JP7260822B2

JP7260822B2 - 液冷媒散布装置及び流下液膜式蒸発器

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Publication number: JP7260822B2
Application number: JP2021549019A
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Inventors: 航寺井; 光春沼田; 豊柴田; 宏和藤野
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Publication date: 2023-04-19
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Description

本開示は、液冷媒散布装置及び流下液膜式蒸発器に関する。

従来から、ターボ冷凍機等の冷凍装置において、流下液膜式蒸発器が使用されている。流下液膜式蒸発器においては、タンク内の伝熱管群と、タンクの上方から延び出している蒸気出口管との間に液冷媒散布装置が設けられている。この液冷媒散布装置によって液冷媒を伝熱管群に流下させ、流下してきた液冷媒を伝熱管群によって蒸発させることで、熱交換が行われる。伝熱管群によって蒸発したガス冷媒は、蒸気出口管を通じてタンク外に流出し、圧縮機に送られる。

特許文献１に開示された従来の液冷媒散布装置は、主として、気液二相配管と、３段構成のトレイとから構成される。当該散布装置では、気液二相配管から１段目のトレイに水平方向に気液二相冷媒（液ガス）を吹き出し、１段目のトレイで液ガスをある程度気液分離して２段目のトレイへ液ガスを流下させ、２段目のトレイで液ガスを完全に気液分離して３段目のトレイへ液冷媒のみを流下させ、３段目のトレイから伝熱管群へ液冷媒を散布する。

ＵＳ１０，１３２，５３７Ｂ１

流下液膜式蒸発器において、蒸気出口管からタンク外に放出されるガス冷媒が液冷媒を同伴してしまうキャリーオーバー現象を抑制するためには、液冷媒散布装置の下方に位置する伝熱管群の配置空間を拡張する必要がある。そのためには、流下液膜式蒸発器のタンクのシェル内における液冷媒散布装置の配置位置を上げる必要がある。

しかしながら、従来の液冷媒散布装置では、少なくとも３段構成のトレイを必要とするため、小型化しにくいので、現行サイズのシェル内に従来の液冷媒散布装置を配置位置を上げて収容することができない。

本開示の目的は、流下液膜式蒸発器に用いられる液冷媒散布装置を小型化できるようにすることにある。

本開示の第１の態様は、流下液膜式蒸発器（1）に用いられる液冷媒散布装置（30）であって、気液二相冷媒が流れる気液二相配管（34）と、前記気液二相配管（34）から前記気液二相冷媒が流入する液溜め部（32,33）を有する第１冷媒桶（31）とを備え、前記第１冷媒桶（31）は、前記液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒に含まれる液滴を捕集する液滴捕集部（36）をさらに有することを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１の態様では、ガス冷媒によって液冷媒が第１冷媒桶（31）の外部へ持ち去られることを液滴捕集部（36）により抑制できるため、冷媒桶（トレイ）段数を低減して液冷媒散布装置（30）を小型化することができる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記気液二相配管（34）は、前記気液二相冷媒を前記液溜め部（32,33）に下吹きに放出することを特徴とする液冷媒散布装置である。

第２の態様では、液滴捕集部（36）によって液飛びを防止できる。

本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記気液二相配管（34）の底部は、複数の孔（34a）が設けられたパンチングメタル構造を有し、前記パンチングメタル構造における前記複数の孔（34a）の面積占有率は、前記気液二相配管（34）における前記気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大することを特徴とする液冷媒散布装置である。

第３の態様では、気液二相配管（34）の導入口（34b）から管内の奥にいくほど、気液二相冷媒を液溜め部（32,33）に分配する際の抵抗が小さくなるため、気液二相配管（34）の長手方向における偏流を抑制して、液冷媒の散布性能を向上させることができる。

本開示の第４の態様は、第１～３のいずれか１つの態様において、前記液溜め部（32,33）は、前記気液二相冷媒が流入する一次液溜め（32）と、前記一次液溜め（32）で前記ガス冷媒と分離された液冷媒が流入する二次液溜め（33）とを含み、前記二次液溜め（33）は、前記一次液溜め（32）の側方に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第４の態様では、一次液溜め（32）と二次液溜め（33）とが並置された第１冷媒桶（31）によって、実質的に気液分離が行われると共に、一次液溜め（32）により気液二相冷媒の噴出圧を吸収できるため、二次液溜め（33）への液冷媒の流入速度を低減できる。

本開示の第５の態様は、第４の態様において、前記二次液溜め（33）は、前記一次液溜め（32）からオーバーフローした前記液冷媒を収集するように構成されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第５の態様では、二次液溜め（33）に実質的に液冷媒のみを収集することができる。

本開示の第６の態様は、第１～５のいずれか１つの態様において、前記第１冷媒桶（31）の下側に配置された第２冷媒桶（39）をさらに備え、前記液溜め部（32,33）には、前記液冷媒を前記第２冷媒桶（39）に流下させる連通孔（33a）が設けられ、前記第２冷媒桶（39）に流下した前記液冷媒が、前記流下液膜式蒸発器（1）の伝熱管群（20）に散布されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第６の態様では、２段の冷媒桶（トレイ）で液冷媒散布装置（30）を構成することができる。

