JP2023069923A - シェルアンドチューブ式熱交換器、その運転方法及びそれを備えた冷凍装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】シェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換効率を向上させるのに適した技術を提供する。【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２０１と、シェル２０１の内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管２０２と、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側に配置され、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側から出口側に向かって液相冷媒を噴霧するノズル２０４と、を備えている。シェルアンドチューブ式熱交換器の一例が蒸発器１０１である。【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、その運転方法及びそれを備えた冷凍装置に関する。
伝熱管に向けて冷却水を散布することによって、伝熱管の内部の冷媒を冷却する技術が知られている。特許文献１に記載された従来の蒸発式凝縮器は、冷却水を凝縮コイルに向けて散水する複数の散水ノズルを有している。冷却水と凝縮コイルを流通する冷媒とが熱交換することによって、冷却水が蒸発し、冷媒が冷却されて凝縮する。
国際公開第２０１７／０７３３６７号
特許文献１に記載された構成をシェルアンドチューブ式熱交換器に適用した場合の熱交換効率の向上が望まれる。本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換効率を向上させるのに適した技術を提供する。
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互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
前記複数の伝熱管における熱媒体の入口側に配置され、前記複数の伝熱管における前記熱媒体の入口側から出口側に向かって液相冷媒を前記複数の伝熱管に噴霧する第１ノズルと、
を備えている。
本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器の運転方法は、上記本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器の運転方法であって、
前記複数の伝熱管に前記熱媒体を流すことと、
前記第１ノズルから前記複数の伝熱管に向けて前記液相冷媒を噴霧して前記熱媒体と前記液相冷媒との間で熱交換を生じさせることと、
前記複数の伝熱管の前記出口から前記入口に向かって所定距離の位置に前記ノズルから噴霧された前記液相冷媒の流れの外縁が到達するように、前記第１ノズルからの前記液相冷媒の噴霧圧力を調節することと、
を含む。
本開示の冷凍装置は、上記本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸発器及び凝縮器の少なくとも１つとして備えている。
本開示によれば、シェルアンドチューブ式熱交換器の熱交換効率を向上させるのに適した技術を提供できる。
本開示の実施の形態１に係る吸収式冷凍装置の構成図 図１に示す吸収式冷凍装置の蒸発器の縦断面図 図２に示す蒸発器における伝熱管とノズルとの位置関係を示す上面図 伝熱管の入口からの距離と熱媒体及び冷媒の間の温度差ΔＴとの関係を示す特性図 実施の形態２に係る蒸発器の縦断面図 実施の形態３に係る蒸発器の縦断面図 ノズルから噴霧された液相冷媒の噴霧パターンを示す図 ノズルから噴霧された液相冷媒の噴霧パターンを示す図 図６に示すA-A線に沿った蒸発器の縦断面図 液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す図
（本開示の基礎となった知見）
本発明者が本開示に想到するに至った当時、伝熱管に冷媒を噴霧した場合、負荷変動又は運転条件に応じて変化するシェルの内部の気流の影響等によって、ノズルから離れた部分に冷媒が到達しないことがあった。つまり、伝熱管の表面のドライアウトの課題があった。「ドライアウト」は、伝熱管の表面に広い乾き面が形成される現象を意味する。ノズルの噴霧圧力を上げると冷媒がより遠くまで到達できる。しかし、噴霧圧力を上げるとエロージョンによって伝熱管が損傷する可能性がある。ノズルの数を増やすとコストが増大する。また、ノズルの数が増えると冷媒の噴霧量が増え、伝熱管の表面における液膜の厚さが増える。液膜が厚くなればなるほど熱交換効率は下がる。
一方、熱交換器の出口付近において、伝熱管の内部を流通する熱媒体と伝熱管の表面上における冷媒との間の温度差は小さい。つまり、熱交換器の出口付近における伝熱管の濡れ状態が熱交換器の性能に及ぼす影響は小さい。また、噴霧圧力が低く、冷媒が伝熱管の端まで直接到達できなかったとしても、伝熱管の長手方向に平行な速度成分を冷媒の流れが持っている場合、慣性によって冷媒の液膜の到達距離が伸びる。
このような知見に基づき、本発明者は、本発明の主題を構成するに至った。
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１）
以下、図１から図４を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．吸収式冷凍装置の構成］
図１は、実施の形態１に係る吸収式冷凍装置１００の構成図である。吸収式冷凍装置１００は、蒸発器１０１、吸収器１０２、再生器１０３及び凝縮器１０４を備えている。これらは、経路１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ及び２０９によって相互に接続されている。吸収式冷凍装置１００における冷媒及び吸収液は、例えば、水及び臭化リチウム溶液である。冷媒及び吸収液の他の例は、アンモニア及び水である。
蒸発器１０１は、実施の形態１に係る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。蒸発器１０１は、伝熱管２０２及び循環回路２０５を有する。伝熱管２０２の内部を水などの熱媒体が流れる。循環回路２０５は、ポンプ２０６を含む。循環回路２０５の下流端にノズル２０４が設けられている。循環回路２０５の上流端は、蒸発器１０１の底部に接続されている。蒸発器１０１の底部に液相冷媒が貯められている。液相冷媒は、ポンプ２０６の働きによって循環回路２０５を循環する。詳細には、液相冷媒は、ポンプ２０６よってノズル２０４に送られ、ノズル２０４から伝熱管２０２に向かって噴霧される。伝熱管２０２の中の熱媒体と噴霧された液相冷媒との間で熱交換が起こり、これにより、冷媒から冷熱が取り出される。冷媒は、伝熱管２０２の表面上で加熱されて蒸発する。蒸発器１０１の出口は、経路２０９を介して吸収器１０２に接続されている。
