JP3572234B2 - 蒸発器および冷凍機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被冷却物(例えば水、ブライン等)と冷媒との間で熱交換を行わせて被冷却物を冷却する蒸発器と、該蒸発器を具備する冷凍機に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えばビルのような大規模構造物においては、冷凍機で冷却した冷水を構造物内に布設した配管を通じて循環させ、各スペースの空気と熱交換させて冷房を行うようになっている。
【0003】
冷凍機に具備される蒸発器の一例を図9に示す。蒸発器は、冷媒が導入される円筒形の容器1の中に冷水を流通する多数の伝熱管2が千鳥状に束になって配管された構造となっている。伝熱管2は、冷水入口3に連通する往路側の管と冷水出口4に連通する復路側の管とに別れており、冷水入口3から流入した冷水は容器1内を通り水室(図示略)に至って折り返し、再び容器1内を通って冷水出口4から流出する。この過程で、冷水は容器1に導入された冷媒との間で熱交換を行って冷却され、一方の冷媒は冷水に熱を奪われて沸騰し、気化する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の蒸発器では多数の伝熱管がひとつに束ねられた構造となっているので、容器の下部に位置する伝熱管のまわりで沸騰した冷媒が気泡となり、その上に位置する伝熱管にまとわり付くようにして液中を浮かび上がるので、上部の伝熱管のまわりに液状の冷媒が十分に供給されない傾向にある。そのため、特に束の中央(芯にあたる部分)付近に配設された伝熱管における熱伝達率が周囲に比べて低くなってしまうという問題がある。
【0005】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、容器中で沸騰した冷媒の気泡の抜けを改善することで蒸発器の熱伝達率を高め、さらにこれによって冷却効率の高い冷凍機を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の蒸発器および冷凍機を採用する。すなわち、本発明に係る請求項1記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記管群に、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群を上下に貫通するように設けられていることを特徴とする。
【0007】
請求項2記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の上側から半ばまで設けられていることを特徴とする。
【0008】
請求項3記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の下側から半ばまで設けられていることを特徴とする。
【0009】
この蒸発器においては、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、比較的下方に位置する伝熱管のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がり、管群の中に存在する気泡が減少する。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【0010】
また、容器内に導入される液状の冷媒は流れを生じるが、管群どうしを離間させて配置することにより冷媒が流れ易くなる。これにより、冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。さらに、管群に空隙を設けることにより、管群の中央付近からの気泡が抜け易くなる。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなって熱伝達率の低下が抑えられる。
【0015】
請求項4記載の蒸発器は、冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、前記容器の上部に位置する管群に属する伝熱管が、下部に位置する管群に属する伝熱管と比べて疎に配列されていることを特徴とする。
【0016】
この蒸発器においては、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。加えて、容器の下部に位置する管群の伝熱管のまわりで発生した気泡が上部に位置する管群を通過するとき、該管群に属する伝熱管が下部の管群に比べて疎に配列されており、上部に位置する管群に属する伝熱管の間を気泡が抜け易くなる。これにより、上部に位置する管群の熱伝達率の低下が抑えられる。
【0017】
請求項5記載の冷凍機は、請求項1、2、3または4記載の蒸発器と、該蒸発器において気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、該凝縮器において液化された前記冷媒を前記蒸発器に流す過程で前記冷媒を減圧する膨張弁とを備えることを特徴とする。
【0018】
この冷凍機においては、上記のように蒸発器における伝熱管の熱伝達率が高められ、その結果として熱交換効率が高められるので、エネルギー消費を抑えても従来と同等の性能が得られる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明に係る蒸発器および冷凍機の第1の実施形態を図1ないし図3に示して説明する。
冷凍機の概略構成を図1に示す。図に示す冷凍機は、冷却水と気体状の冷媒との間で熱交換を行わせて冷媒を凝縮、液化する凝縮器10と、凝縮された冷媒を減圧する膨張弁11と、凝縮された冷媒と冷水(被冷却物)との間で熱交換を行わせて冷水を冷却するとともに冷媒を蒸発、気化する蒸発器12と、気化された冷媒を圧縮したうえで凝縮器に供給する圧縮機13とを備えている。冷凍機は、蒸発器12で冷水を製造しビルの空調等に利用するようになっている。
【0020】
蒸発器12は、冷媒が導入される円筒形の容器14の中に冷水を流通する多数の伝熱管15が束になって(図1では簡略して図示)容器14の長手方向に配管された構造となっている。伝熱管15は、冷水入口16に連通する往路側の管と冷水出口17に連通する復路側の管とに別れており、冷水入口16に連通する管路と冷水出口17に連通する管路とでは冷水の流れる方向が異なっている。
