JP2021025754A - 流下液膜式熱交換器及び流下液膜式チューブアイス製氷機 - Google Patents

Abstract

【課題】流下液膜式熱交換器において、伝熱管外表面に均一な冷媒液膜を形成し、熱交換効率を高めることで装置のコンパクト化を可能にする。【解決手段】ケーシングと、ケーシングの内部に鉛直方向に沿って延在する複数の伝熱管と、ケーシングの内部空間のうち伝熱管の上端部が配置された領域に設けられ、冷媒を貯留するためのヘッダと、伝熱管の前記上端部の外周側に設けられ、ヘッダ内の空間とケーシングの内部空間のうちヘッダの下方の領域とを連通させる環状隙間を伝熱管の外表面との間に形成する筒状体と、筒状体又は伝熱管の少なくとも一方に形成され、筒状体又は伝熱管の他方に向かって径方向に突出するフランジと、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、伝熱管を鉛直方向に沿って配置した縦型の流下液膜式熱交換器及び該流下液膜式熱交換器を備えた流下液膜式チューブアイス製氷機に関する。

チューブアイス製氷機は、満液式蒸発器や流下液膜式熱交換器を備えたものがある。満液式蒸発器は、シェル内に設けられた伝熱管の外側を冷媒液で満たし、冷媒液を低温で沸騰させることにより、伝熱管の内面に沿って流下する水を冷却し、伝熱管の内面に円筒形の氷を生成させる（特許文献１参照）。流下液膜式熱交換器は、媒体液を伝熱管の外表面に沿って膜状に流下させ、この膜状冷媒液を低温で沸騰させることにより、伝熱管の内面に沿って流下する水を冷却し、伝熱管の内面に円筒形の氷を生成させる（特許文献２参照）。ある程度氷の厚みが増加したところで、シェル内に冷媒のホットガスを注入して伝熱管内面の氷を融解させ、自重により氷を下方へ落とし、これを一定間隔で砕氷し、チューブアイスを製造する。

特許文献２に開示された流下液膜式熱交換器は、伝熱管の一部外表面で生じる沸騰が脈動や片寄りを引き起こし、これが液膜の形成を阻害し、その結果、ドライパッチ（伝熱管外表面において冷媒液膜が形成されない乾いた部分）が発生するのを抑制するため、伝熱管の一部の外表面又は内面に気泡抑制部を形成している。気泡抑制部は、例えば、伝熱管素材に比べて熱伝導率の小さい材料からなる筒状のリングで構成され、これを伝熱管の外表面又は内面に装着し、伝熱管外表面での冷媒液の沸騰を抑制するようにしている。

特開平０６−１４７７０７号公報 特開昭６４−６７５７３号公報

満液式蒸発器を備えた製氷機は、ケーシング内に冷媒液を満たすため冷媒量が多く必要になると共に、冷媒液のヘッドにより深さ方向に圧力分布が生じ、深さが２ｍ程度の満液式蒸発器では、底部の蒸発温度は上部より１℃程度高くなるため、氷厚にムラができる問題がある。また、冷媒側の熱伝達は核沸騰熱伝達であるため熱伝達率が低くなり、製氷に時間がかかる。また、脱氷工程においてシェル側にホットガスを注入して冷媒を昇温させる場合、低温の過冷却状態になっている大量の冷媒液を氷の融点以上に昇温するのに多量の熱量を必要とすると共に、ホットガスにより昇温かつ攪拌された冷媒液との対流熱伝達となるため、伝熱管内側にできた氷との熱伝達率が低くなり、脱氷に時間がかかるという問題がある。

これに対し、流下液膜式熱交換器を備えた製氷機は、伝熱管の外表面に形成された冷媒液膜と伝熱管の内側を流下する製氷用水とを熱交換させるため、満液式と比べて冷媒量を大幅に低減できると共に、相変化して製氷用水と潜熱熱交換する冷媒の場合、薄膜による蒸発熱伝達であるため、低熱流束で高熱伝達率が得られ、満液式と比べて製氷時間を大幅に短縮できる、等の利点がある。流下液膜式熱交換器においては、現状、伝熱管の熱交換効率を高めることで、伝熱管の表面積を低減可能にし、これによって、装置のコンパクト化を図ることが望まれている。しかし、特許文献２に開示された蒸発器は、伝熱管素材に比べて熱伝導率の小さい材料からなるリングを伝熱管の内面又は外表面に装着するため、伝熱管の熱交換効率を低下させるおそれがあり、かつ伝熱管に筒状のリングを装着するため、構造の複雑化及び高コスト化をまねくため、装置のコンパクト化の傾向に逆行する。

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流下液膜式熱交換器において、伝熱管外表面に均一な冷媒液膜を形成し、これによって、装置のコンパクト化を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る流下液膜式熱交換器は、ケーシングと、前記ケーシングの内部に鉛直方向に沿って延在する複数の伝熱管と、前記ケーシングの内部空間のうち前記伝熱管の上端部が配置された領域に設けられ、冷媒を貯留するためのヘッダと、前記伝熱管の前記上端部の外周側に設けられ、前記ヘッダ内の空間と前記ケーシングの内部空間のうち前記ヘッダの下方の領域とを連通させる環状隙間を前記伝熱管の外表面との間に形成する筒状体と、前記筒状体又は前記伝熱管の少なくとも一方に形成され、前記筒状体又は前記伝熱管の他方に向かって径方向に突出するフランジと、を備える。

