JP2016200371A - 凝縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】自然循環によって流入する混合気体の流量を増大させることができる凝縮器を提供する。【解決手段】鉛直方向に延伸し、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの混合気体に含まれる凝縮性ガスを凝縮させる複数の伝熱管１と、伝熱管１を収納し、上端部と下端部に開口部を有するケーシング２と、それぞれが伝熱管１に接続され、伝熱管１に冷媒を供給する複数の入口ヘッダ３と、それぞれが伝熱管１に接続され、伝熱管１から冷媒を回収する複数の出口ヘッダ４とを備える。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、ケーシング２の下部に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱管の内部に冷媒を流して伝熱管の外表面で凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器に関する。

一般的な凝縮器は、複数の伝熱管の内部に冷媒を供給するための入口ヘッダと、伝熱管から冷媒を回収するための出口ヘッダとを備え、伝熱管の外表面で凝縮性ガスを冷却して凝縮させる。入口ヘッダと出口ヘッダを総称して出入口ヘッダと呼ぶ。凝縮器では、入口ヘッダに冷媒が供給され、入口ヘッダから各伝熱管に冷媒が分配される。伝熱管で熱交換をした冷媒は、出口ヘッダに集められ、放熱源へ移送される。伝熱管として鉛直方向に延在する鉛直管を用いた場合、出入口ヘッダは伝熱管の上下に配置される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−２５１５５６号公報

冷却対象の凝縮性ガスとこの凝縮性ガスよりも密度の大きい非凝縮性ガスとを含む混合気体を、凝縮器で凝縮させる場合がある。このような場合には、ファン等の動力を用いずに、自然循環によって凝縮器に混合気体を供給することができる。自然循環を利用する場合、伝熱管や出入口ヘッダによって生じる流動抵抗を低減して、混合気体の流量を増大させることが望ましい。伝熱管として延在方向が混合気体の流れの向き（上下方向）と一致する鉛直管型を採用すると、伝熱管による流動抵抗を低減できる。しかし、出入口ヘッダを伝熱管の上下に配置するので、伝熱管の上下にある出入口ヘッダによって流動抵抗が大きくなるという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、自然循環によって流入する混合気体の流量を増大させることができる凝縮器を提供することを目的とする。

本発明による凝縮器は、次のような特徴を有する。鉛直方向に延伸し、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの混合気体に含まれる凝縮性ガスを凝縮させる複数の伝熱管と、前記伝熱管を収納し、上端部と下端部に開口部を有するケーシングと、それぞれが前記伝熱管に接続され、前記伝熱管に冷媒を供給する複数の入口ヘッダと、それぞれが前記伝熱管に接続され、前記伝熱管から前記冷媒を回収する複数の出口ヘッダとを備える。前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記ケーシングの下部に配置されている。

本発明によれば、自然循環によって流入する混合気体の流量を増大させることができる凝縮器を提供することができる。

本発明の実施例１による凝縮器の縦断面図であり、実施例１による凝縮器の概略構成を表す図である。 実施例１による凝縮器の上面図であり、実施例１による凝縮器の入口ヘッダと出口ヘッダの概略構成を表す図である。 本発明の実施例２による凝縮器の縦断面図であり、実施例２による凝縮器の概略構成を表す図である。 本発明の実施例３において、凝縮器が備える伝熱管の概略構成を示す図である。 液膜飛散リングを持たない伝熱管の外表面に形成された凝縮液膜を示す図である。

本発明による凝縮器は、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの混合気体に含まれる凝縮性ガスを凝縮させる鉛直型の伝熱管と、伝熱管を収納するケーシングと、伝熱管に冷媒を供給するための入口ヘッダと、伝熱管で熱交換した冷媒を伝熱管から回収するための出口ヘッダとを備え、入口ヘッダと出口ヘッダとがケーシングの下部に設けられている。入口ヘッダと出口ヘッダは、混合気体の自然循環の流量を決定する流動抵抗の主要因となりうる。従来の凝縮器では、入口ヘッダ又は出口ヘッダが、混合気体の流速が大きいケーシングの上部に配置されているため、この入口ヘッダ又は出口ヘッダによる流動抵抗が大きい。本発明による凝縮器では、入口ヘッダと出口ヘッダを、混合気体の流速が小さいケーシングの下部のみに配置し、入口ヘッダと出口ヘッダによる流動抵抗を小さくする。これにより、本発明による凝縮器は、自然循環によって流入する混合気体の流量を増大させることができる。

