JP2014020753A - 流下液膜式蒸発器 - Google Patents

Abstract

【課題】１段冷媒桶及び２段冷媒桶を有しておりタンク内の伝熱管群とタンク上部の蒸気出口管との上下方向間に設けられた液冷媒散布装置によって冷媒入口管を通じてタンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を伝熱管群に流下させ、伝熱管群によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器において、１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象の発生を抑える。
【解決手段】流下液膜式蒸発器（１）では、伝熱管群（２０）において蒸発することによって生成したガス冷媒が蒸気出口管（１８）に向かう蒸気主流路空間に１段冷媒桶（３４）の直上の１段冷媒桶直上空間が連通した状態を維持しつつ、１段冷媒桶（３４）と２段冷媒桶（３５）との上下方向間の２段冷媒桶直上空間に１段冷媒桶直上空間及び／又は蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込むことを妨げる流れ込み抑制部材（４０）を設けている。
【選択図】図５

Description

本発明は、流下液膜式蒸発器、特に、１段冷媒桶及び２段冷媒桶を有しておりタンク内の伝熱管群とタンク上部の蒸気出口管との上下方向間に設けられた液冷媒散布装置によって冷媒入口管を通じてタンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を伝熱管群に流下させ、伝熱管群によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器に関する。

従来より、ターボ冷凍機等の冷凍装置において使用される冷媒の蒸発器として、特許文献１（特開平８−１８９７２６号公報）に示すような流下液膜式蒸発器がある。流下液膜式蒸発器は、タンク内の伝熱管群とタンク上部の蒸気出口管との上下方向間に設けられた液冷媒散布装置によって液冷媒を伝熱管群に流下させ、伝熱管群によって液冷媒を蒸発させる形式の熱交換器である。伝熱管群によって蒸発したガス冷媒は、タンクの上部に設けられた蒸気出口管を通じてタンク外に流出し、圧縮機に送られる。

上記従来の流下液膜式蒸発器において、膨張弁等の減圧機構によって減圧された後の冷媒が気液二相状態のままでタンク内に供給される場合には、タンクに設けられた冷媒入口管を通じて、液冷媒散布装置に気液二相状態の冷媒が流入することになる。このため、伝熱管群によって蒸発したガス冷媒がタンクの上部に設けられた蒸気出口管に向かって流れるだけでなく、液冷媒散布装置に流入した気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒もタンクの上部に設けられた蒸気出口管に向かって流れることになる。このとき、タンク内のガス冷媒は、すべて蒸気出口管に向かって流れるため、蒸気出口管に近い部分におけるガス冷媒の流速が、蒸気出口管から遠い部分よりも高くなる傾向にある。

ここで、液冷媒散布装置として、冷媒入口管を通じて流入した気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を溜めた後に下方に流下させる１段冷媒桶と、１段冷媒桶から流下する液冷媒を溜めた後に下方の伝熱管群に流下させる２段冷媒桶とを有する構成を採用することが考えられる。

しかし、この場合には、１段冷媒桶の直上の１段冷媒桶直上空間に存在するガス冷媒（冷媒入口管を通じて１段冷媒桶に流入した気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒）や伝熱管群から蒸気出口管に向かう蒸気主流路空間に存在するガス冷媒（伝熱管群によって蒸発したガス冷媒）が、１段冷媒桶と２段冷媒桶との上下方向間の２段冷媒桶直上空間に流れ込みやすくなる。そして、このガス冷媒は、高い流速で２段冷媒桶直上空間を通過しながら蒸気出口管に向かって流れることになる。このため、１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液冷媒の液滴が、２段冷媒桶直上空間に流れ込んだ高い流速のガス冷媒によって運ばれて、蒸気出口管を通じてタンク外に流出するキャリーオーバー現象が発生しやすくなる。

本発明の課題は、１段冷媒桶及び２段冷媒桶を有しておりタンク内の伝熱管群とタンク上部の蒸気出口管との上下方向間に設けられた液冷媒散布装置によって冷媒入口管を通じてタンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を伝熱管群に流下させ、伝熱管群によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器において、１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象の発生を抑えることにある。

