JP7411423B2

JP7411423B2 - シェルアンドチューブ式熱交換器及び冷凍サイクル装置

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Publication number: JP7411423B2
Application number: JP2020007022A
Authority: JP
Inventors: 道美日下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2040-01-20
Also published as: JP2021113653A

Description

本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器及び冷凍サイクル装置に関する。

冷媒を凝縮又は蒸発させるための熱交換器として、シェルアンドチューブ式熱交換器が知られている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、伝熱管に向けて冷媒を噴霧するように構成されていることがある。

図８は、特許文献１（図２１）に記載された従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器２を示している。蒸発器２は、シェル１１、複数のチューブ１５及び複数のスプレー１４を有する。冷媒液１２は、シェル１１の底部に設けられた液溜め１７に貯留されており、冷媒ポンプ１８によって汲み上げられ、スプレー１４を介してチューブ１５に向けて噴霧される。冷媒液１２は、チューブ１５の表面に付着して液膜１６を形成する。冷媒液１２とチューブ１５を流れる冷水とが熱交換することによって、冷媒液１２が蒸発し、冷水が冷却される。

特開２０００－２３０７６０号公報

図８に示す従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器２には、伝熱性能の観点において改善の余地が残されている。

本開示は、優れた伝熱性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。

本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧する。

本開示の冷凍サイクル装置は、
上記本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器と、
前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
を備えている。

本開示によれば、優れた伝熱性能を有するシェルアンドチューブ式熱交換器を提供できる。

本開示の実施の形態１における冷凍サイクル装置の構成図 II-II線に沿った蒸発器の縦断面図図２に示す蒸発器に使用された伝熱管の断面図伝熱管及び噴霧ノズルの位置関係を示す模式的な上面図複数の伝熱管群のそれぞれにおける熱媒体の温度Ｔｗと冷媒の温度Ｔｒとの関係を模式的に示すグラフ複数の伝熱管群のそれぞれの能力と冷媒の噴霧量との関係を模式的に示す図本開示の実施の形態２における蒸発器の横断面図従来のシェルアンドチューブ式の蒸発器の断面図

（本開示の基礎となった知見等）
図８に示す従来の蒸発器２において、チューブ１５を流れる冷水の温度は一定ではない。そのため、各チューブ１５の表面上で冷媒液１２の過不足が生じやすい。言い換えれば、厚い液膜がチューブ１５の表面に形成されたり、ドライアウトが広範囲で発生したりする。この場合、蒸発器２の伝熱性能を十分に発揮させることができない。このような知見に基づき、本発明者は、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、シェルアンドチューブ式熱交換器の伝熱性能を向上させるための技術を提供する。

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１から図６を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．冷凍サイクル装置の構成］
図１は、シェルアンドチューブ式熱交換器を用いた冷凍サイクル装置の構成を示している。冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１０１、圧縮機１０２、凝縮器１０３、流量弁１０４及び流路１１０ａから１１０ｄを備えている。蒸発器１０１の出口は流路１１０ａによって圧縮機１０２の入口に接続されている。圧縮機１０２の出口は流路１１０ｂによって凝縮器１０３の入口に接続されている。凝縮器１０３の出口は、流路１１０ｃによって流量弁１０４の入口に接続されている。流量弁１０４の出口は流路１１０ｄによって蒸発器１０１の入口に接続されている。流路１１０ａ及び１１０ｂは蒸気経路である。流路１１０ｃ及び流路１１０ｄは液経路である。各経路は、例えば、少なくとも１つの金属製の配管で構成されている。

蒸発器１０１は、後述するように、シェルアンドチューブ式熱交換器によって構成されている。

圧縮機１０２は、遠心圧縮機などの速度型圧縮機であってもよく、スクロール圧縮機などの容積型圧縮機であってもよい。

凝縮器１０３の型式は特に限定されない。プレート式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器などの熱交換器が凝縮器１０３に使用されうる。

冷凍サイクル装置１００は、例えば、業務用又は家庭用の空気調和装置である。蒸発器１０１で冷却された熱媒体が回路１０５を通じて室内に供給され、室内の冷房に使用される。あるいは、凝縮器１０３で加熱された熱媒体が回路１０６を通じて室内に供給され、室内の暖房に利用される。熱媒体は、例えば、水である。ただし、冷凍サイクル装置１００は空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置など他の装置であってもよい。