以下、本発明の実施例による凝縮器を説明する。以下の実施例では、凝縮性ガスとして蒸気を用い、非凝縮性ガスとして窒素を用いた場合を説明する。ただし、非凝縮性ガスには、凝縮性ガスよりも密度の大きいガスであれば、窒素以外のガスを用いることができる。例えば、凝縮性ガスが蒸気の場合には、非凝縮性ガスに空気を用いることができる。

（構成）
図１は、本発明の実施例１による凝縮器の縦断面図であり、本実施例による凝縮器の概略構成を表す図である。

図１に示すように、本実施例による凝縮器１００は、複数の伝熱管１ａ〜１ｄ、入口ヘッダ３ａ〜３ｄ、出口ヘッダ４ａ〜４ｄ、及び伝熱管を取り囲んで収納するケーシング２を備える。以下では、伝熱管１ａ〜１ｄ、入口ヘッダ３ａ〜３ｄ、及び出口ヘッダ４ａ〜４ｄをそれぞれ総称して、伝熱管１、入口ヘッダ３、及び出口ヘッダ４と称する。凝縮器１００は、図１では複数の伝熱管１を備えるが、伝熱管を１つだけ備えてもよい。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、本実施例では、ケーシング２の下方（ケーシング２の下端よりも下）に配置される。入口ヘッダ３は、それぞれが伝熱管１に接続し、出口ヘッダ４は、それぞれが伝熱管１に接続する。また、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、図２を用いて後述するように、それぞれ入口総ヘッダと出口総ヘッダに接続される。ケーシング２は、上端部と下端部に開口部を有する。

伝熱管１ａ〜１ｄは、鉛直方向（上下方向）に延伸する鉛直型であり、それぞれ入口ヘッダ３ａ〜３ｄに接続し、それぞれ出口ヘッダ４ａ〜４ｄに接続する。伝熱管１は、ケーシング２の下方にある入口ヘッダ３から上方向に延伸し、ケーシング２の上端領域にある第一Ｕ字部１１で曲がって下方向に延伸し、ケーシング２の下方にある出口ヘッダ４に接続する。本実施例による凝縮器１００では、伝熱管１は、入口ヘッダ３から延伸して第一Ｕ字部１１で曲がって下方向に延伸した後、ケーシング２の上端と下端との間にある第二Ｕ字部１２で曲がって再び上方向に延伸し、さらにケーシング２の上端領域にある第三Ｕ字部１３で曲がって再び下方向に延伸し、出口ヘッダ４に接続する。

第一Ｕ字部１１と第三Ｕ字部１３は、伝熱管１の延伸方向を上向きから下向きに変える部位であり、第二Ｕ字部１２は、伝熱管１の延伸方向を下向きから上向きに変える部位である。伝熱管１は、第一Ｕ字部１１、第二Ｕ字部１２、及び第三Ｕ字部１３で１８０°曲がるのが好ましいが、必ずしも１８０°曲がらなくてもよい。

本実施例による凝縮器１００では、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とがケーシング２の下方に設けられているため、伝熱管１は、鉛直方向に奇数回（本実施例では３回）延伸方向を変えている。伝熱管１の鉛直方向に延伸方向を変える回数は、奇数回であれば、１回でも３回以上でもよい。

本実施例による凝縮器１００では、このように入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とに接続された伝熱管１が、凝縮器１００の幅方向と奥行方向（図１の左右方向と紙面に垂直方向）に複数並べられている。

凝縮器１００において、第二Ｕ字部１２からケーシング２の下端までの空間を、下部チムニ５と呼ぶ。下部チムニ５の高さ（第二Ｕ字部１２からケーシング２の下端までの距離）をｈ_ｃで表す。下部チムニ５は、混合気体の自然循環の駆動力Ｆを増加させるための空間である。下部チムニ５の高さｈ_ｃは、大きい方がよいが、凝縮器１００の設置スペースなどに応じて決めることができる。また、ケーシング２の高さから下部チムニ５の高さｈ_ｃを引いた長さを伝熱管１の高さｈ_ｐと呼ぶ。すなわち、伝熱管１の高さｈ_ｐは、ケーシング２の上端から第二Ｕ字部１２までの距離である。

図２は、本実施例による凝縮器の上面図であり、本実施例による凝縮器の入口ヘッダ３と出口ヘッダ４の概略構成を表す図である。図２は、図１に示した凝縮器１００を、そのまま上から見た図である。なお、伝熱管１ａは、入口ヘッダ３ａと出口ヘッダ４ａとを接続するように配置されるが、図２では示していない。伝熱管１ｂ〜１ｄも、図２では示していない。

