JP6423221B2 - 蒸発器及び冷凍機 - Google Patents

Description

本開示は蒸発器及び該蒸発器を備えた冷凍機に関する。

冷凍サイクルの蒸発行程では、通常、膨張行程で膨張された冷媒を蒸発させるために蒸発器が用いられる。
例えば、特許文献１には、ケーシングと、ケーシングの内部に収容される平板型熱交換器とを有する蒸発器が記載されている。特許文献１の蒸発器では、ケーシング内で平板型熱交換器の周りを流れる液状冷媒が、上方へ向かう冷媒の蒸発流と混合せずにケーシングの底部へスムーズに戻って循環して流れるようにするために、熱交換器とケーシングとの間に通路が形成されている。
また、特許文献２には、容器と、該容器内に配置された多数の伝熱管とを有する蒸発器が記載されている。容器に対し底側に液状の冷媒が供給され、容器の上側から蒸発した冷媒ガスが流出する。被冷却物は伝熱管内を流れ、伝熱管を介して冷媒と被冷却物との間で熱交換が行われる。

特許第４２０２９２８号公報 特開２００２−３４９９９９号公報

蒸発器においては、蒸発して気体となった冷媒が液体冷媒の中に滞留することによって、伝熱管の周囲が気体により囲まれる現象（ドライアウト）が生じる場合がある。一般に気体との熱伝達率は液体との熱伝達率よりも低いため、ドライアウトが生じると蒸発器の熱交換性能が低下する可能性がある。
また、蒸発器においては、蒸発した冷媒ガスに含まれる冷媒の液滴が、冷媒ガスとともに蒸発器から排出される現象（キャリーオーバ）が生じる場合がある。キャリーオーバが生じると、蒸発器から排出された冷媒ガスが圧縮機に導入されて、該冷媒ガスに含まれる液滴が高速で回転する圧縮機のインペラに衝突し、これによってインペラが腐食される可能性がある。
特許文献２に記載の蒸発器では、容器の内壁と伝熱管との間に形成された隙間を、液体冷媒が下降するための通路として利用することが考えられる。しかし、多量の冷媒ガスが発生する場合、容器の内壁と伝熱管との間に形成される通路を冷媒が下降しても、ドライアウトやキャリーオーバが発生する虞がある。特に、低蒸気圧の冷媒ガスを用いた場合、ドライアウトやキャリーオーバが発生する虞がある。このため、多量の冷媒ガスが発生する場合でも、ドライアウトやキャリーオーバの発生を抑制することが望まれる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、伝熱管のドライアウト及び冷媒のキャリーオーバを抑制し得る蒸発器を提供することを目的とする。

本発明者等は、ドライアウト及びキャリーオーバの発生を防止するために種々検討を重ねた。その結果、（ｉ）液相冷媒の表面に向かって気相冷媒の泡が上昇してきたときに、局所的に液相冷媒の逃げ場が無いと液相冷媒が蓋をする形になり、液相冷媒の表面下に気相冷媒の泡が滞留してしまうこと、（ｉｉ）これにより、液相冷媒の表面からの気相冷媒の離脱が妨げられ、伝熱管の周囲が滞留した気相冷媒の泡によって囲まれてしまうこと、そして、（ｉｉｉ）液相冷媒の表面下で一時的に滞留することにより、気相冷媒が液相冷媒の表面から離脱するときに勢いがつき、気相冷媒が液相冷媒を同伴してしまうとの知見を得た。
これらの知見に基づいて本発明者等は更に検討を重ね、本発明に想到した。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸発器は、
冷媒を受け入れるための冷媒入口を下部に有し、且つ、蒸発した前記冷媒を排出するための冷媒出口を上部に有する容器と、
前記容器の長手方向に沿って前記容器の内部を延びる複数の伝熱管であって、前記伝熱管の内部を流れる流体から受け取った熱を前記伝熱管の外側を流れる前記冷媒に渡すように構成された複数の伝熱管と、を備え、
前記複数の伝熱管は、前記複数の伝熱管同士の代表的な間隔よりも幅広である少なくとも１つの下降流路が前記複数の伝熱管同士の間又は前記複数の伝熱管の周辺に規定されるように配置され、
前記複数の伝熱管のうち上側に配置された複数の伝熱管同士の代表的な間隔は、下側に配置された複数の伝熱管同士の代表的な間隔よりも広い。

上記構成（１）によれば、複数の伝熱管のうち上側の伝熱管同士の代表的な間隔が相対的に広いので、液相冷媒の表面近傍において、気相冷媒の泡の個数密度が低減させられる。このため、局所的に液相冷媒の逃げ場が設けられ、液相冷媒が気相冷媒に対し蓋をすることが防止される。これにより、気相冷媒が液相冷媒の表面から円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留することが防止される。この結果として、伝熱管の周囲が気相冷媒によって囲まれることが防止され、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。
また、上記構成（１）によれば、複数の伝熱管のうち上側の伝熱管同士の間隔が広いことで、上昇する気相冷媒のための流路幅が広くなり、気相冷媒の上昇速度が低減される。これによっても、液相冷媒から離脱するときの気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

