JP2020183859A - 圧縮式冷凍機に使用される蒸発器、および該蒸発器を備えた圧縮式冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管群を冷媒の蒸発および過熱に有効に使用することができる蒸発器を提供する。【解決手段】蒸発器は、缶胴３０と、缶胴３０内に配置された蒸発用伝熱管群３２と、缶胴３０内に配置され、蒸発用伝熱管群３２から離れた位置にある過熱用伝熱管群３３と、蒸発用伝熱管群３２の上方に配置され、蒸発用伝熱管群３２に冷媒液を供給する冷媒散布手段４０と、冷媒液の一部がフラッシュして生成された冷媒蒸気、及び蒸発用伝熱管群３２と冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の上方への流れを阻止するバッフル板６０を備える。バッフル板６０は、蒸発用伝熱管群３２の上方に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、スクリュー冷凍機および遠心式冷凍機などの圧縮式冷凍機に関し、特に圧縮機の吸込口に連結された蒸発器に関するものである。

冷凍空調装置などに利用される圧縮式冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムとして構成される。圧縮式冷凍機は、一般に、被冷却流体から熱を奪って冷媒が蒸発して冷凍効果を発揮する蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した冷媒蒸気を圧縮して高圧の冷媒蒸気を生成する圧縮機と、高圧の冷媒蒸気を冷却流体で冷却して凝縮させる凝縮器と、前記凝縮した冷媒を減圧して膨張させる膨張弁とを、冷媒配管によって連結して構成されている。

膨張弁は、過熱度（圧縮機入口での冷媒蒸気温度−圧縮機入口での圧力に対応する飽和温度）の大きさに基づいて制御される。冷媒の循環量が増加すると、冷媒液を圧縮機が吸込み、圧縮機が損傷するおそれが有る。そこで、蒸発器出口から圧縮機への冷媒液の吸込みを防止するために、過熱度をある程度（例：３〜５℃）に維持する膨張弁制御が必要とされる。

特開平６−２１３５１５号公報

蒸発器は、被冷却流体が流れる伝熱管群を有している。蒸発器に流入した冷媒液は、伝熱管群の一部に接触して蒸発し、冷媒蒸気となる。さらに、冷媒蒸気は、伝熱管群の他の部分に接触して過熱される。このようにして、蒸発器は、冷媒液から冷媒蒸気を生成し、さらに冷媒蒸気を過熱することで、液状の冷媒が圧縮機に吸い込まれることを防止している。

しかしながら、冷凍負荷の上昇に応じて冷媒液の循環量が増加すると、冷媒液が飛散して、液状の冷媒が圧縮機に吸い込まれるおそれがある。これを回避するためには伝熱管群を増やす必要があり、蒸発器自体が大きくなってしまう。さらに、冷媒液の循環量が低下したときに、冷媒の蒸発にも過熱にも寄与できない伝熱管の面積が増え、冷媒と被冷却流体との熱交換効率が低下する。

そこで、本発明は、伝熱管群を冷媒の蒸発および過熱に有効に使用することができる蒸発器を提供する。また、本発明は、そのような蒸発器を備えた圧縮式冷凍機を提供する。

一態様では、圧縮式冷凍機に使用される液膜式の蒸発器であって、缶胴と、前記缶胴内に配置された蒸発用伝熱管群と、前記缶胴内に配置され、前記蒸発用伝熱管群から離れた位置にある過熱用伝熱管群と、前記蒸発用伝熱管群の上方に配置され、前記蒸発用伝熱管群に冷媒液を供給する冷媒散布手段と、前記冷媒液の一部がフラッシュして生成された冷媒蒸気、及び前記蒸発用伝熱管群と前記冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の上方への流れを阻止するバッフル板を備え、前記バッフル板は、前記蒸発用伝熱管群の上方に配置されている、蒸発器が提供される。

本発明によれば、過熱用伝熱管群は、蒸発用伝熱管群とは別に設けられる。このような配置により、蒸発用伝熱管群自体を小さくでき、蒸発用伝熱管群の上部のみならず、蒸発用伝熱管群の側部および下部にも冷媒液を散布することができる。したがって、蒸発用伝熱管群の全体は、冷媒液の蒸発に寄与できる。また、蒸発用伝熱管群を構成する各伝熱管は、冷媒液の膜で覆われ、伝熱管のドライ状態が回避される。よって、冷媒液に含まれる潤滑油が伝熱管の表面に付着することが防止され、結果として、伝熱管内を流れる被冷却流体（例えば冷水）と冷媒液との熱交換効率を向上させることができる。
バッフル板は、冷媒液の一部がフラッシュして生成した冷媒蒸気、及び蒸発用伝熱管群と冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の流れを横にそらし、過熱用伝熱管群に導くことができる。冷媒蒸気は過熱用伝熱管群によって過熱され、冷媒蒸気に含まれるミスト状の冷媒が蒸発する。したがって、ミスト状の冷媒の圧縮機への吸込みを防止することができる。

