JP2017009196A - 蒸発器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル装置の成績係数を向上させるための技術を提供する。【解決手段】蒸発器（２１）は、容器（４０）、流入口（４５）、流出口（４６）、障壁（４１）、及び充填材（４３）を備えている。障壁（４１）は、容器（４０）の内部に配置され、容器（４０）の内部空間を流入口（４５）を含む第１空間（５１）と流出口（４６）を含む第２空間（５２）とに仕切っている。充填材（４３）は、第１空間（５１）に配置され、冷媒液の流れを阻害しつつ冷媒液の透過を許容する。【選択図】図２

Description

本開示は、蒸発器及び冷凍サイクル装置に関する。

従来、冷凍サイクル装置の冷媒として代替フロンが使用されている。しかし、代替フロンの地球温暖化効果は大きく、環境負荷が小さい他の冷媒への転換が急務となっている。フロン系冷媒に代わる新たな冷媒として、水、二酸化炭素などのノンフロン系冷媒（自然冷媒）が提案されている。特許文献１には、冷媒として水を用いた冷凍サイクル装置が開示されている。

図７に示すように、特許文献１に記載の冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、連結配管１３０及び連結配管１５０を備えている。蒸発器１１０の上部は、連結配管１３０によって凝縮器１２０の上部に接続されている。連結配管１３０には、圧縮機１４０が設けられている。蒸発器１１０の下部は、連結配管１５０によって凝縮器１２０の下部に接続されている。冷凍サイクル装置１００には、膨張弁が設けられていない。凝縮器１２０から蒸発器１１０へと戻される水の量は、凝縮器１２０の凝縮圧力と蒸発器１１０の蒸発圧力との差圧によって決まる。

特開２００６−９７９８９号公報

特許文献１に記載された冷凍サイクル装置は、膨張弁を必要としないので、コスト、信頼性などの面で有利である。しかし、膨張弁を省略することは、冷凍サイクル装置の成績係数（ＣＯＰ）の大幅な低下を招く可能性がある。

本開示は、冷凍サイクル装置の成績係数を向上させるための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
常温における飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクルに用いられ、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器であって、
前記冷媒液を貯留するための内部空間を有する容器と、
前記冷媒液を前記容器に流入させるための流入口と、
前記冷媒液を前記容器の外部へ流出させるための流出口と、
前記容器の内部に配置され、前記容器の前記内部空間を前記流入口を含む第１空間と前記流出口を含む第２空間とに仕切る障壁と、
前記冷媒液が前記第１空間と前記第２空間との間で移動することを許容する構造と、
前記第１空間に配置され、前記冷媒液の流れを阻害しつつ前記冷媒液の透過を許容する充填材と、
を備えた、蒸発器を提供する。

上記の技術によれば、冷凍サイクル装置の成績係数を向上させることができる。

図１は、実施形態１にかかる冷凍サイクル装置の構成図である。 図２は、図１に示す冷凍サイクル装置に使用された蒸発器の構成図である。 図３は、実施形態２にかかる蒸発器の構成図である。 図４は、実施形態３にかかる蒸発器の構成図である。 図５は、実施形態４にかかる蒸発器の構成図である。 図６は、実施形態５にかかる蒸発器の構成図である。 図７は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。

特許文献１に記載された冷凍サイクル装置に関して、本発明者らは、膨張弁を省略することが成績係数の低下を招く原因を調べた。その結果、以下の現象が原因の１つであることを突き止めた。すなわち、連結配管を通じて凝縮器から蒸発器へと送られる冷媒液の温度は、蒸発器に貯留された冷媒液の温度よりも高い。そのため、連結配管を通じて蒸発器に流入した冷媒液（以下、「凝縮液」とも称する）は、蒸発器に貯留された冷媒液の液面に向かって進む。その過程において、凝縮液は、周囲の冷媒液の飽和温度を超えて急激に沸騰（突沸）することがある。沸騰によって蒸気（気泡）が発生すると、圧縮機に吸入される冷媒蒸気の量が急増して圧縮機の仕事が増大し、ひいてはシステムの成績係数が低下する。システムの成績係数の大幅な低下を防止するためには、凝縮液の沸騰を抑制するための技術が必要である。