第１の観点にかかる流下液膜式蒸発器は、複数の伝熱管を有する伝熱管群と、１段冷媒桶及び２段冷媒桶を有する液冷媒散布装置とを含んでおり、伝熱管内を流れる熱媒体と２段冷媒桶から流下する液冷媒との熱交換によって液冷媒を蒸発させる熱交換器である。伝熱管群は、上部に蒸気出口管が設けられたタンク内に配置されている。液冷媒散布装置は、タンク内の伝熱管群と蒸気出口管との上下方向間に配置されている。１段冷媒桶は、タンクに設けられた冷媒入口管を通じてタンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を溜めた後に下方に流下させる部材である。２段冷媒桶は、１段冷媒桶から流下する液冷媒を溜めた後に下方の伝熱管群に流下させる部材である。そして、この流下液膜式蒸発器では、伝熱管群において蒸発することによって生成したガス冷媒が蒸気出口管に向かう蒸気主流路空間に１段冷媒桶の直上の１段冷媒桶直上空間が連通した状態を維持しつつ、１段冷媒桶と２段冷媒桶との上下方向間の２段冷媒桶直上空間に１段冷媒桶直上空間及び／又は蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込むことを妨げる流れ込み抑制部材を設けている。

ここでは、流れ込み抑制部材によって、蒸気主流路空間と１段冷媒桶直上空間とが連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間に１段冷媒桶直上空間及び／又は蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込みにくくすることができる。このため、１段冷媒桶直上空間に存在するガス冷媒を蒸気主流路空間に流しつつ、２段冷媒桶直上空間に流れ込むガス冷媒の流量、ひいてはガス冷媒の流速を低下させることができる。

これにより、ここでは、１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象を発生しにくくすることができる。

第２の観点にかかる流下液膜式蒸発器は、第１の観点にかかる流下液膜式蒸発器において、流れ込み抑制部材が、１段冷媒桶と２段冷媒桶とを繋ぐ蓋部材である。

ここでは、蓋部材によって、蒸気主流路空間と１段冷媒桶直上空間とが連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間に１段冷媒桶直上空間及び／又は蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込みにくくすることができる。

第３の観点にかかる流下液膜式蒸発器は、第１の観点にかかる流下液膜式蒸発器において、流れ込み抑制部材が、１段冷媒桶から２段冷媒桶に溜まった液冷媒に浸る高さ位置まで延びる仕切部材である。

ここでは、仕切部材によって、蒸気主流路空間と１段冷媒桶直上空間とが連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間に１段冷媒桶直上空間及び／又は蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込みにくくすることができる。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１〜第３の観点にかかる流下液膜式蒸発器では、１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象を発生しにくくすることができる。

本発明の一実施形態にかかる流下液膜式蒸発器の外観図である。 流下液膜式蒸発器の内部構造を示す斜視図である。 流下液膜式蒸発器をタンクの長手方向に直交する水平方向から見た断面図である。 図３のＩ−Ｉ断面図（蒸気出口管から遠い部分）である。 図３のＩＩ−ＩＩ断面図（蒸気出口管に近い部分）である。 図４の左上半分を拡大した図であって、ガス冷媒や液冷媒の流れを示す図である。 図５の左上半分を拡大した図であって、ガス冷媒や液冷媒の流れを示す図である。 図２の液冷媒散布装置付近を拡大した図であって、ガス冷媒や液冷媒の流れを示す図である。 液冷媒散布装置に流れ込み抑制部材を設けない場合における図６に対応する図である。 液冷媒散布装置に流れ込み抑制部材を設けない場合における図７に対応する図である。 液冷媒散布装置に流れ込み抑制部材を設けない場合における図８に対応する図である。 変形例の流下液膜式蒸発器を示す図であって、図５に対応する図である。 変形例の流下液膜式蒸発器を示す図であって、図７に対応する図である。

以下、本発明にかかる流下液膜式蒸発器の実施形態及びその変形例について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる流下液膜式蒸発器の具体的な構成は、下記の実施形態及びその変形例に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

＜全体＞
図１は、本発明の一実施形態にかかる流下液膜式蒸発器１の外観図である。流下液膜式蒸発器１は、ターボ冷凍機等の比較的大容量の冷凍装置の蒸発器として使用されるものである。具体的には、このような冷凍装置においては、流下液膜式蒸発器１とともに、圧縮機や放熱器、膨張機構等（図示せず）が設けられており、これらの機器によって蒸気圧縮式の冷媒回路が構成されている。そして、このような蒸気圧縮式の冷媒回路において、圧縮機から吐出されたガス冷媒は、放熱器において放熱する。この放熱器において放熱した冷媒は、膨張機構において減圧されることによって気液二相状態の冷媒になる。この気液二相状態の冷媒は、流下液膜式蒸発器１内に流入し、水やブライン等の熱媒体との熱交換によって蒸発してガス冷媒となって、流下液膜式蒸発器１から流出する。この流下液膜式蒸発器１から流出したガス冷媒は、再び、圧縮機に送られる。一方、水やブライン等の熱媒体との熱交換によって蒸発しきれなかった液冷媒は、液冷媒戻し管等（図示せず）を通じて流下液膜式蒸発器１内に流入する気液二相状態の冷媒と合流して、再び、流下液膜式蒸発器１内に流入する。

