蒸发器及具备该蒸发器的涡轮制冷装置的制作方法

本发明涉及一种使低压制冷剂气化的蒸发器及具备该蒸发器的涡轮制冷装置。

背景技术

例如，如周知，用作区域冷暖气设备的热源的涡轮制冷装置构成为具备对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机、使被压缩的制冷剂冷凝的冷凝器、使被冷凝的制冷剂膨胀的膨胀阀及使已膨胀的制冷剂蒸发的蒸发器。

专利文献1中记载有作为涡轮制冷装置的蒸发器的常规的所谓的池沸腾式管壳形蒸发器。这种蒸发器具备沿水平方向延伸的圆筒壳形状的压力容器，且以沿长度轴方向贯穿该压力容器的方式配设有使水等被冷却液通过的传热管组。并且，在压力容器的内部设置有在传热管组的下方穿设有多个制冷剂流通孔的制冷剂分配板，且传热管组的上方设置有除雾器(也被称为液滴分离器、雾滴分离器)。

通过涡轮压缩机压缩且在冷凝器中被冷凝的液相状的制冷剂通过膨胀阀降低压力之后，从设置于压力容器的下部的制冷剂入口流入压力容器内，并通过制冷剂分配板的多个制冷剂流通孔，由此而扩散于压力容器的内部整个区域，并且与蓄存至淹没传热管组的液面高度的传热管组进行热交换。由此流过传热管组的内部的被冷却液被冷却，该被冷却的被冷却液用作空调用冷热介质及工业用冷却液。

与传热管组进行了热交换的液相状的制冷剂因温度差而被气化(沸腾)。而且，在通过除雾器时液相份被去除，而仅气相状的制冷剂从设置于压力容器的上部的制冷剂出口排出后吸入于涡轮压缩机而再次被压缩。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭61-280359号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

以最高压力小于0.2mpag的方式使用的r1233zd等低压制冷剂能够使涡轮制冷装置高效率化，而且地球温室效应系数较小，因此作为下一代制冷剂而所期待。这种低压制冷剂显示与r134a等高压制冷剂相比气体比容变大5倍左右的物质特性，因此在蒸发器的内部与传热管组进行热交换而沸腾时沸腾泡沫变大，从而成为沸腾状态。而且，蒸发器内部中的气化制冷剂的体积流量远大于高压制冷剂，因此蒸发器内部中的气化制冷剂的流速变高。

因此，在压力容器的内部，基于除雾器的气液分离不充分，而容易引起导致尚未气化的液相状的制冷剂(液滴)乘着朝向制冷剂出口流动的气化制冷剂的快速流动而从制冷剂出口被排放的所谓被称为残留(气液相伴)的现象。若这种没有完全蒸发的制冷剂液滴吸入至涡轮压缩机，则涡轮压缩机的压缩比下降而效率降低，并且可能会损伤涡轮压缩机的叶片等。

因此，以使残留难以发生的方式加大压力容器的直径，并且加大传热管组的管体间距来降低压力容器内的气化制冷剂的流速，同时加大传热管组与制冷剂出口的高低差，以提高使制冷剂的液滴因其自重而从气化制冷剂中分离的效果。而且，采取如将除雾器配置于制冷剂出口附近而捕捉制冷剂的液滴那样的对策。

然而，由此而以压力容器为主的蒸发器各部的尺寸形状变大，从而导致损坏涡轮制冷装置的紧凑性。

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种尤其在使用了以最高压力小于0.2mpag的方式使用的低压制冷剂的涡轮制冷装置中，能够保持蒸发器的紧凑性并避免由液相状的制冷剂残留于涡轮压缩机侧而导致的效率下降及设备损伤的蒸发器及具备该蒸发器的涡轮制冷装置。

用于解决技术课题的手段

为了解决上述课题，本发明采用以下方法。

本发明的第1方式所涉及的蒸发器具备：压力容器，导入被冷凝的制冷剂；制冷剂入口，设置于所述压力容器的下部；制冷剂出口，设置于所述压力容器的上部；传热管组，通过所述压力容器的内部，且在其内部使被冷却液流通，而使该被冷却液与所述制冷剂进行热交换；及除雾器，在所述压力容器的内部设置于所述制冷剂出口与所述传热管组之间，且进行所述制冷剂的气液分离，在所述除雾器的周部与所述压力容器的内周面之间设置有分隔部。