本開示の第１態様にかかる蒸発器は、
常温における飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクルに用いられ、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器であって、
前記冷媒液を貯留するための内部空間を有する容器と、
前記冷媒液を前記容器に流入させるための流入口と、
前記冷媒液を前記容器の外部へ流出させるための流出口と、
前記容器の内部に配置され、前記容器の前記内部空間を前記流入口を含む第１空間と前記流出口を含む第２空間とに仕切る障壁と、
前記冷媒液が前記第１空間と前記第２空間との間で移動することを許容する構造と、
前記第１空間に配置され、前記冷媒液の流れを阻害しつつ前記冷媒液の透過を許容する充填材と、
を備えたものである。

蒸発器の内部における飽和温度は、水頭圧の低下のため、冷媒液の液面に近づくにつれて低下する。そのため、液面に近づけば近づくほど凝縮液の沸騰が起こりやすい。第１態様の蒸発器によれば、流入口と冷媒液の液面との間に充填材が存在する。つまり、凝縮液の流路に流れを妨げる充填材が配置されている。そのため、凝縮液が充填材に衝突しながら液面に向かって進む。これにより、第１空間での凝縮液の滞留時間を増やすことができる。したがって、凝縮液は、周囲の冷媒液と均一に混ざりながら冷却され、蒸発器の内部における飽和温度を超えることなく液面に到達しうる。その結果、蒸発器に貯留された冷媒液中で急激な沸騰が起こることを防止できる。蒸気（気泡）の発生が防止されるため、圧縮機の仕事を減らすことができる。その結果、システムのＣＯＰも向上する。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる蒸発器の前記構造は、前記障壁に形成された貫通孔を含む。貫通孔の位置、大きさ、数などが最適化されるように障壁を設計することによって、流入口を通じて導入された凝縮液の突沸をより効果的に防ぐことができる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる蒸発器の前記構造は、鉛直方向における前記障壁の上端と前記容器の内面との間に形成された空間を含む。このような構造は、第２空間に貯留された冷媒液の温度を低温に保つのに有利である。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つにかかる蒸発器の前記第１空間には、複数の前記充填材が配置されている。第４態様によれば、凝縮液は、複数の充填材の隙間をぬって液面に向かって進む。複数の充填材が凝縮液の流路に存在するので、凝縮液は鉛直方向だけでなく、水平方向にも流れやすい。水平方向に関する流動距離の増加によって、第１空間における凝縮液の滞留時間も増加する。したがって、凝縮液と周囲の冷媒液との間の熱交換が促進される。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかる蒸発器は、前記第１空間に配置され、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面に向かう方向に前記充填材が移動することを妨げる障害部材をさらに備える。第５態様によれば、凝縮液の流れによって充填材が動いて第１空間で偏ることを防止できる。また、凝縮液が障害物に衝突することなく液面に到達できる経路が第１空間に形成されることを防止できる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる蒸発器の前記充填材は、前記流入口から前記構造への前記冷媒液の流路上に配置されている。第５実施形態によれば、充填材による効果をより十分に得ることができる。

本開示の第７態様にかかる冷凍サイクル装置は、第１〜第６態様のいずれか１つの蒸発器を備えたものである。

本開示の第８態様において、例えば、第７態様にかかる冷凍サイクル装置は、前記蒸発器で生成された前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器と前記蒸発器とを接続している連結配管と、をさらに備え、前記連結配管の一端が前記蒸発器の前記流入口に接続されている。

本開示の第９態様において、例えば、第７又は第８態様にかかる冷凍サイクル装置は、熱交換器を有し、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を前記熱交換器を経由して循環させる吸熱回路をさらに備え、前記吸熱回路の上流端が前記流出口に接続されている。