吸収器１０２は、例えば、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。吸収器１０２は、伝熱管１２１及び散布トレイ１０７を有する。伝熱管１２１の内部を水などの熱媒体が流れる。散布トレイ１０７から伝熱管１２１に向けて吸収液が散布される。伝熱管１２１の表面において吸収液が冷却されるとともに、吸収液に気相冷媒が吸収される。吸収器１０２の出口は、経路１１０ａによって再生器１０３の入口に接続されている。経路１１０ａは、ポンプ１０６を有する。
再生器１０３は、吸収液を加熱するための加熱器１２３を備えている。加熱器１２３は、ボイラそのものであってもよく、ボイラで加熱された熱媒体が循環する回路であってもよい。再生器１０３の底部は、経路１１０ｄによって吸収器１０２の散布トレイ１０７に接続されている。再生器１０３の内部圧力が吸収器１０２の内部圧力より高いため、圧力差によって吸収液が再生器１０３の底部から散布トレイ１０７に送られる。再生器１０３の出口は、経路１１０ｂによって凝縮器１０４の入口に接続されている。
吸収器１０２は、例えば、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。凝縮器１０４は、再生器１０３で加熱されて気化した冷媒を冷却して液化させるための熱交換器である。凝縮器１０４は、例えば、伝熱管１２４を備えている。伝熱管１２４の内部を水などの熱媒体が流れる。冷媒が伝熱管１２４の表面上で冷やされて液化する。凝縮器１０４の出口は、経路１１０ｃによって蒸発器１０１の入口に接続されている。
経路１１０ａ及び経路１１０ｂは蒸気経路である。経路１１０ｃ及び経路１１０ｄは液経路である。各経路は、少なくとも１つの金属製の配管で構成されている。
［１－２．吸収式冷凍装置の動作］
以上のように構成された吸収式冷凍装置１００について、以下その動作及び作用を説明する。
蒸発器１０１において、液相冷媒がポンプ２０６によって循環回路２０５を通じてノズル２０４に圧送され、ノズル２０４からミスト状態で伝熱管２０２に噴霧される。噴霧された液相冷媒は、伝熱管２０２の表面において伝熱管２０２の内部を流れる熱媒体と熱交換して蒸発する。これにより、低温かつ低圧の気相冷媒が生成される。気相冷媒は、経路２０９を通過して吸収器１０２に吸入される。吸収器１０２において、気相冷媒は散布トレイ１０７から滴下された吸収液に吸収される。このとき、吸収液は伝熱管１２１によって冷却されながら伝熱管１２１の表面において気相冷媒を吸収する。その後、吸収液は吸収器１０２の底部に流下し、経路１１０ａを通じて再生器１０３に送られる。再生器１０３に流入する直前において、吸収液は吸収剤と冷媒との混合液である。再生器１０３に流入したのち、吸収液は加熱器１２３によって加熱される。加熱によって沸点の低い冷媒成分が気化し、高温の気相冷媒として分離される。吸収液は経路１１０ｄを通じて散布トレイ１０７に送られる。分離された高温の気相冷媒は経路１１０ｂを通じて凝縮器１０４に送られる。高温の気相冷媒は、伝熱管１２４によって冷却されて凝縮する。これにより、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、経路１１０ｃを通じて蒸発器１０１に送られる。以上のサイクルが繰り返される。
吸収式冷凍装置１００は、例えば、業務用又は家庭用の空気調和装置に適用される。蒸発器１０１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１０４で加熱された熱媒体が室内に供給され、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、吸収式冷凍装置１００の用途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。
［１－３．蒸発器の構成］
図２は、図１に示す吸収式冷凍装置１００の蒸発器１０１の縦断面図である。蒸発器１０１は、シェルアンドチューブ熱交換器で構成されている。蒸発器１０１は、噴霧式蒸発器とも呼ばれる。蒸発器１０１は、シェル２０１、複数の伝熱管２０２及びノズル２０４を備えている。図２において、Ｚ軸は、鉛直方向に平行な軸を表している。Ｘ軸は、水平方向に平行な軸を表している。紙面に垂直な方向がＹ軸（図示省略）である。
シェル２０１は、例えば、矩形又は円形の断面形状を有する容器である。容器は、耐圧容器であってもよい。シェル２０１は、流入口２０１ａ及び流出口２０１ｂを有する。流入口２０１ａに経路１１０ｃが接続される。流出口２０１ｂに経路２０９を介して吸収器１０２が接続される。流入口２０１ａを通じて、液相冷媒が外部からシェル２０１の内部に流入する。流出口２０１ｂを通じて、複数の伝熱管２０２の表面で生じた気相冷媒がシェル２０１の外部に導かれる。
複数の伝熱管２０２は、シェル２０１の内部に互いに平行に配置されている。複数の伝熱管２０２は、それぞれ、入口２０２ｐ及び出口２０２ｑを有する。伝熱管２０２は、例えば、円形の断面形状を有する伝熱管である。伝熱管２０２は、銅、ステンレス鋼などの金属で作られており、典型的には銅管である。本実施の形態において、複数の伝熱管２０２は、鉛直方向に３段で並んでいる。伝熱管２０２は、紙面に垂直な方向にも複数の列で並んでいる。
ノズル２０４は、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側に配置されている。複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側から出口側に向かって、ノズル２０４から液相冷媒が複数の伝熱管２０２に噴霧される。液相冷媒は、例えば、液体の水である。
伝熱管２０２の長手方向に関して、ノズル２０４は、伝熱管２０２の中間位置と入口２０２ｐとの間に位置している。ただし、ノズル２０４は、可能な限り入口２０２ｐの近くに配置されていてもよい。この場合、伝熱管２０２の入口２０２ｐの近傍の部分にも液相冷媒が噴霧されうる。
ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の流れの形状は、例えば、円錐状である。
図３は、図２に示す蒸発器１０１における伝熱管２０２とノズル２０４との位置関係を示す上面図である。図３において、Ｘ軸及びＹ軸は、それぞれ、水平方向に平行な軸を表している。破線は、噴霧された液相冷媒の流れの平面視での外縁Ｅ１及びＥ２を表している。ノズル２０４は、噴霧軸Ａｍを有する。噴霧軸Ａｍは、ノズル２０４の中心軸であり、ノズル２０４の開口の中心を通る軸である。噴霧軸Ａｍは、噴霧された液相冷媒の流れの中心を通る。ノズル２０４の中心には、ノズル孔が位置している。噴霧された液相冷媒の流れは、平面視で拡がり角度αを有する扇形である。拡がり角度αは、例えば、９０度以上１２０度以下である。拡がり角度αは、典型的には、１０５度である。
