JP2008082685A - 内部熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内部熱交換器が設置されている雰囲気の温度が低下しても、外部熱交換により、高圧側冷媒に過剰な過冷却がとれてしまうことを抑制できる内部熱交換器およびその製造方法を提供する。
【解決手段】内部熱交換器１の構造を、高圧側冷媒配管２を低圧側冷媒配管３の内部に配置した２重管構造とし、高圧側冷媒配管２の外壁の外周方向における一部分を、低圧側冷媒配管３を構成する本体部４と蓋部５のいずれか一方に固定した構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルに用いられる冷媒間の熱交換を行う内部熱交換器およびその製造方法に関するものである。

従来、冷凍サイクルとして、放熱器出口側であって減圧器入口側の高圧液冷媒と、圧縮機吸入側の低圧ガス冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を用いているものがある。この内部熱交換器により、減圧器入口側の高圧液冷媒が冷却されて、蒸発器に流入される高圧液冷媒のエンタルピが小さくなるため、蒸発器の入口出口間のエンタルピ差が増大し、蒸発器の冷却性能が向上する（例えば、特許文献１、２参照）。

そして、このような内部熱交換器としては、例えば、内管と外管から構成される２重管構造であって、外側を高圧液冷媒が流れ、内側を低圧ガス冷媒が流れる構造、すなわち、低圧ガス冷媒配管を高圧液冷媒配管内に配置した２重管構造のものがある。
特開２００５−１２７６１１号公報 特開２００５−２９９９４９号公報

上記した２重管構造の内部熱交換器については、次のような問題があることがわかった。

例えば、冷凍サイクルを冷凍車における保冷庫用冷凍装置に適用した場合であって、上記構造の内部熱交換器を冷凍庫内に設置したときでは、高圧液冷媒配管が低圧ガス冷媒配管の外周に位置するため、内部熱交換器が設置されている冷凍庫内の雰囲気の温度低下に伴って、その雰囲気と高圧液冷媒との温度差が広がり、雰囲気と高圧液冷媒との熱交換(外部熱交換)により、高圧液冷媒に過剰な過冷却がとれてしまう恐れがある。そして、この場合では、膨張弁等の減圧装置での減圧不足が発生し、冷凍能力の低下や冷媒流量調整不能となる問題が発生してしまう。

なお、この問題は、内部熱交換器を冷凍庫内に設置した場合に限らず、他の理由によって、内部熱交換器の雰囲気温度が低下する状態となる場合においても発生する問題である。

本発明は、上記点に鑑み、内部熱交換器が設置されている雰囲気の温度が高圧側冷媒の温度より低い場合であっても、外部熱交換により、高圧側冷媒に過剰な過冷却がとれてしまうことを抑制できる内部熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、高温高圧の冷媒が流れる高圧側冷媒配管（２）を低温低圧の冷媒が流れる低圧側冷媒配管（３）内に配置し、高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒との間で熱交換させる２重管構造の内部熱交換器であって、低圧側冷媒配管は、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）とによって、筒状に構成されており、高圧側冷媒配管（２）の外壁の外周方向における一部分が、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）のどちらか一方の内壁に固定されていることを第１の特徴としている。

本発明の第１の特徴では、高圧側冷媒配管を低圧側冷媒配管の内部に配置し、高圧側冷媒配管の外壁の一部を低圧側冷媒配管に固定しているので、高圧側冷媒配管の外周が、低圧側冷媒配管に固定されている部分を除いて、低圧側冷媒配管を流れる低圧の冷媒によって覆われた状態となっている。

これにより、本発明の第１の特徴によれば、高圧側冷媒配管が低圧側冷媒配管の外周に位置する２重管構造の内部熱交換器と比較して、内部熱交換器が設置されている雰囲気の温度が低下しても、外部熱交換により、高圧側冷媒に過剰な過冷却がとれてしまうことを抑制できる。