（２）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）で説明した構成において、前記少なくとも１つの下降流路は、前記容器の内壁面と前記複数の伝熱管との間を延びる周辺下降流路を含む。
上記（２）の構成によれば、蒸発器の容器の内壁面を有効活用して循環通路を容易に形成できる。

（３）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）で説明した構成において、前記少なくとも１つの下降流路は、前記複数の伝熱管同士の間を上下方向に沿って延びる中間下降流路を含む。
上記（３）の構成によれば、複数の伝熱管同士の間に下降流路を設けることで、容器内で液相冷媒を円滑に循環させることができる。この結果として、良好な熱交換性能が得られる。

（４）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（３）で説明した何れか１つの構成において、前記少なくとも１つの下降流路の幅は、前記容器の長手方向に直交する横断面において、最上部で最も広い。
上記（４）の構成によれば、下降流路の幅を最上部において最も広くなるようにしたので、液相冷媒の表面において、気相冷媒から分かれた液相冷媒が円滑に下降流路に流入することができる。このため、容器内部で液相冷媒が円滑に循環し、良好な熱交換性能が得られる。

（５）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（３）で説明した何れか１つの構成において、前記少なくとも１つの下降流路の幅は、前記容器の長手方向に直交する横断面において、下方に近付くにつれて徐々に広くなる。
上記（５）の構成によれば、下降流路の幅を下方に近付くにつれて徐々に広くなるようにしたので、液相冷媒が下の方まで下降しやすいため、容器内で液相冷媒をより円滑に循環させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（５）で説明した何れか１つの構成において、前記複数の伝熱管は、上側に配置される複数の上側伝熱管と、下側に配置される複数の下側伝熱管とを含み、前記複数の上側伝熱管は、前記複数の上側伝熱管同士の代表的な間隔よりも幅広の少なくとも１つの上昇流路が前記複数の上側伝熱管同士の間に区画されるように配置されている。
上記（６）の構成によれば、複数の上側伝熱管同士の代表的な間隔よりも幅広の少なくとも１つの上昇流路が複数の上側伝熱管同士の間に区画されるように複数の上側伝熱管を配置したので、蒸発により発生した気相冷媒が、上昇流路を通って円滑に液相冷媒の表面まで上昇することができる。その結果、気相冷媒が液相冷媒の表面から円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留することが防止される。よって、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

（７）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（６）で説明した何れか１つの構成において、前記冷媒入口と前記少なくとも１つの下降流路の下側開口との間に配置される仕切板をさらに備える。
上記（７）の構成によれば、下降流路の下側開口と冷媒入口との間に仕切板を配置したので、冷媒入口から流入した冷媒の流れによって、下降流路における液相冷媒の下方に向かう流れが阻害されない。このため、容器内部で液相冷媒が円滑に循環し、良好な熱交換性能が確保される。

（８）幾つかの実施形態では、例えば上記（７）で説明した構成において、前記仕切板は、前記冷媒入口と前記複数の伝熱管との間を延びるとともに、少なくとも前記複数の伝熱管と対向する領域に複数の貫通孔を有する。
上記（８）の構成によれば、仕切板が、少なくとも複数の伝熱管と対向する領域に複数の貫通孔を有するので、冷媒入口から供給された冷媒を、この貫通孔を通して伝熱管に向かって冷媒を供給することができる。このため、蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。

（９）幾つかの実施形態では、例えば上記（８）で説明した構成において、前記容器は、該容器の長手方向にて一端側に前記流体の入口を有し、前記仕切板は、前記容器の長手方向にて前記流体の入口側に配置された入口近傍領域と、前記流体の入口から離れて配置された入口遠方領域とを有し、前記仕切板の入口近傍領域において前記複数の貫通孔により規定される流路面積は、前記仕切板の入口遠方領域において前記複数の貫通孔により規定される流路面積よりも大きい。
伝熱管の内部を流れる流体の温度は、伝熱管に流体が供給される部分、すなわち容器の長手方向にて流体の入口側において最も高い。したがって、容器内の冷媒と伝熱管の内部を流れる流体の温度差、即ち伝熱管の内外の温度差は、容器の長手方向にて流体の入口側において最も高い。
上記（９）の構成によれば、仕切板の入口近傍側における貫通孔によって規定される流路面積を、入口遠方側における貫通孔によって規定される流路面積に比較して大きくしたので、伝熱管の内外の温度差が最も大きくなる領域により多くの冷媒を供給することができる。よって、蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、例えば上記（８）又は（９）で説明した構成において、前記仕切板の入口近傍領域における前記貫通孔の径は、前記仕切板の入口遠方領域に比べて小さい。
気液混合状態の冷媒の中に貫通孔が形成された仕切板を置く場合、貫通孔の径が大きければ泡状の気相冷媒を通過させやすい。また、貫通孔の径が小さければ泡状の気相冷媒を通過させにくく、液相冷媒を通過させやすい。
このため、上記（１０）の構成によれば、仕切板の入口近傍側における貫通孔の径を、入口遠方側における貫通孔の径に比較して小さくしたので、冷媒入口に気液混合状態の冷媒が供給されている場合、伝熱管の内外の温度差が最も大きくなる領域に、相対的に液相冷媒が多く供給される。ここで、液相冷媒は気相冷媒に比べて熱伝達率が高く、伝熱管の内外の温度差が最も大きくなる領域に、熱伝達率の高い液相冷媒が供給されることで、蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、例えば上記（８）乃至（１０）で説明した何れか１つの構成において、前記仕切板の入口近傍領域における前記複数の貫通孔の単位面積あたりの個数は、前記入口遠方領域に比べて多い。
上記（１１）の構成によれば、仕切板において貫通孔の単位面積あたりの個数が、入口遠方側に比べ、入口近傍側において多くなるようにしたので、伝熱管において容器内の冷媒と伝熱管の内部を流れる流体の温度差が最も大きくなる領域により多くの冷媒を供給することができる。この結果として、蒸発器の熱交換性能を向上させることができる。