凝縮器１００は、入口総ヘッダ３０と出口総ヘッダ４０を備える。入口総ヘッダ３０は、凝縮器１００の水平方向の一端側に設けられ、出口総ヘッダ４０は、凝縮器１００の水平方向の他端側（入口総ヘッダ３０に対向する側）に設けられる。

入口総ヘッダ３０には、ケーシング２の下方に配置された入口ヘッダ３ａ〜３ｄが接続され、冷媒（例えば、冷却水やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ））が流入する。出口総ヘッダ４０には、ケーシング２の下方に配置された出口ヘッダ４ａ〜４ｄが接続され、出口ヘッダ４ａ〜４ｄから冷媒が流出する。入口総ヘッダ３０に流入した冷媒は、入口ヘッダ３ａ〜３ｄに分配され、伝熱管１ａ〜１ｄに流入する。伝熱管１ａ〜１ｄに流入し熱交換を行った後の冷媒は、出口ヘッダ４ａ〜４ｄに流出し、出口総ヘッダ４０に流出して集められ、外部の放熱源（図２に示さず）に移送される。なお、冷媒は、ポンプなどの動力により入口総ヘッダ３０、入口ヘッダ３、伝熱管１、出口ヘッダ４、及び出口総ヘッダ４０に流れる。

（動作）
図１を用いて、凝縮器１００の機能を説明する。本実施例では、凝縮器１００に、冷却対象の蒸気と非凝縮性ガスである窒素とを含む流体（混合気体）を供給して、蒸気を凝縮させる場合について説明する。混合気体は、ケーシング２の上端部にある開口部から凝縮器１００の内部に流入する。また、蒸気が凝縮して窒素のみとなった混合気体は、ケーシング２の下端部にある開口部から凝縮器１００の外部に流出する。

入口ヘッダ３から伝熱管１へ冷媒が供給されると、伝熱管１の外表面で蒸気が凝縮し、潜熱が冷媒に移動する。蒸気の凝縮により蒸気の体積が減少した分、凝縮器１００の周囲の窒素と蒸気が凝縮器１００の内部に吸い込まれる。蒸気が凝縮すると、非凝縮性ガスである窒素が伝熱管１の周囲に残留する。窒素の密度は蒸気の密度よりも大きいため、凝縮により蒸気の割合が低下するにつれて、蒸気と窒素の混合気体の密度は大きくなっていく。周囲より密度が大きくなった混合気体は、重力により凝縮器１００の内部を下方向に移動しながら、伝熱管１の外表面で蒸気が凝縮される。

伝熱管１は、混合気体がケーシング２の上端から第二Ｕ字部１２に到達するまでに混合気体に含まれる蒸気がすべて凝縮するように、長さや第二Ｕ字部１２の位置が設定されている。第二Ｕ字部１２の位置は、ケーシング２の上端から伝熱管１の高さｈ_ｐの距離だけ下に離れた位置にあり、伝熱管１の高さｈ_ｐは、ケーシング２の上端から下方向に移動してきた混合気体に含まれる蒸気がすべて凝縮するような距離である。伝熱管１の高さｈ_ｐは、伝熱管１と冷媒と混合気体の性質を基にして、具体的には、伝熱管１の材質、寸法、及び形状と、冷媒の流量、及び温度と、混合気体に含まれる非凝縮性ガスの体積割合とを用いて、定めることができる。

ケーシング２の上端から下方向に移動してきて第二Ｕ字部１２すなわち下部チムニ５の上端に到達した混合気体は、窒素のみを含んでおり、凝縮器１００に供給されたときよりも密度が大きくなっている。窒素は、重力により下部チムニ５を下方向に移動し、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４との間隙を通って凝縮器１００の外に流出する。窒素が凝縮器１００の下部から流出すると、凝縮器１００の内部の圧力が低下し、蒸気と窒素の混合気体が凝縮器１００の上部から内部に流入する。

このように、本実施例による凝縮器１００では、凝縮性ガス（蒸気）と凝縮性ガスよりも密度の大きい非凝縮性ガス（窒素）とを含む混合気体を、混合気体に含まれるガスの密度差を利用する自然循環によって、凝縮器１００の内部を上から下へ流すことができる。このため、混合気体に対してファン等の動力を用いずに、凝縮性ガスを凝縮器１００に流入させて凝縮させることができる。