回路１０５は、蒸発器１０１に熱媒体を循環させる回路である。回路１０６は、凝縮器１０３に熱媒体を循環させる回路である。回路１０５及び回路１０６は、外気から隔離された密閉回路であってもよい。

熱媒体は、回路１０５及び回路１０６のそれぞれを流れる第１流体である。熱媒体は水に限定されず、オイル、ブラインなどの液体であってもよく、空気などの気体であってもよい。回路１０５の熱媒体の組成が回路１０６の熱媒体の組成と異なっていてもよい。

［１－２．冷凍サイクル装置の動作］
圧縮機１０２を起動すると、蒸発器１０１において冷媒が加熱されて蒸発する。これにより、気相冷媒が生成される。気相冷媒は圧縮機１０２に吸入されて圧縮される。圧縮された気相冷媒は圧縮機１０２から凝縮器１０３に供給される。気相冷媒は凝縮器１０３で冷却されて凝縮及び液化する。これにより、液相冷媒が生成される。液相冷媒は、流量弁１０４を経由して凝縮器１０３から蒸発器１０１に戻される。

冷媒の種類は特に限定されない。冷媒としては、フロン冷媒、低ＧＷＰ（Global Warming Potential）冷媒、自然冷媒などが挙げられる。フロン冷媒としては、ＨＣＦＣ（hydrochlorofluorocarbon）及びＨＦＣ（hydrofluorocarbon）が挙げられる。低ＧＷＰ冷媒としては、ＨＦＯ－１２３４ｙｆ及び水が挙げられる。自然冷媒としては、二酸化炭素及び水が挙げられる。

冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の物質を主成分として含む冷媒であってもよい。このような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。「負圧」は、絶対圧で大気圧よりも低い圧力を意味する。「常温」は、日本工業規格（JIS Z8703）によれば、２０℃±１５℃の範囲内の温度を意味する。

冷媒は、第１流体である熱媒体と熱交換するべき第２流体の一例である。

［１－３．蒸発器の構成］
図２は、II-II線に沿った蒸発器１０１の縦断面図である。図２に示すように、蒸発器１０１は、シェルアンドチューブ式熱交換器で構成されている。蒸発器１０１は、シェル２１、複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ、複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃ、循環回路２５及び循環ポンプ２６を備えている。複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ、及び、複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃは、シェル２１の内部に配置されている。蒸発器１０１において冷媒を効率的に蒸発させることによって冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）が向上しうる。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃを有する。第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃは、所定方向に配列されている。図２において、「所定方向」は、Ｘ軸に平行な方向である。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれは、複数の伝熱管２２及び１対のヘッダー２３を含む。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、複数の伝熱管２２は、互いに平行に配列されている。ヘッダー２３とは別の手段によって複数の伝熱管２２が束ねられていてもよい。

伝熱管２２は、多穴かつ扁平形状の伝熱管である。伝熱管２２の入口から出口に向かって熱媒体が流れる。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、平坦な伝熱面が鉛直方向に平行となるように複数の伝熱管２２がヘッダー２３とヘッダー２３との間に配列されている。図２では、Ｚ軸に平行な方向が鉛直方向である。

扁平形状を有する伝熱管２２をシェルアンドチューブ式熱交換器に使用すると、シェル２１の内部における伝熱管２２の実装密度を高めることができるので、シェルアンドチューブ式熱交換器の単位体積あたりの伝熱面積を増加させるのに有利である。つまり、扁平形状を有する伝熱管２２を使用することは、シェルアンドチューブ式熱交換器の小型化に有利である。

伝熱管２２の材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属材料が挙げられる。

図３は、伝熱管２２の断面を示している。伝熱管２２は、１対の平坦な伝熱面２２ｐを有するように、管状の外壁４１と複数の隔壁４２とによって構成されている。外壁４１と隔壁４２とによって囲まれた空間が熱媒体の流路４３である。外壁４１及び隔壁４３は、それぞれ、薄板によって構成されている。薄板の厚さは、例えば、０．５ｍｍから０．８ｍｍの範囲にある。流路４３は、例えば、四角形の断面形状を有する。伝熱管２２の断面において、流路４３の一辺は、例えば、０．５ｍｍから３ｍｍの範囲にある。流路４３は、円形、三角形などの他の形状の断面を有していてもよい。流路４３の内壁面に微細な溝又はフィンを形成して表面積を増大させてもよい。

