JP3117099B2 - 多管式熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷凍装置やヒートポンプ
装置等に於ける蒸発器や凝縮器等に使用する多管式熱交
換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷凍装置やヒートポンプ装置等を構成す
る蒸発器や凝縮器としては、冷媒を流す伝熱管を、被熱
交換流体としての温水や冷水を流す熱交換室内に横方向
に多数配設して成る多管式熱交換器が多く使用されてい
る。一方、冷凍装置やヒートポンプ装置は、常時最大負
荷に対応する能力で運転されることは少なく、その能力
は負荷の変動に伴って前記伝熱管を流れる冷媒流量を変
えて調節する。

【０００３】従来、多管式熱交換器の伝熱管は冷凍装置
等の最大負荷時に於ける冷媒流量に基づいて設計製作を
行っており、負荷が小さくなった場合の冷媒流量の減少
に対する流路の調節等は行っていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の多管
式熱交換器に於いて、負荷の減少に伴って冷媒流量が減
少すると次のような不都合が発生する。

【０００５】まず蒸発器として使用している場合には、
蒸発中の冷媒のフラッシュガスが液と分離して、ガスは
伝熱管の上方を、そして液は伝熱管の下方を通ったりす
るバラツキが発生することにより、平均した高い熱伝達
率を維持することができない。また凝縮器として使用し
ている場合には、伝熱管の入口側に於ける冷媒ガスの流
速が遅くなるため、やはり熱伝達率が低下して性能が悪
くなる。

【０００６】このような現象は、冷媒Ｒ-22やＲ-12等の
単一冷媒を使用する場合にも発生するが、非共沸混合冷
媒を使用してローレンツサイクルの運転を行う場合に於
いては沸点の異なる冷媒が互いに影響しあうので、上述
した冷媒の熱伝達率の低下は特に顕著に現れる。本発明
は、このような課題を解決することを目的とするもので
ある。

【０００７】上述した課題を解決するために、本発明の
多管式熱交換器では、冷媒を流す伝熱管を、被熱交換流
体を流す熱交換室を通して冷媒の入口室と出口室間に横
方向に多数配設して成る多管式熱交換器に於いて、該入
口室又は出口室に、上記伝熱管の一部の管端を開閉する
弁装置を設け、弁装置は、入口室内と出口室内の圧力差
を検出して動作させる構成とし、圧力差が所定以下に低
下した場合に伝熱管の管端を閉とするように動作させる
構成としている。

【０００８】以上の構成の熱交換器に於いて、弁装置は
複数系統設けて独立に開閉動作可能に構成することがで
きる。

【０００９】上記弁装置は、上記入口室内と出口室内の
管端に対して弁体を進退自在に支持するロッドをシリン
ダ内のピストンにより駆動する構成とすることができ
る。

【００１０】そして、この構成の弁装置においては、ピ
ストンを前進させる側のシリンダ室内に導圧管を介して
出口室内の冷媒の圧力を伝達すると共に、他方側のシリ
ンダ室内に入口室内の冷媒の圧力を伝達する構成とし、
そして弁体を前進させる方向に付勢するばねを設けた構
成としたり、ピストンを前進させる側のシリンダ室内に
制御弁を設けた制御用配管を介して制御圧力を伝達する
構成とすることができる。

【００１１】また、上記の構成を組合せ、前者の構成の
導圧管に導圧弁を設けると共に、この導圧弁と、ピスト
ンを前進させる側のシリンダ室間に、高圧源に至る後者
の制御用配管を接続して、該シリンダ室内に伝達する圧
力源を選択し得る構成とすることができる。

【００１２】

【作用】負荷が大きく、従って冷媒流量が多い場合に
は、弁装置は伝熱管の管端を開としておく。そして負荷
が低下して冷媒流量が減少する場合には、弁装置を動作
させて伝熱管の一部の管端を閉とする。

【００１３】こうすることにより冷媒は一部の伝熱管に
は流入しなくなり、残りの伝熱管にのみ流れるようにな
るので、これらの伝熱管に流れる冷媒流量を減少させな
いようにすることができる。

