JP2021113654A - シェルアンドチューブ式熱交換器及び冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた伝熱性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。【解決手段】本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、シェル２１と、シェル２１の内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃと、シェル２１の内部に配置され、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃと、を備えている。伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃと噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃとが交互に現れるように複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃ及び複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃが鉛直方向に配列されている。鉛直方向の下側に位置する伝熱管群における管ピッチは、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群における管ピッチよりも広い。【選択図】図２

Description

本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。

冷媒を凝縮又は蒸発させるための熱交換器として、シェルアンドチューブ式熱交換器が知られている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、伝熱管に向けて冷媒を噴霧するように構成されていることがある。

図７は、特許文献１（図２１）に記載された従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器２を示している。蒸発器２は、シェル１１、複数のチューブ１５及び複数のスプレー１４を有する。冷媒液１２は、シェル１１の底部に設けられた液溜め１７に貯留されており、冷媒ポンプ１８によって汲み上げられ、スプレー１４を介してチューブ１５に向けて噴霧される。冷媒液１２は、チューブ１５の表面に付着して液膜１６を形成する。冷媒液１２とチューブ１５を流れる冷水とが熱交換することによって、冷媒液１２が蒸発し、冷水が冷却される。

特開２０００−２３０７６０号公報

図７に示す従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器２には、伝熱性能の観点において改善の余地が残されている。

本開示は、優れた伝熱性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。

本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが鉛直方向に配列され、
鉛直方向の下側に位置する前記伝熱管群における管ピッチは、鉛直方向の上側に位置する前記伝熱管群における管ピッチよりも広い。

本開示の冷凍サイクル装置は、
上記本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器と、
前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
を備えている。

本開示によれば、優れた伝熱性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供できる。

本開示の実施の形態における冷凍サイクル装置の構成図 II-II線に沿った蒸発器の縦断面図 図２に示す蒸発器に使用された伝熱管の断面図 伝熱管及び噴霧ノズルの位置関係を示す模式的な側面図 一定の管ピッチを有する蒸発器における冷媒の状態を模式的に示す図 本実施の形態の蒸発器における冷媒の状態を模式的に示す図 従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器の断面図

（本開示の基礎となった知見等）
シェルアンドチューブ式熱交換器の性能を高めるための手段として、シェルの内部における伝熱管の実装密度を上げることが挙げられる。実装密度を上げすぎると、隣り合う伝熱管の間に液相冷媒がトラップされる可能性がある。液相冷媒がトラップされると、有効な伝熱面積が減少し、シェルアンドチューブ式熱交換器の伝熱性能も低下する。

そこで、本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器の伝熱性能を向上させるための技術を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態）
以下、図１から図６を用いて、実施の形態を説明する。

［１−１．冷凍サイクル装置の構成］
図１は、シェルアンドチューブ式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の構成を示している。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１０１、圧縮機１０２、凝縮器１０３、流量弁１０４及び流路１１０ａから１１０ｄを備えている。蒸発器１０１の出口は流路１１０ａによって圧縮機１０２の入口に接続されている。圧縮機１０２の出口は流路１１０ｂによって凝縮器１０３の入口に接続されている。凝縮器１０３の出口は、流路１１０ｃによって流量弁１０４の入口に接続されている。流量弁１０４の出口は流路１１０ｄによって蒸発器１０１の入口に接続されている。流路１１０ａ及び１１０ｂは蒸気経路である。流路１１０ｃ及び流路１１０ｄは液経路である。各経路は、例えば、少なくとも１つの金属製の配管で構成されている。

蒸発器１０１は、後述するように、シェルアンドチューブ式熱交換器によって構成されている。

圧縮機１０２は、遠心圧縮機などの速度型圧縮機であってもよく、スクロール圧縮機などの容積型圧縮機であってもよい。

凝縮器１０３の型式は特に限定されない。プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などの熱交換器が凝縮器１０３に使用されうる。

冷凍サイクル装置１００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１０１で冷却された熱媒体が回路１０５を通じて室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器１０３で加熱された熱媒体が回路１０６を通じて室内に供給され、室内の暖房に利用される。熱媒体は、例えば、水である。ただし、冷凍サイクル装置１００は空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置など他の装置であってもよい。

