JP2017187254A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、熱交換器に関する。 The present disclosure relates to a heat exchanger.
冷媒を凝縮させるために使用される熱交換器として、シェルアンドチューブ熱交換器が知られている。図9は、特許文献1に記載された従来のシェルアンドチューブ熱交換器の断面図である。
A shell and tube heat exchanger is known as a heat exchanger used for condensing the refrigerant. FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional shell and tube heat exchanger described in
図9に示すように、従来のシェルアンドチューブ熱交換器は、シェル1及び複数の伝熱管2を備えている。シェル1は、入口4及び出口5を有する。入口4からシェル1に高温かつ気相の冷媒が導入される。冷媒は、伝熱管2を流れる冷却水によって冷却され、伝熱管の表面上で液化する。これにより、液相の冷媒が生成される。液相の冷媒は、下方に向かって流れ、出口5からシェル1の外部へと排出される。
As shown in FIG. 9, the conventional shell and tube heat exchanger includes a
熱交換器の性能を向上させるためには、気相の冷媒などの蒸気と伝熱管との接触面積を十分に確保することが重要である。 In order to improve the performance of the heat exchanger, it is important to ensure a sufficient contact area between the vapor such as the gas-phase refrigerant and the heat transfer tube.
すなわち、本開示は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第1の角部を有し、
前記第1の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う1組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第1伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第2伝熱管と定義したとき、前記第1伝熱管の前記第1の角部は、前記第2伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にある、熱交換器を提供する。
That is, this disclosure
Shell,
A plurality of heat transfer tubes disposed inside the shell;
With
The plurality of heat transfer tubes are arranged in parallel to each other,
Each of the plurality of heat transfer tubes has a curvature radius profile that is smaller than a radius of a circle having the same area as the cross-sectional area of each of the plurality of heat transfer tubes in a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of each of the plurality of heat transfer tubes. Having a first corner that is a portion indicating
The first corner portion constitutes a lowermost portion of each of the plurality of heat transfer tubes in the vertical direction,
Each of the plurality of heat transfer tubes includes an apex located at the top in the vertical direction,
When the upper heat transfer tube selected from the pair of heat transfer tubes adjacent to each other in the vertical direction is defined as a first heat transfer tube, and the lower heat transfer tube is defined as a second heat transfer tube, the first heat transfer tube is defined. The first corner portion of the heat tube provides a heat exchanger that is in a position horizontally separated from the apex of the second heat transfer tube.
本開示の技術によれば、気相の冷媒などの蒸気と伝熱管との接触面積を十分に確保することができる。 According to the technology of the present disclosure, a sufficient contact area between steam such as a gas-phase refrigerant and a heat transfer tube can be ensured.
(本開示の基礎となった知見)
本発明者らの知見によれば、図9に示す従来のシェルアンドチューブ熱交換器には次のような欠点がある。図10に示すように、シェルの内部に冷媒が導入されると、上側に位置する伝熱管2aの表面上で冷媒が冷却され、液相の冷媒が生成する。液相の冷媒は、伝熱管2aの底部から真下に流れ落ち、下側に位置する伝熱管2bの頂部に付着する。液相の冷媒が伝熱管2bの表面に沿って流れるので、伝熱管2bの表面は全体的に液相の冷媒の膜で覆われる。伝熱管2bの表面が全体的に液相の冷媒の膜で覆われると、伝熱管2bと気相の冷媒との接触面が失われる。その結果、伝熱管2bは、伝熱性能を十分に発揮できない。上側に位置する伝熱管2aから下側に位置する伝熱管2bに流れ落ちる液相の冷媒の量は、液相の冷媒が上側から下側に移動するにつれて徐々に増加する。液相の冷媒の膜の厚さも液相の冷媒が上側から下側に移動するにつれて徐々に増加する。伝熱管2bが十分な伝熱性能を発揮できなければ、熱交換器も性能(熱交換性能)を十分に発揮できない。
(Knowledge that became the basis of this disclosure)
According to the knowledge of the present inventors, the conventional shell and tube heat exchanger shown in FIG. 9 has the following drawbacks. As shown in FIG. 10, when the refrigerant is introduced into the shell, the refrigerant is cooled on the surface of the
上記の知見によれば、上側に位置する伝熱管の表面上で生成した凝縮液(液相の冷媒)によって下側に位置する伝熱管の表面が全体的に覆われること防止できれば、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮させることができる。 According to the above knowledge, if it is possible to prevent the entire surface of the heat transfer tube located on the lower side from being covered with the condensate (liquid phase refrigerant) generated on the surface of the heat transfer tube located on the upper side, Heat transfer performance can be fully demonstrated.