そして、ここでは、流下液膜式蒸発器１として、横置きのシェルアンドチューブ型熱交換器が採用されている。流下液膜式蒸発器１は、図１〜図５に示すように、主として、タンク１０と、伝熱管群２０と、液冷媒散布装置３０とを有している。ここで、図２は、流下液膜式蒸発器１の内部構造を示す斜視図である。図３は、流下液膜式蒸発器１をタンク１０の長手方向に直交する水平方向から見た断面図である。図４は、図３のＩ−Ｉ断面図（蒸気出口管１８から遠い部分）である。図５は、図３のＩＩ−ＩＩ断面図（蒸気出口管１８に近い部分）である。尚、以下の説明において使用している「上」、「下」、「左」、「右」、「水平」等の方向を示す文言は、図１に示す流下液膜式蒸発器１の使用時の設置状態における方向を意味する。

＜タンク＞
タンク１０は、主として、シェル１１と、ヘッド１２ａ、１２ｂとを有している。シェル１１は、ここでは、長手方向の両端部が開口した横置き円筒形状の部材である。ヘッド１２ａ、１２ｂは、シェル１１の長手方向の両端部の開口を閉じる椀形状の部材である。ここで、図１〜図３において、シェル１２ａ、１２ｂのうちシェル１１の左側に配置されたものをヘッド１２ａとし、シェル１１の右側に配置されたものをヘッド１２ｂとする。

また、ヘッド１２ａとシェル１１との間には、管板１３ａが挟まれるように配置されている。ヘッド１２ｂとシェル１１との間にも、管板１３ｂが挟まれるように配置されている。管板１３ａ、１３ｂは、略円板形状の部材であり、伝熱管群２０を構成する複数の伝熱管２１の長手方向の両端部を挿入した状態で固定するための管孔（図示せず）が形成されている。これにより、タンク１０内の空間は、ヘッド１２ａと管板１３ａとによって囲まれるヘッド空間ＳＨ１と、シェル１１と管板１３ａ、１３ｂとによって囲まれるシェル空間ＳＳと、ヘッド１２ａと管板１３ａとによって囲まれるヘッド空間ＳＨ２とに水平方向に分割されている。

また、ヘッド１２ａには、熱媒体入口管１４と熱媒体出口管１５とが設けられている。熱媒体入口管１４は、熱媒体をタンク１０のヘッド空間ＳＨ１内に流入させるための管部材であり、ここでは、ヘッド１２ａの下部に設けられている。熱媒体出口管１５は、熱媒体をタンク１０のヘッド１２ａ外に流出させるための管部材であり、ここでは、ヘッド１２ａの上部に設けられている。また、ヘッド空間ＳＨ１は、ヘッド空間区画板１６によって、熱媒体入口管１４に連通する下部ヘッド空間ＳＨｉと、熱媒体出口管１５に連通する上部ヘッド空間ＳＨｏとに上下方向に分割されている。これにより、熱媒体入口管１４を通じてヘッド１２ａの下部ヘッド空間ＳＨｉ内に流入した熱媒体は、下部ヘッド空間ＳＨｉに連通する複数の伝熱管２１（ここでは、伝熱管群２０の下部を構成する複数の伝熱管２１）に流入して、ヘッド空間ＳＨ２に送られる。このヘッド空間ＳＨ２に送られた熱媒体は、ヘッド空間ＳＨ２内を上方に折り返すように流れた後に、上部ヘッド空間ＳＨｉに連通する複数の伝熱管（ここでは、伝熱管群２０の上部を構成する複数の伝熱管２１）に流入して、上部ヘッド空間ＳＨｏに送られる。この上部ヘッド空間ＳＨｏに送られた熱媒体は、熱媒体出口管１５を通じて上部ヘッド空間ＳＨｏ外に流出する（すなわち、流下液膜式蒸発器１から流出する）。