第１伝熱管群２２ａ、第２伝熱管群２２ｂ及び第３伝熱管群２２ｃは、熱媒体がこの順番に流れるように直列に接続されている。第１伝熱管群２２ａは、接続管２９によって第２伝熱管群２２ｂに接続されている。第２伝熱管群２２ｂは、接続管２９によって第３伝熱管群２２ｃに接続されている。第１伝熱管群２２ａのヘッダー２３に回路１０５の一端が接続されている。回路１０５の一端が接続されたヘッダー２３は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの入口をなす。第３伝熱管群２２ｃのヘッダー２３に回路１０５の他端が接続されている。回路１０５の他端が接続されたヘッダー２３は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの出口をなす。熱媒体の流れ方向において、第１伝熱管群２２ａは、第２伝熱管群２２ｂよりも上流側に位置している。熱媒体の流れ方向において、第２伝熱管群２２ｂは、第３伝熱管群２２ｃよりも上流側に位置している。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに向けて液相冷媒を噴霧する役割を担う。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、第１噴霧ユニット２４ａ、第２噴霧ユニット２４ｂ及び第３噴霧ユニット２４ｃを有する。複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃと同じように、第１噴霧ユニット２４ａ、第２噴霧ユニット２４ｂ及び第３噴霧ユニット２４ｃも所定方向（Ｘ軸に平行な方向）に配列されている。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、複数の噴霧ノズル２４を含む。本実施の形態では、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、鉛直方向及び伝熱管２２の配列方向に平行な面内にマトリクス状に配置された複数の噴霧ノズル２４を含む。第１噴霧ユニット２４ａにおける複数の噴霧ノズル２４の配列は、第２噴霧ユニット２４ｂにおける複数の噴霧ノズル２４の配列に等しい。第１噴霧ユニット２４ａにおける複数の噴霧ノズル２４の配列は、第３噴霧ユニット２４ｃにおける複数の噴霧ノズル２４の配列に等しい。つまり、複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれにおいて、複数の噴霧ノズル２４は、同一のパターンで配列されている。このような構成は、蒸発器１０１のコスト及び生産性に優れている。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれには、同一の噴霧ノズル２４が使用されうる。「同一」の語句は、設計上の構造及び設計上の特性が同一であることを意味する。

図４は、伝熱管２２及び噴霧ノズル２４の位置関係を示す模式的な上面図である。図４において、ヘッダー２３は省略されている。本実施の形態では、伝熱面２２ｐが鉛直方向に平行となるように、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、複数の伝熱管２２が水平方向に配列されている。図４では、Ｙ軸に平行な方向が複数の伝熱管２２の配列方向である。

噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれにおいて、噴霧ノズル２４は、横から水平方向に伝熱管２２に向かって液相冷媒を噴霧するように配置されている。噴霧ノズル２４は、複数の伝熱管２２の側面に向かい合っており、複数の伝熱管２２に向かって液相冷媒を放射状に噴霧する。冷媒のミストは、伝熱管２２と伝熱管２２との間の空間に入り、伝熱管２２の表面２２ｐにおいて加熱される。

本実施の形態において、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃは、互いに同一の構造を有している。詳細には、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおける複数の伝熱管２２の配列は、互いに同一でありうる。第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチは、第２伝熱管群２２ｂにおける管ピッチに等しい。第１伝熱管群２２ａにおける管ピッチは、第３伝熱管群２２ｃにおける管ピッチに等しい。このような構成は、蒸発器１０１のコスト及び生産性に優れている。「管ピッチ」とは、互いに隣り合う伝熱管２２の伝熱面２２ｐと伝熱面２２ｐとの間隔Ｌを意味する。

図２に示すように、伝熱管群と噴霧ユニットとが交互に現れるように、複数の伝熱管群２２ａから２２ｃ及び複数の噴霧ユニット２４ａから２４ｃが所定方向（Ｘ軸に平行な方向）に配列されている。本実施の形態では、第１伝熱管群２２ａ、第１噴霧ユニット２４ａ、第２伝熱管群２２ｂ、第２噴霧ユニット２４ｂ、第３伝熱管群２２ｃ及び第３噴霧ユニット２４ｃが所定方向にこの順番で配置されている。第１伝熱管群２２ａと第１噴霧ユニット２４ａとが対をなしている。第２伝熱管群２２ｂと第２噴霧ユニット２４ｂとが対をなしている。第３伝熱管群２２ｃと第３噴霧ユニット２４ｃとが対をなしている。複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃは、特定方向に冷媒を噴霧する。特定方向は、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である。特定方向は、また、第３伝熱管群２２ｃから第１伝熱管群２２ａに向かう方向である。本実施の形態において、「特定方向」は、－Ｘ軸方向である。