本開示の第７の態様は、第１～６のいずれか１つの態様において、前記第１冷媒桶（31）は、前記液溜め部（32,33）で分離された前記ガス冷媒を通過させるガス通過部（37）と、前記ガス通過部（37）を通過した前記ガス冷媒を前記第１冷媒桶（31）から排出するガス排出口（38）とを有することを特徴とする液冷媒散布装置である。

第７の態様では、液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒を第１冷媒桶（31）から排出することができる。

本開示の第８の態様は、第７の態様において、前記ガス通過部（37）の断面積は、前記ガス排出口（38）に近づくに従って増大することを特徴とする液冷媒散布装置である。

第８の態様では、第１冷媒桶（31）内でのガス冷媒の移動速度を均一化できるので、液溜め部（32,33）に収集された液冷媒の液面高さも均一化される。従って、ガス冷媒によって液冷媒がガス排出口（38）から第１冷媒桶（31）の外部へ持ち去られることを抑制できる。

本開示の第９の態様は、第８の態様において、前記ガス通過部（37）の断面積は、前記流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の配置領域で相対的に小さいことを特徴とする液冷媒散布装置である。

第９の態様では、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の断面積（つまり、圧縮機に向かう配管の断面積）を大きく設定できるので、冷凍装置の性能を向上させることができる。

本開示の第１０の態様は、第１～９のいずれか１つの態様において、前記液滴捕集部（36）は、ミストエリミネータであることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１０の態様では、液溜め部（32,33）分離されたガス冷媒に含まれる液滴を効率良く除去できる。

本開示の第１１の態様は、第１～１０のいずれか１つの態様において、前記液滴捕集部（36）は、前記気液二相配管（34）の側部又は上部と隣接して配置されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１１の態様では、液滴が除去されたガス冷媒を送出することができる。

本開示の第１２の態様は、第４の態様において、前記一次液溜め（32）に、前記気液二相冷媒の気液分離を促進する分離促進部（35）が設けられることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１２の態様では、一次液溜め（32）での気液分離をより一層促進することができる。

本開示の第１３の態様は、第１２の態様において、前記分離促進部（35）は、ミストエリミネータであることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１３の態様では、ガス冷媒と液冷媒とを効率良く分離することができる。

本開示の第１４の態様は、第１２又は１３の態様において、前記分離促進部（35）は、前記気液二相配管（34）の下部と隣接するように、前記一次液溜め（32）の全体又は上部に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１４の態様では、気液二相配管（34）から放出される気液二相冷媒が、分離促進部（35）との衝突によって飛散されにくくなる。

本開示の第１５の態様は、第１２又は１３の態様において、前記分離促進部（35）は、前記一次液溜め（32）の下部又は両側部に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置である。

第１５の態様では、気液二相配管（34）からの気液二相冷媒の放出が妨げられにくくなる。

本開示の第１６の態様は、第１～１５のいずれか１つの態様に記載の液冷媒散布装置（30）を備える流下液膜式蒸発器（1）である。

第１６の態様では、液冷媒散布装置（30）を小型化できるため、現行サイズの流下液膜式蒸発器（1）のシェル内において、液冷媒散布装置（30）の配置位置を上げて、伝熱管群（20）の配置空間を拡張できるので、キャリーオーバー現象を抑制することができる。

図１は、実施形態に係る流下液膜式蒸発器の外観図である。図２は、図１に示す流下液膜式蒸発器をタンク長手方向から見た断面図である。図３は、実施形態に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向から見た断面図である。図４は、実施形態に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向に直交する水平方向から見た断面図である。図５は、図４に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図６は、図４に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図７は、図４に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図８は、図４に示す液冷媒散布装置と流下液膜式蒸発器のガス出口管との位置関係を模式的に示す図である。図９は、変形例１に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向から見た断面図である。図１０は、変形例２に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向から見た断面図である。図１１は、変形例３に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向から見た断面図である。図１２は、変形例４に係る液冷媒散布装置をタンク長手方向に直交する水平方向から見た断面図である。図１３は、図１２に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図１４は、図１２に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図１５は、図１２に示す液冷媒散布装置における気液二相配管底部の平面構成の一例を示す図である。図１６は、図１２に示す液冷媒散布装置と流下液膜式蒸発器のガス出口管との位置関係を模式的に示す図である。図１７は、変形例５に係る液冷媒散布装置と流下液膜式蒸発器のガス出口管との位置関係を模式的に示す図である。

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。尚、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、或いはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《実施形態》
〈流下液膜式蒸発器の構成〉
図１は、本実施形態の流下液膜式蒸発器（1）の外観図であり、図２は、図１に示す流下液膜式蒸発器（1）をタンク長手方向から見た断面図である。

