JP7689331B2 - シェルアンドチューブ式熱交換器、冷凍サイクル装置、及び熱交換方法 - Google Patents

Description

本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器、冷凍サイクル装置、及び熱交換方法に関する。

従来、伝熱管に向けて冷却水を散布することによって、伝熱管の内部の冷媒を冷却する技術が知られている。例えば、特許文献１には、冷凍システムに用いられる蒸発式凝縮器が記載されている。この蒸発式凝縮器は、ケーシング、冷媒冷却部、散水部、及び通風ファンを備えている。ケーシングは、空気吸込口と、空気排出口と、集水タンクとを備えている。冷媒冷却部は、複数の凝縮コイルを有し、冷媒を冷却して凝縮させる。散水部は、散水ノズルを有し、散水ノズルから凝縮コイルに向けて冷却水が散水される。

国際公開第２０１７／０７３３６７号

本開示は、伝熱管群に向かってノズルから液体を噴霧するときに、ノズルに対して遠方の伝熱管の外面においてドライアウトを抑制する観点から有利な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は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置された伝熱管群と、
前記伝熱管群に向かって液体を噴霧するノズルと、を備え、
前記伝熱管群は、第一平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する第一段と、前記第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管を有し、かつ、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段と隣り合っている第二段とを含み、
前記ノズルは、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段の前記複数の伝熱管の前記第二段に近い第一端部と、前記第一平面に垂直な方向において前記第二段の前記複数の伝熱管の前記第一段に近い第二端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、前記第一段と前記第二段との間を通過する扁平な噴霧パターンで前記液体を噴霧する。

また、本開示の熱交換方法は、
第一平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する第一段と、前記第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管を有し、かつ、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段と隣り合っている第二段とを含む伝熱管群の内部において熱媒体を通過させることと、
前記第一平面に垂直な方向において前記第一段の前記複数の伝熱管の前記第二段に近い第一端部と、前記第一平面に垂直な方向において前記第二段の前記複数の伝熱管の前記第一段に近い第二端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、前記第一段と前記第二段との間を通過する扁平な噴霧パターンで前記伝熱管群に向かって液体を噴霧し、前記熱媒体と前記液体とを熱交換させることとを、含む。

本開示によれば、第一段の複数の伝熱管の第一端部と、第二段の複数の伝熱管の第二端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、第一段と第二段との間を通過する扁平な噴霧パターンで伝熱管群に向かって液体を噴霧できる。そのため、本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器及び熱交換方法は、ノズルから遠方の伝熱管の外面においてドライアウトを抑制する観点から有利である。

本開示の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成を示す図 図１におけるII-II線を切断線とする蒸発器の縦断面図 ノズルから噴霧される液相冷媒の噴霧パターンを示す図 ノズルから噴霧される液相冷媒の噴霧パターンを示す図 図１におけるIV-IV線を切断線とする蒸発器の縦断面図 液相冷媒が噴霧される領域を示す図 液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す図 本開示の実施の形態２において液相冷媒が噴霧される領域を示す図 本開示の実施の形態３において液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す図

（本開示の基礎となった知見等）
本発明者が本開示を想到するに至った当時、シェルアンドチューブ式熱交換器において、ノズルを用いて冷却水等の液体を伝熱管に向かって噴霧することが試みられていた。そうした状況下において、本発明者は、ノズルから噴霧された液体の流れをヒントにして、シェルアンドチューブ式熱交換器の性能を高め得るという着想を得た。そして、本発明者は、その着想を実現するには、例えば、液相冷媒の噴霧パターンが円錐形状であると、ノズルに対して遠方の伝熱管の外面には霧状の液相冷媒が到達しにくくドライアウトが発生しやすいという課題があることを発見した。本発明者は、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、伝熱管群に向かってノズルから液体を噴霧しつつ、ノズルに対して遠方の伝熱管の外面においてドライアウトを抑制する観点から有利なシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。添付の図面において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は互いに直交している。ＸＺ平面は水平であり、Ｙ軸負方向が重力方向である。

（実施の形態１）
以下、図１から図６を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１は、シェルアンドチューブ式熱交換器を備えた冷凍サイクル装置１００の構成を示している。図１に示す通り、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１０１、圧縮機１０２、凝縮器１０３、流量弁１０４、流路１１０ａ、流路１１０ｂ、流路１１０ｃ、及び流路１１０ｄを備えている。蒸発器１０１の出口は、流路１１０ａによって圧縮機１０２の入口に接続されている。圧縮機１０２の出口は、流路１１０ｂによって凝縮器１０３の入口に接続されている。凝縮器１０３の出口は、流路１１０ｃによって流量弁１０４の入口に接続されている。流量弁１０４の出口は、流路１１０ｄによって蒸発器１０１の入口に接続されている。流路１１０ａ及び１１０ｂは気相冷媒が通過する経路である。流路１１０ｃ及び流路１１０ｄは液相冷媒が通過する経路である。各経路は、例えば、少なくとも１つの金属製の配管で構成されている。