シェル２１は、その底部に液相冷媒を貯留するように構成されている。循環回路２５は、シェル２１の底部と噴霧ノズル２４のそれぞれとを接続している。循環回路２５に循環ポンプ２６が配置されている。循環ポンプ２６の働きにより、シェル２１の底部に貯留された液相冷媒が循環回路２５を通じて噴霧ノズル２４に供給される。このような構成によれば、液相冷媒の回収が容易であるとともに、噴霧ノズル２４に液相冷媒を供給するためのエネルギー消費を抑えることができる。

本実施の形態において、シェル２１は矩形の断面形状を有しているが、円形の断面形状を有してもよい。シェル２１は、耐圧容器であってもよい。

シェル２１には、流入管２７及び排出管２８が設けられている。流入管２７は、シェル２１の内部に冷媒を導く流路である。排出管２８は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの表面で蒸発した冷媒をシェル２１の外部に導く流路である。流入管２７及び排出管２８には、それぞれ、流路１１０ｄ及び流路１１０ａが接続されうる。

本実施の形態において、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で排出管２８から最も近い位置に配置されている。第１伝熱管群２２ａは、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群であり、かつ、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で排出管２８から最も近い位置に配置されている。第１伝熱管群２２ａにおいて発生する気相冷媒の量は、第２伝熱管群２２ｂにおいて発生する気相冷媒の量よりも多い。第２伝熱管群２２ｂにおいて発生する気相冷媒の量は、第３伝熱管群２２ｃにおいて発生する気相冷媒の量よりも多い。第１伝熱管群２２ａにおいて発生する気相冷媒の量は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの中で最も多い。そのため、第１伝熱管群２２ａが排出管２８の近傍に位置している場合、よりスムーズに蒸発器１０１の外部に気相冷媒を導くことができる。「量」の語句は、単位時間あたりの量を意味する。

排出管２８は、複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃから見て特定方向（－Ｘ軸方向）に位置している開口を有する。言い換えれば、排出管２８は、特定方向に位置するシェル２１の壁面において開口している。このような構成によれば、気相冷媒の圧力損失を減らし、よりスムーズに蒸発器１０１の外部に気相冷媒を導くことができる。

［１－４．動作］
以上のように構成された蒸発器１０１について、以下その動作及び作用を説明する。

循環ポンプ２６を起動すると、液相冷媒がシェル２１の底部から噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃに供給される。液相冷媒は、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれから伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれの伝熱管２２の平坦な伝熱面２２ｐに平行に噴霧される。熱媒体は、第１伝熱管群２２ａに流入し、第１伝熱管群２２ａを流れたのち、接続管２９を通じて第２伝熱管群２２ｂに流入する。熱媒体は、第２伝熱管群２２ｂを流れたのち、接続管２９を通じて第３伝熱管群２２ｃに流入する。伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに熱媒体を流しながら伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに向けて液相冷媒を噴霧すれば、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃにおいて熱媒体と液相冷媒との熱交換が行われ、冷媒が蒸発して気相冷媒が生成される。

伝熱管２２として扁平形状の伝熱管を用いるとともに、伝熱面２２ｐに平行に冷媒を噴霧することによって、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃにおける死水域を減らすことができる。そのため、本実施の形態のように、冷媒を一方向にのみ噴霧する場合にも、十分な伝熱面積を確保することができる。「死水域」は、伝熱管２２の表面の一部であって、冷媒のミストが接触しにくい部分を意味する。噴霧ノズル２４からの距離が増えれば増えるほど、伝熱管２２の表面に死水域が生じやすい。

図５は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおける熱媒体の温度Ｔｗと冷媒の温度Ｔｒとの関係を模式的に示すグラフである。縦軸は、温度を表している。横軸は、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの位置を表している。「Inlet」の位置は、回路１０５の一端が接続されたヘッダー２３に対応している。「Outlet」の位置は、回路１０５の他端が接続されたヘッダー２３に対応している。