【００１４】逆に負荷が大きくなって冷媒流量が増加す
る場合には、弁装置を動作させて、それまで閉となって
いる伝熱管の管端を開とする。このようにして開状態の
伝熱管の数を調節することにより、伝熱管に流れる冷媒
流量を常時適切に保持することができ、冷媒の蒸発また
は凝縮に於ける熱伝達率の低下を防止することができ
る。

【００１５】伝熱管を流れる冷媒流量が多く、伝熱管を
流れる冷媒の流速が早い場合には、その上流側と下流側
の圧力差が大きくなり、逆に伝熱管を流れる冷媒流量が
少ない場合には、上記圧力差が小さくなる。従って伝熱
管の上流側及び下流側に対応する入口室内と出口室内の
冷媒の圧力差を検出して上述したように弁装置を開閉動
作することにより、管端が開状態の伝熱管に流れる冷媒
流量を一定に制御することができる。

【００１６】また弁装置を制御信号により強制的に開閉
動作させることにより、管端が開の伝熱管の数を調節し
て、各伝熱管に流れる冷媒流量を強制的に制御すること
ができる。

【００１７】一部の伝熱管を閉とすると、全体としての
伝熱面積は減少するのであるが、閉としない場合と比較
して熱伝達率が向上し、またガス過熱度も向上させるこ
とができるので、熱交換器の全体としての性能は向上す
る。

【００１８】

【実施例】次に本発明の実施例を図について説明する。
図は本発明の多管式熱交換器を冷凍機の蒸発器に適用し
た一例を示す系統図であり、図に於いて符号１は冷媒を
流す多数の伝熱管であり、これらの多数の伝熱管１は水
等の被熱交換流体を流す熱交換室２を通して、冷媒の入
口室３と出口室４間に横方向に配設している。これらの
入口室３及び出口室４は、多数の伝熱管１を支持する管
板５にカバー６，７を取付けて構成しており、入口室３
には半径方向に冷媒入口管８を接続すると共に出口室４
には軸方向に冷媒出口管９を接続している。一方、熱交
換室２には、伝熱管１の下流側、上流側に対応して、夫
々流体入口管１０、流体出口管１１を設けると共に、そ
れらの間に２枚の案内仕切板１２を設けてジグザグの流
体経路を構成している。

【００１９】入口室３を構成するカバー６には、多数の
伝熱管１の一部、図中伝熱管１ａ，１ｂに対応して２系
統のシリンダ部１３ａ，１３ｂを設けており、このシリ
ンダ部１３ａ，１３ｂ内のピストン１４ａ，１４ｂに設
けたロッド１５ａ，１５ｂを伝熱管１の管端方向に突出
している。これらのロッド１５ａ，１５ｂの先端には、
前記ピストン１４ａ，１４ｂの移動により伝熱管１の管
端を開閉する弁体１６ａ，１６ｂを設けている。図示の
弁体１６ａ，１６ｂは円錐状の構成としており、夫々の
ピストン１４ａ，１４ｂが図中左側に移動するとロッド
１５ａ，１５ｂにより弁体１６ａ，１６ｂが伝熱管１
ａ，１ｂの管端方向に移動、即ち前進して管端が閉とな
ると共に、ピストン１４ａ，１４ｂが前述と逆に図中右
側に移動すると弁体１６ａ，１６ｂが管端から後退して
開となる構成である。また夫々のシリンダ部１３ａ，１
３ｂのシリンダ室には、弁体１６ａ，１６ｂを前進させ
る方向にピストン１４ａ，１４ｂを付勢するばね１７
ａ，１７ｂ、この例の場合、圧縮コイルばねを設けてい
る。

【００２０】夫々のシリンダ部１３ａ，１３ｂの、図中
左側のシリンダ室は入口室３と連通していて入口室３内
の冷媒の圧力が伝達される構成となっており、また図中
右側のシリンダ室は導圧管１８を介して出口室４と連通
していて、出口室４内の冷媒の圧力がシリンダ室に伝達
される構成となっている。

