JP6851492B2 - 管支持構造を有する凝縮器 - Google Patents

Description

本発明は、概して、蒸気圧縮システムで使用されるように適合された凝縮器に関する。より具体的には、本発明は、管支持構造を備えた凝縮器に関する。

蒸気圧縮式冷凍は、大きな建物などの空調に最も一般的に使用されている方法である。従来の蒸気圧縮式冷凍システムは、通常、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を備えている。圧縮機は冷媒を圧縮し、圧縮した冷媒を凝縮器に送る。凝縮器は、圧縮された蒸気冷媒を凝縮して液体にすることを可能にする熱交換器である。水のような加熱／冷却媒体が、典型的には凝縮器を通って流れ、冷媒から熱を吸収して圧縮された蒸気冷媒を凝縮させる。凝縮器を出る液体冷媒は膨張弁に流れる。膨張弁は、冷媒を膨張させて冷媒を冷却する。膨張弁からの冷媒は蒸発器に流れる。この冷媒は、多くの場合二相である。蒸発器は、蒸発器を通過する加熱／冷却媒体から熱を吸収しながら、冷媒が液体から蒸気に蒸発することを可能にする熱交換器である。その後、冷媒は圧縮機に戻る。加熱／冷却媒体は、建物を加熱／冷却するために使用できる。米国特許出願公開第２０１４／０１２７０５９号は、典型的なシステムを例示している。

凝縮器は、多くの場合、伝熱性能を向上させるために多くの伝熱管を含む。米国特許出願公開第２００１／００４９９４４号は、プレートが束（バンドル）の間に設けられた状態で、束に配置された複数の伝熱管を示している。米国特許出願公開第２００９／００４９８６１号は、凝縮器内の利用可能な空間に積み重ねられた複数の伝熱管と、伝熱管を支持する鉛直支持プレートとを示している。

凝縮器では、凝縮した液体冷媒を迅速に排出できるようにすることで、伝熱性能を改善できることが発見された。

したがって、本発明の一つの目的は、傾斜した管支持プレートを含む管支持構造を備え、優れた伝熱性能を有する凝縮器を提供することにある。

さらに、より多くの液体冷媒が上部伝熱管から下部伝熱管に下向きに落ちると、液体冷媒が下部伝熱管の周りに厚い層が形成され、そのような液体冷媒の層で引き起こされる断熱により、伝熱性能が低下する可能性があることがさらに発見された。

そこで、本発明の別の目的は、複数の管支持プレートを配置して、上部伝熱管から下部伝熱管へと液冷媒が落下して、下部伝熱管の周りの厚い冷媒層を防止できる、管支持構造付き凝縮器を提供することにある。

上記の目的の1つまたは複数は、基本的に蒸気圧縮システムで使用されるように適合された凝縮器を提供することによって達成することができる。凝縮器は、シェル、管束、および管支持構造を含む。シェルは、少なくともガス冷媒を含む冷媒が流れる冷媒入口と、少なくとも液体冷媒を含む冷媒が流れる冷媒出口とを有し、シェルの長手方向中心軸は水平面にほぼ平行に延びる。管束は、冷媒入口から放出された冷媒が管束に供給されるように、シェルの内側に配置された複数の伝熱管を含む。伝熱管は、シェルの長手方向中心軸にほぼ平行に延びる。管支持構造は、シェル内の管束の複数の伝熱管を支持するように構成および配置されている。管支持構造は、シェルの長手方向中心軸に垂直な鉛直方向に対して傾斜している少なくとも１つの管支持プレートを含む。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、態様、および利点は、添付の図面と併せて、好ましい実施形態を開示する以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

この原開示の一部を形成する添付の図面を参照する。
本発明の一実施形態に係る凝縮器を含む蒸気圧縮式システムの概略の全体斜視図である。 本発明の実施形態に係る凝縮器を含む蒸気圧縮式システムの冷凍回路を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る凝縮器の概略の斜視図である。 図３の切断線４−４に沿って見たときの、説明のために管を破断して示した、図１〜図３に示した凝縮器の簡略縦断面図である。 図１〜図４に示した凝縮器の内部構造の概略の斜視図であり、伝熱管は説明のために取り外されている。 凝縮器の内部構造、すなわち、図１〜図５に示す管および管支持構造の拡大された概略の分解部分斜視図である。 図４〜図６に示された管支持構造の支持プレートを、図４の断面線７−７に沿って見た、簡略化された平面図である。 説明のために伝熱管および冷媒分配器が取り外されている状態の図１〜図６に示す凝縮器の断面図であり、図４の断面線８−８に沿って上から見た図である。 図１〜図６および図８に示される凝縮器の内部構造の簡略化された側面図であり、説明のために冷媒分配器を取り外されている。 図９Ａの位置Iにおける伝熱性能を示すグラフである。 図９Ａの位置IIにおける伝熱性能を示すグラフである。 性能係数（ＣＯＰ）と管束の伝熱性能との関係を示すグラフである。 管の数が最大化されているが流路が設けられていない凝縮器の簡略化された横断面図である。

次に、本発明の選択された実施形態について図面を参照しながら説明する。この開示から当業者には明らかなように、本発明の実施形態の以下の説明は例示のみを目的として提供されており、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される本発明を限定する目的ではない。

最初に図１および図２を参照して、一実施形態に係る凝縮器３を含む蒸気圧縮式システムについて説明する。図１に見られるように、本実施形態に係る蒸気圧縮式システムは、大型ビル等の空調用の暖房換気空調（ＨＶＡＣ）システムに使用することができるチラーである。本実施形態の蒸気圧縮式システムは、蒸気圧縮式冷凍サイクルによって冷却される液体（例えば、水、エチレングリコール、ブラインなど）から熱を除去し、蒸気圧縮式冷凍サイクルによって加熱される液体（例えば、水、エチレングリコール、塩化カルシウムブラインなど）に熱を加えるように構成および配置されている。図示の実施形態では水が示されている。しかしながら、この開示から当業者には他の液体を使用できることが明らかであろう。液体の加熱および冷却は図示の実施形態に示されている。