流下液膜式蒸発器（1）は、例えばターボ冷凍機等の冷凍装置の蒸発器として使用される。冷凍装置においては、流下液膜式蒸発器（1）と共に、圧縮機、放熱器、膨張機構等（図示省略)が設けられ、これらの機器によって蒸気圧縮式の冷媒回路が構成される。蒸気圧縮式の冷媒回路においては、圧縮機から吐出されたガス冷媒は、放熱器で放熱し、放熱器で放熱した冷媒は、膨張機構で減圧されることによって気液二相状態の冷媒になる。気液二相状態の冷媒は、流下液膜式蒸発器（1）内に流入し、水やブライン等の熱媒体との熱交換によって蒸発してガス冷媒となって、流下液膜式蒸発器（1）から流出する。流下液膜式蒸発器（1）から流出したガス冷媒は、再び、圧縮機に吸入される。一方、水やプライン等の熱媒体との熱交換によって蒸発しきれなかった液冷媒は、液冷媒戻し管等（図示省略）を通じて、流下液膜式蒸発器（1）内に流入する気液二相状態の冷媒と合流し、再び、流下液膜式蒸発器（1）内に流入する。

流下液膜式蒸発器（1）は、図１及び図２に示すように、主として、タンク（10）と、伝熱管群（20）と、液冷媒散布装置（30）とを備える。本実施形態では、流下液膜式蒸発器（1）として、例えば、横置きのシェルアンドチュ一プ型熱交換器を用いてもよい。尚、以下の説明において使用している「上」、「下」、「左」、「右」、「水平」等の方向を示す文言は、図１に示す流下液膜式蒸発器（1）の使用時の設置状態における方向を意味する。

タンク（10）は、主として、シェル（11）と、ヘッド（12a）、（12b）とを有する。本実施形態では、シェル（11）は、長手方向の両端部が開口した横置き円筒形状の部材であってもよい。また、へッド（12a）、（12b）は、シェル（11）の長手方向の両端部の開口を閉じる椀形状の部材であってもよい。

ヘッド（12a）には、熱媒体入口管（14）と、熱媒体出口管（15）とが設けられる。熱媒体入口管（14）は、熱媒体をタンク（10）内の伝熱管群（20）に流入させるための管部材であり、例えば、ヘッド（12a）の下部に設けられる。熱媒体出口管（15）は、熱媒体を伝熱管群（20）からタンク（10）の外部に流出させるための管部材であり、例えば、ヘッド（12a）の上部に設けられる。

シェル（11）には、冷媒流入管（17）と、ガス出口管（18）と、液出口管（19）とが設けられる。冷媒流入管（17）は、気液二相状態の冷媒をタンク（10）のシェル空間（SS）内に流入させるための管部材であり、例えば、シェル（11）の上部で且つシェル（11）の長手方向の左寄りの部分に設けられる。冷媒流入管（17）のシェル（11）内の先端は、タンク（10）に対して冷媒を流入させる冷媒流入口となる。ガス出口管（18）は、伝熱管群（20）で蒸発することによって生成したガス冷媒をシェル空間（SS）の外部に流出させるための管部材である。ガス出口管（18）は、例えば、シェル（11）の上部であって鉛直方向に対して傾斜した位置から延び出すように設けられる。液出口管（19）は、伝熱管群（20）で蒸発しきれなかった液冷媒をシェル空間（SS）の外部に流出させるための管部材であり、例えば、シェル（11）の下部に設けられる。

冷媒流入管（17）を通じてタンク（10）のシェル空間（SS）内に供給される気液二相状態の冷媒のうち液冷媒は、液冷媒散布装置（30）によって、伝熱管群（20）の上方から散布される。伝熱管群（20）に散布された液冷媒は、伝熱管群（20）を構成する伝熱管（21）内を流れる熱媒体との熱交換によって蒸発してガス冷媒となる。伝熱管群（20）で蒸発することによって生成したガス冷媒は、ガス出口管（18）に向かって上方に流れて、ガス出口管（18）を通じてシェル空間（SS）の外部に流出する。シェル空間（SS）の外部に流出したガス冷媒は、再び、圧縮機（図示省略）に吸入される。一方、伝熱管群（20）で蒸発しきれなかった液冷媒は、シェル（11）の下部に設けられた液出口管（19）を通じてシェル空間（SS）の外部に流出する。シェル空間（SS）の外部に流出した液冷媒は、液冷媒戻し管等（図示省略）を通じて、シェル空間（SS）内に流入する気液二相状態の冷媒と合流し、再び、冷媒流入管（17）を通じてシェル空間（SS）内に流入する。

伝熱管群（20）は、タンク（10）の長手方向に沿って延びる複数の伝熱管（21）を有する。伝熱管群（20）は、タンク（10）の長手方向から見た際に、例えば、シェル空間（SS）内の水平方向の略中央で且つ上下方向の下寄りの部分に配置される。複数の伝熱管（21）は、タンク（10）の長手方向から見た際に、多段多列、例えば９段１１列の千鳥配列に配置される。

尚、伝熱管群（20）を構成する伝熱管（21）の本数や配列は、特に限定されるものではなく、種々の本数や配列が採用可能である。また、流下液膜式蒸発器（1）において、シェルの長手方向の一端部だけにヘッドを設けたタンクを採用する場合には、例えばＵ字管状の伝熱管を採用してもよい。

