JPWO2017170139A1 - 熱交換装置、冷凍システム及び熱交換方法 - Google Patents

Abstract

冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させると、かえって冷凍システム全体の効率が低下するため、本発明の熱交換装置（２０１）は、第１の温度の液相冷媒（Ｒ１１）と第２の温度の気相冷媒（Ｒ１２）を、一の循環系で供給する冷媒供給手段（２１０）と、液相冷媒（Ｒ１１）と気相冷媒（Ｒ１２）との間で熱交換を行うようにそれぞれ構成された複数の熱交換手段（２２０Ａ、２２０Ｂ）と、気相冷媒（Ｒ１２）が複数の熱交換手段を並列に流動するように気相冷媒（Ｒ１２）を循環させ、液相冷媒（Ｒ１１）が複数の熱交換手段を直列に流動するように液相冷媒（Ｒ１１）を循環させる冷媒循環手段（２３１、２３２、２４２）と、を有する。

Description

本発明は、熱交換装置および熱交換方法に関し、特に、冷凍システムに用いられる熱交換装置および熱交換方法に関する。

冷媒の状態変化によって熱を輸送する冷凍システムが、空調設備等に広く用いられている。このような冷凍システムの一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された関連する冷凍システムは、冷凍サイクルを自動車用空調装置に適用したものである。関連する冷凍システムは、圧縮機、凝縮器、レシーバ、内部熱交換器、膨張弁、蒸発器、および制御弁を有する。

ここで、圧縮機は冷媒を圧縮する。凝縮器は、圧縮された冷媒を外気との熱交換により凝縮させる。レシーバは、凝縮された冷媒を気液に分離するとともに冷凍サイクル内の余剰冷媒を蓄えておく。膨張弁は温度式の膨張弁であり、気液分離された液冷媒を絞り膨張させる。そして、蒸発器は、膨張された冷媒を車室内の空気との熱交換により蒸発させる。

内部熱交換器は、膨張弁へ高温・高圧の冷媒を流す高圧通路と圧縮機へ低圧冷媒を流す低圧通路とを有し、高圧通路を流れる高温の冷媒と低圧通路を流れる低温の冷媒との間で熱交換を行う。これにより、高圧通路を流れる冷媒は、低圧通路の冷媒によって過冷却され、低圧通路を流れる冷媒は、高圧通路の冷媒によって過熱されることになるため、冷凍サイクルの効率を向上させることができる。そして制御弁は、内部熱交換器から圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を調整する。

ここで、膨張弁と制御弁との間に接続される二重管が内部熱交換器として機能する。二重管は、内管を囲うように外管が同心状に配置されたものである。内管に高圧冷媒を流し、外管と内管との間に低圧冷媒を流すことにより、内管を介して高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換が行われる。

関連する冷凍システムによれば、冷凍負荷が高いときに、制御弁が内部熱交換器から圧縮機に送られる低圧冷媒の過熱度を低減するよう調整することで、圧縮機によって圧縮された冷媒の異常昇温を抑制することができる、としている。

特開２００９−００８３６９号公報

上述した関連する冷凍システムのように、蒸発器、凝縮器、圧縮機、膨張弁によって構成される冷凍システムにおいては、低圧で低温の気相冷媒と高圧で高温の液相冷媒を熱交換することによって、気相冷媒のエンタルピーを増大させることができる。これにより、圧縮機の効率を上昇させることが可能である。

このとき、気相冷媒と液相冷媒が壁面を介して熱交換する熱交換器により、液相冷媒から気相冷媒に熱が伝えられる。ここで、気相冷媒は液相冷媒と比べて密度が小さいので、気相冷媒と液相冷媒の流速が等しい場合、気相冷媒と壁面との間の熱伝達率は小さくなる。一方、液相冷媒は気相冷媒よりも密度が大きいので、気相冷媒と液相冷媒の質量流量が等しい場合、流速は小さくなる。そのため、液相冷媒と壁面との間の熱伝達率は小さくなる。それぞれの熱伝達率を増大させるためには、気相冷媒と壁面との接触面積を拡大するため、例えば関連する冷凍システムが備える二重管の長さを長くしたり屈曲させたり、また、乱流が発生するような複雑な構造とする必要がある。また、液相冷媒と接する壁面も、流量が小さい液相冷媒でも乱流が発生する複雑な構造にする必要がある。