蒸発器１０１において液相冷媒が加熱されて蒸発し、気相冷媒が生成される。気相冷媒は、圧縮機１０２に吸入されて圧縮される。圧縮された気相冷媒は圧縮機１０２から凝縮器１０３に供給される。気相冷媒は凝縮器１０３で冷却されて凝縮及び液化する。これにより、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、流量弁１０４を経由して凝縮器１０３から蒸発器１０１に戻される。

冷凍サイクル装置１００における冷媒は、特定の冷媒に限定されない。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、ハイドロクロロフルオロカーボン（HCFC）及びハイドロフルオロカーボン（HFC）が挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、HFO-1234yf及び水が挙げられる。自然冷媒としては、二酸化炭素及び水が挙げられる。

冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む冷媒であってもよい。このような冷媒としては、水、アルコール、又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。「負圧」は、絶対圧で大気圧よりも低い圧力を意味する。「常温」は、日本産業規格（JIS Z8703）によれば、２０℃±１５℃の範囲内の温度を意味する。

蒸発器１０１は、後述の通り、シェルアンドチューブ式熱交換器によって構成されている。

圧縮機１０２は、遠心圧縮機等の速度型圧縮機であってもよく、スクロール圧縮機等の容積型圧縮機であってもよい。

凝縮器１０３の型式は特定の形式に限定されない。プレート式熱交換器及びシェルアンドチューブ式熱交換器等の熱交換器が凝縮器１０３に使用されうる。

冷凍サイクル装置１００は、例えば、業務用又は家庭用の空気調和装置である。蒸発器１０１で冷却された熱媒体が回路１０５を通じて室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器１０３で加熱された熱媒体が回路１０６を通じて室内に供給され、室内の暖房に利用される。熱媒体は、例えば、水である。冷凍サイクル装置１００は、空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置など他の装置であってもよい。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器、吸収器、再生器、及び凝縮器を備えた吸収式冷凍機であってもよい。

回路１０５は、蒸発器１０１に熱媒体を循環させる回路である。回路１０６は、凝縮器１０３に熱媒体を循環させる回路である。回路１０５及び回路１０６は、外気から隔離された密閉回路であってもよい。

熱媒体は、回路１０５及び回路１０６のそれぞれを流れる流体である。熱媒体は水に限定されず、オイル、ブラインなどの液体であってもよく、空気などの気体であってもよい。回路１０５の熱媒体の組成は回路１０６の熱媒体の組成と異なっていてもよい。

図２は、図１におけるII-II線を切断線とする蒸発器１０１の縦断面図である。図２に示す通り、蒸発器１０１は、シェルアンドチューブ式熱交換器として構成されている。蒸発器１０１は、シェル２１と、伝熱管群２２と、ノズル２４とを備えている。伝熱管群２２は、シェル２１の内部に配置されている。ノズル２４は、伝熱管群２２に向かって液相冷媒を噴霧する。伝熱管群２２は、例えば、平行に配置された伝熱管２２ｐによって構成されている。例えば、伝熱管２２ｐの長手方向に垂直な断面が円形を有する。伝熱管２２ｐの内面、伝熱管２２ｐの外面、又はその両方に溝加工が施されていてもよい。

図２に示す通り、シェル２１は、例えば、矩形の断面形状を有している。シェル２１は、円形の断面形状を有していてもよい。シェル２１は、耐圧容器であってもよい。

蒸発器１０１は、例えば、ヘッダー２３、循環回路２５、ポンプ２６、流入管２７ａ、流出管２７ｂ、第一カバー２９ａ、及び第二カバー２９ｂをさらに備えている。

ノズル２４は、ヘッダー２３によって循環回路２５に接続されている。ポンプ２６は、循環回路２５に配置されている。シェル２１の底部には液相冷媒が貯留されている。ポンプ２６の働きにより、シェル２１の底部に貯留された液相冷媒が循環回路２５及びヘッダー２３を通じてノズル２４に供給される。

流入管２７ａは及び流出管２７ｂは、シェル２１に取り付けられている。流入管２７ａは、シェル２１の内部に冷媒を導く流路を形成している。排出管２７ｂは、蒸発器１０１の内部で生成された気相冷媒をシェル２１の外部に導く流路を形成している。流入管２７ａ及び排出管２７ｂがなす流路には、それぞれ、流路１１０ｄ及び流路１１０ａが接続されうる。

第一カバー２９ａは、シェル２１に取り付けられており、伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）における伝熱管群２２の一端部を覆っている。第二カバー２９ｂは、シェル２１に取り付けられており、伝熱管２２ｐの長手方向における伝熱管群２２の他端部を覆っている。第一カバー２９ａは、その内部に２つの仕切板２９ｃを有する。第二カバー２９ｂは、その内部に１つの仕切板２９ｄを有する。第一カバー２９ａは、例えば、二次側流入口２８ａ及び二次側流出口２８ｂを有する。二次側流入口２８ａ及び二次側流出口２８ｂのそれぞれは、第二カバー２９ｂに形成されていてもよい。蒸発器１０１におけるパス数は、伝熱管２２ｐの内部の熱媒体の流れ方向が流路カバー２９ａ又は２９ｂにおいて反転する毎に「１」増加する。本実施の形態では、パス数が「４」となるように、流路カバー２９ａが二次側流入口２８ａ及び二次側流出口２８ｂを有する。