如上述，通过在进行制冷剂的气液分离的除雾器的周部与压力容器的内周面之间设置分隔部，能够使从下方向上方通过了除雾器的制冷剂的液滴经分隔部迅速返回到除雾器的下方。因此，减少滞留于除雾器的上方的制冷剂液滴的量，从而能够防止该制冷剂液滴乘着气化制冷剂的流动而从制冷剂出口残留于涡轮压缩机侧。

而且，如此能够减少除雾器上的制冷剂液滴的量，因此加大压力容器的直径或加大传热管组的管体间距而使压力容器内的气化制冷剂的流速减少的必要性降低。因此，尤其在使用以最高压力小于0.2mpag的方式使用的低压制冷剂的情况下，能够确保蒸发器的紧凑性并且抑制由液相状的低压制冷剂残留于涡轮压缩机侧而导致的效率下降及设备损伤。

在上述结构中，可以设成如下结构：所述压力容器为沿水平方向延伸的圆筒壳形状，所述分隔部设置于所述除雾器中的沿所述压力容器的轴向的侧边。

当沿轴向观察了圆筒壳形状的压力容器的内部时，从下方向上方通过了除雾器的气化制冷剂形成朝向设置于压力容器的上部中心的制冷剂出口的上升气流，同时在该上升气流的两侧形成朝向下方描绘环路的下降气流。该下降气流沿圆筒形压力容器的内面而朝向除雾器的分隔部。因此，能够通过该下降气流将通过了除雾器的制冷剂液滴引导至分隔部而返回到除雾器的下方。由此，更有效地使通过了除雾器的制冷剂液滴返回到除雾器下部，从而能够防止向涡轮压缩机侧的残留。

在上述结构中，可以设成如下结构：所述压力容器为沿水平方向延伸的圆筒壳形状，所述传热管组以沿长度轴方向通过所述压力容器的内部的方式设置，所述分隔部偏靠设置于所述传热管组的上游部侧。

在圆筒壳形状的压力容器的内部，在传热管组的上游部侧，流过其内部的被冷却液与液态制冷剂之间的相对温度差较大，因此液态制冷剂剧烈沸腾，但随着朝向传热管组的下流侧而液态制冷剂的沸腾程度下降。因此，通过在液态制冷剂的沸腾剧烈且容易导致液态制冷剂的液滴通过除雾器的位置设置分隔部，使通过了除雾器的制冷剂液滴从分隔部迅速返回到除雾器的下方，从而能够有效地防止向涡轮压缩机侧的残留。

在上述结构中，可以设成如下结构：所述压力容器为沿水平方向延伸的圆筒壳形状，所述传热管组具备从所述压力容器内部的长度轴方向一端延伸至另一端的去程管组及在所述压力容器内部的长度轴方向另一端与所述去程管组连通且从所述压力容器内部的长度轴方向另一端返回到一端的回程管组，在所述压力容器的内部，所述去程管组配置于下方，所述回程管组配置于上方。

根据本结构，与流过传热管内的被冷却液之间的相对温度差较大且使液态制冷剂剧烈沸腾的去程管组配置于压力容器的下部，与被冷却液之间的温度差较小且液态制冷剂的沸腾平稳的回程管组配置于压力容器的上部。因此，液态制冷剂的剧烈沸腾在压力容器内的液态制冷剂池的深处进行，从而变得制冷剂液滴难以在液态制冷剂的液面上飞溅。

并且，去程管组与回程管组为沿上下重叠的布局，因此例如和设成去程管组与回程管组沿左右重叠的布局的情况相比，能够对与去程管组接触而沸腾的液态制冷剂的气泡量沿压力容器的宽度方向进行均匀化。

由此，使除雾器的上方中的气化制冷剂的上升气流的流动左右均等化，防止发生局部流速较大的部分，从而能够防止因流速较快的气化制冷剂的流动而制冷剂液滴残留于涡轮压缩机侧。