また、シェル１１には、冷媒入口管１７と蒸気出口管１８と液出口管１９とが設けられている。冷媒入口管１７は、気液二相状態の冷媒をタンク１０のシェル空間ＳＳ内に流入させるための管部材であり、ここでは、シェル１１の上部、かつ、シェル１１の長手方向の左寄りの部分に設けられている。蒸気出口管１８は、伝熱管群２０において蒸発することによって生成したガス冷媒をタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出させるための管部材であり、ここでは、シェル１１の上部、かつ、シェル１１の長手方向の略中央部分に設けられている。液出口管１９は、伝熱管群２０において蒸発しきれなかった液冷媒をタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出させるための管部材であり、ここでは、シェル１１の下部、かつ、シェル１１の長手方向の略中央部分に設けられている。これにより、冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給された気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒は、液冷媒散布装置３０によって、伝熱管群２０に流下する。伝熱管群２０に流下した液冷媒は、伝熱管群２０を構成する伝熱管２１内を流れる熱媒体との熱交換によって蒸発してガス冷媒となる。伝熱管群２０において蒸発することによって生成したガス冷媒は、蒸気出口管１８に向かって上方に流れて、タンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給された気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒とともに、蒸気出口管１８を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出する。このタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出したガス冷媒は、再び、圧縮機に送られる。一方、伝熱管群２０において蒸発しきれなかった液冷媒は、タンク１０のシェル空間ＳＳの下部に設けられた液出口管１９を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出する。このタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出した液冷媒は、液冷媒戻し管等を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に流入する気液二相状態の冷媒と合流して、再び、冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に流入する。

尚、ここでは、ヘッド空間区画板１６によってヘッド空間ＳＨ１を上下に２分割することによって熱媒体がヘッド空間ＳＨ１からヘッド空間ＳＨ２を折り返すように流れる２パスの構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、１パスであってもよいし、３パス以上であってもよい。また、ここでは、シェル１１の長手方向の両端部に管板１３ａ、１３ｂ及びヘッド１２ａ、１２ｂが設けられたタンク１０を採用し、直管状の伝熱管２１からなる伝熱管群２０をシェル１１内に配置した構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、シェルの長手方向の一端部だけに管板及びヘッドを設けたタンクを採用し、Ｕ字管状の伝熱管からなる伝熱管群をシェル内に配置した構成を採用してもよい。

＜伝熱管群＞
伝熱管群２０は、タンク１０の長手方向に沿って延びる複数の伝熱管２１を有している。伝熱管群２０は、タンク１０の長手方向から見た際に、タンク１０のシェル空間ＳＳ内の水平方向の略中央で、かつ、上下方向の下寄りの部分に配置されている。複数の伝熱管２１は、タンク１０の長手方向から見た際に、多段多列に配置されており、ここでは、１１列×９段の千鳥配列になるように配置されている。伝熱管２１の長手方向の両端部は、管板１３ａ、１３ｂまで延びており、管板１３ａ、１３ｂの管孔（図示せず）に挿入された状態で固定されている。そして、伝熱管群２０の上下方向の上寄りの部分を構成する伝熱管２１の長手方向の両端部は、ヘッド空間ＳＨ２の下部及び下部ヘッド空間ＳＨｉに連通しており、伝熱管群２０の上下方向の下寄りの部分を構成する伝熱管２１の長手方向の両端部は、ヘッド空間ＳＨ２の上部及び上部ヘッド空間ＳＨｏに連通している。

尚、伝熱管群２０を構成する伝熱管２１の本数や配列は、本実施形態における本数や配列に限定されるものではなく、種々の本数や配列が採用可能である。また、シェルの長手方向の一端部だけに管板及びヘッドを設けたタンクを採用する場合には、Ｕ字管状の伝熱管を採用してもよい。

＜液冷媒散布装置＞
−基本構成−
液冷媒散布装置３０は、タンク１０のシェル空間ＳＳ内の伝熱管群２０と蒸気出口管１８との上下方向間に配置されている。液冷媒散布装置３０は、主として、ヘッダ管３１と、冷媒桶３３と、上部カバー３６とを有している。