図１および図２に示すように、蒸気圧縮式システムは、以下の主要構成要素を含む：蒸発器１、圧縮機２、凝縮器３、膨張装置４、および制御ユニット５。制御ユニット５は、蒸気圧縮式システムの動作を制御するために圧縮機２および膨張装置４の駆動機構に動作可能に結合されている。また、制御ユニットは、センサおよび／又は図示されていないシステムの任意の構成要素などの様々な他の構成要素に接続されてもよい。

蒸発器１は、循環する冷媒が蒸発器１内で蒸発するにつれ、蒸発器１を通過する冷却対象の液体（この例では水）から熱を除去し、水の温度を下げる熱交換器である。蒸発器１に入る冷媒は、典型的には二相の気／液状態にある。冷媒は少なくとも液冷媒を含む。蒸発器１内の蒸気冷媒が水などの冷却媒体から熱を吸収すると、液体冷媒が蒸発する。図示の実施形態では、蒸発器１は上述のように加熱／冷却媒体として水を使用する。蒸発器１は、流下液膜式蒸発器、浸漬式蒸発器、ハイブリッド式蒸発器等のような多数の従来の蒸発器のうちの任意の１つとすることができる。蒸発器を出る水は冷却される。この冷却された水は、次に建物などを冷却するために使用することができる。

蒸発器１を出ると、冷媒は低圧低温の蒸気冷媒となる。低圧低温の蒸気冷媒は、蒸発器１から出て、圧縮機２に吸い込まれる。圧縮機２において、蒸気冷媒は、より高圧でより高温の蒸気に圧縮される。圧縮機２は、例えば遠心圧縮機、スクロール圧縮機、往復動圧縮機、スクリュー圧縮機などの任意の種類の従来の圧縮機とすることができる。

次に、高温高圧の蒸気冷媒は、別の熱交換器である凝縮器３に入る。凝縮器３は、蒸気冷媒から熱を除去して、ガス状態から液体状態に凝縮させる。図示の実施形態における凝縮器３は、水などの液体を用いて液冷されている。圧縮された蒸気冷媒の熱は、凝縮器３を通過する冷却水の温度を上昇させる。通常、凝縮器からの温水は、冷却塔に送られて熱を大気に放出する。加えて、任意選択的に、温水（冷媒を冷却する冷却水）は、給湯として、又は建物を加熱するために建物内で使用することができる。

凝縮した液冷媒は、次に膨張装置４に入り、そこで冷媒は急激な圧力低下を受ける。膨張装置４はオリフィス板のように単純なものでも、電子変調式熱膨張弁のように複雑なものでもよい。膨張装置４が制御ユニットに接続されるかどうかは、制御可能な膨張装置４が利用されているかどうかによって決まる。急激な減圧は、通常、液冷媒の部分的な膨張をもたらし、したがって、蒸発器１に入る冷媒は、通常、二相の気／液状態にある。

蒸気圧縮式システムで使用される冷媒のいくつかの例は、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、およびＲ１３４ａのようなハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）、例えばＲ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｙｆのような不飽和ＨＦＣ系冷媒、例えばＲ７１７およびＲ７１８のような自然冷媒である。Ｒ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｙｆは、Ｒ１３４ａと同様の密度を持つ中密度冷媒である。Ｒ４５０ＡおよびＲ５１３Ａは、可能性のある冷媒でもある中圧冷媒である。いわゆる低圧冷媒（ＬＰＲ）Ｒ１２３３ｚｄも、適切な種類の冷媒である。低圧冷媒（ＬＰＲ）Ｒ１２３３ｚｄは、Ｒ１２３３ｚｄの蒸気密度が上記の他の冷媒よりも低いため、低密度冷媒（ＬＤＲ）と呼ばれることがある。Ｒ１２３３ｚｄは、いわゆる中密度冷媒であるＲ１３４ａ、Ｒ１２３４ｚｅ、およびＲ１２３４ｙｆより低い密度を有する。Ｒ１２３３ｚｄはＲ１３４Ａよりわずかに高い液体密度を有するので、ここで議論される密度は、液体密度ではなく蒸気密度である。本明細書に開示された実施形態は、任意の種類の冷媒に有用であるが、本明細書に開示された実施形態はＲ１２３３ｚｄのようなＬＰＲと共に使用されるときに特に有用である。Ｒ１２３３ｚｄは不燃性である。Ｒ１３４ａも可燃性ではない。しかし、Ｒ１２３３ｚｄの地球温暖化係数はＧＷＰ＜１０である。一方、Ｒ１３４ａのＧＷＰは約１３００である。冷媒Ｒ１２３４ｚｅおよびＲ１２３４ｙｆは、ＧＷＰがＲ１２３３ｚｄのように１０未満であっても、わずかに可燃性である。それゆえ、Ｒ１２３３ｚｄは、これらの特性、不燃性および低ＧＷＰのため、望ましい冷媒である。