第７〜第９態様によれば、改良された蒸発器を使用することに基づいて、冷凍サイクル装置のＣＯＰを向上させる効果が得られる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態の冷凍サイクル装置１は、蒸発器２１、圧縮機３１、凝縮器１１、蒸気経路３２及び連結配管３３を備えている。凝縮器１１及び蒸発器２１には、それぞれ、放熱回路１０及び吸熱回路２０が接続されている。蒸発器２１で生成した冷媒蒸気（気相の冷媒）が圧縮機３１に送られて圧縮されたのち、蒸気経路３２を経由して凝縮器１１に供給される。

冷凍サイクル装置１には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）における飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）である冷媒が循環している。そのような特徴を有する冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。冷凍サイクル装置１の運転時において、冷凍サイクル装置１の内部の圧力は大気圧よりも低い。例えば、冷媒として水を用いて冷房運転を行う場合、凝縮器１１における冷媒の温度及び凝縮器１１の内部の圧力は３７℃で６．２８ｋＰａＡであり、蒸発器２１における冷媒の温度及び蒸発器２１の内部の圧力は５℃で０．８７ｋＰａＡである。「主成分」は、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

放熱回路１０は、凝縮側冷媒循環ポンプ１２、放熱用熱交換器１３及び凝縮側冷媒循環配管１４ａ〜１４ｃを備えている。放熱回路１０の上流端（凝縮側冷媒循環配管１４ａの一端）が凝縮器１１の底部に接続されている。放熱回路１０の下流端（凝縮側冷媒循環配管１４ｃの一端）が凝縮器１１の上部に接続されている。凝縮器１１、凝縮側冷媒循環ポンプ１２及び放熱用熱交換器１３は、凝縮側冷媒循環配管１４ａ〜１４ｃによって、この順番で接続されている。

凝縮器１１において、圧縮機３１で圧縮された冷媒蒸気（気相の冷媒）が冷却され、冷媒液（液相の冷媒）が生成される。冷媒液は、凝縮器１１に凝縮液として貯留される。凝縮器１１は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。凝縮側冷媒循環ポンプ１２は、凝縮器１１の出口と放熱用熱交換器１３の入口との間において放熱回路１０に設けられている。凝縮側冷媒循環ポンプ１２によって、凝縮器１１に貯留された冷媒液が放熱用熱交換器１３に圧送される。

放熱用熱交換器１３は、シェルアンドチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器によって形成されている。冷凍サイクル装置１が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、放熱用熱交換器１３は室外に設置される。放熱用熱交換器１３において、冷媒は、室外の空気に放熱する。

吸熱回路２０は、蒸発側冷媒循環ポンプ２２、吸熱用熱交換器２３及び蒸発側冷媒循環配管２４ａ〜２４ｃを備えている。吸熱回路２０の上流端（蒸発側冷媒循環配管２４ａの一端）が蒸発器２１の底部に接続されている。吸熱回路２０の下流端（蒸発側冷媒循環配管２４ｃの一端）が蒸発器２１の中間部に接続されている。蒸発器２１、蒸発側冷媒循環ポンプ２２及び吸熱用熱交換器２３が、蒸発側冷媒循環配管２４ａ〜２４ｃによって、この順番で接続されている。

蒸発器２１には、冷媒液が貯留されている。冷媒液を蒸発器２１で蒸発させることによって、圧縮機３１で圧縮するべき冷媒蒸気が生成される。蒸発器２１は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。蒸発側冷媒循環ポンプ２２は、蒸発器２１の冷媒液流出口（後述する第１流出口４６）と吸熱用熱交換器２３の入口との間において吸熱回路２０に設けられている。蒸発側冷媒循環ポンプ２２によって、蒸発器２１に貯留された冷媒液が吸熱用熱交換器２３に圧送される。