在上述结构中，可以设成如下结构：所述除雾器配置于所述传热管组的正上部。

当使用低压制冷剂时，气体流速较快，因此喷涌的液态制冷剂的液滴因其自重而从气化制冷剂中分离为止的距离相对变长。因此，若将除雾器配置在比液滴自重分离的位置更高位置，则从制冷剂液面至除雾器的距离变长，且压力容器的壳体直径会变大。

如上述，通过将除雾器配置在传热管组的正上部，通过除雾器来减少喷涌的液滴量，从而能够减少残留量。而且，通过将除雾器配置在传热管组的正上部，在除雾器上方的空间促进低压制冷剂的蒸发雾气成为较大直径的液滴，缩短液滴自重分离的距离，从而能够防止低压制冷剂的残留。

本发明的第2方式所涉及的涡轮制冷装置具备：涡轮压缩机，对以最高压力小于0.2mpag的方式使用的低压制冷剂进行压缩；冷凝器，使被压缩的所述低压制冷剂冷凝；及技术方案1至5中的任一蒸发器，使已膨胀的所述低压制冷剂蒸发。由此，能够发挥上述各作用/效果。

发明效果

如以上，根据本发明所涉及的蒸发器及具备该蒸发器的涡轮制冷装置，尤其在使用了以最高压力小于0.2mpag的方式使用的低压制冷剂的涡轮制冷装置中，能够保持蒸发器的紧凑性并且避免由液相状的制冷剂残留于涡轮压缩机侧而导致的效率下降及设备损伤。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的涡轮制冷装置的整体图。

图2是沿图1的ii-ii线的蒸发器的纵剖视图。

图3是沿图2的iii-iii线的蒸发器的纵剖视图。

图4是沿图2的iv-iv线的蒸发器的横剖视图。

图5是沿图4的v-v线示出本发明的一实施方式的蒸发器的纵剖视图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的实施方式所涉及的涡轮制冷装置的整体图。该涡轮制冷装置1构成为具备对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机2、冷凝器3、高压膨胀阀4、中间冷却器5、低压膨胀阀6、蒸发器7、润滑油罐8、回程箱9、逆变器单元10及操作盘11等的单元状。润滑油罐8为储存供给至涡轮压缩机2的轴承及增速器等的润滑油的储罐。

冷凝器3及蒸发器7形成为耐压性高的圆筒壳形状，且以将其轴线大致沿水平方向延伸的状态彼此相邻的方式平行地配置。冷凝器3配置于比蒸发器7相对更高的位置，且在其下方设置有回程箱9。中间冷却器5及润滑油罐8设置成被夹持于冷凝器3与蒸发器7之间。逆变器单元10设置于冷凝器3的上部，操作盘11配置于蒸发器7的上方。

涡轮压缩机2为由电动机13旋转驱动的公知的离心涡轮型的涡轮压缩机，且以将其轴线大致沿水平方向延伸的姿势配置于蒸发器7的上方。电动机13由逆变器单元10驱动。如后述，涡轮压缩机2对从蒸发器7的制冷剂出口23经吸入管i4而被供给的气相状的制冷剂进行压缩。作为制冷剂，例如可使用以最高压力小于0.2mpag的方式使用的r1233zd等低压制冷剂。

涡轮压缩机2的排出口与冷凝器3的上部之间由排出管15连接，冷凝器3的底部与中间冷却器5的底部之间由制冷剂管16连接。并且，中间冷却器5的底部与蒸发器7之间由制冷剂管17连接，中间冷却器5的上部与涡轮压缩机2的中段之间由制冷剂管18连接。在制冷剂管16中设置有高压膨胀阀4，在制冷剂管17中设置有低压膨胀阀6。

如图2及图3所示，蒸发器7构成为具备沿水平方向延伸的圆筒壳形状的压力容器21、设置于该压力容器21的下部的制冷剂入口22、设置于压力容器21的上部的制冷剂出口23、沿长度轴方向通过压力容器21的内部的传热管组25、制冷剂分配板26及除雾器27。