また、本開示に係る流下液膜式チューブアイス製氷機は、前記記載の流下液膜式熱交換器と、前記伝熱管の上端開口に連通し、前記伝熱管の内部に製氷用水を供給する上部製氷用水貯留部と、を備える。

本開示に係る流下液膜式熱交換器及び流下液膜式チューブアイス製氷機によれば、伝熱管外表面のドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。これによって、伝熱管の表面積を低減できるため、蒸発器及び製氷機を小型化できる。

一実施形態に係る流下液膜式蒸発器を備えた製氷機の縦断面図である。 図１中の伝熱管上部を拡大して示す拡大縦断面図である。 一実施形態に係る筒状体取付部を示す縦断面図である。 一実施形態に係る筒状体取付部を示す縦断面図である。 一実施形態に係る筒状体取付部を示す縦断面図である。 一実施形態に係る冷凍機の製氷時を示す系統図である。 筒状体内側の冷媒液の挙動を説明する横断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（流下液膜式熱交換器の構成）
図１は、一実施形態に係る流下液膜式熱交換器１１を備えた流下液膜式チューブアイス製氷機１０の縦断面図であり、図２は、熱交換器１１の伝熱管１４の上端部を示す拡大縦断面図である。熱交換器１１は、ケーシング１２の内部に複数の伝熱管１４を備え、伝熱管１４は鉛直方向に沿って延在する。ケーシング１２の内部空間Ｓ_０のうち伝熱管１４の上端部が配置された領域に冷媒液ｒを貯留するための冷媒ヘッダ１６が設けられている。伝熱管１４の上端部の外周側に筒状体６０が設けられ、筒状体６０は、ヘッダ内空間Ｓ_１とケーシング１２の内部空間Ｓ_０のうち冷媒ヘッダ１６の下方の領域とを連通させる環状隙間Ｃａを伝熱管１４の外表面との間に形成する。筒状体６０は伝熱管１４の周方向に均一な環状隙間Ｃａを形成する。

本明細書で、「伝熱管１４が鉛直方向に沿って延在する」とは、伝熱管１４が鉛直方向に対して３０度以内の傾きをもって延在することを含むものとする。

図３〜図５は幾つかの実施形態に係る筒状体６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ）を示す縦断面図である。筒状体６０又は伝熱管１４の少なくとも一方にフランジ６４（６４ａ、６４ｂ）が形成され、フランジ６４は筒状体６０又は伝熱管１４の他方に向かって径方向に突出している。

上記構成において、冷媒ヘッダ１６に貯留された冷媒液が環状隙間Ｃａに流入し、さらに、筒状体下方の伝熱管１４の外表面を伝って下方へ流下し、伝熱管１４の外表面に冷媒液膜Ｌｆを形成する。一方、伝熱管１４の上端開口から伝熱管１４の内部に被冷却流体が供給され、この被冷却流体は伝熱管１４を介して冷媒液膜Ｌｆによって冷却される。なお、熱交換器１１が製氷機１０に設けられたとき、後述するように、被冷却流体は製氷用水Ｗｉであり、製氷用水Ｗｉは冷媒液膜Ｌｆによって冷却されて伝熱管１４の内面に円筒形状のチューブアイスＴｉを形成する。

図３〜図５に示すように、冷媒ヘッダ１６内に貯留された冷媒液ｒは伝熱管１４の外表面とフランジ６４との間に形成された狭い隙間Ｃ_１から隙間Ｃ_１より広い筒状体６０内の環状の隙間Ｃ_２に流入する際に、冷媒液ｒに拡散作用が働くため、伝熱管１４の外表面において伝熱管１４の周方向に均一な冷媒液膜Ｌｆを形成できる。これによって、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。従って、伝熱管１４の表面積を低減できるため、熱交換器１１を小型化できる。また、熱交換器１１は、満液式のように深さ方向に冷媒液のヘッド圧が生じないため、鉛直方向で蒸発温度が一定となり、冷却温度にムラができない利点がある。

一実施形態では、図６に示すように、冷媒ヘッダ１６に貯留される冷媒液ｒを生成するための冷凍機７０を備える。冷凍機７０によって冷却源としての冷媒液ｒを生成できる。

一実施形態では、図１に示すように、ケーシング１２の上部に管板１８が設けられ、管板１８に伝熱管１４の上端部が固定される。ケーシング１２の下部に管板３６が設けられ、管板３６に伝熱管１４の下端部が固定される。内部空間Ｓ_０は管板３６を底面として冷媒液ｒを貯留可能になっている。冷媒ヘッダ１６に冷媒液入口管３０が設けられ、ケーシング１２の下部に冷媒入口管２２及び冷媒液出口管２８が設けられ、さらに、循環ポンプ２６を有する冷媒液循環管２４が冷媒液入口管３０と冷媒液出口管２８とに接続されている。冷凍機７０から冷媒入口管２２に冷媒液ｒが供給され、一旦内部空間Ｓ_０に溜まった冷媒液ｒは冷媒液出口管２８から冷媒液循環管２４を介して冷媒ヘッダ１６に送られる。

一実施形態では、冷媒液ｒは被冷却流体と熱交換する際に相変化して被冷却流体を蒸発潜熱で冷却する冷媒液が用いられる。ケーシング１２の上部で内部空間Ｓ_０の上部に連通する冷媒ガス出口管３２が設けられ、被冷却流体との熱交換により一部気化した冷媒ガスは冷媒ガス出口管３２から冷凍機７０の冷媒回路に戻され、気化せずに内部空間Ｓ_０の下部に溜まった冷媒液ｒは、冷媒液循環管２４を介して冷媒ヘッダ１６に戻される。