噴霧軸Ａｍは、伝熱管２０２の中心軸Ｂｘを含む平面（ＸＹ平面）に平行である。中心軸Ｂｘは、伝熱管２０２の長手方向に平行かつ伝熱管２０２の断面の中心を通る軸である。噴霧軸Ａｍは、伝熱管２０２の長手方向に垂直な軸であるＹ軸に対して傾斜しており、かつ、伝熱管２０２の中心軸Ｂｘに対して傾斜している。中心軸Ｂｘと噴霧軸Ａｍとのなす角度θは、例えば、３０度以上５０度以下である。角度θは、典型的には、４５度である。角度θは、ノズル２０４の噴霧軸Ａｍに沿った液相冷媒の進行方向と伝熱管２０２の長手方向に平行かつ伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かう方向とのなす鋭角の角度である。
図３から理解できるように、「複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側から出口側に向かって液相冷媒を複数の伝熱管２０２に噴霧する」とは、角度θが鋭角であることを意味する。このような構成によれば、液相冷媒が伝熱管２０２の出口２０２ｑの近くまで到達しうる。
噴霧された液相冷媒が位置Ｐ１まで直接到達するように、ノズル２０４の噴霧圧力が調節されうる。液相冷媒の流れの外縁Ｅ１と伝熱管２０２とが位置Ｐ１で交差する。位置Ｐ１は、伝熱管２０２の出口２０２ｑから入口２０２ｐに向かって距離Ｌだけ進んだ位置である。つまり、伝熱管２０２の出口２０２ｑの近傍部分には、液相冷媒の流れ（液相冷媒のミスト）が直接到達しない。ただし、液相冷媒の流れは伝熱管２０２の長手方向に平行な速度成分を有している。そのため、慣性力によって液相冷媒が濡れ拡がる。これにより、出口２０２ｑの近傍部分でも熱交換が行われる。
本実施の形態では、伝熱管２０２の長手方向に垂直な方向（Ｙ軸に平行な方向）から伝熱管２０２の入口側に向かって傾斜した方向にも液相冷媒が噴霧されている。このような構成によれば、液相冷媒が伝熱管２０２の入口２０２ｐの近傍にも噴霧されるので、伝熱管２０２の入口２０２ｐの近傍でドライアウトが発生しにくい。図３に示す液相冷媒の流れは、ノズル２０４の向き及び噴霧圧力の調節によって達成される。
すなわち、ノズル２０４から複数の伝熱管２０２に向けて液相冷媒を噴霧して熱媒体と液相冷媒との間で熱交換を生じさせる。複数の伝熱管２０２の出口２０２ｑから入口２０２ｐに向かって所定距離Ｌの位置にノズル２０４から噴霧された液相冷媒の流れの外縁Ｅ１が到達するように、ノズル２０４からの液相冷媒の噴霧圧力を調節する。
図２に示すように、蒸発器１０１は、さらに、流路カバー２０７、流路カバー２０８及び循環回路２０５を有する。循環回路２０５の構成は、図１を参照して説明した通りである。循環回路２０５の下流端にノズル２０４が設けられている。流路カバー２０７は、熱媒体の流入口２１１を有する。複数の伝熱管２０２の入口２０２ｐを覆うようにシェル２０１に流路カバー２０７が取り付けられている。流路カバー２０８は、熱媒体の流出口２１２を有する。複数の伝熱管２０２の出口２０２ｑを覆うようにシェル２０１に流路カバー２０８が取り付けられている。熱媒体は、流路カバー２０７を通じて伝熱管２０２に流入し、流路カバー２０８を通じて伝熱管２０２から外部に流出する。
本実施の形態において、複数の伝熱管２０２における熱媒体の流れ方向（左から右）は同一である。つまり、蒸発器１０１のパス数は１である。
［１－４．蒸発器の動作］
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。
蒸発器１０１において、液相冷媒がポンプ２０６によって循環回路２０５を通じてノズル２０４に圧送され、ノズル２０４からミスト状態で伝熱管２０２に噴霧される。
水などの熱媒体は、流入口２１１から流路カバー２０７に流入し、流路カバー２０７を通じて伝熱管２０２に流入する。その後、熱媒体は、伝熱管２０２を左から右へ流通し、流路カバー２０８を通過して流出口２１２から流出する。
図３に示すように、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側から出口側に向かって、ノズル２０４から液相冷媒が噴霧される。液相冷媒の流れは、拡がり角度αを有する流れである。噴霧された液相冷媒は、伝熱管２０２の表面で熱媒体と熱交換して蒸発する。液相冷媒の流れは、伝熱管２０２の出口２０２ｑまで届かず、出口２０２ｑまで距離Ｌの位置Ｐ１まで届く。慣性力による液相冷媒の濡れ拡がりは期待できるが、位置Ｐ１と出口２０２ｑとの間の領域における液相冷媒の噴霧量は少ない。
図４は、伝熱管２０２の入口２０２ｐからの距離と温度差ΔＴとの関係を示す特性図である。横軸が伝熱管２０２の入口２０２ｐからの距離を表す。縦軸が温度差ΔＴを表す。温度差ΔＴは、熱媒体と冷媒との間の温度差である。温度差ΔＴは、伝熱管２０２の入口２０２ｐで最も大きく、出口２０２ｑに向かうに伴って減少し、出口２０２ｑにおいて最も小さい。伝熱管２０２の出口２０２ｑの近傍では、熱媒体と冷媒との間の熱交換は概ね完了している。このため、位置Ｐ１と出口２０２ｑとの間の領域（距離Ｌに対応する領域）における熱交換量は少ない。本実施の形態によれば、熱交換量が少ない領域で液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域を発生させることが可能なため、ドライアウトが発生しにくい。
［１－５．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ノズル２０４は、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側に配置され、複数の伝熱管２０２における熱媒体の入口側から出口側に向かって液相冷媒を複数の伝熱管２０２に噴霧する。
このような構成によれば、ノズル２０４から伝熱管２０２の軸方向に向かって液相冷媒が噴霧される。伝熱管２０２には、ノズル２０４に近い部分と、ノズル２０４から離れた部分とが含まれる。ノズル２０４に近い部分には、液相冷媒が到達しやすい。したがって、ノズル２０４に近い部分は、液相冷媒の噴霧量が多い密領域である。他方、ノズル２０４から離れた部分には、液相冷媒が到達しにくい。したがって、ノズル２０４から離れた部分は、液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域である。また、ノズル２０４は、伝熱管２０２の入口側に配置されている。そのため、密領域では、液相冷媒と伝熱管２０２の中の熱媒体との間の温度差ΔＴは大きい。他方、疎領域においては、冷媒と熱媒体との熱交換が十分に進行しているため、それらの間の温度差ΔＴは小さい。温度差ΔＴが小さく、熱交換量の少ない領域で液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域を発生させることが可能なため、ドライアウトが発生しにくい。これらの理由により、ノズル２０４からの距離が遠く、液相冷媒の噴霧量が少ない領域においても、ノズル２０４の噴霧圧力を上げることなくドライアウトが回避されうる。本開示の技術によれば、エロージョンを回避して蒸発器１０１の信頼性を高めつつ、蒸発器１０１の熱交換効率を向上させることができる。