具体的には、例えば、第２の配管部材（５）は、高圧側冷媒配管が通る大きさの第１、第２の貫通穴部（６、７）を有しており、高圧側冷媒配管（２）は、冷媒の流れ方向での形状がコの字形状であり、高圧側冷媒配管（２）は、低圧側冷媒配管（３）の外部から第１の貫通穴を介して、低圧側冷媒配管の内部を通り、第２の貫通穴を介して、低圧側冷媒配管の外部に出ている状態で、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）のどちらか一方に固定されている構造とすることができる。

また、本発明は、高温高圧の冷媒が流れる高圧側冷媒配管（２）を低温低圧の冷媒が流れる低圧側冷媒配管（３）内に配置し、高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒との間で熱交換させる２重管構造の内部熱交換器の製造方法であって、低圧側冷媒配管（３）を筒状に構成するための第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）を用意する工程と、高圧側冷媒配管（２）を用意する工程と、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）のどちらか一方の内壁に、高圧側冷媒配管（２）の外壁の外周方向における一部を固定する工程と、 第１の配管部材と第２の配管部材のどちらか一方に、高圧側冷媒配管が固定された状態で、第１の配管部材と第２の配管部材とを固定することで、内部に高圧側冷媒配管が配置された低圧側冷媒配管を形成する工程とを備えることを第２の特徴としている。

この本発明の第２の特徴によれば、第１の特徴の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、低圧側冷媒配管を構成する第１の配管部材と第２の配管部材のどちらか一方の内壁に、高圧側冷媒配管の外壁の一部を固定することで、内部熱交換器を構成する第１の配管部材側の部品と、第２配管部材側の部品を形成し、その後に、これらの両部品を固定するようにしているので、内部熱交換器の製造を容易に行うことができる。

具体的には、例えば、低圧側冷媒配管を筒状に構成するための第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）を用意する工程では、高圧側冷媒配管が通る大きさの第１、第２の貫通穴部（６、７）を有する第２の配管部材を用意し、高圧側冷媒配管を用意する工程では、冷媒の流れ方向での形状がコの字形状である高圧側冷媒配管（２）を用意し、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）のどちらか一方に、高圧側冷媒配管を固定する工程では、高圧側冷媒配管が、低圧側冷媒配管の外部から第１の貫通穴を介して、低圧側冷媒配管の内部を通り、第２の貫通穴を介して、低圧側冷媒配管の外部に出ている状態となるように、第１の配管部材の第１、第２の貫通穴部（６、７）に、それぞれ、高圧側冷媒配管の一端と他端とを通した後、記第１の配管部材と第２の配管部材のどちらか一方に、高圧側冷媒配管を固定すれば良い。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態では、例えば、冷凍車における保冷庫用冷凍装置の冷凍サイクルに用いられる内部熱交換器について説明する。

まず、冷凍サイクルは、図示しないが、例えば、ガス冷媒を吸入圧縮する圧縮機と、圧縮機吐出後の高圧冷媒の熱を放冷し、冷媒を液体状態にする放熱器と、放熱器にて冷却された冷媒を減圧させる減圧器と、減圧器にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱して、冷媒を気体状態にする蒸発器とを備えている。

そして、この冷凍サイクルの減圧器にて減圧される前の高圧冷媒（放熱器出口側であって減圧器入口側の高圧液冷媒）と圧縮機に吸引される前の低圧冷媒（圧縮機吸入側の低圧ガス冷媒）とを熱交換するために、内部熱交換器が用いられる。この内部熱交換器は、冷凍車における保冷庫内に設置される。

図１に、本発明の第１実施形態における内部熱交換器の概略構成を示す。図１（ａ）は、内部熱交換器１の縦断面図であり、図１（ｂ）中の内部熱交換器１のＡ−Ａ線断面図である。また、図１（ｂ）は、内部熱交換器１の横断面図であり、図１（ａ）中の内部熱交換器１のＢ−Ｂ線断面図である。また、図１（ｃ）は、内部熱交換器１の正面図であり、図１（ａ）中の内部熱交換器１のＣ矢視図である。