（１２）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（１１）で説明した何れか１つの構成において、前記蒸発器は、前記複数の伝熱管によって貫通される複数の貫通孔を有し、前記複数の伝熱管を支持しながら前記容器の内部を前記容器の長手方向にて複数の区画に仕切るように配置された支持板を更に備え、前記支持板は、前記冷媒を通過させるための軸方向孔を更に有する。
上記（１２）の構成によれば、容器の内部を複数の区画に仕切るように配置され、冷媒を通過させるための軸方向孔を有する支持板を設けたので、長手方向において、該軸方向孔を通じて冷媒が自由に移動できる。このため、例えば隣り合う区間で気相冷媒の発生量が異なり、水頭圧に差が生じると、その差に応じて液相冷媒が軸方向孔を通じて移動することができ、蒸発器の熱交換効率を向上させることができる。

（１３）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（１２）で説明した何れか１つの構成において、前記冷媒は、３８℃において飽和圧力が０．２ＭＰａ（Ｇ）以下のものである。
飽和蒸気圧が比較的低い冷媒は、飽和蒸気圧が比較的高い冷媒に比べて、同一の質量の液体冷媒が蒸発した場合に、蒸気の体積が大きくなる。したがって、飽和蒸気圧が比較的低い冷媒を蒸発させる場合、液相冷媒の中により多くの気相冷媒が存在することとなるので、伝熱管のドライアウトや冷媒のキャリーオーバが起こりやすい。よって、飽和蒸気圧が比較的低い冷媒を用いる場合、ドライアウトやキャリーオーバを抑制することが特に重要である。
上記（１３）の構成によれば、飽和蒸気圧が比較的低い冷媒を用いた場合にもドライアウト又はキャリーオーバを抑制することができる。
また、幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（１２）で説明した何れか１つの構成において、前記冷媒は、３８℃において飽和圧力が０．０ＭＰａ（Ｇ）以上０．２ＭＰａ（Ｇ）以下のものである。

（１４）幾つかの実施形態では、例えば上記（１）乃至（１３）で説明した何れか１つの構成において、前記容器は、該容器の長手方向にて少なくとも一端側に、前記流体の入口に連通する入口側空間及び前記流体の出口に連通する出口側空間を有するヘッダ部を有し、
前記伝熱管は、前記入口側空間に接続される入口側伝熱管と、前記出口側空間に接続される出口側伝熱管と、を含み、前記入口側伝熱管と、前記出口側伝熱管とは、前記容器の幅方向において両側に分かれて分布させられる。

（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍機は、
冷媒を圧縮するための圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させるための凝縮器と、
前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させるための膨張器と、
前記膨張器によって膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、を備える冷凍機であって、
前記蒸発器は、上記（１）乃至（１４）で説明した何れか１つの蒸発器である。

上記（１５）の構成によれば、複数の伝熱管のうち上側の伝熱管同士の代表的な間隔が相対的に広いので、液相冷媒の表面近傍において、気相冷媒の泡の個数密度が低減させられる。このため、局所的に液相冷媒の逃げ場が設けられ、液相冷媒が気相冷媒に対し蓋をすることが防止される。これにより、気相冷媒が液相冷媒の表面から円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留することが防止される。この結果として、伝熱管の周囲が気相冷媒によって囲まれることが防止され、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。
また、上記構成（１５）によれば、複数の伝熱管のうち上側の伝熱管同士の間隔が広いことで、上昇する気相冷媒のための流路幅が広くなり、気相冷媒の上昇速度が低減される。これによっても、液相冷媒から離脱するときの気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、伝熱管のドライアウト及び冷媒のキャリーオーバを抑制し得る蒸発器が提供される。

一実施形態に係る冷凍機及び蒸発器の構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る蒸発器の構成を概略的に示す図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。 一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。 一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。 一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。 一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。 一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

まず、本発明の一実施形態に係る蒸発器の概略について、図１及び図２を参照して説明する。図１及び図２は、それぞれ、一実施形態に係る蒸発器の構成を概略的に示す図である。

図１及び図２に示す蒸発器１は、容器２と、容器２の長手方向に沿って容器２の内部を延びる複数の伝熱管４とを備える。
容器２は、冷媒を受け入れるための冷媒入口２２を下部に有し、且つ、冷媒を排出するための冷媒出口２４を上部に有する。複数の伝熱管４は、該伝熱管４の内部を流れる流体から受け取った熱を、容器２の内部において伝熱管４の外側を流れる冷媒に渡すように構成される。