本開示の第1態様に係る熱交換器は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第1の角部を有し、
前記第1の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う1組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第1伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第2伝熱管と定義したとき、前記第1伝熱管の前記第1の角部は、前記第2伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にある、というものである。
換言すると、前記鉛直方向から見たときに、前記第1の伝熱管の前記第1の角部は、前記第2の伝熱管の前記頂点と重ならない。
The heat exchanger according to the first aspect of the present disclosure is:
Shell,
A plurality of heat transfer tubes disposed inside the shell;
With
The plurality of heat transfer tubes are arranged in parallel to each other,
Each of the plurality of heat transfer tubes has a curvature radius profile that is smaller than a radius of a circle having the same area as the cross-sectional area of each of the plurality of heat transfer tubes in a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of each of the plurality of heat transfer tubes. Having a first corner that is a portion indicating
The first corner portion constitutes a lowermost portion of each of the plurality of heat transfer tubes in the vertical direction,
Each of the plurality of heat transfer tubes includes an apex located at the top in the vertical direction,
When the upper heat transfer tube selected from the pair of heat transfer tubes adjacent to each other in the vertical direction is defined as a first heat transfer tube, and the lower heat transfer tube is defined as a second heat transfer tube, the first heat transfer tube is defined. The first corner of the heat pipe is at a position in the horizontal direction away from the apex of the second heat transfer pipe.
In other words, the first corner of the first heat transfer tube does not overlap the apex of the second heat transfer tube when viewed from the vertical direction.
第1伝熱管及び第2伝熱管が上記のような位置関係を満たすとき、第1伝熱管の表面で生じた凝縮液(液相の冷媒)が第2伝熱管の頂点に流れ落ちることを回避できる。これにより、第2伝熱管の表面が全体的に凝縮液で覆われることを回避でき、第2伝熱管と蒸気との接触面が十分に確保される。その結果、第2伝熱管においても十分な伝熱性能が発揮され、ひいては熱交換器が高い性能を発揮しうる。 When the first heat transfer tube and the second heat transfer tube satisfy the positional relationship as described above, the condensate (liquid phase refrigerant) generated on the surface of the first heat transfer tube can be prevented from flowing down to the top of the second heat transfer tube. . Thereby, it can avoid that the surface of a 2nd heat exchanger tube is entirely covered with a condensed liquid, and the contact surface of a 2nd heat exchanger tube and a vapor | steam is fully ensured. As a result, sufficient heat transfer performance is exhibited also in the second heat transfer tube, and as a result, the heat exchanger can exhibit high performance.
本開示の第2態様において、例えば、第1態様にかかる熱交換器の前記第1の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第2の角部をさらに含み、前記縦断面において、前記第1伝熱管の前記第1の角部及び前記第2伝熱管の前記第1の角部は、前記鉛直方向に平行な第1の基準線の上に存在し、前記第1伝熱管の前記第2の角部及び前記第2伝熱管の前記第2の角部は、前記鉛直方向に平行な第2の基準線の上に存在する。換言すると、前記第1の基準線は、前記第1の伝熱管の前記第1の角部及び前記第2の伝熱管の前記第2の角部に接触しており、前記第2の基準線は、前記第1の伝熱管の前記第2の角部及び前記第2の伝熱管の前記第2の角部に接触している。このような構成によれば、伝熱管の表面で生じた液相の冷媒が第1の角部及び第2の角部の各々に均等に集まり、下方に向かって流れ落ちる。液相の冷媒の量を左右に均等に振り分けることができるので、液相の冷媒が伝熱管の1箇所のみから下方に向かって流れ落ちる場合と比べて、液相の冷媒による膜が厚くなることを抑制できる。 In the second aspect of the present disclosure, for example, the first corner portion of the heat exchanger according to the first aspect is a portion positioned at one end of each of the plurality of heat transfer tubes in the horizontal direction. Each of the heat transfer tubes further includes a second corner portion that is a portion located at the other end in the horizontal direction, and in the longitudinal section, the first corner portion of the first heat transfer tube and the second heat transfer tube. The first corner portion of the first heat transfer tube exists on a first reference line parallel to the vertical direction, and the second corner portion of the first heat transfer tube and the second corner of the second heat transfer tube. The part exists on a second reference line parallel to the vertical direction. In other words, the first reference line is in contact with the first corner portion of the first heat transfer tube and the second corner portion of the second heat transfer tube, and the second reference line. Are in contact with the second corner of the first heat transfer tube and the second corner of the second heat transfer tube. According to such a configuration, the liquid-phase refrigerant generated on the surface of the heat transfer tube gathers evenly at each of the first corner and the second corner and flows down downward. Since the amount of the liquid phase refrigerant can be equally distributed to the left and right, the liquid phase refrigerant film is thicker than when the liquid phase refrigerant flows downward from only one location of the heat transfer tube. Can be suppressed.
本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様にかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管が格子状に並んでいる。第3態様によれば、第1態様による効果をより十分に得ることができる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in the longitudinal section of the heat exchanger according to the first or second aspect, the plurality of heat transfer tubes are arranged in a lattice pattern. According to the 3rd aspect, the effect by a 1st aspect can be acquired more fully.
