JP2001349641A - 凝縮器および冷凍機 - Google Patents

凝縮器および冷凍機

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JP2001349641A JP2000170896A JP2000170896A JP2001349641A JP 2001349641 A JP2001349641 A JP 2001349641A JP 2000170896 A JP2000170896 A JP 2000170896A JP 2000170896 A JP2000170896 A JP 2000170896A JP 2001349641 A JP2001349641 A JP 2001349641A
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condenser
plate
container
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Yoshinori Shirakata
芳典 白方
Kenji Ueda
憲治 上田
Wataru Seki
関　　亘
Yoichiro Iritani
陽一郎 入谷
Akihiro Kawada
章廣 川田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の凝縮器では、下方に位置する伝熱管の
表面に液冷媒が多く付着して液膜を厚くする傾向が強
く、熱伝達率が低下して凝縮器の性能が十分に発揮され
なくなる場合がある。 【解決手段】 冷媒が導入される容器１４の中に冷却水
を流通する多数の伝熱管１５が束になって配管されて構
成され、気体状の冷媒を凝縮、液化する凝縮器におい
て、束になった伝熱管１５の間に、伝熱管１５の長手方
向から断面視して傾斜した板体２０を配設する。これに
よると、下方に位置する伝熱管１５に向けて降り注ごう
とする冷媒が、板体２０により斜め下方に受け流され、
伝熱管の表面に付着する冷媒の液膜が厚くなり過ぎるこ
とがなくなって、伝熱管１５の熱伝達率の低下が抑えら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１ 】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷却水と冷媒との
間で熱交換を行わせて冷媒を凝縮、液化する凝縮器と、
該凝縮器を具備する冷凍機に関する。
【０００２ 】
【従来の技術】例えばビルのような大規模構造物におい
ては、冷凍機で冷却した冷水を構造物内に布設した配管
を通じて構内を循環させ、居室の空気と熱交換させて冷
房を行うようになっている。
【０００３ 】冷凍機に具備される冷却器の一例を図６
に示す。冷却器は、冷媒が導入される円筒形の容器１の
中に冷却水を流通する多数の伝熱管２が千鳥状に束にな
って配管された構造を有している。
【０００４ 】伝熱管２は、冷却水入口３に連通する往
路側の管と冷却水出口４に連通する袋側の管とに分かれ
ている。また、容器１の上部には冷媒が導入される冷媒
入口５が設けられ、容器１の下部には冷媒が導出される
冷媒出口６が設けられている。
【０００５ 】冷却水入口３から流入した冷却水は容器
１内を抜け、水室（図示略）に至って折り返し、再び容
器１内を抜けて冷却水出口４から流出する。この過程
で、圧縮機（図示略）から容器１に導入された高温高圧
のガス冷媒は冷却水との間で熱交換を行って凝縮、液化
され、一方の冷却水は冷媒から熱を奪って昇温し、容器
１から導出される。
【０００６ 】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な構造の蒸発器については、次のような点が問題となっ
ている。すなわち、容器１に導入された冷媒は伝熱管２
の表面で冷却水と熱交換を行って凝縮、液化されるが、
比較的上方に位置する伝熱管２の表面で冷却水と熱交換
を行って凝縮、液化された冷媒は、液状のまま下方に位
置する伝熱管２に向けて降り注ぐようになり、下方に位
置する伝熱管２の表面には液冷媒が多く付着して液膜を
厚くする傾向が強まる。
【０００７ 】こうなると、下方に位置する伝熱管２の
熱伝達率が低下して、未だ凝縮されていないガス冷媒と
の熱交換が行い難くなり、結果的に凝縮器の性能が十分
に発揮されなくなる。
【０００８ 】本発明は上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、凝縮器における熱伝達率を高め、これによっ
