JP3917917B2 - 蒸発器及び冷凍機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱物(例えば水、ブライン等)と冷媒との間で熱交換を行わせて、前記加熱物を冷却するとともに冷媒を沸騰、気化する蒸発器及び冷凍機に関する。
【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、冷凍機で冷却した加熱物を構造物内に布設した配管を通じて構内を循環させ、居室の空気と熱交換させて冷房を行うようにしている。
【0003】
この種の冷凍機に具備される従来の蒸発器を図12及び図13に示す。
これらの図に示す蒸発器1においては、冷媒が導入される円筒形の容器2の中に、加熱物である冷水を流通させる多数の伝熱管3が、束状にかつ千鳥状に群をなして伝熱管群3A〜3Cとして配設されている。伝熱管群3Aは冷水入口4に連通しており、伝熱管群3Cは冷水出口5に連通している。
伝熱管群3A〜3Cの上方であって冷媒ガス排出口6の下方位置に、所定の厚みを有する矩形状のデミスタ7と、矩形の空間部8とこれをある幅をもって分断する帯状の閉そく板9とからなる底板10と、所定の幅をもった縁部と側部とからなるデミスタ枠11とが配設されている。
【0004】
上記に示す構成からなる蒸発器1において、冷水との熱交換によって沸騰した冷媒ガスは、冷媒液滴を含みながら吹き上げられ、デミスタ7を通過する際に液滴が除去されて、容器2上方の冷媒ガス排出口6から圧縮機(図示せず)へと吸込まれる。
液滴除去の例としては、伝熱管3群の直上に液滴を衝突させる板体を配設することによって除去するものもある(例えば特許文献1参照)。
【0005】
デミスタ7を通過する冷媒ガスの流速は、冷媒ガス排出口6直下の位置を最大値としてデミスタ7の周辺部に向かうほど小となる分布をもつ。一方デミスタ7は、冷媒の液滴を一定量以上捕獲可能な最大許容流速を有する。
【0006】
【特許文献1】
特願2000−357022号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の蒸発器1は、冷媒ガス流速を低減するため底板内にあって冷媒ガス排出口直下の位置に閉そく板が形成されているにもかかわらず、液滴が含まれた冷媒ガスが圧縮機に吸入され、インペラのエロージョンによる圧縮機の性能低下を発生する問題があった。
【0008】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、冷媒液滴の混入が抑えられた冷媒ガスを圧縮機に供給することによって圧縮機の性能低下を抑え、これによって冷却効率の高い蒸発器及び冷凍機を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため以下の手段を採用する。
請求項1に記載の発明は、冷媒が導入される容器と、該容器内に、前記冷媒を加熱して沸騰、気化させる加熱物が流通する多数の伝熱管が束になって配設され一方向に延在する伝熱管群と、前記容器内に冷媒ガス排出口とを備えた冷凍機用蒸発器において、前記冷媒ガス排出口が、前記伝熱管の延在する領域における該伝熱管の入口部から、前記領域の長さ方向の1/2を越えた奥部の領域に配設されていることを特徴とする。
【0010】
この発明に係る蒸発器によれば、冷媒と加熱物との温度差が小さいために沸騰した冷媒中に含まれる液滴量が少ない上記領域から冷媒ガスを圧縮機へ供給することができ、これによって、圧縮機の性能低下を抑えることができる。
【0011】
請求項1に記載の発明は、前記容器上方から平面視して、前記伝熱管群と、該伝熱管群の端部から折り返されて逆方向に隣接して延在する伝熱管群とが、折り返し部を介して連続する複数の伝熱管群を備える構成とされ、前記冷媒ガス排出口が、前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する幅方向に、前記入口部に連通する伝熱管群から該伝熱管群全幅長の1/2を越えた奥部の領域に配設されていることを特徴とする。
【0012】
この発明に係る蒸発器によれば、冷媒と加熱物との温度差が小さいために沸騰した冷媒中に含まれる液滴量が少ない上記領域から冷媒ガスを排出し、圧縮機へ供給することができるため、圧縮機の性能低下を抑えることができる。
【0013】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載された蒸発器において、前記容器上方から平面視して、前記冷媒ガス排出口の下方に所定の幅を持って前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する方向に延在する閉そく板が設けられていることを特徴とする。
