JP7174927B2 - シェルアンドチューブ式熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器に関する。

シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェルと、シェルの内部に配置された複数の伝熱管とを備えている。シェルの内部において、伝熱管は、例えば、格子状に並べられている。液相の冷媒を伝熱管に滴下させることができるように、伝熱管の上方に液体散布装置が配置されている。

図１４は、特許文献１に記載された液体散布装置３００を示している。液体散布装置３００は、トレイ３０１及びガイド体３０２を備えている。ガイド体３０２には、塞止壁３０５が設けられている。塞止壁３０５は、長辺側せき部３０３及び短辺側せき部３０４を有している。液体散布装置３００から伝熱管に向けて液相の冷媒が滴下される。

特許第３２８７０６４号公報

重力方向における伝熱管の段数が多かったり、冷媒の散布量が少なかったりすると、下段領域の伝熱管にドライアウト面が形成されがちである。ドライアウト面が形成されると、シェルアンドチューブ式熱交換器は、持っている能力を十分に発揮できない。

本開示は、伝熱管にドライアウト面が形成されにくいシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。

本開示は、
液相の冷媒を貯留する冷媒貯留部を有するシェルと、
前記シェルの内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
前記冷媒貯留部に連通し、前記複数の伝熱管に向かって延びている循環路と、
前記循環路に設けられ、前記複数の伝熱管に向かって前記液相の冷媒を噴霧する複数のノズルと、
を備え、
前記複数のノズルは、前記伝熱管の長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第１ノズルと、前記複数の第１ノズルの下方において前記伝熱管の前記長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第２ノズルと、を含む、シェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。

本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器によれば、伝熱管にドライアウト面が形成されにくい。

図１は、本開示の実施形態１に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の断面図である。 図２は、図１に示すシェルアンドチューブ式熱交換器の側面図である。 図３は、冷媒の噴霧方向を示す平面図である。 図４は、変形例１に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の断面図である。 図５は、変形例１のシェルアンドチューブ式熱交換器における作用を説明する図である。 図６は、変形例２に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の断面図である。 図７は、変形例３に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の断面図である。 図８は、図７に示すシェルアンドチューブ式熱交換器の側面図である。 図９は、変形例３のシェルアンドチューブ式熱交換器の平面投影図である。 図１０は、変形例３のシェルアンドチューブ式熱交換器の部分拡大断面図である。 図１１は、変形例４に係るシェルアンドチューブ式熱交換器の断面図である。 図１２は、本開示の実施形態２に係る熱交換ユニットの断面図である。 図１３は、本開示の実施形態３に係る冷凍機の構成図である。 図１４は、特許文献１に記載された液体散布装置の断面図である。

（本開示の基礎となった知見）
シェルアンドチューブ式熱交換器においては、伝熱管の外部の液膜の熱抵抗が伝熱を律速する。熱通過率を向上させるには、冷媒の散布量を減らして液膜を均一に薄膜化することが有効である。特許文献１に記載された液体散布装置を使用すれば、伝熱管の長手方向において冷媒を均一に滴下させることが可能である。

しかし、液相の冷媒は、上段領域の伝熱管から下段領域の伝熱管へと流れ落ちる過程で表面張力によって合流するので、下段領域の伝熱管にドライアウト面が形成されやすい。ドライアウト面の形成を抑制しつつ、冷媒の散布量を減らして伝熱管の表面の液膜を均一に薄膜化することは容易ではない。

（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、
液相の冷媒を貯留する冷媒貯留部を有するシェルと、
前記シェルの内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
前記冷媒貯留部に連通し、前記複数の伝熱管に向かって延びている循環路と、
前記循環路に設けられ、前記複数の伝熱管に向かって前記液相の冷媒を噴霧する複数のノズルと、
を備え、
前記複数のノズルは、前記伝熱管の長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第１ノズルと、前記複数の第１ノズルの下方において前記伝熱管の前記長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第２ノズルと、を含む。

第１態様によれば、長手方向及び段方向において各伝熱管に均一に冷媒が供給される。そのため、下段領域の伝熱管にドライアウト面が形成されにくく、冷媒の散布量を減らして液膜を均一に薄膜化することができる。その結果、蒸発熱伝達を律速する液膜の熱抵抗が低減され、熱通過率が向上する。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記複数のノズルから選ばれる少なくとも１つの前記ノズルの位置は、重力方向において互いに隣り合う前記伝熱管と前記伝熱管との間の空間を前記冷媒の噴霧流の中心軸が通るように定められていてもよい。このような構成によれば、列方向において、ノズルの近くにある伝熱管だけでなく、ノズルから離れた位置にある伝熱管にも冷媒を噴霧することができる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記複数の伝熱管から選ばれる少なくとも１つの前記伝熱管は、前記噴霧流の前記中心軸に交差する表面を有していてもよい。このような構成によれば、冷媒の散布量を減らして下段領域及び中段領域の伝熱管の表面の液膜を均一に薄膜化できることに加え、ノズルから離れた列に属する伝熱管の群においても液膜を均一に薄膜化できる。