本実施形態の内部熱交換器１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、高温の高圧液冷媒が流れる高圧側冷媒配管２を、低温の低圧ガス冷媒が流れる低圧側冷媒配管３内に、非同心状（偏心状）に、配置した２重管構造である。

低圧側冷媒配管３は、第１の配管部材としての本体部４と、第２の配管部材としての蓋部５とによって、円筒状に構成されている。

本体部４と蓋部５は、円筒の低圧側冷媒配管３を構成する２つの部品である。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、内部熱交換器１の横断面をみたとき、本体部４によって、低圧側冷媒配管３の約３／４が構成され、蓋部５によって、低圧側冷媒配管３の残りの約１／４が構成されている。このように、本体部４と蓋部５は、低圧側冷媒配管３の外周方向における主要部と残りの部分との関係をなす。

より具体的には、本体部４は、例えば、円筒配管に対して、内部熱交換器１の寸法に一致する範囲で開口する開口部１１を設けたものである（後述する図２参照）。開口部１１の形状は、例えば、長方形である。

また、蓋部５は、その開口部１１を塞ぐ形状であり、例えば、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、本体部４と同様の曲率半径で湾曲した長方形の板材である。そして、高圧側冷媒配管２が通る大きさの第１、第２の貫通穴部６、７を有している。

高圧側冷媒配管２は、円筒状の配管であり、図１（ａ）に示すように、冷媒の流路断面が、低圧側冷媒配管３よりも小さい配管である。また、高圧側冷媒配管２は、冷媒の流れ方向での形状、すなわち、縦断面形状がコの字形状となっている。コの字形状の高圧側冷媒配管２のうち、互いに平行に伸びている第１、第２の配管部９とが、それぞれ、蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７を通っており、高圧側冷媒配管２のうち、第１、第２の配管部８、９に連通し、第１、第２の配管部８、９での冷媒流れ方向に対して冷媒流れ方向が略垂直となる第３の配管部１０が、蓋部５に接した状態で固定されている。

なお、高圧側冷媒配管２、低圧側冷媒配管３（本体部４および蓋部５）は、例えば、アルミニウム等の金属で構成される。

また、蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７から冷媒が漏れないように、溶接、ろう付け、接着等により、高圧側冷媒配管２の全周が蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７と固定されている。同様に、本体部４と蓋部５同士も、溶接、ろう付け、接着等により固定されており、高圧側冷媒配管２の第３の配管部１０と蓋部５同士も、溶接、ろう付け、接着等により固定されている。

このようにして、高圧側冷媒配管２は、低圧側冷媒配管３の外部から第１の貫通穴６を介して、低圧側冷媒配管の内部を通り、第２の貫通穴７を介して、低圧側冷媒配管３の外部に出ている。また、高圧側冷媒配管２は、第３の配管部１０であって、配管の外周方向（円周方向）における外壁の一部分が蓋部５の内壁に接した状態で、蓋部５に固定されている。

次に、上記した構造の内部熱交換器の製造方法について説明する。

図２に、低圧側冷媒配管３の本体部４の斜視図を示す。また、図３に、互いに固定された状態の蓋部５と高圧側冷媒配管２を示す。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、図１（ａ）〜（ｃ）に対応しており、図３（ａ）は、図３（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＢ−Ｂ線断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）中の蓋部５と高圧側冷媒配管２のＣ矢視図である。

まず、低圧側冷媒配管３を筒状に構成するための本体部４と蓋部５を用意する。このとき、本体部４として、図２に示すように、円筒配管に対して、内部熱交換部１の寸法にあうように、一部を切り欠いて、開口部１１を有する形状のものを用意し、蓋部５として、この開口部１１を塞ぐ形状のものを用意する。また、蓋部５には、高圧側冷媒配管２が通る大きさの第１、第２の貫通穴部６、７を設けておく（図１参照）。