また、本実施の形態において、ノズル２０２の噴霧軸Ａｍに沿った液相冷媒の進行方向と伝熱管２０２の長手方向に平行かつ伝熱管２０２の入口２０２ｐから出口２０２ｑに向かう方向とのなす角度θが鋭角であってもよい。このような構成によれば、液相冷媒が伝熱管２０２の出口２０２ｑの近くまで到達しうる。
（実施の形態２）
以下、図５を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
［２－１．蒸発器の構成］
図５は、実施の形態２に係る蒸発器３０１の縦断面図である。本実施の形態の蒸発器３０１において、複数の伝熱管２０２は、第１伝熱管群２０２ａ及び第２伝熱管群２０２ｂを含む。第１伝熱管群２０２ａは、シェル２０１の内部において最上段に位置する伝熱管２０２を含む伝熱管群である。第２伝熱管群２０２ｂは、第１伝熱管群２０２ａの下方において第１伝熱管群２０２ａに隣接する伝熱管群である。第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の流れ方向は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の流れ方向と逆である。具体的には、第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の流れ方向は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の流れ方向と１８０度反対向きである。熱媒体は、第２伝熱管群２０２ｂ及び第１伝熱管群２０２ａをこの順番で流れる。「伝熱管群」は、同じ温度域の熱媒体が流れる複数の伝熱管２０２の集まりを意味する。
本実施の形態においては、実施の形態１で説明したノズル２０４を第１ノズル２０４ａと定義する。第１ノズル２０４ａは、第１伝熱管群２０２ａに液相冷媒を噴霧するノズルである。ただし、第１伝熱管群２０２ａで蒸発しなかった液相冷媒は、第２伝熱管群２０２ｂに滴下する。第１伝熱管群２０２ａが最上段に位置する伝熱管群であるため、第１ノズル２０４ａから噴霧された液相冷媒が第１伝熱管群２０２ａの出口の近傍に直接届かなかったとしても、このことが蒸発器３０１の熱交換効率に及ぼす影響は小さい。
蒸発器３０１は、第２ノズル２０４ｂをさらに備えている。第２ノズル２０４ｂは、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側の位置であって、第１ノズル２０４ａの位置から第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の出口側にシフトした位置に配置されている。第２ノズル２０４ｂから第２伝熱管群２０２ｂに液相冷媒が噴霧される。第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の出口側は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の入口側である。第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の入口側は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側である。伝熱管２０２の長手方向に平行な方向において、第１ノズル２０４ａと第２ノズル２０４ｂとの間の距離は、例えば、実施の形態１で説明した距離Ｌに等しい。
第２ノズル２０４ｂは、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側から入口側に向かって液相冷媒を第２伝熱管群２０２ｂに噴霧するノズルである。第２ノズル２０４ｂによれば、第２伝熱管群２０２ｂの熱交換量を増やすことができる。
本実施の形態において、第２ノズル２０４ｂの噴霧方向は、第１ノズル２０４ａの噴霧方向に一致している。言い換えれば、第２ノズル２０４ｂの噴霧軸が第１ノズル２０４ａの噴霧軸Ａｍ（図３）に平行である。このような構成によれば、第１ノズル２０４ａから噴霧された液相冷媒が第１伝熱管群２０２ａから第２伝熱管群２０２ｂに滴下するので、第２ノズル２０４ｂから噴霧された液相冷媒が届かない領域にも液相冷媒を届けることができる。
蒸発器３０１は、第１伝熱管群２０２ａに液相冷媒を噴霧するノズルとして第１ノズル２０４ａのみを有する。このような構成によれば、蒸発器３０１のコストを下げることができる。第２伝熱管群２０２ｂに液相冷媒を直接噴霧するノズルは第２ノズル２０４ｂのみである。ただし、第２伝熱管群２０２ｂには、第１ノズル２０４ａから噴霧された液相冷媒も滴下する。
第１ノズル２０４ａの構造及び特性は、例えば、第２ノズル２０４ｂの構造及び特性に等しい。つまり、第１ノズル２０４ａ及び第２ノズル２０４ｂとして、同一製品のノズルを使用することができる。これにより、蒸発器３０１のコストを下げることができる。
蒸発器３０１の運転時において、第１ノズル２０４ａの噴霧圧力が第２ノズル２０４ｂの噴霧圧力に等しくてもよく、異なっていてもよい。本実施の形態において、第１ノズル２０４ａに液相冷媒を供給するための回路は、第２ノズル２０４ｂに液相冷媒を供給するための回路に兼用されている。つまり、循環回路２０５が第１ノズル２０４ａ及び第２ノズル２０４ｂに共用されている。したがって、循環回路２０５における圧力損失を除けば、第１ノズル２０４ａの噴霧圧力は第２ノズル２０４ｂの噴霧圧力に等しい。
本実施の形態において、複数の伝熱管２０２は、第３伝熱管群２０２ｃ、第４伝熱管群２０２ｄ及び第５伝熱管群２０２ｅをさらに含む。各伝熱管群は、鉛直方向に３段で並んだ複数の伝熱管２０２で構成されている。奇数番号の伝熱管群における熱媒体の流れ方向は、互いに一致している。偶数番号の伝熱管群における熱媒体の流れ方向は、互いに一致している。奇数番号の伝熱管群における熱媒体の流れ方向は、偶数番号の伝熱管群における熱媒体の流れ方向と逆である。１つの伝熱管群に対して１つのノズル２０４が設けられている。奇数番号の伝熱管群に向けて液相冷媒を噴霧するノズル２０４が第１ノズル２０４ａである。偶数番号の伝熱管群に向けて液相冷媒を噴霧するノズル２０４が第２ノズル２０４ｂである。鉛直方向に沿って、第１ノズル２０４ａと第２ノズル２０４ｂとが交互に千鳥状に配置されている。伝熱管２０２の長手方向における複数の第１ノズル２０４ａの位置は互いに一致している。伝熱管２０２の長手方向における複数の第２ノズル２０４ｂの位置は互いに一致している。