回路１０５は、蒸発器１０１に熱媒体を循環させる回路である。回路１０６は、凝縮器１０３に熱媒体を循環させる回路である。回路１０５及び回路１０６は、外気から隔離された密閉回路であってもよい。

熱媒体は、回路１０５及び回路１０６のそれぞれを流れる第１流体である。熱媒体は水に限定されず、オイル、ブラインなどの液体であってもよく、空気などの気体であってもよい。回路１０５の熱媒体の組成が回路１０６の熱媒体の組成と異なっていてもよい。

［１−２．冷凍サイクル装置の動作］
圧縮機１０２を起動すると、蒸発器１０１において冷媒が加熱されて蒸発する。これにより、気相冷媒が生成される。気相冷媒は圧縮機１０２に吸入されて圧縮される。圧縮された気相冷媒は圧縮機１０２から凝縮器１０３に供給される。気相冷媒は凝縮器１０３で冷却されて凝縮及び液化する。これにより、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、流量弁１０４を経由して凝縮器１０３から蒸発器１０１に戻される。

冷媒の種類は特に限定されない。冷媒としては、フロン冷媒、低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒、自然冷媒などが挙げられる。フロン冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）及びＨＦＣ（hydrofluorocarbon）が挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ及び水が挙げられる。自然冷媒としては、二酸化炭素及び水が挙げられる。

冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む冷媒であってもよい。このような冷媒としては、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。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。「負圧」は、絶対圧で大気圧よりも低い圧力を意味する。「常温」は、日本工業規格（JIS Z8703）によれば、２０℃±１５℃の範囲内の温度を意味する。

冷媒は、第１流体である熱媒体と熱交換するべき第２流体の一例である。

［１−３．蒸発器の構成］
図２は、II-II線に沿った蒸発器１０１の縦断面図である。図２に示すように、蒸発器１０１は、シェルアンドチューブ式熱交換器で構成されている。蒸発器１０１は、シェル２１、複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ、複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃ、循環回路２５及び循環ポンプ２６を備えている。複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ、及び、複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃは、シェル２１の内部に配置されている。蒸発器１０１において冷媒を効率的に蒸発させることによって冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が向上しうる。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃを有する。第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃは、鉛直方向に配列されている。図２において、鉛直方向は、Ｚ軸に平行な方向である。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれは、複数の伝熱管２２及び１対のヘッダー２３を含む。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、複数の伝熱管２２は、互いに平行に配列されている。ヘッダー２３とは別の手段によって複数の伝熱管２２が束ねられていてもよい。

伝熱管２２は、多穴かつ扁平形状の伝熱管である。伝熱管２２の入口から出口に向かって熱媒体が流れる。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、平坦な伝熱面が鉛直方向に平行となるように複数の伝熱管２２がヘッダー２３とヘッダー２３との間に配列されている。

扁平形状を有する伝熱管２２をシェルアンドチューブ式熱交換器に使用すると、シェル２１の内部における伝熱管２２の実装密度を高めることができるので、シェルアンドチューブ式熱交換器の単位体積あたりの伝熱面積を増加させるのに有利である。つまり、扁平形状を有する伝熱管２２を使用することは、シェルアンドチューブ式熱交換器の小型化に有利である。

伝熱管２２の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材料が挙げられる。

図３は、伝熱管２２の断面を示している。伝熱管２２は、１対の平坦な伝熱面２２ｐを有するように、管状の外壁４１と複数の隔壁４２とによって構成されている。外壁４１と隔壁４２とによって囲まれた空間が熱媒体の流路４３である。外壁４１及び隔壁４３は、それぞれ、薄板によって構成されている。薄板の厚さは、例えば、０．５ｍｍから０．８ｍｍの範囲にある。流路４３は、例えば、四角形の断面形状を有する。伝熱管２２の断面において、流路４３の一辺は、例えば、０．５ｍｍから３ｍｍの範囲にある。流路４３は、円形、三角形などの他の形状の断面を有していてもよい。流路４３の内壁面に微細な溝又はフィンを形成して表面積を増大させてもよい。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、例えば、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群から鉛直方向の下側に位置する伝熱管群へと熱媒体が順番に流れるように直列に接続されている。本実施の形態では、第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃは、熱媒体がこの順番に流れるように直列に接続されている。第１伝熱管群２２ａは、接続管２９によって第２伝熱管群２２ｂに接続されている。第２伝熱管群２２ｂは、接続管２９によって第３伝熱管群２２ｃに接続されている。第１伝熱管群２２ａのヘッダー２３に回路１０５の一端が接続されている。回路１０５の一端が接続されたヘッダー２３は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの入口をなす。第３伝熱管群２２ｃのヘッダー２３に回路１０５の他端が接続されている。回路１０５の他端が接続されたヘッダー２３は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの出口をなす。熱媒体の流れ方向において、第１伝熱管群２２ａは、第２伝熱管群２２ｂよりも上流側に位置している。熱媒体の流れ方向において、第２伝熱管群２２ｂは、第３伝熱管群２２ｃよりも上流側に位置している。