ヘッダ管３１は、冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒を冷媒桶３３（ここでは、１段冷媒桶３４）に導くための管部材である。ヘッダ管３１は、タンク１０の長手方向に沿って延びる管部材である。ヘッダ管３１の一端部（ここでは、左側の端部）は、冷媒入口管１７に接続されている。ヘッダ管３１は、ここでは、タンク１０の長手方向から見た断面が略矩形形状を有している。ヘッダ管３１の上壁３１ａ及び側壁３１ｂの上部には、冷媒入口管１７が接続されている端部（ここでは、左側の端部）及びヘッダ３１の長手方向の両端壁を除いて、ヘッダ管３１を流れる気液二相状態の冷媒を１段冷媒桶３３に流出させるための多数のヘッダ管冷媒孔３１ｃが形成されている。

また、ヘッダ管３１には、冷媒入口管１７が接続されている端部（ここでは、ヘッダ管３１の左側の端部）を除いて、ヘッダ管３１の外周側に隙間を空けた状態でヘッダ管３１の上壁３１ａ及び側壁３１ｂの上部の外周側に覆う気液分離部材３２が設けられている。気液分離部材３２は、タンク１０の長手方向から見た断面が下向きの略Ｕ字形状を有している。そして、気液分離部材３２には、多数のヘッダ管通気孔３２ａが形成されている。ヘッダ管通気孔３２ａは、ヘッダ管３１内を流れる冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒の通過を許容し、かつ、ヘッダ管３１内を流れる冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒の通過を抑制するための孔である。

冷媒桶３３は、タンク１０のシェル１１に設けられた冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を溜めた後に下方の伝熱管群２０に流下させるための桶状部材である。冷媒桶３３は、主として、１段冷媒桶３４と２段冷媒桶３５とを有している。

１段冷媒桶３４は、タンク１０のシェル１１に設けられた冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を溜めた後に下方に流下させる桶状部材である。１段冷媒桶３４は、タンク１０の長手方向に沿って延びている。１段冷媒桶３４は、ここでは、タンク１０の長手方向から見た断面が上向きの略Ｕ字形状を有している。１段冷媒桶３４の底壁３４ａ上には、ヘッダ管３１が配置されている。これにより、冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒は、ヘッダ管３１のヘッダ管冷媒孔３１ｃ及び気液分離部材３２のヘッダ管通気孔３２ａを通じて、１段冷媒桶３４内に導かれる。このとき、ヘッダ管３１から１段冷媒桶３４内に導かれる気液二相状態の冷媒は、気液分離部材３２によって気液分離される。すなわち、気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒の大部分は、気液分離部材３２のヘッダ管通気孔３２ａを通過せずに、１段冷媒桶３４に導かれて、１段冷媒桶３４に溜まる。１段冷媒桶３４に溜まった液冷媒は、１段冷媒桶３４の底壁３４ａに形成された複数の液冷媒流下孔３４ｃを通じて、下方の２段冷媒桶３５に流下する。一方、気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒は、気液分離部材３２のヘッダ管通気孔３２ａを通過して、１段冷媒桶３４の直上の１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１（ここでは、上部カバー３６と１段冷媒桶３４との上下方向間の空間）に導かれる。１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に導かれたガス冷媒は、蒸気出口管１８に向かって上方に流れて、伝熱管群２０において蒸発することによって生成したガス冷媒とともに、蒸気出口管１８を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ外に流出する。

２段冷媒桶３５は、１段冷媒桶３４から流下する液冷媒を溜めた後に下方の伝熱管群２０に流下させる桶状部材である。２段冷媒桶３５は、タンク１０の長手方向に沿って延びている。２段冷媒桶３５は、ここでは、タンク１０の長手方向から見た断面が上向きの略Ｕ字形状を有している。２段冷媒桶３５は、２段冷媒桶３５を下方から見た際（２段冷媒桶３５をタンク１０の長手方向に沿って見た際も同様）に、１段冷媒桶３４よりも外側まではみだしている。すなわち、２段冷媒桶３５をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、２段冷媒桶３５の側壁３５ｂは、１段冷媒桶３４の側壁３４ｂよりも外側に配置されている。これにより、１段冷媒桶３４から流下する液冷媒は、２段冷媒桶３５に導かれて、２段冷媒桶３５に溜まる。２段冷媒桶３５に溜まった液冷媒は、２段冷媒桶３５の底壁３５ａに形成された複数の液冷媒流下孔３５ｃを通じて、下方の伝熱管群２０に流下する。ここで、１段冷媒桶３４と２段冷媒桶３５との上下方向間の空間を２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２とする。