一態様では、前記バッフル板と前記冷媒散布手段は、一体的な構造体である。
本発明によれば、バッフル板と冷媒散布手段を別々に缶胴内に配置する作業が不要であるので、蒸発器の組み立てを簡単に行うことができる。

一態様では、前記過熱用伝熱管群は、被冷却流体が流れる１パス目の伝熱管群の一部である。
１パス目の伝熱管群を流れる被冷却流体は比較的高い温度を有している。したがって、過熱用伝熱管群は、冷媒蒸気を高効率で過熱することができ、冷媒蒸気に含まれるミスト状の冷媒を蒸発させることができる。

一態様では、前記蒸発器は、前記缶胴の管板を覆う水室カバーと、前記水室カバーに接続された被冷却流体入口ポートと、前記管板と前記水室カバーとの間に形成された流体室を第１流体室と第２流体室に仕切る仕切り板をさらに備え、前記被冷却流体入口ポートおよび前記過熱用伝熱管群は、前記第１流体室に連通している。

一態様では、前記過熱用伝熱管群を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積は、前記蒸発用伝熱管群を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積よりも大きい。
本発明によれば、過熱用伝熱管群を構成する伝熱管には、背の高いフィンを有する伝熱管などの外側表面積の大きい伝熱管が使用される。このような伝熱管は、管外の冷媒蒸気の伝熱を促進でき、管外の冷媒蒸気と管内の被冷却流体との熱交換を促進することができるので、過熱用伝熱管群を構成する伝熱管の数を少なくすることができる。

一態様では、前記過熱用伝熱管群は、前記蒸発用伝熱管群の横に配置されている。
一態様では、前記蒸発器は、前記蒸発用伝熱管群と前記過熱用伝熱管群との間に配置された冷媒蒸気案内板をさらに備えており、前記冷媒蒸気案内板は、前記バッフル板から下方に延びている。

蒸発器は圧縮機の吸込口に連結されるので、缶胴内は低圧となっている。冷媒液は凝縮器から蒸発器に送られ、冷媒散布手段から散布される。このとき、冷媒液の一部が瞬間的に蒸発し（フラッシュし）、冷媒の噴流を形成する。冷媒蒸気案内板は、冷媒の噴流の飛散を防止することができる。さらに、冷媒蒸気案内板は、冷媒の蒸気流を下方に案内し、蒸発用伝熱管群に導く。この下方に向かう冷媒の蒸気流は、蒸発用伝熱管群の上部を構成する伝熱管の表面から冷媒液の一部を除去し、上部の伝熱管上の冷媒液の膜厚を小さくする。結果として、蒸発用伝熱管群の全体に冷媒液が供給され、冷媒液の蒸発が促進される。
また、蒸発用伝熱管群内の隙間に存在する冷媒蒸気は、冷媒蒸気案内板によって下方に案内され、その後、蒸発用伝熱管群から側方に流れる。冷媒蒸気は、過熱用伝熱管群に接触する前に、蒸発用伝熱管群と過熱用伝熱管群との間に存在する空間を流れる。このとき、冷媒蒸気の流速は低下するので、冷媒蒸気に含まれる冷媒の液滴が自重により落下する。したがって、冷媒蒸気中に存在する冷媒の液滴は大幅に低減され、ほぼ飽和状態の冷媒蒸気が過熱用伝熱管群に接触する。結果として、過熱用伝熱管群での過熱効果が向上する。

一態様では、前記冷媒蒸気案内板の下端は、前記過熱用伝熱管群の内側の下端よりも低い位置にある。
本発明によれば、蒸発用伝熱管群を通過した冷媒蒸気のほとんどすべてを過熱用伝熱管群に導くことができる。

一態様では、前記蒸発器は、前記冷媒散布手段の両側に配置されたブロック壁をさらに備えており、前記ブロック壁は、前記蒸発用伝熱管群の両縁の上方に配置されている。
ブロック壁は、冷媒散布手段から吐出された冷媒液の飛散を防止することができる。ブロック壁に接触した冷媒液は、ブロック壁から滴下し、蒸発用伝熱管群の両縁を構成する伝熱管に接触する。したがって、蒸発用伝熱管群の全幅に亘って冷媒液が供給され、蒸発用伝熱管群を流れる被冷却流体と冷媒液との熱交換効率を向上させることができる。

一態様では、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する上記蒸発器と、前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置された膨張弁を備えた、圧縮式冷凍機が提供される。

一態様では、前記圧縮式冷凍機は、前記過熱用伝熱管群に流入する被冷却流体の入口温度を測定する入口温度測定器と、前記過熱用伝熱管群から流出した前記被冷却流体の出口温度を測定する出口温度測定器と、前記入口温度と前記出口温度との差に基づいて前記膨張弁の開度を制御する弁制御部をさらに備えている。

