JPH08338671A - 非共沸混合冷媒用横形凝縮器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実製品に適した長さで、かつ伝熱性能良好な
非共沸混合冷媒用横形凝縮器を提供する。 【構成】 シェル１１内に、チューブ１４群を２分し、
冷媒入口部１５および冷媒出口部１６とは、軸方向に関
して反対側の端面に達しない筒状の仕切り壁１７を設け
るとともに、この仕切り壁１７が２分するチューブ１４
群と隔壁２０が２分するチューブ１４群とを同一かつ、
２分されたチューブ１４群の各々の断面積の和を等しく
して、このシェル１１内での冷媒の流れとチューブ１４
内での冷却流体の流れを対向流とするとともに、シェル
１１の断面積と仕切り壁１７の内側の断面積との比を
２：１〜３：１の範囲内の値として形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非共沸混合冷媒を用い
た冷凍装置、或は空調熱源機器に好適な非共沸混合冷媒
用横形凝縮器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、シェルアンドチューブ形の凝縮器
において、シェルの内部の冷媒用流路の入口と出口との
間に単数または複数個のバッフルプレートを設けて、冷
媒を蛇行させる流路を形成し、この流路の、流れに対し
て直角な方向の断面積を、入口側よりも出口側の方が狭
くなるようにした凝縮器が公知である（特開昭６０−３
６８５４号公報）。この凝縮器は、斯る構成により、冷
媒の流動速度の低下を防ぎ、総括伝熱係数の低下を招か
ず、また非共沸混合冷媒を用いる場合においても、全体
が凝縮する温度の低下を招くことがないようにしたもの
である。

【０００３】非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置におい
て、凝縮器の伝熱性能を上げるために、通常、冷媒と冷
却流体（通常、水）の双方に生じる出入口温度差を利用
した１パス対向流の熱交換器が採用される。図９（横
軸：距離，縦軸：温度）は、斯る熱交換器における冷媒
と冷却流体の温度変化の様子を示している。即ち、直線
Iは冷却流体の温度変化、直線IIは冷媒の温度変化を示
し、Ｔ_WINは冷却流体の入口温度、Ｔ_WOUTは冷却流体の
出口温度、Ｔ_Gは冷媒（ガス状態）の入口温度，Ｔ_Lは冷
媒（液体状態）の出口温度を示している。

【０００４】上記熱交換器の場合、冷媒は、凝縮が進む
につれて、ガス分の体積が減少し、凝縮終了時点では、
ガス分の体積が０になる。この状態変化に対応した形状
として上記公報に開示の凝縮器では、シェル側を流れる
冷媒の体積変化に見合うような、即ち流体流速を均一化
するような流速調整バッフルを挿入する。バッフルは入
口で大きな間隔とし、出口に向かうつれて間隔を小さく
するようにしてある。もしも、このようにしなければ、
凝縮終了部周辺のガス流速が遅くなり、ガスが滞留す
る。この滞留ガスは低沸点成分比のガスとなり、冷却流
体との温度差が小さくなるため、熱交換しにくくなる。

【０００５】また、冷媒として非共沸混合冷媒を用い
た、水冷凝縮器に関するものとして、冷媒の流れ方向の
流路断面積を出口側ほど徐々に小さくしたものが公知で
ある（特開昭６４−２３０７１号公報）。この凝縮器
は、斯る構成により、冷媒として非共沸混合冷媒を用い
ながらも、凝縮器の性能が低下しないようにしようとし
たものである。上述したように、非共沸混合冷媒を用い
た凝縮器に場合、冷媒の入口部、出口部のガス流速を均
一に保つことにより、高性能化を図ることができる。こ
の特開昭６４−２３０７１号公報に開示の凝縮器の場
合、冷媒通路では、シェル側筒の断面積を入口部で大き
く、出口部で小さい異径構造としてある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の凝縮器のう
ち、特開昭６０−３６８５４号公報に開示の凝縮器で
は、冷却流体側の熱伝達を最良とするためには、この流
路の流速を１．５〜２．５ｍ／ｓｅｃにする必要があ
る。１パス構造で、この流速を確保するには、実ユニッ
トでは、製品となり得ぬ程の細長サイズとなる（現単一
冷媒用凝縮器は、流速確保のため、２または４パス設計
仕様となっている。）。凝縮器にバッフルを設けること
により、単一冷媒用のバッフルのないものに比して構造
が複雑になる。また、バッフルのシェル外筒周辺部にガ
ス滞留部ができ、これが熱伝達を阻害するという問題が
ある。