図６は、一実施形態に係る冷凍機７０の構成を示す系統図である。冷凍機７０は、冷媒が循環する冷媒回路７２に圧縮機７４、凝縮器７６、レシーバ７８及び膨張弁８０を含む冷凍サイクル構成機器を備える。圧縮機７４から吐出された冷媒ガスは、凝縮器７６で冷却されて冷媒液となり、この冷媒液はレシーバ７８に送られて貯留される。レシーバ７８内の冷媒液ｒは冷媒回路７２を経て熱交換器１１に供給され、その際、膨張弁８０を経て減圧されて熱交換器１１に供給される。例えば、冷媒液ｒは図１に示す冷媒入口管２２から内部空間Ｓ_０に供給され、その後、冷媒液循環管２４を介して冷媒ヘッダ１６に供給され、被冷却流体を冷却するために用いられる。被冷却流体との熱交換により一部気化した冷媒ガスは、冷媒ガス出口管３２から排出され、冷媒回路７２を経て圧縮機７４に送られ再び圧縮される。

熱交換器１１は、被冷却流体との熱交換時に相変化して潜熱熱交換を行う冷媒だけでなく、相変化しないで顕熱熱交換を行う冷媒も用いることができる。潜熱熱交換の例としては、図１で示すように、伝熱管１４の内面に製氷用水Ｗｉを供給・循環してチューブアイスＴｉを生成後に、ホットガスで脱氷する流下液膜式チューブアイス製氷機１０がある。さらに、また、被冷却流体を凝縮系の冷媒にすれば、カスケード型凝縮器や、蒸留用熱交換器とすることができる。一方、顕熱熱交換の例としては、製氷用水Ｗｉをブラインや冷水に代えて顕熱冷却を行えば、ブラインクーラやチラーの熱交換器に適用できる。

（流下液膜式チューブアイス製氷機の構成）
一実施形態では、熱交換器１１は流下液膜式チューブアイス製氷機１０に適用される。図１に示すように、製氷機１０は、熱交換器１１と、伝熱管１４の上端開口に連通し、伝熱管１４の内部に被冷却流体として製氷用水Ｗｉを供給する上部製氷用水貯留部２０と、を備える。製氷工程において、上部製氷用水貯留部２０から伝熱管１４の内部に供給された製氷用水Ｗｉは、伝熱管１４の外表面を流下する冷媒液に冷却され、伝熱管１４の内面にチューブアイスＴｉを形成する。凍結せずに伝熱管１４の下方へ流下した製氷用水Ｗｉは、循環して上部製氷用水貯留部２０に戻り、伝熱管１４の上端から伝熱管１４の内部に供給される。チューブアイスＴｉが所定の厚さになったとき、製氷工程から脱氷工程に切り替わる。脱氷工程では、ケーシング１２の下部に設けられ、内部空間Ｓ_０の下方領域に連通する図１に示すホットガス入口管３４からホットガスが供給され、伝熱管１４を加温する。これによって、チューブアイスＴｉは伝熱管１４の内面から剥離し、自重によって下方へ落下する。

製氷工程時に、伝熱管１４の周方向に均一な冷媒液膜Ｌｆを形成できるため、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。従って、伝熱管１４の表面積を低減でき、熱交換器１１を小型化できる。また、満液式のように深さ方向に冷媒液ｒのヘッド圧が生じないため、鉛直方向で蒸発温度が一定となり、チューブアイスＴｉの氷厚にムラができない。さらに、内部空間Ｓ_０に保有する冷媒液が少ないため、冷凍機７０を構成する圧縮機７４への液バックを抑制できると共に、チューブアイスＴｉを伝熱管１４の内面から剥離させる脱氷工程において、冷媒液ｒは脱氷用のホットガスの注入により短時間で氷の融点以上の飽和温度に達することができる。さらに、ホットガスが凝縮して伝熱管外表面の鉛直方向に沿って流下するので凝縮液の滞留が無いため、ホットガスの凝縮熱が効率良く氷側に伝わる。以上から、製氷時間及び脱氷時間を短縮でき、製氷能力を向上できる。

図６中の矢印は、製氷機１０の製氷工程における冷凍機７０の冷媒の流れを示す。製氷工程において、上述のように、レシーバ７８内の冷媒液ｒが冷媒回路７２を経て膨張弁８０によって減圧された冷媒液ｒが熱交換器１１に供給される。脱氷工程では、０℃を超える冷媒ガスがホットガスとして図１に示すケーシング１２の下部に配置されるホットガス入口管３４から熱交換器１１の内部空間Ｓ_０に供給される。供給されたホットガスによって伝熱管１４が０℃を超えて加温されることで、チューブアイスＴｉは伝熱管１４の内面から脱離し自重で下方へ落下する。

