JP2008164245A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性能が優れた熱交換器を提供する。さらに、熱交換器における騒音の発生を防止し、また、環境に優しく、生産性に優れた熱交換器を提供する。
【解決手段】外管２と、外管２内に配置される内管３とからなる伝熱管４を備える熱交換器１であって、内管３が、外管２内にらせん状に配置され、屈曲して配置され、または、一平面内において屈曲して配置され、そして、外管２の流路断面積を、内管３の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする。また、内管３のらせん径、屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管３の凹凸高さ、または、一平面内における屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管３の凹凸高さを、外管２の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、大径管と、小径管のそれぞれを流れる冷媒が互いに熱交換を行う熱交換器に係り、特に、外管内に内管を配置した二重管式の熱交換器に関する。

従来、冷蔵庫、製氷機、自動販売機、アイスクリームケース、ショーケース（寿司ねたケース）、ビールサーバー等においては、二酸化炭素やフロン等の冷媒を用いて熱交換を行わせるために熱交換器が使用されている。このような熱交換器としては、大径管である外管の内部に小径管である内管を配置した二重管を使用し、大径管および小径管を流れる冷媒と冷媒（例えば、水等）との間で熱交換を行わせるものや、冷媒が流れる大径管および小径管を並設し、大径管と小径管の外面同士を接触させることにより、冷媒と冷媒との間で熱交換を行わせるものがある。

前記した外管の内部に内管を配置した二重管としては、内管をひねる（ねじる）ことにより、この内管を外管内にスパイラル状に形成し、内管の伝熱面積を増加させ、また、このスパイラルの形状によって冷媒の流れを乱すことにより、伝熱性能の向上を図ったものが開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

大径管および小径管を並設した伝熱管としては、大径管であるサクションパイプと小径管であるキャピラリーチューブを互いに熱的に接触するように、はんだにより接合し、サクションパイプやキャピラリーチューブの内表面に溝を設けたものが開示されている（例えば、特許文献４参照）。この伝熱管では、内表面に溝を設けることにより内表面積が増加すると共に、内部を流れる冷媒が内表面に設けられた溝により攪拌されることにより、内表面における伝熱面積および熱伝達率が増加する。この作用により、サクションパイプ内を流れる冷媒とキャピラリーチューブ内を流れる冷媒との熱交換量を増加させ、冷凍効率を向上させている。

また、大径管および小径管を並設した伝熱管として、大径パイプの円周壁の一部を中空部内方向に凹入させ、大径パイプを円周壁の一部に欠円形凹部を有する形状とし、この欠円形凹部内に、小径パイプを一体状に嵌め込み、この小径パイプの外周面を欠円形凹部の内周面により密着包囲させたものが開示されている（例えば、特許文献５参照）。この伝熱管では、このような形状とすることで、大径パイプおよび小径パイプの接触範囲を広くし、熱交換率を向上させている。
特開昭５６−２７８９１号公報（第２頁左下欄３行目〜１３行目、図５） 特開２００６−１７０５７１号公報（段落００２４〜００２６、図１（ｂ）） 実開平０２−１４０１７０号公報（請求項１、図１） 特開２００５−２６５２６９号公報（段落００２７〜００３０、図１） 特開２００２−１８１４６５号公報（段落０００９、図３）

しかしながら、従来の伝熱管を用いた熱交換器には以下に示す問題点があった。
近年、熱交換器が使用される電気機器等においては、小型化、コンパクト化、コストダウン等が進められており、熱交換器においても、容積を小さくしつつ、伝熱性能を向上させることが望まれている。
ここで、熱交換器に使用される特許文献１〜５に記載の伝熱管においては、伝熱性能のレベルは向上しているが、小型化、コンパクト化、コストダウン等を図るため、熱交換器における伝熱性能のさらなる改善が望まれている。

また、特許文献１〜３に記載の技術では、冷媒の流れやコンプレッサー等の機器振動により、外管の内壁に内管がぶつかることで騒音が発生するという問題や、外管の内壁に内管がぶつかることで、外管および内管が摩耗し、損傷を起こしやすいという問題があった。

さらに特許文献４に記載の技術では、大径管と小径管を、はんだにより接合するが、はんだは、鉛やカドミウム公害の素因となるため、人体や環境へ悪影響を及ぼす恐れがあるという問題や、はんだを使用することによりリサイクル性に乏しくなるという問題があった。