ただし、熱媒体は、第３伝熱管群２２ｃ、第２伝熱管群２２ｂ及び第１伝熱管群２２ａをこの順番に流れてもよい。つまり、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃにおける熱媒体の出口と入口とが逆であってもよい。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに向けて液相冷媒を噴霧する役割を担う。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、第１噴霧ユニット２４ａ、第２噴霧ユニット２４ｂ及び第３噴霧ユニット２４ｃを有する。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃと同じように、第１噴霧ユニット２４ａ、第２噴霧ユニット２４ｂ及び第３噴霧ユニット２４ｃも鉛直方向（Ｚ軸に平行な方向）に配列されている。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、複数の噴霧ノズル２４を含む。本実施の形態では、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、水平方向に平行な面内にマトリクス状に配置された複数の噴霧ノズル２４を含む。第１噴霧ユニット２４ａにおける複数の噴霧ノズル２４の配列は、第２噴霧ユニット２４ｂにおける複数の噴霧ノズル２４の配列に等しい。第１噴霧ユニット２４ａにおける複数の噴霧ノズル２４の配列は、第３噴霧ユニット２４ｃにおける複数の噴霧ノズル２４の配列に等しい。つまり、複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれにおいて、複数の噴霧ノズル２４は、同一のパターンで配列されている。このような構成は、蒸発器１０１のコスト及び生産性に優れている。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれには、同一の噴霧ノズル２４が使用されうる。「同一」の語句は、設計上の構造及び設計上の特性が同一であることを意味する。

ただし、噴霧ノズル２４の配列は、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれにおいて異なっていてもよい。複数の噴霧ノズル２４は、互いに異なる設計上の構造及び設計上の特性を有していてもよい。

図４は、伝熱管２２及び噴霧ノズル２４の位置関係を示す模式的な側面図である。図４において、ヘッダー２３は省略されている。本実施の形態では、伝熱面２２ｐが鉛直方向に平行となるように、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、複数の伝熱管２２が水平方向に配列されている。図４では、Ｙ軸に平行な方向が複数の伝熱管２２の配列方向である。

噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれにおいて、噴霧ノズル２４は、鉛直方向の上側から伝熱管２２に向かって液相冷媒を噴霧するように配置されている。噴霧ノズル２４は、複数の伝熱管２２の上面に向かい合っており、複数の伝熱管２２に向かって液相冷媒を放射状に噴霧する。冷媒のミストは、伝熱管２２と伝熱管２２との間の空間に入り、伝熱管２２の表面２２ｐにおいて加熱される。

本実施の形態において、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、互いに異なる構造を有している。詳細には、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおける複数の伝熱管２２の配列が互いに異なる。第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチは、第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチよりも広い。第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチは、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチよりも広い。つまり、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群における管ピッチは、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群における管ピッチよりも広い。例えば、第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチが８ｍｍであり、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチが９ｍｍであり、第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチが１０ｍｍである。「管ピッチ」とは、互いに隣り合う伝熱管２２の伝熱面２２ｐと伝熱面２２ｐとの間隔Ｌを意味する。

また、第１伝熱管群２２ａに含まれた伝熱管２２の数は、第２伝熱管群２２ｂに含まれた伝熱管２２の数よりも多い。第２伝熱管群２２ｂに含まれた伝熱管２２の数は、第３伝熱管群２２ｃに含まれた伝熱管２２の数よりも多い。つまり、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管２２の数は、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管２２の数よりも多い。