本開示の第４態様において、例えば、第２又は第３態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記複数の伝熱管は、重力方向に並んだ第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管を含んでいてもよく、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間隔は、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管との間隔よりも広くてもよく、前記ノズルの位置は、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間の空間を前記噴霧流の前記中心軸が通るように定められていてもよい。このような構成によれば、列方向への噴霧流の到達距離が伸びる。

本開示の第５態様において、例えば、第１から第４態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器は、重力方向において互いに隣り合う前記伝熱管と前記伝熱管との間に配置された排液トレイをさらに備えていてもよい。このような構成によれば、下段領域の伝熱管の表面の液膜を均一に薄膜化できることに加えて、中段領域の伝熱管においても液膜を均一に薄膜化できる。

本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記排液トレイは、前記伝熱管の前記長手方向に延びていてもよい。このような構成によれば、上の伝熱管から下の伝熱管へと流れ落ちる冷媒を確実に受け止めることができる。

本開示の第７態様において、例えば、第５又は第６態様に係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記排液トレイは、前記重力方向において、前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間に位置していてもよい。このような構成によれば、第１ノズルから噴霧された冷媒を排液トレイで効果的に集めることができる。

本開示の第８態様において、例えば、第５から第７態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記長手方向及び前記重力方向の両方向に対して垂直な方向を列方向と定義し、前記複数の伝熱管及び前記排液トレイを平面視したとき、前記排液トレイは、前記列方向の最も端に位置している前記伝熱管を超える位置まで延びていてもよい。このような構成によれば、排液トレイによって冷媒を確実に集めることができるとともに、集められた冷媒が排液トレイの下方の伝熱管に再度滴下されることも防止できる。

本開示の第９態様において、例えば、第５から第８態様のいずれか１つに係るシェルアンドチューブ式熱交換器では、前記排液トレイが前記重力方向に対して傾斜していてもよい。このような構成によれば、集められた冷媒が排液トレイの外部へとスムーズに排出されうる。

本開示の第１０態様に係る熱交換ユニットは、
第１熱交換器と、
第２熱交換器と、
前記第１熱交換器から前記第２熱交換器への経路上に配置されたエリミネータと、
を備え、
前記第１熱交換器が第１から第９態様のいずれか１つのシェルアンドチューブ式熱交換器である。

第１０態様によれば、高い熱交換能力を有する小型な熱交換ユニットを提供することができる。

本開示の第１１態様に係る冷凍機は、
第１から第９態様のいずれか１つのシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸発器として備えている。

第１１態様によれば、優れたＣＯＰを有する小型な冷凍機を提供することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係るシェルアンドチューブ式熱交換器１０の断面を示している。図２は、図１に示すシェルアンドチューブ式熱交換器１０の側面を示している。本明細書において、「シェルアンドチューブ式熱交換器」を単に「熱交換器」と記載することがある。

図１及び図２に示すように、熱交換器１０は、シェル２及び複数の伝熱管３を備えている。複数の伝熱管３は、シェル２の内部に互いに平行に配置されている。複数の伝熱管３は、それぞれ、直線状であり、シェル２の互いに向かい合う面を貫通している。

シェル２は、例えば、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。シェル２は、液相の冷媒を貯留するとともに、シェル２の内部の気相の冷媒を外気（例えば、大気圧の空気）から隔離する。本実施形態では、シェル２の底部の空間が液相の冷媒を貯留する冷媒貯留部２ａとして機能する。

シェル２は、冷媒流出口４を有する。冷媒流出口４を通じて、シェル２の外部に気相の冷媒が流出する。冷媒流出口４は、配管によって構成されていてもよく、単なる開口部であってもよく、配管を接続可能なフランジ部であってもよい。配管は、断熱性及び耐圧性を有していてもよい。

熱交換器１０がガス式チラーにおける蒸発器である場合、気相の冷媒の流出先は、吸収器である。熱交換器１０が電気式チラーにおける蒸発器である場合、気相の冷媒の流出先は、圧縮機である。

シェル２には、図示しない冷媒流入口を通じて、液相又は気液二相の冷媒が流入する。

複数の伝熱管３は、シェル２の内部において、複数段及び複数列で規則的に並べられている。規則的な並びは、伝熱管３の表面における液膜の均一な薄膜化に有利である。

複数の伝熱管３は、例えば、正方格子における格子点に各伝熱管３の中心が位置するように配置されている。伝熱管３の並び方向に関して、例えば、段方向が重力方向に平行であり、列方向が水平方向に平行である。伝熱管３の長手方向は、段方向及び列方向に垂直である。伝熱管３の長手方向も水平方向に平行である。図１及び図２において、段方向は、Ｚ方向に一致する。列方向は、Ｘ方向に一致する。伝熱管３の長手方向は、Ｙ方向に一致する。ただし、伝熱管３の並べ方は特に限定されない。複数の伝熱管３は、矩形格子における格子点に各伝熱管３の中心が位置するように配置されていてもよい。図１の例において、伝熱管３は、１０段及び４列で並べられている。段数及び列数も特に限定されない。