しかし、冷凍システムにおいては、気相冷媒の圧力損失が大きくなると、圧縮機によって圧力降下分の圧力をさらに付加する必要が生じる。すなわち、熱交換性能を向上させるために熱交換器の構造を複雑にすると、乱流などの発生により大きな圧力損失が生じ、かえって冷凍システムの効率を低下させることになる。

このように、冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させると、かえって冷凍システム全体の効率が低下する、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、冷凍システムにおいて、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させると、かえって冷凍システム全体の効率が低下する、という課題を解決する熱交換装置および熱交換方法を提供することにある。

本発明の熱交換装置は、第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する冷媒供給手段と、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うようにそれぞれ構成された複数の熱交換手段と、気相冷媒が複数の熱交換手段を並列に流動するように気相冷媒を循環させ、液相冷媒が複数の熱交換手段を直列に流動するように液相冷媒を循環させる冷媒循環手段、とを有する。

本発明の熱交換方法は、第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給し、気相冷媒を並列化して循環させ、液相冷媒を直列状で循環させ、並列化した気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行わせる。

本発明の熱交換装置および熱交換方法によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換装置の構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換装置が備える熱交換器の構成の一例を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱交換装置が備える熱交換器の構成の一例を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換装置の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換装置の構成を示す部分概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換装置の別の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置の構成を示す側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置の構成を示す上面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置の別の構成を示す側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置の別の構成を示す上面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置の別の構成を示す側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置のさらに別の構成を示す側面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る熱交換装置のさらに別の構成を示す上面図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷凍システムの構成を示す概略図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換装置１００の構成を示す概略図である。本実施形態による熱交換装置１００は、冷媒供給部（冷媒供給手段）１１０、複数の熱交換器（熱交換手段）１２０、および冷媒循環部（冷媒循環手段）１３０を有する。

冷媒供給部１１０は、第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する。熱交換器１２０は、液相冷媒と気相冷媒との間で熱交換を行うようにそれぞれ構成されている。そして、冷媒循環部１３０は、気相冷媒が複数の熱交換器１２０を並列に流動するように気相冷媒を循環させ、液相冷媒が複数の熱交換器１２０を直列に流動するように液相冷媒を循環させる。

本実施形態による熱交換装置１００においては、液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で供給される。冷媒は循環して流れるため、質量保存則から液相冷媒と気相冷媒は同じ質量流量が流れる。しかし、気相冷媒の密度は液相冷媒の密度の数１００分の１であるため、体積流量は気相冷媒の方が液相冷媒よりも数１００倍大きい。そのため、気相冷媒の流速は液相冷媒の流速よりも大きく、気相冷媒に大きな圧力損失を生じさせる。一方、液相冷媒は、気相冷媒よりも体積流量が小さいので流速が遅く、そのため熱伝達率が小さい。

本実施形態による熱交換装置１００では冷媒循環部１３０によって、気相冷媒は分岐して複数の熱交換器１２０を並列に流動する。並列に分岐された気相冷媒は、一個の熱交換器１２０あたりの流量が小さくなるため熱交換器１２０内の流速が小さくなり、圧力損失が低減される。なお、気相冷媒の流速は小さくなるが、複数の熱交換器１２０を通過することにより接触面積は増大するので、気相冷媒の熱伝達率の低減を回避することができる。

一方、液相冷媒は複数の熱交換器１２０を直列に流動するため、各熱交換器１２０には同じ流速の液相冷媒が流れる。そのため、複数の熱交換器１２０を備えた構成とした場合であっても流速の低下は生じないので、液相冷媒の熱伝達率が低下することはない。なお、熱交換器を直列に接続すると圧力損失が増大することが想定されるが、液相冷媒の流速は気相冷媒の流速の数１００分の１程度である。そのため、熱交換装置１００が用いられる冷凍システム全体の圧力損失に比べて十分小さいので、無視することができる。また、液相冷媒は熱容量が気相冷媒より十分大きいため、複数の熱交換器１２０のうち液相冷媒の流れの下流に位置する熱交換器においても、気相冷媒と十分な温度差を有することが可能である。

上述したように、本実施形態による熱交換装置１００は複数の熱交換器１２０を備え、気相冷媒は並列に循環し、液相冷媒は直列に循環する構成としている。このような構成としたことにより、気相冷媒の熱交換器１２０における圧力損失を低下させ、しかも液相冷媒の熱交換能力を減少させることなく両者の熱交換を行うことが可能になる。すなわち、本実施形態の熱交換装置１００によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