図２に示すように、伝熱管群と噴霧ユニットとが交互に現れるように、複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ及び複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃが鉛直方向に配列されている。本実施の形態では、第１噴霧ユニット２４ａ、第１伝熱管群２２ａ、第２噴霧ユニット２４ｂ、第２伝熱管群２２ｂ、第３噴霧ユニット２４ｃ及び第３伝熱管群２２ｃが鉛直方向の上側からこの順番で配置されている。第１伝熱管群２２ａと第１噴霧ユニット２４ａとが対をなしている。第２伝熱管群２２ｂと第２噴霧ユニット２４ｂとが対をなしている。第３伝熱管群２２ｃと第３噴霧ユニット２４ｃとが対をなしている。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、鉛直方向の下側に向かって冷媒を噴霧する。

シェル２１は、その底部に液相冷媒を貯留するように構成されている。循環回路２５は、シェル２１の底部と噴霧ノズル２４のそれぞれとを接続している。循環回路２５に循環ポンプ２６が配置されている。循環ポンプ２６の働きにより、シェル２１の底部に貯留された液相冷媒が循環回路２５を通じて噴霧ノズル２４に供給される。このような構成によれば、液相冷媒の回収が容易であるとともに、噴霧ノズル２４に液相冷媒を供給するためのエネルギー消費を抑えることができる。

本実施の形態において、シェル２１は矩形の断面形状を有しているが、円形の断面形状を有してもよい。シェル２１は、耐圧容器であってもよい。

シェル２１には、流入管２７及び排出管２８が設けられている。流入管２７は、シェル２１の内部に冷媒を導く流路である。排出管２８は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの表面で蒸発した冷媒をシェル２１の外部に導く流路である。流入管２７及び排出管２８には、それぞれ、流路１１０ｄ及び流路１１０ａが接続されうる。

本実施の形態において、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で排出管２８から最も近い位置に配置されている。第１伝熱管群２２ａは、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群であり、かつ、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で排出管２８から最も近い位置に配置されている。第１伝熱管群２２ａにおいて発生する気相冷媒の量は、第２伝熱管群２２ｂにおいて発生する気相冷媒の量よりも多い。第２伝熱管群２２ｂにおいて発生する気相冷媒の量は、第３伝熱管群２２ｃにおいて発生する気相冷媒の量よりも多い。第１伝熱管群２２ａにおいて発生する気相冷媒の量は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で最も多い。そのため、第１伝熱管群２２ａが排出管２８の近傍に位置している場合、よりスムーズに蒸発器１０１の外部に気相冷媒を導くことができる。「量」の語句は、単位時間あたりの量を意味する。

本実施の形態において、排出管２８は、シェル２１の上部に設けられている。そのため、液相冷媒がシェル２１の外部に排出されにくい。

［１−４．動作］
以上のように構成された蒸発器１０１について、以下その動作及び作用を説明する。

循環ポンプ２６を起動すると、液相冷媒がシェル２１の底部から噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃに供給される。液相冷媒は、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれから伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれの伝熱管２２の平坦な伝熱面２２ｐに平行に噴霧される。熱媒体は、第１伝熱管群２２ａに流入し、第１伝熱管群２２ａを流れたのち、接続管２９を通じて第２伝熱管群２２ｂに流入する。熱媒体は、第２伝熱管群２２ｂを流れたのち、接続管２９を通じて第３伝熱管群２２ｃに流入する。伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに熱媒体を流しながら伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに向けて液相冷媒を噴霧すれば、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃにおいて熱媒体と液相冷媒との熱交換が行われ、冷媒が蒸発して気相冷媒が生成される。

伝熱管２２として扁平形状の伝熱管を用いるとともに、伝熱面２２ｐに平行に冷媒を噴霧することによって、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃにおける死水域を減らすことができる。そのため、本実施の形態のように、冷媒を一方向にのみ噴霧する場合にも、十分な伝熱面積を確保することができる。「死水域」は、伝熱管２２の表面の一部であって、冷媒のミストが接触しにくい部分を意味する。噴霧ノズル２４からの距離が増えれば増えるほど、伝熱管２２の表面に死水域が生じやすい。