〈液冷媒散布装置の構成〉
図３は、液冷媒散布装置（30）をタンク長手方向から見た断面図であり、図４は、液冷媒散布装置（30）をタンク長手方向に直交する水平方向（以下、タンク短手方向という）から見た断面図である。尚、図３及び図４に示す液冷媒散布装置（30）は、図１及び図２に示す流下液膜式蒸発器（1）に用いられている液冷媒散布装置（30）と同じものであって、タンク（10）のシェル空間（SS）内における伝熱管群（20）とガス出口管（18）との上下方向間に配置される。また、図３及び図４において、実線矢印は、液冷媒の流れを示し、破線矢印は、ガス冷媒の流れを示す。

図３及び図４に示すように、液冷媒散布装置（30）は、タンク長手方向に沿ってそれぞれ延びる第１冷媒桶（31）、気液二相配管（34）及び第２冷媒桶（39）を主に備える。

第１冷媒桶（31）は、気液二相配管（34）から気液二相冷媒が流入する液溜め部（32,33）、例えば、水平方向（タンク短手方向）に互いに隣接して配置された一次液溜め（32）及び二次液溜め（33）を有する。一次液溜め（32）は、第１冷媒桶（31）におけるタンク短手方向の中央部に配置される。二次液溜め（33）は、一次液溜め（32）におけるタンク短手方向の両側に配置される。気液二相配管（34）は、一次液溜め（32）の上側に配置される。タンク短手方向において、気液二相配管（34）の両側端は、一次液溜め（32）の両側端の内側に位置する。

第１冷媒桶（31）は、一次液溜め（32）及び二次液溜め（33）を覆う側壁部及び天井部を有していてもよい。或いは、一次液溜め（32）及び二次液溜め（33）を覆う側壁部及び天井部を有するカバーを、第１冷媒桶（31）と組み合わせ可能に形成してもよい。

一次液溜め（32）には、気液二相配管（34）から気液二相冷媒が下吹きに放出される。一次液溜め（32）に流入した気液二相冷媒は、一次液溜め（32）でガス冷媒と液冷媒とに分離され、二次液溜め（33）には、一次液溜め（32）からオーバーフローした液冷媒が流入する。

一次液溜め（32）には、気液二相冷媒の気液分離を促進する分離促進部（35）が設けられていてもよい。分離促進部（35）の構造は、気液二相冷媒の気液分離を促進できれば、特に限定されるものではないが、例えばミストエリミネータ等のような多層メッシュ構造であってもよい。本実施形態では、分離促進部（35）は、例えば、気液二相配管（34）の下部と隣接するように、一次液溜め（32）の全体に配置される。

気液二相配管（34）は、冷媒流入管（17）を通じてシェル空間（SS）内に供給される気液二相冷媒を第１冷媒桶（31）に導いてタンク長手方向に分配するための管部材である。気液二相配管（34）の底部には、気液二相冷媒を一次液溜め（32）に下吹きに放出するための複数の孔（34a）が設けられている。冷媒流入管（17）は、気液二相配管（34）の一端部（図４では左側端部）に設けられた導入口（34b）に接続される。気液二相配管（34）は、タンク長手方向から見た断面が、例えば矩形状であってもよい。

第２冷媒桶（39）は、第１冷媒桶（31）の下側に配置される。二次液溜め（33）に流入した液冷媒は、二次液溜め（33）の底部に形成された複数の連通孔（33a）を通じて、第２冷媒桶（39）に流入し、第２冷媒桶（39）において液冷媒の液面高さが均一化される。第２冷媒桶（39）に流入した液冷媒は、第２冷媒桶（39）の底部に形成された複数の連通孔（39a）を通じて、伝熱管群（20）に散布される。

本実施形態において、第１冷媒桶（31）は、一次液溜め（32）で分離されたガス冷媒を通過させるガス通過部（37）と、ガス通過部（37）を通過したガス冷媒を第１冷媒桶（31）から排出するガス排出口（38）とを有していてもよい。ガス通過部（37）は、例えば、第１冷媒桶（31）の上部にタンク長手方向に沿って設けられる。ガス排出口（38）は、例えば、冷媒流入管（17）近傍の第１冷媒桶（31）の側壁上部（タンク短手方向の一方又は両方の側壁上部）に設けられる。タンク長手方向から見たガス通過部（37）の断面積は、ガス排出口（38）に近づくに従って増大してもよい。この場合、タンク長手方向から見たガス通過部（37）の断面積は、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）（図１参照）の配置領域で相対的に小さくてもよい。

また、第１冷媒桶（31）は、一次液溜め（32）で分離されたガス冷媒に含まれる液滴を捕集する液滴捕集部（36）をさらに有していてもよい。液滴捕集部（36）の構造は、ガス冷媒に含まれる液滴を捕集できれば、特に限定されるものではないが、例えばミストエリミネータ等のような多層メッシュ構造であってもよい。液滴捕集部（36）の配置場所は、一次液溜め（32）及び二次液溜め（33）つまり液溜め部（32,33）よりも上側であれば、特に限定されるものではないが、例えば、気液二相配管（34）におけるタンク短手方向の両側部と隣接するように液滴捕集部（36）を配置してもよいし、或いは、気液二相配管（34）の上部と隣接するように液滴捕集部（36）を配置してもよい。この場合、ガス通過部（37）は、液滴捕集部（36）及び気液二相配管（34）の上側に設けられてもよい。