熱交換器１２０として、典型的にはフィンアンドチューブ型熱交換器を用いることができる。図２Ａおよび２Ｂに、このような熱交換器１２０の構成の一例を示す。図２Ａは正面図であり、図２Ｂは側面図である。熱交換器１２０は同図に示すように、液相冷媒Ｒ１１が流動するチューブ（伝熱管）１２１と、チューブ１２１の外周に接続し、気相冷媒Ｒ２１と接触するフィン（伝熱板）１２２とを備えた構成とすることができる。

一般に、気相冷媒は流速が等しい場合、液相冷媒よりも熱伝達率が小さい。しかし、フィン１２２を気相冷媒Ｒ２１と接触するように設けることによって気相冷媒の接触面積を増大させることができるので、熱交換性能を向上させることが可能である。さらに、フィン１２２にルーバを設けることによって、気相冷媒の流れをかき乱して乱流を発生させることができる。これにより、気相流路の長さが短く、流速が小さい場合であっても、熱伝達率を向上させることが可能になる。

一方、液相冷媒は、直列に接続された小口径の流路を通ることで流速が増大し、これにより熱伝達率が向上する。したがって、これによっても熱交換器１２０の熱交換性能を向上させることができる。

次に、本実施形態による熱交換方法について説明する。

本実施形態の熱交換方法においては、まず、第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する。この気相冷媒を並列化して循環させ、液相冷媒を直列状で循環させる。そして、並列化した気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行わせる。

このように、本実施形態の熱交換方法においては、気相冷媒を並列化して循環させ、液相冷媒を直列状で循環させる構成としている。このような構成としたことにより、気相冷媒の圧力損失を低下させ、しかも液相冷媒の熱交換能力を減少させることなく両者の熱交換を行うことが可能になる。

上述したように、本実施形態の熱交換方法によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３Ａおよび図３Ｂに、本発明の第２の実施形態に係る熱交換装置２００の構成を示す。図３Ｂは、図３Ａ中の矢印Ａの方向から見た熱交換装置２００の部分図である。

本実施形態による熱交換装置２００は、冷媒供給部（冷媒供給手段）２１０、複数の熱交換器（熱交換手段）２２０、第１の気相管２３１、第２の気相管２３２、液相管２４１、および液相接続管２４２を有する。第１の気相管２３１、第２の気相管２３２、および液相接続管２４２は冷媒供給部２１０に接続され、第１の気相管２３１には気相冷媒Ｒ２１が、液相接続管２４２には液相冷媒Ｒ１１がそれぞれ冷媒供給部２１０から供給される。なお、第１の気相管２３１、第２の気相管２３２、液相管２４１、および液相接続管２４２が冷媒循環手段を構成する。

熱交換器２２０は、気相冷媒が流入する気相冷媒流入部２２１、気相冷媒が流出する気相冷媒流出部２２２、液相冷媒が流入する液相冷媒流入部２２３、および液相冷媒が流出する液相冷媒流出部２２４を備える。

第１の気相管２３１は、複数の熱交換器２２０がそれぞれ備える複数の気相冷媒流入部２２１と冷媒供給部２１０を接続する。第２の気相管２３２は、複数の熱交換器２２０がそれぞれ備える複数の気相冷媒流出部２２２と冷媒供給部２１０を接続する。

液相管２４１は、複数の熱交換器２２０のうちの一の熱交換器が備える液相冷媒流入部２２３と、一の熱交換器と隣接する他の熱交換器が備える液相冷媒流出部２２４を接続する。液相接続管２４２は、複数の熱交換器２２０のうちの一端の熱交換器が備える液相冷媒流入部２２３と冷媒供給部２１０を接続する。また、液相接続管２４２は、複数の熱交換器２２０のうちの他端の熱交換器が備える液相冷媒流出部２２４と冷媒供給部２１０を接続する。

上述したように、本実施形態による熱交換装置２００は複数の熱交換器２２０を備え、冷媒供給部２１０から供給される気相冷媒と液相冷媒が熱交換するように構成されている。ここで、気相冷媒には例えば、冷凍システムの圧縮機に入る前の低温（第２の温度）かつ低圧の気相冷媒を、液相冷媒には膨張弁に入る前の高温（第１の温度）かつ高圧の液相冷媒を用いることができる。すなわち、本実施形態による熱交換装置２００は、気相冷媒と液相冷媒を一の循環系で使用する冷凍システムに用いることができる。この場合、熱交換器２２０においては、２種の異なる状態の冷媒流体が隔離された空間をそれぞれ通過し、高圧かつ高温の液相冷媒から低圧かつ低温の気相冷媒に熱が移動する。