容器２の長手方向における両端部にはヘッダ部３Ａ，３Ｂが設けられ、区画壁によりヘッダ部３Ａ，３Ｂと仕切られた容器２の中間部に複数の伝熱管４が配置されている。複数の伝熱管４の両端はヘッダ部３Ａ，３Ｂに接続され、ヘッダ部３Ａ，３Ｂを介して、複数の伝熱管４の各々に流体が供給されるようになっている。

より具体的には、容器２の長手方向の一端側に設けられるヘッダ部３Ａは流体入口２６及び流体出口２８を有し、ヘッダ部３Ａの内部は、隔壁５により、流体入口２６側の空間（入口側空間）と流体出口２８側の空間（出口側空間）とが分けられている。
複数の伝熱管４のうち、一部の伝熱管４ａの一端はヘッダ部３Ａの入口側空間に接続され、残部の伝熱管４ｂの一端はヘッダ部３Ａの出口側空間に接続されている。伝熱管４ａ及び伝熱管４ｂの他端は、いずれもヘッダ部３Ｂに接続されている。

この場合、入口側空間を介して伝熱管４ａに流体が供給される伝熱管４ａを通って、伝熱管４ａの長手方向の他端側まで達した流体は、ヘッダ部３Ｂに流入する。ヘッダ部３Ｂに流入した流体は、伝熱管４ｂを通って出口側空間に流入し、そして、流体出口２８を通って蒸発器１の外部に排出される。

上記構成を有する蒸発器１によって冷媒を蒸発させる際の動作の概要を以下に説明する。
液体状態の冷媒又は気液混合状態の冷媒に含まれる液体状態の冷媒（液相冷媒）が、冷媒入口２２を通って容器２の中に導入される。容器２の内部において、液相冷媒は、伝熱管４を介した伝熱管４の内部を流れる流体との熱交換により蒸発する。このようにして蒸発してガス状となった冷媒（気相冷媒）は、伝熱管４の表面から離れて液相冷媒の中を上昇し、液相冷媒の表面から離脱する。液相冷媒の表面から離脱した気相冷媒は、冷媒出口２４を通って容器２の外に排出される。

なお、複数の伝熱管４の内部を流れる流体は特に限定されないが、例えば水又は空気を該流体として用いることができる。冷媒を熱交換により蒸発させるため、該流体は、作動時の容器２内部の圧力における冷媒の沸点よりも高い温度で伝熱管４に供給される必要がある。

一実施形態において、蒸発器１は、図１に示すように、冷凍機１００を構成する蒸発器である。図１に示す冷凍機１００は、冷媒を圧縮するための圧縮機１０４と、圧縮機１０４によって圧縮された冷媒を凝縮させるための凝縮器１０６と、凝縮器１０６によって凝縮された冷媒を膨張させるための膨張器１０８と、膨張器１０８によって膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器１と、を備える。圧縮機１０４、凝縮器１０６、膨張器１０８及び蒸発器１は、冷媒ライン１０２を介して接続され、冷媒ライン１０２の中を流通する冷媒がこの順に通過するように構成される。

また、一実施形態において、蒸発器１の流体出口２８と流体入口２６は、図１に示すように、流体ライン１１２を介して相互に接続される。そして、蒸発器１は、伝熱管４で冷媒と熱交換をした後に流体出口２８から排出された流体が、流体ライン１１２において冷熱負荷１１０に冷熱を受け渡すことで冷熱負荷１１０を冷却し、その後流体入口２６に戻るように構成される。流体入口２６に戻された流体は、再び伝熱管４に供給されて冷媒との熱交換に供される。なお、流体ライン１１２内を流体が円滑に流れるようにするために、流体ライン１１２にポンプ１１４を設けてもよい。

図２に示す例示的な実施形態では、蒸発器１は、冷媒入口２２と後述する下降流路の下側開口との間に配置される仕切板６をさらに有する。
また、図２に示す例示的な実施形態では、蒸発器１は、複数の伝熱管４を支持しながら容器２の内部を容器２の長手方向にて複数の区画に仕切るように配置された支持板８をさらに備える。この支持板８は、複数の伝熱管４によって貫通される複数の貫通孔を有する。

幾つかの実施形態では、蒸発器１は、仕切板６と支持板８のうち、いずれか一方のみを備えていてもよい。幾つかの実施形態では、蒸発器１は、仕切板６と支持板８の両方を備えていてもよい。
仕切板６及び支持板８については、後ほどより詳細に説明する。

次に、一実施形態に係る蒸発器のより詳細の構成について、図３〜図１２を参照して説明する。図３〜図９は、それぞれ、一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図である。また、図１０〜図１２は、それぞれ、一実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。

図３〜図９に示す例示的な実施形態では、複数の伝熱管４は、少なくとも１つの下降流路３２が複数の伝熱管４同士の間又は複数の伝熱管４の周辺に規定されるように配置される。下降流路３２は、複数の伝熱管４同士の代表的な間隔、例えば後述する間隔ｄ１及びｄ２よりも広い幅、例えば図における幅Ｄ１〜Ｄ１１を有する。また、複数の伝熱管４のうち上側に配置された複数の伝熱管４ｅ同士の代表的な間隔ｄ１は、下側に配置された複数の伝熱管４ｆ同士の代表的な間隔ｄ２よりも広い。