熱媒体が伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃを流れるとき、熱媒体は、冷媒によって冷却される。そのため、熱媒体の温度Ｔｗは徐々に低下する。冷媒は、熱媒体から熱を奪って液相状態から気相状態に変化する。そのため、冷媒の温度Ｔｒは蒸発温度で一定である。熱媒体と冷媒との温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）は、第１伝熱管群２２ａにおいて最も大きい。第１伝熱管群２２ａにおける温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）は、第２伝熱管群２２ｂにおける温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）よりも大きい。第２伝熱管群２２ｂにおける温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）は、第３伝熱管群２２ｃにおける温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）よりも大きい。温度差（Ｔｗ－Ｔｒ）が大きければ大きいほど、単位時間当たりに蒸発できる冷媒の量も多い。よって、第１伝熱管群２２ａで蒸発しうる冷媒の量が最も多い。第２伝熱管群２２ｂで蒸発しうる冷媒の量が次に多い。第３伝熱管群２２ｃで蒸発しうる冷媒の量が最も少ない。

図６は、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれの能力と冷媒の噴霧量との関係を模式的に示している。横軸は、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃの位置を表している。線分によって囲まれた領域の面積は、伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれの能力に対応している。「能力（capacity）」は、冷媒を蒸発させる能力を意味する。

図６に示す例において、蒸発器１０１は、第２伝熱管群２２ｂの能力Ｃ２と第２噴霧ユニット２４ｂからの冷媒の噴霧量とが均衡するように設計されている。第１伝熱管群２２ａの能力Ｃ１は、第２伝熱管群２２ｂの能力Ｃ２よりも大きいので、第１伝熱管群２２ａにおいて能力αが余る。言い換えれば、能力αに対応する量の冷媒が不足する。第３伝熱管群２２ｃの能力Ｃ３は、第２伝熱管群２２ｂの能力Ｃ２よりも小さいので、第３伝熱管群２２ｃにおいて能力βが不足する。言い換えれば、能力βに対応する量の冷媒が余る。

本実施の形態によれば、熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群から熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に冷媒が噴霧される。そのため、第３伝熱管群２２ｃに向けて第３噴霧ユニット２４ｃから冷媒が噴霧されたとき、冷媒の一部が液相状態のまま余剰分として第３伝熱管群２２ｃを通過する。余剰分は、第２噴霧ユニット２４ｂから噴霧された冷媒とともに第２伝熱管群２２ｂに噴霧される。しかし、第２伝熱管群２２ｂの能力Ｃ２と第２噴霧ユニット２４ｂからの冷媒の噴霧量とが均衡しているので、余剰分に対応する量の冷媒は、第２伝熱管群２２ｂで蒸発できず、第２伝熱管群２２ｂを通過する。そして、余剰分に対応する量の冷媒は、第１噴霧ユニット２４ａから噴霧された冷媒とともに第１伝熱管群２２ａに噴霧される。第１伝熱管群２２ａは、第１噴霧ユニット２４ａから噴霧された冷媒に加え、能力αに対応する量の冷媒を蒸発させる能力を持っている。そのため、余剰分に対応する量の冷媒は、第１噴霧ユニット２４ａから噴霧された冷媒とともに第１伝熱管群２２ａおいて蒸発する。このように、下流側に位置する伝熱管群で余った冷媒を上流側に位置する伝熱管群に供給することによって、複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、冷媒の噴霧量と伝熱管群の能力との均衡をとることができる。厚い液膜が伝熱管２２の表面に形成されたり、ドライアウトが広範囲で発生したりすることを回避できる。結果として、蒸発器１０１は優れた伝熱性能を発揮する。

また、冷媒は、噴霧方向と同じ方向に位置している排出管２８を通じて圧縮機１０２（図１）に吸入される。そのため、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれから冷媒が噴霧されたとき、冷媒のミストに圧縮機１０２の吸引力が及ぶことによって、冷媒のミストが加速されながら伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃに流入する。特に、過負荷条件など大きい冷凍能力が必要とされるとき、圧縮機１０２の回転数の増加に伴って圧縮機１０２の冷媒の吸入量が増える。そのため、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃから噴霧された冷媒のミストの移動速度も上がる。すると、伝熱管２２の表面における冷媒の液膜が薄くなる。液膜が薄くなることによって熱が伝わりやすくなり、伝熱管２２の表面における熱伝達率が更に向上する。このことも蒸発器１０１の性能の向上に寄与する。