冷媒蒸気中の液状の冷媒が過熱用伝熱管群との接触により蒸発すると、被冷却流体の入口温度と出口温度との差が速やかに変化する。すなわち、被冷却流体の入口温度と出口温度との差の変化は、過熱用伝熱管群に接触している冷媒蒸気中の液状の冷媒の量を反映している。したがって、弁制御部は、被冷却流体の入口温度と出口温度との差に基づいて膨張弁の開度、すなわち過熱度を精密に制御することができる。また、本発明によれば、蒸発器内の液面センサを設ける必要がないので、低価格で膨張弁の制御が可能である。

本発明によれば、蒸発用伝熱管群自体を小さくでき、蒸発用伝熱管群の上部のみならず、蒸発用伝熱管群の側部および下部にも冷媒液を散布することができる。したがって、蒸発用伝熱管群の全体は、冷媒液の蒸発に寄与できる。また、蒸発用伝熱管群を構成する各伝熱管は、冷媒液の膜で覆われ、伝熱管のドライ状態が回避される。よって、冷媒液に含まれる潤滑油（圧縮機で使用される潤滑油）が伝熱管の表面に付着することが防止され、結果として、伝熱管内を流れる被冷却流体（例えば冷水）と冷媒液との熱交換効率を向上させることができる。バッフル板は、蒸発用伝熱管群と冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の流れを横にそらし、過熱用伝熱管群に導くことができる。冷媒蒸気は過熱用伝熱管群によって過熱され、冷媒蒸気に含まれるミスト状の冷媒が蒸発する。したがって、ミスト状の冷媒の圧縮機への吸込みを防止することができる。

遠心式冷凍機の一実施形態を示す模式図である。 蒸発器の一実施形態の側面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図２のＢ−Ｂ線断面図である。 冷媒散布手段、冷媒蒸気案内板、ブロック壁を示す拡大図である。 冷媒散布手段、バッフル板、およびブロック壁の配置の一実施形態を示す拡大図である。 図６の矢印Ｃで示す方向から見た図である。 冷媒散布手段、バッフル板、およびブロック壁の配置の他の実施形態を示す拡大図である。 図８の矢印Ｄで示す方向から見た図である。 蒸発器の他の実施形態の断面図である。 図１０に示す実施形態に係る蒸発器の水室カバーの断面図である。 蒸発器のさらに他の実施形態の断面図である。 図１２に示す実施形態に係る蒸発器の水室カバーの断面図である。 蒸発器のさらに他の実施形態の断面図である。 図１４に示す実施形態に係る蒸発器の水室カバーの断面図である。

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、遠心式冷凍機の一実施形態を示す模式図である。遠心式冷凍機は、圧縮式冷凍機の一例である。図１に示すように、遠心式冷凍機は、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する蒸発器２と、冷媒蒸気を圧縮する圧縮機１と、圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液を生成する凝縮器３を備えている。蒸発器２は、冷媒液入口５および冷媒蒸気出口６を有している。圧縮機１の吸込口は、冷媒配管４Ａによって蒸発器２の冷媒蒸気出口６に連結されている。圧縮機１の排出口は、冷媒配管４Ｂによって凝縮器３に連結されている。

遠心式冷凍機は、凝縮器３と蒸発器２との間に配置されたエコノマイザ９をさらに備えている。凝縮器３は冷媒配管４Ｃによってエコノマイザ９に連結され、エコノマイザ９は冷媒配管４Ｄによって蒸発器２に連結されている。さらに、エコノマイザ９は、冷媒配管４Ｅによって圧縮機１に連結されている。エコノマイザ９は、凝縮器３と蒸発器２との間に配置された中間冷却器である。凝縮器３からエコノマイザ９に延びる冷媒配管４Ｃには膨張弁２１が取り付けられ、エコノマイザ９から蒸発器２に延びる冷媒配管４Ｄには膨張弁２２が取り付けられている。膨張弁２１，２２は、その開度が調整可能に構成されており、例えば開度可変な電動弁から構成されている。膨張弁２１，２２のそれぞれは、並列に配置された膨張弁とオリフィスで構成してもよい。また、膨張弁２１，２２の内、一つが流量調整可能で、一つが固定オリフィスでもよい。

本実施形態では、圧縮機１は、多段遠心式圧縮機から構成されている。より具体的には、圧縮機１は二段遠心式圧縮機からなり、一段目羽根車１１と、二段目羽根車１２と、これらの羽根車１１，１２を回転させる電動機１３とを備えている。

圧縮機１の吸込口には、冷媒蒸気の羽根車１１，１２への吸込流量を調整するガイドベーン１６が配置されている。ガイドベーン１６は一段目羽根車１１の吸込側に位置している。ガイドベーン１６は放射状に配置されており、各ガイドベーン１６が自身の軸心を中心として互いに同期して所定の角度だけ回転することにより、ガイドベーン１６の開度が変更される。蒸発器２から送られた冷媒蒸気は、ガイドベーン１６を通過し、その後、回転する羽根車１１，１２によって順次昇圧される。昇圧された冷媒蒸気は、冷媒配管４Ｂを通って凝縮器３に送られる。