【0021】
図2は蒸発器12の断面図である。伝熱管15は、容器14内の下半分において9つの管群A〜Iに分けられ、該管群A〜Iは隣り合うものどうし離間し、かつ千鳥状に配列されている。詳しくは、管群A〜Eが水平に配列され、その下に管群F〜Iが水平に配列されるとともに管群A〜Eに対して横方向にオフセットされることにより千鳥状に配列されている。
【0022】
さらに、管群A〜Iのいずれにおいても伝熱管15は100本程度にまとめられており、さらにこれら管群A〜Iにおいて伝熱管15は千鳥状に配列されている。この場合も、上下に多段に配列された伝熱管15が各段ごとに左右にオフセットされることにより千鳥状の配列がなされている。
【0023】
また、千鳥状に配列された伝熱管15は、図3に示すようにその直径をDとすると横方向に隣り合う伝熱管15どうしの間隔が1.15Dとなっている。
【0024】
上記のように構成された蒸発器12においては、伝熱管15を管群A〜Iに分け、管群どうしを離間させて配置したことにより、各管群内の比較的下方に伝熱管15のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がり、管群の中に存在する気泡が減少する。これにより、管群の中央付近に配設された伝熱管15に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【0025】
また、容器14内には、液状の冷媒が下部から導入され、気化して上部から容器14外に流出する構造となっており、導入される冷媒は容器14内で上方に向かって流れる傾向が強いが、管群どうしを離間させて配置したことにより冷媒が流れ易くなり、冷媒と冷水とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。
【0026】
さらに、管群A〜Iを千鳥状に配列するとともに、各管群A〜Iにおいて伝熱管15も千鳥状に配列することにより、上方に向かって流れる冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されて熱伝達率の向上が図れる。
【0027】
以上のように、蒸発器12を上記構造とすれば熱伝達率を高めることができ、これによって冷凍機の冷却効率の高めることができる。
【0028】
なお、本実施形態においては、伝熱管15を9つの管群A〜Iに分けたが、これらは蒸発器の大きさや発揮すべき性能に応じてもっと少数の管群に分けても、逆に多数の管群に分けてもよい。また、横方向に隣り合う伝熱管15どうしの間隔を1.15Dに設定したが、必ずしもこれに限定されるものではなく各種の条件に応じて選択可能である。
【0029】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第2の実施形態を図4に示して説明する。なお、上記第1の実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図4は蒸発器12の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器12では、管群A〜Eにおいて、伝熱管15が縦横に整列されたいわゆる格子状の配列となっている。なお、管群F〜Iは上記第1の実施形態と同じ千鳥状の配列となっている。
【0030】
さらに、管群A〜Eにおいて、横方向に隣り合う伝熱管15どうしの間隔は1.15Dに設定されているが、伝熱管15どうしの上下の間隔は2〜3Dと管群F〜Iのそれと比較して拡大されており、これによって管群A〜Eに属する伝熱管15は、管群F〜Iに属する伝熱管15と比べて疎に配列されている。
【0031】
上記のように構成された蒸発器12においては、管群F〜Iの伝熱管15のまわりで発生した気泡が管群A〜Eを通過するとき、これら管群A〜Eに属する伝熱管15が管群F〜Iに比べて疎に配列されているので、管群A〜Eに属する伝熱管15の間を気泡が抜け易くなり、熱伝達率の低下が抑えられる。
【0032】
以上のように、本実施形態における蒸発器12によっても熱伝達率を高めることができ、これによって冷凍機の冷却効率の高めることができる。
【0033】
なお、本実施形態においては、管群A〜Eの伝熱管15を格子状としたうえで、さらに管群F〜Iの伝熱管15よりも疎に配列したが、管群A〜Eの伝熱管15のいずれか、もしくは全体を千鳥状のまま、疎に配列しても構わない。
【0034】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第3の実施形態を図5に示して説明する。なお、上記各実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図5は蒸発器12の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器12では、伝熱管15が、横方向に並ぶ4つの管群J〜Mに分けられており、各管群の間には上下に貫通する空隙が設けられている。この空隙は、従来のように伝熱管15を千鳥状配列でひとつの束ねた場合から所定の伝熱管15を2本または3本と交互に除いたようにして設けられていることから、以下ではこれを抜き列20とする。
【0035】
また、管群K,Lには、伝熱管15を配設されない空隙が、抜き列20と平行に設けられている。この空隙も、抜き列20と同様にして所定の伝熱管15を1本または2本と交互に除いたようにして設けられるから、以下ではこれを補助抜き列21とする。
【0036】
上記のように構成された蒸発器12においては、抜き列20および補助抜き列21を設けたことにより、管群J〜M内の比較的下方に伝熱管15のまわりで発生した気泡が抜き列20を抜けて浮かび上がる。これにより、管群の中央および上部付近に配設された伝熱管15に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。
【0037】
次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機の第4の実施形態を図6に示して説明する。なお、上記各実施形態で既に説明した構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