この自然循環を引き起こす駆動力Ｆは、式（１）で表される。

Ｆ＝（ρ_Ｎ２−ρ_ｍ）ｇＨ ・・・（１）
ただし、ρ_Ｎ２は窒素の密度、ρ_ｍは混合気体の密度、ｇは重力加速度、Ｈは駆動力を発生させる有効高さである。

混合気体の密度ρ_ｍは、蒸気の密度ρ_ｓと混合気体に含まれる窒素の体積割合Ｖ（％）とを用いて、式（２）で表される。

ρ_ｍ＝ρ_Ｎ２×Ｖ／１００＋ρ_ｓ×（１−Ｖ／１００） ・・・（２）
有効高さＨは、図１に示した伝熱管１の高さｈ_ｐと下部チムニ５の高さｈ_ｃとを用いて式（３）で表される。ケーシング２の上端から第二Ｕ字部１２までの範囲（伝熱管１の高さｈ_ｐの範囲）で蒸気が均等に凝縮すると仮定すると、伝熱管１の高さｈ_ｐの半分の高さが駆動力Ｆに寄与することになる。下部チムニ５は、伝熱には寄与しない領域であるが、駆動力Ｆを増加させるために設けられている。

Ｈ＝ｈ_ｐ／２＋ｈ_ｃ ・・・（３）
凝縮器１００に流れる混合気体の流量を、自然循環によって必要なだけ確保できる場合には、混合気体を凝縮器１００へ送り込むためのファン等の動的機器が不要であり、設備を簡略化できる。

自然循環の駆動力Ｆは、式（１）に示す通り、窒素と混合気体の密度差（ρ_Ｎ２−ρ_ｍ）と有効高さＨとで決まるため、ファン等の動的機器を用いた場合のように動的機器の動力を増やして凝縮器１００への混合気体の流入量を増やすということはできない。自然循環による駆動力Ｆを増やさずに混合気体の流入量（自然循環による流量）を増加させるには、凝縮器１００の流動抵抗を減らすのが最も有効な手段である。

本実施例では、凝縮器１００の流動抵抗を低減するため、ケーシング２の上方から下方へ向かう混合気体の流れに沿って延伸する鉛直型の伝熱管１を用いる。鉛直型の伝熱管１は、混合気体の流れに直交して延伸する水平管を用いる場合よりも、伝熱管１で発生する流動抵抗を低減することができる。鉛直型の伝熱管１を用いる凝縮器の場合、伝熱管１に冷媒を分配する入口ヘッダ３と加熱された冷媒を集める出口ヘッダ４を、混合気体の流路である凝縮器の上下に配置するのが一般的である。複数の伝熱管１に冷媒を供給する入口ヘッダ３の直径と、複数の伝熱管１から冷媒を回収する出口ヘッダ４の直径は、伝熱管１の直径よりも大きく、ヘッダ３、４間の間隙は小さい。このため、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、混合気体の自然循環の流量を決定する流動抵抗の主要因となりうる。

本実施例による凝縮器１００は、入口ヘッダ３及び出口ヘッダ４をケーシング２の下方に備える。入口ヘッダ３に接続された伝熱管１は、上方向に延伸し、第一Ｕ字部１１で向きを変えて下方向に延伸し、第二Ｕ字部１２で向きを変えて上方向に延伸し、第三Ｕ字部１３で向きを変えて下方向に延伸し、出口ヘッダ４に接続する。ケーシング２の上端部にある開口部から凝縮器１００に流入した混合気体は、伝熱管１の外表面で凝縮性ガスである蒸気が凝縮し、非凝縮性ガスの窒素の割合が増加する。既に述べたように、混合気体に含まれる蒸気は、ケーシング２の上端から第二Ｕ字部１２に到達するまでにすべてが凝縮する。従って、下部チムニ５では、混合気体は、窒素のみからなり、凝縮器１００の周囲の混合気体よりも密度が大きい。このため、混合気体（窒素）は、重力によりケーシング２の下端部の開口部から凝縮器１００の外に流出する。そして、凝縮器１００には、ケーシング２の下端部の開口部から流出した混合気体の分だけ、ケーシング２の上端部の開口部から混合気体が流入するという自然循環が発生する。