個々の冷媒が上述されているが、この開示から当業者には明らかなように、任意の２つ以上の上記冷媒を利用する混合冷媒を使用することができる。例えば、Ｒ１２３３ｚｄとしての一部分のみを含む混合冷媒を利用することができる。いずれにせよ、図示の実施形態では、冷媒はＲ１２３３ｚｄを含むことが好ましい。より好ましくは、図示の実施形態では、冷媒は好ましくはＲ１２３３ｚｄである。上述のように、Ｒ１２３３ｚｄは、その低いＧＷＰと、可燃性ではないゆえに望ましい冷媒である。しかしながら、図１０に示すように（効率を最大にしようとするために）最大数の伝熱管が含まれる凝縮器では、管がそれらの管の周りの蒸気が容易に流れるのを妨げ、圧縮機出口と凝縮器の管との間に大きな圧力降下を引き起こし得るので、比較的大きな圧力降下が生じることが発見された。比較的大きな圧力降下はサイクル効率を低下させるので、圧力降下を減少させることが望ましいことが発見された。蒸気が管の周りを流れることが可能であれば、圧縮機吐出口と凝縮器の管との間の蒸気の圧力低下を減らすことができ、したがってサイクル効率は低下しない（サイクル効率は一般に維持できる）。

本発明を実施するために、圧縮機２、蒸発器１および膨張装置４として、それぞれ従来の圧縮機、蒸発器および膨張装置を使用できることは、この開示から当業者には明らかであろう。言い換えれば、圧縮機２、蒸発器１および膨張装置４は、当技術分野において周知の従来の構成要素である。圧縮機２、蒸発器１および膨張装置４は、当技術分野において周知であるので、これらの構造は本明細書では詳細に説明又は図示されない。むしろ、本開示から当業者には明らかなように、任意の適切な圧縮機、蒸発器および膨張装置を例示の実施形態の凝縮器と共に使用することができる。したがって、以下の説明では、本発明に係る凝縮器３を中心に説明する。さらに、本開示の範囲から逸脱することなく、蒸気圧縮式システムが複数の蒸発器１、圧縮機２および／又は凝縮器３を含み得ることは、この開示から当業者には明らかであろう。

次に、図３〜図８を参照して、本実施形態による凝縮器３の詳細構造について説明する。凝縮器３は、基本的に、シェル１０と、冷媒分配器２０と、伝熱ユニット３０と、を備える。図示の実施形態では、伝熱ユニット３０は管束である。したがって、本明細書では伝熱ユニット３０を管束３０ともいう。上述のように、図示の実施形態では、管束３０は、それを介して水などの液体冷却／加熱媒体を運ぶ。

冷媒は、シェル１０に入り、冷媒分配器２０に供給される。冷媒分配器２０は、以下により詳細に説明するように、冷媒を管束３０上に比較的均等に分配するように構成されている。凝縮器３のシェル１０に入る冷媒は、典型的には高圧高温の圧縮ガス（蒸気）冷媒である。蒸気冷媒は、分配器２０を出て、シェル１０の内部に入って、管束３０上を流れる。蒸気冷媒は、管束３０上を下方に流れるにつれて、徐々に冷えて凝縮する。管束３０内の媒体（水）は、蒸気冷媒から熱を吸収して、凝縮および冷却を生じさせる。凝縮された液体冷媒は、その後、以下により詳細に説明されるように凝縮器の底部を出る。

図３〜図５から最もよく理解されるように、図示の実施形態では、シェル１０は、ほぼ水平方向に延びる長手方向中心軸Ｃ（図４）を有するほぼ円筒形状を有する。したがって、シェル１０は水平面Ｐとほぼ平行に延び、中心軸Ｃは水平面Ｐとほぼ平行である。シェル１０は、接続ヘッド部材１３と、円筒体１４と、戻りヘッド部材１５とを含む。円筒体１４は、接続ヘッド部材１３と戻りヘッド部材１５との間に気密状態で取り付けられている。具体的には、接続ヘッド部材１３および戻りヘッド部材１５は、シェル１０の円筒体１４の長手方向端部に気密に接続されている。

接続ヘッド部材１３は、取付板１３ａと、取付板１３ａに取り付けられたドーム部１３ｂと、取付板１３ａとドーム部１３ｂとの間に延びて入口室１３ｄと出口室１３ｅとを区画する仕切板１３ｃと、を有する。取付板１３ａは、通常、円筒体１４に通常溶接される管板である。ドーム部１３ｂは、通常、ボルトと、それらの間に配置されるガスケット（図示せず）とを介して管板（取付板）１３ａに取り付けられている。仕切板１３ｃは、通常、ドーム部１３ｂに溶接されている。入口室１３ｄと出口室１３ｅとは、仕切板１３ｃによって仕切られている。戻りヘッド部材１５も、取付板１５ａと、取付板１５ａに取り付けられて戻り室１５ｃを画定するドーム部材１５ｂとを含む。取付板１５ａは、通常、円筒体１４に通常溶接される管板である。ドーム部１５ｂは、通常、ボルトと、それらの間に配置されるガスケット（図示せず）とを介して管板（取付板）１５ａに取り付けられている。戻りヘッド部材１５は、仕切りを含まない。したがって、取付板１３ａおよび１５ａは、シェル１０の円筒体１４の長手方向端部に固定的に接続されている。入口室１３ｄと出口室１３ｅとは、仕切板（バッフル）１３ｃによって区画されており、冷却媒体の流れを分離している。具体的には、接続ヘッド部材１３は、水が入る入口管１７と、シェル１０から水が排出される水出口管１８との両方に流体接続されている。より具体的には、入口室１３ｄは入口管１７と流体的に接続され、出口室１３ｅは出口管１８と流体的に接続され、仕切板１３ｃが流れを分割する。