【０００７】また、特開昭６４−２３０７１号公報に開
示の凝縮器では、１パス対向流にて最適冷却流体の流速
を確保するには、実ユニットでは、製品となり得ぬ細長
サイズとなる。径が一様でない、異径シェルの熱交換器
の製造工程は、径が一様なシェルの熱交換器の製造工程
に比して複雑になる。さらに、通常凝縮器の上に圧縮
機、起動操作盤を搭載するが、異径シェルの場合、凝縮
器の配置が難しくなる等の問題がある。本発明は、斯る
従来の問題点を課題としてなされたもので、対向流熱交
換器として、実製品に適した長さになり得るものであっ
て、非共沸混合冷媒に対応して、冷却流体の適切な流速
を確保し、かつ冷媒の流速を均一化することを可能と
し、製造容易とし、かつ圧縮機，起動操作盤等の配置を
容易にした非共沸混合冷媒用横形凝縮器を提供しようと
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、内部に冷却流体を流すための多数のチュ
ーブを軸方向に並行した状態で支持するとともに、両端
部が上記チューブ以外の部分については閉じられ、軸方
向に関して同じ側に冷媒入口部および冷媒出口部を備
え、この冷媒入口部から流入してきた冷媒を上記チーブ
の外側に流し、上記冷媒出口部に導くシェルと、このシ
ェルの一方の端部に取り付けられ、冷却流体入口部に連
通する供給側空間と冷却流体出口部に連通する排出側空
間の２空間に内部を分割する隔壁を有する第１ヘッダ
と、このシェルの他方の端部に上記各チューブの開口部
同志を互いに連通させた状態で外部と遮断する第２ヘッ
ダとを備えたシェルアンドチューブ形の非共沸混合冷媒
用凝縮器において、上記シェル内に、チューブ群を２分
し、上記冷媒入口部および冷媒出口部とは、軸方向に関
して反対側の端面に達しない仕切り壁を設けるととも
に、この仕切り壁が２分するチューブ群と上記隔壁が２
分するチューブ群とを同一かつ、２分されたチューブ群
の各々の断面積の和を等しくして、このシェル内での冷
媒の流れと上記チューブ内での冷却流体の流れを対向流
とするとともに、上記シェルの断面積と上記仕切り壁の
内側の断面積との比を２：１〜３：１の範囲内の値とし
た。

【０００９】

【作用】上記発明のように構成することにより、２パス
対向流となり、凝縮流体である冷媒を往復するように流
すとともに、冷却流体も同様に往復するように流し、冷
媒と冷却流体間の熱交換が促進されるようになる。

【００１０】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図面にしたがって
説明する。図１〜４は、本発明の第１実施例に係る非共
沸混合冷媒用横形凝縮器１を示し、円筒形状のシェル１
１の一方の側、図において左側に第１ヘッダー１２を、
他方の側、図において右側に第２ヘッダ１３を取り付け
て形成してある。シェル１１は、冷却流体を流すための
多数のチューブ１４を軸方向に並行した状態で支持する
とともに、両端部がチューブ１４以外の部分については
閉じられ、軸方向に関して同じ側、即ち図において左側
の上部に冷媒ガス入口部１５を、下部に冷媒液出口部１
６を備えている。なお、図１では、実際には多数のチュ
ーブ１４が横方向に表れるが、図面を見易くするために
このチューブ１４については、２本のみ例示的に示して
ある。また、シェル１１内には、冷媒ガス入口部１５、
および冷媒液出口部１６とは、軸方向に関して反対側の
端面に達していない、即ち反対側にて開口した仕切り壁
１７を設けてある。なお、冷却液出口部１６は仕切り壁
１７の下方に開口するように設けてある。