吸熱用熱交換器２３は、シェルアンドチューブ熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの熱交換器によって形成されている。冷凍サイクル装置１が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、吸熱用熱交換器２３は室内に設置される。吸熱用熱交換器２３において、冷媒は、室内の空気から吸熱する。

本実施形態において、蒸発器２１は、吸熱用熱交換器２３で加熱された冷媒液を内部で直接的に蒸発させる熱交換器である。蒸発器２１に貯留された冷媒液は、吸熱回路２０を循環して蒸発器２１に戻された冷媒液と直接接触する。蒸発側冷媒循環配管２４ｃの下流端は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも鉛直方向の下方の位置において蒸発器２１に接続されている。

蒸気経路３２には圧縮機３１が配置されている。蒸気経路３２の上流部分３２ａによって、蒸発器２１の上部が圧縮機３１の吸入口に接続されている。蒸気経路３２の下流部分３２ｂによって、圧縮機３１の吐出口が凝縮器１１の上部に接続されている。圧縮機３１は、ターボ圧縮機又は容積式圧縮機である。蒸気経路３２には、複数の圧縮機が設けられていてもよい。圧縮機３１は、蒸気経路３２の上流部分３２ａを通じて蒸発器２１から冷媒蒸気を吸い込み、圧縮する。圧縮機３１において圧縮された冷媒蒸気は、蒸気経路３２の下流部分３２ｂを通じて凝縮器１１に供給される。

連結配管３３（液戻し経路）は、凝縮器１１の下部と蒸発器２１の下部とを接続している。凝縮器１１で凝縮した冷媒（凝縮液）は、連結配管３３を経由して蒸発器２１に送られる。本実施形態において、連結配管３３には流量調整弁が配置されていない。流量調整弁を省略すると、高精度の制御のために必要な計測器類及び制御機器を省略できるので、コストを大幅に削減できる。また、機器の故障の頻度を低減できるので、冷凍サイクル装置１の信頼性も高まる。連結配管３３における冷媒液の流量は、凝縮器１１の内部の凝縮圧力と蒸発器２１の内部の蒸発圧力との差圧に相当する水位差が確保されるように調節される。「水位差」は、基準面から蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面までの高さと、基準面から凝縮器１１に貯留された冷媒液の液面までの高さとの間の差を意味する。

例えば、冷媒として水を用いて冷房運転を行う場合、凝縮器１１における冷媒の温度及び凝縮器１１の内部の圧力は３７℃で６．２８ｋＰａＡであり、蒸発器２１における冷媒の温度及び蒸発器２１の内部の圧力は５℃で０．８７ｋＰａＡである。凝縮器１１と蒸発器２１との差圧は５．４１ｋＰａＡである。この差圧を水位差に換算すると約５４．１ｃｍである。凝縮器１１の容器の仕様及び蒸発器２１の容器の仕様（例えば、容積）は、運転時の水位差及び運転停止時の均圧下における冷媒液の液面の位置を考慮に入れて決定されうる。

次に、蒸発器２１の構造を詳細に説明する。

図２に示すように、蒸発器２１は、容器４０（蒸発器本体）、障壁４１及び充填材４３を備えている。容器４０には、第１流入口４５、第２流入口４７、第１流出口４６及び第２流出口４８が設けられている。第１流入口４５に連結配管３３が接続されている。第２流入口４７に蒸発側冷媒循環配管２４ｃが接続されている。第１流出口４６に蒸発側冷媒循環配管２４ａが接続されている。第２流出口４８に蒸気経路３２の上流部分３２ａ（配管）が接続されている。