［１－５．効果等］
以上のように、本実施の形態において、伝熱管群と噴霧ユニットとが交互に現れるように複数の伝熱管群及び複数の噴霧ユニットが所定方向に配列されている。複数の噴霧ユニットは、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に冷媒を噴霧する。

このような構成によれば、未蒸発の冷媒が下流側に位置する伝熱管群を通過し、上流側に位置する噴霧ユニットから噴霧された冷媒とともに上流側に位置する伝熱管群に噴霧される。上流側に位置する伝熱管群において蒸発しうる冷媒の量は、下流側に位置する伝熱管群において蒸発しうる冷媒の量よりも多いので、下流側に位置する伝熱管群を通過した未蒸発の冷媒は、上流側に位置する噴霧ユニットから噴霧された冷媒とともに上流側に位置する伝熱管群において蒸発しうる。したがって、本実施の形態によれば、噴霧ユニットからの冷媒の噴霧量を調整することなく、各伝熱管群への冷媒の供給量が適正化される。特に、上流側に位置する伝熱管群においてドライアウトが広範囲で発生することを回避できる。結果として、本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器は優れた伝熱性能を発揮する。

本実施の形態において、複数の噴霧ユニットは、複数の噴霧ノズルを含む第１噴霧ユニットと、複数の噴霧ノズルを含む第２噴霧ユニットとを有していてもよい。第１噴霧ユニットにおける複数の噴霧ノズルの配列は、第２噴霧ユニットにおける複数の噴霧ノズルの配列に等しくてもよい。このような構成は、シェルアンドチューブ式熱交換器のコスト及び生産性に優れている。

本実施の形態において、シェルアンドチューブ式熱交換器は、シェルに設けられ、複数の伝熱管群の表面で蒸発した冷媒をシェルの外部に導く排出管をさらに備えていてもよい。熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群は、複数の伝熱管群の中で排出管から最も近い位置に配置されうる。このような構成によれば、よりスムーズにシェルアンドチューブ式熱交換器の外部に気相冷媒を導くことができる。

本実施の形態において、排出管は、複数の噴霧ユニットから見て特定方向に位置している開口を有していてもよい。このような構成によれば、噴霧ユニットから噴霧された冷媒のミストの移動速度が上がる。すると、伝熱管の表面における冷媒の液膜が薄くなる。液膜が薄くなることによって熱が伝わりやすくなり、伝熱管の表面における熱伝達率が向上する。

本実施の形態において、複数の伝熱管群のそれぞれは、互いに平行に配列された扁平形状の複数の伝熱管を含んでいてもよい。扁平形状を有する伝熱管をシェルアンドチューブ式熱交換器に使用すると、シェルの内部における伝熱管の実装密度を高めることができる。

本実施の形態の冷凍サイクル装置は、本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器と、シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機とを備えている。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器に使用されてもよく、凝縮器に使用されてもよい。本実施の形態のシェルアンドチューブ式熱交換器を使用することによって、冷凍サイクル装置の効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
以下、図７を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態１と同一の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。

［２－１．蒸発器の構成］
図７は、本開示の実施の形態２における蒸発器１１１の横断面図である。図７は、紙面に垂直な方向が鉛直方向である。

本実施の形態の蒸発器１１１は、複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃを備えている。複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃは、互いに異なる構造を有する。複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃは、第１伝熱管群２０２ａ、第２伝熱管群２０２ｂ及び第２伝熱管群２０２ｃを含む。第１伝熱管群２０２ａは、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群である。第１伝熱管群２０２ａは、複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃの中で排出管２８から最も近い位置に配置されている。第３伝熱管群２０２ｃは、複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃの中で排出管２８から最も遠い位置に配置されている。第２伝熱管群２０２ｂは、第１伝熱管群２０２ａと第３伝熱管群２０２ｃとの間に配置されている。

第１伝熱管群２０２ａにおける伝熱管２２の数は、複数の伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃのそれぞれにおける伝熱管２２の数の中で最も多い。詳細には、第１伝熱管群２０２ａに含まれた伝熱管２２の数は、第２伝熱管群２０２ｂに含まれた伝熱管２２の数よりも多い。第２伝熱管群２０２ｂに含まれた伝熱管２２の数は、第３伝熱管群２０２ｃに含まれた伝熱管２２の数よりも多い。つまり、熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管２２の数は、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管２２の数よりも多い。