流路カバー２０７の内部には、第２伝熱管群２０２ｂと第３伝熱管群２０２ｃとを仕切るように仕切り板２１０が配置され、第４伝熱管群２０２ｄと第５伝熱管群２０２ｅとを仕切るように仕切り板２１０が配置されている。流路カバー２０８の内部には、第１伝熱管群２０２ａと第２伝熱管群２０２ｂとを仕切るように仕切り板２１０が配置され、第３伝熱管群２０２ｃと第４伝熱管群２０２ｄとを仕切るように仕切り板２１０が配置されている。したがって、熱媒体は、第５伝熱管群２０２ｅ、第４伝熱管群２０２ｄ、第３伝熱管群２０２ｃ、第２伝熱管群２０２ｂ及び第１伝熱管群２０２ａをこの順番に流れる。流路カバー２０７の内部及び流路カバー２０８の内部で熱媒体の流れ方向が反転する。熱媒体は、流路カバー２０７に流入したのち、最下段の伝熱管群（第５伝熱管群２０２ｅ）を流れ、サーペンタイン形に蛇行を繰り返しながら、最上段の伝熱管群（第１伝熱管群２０２ａ）に向かって流れる。最上段の伝熱管群を流れたのち、熱媒体は、流路カバー２０８を通じて外部に流出する。
流路カバー２０７は、第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の入口と第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口とを連通している。流路カバー２０７は、また、第３伝熱管群２０２ｃにおける熱媒体の入口と第４伝熱管群２０２ｄにおける熱媒体の出口とを連通している。流路カバー２０８は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の入口と第３伝熱管群２０２ｃにおける熱媒体の出口とを連通している。流路カバー２０８は、また、第４伝熱管群２０２ｄにおける熱媒体の入口と第５伝熱管群２０２ｅにおける熱媒体の出口とを連通している。流路カバー２０７及び流路カバー２０８の働きにより、熱媒体の流れ方向をスムーズに変えることができる。
本実施の形態において、１つの伝熱管群に対応するノズルが１つのみ設けられている。鉛直方向において、第１伝熱管群２０２ａに重なる高さ位置に第１ノズル２０４ａが１つのみ配置されている。鉛直方向において、第２伝熱管群２０２ｂに重なる高さ位置に第２ノズル２０４ｂが１つのみ配置されている。この構成は、第３伝熱管群２０２ｃ、第４伝熱管群２０２ｄ及び第５伝熱管群２０２ｅにも当てはまる。ノズルの数を増やすと伝熱管２０２の全体に液相冷媒を噴霧しやすい。しかし、噴霧量が増えすぎると、伝熱管２０２の表面における液膜の厚さが過剰となる。この場合、熱交換効率が却って低下するおそれがある。ノズルの数を増やすとコストも増加する。本実施の形態は、ノズル２０４の総数を制限しながら熱交換効率を最大化することが望まれるケースに適している。また、ノズル２０４の数を減らせるので、本実施の形態は、蒸発器３０１のコストの削減及び蒸発器３０１の小型化に適している。
［２－２．蒸発器の動作］
以上のように構成された蒸発器３０１について、以下その動作及び作用を説明する。
第１ノズル２０４ａから伝熱管２０２の軸方向に向かって液相冷媒が噴霧される。詳細には、第１ノズル２０４ａから第１伝熱管群２０２ａに向かって液相冷媒が噴霧される。第１ノズル２０４ａに近い部分には、液相冷媒が到達しやすい。したがって、第１ノズル２０４ａに近い部分は、液相冷媒の噴霧量が多い密領域Ａ１である。他方、第１ノズル２０４ａから離れた部分には、液相冷媒が到達しにくい。したがって、第１ノズル２０４ａから離れた部分は、液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域Ｂ１である。
熱媒体は、サーペンタイン形に蛇行を繰り返しながら、最下段の伝熱管群から最上段の伝熱管群に向かって流れる。最上段の伝熱管群である第１伝熱管群２０２ａに液相冷媒を噴霧する第１ノズル２０４ａは、第１伝熱管群２０２ａの入口側に配置されている。そのため、第１伝熱管群２０２ａの出口の近傍部分は、液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域Ｂ１である。ただし、疎領域Ｂ１においては、冷媒と熱媒体との熱交換が十分に進行しているため、ドライアウトが発生しにくい。
一方、第２ノズル２０４ｂは、第１ノズル２０４ａの位置から第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の出口側にシフトした位置に配置されている。第１ノズル２０４ａの位置からの第２ノズル２０４ｂのシフト量は、伝熱管２０２の長手方向における疎領域Ｂ１の長さ、すなわち、距離Ｌに等しい。第２ノズル２０４ｂから噴霧された液相冷媒は、第２伝熱管群２０２ｂの入口の近傍まで十分に届く。第２伝熱管群２０２ｂの入口の近傍部分は、液相冷媒の噴霧量が多い密領域Ｂ２である。第２伝熱管群２０２ｂの出口の近傍部分は、第２ノズル２０４ｂの後方に位置している。そのため、第２ノズル２０４ｂから噴霧された液相冷媒は第２伝熱管群２０２ｂの出口の近傍部分に殆ど届かない。第２伝熱管群２０２ｂの出口の近傍部分は、液相冷媒の噴霧量が少ない疎領域Ａ２である。しかし、疎領域Ａ２の上方に密領域Ａ１が位置している。そのため、密領域Ａ１から疎領域Ａ２に向かって液相冷媒が滴下する。これにより、疎領域Ａ２の伝熱管２０２が液相冷媒で濡らされる。同様の現象が、第３伝熱管群２０２ｃ、第４伝熱管群２０２ｄ及び第５伝熱管群２０２ｅにおいて繰り返される。そのため、第３伝熱管群２０２ｃ、第４伝熱管群２０２ｄ及び第５伝熱管群２０２ｅの全体が液相冷媒によって十分に濡らされる。
このように、第２ノズル２０４ｂによって噴霧された液相冷媒と第１伝熱管群２０２ａから滴下した液相冷媒とによって第２伝熱管群２０２ｂの全体が濡らされる。結局、液相冷媒の噴霧量が少なく、かつ、上方からの滴下も期待できない領域は、疎領域Ｂ１のみである。疎領域Ｂ１は、蒸発器３０１の中で冷媒と熱媒体との温度差ΔＴが最も小さい領域であり、熱交換量が少ない領域である。疎領域Ｂ１の濡れ状態が蒸発器３０１の熱交換性能に及ぼす影響は小さい。
［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、蒸発器３０１は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側の位置であって、第１ノズル２０４ａの位置から第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の出口側にシフトした位置に配置された第２ノズル２０４ｂをさらに備えている。このような構成によれば、複数の伝熱管群を有する大容量の蒸発器においても、最上段の伝熱管群である第１伝熱管群２０２ａの出口の近傍のみに疎領域Ｂ１を生じさせることができる。下方に位置する伝熱管群である第２伝熱管群２０２ｂの全体を液相冷媒で濡らすことができる。よって、第１ノズル２０４ａ及び第２ノズル２０４ｂの噴霧圧力を上げることなくドライアウトが回避されうる。本開示の技術によれば、エロージョンを回避して蒸発器３０１の信頼性を高めつつ、蒸発器３０１の熱交換効率を向上させることができる。