制冷剂入口22及制冷剂出口23分别配置于形成为圆筒壳形状且使其轴线大致沿水平方向延伸的压力容器21的长度轴方向中间部，制冷剂入口22形成为从压力容器21的底部沿水平且以切线状延伸突出的较短的管状，制冷剂出口23形成为从压力容器21的上部向铅垂上方延伸突出的较短的管状。如图1所示，在制冷剂入口22连接有从中间冷却器5的底部延伸突出的制冷剂管17，在制冷剂出口23连接有涡轮压缩机2的吸入管14。

在压力容器21的内部，在其一端(例如面向图2的左端)的下侧设置有入口腔室31，且在其上设置有出口腔室32，而作为分别独立的腔室。并且，在压力容器21的内部另一端(例如面向图2的右端)作为独立的腔室设置有u型转弯腔室33。这些腔室31、32、33均配置于比除雾器27更靠下方的位置。在入口腔室31设置有入口喷嘴34，在出口腔室32设置有出口喷嘴35。

如图2、图3及图5所示，传热管组25具备从压力容器21内部的长度轴方向一端(图2中的左端)延伸至另一端(图2中的右端)的去程管组25a、及在压力容器21内部的长度轴方向另一端与去程管组25a连通且从压力容器21内部的长度轴方向另一端返回到一端的回程管组25b。具体而言，去程管组25a以连接入口腔室31与u型转弯腔室33的下部之间的方式配设，回程管组25b以连接出口腔室32与u型转弯腔室33的上部之间的方式配设。即，去程管组25a配置于压力容器21的内部下方，回程管组25b配置于压力容器21的内部上方。

从入口喷嘴34作为与制冷剂进行热交换而被冷却的被冷却液例如成为水(自来水、净化水、蒸馏水等)流入的方式。该水从入口腔室31流入而流过去程管组25a，并在u型转弯腔室33掉头之后，流过回程管组25b，并经出口腔室32从出口喷嘴35作为冷水而流出。

如图3所示，构成传热管组25的去程管组25a及回程管组25b为分别捆扎多个传热管的传热管束25a沿水平方向平行地排列多个(例如各4个)的结构。在各传热管束25a之间形成有沿铅垂方向延伸的空隙s1。并且，在去程管组25a与回程管组25b之间形成有沿水平方向延伸的空隙s2。

如图2所示，构成传热管组25(25a、25b)的各传热管在压力容器21的内部被多个传热管支撑板37所支撑并且固定在压力容器21的内部。这些传热管支撑板37为具有与压力容器21的长度轴方向交叉的面方向的平板状，且沿压力容器21的长度轴方向隔着间隔配置有多个，并且固定在压力容器21的内面。在传热管支撑板37中穿设有多个贯穿孔，在这些贯穿孔中密集的插穿有传热管。

另一方面，如图2、图3及图5所示，制冷剂分配板26在压力容器21的内部设置于制冷剂入口22与传热管组25(去程管组25a)之间。该制冷剂分配板26为穿设有多个制冷剂流通孔26a的板状的部件。

如图2、图3及图5所示，除雾器27在压力容器21的内部配置于制冷剂出口23与传热管组25(回程管组25b)之间。除雾器27为例如将钢丝结成网状的富有通气性的部件，且进行低压制冷剂的气液分离。并不限定于丝网，只要通气性良好则可以是其他多孔状的物质。

如图4所示，除雾器27以其周缘部与压力容器21的内周相接的方式安装，以该除雾器27为界压力容器21的内部空间分为上下两个部分。并且，除雾器27的设置高度设成传热管组25(25b)的正上部。具体而言，传热管组25(25b)与除雾器27的间隔设成管配置间距的2倍左右。另一方面，在除雾器27与制冷剂出口23之间设置有较大的高低差(例如压力容器21的直径的50％左右以上)。

如图5、图2及图4所示，在除雾器27的周部与压力容器21的内周面之间设置有分隔部27a。该分隔部27a为在除雾器27中的沿压力容器21的轴向的两个侧边27l、27r分别以等间距形成有多个矩形缺口27a的部分。

并且，分隔部27a(缺口27a)偏靠设置于传热管组25的上游部侧。即，如图2所示，偏靠设置于构成传热管组25的上游部的去程管组25a与被冷却液的流入部即入口腔室31连接的一侧。分隔部27a的长度例如设成沿除雾器27的长度方向的长度的约4分之1至约2分之1左右。