ここで、伝熱管同士の代表的な間隔とは、少なくとも一部の領域において実質的に等しい間隔で配置される複数の伝熱管同士の間隔のことを指し、複数の伝熱管同士の間に下降流路が形成される場合における、該下降流路を挟む伝熱管と伝熱管との間隔は除外される。

例えば、図３に示す実施形態では、少なくとも１つの下降流路３２は、容器２の内壁面２ａと複数の伝熱管４との間を延びる周辺下降流路３２ａを含む。なお、図４、図５、図８及び図９に示す実施形態でも、下降流路３２は、容器２の内壁面２ａと複数の伝熱管４との間を延びる周辺下降流路３２ａを含む。

そして、下降流路３２の幅Ｄ１は、伝熱管４同士の代表的な間隔、すなわち、複数の伝熱管４のうち上側に配置された複数の伝熱管４ｅ同士の代表的な間隔ｄ１及び下側に配置された複数の伝熱管４ｆ同士の代表的な間隔ｄ２よりも広い。さらに、間隔ｄ１は間隔ｄ２よりも広い。

上記実施形態に係る蒸発器１では、複数の伝熱管４のうち上側の伝熱管４ｅ同士の代表的な間隔ｄ１が間隔ｄ２に比べて相対的に広いので、液相冷媒の表面近傍において、気相冷媒の泡の個数密度が低減させられる。このため、局所的に液相冷媒の逃げ場が設けられ、液相冷媒が気相冷媒に対し蓋をすることが防止される。これにより、気相冷媒が液相冷媒の表面から円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留することが防止される。この結果として、伝熱管４の周囲が気相冷媒によって囲まれることが防止され、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

また、上記実施形態に係る蒸発器１では、複数の伝熱管４のうち上側の伝熱管４ｅ同士の間隔ｄ１が広いことで、上昇する気相冷媒のための流路幅が広くなり、気相冷媒の上昇速度が低減される。これによっても、液相冷媒から離脱するときの気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

幾つかの実施形態では、図６又は図７に示すように、少なくとも１つの下降流路３２は、複数の伝熱管４同士の間を上下方向に沿って延びる中間下降流路３２ｂを含む。
幾つかの実施形態では、少なくとも１つの下降流路３２は、周辺下降流路３２ａ又は中間下降流路３２ｂのいずれか一方のみを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、少なくとも１つの下降流路３２は、周辺下降流路３２ａ及び中間下降流路３２ｂの両方を含んでいてもよい。

図４に示す例示的な実施形態では、下降流路３２、即ち周辺下降流路３２ａは、容器２の長手方向に直交する横断面において、最上部にて最も広い幅Ｄ２を有する。即ち、周辺下降流路３２ａの最上部の幅Ｄ２は、それよりも下方における幅Ｄ３や幅Ｄ４よりも広い。
このように、下降流路３２の幅を最上部において最も広くなるようにしたことで、液相冷媒の表面において、気相冷媒から分かれた液相冷媒が円滑に下降流路に流入することができる。このため、容器２の内部で液相冷媒が円滑に循環し、良好な熱交換性能が得られる。

図５に示す例示的な実施形態では、下降流路３２、即ち周辺下降流路３２ａの幅は、容器２の長手方向に直交する横断面（図５に示される横断面）において、下方に近付くにつれて徐々に広くなる。すなわち、周辺下降流路３２ａの最上部の幅Ｄ５、最下部の幅Ｄ７、最上部と最下部の間の位置における幅Ｄ６について、Ｄ５〜Ｄ７の関係は、Ｄ５＞Ｄ６＞Ｄ７となる。
このように、下降流路３２の幅を下方に近付くにつれて徐々に広くなるようにしたことで、液相冷媒が下の方まで下降しやすいため、容器２の内部で液相冷媒をより円滑に循環させることができる。

図８に示す例示的な実施形態では、複数の伝熱管４は、上側に配置される複数の上側伝熱管４ｅと、下側に配置される複数の下側伝熱管４ｆとを含む。そして、複数の上側伝熱管４ｅは、複数の上側伝熱管４ｅ同士の代表的な間隔ｄ１よりも広い幅Ｄ２１を有する少なくとも１つの上昇流路３４が複数の上側伝熱管４ｅ同士の間に区画されるように配置されている。

このように、複数の上側伝熱管４ｅ同士の代表的な間隔ｄ１よりも広い幅Ｄ２１を有する少なくとも１つの上昇流路３４が複数の上側伝熱管４ｅ同士の間に区画されるように複数の上側伝熱管４ｅを配置したので、蒸発により発生した気相冷媒が、上昇流路を通って円滑に液相冷媒の表面まで上昇することができる。その結果、気相冷媒が液相冷媒の表面から円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留することが防止される。よって、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される。

図８に示す実施形態において、上昇流路３４の幅が広いほど、上昇流路３４における気相冷媒の上昇が円滑となりやすい。よって、気相冷媒が液相冷媒の表面からより円滑に離脱し、気相冷媒が液相冷媒の表面下に滞留し難くなる。このため、ドライアウトの発生が防止されるとともに、離脱時の気相冷媒の勢いが低減され、キャリーオーバが防止される効果が向上する。