本実施例による凝縮器１００は、流動抵抗の主要因となりうる入口ヘッダ３と出口ヘッダ４を、混合気体の流速が大きく流動抵抗が大きいケーシング２の上部に備えず、混合気体の流速が小さく流動抵抗が小さいケーシング２の下部のみに備える。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、実施例２でも述べるように、第二Ｕ字部１２よりも下のみに位置する。すなわち、ケーシング２の下部とは、ケーシング２の第二Ｕ字部１２よりも下の部分である。

混合気体の流速をケーシング２の上端部の開口部と下端部の開口部とで比較すると、下端部の開口部における流速の方が小さい。この理由は、凝縮器１００の内部で蒸気が凝縮することにより、混合気体は蒸気の分だけ体積が減少して窒素だけになったためである。例えば、窒素を体積割合で３０％含む混合気体の場合、ケーシング２の下端部の開口部における流速は、上端部の開口部における流速の３０％である。混合気体が大気圧で４００Ｋであり蒸気と体積割合で３０％の窒素とを含む場合、蒸気の密度が０．５５５ｋｇ／ｍ^３で窒素の密度が０．８５３ｋｇ／ｍ^３であるので、混合気体の密度は、０．６４４ｋｇ／ｍ^３となる。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とで発生する流動抵抗（圧力損失）は、密度と流速の２乗の積に比例する。

入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とを凝縮器１００の下方のみに配置した場合と、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とを凝縮器１００の上下に別々に配置した場合の圧力損失を比較する。

ヘッダ３、４を凝縮器１００の下方のみに配置した場合には、ヘッダ３、４を凝縮器１００の上下に別々に配置した場合と比べて、ヘッダ３、４における混合気体の流路面積の減少と、蒸気の凝縮による混合気体の体積の減少とを考慮して、混合気体の流速を見積もる必要がある。ヘッダ３、４を凝縮器１００の下方のみに配置したことでヘッダ３、４における混合気体の流路面積が半分に減少したと仮定すると、混合気体の流速は２倍になる。また、蒸気の凝縮により混合気体の体積が３０％に減少するので、混合気体の流速は３０％に減少する。これら２つの効果を考慮すると、ヘッダ３、４を凝縮器１００の下方のみに配置した場合の混合気体の流速は、ヘッダ３、４を凝縮器１００の上下に別々に配置した場合の６０％（２×３０％）となる。

窒素の密度が０．８５３ｋｇ／ｍ^３であり、混合気体の密度が０．６４４ｋｇ／ｍ^３であるので、窒素の密度は、混合気体の密度の１．３２倍である。

流動抵抗（圧力損失）は、密度と流速の２乗の積に比例するので、ヘッダ３、４を凝縮器１００の下方のみに配置した場合は、ヘッダ３、４を凝縮器１００の上下に別々に配置した場合と比較して、圧力損失は、１．３２×０．６×０．６＝０．４８であるので４８％に低くなる。駆動力Ｆが同じ場合、混合気体の自然循環の流量は、１．４倍となる。一般に流量は、圧力損失が低下したとき、圧力損失の低下割合（４８％）の平方根の逆数（０．４８^−１／２＝１．４）に比例して増加するからである。

（効果）
凝縮器１００の内外の混合気体の密度差で発生する自然循環の駆動力Ｆは小さいため、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４で発生する圧力損失が大きい場合には、自然循環による混合気体の流量が低下する。潜熱を利用して蒸気を凝縮する凝縮器１００の熱交換性能は、流入する蒸気量に依存する。このため、凝縮器１００に流入する蒸気量が極端に低下した場合には、凝縮器１００は、交換熱容量が十分であっても、流入する蒸気量が少ないために熱交換性能が低下する。従来の凝縮器において、要求される熱交換性能に見合う自然循環の流量を確保するには、ヘッダ３、４の間隔を拡げて圧力損失を低下させる必要がある。しかし、ヘッダ３、４の間隔を拡げるとケーシング２の開口部が大きくなり、凝縮器１００が大型化し、凝縮器１００の設置可能な場所が制限される。

本実施例による凝縮器１００は、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４を凝縮器１００の下方に配置することにより、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとを含む混合気体の自然循環の流量を増加させることができる。自然循環の流量が十分な場合は、凝縮器１００に要求される熱交換性能に必要な自然循環の流量を確保しつつ、伝熱管１及びヘッダ３、４の間隔を小さくすることにより、凝縮器１００を小型化できる。また、混合気体の自然循環の駆動力Ｆは必要な自然循環の流量が確保できる程度にまで小さくすることができるので、下部チムニ５の高さｈ_ｃを低くすることにより、凝縮器１００を小型化できる。凝縮器１００を小型化すれば、物量の低減により凝縮器１００の製作コストを低減できる。また、凝縮器１００の設置スペースが小さくなるため、凝縮器１００を設置可能な場所が増え、凝縮器１００の導入が容易となる。

