JP3437302B2 - 縦型シェルアンドチューブ式熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、供給された冷媒蒸気の
全てを凝縮することなく、その一部のみを凝縮する熱交
換器に関する。更に詳しくは、縦型シェルアンドチュー
ブ式の熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カスケード加熱式給湯ヒートポンプサイ
クル等では、第１ヒートサイクルと第２ヒートサイクル
とで熱交換器を共有し、両方のサイクルに共通の冷媒を
循環させるタイプのものがある。このタイプのヒートポ
ンプサイクルでは、第１ヒートサイクルの圧縮機で加圧
された冷媒蒸気の一部のみを熱交換器で凝縮させ、凝縮
された冷媒液を第１ヒートサイクルの蒸発器側に循環さ
せると共に、凝縮していない冷媒蒸気を第２ヒートサイ
クル側に抽出している。そして、第２ヒートサイクル側
に抽出された冷媒蒸気は、凝縮器で凝縮された後、この
熱交換器を介して第１ヒートサイクル側に還流される。

【０００３】図３は、従来の熱交換器を示している。こ
の熱交換器１０１は、二重管コンデンサ１０２と気液分
離器１０３等より構成され、二重管コンデンサ１０２に
供給された冷媒蒸気の一部は、冷却水で凝縮されて冷媒
液となり通路１０４を介して気液分離器１０３に流入す
る。一方、二重管コンデンサ１０２で凝縮されなかった
冷媒蒸気も同一の通路１０４を介して気液分離器１０３
に流入する。そして、この気液分離器１０３内で冷媒液
と冷媒蒸気とに分離された後、冷媒液は冷媒液出口１０
５より第１ヒートサイクル側に流出し、冷媒蒸気は冷媒
蒸気出口１０６より第２ヒートサイクル側に流出する。
また、第２ヒートサイクル側に流出した冷媒蒸気は、凝
縮器で凝縮されて冷媒液となった後冷媒液入口１０７か
ら気液分離器１０３内に流入し、二重管コンデンサ１０
２で凝縮された冷媒液と一緒になって第１ヒートサイク
ル側に流出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の熱交換器１０１では、二重管コンデンサ１０２内で冷
媒蒸気と冷却水との熱交換を行っているので、この熱交
換が行われる面積が常に一定であり、熱交換能力を調整
することができないという問題があった。特に、上述の
カスケード加熱式給湯ヒートポンプサイクルでは、第１
ヒートサイクル側から第２ヒートサイクル側に抽出され
る冷媒蒸気の割合を適正値に設定することが重要である
が、この熱交換器１０１の熱交換能力をこのヒートポン
プサイクルに適した値に設定し難く、ヒートポンプサイ
クルを効率良く運転することが困難であった。

【０００５】また、上記従来の熱交換器１０１では、二
重管コンデンサ１０２で熱交換を行っている。この二重
管コンデンサ１０２の冷媒通路はその通路面積が狭く、
しかも幾重にも折曲げられているので、冷媒の流れ抵抗
が大きくなる。これに加えて、この熱交換器１０１で
は、冷媒蒸気と冷媒液とを気液分離器１０３で分離して
いる。このため、二重管コンデンサ１０２の狭い冷媒通
路や通路１０４内を気体である冷媒蒸気と液体である冷
媒液とが一緒に流れることになり、これら冷媒の流れ抵
抗を増大させることになる。さらには、二重管コンデン
サ１０２と気液分離器１０３が完全に独立していること
から、この熱交換器１０１から流出する冷媒液が飽和液
となり易く、フラッシュガスが発生することがあり、こ
の場合には冷媒の流れ抵抗がさらに増大することにな
る。これらのため、従来の熱交換器１０１では、流通す
る冷媒の圧力損失が大きくなるという問題もあった。

