JPH0642886A - 特に非共沸性作用流体によって運転される混成熱ポンプのための熱交換器装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 流体分配器を熱交換器の上流に設けて熱交換
器チューブの中に作用流体相の一様な配分を行う。 ［構成］ 熱交換器（２１）の熱交換器チューブ（２
２）の数と一致する数の流体排出口（４０）を有する流
体分配器（３３）が熱交換器（２１）の上流に設けら
れ、そして熱交換器（２１）の熱交換器チューブ（２
２）がそれぞれ流体分配器（３３）の１個の流体排出口
（４０）と連結している、特に非共沸性作用流体によっ
て運転される混成熱ポンプのための、シエル−アンド−
チューブ型の実質的に水平な向流熱交換器を含む熱交換
器装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に非共沸性作用流体
（ｎｏｎ−ａｚｅｏｔｒｏｐｉｃ ｗｏｒｋｆｌｕｉ
ｄ）によって運転される混成熱ポンプ（ｈｙｂｒｉｄ
ｈｅａｔ ｐｕｍｐ）のための、実質的に水平配置の向
流熱交換器からなる熱交換器装置に関するものである。
本発明による熱交換器装置の熱交換器は、液体状態の流
体が蒸気に変化するか、またはその逆に変化する型のも
のである。通例の作用流体によって、このような変化は
一定の温度で起こる。しかしながら、揮発性が異なる相
互に十分に溶け合う成分からなり、かつそれぞれそれら
の液相が気体状態に変わるか、またはその逆に変化する
とき、頻繁な温度の上昇および低下に伴ってそれらの相
を変化させる作用流体が存在する。圧縮または混成熱ポ
ンプにおいてこのような非共沸性作用流体を用いると
き、通例の作用媒体を用いる熱ポンプについては、効率
のかなりの増大を得ることができる。混成熱ポンプは、
例えばＥＰ ０ ０２１ ２０５から明らかなように、
当該技術において周知であり、そして最近では、それら
の優れた技術的特性のために、専門家の興味を集めてい
る。しかしながら、混成熱ポンプの運転においては、様
々な要件に留意しなければならない。

【０００２】熱交換の間に作用媒体の温度を連続的に変
化させるという有利な現象の開発は、十分に限定された
流路（チャンネル）、例えば当該技術において周知の多
管式熱交換器の場合のような、随意の横断面積を有する
パイプまたはそらせ板を有する容器の中で、作用流体お
よび冷やすか、または温めるべき流体（“外側”流体）
の両方が反対方向に流れる向流熱交換器を明らかに必要
とする。さらに、非共沸性流体の相の集中状態（濃度）
が互に異なるので、液体および蒸気の隣接する粒子の温
度が実際上等しくなって最適の熱力学的結果が得られる
ように、それらの粒子が連続的に接触すると同時に、両
方の相が一緒に流れることが必要である。このような連
続的な接触は、作用流体の流れが分散された型の流れで
あって、その流れにおいて、流動しつつある蒸気中に細
かく分配されている液体粒子がその蒸気によって持ち運
ばれる場合に保証される。分散された流れは、当業者に
明らかなように、それに対応して装置および作業条件の
パラメータを選択することによって得られる。

【０００３】しかしながら、流れ模様は、分散されてい
る流れの芯部が環状の境界層で囲まれ、それによって作
用流体相の温度均等性がかなり損われるという複合した
種類のものとなり得る。このような好ましくない作用
は、ＥＰ ０ ２４２ ８３８に記載されているよう
な、作用媒体相を運ぶ管の中に用意された混合装置手段
によって避けることができる。作用流体が唯１個の流路
または管の中を流れるよりもむしろ若干数の平行な流路
または管の中を流れる場合、さらに困難が生ずる。明ら
かに、このような場合には、作用媒体の両方の相が熱交
換器の流路または管の中に一様に分配されていなければ
ならない。と言うのは、さもないと、それらの中で温度
変化の不ぞろいの進行が現われて、不完全な分散流によ
って生ずる損失に類似した損失が引き起こされるからで
ある。

【０００４】幾つかの平行な流路または管の中に作用媒
体が一様に分布するという課題は、最適の長さが３０な
いし４０ｍに及ぶ５０ないし１００本の平行な熱交換器
チューブを含むことができる大規模な産業プラントの熱
交換器にとって、特に重要である。明らかに、このよう
な熱交換器チューブ内で両相の一様な配分とそれらの明
確な分離を維持することは、現場における製作、移送お
よび組立てが明らかに困難であることは言うまでもな
く、特別な問題を意味している。混成熱ポンプによって
提供される利点を開発し、かつ前述の困難に応じるため
に、垂直または水平の熱交換器を具えた様々な熱交換器
装置が提案されている。公知の装置は、吸収冷却装置
（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）
または熱ポンプとともに使用される熱交換器の組立て原
理に従っている。それらの主な欠陥は、それらが、混成
熱ポンプの最高の効率を得ることができずに、原則とし
て、それらの作用媒体の相の温度変化の適度な進行を保
証できないという点にある。