一実施形態では、図３〜図５に示すように、フランジ６４（６４ａ、６４ｂ）は、筒状体６０の上端側で筒状体６０又は伝熱管１４の外表面に設けられる。フランジ６４が筒状体６０の上端側に設けられることで、フランジ６４の下側に第２隙間Ｃ_２を形成できる。
別な実施形態では、図３及び図４に示すように、フランジ６４（６４ａ）は筒状体６０（６０ａ、６０ｂ）に設けられる。これによって、第１隙間Ｃ_１は伝熱管１４の外表面と段差がない連続した面で形成される。従って、第１隙間Ｃ_１を通過する冷媒液膜Ｌｆが伝熱管１４の外表面に密着した状態で形成されるので、伝熱管１４を介した冷媒液膜と被冷却流体（例えば製氷用水Ｗｉ）との熱伝達率を向上できる。
さらに別な実施形態では、図５に示すように、フランジ６４（６４ｂ）は、伝熱管１４の外表面から外側へ突出するように設けられる。この実施形態では、フランジ６４（６４ｂ）とその下方の伝熱管外表面との間に段差ができるので、冷媒液ｒが第１隙間Ｃ_１を通過するときの冷媒液ｒの拡散作用を促進できる。

一実施形態では、図２〜図５に示すように、筒状体６０は冷媒ヘッダ１６の下面１６ａから上方へ延在する。これによって、冷媒ヘッダ１６内で少なくとも下面１６ａから筒状体６０の上端までの深さを有する冷媒液ｒの液溜めが形成される。冷媒液ｒは筒状体６０の上端からオーバフローして環状隙間Ｃａに流入する。このように、伝熱管１４の周方向に沿って冷媒液の液溜めが形成され、かつオーバフロー液が環状隙間Ｃａに流入するため、環状隙間Ｃａで伝熱管１４の周方向に均一な冷媒液膜Ｌｆを形成しやすくなる。また、液溜めに起こる沸騰が冷媒液ｒを攪拌するため均一な液膜形成に寄与する。

一実施形態では、筒状体６０の下端において筒状体６０間に冷媒ヘッダ１６と冷媒ヘッダ１６内のヘッダ内空間Ｓ_１とその下方の内部空間Ｓ_０とを仕切る仕切板６２が設けられる。伝熱管１４及び筒状体６０は例えば円形の横断面を有し、環状隙間Ｃａは例えば１ｍｍ前後の円筒形状の隙間を形成する。一実施形態では、筒状体６０は水平方向に拡径して仕切板６２に支持される止め用フランジ６１を有する。止め用フランジ６１より上方の筒状体６０の高さは、環状隙間Ｃａの冷媒液ｒがその表面張力により伝熱管１４の周方向全域に回り込むことを可能にする寸法を有する。

なお、本発明者等が行った要素試験により、次の事がわかった。即ち、冷媒ヘッダ１６に貯留された冷媒液の過冷却度が大きい場合、沸騰が少なく液面の揺れが少ないため、筒状体６０を支持する仕切板６２の傾きや製造時の環状隙間Ｃａの公差等により流れやすくなった箇所から伝熱管１４の外表面に冷媒液が流下する偏流が起きやすい。過冷却度が小さい場合、伝熱管１４からの熱影響で伝熱管群間の冷媒液が沸騰し気泡Ａｂが発生しやすい。気泡Ａｂが発生することで冷媒液面Ｌｓが乱され、これによって、伝熱管外表面での給液の偏流が抑制されることが判明した。

一実施形態では、図３〜図５に示すように、環状隙間Ｃａは、筒状体６０又は伝熱管１４とフランジ６４との間に形成される第１隙間Ｃ_１と、第１隙間Ｃ_１の下方に位置し、第１隙間Ｃ_１よりも大きな第２隙間Ｃ_２と、を含む（Ｃ_１＜Ｃ_２）。冷媒ヘッダ１６内に貯留された冷媒液ｒが第１隙間Ｃ_１から第２隙間Ｃ_２に流入する際に、流入空間が急に拡大するために冷媒液ｒに大きな拡散作用が働く。この拡散作用によって冷媒液ｒが伝熱管１４の外表面周方向へ拡散するため、伝熱管１４の周方向に均一な冷媒液膜Ｌｆを形成できる。これによって、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。

図７は、第１隙間Ｃ_１から第２隙間Ｃ_２に流入した冷媒液ｒの挙動を示す横断面図である。環状隙間Ｃａは、熱交換器１１の製造時の交差によって伝熱管１４の周方向で異なる場合がある。この場合、隙間が大きい領域に多くの冷媒液ｒが流入する。他方、第１隙間Ｃ_１＜第２隙間Ｃ_２であるために、冷媒液ｒが第２隙間Ｃ_２に流入したとき、流入した冷媒液量と比べて隙間容積が大きくなるので、冷媒液ｒにより大きな拡散作用が働く。また、第２隙間Ｃ_２において、冷媒液ｒは表面張力によって隙間が狭い領域Ｃ_２Ｎの方向へ流れる。これらの作用によって、伝熱管周方向の偏流が緩和させ、伝熱管周方向に均一な冷媒液膜を形成できる。

一実施形態では、図４及び図５に示すように、筒状体６０（６０ｂ、６０ｃ）は、これら筒状体６０の内周面と外周面とに開口するように筒状体６０を貫通し周方向に離散して形成された複数の貫通孔６６を有する。貫通孔６６を有するため、冷媒ヘッダ１６内のヘッド圧が付加された冷媒液ｒが貫通孔６６から環状隙間Ｃａに噴射される。これによって、冷媒液ｒを拡散する作用が働き、伝熱管１４の周方向で均一な冷媒液膜Ｌｆが形成される。また貫通孔６６は第２隙間Ｃ_２に対して冷媒液ｒを供給する作用があり、第１隙間Ｃ_１から流入する冷媒液ｒが不足した際に、伝熱管周方向の液膜形成に必要な冷媒量を補うことができる。複数の貫通孔６６は、例えば、伝熱管１４の周方向に等間隔で配置され、１ｍｍ前後の直径を有する。