【００１１】第１ヘッダ１２は、冷却流体入口部１８、
冷却流体出口部１９を備えるとともに、冷却流体入口部
１８に連通する供給側空間Ｓと冷却流体出口部１９に連
通する排出側空間Ｄの２空間に内部を分割する隔壁２０
を有している。この隔壁２０が２分するチューブ群と仕
切り壁１７が２分するチューブ群は同一であり、２分さ
れたチューブ群の各々の断面積の和は等しくなるように
してある。また、シェル１１の断面積と仕切り壁１７の
内側の断面積との比を２：１〜３：１の範囲内の値とし
てある。ここで、チューブ１４の本数は、仕切り壁１７
内と仕切り壁１７外とで同一面積となるように定めるの
が基本である。したがって、単純に考えれば、シェル１
１の断面積と仕切り壁１７の内側の断面積は２：１にす
るのがよい。しかし、実際上は、シェル１１と仕切り壁
１７との間の断面は、チューブ１４を整然と配置するこ
とが困難な形状になっており、図２に示すように下部の
ａで示す部分はデッドスペースとならざるを得ない。こ
のため、本発明では、斯るデッドスペースを考慮してシ
ェル１１の断面積を、最大で仕切り壁１７の内側の断面
積の３倍としてある。

【００１２】第２ヘッダ１３は、各チューブ１４の開口
部同志を互いに連通させた状態で外部と遮断するもので
ある。そして、シェル１１内での冷媒の流れとチューブ
１４内での冷却流体の流れを対向流になるようにしてあ
る。さらに詳しくは、筒状の仕切り壁１７を挿入するこ
とにより凝縮流体である冷媒を往復させ、かつ冷却流体
も往復させ、２パス対向流とし、冷却流体の流速Ｖを
１．５ｍ／ｓ以上と、適正な値にすることができ、凝縮
器１の長さも１パス構造のものに比して２／１にするこ
とができるようになっている。

【００１３】また、本実施例では、仕切り壁１７の下部
に内外液流通孔２１を穿設して、仕切り壁１７外にて凝
縮した冷媒液も滞留させることなく、円滑に排出させ得
る構造となっている。さらに、本実施例では、図４に示
すように、仕切り壁１７の上部に吸引孔２１を穿設する
とともに、冷媒ガス入口部１５からの分岐管２２の先端
部を吸引孔２１の近傍に位置させてある。そして、この
吸引孔２１の部分の仕切り壁１７の外周に沿って高圧の
冷媒ガスを流し、これによる動圧発生分に見合う静圧低
下分を利用し仕切り壁１７内に滞留しがちな低沸点冷媒
ガスを仕切り壁１７外に吸引して冷媒の凝縮を促進する
ようになっている。即ち、仕切り壁１７内のガスの流動
化の改善、および高沸点化させて伝熱性を改善すること
になる。

【００１４】図５は、横軸に高沸点冷媒Ａに対する低沸
点冷媒Ｂの組成比（モル比）を、縦軸に温度Ｔを示し、
曲線Ｉは飽和ガス状態を示す気相線、曲線IIは飽和状態
を示す液相線で混合冷媒の場合は、飽和ガス温度と飽和
液温度が異なるため、上記２曲線が存在することにな
る。凝縮器１の入口冷媒温度は通常過熱ガス状態にある
故、図５中ａ点の状態で凝縮器１に流入し、凝縮時にお
ける気液２相が同一温度にあるとした場合は、凝縮はｂ
点にて開始し、ｃ点にて終了する。また、凝縮器１中の
冷媒ガスは、低沸点冷媒Ｂの組成比が上記凝縮開始以前
よりも増大した、いわゆる低沸点冷媒リッチなｄ点の状
態のガスに、冷媒液は高沸点冷媒Ａの組成比が上記凝縮
開始以前より増大した、いわゆる高沸点冷媒リッチなｅ
点の液となっている。このように冷媒ガスが低沸点冷媒
リッチになる傾向は、一般的には凝縮終了時点であるｃ
点に近づく程、より強まり、この結果冷却流体との温度
差が狭まり、冷媒液と冷却流体との間の熱交換が不十分
となり、仕切り壁１７内に冷媒ガスが滞留することにな
る。

【００１５】本実施例では、吸引孔２１、分岐管２２を
設けて、低沸点冷媒ガスを仕切り壁１７外に吸引して、
温度上昇する前の冷却流体とこの冷媒ガスとの間で熱交
換し易くなっており、冷媒ガスの凝縮が促進される。以
上のように、シェル１１の断面積と仕切り壁１７の内側
の断面積とを等しくすることにより、往復のそれぞれの
チューブ１４の本数を等しくして配置することが容易と
なる。また、仕切り壁１７の下部に冷媒液が溜まり、復
路は必然的に冷媒ガス流路の断面積が狭まり凝縮し易く
なる。しかも、筒状の仕切り壁１７をシェル１１内に挿
入するのみで上述した２パス構造にすることができ、容
易に製作できる。