遠心式冷凍機は、冷媒蒸気を凝縮器３から蒸発器２に導くバイパスライン２０と、このバイパスライン２０を開閉するための膨張弁（ホットガス兼用バイパス弁）２５とを備えている。バイパスライン２０は、エコノマイザ９をバイパスして延びている。バイパスライン２０の一端は冷媒配管４Ｃに接続され、バイパスライン２０の他端は冷媒配管４Ｄに接続されている。膨張弁２５は、その開度が調整可能に構成されており、例えば開度可変な電動弁から構成されている。

膨張弁２１，２２，２５は、弁制御部１０に電気的に接続されており、膨張弁２１，２２，２５の動作は弁制御部１０によって制御される。定常運転では、膨張弁２５は閉じられている。弁制御部１０が膨張弁２５を開くと、圧縮機１によって圧縮された冷媒蒸気或いは凝縮器３の冷媒液は、エコノマイザ９をバイパスしてバイパスライン２０を通って凝縮器３から蒸発器２に送られる。

蒸発器２は、被冷却流体（例えば冷水）から熱を奪って冷媒液が蒸発して冷凍効果を発揮する。圧縮機１は、蒸発器２で蒸発した冷媒蒸気を圧縮して高圧の冷媒蒸気を生成し、凝縮器３は、高圧の冷媒蒸気を冷却流体（例えば冷却水）で冷却して凝縮させることで、冷媒液を生成する。冷媒液は、膨張弁２１を通過することによって減圧される。減圧された冷媒液中に存在する冷媒蒸気はエコノマイザ９によって分離され、圧縮機１の一段目羽根車１１と二段目羽根車１２との間に設けた中間吸込口１７に送られる。エコノマイザ９を通過した冷媒液は、膨張弁２２を通過することによって減圧され、さらに冷媒配管４Ｄを通って蒸発器２に送られる。このように、遠心式冷凍機は、冷媒を封入したクローズドシステムとして構成される。エコノマイザ９は省略される場合もある。

遠心式冷凍機は、蒸発器２の過熱用伝熱管群（後述する）に流入する被冷却流体の入口温度を測定する入口温度測定器としての温度センサＳ１と、上記過熱用伝熱管群から流出する被冷却流体の出口温度を測定する出口温度測定器としての温度センサＳ２をさらに備えている。温度センサＳ１，Ｓ２は弁制御部１０に電気的に接続されており、温度センサＳ１，Ｓ２の出力値（すなわち、被冷却流体の入口温度および出口温度の測定値）は弁制御部１０に送られるようになっている。

図２は、蒸発器２の一実施形態の側面図である。図２に示すように、蒸発器２は、缶胴３０と、缶胴３０内に配置された伝熱管群３１および冷媒散布手段４０を備えている。冷媒散布手段４０は冷媒液入口５を備えており、この冷媒液入口５は、冷媒配管４Ｃ，４Ｄを介して凝縮器３およびエコノマイザ９に連結されている。缶胴３０の頂部には、冷媒蒸気出口６が設けられている。本実施形態では、缶胴３０内に配置された伝熱管群３１は、１パス目の伝熱管群３１−１と、２パス目の伝熱管群３１−２を含む。図２では、これら伝熱管群３１−１，３１−２は、模式的に描かれている。１パス目の伝熱管群３１−１は、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成するための第１蒸発用伝熱管群３２Ａと、冷媒蒸気を過熱するための過熱用伝熱管群３３を含む。

蒸発器２は、缶胴３０の管板４２を覆う水室カバー４４と、水室カバー４４に接続された被冷却流体入口ポート４５および被冷却流体出口ポート４６を備えている。蒸発器２のターン側には、缶胴３０の管板５０を覆う水室カバー５１が設けられている。この水室カバー５１の内部には、流体室５２が形成されている。管板４２，５０は、缶胴３０の側壁を構成している。入口温度測定器としての温度センサＳ１は、被冷却流体入口ポート４５に取り付けられ、出口温度測定器としての温度センサＳ２は、過熱用伝熱管群３３の被冷却流体出口に取り付けられている。

図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。１パス目の伝熱管群３１−１は、冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成するための第１蒸発用伝熱管群３２Ａと、冷媒蒸気を過熱するための過熱用伝熱管群３３を構成する。２パス目の伝熱管群３１−２は、第２蒸発用伝熱管群３２Ｂを構成する。１パス目の伝熱管群３１−１の一部を構成する第１蒸発用伝熱管群３２Ａは、２パス目の伝熱管群３１−２を構成する第２蒸発用伝熱管群３２Ｂの下方に配置されている。