取付板１３ａ，１５ａには、伝熱管３４が取り付けられる複数の孔が形成されている。例えば、伝熱管３４を孔の中に配置し、次いで管３４を孔の中に固定して、管と孔との間にシールを形成するようにローラ拡張することができる。下部グループの伝熱管３４は、入口室１３ｄから水を受け取り、その水を円筒体１４を通して戻り室１５ｃに運ぶ。そして、戻り室１５ｃ内の水は、上部グループの伝熱管３４内に流れ込み、円筒体１４を通して出口室１３ｅ内に戻る。したがって、図示の実施形態では、凝縮器３は、いわゆる「２パスの」凝縮器３である。水の流路は、取付板１３ａと取付板１５ａとの間の円筒体１４の内部空間から気密的に封止されている。この内部空間は、水流路から気密的に封止されて冷媒を収容している。このように、管束３０は、上部グループの伝熱管３４と、上部グループの伝熱管３４の下方に配置された下部グループの伝熱管３４とを含む。

図示の実施形態では、上部グループの伝熱管は、シェル１０の鉛直中央平面（例えば、図４の平面Ｐ）に又はそれより上方に配置され、下部グループの伝熱管３４は、シェル１０の鉛直中央平面（例えば、図４の平面Ｐ）に又はその下方に配置されている。より具体的には、図示の実施形態では、上部グループの伝熱管は、シェル１０の鉛直中央平面（例えば、図４の平面Ｐ）に、およびシェル１０の鉛直中央平面の上方に配置されている。下部グループの伝熱管３４は、シェル１０の鉛直中央平面（例えば図４の平面Ｐ）の下方に配置されている。図示の実施形態では、上部グループと下部グループは隙間によって分離され、各グループは、概ね同一の数の伝熱管３４を有する。

シェル１０は、冷媒入口管１１ｂが接続される冷媒入口１１ａと、冷媒出口管１２ｂが接続される冷媒出口１２ａとをさらに含む。冷媒入口管１１ｂは、圧縮機２と流体的に接続されており、圧縮機２から供給される圧縮された蒸気ガス冷媒をシェル１０の頂部に導入する。冷媒入口１１ａからの冷媒は冷媒分配器２０に流入し、冷媒分配器２０は、冷媒を管束３０に分配する。冷媒は、管束３０との熱交換により凝縮する。シェル１０内で凝縮すると、液体冷媒は冷媒出口１２ａを通ってシェル１０を出て、冷媒出口管１２ｂに流入する。膨張装置４は、冷媒出口管１２ｂに流体連結され、液冷媒を受け取る。冷媒入口１１ａに入る冷媒は、少なくともガス冷媒を含む。冷媒出口１２ａを流れる冷媒は、少なくとも液冷媒を含む。したがって、シェル１０は、少なくともガス冷媒を含む冷媒が流れる冷媒入口１１ａと少なくとも液体冷媒を含む冷媒が流れる冷媒出口１２ａとを有し、シェルの長手方向中心軸Ｃは、水平面Ｐとほぼ平行に延びている。

ここで図４〜図６に示すように、冷媒分配器２０は、冷媒入口１１ａに流体的に接続されており、シェル１０内に配置されている。冷媒分配器２０は、冷媒入口１１ａを通ってシェル１０に入る冷媒を受け取るように皿状構造で配置構成されている。冷媒分配器２０は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃとほぼ平行に、シェル１０内を長手方向に延びる。図４〜図６に最もよく示されるように、冷媒分配器２０は、基部２２と、第１の側部２４ａと、第２の側部２４ｂと、一対の端部２６とを含む。基部２２、第１の側部２４ａ、第２の側部２４ｂ、および一対の端部２６は互いにしっかりと接続されている。図示の実施形態では、基部２２、第１の側部２４ａ、第２の側部２４ｂ、および一対の端部２６のそれぞれは、鋼板材料などの薄くリジッドな板材料で構成されている。図示の実施形態では、基部２２、第１の側部２４ａ、第２の側部２４ｂ、および一対の端部２６は、互いに固定された別々の部品として構成することができ、又は一体部品として一体に形成することができる。

図示の実施形態では、基部２２、第１の側部２４ａ、および第２の側部２４ｂには、複数の孔が形成されている。一方、端部２６には孔が開いていない。図示の実施形態では、基部２２には、図５から最もよく理解されるように、端部領域を除いて円形孔が形成されている。同様に、図示の実施形態では、側部２４ａ，２４ｂには、端部領域を除いて円形孔が形成されている。しかしながら、側部２４ａ，２４ｂの端部領域には、基部２２とは異なり、長手方向のスロットが形成されている。端部領域を越えた長手方向の端部には、中央領域と同様に孔が形成されている。この開示から当業者には明らかなように、本明細書に示された孔のパターンおよび形状は、本発明に係る適切な分配器２０の一例を表している。

図示の実施形態では、分配器２０は、シェル１０の上部に溶接されている。代替的におよび／又は追加的に、分配器２０は管束３０の支持プレート（後述）に固定することができる。しかしながら、これは図示の実施形態では必要ではない。さらに、本開示から当業者には明らかなように、端部２６は、必要ではない場合および／又は所望しない場合には省略することができる。図示の実施形態では、分配器２０の端部２６が存在し、シェル１０の円筒体１４の円筒形の内部曲率に一致する曲線を有する上端を有する。分配器２０がシェル１０に固定されるとき、側部２４ａ，２４ｂの上端および／又は端部２６の上端は、任意の適切な従来技術を用いて湾曲した内面に取り付けることができる。溶接はその一例である。図示の実施形態では、分配器２０は、シェル１０の内部長さとほぼ同じ長さを有する。具体的には、図示の実施形態では、分配器は、シェル１０の内部長さの少なくとも約９０％、例えば約９５％の長さを有する。したがって、冷媒は、分配器２０から管束３０のほぼ全長に沿って分配される。