容器４０は、冷媒液を貯留するための内部空間を有する。第１流入口４５及び第１流出口４６は、それぞれ、容器４０の底部に設けられている。第１流入口４５は、例えば、液面までの距離を最大限に確保できる位置（例えば、容器４０の底面）において容器４０の内部空間に向かって開口している。第１流出口４６は、例えば、液面までの距離を最大限に確保できる位置（例えば、容器４０の底面）において容器４０の内部空間に向かって開口している。第１流入口４５は、冷媒液を容器４０に流入させるための開口部である。詳細には、第１流入口４５は、連結配管３３を通じて凝縮器１１から供給された相対的に高温の冷媒液（凝縮液）を容器４０に流入させるための開口部である。第１流出口４６は、冷媒液を容器４０の外部へ流出させるための開口部である。詳細には、第１流出口４６は、容器４０に貯留された冷媒液を吸熱回路２０に循環させるための開口部である。

第１流入口４５は、望ましくは、容器４０の最も低い位置に設けられている。この場合、凝縮液により十分な水頭圧が加わるとともに、第１流入口４５から液面までの距離を最大限に稼ぐことができる。

第２流入口４７は、容器４０の中間部に設けられている。第２流入口４７も冷媒液を容器４０に流入させるための開口部である。詳細には、第２流入口４７は、吸熱回路２０から容器４０に冷媒液を流入させるための開口部である。第２流入口４７の位置は、例えば、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも鉛直方向の下方に位置するように定められている。ただし、第２流入口４７が液面よりも上方に位置していてもよい。第２流出口４８は、容器４０の上部に設けられている。言い換えれば、第２流出口４８は、液面よりも上方の部分に設けられている。第２流出口４８は、冷媒蒸気を容器４０の外部へ流出させるための開口部である。詳細には、第２流出口４８は、容器４０の内部空間で発生した冷媒蒸気を圧縮機３１に供給するための開口部である。

本実施形態によれば、第１流入口４５が容器４０の底部に設けられているので、凝縮液が液面の下方に戻される。これにより、フラッシュガスの発生を防止できる。同様に、第２流入口４７が容器４０の中間部に設けられているので、吸熱回路２０で加熱された冷媒液が液面の下方に戻される。これにより、フラッシュガスの発生を防止できる。このことは、圧縮機３１がターボ圧縮機であるときに特に重要である。微細な液滴を含むフラッシュガスがターボ圧縮機に直接吸い込まれないようにすると、ターボ圧縮機のインペラのエロージョンを防止することができる。

障壁４１は、容器４０の内部に配置されている。障壁４１は、容器４０の内部空間を第１流入口４５を含む第１空間５１と第１流出口４６を含む第２空間５２とに仕切る部分である。言い換えれば、第１流入口４５は第１空間５１に面している。第１流出口４６は第２空間５２に面している。第１流入口４５と第１流出口４６とが障壁４１で隔てられている。第２流入口４７は第１空間５１に面している。第２流出口４８は第１空間５１に面していてもよいし、第２空間５２に面していてもよい。障壁４１は、容器４０と分離できない部分であってもよいし、容器４０から分離できる部分であってもよい。また、障壁４１は、冷媒液が第１空間５１と第２空間５２との間で移動することを許容する構造を有する。本実施形態において、障壁４１は、容器４０の底部から上部に向かって延びている。障壁４１の下端は容器４０に接している。障壁４１の上端は、容器４０から離れている。障壁４１の上端よりも上方において、第１空間５１と第２空間５２とが連通している。冷媒液の液面よりも上部の空間には冷媒蒸気が貯留される。

障壁４１は、例えば、板状の部材で形成されている。鉛直方向における障壁４１の高さは、例えば、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも鉛直方向の下方に位置するように定められている。つまり、蒸発器２１は、冷媒液が第１空間５１と第２空間５２との間で移動することを許容する構造を有している。そのような構造は、鉛直方向における障壁４１の上端と容器４０の内面との間に確保された空間を含む。冷媒液は、障壁４１を乗り越えて、第１空間５１から第２空間５２に向かう方向（又はその逆方向）に移動できる。このような構造は、第２空間５２に貯留された冷媒液の温度を低温に保つのに有利である。