また、混合気体の自然循環を利用しているため、凝縮器１００へ混合気体を送るファン等の動的機器が不要であり、凝縮器１００のメンテナンスが容易である。

（構成）
図３は、本発明の実施例２による凝縮器の縦断面図であり、本実施例による凝縮器の概略構成を表す図である。図３において、実施例１と同一の符号は、実施例１と同一または共通する要素を示し、これらの要素についての説明は省略する場合がある。

実施例２による凝縮器２００が実施例１による凝縮器１００と異なるのは、ケーシング２に設けられた入口ヘッダ３ａ〜３ｄと出口ヘッダ４ａ〜４ｄがケーシング２の側方でケーシング２の下部に配置される点と、伝熱管１ａ〜１ｄがそれぞれ入口側連絡部２３ａ〜２３ｄと出口側連絡部２４ａ〜２４ｄとを有する点である。入口側連絡部２３ａ〜２３ｄは、それぞれ入口ヘッダ３ａ〜３ｄに接続し、出口側連絡部２４ａ〜２４ｄは、それぞれ出口ヘッダ４ａ〜４ｄに接続する。入口側連絡部２３ａ〜２３ｄ、及び出口側連絡部２４ａ〜２４ｄをそれぞれ総称して、入口側連絡部２３、及び出口側連絡部２４と呼ぶ。

入口ヘッダ３、出口ヘッダ４、入口側連絡部２３、及び出口側連絡部２４は、ケーシング２の下部のみに配置され、第二Ｕ字部１２よりも下のみに位置する。すなわち、入口ヘッダ３、出口ヘッダ４、入口側連絡部２３、及び出口側連絡部２４の高さ方向の位置は、下部チムニ５の高さｈ_ｃと同じ位置かこれよりも低い位置にある。従って、入口側連絡部２３と出口側連絡部２４は、下部チムニ５の内部にある。混合気体に含まれる蒸気は、ケーシング２の上端から下方向に移動してきて第二Ｕ字部１２に到達するまでに（すなわち、伝熱管１の高さｈ_ｐの距離だけ移動する間に）すべてが凝縮する。入口ヘッダ３、出口ヘッダ４、入口側連絡部２３、及び出口側連絡部２４は、すべての蒸気が凝縮した第二Ｕ字部１２よりも下に配置する。

なお、図３には示していないが、本実施例による凝縮器２００は、実施例１による凝縮器１００と同様に入口総ヘッダと出口総ヘッダとを備える。入口総ヘッダは、入口ヘッダ３ａ〜３ｄが接続され、冷媒を入口ヘッダ３ａ〜３ｄに分配する。出口総ヘッダ４０は、出口ヘッダ４ａ〜４ｄが接続され、出口ヘッダ４ａ〜４ｄから冷媒が流出する。

入口側連絡部２３と出口側連絡部２４は、伝熱管１の延伸方向を上下方向（鉛直方向）から水平方向に変える部位である。伝熱管１は、入口ヘッダ３から入口側連絡部２３で水平方向に延伸した後、曲がって上方向に延伸し、第一Ｕ字部１１で曲がって下方向に延伸し、第二Ｕ字部１２で曲がって上方向に延伸し、第三Ｕ字部１３で曲がって下方向に延伸し、曲がって出口側連絡部２４で水平方向に延伸し、出口ヘッダ４に接続する。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４の数は、ともに伝熱管１の数と同じである。例えば、図３に示すように、幅方向（図３の左右方向）に４本の伝熱管１を配置すると、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４の数は、ともに４つである。

本実施例による凝縮器２００では、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とがケーシング２の下部に設けられているため、伝熱管１は、鉛直方向に奇数回（本実施例では３回）延伸方向を変えている。伝熱管１の鉛直方向に延伸方向を変える回数は、奇数回であれば、１回でも３回以上でもよい。