そして、特許文献５に記載の技術では、大径管の凹部の形成や、大径管の凹部への小径管のはめ込み等により、製造工程に手間がかかるため、生産性が悪いという問題や、大径管の凹部の肉厚を確保するため、大径管の肉厚を厚くしなければならないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、伝熱性能が優れた熱交換器を提供することを目的とする。さらに、熱交換器における騒音の発生を防止し、また、環境に優しく、生産性に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、前記内管が、前記外管内にらせん状に配置され、前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする。

このような構成によれば、内管を外管内にらせん状に配置することで、内管の伝熱面積が増加すると共に、外管および内管内を流れる冷媒の流れが乱れ、伝熱性能が向上する。また、外管の流路断面積と内管の外径より求めた断面積との関係を規定することで、外管および内管の熱交換器における伝熱面積が適切となり、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、前記内管が、前記外管内に屈曲して配置され、前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする。

このような構成によれば、内管を外管内に屈曲して配置することで、内管の伝熱面積が増加すると共に、外管および内管内を流れる冷媒の流れが乱れ、伝熱性能が向上する。また、内管をらせん状に配置することに比べ、伝熱管の製造が容易となり、生産性が向上する。さらに、外管の流路断面積と内管の外径より求めた断面積との関係を規定することで、外管および内管の熱交換器における伝熱面積が適切となり、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、前記内管が、前記外管内に一平面内において屈曲して配置され、前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする。

このような構成によれば、内管を外管内に一平面内において屈曲して配置することで、内管の伝熱面積が増加すると共に、外管および内管内を流れる冷媒の流れが乱れ、伝熱性能が向上する。また、内管をらせん状に配置することに比べ、伝熱管の製造が容易となり、生産性が向上する。さらに、外管の流路断面積と内管の外径より求めた断面積との関係を規定することで、外管および内管の熱交換器における伝熱面積が適切となり、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記伝熱管において、前記内管のらせん径を、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする。
このような構成によれば、内管のらせん径と外管の内径との関係を規定することで、内管が外管の内壁に接近するか、あるいは接触して固定される。

本発明に係る熱交換器は、前記伝熱管において、前記屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの前記内管の凹凸高さを、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする。
このような構成によれば、屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管の凹凸高さと外管の内径との関係を規定することで、内管が外管の内壁に接近するか、あるいは接触して固定される。

本発明に係る熱交換器は、前記伝熱管において、前記一平面内における屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの前記内管の凹凸高さを、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする。
このような構成によれば、一平面内における屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管の凹凸高さと外管の内径との関係を規定することで、内管が外管の内壁に接近するか、あるいは接触して固定される。

本発明に係る熱交換器は、前記伝熱管の少なくとも一部に、曲げ部を形成したことを特徴とする。
このような構成によれば、曲げ部において、伝熱管が扁平し、外管の内壁に内管が接触して固定される。

本発明に係る熱交換器は、前記伝熱管において、前記内管の全長を、前記外管の全長で割った値が１．０５〜５．０であることを特徴とする。
このような構成によれば、外管の全長と内管の全長との関係を規定することで、内管の伝熱面積が増加し、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記外管および／または前記内管が内面溝付管であることを特徴とする。
このような構成によれば、外管および／または内管に設けられた溝により、管の内表面積が増加すると共に、管内を流れる冷媒が攪拌されて、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記外管および／または前記内管が、銅または銅合金であることを特徴とする。
このような構成によれば、外管および／または内管を銅または銅合金として構成することで、伝熱性能が向上すると共に、加工性、耐食性、耐久性等が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記外管内を流れる流体と、前記内管内を流れる流体が対交流であることを特徴とする。
このような構成によれば、外管内を流れる流体（冷媒）と、内管内を流れる流体（冷媒）を平交流とする場合に比べ、熱交換の効率が良くなり、伝熱性能が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記外管の管端の少なくとも一方に、バルジ加工部および／またはスウェージング加工部を形成したことを特徴とする。
このような構成によれば、外管の管端にバルジ加工部および／またはスウェージング加工部を形成することで、ろう付箇所が減少し、生産性、信頼性が向上する。