また、第２伝熱管群２０２ｂにおける管ピッチは、第１伝熱管群２０２ａにおける管ピッチよりも広い。第３伝熱管群２０２ｃにおける管ピッチは、第２伝熱管群２０２ｂにおける管ピッチよりも広い。つまり、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群における管ピッチは、熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群における管ピッチよりも広い。例えば、第１伝熱管群２０２ａにおける管ピッチが８ｍｍであり、第２伝熱管群２０２ｂにおける管ピッチが９ｍｍであり、第３伝熱管群２０２ｃにおける管ピッチが１０ｍｍである。

［２－２．動作］
実施の形態１で説明したように、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃから伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃに向けて冷媒を噴霧したとき、第１伝熱管群２０２ａで発生した気相冷媒は、排出管２８に速やかに流入する。第２伝熱管群２０２ｂで発生した気相冷媒は、第１伝熱管群２０２ａを通過して排出管２８に流入する。第３伝熱管群２０２ｃで発生した気相冷媒は、第２伝熱管群２０２ｂ及び第１伝熱管群２０２ａをこの順番で通過して排出管２８に流入する。

第１伝熱管群２０２ａは排出管２８の近傍に位置しているので、第１伝熱管群２０２ａで発生した気相冷媒の体積流量が多かったとしても、圧力損失は抑制される。第２伝熱管群２０２ｂで発生した気相冷媒の体積流量は、第１伝熱管群２０２ａで発生した気相冷媒委の体積流量よりも低い。そのため、第２伝熱管群２０２ｂから排出管２８までの距離が第１伝熱管群２０２ａから排出管２８までの距離を上回ったとしても、圧力損失は抑制される。第３伝熱管群２０２ｃで発生した気相冷媒の体積流量は最も少ないものの、第３伝熱管群２０２ｃは排出管２８から最も遠い位置に配置されているので、圧力損失は抑制される。このように、本実施の形態では、気相冷媒の発生量と排出管２８から伝熱管群までの距離が逆の関係にある。つまり、排出管２８から伝熱管群までの距離が近ければ近いほど、気相冷媒の発生量が多い。これにより、シェル２１の内部における気相冷媒の移動に伴う圧力損失を最小化することが可能である。このことは、実施の形態１にもあてはまる。

また、噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃから伝熱管群２０２ａ，２０２ｂ及び２０２ｃに向けて冷媒を噴霧したとき、未蒸発の冷媒を含む気液二相流の冷媒が第２伝熱管群２０２ｂ及び第３伝熱管群２０２ｃを通過する。そのため、第２伝熱管群２０２ｂ及び第３伝熱管群２０２ｃにおける圧力損失が大きくなりがちである。

しかし、本実施の形態によれば、伝熱管２２の数が各伝熱管群に適した数に調整されている。あるいは、管ピッチが各伝熱管群に適した管ピッチに調整されている。したがって、本実施の形態によれば、気液二相流の冷媒が下流側に位置する伝熱管群を通過する際の圧力損失を低減することができる。

［２－３．効果等］
本実施の形態においても、実施の形態１における効果と同じ効果が得られる。

本実施の形態において、複数の伝熱管群は、熱媒体の流れ方向の最も上流側に位置する第１伝熱管群を含んでいてもよい。第１伝熱管群における伝熱管の数は、複数の伝熱管群のそれぞれにおける伝熱管の数の中で最も多くてもよい。このような構成によれば、気液二相流の冷媒が下流側に位置する伝熱管群を通過する際の圧力損失を低減することができる。

本実施の形態において、熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管の数は、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群に含まれた伝熱管の数よりも多くてもよい。このような構成によれば、気液二相流の冷媒が下流側に位置する伝熱管群を通過する際の圧力損失を低減することができる。

本実施の形態において、熱媒体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群における管ピッチは、熱媒体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群における管ピッチよりも広くてもよい。このような構成によれば、気液二相流の冷媒が下流側に位置する伝熱管群を通過する際の圧力損失を低減することができる。