障壁４１には、冷媒液が第１空間５１と第２空間５２との間で移動することを許容する構造として、１又は複数の貫通孔４１ｈが形成されていてもよい。この場合、貫通孔４１ｈを通じて、冷媒液が第１空間５１と第２空間５２との間で移動できるので、障壁４１の上端は、蒸発器２１に貯留された冷媒液の液面よりも鉛直方向の上方に位置していてもよいし、下方に位置していてもよい。貫通孔４１ｈの位置、大きさ、数などが最適化されるように障壁４１を設計することによって、第１流入口４５を通じて導入された凝縮液の突沸をより効果的に防ぐことができる。貫通孔４１ｈを有する障壁４１として、パンチング材、スリットを有する板材などを使用できる。

蒸発器２１は、障壁４１を乗り越えた冷媒液のみが第１空間５１と第２空間５２との間で移動できるように構成されていてもよい。障壁４１に１又は複数の貫通孔４１ｈが形成されている場合、蒸発器２１は、貫通孔４１ｈのみを通じて第１空間５１と第２空間５２との間で冷媒液が移動できるように構成されていてもよい。もちろん、これらの構成が組み合わされていてもよい。

充填材４３は、容器４０の内部に配置されている。詳細には、充填材４３は、第１空間５１に配置されている。障壁４１によって、充填材４３が第１空間５１から第２空間５２へと移動することが禁止されている。本実施形態では、充填材４３は、第１空間５１のみに配置されている。充填材４３は、冷媒液の流れを阻害しつつ冷媒液の透過を許容する。詳細には、充填材４３は、第１流入口４５から障壁４１の上方の空間（冷媒液が第１空間５１と第２空間５２との間で移動することを許容する構造）への冷媒液の流路上に配置されている。あるいは、充填材４３は、第１流入口４５から貫通孔４１ｈへの冷媒液の流路上に配置されている。つまり、充填材４３は、第１空間５１から第２空間５２への冷媒液の流れを阻害する。

一例において、充填材４３は、網、パンチング構造を有する多孔質部材などで形成されている。充填材４３の材料は特に限定されない。充填材４３は、金属、樹脂、セラミック、ガラスなどで作られている。特に、空隙率が小さく比表面積が大きい多孔質部材で充填材４３が形成されていると、凝縮液に対する伝熱面積が増大するため、充填材４３と凝縮液との間で効率的な熱交換を行うことが可能である。その結果、第１流入口４５を通じて蒸発器２１に供給された凝縮液の温度を効率的に下げることができる。

本実施形態の蒸発器２１によれば、連結配管３３及び第１流入口４５を通じて、凝縮液が凝縮器１１から蒸発器２１の第１空間５１に流入する。凝縮液は、比重差に基づき、第１空間５１を液面に向かって進み、周囲の冷媒液と均一に混ざりながら冷却される。凝縮液は、蒸発器２１の内部における冷媒液の飽和温度を超えることなく液面に達する。蒸発器２１に貯留された冷媒液は単一の液相であり、沸騰は起こりにくい。したがって、吸熱用熱交換器２３において伝熱に寄与しない蒸気（気泡）の発生が防止される。その結果、圧縮機３１の仕事を減らすことができ、冷凍サイクル装置１のＣＯＰも向上する。

また、障壁４１の働きにより、比較的高温の冷媒液が吸熱回路２０に直接流れ込むことを防止できるので、吸熱用熱交換器２３の伝熱効率が向上する。仮に、第１空間５１で気泡がわずかに発生したとしても、気泡が吸熱回路２０に直接流れ込みにくいので、蒸発側冷媒循環ポンプ２２が気泡を吸い込むことも防止される。さらに、第１流入口４５と冷媒液の液面との間に充填材４３が存在する、つまり、凝縮液の流路に凝縮液の流れを妨げる充填材４３が配置されている。そのため、凝縮液が充填材４３に衝突しながら液面に向かって進む。凝縮液の第１空間５１での滞留時間を増やすことができるので、凝縮液と周囲の冷媒液との均一な混合が促進されうる。