本発明に係る熱交換器は、前記外管の断面形状が、扁平形状であることを特徴とする。
このような構成によれば、扁平形状である外管の短軸方向において、内管が外管の内壁に接近するか、あるいは接触して固定される。

本発明に係る熱交換器は、前記外管内に配置される前記内管が２本以上であることを特徴とする。
このような構成によれば、外管内に内管を２本以上配置することで、伝熱面積が増加し、伝熱性能が向上する。

本発明によれば、熱交換器の伝熱性能を向上させることができる。また、熱交換器に用いられる外管の内壁に内管がぶつかることで起きる騒音の発生を防止することができると共に、伝熱管の損傷を防ぐことができる。さらに、管の接合のために、はんだやテープを使用しないため、人体や環境に悪影響を及ぼさない。そして、生産性の向上も図ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、熱交換器の構成を示す模式図、図２は、図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図、図３（ａ）は、図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（溝付管）の端面図、（ｂ）は、図３（ａ）における部分拡大図、図４（ａ）は、外管の流路断面積を示す伝熱管（平滑管）の端面図、（ｂ）は、内管の外径より求めた断面積を示す伝熱管（平滑管）の端面図、図５（ａ）は、内管をらせん状に配置した場合の外管内部を示す模式図、（ｂ）は、内管を屈曲して配置（波状に配置）した場合の外管内部を示す模式図、（ｃ）は、内管を一平面内において屈曲して配置（凹凸状に配置）した場合の外管内部を示す模式図である。

［第１実施形態］
まず、本発明に係る熱交換器の第１の実施形態について説明する。
図１に示すように、熱交換器１は、外管２と、この外管２内に配置される内管３とからなる伝熱管４を備えたものであり、内管３は、外管２内にらせん状に配置されている（図５（ａ）参照）。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外管２の流路断面積Ｓ１を、内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２で割った値（Ｓ１／Ｓ２）を１〜１０として構成したものである。
以下、各構成について説明する。

≪伝熱管≫
＜外管＞
図２に示すように、伝熱管４を構成する外管２は、流体として冷媒が流れる管であり、管の寸法としては、伝熱性能（熱伝達率）や圧力損失、耐久性（強度）等、伝熱管としての特性を確保する観点から、外径Ｄ１を４〜１６ｍｍ、肉厚を０．３〜１．０ｍｍとすることが好ましい。また、外管２としては、平滑管を用いることができるが、図３（ａ）に示すような、溝付管（内面溝付管）を用いてもよい。外管２を内面溝付管とすることにより、外管２の内表面積が増加すると共に、外管２に流れる冷媒が攪拌され、伝熱性能が向上する。
外管２を内面溝付管とする場合は、伝熱性能、圧力損失等の観点から、図３（ｂ）に示すように、溝形状として、リード角δが０〜４５°、フィン５の数が４０〜７０、フィン高さｈが０．０５〜０．３ｍｍであることが好ましい。

＜内管＞
図２に示すように、伝熱管４を構成する内管３は、流体として冷媒が流れる管であり、管の寸法としては、伝熱性能（熱伝達率）や圧力損失、耐久性（強度）等、伝熱管としての特性を確保する観点から、外径Ｄ２を１．０〜１２．７ｍｍ、肉厚を０．３〜１．０ｍｍとすることが好ましい。また、内管３としては、平滑管を用いることができるが、図３（ａ）に示すような、溝付管（内面溝付管）を用いてもよい。内管３を内面溝付管とすることにより、内管３の内表面積が増加すると共に、内管３に流れる冷媒が攪拌され、伝熱性能が向上する。
内管３を内面溝付管とする場合は、伝熱性能、圧力損失の観点から、図３（ｂ）に示すように、溝形状として、リード角δが０〜４５°、フィン５の数が４０〜７０、フィン高さが０．０５〜０．３ｍｍであることが好ましい。

（内管の配置の形状）
図５（ａ）に示すように、伝熱管４において、内管３は、外管２内にらせん状に配置する。内管３をらせん状に配置することで、内管３の伝熱面積が増加し、かつ、外管２および内管３内を流れる冷媒の流れを乱すことができるため、伝熱性能を向上させることができる。内管３のらせん形状としては、伝熱性能（熱伝達率）や圧力損失、製造上の問題等の観点から、らせんピッチＬ１を５〜３０ｍｍ、らせん径Ｄ５を２〜１４ｍｍとすることが好ましい。