【００２１】導圧管１８は、出口室４側の共通管部１８
ｃと、この共通管部１８ｃから夫々のシリンダ部１３
ａ，１３ｂのシリンダ室に対応して分岐する分岐管部１
８ａ，１８ｂとから構成していて、これらの分岐管部１
８ａ，１８ｂには導圧弁１９ａ，１９ｂを設けており、
また共通管１８ｃと入口室３間には圧力検出手段２０を
設けている。

【００２２】また夫々の分岐管１８ａ，１８ｂの導圧弁
１９ａ，１９ｂと各シリンダ部１３ａ，１３ｂのシリン
ダ室間には、冷凍機に於ける冷媒の高圧部等の制御流体
部２１に至る制御配管２２ａ，２２ｂを接続しており、
これらの制御配管２２ａ，２２ｂの夫々には制御弁２３
ａ，２３ｂを設けている。符号２４は制御手段であり、
この制御手段２４は上記圧力検出手段２０で検出した入
口室３内と出口室４内の冷媒の圧力差信号を制御入力の
一つとして、導圧弁１９ａ，１９ｂや制御弁２３ａ，２
３ｂ等を開閉制御する構成としている。

【００２３】以上の構成に於いて、図示していない膨張
弁を通って膨張した冷媒液は、フラッシュガスを含みな
がら冷媒入口管８を経て入口室３内に流入する。次いで
冷媒は管端から伝熱管１内に流入し、熱交換室２の流体
経路を流れている被熱交換流体と向流状態で熱交換しな
がら伝熱管１内を流れる。こうして冷媒は、伝熱管１の
出口室４側の端部に至るまでに蒸発、ガス化が完了し、
出口室４を経て冷媒出口管９から流出する。

【００２４】以上の動作に於いて、冷凍負荷が大きく冷
媒流量が多い場合には、後述する動作により全ての伝熱
管１が開状態である場合にも、冷媒は多数の伝熱管１に
均等に分かれて流入するので、夫々の伝熱管１内を流れ
る冷媒流量が適切に維持され、従って冷媒の熱伝達率の
低下は起こらない。

【００２５】かかる運転状態に於いて、冷凍負荷が低下
すると、冷凍機の容量調節装置（図示省略）は、冷凍負
荷の低下を例えば流体出口管１１側の被熱交換流体の温
度の低下により検出して冷媒流量を減少させる動作をす
る。従って冷媒入口管８から入口室３に流入し、伝熱管
１に流入する冷媒流量が減少する。

【００２６】このように冷媒流量が減少した場合に、開
となっている伝熱管１の数が、それまでの冷媒流量が多
い場合と同様に維持されると、冷媒は入口室３内でフラ
ッシュガス相と液相とに分離して、液は下方に位置する
伝熱管１を集中して流れ、ガスは上方に位置する伝熱管
１を集中して流れるようになる。

【００２７】このように下方に位置する伝熱管に集中し
て流れる液では、伝熱管１の出口室４側の端部に至るま
でに蒸発、ガス化が完了せず、ガス中に液ミストが残留
してしまうことがある。このため出口室４側のガス過熱
度が小さくなったり、計測できなくなることにより膨張
弁の制御信号が不安定となって、冷凍機の運転が不能と
なることがある。そしてこのような状態に於いて正常な
運転を行おうとすると、異常に低い温度や圧力でバラン
スさせなければならず、性能が大幅に低下する。特に、
非共沸混合冷媒では、この傾向が顕著に現れるため、そ
の利点が発揮できない。

【００２８】しかるに本発明に係る上記の構成では、冷
媒流量の変化に対しては次のように動作する。

【００２９】まず、導圧弁１９ａが閉で弁体１６ａが伝
熱管１ａの管端を閉としており、また導圧弁１９ｂは開
となっている状態に於いて、冷媒流量が多い場合には、
冷媒は多数の伝熱管１に均等に分かれて流入するので、
夫々の伝熱管１内を流れる冷媒流量は適切に維持され、
そして適切な冷媒の流速が確保されるため入口室３内と
出口室４内の圧力差が大きい。この圧力差によってピス
トン１４ｂに加わる力よりもばね１７ｂの力の方が小さ
いので、ピストン１４ｂは圧力差によりばね１７ｂの付
勢に抗して図中右側に移動し、従ってロッド１５ｂによ
り弁体１６ｂが後退した状態に維持されるので、対応す
る伝熱管１ｂの管端は図示の通り開状態に維持される。