【０００５】本発明の主要な目的は、非共沸性作用流体
により、簡単な方法で運転される混成熱ポンプの機能的
並びに構造的観点に関するすべての要件、特にプラント
の大きさから独立している作用流体相の同時に起こる温
度変化の要件を満たすのに適した、第二の熱交換器装置
を提供することである。流れの必要条件および作用流体
の特別な性質を考慮して、実質的に水平な配置とシエル
−アンド−チューブ型を有する向流熱交換器からなる熱
交換器装置が提案される。本発明の重要なアイデアによ
れば、作用流体の相がそれぞれ単一の液体および単一の
蒸気の形で別々に現われる場合に流体分配器を熱交換器
の上流に用意することによって、熱交換器チューブの中
に作用流体相の一様な配分が得られる。したがって、流
体分配器は熱交換器の熱交換器チューブの中に流入する
単一の相を一様に分配する唯一の仕事を有し、そしてそ
の目的のために熱交換器は、相を導入するための導入口
の他に、熱交換器チューブの数に一致した数の、パイプ
のような複数個の排出口を有し、その結果流体分配器の
出口と熱交換器の熱交換器チューブとの間の直接かつ個
別的な結合が実現可能となり、そしてそれによって、本
発明の主要な目的、即ち熱交換器チューブの中の作用流
体相の一様な配分が達成される。

【０００６】このようにして、本発明の最も広い意味に
おいて、本発明は、特に非共沸性作用流体によって運転
される混成熱ポンプのための、シエル−アンド−チュー
ブ型の実質的に水平な向流熱交換器を含む熱交換器装置
に関するものである。既に述べたように、好ましい本発
明は、熱交換器の熱交換器チューブの数に一致する数の
流体排出口を有する流体分配器が熱交換器の上流に用意
され、そしてそれの熱交換器チューブがそれぞれ流体分
配器の１個の排出口に結合しているところにある。当該
技術において通常の知識を有する者が分散されている流
れを望む場合に、その者の専門的知識の範囲内で熱交換
器チューブの機械的および熱力学的パラメータを適当に
選べば、このような配置は作用流体相の併流を保証する
という仕事に対処し、それによって連合した熱ポンプの
効率がかなり増大する。好ましくは、流体分配器はシエ
ルの底よりも上で終わる、作用流体の液相を導くための
分配管を具えたシエルを含み、パイプの形の排出口は分
配管と同心的にシエルの底から下方へ向って突出し、そ
して排出口またはパイプの流動横断面積（ｃｒｏｓｓ−
ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ａｒｅａ）は分配管の
流動横断面積よりも大きい。これから理解されるよう
に、このような流体分配器は、単純な構造以外に、排出
口を形成するパイプ中に作用流体の両相を均等に分配さ
せることについて信頼できる運転を特徴としている。

【０００７】分配管は、個々の分配管の中の流れの強さ
を共通の値に正確に調整することを可能にし、それによ
って排出口における作用流体の液相の均一な配分を確実
に達成する、流れ強さの調整装置手段を含むことができ
る。流体分配器のシエルの底よりも上にある分配管の出
口端部は、好ましくは面取りされている。したがって、
下降する液体は、一様なへりを有する分配管の場合のよ
うな環状の横断面区域よりはむしろ面取りされた排出口
端部の垂直線に沿った最も低い点において、分配管から
出ていく。このように作用流体の液相を集中して抜き出
すことによって、排出口の横断面区域の一部はガス状の
流体相の流入に対して確実に自由に保たれる。

【０００８】作用流体の相が互に明確に分離されず、か
つ、それ故にそれらの一様な配分が危くなる場合には、
操作可能に流体分配器と結合し、かつ液体と蒸気との混
合物からなる作用流体中の蒸気から液体を分離するよう
に適応されている相分離器を、その流体分配器の上流に
設けてもよい。このような相分離器によって、頼りにな
り、かつ適切な流体配分の基本的な条件となる、互に十
分に分離した相の形で作用流体が流体分配器に入ること
が保証される。好ましい実施態様において、相分離器
は、作用流体導入口を有するシエル、流体分配器の気相
導入口と連結した気相排出口、流体分配器の分配管と連
結した液相排出口、およびシエルの内部にあって、シエ
ルから一定の間隔があけられている、作用流体導入口と
液相排出口との間に介在する、そらせ板分離器（ｂａｆ
ｆｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）を含んでいる。このよう
な相分離器は構造が単純であるにも拘らず、流体の異な
る相を明確に分離することを保証する、その構造の単純
性を特徴としている。

【０００９】作用流体の液相が重力よりも大きい圧力に
よって運ばれる場合には、その排出用のポンプを、相分
離器の液相排出口と流体分配器の分配管とを連結するパ
イプ導管に設けるのが好ましい。このような連結管（ｃ
ｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｉｐｅ）にポンプを設けること
は、組立作業を簡易化し、かつ運転制御を容易にするこ
とを意味している。流体分配器と相分離器は共通のシエ
ル内に単一の装置の形で組み合わせてもよい。配分に先
立って、作用流体の相を分離しなければならない場合、
このような組み合わせた装置は適度な空間を必要とし、
かつ機構を簡単にするという利点を有する。

【００１０】好ましくは、共通のシエルは、作用流体の
導入口に向かい合った、そらせ板分離器、その下でシエ
ルから間隔をあけている液体収集トレー（ｌｉｑｕｉｄ
ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｔｒａｙ）、作用流体導入口
に向かい合ってシエルに固定され、かつ液体収集トレー
の上で伸びている、そらせ板、液体収集トレーの底部か
ら下方に向って突出し、かつ共通シエルの底部よりも上
で終っている、面取りされた排出口端部を有する分配
管、および分配管と同心的に共通シエルの底から下方に
突出し、かつ熱交換器の熱交換器チューブと個々に結合
している排出口を包含し、そしてその排出口の流動横断
面積は分配管の流動横断面積よりも大きい。したがっ
て、流体分配器および相分離器のすべての仕事は、比較
的簡単な構造と制限された大きさを有する単一の簡潔な
装置によって成し遂げられる。蒸気の流れ方向に関して
そらせ板分離器の後ろのシエルに固定されているそらせ
板は、組合せという一般的なアイデアを越えて、蒸気に
よって持ち運ばれる液体粒子が、そらせ板分離器を通過
するにも拘らず、液体収集トレーに無事に導入されるこ
とを保証する。