液溜め部（32,33）よりも上側に液滴捕集部（36）を設けることによって、液滴捕集部（36）で捕集された液滴が凝縮して落下することにより、当該液滴を液溜め部（32,33）に回収することができる。また、液溜め部（32,33）を囲む側壁部（又は側壁部を有するカバー）が第１冷媒桶（31）に設けられていると、液滴捕集部（36）で捕集された液滴を側壁部やカバーに沿わせて液溜め部（32,33）まで落下させることもできる。

〈気液二相配管の底部構造〉
本実施形態において、気液二相配管（34）の底部は、複数の孔（34a）が設けられたパンチングメタル構造を有し、当該パンチングメタル構造における複数の孔（34a）の面積占有率（単位面積当たりに占める孔（34a）の面積の割合）は、気液二相配管（34）における気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大してもよい。

図５～図７はそれぞれ、図４に示す液冷媒散布装置（30）における気液二相配管（34）の底部の平面構成の一例を示す図である。尚、図５～図７は、気液二相配管（34）の左側端部に導入口（34b）が位置する場合を示している。また、図５～図７において、矢印（破線）は、気液二相冷媒の流れる方向を示す。

例えば、図５に示すように、導入口（34b）から離れるに従って、孔（34a）の寸法を大きくしてもよい。或いは、例えば、図６及び図７に示すように、複数の孔（34a）の寸法は同程度とし、導入口（34b）から離れるに従って、孔（34a）の配置密度を大きくしてもよい。

－実施形態の効果－
以上に説明した本実施形態の液冷媒散布装置（30）によると、第１冷媒桶（31）が、液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒に含まれる液滴を捕集する液滴捕集部（36）を有する。このため、ガス冷媒によって液冷媒が第１冷媒桶（31）の外部へ持ち去られることを液滴捕集部（36）により抑制できるので、冷媒桶（トレイ）段数を低減して液冷媒散布装置（30）を小型化することができる。従って、流下液膜式蒸発器（1）のシェル空間（SS）のサイズが現行通りであっても、シェル空間（SS）内において、液冷媒散布装置（30）の配置位置を上げて、伝熱管群（20）の配置空間を拡張できるので、キャリーオーバー現象を抑制することができる。また、トレイ段数が低減されることにより、各トレイに含まれる冷媒量を削減できる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、気液二相配管（34）が、気液二相冷媒を液溜め部（32,33）に下吹きに放出すると、液滴捕集部（36）によって液飛びを防止できる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、気液二相配管（34）の底部は、複数の孔（34a）が設けられたパンチングメタル構造を有し、当該パンチングメタル構造における複数の孔（34a）の面積占有率が、気液二相配管（34）における気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大してもよい。このようにすると、気液二相配管（34）の導入口（34b）から管内奥にいくほど、気液二相冷媒を液溜め部（32,33）に分配する際の抵抗が小さくなる。従って、気液二相配管（34）の長手方向における偏流を抑制して、液冷媒の散布性能を向上させることができる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、液溜め部（32,33）は、気液二相冷媒が流入する一次液溜め（32）と、一次液溜め（32）でガス冷媒と分離された液冷媒が流入する二次液溜め（33）とを含み、二次液溜め（33）は、一次液溜め（32）の側方に配置されてもよい。このようにすると、一次液溜め（32）と二次液溜め（33）とが並置された第１冷媒桶（31）によって、実質的に気液分離が行われると共に、一次液溜め（32）により気液二相冷媒の噴出圧を吸収できるため、二次液溜め（33）への液冷媒の流入速度を低減できる。この場合、二次液溜め（33）が、一次液溜め（32）からオーバーフローした液冷媒を収集するように構成されると、二次液溜め（33）に実質的に液冷媒のみを収集することができる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、第１冷媒桶（31）の下側に配置された第２冷媒桶（39）をさらに備え、液溜め部（32,33）には、液冷媒を第２冷媒桶（39）に流下させる連通孔（33a）が設けられ、第２冷媒桶（39）に流下した液冷媒が、流下液膜式蒸発器（1）の伝熱管群（20）に散布されてもよい。このようにすると、２段の冷媒桶（トレイ）で液冷媒散布装置（30）を構成することができる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、第１冷媒桶（31）が、液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒を通過させるガス通過部（37）と、ガス通過部（37）を通過したガス冷媒を第１冷媒桶（31）から排出するガス排出口（38）とを有すると、液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒を第１冷媒桶（31）から排出することができる。

第１冷媒桶（31）がガス通過部（37）及びガス排出口（38）を有する場合、ガス通過部（37）の断面積（タンク長手方向から見た断面積）が、ガス排出口（38）に近づくに従って増大すると、第１冷媒桶（31）内でのガス冷媒の移動速度を均一化できる。このため、液溜め部（32,33）に収集された液冷媒の液面高さも均一化される。言い換えると、ガス通過部の断面積がタンク長手方向に沿って一定である従来構成のように、ガス排出口に近づくに従ってガス冷媒の移動速度が増大し、圧力差に起因してガス排出口近傍で液冷媒の液面高さが高くなる事態を回避できる。従って、ガス冷媒によって液冷媒がガス排出口（38）から第１冷媒桶（31）の外部へ持ち去られることを抑制できる。