本開示の第4態様において、例えば、第1又は第2態様にかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管が互い違いのパターンで並んでいる。このような構成によれば、シェルの内部における気相の冷媒の流れ方向が不規則になるとともに、気相の冷媒に強い撹拌作用が働く。その結果、伝熱管の伝熱性能を十分に発揮させることができる。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, in the longitudinal section of the heat exchanger according to the first or second aspect, the plurality of heat transfer tubes are arranged in an alternating pattern. According to such a configuration, the flow direction of the gas-phase refrigerant in the shell becomes irregular, and a strong stirring action acts on the gas-phase refrigerant. As a result, the heat transfer performance of the heat transfer tube can be sufficiently exhibited.
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つにかかる熱交換器の前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す前記部分を3つ又は3つを越えて有する。第5態様によれば、第1態様で説明した効果を確実に得ることができる。 In the fifth aspect of the present disclosure, for example, each of the plurality of heat transfer tubes of the heat exchanger according to any one of the first to fourth aspects has a cross-sectional area of each of the plurality of heat transfer tubes in the longitudinal section. 3 or more than 3 parts that exhibit a radius of curvature smaller than the radius of a circle having the same area. According to the 5th aspect, the effect demonstrated in the 1st aspect can be acquired reliably.
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つにかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれを包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である。このような形状によれば、円管を成形して伝熱管を容易に作製することができる。また、伝熱管が正三角形に近似した断面形状を有する場合、第1の角部と頂点との水平方向の距離を稼ぎやすい。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, in the vertical cross section of the heat exchanger according to any one of the first to fifth aspects, a regular polygon having a minimum area surrounding each of the plurality of heat transfer tubes is provided. It is an equilateral triangle. According to such a shape, a heat exchanger tube can be easily produced by forming a circular tube. Moreover, when the heat transfer tube has a cross-sectional shape that approximates an equilateral triangle, it is easy to earn a horizontal distance between the first corner and the apex.
本開示の第7態様において、例えば、第6態様にかかる熱交換器の前記縦断面における前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭は、前記伝熱管を包囲する最小の面積の前記正三角形よりも前記複数の伝熱管のそれぞれの内側に向かって引き下がった凹状部分を有する。第7態様によれば、液相の冷媒が角部に集まりやすい。 In the seventh aspect of the present disclosure, for example, each of the outlines of the plurality of heat transfer tubes in the longitudinal section of the heat exchanger according to the sixth aspect is more than the equilateral triangle with the smallest area surrounding the heat transfer tubes. Each of the plurality of heat transfer tubes has a concave portion drawn down toward the inside. According to the seventh aspect, the liquid-phase refrigerant is likely to gather at the corners.
本開示の第8態様において、例えば、第1〜第7態様のいずれか1つにかかる熱交換器の前記縦断面において、前記複数の伝熱管のそれぞれの重心を通り、かつ前記鉛直方向に平行な基準線に関して、前記複数の伝熱管のそれぞれの前記輪郭が非対称である。このような構成によれば、伝熱管の表面上で生成した液相の冷媒は、第1の角部に容易に集められる。伝熱管の表面から速やかに液相の冷媒を排除することが可能である。 In the eighth aspect of the present disclosure, for example, in the longitudinal section of the heat exchanger according to any one of the first to seventh aspects, the center of each of the plurality of heat transfer tubes passes through and is parallel to the vertical direction. With respect to the reference line, the contours of the plurality of heat transfer tubes are asymmetric. According to such a configuration, the liquid-phase refrigerant generated on the surface of the heat transfer tube is easily collected at the first corner. It is possible to quickly remove the liquid phase refrigerant from the surface of the heat transfer tube.
本開示の第9態様において、例えば、第1〜第8態様のいずれか1つにかかる熱交換器の前記第1の角部は、前記水平方向における前記複数の伝熱管のそれぞれの一端に位置する部分であり、前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第2の角部をさらに含み、前記第2の角部は、前記第1の角部よりも、前記鉛直方向において上方に位置する。このような構成によれば、伝熱管の表面上で生成した液相の冷媒は、第1の角部に容易に集められ、伝熱管の表面から速やかに排除されうる。 In the ninth aspect of the present disclosure, for example, the first corner of the heat exchanger according to any one of the first to eighth aspects is positioned at one end of each of the plurality of heat transfer tubes in the horizontal direction. Each of the plurality of heat transfer tubes further includes a second corner portion which is a portion located at the other end in the horizontal direction, and the second corner portion is more than the first corner portion. Is also located above in the vertical direction. According to such a configuration, the liquid-phase refrigerant generated on the surface of the heat transfer tube can be easily collected at the first corner and quickly removed from the surface of the heat transfer tube.
本開示の第10態様に係る冷凍サイクル装置は、
冷媒を加熱する蒸発器と、
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、
を備え、
第1〜第9態様のいずれか1つの熱交換器によって前記凝縮器が構成されているものである。
A refrigeration cycle apparatus according to the tenth aspect of the present disclosure is provided.
An evaporator for heating the refrigerant;
A compressor for compressing the refrigerant;
The condenser for condensing the refrigerant;
With
The condenser is constituted by any one of the heat exchangers of the first to ninth aspects.