【００１１】さらに、分配管はそれらの入口に減圧ノズ
ル（ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｎｏｚｚｌｅ）を有することが
できる。このノズルは、一方では、運転のどの定常状態
においても液体収集トレー上に一定の液体レベルを保
ち、そして他方では、貯められた液体が直接シエルの中
に溢流するのを防ぐように定められている。両方の要件
を満たすことは、排出口の中で一様な流体の配分を都合
よく増強する。熱ポンプサイクルの与えられた点におい
て最大並びに最小の流れ強さがわかっていれば、このよ
うな要件は当業者によって容易に満たされる。上記のこ
とには、大規模な産業プラントにおける熱交換器の製
作、移送等には様々な種類の困難が生じ得るために、こ
のような熱交換基のチューブ長さは時々扱い難い寸法に
達するということが関係している。このような困難を避
けるために、熱交換器装置の熱交換器は流体の流れに関
して直列に結合している熱交換器チューブセクションを
具えた少なくとも２つの熱交換器セクションにさらに分
割することができる。このような細分（ｓｕｂｄｉｖｉ
ｓｉｏｎ）は、熱交換器のセクションを互に重ね合わ
せ、それによって必要な長さを限られた区域内で達成で
きるという、熱交換器の実質的に水平な配置によって容
易になる。

【００１２】流体の流れの直列接続は、それぞれ後に続
く熱交換器セクションのシエルと熱交換器チューブセク
ションとの相互連結を意味している。シエルの直列接続
は自明であるので詳しく説明する必要はない。他方、熱
交換器チューブセクションの直列接続は２通りの異なる
方法で遂行できる。より詳しくは、熱交換器チューブセ
クションの中の作用流体の相の明確に分かれた流れを処
理できるならば、後に続く熱交換器セクションの熱交換
器チューブセクションを個々に連結管によって互に結合
させてもよい。このような相互結合は、初めは一様に分
配されていた作用流体があたかも連続した長い流路の中
で絶え間なく流れるように、１つの熱交換器セクション
から次の熱交換器セクションにわたって流れるので、制
限された区域で所望の長さの熱交換器チューブを有する
熱交換器を建設することを可能にする。様々な熱交換器
セクションの性能の選択における融通性は、ここでは、
流動横断面積（ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｆｌ
ｏｗ ａｒｅａ）を変化させるための変遷側面（トラン
ジションプロファイル；ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏ
ｆｉｌｅ）を含む連結管を使用する可能性および、それ
により、熱交換器チューブセクションの直径が前の熱交
換器セクションにおけるそれと異なる下流の熱交換器セ
クションの熱力学的条件によって保証される。

【００１３】類似した変化はチューブプレート（ｔｕｂ
ｅ ｐｌａｔｅ）を使用する配置によって達成すること
ができ、連結管および後に続く熱交換器セクションの熱
交換器チューブセクションの両方は、互に対立している
チューブプレートで終っており、そしてこのチューブプ
レートは連結管と熱交換器チューブセクションの両方と
位置が合っているオリフィスを具えたガスケットを通し
て互に連結している。このような配置は明らかに、異な
る直径を有するパイプの結合を可能とし、それによっ
て、当該技術における通常の知識を有する者に明らかな
ように、後続の熱交換器セクションにおいて所望の熱力
学的条件を保証することを可能にする。他方、異なる熱
交換器チューブセクションにおいて同時に起こる温度変
化の類似した進行が危くなることによって、上流の熱交
換器セクションの中の相割合が相違しやすくなる場合、
後続の熱交換器セクションの熱交換器チューブセクショ
ンの直列接続は、好ましくは、前述のように下流の流体
分配器と上流の相分離器との組合せを通して、このよう
な熱交換器チューブセクションを相互に結合することに
よって、達成される。このような直列接続は、大規模な
産業プラントにおいては避けることができない、下流の
熱交換器セクションの熱交換器チューブセクションにお
いて相の一様な配分が回復することを可能にする。さら
に、このような相互連結は、連続している２個の熱交換
器セクション相互に関する熱交換器チューブセクション
の数を変えることを、明らかに可能にする。それは性能
および連合した運転条件に関して設計上の融通性が増大
することを意味している。

【００１４】公知のように、流体の各相は別々に流れる
傾向がある。例えば、流体の液相はチューブの中を環状
に流れ、一方蒸気相は芯状の流れ模様を作って前進す
る。これらの相は互に分散して流れるよりもむしろ、こ
のような流れ模様を維持するか、または取りもどす傾向
がある。それ故、混成熱ポンプの熱交換器の場合のよう
に、分散した流れを望むならば、特に長い熱交換器チュ
ーブの場合、両相の間欠的な混合に留意しなければなら
ない。このような混合は、作用流体の分散した流れを増
強するように適応された熱交換器チューブにおける混合
装置手段によって得ることができる。このような目的の
ための混合装置手段はＥＰ ０ ２４２ ８３８に発表
されているような技術により周知である。そらせ板の表
面は流体の相の場所を強制的に変える。外部の流動条件
は変らないので、これらの相は、到達できるが互に行き
わたることによって元の場所に復帰する傾向があり、そ
れによって強い混合が起って、分散された流れが僅かな
流動抵抗の上昇を伴って復元する。