以下、蒸発器の他のいくつかの実施形態について説明する。技術的な矛盾が生じない限り、各実施形態の蒸発器の構成は、他の実施形態の蒸発器に組み合わせることができる。各実施形態の蒸発器に関する説明は、他の実施形態の蒸発器にも適用されうる。

（実施形態２）
図３に示すように、本実施形態の蒸発器２１Ｂは、第１空間５１に配置された複数の充填材４３を有する。

本実施形態によれば、凝縮液は、複数の充填材４３の隙間をぬって液面に向かって進む。複数の充填材４３が凝縮液の流路に存在するので、凝縮液は鉛直方向だけでなく、水平方向にも流れやすい。水平方向に関する流動距離の増加によって、第１空間５１における凝縮液の滞留時間も増加する。したがって、凝縮液と周囲の冷媒液との間の熱交換が促進される。本実施形態によれば、凝縮液の伝熱性能を高める必要がある運転条件、例えば圧力比が高く蒸発温度と凝縮温度との差が大きい暖房条件においても、上記の熱交換を効率的に生じさせることができる。したがって、冷房条件だけでなく暖房条件においても冷凍サイクル装置１のＣＯＰを十分に向上させることができる。

複数の充填材４３は、第１空間５１に層状に配置されうる。複数の充填材４３として、材料及び比表面積が互いに異なる複数種類の充填材が使用されてもよい。例えば、相対的に比重の小さい材料で作られた１又は複数の第１の充填材が容器４０の底部に配置され、相対的に比重の大きい材料で作られた１又は複数の第２の充填材が第１の充填材の上に配置されていてもよい。このような構成によれば、第１の充填材を容器４０の底部に確実に留まらせることができ、凝縮液と周囲の冷媒液との間の熱交換を促進することができる。一例において、第１の充填材が樹脂で作られ、第２の充填材が金属で作られている。

（実施形態３）
図４に示すように、本実施形態の蒸発器２１Ｃは、第１空間５１に配置された障害部材４４をさらに備えている。障害部材４４は、蒸発器２１Ｃに貯留された冷媒液の液面に向かう方向に充填材４３が移動することを妨げる。

本実施形態において、障害部材４４は、充填材４３と冷媒液の液面との間に位置している。障害部材４４は、第１空間５１から充填材４３が逸脱することを防ぐ蓋の役割を担っている。障害部材４４として、板材、網などの部材を使用できる。そのような部材は、例えば、樹脂、金属などの汎用の材料で作られている。障害部材４４には、鉛直方向への凝縮液の移動を許容する構造が設けられている。そのような構造は、障害部材４４に形成された１又は複数の貫通孔４４ａである。障害部材４４は、例えば、障壁４１及び／又は容器４０に固定されている。

本実施形態によれば、障害部材４４を有する一体型の充填材４３が形成されうる。水平方向に関する充填材４３の動きは、容器４０及び障壁４１によって抑制されている。鉛直方向に関する充填材４３の動きは、障害部材４４によって抑制されている。そのため、凝縮液の流れによって充填材４３が動いて第１空間５１で偏ることを防止できる。また、凝縮液が障害物に衝突することなく液面に到達できる経路が第１空間５１に形成されることを防止できる。第１空間５１における充填材４３の密度、空隙率、比表面積などを変動させることなく、凝縮液を安定して冷却することができる。過負荷条件で凝縮液の流量が多い場合でも、凝縮液は必ず充填材４３を通過する。常に同じ条件にて、凝縮液と充填材４３との間の熱交換、及び、凝縮液と周囲の冷媒液との間の熱交換が行われるので、冷凍サイクル装置１のＣＯＰを安定して向上させることができる。