伝熱管３を構成する配管は、管の内部、管の外部又はその両方に溝加工が施された加工管であってもよい。

伝熱管３の内部には、冷媒と熱交換する熱媒体５が流れる。熱媒体５は、水、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの流体である。熱媒体５は、例えば、フィンアンドチューブ式熱交換器などの熱交換器を介して大気中の熱を吸熱し、熱交換器１０の各伝熱管３に流入する。各伝熱管３において、熱媒体５は、冷媒によって冷却される。

熱交換器１０には、単一の種類の冷媒が充填されうる。冷媒としては、フロン冷媒、低ＧＷＰ（global warming potential）冷媒、自然冷媒などが挙げられる。フロン冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）、ＨＦＣ（hydrofluorocarbon）などが挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、ＨＦＯ－１２３４ｙｆなどが挙げられる。自然冷媒としては、ＣＯ₂、水などが挙げられる。

一般に、水などの低圧冷媒を用い、かつ、満液式のシェルアンドチューブ式蒸発器を用いた場合には、蒸発圧力への冷媒水位ヘッドの影響が大きくなりやすいため、液体散布装置を採用することが多い。水などの低圧冷媒を用い、かつ、本開示の熱交換器１０を用いた場合、熱通過率の改善割合が増加する。さらに、低圧冷媒を用いた場合には、気相の冷媒の比容積が大きいので熱交換器の寸法も大きくなりやすい。本開示の技術を採用すれば、熱通過率の向上による熱交換器１０の更なる小型化も期待できる。

熱交換器１０は、循環路６及び複数のノズル８をさらに備えている。複数のノズル８は、循環路６に設けられている。

循環路６は、シェル２の冷媒貯留部２ａに連通し、複数の伝熱管３に向かって延びている。循環路６は、配管によって構成されている。配管は、断熱性及び耐圧性を有していてもよい。循環路６は、シェル２に貯留された液相の冷媒を抜き取り、再度、シェル２に供給するための流路である。

本実施形態において、循環路６の入口が冷媒貯留部２ａに向かって開口している。循環路６は、シェル２の外部を通って上方向に延び、シェル２の内部に再び導入されている。循環路６は、複数の分岐部分６ｂを含む。詳細には、循環路６は、重力方向（Ｚ方向）における複数の分岐位置で分岐している。分岐部分６ｂは、各分岐位置から伝熱管３の長手方向に沿って延びている。分岐部分６ｂのそれぞれにノズル８が設けられている。１つの分岐部分６ｂに複数のノズル８が設けられていてもよい。

循環路６には、ポンプ７が設けられている。ポンプ７は、例えば、速度型ポンプである。速度型ポンプ（ターボポンプ）とは、冷媒に運動量を与え、その後、減速させることによって冷媒の圧力を上昇させるポンプである。速度型ポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。ポンプ７は、インバータによって駆動されるモータなど、回転数を変化させるための機構を備えていてもよい。

循環路６には、冷媒のフラッシュ蒸発を防止するための絞り弁が設けられていてもよい。

複数のノズル８のそれぞれは、複数の伝熱管３に向けて液相の冷媒を噴霧する役割を担う。複数のノズル８は、複数の第１ノズル８ａ及び複数の第２ノズル８ｂを含む。複数の第１ノズル８ａは、伝熱管３の長手方向（Ｙ方向）に沿って循環路６に設けられている。複数の第２ノズル８ｂは、複数の第１ノズル８ａの下方において伝熱管３の長手方向に沿って循環路６に設けられている。本実施形態では、重力方向における上側に位置している分岐部分６ｂのそれぞれに第１ノズル８ａが設けられており、重力方向における下側に位置している分岐部分６ｂのそれぞれに第２ノズル８ｂが設けられている。

本実施形態によれば、ノズル８によって、横方向から伝熱管３に冷媒が噴霧される。これにより、長手方向及び段方向において各伝熱管３に均一に冷媒が供給される。そのため、下段領域の伝熱管３にドライアウト面が形成されにくく、冷媒の散布量を減らして液膜を均一に薄膜化することができる。その結果、蒸発熱伝達を律速する液膜の熱抵抗が低減され、熱通過率が向上する。冷凍サイクルの蒸発器に熱交換器１０を適用する場合には、冷凍サイクルのＣＯＰ（coefficient of performance）を向上させることができる。蒸発器の更なる小型化も可能である。