第10態様によれば、優れたCOP(coefficient of performance)を発揮しうる冷凍サイクル装置を提供できる。特に、冷媒の流量(質量流量)が増加する条件で冷凍サイクル装置を運転する場合に高い効果が得られる。 According to the 10th aspect, the refrigerating-cycle apparatus which can exhibit the outstanding COP (coefficient of performance) can be provided. In particular, a high effect is obtained when the refrigeration cycle apparatus is operated under the condition that the flow rate (mass flow rate) of the refrigerant increases.
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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.
図1に示すように、冷凍サイクル装置10は、蒸発器11、圧縮機12、凝縮器13、流量制御弁14及び流路16a〜16dを備えている。蒸発器11の出口は、流路16aによって圧縮機12の吸入口に接続されている。圧縮機12の吐出口は、流路16bによって凝縮器13の入口に接続されている。凝縮器13の出口は、流路16cによって流量制御弁14の入口に接続されている。流量制御弁14の出口は、流路16dによって蒸発器11の入口に接続されている。流路16a及び16bは蒸気経路であり、流路16c及び16dは液経路である。
As shown in FIG. 1, the
蒸発器11において冷媒が加熱されて蒸発する。これにより、気相の冷媒(冷媒蒸気)が生成される。気相の冷媒は、圧縮機12に吸入されて圧縮される。高温高圧の気相の冷媒が圧縮機12から凝縮器13に供給される。冷媒は、凝縮器13において冷却されて液化する。これにより、液相の冷媒(冷媒液)が生成される。液相の冷媒は、流量制御弁14を経由して凝縮器13から蒸発器11に戻される。
In the
冷凍サイクル装置10は、例えば、業務用又は家庭用の空気調和装置である。蒸発器11で冷却された熱媒体が室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器13で加熱された熱媒体が室内に供給され、室内の暖房に使用される。熱媒体は、例えば水である。ただし、冷凍サイクル装置10は空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。
The
図2に示すように、凝縮器13は、シェルアンドチューブ熱交換器によって構成されている。具体的に、凝縮器13は、シェル20及び複数の伝熱管30を備えている。複数の伝熱管30は、シェル20の内部に配置されている。シェル20は、入口20a及び出口20bを有する。入口20a及び出口20bには、それぞれ、流路16b及び流路16cが接続されうる。鉛直方向において、シェル20の入口20aが最も上に位置し、シェル20の出口20bが最も下に位置している。例えば、入口20aが全ての伝熱管30よりも鉛直方向の上側に位置し、出口20bが全ての伝熱管30よりも鉛直方向の下側に位置している。入口20aを通じて、シェル20の内部に気相の冷媒が導入される。冷媒の温度よりも低い温度の熱媒体を伝熱管30に流すと、伝熱管30の表面で冷媒が冷却されて凝縮する。出口20bを通じて、シェル20の外部へと液相の冷媒が排出される。本実施形態において、シェル20は、矩形の断面形状を有している。ただし、シェル20は、円形の断面形状を有していてもよい。シェル20は、耐圧容器であってもよい。
As shown in FIG. 2, the
複数の伝熱管30は、それぞれ、直線形状を有する。複数の伝熱管30は、シェル20の内部において、互いに平行に並べられている。複数の伝熱管30の両端部には、それぞれ、図示しないヘッダが設けられている。熱媒体がヘッダから各伝熱管30に分配されるとともに、各伝熱管30からヘッダに熱媒体が集められる。
Each of the plurality of
図2は、伝熱管30の長手方向に垂直な凝縮器13の断面を表している。以下、本明細書において、伝熱管30の長手方向に垂直な断面を「縦断面」と称する。本実施形態において、縦断面は鉛直方向に平行である。伝熱管30の両端部を除き、伝熱管30の断面形状は、長手方向のどの位置でも同一である。
FIG. 2 shows a cross section of the
図2に示す縦断面において、複数の伝熱管30は、格子状に並んでいる。鉛直方向に平行な複数の鉛直基準線Vrと、水平方向に平行な複数の水平基準線Hrとを定義したとき、複数の鉛直基準線Vrと複数の水平基準線Hrとの交点の各々の上に伝熱管30(詳細には、伝熱管30の重心G)が位置している。複数の鉛直基準線Vrは、互いに等間隔で並んでいる。複数の水平基準線Vrも互いに等間隔で並んでいる。複数の伝熱管30は、鉛直方向(縦方向)及び水平方向(横方向)にマトリクス状に配置されている。水平方向において互いに隣り合う伝熱管30の間には、冷媒の流路として、適度な広さの空間が確保されている。同様に、鉛直方向において互いに隣り合う伝熱管30の間には、冷媒の流路として、適度な広さの空間が確保されている。
In the longitudinal section shown in FIG. 2, the plurality of