ガス通過部（37）の断面積がガス排出口（38）に近づくに従って増大する場合、例えば図８に示すように、ガス通過部（37）の断面積が、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の配置領域で相対的に小さくなっていてもよい。このようにすると、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の断面積、つまり、圧縮機（41）に向かう配管（42）の断面積を大きく設定できるので、流下液膜式蒸発器（1）を備えた冷凍装置の性能を向上させることができる。

尚、図８は、図４に示す液冷媒散布装置（30）と流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）との位置関係を模式的に示す図であり、図８において、図１～図４に示す流下液膜式蒸発器（1）及び液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、図８において、簡単のため、伝熱管群（20）等の一部の構成要素の図示を省略していると共に、タンク（10）等の形状を模式的に記載している。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、液滴捕集部（36）が、ミストエリミネータであると、液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒に含まれる液滴を効率良く除去できる。

また、本実施形態の液冷媒散布装置（30）において、液滴捕集部（36）は、気液二相配管（34）の側部又は上部と隣接して配置されてもよい。このようにすると、液滴が除去されたガス冷媒を送出することができる。

液溜め部（32,33）が一次液溜め（32）及び二次液溜め（33）を含む場合、一次液溜め（32）に、気液二相冷媒の気液分離を促進する分離促進部（35）が設けられると、一次液溜め（32）での気液分離をより一層促進することができる。また、一次液溜め（32）における液冷媒の液面の波立ちを抑制して、液滴の飛散量を減らすことができる。尚、タンク長手方向の偏流を考慮して、一次液溜め（32）での液冷媒の液面高さを、例えば４０ｍｍ程度以上にすることによって、一次液溜め（32）から二次液溜め（33）に液冷媒を均等に分配できるようにしてもよい。

一次液溜め（32）に分離促進部（35）を設ける場合、分離促進部（35）がミストエリミネータであると、ガス冷媒と液冷媒とを効率良く分離することができる。

一次液溜め（32）に分離促進部（35）を設ける場合、分離促進部（35）は、気液二相配管（34）の下部と隣接するように、一次液溜め（32）の全体に配置されてもよい。このようにすると、気液二相配管（34）から放出される気液二相冷媒が、分離促進部（35）との衝突によって飛散されにくくなる。

本実施形態の液冷媒散布装置（30）を備える流下液膜式蒸発器（1）によると、液冷媒散布装置（30）を小型化できるため、現行サイズの流下液膜式蒸発器（1）のシェル内において、液冷媒散布装置（30）の配置位置を上げて、伝熱管群（20）の配置空間を拡張できるので、キャリーオーバー現象を抑制することができる。

〈変形例１〉
図９は、変形例１に係る液冷媒散布装置（30）をタンク長手方向から見た断面図である。尚、図９において、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図９に示す本変形例の液冷媒散布装置（30）が、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と異なっている点は、分離促進部（35）が、一次液溜め（32）の全体ではなく、一次液溜め（32）の上部のみに配置されることである。尚、本変形例でも、前記実施形態と同様に、分離促進部（35）は、気液二相配管（34）の下部と隣接するように配置される。

以上に説明した本変形例においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、分離促進部（35）が気液二相配管（34）の下部と隣接するように配置されるため、気液二相配管（34）から放出される気液二相冷媒が、分離促進部（35）との衝突によって飛散されにくくなる。

〈変形例２〉
図１０は、変形例２に係る液冷媒散布装置（30）をタンク長手方向から見た断面図である。尚、図１０において、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図１０に示す本変形例の液冷媒散布装置（30）が、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と異なっている点は、分離促進部（35）が、一次液溜め（32）の全体ではなく、一次液溜め（32）の下部のみに配置されることである。すなわち、本変形例では、前記実施形態と異なり、分離促進部（35）は、気液二相配管（34）の下部と隣接しない。

以上に説明した本変形例においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、分離促進部（35）が一次液溜め（32）の下部のみに配置されるため、気液二相配管（34）からの気液二相冷媒の放出が妨げられにくくなる。

〈変形例３〉
図１１は、変形例３に係る液冷媒散布装置（30）をタンク長手方向から見た断面図である。尚、図１１において、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図１１に示す本変形例の液冷媒散布装置（30）が、図３に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と異なっている点は、分離促進部（35）が、一次液溜め（32）の全体ではなく、一次液溜め（32）の両側部（タンク短手方向の両側部）のみに配置されることである。すなわち、本変形例では、前記実施形態と異なり、分離促進部（35）の少なくとも一部は、気液二相配管（34）の下部と隣接しない。

以上に説明した本変形例においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、分離促進部（35）が一次液溜め（32）の両側部のみに配置されるため、気液二相配管（34）からの気液二相冷媒の放出が妨げられにくくなる。