一実施形態では、第１隙間Ｃ_１は複数の貫通孔６６の合計開口面積より大きい流路面積を有する。第１隙間Ｃ_１から流入する冷媒液ｒは、冷媒液面Ｌｓが乱れているため、細かく脈動している可能性があるが、貫通孔６６から流入する冷媒液ｒによって適度な拡散力と脈動の抑制力を付与されるので，伝熱管周方向で均一な冷媒液膜を形成することが可能となる。なお、複数の貫通孔６６の合計開口面積が第１隙間Ｃ_１以上になると、適度な拡散力と脈動の抑制力が得られなくなる。こうして、第１隙間Ｃ_１から流入した冷媒液ｒは脈動を生じることなく、貫通孔６６から環状隙間Ｃａに流入する冷媒液ｒによって伝熱管周方向への適度な拡散力を付与される。これによって、伝熱管周方向で均一な冷媒液膜を形成できる。

一実施形態では、図２に示すように、フランジ６４（６４ａ）は、筒状体６０又は伝熱管１４の他方に対して周方向に離散した複数箇所に配置された接合部６８で、例えば、スポット溶接などで接合される。これによって、冷媒液の流通を妨げることなく第１隙間Ｃ_１を伝熱管周方向で均一に形成できる。なお、図３及び図４においても、図示されていないが、フランジ６４（６４ａ）は、伝熱管１４の外表面に対して周方向に離散した複数箇所で接合され、また、図６においても、フランジ６４（６４ｂ）と筒状体６０とは、周方向に離散した複数箇所で接合されている。

一実施形態では、運転中、ケーシング１２の内部空間Ｓ_０の下部に内部空間高さの１／１０以下の液位を有する冷媒液ｒが貯留される。これによって、少ない冷媒量で被冷却流体との熱交換が可能になる。また、内部空間Ｓ_０の上部にある冷媒ガス出口管３２から冷媒液面を下方へ遠ざけることができるため、冷媒液面から冷媒ガス出口管３２に至る冷媒ガスに冷媒液が混入しない。従って、圧縮機７４への液バックを防止できると共に、冷媒ガス出口管３２から圧縮機７４に至る間の冷媒回路７２に気液を分離するアキュームレータや冷媒液ｒをガス化するための液ガス熱交換器を設置する必要がない。また、脱氷工程において、冷媒液ｒの液面より下方にあるホットガス入口管３４からホットガスを注入することで、冷媒液ｒは激しく攪拌されるため、高い熱伝達率で伝熱管内側への伝熱が可能になる。さらに、冷媒液ｒが相変化する潜熱熱交換を行う冷媒である場合、冷媒液ｒの液面上方の内部空間Ｓ_０は飽和蒸気に晒されるため、伝熱管外表面に冷媒液が凝縮しながら流下する凝縮熱伝達となり、伝熱管壁内外の熱通過率が向上する。これによって、製氷機１０の場合、製氷時間及び脱氷時間を短縮でき、１サイクルの製氷間隔を短縮でき、製氷能力を向上できる。

一実施形態では、冷媒は、自然冷媒（例えば、ＮＨ_３、ＣＯ_２、プロパン、イソブタン等）、ＨＦＣ冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ３２、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４１０Ａ等）、又はＨＦＯ冷媒（例えば、Ｒ１２３４ｙｆなど）が用いられる。これら冷媒のうち例えばＮＨ_３は大きな表面張力を有している。この表面張力は、筒状体６０の内部で冷媒液膜Ｌｆが伝熱管１４の周方向へ回り込むように作用するので、伝熱管１４の周方向に均一な冷媒液膜Ｌｆを形成できる。従って、伝熱管周方向で上記以外の冷媒を用いた場合より均一な冷媒液膜Ｌｆを形成できる。

一実施形態では、図１に示すように、製氷機１０は伝熱管１４の上端が固定される管板１８を備えている。そして、冷媒ヘッダ１６は管板１８の下方に形成されると共に、上部製氷用水貯留部２０は管板１８の上方に形成される。このように、上部製氷用水貯留部２０と冷媒ヘッダ１６とは管板１８によって仕切られているため、製氷用水Ｗｉと冷媒液ｒとが伝熱管１４の上流側で交じり合うことはない。また、冷媒ヘッダ１６を管板１８の下方に配置したので、冷媒ヘッダ１６に貯留される冷媒液ｒを伝熱管１４の外表面まで導く導入路の形成が容易になる。

一実施形態では、上部製氷用水貯留部２０は内部に製氷用水Ｗｉを貯留可能な中空容器で構成される。あるいは上部製氷用水貯留部２０の底面は管板１８によって構成されるようにしてもよく、該底面に伝熱管１４の上端が開口している。また、冷媒ヘッダ１６の上面は管板１８で構成される。

一実施形態では、図１に示すように、ケーシング１２の下部に下部製氷用水貯留部４２が設けられる。上部製氷用水貯留部２０から伝熱管１４の内部に供給された製氷用水Ｗｉのうち、氷にならない製氷用水Ｗｉは、下部製氷用水貯留部４２に貯留される。上部製氷用水貯留部２０と下部製氷用水貯留部４２との間には、循環ポンプ４６を有する製氷用水循環管４４が設けられている。下部製氷用水貯留部４２に流下した冷媒液ｒは、製氷用水循環管４４から上部製氷用水貯留部２０に戻され、その後伝熱管１４の内部に供給される。また、下部製氷用水貯留部４２に溜まった製氷用水Ｗｉの液面レベルを検出するレベルセンサ４８が設けられ、制御部５０は、レベルセンサ４８の検出値に基づいて循環ポンプ４６の作動を制御する。