再び図４〜６を参照して、伝熱ユニット３０（管束）をより詳細に説明する。冷媒分配器２０の下方には管束３０が配置されており、冷媒分配器２０から排出された冷媒が管束３０に供給されるようになっている。管束３０は、図４〜図６に最もよく示されているように、複数の支持プレート３２と、支持プレート３２を通ってシェル１０の長手方向中心軸Ｃとほぼ平行に延びる複数の伝熱管３４（上記に簡単に述べた）と、複数のプレート支持部材３６と、を含む。図示の実施形態では、管束３０は、５つの支持プレート３２を含む。しかし、本開示から、当業者には、支持プレート３２の数がこの数に限定されないことが明らかであろう。いずれの場合でも、管束３０は少なくとも1つの支持プレート３２を含む。支持プレート３２およびプレート支持部材３６は、伝熱管３４を支持する管支持構造として機能する。また、管束３０の下方には、ガイド板４０が配置されている。ガイド板４０は、凝縮した液体（冷媒）を集め、その液体をシェル１０の底部にある凝縮器出口１２ａに向かわせる。

ここで図４〜図８を参照すると、支持プレート３２は、シェル１０の内部形状に部分的に一致するように成形される。図７に示されるように、各支持プレート３２は、伝熱管３４を受ける孔５０と、プレート支持部材３６を受ける孔５２とを有する。また、各支持プレートは、その上部に上部ノッチ５６を有し、その下部に下部ノッチ５８を有する。ガイド板４０は、支持プレート３２の下に配置されている。伝熱管３４は、シェル１０内で支持プレート３２によって支持されるように、支持プレート３２に形成された孔５０を通って延びる。プレート支持部材３６は、支持プレート３２に取り付けられて、図４および図５に示すように、支持プレート３２を互いに間隔を空けた配置で支持および維持する。支持プレート３２は、シェル１０の長手方向に沿って、互いに間隔を空けて配置されている。図９Ａから最もよく理解されるように、図示の実施形態では、支持プレート３２は、シェル１０の長手方向に沿って、互いに対して等間隔「ａ」で配置されている。支持プレート３２の間隔「ａ」は、支持プレート３２の数とシェル１０の長さに応じて決定される。支持プレート３２およびプレート支持部材３６が管支持構造として（例えば、溶接により）一緒に取り付けられると、以下により詳細に説明するように、管支持構造を円筒体１４に挿入して取り付けることができる。

さらに図４〜８を参照すると、支持プレート３２は互いに同一である。各支持プレート３２は、好ましくは金属薄板のようなリジッドなシート材料で形成される。したがって、各支持プレート３２は、平面形状を有し、シェルの内部湾曲に一致するように形作られた湾曲した側面を含み、上部ノッチ５６および下部ノッチ５８が概ね互いに向かって延びる。図４〜図６に最もよく示されているように、各支持プレート３２は、管束３０の上方から管束３０の下方まで延びる。支持プレート３２と円筒体１４の一致する湾曲形状のために、支持プレート３２は、円筒体１４に対して、鉛直方向、横方向等に（例えば、長手方向中心軸Ｃを横切る任意の方向で）動くのが防止される。ガイド板４０は、支持プレート３２の下方に配置されている。ガイド板４０は、円筒体１４に固定されていてもよいし、円筒体１４の内部に単に配置されていてもよい。同様に、ガイド板４０は支持プレート３２に固定されていてもよく、支持プレート３２は単にガイド板４０上に載置されていてもよい。図示の実施形態では、支持プレート３２とプレート支持部材３６とのアセンブリが円筒体１４に入れられて取り付けられる前に、ガイド板４０が円筒体１４に固定（例えば溶接）されている。図示の実施形態では、支持プレート３２とプレート支持部材３６とのアセンブリが（例えば溶接によって）互いに取り付けられると、アセンブリは円筒体１４内のガイド板４０の上に挿入され、次に、端部の支持プレート３２は、シェル１０の円筒体１４に溶接される。

支持プレート３２の上部ノッチ５６は、分配器２０のための空間を作るような形状を有する凹部を形成する。上述のように、分配器２０は、分配器２０が上部ノッチ内に配置されるように円筒体１４に溶接される。もちろん、代替的に、この開示から当業者には明らかなように、分配器２０は、支持プレート３２に固定されていてもよく、又は分配器２０は支持プレート３２上に載置されていてもよい。図示の実施形態では、支持プレート３２は分配器２０に固定されていないので、分配器２０はユニットとしての管束３０の前又は後に、円筒体１４に取り付けることができる。支持プレート３２の下部ノッチ５８は、一緒になって流体流路を形成する。ガイド板４０は、上述のように、支持プレート３２の下で、長手方向中心軸Ｃと平行にかつ平面Ｐと平行に延びるように、シェル１０内に取り付けられている。

支持プレート３２は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な鉛直方向に対して傾斜している。図示の実施形態では、各支持プレート３２は、シェル１０の長手方向中心軸Ｃに垂直な鉛直方向に対して角度αで傾斜している。角度αは４５度から８０度の範囲である。好ましくは、角度αは、５０度から７５度の範囲である。図示の実施形態では、角度αは６０度であり、これは５５度〜６５度の適切な（例示の）範囲の中央である。各支持プレート３２は、同じ角度で傾斜している。角度αが小さすぎる場合、以下でより詳細に説明されるように、各支持プレート３２によって覆われる領域が十分ではない。一方、角度αが大きすぎる場合、各支持プレート３２のサイズを大きくする必要がある。また、角度αが大きすぎると、重力により液体冷媒がすぐに排出されない。