以下の説明では、第１蒸発用伝熱管群３２Ａおよび第２蒸発用伝熱管群３２Ｂを、総称して蒸発用伝熱管群３２という。蒸発用伝熱管群３２および過熱用伝熱管群３３は、缶胴３０内に配置されている。冷媒散布手段４０は、蒸発用伝熱管群３２の上方に配置され、蒸発用伝熱管群３２にその上から冷媒液を供給するように配置されている。冷媒散布手段４０は、冷媒液入口５と、冷媒液入口５に連結された複数のノズル管４８を備えている。冷媒液は、冷媒液入口５に流入し、ノズル管４８から蒸発用伝熱管群３２に散布される。

過熱用伝熱管群３３は、蒸発用伝熱管群３２から離れた位置にある。より具体的には、過熱用伝熱管群３３は、蒸発用伝熱管群３２の横に位置している。本実施形態では、２つの過熱用伝熱管群３３が設けられており、これら２つの過熱用伝熱管群３３は蒸発用伝熱管群３２の両側に配置されている。過熱用伝熱管群３３の上端は、蒸発用伝熱管群３２の上端よりも高い位置にあり、過熱用伝熱管群３３の下端は、蒸発用伝熱管群３２の上端よりも低い位置にある。

図４に示すように、蒸発器２は、管板４２と水室カバー４４（図２参照）との間に形成された流体室を第１流体室５３と第２流体室５４に仕切る仕切り板５７をさらに備えている。仕切り板５７は、管板４２或いは水室カバー４４に固定されている。管板４２は、缶胴３０の側壁を構成しており、水室カバー４４は管板４２に接続されている。被冷却流体入口ポート４５は第１流体室５３に連通し、被冷却流体出口ポート４６は第２流体室５４に連通している。過熱用伝熱管群３３および第１蒸発用伝熱管群３２Ａの一端は、第１流体室５３に連通し、過熱用伝熱管群３３および第１蒸発用伝熱管群３２Ａの他端はターン側の流体室５２（図２参照）に連通している。第２蒸発用伝熱管群３２Ｂの一端は、第２流体室５４に連通し、第２蒸発用伝熱管群３２Ｂの他端はターン側の流体室５２（図２参照）に連通している。

被冷却流体（例えば、冷水）は、被冷却流体入口ポート４５を通って第１流体室５３に流入し、第１流体室５３を満たす。被冷却流体は、第１流体室５３に連通する第１蒸発用伝熱管群３２Ａおよび過熱用伝熱管群３３を流れて流体室５２（図２参照）に流入する。流体室５２を満たした被冷却流体は、第２蒸発用伝熱管群３２Ｂを流れ、第２流体室５４に流入する。被冷却流体は、第２流体室５４から被冷却流体出口ポート４６を通って流出する。

冷媒液は、冷媒散布手段４０から蒸発用伝熱管群３２（第１蒸発用伝熱管群３２Ａおよび第２蒸発用伝熱管群３２Ｂ）に散布される。冷媒液は、蒸発用伝熱管群３２の表面に接触し、蒸発用伝熱管群３２内を流れる被冷却流体との熱交換により蒸発し、冷媒蒸気となる。冷媒蒸気は、図３の矢印で示すように、蒸発用伝熱管群３２の両側から流出し、缶胴３０内を上昇する。さらに、冷媒蒸気は、過熱用伝熱管群３３の表面に接触し、過熱用伝熱管群３３内を流れる被冷却流体により過熱される。上述したように、過熱用伝熱管群３３は、１パス目の伝熱管群３１−１（図２参照）の一部から構成されている。１パス目の伝熱管群３１−１を流れる被冷却流体は比較的高い温度を有している。したがって、過熱用伝熱管群３３は、冷媒蒸気を高効率で過熱することができ、冷媒蒸気に含まれるミスト状の冷媒を蒸発させることができる。

過熱された冷媒蒸気は、缶胴３０の頂部に設けられた冷媒蒸気出口６を通って流出する。冷媒蒸気出口６は、図１に示す圧縮機１の吸込口に冷媒配管４Ａによって接続されている。したがって、冷媒蒸気は、冷媒配管４Ａを流れて圧縮機１に導入される。

過熱用伝熱管群３３は、蒸発用伝熱管群３２とは別に設けられる。このような配置により、蒸発用伝熱管群３２自体を小さくでき、蒸発用伝熱管群３２の上部のみならず、蒸発用伝熱管群３２の側部および下部にも冷媒液を散布することができる。したがって、蒸発用伝熱管群３２の全体は、冷媒液の蒸発に寄与できる。また、蒸発用伝熱管群３２を構成する各伝熱管は、冷媒液の膜で覆われ、伝熱管のドライ状態が回避される。よって、冷媒液に含まれる潤滑油（圧縮機１で使用される潤滑油）が伝熱管の表面に付着することが防止され、結果として、伝熱管内を流れる被冷却流体（例えば冷水）と冷媒液との熱交換効率を向上させることができる。