分隔部27a(缺口27a)的形状、间隔、纵横大小及长度等并不一定限定于图4中所记载。例如，也可以加大缺口27a的长度尺寸而减少数量，或不是缺口状而形成为狭缝状。并且，并不限于矩形，也可以设成其他形状的缺口。而且，作为变形例也可以代替缺口27a而穿设孔。并且，分隔部27a并不限于一定设置于除雾器27两侧的侧边27l、27r，也可以考虑仅设置于单侧的侧边。

在具备如以上方式构成的蒸发器7的涡轮制冷装置1中，涡轮压缩机2由电动机13旋转驱动，并对从蒸发器7经吸入管14而被供给的气相状的低压制冷剂进行压缩，且将该被压缩的低压制冷剂从排出管15供给至冷凝器3。

在冷凝器3的内部，通过由涡轮压缩机2压缩的高温的低压制冷剂与冷却水进行热交换而使冷凝热冷却后被冷凝液化。通过冷凝器3成为液相状的低压制冷剂通过从冷凝器3延伸突出的制冷剂管16中所设置的高压膨胀阀4而膨胀，从而成为气液混合状态供给至中间冷却器5，且暂时储存于该处。

在中间冷却器5的内部，在高压膨胀阀4中膨胀的气液混合状态的低压制冷剂气液分离成气相份及液相份。在此被分离的低压制冷剂的液相份通过从中间冷却器5的底部延伸突出的制冷剂管17中所设置的低压膨胀阀6进一步膨胀而成为气液两相流并供给至蒸发器7。并且，在中间冷却器5中分离的低压制冷剂的气相份经从中间冷却器5的上部延伸突出的制冷剂管18而供给至涡轮压缩机2的中段部，并且再次被压缩。

如图2～图4所示，在蒸发器7中，在低压膨胀阀6中断热膨胀之后的低温的气液两相流状的低压制冷剂从制冷剂入口22流入压力容器21的内部，在制冷剂分配板26的下方向压力容器21的长度轴方向分散之后，通过制冷剂分配板26的制冷剂流通孔26a而流动于上方。而且，在压力容器21的内部形成低压制冷剂池。该低压制冷剂池的液面水平以成为传热管组25(25b)与除雾器27之间的方式被自动调整。

传热管组25(25a、25b)成为在压力容器21的内部浸渍于低压制冷剂池中的状态，且与低压制冷剂进行热交换。由此，通过传热管组25的内部的水被冷却而成为冷水。该冷水用作空调用冷热介质及工业用冷却水等。

通过与传热管组25的热交换而蒸发(气化)的低压制冷剂通过除雾器27气液分离。即，当已气化的低压制冷剂(气化制冷剂)在压力容器21的内部朝向制冷剂出23时，因比容大于高压制冷剂的低压制冷剂的特性而形成较快的流动。因此，从低压制冷剂池喷涌的未气化的液相制冷剂的液滴伴随气化制冷剂的较快的流动而欲从制冷剂出口23出来，从而可能会产生残留。

但是，该液滴被多孔状的除雾器27所捕捉而分离，因重力而下落至低压制冷剂池，因此残留得以防止。如此气液分离的气化制冷剂从制冷剂出口23离开而经吸入管14再次被涡轮压缩机2吸入/压缩，之后重复该制冷循环。

本实施方式中的蒸发器7为在除雾器27的周部与压力容器21的内周面之间设置有分隔部27a的部件。分隔部27a设置于除雾器27中的沿压力容器21的轴向的两个侧边27l、27r。通过将这种分隔部27a设置于除雾器27，能够使从下方向上方通过了除雾器27的制冷剂的液滴经分隔部27a迅速返回到除雾器27的下方。

即，如图5所示，当沿轴向观察了圆筒壳形状的压力容器21的内部时，从下方向上方通过了除雾器27的气化制冷剂形成朝向设置于压力容器21的上部中心的制冷剂出口23(图5中未图示)的上升气流u，同时在该上升气流u的两侧形成朝向下方描绘环路的下降气流d。该下降气流d形成沿圆筒形压力容器21的内面而朝向除雾器27的分隔部27a。因此，能够通过该下降气流d将通过了除雾器27的制冷剂液滴r引导至分隔部27a而返回到除雾器27的下方。