【０００６】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたもので、熱交換能力の調整を容易にでき、冷媒の
流れ抵抗を減少させることのできる熱交換器を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、冷媒蒸気の一部を凝縮する熱交換器
において、シェルと、このシェルに設けられてシェル内
に冷媒蒸気を導く冷媒蒸気入口と、シェル内にほぼ上下
方向に沿って配置され、冷媒蒸気の一部を凝縮させる冷
却用流体を循環させるチューブと、シェルに設けられて
このシェル内で凝縮された冷媒液を排出する冷媒液出口
と、シェルに設けられてこのシェル内から冷媒蒸気を排
出する冷媒蒸気出口を備え、冷媒液の液面の高さに応じ
て冷媒蒸気が占める空間中のチューブの伝熱面積を増減
させて冷媒蒸気の凝縮量を変化させることを特徴とする
ものである。

【０００８】この場合、シェルは、このシェル内に冷媒
液を導く冷媒液入口を有することが望ましい。

【０００９】

【作用】したがって、本発明の熱交換器では、冷媒蒸気
入口からシェル内に冷媒蒸気が導かれ、その一部がチュ
ーブ内を循環する冷却用流体で凝縮されて冷媒液となり
落下する。チューブは上下方向に沿って配置されている
ので、冷媒液はスムーズに落下し、冷媒蒸気は円滑に流
れる。そして、シェル内で凝縮された冷媒液は冷媒液出
口から流出し、シェル内で凝縮されるまでには至らなか
った冷媒蒸気は冷媒蒸気出口から流出する。この熱交換
器では、シェル内に溜まった冷媒液の液面の高さに応じ
て熱交換が実施される空間が増減し、熱交換能力が変化
する。

【００１０】また、請求項２に記載された熱交換器で
は、冷媒液が冷媒液入口を介してシェル内に導かれる。
したがって、この熱交換器を、カスケード加熱式給湯ヒ
ートポンプサイクルの中間熱交換器として使用すること
ができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の構成を図面に示す実施例に基
づいて詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明を適用した熱交換器の一実施
例を示し、この熱交換器１は、シェル２及びチューブ３
等より構成される縦型シェルアンドチューブ式のもので
ある。シェル２は２個の容器４，５に分割されており、
各容器４，５内は液体通路６及び気体通路７で結ばれて
いる。液体通路６は、各容器４，５の底に近い部分に配
置されている。したがって、各容器４，５内の冷媒液
は、この液体通路６を介して各容器４，５間を移動でき
る。また、気体通路７は、各容器４，５の上下方向略中
央部分に設けられている。したがって、気体通路７は、
冷媒液の液面よりも十分に高い位置に配置され、各容器
４，５内の冷媒蒸気は、冷媒液の量に影響されること無
く、気体通路７を通って各容器４，５間を移動する。

【００１３】このシェル２には、冷媒蒸気入口８、冷媒
蒸気出口９、冷媒液入口１０及び冷媒液出口１１が形成
されている。冷媒蒸気入口８は第１容器４の天井に近い
位置に、冷媒蒸気出口９は第２容器５の天井に近い位置
に、冷媒液入口１０は第１容器４の底に近い位置に、冷
媒液出口１１は第２容器５の底に近い位置にそれぞれ設
けられている。

【００１４】チューブ３は、各容器４，５内に上下方向
に沿って配置されている。本実施形態の場合には、図１
に示すように、各容器４，５を上下方向に縫うように貫
通させて配置されている。このチューブ３内には冷却用
流体である冷却水が循環しており、この冷却水は冷媒蒸
気の一部を凝縮する。ここで、冷媒蒸気入口８及び出口
９は、ともに各容器４，５の天井に近い位置に設けられ
ているが、冷媒蒸気は気体通路７を流れて各容器４，５
間を移動するので、この冷媒蒸気が冷媒蒸気入口８から
冷媒蒸気出口９に向けて直接流れることはなく、このチ
ューブ３との間で熱交換が実施される。