図３に示すように、蒸発器２は、蒸発用伝熱管群３２と冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の上方への流れを阻止するバッフル板６０をさらに備えている。バッフル板６０は、蒸発用伝熱管群３２の上方に配置されている。本実施形態では、バッフル板６０の下面は、過熱用伝熱管群３３の上端よりも低い位置にあり、過熱用伝熱管群３３は、バッフル板６０の両側に配置されている。バッフル板６０は、蒸発用伝熱管群３２の幅より大きな幅を有している。

バッフル板６０は、冷媒散布手段４０から散布された冷媒の一部がフラッシュして生成された冷媒蒸気、及び蒸発用伝熱管群３２と冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の流れを横にそらし、過熱用伝熱管群３３に導くことができる。冷媒蒸気は過熱用伝熱管群３３によって過熱され、冷媒蒸気に含まれるミスト状の冷媒が蒸発する。したがって、ミスト状の冷媒の圧縮機１への吸込みを防止することができる。

蒸発器２は、蒸発用伝熱管群３２と過熱用伝熱管群３３との間に配置された冷媒蒸気案内板６３をさらに備えている。冷媒蒸気案内板６３は、バッフル板６０の両側端に固定されている。冷媒蒸気案内板６３は、バッフル板６０から下方に延びている。

冷媒蒸気案内板６３の効果は次の通りである。蒸発器２は圧縮機１の吸込口に連結されるので、缶胴３０内は低圧となっている。冷媒液は凝縮器３から蒸発器２に送られ、冷媒散布手段４０から散布される。このとき、冷媒液の一部が瞬間的に蒸発し（フラッシュし）、冷媒の噴流を形成する。冷媒蒸気案内板６３は、冷媒の噴流の飛散を防止することができる。さらに、冷媒蒸気案内板６３は、冷媒の蒸気流を下方に案内し、蒸発用伝熱管群３２に導く。この下方に向かう冷媒の蒸気流は、蒸発用伝熱管群３２の上部を構成する伝熱管の表面から冷媒液の一部を除去し、上部の伝熱管上の冷媒液の膜厚を小さくする。結果として、蒸発用伝熱管群３２の全体に冷媒液が供給され、冷媒液の蒸発が促進される。

また、蒸発用伝熱管群３２内の隙間に存在する冷媒蒸気は、冷媒蒸気案内板６３によって下方に案内され、その後、蒸発用伝熱管群３２から側方に流れる。冷媒蒸気は、過熱用伝熱管群３３に接触する前に、蒸発用伝熱管群３２と過熱用伝熱管群３３との間に存在する空間を流れる。このとき、冷媒蒸気の流速は低下するので、冷媒蒸気に含まれる冷媒の液滴が自重により落下する。したがって、冷媒蒸気中に存在する冷媒の液滴は大幅に低減され、ほぼ飽和状態の冷媒蒸気が過熱用伝熱管群３３に接触する。結果として、過熱用伝熱管群３３での過熱効果が向上する。

冷媒蒸気案内板６３の下端は、過熱用伝熱管群３３の全体よりも低い位置にある。このように配置された冷媒蒸気案内板６３は、蒸発用伝熱管群３２を通過した冷媒蒸気のほとんどすべてを過熱用伝熱管群３３に導くことができる。

図３に示すように、蒸発器２は、冷媒散布手段４０の両側に配置されたブロック壁６５をさらに備えている。ブロック壁６５は、蒸発用伝熱管群３２の両縁の上方に配置されており、冷媒蒸気案内板６３よりも内側に位置している。図５は、冷媒散布手段４０、冷媒蒸気案内板６３、ブロック壁６５を示す拡大図である。ブロック壁６５は、冷媒散布手段４０から吐出された冷媒液の飛散を防止することができる。ブロック壁６５に接触した冷媒液は、ブロック壁６５から滴下し、蒸発用伝熱管群３２の両縁を構成する伝熱管に接触する。したがって、蒸発用伝熱管群３２の全幅に亘って冷媒液が供給され、蒸発用伝熱管群３２を流れる被冷却流体と冷媒液との熱交換効率を向上させることができる。

本実施形態では、過熱用伝熱管群３３を構成する伝熱管には、背の高いフィンを有する伝熱管などの外側表面積の大きい伝熱管が使用される。すなわち、過熱用伝熱管群３３を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積は、蒸発用伝熱管群３２を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積よりも大きい。このような過熱用伝熱管群３３を構成する伝熱管は、管外の冷媒蒸気の伝熱を促進でき、管外の冷媒蒸気と管内の被冷却流体との熱交換を促進することができるので、過熱用伝熱管群３３を構成する伝熱管の数を少なくすることができる。