（他の実施の形態）
本開示のシェルアンドチューブ式熱交換器は、伝熱管群を２つのみ有していてもよく、４つ以上の伝熱管群を有していてもよい。

複数の噴霧ユニット２４ａ，２４ｂ及び２４ｃのそれぞれは、噴霧ノズル２４を１つのみ有していてもよい。

伝熱管は、アスペクト比の大きい扁平形状の伝熱管に限定されず、円形又は楕円形の断面を有する伝熱管であってもよい。

複数の伝熱管群２２ａ，２２ｂ及び２２ｃのそれぞれにおいて、伝熱管２２は、複数列（例えば、前後２列）で設けられていてもよく、１列のみ設けられていてもよい。

本明細書に開示されたシェルアンドチューブ式熱交換器は、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。シェルアンドチューブ式熱交換器は、蒸発器のみならず、凝縮器として使用されてもよい。本明細書に開示された冷凍サイクル装置は、空気調和装置に限定されず、吸収式冷凍機、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。

２１シェル
２２伝熱管
２２ａ，２０２ａ第１伝熱管群
２２ｂ，２０２ｂ第２伝熱管群
２２ｃ，２０２ｃ第３伝熱管群
２３ヘッダー
２４噴霧ノズル
２４ａ第１噴霧ユニット
２４ｂ第２噴霧ユニット
２４ｃ第３噴霧ユニット
２５循環回路
２６循環ポンプ
２７流入管
２８排出管
２９接続管
１００冷凍サイクル装置
１０１，１１１蒸発器
１０２圧縮機
１０３凝縮器
１０４流量弁
１０５，１０６回路
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ流路

Claims

シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
前記シェルに設けられ、前記複数の伝熱管群の表面で蒸発した前記第２流体を前記シェルの外部に導く排出管と、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記第１流体の流れ方向の最も上流側に位置する伝熱管群は、前記複数の伝熱管群の中で前記排出管から最も近い位置に配置されている、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
前記複数の噴霧ユニットは、複数の噴霧ノズルを含む第１噴霧ユニットと、複数の噴霧ノズルを含む第２噴霧ユニットとを有し、
前記第１噴霧ユニットにおける前記複数の噴霧ノズルの配列は、前記第２噴霧ユニットにおける前記複数の噴霧ノズルの配列に等しい、
請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
前記排出管は、前記複数の噴霧ユニットから見て前記特定方向に位置している開口を有する、
請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記複数の伝熱管群は、前記第１流体の流れ方向の最も上流側に位置する第１伝熱管群を含み、
前記第１伝熱管群における伝熱管の数は、前記複数の伝熱管群のそれぞれにおける伝熱管の数の中で最も多い、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する前記伝熱管群に含まれた伝熱管の数は、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する前記伝熱管群に含まれた伝熱管の数よりも多い、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する前記伝熱管群における管ピッチは、前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する前記伝熱管群における管ピッチよりも広い、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記複数の伝熱管群に対する前記第２流体の噴霧方向が前記特定方向の一方向のみである、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
シェルと、
前記シェルの内部に配置され、第１流体が順番に流れるように直列に接続された複数の伝熱管群と、
前記シェルの内部に配置され、前記複数の伝熱管群に向けて第２流体を噴霧する複数の噴霧ユニットと、
を備え、
前記伝熱管群と前記噴霧ユニットとが交互に現れるように前記複数の伝熱管群及び前記複数の噴霧ユニットが所定方向に配列され、
前記複数の伝熱管群のそれぞれは、互いに平行に配列された扁平形状の複数の伝熱管を含み、
前記複数の伝熱管のそれぞれの伝熱面が鉛直方向に平行となるように、前記複数の伝熱管群のそれぞれにおいて、前記複数の伝熱管が水平方向に配列され、
前記複数の噴霧ユニットは、前記第１流体の流れ方向の下流側に位置する伝熱管群から前記第１流体の流れ方向の上流側に位置する伝熱管群に向かう方向である特定方向に前記第２流体を噴霧し、
前記特定方向は、前記伝熱管の前記伝熱面に平行な水平方向である、
シェルアンドチューブ式熱交換器。
前記複数の伝熱管群のそれぞれは、互いに平行に配列された扁平形状の複数の伝熱管を含む、
請求項１から７のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
請求項１から９のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器と、
前記シェルアンドチューブ式熱交換器に接続された圧縮機と、
を備えた、冷凍サイクル装置。