【００１５】以下、例によって、本発明の様々な実施態
様を示している添付図面を参照することによって本発明
をより詳しく説明する。添付図面において、図１は本発
明の主要な特徴を示す、一部を断面とした立面図であ
る。図１ａは目盛を拡大して図１の細部を示す図であ
る。図２は本発明による流体分配器の例示されている実
施態様の縦断面図を、拡大した目盛で描いた図である。
図３は図１の図に類似した図で本発明の別の実施態様を
示している。図４は図３に描かれた図に類似した図で、
さらに拡大した目盛で本発明の例示された実施態様を示
している。図５は本発明のさらに別の実施態様の縦断面
図である。図６は若干の付加的な細部とともに図５の細
部を拡大した目盛で描いている。図７は一部を断面とし
た立面図によって本発明のさらに別の実施態様を表して
いる。図８は細部の部分縦断面図を示す。図９は本発明
のなお別の実施態様の縦断面図である。図１０は本発明
のさらに別の実施態様の流れ図である。図１１は内部に
混合装置手段を具えた熱交換器チューブセクションの縦
断面図である。

【００１６】図面のシート全体にわたって、同様な参照
記号は類似の細部を示している。図面において、参照記
号２０は熱交換器チューブ２２を有するシエル−アンド
−チューブ型のそれ自体公知の熱交換器２１のシエルを
示している。シエル２０の中のそらせ板２４は、熱交換
器チューブ２２の中で流れる作用流体、例えば非共沸性
冷却材と向流状態にある、水のような外部媒体をジグザ
グ線に沿って案内するために働く。外部媒体は導入口３
０を通ってシエル２０の中に導入され、そして排出口３
２を経てシエルから去る。熱交換器２１の置かれ方は、
実質的に水平である。圧力よりはむしろ重力の作用の下
で作用流体が熱交換器チューブ２２の中を前進しなけれ
ばならない場合には、水平に対して僅かに傾斜した置き
方を採用することができる。作用流体はシエル３４によ
って流体分配器３３から熱交換器チューブ２２の中に導
入される。本発明の主要な特徴にしたがって、前に指摘
したように、熱交換器２０の上流に流体分配器３３が設
けられる。導入口３６および３８は、それぞれ作用流体
の単一の気相および単一の液相を導くのに役立つ。熱交
換器チューブ２２の数に一致する数の排出口４０は連結
管４２によって、それぞれ熱交換器チューブ２２の１つ
と結合している。

【００１７】連結管４２および熱交換器チューブ２２の
両者は、通しボルト５０によりガスケット４８を通して
それぞれ互に連結している、相互に向かい合ったチュー
ブプレート４４および４６の中で終わっている。ガスケ
ット４８は、作用流体が妨害されずに連結管４２から熱
交換器チューブ２２へ通過できるように、連結管４２と
熱交換器チューブ２２の両方の位置と合っているオリフ
ィス５２を有する。明らかに、このような妨害されない
流れはまた、溶接またはへら絞り加工（スピニング）の
ような手段によって排出口４０および熱交換器チューブ
２２の両方に固定されている連結管４２によっても得る
ことができるであろう。しかしながら、比較的費用がか
かるチューブプレートとガスケットによる固定は、清掃
または補修の場合に容易な分解を可能にする。さらに、
後述のように（図８）作用流体の流動横断面積を変える
ことも可能になる。

【００１８】本例の場合、実質的に類似した配置が、排
出口５６によって収集室（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｃｈ
ａｍｂｅｒ）５４の中に向かって開いている熱交換器チ
ューブ２２の出口端部において使用される。運転に当た
っては、外部流体が、矢印５８によって示されるよう
に、導入口３０を通って導入される。外部流体はシエル
２０の中のそらせ板２４の間の流動経路（ｆｌｏｗ ｐ
ａｔｈ）のジグザグ線に沿って流れ、そして最後は矢印
６０によって示されるように、排出口３２を通って去
る。作用流体の単一な気相は、矢印６２によって示され
るように、導入口３６を通って流体分配器３３の中に導
入される。同様に、同じ作用流体の単一な液相は、矢印
６４によって示されるように、導入口３８を通って流入
する。流体分配器３３のシエル３４の内部においては、
適当な方法によって、２つの相が排出口４０の中で一様
に分配される。その結果、熱交換器チューブ２２の中の
熱力学的条件、より詳しくは熱交換器チューブ２２の中
の温度変化の進行は、本明細書の導入部分において説明
したように、連合した熱ポンプの効率の対応する上昇と
同一になる。作用流体は、矢印６６によって示されるよ
うに、熱交換器チューブ２２から収集室５４を通って排
出口５６を去る。

【００１９】流体分配器３３の例示された実施態様が図
２に示されている。それは分配管６８を有するシエル３
４を含み、そしてその分配管６８の数は熱交換器チュー
ブ２２の数および、したがって、排出口４０の数に一致
している。分配管６８は調整装置（ｒｅｇｕｌａｔｏ
ｒ）７０を経て液相導入口３８に連結しており、そして
この調整装置７０は分配管６８の中の流れの強さを確実
に同じ値に保つために、各分配管６８の中で流れ抵抗を
調節することを可能にする。分配管６８はシエル３４の
底部の上で終わっている結果、それらの間には隙間が残
っている。さらに、分配管６８は面取りされた出口端部
７２を有し、そしてこの出口端部の面取り部（ｃｈａｍ
ｆｅｒｉｎｇ）は作用流体の気相の流れ方向と向かい合
っている。パイプの形の排出口４０は分配管６８と同心
的に、シエル３４の底から下方へ向かって突き出てい
る。しかしながら、それらの流動横断面積は分配管６８
の流動横断面積よりも大きい。