また、縦断面形状がコの字形状となるように成型した高圧側冷媒配管２を用意する。

続いて、図３に示すように、高圧側冷媒配管２の外壁の一部を蓋部５に固定する。このとき、製造後において、高圧側冷媒配管２が、低圧側冷媒配管３の外部から第１の貫通穴６を介して、低圧側冷媒配管３の内部を通り、第２の貫通穴７を介して、低圧側冷媒配管３の外部に出ている状態（図１参照）となるように、コの字に成型した高圧側冷媒配管２の一端側と他端側に位置する第１、第２の配管部８、９を、それぞれ、蓋部５の第１、第２の貫通部６、７に通して、高圧側冷媒配管２の第３の配管部１０を蓋部５に接触させる。その後、高圧側冷媒配管２の全周と、蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７とを、溶接、ろう付けもしくは接着により、固定し、高圧側冷媒配管２の第３の配管部１０の外壁と蓋部５の内壁とを、溶接、ろう付けもしくは接着により、固定する。

続いて、本体部４に、高圧側冷媒配管２が固定された状態の蓋部５を、溶接、ろう付けもしくは接着により、固定する。これにより、上記した図１に示す構造の内部熱交換器１を製造することができる。

次に、本実施形態の主な特徴について説明する。

（１）本実施形態では、内部熱交換器１の構造を、高圧側冷媒配管２を低圧側冷媒配管３の内部に配置した２重管構造とし、高圧側冷媒配管２の外壁の外周方向における一部分を、低圧側冷媒配管３を構成する本体部４と蓋部５のうちの蓋部５に固定した構造としている。このため、高圧側冷媒配管２の外周が、低圧側冷媒配管３に固定されている部分を除いて、低圧側冷媒配管３を流れる低圧冷媒によって覆われた状態となり、本実施形態の内部熱交換器１は、高圧側冷媒配管２が低圧側冷媒配管３の外周に位置する２重管構造の内部熱交換器と比較して、外部との接触面積が小さくなっている。

したがって、本実施形態の内部熱交換器１によれば、内部熱交換器１が設置されている冷凍庫内の雰囲気温度が低下しても、外部熱交換によって、高圧側冷媒配管２内を流れる高圧液冷媒に過剰な過冷却がとれてしまうことを抑制できる。この結果、内部熱交換器１の高圧側冷媒配管２から減圧器に流入した高圧液冷媒を適切に減圧させることができ、冷凍能力の低下や流量調整不能を防止できる。

（２）本実施形態では、内部熱交換器１の製造において、低圧側冷媒配管３を筒状に構成するための本体部４と蓋部５を用意し、蓋部５の内壁に高圧側冷媒配管２の外壁の一部を固定することで、内部熱交換器１を構成する本体部４側の部品と、蓋部５側の部品とを形成しており、その後に、これらの両部品を固定するようにしているので、内部熱交換器１の組み付けが容易であり、内部熱交換器１の製造を容易に行うことができる。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態における内部熱交換器１の概略構成を示す。図４（ａ）は、内部熱交換器１の縦断面であり、図４（ｂ）中の内部熱交換器１のＡ−Ａ線断面図である。また、図４（ｂ）は、内部熱交換器１の横断面であり、図４（ａ）中の内部熱交換器１のＢ−Ｂ線断面図である。また、図４（ｃ）は、内部熱交換器１の正面図であり、図４（ａ）中の内部熱交換器１のＣ矢視図である。

図４に示すように、内部熱交換１の構造について、本実施形態が第１実施形態と異なる点は、低圧側冷媒配管３を構成する本体部４と蓋部５のうち、本体部４に高圧側冷媒配管２における第３の配管部１０が固定されている点である。すなわち、本実施形態では、コの字形状の高圧側冷媒配管２における第３の配管部１０が本体部４の内壁に固定された状態で、高圧側冷媒配管の第１、第２の配管部８、９が、蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７を通っている。なお、その他の構造については、第１実施形態と同じである。