〈変形例４〉
図１２は、変形例４に係る液冷媒散布装置をタンク短手方向から見た断面図である。尚、図１２において、図４に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図１２に示す本変形例の液冷媒散布装置（30）が、図４に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と異なっている点は、気液二相配管（34）の中央部に導入口（34b）が設けられ、当該導入口（34b）に冷媒流入管（17）が接続されていることである。すなわち、本変形例では、冷媒流入管（17）を通じて気液二相配管（34）の中央部の導入口（34b）に供給された気液二相冷媒は、導入口（34b）から気液二相配管（34）のタンク長手方向の両側に送出され、気液二相配管（34）の底部に設けられた複数の孔（34a）を通じて、第１冷媒桶（31）の一次液溜め（32）に流入する。

本変形例において、複数の孔（34a）の面積占有率（単位面積当たりに占める孔（34a）の面積の割合）は、気液二相配管（34）における気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大してもよい。

図１３～図１５はそれぞれ、図１２に示す液冷媒散布装置（30）における気液二相配管（34）の底部の平面構成の一例を示す図である。尚、図１３～図１５は、気液二相配管（34）の中央部に導入口（34b）が位置する場合を示している。また、図１３～図１５において、矢印（破線）は、気液二相冷媒の流れる方向を示す。

例えば、図１３に示すように、導入口（34b）から離れるに従って、孔（34a）の寸法を大きくしてもよい。或いは、例えば、図１４及び図１５に示すように、複数の孔（34a）の寸法は同程度とし、導入口（34b）から離れるに従って、孔（34a）の配置密度を大きくしてもよい。

以上に説明した本変形例においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、気液二相配管（34）の底部に設けられた複数の孔（34a）の面積占有率が、気液二相配管（34）における気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大するため、気液二相配管（34）の導入口（34b）から管内奥にいくほど、気液二相冷媒を一次液溜め（32）に分配する際の抵抗が小さくなる。従って、気液二相配管（34）の長手方向における偏流を抑制して、液冷媒の散布性能を向上させることができる。

また、本変形例において、例えば図１６に示すように、ガス通過部（37）の断面積が、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の配置領域で相対的に小さくなっていてもよい。このようにすると、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の断面積、つまり、圧縮機（41）に向かう配管（42）の断面積を大きく設定できるので、流下液膜式蒸発器（1）を備えた冷凍装置の性能を向上させることができる。

尚、図１６は、図１２に示す液冷媒散布装置（30）と流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）との位置関係を模式的に示す図であり、図１６において、図１～図４、図１２に示す流下液膜式蒸発器（1）及び液冷媒散布装置（30）と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、図１６において、簡単のため、伝熱管群（20）等の一部の構成要素の図示を省略していると共に、タンク（10）等の形状を模式的に記載している。

〈変形例５〉
図１７は、変形例５に係る液冷媒散布装置（30）と流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）との位置関係を模式的に示す図である。尚、図１７において、図４、図８に示す前記実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、図１７において、簡単のため、伝熱管群（20）等の一部の構成要素の図示を省略していると共に、タンク（10）等の形状を模式的に記載している。

図１７に示す本変形例の液冷媒散布装置（30）が、図４に示す前記実施形態の液冷媒散布装置（30）と異なっている点は、気液二相配管（34）の中央部に導入口（34b）が設けられ、当該導入口（34b）に冷媒流入管（17）が接続されていることである。

また、本変形例では、ガス排出口（38）は、冷媒流入管（17）近傍、つまり、気液二相配管（34）の中央部に位置する導入口（34b）近傍の第１冷媒桶（31）の側壁上部（タンク短手方向の一方又は両方の側壁上部）に設けられる。また、タンク長手方向から見たガス通過部（37）の断面積は、タンク長手方向の両側から、タンク長手方向の中央に位置するガス排出口（38）に近づくに従って増大する。さらに、タンク長手方向から見たガス通過部（37）の断面積は、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）（図１参照）の配置領域で相対的に小さい。

以上に説明した本変形例においても、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、ガス通過部（37）の断面積が、ガス排出口（38）に近づくに従って増大するため、第１冷媒桶（31）内でのガス冷媒の移動速度を均一化できる。このため、二次液溜め（33）に収集された液冷媒の液面高さも均一化される。従って、ガス冷媒によって液冷媒がガス排出口（38）から第１冷媒桶（31）の外部へ持ち去られることを抑制できる。また、ガス通過部（37）の断面積が、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の配置領域で相対的に小さいため、流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の断面積、つまり、圧縮機（41）に向かう配管（42）の断面積を大きく設定できる。従って、流下液膜式蒸発器（1）を備えた冷凍装置の性能を向上させることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態及び変形例では、第１冷媒桶（31）の下側に第２冷媒桶（39）を配置した。しかし、例えば、第１冷媒桶（31）において一次液溜め（32）両側の二次液溜め（33）を一次液溜め（32）下方で連通させ、二次液溜め（33）の連通孔（33a）から液冷媒を流下液膜式蒸発器（1）の伝熱管群（20）に散布してもよい。すなわち、第２冷媒桶（39）を配置しない第１冷媒桶（31）のみの一段構成としてもよい。

また、前記実施形態及び変形例では、一次液溜め（32）からオーバーフローした液冷媒を二次液溜め（33）に流入させた。しかし、例えば、一次液溜め（32）と二次液溜め（33）との境界壁に連通穴を設け、当該連通穴経由で一次液溜め（32）から液冷媒を二次液溜め（33）に流入させてもよい。