また、本実施の形態において、蒸発器３０１は、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側の位置であって、第１ノズル２０４ａの位置から第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の出口側にシフトした位置に配置され、第２伝熱管群２０２ｂに液相冷媒を噴霧する第２ノズル２０４ｂをさらに備えていてもよい。第２ノズル２０４ｂによって、第２伝熱管群２０２ｂに液相冷媒を十分に噴霧することができる。
また、本実施の形態において、第２ノズル２０４ｂは、第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口側から入口側に向かって液相冷媒を第２伝熱管群２０２ｂに噴霧してもよい。第２ノズル２０４ｂによれば、第２伝熱管群２０２ｂの熱交換量を増やすことができる。
また、本実施の形態において、第２ノズル２０４ｂの噴霧方向が第１ノズル２０４ａの噴霧方向に一致していてもよい。このような構成によれば、第１ノズル２０４ａから噴霧された液相冷媒が第１伝熱管群２０２ａから第２伝熱管群２０２ｂに滴下するので、第２ノズル２０４ｂから噴霧された液相冷媒が届かない領域にも液相冷媒を届けることができる。
また、本実施の形態において、蒸発器３０１は、第１伝熱管群２０２ａに液相冷媒を噴霧するノズルとして第１ノズル２０４ａのみを有していてもよい。このような構成によれば、蒸発器３０１のコストを下げることができる。
また、本実施の形態において、蒸発器３０１は、第１伝熱管群２０２ａにおける熱媒体の入口と第２伝熱管群２０２ｂにおける熱媒体の出口とを連通する流路カバー２０７をさらに備えていてもよい。流路カバー２０７の働きにより、熱媒体の流れ方向をスムーズに変えることができる。
（実施の形態３）
以下、図６から図９を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態１又は実施の形態２と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。
［３－１．蒸発器の構成］
図６は、実施の形態３に係る蒸発器４０１の縦断面図である。本実施の形態の蒸発器４０１と実施の形態２の蒸発器３０１（図５）との相違点は、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の流れの形状にある。この点を除き、蒸発器４０１の構成は、蒸発器３０１の構成と同一である。本実施の形態において、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の流れは、扁平な形状を有している。
図７Ａ及び図７Ｂは、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の噴霧パターンを示す図である。ノズル２０４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧する。図７Ａに示すように、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒は、扇形状の噴霧領域Ｍを形成する。また、噴霧軸Ａｍに垂直な平面Ｈにこの噴霧パターンを投影したときに現れる噴霧領域Ｓの形状は扁平である。このような噴霧パターンで噴霧された液相冷媒が伝熱管２０２と伝熱管２０２との間を通過する。
図８は、図６に示すA-A線に沿った蒸発器４０１の縦断面図である。図８に示す例では、Ｙ軸方向に１２本の伝熱管２０２が配列されている。ただし、Ｙ軸方向における伝熱管２０２の数は特に限定されない。ノズル２０４は、伝熱管２０２の長手方向に垂直な方向（Ｙ軸方向）においてノズル２０４に最も近い一対の伝熱管２０２の間を噴霧軸Ａｍが通過し、かつ、噴霧領域Ｓが一対の伝熱管２０２の間を通過するように、液相冷媒を噴霧する。噴霧軸Ａｍは、例えば、水平に延びている。
ノズル２０４は、例えば、Ｙ軸方向における一方側にのみ配置されており、Ｙ軸方向における他方側には配置されていない。このため、ノズル２０４は、伝熱管２０２の長手方向に垂直な平面（ＹＺ平面）において、例えば、Ｙ軸正方向に液相冷媒を噴霧する。
図９は、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す図である。複数の伝熱管２０２は、第１段２２ａ及び第２段２２ｂを含む。第１段２２ａは、第１平面に沿って配列された複数の伝熱管２０２を有する。第２段２２ｂは、第１平面に平行な第２平面に沿って配列された複数の伝熱管２０２を有し、かつ、第１平面に垂直な方向（Ｚ軸方向）において第１段２２ａと隣り合っている。第１平面及び第２平面は、ＸＹ平面に平行な平面である。
第１段２２ａと第２段２２ｂとの間には、第１段２２ａの複数の伝熱管２０２の配列方向における第１段２２ａの一端から他端まで有体物に交差しない仮想平面が存在する。
第１段２２ａの複数の伝熱管２０２及び第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２は、伝熱管２０２の長手方向（Ｘ軸方向）に垂直な第３平面において長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなす。第３平面は、ＹＺ平面に平行な平面である。
ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の噴霧パターンの噴霧軸Ａｍは、第１段２２ａの複数の伝熱管２０２の第１端部２２ｊと、第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２の第２端部２２ｋとの間を通過する。第１端部２２ｊは、第１平面に垂直な方向（Ｚ軸方向）において第２段２２ｂに近い端部である。第２端部２２ｋは、第１平面に垂直な方向（Ｚ軸方向）において第１段２２ａに近い端部である。ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の噴霧パターンは、第１段２２ａと第２段２２ｂとの間を通過する。
第２段２２ｂは、例えば、鉛直方向において第１段２２ａの下方に配置されている。複数の伝熱管２０２は、例えば、下部伝熱管群２２ｃを含む。下部伝熱管群２２ｃは、複数の伝熱管２０２を有し、かつ、鉛直方向において第２段２２ｂの下方に配置されている。下部伝熱管群２２ｃの複数の伝熱管２０２のそれぞれは、例えば、第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２のいずれかの真下に配置されている。