て冷却効率の高い冷凍機を提供することを目的としてい
る。
【０００９ 】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、次のような構成の凝縮器および冷凍機
を採用する。すなわち、本発明に係る請求項１記載の凝
縮器は、冷媒が導入される容器の中に冷却水を流通する
多数の伝熱管が束になって配管されて構成され、気体状
の冷媒を凝縮、液化する凝縮器において、束になった前
記伝熱管の間に、該伝熱管の長手方向から断面視すると
斜め下方に傾斜する板体が配設されていることを特徴と
する。
【００１０ 】この凝縮器においては、下方に位置する
伝熱管に向けて降り注ごうとする冷媒が、板体により斜
め下方に受け流され、伝熱管の表面に付着する冷媒の液
膜が厚くなり過ぎることがない。これにより、伝熱管の
熱伝達率の低下が抑えられる。
【００１１ 】また、気化した冷媒の流れが板体によっ
て跳ね返され、板体の直上に隣接する伝熱管に下方から
吹き付けて液膜の除去を促す効果が生まれ、これによっ
ても伝熱管の熱伝達率の低下が抑えられる。
【００１２ 】請求項２記載の凝縮器は、請求項１記載
の凝縮器において、前記板体が、上下に間隔を空けて複
数配設されていることを特徴とする。
【００１３ 】この凝縮器において、各板体によって得
られる働きは請求項１の場合と同じであるが、伝熱管の
数が非常に多い大型の凝縮器については、伝熱管の間に
板体を複数配設することにより、伝熱管の管群中から効
果的に冷媒が排除される。
【００１４ 】請求項３記載の凝縮器は、請求項１記載
の凝縮器において、傾斜方向および傾斜角の異なる複数
の前記板体が組み合わされ、前記長手方向から断面視す
ると上に凸の山形をなしていることを特徴とする。
【００１５ 】上記のような大型の凝縮器の場合、板体
が一方向に傾斜していると、容器内の１箇所に冷媒が集
まってしまい、容器からの”抜け”が円滑に進まなくな
ることも考えられる。そこでこの凝縮器においては、下
方に位置する伝熱管に向けて降り注ごうとする冷媒が、
山形に形成された板体によって異なる２方向に分かれて
受け流される。これにより、冷媒が１箇所に集まらなく
なり、容器からの冷媒の”抜け”が悪くなることがな
い。なお、山形の板体は２枚を組み合わせても、当初か
ら山形に形成したものでも構わない。
【００１６ 】請求項４記載の凝縮器は、請求項３記載
の凝縮器において、前記山形をなす前記板体が、間隔を
空けて複数配設されていることを特徴とする。
【００１７ 】この凝縮器において、山形に形成された
板体の働きは請求項３の場合と同じであるが、伝熱管の
数が非常に多い大型の凝縮器については、伝熱管の間に
山形の板体を複数配設することにより、伝熱管の管群中
から効果的に冷媒が排除される。
【００１８ 】請求項５記載の凝縮器は、請求項１、
２、３または４記載の凝縮器において、前記板体が水平
方向となす角度が、０゜より大きく６０゜以下であるこ
とを特徴とする。
【００１９ 】板体が水平方向となす角度は、急すぎれ
ば従来のように下方の伝熱管に降り注ぐ冷媒の量を増や
すことになり、緩やかすぎれば冷媒の流下が流れ難くな
り管群中からの冷媒の排除が進まなくなる。この凝縮器
においては、その角度を０゜より大きく６０゜以下とす
ることにより、比較的下方に位置する伝熱管に向けての
液化した冷媒の落下が阻まれ、しかも管群中からの冷媒
の排除が効果的に行われるようになる。
【００２０ 】請求項６記載の冷凍機は、請求項１、
２、３、４または５記載の凝縮器と、液化された冷媒を
減圧する膨張弁と、減圧された冷媒を蒸発、気化する蒸
発器と、気化された冷媒を圧縮したうえで前記凝縮器に
供給する圧縮機とを備えることを特徴とする。
【００２１ 】この冷凍機においては、上記のように凝
縮器における伝熱管の熱伝達率が高められ、その結果と
して熱交換効率が高められるので、エネルギー消費を抑
えても従来と同等の性能が得られる。
【００２２ 】
【発明の実施の形態】本発明に係る蒸発器および冷凍機
の第１の実施形態を図１ないし図３に示して説明する。
冷凍機の概略構成を図１に示す。図に示す冷凍機は、冷
却水と気体状の冷媒との間で熱交換を行わせて冷媒を凝
縮、液化する凝縮器１０と、凝縮された冷媒を減圧する
膨張弁１１と、凝縮された冷媒と冷水との間で熱交換を
行わせて冷水を冷却するとともに冷媒を蒸発、気化する
蒸発器１２と、気化された冷媒を圧縮したうえで凝縮器
に供給する圧縮機１３とを備えている。冷凍機は、蒸発
器１２で冷水を製造しビルの空調等に利用するものであ
る。
【００２３ 】凝縮器１０は、冷媒が導入される円筒形