＜伝熱管（外管および内管）の材質＞
伝熱管４を構成する外管２および内管３の材質としては、特に制限されるものではない。しかし、熱交換器１に用いられる伝熱管４には、伝熱性能、ろう付け性や曲げ等の加工性、耐食性、および耐久性等の特性が必要とされることから、銅または銅合金を材質として用いることが好ましい。銅としては、例えば、無酸素銅、りん脱酸銅等の純銅系を用いることができ、銅合金としては、例えば、Ｓｎ、Ｐ等を含有させた、Ｃｕ−０．６５質量％Ｓｎ−０．０３質量％Ｐ合金等を用いることができる。

≪外管の流路断面積（Ｓ１）を、内管の外径より求めた断面積（Ｓ２）で割った値（Ｓ１／Ｓ２）：１〜１０≫
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外管２の流路断面積Ｓ１とは、冷媒が外管２内を流れる部分の断面積のことであり、外管２の内径Ｄ３より求めた面積から内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２を除いた部分の断面積である。
また、内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２とは、冷媒が内管３内を流れる部分と内管３の肉厚部分を足した部分の断面積である。
なお、図４（ａ）、（ｂ）では、平滑管を例にして示しているが、外管２を内面溝付管とした場合（図３（ａ）参照）でも、外管２の流路断面積とは、冷媒が外管２内を流れる部分の断面積のことである。

外管２の流路断面積Ｓ１と内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２との関係を前記のように規定することで、外管２および内管３の熱交換における伝熱面積が適切となり、伝熱性能を向上させることができる。この値が１未満では、伝熱性能が低下し、１０を超えても伝熱性能が低下する。なお、冷媒の良好な流れを確保しつつ、伝熱性能をさらに向上させるため、好ましくは、４〜８、より好ましくは、６〜８とする。

≪その他≫
熱交換器は、前記構成の他、以下に説明する構成としてもよい。
図５（ａ）に示すように、らせん状に配置した内管３のらせん径Ｄ５と外管２の内径Ｄ３との関係において、内管３のらせん径Ｄ５を、外管２の内径Ｄ３で割った値（Ｄ５／Ｄ３）を０．８〜１．０とすることが好ましい。
なお、内管３のらせん径Ｄ５は、らせん状の内管３における外管２の内壁側（内管３の外側）を基準にしたものである。

らせん状の内管３のらせん径Ｄ５と外管２の内径Ｄ３との関係を前記のように規定することで、内管３が外管２の内壁に接近するか、あるいは接触して固定されるため、コンプレッサーの振動や冷媒の流れにより、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生を防止することができると共に、伝熱管４の損傷を防ぐことができる。この値が０．８未満では、外管２と内管３の間隔（外管２の内壁と内管３の外壁の間隔）が開きすぎるため、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生および伝熱管４の損傷を防止しにくい。なお、前記効果を向上させるため、好ましくは、０．９〜１．０とする。
また、外管２を内面溝付管とする場合には、外管２の内径とは、図３（ａ）に示すように、外管２の最小内径Ｄ４のことをいう。

また、図１に示すように、熱交換器１において、伝熱管４の少なくとも一部（一箇所）に曲げ部Ａを形成してもよい。
曲げ部Ａを形成することにより、この曲げ部Ａにおいて、伝熱管４が扁平し、外管２の内壁に内管３が接触して固定される。このような作用により、前記した騒音の発生および伝熱管４の損傷を防止する効果をさらに向上させることができる。曲げ部Ａにおいては、冷媒の良好な流れを確保するため、また熱交換器１のコンパクト化（小型化）を図るため、曲げ半径（曲率半径）を１２〜８０ｍｍとすることが好ましい。
曲げ半径が１２ｍｍ未満では、曲げ部Ａのしわ発生や扁平が大きくなり過ぎ、場合によっては座屈する等、加工に不具合が生じやすく、８０ｍｍを超えると、熱交換器１のコンパクト化（小型化）を図りにくい。