この実施形態によれば、製氷工程において、伝熱管１４の内部に供給される製氷用水Ｗｉを製氷用水循環管４４を介して伝熱管１４に循環させることで、チューブアイスＴｉを所定の厚さに形成できる。また、下部製氷用水貯留部４２に溜まった製氷用水Ｗｉの液面レベルを所望のレベルに制御できるので、製氷工程の運転を円滑に行うことができる。

一実施形態では、上部製氷用水貯留部２０及び下部製氷用水貯留部４２の製氷用水Ｗｉが不足してきたら、上部製氷用水貯留部２０又は下部製氷用水貯留部４２に補給水を注入可能な構成とする。製氷工程でチューブアイスＴｉ製造が完了した後に、製氷用水Ｗｉの循環を停止する。

一実施形態では、伝熱管１４の内面に形成されたチューブアイスＴｉを脱離するためのホットガスを伝熱管１４の外表面側に供給するホットガス供給部（図１に示すホットガス入口管３４、図６に示す冷凍機７０のホットガス供給路等）を備える。脱氷工程において、伝熱管１４の内面に形成されたチューブアイスＴｉを脱氷するためのホットガスがホットガス入口管３４に供給される。即ち、ホットガスは内部空間Ｓ_０でかつ伝熱管１４の外側空間に供給される。

一実施形態では、脱氷工程において、伝熱管１４の内面から脱離し自重で滑り落ちるチューブアイスＴｉを切断するためのカッタ３８を伝熱管１４の下方に備えている。カッタ３８を備えているため、伝熱管１４の内面から脱離して自重で滑り落ちるチューブアイスＴｉを適宜長さに裁断して利用先に供給できる。
一実施形態では、カッタ３８は伝熱管１４の下方に設けられた下部製氷用水貯留部４２の内部に設けられる。下部製氷用水貯留部４２は中空容器で構成され、製氷用水Ｗｉを貯留可能になっている。

一実施形態では、カッタ３８は回転軸３８ａを中心に回転可能に構成され、駆動部（例えばモータ）４０によって回転される。脱氷時に伝熱管１４から落下するチューブアイスＴｉの落下速度に合わせて、駆動部４０によるカッタ３８の回転速度を適宜制御することで、裁断されるチューブアイスＴｉの長さを調整できる。

一実施形態では、下部製氷用水貯留部４２の内部にメッシュ状の開口を有する底板５２を備える。下部製氷用水貯留部４２の内部空間は、底板５２によって、チューブアイスＴｉの出口開口５４を含む上部領域と、製氷用水循環管４４の出口開口を含む下部領域とに仕切られる。これによって、カッタ３８で切断されたチューブアイスＴｉと、氷にならない製氷用水Ｗｉとは底板５２で分離され、チューブアイスＴｉのみ出口開口５４から下部製氷用水貯留部４２の外側へ排出できる。上記下部領域に流下した製氷用水Ｗｉは、製氷用水循環管４４を介して上部製氷用水貯留部２０に戻される。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

（１）一実施形態に係る流下液膜式熱交換器は、ケーシングと、前記ケーシングの内部に鉛直方向に沿って延在する複数の伝熱管と、前記ケーシングの内部空間のうち前記伝熱管の上端部が配置された領域に設けられ、冷媒を貯留するためのヘッダと、前記伝熱管の前記上端部の外周側に設けられ、前記ヘッダ内の空間と前記ケーシングの内部空間のうち前記ヘッダの下方の領域とを連通させる環状隙間（例えば、図３〜図５に図示される環状隙間Ｃａ）を前記伝熱管の外表面との間に形成する筒状体（例えば、図３〜図５に図示される筒状体６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ））と、前記筒状体又は前記伝熱管の少なくとも一方に形成され、前記筒状体又は前記伝熱管の他方に向かって径方向に突出するフランジ（例えば、図３〜図５に図示されるフランジ６４（６４ａ、６４ｂ））と、を備える。

このような構成によれば、ヘッダ内に貯留された冷媒液は伝熱管の外表面と上記フランジとの間に形成された狭い隙間から該隙間より広い上記環状隙間に流入する際に、冷媒に拡散作用が働くため、環状隙間において伝熱管の周方向に拡散して伝熱管の外表面に均一な冷媒液膜を形成できる。これによって、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができるため、伝熱管の表面積を低減でき、その結果熱交換器を小型化できる。また、満液式のように深さ方向に冷媒液のヘッド圧が生じないため、鉛直方向で蒸発温度が一定となり、冷却温度にムラができない利点がある。

（２）別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）に記載の流下液膜式熱交換器であって、前記筒状体は前記ヘッダの下面から上方へ延在する。

このような構成によれば、ヘッダ内に貯留された冷媒液は筒状体の上端からオーバフローして環状隙間に筒状体の上端からオーバフローして上記環状隙間に流入するため、環状隙間への流入する際に拡散作用が働く。これによって、伝熱管の周方向で均一な冷媒液膜を形成できる。

（３）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）又は（２）に記載の流下液膜式熱交換器であって、前記環状隙間は、前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方と前記フランジとの間に形成される第１隙間（例えば、図３〜図５に図示される第１隙間Ｃ_１）と、前記第１隙間の下方に位置し、前記第１隙間よりも大きな第２隙間（例えば、図３〜図５に図示される第２隙間Ｃ_２）と、を含む。