図２に示す通り、蒸発器１０１は、複数のノズル２４を備えている。複数のノズル２４は、伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）において所定の間隔で配置されている。また、複数のノズル２４は、伝熱管２２ｐの長手方向において、Ｙ軸方向に平行な一対の直線上に交互に配置されている。また、各ノズル２４は、例えば、Ｙ軸方向において隣り合う伝熱管２２ｐの間に向かって液相冷媒を噴霧するように配置されている。

図３Ａ及び図３Ｂは、ノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧パターンを示す。図３Ａ及び図３Ｂに示す通り、ノズル２４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧する。噴霧軸Ａｍは、ノズル２４の中心軸と捉えることもできる。噴霧軸Ａｍは、ノズル２４の開口の中心を通る軸でありうる。図３Ａに示す通り、ノズル２４から噴霧される液相冷媒は、扇形状の噴霧エリアＭを形成する。また、噴霧軸Ａｍに垂直な平面Ｈにこの噴霧パターンを投影したときに現れる噴霧領域Ｓの形状は扁平である。このような噴霧パターンで噴霧される液相冷媒が伝熱管２２ｐ同士の間を通過する。

図４は、図１におけるIV-IV線を切断線とする蒸発器１０１の縦断面図である。伝熱管群２２において、Ｚ軸方向に配列される伝熱管２２ｐの本数は特定の値に限定されない。伝熱管群２２において、例えば、Ｚ軸方向に１２本の伝熱管２２ｐが配列されている。ノズル２４は、伝熱管２２ｐの長手方向に垂直な方向（Ｚ軸方向）においてノズル２４に最も近い一対の伝熱管２２ｐ同士の間を噴霧軸Ａｍが通過し、かつ、噴霧領域Ｓが一対の伝熱管２２ｐ同士の間を通過するように、液相冷媒を噴霧する。噴霧軸Ａｍは、例えば、水平に延びている。

図４に示す通り、ノズル２４は、例えば、Ｚ軸方向における伝熱管群２２の一端部のみに配置されており、Ｚ軸方向における伝熱管群２２の他端部には配置されていない。このため、ノズル２４は、伝熱管２２ｐの長手方向に垂直な平面（ＹＺ平面）において、例えばＺ軸正方向に液相冷媒を噴霧する。

図５は、ノズル２４から液相冷媒が噴霧される領域を示している。図５において、Ｙ軸方向に沿って伝熱管群２２及びノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧エリアＭを見ている。ノズル２４は、例えば、伝熱管群２２においてＺ軸方向に最も近い伝熱管２２ｐから距離Ｌだけ離れて配置されている。また、噴霧エリアＭは、中心角αをなすように形成された第一輪郭線Ｗ１及び第二輪郭線Ｗ２を有する。中心角αは特定の大きさに限定されない。中心角αは、例えば、９０°以上１２０°以下である。

図６は、ノズル２４から伝熱管群２２に向かって噴霧された液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す図である。図６に示す通り、伝熱管群２２は、第一段２２ａと、第二段２２ｂとを含んでいる。第一段２２ａは、第一平面に沿って配列された複数の伝熱管２２ｐを有する。第二段２２ｂは、第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管２２ｐを有し、かつ、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）において第一段２２ａと隣り合っている。第一平面及び第二平面は、ＺＸ平面に平行な平面である。

図６に示す通り、例えば、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間には、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの配列方向における第一段２２ａの一端から他端まで有体物に交差しない仮想平面が存在する。

図６に示す通り、例えば、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐ及び第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐは、伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）に垂直な第三平面において長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなす。第三平面は、ＹＺ平面に平行な平面である。

図６に示す通り、ノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧パターンの噴霧軸Ａｍは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第一端部２２ｊと、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第二端部２２ｋとの間を通過する。第一端部２２ｊは、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）において第二段２２ｂに近い端部である。第二端部２２ｋは、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）において第一段２２ａに近い端部である。ノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧パターンは、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過する。

第二段２２ｂは、例えば、重力方向において第一段２２ａの下方に配置されている。伝熱管群２２は、例えば、下部伝熱管群２２ｃを含む。下部伝熱管群２２ｃは、複数の伝熱管２２ｐを有し、かつ、重力方向において第二段２２ｂの下方に配置されている。下部伝熱管群２２ｃの複数の伝熱管２２ｐのそれぞれは、例えば、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐのいずれかの真下に配置されている。

図６に示す通り、下部伝熱管群２２ｃの複数の伝熱管２２ｐは、例えば、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐとともに、第三平面において長方形格子又は正方形格子をなしている。

