JP2007183062A

JP2007183062A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2007183062A
Application number: JP2006002217A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Wada; 賢一和田
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】第１の流体と第２の流体間で熱交換を行わせる構造について流路の配置に自由度を持たせるとともに、流路群の端末部の製造が容易な熱交換器を提供する。
【解決手段】複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管を、それらの外周面において直接接合することにより互いに隣接配置して管群を構成し、該管群の一部の管の流路に第１の流体を、他の管の流路に第２の流体を、それぞれ流通可能に構成し、第１の流体と第２の流体間で熱交換を行わせるように構成したことを特徴とする熱交換器。
【選択図】図１

Description

本発明は、２種類の流体間で熱交換を行う熱交換器に関し、とくに、製造が容易でかつ、耐圧性の高く、冷凍サイクルにおける内部熱交換器等に用いて好適な熱交換器に関するものである。

従来、自然系冷媒である炭酸ガス冷媒などを用いる冷凍サイクルにおいては、特許文献１などに示されるように、成績係数を大きくする手段として、ガス冷却器から膨張弁に移動する冷媒と受液器から圧縮機に移動する冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器を設けた構造が知られている。

このような熱交換を行わせる手段として、特許文献２においては、多穴偏平管の片側ないし両側に流路を形成して、該偏平管を流れる冷媒と、該流路を流れる冷媒との間で熱交換を行わせる手段が、特許文献３においては、多穴偏平管を用いて隣り合った流路で異なる冷媒を流し熱交換を行わせる手段が、更に特許文献４においては、厚み方向で複数の流路列を有し、それぞれの流路列において異なった冷媒を流す手段が、それぞれ提案されている。
特開２００１−５６１８８号公報特開２０００−３４６５８４号公報特開２００３−２７９２７６号公報特開２００３−２０２１９７号公報

ところが、従来の偏平管を用いて熱交換を行わせる手段においては、小型の偏平管自体の製造が、技術的に決して容易ではないこともさることながら、特許文献２および特許文献４の構造の場合、厚み方向における１つの列が１つの流路群となるため、異なる要求性能に対応するための自由度が殆どなく、小型偏平管を数種類準備する必要が生じる。また、特許文献３においては、偏平管の流路の境において異なる方向に流路を切り起こす必要性があり、端末部の製造が容易ではないという問題がある。

そこで本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行わせる構造について流路の配置に自由度を持たせるとともに、流路群の端末部の製造が容易な熱交換器を提供することにある。また、望ましくは、炭酸ガス冷媒などを用いる冷凍サイクルにおけるように高圧の冷媒が流通される場合にも容易にかつ安価に対応できる熱交換器を提供することも課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管を、それらの外周面において直接接合することにより互いに隣接配置して管群を構成し、該管群の一部の管の流路に第１の流体を、他の管の流路に第２の流体を、それぞれ流通可能に構成し、第１の流体と第２の流体間で熱交換を行わせるように構成したことを特徴とするものからなる。

この熱交換器においては、上記管群の端部において第１の流体と第２の流体を分離するように構成されていることが好ましい。管群の端部において流体を分離することにより、第１の流体と第２の流体を容易にかつ適切に分離できるようになる。

この流体の分離のより具体的な構造としては、例えば、上記管群の延在方向に対し、実質的に直列に（つまり、管群の端部において実質的に直列に）、第１の流体用のヘッダと第２の流体用のヘッダが設けられている構造を採用することができる。

また、上記管群の延在方向に対し、実質的に並列に、第１の流体用のヘッダと第２の流体用のヘッダが設けられている構造を採用することもできる。

上記複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管の配列については特に限定されないが、例えば、それらの断面方向において、千鳥状に配置されて上記管群が構成されている構成とすることができる。

あるいは、上記複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管が、それらの断面方向において、格子状に配置されて上記管群が構成されている構成とすることもできる。この場合には、管間の隙間によって形成される空間も、流体流通用の流路とすることが可能である。

さらに、上記管群において断面方向外側に位置する流路には相対的に高温の流体が流通され、内側に位置する流路には相対的に低温の流体が流通される構成を採用することができる。このように構成すれば、熱交換部が、高温の流体が流通される断面方向外側に位置する流路によって適切に断熱されることになり、所望の熱交換がより円滑に行われることになる。