「ドライアウト面」は、冷媒の液膜が存在しない面を意味する。

本実施形態において、全てのノズル８は、例えば、最上段の伝熱管３よりも下方に設けられている。このような構成によれば、横方向から伝熱管３に効率的に冷媒を噴霧することができ、無駄な噴霧が生じにくい。

ノズル８は、例えば、圧力噴射型の噴霧ノズルである。圧力噴射型の噴霧ノズルは、加圧された冷媒を入口から受け入れ、ノズルの内部の旋回機構によって冷媒に旋回力を与え、空間に噴射するように構成されている。それにより、噴射された冷媒は、旋回速度による遠心力で円錐状に広がり、薄膜化及び液糸化された後、液滴群へと分裂する。

第１ノズル８ａ及び第２ノズル８ｂは、同一の噴射ノズルでありうる。ただし、第１ノズル８ａの構造及び寸法が第２ノズル８ｂの構造及び寸法と異なっていてもよい。

複数のノズル８から選ばれる少なくとも１つのノズル８の位置は、重力方向において互いに隣り合う伝熱管３と伝熱管３との間の空間を冷媒の噴霧流の中心軸Ｏが通るように定められている。このような構成によれば、列方向において、ノズル８の近くにある伝熱管３だけでなく、ノズル８から離れた位置にある伝熱管３にも冷媒を噴霧することができる。本実施形態では、全ての噴霧流の中心軸Ｏが重力方向において互いに隣り合う伝熱管３と伝熱管３との間の空間を通っている。「噴霧流の中心軸Ｏ」は、ノズル８の中心軸と捉えることもできる。噴霧流の中心軸Ｏは、ノズル８の開口の中心を通る軸でありうる。

重力方向において、第１ノズル８ａと第２ノズル８ｂとの間には、複数段の伝熱管３が存在している。第１ノズル８ａと第２ノズル８ｂとの間に存在する伝熱管の数（段数）を適切に調整することによって、必要最小限の数のノズル８で最大の効果が得られる。

重力方向又は水平方向において互いに隣り合う伝熱管３と伝熱管３との間隔（最短距離）は、例えば、伝熱管３の外径よりも小さい。このような構成によれば、熱交換器１０を小型化しやすい。ただし、伝熱管３と伝熱管３との間隔は、伝熱管３の外径以上であってもよい。

図３は、冷媒の噴霧方向を示している。図３に示すように、ノズル８は、伝熱管３の並び方向である列方向（Ｘ方向）及び伝熱管３の長手方向（Ｙ方向）の両方向に対して傾いている。具体的には、ノズル８によって作り出された冷媒の噴霧流の中心軸Ｏが列方向（Ｘ方向）に対して傾斜している。このような構成によれば、必要最小限の数のノズル８によって広範囲にわたって冷媒を噴霧することができる。このことは、伝熱管３の表面における液膜の均一な薄膜化にも寄与する。

本実施形態において、列方向に対する中心軸Ｏの傾斜角度θは、３０度である。噴霧流の広がり角度は、例えば、６０度である。傾斜角度θは、噴霧流の広がり角度の半分でありうる。傾斜角度θは、ノズル８の数、隣り合うノズル８の間隔などの条件に応じて定められる。

図１に示すように、複数のノズル８は、列方向（Ｘ方向）の一方側にのみ配置されている。ノズル８が配置されている側とは反対側に冷媒流出口４が存在する。このような配置及び位置関係によれば、複数のノズル８による占有体積を減らして熱交換器１０を小型化することが容易である。

次に、熱交換器１０の作用を詳しく説明する。

例えば、熱交換器１０が蒸発器であり、熱交換器１０が一定期間（例えば夜間）放置された場合、熱交換器１０の内部の温度は、周囲温度に概ね均衡する。熱交換器１０の内部の圧力は、特定の圧力に均衡する。例えば、周囲温度が２５℃のとき、熱交換器１０の内部の温度も２５℃に均衡する。伝熱管３には、外部より吸熱した熱媒体５が流れている。例えば、１２℃の熱媒体５が伝熱管３に流入する。ポンプ７を起動すると、冷媒貯留部２ａに貯留された冷媒がシェル２から抜き取られ、循環路６及びノズル８を通じて伝熱管３に噴霧される。複数のノズル８が段方向（重力方向）及び伝熱管３の長手方向に沿って配置されているので、段方向及び伝熱管３の長手方向において、各伝熱管３に均一に冷媒が噴霧される。

ガス式チラーの吸収器又は電気式チラーの圧縮機によって気相の冷媒がシェル２から引き抜かれると、シェル２の内部の圧力は徐々に低下する。ノズル８から噴霧された冷媒の温度がある圧力での飽和温度を上回ると噴霧された冷媒が蒸発する。蒸発潜熱によって冷媒自身が冷却されることによって、シェル２に貯留された冷媒の温度が徐々に低下する。冷媒の温度が熱媒体５の温度（例えば１２℃）を下回ると、熱媒体５は、伝熱管３を介して、伝熱管３に噴霧された冷媒によって冷却される。