図3に示すように、伝熱管30は、非円形の断面形状を有する。具体的に、各伝熱管30は、角部31(「第1の角部31」とも称する)を有する。角部31は、縦断面において伝熱管30の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である。また、角部31は、鉛直方向において伝熱管30の最も下に位置する部分を構成している。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、各伝熱管30は、鉛直方向において最も上に位置する頂点33pを含む。鉛直方向において互いに隣り合う1組の伝熱管30から選ばれる上側の伝熱管30を第1伝熱管30Aと定義し、下側の伝熱管30を第2伝熱管30Bと定義する。第1伝熱管30A及び第2伝熱管30Bは、共通の鉛直基準線Vrの上に位置している。第1伝熱管30Aの角部31は、第2伝熱管30Bの頂点33pから水平方向に離れた位置にある。第1伝熱管30A及び第2伝熱管30Bがこのような位置関係を満たすとき、第1伝熱管30Aの表面で生じた液相の冷媒は、第2伝熱管30Bの頂点33pから水平方向に離れた位置に集まり、下方に向かって流れ落ちる。つまり、第1伝熱管30Aの表面で生じた液相の冷媒が第2伝熱管30Bの頂点33pに流れ落ちることを回避できる。これにより、第2伝熱管30Bの表面が全体的に液相の冷媒で覆われることを回避でき、第2伝熱管30Bと気相の冷媒との接触面が十分に確保される。その結果、第2伝熱管30Bにおいても十分な伝熱性能が発揮され、ひいては凝縮器13の性能が十分に発揮される。
As shown in FIG. 3, each
図3に示すように、伝熱管30は、第1の角部31に加え、他の角部32(「第2の角部32」とも称する)及び頂部33をさらに有する。第1の角部31は、水平方向における一端に位置する部分である。第2の角部32は、水平方向における他端に位置する部分である。第1の角部31だけでなく、第2の角部32も鉛直方向において伝熱管30の最も下に位置する部分を構成している。つまり、鉛直方向において、第1の角部31は、第2の角部32と同じ高さに位置している。頂部33は、鉛直方向において伝熱管30の最も上に位置する部分である。頂点33pは、頂部33に含まれる位置である。縦断面において、第1伝熱管30Aの第1の角部31及び第2伝熱管30Bの第1の角部31は、鉛直方向に平行な第1の基準線V1の上に存在する。縦断面において、第1伝熱管30Aの第2の角部32及び第2伝熱管30Bの第2の角部32は、鉛直方向に平行な第2の基準線V2の上に存在する。第1の基準線V1と第2の基準線V2との間の距離Dは、水平方向に関する伝熱管30の寸法(幅)に等しい。つまり、本実施形態において、伝熱管30の断面形状は、鉛直基準線Vrに関して対称である。このような構成によれば、伝熱管30の表面で生じた液相の冷媒が第1の角部31及び第2の角部32の各々に均等に集まり、下方に向かって流れ落ちる。液相の冷媒の量を左右に均等に振り分けることができるので、液相の冷媒が伝熱管30の1箇所のみから下方に向かって流れ落ちる場合と比べて、液相の冷媒による膜が厚くなることを抑制できる。また、第1の角部31の位置及び第2の角部32の位置が鉛直方向に関して揃っているので、第1伝熱管30Aの表面で生じた液相の冷媒が第2伝熱管30Bの角部31及び32以外の部分に流れ落ちることを概ね回避できる。したがって、第1伝熱管30Aの表面で生じた液相の冷媒によって被覆される第2伝熱管30Bの表面の面積を最小限に抑えることができる。
As shown in FIG. 3, the
なお、「第1の角部31」、「第2の角部32」及び「頂部33」は、次のように定義することもできる。縦断面において伝熱管30の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の円弧状の輪郭を示す部分を「角部」と定義する。鉛直方向の最も上に位置している「角部」を「頂部」と定義することができる。本実施形態によれば、第1の角部31、第2の角部32及び頂部33は、いずれも、縦断面において、同一の曲率半径の円弧状の輪郭を示す。
The “
本実施形態によれば、伝熱管30は、縦断面において伝熱管30の断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分(角部)を3つ又は3つを越えて有する。詳細には、縦断面において、伝熱管30を包囲する最小の面積の正多角形が正三角形である。このような形状によれば、円管を成形して本実施形態の伝熱管30を容易に作製することができる。また、伝熱管30が正三角形に近似した断面形状を有する場合、第1の角部31と頂点33pとの水平方向の距離を稼ぎやすい。ただし、伝熱管30を包囲する最小の面積の三角形は、正三角形に限定されず、二等辺三角形、直角三角形又は不等辺三角形であってもよい。さらに、伝熱管30を包囲する最小の面積の四角形は、長方形、正方形、ひし形又は不等辺四角形であってもよい。角部の数の上限は特に限定されないが、成形の容易性を考慮すると、例えば6個である。
According to the present embodiment, the
本実施形態によれば、縦断面における伝熱管30の輪郭は、複数(3つ)の曲線部分と複数(3つ)の直線部分とで構成されている。複数の曲線部分は、それぞれ、第1の角部31、第2の角部32及び頂部33に対応している。複数の直線部分は、それぞれ、曲線部分と曲線部分との間に位置している。もちろん、伝熱管30の輪郭は、第1の角部31、第2の角部32及び頂部33のそれぞれに対応する部分を除き、滑らかな曲線で構成されていてもよい。