このような本発明に係る熱交換器における最大の特徴は、複数の小径の管がそれらの外周面において直接接合されて管群が構成されていることにあり、従来の多穴偏平管などと比べ、本質的に異なる流路群形成構造を採用したことにある。これによって、製造が大幅に容易化され、かつ、各小径管自体は高い耐圧性を有するので、熱交換器全体としても簡素な構造でありながら容易に高い耐圧性を発揮することが可能になる。そして、第１の流体と第２の流体の分離は、単に各流体を流通させるべき管を選択あるいは設定するだけで済むから、例えば、管群の端部において第１の流体と第２の流体を適切に分離できるように構成すれば、極めて簡単な構造でありながら、所望の熱交換器が容易にかつ安価に製造できるようになる。

このように、本発明に係る熱交換器によれば、端末構造を複雑化させることなく、互いに温度の異なる流体が流れる流路群の数および配置を自由に設定することが可能になり、自由度が大幅に向上されて、各種のサイクルに要求される熱交換効率に合致し流路構成を容易に実現できる。また、炭酸ガス冷媒などを用いる冷凍サイクルにおけるように高圧の冷媒が流通される場合にも容易にかつ安価に対応できる熱交換器を提供することが可能になり、とくにそのような冷凍サイクルにおける内部熱交換器として最適な熱交換器を提供することが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る熱交換器を示している。図１において、１は、複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管からなる第１の管群を示している。この第１の管群１には第１の流体が流通され、第１の流路群を構成している。２は、複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管からなる第２の管群を示している。この第２の管群２には第２の流体が流通され、第２の流路群を構成している。本実施態様では、第１の管群１を構成する管と第２の管群２を構成する管とが、図１（Ｂ）に示すように、それらの断面方向において千鳥状に配列されており、隣接配置されている各管が、それらの外周面において直接接合されることにより、全体としての管群が構成されている。直接接合は、例えば、ろう付けや溶接によって行われればよく、場合によっては接着や融着などで行うことも可能である。

上記管群の端部においては（望ましくは両端部においては）、第１の流体と第２の流体を分離できるように、第１のヘッダ３と第２のヘッダ４が設けられている。本実施態様では、図１（Ａ）、（Ｃ）に示すように、上記管群の延在方向に対し、管群の端部において実質的に直列に、第１の流体用の第１のヘッダ３と第２の流体用の第２のヘッダ４が設けられている。上記第１の管群１はより短く延在されてその管端が第１のヘッダ３内に開口して連通されており、上記第２の管群２はより長く延在されてその管端が第２のヘッダ４内に開口して連通されている。

第１の流体は第１のヘッダ３内から第１の管群１に流入され、第１の管群１内を流通した後、反対側の第１のヘッダ３内へ流出される。第２の流体は第２のヘッダ４内から第２の管群２に流入され、第２の管群２内を流通した後、反対側の第２のヘッダ４内へ流出される。第１の流体と第２の流体の流れ方向は、並行流でも対向流でもよい。第１の管群１と第２の管群２を構成する各管は、直接接合されているので、第１の流体と第２の流体との間で効率のよい熱交換が行われる。また、第１の管群１と第２の管群２を構成する各管自体は、小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管からなるので、比較的薄肉であっても耐圧性が高く、したがって熱交換器全体としても、高い耐圧性を呈する。したがって、炭酸ガス冷媒などを用いる冷凍サイクルにおけるように高圧の冷媒が流通される場合にも、容易にかつ安価に対応できる熱交換器を実現でき、とくにそのような冷凍サイクルにおける内部熱交換器として最適な熱交換器を提供することが可能になる。

また、図１（Ｂ）に示すように、管群全体の中から第１の流体が流通される管と第２の流体が流通される管とを適宜選択することができるので、流路設定の自由度は極めて高い。本実施態様では、千鳥状配列の両外側に位置する列状に配列された管が第１の流体が流通される第１の管群１とされ、その間に列状に配列された管が第２の流体が流通される第２の管群２とされている。このような配置では、第１の流体を高温側の流体とすれば、熱交換に際しての断熱効果も期待でき、より円滑に望ましい熱交換を行うことが可能になる。

図２は、本発明の第２実施態様に係る熱交換器を示している。本実施態様においては、基本的な構造は上述の第１実施態様に係る熱交換器と同じであるが、図２（Ｂ）に示すように、千鳥状配列の管群全体において、第１の流体が流通される第１の管群１を構成する管と第２の流体が流通される第２の管群２を構成する管の選択、設定が第１実施態様とは異なっている。したがって、それに対応させて、図２（Ａ）、（Ｃ）に示すように、第１のヘッダ３と第２のヘッダ４への連通構造が、第１実施態様とは異なっている。このように、管群全体に対して、流路設定の自由度は極めて高い。