冷媒蒸気中の液状の冷媒が過熱用伝熱管群３３との接触により蒸発すると、被冷却流体の入口温度と出口温度との差が速やかに変化する。すなわち、被冷却流体の入口温度と出口温度との差の変化は、過熱用伝熱管群３３に接触している冷媒蒸気中の液状の冷媒の量を反映している。したがって、弁制御部１０は、被冷却流体の入口温度と出口温度との差に基づいて膨張弁２２または膨張弁２５の開度、すなわち過熱度を精密に制御することができる。また、本発明によれば、蒸発器２内の液面センサを設ける必要がないので、低価格で膨張弁２２，２５の制御が可能である。

図６は、冷媒散布手段４０、バッフル板６０、およびブロック壁６５の配置の一実施形態を示す拡大図であり、図７は、図６の矢印Ｃで示す方向から見た図である。冷媒散布手段４０は、冷媒液入口５と、冷媒液入口５に接続されたヘッダー管４９と、ヘッダー管４９に接続された複数のノズル管４８を備えている。ノズル管４８は、ヘッダー管４９に固定されている。各ノズル管４８の下部には、複数の開口４８ａが設けられている。冷媒液は、冷媒液入口５、ヘッダー管４９、およびノズル管４８の順に流れ、開口４８ａから散布される。

冷媒液入口５はバッフル板６０を貫通して延びている。バッフル板６０は、冷媒液入口５およびヘッダー管４９に固定されている。したがって、バッフル板６０と冷媒散布手段４０は一体的な構造体である。本実施形態によれば、バッフル板６０と冷媒散布手段４０を別々に缶胴３０内に配置する作業が不要であるので、蒸発器２の組み立てを簡単に行うことができる。

図８は、冷媒散布手段４０、バッフル板６０、およびブロック壁６５の配置の他の実施形態を示す拡大図であり、図９は、図８の矢印Ｄで示す方向から見た図である。本実施形態では、冷媒散布手段４０は、冷媒液入口５に接続された中空箱６８を備えており、中空箱６８の下面には複数の開口６８ａが形成されている。中空箱６８は、バッフル板６０としても機能する。すなわち、中空箱６８は、冷媒散布手段４０を構成しつつ、バッフル板６０を構成する。冷媒蒸気案内板６３は、中空箱６８（バッフル板６０）の両側端に固定され、ブロック壁６５は、中空箱６８（バッフル板６０）の下面に固定されている。冷媒液は、冷媒液入口５、中空箱６８の順に流れ、開口６８ａから散布される。本実施形態によれば、よりシンプルな構造を持つ冷媒散布手段４０およびバッフル板６０が達成できる。

図１０は、蒸発器２の他の実施形態の断面図であり、図１１は、図１０に示す実施形態に係る蒸発器２の水室カバー４４の断面図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、過熱用伝熱管群３３の断面形状は、外側に向かって下方に傾斜している。過熱用伝熱管群３３の全体は、蒸発用伝熱管群３２の上端よりも低い位置にあり、かつ蒸発用伝熱管群３２の下端よりも高い位置にある。

冷媒蒸気案内板６３の下端は、過熱用伝熱管群３３の内側の下端よりも低い位置にある。したがって、図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同様に、蒸発用伝熱管群３２内の隙間に存在する冷媒蒸気は、冷媒蒸気案内板６３によって下方に案内され、その後、蒸発用伝熱管群３２から側方に流れる。冷媒蒸気は、蒸発用伝熱管群３２と過熱用伝熱管群３３との間に存在する空間を流れる間に、冷媒蒸気に含まれる冷媒の液滴が自重により落下する。したがって、冷媒蒸気中に存在する冷媒の液滴は大幅に低減され、ほぼ飽和状態の冷媒蒸気が過熱用伝熱管群３３に接触する。結果として、過熱用伝熱管群３３での過熱効果が向上する。

図１２は、蒸発器２のさらに他の実施形態の断面図であり、図１３は、図１２に示す実施形態に係る蒸発器２の水室カバー４４の断面図である。特に説明しない本実施形態の詳細は、図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、過熱用伝熱管群３３の全体は、冷媒散布手段４０、バッフル板６０、および蒸発用伝熱管群３２よりも高い位置にある。

図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同様に、蒸発用伝熱管群３２内の隙間に存在する冷媒蒸気は、冷媒蒸気案内板６３によって下方に案内され、その後、蒸発用伝熱管群３２から側方に流れる。冷媒蒸気は、蒸発用伝熱管群３２と過熱用伝熱管群３３との間に存在する空間を流れる間に、冷媒蒸気に含まれる冷媒の液滴が自重により落下する。したがって、冷媒蒸気中に存在する冷媒の液滴は大幅に低減され、ほぼ飽和状態の冷媒蒸気が過熱用伝熱管群３３に接触する。結果として、過熱用伝熱管群３３での過熱効果が向上する。