このような構成によれば、第２隙間は第１隙間より大きいために、ヘッダ内に貯留された冷媒が第１隙間から第２隙間に流入する際に冷媒を伝熱管の周方向へ拡散させる拡散作用が働く。これによって、伝熱管の周方向に均一な液膜を形成できるため、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。

（４）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）乃至（３）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器であって、前記筒状体は、前記筒状体の内周面と外周面とに開口するように前記筒状体を貫通し周方向に離散して形成された複数の貫通孔（例えば、図４及び図５に図示される貫通孔６６）を有する。

このような構成によれば、ヘッダ内に貯留しヘッド圧が付加された冷媒液が上記貫通孔から環状隙間に噴射される。貫通孔から噴射される冷媒液によって、環状隙間において冷媒を拡散する力が発生する。これによって、伝熱管周方向で均一な冷媒液膜を形成できる。

（５）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（４）に記載の流下液膜式熱交換器であって、前記環状隙間は、前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方と前記フランジとの間に形成される第１隙間と、前記第１隙間の下方に位置し、前記第１隙間よりも大きな第２隙間と、を含み、前記第１隙間は、前記複数の貫通孔の合計開口面積より大きい流路面積を有する。

このような構成によれば、第１隙間は複数の貫通孔の合計開口面積より大きい流路面積を有するため、第１隙間から流入した冷媒液は脈動を生じることなく、貫通孔から環状隙間に流入する冷媒液によって伝熱管周方向への適度な拡散力を付与される。これによって、伝熱管周方向で均一な冷媒液膜を形成できる。

（６）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）乃至（５）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器であって、前記フランジは、前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方に対して周方向に離散した複数箇所で接合される。

このような構成によれば、上記フランジは、周方向に離散した複数箇所で接合されるため、冷媒液の流通を妨げることなく第１隙間を伝熱管周方向で均一に形成できる。

（７）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）乃至（６）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器であって、前記ヘッダに貯留される前記冷媒を生成するための冷凍機（例えば、図６に図示される冷凍機７０）を備える。

このような構成によれば、上記冷凍機によって冷却源としての冷媒を生成できる。

（８）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）乃至（７）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器であって、前記ケーシングの内部空間の下部に内部空間高さの１／１０以下の液位を有する冷媒液が貯留される。

このような構成によれば、ケーシングの内部空間に内部空間高さの１／１０以下の液位を有する冷媒液が貯留されるように運転されるため、少ない冷媒量で被冷却流体との熱交換が可能になる。また、冷媒液の液位を内部空間高さの１／１０以下とすることで、該内部空間の上部にある冷媒出口から冷媒液面を遠ざけることができるため、冷媒出口から排出される冷媒に冷媒液が混入するのを抑制できる。従って、圧縮機への液バックを防止できると共に、冷媒を供給する冷凍機において、冷媒出口から圧縮機に至る間の冷媒回路に気液を分離するアキュームレータや冷媒液をガス化するための液ガス熱交換器の設置が不要となる。

（９）さらに別の態様に係る流下液膜式熱交換器は、（１）乃至（８）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器であって、前記冷媒は、自然冷媒、ＨＦＣ冷媒又はＨＦＯ冷媒である。

このような構成によれば、上記冷媒のうち例えばＮＨ_３は大きな表面張力を有している。この表面張力により伝熱管周方向で均一な冷媒液膜を形成できる。これによって、製氷用水との熱伝達量を向上できる。

（１０）一実施形態に係る流下液膜式チューブアイス製氷機は、（１）乃至（９）の何れかに記載の流下液膜式熱交換器と、前記伝熱管の上端開口に連通し、前記伝熱管の内部に製氷用水を供給する上部製氷用水貯留部と、を備える。

このような構成によれば、上部製氷用水貯留部から伝熱管の内部に供給される製氷用水は、流下液膜式熱交換器によって冷却され、チューブアイスを形成する。その際、伝熱管の周方向に均一な冷媒液膜を形成できるため、ドライパッチの形成を抑制でき、熱交換効率を高めることができる。これによって、伝熱管の表面積を低減でき、熱交換器を小型化できる。また、満液式のように深さ方向に冷媒液のヘッド圧が生じないため、鉛直方向で蒸発温度が一定となり、氷厚にムラができない。また、ケーシング内に保有する冷媒液が少ないため、圧縮機への液バックを抑制できると共に、チューブアイスを伝熱管の内面から剥離させる脱氷工程において、冷媒液は脱氷用のホットガスの注入により短時間で氷の融点以上の飽和温度に達することができる。以上から、製氷時間及び脱氷時間を短縮でき、製氷能力を向上できる。

（１１）別の態様に係る流下液膜式チューブアイス製氷機は、（１０）に記載の流下液膜式チューブアイス製氷機であって、前記伝熱管の上端が固定される管板を備え、前記ヘッダは、前記管板の下方に形成され、前記上部製氷用水貯留部は前記管板の上方に形成される。

このような構成によれば、上記管板を境に管板の上方に上部製氷用水貯留部を配置し、管板の下方に冷媒を貯留するためのヘッダを配置したので、製氷用水と冷媒とが伝熱管の上流側で交じり合わない。また、ヘッダを管板の下方に配置したので、該ヘッダに貯留される冷媒を伝熱管の外表面まで導く導入路の形成が容易になる。