（実施形態４）
図５に示すように、本実施形態の蒸発器２１Ｄは、複数の障害部材４４を備えている。障害部材４４の構造及び機構は、図４を参照して実施形態３で説明した通りである。第１空間５１において、複数の障害部材４４は、鉛直方向の上側に配置された障害部材４４と下側に配置された障害部材４４とを含む。容器４０の底部と下側の障害部材４４との間の空間に充填材４３が配置されている。上側の障害部材４４と下側の障害部材４４との間の空間にも充填材４３が配置されている。

本実施形態によれば、液面に向かう方向だけでなく、凝縮液の対流による下方向への充填材４３の移動も防ぐことができる。水平方向への移動を防ぐように充填材４３を拘束することに加え、鉛直方向への充填材４３の移動も防止されるので、凝縮液の流れによって充填材４３が第１空間５１で偏ることをより確実に防止できる。

（実施形態５）
図６に示すように、本実施形態の蒸発器２１Ｅは、蒸発器２１Ｅに貯留された冷媒液の液面に向かう方向に充填材４３が移動することを妨げる障害部材として、網状の障害部材５０を備えている。充填材４３は、網状の障害部材５０によって囲まれている。本実施形態においても、先の実施形態で説明した効果と同じ効果が得られる。

本明細書に開示された技術は、家庭用エアコン、業務用エアコンなどに適用される冷凍サイクル装置に有用である。

１ 冷凍サイクル装置
１０ 放熱回路
１１ 凝縮器
１２ 凝縮側冷媒循環ポンプ
１３ 放熱用熱交換器
１４ａ〜１４ｃ 凝縮側冷媒循環配管
２０ 吸熱回路
２１，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅ 蒸発器
２２ 蒸発側冷媒循環ポンプ
２３ 吸熱用熱交換器
２４ａ〜２４ｃ 蒸発側冷媒循環配管
３１ 圧縮機
３２ａ，３２ｂ 蒸気経路
３３ 連結配管
４０ 容器
４１ 障壁
４１ 貫通孔
４３ 充填材
４４ 障害部材
４５ 流入口（第１流入口）
４６ 流出口（第１流出口）
５１ 第１空間
５２ 第２空間

Claims (9)

1. 常温における飽和蒸気圧が負圧である冷媒を循環させる冷凍サイクルに用いられ、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器であって、
   前記冷媒液を貯留するための内部空間を有する容器と、
   前記冷媒液を前記容器に流入させるための流入口と、
   前記冷媒液を前記容器の外部へ流出させるための流出口と、
   前記容器の内部に配置され、前記容器の前記内部空間を前記流入口を含む第１空間と前記流出口を含む第２空間とに仕切る障壁と、
   前記冷媒液が前記第１空間と前記第２空間との間で移動することを許容する構造と、
   前記第１空間に配置され、前記冷媒液の流れを阻害しつつ前記冷媒液の透過を許容する充填材と、
   を備えた、蒸発器。
2. 前記構造は、前記障壁に形成された貫通孔を含む、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記構造は、鉛直方向における前記障壁の上端と前記容器の内面との間に確保された空間を含む、請求項１又は２に記載の蒸発器。
4. 前記第１空間には、複数の前記充填材が配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸発器。
5. 前記第１空間に配置され、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液の液面に向かう方向に前記充填材が移動することを妨げる障害部材をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の蒸発器。
6. 前記充填材は、前記流入口から前記構造への前記冷媒液の流路上に配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸発器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸発器を備えた、冷凍サイクル装置。
8. 前記蒸発器で生成された前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器と前記蒸発器とを接続している連結配管と、
   をさらに備え、
   前記連結配管の一端が前記蒸発器の前記流入口に接続されている、請求項７に記載の冷凍サイクル装置。
9. 熱交換器を有し、前記蒸発器に貯留された前記冷媒液を前記熱交換器を経由して循環させる吸熱回路をさらに備え、
   前記吸熱回路の上流端が前記流出口に接続されている、請求項７又は８に記載の冷凍サイクル装置。

Images