図６及び図７に示す例示的な実施形態では、蒸発器１は、冷媒入口２２と少なくとも１つの下降流路３２の下側開口３３との間に配置される仕切板６をさらに備える。これらの実施形態では、仕切板６は、冷媒入口２２と、中間下降流路３２ｂの下側開口３３ｂとの間に配置される。

このように、冷媒入口２２と、少なくとも１つの下降流路３２の下側開口３３との間に仕切板６を設けたことで、冷媒入口２２から流入した冷媒の流れによって、下降流路３２における液相冷媒の下方に向かう流れが阻害されない。このため、容器２の内部で液相冷媒が円滑に循環し、良好な熱交換性能が確保される。

ここで、図１０は、図７に示す実施形態に係る仕切板６の平面図である。
図７に示す例示的な実施形態では、仕切板６は、冷媒入口２２と複数の伝熱管４との間を延びる。すなわち、仕切板６は、冷媒入口２２と複数の伝熱管４との間で容器２の幅方向及び長手方向に沿って延在する。そして、仕切板６は、図７及び図１０に示すように、少なくとも複数の伝熱管４と対向する領域Ａ２に複数の貫通孔７を有する。

仕切板６が、少なくとも複数の伝熱管４と対向する領域Ａ２に複数の貫通孔７を有することで、冷媒入口２２から供給された冷媒を、この貫通孔７を通して伝熱管４に向かって供給することができる。このため、蒸発器１の良好な熱交換効率を確保することができる。

なお、図７及び図１０における領域Ａ１は、仕切板６において、下降流路３２の下側開口３３と対向する領域である。図７に示す実施形態では、仕切板６において、下降流路３２の下側開口３３、即ち中間下降流路３２ｂの下側開口３３ｂと対向する領域Ａ１には、冷媒入口２２から供給された冷媒を通すための貫通孔は設けられていない。よって、冷媒入口２２から流入した冷媒の流れによって、下降流路３２における液相冷媒の下方に向かう流れが阻害されない。このため、容器２の内部で液相冷媒が円滑に循環し、良好な熱交換性能が確保される。

ところで、幾つかの実施形態では、図２に示すように、容器２は、容器２の長手方向における一端側に、流体入口２６を有し、この流体入口２６を介して、伝熱管４の内部に流体が供給されるようになっている。仕切板６は、容器２の長手方向にて流体入口２６側に配置された入口近傍領域Ｒ１と、流体入口２６から離れて配置された入口遠方領域Ｒ２とを有する。

幾つかの実施形態では、仕切板６の入口近傍領域Ｒ１において複数の貫通孔７により規定される流路面積は、仕切板６の入口遠方領域Ｒ２において複数の貫通孔７により規定される流路面積よりも大きい。
仕切板６の入口近傍側における貫通孔７によって規定される流路面積を、入口遠方側における貫通孔７によって規定される流路面積に比較して大きくすることで、伝熱管４の内外の温度差が通常最も大きくなる入口近傍側の領域により多くの冷媒を供給することができる。よって、蒸発器１の熱交換効率を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、上述の特徴を有する仕切板６として、例えば、図１１又は図１２に示す仕切板を用いる。

図１１に示す仕切板６では、入口近傍領域Ｒ１における貫通孔７の径は、入口遠方領域Ｒ２における貫通孔７の径に比べて小さい。
例えば、入口近傍領域Ｒ１における貫通孔７の径は、入口遠方領域Ｒ２における貫通孔７の径の約１／１０以上約１０倍以下の範囲内にある。また、孔の数、位置及び肉厚によっても調整を行う。

比較的径が大きい貫通孔は、気相冷媒の気泡を通過させやすい。また、比較的径が小さい貫通孔は、気相冷媒の気泡を通過させにくく、液相冷媒を通過させやすい。上記構成によれば、冷媒入口２２に気液混合状態の冷媒が供給されている場合、伝熱管４の内外の温度差が通常最も大きくなる入口近傍領域Ｒ１に、熱伝達率の比較的高い液相冷媒を相対的に多く供給することができる。このため、蒸発器１の熱交換効率を向上させることができる。

なお、図１１に示す仕切板６では、仕切板６の複数の貫通孔７の径は、仕切板６の最も入口近傍側で最も小さく、入口遠方側に近付くにつれて段階的に大きくなり、最も入口遠方側で最も大きい。

図１２に示す仕切板６では、入口近傍領域Ｒ１における複数の貫通孔７の単位面積あたりの個数は、入口遠方領域Ｒ２に比べて多い。すなわち、図１２に示す仕切板６では、複数の貫通孔７の径は、長手方向にわたって実質的に同じであるが、貫通孔７と貫通孔７との間の距離が、入口遠方領域Ｒ２よりも入口近傍領域Ｒ１において小さいので、単位面先あたりの貫通孔７の個数（個数密度）は、入口遠方領域Ｒ２に比べて入口近傍領域Ｒ１のほうが大きくなっている。

上記構成によれば、伝熱管４において容器２の内部の冷媒と伝熱管４の内部を流れる流体の温度差が通常最も大きくなる入口近傍領域Ｒ１により多くの冷媒を供給することができる。この結果として、蒸発器１の熱交換性能を向上させることができる。