分配器２０から管束３０に供給された圧縮された蒸気冷媒が管束３０を下降すると、冷媒は凝縮して液体冷媒に状態を変える。この凝縮した液冷媒は、傾斜している支持プレート３２に受け止められて、傾斜している支持プレート３２の表面に沿って下方に流れる。凝縮した液体冷媒は、その後、ガイド板４０に沿って凝縮器３の端部に向かって流れる。ガイド板４０は、円筒体１４よりも短い。したがって、液体冷媒は、次いで、円筒体１４の底部に沿って冷媒出口１２ａに流れる。傾斜している支持プレート３２によって、凝縮した液体冷媒を迅速に排出することができる。

ここで図４〜図７に示されるように、各支持プレート３２は、そこを通る伝熱管３４を受け入れるための孔５０が形成されている。各支持プレート３２の孔５０は、伝熱管３４が孔５０に嵌合するように構成されている。このような配置により、液体冷媒は、孔５０を介して、上部の伝熱管３４から下部の伝熱管３４に直接落下しない。真下に落下する液体冷媒は、下部の伝熱管３４の周囲に液体冷媒の厚い層を形成し、この液体冷媒の層によって引き起こされる断熱によって伝熱性能が低下する。したがって、図示の実施形態では、孔５０が伝熱管３４がその中に嵌合するように形作られ、液体冷媒が孔５０を通って上部の伝熱管３４から下部の伝熱管３４に直接落下するのを抑制する。しかし、当業者には、本開示から、伝熱管３４が孔５０に液密に嵌合する必要はなく、伝熱管３４は、液体冷媒が孔５０からある程度流出することが可能な状態で、孔５０に隙間嵌めで配置できることが明らかであろう。

各支持プレート３２は、プレート支持部材３６を受け入れる孔５２も有する。具体的には、図示の実施形態では、管束３０の両側のそれぞれで、３つのプレート支持部材３６が支持プレート３２の孔５２を通って延び、支持プレート３２に固定され、支持プレート３２をここに示す間隔配置に維持する。

図７に示すように、各支持プレート３２は、支持プレート３２の上部に上部ノッチ５６を有し、支持プレート３２の下部に下部ノッチ５８を有する。上部ノッチ５６および下部ノッチ５８は、概して互いに向かって延びている。上述のように、支持プレート３２の上部ノッチ５６は、分配器２０が上部ノッチ５６内に配置されるように、分配器２０のための空間を作るような形状の凹部を形成する。支持プレート３２の下部ノッチ５８は、一緒になって流体流路を形成する。

ガイド板４０は、さらに、図５および図６から最もよく理解されるように、管束３０の底部に鉛直方向の支持を提供することができる。図示の実施形態では、プレート支持部材３６は、細長い、リジッドな、棒状部材として構成されている。１つの適切な材料は鋼鉄である。

伝熱管３４は、支持プレート３２の孔５０を通って延び、支持プレート３２によってここに示されたパターンで支持される。伝熱管３４は、支持プレート３２に固定されてもよいし、単に支持プレート３２によって支持されてもよい。図示の実施形態では、伝熱管３４は、単に支持プレート３２上に載置され、支持プレート３２に固定されていない。

ここで図８を参照すると、支持プレート３２は、上方から見たときに互いに重なるように配置されている。このような構成により、液体冷媒が、支持プレート３２間で上部の伝熱管３４から下部の伝熱管３４に落下し、下部の伝熱管３４の周囲に液体冷媒の厚い層が形成されることを防止できる。図８に示すように、支持プレート３２は、上方から見ると、シェル１０の両端部領域を除き、シェル１０の長手方向中心軸Ｃの大部分を覆うように配置されている。好ましくは、支持プレート３２は、上方から見たときにシェル１０の長手方向中心軸Ｃの約９０％を覆うように配置される。より好ましくは、支持プレート３２は、上から見たときにシェル１０の長手方向中心軸Ｃの約９５％を覆うように配置される。

上述したように、支持プレート３２の傾斜の角度αが小さすぎる場合、各支持プレート３２による被覆面積が十分ではなくなる。したがって、シェル１０の長手方向中心軸Ｃの大部分を覆うためには、非常に多くの支持プレート３２が必要になる。したがって、角度αは、あまりにも多くの支持プレート３２が必要とならないように、好ましくは４５度以上、より好ましくは５０度以上である。また、角度αは、各支持プレート３２の大きさが大きくなりすぎず、重力の影響が小さくなるように、８０度以下が好ましく、７５度以下がより好ましい。角度αが大きく、各支持プレート３２のサイズを大きくする必要がある場合、シェル１０内のスペースが不十分となり、支持プレート３２のプレート全体をシェル１０内に配置することができない場合がある。そのような場合、支持プレート３２のプレート全体に加えて、支持プレート３２の部分プレートを使用して残りの空間を埋めることができる。

伝熱管３４は、金属などの熱伝導率の高い材料からなる。伝熱管３４には、冷媒と伝熱管３４内を流れる水との間の熱交換をさらに促進するために、内側溝（Ｇｒｏｏｖｅ）および外側溝が設けられていることが好ましい。内部溝および外部溝を含むこのような伝熱管は、当技術分野で周知である。本実施形態の伝熱管３４として、例えば、Ｗｉｅｌａｎｄ Ｃｏｐｐｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ, ＬＬＣのＧＥＷＡ−Ｃ管を用いることができる。上述のように、伝熱管３４は、シェル１０内に支持されている複数の鉛直に延びる支持プレート３２によって支持されている。