【００１６】図６は、上記第１実施例に係る凝縮器１を
適用したチラーユニットを示し、圧縮機３１，凝縮器
１，膨張弁３２，蒸発器３３を含む冷媒の閉じた循環流
路が形成されている。蒸発器３３と圧縮機３１との間に
は、蒸発器３３の出側の過熱度を検出する過熱度検出器
３４が設けてあり、これにより検出された過熱度に基づ
き膨張弁３２の開度を調節して、この出側の過熱度を適
正に保つようになっている。また、凝縮器１の冷却流体
入口部１８、冷却流体出口部１９には、高温側熱源とな
る水を循環させる流路３５、蒸発器３３の入口２１およ
び出口２２には、低温側熱源となる被冷却流体である
水、或はブラインを循環させる流路３６が接続してあ
る。また、冷媒ガス入口部１５からは分岐管２２が別途
シェル１１内の内筒１７の近傍に至っている。

【００１７】そして、周知のように圧縮機３１にて圧縮
された冷媒ガスは凝縮器１に送られ、ここで冷媒ガスは
流路３５からシェル１１内のチューブ１４を往復して流
れる水に熱を与えて温度降下して凝縮して膨張弁３２に
至る。凝縮して液体状態になった冷媒は、膨張弁３２に
て膨張することにより一部蒸発して蒸発器３３内に流
れ、ここで流路３６内の被冷却流体から熱を奪って、完
全に蒸発し、冷媒ガスとなって圧縮機３１に戻り、以後
上記同様の循環を繰り返す。一方、凝縮器１にて温めら
れた冷却流体は例えば暖房用の熱源として利用され、蒸
発器３３にて冷却された被冷却流体は冷熱源として利用
される。

【００１８】図７は、本発明の第２実施例に係る非共沸
混合冷媒用横形凝縮器１ａを適用したチラーユニットの
一部を示し、図１〜４に示した凝縮器１、および図６に
示したチラーユニットと、互いに共通する箇所について
は同一番号を付して説明を省略する。本チラーユニット
では、凝縮器１ａと膨張弁３２（図７では示されていな
い）との間に中間冷却器４２を設けてある。この中間冷
却器４２では、凝縮器１ａから膨張弁３２に流れる冷媒
液と、この膨張弁３２に流れる冷媒液の内、途中で分岐
して膨張弁４３を経て減圧し、温度降下するとともに気
化して圧縮機３１（例えば、スクリュタイプの如く中間
部にガス導入可能な機種、図７では示されていない）の
圧縮室の中間部に向かうガスとの間で熱交換する様にな
っている。そして蒸発器３３には過冷却された冷媒液が
導かれる様になっている。この様なシステムを持つユニ
ットにおいて凝縮器１ａは、上述した第１実施例で分岐
管２２を設けたのに代えて、一端が吸引孔２１に接続
し、他端が凝縮器１ａと出側の管路に合流する吸引流路
４１とともに形成したもので、未凝縮ガス中間冷却器に
導き冷却流体より温度の低い、冷媒と熱交換させ、凝縮
器１ａの性能を向上させたものである。

【００１９】なお、図８は本発明の第３実施例に係る非
共沸混合冷媒用横形凝縮器１ｂを示し、図１〜４に示す
凝縮器１とは、筒状の仕切り壁１７に代えて、断面山形
の仕切り壁１７ａを設けて、シェル１１内のチューブ１
４を上下に２分した点を除き、他は実質的に同一であ
り、互いに共通する部分については同一番号を付して説
明を省略する。