図５は、一定の管ピッチを有するシェルアンドチューブ式の蒸発器における冷媒の状態を模式的に示している。図５に示すように、上から下に向かって冷媒を噴霧したとき、第１噴霧ユニット（図示せず）から噴霧された冷媒は、第１伝熱管群２０２ａの伝熱管２０２の表面で蒸発する。第１噴霧ユニットから噴霧された冷媒の一部は、未蒸発のまま第１伝熱管群２０２ａを通過し、第２噴霧ユニット（図示せず）から噴霧された冷媒とともに第２伝熱管群２０２ｂに流入する。未蒸発のまま第１伝熱管群２０２ａを通過した冷媒は、第２伝熱管群２０２ｂの伝熱管２０２の表面で凝集し、ミストの状態から液滴の状態へと変化する。冷媒の液滴は、第２噴霧ユニット（図示せず）から噴霧された冷媒のミストと合体して更に成長する。冷媒の液滴が十分な大きさまで成長すると、冷媒の液滴は、隣り合う伝熱管２０２の間にブリッジを形成してトラップされる。同じ作用によって、第２伝熱管群２０２ｂを通過した未蒸発の冷媒は、第３伝熱管群２０２ｃの伝熱管２０２の表面で凝集する。これにより、第３伝熱管群２０２ｃにおいて、より多くの液相冷媒のブリッジが形成され、より多くの液相冷媒が伝熱管２０２と伝熱管２０２との間にトラップされる。液相冷媒のブリッジは、液膜の厚さの増加に伴う熱抵抗の増加により、熱交換を阻害する。

図６は、本実施の形態の蒸発器１０１における冷媒の状態を模式的に示している。第１噴霧ユニット２４ａから噴霧された冷媒は、第１伝熱管群２２ａの伝熱管２２の表面で蒸発する。第１噴霧ユニット２４ａから噴霧された冷媒の一部は、未蒸発のまま第１伝熱管群２２ａを通過し、第２噴霧ユニット２４ｂから噴霧された冷媒ミストとともに第２伝熱管群２２ｂに流入する。このとき、未蒸発のまま第１伝熱管群２２ａを通過した冷媒は、第２伝熱管群２２ｂの伝熱管２２の表面で凝集し、ミストの状態から液滴の状態へと変化する。しかし、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチが第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチよりも広いので、冷媒の液滴は、第２伝熱管群２２ｂにおいて、隣り合う伝熱管２２の間にブリッジを形成しにくい。冷媒の液滴は、第２伝熱管群２２ｂにトラップされず、第２伝熱管群２２ｂを通過する。第２噴霧ユニット２４ｂから噴霧された冷媒は、ミスト状態で第２伝熱管群２２ｂの伝熱管２２に接触して蒸発する。未蒸発の冷媒は、第２伝熱管群２２ｂを通過し、第３伝熱管群２２ｃの伝熱管２２の表面で更に凝集する。しかし、第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチが第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチよりも広いので、冷媒の液滴は、第３伝熱管群２２ｃにおいて、隣り合う伝熱管２２の間にブリッジを形成しにくい。第３噴霧ユニット２４ｃから噴霧された冷媒は、ミストの状態で第３伝熱管群２２ｃの伝熱管２２の表面に接触して蒸発する。

以上に説明した通り、本実施の形態によれば、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群おいて、冷媒の液滴がブリッジを形成することに起因する有効伝熱面積の減少を抑制できる。その結果、蒸発器１０１は、優れた伝熱性能を発揮する。本実施の形態の蒸発器１０１を用いた冷凍サイクル装置の効率も向上する。

伝熱管２０２の数が減ったとしても、熱媒体の流速が向上するため、及び、有効伝熱面積が十分に確保されるため、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群の能力は向上する。

［１−５．効果等］
以上のように、本実施の形態において、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群における管ピッチは、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群における管ピッチよりも広い。

このような構成によれば、上側の噴霧ユニットから噴霧された冷媒の一部が未蒸発のまま下側の伝熱管群に到達して大きい液滴に成長したとしても、冷媒の液滴が隣り合う伝熱管の間にブリッジを形成しにくく、トラップされにくい。これにより、シェルアンドチューブ式熱交換器の有効伝熱面積を増加させることができる。その結果、優れたシェルアンドチューブ式熱交換器は、伝熱性能を発揮する。本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の効率も向上する。

本実施の形態において、複数の伝熱管群は、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群から鉛直方向の下側に位置する伝熱管群へと第１流体が順番に流れるように直列に接続されていてもよい。このような構成によれば、冷媒をより効率的に蒸発させることができる。特に、鉛直方向の最も上側に位置する伝熱管群から排出管までの距離が短いとき、よりスムーズにシェルアンドチューブ式熱交換器の外部に気相冷媒を導くことができる。

