル）を流れる作動ガスを冷却するようにできる（中間段冷却）。中間段冷却では、例えば、リターンチャネルを流れる作動ガスに冷却媒体を加える、あるいはリターンチャネルを流れる作動ガスの熱を別の媒体によって奪う、あるいはリターンチャネルに熱交換器を設置して間接的に熱交換することによって冷却を行うことができる。中間段冷却は、圧縮効率向上、圧縮動力低減に有利である。

作動媒体５として、フロン系、アンモニア、炭化水素などの公知の様々な媒体が挙げられる。この他に、作動媒体５として、水を用いることができる。本実施形態では、作動媒体５として水を用いる。相変化条件の調整などを目的として、水に添加物を加えてもよい。作動媒体５が水である場合、一般に、冷凍機（ヒートポンプ）において、高い圧縮比（例えば、圧縮比１０程度以上）、及び配管の大サイズ化などが要求される。

上述したように、本実施形態において、機器間の流路が低圧力損失かつ大口径に設定され、また、蒸気配管の長さ（機器同士の間の配管長さ）が短くもしくは実施的にゼロに設定される。そのため、本実施形態における作動媒体として水が好ましく用いられ、また、装置の大規模化が回避される。本実施形態では、６程度のＣＯＰをターゲットとすることができる。

本実施形態において、蒸発器１１は、シェル・アンド・チューブ式である。すなわち、蒸発器１１は、チャンバ３０と、ポンプ３１と、熱交換チューブ３２と、散液機構３３と、不図示のミストセパレータとを備える。

蒸発器１１において、チャンバ３０には、液状の作動媒体（水）が供給される。チャンバ３０内に貯溜された作動媒体５がポンプ３１によって流動され、その作動媒体５が、チャンバ３０、ポンプ３１、及び散液機構３３を含む経路を循環する。熱交換チューブ３２内を流れる入力媒体１９（高温媒体）との熱交換により、チャンバ３０内で作動媒体５が蒸発し、また、入力媒体１９が冷却される。蒸発した作動媒体５（水蒸気）は、出口部を介してチャンバ３０から排出される。シェル・アンド・チューブ式を用いた蒸発器は、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。

本実施形態において、チャンバ３０は、真空チャンバであり、チャンバ３０の内部空間が負圧に設定される。例えば、チャンバ３０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３０の軸方向は重力方向に実質的に一致する。チャンバ３０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３０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３０は、装置コスト低減に有利である。例えば、チャンバ３０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。

本実施形態において、熱交換チューブ３２は、チャンバ３０内に、チャンバ３０の軸方向（重力方向）に沿って単段又は多段の層状に配置される。熱交換チューブ３２は、折り返し・折り畳み型の蛇腹構造を有することができる。この場合、チャンバ３０内の作動媒体５の流れ方向に概ね垂直な面内に、熱交換チューブ３２の層が比較的隙間なく配置される。これは、広い伝熱面積を得ること、及び、チャンバ３０内の作動媒体５と熱交換チューブ３２内の高温媒体との間の熱交換の促進に有利である。熱交換チューブ３２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３２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３２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３２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３２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３２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。

なお、本実施形態では、蒸発器１１は、シェル・アンド・チューブ式である。しかしながら、蒸発器１１は、ガス状の作動媒体５と液状の作動媒体５とが直接的に接触する構造を有してもよい。

なお、本実施形態では、圧縮機１２の下に蒸発器１１があり、上に凝縮器１３がある。しかしながら、図１３に示すように、冷凍機１０は、圧縮機１２の上に蒸発器１１があり、下に凝縮器１３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。

なお、本実施形態では、凝縮器１３を冷凍機１０に適用している。しかしながら、凝縮器１３をいわゆるヒートポンプに適用してもよい。ヒートポンプは、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。また、ヒートポンプは、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。

図１２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、ポンプ２１２を凝縮器の下方に設置することにより圧力ヘッドが上昇し、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。（３）凝縮器１３で液になった冷媒は重力により蒸発器１１に落下するため戻り配管にポンプが不要である。

図１３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、ポンプ３１を蒸発器より下方に設置すると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。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

凝縮器を示す模式構成図である。 散液配管の形態例を示す斜視図である。 散液配管の別の形態例を示す斜視図である。 放熱器の構成例を示す模式断面図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 放熱器の別の構成例を示す模式断面図である。 図５のＰ−Ｐ断面図である。 図５のＱ−Ｑ断面図である。 図１の凝縮器の変形例を示す模式構成図である。 凝縮促進部材の形態例を模式的に示す斜視図である。 凝縮促進部材の別の形態例を模式的に示す斜視図である。 図１の凝縮器の別の変形例を示す模式構成図である。 熱交換チューブの形態例を示す図である。 熱交換チューブの形態例を示す図である。 熱交換チューブの形態例を示す図である。 熱交換チューブの形態例を示す図である。 図１の凝縮器が適用された冷凍機の実施形態を示す模式構成図である。 図１の凝縮器が適用された冷凍機の別の実施形態を示す模式構成図である

符号の説明

５…作動媒体、水…６、７…空気、１０…冷凍機、１１…蒸発器、１２…圧縮機、１３…凝縮器、１４…膨張弁、１８…冷房負荷、１９…入力媒体、２１０…凝縮器本体、２１１…チャンバ、２１２…ポンプ、２１３…散液機構、２２２…散液配管、２２３…供給配管、２３０…放熱器、２５０…凝縮促進部材、３２０…配管、３３０…水冷装置、３４０…空冷装置。

Claims (8)

1. 第１媒体が凝縮される凝縮器本体と、
   前記凝縮器本体からの液状の前記第１媒体が流れる配管と、前記配管に液体を付着させる第１装置と、前記液体が付着した前記配管にガスを吹き付ける第２装置とを有する放熱器と、
   を備えることを特徴とする凝縮器。
2. 前記凝縮器本体は、ガス状の前記第１媒体と液状の前記第１媒体とが直接的に接触する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記凝縮器本体は、ガス状の前記第１媒体と冷却用媒体とが間接的に接触する構造を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の凝縮器。
4. 前記第１装置は、前記液体を落下させる構造を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の凝縮器。
5. 前記第２装置は、前記配管内の前記第１媒体の流れ方向と交差する方向に沿って、前記配管の近傍に前記ガスを流す構造を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の凝縮器。
6. 前記凝縮器本体及び前記配管の各内部空間が負圧に設定されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の凝縮器。
7. 前記第１媒体が水であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の凝縮器。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の凝縮器を用いることを特徴とする冷凍機。

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