気相冷媒が流動する第１の気相管２３１および第２の気相管２３２は複数に分岐し、複数の熱交換器２２０と並列に接続される。これにより、分岐した気相冷媒が各熱交換器２２０をそれぞれ通過する。一方、液相冷媒は、複数の熱交換器２２０を直列に接続する液相管２４１を通って各熱交換器を通過する。

このような構成としたことにより、気相冷媒の熱交換器２２０における圧力損失を低下させ、しかも液相冷媒の熱交換能力を減少させることなく両者の熱交換を行うことが可能になる。すなわち、本実施形態の熱交換装置２００によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

本実施形態による熱交換装置２００は、複数の熱交換器２２０、第１の気相管２３１、および第２の気相管２３２が、図３Ａに示したように接続された構成とすることができる。すなわち、複数の熱交換器２２０が第１の気相管２３１に接続される順番と、複数の熱交換器２２０が第２の気相管２３２に接続される順番が、冷媒供給部２１０と接続される側から見て同順になるように接続された構成とすることができる。

これに限らず、複数の熱交換器２２０と、第１の気相管２３１と、第２の気相管２３２とが、図４に示したように接続された構成としてもよい。すなわち、熱交換装置２０１において、複数の熱交換器２２０が第１の気相管２３１に接続される順番と、複数の熱交換器２２０が第２の気相管２３２に接続される順番が、冷媒供給部２１０と接続される側から見て逆順になるように接続された構成とすることができる。具体的には、複数の熱交換器２２０のうち、第１の気相管２３１の冷媒供給部２１０の流出側に近い側に配置された熱交換器２２０Ａが、第２の気相管２３２の冷媒供給部２１０の流入側から遠い側に配置される。同様に、複数の熱交換器２２０を順次、配置した構成とすることができる。

ポンプ等によって流体を強制的に流動させる循環系においては、流体の圧力は一般に上流（川上）側の方が大きいので、流体は上流側の方が流れやすい。一方、配管内を流動する流体は一般に、流出口に近い下流（川下）側の方が、排出が容易なので流れやすい。

図４に示した熱交換装置２０１の構成にすると、第１の気相管２３１の上流（川上）側に接続された熱交換器２２０Ａは、第２の気相管２３２の流出口から遠い側（川上）に接続される。そのため、熱交換器２２０Ａでは、気相冷媒Ｒ２１は熱交換器２２０Ａに流入しやすいが、流出はしにくくなる。

反対に、第１の気相管２３１の下流（川下）側に接続された熱交換器２２０Ｂは、第２の気相管２３２の流出口に近い側（川下）に接続される。そのため、熱交換器２２０Ｂでは、気相冷媒Ｒ２１は熱交換器２２０Ｂに流入しにくいが、流出はしやすくなる。

このように、図４に示した熱交換装置２０１の構成にすると、気相冷媒Ｒ２１が各熱交換器２２０を流動する際の流れやすさを、均等にすることが可能になる。その結果、各熱交換器２２０に気相冷媒がより均等に流れるようになるため、熱の偏りが減少し熱交換性能を高めることができる。

次に、本実施形態による熱交換方法について説明する。

本実施形態の熱交換方法においては、まず、第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する。この気相冷媒を並列化して循環させ、液相冷媒を直列状で循環させる。そして、並列化した気相冷媒と液相冷媒との間で熱交換を行わせる。

このとき、液相冷媒との間で熱交換を行わせる際の並列化した気相冷媒の順番と、熱交換を行った後に循環させる際の並列化した気相冷媒の順番が、同順である構成とすることができる。また、液相冷媒との間で熱交換を行わせる際の並列化した気相冷媒の順番と、
熱交換を行った後に循環させる際の並列化した気相冷媒の順番が、逆順である構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態の熱交換装置２００、２０１および熱交換方法によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る熱交換装置は、冷媒供給部（冷媒供給手段）、複数の熱交換器（熱交換手段）、および冷媒循環部（冷媒循環手段）を有する。本実施形態による熱交換装置は、熱交換器および冷媒循環部の構成が第１の実施形態に係る熱交換装置１００の構成と異なる。

図５Ａ、５Ｂに、本実施形態による熱交換装置３００の構成を示す。図５Ａは側面断面図であり、図５Ｂは上面図である。

熱交換装置３００が備える各熱交換器３２０は、気相冷媒Ｒ２１が通過する気相冷媒通過面３２１、液相冷媒が流入する液相冷媒流入部３２２、および液相冷媒が流出する液相冷媒流出部３２３を有する。