【００１５】次に、この熱交換器１の作動について説明
する。

【００１６】冷媒蒸気入口８からシェル２内に圧送され
た冷媒蒸気は、その一部が第１容器４内で冷却されて凝
縮し、冷媒液となって第１容器４内に落下する。チュー
ブ３は上下方向に沿って配置されているので、冷媒液は
重力に影響されてそのままスムーズに落下し、冷媒蒸気
の流れを妨げることがない。また、第１容器４内では凝
縮にまで至らなかった冷媒蒸気はチューブ３の間を通り
抜けて円滑に流れ、気体通路７を介して第２容器５内に
流入し、更に冷却される。したがって、第２容器５内に
流入した冷媒蒸気の一部は、第２容器５内で凝縮し、冷
媒液となって第２容器５内に落下する。この場合も上述
の場合と同様に、冷媒液は重力に影響されてそのままス
ムーズに落下し、冷媒蒸気の流れを妨げることがない。
そして、第２容器５内でも凝縮にまで至らなかった冷媒
蒸気はチューブ３の間を通り抜けて円滑に流れ、冷媒蒸
気出口９から流出する。

【００１７】一方、シェル２内で凝縮された冷媒液は、
冷媒液入口１０からシェル２内に圧送された冷媒液と混
ざり合い、このシェル２内に溜まる。各容器４，５内は
各通路６，７により通じているので、各容器４，５内の
圧力は等しくなり、したがって、冷媒液の各容器４，５
内の液面は同じ高さになる。シェル２内で凝縮した冷媒
液は、第１容器４内での冷却に加えて第２容器５内で過
冷却されているので、飽和温度よりも十分低い温度にな
っており、冷媒液出口１１から流出した後にフラッシュ
ガスを発生させることが無い。

【００１８】この熱交換器１では、シェル２内の冷媒液
の上方空間で熱交換が実施される。したがって、冷媒液
の貯留量が少なく各容器４，５内の冷媒液面が低い場合
には、熱交換が実施される空間が広くなり、熱交換器１
の熱交換能力が大きくなる。逆に、冷媒液の貯留量が多
く各容器４，５内の冷媒液面が高い場合には、熱交換が
実施される空間が狭くなり、熱交換器１の熱交換能力が
小さくなる。つまり、冷媒液の貯留量に応じて熱交換能
力が変化する。

【００１９】またこのことに起因して、この熱交換器１
では、シェル２内の冷媒液の量が減少した場合、冷媒蒸
気の凝縮量が増加する傾向になり、したがって、冷媒液
の量が増加する傾向となる。逆に、シェル２内の冷媒液
の量が増加した場合、冷媒蒸気の凝縮量が減少する傾向
となり、したがって、冷媒液の量が減少する傾向とな
る。つまり、この熱交換器１は、冷媒液面の変動に対し
てこの変動を収束させる傾向を示し、常に適正な熱交換
効率を得ようとする自己制御機能を発揮する。

【００２０】次に、図２に基づいて、この熱交換器１を
カスケード加熱式給湯ヒートポンプサイクルの中間熱交
換器として使用する場合について説明する。

【００２１】このヒートポンプサイクル１２は、低段側
圧縮機１３、中間熱交換器１、低段側過冷却器１４、低
段側膨張弁１５及び蒸発器１６で構成される低段側ヒー
トサイクル（第１ヒートサイクル）１７と、高段側圧縮
機１８、凝縮器１９、高段側過冷却器２０、高段側膨張
弁２１及び上述の中間熱交換器１で構成される高段側ヒ
ートサイクル（第２ヒートサイクル）２２を備えてい
る。低段側ヒートサイクル１７において、低段側圧縮機
１３で圧縮され高温となった冷媒蒸気は、中間熱交換器
１の冷媒蒸気入口８に供給される。また、中間熱交換器
１内の冷媒液は、冷媒液出口１１から低段側過冷却器１
４に流入する。高段側ヒートサイクル２２において、中
間熱交換器１内の冷媒蒸気は、冷媒蒸気出口９から高段
側圧縮機１８に供給される。また、高段側膨張弁２１を
通過した冷媒液は、中間熱交換器１の冷媒液入口１０に
供給される。一方、中間熱交換器１のチューブ３内に
は、管路２３内の水道水が供給される。