上部カバー３６は、冷媒桶３３（ここでは、１段冷媒桶３４）の上方に隙間を空けて配置されており、冷媒桶３３（ここでは、１段冷媒桶３４）の上方を覆う屋根状部材である。上部カバー３６は、冷媒入口管１７がヘッダ管３１に接続されている端部（ここでは、ヘッダ管３１の左側の端部）を除いて、タンク１０の長手方向に沿って延びている。上部カバー３６は、ここでは、タンク１０の長手方向から見た断面が下向きの略Ｕ字形状を有している。ここでは、上部カバー３６は、タンク１０の長手方向から見た断面が水平板状の上壁３６ａと、上壁３６ａの端部から斜め下方に延びる側壁３６ｂとを有している。また、上部カバー３６をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、上部カバー３６には、ヘッダ管３１及び気液分離部材３２よりも外側で、かつ、１段冷媒桶３４の側壁３４ｂよりも内側の位置に、下方に向かって突出する突出壁３６ｃが設けられている。突出壁３６ｃは、タンク１０の長手方向に沿って延びている。そして、上部カバー３６は、上部カバー３６を上方から見た際（上部カバー３６をタンク１０の長手方向に沿って見た場合も同様）に、１段冷媒桶３４を覆うとともに１段冷媒桶３４よりも外側まではみ出している。すなわち、上部カバー３６をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、上部カバー３６の側壁３６ｂの端部は、１段冷媒桶３４の側壁３４ｂよりも外側に配置されている。また、上部カバー３６をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、上部カバー３６の側壁３６ｂの端部は、２段冷媒桶３５の側壁３５ｂの概ね直上位置に位置している。そして、タンク１０のシェル空間ＳＳ内には、上部カバー３６と冷媒桶３３（ここでは、２段冷媒桶３５）との上下方向間の空間である散布装置空間ＳＳｄが形成されている。散布装置空間ＳＳｄは、上記の１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１と、上記の２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２と、１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３とを有している。ここで、１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３は、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、２段冷媒桶３５の上側でかつ１段冷媒桶３４の側壁３４ｂよりも外側の空間である。また、タンク１０のシェル空間ＳＳのうち散布装置空間ＳＳｄを除く空間は、伝熱管群２０において蒸発することによって生成したガス冷媒が蒸気出口管１８に向かう蒸気主流路空間ＳＳｖになっている。蒸気主流路空間ＳＳｖは、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、上部カバー３６の側壁３６ｂの端部と２段冷媒桶３５の側壁３５ｂの上端の上下方向間の隙間を通じて、散布装置空間ＳＳｄの１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３と連通している。

このように、ここでは、液冷媒散布装置３０の基本構成として、１段冷媒桶３４及び２段冷媒桶３５を有するものが採用されている。そして、このような液冷媒散布装置３０と、複数の伝熱管２１を有する伝熱管群２０とによって、伝熱管２１内を流れる熱媒体と２段冷媒桶３５から流下する液冷媒との熱交換によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器１が構成されている。

しかも、ここでは、蒸気主流路空間ＳＳｖに１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１が連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に１段冷媒桶直上空間ＳＳ及び／又は蒸気主流路空間ＳＳｖからガス冷媒が流れ込むことを妨げる流れ込み抑制部材４０を液冷媒散布装置３０に設けるようにしている。そして、以下に詳述するように、この流れ込み抑制部材４０によって、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象の発生を抑えるようにしている。

−１段冷媒桶から２段冷媒桶に流下する液滴のキャリーオーバー現象を抑制する構成−
まず、上記のような１段冷媒桶３４及び２段冷媒桶３５を有する液冷媒散布装置３０において、図９〜図１１に示すように、流れ込み抑制部材４０を設けない場合を想定する。

この場合には、伝熱管群２０によって蒸発したガス冷媒（図１０及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ａ参照）がタンク１０のシェル１１の上部に設けられた蒸気出口管１８に向かって流れるだけでなく、液冷媒散布装置３０に流入した気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒（図１０及び図１１のガス冷媒を示す矢印Ｂ参照）も蒸気出口管１８に向かって流れることになる。このとき、シェル１１内のガス冷媒は、すべて蒸気出口管１８に向かって流れるため、蒸気出口管１８に近い部分（ここでは、シェル１１の長手方向の中央部分）におけるガス冷媒の流速が、蒸気出口管１８から遠い部分（ここでは、シェル１１の長手方向の両端部）よりも高くなる傾向にある。