上述したように、本実施形態では、管束３０が２パス方式を形成するように構成され、伝熱管３４は、管束３０の下部に配置される供給配管群と、管束３０の上部に配置される戻り配管群とに分割される。図４に示すように、供給配管群の伝熱管３４の入口端は、接続ヘッド部材１３の入口室１３ｄを介して入口管１７に流体接続されており、凝縮器３に入った水は、供給配管群の伝熱管３４に分配される。供給配管群の伝熱管３４の出口端および戻り配管群の伝熱管３４の入口端とは、戻りヘッド部材１５の戻り室１５ｃと流体連通している。したがって、供給配管群の伝熱管３４内を流れる水は、戻り室１５ｃに排出され、戻り配管群の伝熱管３４に再分配される。戻り配管群の伝熱管３４の出口端は、接続ヘッド部材１３の出口室１３ｅを介して出口管１８と流体連通している。この戻り配管群の伝熱管３４内を流れる水は、出口管１８を通って凝縮器３を出る。

図１〜図６の実施形態では、ガイド板４０の下に伝熱管が配置されていない（すなわち、ガイド板４０の下にサブクーラーがない）が、供給配管群が、図１１に示されるように、ガイド板４０の下に追加の板および管の群（すなわち、ガイド板４０の下方のサブクーラー）を含み得ることは、本開示から当業者には明らかであろう。このような配置では、液体冷媒が凝縮器の底部に沿って冷媒出口１２ａに流れることができるように、ガイド板４０の下のプレートの底部に連通孔を形成するか、切欠きを形成する必要がある。冷媒がガイド板４０まで降下すると、冷媒はすでに液体であるはずである。したがって、凝縮器を出る前にガイド板４０の下の液体の温度をさらに下げる（すなわち、過冷却する）ために、ガイド板４０の下の追加の伝熱管を使用することができる。さらに、凝縮液冷媒の供給が他の目的（例えば、モータ冷却又は他の目的のため）に必要とされる場合、凝縮器３からの追加の出口を設けることができることは、本開示から当業者には明らかであろう。このような凝縮器からの追加の出口は、図１１に示されている。

さらに図４〜図６を参照して、凝縮器３の組み立てについてさらに詳細に説明する。プレート支持部材３６は、（例えば、溶接によって）支持プレート３２に取り付けられ、管支持構造を形成する。ガイド板４０を、支持プレート３２とプレート支持部材３６とを組み立てる前又は後に、シェル１０に挿入して、シェル１０に固定（例えば溶接）することができる。同様に、分配器２０を、支持プレート３２とプレート支持部材３６とを組み立てる前又は後に、シェル１０に挿入して、シェル１０に固定（例えば溶接）することができる。いずれにせよ、図示の実施形態では、支持プレート３２およびプレート支持部材３６を含む組み立てられた管支持構造は、分配器２０およびガイド板４０を取り付けた後に、円筒体１４に挿入される。そして、支持プレート３２の端部片は、円筒体１４に固定（例えば溶接）される。次に、円筒体１４に管板１３ａ、１５ａが（例えば溶接により）取り付けられる。次に、伝熱管３４は、管板１３ａ、１５ａの孔と、支持プレート３２の孔５０と、に挿通される。次いで、伝熱管３４を管板１３ａ，１５ａにローラ拡張して、伝熱管３４を固定することができる。これは、図示の実施形態の凝縮器を、どのように組み立てることができるかの一例にすぎない。しかしながら、本開示の範囲から逸脱することなく、他の組み立て技術および／又は挿入および取り付けの順序が可能であることは、この開示から当業者には明らかであろう。

ここで図９Ａ〜図９Ｃを参照すると、図９Ｂは、図９Ａの位置Iにおける伝熱性能（ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を示すグラフであり、図９Ｃは、図９Ａの位置IIにおける伝熱性能を示すグラフである。図９Ｂおよび９Ｃにおいて、「Ｕ」は伝熱係数（ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を指す。図示の実施形態では、図９Ａに示すように、側面から見たときに、２０段の伝熱管３４が並べられている。より具体的には、上部グループの伝熱管３４は、１０段の管Ｔ１〜Ｔ１０を含み、下部グループの伝熱管３４は、１０段の管Ｔ１１〜Ｔ２０を含む。図９Ａから最もよく理解されるように、伝熱管３４の上下のグループ（管段Ｔ１〜Ｔ２０）は、位置Iにおいて支持プレート３２により覆われていない。一方、位置IIにおいて、上部グループの伝熱管３４（管段Ｔ１〜Ｔ１０）は支持プレート３２によって覆われていないが、位置IIにおいて、下部グループの伝熱管３４（管段Ｔ１１〜Ｔ２０）は支持プレート３２により覆われている。図９Ｂのグラフは、位置Iにおいて、上部の伝熱管３４から下部の伝熱管３４へと（管層Ｔ１から管層Ｔ２０へと）、伝熱性能が徐々に低下することを示している。位置Iにおける伝熱性能の低下は、下部の伝熱管３４の周囲に形成される液体冷媒層の厚さによるものであり、これは増加して、断熱効果を引き起こして伝熱透過を低下させる。図９Ｂに示すように、位置Iにおける平均伝熱係数Ｕは６．９である。一方、図９Ｃのグラフは、下部グループの伝熱管３４の先頭（すなわち、管層Ｔ１１）で伝熱性能が向上し、位置IIでは性能低下が全体的に低減されることを示している。支持プレート３２は、液体冷媒を補足し排出することができ、液体冷媒層の厚さを増加させず、断熱効果を可能な限り排除し、管は位置IIで完全な伝熱を回復可能にする。図９Ｃでは、位置IIにおける平均伝熱係数Ｕは７．７である。