【００３０】次に、冷凍負荷の低下に伴って冷媒流量が
減少した場合には、伝熱管１を流れる冷媒の流速が遅く
なるため、入口室３内と出口室４内の圧力差が小さくな
る。このため入口室３内と出口室４内の圧力差によりピ
ストン１４ｂに加わる力よりもばね１７ｂの力の方が大
きくなるとピストン１４ｂは図中左側に移動し、従って
ロッド１５ｂにより弁体１６ｂが前進して対応する伝熱
管１ｂの管端を閉とする。

【００３１】このようにして伝熱管の一部、即ち図中伝
熱管１ｂの管端が閉となって、冷媒は開状態の残りの伝
熱管１にのみ流れるようになるので、これらの伝熱管１
に流れる冷媒流量を減少させずに所定の値に維持するこ
とができ、このため熱伝達率を低下させず、従って伝熱
管１の出口室４側の端部に至るまでの冷媒の蒸発、ガス
化を確実に完了させることができる。

【００３２】逆に、負荷が大きくなって冷媒流量が増加
すると、入口室３内と出口室４内の圧力差が次第に上昇
していき、この圧力差によってピストン１４ｂに加わる
力がばね１７ｂの力よりも大きくなると、ピストン１４
ｂは図中右側に移動し、従って弁体１６ｂが後退してそ
れまで閉となっていた伝熱管１ｂの管端を図に示すよう
に開状態とするため、冷媒流量の増加に対応することが
できる。

【００３３】更に負荷が大きくなって冷媒流量が増加
し、入口室３内と出口室４内の圧力差が更に上昇して、
圧力検出手段２０により検出した圧力差が所定値以上と
なると制御手段２４は導圧弁１９ａを開とする。すると
上述と同様の動作により、ピストン１４ａがシリンダ室
内を図中右側に移動して、ロッド１５ａにより弁体１６
ａが後退して、対応する伝熱管１ａの管端が開状態とな
り、全ての伝熱管１が冷媒の流通可能な状態となる。

【００３４】このような状態から次第に負荷が低下して
冷媒流量が次第に減少していくと、上述と逆の動作によ
り、まずシリンダ部１３ｂに対応する弁体１６ｂが前進
して対応する伝熱管１ｂが閉となり、次いでシリンダ部
１３ａに対応する弁体１６ａが前進して対応する伝熱管
１ａが閉となる。

【００３５】以上は、弁体１６ａ，１６ｂの開閉動作を
入口室３内と出口室４内の圧力差とばね１７ａ，１７ｂ
によって自動的に行う場合であるが、制御信号により強
制的に開閉動作させることもできる。即ち、導圧弁１９
ａ，１９ｂを閉とした状態で例えば制御弁２３ａを開と
すると、制御流体の圧力がシリンダ部１３ａの図中右側
のシリンダ室内に伝達されてピストン１４ａ、そしてロ
ッド１５ａにより弁体１６ａが図中左側に移動されるこ
とにより、図に示すように対応する伝熱管１ａの管端が
閉状態となり、また制御弁２３ａを閉とするか、または
制御流体の圧力を低下させる等によって図中右側のシリ
ンダ室内の圧力を低下させると、図に示すように対応す
る伝熱管１ａの管端を開状態とすることができる。