図３は、本発明の第３実施態様に係る熱交換器を示している。本実施態様においては、図３（Ｂ）に示すように、千鳥状配列の管群全体における、第１の流体が流通される第１の管群１１を構成する管と第２の流体が流通される第２の管群１２を構成する管の配置は基本的に第２実施態様と同じに設定されているが、図３（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、第１の流体用の第１のヘッダ１３と第２の流体用の第２のヘッダ１４が、管群の延在方向に対し、管群の端部において実質的に並列に設けられており、それら第１のヘッダ１３、第２のヘッダ１４への連通構造が、第２実施態様とは異なっている。このように、第１の流体と第２の流体を分離するための管群端部におけるヘッダの配置にも高い自由度があり、熱交換器が搭載される場所や姿勢に応じて、自由に設計できる。この構造を採用する場合には、図に示すように、各ヘッダへの連結部直前において、必要に応じて管を適宜湾曲させればよい。各管は、単なる小管から構成されているので、このような連結構造も容易に採用できる。

また、千鳥状配列の管群全体における、第１の流体が流通される第１の管群１を構成する管と第２の流体が流通される第２の管群２を構成する管の配置については、極めて高い自由度をもって設定でき、例えば図４に示すような配置や、比較的ランダムに近いような配置も可能である。

さらに、上記各実施態様では、管群全体を千鳥状配列の管で構成したが、図５に示すように、格子状配列も可能である。このような格子状配列の管から構成された管群においては、断面方向外側に配置されている管に相対的に高温の流体を、内側に配置されている管に相対的に低温の流体を流すことが、熱交換部の断熱、ひいては、より効率のよい熱交換を行わせるために好ましい。

さらにまた、とくに格子状配列の管群の場合、図５に示すように、管間の隙間によって形成される空間２０も、流体流通用の流路とすることが可能である。この流路には、第１の流体、第２の流体のいずれの流体を流すことも可能である。このようにすれば、格子状配列であっても、流体間の熱交換に寄与しないデッドスペースを極めて小さく抑えることができる。

本発明に係る熱交換器は、２種類の流体間での熱交換が要求されるあらゆる熱交換器に適用でき、とくに、炭酸ガス冷媒を使用する冷凍サイクルにおける内部熱交換器等に用いて好適なものである。

本発明の第１実施態様に係る熱交換器を示しており、（Ａ）は該熱交換器の部分縦断面図、（Ｂ）は管群の横断面図、（Ｃ）は図（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。本発明の第２実施態様に係る熱交換器を示しており、（Ａ）は該熱交換器の部分縦断面図、（Ｂ）は管群の横断面図、（Ｃ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う横断面図である。本発明の第３実施態様に係る熱交換器を示しており、（Ａ）は該熱交換器の部分正面図、（Ｂ）は管群の横断面図、（Ｃ）は図（Ａ）の底面図、（Ｄ）は図（Ａ）の右側面図である。千鳥状配列の管群の別の例を示す横断面図である。格子状配列の管群の例を示す横断面図である。

符号の説明

１、１１第１の管群
２、１２第２の管群
３、１３第１のヘッダ
４、１４第２のヘッダ
２０管間の隙間によって形成される空間

Claims

複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管を、それらの外周面において直接接合することにより互いに隣接配置して管群を構成し、該管群の一部の管の流路に第１の流体を、他の管の流路に第２の流体を、それぞれ流通可能に構成し、第１の流体と第２の流体間で熱交換を行わせるように構成したことを特徴とする熱交換器。
前記管群の端部において第１の流体と第２の流体を分離するように構成されている、請求項１に記載の熱交換器。
前記管群の延在方向に対し、実質的に直列に、第１の流体用のヘッダと第２の流体用のヘッダが設けられている、請求項２に記載の熱交換器。
前記管群の延在方向に対し、実質的に並列に、第１の流体用のヘッダと第２の流体用のヘッダが設けられている、請求項２に記載の熱交換器。
前記複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管が、それらの断面方向において、千鳥状に配置されて前記管群が構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
前記複数本の小径の丸管またはそれに準ずる断面形状の管が、それらの断面方向において、格子状に配置されて前記管群が構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
管間の隙間によって形成される空間も、流体流通用の流路とされている、請求項６に記載の熱交換器。
前記管群において断面方向外側に位置する流路には相対的に高温の流体が流通され、内側に位置する流路には相対的に低温の流体が流通される、請求項１〜７のいずれかに記載の熱交換器。