【００２０】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、内部に冷却流体を流すための多数のチューブ
を軸方向に並行した状態で支持するとともに、両端部が
上記チューブ以外の部分については閉じられ、軸方向に
関して同じ側に冷媒入口部および冷媒出口部を備え、こ
の冷媒入口部から流入してきた冷媒を上記チーブの外側
に流し、上記冷媒出口部に導くシェルと、このシェルの
一方の端部に取り付けられ、冷却流体入口部に連通する
供給側空間と冷却流体出口部に連通する排出側空間の２
空間に内部を分割する隔壁を有する第１ヘッダと、この
シェルの他方の端部に上記各チューブの開口部同志を互
いに連通させた状態で外部と遮断する第２ヘッダとを備
えたシェルアンドチューブ形の非共沸混合冷媒用凝縮器
において、上記シェル内に、チューブ群を２分し、上記
冷媒入口部および冷媒出口部とは、軸方向に関して反対
側の端面に達しない仕切り壁を設けるとともに、この仕
切り壁が２分するチューブ群と上記隔壁が２分するチュ
ーブ群とを同一かつ、２分されたチューブ群の各々の断
面積の和を等しくして、このシェル内での冷媒の流れと
上記チューブ内での冷却流体の流れを対向流とするとと
もに、上記シェルの断面積と上記仕切り壁の内側の断面
積との比を２：１〜３：１の範囲内の値としてある。

【００２１】このため、仕切り壁により凝縮流体である
冷媒を往復させ、かつ冷却流体も往復させ、２パス対向
流とし、非共沸混合冷媒に対応して、冷却流体の流速Ｖ
を１．５ｍ／ｓ以上の適正な値で、かつ均一にすること
ができ、凝縮器１の長さも１パス構造のものに比して２
／１にすることができ、実製品に適した長さのものにす
ることができる。また、本発明に係る凝縮器は、シェル
内に単純な形状の仕切り壁を設けるだけである故、製造
容易で、かつ圧縮機，起動操作盤等の配置も容易になる
等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る非共沸混合冷媒用
横形凝縮器の断面図である。

【図２】 図１のII−II線断面図である。

【図３】 図１に示す凝縮器における分岐管を説明する
ための概略断面図である。

【図４】 図３に示す分岐管の先端部と仕切り壁に形成
した吸引孔との近くの冷媒の流動状態を説明するための
図１に示す凝縮器の概略断面図である。

【図５】 図１に示す凝縮器での非共沸混合冷媒の状態
変化を示す気液２相線図である。

【図６】 図１に示す凝縮器を適用したチラーユニット
の全体構成を示す図である。

【図７】 本発明の第２実施例に係る非共沸混合冷媒用
横形凝縮器の概略を示す部分断面図である。

【図８】 本発明の第３実施例に係る非共沸混合冷媒用
横形凝縮器の概略を示す部分断面図である。

【図９】 非共沸混合冷媒を用いた場合における対向流
の凝縮器における望ましい温度変化の様子を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 凝縮器 １１ シェル １２ 第１ヘッダー １３ 第２ヘッダー １４ チューブ １５ 冷媒ガス入口
部 １６ 冷媒液出口部 １７，１７ａ 仕切
り壁 １８ 冷却流体入口部 １９ 冷却流体出口
部 ２０ 隔壁

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に冷却流体を流すための多数のチュ
   ーブを軸方向に並行した状態で支持するとともに、両端
   部が上記チューブ以外の部分については閉じられ、軸方
   向に関して同じ側に冷媒入口部および冷媒出口部を備
   え、この冷媒入口部から流入してきた冷媒を上記チーブ
   の外側に流し、上記冷媒出口部に導くシェルと、このシ
   ェルの一方の端部に取り付けられ、冷却流体入口部に連
   通する供給側空間と冷却流体出口部に連通する排出側空
   間の２空間に内部を分割する隔壁を有する第１ヘッダ
   と、このシェルの他方の端部に上記各チューブの開口部
   同志を互いに連通させた状態で外部と遮断する第２ヘッ
   ダとを備えたシェルアンドチューブ形の非共沸混合冷媒
   用凝縮器において、上記シェル内に、チューブ群を２分
   し、上記冷媒入口部および冷媒出口部とは、軸方向に関
   して反対側の端面に達しない仕切り壁を設けるととも
   に、この仕切り壁が２分するチューブ群と上記隔壁が２
   分するチューブ群とを同一かつ、２分されたチューブ群
   の各々の断面積の和を等しくして、このシェル内での冷
   媒の流れと上記チューブ内での冷却流体の流れを対向流
   とするとともに、上記シェルの断面積と上記仕切り壁の
   内側の断面積との比を２：１〜３：１の範囲内の値とし
   たことを特徴とする非共沸混合冷媒用横形凝縮器。