［１－２．動作］
以上のように、シェルアンドチューブ式熱交換器として構成された蒸発器１０１について、以下その動作、作用を説明する。

冷凍サイクル装置１００の定常運転において、蒸発器１０１では、ポンプ２６が作動し、液相冷媒が循環回路２５及びヘッダー２３を通ってノズル２４に供給される。これにより、ノズル２４から伝熱管群２２に向かって液相冷媒が噴霧される。一方、蒸発器１０１の外部から二次側流入口２８ａを通って第一カバー２９ａの内部に熱媒体が導かれる。次に、熱媒体は、Ｘ軸正方向に伝熱管２２ｐの内部を通過して第二カバー２９ｂの内部の仕切板２９ｄの下方の空間に導かれる。第二カバー２９ｂの内部において熱媒体の流れの向きが反転し、熱媒体は、Ｘ軸負方向に伝熱管２２ｐの内部を通過して第一カバー２９ａの内部の２つの仕切板２９ｃの間の空間に導かれる。次に、第一カバー２９ａの内部において熱媒体の流れの向きが反転し、熱媒体は、Ｘ軸正方向に伝熱管２２ｐの内部を通過して第二カバー２９ｂの内部の仕切板２９ｄの上方の空間に導かれる。第二カバー２９ｂの内部において熱媒体の流れの向きが反転し、熱媒体は、Ｘ軸負方向に伝熱管２２ｐの内部を通過して第一カバー２９ａの内部に導かれる。その後、熱媒体は、二次側流出口２８ｂを通って、蒸発器１０１の外部に導かれる。

図４に示す通り、ノズル２４は、Ｙ軸方向において隣り合った２つの段の伝熱管の間の空間に向かって液相冷媒を噴霧する。液相冷媒は、２つの段の間で噴霧軸Ａｍが延びる噴霧パターンで噴霧される。液相冷媒の噴霧により生じた霧状の液相冷媒は、伝熱管２２ｐの外面に付着する。伝熱管２２ｐの内部の熱媒体と伝熱管２２ｐの外面に付着した液相冷媒との間の熱交換により、液相冷媒が蒸発して気相冷媒が生成される。蒸発しなかった液相冷媒は、伝熱管２２ｐの外面に沿って流動し、下方の伝熱管２２ｐに向かって滴下される。

図５に示す通り、例えば、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）から第一段２２ａを見たときに、第一段２２ａの伝熱管２２ｐの中心軸Ａｘに垂直に噴霧軸Ａｍが延びるように、液相冷媒の噴霧パターンが形成される。伝熱管群２２においてＺ軸方向においてノズル２４に最も近い伝熱管２２ｐとノズル２４との間の距離Ｌが所定の大きさを有する。このため、第一段２２ａにおける最前列の伝熱管２２ｐから最後列の伝熱管２２ｐに向かって液相冷媒の噴霧エリアＭが徐々に拡大し、第一段２２ａの最後列の伝熱管２２ｐの外面の十分な範囲が液相冷媒で濡れる。

図６に示す通り、ノズル２４から噴霧された液相冷媒は、第三平面において長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなすように配置された第一段２２ａ及び第二段２２ｂにおける伝熱管２２ｐ同士の間を通過する。第一段２２ａと第二段２２ｂとの間には、ノズル２４から噴霧された液相冷媒の進行を直接妨げる伝熱管等の部材は存在しない。このため、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間においてノズル２４から噴霧された液相冷媒が直進しやすい。一方、ノズル２４から噴霧された液相冷媒の一部は、第一段２２ａの伝熱管２２ｐの第一端部２２ｊ及び第二段２２ｂの伝熱管２２ｐの第二端部２２ｋに接触する。第一段２２ａの伝熱管２２ｐに接触した液相冷媒の一部は、液相冷媒の流れに対する伝熱管２２ｐの前縁に沿ってＹ軸正方向に流動する。一方、第二段２２ｂの伝熱管２２ｐに接触した液相冷媒の一部は、伝熱管２２ｐの前縁に沿ってＹ軸負方向に流動する。加えて、液相冷媒の別の一部は、第二段２２ｂの伝熱管２２ｐの後縁に沿ってＹ軸負方向に流動する。このような液相冷媒の流動が第一段２２ａ及び第二段２２ｂの各列の伝熱管２２ｐの周囲で生じる。

図６に示す通り、第一段２２ａ及び第二段２２ｂからなる上部伝熱管群２２ｍにおいて、液相冷媒が伝熱管２２ｐの外面に直接接触して強制対流を伴う熱伝達が生じ、液相冷媒と熱媒体との間の熱交換が促進される。

第二段２２ｂの伝熱管２２ｐの外面において液相冷媒はＹ軸負方向に流動しながら液膜を形成し、液膜をなす液相冷媒の一部が蒸発する。上部伝熱管群２２ｍにおいて蒸発しきれなかった未蒸発の液相冷媒は、第二段２２ｂの伝熱管２２ｐの最下部から下部伝熱管群２２ｃの伝熱管２２ｐに向かって滴下される。滴下された液相冷媒は、伝熱管２２ｐの外面で液膜を形成しながら下方に流動し、一部の液相冷媒は蒸発し、別の一部の液相冷媒はさらに下方の伝熱管２２ｐに向かって滴下される。このような液相冷媒の流動及び滴下が下部伝熱管群２２ｃの各列の伝熱管２２ｐの周囲で生じる。このように、下部伝熱管群２２ｃの伝熱管２２ｐの周囲には、ノズル２４から噴霧された液相冷媒が上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２２ｐから滴下されて間接的に供給される。滴下後に残った液相冷媒は、シェル２１の底部に貯留される。

上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２２ｐの周囲には、ノズル２４から噴霧された液相冷媒が直接供給されて強制対流が生じる。ノズル２４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧するので、液相冷媒が第一段２２ａと第二段２２ｂとの間で直進しやすい。これにより、上部伝熱管群２２ｍにおいて、ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの周囲でも液相冷媒の強制対流が生じやすい。このため、ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの外面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