【0014】
この発明に係る蒸発器によれば、冷媒ガス排出口直下位置に近づくにしたがって増加する冷媒ガスの流速増加率を閉そく板によって抑え、冷媒液滴を捕獲するデミスタ内で冷媒ガス流速が許容流速値以下となって、デミスタで冷媒液滴を十分捕獲できる。
【0015】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載された蒸発器において、前記閉そく板に隣接して多孔板が配設されていることを特徴とする。
【0016】
この発明に係る蒸発器によれば、冷媒ガス排出口直下位置に近づくにしたがって増加する冷媒ガスの流速増加率を閉そく板で抑えこむ前に多孔板によって緩和させることができ、これによって、冷媒液滴を捕獲するデミスタ内で冷媒ガス流速が許容流速値以下になると共により平準化された状態となって、デミスタで冷媒液滴をより十分に捕獲できる。
【0017】
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載された蒸発器において、前記容器上方から平面視して、前記冷媒ガス排出口の下方に所定の幅を持って前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する方向に延在する閉そく板が設けられ、該閉そく板幅が、前記入口部に連通する伝熱管群から前記冷媒ガス排出口配設位置に向けて漸次大となるように形成されていることを特徴とする。
【0018】
この発明に係る蒸発器によれば、冷媒ガス排出口直下位置において最大となる冷媒ガスの流速を抑えることができ、これによって冷媒ガス流速は、デミスタが冷媒の液滴を捕獲可能な最大流速以下に抑えられ、冷媒の液滴はデミスタにて十分捕獲できる。
【0019】
請求項5に記載の発明は、請求項1から4の何れかに記載の蒸発器と、気体状の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された気体状の冷媒を冷却して凝縮、液化する凝縮器と、液化された冷媒を減圧する膨張弁とを備えていることを特徴とする。
【0020】
この発明に係る冷凍機によれば、上述のように蒸発器における冷媒液滴の排除率が高められ、圧縮機の性能劣化を防止できることから、従来よりも性能及び耐久性に優れたものが得られる。
【0021】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1〜図5は本発明の第1の実施形態を示す。
図1は、冷凍機の概略構成を示している。この冷凍機は、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(加熱物)との間で熱交換を行わせて前記冷水を冷却する蒸発器12と、蒸発器12で蒸発、気化した冷媒を圧縮した後に上記凝縮器10に供給する圧縮機13とから構成されている。なお、上記蒸発器12において冷却された冷水は、ビルの空調等に利用される。
【0022】
図2〜図5は、蒸発器12の構造を示す。
蒸発器12は、冷媒が導入される円筒型容器14と、該容器内下方位置に冷水が流通する多数の伝熱管15が束になって一方向に配設されている伝熱管群15A〜15Cと、伝熱管群15Aに連通する冷水入口(入口部)16と、伝熱管群15Cに連通する冷水出口17と、伝熱管群15A〜15C上方に位置するデミスタ18と、該デミスタを容器14下方から支える底板19と、前記デミスタ18を容器14上方から固定するデミスタ枠20と、冷媒ガスを容器14外の圧縮機(図示せず)に排出する冷媒ガス排出口21とから構成されたものである。
【0023】
デミスタ18の長手方向長さは、図5に示すように冷水入口16側にスペースを有する長さとする。但し、容器14の長手方向のほぼ全長に等しくなるように設けても良い。伝熱管群15A〜15Cは容器14の中心位置付近から下方に配設されており、それらすべてが冷媒液に浸されている。また、容器14内の長手方向に延在する伝熱管群15Aと15Bと、伝熱管群15Bと15Cとはそれぞれ折返し部22を介して連通して構成されている。
【0024】
冷媒ガス排出口21は、伝熱管群15Aの冷水入口16側から伝熱管15の長さ方向の1/2を越えた奥部の領域であって、かつ、伝熱管群15Aから15Cに向かうこれら伝熱管15の長さ方向に直交する幅方向の1/2を越えた奥部の領域に配設されている。
【0025】
容器14上方に配設されているデミスタ枠20は、冷媒ガス排出口21の直下方位置に臨んで所定の幅Lをもって該デミスタ枠20側部間に帯状に延在する閉そく板23とから構成されている。底板19は、該底板内に形成されている矩形状の空間部25を前記冷媒排出口21直下方位置で2つに分断する閉そく板26とを備えている。