伝熱管３に噴霧された冷媒は、熱媒体５から熱を受け取って蒸発する。これにより、熱交換器１０は、定常的な蒸発運転状態となる。定常的な蒸発運転時において、例えば、冷媒の温度は６℃であり、熱交換器１０への熱媒体５の流入温度は１２℃であり、熱交換器１０からの熱媒体５の流出温度は７℃である。７℃の熱媒体５は、ビル空調又はプロセス冷却の冷熱源として利用される。

本実施形態の構成によれば、冷媒を伝熱管の上方から散布する従来構成と比較して、約１．２倍の熱通過率を達成することが可能であり、約１７％の小型化が可能である。

次に、いくつかの変形例に係るシェルアンドチューブ式熱交換器を説明する。先に説明した実施形態と変形例とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。実施形態及び変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、実施形態及び変形例が相互に組み合わされてもよく、変形例同士が相互に組み合わされてもよい。

（変形例１）
図４は、変形例１に係るシェルアンドチューブ式熱交換器２０の断面を示している。図２に示すように、本変形例の熱交換器２０において、複数の伝熱管３から選ばれる少なくとも１つの伝熱管３は、冷媒の噴霧流の中心軸Ｏに交差する表面を有する。本変形例では、ノズル８に最も近い列以外の特定の列に属する伝熱管３に噴霧流の中心軸Ｏが交差するように、複数の伝熱管３の位置が重力方向にオフセットしている。ノズル８から横方向（Ｘ方向）を見たとき、オフセットした伝熱管３の表面（半球面）を見ることができる。

詳細には、複数の第１ノズル８ａ及び複数の第２ノズル８ｂのそれぞれの正面に伝熱管３が位置するように、第１ノズル８ａ及び第２ノズル８ｂに最も近い列以外の特定の列に属する複数の伝熱管３が重力方向にオフセットしている。本変形例では、「特定の列」は、ノズル８から最も遠い列に隣接する列である。特定の列に属する複数の伝熱管３の位置が重力方向にオフセットしている。本変形例では、特定の列に属する伝熱管３の数が他の列に属する伝熱管３の数よりも少ない。

図５は、熱交換器２０における作用を説明している。図５に示すように、本変形例によれば、ノズル８から噴霧された冷媒は、噴霧流の中心軸Ｏと交差する位置に配置された伝熱管３に衝突する。これにより、冷媒の噴霧方向が変化し、ノズル８から離れた列に属する伝熱管３の群にも冷媒が効果的に供給される。つまり、ノズル８の死角を減少させることができる。本変形例によれば、冷媒の散布量を減らして下段領域及び中段領域の伝熱管３の表面の液膜を均一に薄膜化できることに加え、ノズル８から離れた列に属する伝熱管３の群においても液膜を均一に薄膜化できる。その結果、蒸発熱伝達を律速する液膜の熱抵抗が低減され、熱通過率が向上する。冷凍サイクルの蒸発器に熱交換器２０を適用する場合には、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。本変形例の構成は、特に、列数が多い大能力の蒸発器に適している。蒸発器の更なる小型化も可能である。

本変形例によれば、ノズル８から噴霧された冷媒がどの伝熱管３にも衝突することなく、シェル２の内壁に到達することを防止できる。

（変形例２）
図６は、変形例２に係るシェルアンドチューブ式熱交換器３０の断面を示している。図６に示すように、本変形例の熱交換器３０において、複数の伝熱管３は、重力方向に並んだ第１伝熱管３ａ、第２伝熱管３ｂ及び第３伝熱管３ｃを含む。言い換えれば、第１伝熱管３ａ、第２伝熱管３ｂ及び第３伝熱管３ｃのそれぞれは、互いに異なる段に属する伝熱管３である。第１伝熱管３ａと第２伝熱管３ｂとが重力方向において互いに隣接し、第２伝熱管３ｂと第３伝熱管３ｃとが重力方向において互いに隣接する。第１伝熱管３ａと第２伝熱管３ｂとの間隔（最短距離）は、第２伝熱管３ｂと第３伝熱管３ｃとの間隔（最短距離）よりも広い。ノズル８の位置は、第１伝熱管３ａと第２伝熱管３ｂとの間の空間を噴霧流の中心軸Ｏが通るように定められている。このような構成によれば、列方向への噴霧流の到達距離が伸びる。このことは、熱交換器２０の小型化に寄与するだけでなく、伝熱管３の表面における液膜の均一な薄膜化にも寄与する。本変形例の構成は、本開示の他の熱交換器にも適用可能である。本変形例の構成は、特に、図４を参照して説明した変形例１に係る熱交換器２０との相性が良好である。