加えて、上部伝熱管群２２ｍの伝熱管２２ｐから下部伝熱管群２２ｃに向かって液相冷媒の滴下が生じるので、下部伝熱管群２２ｃにおいて、ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの外面でも液相冷媒の液膜が形成されやすい。このため、ノズル２４に対して遠方に位置する伝熱管２２ｐの外面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施形態において、シェルアンドチューブ式熱交換器として構成された蒸発器１０１は、シェル２１と、伝熱管群２２と、ノズル２４とを備えている。伝熱管群２２は、シェル２１の内部に配置されている。ノズル２４は、伝熱管群２２に向かって液相冷媒を噴霧する。伝熱管群２２は、第一段２２ａと、第二段２２ｂとを含んでいる。第一段２２ａは、第一平面に沿って配列された複数の伝熱管２２ｐを有する。第二段２２ｂは、第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管２２ｐを有し、かつ、第一平面に垂直な方向において第一段２２ａと隣り合っている。ノズル２４は、噴霧軸Ａｍを有し、かつ、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧する。噴霧軸Ａｍは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第一端部２２ｊと、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第二端部２２ｋとの間を通過する。第一端部２２ｊは、第一平面に垂直な方向において第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第二段２２ｂに近い端部である。第二端部２２ｋは、第一平面に垂直な方向において第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第一段２２ａに近い端部である。

これにより、ノズル２４は、噴霧軸Ａｍを有する扁平な噴霧パターンで液相冷媒を噴霧するので、液相冷媒が第一段２２ａと第二段２２ｂとの間で直進しやすい。このため、第一段２２ａ及び第二段２２ｂにおいて、ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの周囲でも液相冷媒の強制対流が生じやすい。その結果、ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの外面が液相冷媒で濡れやすく、遠方の伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

本実施形態のように、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間には、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの配列方向における第一段２２ａの一端から他端まで有体物に交差しない仮想平面が存在していてもよい。これにより、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間において、第一段２２ａの一端から他端まで液相冷媒が直進しやすく、遠方の伝熱管２２ｐの外面においてより確実にドライアウトが発生しにくい。

本実施形態のように、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐ及び第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐは、伝熱管２２ｐの長手方向に垂直な第三平面において、長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなしていてもよい。これにより、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間における液相冷媒の流れが安定しやすく直進しやすい。その結果、遠方の伝熱管２２ｐの外面においてより確実にドライアウトが発生しにくい。

本実施形態のように、第二段２２ｂは、重力方向において第一段２２ａの下方に配置されていてもよい。加えて、伝熱管群２２は、複数の伝熱管２２ｐを有し、かつ、重力方向において第二段２２ｂの下方に配置されている下部伝熱管群２２ｃを含んでいてもよい。これにより、第二段２２ｂから下部伝熱管群２２ｃに向かって液相冷媒の滴下が生じ、下部伝熱管群２２ｃにおいてノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの外面も液相冷媒で濡れやすい。その結果、下部伝熱管群２２ｃの遠方の伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。この場合、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐ及び第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐは、伝熱管２２ｐの長手方向に垂直な第三平面において、長方形格子又は正方形格子をなしていてもよい。これにより、下部伝熱管群２２ｃに向かってより確実に液相冷媒の滴下が生じやすい。

本実施形態のように、下部伝熱管群２２ｃの複数の伝熱管２２ｐは、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐとともに、第三平面において長方形格子又は正方形格子をなしている。これにより、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐから滴下された液相冷媒が下部伝熱管群２２ｃの各伝熱管２２ｐの外面においてより確実に液膜を形成してその外面を濡らしやすい。その結果、下部伝熱管群２２ｃの遠方の伝熱管２２ｐの外面においてより確実にドライアウトが発生しにくい。

本実施形態のように、シェルアンドチューブ式熱交換器として構成された蒸発器１０１を備えた、冷凍サイクル装置１００を提供できる。ノズル２４に対して遠方の伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくいので、冷凍サイクル装置１００が高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮しやすい。

本実施形態によれば、下記の事項（Ｉ）及び（II）を含む熱交換方法を提供できる。
（Ｉ）第一段２２ａと、第二段２２ｂとを含む伝熱管群２２の内部において熱媒体を通過させる。第一段２２ａは、第一平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する。第二段２２ｂは、第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管２２ｐを有し、かつ、第一平面に垂直な方向において第一段２２ａと隣り合っている。
（II）噴霧軸Ａｍを有し、かつ、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過する扁平な噴霧パターンで伝熱管群２２に向かって液相冷媒を噴霧し、熱媒体と液相冷媒とを熱交換させる。噴霧軸Ａｍは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第二段２２ｂに近い第一端部２２ｊと、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第一段２２ａに近い第二端部２２ｋとの間を通過する。

（実施の形態２）
以下、図７を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態２は、特に説明する部分を除き、実施の形態１と同様に構成されている。実施の形態１の構成要素と同一又は対応する実施の形態２の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態１に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、実施の形態２にもあてはまる。