如此，能够利用下降气流d使从下方向上方通过了除雾器27的制冷剂液滴r经形成于除雾器27的分隔部27a而返回到除雾器27的下方，因此减少滞留于除雾器27的上方的制冷剂液滴r的量，从而能够防止该制冷剂液滴r乘着气化制冷剂的流动而从制冷剂出口23残留于涡轮压缩机2侧。

并且，分隔部27a偏靠设置于传热管组25的上游部侧。在圆筒壳形状的压力容器21的内部，因在传热管组25的上游部侧，流过其内部的被冷却液与液态制冷剂之间的相对温度差较大而液态制冷剂剧烈沸腾，但随着朝向传热管组25的下流侧而液态制冷剂的沸腾程度下降。

因此，通过在液态制冷剂的沸腾剧烈且容易导致制冷剂液滴r通过除雾器27的位置偏靠设置分隔部27a，容易使通过了除雾器27的制冷剂液滴r从分隔部27a迅速返回到除雾器27的下方，从而能够有效地防止向涡轮压缩机2侧的残留。

而且，作为传热管组25的布局，如上述，与流过传热管内的被冷却液之间的相对温度差较大且使液态制冷剂剧烈沸腾的去程管组25a配置于压力容器21的下部，与被冷却液之间的温度差较小且液态制冷剂的沸腾平稳的回程管组25b配置于压力容器21的上部，因此，液态制冷剂的剧烈沸腾在压力容器21内的液态制冷剂池的深处进行，从而变得制冷剂液滴r难以在液态制冷剂的液面上飞溅。

并且，如此，去程管组25a与回程管组25b为沿上下重叠的布局，因此例如和设成去程管组25a与回程管组25b沿左右重叠的布局的情况相比，能够对与去程管组25a接触而沸腾的液态制冷剂的气泡量沿压力容器21的宽度方向进行均匀化。

由此，使除雾器27的上方中的气化制冷剂的上升气流u的流动左右均等化，并防止出现局部流速较大的部分，从而能够防止因流速较快的气化制冷剂的流动而制冷剂液滴r残留于涡轮压缩机2侧。

而且，在本实施方式中，除雾器27配置于传热管组25的正上部。当使用低压制冷剂时，气体流速较快，因此喷涌的液态制冷剂的液滴(制冷剂液滴r)因其自重而从气相制冷剂中分离为止的距离相对变长。因此，若在比液滴自重分离的位置更高位置设置除雾器27，则从制冷剂液面至除雾器27的距离会变长，且压力容器21的壳体直径会变大。

如上述，通过将除雾器27配置在传热管组25的正上部，由除雾器27来减少喷涌的液滴量，从而能够减少残留量。而且，通过将除雾器27配置在传热管组25的正上部，在除雾器27上的空间，促进低压制冷剂的蒸发雾气成为较大直径的液滴，缩短液滴自重分离的距离，从而能够防止低压制冷剂的残留。

如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的蒸发器7及具备该蒸发器7的涡轮制冷装置1，能够减少除雾器27的上方中的制冷剂液滴r的量，因此加大压力容器21的直径或加大传热管组25的管体间距而使压力容器21内的气化制冷剂的流速减少的必要性降低。

因此，尤其在使用以最高压力小于0.2mpag的方式使用的低压制冷剂的情况下，能够保持蒸发器7的紧凑性并且抑制由液相状的低压制冷剂残留于涡轮压缩机2侧而导致的效率下降及设备损伤。

另外，本发明并不仅限定于上述实施方式的结构，能够附加适当变更及改良，而将附加了这种变更及改良的实施方式也视为包含于本发明的权利要求范围。例如，蒸发器7的压力容器21的形状及其内部的各部件的布局等并不限定于本实施方式。

符号说明

1-涡轮制冷装置，2-涡轮压缩机，3-冷凝器，7-蒸发器，21-压力容器，22-制冷剂入口，23-制冷剂出口，25-传热管组，25a-去程管组，25b-回程管组，26-制冷剂分配板，27-除雾器，27a-分隔部，27a-缺口，27l、27r-除雾器的侧边，r-制冷剂液滴。