本実施形態における内部熱交換器１の製造については、第１実施形態で説明した製造方法に対して、高圧側冷媒配管２の外壁の一部を、蓋部５の代わりに本体部４に固定するように変更すればよい。

すなわち、低圧側冷媒配管３を筒状に構成するための本体部４と蓋部５を用意し、コの字形状に成形した高圧側冷媒配管２を用意した後、溶接、ろう付けもしくは接着により、高圧側冷媒配管２の外壁の一部を本体部４の内壁に固定する。これにより、高圧側冷媒配管２が固定された本体部４側の部品と、蓋部５側の部品とを形成する。その後、コの字に成型した高圧側冷媒配管２の一端側と他端側に位置する第１、第２の配管部８、９を、それぞれ、蓋部５の第１、第２の貫通部６、７に通しながら、蓋部５を本体部４に組み付け、溶接、ろう付けもしくは接着により、蓋部５と本体部４とを固定する。また、溶接、ろう付けもしくは接着により、高圧側冷媒配管２の全周と、蓋部５の第１、第２の貫通穴部６、７とを固定する。これにより、図４に示す構造の内部熱交換器１を製造できる。

（他の実施形態）
（１）上記した各実施形態では、低圧側冷媒配管２を構成する本体部４と蓋部５について、図１（ｂ）に示すように、本体部４の方が蓋部５よりも、低圧側冷媒配管２を構成する比率が大きい場合を説明したが、本体部４と蓋部５以外によって、低圧側冷媒配管２を構成しても良い。例えば、低圧側冷媒配管２を均等に縦断したような形状、すなわち、横断面が半円形状である２つの第１、第２の配管部材によって、低圧側冷媒配管２を構成しても良い。

（２）上記した各実施形態では、低圧側冷媒配管２、高圧側冷媒配管３が円筒状であったが、筒状であれば、両冷媒配管２、３の横断面形状は円以外の形状であっても良い。

（３）上記した各実施形態では、本体部４と蓋部５の固定手段として、溶接、ろう付けもしくは接着を採用しているが、低圧側冷媒配管２内の低圧ガス冷媒漏れを防止できれば、他の固定手段を採用しても良い。例えば、蓋部５のうち、本体部４と接する部位をＯリング溝が切られたフランジ構造等として、Ｏリングやガスケット等の冷媒漏れを防止する手段を用いたネジ締結を採用してもよい。

（４）上記した各実施形態では、高圧側冷媒配管２の第１、第２の配管部８、９と、蓋部５の第１、第２の貫通部６、７との固定手段として、高圧側冷媒配管２の全周を、溶接、ろう付けもしくは接着する手段を採用しているが、他の固定手段を採用しても良い。

例えば、蓋部５の第１、第２の貫通部６、７の周囲と、高圧側冷媒配管２の第１、第２の貫通部６、７に対応する位置とに、それぞれ、フランジを設け、Ｏリングやガスケット等の冷媒漏れを防止する手段を用いたネジ締結を採用しても良い。

また、他の例として、図５に示すように、蓋部５の第１、第２の貫通部６、７側にフレアユニオンを設け、高圧側冷媒配管２側にフレアナットを設けたフレア配管接続構造２１を採用しても良い。なお、図５は、内部熱交換器１の縦断面図であり、図４（ａ）に対応している。

（５）上記した各実施形態では、冷凍車における保冷庫用冷凍装置の冷凍サイクルに用いられる内部熱交換器を例として説明したが、内部熱交換器を用いる冷凍サイクルは、他の用途のものであってもよい。