（変形例３）
図７は、変形例３に係るシェルアンドチューブ式熱交換器４０の断面を示している。図８は、図７に示すシェルアンドチューブ式熱交換器４０の側面を示している。

本変形例の熱交換器４０は、排液トレイ９をさらに備えている。排液トレイ９は、重力方向において互いに隣り合う伝熱管３と伝熱管３との間に配置されている。排液トレイ９は、例えば、ステンレス板などの金属板によって構成されている。排液トレイ９が断熱性及び耐圧性を有していてもよい。排液トレイ９は、例えば、シェル２に固定されている。

排液トレイ９は、上の伝熱管３から下の伝熱管３へと流れ落ちる冷媒を受け止め、平面視で伝熱管３が配置されていない領域に集めた冷媒を導いて排出する。上段領域の伝熱管３に向けて噴霧された冷媒は、排液トレイ９の働きによって中段領域で排除されるため、中段領域の伝熱管３に供給される冷媒の量が低減される。本変形例によれば、下段領域の伝熱管３の表面の液膜を均一に薄膜化できることに加えて、中段領域の伝熱管３においても液膜を均一に薄膜化できる。その結果、蒸発熱伝達を律速する液膜の熱抵抗が低減され、熱通過率が向上する。冷凍サイクルの蒸発器に熱交換器４０を適用する場合には、冷凍サイクルのＣＯＰを向上させることができる。蒸発器の小型化も可能である。特に、中段領域の伝熱管３における熱通過率を向上させることができるので、伝熱管３の段数が多い場合の熱通過率の向上効果が大きい。したがって、本変形例によれば、熱交換器４０を列方向に小型化しやすい。

本変形例の構成によれば、冷媒を伝熱管の上方から散布する従来構成と比較して、約１．４倍の熱通過率を達成することが可能であり、約２９％の小型化が可能である。

排液トレイ９は、伝熱管３の長手方向（Ｙ方向）に延びている。このような構成によれば、上の伝熱管３から下の伝熱管３へと流れ落ちる冷媒を確実に受け止めることができる。伝熱管３の長手方向に沿って複数のノズル８が配置されているとき、排液トレイ９は、伝熱管３の長手方向の両端に位置する１対のノズル８によって挟まれた領域をカバーする大きさを有する。

排液トレイ９は、重力方向において、第１ノズル８ａと第２ノズル８ｂとの間に位置している。このような構成によれば、第１ノズル８ａから噴霧された冷媒を排液トレイ９で効果的に集めることができる。

例えば、第２ノズル８ｂの噴霧流の中心軸Ｏに隣接し、かつ、第２ノズル８ｂの噴霧流の中心軸Ｏよりも重力方向の上側に位置している段を第１基準段と定義する。第１基準段に隣接し、かつ、第１基準段よりも重力方向の上側に位置している段を第２基準段と定義する。排液トレイ９は、第１基準段に属する伝熱管３と第２基準段に属する伝熱管３との間に配置されうる。

図９は、熱交換器４０を水平面（ＸＹ平面）に投影したときのノズル８、伝熱管３及び排液トレイ９の位置関係を示している。図１０は、熱交換器４０の断面を部分的に拡大して示している。

先に説明したように、伝熱管３の長手方向及び重力方向の両方向に対して垂直な方向を列方向と定義する。図９において、列方向は、Ｘ方向である。複数の伝熱管３及び排液トレイ９を平面視したとき、排液トレイ９は、ノズル８から最も遠い列に属する伝熱管３を超える位置まで延びている。熱交換器４０において、伝熱管３は、４列で並んでいる。排液トレイ９は、平面視で矩形の形状を有する。排液トレイ９は、列方向において、第１列の伝熱管３を超えており、第４列の伝熱管３も超えている。排液トレイ９の一辺は、シェル２の内壁とノズル８から最も遠い列に属する伝熱管３との間に位置している。このような構成によれば、排液トレイ９によって冷媒を確実に集めることができるとともに、集められた冷媒が排液トレイ９の下方の伝熱管３に再度滴下されることも防止できる。

図１０に示すように、列方向において、排液トレイ９がノズル８を超える位置まで延びている。このような構成によれば、排液トレイ９によって集められた冷媒が排液トレイ９から排出されるとき、排液トレイ９から排出された冷媒が噴霧流に交差することを回避できる。本変形例では、列方向において、排液トレイ９の端部９ｅがノズル８の中心線Ｂを超えた位置にある。排液トレイ９から排出された冷媒がノズル８に直接的に滴下されないように、ノズル８と排液トレイ９との位置関係が定められていてもよい。