図９に示す実施形態に係る蒸発器１は、支持板８を備える。支持板８は、複数の伝熱管４によって貫通される複数の貫通孔１２を有する。そして、支持板８は、図２にも示されるように、複数の伝熱管４を支持しながら容器２の内部を容器２の長手方向にて複数の区画、例えば図２においてはＰ１〜Ｐ５の５つの区画、に仕切るように配置される。また、支持板８は、冷媒を通過させるための軸方向孔１４を有する。図９に示す実施形態では、軸方向孔１４は、伝熱管４が貫通する複数の貫通孔１２の間に形成される。

上記実施形態では、容器２の長手方向において、軸方向孔１４を通じて冷媒が自由に移動できる。このため、隣り合う区間の間、例えば図２のＰ１とＰ２の間、又は、Ｐ２とＰ３の間等、で気相冷媒の発生量が異なり、水頭圧に差が生じると、その差に応じて液相冷媒が軸方向孔１４を通じて移動することができ、蒸発器１の熱交換効率を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、軸方向孔１４は、伝熱管４に貫通される孔であって、伝熱管４の外径よりも大きい径を有する孔であってもよい。この場合、伝熱管４が軸方向孔１４を貫通する結果、伝熱管４の外周と軸方向孔１４の周縁との間に隙間が形成される。この隙間を通して容器２内の冷媒が自由に移動できる。
この場合、軸方向孔１４は、伝熱管４を支持する貫通孔１２としての役割も有する。

ただし、この場合、伝熱管４の外径よりも、伝熱管４が貫通する軸方向孔１４の径のほうが大きいため、伝熱管４が支持板８により十分に支持されない場合も考えられる。そこで、支持板８の軸方向孔１４の周縁部に、伝熱管４を支持するための支持部として、例えば、径方向内側に突出する突起を設けて、突起を介して伝熱管４を支持してもよい。

幾つかの実施形態では、蒸発器１に供給される冷媒は、３８℃において飽和圧力が０．２ＭＰａ（Ｇ）以下のものである。
飽和蒸気圧が比較的低い冷媒は、飽和蒸気圧が比較的高い冷媒に比べて、同一の質量の液体冷媒が蒸発した場合に、蒸気の体積が大きくなる。したがって、飽和蒸気圧が比較的低い冷媒を蒸発器１で蒸発させる場合、液相冷媒の中により多くの気相冷媒が存在することとなるので、伝熱管４のドライアウトや冷媒のキャリーオーバが起こりやすい。よって、飽和蒸気圧が比較的低い冷媒を用いる場合、ドライアウトやキャリーオーバを抑制することが特に重要である。

幾つかの実施形態では、冷媒として、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系、又はＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系、又はＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系の冷媒を用いる。幾つかの実施形態では、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系の冷媒を用いる。

ここで、図１３は一実施形態に係る蒸発器の概略的な横断面図であり、図１４及び図１５は、それぞれ、図１３に示す実施形態に係る仕切板の概略的な平面図である。

上述した幾つかの実施形態では、ヘッダ部３Ａの内部が、隔壁５により上下に仕切られていたが、左右に仕切られていてもよい。この場合、隔壁５により仕切られた左右の空間のうち一方が入口側空間となり、他方が出口側空間となる。そして、入口側空間に接続される伝熱管（入口側伝熱管）４ａと、出口側空間に接続される伝熱管（出口側伝熱管）４ｂとが、例えば図１３に示すように容器２の中間部において左右に分かれて、換言すれば幅方向に分かれて、分布させられる。

このような左右振り分け型の場合、伝熱管４ａと対向する仕切板６の領域Ａ３に形成された貫通孔７により規定される流路面積を、伝熱管４ｂと対向する仕切板６の領域Ａ４に形成された貫通孔７により規定される流路面積よりも大きくしてもよい。
このように領域Ａ３において貫通孔７によって規定される流路面積を、領域Ａ４における貫通孔７によって規定される流路面積に比較して大きくすることで、出口側伝熱管４ｂよりも相対的に高温の流体が流れる伝熱管４ａにより多くの冷媒を供給することができる。よって、蒸発器１の熱交換効率を向上させることができる。

例えば、左右振り分け型の場合、図１３に示すように、伝熱管４ａと対向する仕切板６の領域Ａ３に形成された貫通孔７の径を、伝熱管４ｂと対向する仕切板６の領域Ａ４に形成された貫通孔７の径よりも小さくしてもよい。
上記構成によれば、冷媒入口２２に気液混合状態の冷媒が供給されている場合、出口側伝熱管４ｂよりも相対的に高温の流体が流れる入口側伝熱管４ａに、熱伝達率の比較的高い液相冷媒を相対的に多く供給することができる。このため、蒸発器１の熱交換効率を向上させることができる。

また、左右振り分け型の場合、図１４に示すように、伝熱管４ａと対向する仕切板６の領域Ａ３に形成された貫通孔７の単位体積あたりの個数（個数密度）を、伝熱管４ｂと対向する仕切板６の領域Ａ４に形成された貫通孔７の個数密度よりも大きくしてもよい。
上記構成によれば、出口側伝熱管４ｂよりも相対的に高温の流体が流れる入口側伝熱管４ａにより多くの冷媒を供給することができる。この結果として、蒸発器１の熱交換性能を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。例えば、上述した実施形態のうち複数を適宜組み合わせてもよい。