【００２０】運転に際しては、作用流体の気相が矢印６
２の向きで流入し、一方作用流体の液相は調整装置７０
を通って分配管６８の中に流入し、そして分配管６８の
中でこの液相は環状の境界層の形で降下する。分配管６
８の面取りされた出口端部のために、作用流体の液相の
流動横断面積の環状形は液体の単一の筋（ｓｔｒｅａ
ｋ）に変形され、そしてこの筋は分配管６８の最も低い
点から排出され、そして無事に排出口４０の導入口オリ
フィスの中に落ちる。このようにして、分配管６８の面
取りされた端部７２に突き当たり、それによって排出口
４０の入口に向かってそらされた気相は、分配管端部７
２とシエル底部との間ばかりでなく、妨げられなかった
流れのための排出口４０の中にも広い空間を獲得する。
その結果、作用流体の両相は排出口４０の中で一様に分
配され、そしてすべての熱交換器チューブ２２は連結管
４２からそれの同じ量を同じ割合で受け入れる。

【００２１】流入する作用流体が、それの相が互に混ざ
り合っている湿った蒸気の状態にある場合、均等な配分
は流体分配器に入る前にそれらの分離を必要とする。こ
のような目的のためには、図３に示されるように、流体
分配器の上流に相分離器７３を設けてもよい。さらに、
相分離器７３は作用流体導入口７６を有するシエル７
４、気相排出口７８および液相排出口８０を有する。気
相排出口７８は流体分配器３３の気相導入口３６に連結
しており、一方液相排出口８０は流体分配器３３の液相
導入口３８に連結している。相分離器７３は、当該技術
において周知のように、湿った蒸気状態にある作用流体
の相を互に分離するように適応されている手段を含んで
いる。

【００２２】運転に際しては、このような作用流体は、
矢印８２によって示されるように、相分離器７３の導入
口７６によって受け入れられる。互に分離したこれらの
相は、排出口７８および８０を通って抜き出され、そし
て前記の実施態様の場合と同様に、それぞれ導入口３６
および３８を通って流体分配器３３の中に導入される。
本発明にしたがって使用するのに適した相分離器の例示
された細部が図４に描かれている。本例の場合、相分離
器７３は、図３に関して説明されているように、やはり
導入口および排出口を有するシエル７４を含んでいる。
同じことが流体分配器に対する結合状態についても当て
はまる。それ以外の特徴は、作用流体の導入口７６と液
相排出口８０との間で、シエル７４から適当な間隔をお
いてシエル７４の中の場所を占めている、そらせ板分離
器を提出する点にある。このような間隔をあけた配置の
ために、一方では、気相の流れのための広い空間が存在
し、そして他方では、そらせ板分離器８４から流れ落ち
る液体を集めるための溜めます（ｂａｓｉｎ）として、
例えばシエル７４の底部を使用する可能性が存在する。

【００２３】本例の場合のように、流体分配器３３が相
分離器７３よりも高いレベルに位置している場合のよう
に、圧力降下が別の方法で対処できないならば、作用流
体の液相の導入口３８は排出ポンプ８６を含んでいても
よい。運転に際しては、流入する作用流体（矢印８２）
はそらせ板分離器８４に突き当たり、そしてそれによっ
て作用流体の衝突液体粒子は分離され、そしてシエル７
４の底の液体収集溜めますの中に落下する。持ち運ばれ
る液体粒子から発生した気相は、矢印６２によって示さ
れるように、排出口７８を通って流体分配器３３の導入
口３６の中に流入する。それと同時に、シエル７４の底
に集まる液相は排出口８０を通って抜き出され、そして
矢印６４によって示されるように、ポンプ８６によって
導入口３８の中に排出される。そこから先では、熱交換
器装置の運転は前述の実施態様の運転と同様である。

【００２４】流体分配器３３および相分離器７３は一体
に結合して、共通のシエル８８の状態の単一の装置８７
にしてもよい。本発明のこのような実施態様は図５に示
されている。図示されているように、共通のシエル８８
は、前記の実施態様の場合と同様に、流体導入口７６に
向かい合った位置を占めているそらせ板分離器８４を囲
んでいる。そらせ板分離器８４の下にはシエル８８から
間隔をあけて液体収集トレー９０が存在している。シエ
ル８８は、作用流体導入口７６に関して反対側に、シエ
ル８８に固定されているそらせ板９２を有する。そらせ
板９２の上に落下する液体の小滴が液体収集トレー９０
の中に強制的に流れ落ちるように、その液体収集トレー
９０の上にそらせ板９２が延びている。液体収集トレー
９０の底から下方に向かって突き出ている分配管６８が
やはり存在し、そしてこの分配管６８の数は、前述の実
施態様の場合と同様に、熱交換器２０の熱交換器チュー
ブ２２の数と一致している。それらは共通シエル８８の
底の上で終わっているとともに、面取りされた排出口端
部７２を有し、そしてこの端部７２はシエル８８の側面
に向う集団のように見え、その側面から気相が内側に向
かって流れる。

【００２５】なおやはり、前述の実施態様の場合と同様
に、パイプ状の排出口４０が分配管６８と同心的に、シ
エル８８の底から下方へ向かって突き出ている。排出口
４０は熱交換器２０の熱交換器チューブ２２と個々に結
合しており、そしてそれらの流動横断面積も、やはり液
体収集トレー９０の底から突き出ている分配管６８の流
動横断面積よりも大きい。さらに、本例の場合、図面の
図６に示されているように、分配管６８の入口には減圧
ノズル９４が設けられている。ノズル９４の寸法は、す
べての運転可能な安定状態において、液体の適当なレベ
ルが液体収集トレー９０の上に現れると同時に、その縁
の上で液体の溢流が起こらないように選ばなければなら
ない。既に示唆されているように、所望のサイクルの与
えられた点において最大および最小の流れ強さが知られ
ていれば、ノズル９４の寸法を定めることは当該技術に
通常の知識を有するものにとって日常茶飯事の作業に過
ぎない。設計または運転の何らかの理由で所望ならば、
ノズル９４のオリフィスは分配管６８に関して偏心して
いてもよい。