図１０に示すように、排液トレイ９は、重力方向に対して傾斜している。詳細には、排液トレイ９は、列方向（Ｘ方向）及び重力方向（Ｚ方向）の両方向に対して傾斜している。このような構成によれば、集められた冷媒が排液トレイ９の外部へとスムーズに排出されうる。例えば、ノズル８に近い側の端部が下側に位置し、ノズル８から遠い側の端部が上側に位置するように、排液トレイ９の傾斜方向が定められている。排液トレイ９の傾斜角度は、上側の伝熱管３及び下側の伝熱管３に排液トレイ９が接触しない範囲で調節されうる。ただし、排液トレイ９が伝熱管３に接していてもよい。排液トレイ９は、伝熱管３の長手方向に平行であってもよい。

熱交換器４０は、複数の排液トレイ９を備えていてもよい。例えば、重力方向において複数のノズル８がＮ段（Ｎは整数）で設けられていると仮定する。このとき、排液トレイ９の数は、例えば（Ｎ－１）である。上から数えて第Ｍ番目の排液トレイ９は、上から数えて第Ｍ番目のノズル８と第（Ｍ＋１）番目のノズル８との間に配置されうる（Ｍは、Ｍ≦Ｎ－１を満たす整数）。

（変形例４）
図１１は、変形例４に係るシェルアンドチューブ式熱交換器５０の断面を示している。熱交換器５０は、変形例１の熱交換器２０に変形例３の熱交換器４０の排液トレイ９を適用することによって構築されうる。したがって、熱交換器５０によれば、変形例１の熱交換器２０において得られる効果と変形例３の熱交換器４０において得られる効果とが重畳的に得られる。

本変形例の構成によれば、冷媒を伝熱管の上方から散布する従来構成と比較して、約１．５倍の熱通過率を達成することが可能であり、約３３％の小型化が可能である。

（実施形態２）
図１２は、本開示の実施形態２に係る熱交換ユニット１００の断面を示している。図１２に示すように、熱交換ユニット１００は、熱交換器５０（第１熱交換器）、熱交換器５１（第２熱交換器）及びエリミネータ１２を備えている。エリミネータ１２は、熱交換器５０と熱交換器５１との間に配置されている。詳細には、エリミネータ１２は、熱交換器５０から熱交換器５１への経路上に配置されている。熱交換器５０は、図１１を参照して説明したシェルアンドチューブ式熱交換器５０である。本実施形態によれば、高い熱交換能力を有する小型な熱交換ユニット１００を提供することができる。熱交換器５０に代えて、先に説明した他の熱交換器１０，２０，３０又は４０も熱交換ユニット１００に使用可能である。

熱交換器５０は、例えば、蒸発器である。熱交換器５１は、例えば、吸収器である。

熱交換器５１は、シェル５２及び複数の伝熱管５３を備えている。シェル５２の内部に複数の伝熱管５３が互いに平行に配置されている。熱交換器５１は、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器である。吸収器としての熱交換器５１の伝熱管５３の表面には、臭化リチウム水溶液などの溶液の液膜が形成される。蒸発器としての熱交換器５０から流入した気相の冷媒が臭化リチウム水溶液に吸収される。熱交換器５１は、伝熱管５３の表面に液膜を形成するために、散布トレイなどの散布装置を備えていてもよい。

エリミネータ１２は、気液分離流路であり、ステンレス板などの金属板をプレス成形することによって作製されている。熱交換器５０の内部で生成された気相の冷媒は、エリミネータ１２を通って熱交換器５１に流入する。その際、気相の冷媒に含まれた微細な液滴をエリミネータ１２で分離することによって、気相の冷媒に随伴して冷媒の液滴が熱交換器５１に侵入することを阻止できる。

熱交換器５０において、伝熱管３と伝熱管３との間の空間を冷媒の液滴が吹き抜けることを妨げることによって、冷媒の噴霧量を最小化して必要な動力を最小化できる。吸収式冷凍機のように、蒸発器と吸収器とが同一の圧力容器で構成される場合には、吸収器への液相の冷媒の流入を抑制することによって、再生熱量の削減によるＣＯＰの向上も期待できる。

熱交換器５０のシェル２及び熱交換器５１のシェル５２として、単一のシェルが使用されてもよい。言い換えれば、シェル２及びシェル５２は、一体化されていてもよい。

（実施形態３）
図１３は、本開示の実施形態３に係る冷凍機２００の構成を示している。冷凍機２００は、蒸発器２０１、吸収器２０２、再生器２０３、凝縮器２０４及びポンプ２０５を備えている。蒸発器２０１として、実施形態１に係る熱交換器１０が使用されうる。本実施形態によれば、優れたＣＯＰを有する小型な冷凍機２００を提供することができる。熱交換器１０に代えて、熱交換器２０，３０，４０又は５０も使用可能である。