本実施の形態において、鉛直方向の上側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管の数は、鉛直方向の下側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管の数よりも多くてもよい。このような構成によれば、隣り合う伝熱管の間に冷媒がよりブリッジを形成しにくい。

本実施の形態において、複数の伝熱管群のそれぞれは、互いに平行に配列された扁平形状の複数の伝熱管を含んでいてもよい。扁平形状を有する伝熱管をシェルアンドチューブ式熱交換器に使用すると、シェルの内部における伝熱管の実装密度を高めることができる。伝熱管が扁平形状を有している場合、伝熱管と伝熱管との間の流路に液相冷媒のブリッジが生じやすい。そのため、扁平形状を有する伝熱管を用いたシェルアンドチューブ式熱交換器に本開示の技術が特に有効である。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器と、シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機とを備えている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器に使用されてもよく、凝縮器に使用されてもよい。本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器を使用することによって、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

（他の実施の形態）
本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、伝熱管群を２つのみ有していてもよく、４つ以上の伝熱管群を有していてもよい。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、噴霧ノズル２４を１つのみ有していてもよい。

伝熱管は、アスペクト比の大きい扁平形状の伝熱管に限定されず、円形又は楕円形の断面を有する伝熱管であってもよい。

鉛直方向の下側に位置する伝熱管群における管ピッチが鉛直方向の上側に位置する前記伝熱管群における管ピッチよりも広ければ、下記のような構成も許容される。すなわち、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチは、第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチに等しく、第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチよりも広くてもよい。あるいは、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチは、第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチに等しく、第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチよりも狭くてもよい。このような構成によっても、図５及び図６を参照して説明した効果が得られる。ただし、有効伝熱面積の減少を抑制する効果の観点において、図２及び図６に示す構成は有利である。

第２伝熱管群２２ｂに含まれた伝熱管の数は、第１伝熱管群２２ａに含まれた伝熱管の数に等しく、第３伝熱管群２２ｃに含まれた伝熱管の数よりも多くてもよい。あるいは、第２伝熱管群２２ｂに含まれた伝熱管の数は、第３伝熱管群２２ｃに含まれた伝熱管の数に等しく、第１伝熱管群２２ａに含まれた伝熱管の数よりも少なくてもよい。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、伝熱管２２は、複数列（例えば、上下２列）で設けられていてもよく、１列のみ設けられていてもよい。

本明細書に開示されたシェルアンドチューブ式熱交換器は、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器のみならず、凝縮器として使用されてもよい。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置に限定されず、吸収式冷凍機、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。

２１ シェル
２２ 伝熱管
２２ａ 第１伝熱管群
２２ｂ 第２伝熱管群
２２ｃ 第３伝熱管群
２３ ヘッダー
２４ 噴霧ノズル
２４ａ 第１噴霧ユニット
２４ｂ 第２噴霧ユニット
２４ｃ 第３噴霧ユニット
２５ 循環回路
２６ 循環ポンプ
２７ 流入管
２８ 排出管
２９ 接続管
１００ 冷凍サイクル装置
１０１ 蒸発器
１０２ 圧縮機
１０３ 凝縮器
１０４ 流量弁
１０５，１０６ 回路
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 流路

Claims (5)

1. シェルと、
   前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
   前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
   を備え、
   前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが鉛直方向に配列され、
   鉛直方向の下側に位置する前記伝熱管群における管ピッチは、鉛直方向の上側に位置する前記伝熱管群における管ピッチよりも広い、
   シェルアンドチューブ式熱交換器。
2. 前記複数の伝熱管群は、鉛直方向の上側に位置する前記伝熱管群から鉛直方向の下側に位置する前記伝熱管群へと前記第１流体が順番に流れるように直列に接続されている、
   請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
3. 鉛直方向の上側に位置する前記伝熱管群に含まれた伝熱管の数は、鉛直方向の下側に位置する前記伝熱管群に含まれた伝熱管の数よりも多い、
   請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
4. 前記複数の伝熱管群のそれぞれは、互いに平行に配列された扁平形状の複数の伝熱管を含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器と、
   前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
   を備えた、冷凍サイクル装置。

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