の容器１４の中に冷水を流通する多数の伝熱管１５が束
になって（図１では簡略して図示）容器１４の長手方向
に配管された構造となっている。伝熱管１５は、冷却水
入口１６に連通する往路側の管と冷却水出口に連通する
管とに分かれており、冷却水入口１６に連通する管路と
冷却水出口１７に連通する管路とでは冷却水の流れる方
向が異なっている。また、容器１４の上部には冷媒が導
入される冷媒入口１８が設けられ、容器１４の下部には
冷媒が導出される冷媒出口１９が設けられている。
【００２４ 】図２は凝縮器１０を伝熱管１５の長手方
向から見た断面図である。伝熱管１５にはすべて径の等
しい管材が用いられ、間隔を同じくして千鳥状に配置さ
れている。束になった伝熱管１５の間には、斜め下方に
傾斜した板体２０，２０が、上下に間隔を空けて略平行
に、かつ伝熱管１５の管群の中央付近を横切るように配
設されている。これら板体２０が水平方向となす角度α
は、いずれも０゜より大きく６０゜以下に設定されてい
る。
【００２５ 】これら板体２０は、伝熱管１５を容器１
４内部で保持する仕切板（図２には図示されないが、紙
面に平行）間に分割して配設されるが、伝熱管１５の長
手方向の全域をカバーするべく、分割されたものをすべ
て合わせると１枚の板のようにみなされ、かつ全体で伝
熱管１５とほぼ同じ長さとなるように設けられている。
また板体２０には、その両縁がいずれも管群の最外周に
届くようにそれぞれに適宜な幅が与えられている。
【００２６ 】上記のように構成された凝縮器１０にお
いては、圧縮されたガス冷媒が冷媒入口１８から容器１
４内部に導入され、千鳥状に配置された伝熱管１５の管
群の間を通過する過程で凝縮、液化され、容器１４の下
部に溜まり、冷媒出口１９から外部に導出される。
【００２７ 】ここで、比較的上方に位置する伝熱管１
５はガス冷媒に直接晒され、その表面では冷媒と冷却水
とが熱交換を行って冷媒が凝縮、液化される。液化され
た冷媒は下方に位置する伝熱管１５に向けて降り注ごう
とするが、上側の板体２０によって斜め下方に受け流さ
れ、管群の外に排除される。
【００２８ 】板体２０，２０の間、および下側の板体
２０のさらに下方には、容器１４内部の静圧の高まりに
乗じてガス冷媒が供給されるが、板体２０，２０の間で
は、液化された冷媒が下側の板体２０によって斜め下方
に受け流され、管群の外に排除される。下側の板体２０
のさらに下方では、液化された冷媒はそのまま落下し、
管群から離れる。
【００２９ 】このように、凝縮器１０内部では、板体
２０が上記のごとく作用することによって、伝熱管１５
の表面に付着する冷媒の液膜が厚くなり過ぎることがな
い。これにより、特に管群の下方に位置する伝熱管１５
の熱伝達率の低下を抑制することができる。
【００３０ 】また、凝縮器１０内部では、気化した冷
媒の流れが板体２０によって跳ね返され、板体２０の直
上に隣接する伝熱管１５に下方から吹き付けて液膜の除
去を促す効果が生まれ、これによっても伝熱管１５の熱
伝達率の低下を抑制することができる。
【００３１ 】しかも、角度αが０゜より大きく６０゜
以下となっていることから、比較的下方に位置する伝熱
管１５に向けての液化した冷媒の落下を阻みながら、管
群中からの冷媒の排除を効果的に行うことができる。
【００３２ 】さらに、冷凍機についていえば、凝縮器
１０に上記構造を採用し熱伝達率を高めることによって
冷却効率を高めることができる。
【００３３ 】なお、本実施形態では板体２０を上下２
段としたが、これについては凝縮器の大きさや発揮すべ
き性能に応じて１段としても、３段以上としても構わな
い。また、本実施形態においては板体２０が長手方向の
全体で１枚の板とみなせるように配設したが、例えば仕
切板で区切られた各パートごとに板体２０の高さを変化
させ、側方から見ると上下に互い違いになるように配設
しても構わない。さらに、板体２０にはガス冷媒を下方
に抜く開口を設けても構わない。
【００３４ 】加えて、伝熱管１５にはディンプルチュ
ーブやフィンチューブ、その他あらゆる形態の管材が使
用可能であることはいうまでもない。
【００３５ 】ところで、本実施形態では、冷媒入口１
８は容器１４の直上に設けられているが、冷媒入口１８
はここだけに限らず、容器１４に対し斜めまたは真横か
ら連通するように設けられる場合もある。つまり、図３
に示すように、冷媒入口１８は、その配設方向が水平方
向となす角度γが０゜から９０゜までの範囲で適宜選択
されるのである。
【００３６ 】そこで、冷媒入口１８が容器１４に対し
斜めまたは真横から連通するように設けられる場合は、