そして、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に存在するガス冷媒（冷媒入口管１７を通じて１段冷媒桶３４に流入した気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒）や蒸気主流路空間ＳＳｖに存在するガス冷媒（伝熱管群２０によって蒸発したガス冷媒）が、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に流れ込みやすくなる。特に、蒸気出口管１８から遠い部分（ここでは、シェル１１の長手方向の両端部）においては、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に存在するガス冷媒（図９及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ｃ参照）や蒸気主流路空間ＳＳｖに存在するガス冷媒（図９及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ｄ参照）が２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に流れ込みやすい。そして、このガス冷媒は、高い流速で２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２を通過しながら蒸気出口管１８に向かって流れることになる。このため、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に流下する液冷媒の液滴（図９及び図１０の液冷媒の液滴を示す黒丸Ｅ参照）が、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に流れ込んだ高い流速のガス冷媒（図１０及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ｆ参照）によって運ばれて、蒸気出口管１８を通じてタンク１０のシェル１１外に流出するキャリーオーバー現象が発生しやすくなる。

これに対して、ここでは、１段冷媒桶３４及び２段冷媒桶３５を有する液冷媒散布装置３０において、図２〜図８に示すように、流れ込み抑制部材４０を設けるようにしている。具体的には、１段冷媒桶３４と２段冷媒桶３５とを繋ぐ蓋部材からなる流れ込み抑制部材４０を液冷媒散布装置３０に設けるようにしている。蓋部材４０は、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、１段冷媒桶３４の底壁３４ａ又は側壁３４ｂ（ここでは、底壁３４ａと側壁３４ｂとを結ぶ角部）と２段冷媒桶３５の側壁３５ｂ（ここでは、側壁３５ｂの上端部）とを繋ぐように設けられている。また、蓋部材４０は、液冷媒散布装置３０（すなわち、１段冷媒桶３４及び２段冷媒桶３５）の長手方向全体にわたって設けられている。このため、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１と１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３とが連通した状態が維持され、１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３と蒸気主流路空間ＳＳｖとが連通した状態が維持されるとともに、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２と１段冷媒桶側方空間ＳＳｄ３との連通が遮断された状態が得られる。

そして、蓋部材４０によって、蒸気主流路空間ＳＳｖと１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１とが連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１や蒸気主流路空間ＳＳｖからガス冷媒が流れ込みにくくすることができる。このため、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に存在するガス冷媒を蒸気主流路空間ＳＳｖに流しつつ、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に流れ込むガス冷媒の流量、ひいてはガス冷媒の流速を低下させることができる。これにより、ここでは、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象を発生しにくくすることができる。

すなわち、蒸気出口管１８から遠い部分（ここでは、シェル１１の長手方向の両端部）においては、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に存在するガス冷媒（図６及び図８のガス冷媒の流れを示す矢印Ｃ参照）や蒸気主流路空間ＳＳｖに存在するガス冷媒（図６及び図８のガス冷媒の流れを示す矢印Ｄ参照）が、蓋部材４０を設けない場合（図９及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ｃ、Ｄ参照）とは異なり、蒸気主流路空間ＳＳｖに向かうガス冷媒の流れが維持されつつ、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に流れ込みにくくなる。そうすると、蓋部材４０を設けない場合（図１０及び図１１のガス冷媒の流れを示す矢印Ｆ参照）とは異なり、ガス冷媒が高い流速で２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２を通過しながら蒸気出口管１８に向かって流れにくくなる。このため、蓋部材４０を設けない場合（図９〜図１１参照）とは異なり、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に流下する液冷媒の液滴（図６及び図７の液冷媒の液滴を示す黒丸Ｅ参照）が運ばれにくくなり、蒸気出口管１８を通じてタンク１０のシェル１１外に流出するキャリーオーバー現象を発生しにくくすることができる。しかも、蓋部材４０は、１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１に存在するガス冷媒を蒸気主流路空間ＳＳｖに流すことを妨げないように設けられているため、タンク１０のシェル１１に設けられた冷媒入口管１７を通じてタンク１０のシェル空間ＳＳ内に供給される気液二相状態の冷媒のうちのガス冷媒を、蒸気出口管１８を通じてスムーズにタンク１０のシェル１１外に流出させることができる。

−流れ込み抑制部材の変形例−
上記の実施形態（図２〜図８参照）では、流れ込み抑制部材４０として、１段冷媒桶と２段冷媒桶とを繋ぐ蓋部材を採用しているが、これに限定されるものではない。