（ａ）は、本発明の第１実施形態における内部熱交換器の縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の内部熱交換器のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）中の内部熱交換器１のＣ矢視図である。 蓋部５が組み付けられる前の状態の低圧側冷媒配管３の本体部４の斜視図である。 （ａ）は、本体部４に組み付ける前の状態であって、互いに固定された状態の蓋部５と高圧側冷媒配管２の縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の蓋部５と高圧側冷媒配管２のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）中の蓋部５と高圧側冷媒配管２のＣ矢視図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態における内部熱交換器の縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の内部熱交換器のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）中の内部熱交換器１のＣ矢視図である。 本発明の他の実施形態における内部熱交換器の縦断面図である。

符号の説明

１…内部熱交換器、２…高圧側冷媒配管、３…低圧側冷媒配管、
４…低圧側冷媒配管の本体部、５…低圧側冷媒配管の蓋部。

Claims (4)

1. 高温高圧の冷媒が流れる高圧側冷媒配管（２）を低温低圧の冷媒が流れる低圧側冷媒配管（３）内に配置し、高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒との間で熱交換させる２重管構造の内部熱交換器であって、
   前記低圧側冷媒配管は、第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）とによって、筒状に構成されており、
   前記高圧側冷媒配管（２）の外壁の外周方向における一部分が、前記第１の配管部材（４）と前記第２の配管部材（５）のどちらか一方の内壁に固定されていることを特徴とする内部熱交換器。
2. 前記第２の配管部材（５）は、前記高圧側冷媒配管が通る大きさの第１、第２の貫通穴部（６、７）を有しており、
   前記高圧側冷媒配管（２）は、冷媒の流れ方向での形状がコの字形状であり、
   前記高圧側冷媒配管（２）は、前記低圧側冷媒配管（３）の外部から前記第１の貫通穴を介して、前記低圧側冷媒配管の内部を通り、前記第２の貫通穴を介して、前記低圧側冷媒配管の外部に出ている状態で、前記第１の配管部材（４）と前記第２の配管部材（５）のどちらか一方に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の内部熱交換器。
3. 高温高圧の冷媒が流れる高圧側冷媒配管（２）を低温低圧の冷媒が流れる低圧側冷媒配管（３）内に配置し、高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒との間で熱交換させる２重管構造の内部熱交換器の製造方法であって、
   前記低圧側冷媒配管（３）を筒状に構成するための第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）を用意する工程と、
   前記高圧側冷媒配管（２）を用意する工程と、
   前記第１の配管部材（４）と前記第２の配管部材（５）のどちらか一方の内壁に、前記高圧側冷媒配管（２）の外壁の外周方向における一部を固定する工程と、
   前記第１の配管部材と前記第２の配管部材のどちらか一方に、前記高圧側冷媒配管が固定された状態で、前記第１の配管部材と前記第２の配管部材とを固定することで、内部に前記高圧側冷媒配管が配置された前記低圧側冷媒配管を形成する工程とを備えることを特徴とする内部熱交換器の製造方法。
4. 前記低圧側冷媒配管を筒状に構成するための第１の配管部材（４）と第２の配管部材（５）を用意する工程では、前記高圧側冷媒配管が通る大きさの第１、第２の貫通穴部（６、７）を有する前記第２の配管部材を用意し、
   前記高圧側冷媒配管を用意する工程では、冷媒の流れ方向での形状がコの字形状である高圧側冷媒配管（２）を用意し、
   前記第１の配管部材（４）と前記第２の配管部材（５）のどちらか一方に、前記高圧側冷媒配管を固定する工程では、前記高圧側冷媒配管が、前記低圧側冷媒配管の外部から前記第１の貫通穴を介して、前記低圧側冷媒配管の内部を通り、前記第２の貫通穴を介して、前記低圧側冷媒配管の外部に出ている状態となるように、前記第１の配管部材の前記第１、第２の貫通穴部（６、７）に、それぞれ、前記高圧側冷媒配管の一端と他端とを通した後、記第１の配管部材と前記第２の配管部材のどちらか一方に、前記高圧側冷媒配管を固定することを特徴とする請求項３に記載の内部熱交換器の製造方法。
   

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