本実施形態において、冷凍機２００は、一重効用サイクルの吸収式冷凍機である。ただし、本開示の熱交換器１０は、二重効用サイクル又は三重効用サイクルの吸収式冷凍機の蒸発器としても使用されうる。再生器２０３の熱源としてガスバーナーを使用したとき、冷凍機２００は、ガス式チラーでありうる。

蒸発器２０１及び吸収器２０２として、図１２を参照して説明した熱交換ユニット１００が使用されてもよい。

本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、吸収式冷凍機に限らず、蒸気圧縮式冷凍機などの他の熱機器にも使用されうる。

本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、水冷チラー、蒸気圧縮式冷凍機、吸収式冷凍機などに幅広く使用されうる。本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、セントラル空調装置、プロセス冷却用のチラーなどの用途にも適している。

２ シェル
２ａ 冷媒貯留部
３ 伝熱管
４ 冷媒流出口
５ 熱媒体
６ 循環路
６ｂ 分岐部分
７ ポンプ
８ ノズル
８ａ 第１ノズル
８ｂ 第２ノズル
９ 排液トレイ
１０，２０，３０，４０，５０ シェルアンドチューブ式熱交換器
１２ エリミネータ
１００ 熱交換ユニット
２００ 冷凍機

Claims (11)

1. 液相の冷媒を貯留する冷媒貯留部を有するシェルと、
   前記シェルの内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
   前記冷媒貯留部に連通し、前記複数の伝熱管に向かって延びている循環路と、
   前記循環路に設けられ、前記複数の伝熱管に向かって前記液相の冷媒を噴霧する複数のノズルと、
   を備え、
   前記複数のノズルは、前記伝熱管の長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第１ノズルと、前記複数の第１ノズルの下方において前記伝熱管の前記長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第２ノズルと、を含み、
   前記複数のノズルから選ばれる少なくとも１つの前記ノズルの位置は、重力方向において互いに隣り合う前記伝熱管と前記伝熱管との間の空間を前記冷媒の噴霧流の中心軸が通るように定められており、
   前記複数の伝熱管は、前記重力方向に並んだ第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管を含み、
   前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、
   前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間隔は、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管との間隔よりも広く、
   前記ノズルの位置は、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間の空間を前記噴霧流の前記中心軸が通るように定められている、シェルアンドチューブ式熱交換器。
2. 前記複数の伝熱管から選ばれる少なくとも１つの前記伝熱管は、前記噴霧流の前記中心軸に交差する表面を有する、請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
3. 前記重力方向において互いに隣り合う前記伝熱管と前記伝熱管との間に配置された排液トレイをさらに備えた、請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
4. 前記排液トレイは、前記伝熱管の前記長手方向に延びている、請求項３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
5. 前記排液トレイは、前記重力方向において、前記第１ノズルと前記第２ノズルとの間に位置している、請求項３又は４に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
6. 前記長手方向及び前記重力方向の両方向に対して垂直な方向を列方向と定義し、
   前記複数の伝熱管及び前記排液トレイを平面視したとき、前記排液トレイは、前記列方向の最も端に位置している前記伝熱管を超える位置まで延びている、請求項３から５のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
7. 前記排液トレイが前記重力方向に対して傾斜している、請求項３から６のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
8. 第１熱交換器と、
   第２熱交換器と、
   前記第１熱交換器から前記第２熱交換器への経路上に配置されたエリミネータと、
   を備え、
   前記第１熱交換器は、
   液相の冷媒を貯留する冷媒貯留部を有するシェルと、
   前記シェルの内部に互いに平行に配置された複数の伝熱管と、
   前記冷媒貯留部に連通し、前記複数の伝熱管に向かって延びている循環路と、
   前記循環路に設けられ、前記複数の伝熱管に向かって前記液相の冷媒を噴霧する複数のノズルと、
   を備え、
   前記複数のノズルは、前記伝熱管の長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第１ノズルと、前記複数の第１ノズルの下方において前記伝熱管の前記長手方向に沿って前記循環路に設けられた複数の第２ノズルと、を含む、熱交換ユニット。
9. 前記複数のノズルから選ばれる少なくとも１つの前記ノズルの位置は、重力方向において互いに隣り合う前記伝熱管と前記伝熱管との間の空間を前記冷媒の噴霧流の中心軸が通るように定められている、請求項８に記載の熱交換ユニット。
10. 前記複数の伝熱管は、前記重力方向に並んだ第１伝熱管、第２伝熱管及び第３伝熱管を含み、
    前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管とが前記重力方向において互いに隣接し、
    前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間隔は、前記第２伝熱管と前記第３伝熱管との間隔よりも広く、
    前記ノズルの位置は、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管との間の空間を前記噴霧流の前記中心軸が通るように定められている、請求項９に記載の熱交換ユニット。
11. 請求項１から７のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器を蒸発器として備えた、又は、請求項８から１０のいずれか１項に記載の熱交換ユニットの前記第１熱交換器を蒸発器として備えた、冷凍機。

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