底板19に設けられている閉そく板26は、デミスタ枠20に形成されている上記閉そく板23と同じ幅Lを有する。
【0026】
上記の構成からなる蒸発器12において、容器14の下部から導入された冷媒は、伝熱管15を流通する冷水との熱交換によって沸騰して気化されて、冷媒の液滴を含む蒸気となって容器14上方に吹き上げられ、底板19に形成されている空間部25からデミスタ18を抜けて、冷媒ガス排出口21から容器14外へ排出される。
冷媒沸騰時、冷媒と冷水との温度差によって沸騰の激しさが異なるため、冷媒ガス中の冷媒液滴含有量も前記温度差によって異なる。
冷媒と冷水との温度差が最も大きい領域は、伝熱管群15Aの冷水入口16側であって、冷水の流通する方向に従って熱交換が行われるために前記温度差が小さくなって、前記温度差が最も小さい領域は、伝熱管群15Cの冷水出口17側となる。
冷媒ガス排出口21の配設位置近傍の領域は上記において冷媒と冷水との温度差が最も小さい領域であることから、蒸発する冷媒ガスに含まれる冷媒液滴量が最も少ない。
【0027】
この冷凍機における蒸発器によれば、冷媒と冷水との温度差が小さく液滴の含まれる量が最も少ない状態の冷媒ガスを冷媒ガス排出口から排出し、圧縮機へ供給することができる。
【0028】
また、上記の構成からなる蒸発器12において、冷媒ガスは、圧縮機によって所定の流速分布をもって冷媒ガス排出口21から排出される際に、容器14内に配設されたデミスタ18によって内部に含まれる冷媒液滴が捕獲される。ただし、デミスタ18は液滴捕獲可能な冷媒ガス許容流速を有する。
【0029】
この冷凍機における蒸発器によれば、閉そく板23、26によって冷媒ガスの流速をデミスタが有する液滴捕獲可能流速値以下に抑えることができる。これによって液滴含有が抑えられた冷媒ガスを冷媒ガス排出口へ排出させることができる。
【0030】
図6は、本発明の第2の実施形態を示す。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。なお、上記実施形態においてすで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に示す蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成要素からなるが、伝熱管15は、冷水入口16に連通する伝熱管群15Aと、折り返されて冷水出口17に連通する伝熱管群15Bとからなる伝熱管群を構成している。冷媒ガス排出口21は、冷水入口16及び冷水出口17の配設されている側から伝熱管15の長さ方向の1/2を越えた伝熱管群15Aから折り返される側であって、伝熱管群15Bの上方位置近傍に配設されている。
【0031】
上記の構成からなる蒸発器12において、冷媒と冷水との温度差が最も小さい領域は冷水出口17近傍であるが、ここから蒸発する冷媒ガス中には、隣接する冷水入口16近傍の冷媒と冷水との温度差が大きい領域から多量に発生する液滴が混入する可能性がある。
冷媒ガス排出口21は、冷媒と冷水との温度差が冷水出口17近傍に次いで小さい領域上方位置に配設されているため、液滴の含有量が小さい冷媒ガスが排出される。
【0032】
この冷凍機からなる蒸発器によれば、液滴含有量が少ない状態の冷媒ガスを冷媒ガス排出口へ排出させることができる。
【0033】
図7は、本発明の第3の実施形態を示す。なお、上記実施形態においてすで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。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。
図7に示す蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成要素からなるが、容器14内に、伝熱管15は伝熱管15A〜15Dを構成しており、冷媒ガス排出口21は、伝熱管群15Aの冷水入口部16から伝熱管群15Aの長さ方向の1/2を越えた奥部の領域であって、かつ、伝熱管群15Aから15Dに向かう各伝熱管群の長さ方向に直交する幅方向の1/2を越えた奥部の領域に配設されている。
【0034】
上記の構成からなる冷凍機の蒸発器によれば、第2の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【0035】
図8は、本発明の第4実施形態を示す。なお、上記実施形態においてすでに説明した構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。
図8において蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成要素からなるが、前記デミスタ枠20の閉そく板23に隣接して接合する多孔板24とからなる。