【００２２】このヒートポンプサイクル１２では、水道
水は管路２３内を流れ、先ず低段側過冷却器１４で加熱
された後に中間熱交換器１で加熱され、さらに高段側過
冷却器２０で加熱された後に凝縮器１９で加熱される。
したがって、このヒートポンプサイクル１２では、各ヒ
ートサイクル１７，２２を循環する冷媒の量の割合を適
正にバランスさせて各ヒートサイクル１７，２２毎に熱
交換を効率良く行い、上述の各加熱手段１４，１，２
０，１９を最適に機能させて水道水の加熱を効率良く行
う必要がある。

【００２３】ここで、この中間熱交換器１では、シェル
２内の冷媒液面の高さに応じて熱交換を実施する空間が
増減し、冷媒蒸気の凝縮量が変化する。したがって、こ
のヒートポンプサイクル１２内に封入する冷媒の量を調
整すると、中間熱交換器１内で凝縮される冷媒液の量と
凝縮されない冷媒蒸気の量とを適正にバランスさせるこ
とができ、低段側ヒートサイクル１７側から高段側ヒー
トサイクル２２側に抽出される冷媒蒸気の量が適正値に
設定される。このため、熱交換器１の熱交換能力を増減
することができ、ヒートポンプサイクル１２の規模に応
じて熱交換能力を調整することで、ヒートポンプサイク
ル１２を効率良く運転することができる。

【００２４】また、上述したように、この中間熱交換器
１は自己制御機能を発揮する。このため、この中間熱交
換器１を使用することで、ヒートポンプサイクル１２の
運転の安定化を図ることができる。

【００２５】さらに、この中間熱交換器１で凝縮された
冷媒液は、上述したように飽和温度よりも十分低い温度
になっている。このため、低段側過冷却器１４へと流出
する冷媒液がフラッシュガス化するのを防止され、ヒー
トポンプサイクル１２を循環する冷媒の流れ抵抗となる
のを防止できる。

【００２６】尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、本実施例の熱交換器１においては、チュー
ブ３を上下方向に沿って配置する構成としたが、チュー
ブ３を正確に上下方向に沿って配置する必要は無く、冷
媒蒸気及び冷媒液をスムーズに流すことのできる範囲の
傾斜角度であれば、チューブ３を傾斜して配置しても良
い。

【００２７】また、本実施例の熱交換器１では、シェル
２を２分割し、分割された各容器４，５を液体通路６及
び気体通路７で連絡して構成した場合について説明した
が、必ずしもシェル２をこの様に構成する必要はなく、
単一の容器から成るシェルを使用しても良い。なお、こ
の場合には、シェル内の上部空間に隔壁等を配置して、
この空間を冷媒蒸気入口側の空間と冷媒蒸気出口側の空
間に分割することが望ましい。シェル内の上部空間を分
割することで、冷媒蒸気が冷媒蒸気入口から冷媒蒸気出
口に向けて直接流れることを阻止することができ、熱交
換を実施する空間を広く設定することができる。

【００２８】また、本実施例の熱交換器１では、シェル
２の４箇所に冷媒の出入口８〜１１を設けているが、冷
媒液入口１０については必ずしも必要ではなく、この冷
媒液入口１０を省略して熱交換器１を構成しても良い。