【００２６】明らかに、装置８７および、より詳しく
は、液体収集トレー９０は、正確な水平位置を占めるよ
うに調整しなければならない。と言うのは、さもない
と、ノズル９４の上の流体の柱の高さが均等にならなく
なり、それによって液相の均一な配分が妨げられるから
である。運転に際しては、矢印８２によって示される、
導入口７６を通って流入する作用液体はそらせ板分離器
８４に突き当たり、そこでその液体粒子は分離して液体
収集トレー９０の中に落下する一方、作用流体の気相は
シエル８８とそらせ板分離器８４との間に残っている間
隙を通ってシエル８８の底に近づく。一定圧力の柱の液
体レベル９６は、分配管６８が作用流体の液相を均等に
供給することを保証する。降下する液体は、面取りされ
ている排出口端部７２の最も低い点から排出口４０の中
に落下し、その結果、面取りされている排出口端部７２
に向かって流れ、そしてそれにより流れの向きがそらさ
れて同様に排出口４０の中に入るようになる作用流体の
気相に適した流動横断面積が維持される。このようにし
てやはり、熱交換器チューブ２２は作用流体の均等な量
を、それの相の等しい割合で受け取る。

【００２７】前述のように、熱交換器チューブ２２の必
要な長さは、３０ないし４０ｍというかなりの値に達す
る恐れがあり、これは多くの点で困難を意味している。
本発明は、図面の図７に示されるように、熱交換器２１
を、直列に連結している少なくとも２個の熱交換器セク
ション２１ａおよび２１ｂに細分することによって、こ
のような困難に対処することができる。前記の図におい
て使用されている参照記号に付いている“ａ”および
“ｂ”という添字は、それぞれ熱交換器のセクション２
１ａおよび２１ｂの対応する部分を示している。同じこ
とが、さらに小文字が使用されている場合にも当てはま
る（図１０）。本例の場合、熱交換器セクション２１ａ
および２１ｂは相互に重ね合わされており、これは空間
の所望の必要長さを半減することを意味している。細分
セクションの数が多くなればなるほど、与えられた寸法
の熱交換器を収容するのに必要な空間の長さは、相対的
に益々短くなる。熱交換器を２個よりも多いセクション
に細分する場合、熱交換器セクションのうちの幾つかは
２つの重ね合わされたセクションの間のベイ（ｂａｙ）
を占めることができ、それによって一層簡潔かつ、同時
に高さの低い配置を達成することができる。

【００２８】熱交換器セクション２１ａおよび２１ｂの
直列接続は、それぞれシエル２０ａと２０ｂ、および熱
交換器チューブセクション２２ａと２２ｂの両者を相互
に結合するところにある。シエルの直列接続には問題が
ない。他方では、熱交換器チューブセクション２２ａお
よび２２ｂの直列接続は２つの代案を提供する。熱交換
器チューブセクション２２ａおよび２２ｂは、図７に示
されるように、個々に連結管９８によって互に結合させ
ることができる。このような場合、作用流体は、あたか
もそれが連続したパイプ導管の中を邪魔されずに流れる
ように、熱交換器セクション２１ａおよび２１ｂを通過
する。それにも拘わらず、この後で示されるように、流
れの状態を熱力学的要件に適合させることができる。そ
れは、連結管９８の中に遷移側面を挿入することによっ
て得ることができる。

【００２９】本例の場合、このような遷移側面１００
は、後に続く熱交換器セクション２１ｂの熱交換器チュ
ーブセクションの直径を拡大させ、そしてこれは混成熱
ポンプの蒸発器の運転可能な必要条件に該当している。
しかしながら、この遷移側面は、例えば混成熱ポンプの
凝縮器の場合と同様に、連続的に減少していく直径を有
することができ、そしてこの混成熱ポンプの熱交換器は
熱交換の終わりに向かって減少している流動横断面積を
必要とする。このような管直径の変化はまた、図８に示
されるように、対応して穴をあけたガスケットによって
も得られる。ここで、ガスケット４８は、後に続く熱交
換器セクション２１ｂの熱交換器チューブセクション２
２ｂに向かって細くなり、それによって流動横断面積が
必要に応じて減少する円錐状のオリフィス５２を有す
る。

【００３０】後に続く熱交換器セクションを直列に接続
するもう１つの方法は図９に示されている。ここで、熱
交換器セクション２１ａの熱交換器チューブセクション
２２ａは、流体分配器３３ａと相分離器７３ａとを組み
合わせたものを通して、熱交換器セクション２１ｂの熱
交換器チューブセクション２２ｂに結合している。当
然、相分離器７３ａは、それに関して下流にある流体分
配器３３ａの上流に位置している。この結合は明らかに
図３に示されている実施態様と同じであるので、その細
部の説明は省略する。運転に際して、熱交換器チューブ
セクション２２ａを通る流体は、前述の実施例と同様
に、個々の連結管よりはむしろ、相分離器７３ａの中に
まとめて導入される。このようにして、作用流体の相は
互に分離されて、流体分配器３３ａの中に別々に導入さ
れるようになり、そして流体分配器３３ａにおいてそれ
らの相は、図３に示される実施態様において起こる現象
と同様に、排出口４０ａおよび、したがって後続の熱交
換器セクション２１ｂの熱交換器チューブセクション２
２ｂの中で均等に分配される。