例えば、図１２及び図１３に示すように、流れ込み抑制部材４０として、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に溜まった液冷媒に浸る高さ位置まで延びる仕切部材を採用してもよい。具体的には、仕切部材４０は、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、１段冷媒桶３４の底壁３４ａ（ここでは、底壁３４ａと側壁３４ｂとを結ぶ角部）から下方に向かって突出するように設けられている。尚、１段冷媒桶３４から２段冷媒桶３５に流下する液冷媒の液滴のキャリーオーバー現象を抑制するという観点から、仕切部材４０は、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、１段冷媒桶３４に形成された液冷媒流下孔３４ｃよりも外側の位置に設けられることが好ましい。また、仕切部材４０は、液冷媒散布装置３０（すなわち、１段冷媒桶３４及び２段冷媒桶３５）の長手方向全体にわたって設けられている。また、仕切部材４０は、液冷媒散布装置３０をタンク１０の長手方向に沿って見た際に、２段冷媒桶３５の液面高さが仕切部材４０の内側と外側とで偏りが発生しないようにするという観点から、２段冷媒桶３５の底壁３５ａとの間に隙間が確保されるように下方に突出させることが好ましい。

このような仕切部材からなる流れ込み抑制部材４０であっても、上記の実施形態における蓋部材からなる流れ込み抑制部材４０と同様に、蒸気主流路空間ＳＳｖに１段冷媒桶直上空間ＳＳｄ１が連通した状態を維持しつつ、２段冷媒桶直上空間ＳＳｄ２に１段冷媒桶直上空間ＳＳ及び／又は蒸気主流路空間ＳＳｖからガス冷媒が流れ込むことを妨げる作用を得ることができる。

本発明は、１段冷媒桶及び２段冷媒桶を有しておりタンク内の伝熱管群とタンク上部の蒸気出口管との上下方向間に設けられた液冷媒散布装置によって冷媒入口管を通じてタンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を伝熱管群に流下させ、伝熱管群によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器に対して、広く適用可能である。

１ 流下液膜式蒸発器
１０ タンク
１７ 冷媒入口管
１８ 蒸気出口管
２０ 伝熱管群
２１ 伝熱管
３０ 液冷媒散布装置
３４ １段冷媒桶
３５ ２段冷媒桶
４０ 流れ込み抑制部材（蓋部材、仕切部材）
ＳＳｄ１ １段冷媒桶直上空間
ＳＳｄ２ ２段冷媒桶直上空間
ＳＳｖ 蒸気主流路空間

特開平８−１８９７２６号公報

Claims (3)

1. 上部に蒸気出口管（１８）が設けられたタンク（１０）内に配置されており、複数の伝熱管（２１）を有する伝熱管群（２０）と、
   前記タンク内の前記伝熱管群と前記蒸気出口管との上下方向間において、前記タンクに設けられた冷媒入口管（１７）を通じて前記タンク内に供給される気液二相状態の冷媒のうちの液冷媒を溜めた後に下方に流下させる１段冷媒桶（３４）と、前記１段冷媒桶から流下する液冷媒を溜めた後に下方の前記伝熱管群に流下させる２段冷媒桶（３５）と、を有する液冷媒散布装置（３０）と、
   を備えており、前記伝熱管内を流れる熱媒体と前記２段冷媒桶から流下する液冷媒との熱交換によって液冷媒を蒸発させる流下液膜式蒸発器において、
   前記伝熱管群において蒸発することによって生成したガス冷媒が前記蒸気出口管に向かう蒸気主流路空間（ＳＳｖ）に前記１段冷媒桶の直上の１段冷媒桶直上空間（ＳＳｄ１）が連通した状態を維持しつつ、前記１段冷媒桶と前記２段冷媒桶との上下方向間の２段冷媒桶直上空間（ＳＳｄ２）に前記１段冷媒桶直上空間及び／又は前記蒸気主流路空間からガス冷媒が流れ込むことを妨げる流れ込み抑制部材（４０）を設ける、
   流下液膜式蒸発器（１）。
2. 前記流れ込み抑制部材（４０）は、前記１段冷媒桶（３４）と前記２段冷媒桶（３５）とを繋ぐ蓋部材である、
   請求項１に記載の流下液膜式蒸発器（１）。
3. 前記流れ込み抑制部材（４０）は、前記１段冷媒桶（３４）から前記２段冷媒桶（３５）に溜まった液冷媒に浸る高さ位置まで延びる仕切部材である、
   請求項１に記載の流下液膜式蒸発器（１）。

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