図6は蒸発器12の断面図である。図のように、本実施形態の蒸発器12では、管群J,Mに、補助抜き列21とは異なり上下に抜けていない半補助抜き列22が補助抜き列21と同様にして設けられている。
【0038】
上記のように構成された蒸発器12においては、半補助抜き列22を設けたことにより、管群J,Mの中央付近からの気泡が抜け易くなり、管群J,Mの中央付近に配設された伝熱管15に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下が抑えられる。なお、この半補助抜き列22は、管群J〜Mのいずれに配しても差し支えないものである。
【0039】
以下ではその他の実施形態について簡単に説明する。
図7は、半補助抜き列22を管群J,Mの下側に設けた例である。図8は補助抜き列21から枝を伸ばすように斜め上方に向けてさらに小さな補助抜き列23を設けた例である。これら各種の配列パターンは、蒸発器の大きさや発揮すべき性能に応じて適宜選択されることが望ましい。
【0040】
なお、上記各実施形態において、伝熱管15にはディンプルチューブやフィンチューブ、その他あらゆる形態の管材が使用可能であることはいうまでもない。
【0041】
また、上記各実施形態においては、冷水が蒸発器中を一往復する構造のものを例に説明を進めたが、本発明に係る蒸発器は、冷水が一方向に流通してしまうもの、複数回往復するもの、一方から流入して往復し他方から流出するもの等、あらゆる構造の蒸発器に適用可能な技術である。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項1、2または3記載の蒸発器によれば、伝熱管を複数の管群に分け、管群どうしを離間させて配置することにより、比較的下方に位置する伝熱管のまわりで発生した気泡が管群と管群との間を抜けて浮かび上がって管群の中に存在する気泡が減少し、管群の中央付近に配設された伝熱管に影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。また、容器内に導入される液状の冷媒は流れを生じるが、管群どうしを離間させて配置することにより冷媒が流れ易くなり、冷媒液と伝熱管とのコンタクトが促進されるので、熱伝達率を向上させることができる。さらに、管群に空隙を設けることにより、管群の中央付近からの気泡が抜け易くなり、管群の中央付近に配設された伝熱管に熱伝達率低下等の影響を与える気泡が少なくなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。
【0046】
請求項4記載の蒸発器によれば、容器の下部に位置する管群の伝熱管のまわりで発生した気泡が上部に位置する管群を通過するとき、該管群に属する伝熱管が下部の管群に比べて疎に配列されており、上部に位置する管群に属する伝熱管の間を気泡が抜け易くなるので、熱伝達率の低下を抑止することができる。
【0047】
請求項5記載の冷凍機によれば、上記のように優れた性能を発揮し得る蒸発器を備えることにより、エネルギー消費を抑えても従来と同等の冷却効率が得られる等の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の実施形態を示す図であって、冷凍機の概略構成図である。
【図2】蒸発器の断面(図1におけるII−II矢視断面)図である。
【図3】蒸発器内の伝熱管の配置を示す図である。
【図4】本発明に係る第2の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図5】本発明に係る第3の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図6】本発明に係る第4の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図7】本発明に係るその他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図8】同じく、本発明に係るその他の実施形態を示す蒸発器の断面図である。
【図9】冷凍機に具備される従来の蒸発器の断面図である。
【符号の説明】
12 蒸発器
14 容器
15 伝熱管
16 冷水入口
17 冷水出口
A〜M 管群
20 抜き列
21 補助抜き列
22 半補助抜き列
Claims (5)
- 冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記管群に、前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群を上下に貫通するように設けられていることを特徴とする蒸発器。 - 冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の上側から半ばまで設けられていることを特徴とする蒸発器。 - 冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記伝熱管を配設されない空隙が、前記管群の下側から半ばまで設けられていることを特徴とする蒸発器。 - 冷媒が導入される容器の中に、被冷却物を流通する多数の伝熱管が束になって配設されて構成され、前記冷媒と前記被冷却物との間で熱交換を行わせて該被冷却物を冷却するとともに前記冷却物を蒸発、気化させる蒸発器において、
前記伝熱管が複数の管群に分けられ、該管群どうしが離間して配置されるとともに、
前記容器の上部に位置する管群に属する伝熱管が、下部に位置する管群に属する伝熱管と比べて疎に配列されていることを特徴とする蒸発器。 - 請求項1、2、3または4記載の蒸発器と、該蒸発器において気化された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された前記冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、該凝縮器において液化された前記冷媒を前記蒸発器に流す過程で前記冷媒を減圧する膨張弁とを備えることを特徴とする冷凍機。
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