【００３１】複数個の熱交換器セクションが使用され、
かつ、そのために、流動経路がかなり長くなる傾向があ
る大規模な産業プラントの場合となり得る、作用流体相
の復元された配分が必要となる場合には、組み合わされ
た相分離器と流体分配器とによって熱交換器セクション
を直列に接続することは極めて重要である。しかしなが
ら、熱交換器セクションの前述の直列接続のそれ以外の
利点は、図９の場合のように、後に続く熱交換器セクシ
ョンの熱交換器チューブセクションの数および／または
直径を変えることが可能になることであり、図９におい
ては、熱交換器チューブセクション２２ｂの直径は、前
の熱交換器セクション２１ａにおける熱交換器チューブ
セクション２２ａの直径よりも小さい。このような融通
性によって、図９に示されるような、たった２個の熱交
換器セクションの場合さえも、すなわち家庭用の比較的
小型の装置においてさえも、相分離器と流体分配器とを
組み合わせたものによる直列接続は正当化される。

【００３２】他方では、大規模な産業プラントは上述の
２通りの別法の利用を示す。と言うのは、そこでは、妨
害されない長い流動経路および作用流体相の間欠的な再
配分が同等に必要となり得るからである。このようなプ
ラントの流れ図が図１０に示されている。それの熱交換
器は５個の熱交換器セクション２１ａ、２１ｂ、２１
ｃ、２１ｄおよび２１ｅに細分されている。最初の４個
の熱交換器セクション２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２
１ｄはそれぞれ結合管４２ａ、４２ｂおよび４２ｃによ
って直列に接続している。他方、妨害されない連続した
流れの状態で４個の熱交換器セクションを通過した作用
流体が、最後の熱交換器セクション２１ｅを通って去る
前に、再配分を必ず必要とすることが考えられるか、ま
たは確認されるので、熱交換器セクション２１ｄおよび
２１ｅは、下流の流体分配器３３ａと上流の相分離器７
３ａとを組み合わせたものを通して互に連結している。

【００３３】既に説明したように、作用流体が分散され
ている流れを形成することは、それの両方の相の温度変
化の類似した進行にとって基本的な必要条件である。好
ましく選択された熱力学的パラメータに加えて、分散さ
れた流れは、同様に機械的手段によって増強することが
できる。このような目的のために、熱交換器チューブの
中に、あるいは、同じことであるが、熱交換器チューブ
２２の中に混合装置手段９８を有する熱交換器チューブ
２２の一部を描いている図１１によって示されるような
熱交換器チューブセクションの中に混合装置手段を挿入
してもよい。前述のように、このような手段は当該技術
において公知であるので、それを詳しく説明する必要は
ない。それらの作用の本質は、作用流体の気相と液相の
場所を強制的に変えることによって、それらの相が互に
行きわたるのを導くことである。これは、相ができるだ
け早く取りもどそうとする、それらの相の初めの流動経
路から相をそらせ、それによって、繰り返される相互の
行きわたりが流れの分散性の復元を起こさせるそらせ板
表面によって得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主要な特徴を示す、一部を断面とした
立面図である。

【図１ａ】目盛を拡大して図１の細部を示す図である。

【図２】本発明による流体分配器の例示されている実施
態様の縦断面図を、拡大した目盛で描いた図である。

【図３】図１の図に類似した図で本発明の別の実施態様
を示している。

【図４】図３に描かれた図に類似した図で、さらに拡大
した目盛で本発明の例示された実施態様を示している。

【図５】本発明のさらに別の実施態様の縦断面図であ
る。

【図６】若干の付加的な細部とともに図５の細部を拡大
した目盛で描いている。

【図７】一部を断面とした立面図によって本発明のさら
に別の実施態様を表している。

【図８】細部の部分縦断面図を示す。

【図９】本発明のなお別の実施態様の縦断面図である。

【図１０】本発明のさらに別の実施態様の流れ図であ
る。

【図１１】内部に混合装置手段を具えた熱交換器チュー
ブセクションの縦断面図である。

【符号の説明】

２０ 熱交換器 ２０ａ 熱交換器セクション ２０ｂ 熱交換器セクション ２１ 熱交換器 ２１ｂ 熱交換器セクション ２２ 熱交換器チューブ ２２ａ 熱交換器チューブセクション ２２ｂ 熱交換器チューブセクション ３３ 流体分配器 ３３ａ 流体分配器 ３６ 気相導入口 ３８ パイプ導管 ４０ 流体排出口 ４２ａ 連結管 ４２ｂ 連結管 ４４ｂ チューブプレート ４６ｂ チューブプレート ４８ｂ ガスケット ５２ オリフィス ６８ 分配管 ７０ 調整装置手段 ７２ 排出口端部 ７３ 相分離器 ７３ａ 相分離器 ７４ シエル ７６ 作用流体導入口 ７８ 気相排出口 ８０ 液相排出口 ８４ そらせ板分離器 ８６ ポンプ ８７ 装置 ８８ シエル ９０ 液体収集トレー ９２ そらせ板 ９４ 減圧ノズル ９８ 混合装置手段 １００ 遷移側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲーザ ヒヴエシエイ ハンガリー人民共和国 ハー−1151 ブダ ペスト プラターン ウ ４ (72)発明者 タマース ホモラ ハンガリー人民共和国 ハー−1142 ブダ ペスト イロツトケ ウ ３ (72)発明者 アールパード バカイ ハンガリー人民共和国 ハー−1026 ブダ ペスト リアドー ウ ６／ア (72)発明者 ミハーリ ホルバート ハンガリー人民共和国 ハー−1084 ブダ ペスト ヨージエフ ウ ９