多孔板24は、容器14内において、前記空間部25の上方位置に配設されている。
【0036】
上記の構成からなる蒸発器12において、冷媒ガスは、圧縮機によって所定の流速分布をもって冷媒ガス排出口21から排出される際に、容器14内に配設されたデミスタ18によって内部に含まれる冷媒液滴が捕獲される。ただし、デミスタ18は液滴捕獲可能な冷媒ガス許容流速を有する。
第1の実施形態で示した多孔板24がない場合は、冷媒ガス容器14内長手方向に対して図8中(1)に示す流速分布をもってデミスタ18に取り込まれるが、本実施例の場合では、冷媒ガス排出口21中心位置に向かって増大する冷媒流速の増加率が、図8中(2)に示すように多孔板24の配設位置近傍で緩和される。
【0037】
この冷凍機における蒸発器によれば、多孔板によって冷媒ガスの流速をデミスタが有する液滴捕獲可能流速値に対して大幅に低い値に抑えることができる。これによって第1の実施形態以上に液滴含有が抑えられた冷媒ガスを冷媒ガス排出口へ排出させることができる。
【0038】
図9は、本発明の第5の実施形態を示す。なお、上記実施形態においてすで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。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。
図9において蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成要素からなるが、
前記底板19が有する閉そく板26の板幅は、前記伝熱管群15A〜15Cの長さ方向に直交する方向を、前記伝熱管群15Aから伝熱管群15Cの配設位置に向かって長さLから漸次大となるように形成されたものである。
また、閉そく板26の板幅Lは、冷媒ガス排出口21の直径をDとすると該排出口の中心位置を中心としてL≧2Dの関係を有する。
【0039】
上記の構成からなる蒸発器12において、上記閉そく板26が下方から吹き上げられる冷媒ガスの流れを遮ることによって、冷媒ガス排出口21の配設位置近傍の冷媒ガス流速が低下する。
【0040】
この冷凍機における蒸発器によれば、閉そく板近傍の冷媒流速最大値をデミスタの液滴捕獲許容最大流速値以下にできるので、デミスタで液滴が十分に捕獲された冷媒ガスを冷媒ガス排出口へ排出させることができる。
【0041】
なお、閉そく板26の形状は、底板19上において漸次大となるように変化していればよいため、図示のように直線的な変形に限らず、曲線状であっても何ら問題はない。
【0042】
図10は、本発明の第6の実施形態を示す。なお、上記実施形態においてすで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。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。
図10において蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成からなるが、容器14の径は、例えば1000から1500[mm]であって、デミスタ18の長手方向長さが、冷媒ガス排出口21の配設位置から容器14の端部に至る長さのうち短いほうの長さにほぼ等しく設けられている。
【0043】
上記の構成からなる蒸発器12において、吹き上げられた液滴が自身の重さによって再び容器下方に充填されている冷媒に落下するために必要な高さに対して、冷媒液面27と冷媒ガス排出口21との距離が大きいことから、冷媒液滴をデミスタで捕獲する以前に、多くの冷媒蒸気中の液滴は重力によって容器下方へ落下する。
【0044】
この冷凍機における蒸発器によれば、デミスタで捕獲すべき液滴量を少なくできることから、液滴含有量の小さい冷媒ガスを排出できるとともに、デミスタ全長を小さくできて蒸発器の軽量化を図ることができる。
【0045】
図11は、本発明の第7の実施形態を示す。なお、上記実施形態においてすで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。
冷凍機の概略構成は図1に示すものと同じである。
図11において蒸発器12は、図2〜図5と同様の構成からなるが、容器14の径は、例えば800から1000[mm]であって、デミスタ18の長手方向長さは、冷媒ガス排出口21の配設位置から容器14の端部に至る長さのうち長いほうにほぼ等しく設けられている。
【0046】
上記の構成からなる蒸発器においても、第6の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、冷媒液滴の含有量が小さい冷媒ガスを排出して圧縮機へ供給することができることから、圧縮機の性能低下やインペラのエロージョン発生を抑えることができる。