下部伝熱管群２２ｃの複数の伝熱管２０２は、例えば、第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２とともに、第３平面において長方形格子又は正方形格子をなしている。
［３－２．蒸発器の動作］
以上のように構成された蒸発器４０１について、以下その動作及び作用を説明する。
図８に示すように、ノズル２０４は、Ｚ軸方向において隣り合った２つの段の伝熱管２０２の間の空間に向かって液相冷媒を噴霧する。液相冷媒は、２つの段の間で噴霧軸Ａｍが延びる噴霧パターンで噴霧される。噴霧された液相冷媒は、伝熱管２０２の表面に付着する。伝熱管２０２の内部の熱媒体と伝熱管２０２の表面に付着した液相冷媒との間の熱交換により、液相冷媒が蒸発して気相冷媒が生成される。蒸発しなかった液相冷媒は、伝熱管２０２の表面に沿って流動し、下方の伝熱管２０２に向かって滴下される。
図９に示すように、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒は、第三平面において長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなすように配置された第１段２２ａ及び第２段２２ｂにおける伝熱管２０２の間を通過する。第１段２２ａと第２段２２ｂとの間には、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の進行を直接妨げる伝熱管等の部材は存在しない。このため、第１段２２ａと第２段２２ｂとの間においてノズル２０４から噴霧された液相冷媒が直進しやすい。一方、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒の一部は、第１段２２ａの伝熱管２０２の第１端部２２ｊ及び第２段２２ｂの伝熱管２０２の第２端部２２ｋに接触する。第１段２２ａの伝熱管２０２に接触した液相冷媒の一部は、液相冷媒の流れに対する伝熱管２０２の前縁に沿ってＺ軸正方向に流動する。一方、第２段２２ｂの伝熱管２０２に接触した液相冷媒の一部は、伝熱管２０２の前縁に沿ってＺ軸負方向に流動する。加えて、液相冷媒の別の一部は、第２段２２ｂの伝熱管２０２の後縁に沿ってＺ軸負方向に流動する。このような液相冷媒の流動が第１段２２ａ及び第２段２２ｂの各列の伝熱管２０２の周囲で生じる。
図９に示すように、第１段２２ａ及び第２段２２ｂからなる上部伝熱管群２２ｍにおいて、液相冷媒が伝熱管２０２の表面に直接接触して強制対流を伴う熱伝達が生じ、液相冷媒と熱媒体との間の熱交換が促進される。
第２段２２ｂの伝熱管２０２の表面において液相冷媒はＹ軸負方向に流動しながら液膜を形成し、液膜をなす液相冷媒の一部が蒸発する。上部伝熱管群２２ｍにおいて蒸発しきれなかった未蒸発の液相冷媒は、第２段２２ｂの伝熱管２０２の最下部から下部伝熱管群２２ｃの伝熱管２０２に向かって滴下される。滴下された液相冷媒は、伝熱管２０２の表面で液膜を形成しながら下方に流動し、一部の液相冷媒は蒸発し、別の一部の液相冷媒はさらに下方の伝熱管２０２に向かって滴下される。このような液相冷媒の流動及び滴下が下部伝熱管群２２ｃの各列の伝熱管２０２の周囲で生じる。このように、下部伝熱管群２２ｃの伝熱管２０２の周囲には、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒が上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２０２から滴下されて間接的に供給される。滴下後に残った液相冷媒は、シェル２０１の底部に貯留される。
上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２０２の周囲には、ノズル２０４から噴霧された液相冷媒が直接供給されて強制対流が生じる。ノズル２０４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧するので、液相冷媒が第１段２２ａと第２段２２ｂとの間で直進しやすい。これにより、上部伝熱管群２２ｍにおいて、ノズル２０４に対して遠方の伝熱管２０２の周囲でも液相冷媒の強制対流が生じやすい。このため、ノズル２０４に対して遠方の伝熱管２０２の表面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２０２の表面においてドライアウトが発生しにくい。
加えて、上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２０２から下部伝熱管群２２ｃに向かって液相冷媒の滴下が生じるので、下部伝熱管群２２ｃにおいて、ノズル２０４に対して遠方の伝熱管２０２の表面でも液相冷媒の液膜が形成されやすい。このため、ノズル２０４に対して遠方に位置する伝熱管２０２の表面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２０２の表面においてドライアウトが発生しにくい。
［３－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ノズル２０４は、第１平面に垂直な方向において第１段２２ａの複数の伝熱管２０２の第２段２２ｂに近い第１端部２２ｊと、第１平面に垂直な方向において第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２の第１段２２ａに近い第２端部２２ｋとの間を通過する噴霧軸Ａｍを有していてもよく、かつ、第１段２２ａと第２段２２ｂとの間を通過する扁平な噴霧パターンで液体を噴霧してもよい。噴霧軸Ａｍは、第１段２２ａの複数の伝熱管２０２の第１端部２２ｊと、第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２の第２端部２２ｋとの間を通過する。第１端部２２ｊは、第１平面に垂直な方向において第１段２２ａの複数の伝熱管２０２の第２段２２ｂに近い端部である。第２端部２２ｋは、第１平面に垂直な方向において第２段２２ｂの複数の伝熱管２０２の第１段２２ａに近い端部である。
ノズル２０４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧するので、液相冷媒が第１段２２ａと第２段２２ｂとの間で直進しやすい。このため、第１段２２ａ及び第２段２２ｂにおいて、ノズル２０４に対して遠方の伝熱管２０２の周囲でも液相冷媒の強制対流が生じやすい。その結果、ノズル２０４に対して遠方の伝熱管２０２の表面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２０２の表面においてドライアウトが発生しにくい。
本実施の形態においても、実施の形態２で説明した効果が得られる。すなわち、水平方向及び垂直方向に伝熱管２０２が多列かつ多段に配列されている場合においても、最上段の伝熱管群である第１伝熱管群２０２ａの出口の近傍のみに疎領域Ｂ１を生じさせることができる。下方に位置する伝熱管群である第２伝熱管群２０２ｂの全体を液相冷媒で濡らすことができる。よって、第１ノズル２０４ａ及び第２ノズル２０４ｂの噴霧圧力を上げることなくドライアウトが回避されうる。本開示の技術によれば、エロージョンを回避して蒸発器４０１の信頼性を高めつつ、蒸発器４０１の熱交換効率を向上させることができる。