According to this embodiment, the outline of the
図4に示すように、縦断面における伝熱管30の輪郭は、伝熱管30を仮想的に包囲する最小の面積の正三角形40よりも伝熱管30の内側に向かって引き下がった凹状部分30p,30q及び30rを有する。凹状部分30p,30q及び30rは、それぞれ、正三角形40の辺に向かい合っている。凹状部分30pは、第1の角部31と第2の角部32との間の部分である。凹状部分30qは、第1の角部31と頂部33との間の部分である。凹状部分30rは、第2の角部32と頂部33との間の部分である。また、凹状部分30pは、伝熱管30の底面に対応する部分であり、水平面に対して傾斜している。水平面に対する凹状部分30pの傾斜角度θは、例えば、1〜5度の範囲にある。伝熱管30の輪郭は、3つの辺において同一の凹形状を有している。つまり、縦断面における伝熱管30の輪郭は、重心Gに関する回転対称性を有する(例えば、3回の回転対称性)。このような構成によれば、円管を成形して本実施形態の伝熱管30を容易に作製することができる。伝熱管30に方向性が無いので、ヘッダ等に多数の伝熱管30を組み付ける作業が非常に容易である。つまり、伝熱管30を用いた熱交換器13を製造しやすい。
As shown in FIG. 4, the contour of the
また、第1の角部31と第2の角部32との間における伝熱管30の底面が上方に向かって凹状に形成されているので、液相の冷媒が第1の角部31又は第2の角部32に集まりやすい。その結果、伝熱管30の底面と気相の冷媒との接触を持続的に確保することができる。
In addition, since the bottom surface of the
次に、図4を参照しつつ凝縮器13の作用を詳細に説明する。
Next, the operation of the
シェル20の内部に気相の冷媒が導入されると、冷媒の一部が第1伝熱管30Aを流れる熱媒体によって冷却され、第1伝熱管30Aの表面上で凝縮する。第1伝熱管30Aの表面上で生成した液相の冷媒は、第1伝熱管30Aの表面に沿って流れ、角部31及び32に集まる。その後、液相の冷媒は、第2伝熱管30Bの頂部33から水平方向にずれた位置に流れ落ちる。詳細には、液相の冷媒は、第1伝熱管30Aの角部31及び32から第2伝熱管30Bの角部31及び32の表面付近に流れ落ち、第2伝熱管30Bの角部31及び32からさらに下方へと流れ落ちる。つまり、液相の冷媒の大部分が伝熱管30の角部31及び32の近傍を自重によって流れ落ち、伝熱管30の表面から速やかに排除される。したがって、伝熱管30がマトリクス状に配置されている場合においても、気相の冷媒と第2伝熱管30Bの表面との接触面積が十分に確保されうる。本実施形態によれば、伝熱管30の伝熱性能を十分に発揮させることができるので、伝熱管30の本数、表面積などを増加させることなく、凝縮器13の性能を高めることができる。また、第1の角部31と第2の角部32との間における伝熱管30の底面が上方に向かって凹状に形成されている。この構成も、気相の冷媒と伝熱管30の表面との接触面積を確保することに寄与する。
When the gas-phase refrigerant is introduced into the
また、本実施形態によれば、次のような効果も得られる。シェル20に導入された気相の冷媒は、伝熱管30の内部の熱媒体によって冷却される。顕熱変化域では、気相の冷媒の密度が増加するので、シェル20の内部には鉛直方向の下方に向かう気相の冷媒の流れが形成される。
Moreover, according to this embodiment, the following effects are also acquired. The gas-phase refrigerant introduced into the
図10に示すように、円形断面を有する伝熱管2を用いた凝縮器においては、気相の冷媒の流れが伝熱管2の表面から剥離して淀みが発生する。このとき、伝熱管2の底部付近に集まった液相の冷媒に対して浮力が働く。その結果、伝熱管2からの液相の冷媒の自由落下が妨げられる。
As shown in FIG. 10, in the condenser using the
これに対し、本実施形態によれば、角部31及び32に集まった液相の冷媒に対してそのような浮力が働きにくい。そのため、液相の冷媒は、自重によってスムーズに角部31及び32から下方に向かって流れ落ちることができる。
On the other hand, according to the present embodiment, such buoyancy is unlikely to act on the liquid-phase refrigerant collected at the
(変形例)
図6に示す伝熱管30cにおいて、第1の角部31と第2の角部32との間における表面は、鉛直方向の上方に向かって凹状に形成されている。他方、頂部33と第1の角部31との間における表面は、水平面に対して傾斜角度β(例えば、60度)にて傾斜している平坦面である。頂部33と第2の角部32との間における伝熱管30cの表面も、水平面に対して傾斜角度βにて傾斜している平坦面である。本変形例のように、伝熱管30cの底面のみが上方に向かって凹状に形成されている場合にも、底面における液相の冷媒の滞留を防ぐことができる。また、図3を参照して説明した伝熱管30と比較して、側面の傾斜角度βを増やすことができるので、伝熱管30cの表面(側面)から速やかに液相の冷媒が排除されうる。
(Modification)
In the