［２－１．構成］
図７は、実施の形態２において、ノズル２４から液相冷媒が噴霧される領域を示している。図７において、Ｙ軸方向に沿って伝熱管群２２及びノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧エリアＭを見ている。図７に示す通り、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿って第一段２２ａを見たときに、ノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧パターンの噴霧軸Ａｍは、直線Ｐに対して所定の大きさの鋭角θをなす。直線Ｐは、第一段２２ａの伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）に垂直に延びている。

鋭角θは特定の値に限定されない。鋭角θは、例えば、α／２である。αは、噴霧エリアＭの中心角である。例えば、中心角αが８０°であり、鋭角θが４０°である。

［２－２．動作］
以上のように構成された実施の形態２について、以下その動作、作用を説明する。

図７に示す通り、噴霧軸Ａｍが直線Ｐに対して鋭角θをなすようにノズル２４から液相冷媒が噴霧される。ノズル２４が伝熱管群２２の近くに配置された場合でも、ＸＺ平面において噴霧エリアＭと重なる伝熱管群２２の範囲が大きくなりやすい。例えば、噴霧エリアＭの第一輪郭線Ｗ１が直線Ｐに沿って延び、噴霧エリアＭの第二輪郭線Ｗ２が伝熱管２２ｐの中心軸Ａｘに沿って延びやすい。

噴霧軸Ａｍが直線Ｐと平行になるようにノズル２４が配置されている場合、換言すると、噴霧軸Ａｍが伝熱管２２ｐの中心軸Ａｘに垂直になるようにノズル２４が配置されている場合を考える。この場合、距離Ｌが小さく、ノズル２４が伝熱管群２２の近くに配置されていると、ＸＺ平面において、伝熱管群２２のノズル２４に近い伝熱管２２ｐと噴霧エリアＭとが重なる範囲が小さくなる。特に、伝熱管２２ｐの長手方向においてノズル２４から離れた部分が噴霧エリアＭと重なりにくい。これにより、伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面において、ノズル２４から噴霧された液相冷媒が到達しにくい部分が生じやすい。一方、本実施形態によれば、このような状態が発生することを抑制できる。このため、伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面の広い範囲を液相冷媒で濡らすことができ、伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

図７に示す通り、噴霧軸Ａｍが直線Ｐに対して鋭角θをなすように液相冷媒が噴霧されると、ノズル２４から噴霧された液相冷媒は流れＣ１及び流れＣ２を生じさせる。流れＣ１は、第一段２２ａ及び第二段２２ｂにおける伝熱管２２ｐ同士の間を通過する液相冷媒の流れである。流れＣ２は、伝熱管２２ｐの外面の前縁に衝突して伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）に沿って移動する液相冷媒の流れである。ノズル２４から噴霧された液相冷媒の一部は、Ｘ軸方向の速度成分を有している状態で伝熱管２２ｐの外面の前縁に衝突するので、このような液相冷媒の流れが生じる。

流れＣ１は、ノズル２４から噴霧された中心角αの噴霧エリアＭをなすように広がる液相冷媒の流れである。この流れＣ１における液相冷媒は、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第一端部２２ｊ又は第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第二端部２２ｋに接触しながら、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過する。

流れＣ１及び流れＣ２の発生により、第一段２２ａにおける複数の伝熱管２２ｐの配列方向（Ｚ軸方向）への液相冷媒の移動に加え、伝熱管２２ｐの長手方向（Ｘ軸方向）への液相冷媒の移動も生じる。このため、強制対流を伴う熱伝達が促進される。加えて、上記の通り、ノズル２４に近い伝熱管２２ｐを含む、伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面の広い範囲が液相冷媒で濡れる。

［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態においては、第一平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）に沿って第一段２２ａを見たときに、噴霧軸Ａｍは、直線Ｐに対して所定の大きさの鋭角θをなす。

これにより、ノズル２４が伝熱管群２２の近くに配置されていても、伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面の広い範囲を液相冷媒で濡らすことができ、伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

例えば、冷凍サイクル装置１００の軽負荷条件での運転に対応させるために、ノズル２４への液相冷媒の供給圧力を低下させることが考えられる。この場合、ノズル２４から噴霧される液相冷媒の噴霧パターンにおける中心角が小さくなり、噴霧エリアＭが狭くなりうる。また、ノズル２４から噴霧される液相冷媒の流量が低下しうる。しかし、本実施形態によれば、このような場合であっても、伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面の所望の範囲を液相冷媒で濡らすことができ、伝熱管２２ｐの外面においてドライアウトが発生しにくい。

（実施の形態３）
以下、図８を用いて、実施の形態３を説明する。実施の形態３は、特に説明する部分を除き、実施の形態１と同様に構成されている。実施の形態１の構成要素と同一又は対応する実施の形態３の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。実施の形態１に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、実施の形態３にもあてはまる。

［３－１．構成］
図８は、実施の形態３に係る蒸発器１０１における液相冷媒の噴霧及び流動の状態を示す。図８に示す通り、伝熱管群２２は、遠位伝熱管２２ｄを有する。遠位伝熱管２２ｄは、噴霧軸Ａｍと交差する位置に配置されている。例えば、遠位伝熱管２２ｄは、ノズル２４の中心軸と交差している。第一段２２ａは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの配列方向（Ｚ軸方向）において、ノズル２４と遠位伝熱管２２ｄとの間に配置されている。