【００３６】以上の説明では、独立して開閉動作させる
弁装置は２系統として構成しているが、１系統でも良い
し、３系統以上としても良い。また以上の説明及び図で
は、独立して開閉動作させる伝熱管は１本であるが、こ
れらは複数であっても良いことは勿論である。さらに、
以上の説明では弁装置を構成する弁体１６ａ，１６ｂを
移動させる駆動機構は、冷媒の圧力により動作させるシ
リンダ装置により構成しているが、まずシリンダ装置は
油圧や空気圧により動作させる構成とすることもできる
し、シリンダ装置を使用せずに弁体１６ａ，１６ｂの移
動機構を構成することができるものである。

【００３７】また以上の説明では、本発明の熱交換器を
冷凍機の蒸発器に適用した例につき説明しているが、凝
縮器に適用したり、冷媒と被熱交換流体を熱交換させる
適宜の構成要素として利用できるものである。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上の通り、冷媒を流す伝熱管
を、被熱交換流体を流す熱交換室を通して冷媒の入口室
と出口室間に横方向に多数配設して成る多管式熱交換器
に於いて、開状態の伝熱管の数を冷媒流量に応じて調節
可能であるのであるので、以下に示すような効果があ
る。 熱伝達率の低下を防止し、冷媒と被熱交換流体との
熱交換を効率良く行うことができる。 ガス過熱度を大きくすることができる。

【００３９】このような効果により、本発明の熱交換器
を利用する冷凍機やヒートポンプ装置では、あらゆる負
荷条件に於いて高性能を維持することができ、特に、非
共沸混合冷媒を用いるローレンツサイクルによる高効率
の運転が可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多管式熱交換器を冷凍機の蒸発器に適
用した一例を示す系統図である。

【符号の説明】

１ 伝熱管 ２ 熱交換室 ３ 入口室 ４ 出口室 ５ 管板 ６，７ カバー ８ 冷媒入口管 ９ 冷媒出口管 １０ 流体入口管 １１ 流体出口管 １２ 案内仕切板 １３ａ，１３ｂ シリンダ部 １４ａ，１４ｂ ピストン １５ａ，１５ｂ ロッド １６ａ，１６ｂ 弁体 １７ａ，１７ｂ ばね １８ 導圧管 １８ｃ 共通管部 １８ａ，１８ｂ 分岐管部 １９ａ，１９ｂ 導圧弁 ２０ 圧力検出手段 ２１ 制御流体部 ２２ａ，２２ｂ 制御配管 ２３ａ，２３ｂ 制御弁 ２４ 制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 39/02

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を流す伝熱管を、被熱交換流体を流
   す熱交換室を通して冷媒の入口室と出口室間に横方向に
   多数配設して成る多管式熱交換器に於いて、該入口室又
   は出口室に、上記伝熱管の一部の管端を開閉する弁装置
   を設け、弁装置は、入口室内と出口室内の圧力差を検出
   して動作させる構成とし、圧力差が所定以下に低下した
   場合に伝熱管の管端を閉とするように動作させる構成と
   したことを特徴とする多管式熱交換器
2. 【請求項２】 弁装置は複数系統設けて独立に開閉動作
   可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の多管
   式熱交換器
3. 【請求項３】 弁装置は、伝熱管の管端に対して弁体を
   進退自在に支持するロッドをシリンダ内のピストンによ
   り駆動する構成としたことを特徴とする請求項１又は２
   に記載の多管式熱交換器
4. 【請求項４】 ピストンを前進させる側のシリンダ室内
   に導圧管を介して出口室内の冷媒の圧力を伝達すると共
   に、他方側のシリンダ室内に入口室内の冷媒の圧力を伝
   達する構成とし、そして弁体を前進させる方向に付勢す
   るばねを設けた構成としたことを特徴とする請求項３に
   記載の多管式熱交換器
5. 【請求項５】 ピストンを前進させる側のシリンダ室内
   に制御弁を設けた制御用配管を介して制御圧力を伝達す
   る構成としたことを特徴とする請求項３に記載の多管式
   熱交換器
6. 【請求項６】 導圧管に導圧弁を設け、この導圧弁とピ
   ストンを前進させる側のシリンダ室内間に、高圧源に至
   る制御用配管を接続し、この制御用配管には制御弁を設
   けたことを特徴とする請求項４に記載の多管式熱交換器