冷媒循環部は、気相管３３０、複数の仕切板３５０、液相管３４１、および液相接続管３４２を備える。

気相管３３０は複数の熱交換器３２０を内包し、気相管３３０の内部を気相冷媒Ｒ２１が流動する。複数の仕切板３５０は、複数の熱交換器３２０がそれぞれ備える気相冷媒通過面３２１の気相冷媒Ｒ２１が流入する側にそれぞれ位置している。

液相管３４１は、複数の熱交換器３２０のうちの一の熱交換器が備える液相冷媒流入部３２２と、この一の熱交換器と隣接する他の熱交換器が備える液相冷媒流出部３２３を接続する。液相接続管３４２は、複数の熱交換器３２０のうちの一端の熱交換器３２０Ａが備える液相冷媒流入部３２２と冷媒供給部３１０を接続し、複数の熱交換器３２０のうちの他端の熱交換器３２０Ｂが備える液相冷媒流出部３２３と冷媒供給部３１０を接続する。

図５Ａ、５Ｂに示したように、本実施形態による熱交換装置３００は、内部に熱交換器を配置することが可能な内径を有する配管である気相管３３０に、複数の熱交換器３２０を配置している。そして、複数の仕切板３５０によって各熱交換器３２０に気相冷媒Ｒ２１が並列に流入し、液相冷媒は液相管３４１によって複数の熱交換器３２０を直列に流動するように構成としたものである。

熱交換器３２０として、典型的にはフィンアンドチューブ型熱交換器を用いることができる。また、気相管３３０の断面形状は、円形であっても多角形であってもよい。

各熱交換器３２０の間に設けた仕切板３５０によって、熱交換器３２０を通過する前の気相冷媒領域と、熱交換器３２０を通過した後の気相冷媒領域とを分離することができる。図５Ａに示したように、仕切板３５０を、気相冷媒Ｒ２１の流動方向に対して傾斜して配置した構成とすることにより、気相冷媒Ｒ２１が各熱交換器３２０を通過することが可能である。

このような構成とすることによって、本実施形態の熱交換装置３００によれば、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させ、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。さらに、複数の熱交換器３２０を通って気相冷媒を循環させるための配管を少なくすることが可能になるので、熱交換装置３００を小型化することができる。

熱交換器３２０の配置は、図５Ａに示したように、気相冷媒通過面３２１の法線が、気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向と略平行である構成とすることができる。これに限らず、図６Ａおよび６Ｂに示す熱交換装置３０１のように、気相冷媒通過面３２１の法線と気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向とがなす角度が、９０度よりも大きく１８０度未満である構成としてもよい。なお、この角度は、気相冷媒通過面３２１の法線のうち気相冷媒Ｒ２１が流入する側に向かう法線と、気相冷媒Ｒ２１の流動方向とがなす角度とした。すなわち、気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向に対して、熱交換器３２０を傾斜させて配置した構成とすることができる。このような構成とすることにより、気相管３３０の内径方向における熱交換器の設置スペースを縮小することが可能になるので、熱交換器を収容する気相管３３０の断面積を低減することができる。

この場合、気相冷媒通過面３２１の法線と仕切板３５０の法線とがなす角が略直角である構成としてもよい。これにより、流動する気相冷媒の損失が減少し、気相冷媒の圧力損失を低減することができる。

また、図７に示すように、複数の仕切板３５０のうち仕切板３５０Ｃの法線が、気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向と略平行である構成としてもよい。ここで、仕切板３５０Ｃは、気相冷媒Ｒ２１が流入する側の端部に位置する熱交換器３２０Ｃの気相冷媒Ｒ２１が流入する側に位置している。

気相冷媒Ｒ２１の流動方向の最も上流（川上）側に位置している熱交換器３２０Ｃには、気相冷媒が最初に流入するため、多量の気相冷媒が流入しやすい。気相冷媒が一の熱交換器に集中して流入すると、熱交換する対象となる熱に偏りが生じ、熱交換性能が低下する。これに対して、図７に示すように、仕切板３５０Ｃを最上流の熱交換器３２０Ｃの前に設けると、気相冷媒がこの熱交換器３２０Ｃに集中して流入することを防止できる。そのため、複数の熱交換器３２０における熱の偏りを防止し冷却性能を高めることができる。