（１２）さらに、別の態様に係る流下液膜式チューブアイス製氷機は、（１０）又は（１１）に記載の流下液膜式チューブアイス製氷機であって、前記伝熱管の内面に形成されたチューブアイスを脱氷するためのホットガスを前記伝熱管の外表面側に供給するホットガス供給部（例えば、ホットガス入口管３４、冷凍機７０を構成するホットガス供給路等）を備える。

このような構成によれば、上記ホットガス供給部を備えることで、脱氷時に伝熱管の内面に形成された氷を脱氷するためのホットガスをケーシング内の伝熱管の外側空間に供給できる。

（１３）さらに、別の態様に係る流下液膜式チューブアイス製氷機は、（１０）乃至（１２）の何れかに記載の流下液膜式チューブアイス製氷機であって、前記伝熱管の下方に設けられ、脱氷時に前記伝熱管の内面から脱離したチューブアイスを切断するためのカッタを備える。

このような構成によれば、上記カッタを備えるために、脱氷工程において、伝熱管の内面から脱離して自重で滑り落ちるチューブアイスを適宜長さに裁断して利用先に供給できる。

１０ 流下液膜式チューブアイス製氷機
１１ 流下液膜式熱交換器
１２ ケーシング
１４ 伝熱管
１６ 冷媒ヘッダ
１６ａ 下面
１８、３６ 管板
２０ 上部製氷用水貯留部
２２ 冷媒入口管
２４ 冷媒液循環管
２６、４６ 循環ポンプ
２８ 冷媒液出口管
３０ 冷媒液入口管
３２ 冷媒ガス出口管
３４ ホットガス入口管
３８ カッタ
３８ａ 回転軸
４０ 駆動部
４２ 下部製氷用水貯留部
４４ 製氷用水循環管
４８ レベルセンサ
５０ 制御部
５２ 底板
５４ 出口開口
６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ） 筒状体
６１ 止め用フランジ
６２ 仕切板
６４（６４ａ、６４ｂ） フランジ
６６ 貫通孔
６８ 接合部
７０ 冷凍機
７２ 冷媒回路
７４ 圧縮機
７６ 凝縮器
７８ レシーバ
８０ 膨張弁
Ｃａ 環状隙間
Ｃ_１ 第１隙間
Ｃ_２ 第２隙間
Ｌｆ 冷媒液膜
Ｌｓ 冷媒液面
Ｓ_０ 内部空間
Ｓ_１ ヘッダ内空間
Ｔｉ チューブアイス
Ｗｉ 製氷用水
ｒ 冷媒液

Claims (13)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングの内部に鉛直方向に沿って延在する複数の伝熱管と、
   前記ケーシングの内部空間のうち前記伝熱管の上端部が配置された領域に設けられ、冷媒を貯留するためのヘッダと、
   前記伝熱管の前記上端部の外周側に設けられ、前記ヘッダ内の空間と前記ケーシングの内部空間のうち前記ヘッダの下方の領域とを連通させる環状隙間を前記伝熱管の外表面との間に形成する筒状体と、
   前記筒状体又は前記伝熱管の少なくとも一方に形成され、前記筒状体又は前記伝熱管の他方に向かって径方向に突出するフランジと、
   を備える流下液膜式熱交換器。
2. 前記筒状体は前記ヘッダの下面から上方へ延在する請求項１に記載の流下液膜式熱交換器。
3. 前記環状隙間は、
   前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方と前記フランジとの間に形成される第１隙間と、
   前記第１隙間の下方に位置し、前記第１隙間よりも大きな第２隙間と、
   を含む請求項１又は２に記載の流下液膜式熱交換器。
4. 前記筒状体は、前記筒状体の内周面と外周面とに開口するように前記筒状体を貫通し周方向に離散して形成された複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器。
5. 前記環状隙間は、
   前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方と前記フランジとの間に形成される第１隙間と、
   前記第１隙間の下方に位置し、前記第１隙間よりも大きな第２隙間と、
   を含み、
   前記第１隙間は、前記複数の貫通孔の合計開口面積より大きい流路面積を有する請求項４に記載の流下液膜式熱交換器。
6. 前記フランジは、前記筒状体又は前記伝熱管の前記他方に対して周方向に離散した複数箇所で接合される請求項１乃至５の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器。
7. 前記ヘッダに貯留される前記冷媒を生成するための冷凍機を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器。
8. 運転時前記ケーシングの内部空間の下部に内部空間高さの１／１０以下の液位を有する冷媒液が貯留される請求項１乃至７の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器。
9. 前記冷媒は、自然冷媒、ＨＦＣ冷媒又はＨＦＯ冷媒である請求項１乃至８の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の流下液膜式熱交換器と、
    前記伝熱管の上端開口に連通し、前記伝熱管の内部に製氷用水を供給する製氷用水貯留部と、
    を備える流下液膜式チューブアイス製氷機。
11. 前記伝熱管の上端が固定される管板を備え、
    前記ヘッダは、前記管板の下方に形成され、前記製氷用水貯留部は前記管板の上方に形成された請求項１０に記載の流下液膜式チューブアイス製氷機。
12. 前記伝熱管の内面に形成されたチューブアイスを脱氷するためのホットガスを前記伝熱管の外表面側に供給するホットガス供給部を備える請求項１０又は１１に記載の流下液膜式チューブアイス製氷機。
13. 前記伝熱管の下方に設けられ、脱氷時に前記伝熱管の内面から脱離したチューブアイスを切断するためのカッタを備える請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の流下液膜式チューブアイス製氷機。

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