板体２０の角度αは冷媒の導入角（すなわち角度γ）を
考慮して設定されることになる。ただし、角度γが如何
なる値を採用された場合でも、板体２０の傾き方向は、
冷媒が板体２０の下面に向けて導入されることがないよ
うに決定されることを特記しておく。
【００３７ 】次に、本発明に係る蒸発器および冷凍機
の第２の実施形態を図４および図５に示して説明する。
なお、上記第１の実施形態において既に説明した構成要
素には同一符号を付して説明は省略する。図４は凝縮器
１０を伝熱管１５の長手方向から見た断面図である。第
１の実施形態と同様に、伝熱管１５にすべて径の等しい
管材が用いられ、間隔を同じくして千鳥状に配置されて
いる。
【００３８ 】本実施形態においては、束になった伝熱
管１５の間に、山形に構成された板体２１，２１が、上
下に間隔を空け、かつ伝熱管１５の管群の中央付近を間
に挟むように配設されている。また、これら板体２１の
斜辺が水平方向となす角度βは、いずれも０゜より大き
く６０゜以下に設定されている。
【００３９ 】これら板体２１は、第１の実施形態と同
じく仕切板間に分割して配設され、伝熱管１５の長手方
向の全域をカバーするべく、分割されたものをすべて合
わせると１枚の板のようにみなされ、かつ全体で伝熱管
１５とほぼ同じ長さとなるように設けられている。また
板体２１には、斜辺の下縁がいずれも管群の最外周に届
くようにそれぞれに適宜な幅が与えられている。
【００４０ 】上記のように構成された凝縮器１０にお
いては、冷媒入口１８から導入された冷媒が、比較的上
方に位置する伝熱管１５の表面で冷却水と熱交換を行っ
て凝縮、液化され、下方に位置する伝熱管１５に向けて
降り注ごうとするが、上側の板体２１によって異なる２
方向に分かれて受け流され、管群の外に排除される。
【００４１ 】板体２１，２１の間、および下側の板体
２１のさらに下方には、容器１４内部の静圧の高まりに
乗じてガス冷媒が供給されるが、板体２１，２１の間で
は、液化された冷媒が下側の板体２１によって異なる２
方向に分かれて受け流され、管群の外に排除される。下
側の板体２１のさらに下方では、液化された冷媒はその
まま落下し、管群から離れる。
【００４２ 】このように、凝縮器１０内部では、板体
２１が上記のごとく作用することによって、伝熱管１５
の表面に付着する冷媒の液膜が厚くなり過ぎることがな
い。また、冷媒が容器１４内の１箇所に集まらなくな
り、容器１４からの冷媒の”抜け”が悪くなることがな
い。さらに、板体２１の直上に隣接する伝熱管１５に下
方から吹き付けて液膜の除去を促す効果も生まれる。こ
れにより、特に管群の下方に位置する伝熱管１５の熱伝
達率の低下を抑制することができる。
【００４３ 】しかも、角度βが０゜より大きく６０゜
以下となっていることから、比較的下方に位置する伝熱
管１５に向けての液化した冷媒の落下を阻みながら、管
群中からの冷媒の排除を効果的に行うことができる。
【００４４ 】さらに、冷凍機についていえば、凝縮器
１０に上記構造を採用し熱伝達率を高めることによって
冷却効率を高めることができる。
【００４５ 】なお、本実施形態では板体２１を上下２
段としたが、これについては凝縮器の大きさや発揮すべ
き性能に応じて１段としても、３段以上としても構わな
い。また、本実施形態においては板体２１が長手方向の
全体で１枚の板とみなせるように配設したが、例えば仕
切板で区切られた各パートごとに板体２１の高さを変化
させ、側方から見ると上下に互い違いになるように配設
しても構わない。
【００４６ 】加えて、板体２１にはガス冷媒を下方に
抜く開口を設けても構わない。さらに、板体２１は２枚
の板体を組み合わせたものでも、当初から山形に形成さ
れたものであっても構わない。
【００４７ 】ところで、本実施形態でも、冷媒入口１
８は容器１４の直上に設けられているが、冷媒入口１８
は、図５に示すように、その配設方向が水平方向となす
角度γが０゜から９０゜までの範囲で適宜選択されるの
で、冷媒入口１８が容器１４に対し斜めまたは真横から
連通するように設けられる場合は、各板体２１の角度α
は冷媒の導入角（すなわち角度γ）を考慮して設定され
る。
【００４８ 】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る請求
項１記載の凝縮器によれば、下方に位置する伝熱管に向
けて降り注ごうとする冷媒が、板体により斜め下方に受
け流され、伝熱管の表面に付着する冷媒の液膜が厚くな
り過ぎることがない。これにより、特に容器内の比較的
下方に位置する伝熱管について熱伝達率の低下を抑制す