また、第1の角部31、第2の角部32及び頂部33を除いた部分が凹状に形成されていることは必須ではない。例えば、図7に示す伝熱管30dは、第1の角部31、第2の角部32及び頂部33を有する。伝熱管30dは、複数(3つ)の表面を有する。複数の表面の1つは、第1の角部31と頂部33の間における表面(側面)である。複数の表面の他の1つは、第1の角部31と第2の角部32との間における表面(底面)である。複数の表面の他の1つは、第2の角部32と頂部33との間における表面(側面)である。これら複数の表面は、いずれも平坦面である。つまり、伝熱管30dは凹部を有していない。このような伝熱管30dは容易に作製されうる。また、伝熱管30dに方向性が無いので、ヘッダ等に多数の伝熱管30dを組み付ける作業が非常に容易である。つまり、伝熱管30dを用いた熱交換器13を製造しやすい。さらに、伝熱管30dの特定の部分に応力が集中しにくいので、伝熱管30dは耐圧性にも優れている。
Moreover, it is not essential that the part except the 1st corner |
図7に示す伝熱管30dを用いた熱交換器において、伝熱管30dの第1の角部31は、鉛直方向において伝熱管30dの最も下に位置する部分である。他方、伝熱管30dの第2の角部32は、鉛直方向において伝熱管30dの最も下に位置する部分ではない。鉛直方向において、第2の角部32は、第1の角部31と異なる高さに位置している。詳細には、鉛直方向において、第2の角部32は、第1の角部31よりも上方に位置している。第1の角部31と第2の角部32との間における表面(底面)は、水平面に対して、傾斜角度γにて傾斜している。傾斜角度γは、例えば、1〜29度の範囲にある。第1の角部31と頂部33との間における表面(側面)も水平面に対して傾斜角度βにて傾斜している。傾斜角度βは、例えば、(γ+60)度である。縦断面において、伝熱管30dの重心Gを通り、かつ鉛直方向に平行な基準線Vr(鉛直基準線)に関して、伝熱管30dの輪郭が非対称である。このような構成によれば、伝熱管30dの表面上で生成した液相の冷媒は、第1の角部31に容易に集められる。図6を参照して説明した伝熱管30cと同様、伝熱管30dの表面から速やかに液相の冷媒を排除することが可能である。
In the heat exchanger using the
図8に示すように、さらに別の変形例に係る凝縮器23と図2に示す凝縮器13との相違点は、複数の伝熱管30の配置にある。本変形例によれば、凝縮器23の縦断面において、複数の伝熱管30が互い違いのパターンで並んでいる。本変形例においても、複数の伝熱管30は、各鉛直基準線Vrの上に位置している。互いに隣り合う鉛直基準線Vrの一方における伝熱管30の位置は、他方における伝熱管30の位置と鉛直方向にずれている。また、互いに隣り合う鉛直基準線Vrの一方の上に位置する伝熱管30を鉛直方向に平行移動させても、互いに隣り合う鉛直基準線Vrの他方の上に位置する伝熱管30と重ならないように、互いに隣り合う鉛直基準線Vrの間隔が調整されている。同様に、複数の伝熱管30は、各水平基準線Hrの上に位置している。互いに隣り合う水平基準線Hrの一方における伝熱管30の位置は、他方における伝熱管30の位置と水平方向にずれている。また、互いに隣り合う水平基準線Hrの一方の上に位置する伝熱管30を水平方向に平行移動させても、互いに隣り合う水平基準線Hrの他方の上に位置する伝熱管30と重ならないように、互いに隣り合う水平基準線Hrの間隔が調整されている。例えば、互いに隣り合う鉛直基準線Vrの間隔は、互いに隣り合う水平基準線Hrの間隔に等しい。このような構成によれば、より効率的な熱交換を達成することが可能である。
As shown in FIG. 8, the difference between the
凝縮器23において、複数の伝熱管30の周囲に形成された流路の形状は、鉛直方向と水平方向との少なくとも一方向に関して非対称である。本変形例では、凝縮器23のシェル20の内部における流路の形状は、鉛直方向に関して非対称である。詳細には、縦断面において、互いに隣り合う3つの鉛直基準線Vr及び互いに隣り合う3つの水平基準線Hrに囲まれたシェル20の内部の流路を特定流路と定義する。3つの鉛直基準線Vrから選ばれる真ん中の鉛直基準線Vrに関して、特定流路は対称である。他方、3つの水平基準線Hrから選ばれる真ん中の水平基準線Hrに関して、特定流路は非対称である。
In the
本変形例の凝縮器23によれば、次のような効果が得られる。まず、本変形例によれば、シェル20の内部における気相の冷媒の流れ方向が不規則になるとともに、気相の冷媒に強い撹拌作用が働く。その結果、伝熱管30の伝熱性能を十分に発揮させることができる。また、気相の冷媒に働く撹拌作用、伝熱管30の形状、及び、互い違いのパターンが組み合わさることによって、第1の角部31及び第2の角部32の周りを気相の冷媒が積極的に流れる。さらに、第1の角部31及び第2の角部32からの液相の冷媒の剥離が促進されるとともに、伝熱管30の表面を覆う液相の冷媒の膜の厚さも減少する。その結果、伝熱管30の伝熱性能がより十分に発揮されうる。
According to the
本明細書に開示された熱交換器は、空気調和装置、チラー、蓄熱装置などの様々な機器に利用されうる。 The heat exchanger disclosed in the present specification can be used for various devices such as an air conditioner, a chiller, and a heat storage device.