【0048】
請求項1に係わる発明によれば、複数の伝熱管群からなる容器においても、冷媒液滴が排除された冷媒ガスを圧縮機へ供給することができることから、圧縮機性能の低下やインペラのエロージョンを抑えることができる。
【0049】
請求項2に係わる発明によれば、流速が抑えられることによって冷媒液滴が十分捕獲された冷媒ガスを圧縮機へ供給することができることから、圧縮機性能の低下やインペラのエロージョンを抑えることができる。
【0050】
請求項3に係わる発明によれば、流速が押さえられるとともに平準化されることによって冷媒液滴が十分に捕獲された冷媒ガスを圧縮機へ供給することができることから、圧縮機性能の低下やインペラのエロージョンを抑えることができる。
【0051】
請求項4に係わる発明によれば、流速が抑えられ、滑らかな流速分布とされることによって冷媒液滴が十分低下した冷媒ガスを圧縮機へ供給することができることから、圧縮機性能の低下やインペラのエロージョンを抑えることができる。
【0052】
請求項5に係わる発明によれば、従来と同等の圧縮機であっても性能及び耐久性の向上した冷凍機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器が適用される冷凍機の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器の断面構成図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器の平面構成図である。
【図4】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器の構成図である。
【図5】本発明の第1の実施形態に係わる蒸発器の正面構成図である。
【図6】本発明の第2の実施形態に係わる蒸発器の平面構成図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係わる蒸発器の平面構成図である。
【図8】本発明の第4の実施形態に係わる蒸発器の平面構成図である。
【図9】本発明の第5の実施形態に係わる蒸発器の構成図である。
【図10】本発明の第6の実施形態に係わる蒸発器の正面構成図である。
【図11】本発明の第7の実施形態に係わる蒸発器の正面構成図である。
【図12】従来の蒸発器の断面図である。
【図13】従来の蒸発器の構成図である。
【符号の説明】
10 凝縮器
12 蒸発器
15 伝熱管
21 冷媒ガス排出口
23、26 閉そく板
24 多孔体
Claims (5)
- 冷媒が導入される容器と、該容器内に、前記冷媒を加熱して沸騰、気化させる加熱物が流通する多数の伝熱管が束になって配設され一方向に延在する伝熱管群と、冷媒ガス排出口とを備えた冷凍機用蒸発器において、
前記冷媒ガス排出口が、前記伝熱管の延在する領域における該伝熱管の入口部から、前記領域の長さ方向の1/2を越えた奥部の領域に配設され、
前記容器上方から平面視して、前記伝熱管群と、該伝熱管群の端部から折り返されて逆方向に隣接して延在する伝熱管群とが、折り返し部を介して連続する複数の伝熱管群を備える構成とされ、前記冷媒ガス排出口が、前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する幅方向に、前記入口部に連通する該伝熱管群から該伝熱管群全幅長の1/2を越えた奥部の領域に配設されていることを特徴とする蒸発器。 - 前記容器上方から平面視して、前記冷媒ガス排出口の下方に所定の幅を持って前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する方向に延在する閉そく板が設けられていることを特徴とする請求項1に記載された蒸発器。
- 前記閉そく板に隣接して多孔板を配設したことを特徴とする請求項2に記載された蒸発器。
- 前記容器上方から平面視して、前記冷媒ガス排出口の下方に所定の幅を持って前記複数の伝熱管群の長さ方向に直交する方向に延在する閉そく板が設けられ、該閉そく板幅が、前記入口部に連通する伝熱管群から前記冷媒ガス排出口配設位置に向けて漸次大となるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載された蒸発器。
- 請求項1から4の何れかに記載の蒸発器と、気体状の冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された気体状の冷媒を冷却して凝縮、液化する凝縮器と、液化された冷媒を減圧する膨張弁とを備えていることを特徴とする冷凍機。
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