ることができ、結果的に凝縮器自体の性能を向上させる
ことができる。また、気化した冷媒の流れが板体によっ
て跳ね返され、板体の直上に隣接する伝熱管に下方から
吹き付けて液膜の除去を促す効果が生まれるので、これ
によっても熱伝達率の低下を抑制し、凝縮器自体の性能
を向上させることができる。
【００４９ 】請求項２記載の凝縮器によれば、伝熱管
の間に板体を複数配設することにより、管群中からの冷
媒の排除を効果的に行って熱伝達率の低下を抑制するこ
とができる。
【００５０ 】請求項３記載の凝縮器によれば、下方に
位置する伝熱管に向けて降り注ごうとする冷媒が、山形
に形成された板体によって異なる２方向に分かれて受け
流される。これにより、冷媒が１箇所に集まらなくな
り、容器からの冷媒の”抜け”が改善されるので、管群
中からの冷媒の排除を効果的に行って熱伝達率の低下を
抑制することができる。
【００５１ 】請求項４記載の凝縮器によれば、伝熱管
の間に板体を複数配設することにより、管群中からの冷
媒の排除を効果的に行って熱伝達率の低下を抑制するこ
とができる。
【００５２ 】請求項５記載の凝縮器によれば、板体が
水平方向となす角度を０゜より大きく６０゜以下とする
ことにより、比較的下方に位置する伝熱管に向けての液
化した冷媒の落下を阻みながら、同時に管群中からの冷
媒の排除を効果的に行って熱伝達率の低下を抑制するこ
とができる。
【００５３ 】請求項６記載の冷凍機によれば、上記の
ように凝縮器における伝熱管の熱伝達率が高められ、そ
の結果として熱交換効率が高められるので、エネルギー
消費を抑えても従来と同等の性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の実施形態を示す図であっ
て、冷凍機の概略構成図である。
【図２】 凝縮器の断面（図１におけるII-II矢視断
面）図である。
【図３】 冷媒入口と板体との配置の関係を示す説明図
である。
【図４】 本発明に係る第２の実施形態を示す凝縮器の
断面図である。
【図５】 冷媒入口と板体との配置の関係を示す説明図
である。
【図６】 冷凍機に具備される従来の凝縮器の断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 凝縮器 １４ 容器 １５ 伝熱管 １８ 冷媒入口 １９ 冷媒出口 ２０,２１ 板体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関 亘 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 (72)発明者 入谷 陽一郎 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 川田 章廣 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 Ｆターム(参考） 3L065 DA04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷媒が導入される容器の中に冷却水を
    流通する多数の伝熱管が束になって配管されて構成さ
    れ、気体状の冷媒を凝縮、液化する凝縮器において、 束になった前記伝熱管の間に、該伝熱管の長手方向から
    断面視すると斜め下方に傾斜する板体が配設されている
    ことを特徴とする凝縮器。
  2. 【請求項２】 前記板体が、上下に間隔を空けて複数
    配設されていることを特徴とする請求項１記載の凝縮
    器。
  3. 【請求項３】 傾斜方向および傾斜角の異なる複数の
    前記板体が組み合わされ、前記長手方向から断面視する
    と上に凸の山形をなしていることを特徴とする請求項１
    記載の凝縮器。
  4. 【請求項４】 前記山形をなす前記板体が、間隔を空
    けて複数配設されていることを特徴とする請求項３記載
    の凝縮器。
  5. 【請求項５】 前記板体が水平方向となす角度が、０
    ゜より大きく６０゜以下であることを特徴とする請求項
    １、２、３または４記載の凝縮器。
  6. 【請求項６】 請求項１、２、３、４または５記載の
    凝縮器と、液化された冷媒を減圧する膨張弁と、減圧さ
    れた冷媒を蒸発、気化する蒸発器と、気化された冷媒を
    圧縮したうえで前記凝縮器に供給する圧縮機とを備える
    ことを特徴とする冷凍機。
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