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器（２１）の熱交換器チューブ
   （２２）の数と一致する数の流体排出口（４０）を有す
   る流体分配器（３３）が熱交換器の上流に設けられ、そ
   して前記熱交換器の熱交換器チューブがそれぞれ流体分
   配器の１個の流体排出口と連結していることを特徴とす
   る、特に非共沸性作用流体によって運転される混成熱ポ
   ンプのための、シエル−アンド−チューブ型の実質的に
   水平な向流熱交換器を含む熱交換器装置。
2. 【請求項２】 流体分配器（３３）が作用流体の液相を
   導入するためにシエルの底の上で終わる分配管（６８）
   を有するシエルを含み、流体排出口（４０）が分配管と
   同心的にシエルの底から下方に向かって突出し、そして
   流体排出口の流動横断面積が分配管の流動横断面積より
   も大きいことを特徴とする、請求項１の熱交換器装置。
3. 【請求項３】 分配管（６８）における流れ強さ調整装
   置手段（７０）を特徴とする、請求項２の熱交換器装
   置。
4. 【請求項４】 分配管（６８）が、面取りされた排出口
   端部（７２）を有することを特徴とする、請求項２また
   は３のいずれかの熱交換器装置。
5. 【請求項５】 相分離器（７３）が、これと直列に接続
   している流体分配器（３３）の上流に設けられ、そして
   前記相分離器（７３）が、液体と蒸気との混合物からな
   る作用流体について、蒸気から液体を分離するように適
   応されていることを特徴とする、請求項２ないし４のい
   ずれかの熱交換器装置。
6. 【請求項６】 相分離器（７３）が、作用流体導入口
   （７６）を有するシエル（７４）、流体分配器（３３）
   の気相導入口（３６）と連結した気相排出口（７８）、
   流体分配器の分配管（６８）と連結した液相排出口（８
   ０）、およびシエルの内部に、かつシエルと間隔をあけ
   て、作用流体導入口と液相排出口との間に介在するそら
   せ板分離器（８４）を含むことを特徴とする、請求項５
   の熱交換器装置。
7. 【請求項７】 相分離器（７３）の液相排出口（８０）
   と流体分配器（３３）の分配管（６８）とを連結するパ
   イプ導管（３８）にポンプ（８６）が設けられているこ
   とを特徴とする、請求項６の熱交換器装置。
8. 【請求項８】 共通のシエル（８８）の中で流体分配器
   （３３）と相分離器（７３）とが組み合わさって単一の
   装置（８７）を形成していることを特徴とする、請求項
   ５ないし７のいずれかの熱交換器装置。
9. 【請求項９】 共通のシエル（８８）が、作用流体導入
   口（７６）と向かい合った、そらせ板分離器（８４）、
   シエルから間隔をあけて、そらせ板分離器（８４）の下
   方に位置する液体収集トレー（９０）、作用流体導入口
   と向かい合ってシエルに固定され、かつ液体収集トレー
   の上に伸びているそらせ板（９２）、液体収集トレーの
   底から下方に向かって突出し、かつ共通シエルの底より
   も上で終わっている、面取りされている排出口端部（７
   ２）を有する分配管（６８）、および分配管と同心的に
   共通シエルの底から下方に向かって突出し、かつ熱交換
   器（２０）の熱交換器チューブ（２２）と個々に連結さ
   れている排出口（４０）を囲み、そして前記排出口の流
   動横断面積が分配管の流動横断面積よりも大きいことを
   特徴とする、請求項８の熱交換器装置。
10. 【請求項１０】 分配管（６８）の入口における減圧ノ
    ズル（９４）を特徴とする、請求項９の熱交換器装置。
11. 【請求項１１】 熱交換器（２０）が、流体の流れに関
    して直列に接続している熱交換器チューブセクション
    （２２ａ、２２ｂ、等）を有する少なくとも２個の熱交
    換器セクション（２０ａ、２０ｂ、等）に細分されてい
    ることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかの
    熱交換器装置。
12. 【請求項１２】 後に続く熱交換器セクションの熱交換
    器チューブセクション（２２ａ、２２ｂ、等）が、個々
    に連結管（４２ａ、４２ｂ、等）によって相互に連結し
    ていることを特徴とする、請求項１１の熱交換器装置。
13. 【請求項１３】 連結管（４２ａ）が、それらの流動横
    断面積を変えるための遷移側面（１００）を含むことを
    特徴とする、請求項１２の熱交換器装置。
14. 【請求項１４】 連結管（４２ａ）および後続の熱交換
    器セクション（２１ｂ）の熱交換器チューブセクション
    （２２ｂ）の両方が、連結管および熱交換器チューブセ
    クションのいずれとも位置が合っているオリフィス（５
    ２）を有するガスケット（４８ｂ）を通して相互に連結
    している、互に向かい合ったチューブプレート（４４
    ｂ、４６ｂ）の中で終わっていることを特徴とする、請
    求項１２または１３のいずれかの熱交換器装置。
15. 【請求項１５】 後に続く熱交換器セクション（２０
    ａ、２０ｂ、等）の熱交換器チューブセクション（２２
    ａ、２２ｂ、等）が、下流の流体分配器（３３ａ）と上
    流の相分離器（７３ａ）とを組み合わせたものを通して
    相互に連結していることを特徴とする、請求項１１の熱
    交換器装置。
16. 【請求項１６】 作用流体の分散された流れを増強する
    ように適応された熱交換器チューブ（２２）の中の混合
    装置手段（９８）を特徴とする、請求項１ないし１５の
    いずれかの熱交換器装置。