入口ヘッダ３ａ〜３ｄと出口ヘッダ４ａ〜４ｄのうち、入口ヘッダ３ａ、３ｂと出口ヘッダ４ａ、４ｂは、ケーシング２の幅方向の一側方に配置され、入口ヘッダ３ｃ、３ｄと出口ヘッダ４ｃ、４ｄは、ケーシング２の幅方向の他側方に配置される。入口ヘッダ３と出口ヘッダ４は、鉛直方向に交互に配置される。例えば、図３に示すように、ケーシング２の幅方向の一側方では、上から入口ヘッダ３ａ、出口ヘッダ４ａ、入口ヘッダ３ｂ、出口ヘッダ４ｂの順に配置され、他側方では、上から入口ヘッダ３ｄ、出口ヘッダ４ｄ、入口ヘッダ３ｃ、出口ヘッダ４ｃの順に配置される。

伝熱管１は、位置がケーシング２の中央部から外周部に近づくにつれて、より上側にある入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とに接続する。すなわち、ケーシング２の外周部に近い位置にある伝熱管１ほど、鉛直方向のより上側にある入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とに接続する。例えば、図３に示すように、ケーシング２の最も外周部に近い位置にある伝熱管１ａ（１ｄ）は、最も上側にある入口ヘッダ３ａ（３ｄ）と出口ヘッダ４ａ（４ｄ）とに接続する。そして、伝熱管１ａ（１ｄ）の次にケーシング２の外周部に近い位置にある伝熱管１ｂ（１ｃ）は、上から２番目にある入口ヘッダ３ｂ（３ｃ）と出口ヘッダ４ｂ（４ｃ）とに接続する。

なお、凝縮器２００の内部には、図３の奥行方向（紙面に垂直方向）にも複数の伝熱管１が配置されている。奥行方向に配置された伝熱管１も、幅方向でケーシング２の外周部に近い位置にある伝熱管１ほど、鉛直方向の上側にある入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とに接続する。そして、幅方向でケーシング２の外周部から同じ距離の位置にある伝熱管１は、同じ高さの位置にある入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とに接続する。従って、１つの入口ヘッダ３と１つの出口ヘッダ４には、奥行方向の数だけの伝熱管１が接続される。

（動作）
本実施例による凝縮器２００は、実施例１による凝縮器１００と同様に、ケーシング２の上端部にある開口部から蒸気と窒素の混合気体が流入し、入口ヘッダ３から伝熱管１に供給された冷媒との熱交換によって混合気体に含まれる蒸気が凝縮して、ケーシング２の下端部にある開口部から窒素が流出する。これにより、混合気体の自然循環が形成され、混合気体と冷媒との熱交換を継続的に行うことができる。

（効果）
本実施例による凝縮器２００では、実施例１による凝縮器１００と異なり、鉛直方向に延伸する伝熱管１は、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４に向かってそれぞれ水平方向に延伸する入口側連絡部２３と出口側連絡部２４を有するため、これらの連絡部２３、２４が新たな流動抵抗として加わる。しかし、入口側連絡部２３と出口側連絡部２４は下部チムニ５の内部にあり、下部チムニ５は、蒸気が凝縮して混合気体が窒素だけからなり、混合気体の体積が減少して流速が低下している領域である。このため、密度と流速の２乗の積に比例する流動抵抗（圧力損失）は、小さくなる。

また、入口ヘッダ３及び出口ヘッダ４は、複数の伝熱管１に対して冷媒の供給と回収をするために冷媒の流量が多く、一般的に伝熱管１（入口側連絡部２３と出口側連絡部２４を含む）よりも直径が大きい。この直径の大きいヘッダ３、４をケーシング２の側方に配置することで、ケーシング２の下端部にある開口部での混合気体（窒素）の流路面積を拡げることができる。すなわち、本実施例による凝縮器２００では、直径の大きいヘッダ３、４をケーシング２の下方に配置した場合と比べて窒素の流路面積が広がっているため、圧力損失は小さくなる。

以上のことから、入口側連絡部２３と出口側連絡部２４によって発生する圧力損失は、ヘッダ３、４をケーシング２の下方に配置した場合と比べて、大幅に低減できる。

本実施例による凝縮器２００は、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４をケーシング２の側方の下部に配置することにより、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとを含む混合気体の自然循環の流量を増加させることができる。自然循環の流量が十分な場合は、凝縮器２００に要求される熱交換性能に必要な自然循環の流量を確保しつつ、伝熱管１の間隔を小さくすることにより、凝縮器２００を小型化できる。凝縮器２００を小型化すれば、物量の低減により凝縮器２００の製作コストを低減できる。また、凝縮器２００の設置スペースが小さくなるため、凝縮器２００を設置可能な場所が増え、凝縮器２００の導入が容易となる。