図８に示す通り、伝熱管群２２は、例えば下部伝熱管２２ｅを有する。下部伝熱管２２ｅは、重力方向において遠位伝熱管２２ｄの真下に配置されている。

遠位伝熱管２２ｄ及び下部伝熱管２２ｅは、例えば、第一段２２ａ、第二段２２ｂ、又は下部伝熱管群２２ｃにおける伝熱管２２ｐと同様の形状及び寸法を有している。

［３－２．動作］
以上のように構成された実施の形態３について、以下その動作、作用を説明する。

第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過した液相冷媒は、遠位伝熱管２２ｄに衝突して捕捉される。このため、遠位伝熱管２２ｄの周囲における強制対流に伴う熱伝達は、第一段２２ａ及び第二段２２ｂにおける伝熱管２２ｐの周囲における強制対流に伴う熱伝達に比べて、大幅に促進される。加えて、ノズル２４に対して遠方に位置する遠位伝熱管２２ｄの外面を液相冷媒で濡らすことができ、ノズル２４に対して遠方の伝熱管の外面においてドライアウトを抑制できる。

遠位伝熱管２２ｄに衝突した液相冷媒は、遠位伝熱管２２ｄの外面に沿って流動し、下部伝熱管２２ｅに向かって滴下される。これにより、ノズル２４に対して遠方に位置する下部伝熱管２２ｅの外面を液相冷媒で濡らすことができ、ノズル２４に対して遠方の伝熱管の外面においてドライアウトを抑制できる。

［３－３．効果等］
以上のように、本実施の形態においては、伝熱管群２２は、遠位伝熱管２２ｄを有し、遠位伝熱管２２ｄが噴霧軸Ａｍと交差する位置に配置されている。加えて、第一段２２ａは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの配列方向において、ノズル２４と遠位伝熱管２２ｄとの間に配置されている。

これにより、遠位伝熱管２２ｄの周囲における強制対流に伴う熱伝達が大幅に促進されるとともに、ノズル２４に対して遠方に位置する遠位伝熱管２２ｄの外面においてドライアウトを抑制できる。

例えば、冷凍サイクル装置１００において急激な負荷変動が生じ、ノズル２４への液相冷媒の供給圧力が変化する場合でも、ノズル２４への液相冷媒の供給圧力によらずに安定的に伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面を濡らすことができる。このため、軽負荷条件及び過負荷条件を含む広範囲の運転条件において伝熱管群２２の伝熱管２２ｐの外面を液相冷媒で所望の状態に濡らすことができる。

例えば、冷凍サイクル装置１００が吸収式冷凍機である場合、蒸発器１０１で発生した気相冷媒が吸収器に向かって供給されうる。このとき、吸収式冷凍機のＣＯＰを高める観点から、蒸発器１０１から供給される気相冷媒の流れに乗って液相冷媒が吸収器に導かれることを阻止することが望ましい。本実施の形態によれば、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間を通過した液相冷媒は、遠位伝熱管２２ｄに衝突して捕捉される。このため、蒸発器１０１から吸収器に向かって液相冷媒が導かれることを阻止しやすい。

本実施形態のように、伝熱管群２２は、重力方向において遠位伝熱管２２ｄの真下に配置された下部伝熱管２２ｅを有していてもよい。これにより、遠位伝熱管２２ｄから滴下された液相冷媒で下部伝熱管２２ｅの外面を濡らすことができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１、２、及び３を説明した。しかし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１、２、及び３で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。

実施の形態１では、シェルアンドチューブ式熱交換器の一例として、液相冷媒を噴霧するノズル２４を備えた蒸発器１０１を示した。シェルアンドチューブ式熱交換器において、ノズル２４は、液体を噴霧するものであればよい。したがって、ノズル２４から噴霧される液体は、液相冷媒に限定されない。したがって、ノズル２４から噴霧される液体は、冷凍サイクル装置の凝縮器で気相冷媒を凝縮させるために用いられる冷却液であってもよいし、他の液体であってもよい。ただし、ノズル２４から噴霧される液体が液相冷媒であると、シェルアンドチューブ式熱交換器を冷凍サイクル装置における蒸発器として利用できる。

実施の形態１では、シェルアンドチューブ式熱交換器の一例として、噴霧軸Ａｍが水平に延びている蒸発器１０１を示した。噴霧軸Ａｍは、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第二段２２ｂに近い第一端部２２ｊと、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第一段２２ａに近い第二端部２２ｋとの間を通過するものであればよい。したがって、噴霧軸Ａｍは、水平面に対して傾斜していてもよい。ただし、噴霧軸Ａｍが水平に延びていると、第一段２２ａ及び第二段２２ｂにおける複数の伝熱管２２ｐの配置が容易である。