ここで図１０を参照すると、図１０は、ＣＯＰ（性能係数）とＵ（伝熱性能）との関係を示している。図１０から分かるように、伝熱性能が大きくなると、ＣＯＰが大きくなる。したがって、管束３０の伝熱管３４における伝熱性能を改善することが望ましいことが発見された。さらに、傾斜した支持プレート３２を設けることにより、伝熱性能を改善できることが発見された。例えば、図９Ａ〜９Ｃに示すように、位置IIにおける伝熱管３４の伝熱性能は、傾斜した支持プレート３２を設けることにより、位置Iにおける伝熱管３４と比較して改善される。図１０に示されるように、位置I（先行技術）での平均伝熱係数Ｕと比較して、位置II（本発明）での平均伝熱係数Ｕは、大きなＣＯＰを達成する。

＜用語の一般的な解釈＞
本発明の範囲を理解する上で、本明細書で使用される「備える」という用語およびその派生語は、述べられた特徴、要素、構成要素、グループ、整数、および／又はステップの存在を指定するオープンエンドの用語であることを意図する。しかし、他の記載されていない特徴、要素、構成要素、グループ、整数および／又はステップの存在を排除しない。前述のことは、用語「含む」、「有する」およびそれらの派生語などの類似の意味を有する単語にも適用される。また、単数形で使用される場合の「部」、「セクション」、「部分」、「部材」又は「要素」という用語は、単一又は複数の二重の意味を有することができる。上記実施形態を説明するために本明細書で使用される場合、以下の方向用語「上部」、「下部」、「上方」、「下方に」、「鉛直」、「水平」、「下方」および「横方向」、ならびに、他の同様の方向用語は、その長手方向中心軸が図４および図５に示すように実質的に水平に配向されているときの、凝縮器のこれらの方向を指す。したがって、本発明を説明するために利用されるこれらの用語は、通常の動作位置で使用されるような凝縮器に関して解釈されるべきである。最後に、本明細書で使用される「実質的に」、「約」および「およそ」などの程度の用語は、最終結果が有意に変化しないような、変更される用語の妥当な量の偏差を意味する。

選択された実施形態のみが本発明を説明するために選択されたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正が可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、様々な構成要素のサイズ、形状、位置又は向きは、必要に応じておよび／又は所望に応じて変更することができる。互いに直接接続又は接触していると示されている構成要素は、それらの間に配置される中間構造を有することができる。１つの要素の機能は２つの要素で実行でき、その逆も可能である。一実施形態の構造および機能は、他の実施形態でも採用することができる。特定の実施形態に全ての利点が同時に存在する必要はない。先行技術に対して特有のあらゆる特徴は、単独で又は他の特徴と組み合わせて、そのような特徴によって具体化される構造的および／又は機能的概念を含む、本出願人に係るさらなる発明の別々の説明と見なされるべきである。したがって、本発明に係る実施形態の前述の説明は、例示のみを目的として提供されており、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって定義される本発明を限定する目的ではない。

Claims (14)

1. 蒸気圧縮式システムで使用するように適合された凝縮器であって、
   少なくともガス冷媒を含む冷媒が流れる冷媒入口と、少なくとも液体冷媒を含む冷媒が流れる冷媒出口と、を有するシェルであって、前記シェルの長手方向中心軸が水平面とほぼ平行に延びるシェルと、
   前記シェルの内部に配置される複数の伝熱管を含み、前記冷媒入口から前記管束へと吐出される冷媒を受ける管束であって、前記伝熱管は前記シェルの前記長手方向中心軸と略平行に延びる管束と、
   前記シェル内で、前記管束の前記複数の伝熱管を支持するように構成および配置される管支持構造と、
   を備え、
   前記管支持構造は、前記シェルの長手方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている複数の管支持プレートを含み、前記管支持プレートのそれぞれは、前記シェルの前記長手方向中心軸に垂直な鉛直方向に対して傾斜し、
   前記複数の管支持プレートは、上方から見たときに互いに重なるように配置されており、前記複数の管支持プレートの１つの上端が、その前記管支持プレートに前記シェルの前記長手方向に沿って隣接して配置される、前記複数の管支持プレートのうちの隣接する前記管支持プレートの下端と重なる、
   凝縮器。
2. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは平面状である、
   請求項１に記載の凝縮器。
3. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記管束の上方から前記管束の下方まで延びる、
   請求項１または２に記載の凝縮器。
4. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記管束の前記複数の伝熱管を受ける孔を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の凝縮器。
5. 前記複数の管支持プレートのそれぞれの前記孔は、前記孔に嵌合する前記複数の伝熱管を有する、
   請求項４に記載の凝縮器。
6. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記シェルの前記長手方向中心軸に垂直な鉛直方向に対して４５度から８０度の角度で傾斜している、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の凝縮器。
7. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記シェルの前記長手方向中心軸に垂直な鉛直方向に対して５０度から７５度の角度で傾斜している、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の凝縮器。
8. 前記複数の管支持プレートは、前記シェルの前記長手方向に沿って互いに等間隔で配置されている、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の凝縮器。
9. 前記複数の管支持プレートは、上方から見たときに前記シェルの前記長手方向中心軸の大部分を覆うように配置されている、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の凝縮器。
10. 前記複数の管支持プレートは、前記シェルの前記長手方向中心軸に対して同じ角度で傾斜している、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の凝縮器。
11. 前記管支持構造は、前記シェルの前記長手方向中心軸にほぼ平行に延びるプレート支持部材を含み、前記プレート支持部材は前記複数の管支持プレートを支持する、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の凝縮器。
12. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記管支持プレートの上部にノッチを有する、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載の凝縮器。
13. 前記複数の管支持プレートのそれぞれは、前記管支持プレートの底部にノッチを有する、
    請求項１から１２のいずれか１項に記載の凝縮器。
14. 冷媒はＲ１２３３ｚｄである、
    請求項１から１３のいずれか１項に記載の凝縮器。

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