さらに、図８Ａおよび８Ｂに示す熱交換装置３０２のように、気相冷媒通過面３２１の法線と気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向とがなす角が略直角である構成とすることができる。この場合、仕切板３５０の法線と気相管３３０内の気相冷媒Ｒ２１の流動方向とがなす角が略直角である構成としてもよい。このような構成とすることにより、複数の熱交換器３２０を収容する気相管３３０の断面積をさらに縮小することが可能になる。

〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本実施形態による冷凍システム１０００の構成を示す概略図である。

冷凍システム１０００は、熱交換装置１１００、受熱部（受熱手段）１２００、圧縮機（圧縮手段）１３００、放熱部（放熱手段）１４００、および膨張弁（膨張手段）１５００を有する。

熱交換装置１１００には、上述した第１の実施形態から第３の実施形態で説明した熱交換装置１００、２００、２０１、３００、３０１、３０２のいずれかを用いることができる。そして、熱交換装置１１００が備える冷媒供給部と、上述した受熱部１２００、圧縮機１３００、放熱部１４００、および膨張弁１５００が接続した構成としている。これにより、本実施形態の冷凍システム１０００においては、冷媒供給部を介して熱交換装置１１００に液相冷媒と気相冷媒が一の循環系で供給される。

受熱部１２００は、冷媒液を受熱により気化させて気相冷媒を生成する。圧縮機１３００は、この気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒を生成する。放熱部１４００は、放熱により高圧気相冷媒を凝縮させ液相冷媒を生成する。そして、膨張弁１５００は、液相冷媒を膨張させて低圧にした冷媒液を生成し、この冷媒液を受熱部１２００に還流させる。これにより、冷媒の循環系が構成される。

ここで、熱交換装置１１００に供給される気相冷媒は、圧縮機１３００に入る前の低温（第２の温度）かつ低圧の気相冷媒である。また、熱交換装置１１００に供給される液相冷媒は、膨張弁１５００に入る前の高温（第１の温度）かつ高圧の液相冷媒である。

上述した各実施形態で説明したように、熱交換装置１１００は複数の熱交換器を備え、気相冷媒は並列に循環し、液相冷媒は直列に循環する構成としている。このような構成としたことにより、気相冷媒の熱交換器における圧力損失を低下させ、しかも液相冷媒の熱交換能力を減少させることなく両者の熱交換を行うことが可能になる。すなわち、熱交換装置１１００によれば、気相冷媒の圧力損失の増大を招くことなく、気相冷媒と液相冷媒の熱交換性能を向上させることができる。したがって、熱交換性能を向上させた構成とした場合であっても、圧縮機１３００の仕事量を増大させる必要がない。

以上より、本実施形態の冷凍システム１０００によれば、冷凍システム全体の効率の改善を図ることができる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する冷媒供給手段と、前記液相冷媒と前記気相冷媒との間で熱交換を行うようにそれぞれ構成された複数の熱交換手段と、前記気相冷媒が前記複数の熱交換手段を並列に流動するように前記気相冷媒を循環させ、前記液相冷媒が前記複数の熱交換手段を直列に流動するように前記液相冷媒を循環させる冷媒循環手段、とを有する熱交換装置。

（付記２）付記１に記載した熱交換装置において、前記熱交換手段は、前記液相冷媒が流動する伝熱管と、前記伝熱管の外周に接続し、前記気相冷媒と接触する伝熱板、とを備える熱交換装置。

（付記３）付記１または２に記載した熱交換装置において、前記熱交換手段は、前記気相冷媒が流入する気相冷媒流入部と、前記気相冷媒が流出する気相冷媒流出部と、前記液相冷媒が流入する液相冷媒流入部と、前記液相冷媒が流出する液相冷媒流出部、とを備え、前記冷媒循環手段は、前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える複数の前記気相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続する第１の気相管と、前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える複数の前記気相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する第２の気相管と、前記複数の熱交換手段のうちの一の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と、前記一の熱交換手段と隣接する他の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部を接続する液相管と、前記複数の熱交換手段のうちの一端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続し、前記複数の熱交換手段のうちの他端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する液相接続管、とを備える熱交換装置。

（付記４）付記３に記載した熱交換装置において、前記複数の熱交換手段と、前記第１の気相管と、前記第２の気相管とが、前記複数の熱交換手段が前記第１の気相管に接続される順番と、前記複数の熱交換手段が前記第２の気相管に接続される順番が、前記冷媒供給手段と接続される側から見て同順になるように接続されている熱交換装置。