また、前記実施形態及び変形例では、気液二相配管（34）を一次液溜め（32）の上側に配置して、気液二相冷媒を一次液溜め（32）に下吹きに放出した。しかし、例えば、気液二相配管（34）を一次液溜め（32）内に配置して、気液二相配管（34）のタンク短手方向の両側部から気液二相冷媒を水平方向に放出してもよい。

また、前記実施形態及び変形例では、第１冷媒桶（31）の液溜め部（32,33）として、気液二相冷媒が流入する一次液溜め（32）と、一次液溜め（32）でガス冷媒と分離された液冷媒が流入する二次液溜め（33）とを設けたが、気液分離が可能であれば、液溜め部（32,33）の構成は、特に制限されるものではない。

以上、実施形態及び変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態及び変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。さらに、以上に述べた「第１」、「第２」、…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。

以上に説明したように、本開示は、液冷媒散布装置及び流下液膜式蒸発器について有用である。

１流下液膜式蒸発器
１０タンク
１１シェル
１２ａヘッド
１２ｂヘッド
１４熱媒体入口管
１５熱媒体出口管
１７冷媒流入管
１８ガス出口管
１９液出口管
２０伝熱管群
２１伝熱管
３０液冷媒散布装置
３１第１冷媒桶
３２一次液溜め
３３二次液溜め
３３ａ連通孔
３４気液二相配管
３４ａ複数の孔
３４ｂ導入口
３５分離促進部
３６液滴捕集部
３７ガス通過部
３８ガス排出口
３９第２冷媒桶
３９ａ連通孔
４１圧縮機
４２配管
ＳＳシェル空間

Claims

流下液膜式蒸発器（1）に用いられる液冷媒散布装置（30）であって、
気液二相冷媒が流れる気液二相配管（34）と、
前記気液二相配管（34）から前記気液二相冷媒が流入する液溜め部（32,33）を有する第１冷媒桶（31）とを備え、
前記第１冷媒桶（31）は、前記液溜め部（32,33）で分離されたガス冷媒に含まれる液滴を捕集する液滴捕集部（36）をさらに有し、
前記液滴捕集部（36）は、前記第１冷媒桶（31）の内部における前記液溜め部（32,33）の上側に設けられることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１において、
前記気液二相配管（34）は、前記気液二相冷媒を前記液溜め部（32,33）に下吹きに放出することを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１又は２において、
前記気液二相配管（34）の底部は、複数の孔（34a）が設けられたパンチングメタル構造を有し、
前記パンチングメタル構造における前記複数の孔（34a）の面積占有率は、前記気液二相配管（34）における前記気液二相冷媒の導入口（34b）から離れるに従って増大することを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～３のいずれか１項において、
前記液溜め部（32,33）は、前記気液二相冷媒が流入する一次液溜め（32）と、前記一次液溜め（32）で前記ガス冷媒と分離された液冷媒が流入する二次液溜め（33）とを含み、
前記二次液溜め（33）は、前記一次液溜め（32）の側方に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項４において、
前記二次液溜め（33）は、前記一次液溜め（32）からオーバーフローした前記液冷媒を収集するように構成されることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～５のいずれか１項において、
前記第１冷媒桶（31）の下側に配置された第２冷媒桶（39）をさらに備え、
前記液溜め部（32,33）には、前記液溜め部（32,33）で分離された液冷媒を前記第２冷媒桶（39）に流下させる連通孔（33a）が設けられ、
前記第２冷媒桶（39）に流下した前記液冷媒が、前記流下液膜式蒸発器（1）の伝熱管群（20）に散布されることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～６のいずれか１項において、
前記第１冷媒桶（31）は、前記液溜め部（32,33）で分離された前記ガス冷媒を通過させるガス通過部（37）と、前記ガス通過部（37）を通過した前記ガス冷媒を前記第１冷媒桶（31）から排出するガス排出口（38）とを有することを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項７において、
前記ガス通過部（37）の断面積は、前記ガス排出口（38）に近づくに従って増大することを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項８において、
前記ガス通過部（37）の断面積は、前記流下液膜式蒸発器（1）のガス出口管（18）の配置領域で相対的に小さいことを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～９のいずれか１項において、
前記液滴捕集部（36）は、ミストエリミネータであることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～１０のいずれか１項において、
前記液滴捕集部（36）は、前記気液二相配管（34）の側部又は上部と隣接して配置され
ることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項４において、
前記一次液溜め（32）に、前記気液二相冷媒の気液分離を促進する分離促進部（35）が設けられることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１２において、
前記分離促進部（35）は、ミストエリミネータであることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１２又は１３において、
前記分離促進部（35）は、前記気液二相配管（34）の下部と隣接するように、前記一次液溜め（32）の全体又は上部に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１２又は１３において、
前記分離促進部（35）は、前記一次液溜め（32）の下部又は両側部に配置されることを特徴とする液冷媒散布装置。
請求項１～１５のいずれか１項に記載の液冷媒散布装置を備える流下液膜式蒸発器。