10 冷凍サイクル装置
11 蒸発器
12 圧縮機
13,23 凝縮器
14 流量制御弁
20 シェル
30,30c,30d 伝熱管
30A 第1伝熱管
30B 第2伝熱管
31 第1の角部
32 第2の角部
33 頂部
33 頂点
V1 第1の基準線
V2 第2の基準線
Vr 鉛直基準線
Hr 水平基準線
G 重心
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記シェルの内部に配置された複数の伝熱管と、
を備え、
前記複数の伝熱管は、互いに平行に並べられており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記複数の伝熱管のそれぞれの長手方向に垂直な縦断面において前記複数の伝熱管のそれぞれの断面積と同じ面積を有する円の半径よりも小さい曲率半径の輪郭を示す部分である第1の角部を有し、
前記第1の角部は、鉛直方向において前記複数の伝熱管のそれぞれの最も下に位置する部分を構成しており、
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記鉛直方向において最も上に位置する頂点を含み、
前記鉛直方向において互いに隣り合う1組の前記伝熱管から選ばれる上側の前記伝熱管を第1伝熱管と定義し、下側の前記伝熱管を第2伝熱管と定義したとき、前記第1伝熱管の前記第1の角部は、前記第2伝熱管の前記頂点から水平方向に離れた位置にある、熱交換器。 Shell,
A plurality of heat transfer tubes disposed inside the shell;
With
The plurality of heat transfer tubes are arranged in parallel to each other,
Each of the plurality of heat transfer tubes has a curvature radius profile that is smaller than a radius of a circle having the same area as the cross-sectional area of each of the plurality of heat transfer tubes in a vertical cross section perpendicular to the longitudinal direction of each of the plurality of heat transfer tubes. Having a first corner that is a portion indicating
The first corner portion constitutes a lowermost portion of each of the plurality of heat transfer tubes in the vertical direction,
Each of the plurality of heat transfer tubes includes an apex located at the top in the vertical direction,
When the upper heat transfer tube selected from the pair of heat transfer tubes adjacent to each other in the vertical direction is defined as a first heat transfer tube, and the lower heat transfer tube is defined as a second heat transfer tube, the first heat transfer tube is defined. The heat exchanger according to claim 1, wherein the first corner of the heat tube is located in a horizontal direction away from the apex of the second heat transfer tube.
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第2の角部をさらに含み、
前記縦断面において、前記第1伝熱管の前記第1の角部及び前記第2伝熱管の前記第1の角部は、前記鉛直方向に平行な第1の基準線の上に存在し、前記第1伝熱管の前記第2の角部及び前記第2伝熱管の前記第2の角部は、前記鉛直方向に平行な第2の基準線の上に存在する、請求項1に記載の熱交換器。 The first corner is a portion located at one end of each of the plurality of heat transfer tubes in the horizontal direction,
Each of the plurality of heat transfer tubes further includes a second corner that is a portion located at the other end in the horizontal direction,
In the longitudinal section, the first corner of the first heat transfer tube and the first corner of the second heat transfer tube are present on a first reference line parallel to the vertical direction, 2. The heat according to claim 1, wherein the second corner of the first heat transfer tube and the second corner of the second heat transfer tube exist on a second reference line parallel to the vertical direction. Exchanger.
前記複数の伝熱管のそれぞれは、前記水平方向における他端に位置する部分である第2の角部をさらに含み、
前記第2の角部は、前記第1の角部よりも、前記鉛直方向において上方に位置している、請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱交換器。 The first corner is a portion located at one end of each of the plurality of heat transfer tubes in the horizontal direction,
Each of the plurality of heat transfer tubes further includes a second corner that is a portion located at the other end in the horizontal direction,
The heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, wherein the second corner is positioned above the first corner in the vertical direction.
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記冷媒を凝縮させる前記凝縮器と、
を備え、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の熱交換器によって前記凝縮器が構成されている、冷凍サイクル装置。 An evaporator for heating the refrigerant;
A compressor for compressing the refrigerant;
The condenser for condensing the refrigerant;
With
A refrigeration cycle apparatus in which the condenser is configured by the heat exchanger according to any one of claims 1 to 9.
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