【００２９】また、本発明の熱交換器１の使用例とし
て、カスケード加熱式給湯ヒートポンプサイクル１２の
中間熱交換器に適用した場合について説明したが、この
本発明の熱交換器１は他の熱交換機能を有する装置等に
も適用できることは勿論である。例えば、本発明を、非
共沸混合冷媒の成分比率を変更する装置に適用しても良
い。つまり、非共沸混合冷媒をシェル２内に供給する
と、この冷媒のうち、主に沸点が高い成分のみを凝縮さ
せてシェル２内に落下させることができる。したがっ
て、沸点の高い成分の混合比率を下げた状態の非共沸混
合冷媒を冷媒蒸気出口９より取り出すことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、冷
媒蒸気の一部を凝縮する熱交換器を、シェルと、このシ
ェルに設けられてシェル内に冷媒蒸気を導く冷媒蒸気入
口と、シェル内に略上下方向に沿って配置され、冷媒蒸
気の一部を凝縮させる冷却用流体を循環させるチューブ
と、シェルに設けられてこのシェル内で凝縮された冷媒
液を排出する冷媒液出口と、シェルに設けられてこのシ
ェル内から冷媒蒸気を排出する冷媒蒸気出口を備え、冷
媒液の液面の高さに応じて冷媒蒸気が占める空間中のチ
ューブの伝熱面積を増減させて冷媒蒸気の凝縮量を変化
させる構成とした。したがって、シェル内で冷媒蒸気と
冷媒液とをスムーズに分離することができ、これらの流
れを円滑なものにすることができる。このため、熱交換
器内における冷媒の流れ抵抗を減少させることができ、
循環する冷媒の圧力損失の低減を図ることができる。

【００３１】また、シェル内で凝縮した冷媒液は十分に
冷却されているので、冷媒液出口から流出した冷媒液が
フラッシュガス化するのを防止することができる。この
ため、循環する冷媒の圧力損失をより一層低減すること
ができる。さらに、シェル内の冷媒液量を調整すること
で熱交換を実施する空間を増減させることができるの
で、この熱交換器の熱交換能力を所望の値に設定するこ
とが可能になる。また、シェル内の冷媒液量が増減して
その液面の高さが変動した場合には、この変動を収束さ
せる傾向を示して自己制御機能を発揮するので、この熱
交換器を使用したシステムの運転の安定化を図ることが
できる。

【００３２】さらに、請求項２記載の熱交換器では、シ
ェルに冷媒液入口を設けているので、カスケード加熱式
給湯ヒートポンプサイクルの中間熱交換器として使用す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した熱交換器の概略構成を示す概
念図である。

【図２】図１の熱交換器を使用したカスケード加熱式給
湯ヒートポンプサイクルの概略構成図である。

【図３】従来の熱交換器の概念図である。

【符号の説明】

１ 縦型シェルアンドチューブ式熱交換器 ２ シェル ３ チューブ ８ 冷媒蒸気入口 ９ 冷媒蒸気出口 １０ 冷媒液入口 １１ 冷媒液出口 １２ カスケード加熱式給湯ヒートポンプサイクル １７ 低段側ヒートサイクル ２２ 高段側ヒートサイクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−196557（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−322377（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 39/04 F28D 1/06

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒蒸気の一部を凝縮する熱交換器にお
   いて、シェルと、このシェルに設けられて当該シェル内
   に冷媒蒸気を導く冷媒蒸気入口と、前記シェル内にほぼ
   上下方向に沿って配置され、冷媒蒸気の一部を凝縮させ
   る冷却用流体を循環させるチューブと、前記シェルに設
   けられてこのシェル内で凝縮された冷媒液を排出する冷
   媒液出口と、前記シェルに設けられてこのシェル内から
   冷媒蒸気を排出する冷媒蒸気出口を備え、前記冷媒液の
   液面の高さに応じて前記冷媒蒸気が占める空間中の前記
   チューブの伝熱面積を増減させて前記冷媒蒸気の凝縮量
   を変化させることを特徴とする縦型シェルアンドチュー
   ブ式熱交換器。
2. 【請求項２】 前記シェルは、このシェル内に冷媒液を
   導く冷媒液入口を有することを特徴とする請求項１記載
   の縦型シェルアンドチューブ式熱交換器。