実施の形態１では、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間には、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの配列方向における第一段２２ａの一端から他端まで有体物に交差しない仮想平面が存在していてもよいことを説明した。シェルアンドチューブ式熱交換器において、第一段２２ａの複数の伝熱管２２ｐの第一端部２２ｊと、第二段２２ｂの複数の伝熱管２２ｐの第二端部２２ｋとの間を噴霧軸Ａｍが通過していればよい。したがって、第一段２２ａと第二段２２ｂとの間には、ノズル２４から噴霧された液体の流れに影響をほとんど及ぼさず、噴霧軸Ａｍの形成に影響を及ぼさない線材又は棒材等の部材が配置されていてもよい。

実施の形態３では、遠位伝熱管２２ｄが伝熱管２２ｐと同様の形状及び寸法を有している例を説明した。シェルアンドチューブ式熱交換器において、遠位伝熱管２２ｄは、噴霧軸Ａｍと交差する位置に配置できるものであればよい。したがって、遠位伝熱管２２ｄの形状及び寸法は、伝熱管２２ｐの形状及び寸法と同一のものに限定されない。ただし、遠位伝熱管２２ｄが伝熱管２２ｐと同様の形状及び寸法を有していれば、遠位伝熱管２２ｄを伝熱管２２ｐと別に準備する必要がなく、生産管理が容易である。また、遠位伝熱管２２ｄとして、伝熱管２２ｐの外径よりも大きい外径を有する管を用いてもよい。この場合、遠位伝熱管２２ｄによって液相冷媒をより確実に捕捉できる。

本明細書に開示されたシェルアンドチューブ式熱交換器は、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器のみならず、凝縮器として使用されてもよい。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置に限定されず、吸収式冷凍機、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。

２１ シェル
２２ 伝熱管群
２２ａ 第一段
２２ｂ 第二段
２２ｃ 下部伝熱管群
２２ｄ 遠位伝熱管
２２ｅ 下部伝熱管
２２ｊ 第一端部
２２ｋ 第二端部
２２ｐ 伝熱管
２４ ノズル
１００ 冷凍サイクル装置
１０１ 蒸発器（シェルアンドチューブ式熱交換器）
Ａｍ 噴霧軸
Ｐ 直線
θ 鋭角

Claims (10)

1. 冷凍サイクル装置の蒸発器であるシェルアンドチューブ式熱交換器であって、
   シェルと、
   前記シェルの内部に配置された伝熱管群と、
   前記伝熱管群に向かって液体を噴霧するノズルと、を備え、
   前記伝熱管群は、第一平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する第一段と、前記第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管を有し、かつ、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段と隣り合っている第二段とを含み、
   前記ノズルは、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段の前記複数の伝熱管の前記第二段に近い第一端部と、前記第一平面に垂直な方向において前記第二段の前記複数の伝熱管の前記第一段に近い第二端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、前記第一段と前記第二段との間を通過する扁平な噴霧パターンで前記液体を噴霧し、
   前記ノズルによって噴霧された前記液体を蒸発させる、
   シェルアンドチューブ式熱交換器。
2. 前記第一段と前記第二段との間には、前記第一段の前記複数の伝熱管の配列方向における前記第一段の一端から他端まで有体物に交差しない仮想平面が存在する、請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
3. 前記第一段の前記複数の伝熱管及び前記第二段の前記複数の伝熱管は、前記伝熱管の長手方向に垂直な第三平面において、長方形格子、正方形格子、又は平行四辺形格子をなしている、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. 前記第二段は、重力方向において前記第一段の下方に配置されており、
   前記伝熱管群は、複数の伝熱管を有し、かつ、重力方向において前記第二段の下方に配置されている下部伝熱管群を含む、請求項１から３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。
5. 前記下部伝熱管群の前記複数の伝熱管は、前記第二段の前記複数の伝熱管とともに、前記伝熱管の長手方向に垂直な第三平面において長方形格子又は正方形格子をなしている、請求項４に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
6. 前記第一平面に垂直な方向に沿って前記第一段を見たときに、前記噴霧軸は、前記第一段の前記伝熱管の長手方向に垂直に延びる直線に対して所定の大きさの鋭角をなす、請求項１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. 前記伝熱管群は、前記噴霧軸と交差する位置に配置された遠位伝熱管を有し、
   前記第一段は、前記第一段の前記複数の伝熱管の配列方向において、前記ノズルと前記遠位伝熱管との間に配置されている、
   請求項１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. 前記伝熱管群は、重力方向において前記遠位伝熱管の真下に配置された下部伝熱管を有する、請求項７に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
9. 請求項１から８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備えた、冷凍サイクル装置。
10. 冷凍サイクル装置の蒸発器における熱交換方法であって、
    第一平面に沿って配列された複数の伝熱管を有する第一段と、前記第一平面に平行な第二平面に沿って配列された複数の伝熱管を有し、かつ、前記第一平面に垂直な方向において前記第一段と隣り合っている第二段とを含む伝熱管群の内部において熱媒体を通過させることと、
    前記第一平面に垂直な方向において前記第一段の前記複数の伝熱管の前記第二段に近い第一端部と、前記第一平面に垂直な方向において前記第二段の前記複数の伝熱管の前記第一段に近い第二端部との間を通過する噴霧軸を有し、かつ、前記第一段と前記第二段との間を通過する扁平な噴霧パターンで前記伝熱管群に向かって液体を噴霧し、前記熱媒体と前記液体とを熱交換させて前記液体を蒸発させることとを、含む
    熱交換方法。

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