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、吸収式冷凍装置の蒸発器に有用である。ただし、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。また、ターボ冷凍装置、蒸気圧縮式冷凍装置などの吸収式冷凍装置以外の冷凍装置に本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器が使用されうる。冷凍装置の用途は特に限定されず、家庭用又は業務用の空気調和装置、チラー、プロセス冷却、蓄熱装置などが挙げられる。
２２ａ 第１段
２２ｂ 第２段
２２ｃ 下部伝熱管群
２２ｊ 第１端部
２２ｋ 第２端部
２２ｍ 上部伝熱管群
１００ 吸収式冷凍装置
１０１，３０１，４０１ 蒸発器
１０２ 吸収器
１０３ 再生器
１０４ 凝縮器
１０６ ポンプ
１０７ 散布トレイ
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 経路
１２１ 伝熱管
１２３ 加熱器
１２４ 伝熱管
２０１ シェル
２０１ａ 流入口
２０１ｂ 流出口
２０２ 伝熱管
２０２ａ 第１伝熱管群
２０２ｂ 第２伝熱管群
２０２ｃ 第３伝熱管群
２０２ｄ 第４伝熱管群
２０２ｅ 第５伝熱管群
２０２ｐ 入口
２０２ｑ 出口
２０４ ノズル
２０４ａ 第１ノズル
２０４ｂ 第２ノズル
２０５ 循環回路
２０６ ポンプ
２０７，２０８ 流路カバー
２０９ 経路
２１０ 仕切り板
２１１ 流入口
２１２ 流出口
Ａｍ 噴霧軸
Ｂｘ 中心軸

Claims (11)

  1. シェルと、
    前記シェルの内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
    前記複数の伝熱管における熱媒体の入口側に配置され、前記複数の伝熱管における前記熱媒体の入口側から出口側に向かって液相冷媒を前記複数の伝熱管に噴霧する第１ノズルと、
    を備えた、
    シェルアンドチューブ式熱交換器。
  2. 前記第１ノズルの噴霧軸に沿った前記液相冷媒の進行方向と前記伝熱管の長手方向に平行かつ前記伝熱管の入口から出口に向かう方向とのなす角度θが鋭角である、
    請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
  3. 前記複数の伝熱管は、第１伝熱管群及び第２伝熱管群を含み、
    前記第１伝熱管群は、前記シェルの内部において最上段に位置する前記伝熱管を含む伝熱管群であり、
    前記第２伝熱管群は、前記第１伝熱管群の下方において前記第１伝熱管群に隣接する伝熱管群であり、
    前記第１伝熱管群における前記熱媒体の流れ方向は、前記第２伝熱管群における前記熱媒体の流れ方向と逆であり、
    前記熱媒体は、前記第２伝熱管群及び前記第１伝熱管群をこの順番で流れ、
    前記第１ノズルは、前記第１伝熱管群に前記液相冷媒を噴霧するノズルである、
    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. 前記第２伝熱管群における前記熱媒体の出口側の位置であって、前記第１ノズルの位置から前記第１伝熱管群における前記熱媒体の出口側にシフトした位置に配置され、前記第２伝熱管群に前記液相冷媒を噴霧する第２ノズルをさらに備えた、
    請求項３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
  5. 前記第２ノズルは、前記第２伝熱管群における前記熱媒体の出口側から入口側に向かって前記液相冷媒を前記第２伝熱管群に噴霧する、
    請求項４に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
  6. 前記第２ノズルの噴霧方向が前記第１ノズルの噴霧方向に一致している、
    請求項４又は５に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
  7. 前記シェルアンドチューブ式熱交換器は、前記第１伝熱管群に前記液相冷媒を噴霧するノズルとして前記第１ノズルのみを有する、
    請求項３から６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。
  8. 前記複数の伝熱管は、第１平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する第１段と、前記第１平面に平行な第２平面に沿って配列された複数の伝熱管を有し、かつ、前記第１平面に垂直な方向において前記第１段と隣り合っている第２段とを含み、
    前記第１ノズルは、前記第１平面に垂直な方向において前記第１段の前記複数の伝熱管の前記第２段に近い第１端部と、前記第１平面に垂直な方向において前記第２段の前記複数の伝熱管の前記第１段に近い第２端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、前記第１段と前記第２段との間を通過する扁平な噴霧パターンで前記液体を噴霧する、
    請求項１から７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。
  9. 前記第１伝熱管群における前記熱媒体の入口と前記第２伝熱管群における前記熱媒体の出口とを連通する流路カバーをさらに備えた、
    請求項１から８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。
  10. 請求項１から９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の運転方法であって、
    前記複数の伝熱管に前記熱媒体を流すことと、
    前記第１ノズルから前記複数の伝熱管に向けて前記液相冷媒を噴霧して前記熱媒体と前記液相冷媒との間で熱交換を生じさせることと、
    前記複数の伝熱管の前記出口から前記入口に向かって所定距離の位置に前記ノズルから噴霧された前記液相冷媒の流れの外縁が到達するように、前記第１ノズルからの前記液相冷媒の噴霧圧力を調節することと、
    を含む、方法。
  11. 請求項１から９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を蒸発器及び凝縮器の少なくとも１つとして備えた、
    冷凍装置。
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