１ 蒸発器
２ 容器
２ａ 内壁面
３Ａ，３Ｂ ヘッダ部
４ 伝熱管
４ａ，４ｂ 伝熱管
４ｅ 上側伝熱管
４ｆ 下側伝熱管
５ 隔壁
６ 仕切板
７ 貫通孔
８ 支持板
１２ 貫通孔
１４ 軸方向孔
２２ 冷媒入口
２４ 冷媒出口
２６ 流体入口
２８ 流体出口
３２ 下降流路
３２ａ 周辺下降流路
３２ｂ 中間下降流路
３３ 下側開口
３４ 上昇流路
１００ 冷凍機
１０２ 冷媒ライン
１０４ 圧縮機
１０６ 凝縮器
１０８ 膨張器
１１０ 冷熱負荷
１１２ 流体ライン
１１４ ポンプ
Ｒ１ 入口近傍領域
Ｒ２ 入口遠方領域

Claims (12)

1. 冷媒を受け入れるための冷媒入口を下部に有し、且つ、蒸発した前記冷媒を排出するための冷媒出口を上部に有する容器と、
   前記容器の長手方向に沿って前記容器の内部を延びる複数の伝熱管であって、前記伝熱管の内部を流れる流体から受け取った熱を前記伝熱管の外側を流れる前記冷媒に渡すように構成された複数の伝熱管と、を備え、
   前記複数の伝熱管は、前記複数の伝熱管同士の代表的な間隔よりも幅広である少なくとも１つの下降流路が前記複数の伝熱管同士の間又は前記複数の伝熱管の周辺に規定されるように配置され、
   前記複数の伝熱管のうち上側に配置された複数の伝熱管同士の代表的な間隔は、下側に配置された複数の伝熱管同士の代表的な間隔よりも広く、
   前記冷媒入口と前記少なくとも１つの下降流路の下側開口との間に配置される仕切板をさらに備え、
   前記仕切板は、前記冷媒入口と前記複数の伝熱管との間を延びるとともに、少なくとも前記複数の伝熱管と対向する領域に複数の貫通孔を有し、
   前記容器は、該容器の長手方向にて一端側に前記流体の入口を有し、
   前記仕切板は、前記容器の長手方向にて前記流体の入口側に配置された入口近傍領域と、前記流体の入口から離れて配置された入口遠方領域とを有し、
   前記仕切板の入口近傍領域において前記複数の貫通孔により規定される流路面積は、前記仕切板の入口遠方領域において前記複数の貫通孔により規定される流路面積よりも大きい
   ことを特徴とする蒸発器。
2. 前記仕切板の入口近傍領域における前記貫通孔の径は、前記仕切板の入口遠方領域に比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記仕切板の入口近傍領域における前記複数の貫通孔の単位面積あたりの個数は、前記入口遠方領域に比べて多いことを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸発器。
4. 前記少なくとも１つの下降流路は、前記容器の内壁面と前記複数の伝熱管との間を延びる周辺下降流路を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の蒸発器。
5. 前記少なくとも１つの下降流路は、前記複数の伝熱管同士の間を上下方向に沿って延びる中間下降流路を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の蒸発器。
6. 前記少なくとも１つの下降流路の幅は、前記容器の長手方向に直交する横断面において、最上部で最も広いことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の蒸発器。
7. 前記少なくとも１つの下降流路の幅は、前記容器の長手方向に直交する横断面において、下方に近付くにつれて徐々に広くなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の蒸発器。
8. 前記複数の伝熱管は、上側に配置される複数の上側伝熱管と、下側に配置される複数の下側伝熱管とを含み、
   前記複数の上側伝熱管は、前記複数の上側伝熱管同士の代表的な間隔よりも幅広の少なくとも１つの上昇流路が前記複数の上側伝熱管同士の間に区画されるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の蒸発器。
9. 前記複数の伝熱管によって貫通される複数の貫通孔を有し、前記複数の伝熱管を支持しながら前記容器の内部を前記容器の長手方向にて複数の区画に仕切るように配置された支持板を更に備え、
   前記支持板は、前記冷媒を通過させるための軸方向孔を更に有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の蒸発器。
10. 前記冷媒は、３８℃において飽和圧力が０．２ＭＰａ（Ｇ）以下のものであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の蒸発器。
11. 前記容器は、該容器の長手方向にて少なくとも一端側に、前記流体の入口に連通する入口側空間及び前記流体の出口に連通する出口側空間を有するヘッダ部を有し、
    前記伝熱管は、
    前記入口側空間に接続される入口側伝熱管と、
    前記出口側空間に接続される出口側伝熱管と、を含み、
    前記入口側伝熱管と、前記出口側伝熱管とは、前記容器の幅方向において両側に分かれて分布させられることを特徴とすることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の蒸発器。
12. 冷媒を圧縮するための圧縮機と、
    前記圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させるための凝縮器と、
    前記凝縮器によって凝縮された冷媒を膨張させるための膨張器と、
    前記膨張器によって膨張された冷媒を蒸発させるための蒸発器と、を備える冷凍機であって、
    前記蒸発器は請求項１乃至１１の何れか１項に記載の蒸発器であることを特徴とする冷凍機。

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