上述した蒸発器２のそれぞれの実施形態は、１パス目の伝熱管群３１−１および２パス目の伝熱管群３１−２を備えているが、本発明はこれら実施形態に限定されない。一実施形態では、図１４および図１５に示すように、蒸発器２は１パス目の伝熱管群３１−１のみからなる蒸発用伝熱管群３２および過熱用伝熱管群３３を備えてもよい。あるいは、蒸発器２は３パス目以上の伝熱管群をさらに備えてもよい。

上述した遠心式冷凍機は、圧縮式冷凍機の一例である。本発明は、圧縮式冷凍機の他の例であるスクリュー冷凍機にも同様に適用することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 圧縮機
２ 蒸発器
３ 凝縮器
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ 冷媒配管
５ 冷媒液入口
６ 冷媒蒸気出口
９ エコノマイザ
１０ 弁制御部
１１ 一段目羽根車
１２ 二段目羽根車
１３ 電動機
１６ ガイドベーン
１７ 中間吸込口
２０ バイパスライン
２１，２２，２５ 膨張弁
３０ 缶胴
３１ 伝熱管群
３１−１ １パス目の伝熱管群
３１−２ ２パス目の伝熱管群
３２ 蒸発用伝熱管群
３２Ａ 第１蒸発用伝熱管群
３２Ｂ 第２蒸発用伝熱管群
３３ 過熱用伝熱管群
４０ 冷媒散布手段
４２ 管板
４４ 水室カバー
４５ 被冷却流体入口ポート
４６ 被冷却流体出口ポート
４８ ノズル管
４９ ヘッダー管
５３ 第１流体室
５４ 第２流体室
５７ 仕切り板
６０ バッフル板
６３ 冷媒蒸気案内板
６５ ブロック壁
６８ 中空箱
Ｓ１ 温度センサ
Ｓ２ 温度センサ

Claims (11)

1. 圧縮式冷凍機に使用される液膜式の蒸発器であって、
   缶胴と、
   前記缶胴内に配置された蒸発用伝熱管群と、
   前記缶胴内に配置され、前記蒸発用伝熱管群から離れた位置にある過熱用伝熱管群と、
   前記蒸発用伝熱管群の上方に配置され、前記蒸発用伝熱管群に冷媒液を供給する冷媒散布手段と、
   前記冷媒液の一部がフラッシュして生成された冷媒蒸気、及び前記蒸発用伝熱管群と前記冷媒液との接触により発生した冷媒蒸気の上方への流れを阻止するバッフル板を備え、
   前記バッフル板は、前記蒸発用伝熱管群の上方に配置されている、蒸発器。
2. 前記バッフル板と前記冷媒散布手段は、一体的な構造体である、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記過熱用伝熱管群は、被冷却流体が流れる１パス目の伝熱管群の一部である、請求項１または２に記載の蒸発器。
4. 前記蒸発器は、
   前記缶胴の管板を覆う水室カバーと、
   前記水室カバーに接続された被冷却流体入口ポートと、
   前記管板と前記水室カバーとの間に形成された流体室を第１流体室と第２流体室に仕切る仕切り板をさらに備え、
   前記被冷却流体入口ポートおよび前記過熱用伝熱管群は、前記第１流体室に連通している、請求項３に記載の蒸発器。
5. 前記過熱用伝熱管群を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積は、前記蒸発用伝熱管群を構成する伝熱管の単位長さ当たりの外側表面積よりも大きい、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の蒸発器。
6. 前記過熱用伝熱管群は、前記蒸発用伝熱管群の横に配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の蒸発器。
7. 前記蒸発器は、前記蒸発用伝熱管群と前記過熱用伝熱管群との間に配置された冷媒蒸気案内板をさらに備えており、
   前記冷媒蒸気案内板は、前記バッフル板から下方に延びている、請求項６に記載の蒸発器。
8. 前記冷媒蒸気案内板の下端は、前記過熱用伝熱管群の内側の下端よりも低い位置にある、請求項７に記載の蒸発器。
9. 前記蒸発器は、前記冷媒散布手段の両側に配置されたブロック壁をさらに備えており、
   前記ブロック壁は、前記蒸発用伝熱管群の両縁の上方に配置されている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の蒸発器。
10. 冷媒液を蒸発させて冷媒蒸気を生成する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の蒸発器と、
    前記冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮された冷媒蒸気を凝縮させて前記冷媒液を生成する凝縮器と、
    前記凝縮器と前記蒸発器との間に配置された膨張弁を備えた、圧縮式冷凍機。
11. 前記過熱用伝熱管群に流入する被冷却流体の入口温度を測定する入口温度測定器と、
    前記過熱用伝熱管群から流出した前記被冷却流体の出口温度を測定する出口温度測定器と、
    前記入口温度と前記出口温度との差に基づいて前記膨張弁の開度を制御する弁制御部をさらに備えている、請求項１０に記載の圧縮式冷凍機。

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