（付記５）付記３に記載した熱交換装置において、前記複数の熱交換手段と、前記第１の気相管と、前記第２の気相管とが、前記複数の熱交換手段が前記第１の気相管に接続される順番と、前記複数の熱交換手段が前記第２の気相管に接続される順番が、前記冷媒供給手段と接続される側から見て逆順になるように接続されている熱交換装置。

（付記６）付記１または２に記載した熱交換装置において、前記熱交換手段は、前記気相冷媒が通過する気相冷媒通過面と、前記液相冷媒が流入する液相冷媒流入部と、前記液相冷媒が流出する液相冷媒流出部、とを備え、前記冷媒循環手段は、前記複数の熱交換手段を内包し、前記気相冷媒が流動する気相管と、前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える前記気相冷媒通過面の前記気相冷媒が流入する側にそれぞれ位置する複数の仕切板と、前記複数の熱交換手段のうちの一の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と、前記一の熱交換手段と隣接する他の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部を接続する液相管と、前記複数の熱交換手段のうちの一端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続し、前記複数の熱交換手段のうちの他端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する液相接続管、とを備える熱交換装置。

（付記７）付記６に記載した熱交換装置において、前記気相冷媒通過面の法線が、前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向と略平行である熱交換装置。

（付記８）付記６に記載した熱交換装置において、前記気相冷媒通過面の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角度が、９０度よりも大きく１８０度未満であり、前記気相冷媒通過面の法線と前記仕切板の法線とがなす角が略直角である熱交換装置。

（付記９）付記８に記載した熱交換装置において、前記複数の仕切板のうち、前記気相冷媒が流入する側の端部に位置する前記熱交換手段の前記気相冷媒が流入する側に位置する仕切板の法線が、前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向と略平行である熱交換装置。

（付記１０）付記６に記載した熱交換装置において、前記気相冷媒通過面の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角が略直角であり、前記仕切板の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角が略直角である熱交換装置。

（付記１１）付記１から１０のいずれか一項に記載した熱交換装置と、冷媒液を受熱により気化させて前記気相冷媒を生成する受熱手段と、前記気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒を生成する圧縮手段と、放熱により前記高圧気相冷媒を凝縮させ前記液相冷媒を生成する放熱手段と、前記液相冷媒を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段、とを備えた冷凍システム。

（付記１２）第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給し、前記気相冷媒を並列化して循環させ、前記液相冷媒を直列状で循環させ、前記並列化した前記気相冷媒と前記液相冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換方法。

（付記１３）付記１２に記載した熱交換方法において、前記液相冷媒との間で前記熱交換を行わせる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番と、前記熱交換を行った後に循環させる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番が、同順である熱交換方法。

（付記１４）付記１２に記載した熱交換方法において、前記液相冷媒との間で前記熱交換を行わせる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番と、前記熱交換を行った後に循環させる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番が、逆順である付記１２に記載した熱交換方法。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１６年３月３１日に出願された日本出願特願２０１６−０７０２１８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２００、２０１、３００、３０１、３０２、１１００ 熱交換装置
１１０、２１０、３１０ 冷媒供給部
１２０、２２０、３２０ 熱交換器
１２１ チューブ
１２２ フィン
１３０ 冷媒循環部
２２１ 気相冷媒流入部
２２２ 気相冷媒流出部
２２３、３２２ 液相冷媒流入部
２２４、３２３ 液相冷媒流出部
２３１ 第１の気相管
２３２ 第２の気相管
２４１、３４１ 液相管
２４２、３４２ 液相接続管
３２１ 気相冷媒通過面
３３０ 気相管
３５０ 仕切板
１０００ 冷凍システム
１２００ 受熱部
１３００ 圧縮機
１４００ 放熱部
１５００ 膨張弁

Claims (14)