（構成）
図４は、本発明の実施例３において、凝縮器が備える伝熱管２１の概略構成を示す図である。図４では、伝熱管２１の一部のみを示している。本実施例では、伝熱管２１が液膜飛散リング１５を備える。液膜飛散リング１５は、伝熱管２１の外表面に設けられた突起部であり、伝熱管２１の周方向に環状に延在する。また、伝熱管２１には、複数の液膜飛散リング１５を設けるのが好ましい。複数の液膜飛散リング１５は、伝熱管２１の長さ方向に任意の間隔で配置される。液膜飛散リング１５は、伝熱管２１の外表面に形成された凝縮液膜７を排除する。

（動作）
図５は、液膜飛散リング１５を持たない伝熱管１の外表面に形成された凝縮液膜７を示す図である。外表面で凝縮性ガスを凝縮させる伝熱管１では、凝縮性ガスが凝縮してできた液膜である凝縮液膜７が伝熱管１の外表面に形成され、この凝縮液膜７が大きな熱抵抗となる。伝熱管１が上下方向（鉛直方向）に延在する鉛直管型の場合には、伝熱管１の外表面に形成された凝縮液膜７は、伝熱管１の外表面を流下する。凝縮液膜７が流下する間にも凝縮性ガスが凝縮するので、凝縮液膜７は、流下しつつ厚さが増加し、熱抵抗がさらに増加する。このため、一般的に、鉛直管型の伝熱管１は、下部で伝熱性能が低下する。

図４に示すように、本実施例での凝縮器が備える伝熱管２１は、液膜飛散リング１５を備え、液膜飛散リング１５により凝縮液膜７を伝熱管２１の外表面から離して落下させることができる。このようにして、本実施例での凝縮器では、伝熱管２１から凝縮液膜７を排除することができ、凝縮液膜７による熱抵抗を低減して、伝熱管２１の伝熱性能を向上させることができる。

また、伝熱管の伝熱性能を向上させるためには、伝熱管の外表面に公知の撥水加工を施してもよい。外表面に撥水加工を施した伝熱管も、伝熱管から凝縮液膜７を排除することができ、凝縮液膜７による熱抵抗を低減して、伝熱管の伝熱性能を向上させることができる。

（効果）
本実施例での凝縮器では、伝熱性能の高い伝熱管２１を備えるので、凝縮性ガスの凝縮に必要な伝熱管２１の長さを短くすることができる。すなわち、凝縮性ガスの凝縮に必要な伝熱面積を低減できるので、凝縮器の小型化が可能である。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１、１ａ〜１ｄ…伝熱管、２…ケーシング、３、３ａ〜３ｄ…入口ヘッダ、４、４ａ〜４ｄ…出口ヘッダ、５…下部チムニ、７…凝縮液膜、１１…第一Ｕ字部、１２…第二Ｕ字部、１３…第三Ｕ字部、１５…液膜飛散リング、２１…伝熱管、２３、２３ａ〜２３ｄ…入口側連絡部、２４、２４ａ〜２４ｄ…出口側連絡部、３０…入口総ヘッダ、４０…出口総ヘッダ、１００、２００…凝縮器。

Claims (6)

1. 鉛直方向に延伸し、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとの混合気体に含まれる凝縮性ガスを凝縮させる複数の伝熱管と、
   前記伝熱管を収納し、上端部と下端部に開口部を有するケーシングと、
   それぞれが前記伝熱管に接続され、前記伝熱管に冷媒を供給する複数の入口ヘッダと、
   それぞれが前記伝熱管に接続され、前記伝熱管から前記冷媒を回収する複数の出口ヘッダと、を備え、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記ケーシングの下部に配置されている、
   ことを特徴とする凝縮器。
2. 前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記ケーシングの上端から前記伝熱管と前記冷媒と前記混合気体との性質を基にして定めた距離だけ下に離れた位置よりも、下に位置する請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記ケーシングの下端よりも下に位置する請求項１に記載の凝縮器。
4. 前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、前記ケーシングの側方に位置する請求項１に記載の凝縮器。
5. 前記入口ヘッダと前記出口ヘッダは、鉛直方向に交互に配置され、
   前記伝熱管は、前記ケーシングの外周部に近い位置にあるほど、鉛直方向のより上側にある前記入口ヘッダと前記出口ヘッダとに接続する請求項４に記載の凝縮器。
6. 前記伝熱管は、周方向に環状に延在する突起部を外表面に備える請求項１から５のいずれか１項に記載の凝縮器。

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