1. 第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給する冷媒供給手段と、
   前記液相冷媒と前記気相冷媒との間で熱交換を行うようにそれぞれ構成された複数の熱交換手段と、
   前記気相冷媒が前記複数の熱交換手段を並列に流動するように前記気相冷媒を循環させ、前記液相冷媒が前記複数の熱交換手段を直列に流動するように前記液相冷媒を循環させる冷媒循環手段、とを有する
   熱交換装置。
2. 請求項１に記載した熱交換装置において、
   前記熱交換手段は、
   前記液相冷媒が流動する伝熱管と、
   前記伝熱管の外周に接続し、前記気相冷媒と接触する伝熱板、とを備える
   熱交換装置。
3. 請求項１または２に記載した熱交換装置において、
   前記熱交換手段は、前記気相冷媒が流入する気相冷媒流入部と、前記気相冷媒が流出する気相冷媒流出部と、前記液相冷媒が流入する液相冷媒流入部と、前記液相冷媒が流出する液相冷媒流出部、とを備え、
   前記冷媒循環手段は、
   前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える複数の前記気相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続する第１の気相管と、
   前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える複数の前記気相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する第２の気相管と、
   前記複数の熱交換手段のうちの一の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と、前記一の熱交換手段と隣接する他の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部を接続する液相管と、
   前記複数の熱交換手段のうちの一端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続し、前記複数の熱交換手段のうちの他端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する液相接続管、とを備える
   熱交換装置。
4. 請求項３に記載した熱交換装置において、
   前記複数の熱交換手段と、前記第１の気相管と、前記第２の気相管とが、
   前記複数の熱交換手段が前記第１の気相管に接続される順番と、前記複数の熱交換手段が前記第２の気相管に接続される順番が、前記冷媒供給手段と接続される側から見て同順になるように接続されている
   熱交換装置。
5. 請求項３に記載した熱交換装置において、
   前記複数の熱交換手段と、前記第１の気相管と、前記第２の気相管とが、
   前記複数の熱交換手段が前記第１の気相管に接続される順番と、前記複数の熱交換手段が前記第２の気相管に接続される順番が、前記冷媒供給手段と接続される側から見て逆順になるように接続されている
   熱交換装置。
6. 請求項１または２に記載した熱交換装置において、
   前記熱交換手段は、前記気相冷媒が通過する気相冷媒通過面と、前記液相冷媒が流入する液相冷媒流入部と、前記液相冷媒が流出する液相冷媒流出部、とを備え、
   前記冷媒循環手段は、
   前記複数の熱交換手段を内包し、前記気相冷媒が流動する気相管と、
   前記複数の熱交換手段がそれぞれ備える前記気相冷媒通過面の前記気相冷媒が流入する側にそれぞれ位置する複数の仕切板と、
   前記複数の熱交換手段のうちの一の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と、前記一の熱交換手段と隣接する他の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部を接続する液相管と、
   前記複数の熱交換手段のうちの一端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流入部と前記冷媒供給手段を接続し、前記複数の熱交換手段のうちの他端の熱交換手段が備える前記液相冷媒流出部と前記冷媒供給手段を接続する液相接続管、とを備える
   熱交換装置。
7. 請求項６に記載した熱交換装置において、
   前記気相冷媒通過面の法線が、前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向と略平行である
   熱交換装置。
8. 請求項６に記載した熱交換装置において、
   前記気相冷媒通過面の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角度が、９０度よりも大きく１８０度未満であり、
   前記気相冷媒通過面の法線と前記仕切板の法線とがなす角が略直角である
   熱交換装置。
9. 請求項８に記載した熱交換装置において、
   前記複数の仕切板のうち、前記気相冷媒が流入する側の端部に位置する前記熱交換手段の前記気相冷媒が流入する側に位置する仕切板の法線が、前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向と略平行である
   熱交換装置。
10. 請求項６に記載した熱交換装置において、
    前記気相冷媒通過面の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角が略直角であり、
    前記仕切板の法線と前記気相管内の前記気相冷媒の流動方向とがなす角が略直角である
    熱交換装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載した熱交換装置と、
    冷媒液を受熱により気化させて前記気相冷媒を生成する受熱手段と、
    前記気相冷媒を圧縮して高圧気相冷媒を生成する圧縮手段と、
    放熱により前記高圧気相冷媒を凝縮させ前記液相冷媒を生成する放熱手段と、
    前記液相冷媒を膨張させて低圧にした前記冷媒液を生成する膨張手段、とを備えた
    冷凍システム。
12. 第１の温度の液相冷媒と第２の温度の気相冷媒を、一の循環系で供給し、
    前記気相冷媒を並列化して循環させ、
    前記液相冷媒を直列状で循環させ、
    前記並列化した前記気相冷媒と前記液相冷媒との間で熱交換を行わせる
    熱交換方法。
13. 請求項１２に記載した熱交換方法において、
    前記液相冷媒との間で前記熱交換を行わせる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番と、
    前記熱交換を行った後に循環させる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番が、同順である
    熱交換方法。
14. 請求項１２に記載した熱交換方法において、
    前記液相冷媒との間で前記熱交換を行わせる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番と、
    前記熱交換を行った後に循環させる際の前記並列化した前記気相冷媒の順番が、逆順である
    請求項１２に記載した熱交換方法。

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