なお、曲げ部Ａは、伝熱管４の少なくとも一部に形成されていればよいが、内管３の固定をより強固にするため、また熱交換器１のコンパクト化（小型化）を図るため、図１に示すように、曲げ部Ａを複数箇所に形成することが好ましい。また、図示しないが、伝熱管４は、コイル状に形成してもよい。コイル状にすることで、伝熱管４がコイル部分で湾曲するため、内管３が外管２内で固定され、前記の効果を得ることができる。なお、コイル状にした場合、冷媒の良好な流れを確保するため、また熱交換器１のコンパクト化（小型化）を図るため、コイル外径は、５０〜４００ｍｍとすることが好ましい。

さらに、熱交換器１の伝熱管４における外管２と内管３との関係において、内管３の全長を、外管２の全長で割った値（内管３の全長／外管２の全長）が、１．０５〜５．０であることが好ましい。
外管２の全長と内管３の全長との関係を前記のように規定することで、内管３の伝熱面積が増加し、伝熱性能がさらに向上する。この値が１．０５未満では、伝熱性能向上の寄与率が少なく、５．０を超えると、外管２の流路断面積が縮小し、圧力損失が増加しやすい。

なお、伝熱性能、圧力損失等の観点から、熱交換器１における伝熱管４の長さ（熱交換部の長さ）は、２００〜４０００ｍｍであることが好ましい。伝熱管４の長さが２００ｍｍ未満では、十分な伝熱性能が得られにくく、４０００ｍｍを超えると、熱交換器１のコンパクト化（小型化）を図りにくい。
また、外管２の流路断面積Ｓ１（図４（ａ）参照）と内管３の流路断面積との関係において、外管２の流路断面積Ｓ１を、内管３の流路断面積Ｓ３（図示省略）で割った値（Ｓ１／Ｓ３）が、２．５〜７５であることが好ましい。Ｓ１／Ｓ３が２．５未満では、外管２の圧力損失が大きくなりやすく、また、内管３の内側の熱が十分に伝わらず、伝熱性能を十分に向上できない場合がある。一方、７５を超えると、内管３の圧力損失が大きくなりやすく、また、外管２の外側の熱が十分に伝わらず、伝熱性能を十分に向上できない場合がある。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る熱交換器の第２の実施形態について説明する。

図１に示すように、熱交換器１は、外管２と、この外管２内に配置される内管３とからなる伝熱管４を備えたものであり、内管３は、外管２内に屈曲して配置されている（図５（ｂ）参照）。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外管２の流路断面積Ｓ１を、内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２で割った値（Ｓ１／Ｓ２）を１〜１０として構成したものである。
以下、各構成について説明する。
なお、内管３が屈曲して配置されたことに関する事項以外については、前記第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

≪伝熱管≫
＜内管＞
（内管の配置の形状）
図５（ｂ）に示すように、伝熱管４において、内管３は、外管２内に屈曲させて配置する。内管３を屈曲させて配置することで、内管３の伝熱面積が増加し、かつ、外管２および内管３内を流れる冷媒の流れを乱すことができるため、伝熱性能を向上させることができる。また、らせん状に配置する場合に比べ、加工が容易であるため、生産性の向上を図る場合に適している。

ここで、「屈曲させて配置する」とは、内管３が屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返すことで曲線の凹凸となるように配置することをいい、例えば、図５（ｂ）に示すような波状の状態をいう。なお、ここでの波状とは、例えば、正弦波、三角波、またはこれらに類似する形状のことをいう。
内管３の屈曲形状（波形状）としては、伝熱性能（熱伝達率）や圧力損失、製造上の問題等の観点から、凹凸ピッチ（波ピッチ）Ｌ２を１０〜３０ｍｍ、凹凸高さ（波高さ）Ｈ１を２〜１４ｍｍとすることが好ましい。

≪その他≫
図５（ｂ）に示すように、屈曲させて配置した内管３の凹凸高さ（波高さ）Ｈ１と外管２の内径Ｄ３との関係において、屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管３の凹凸高さＨ１を、外管２の内径Ｄ３で割った値（Ｈ１／Ｄ３）を０．８〜１．０とすることが好ましい。
なお、内管３の凹凸高さＨ１とは、内管３の屈曲部分における外管２の内壁側（内管３の外側）と、これに対向する側の、内管３の屈曲部分における外管２の内壁側との距離である。

屈曲させて配置した内管３の凹凸高さＨ１と外管２の内径Ｄ３との関係を前記のように規定することで、内管３が外管２の内壁に接近するか、あるいは接触して固定されるため、コンプレッサーの振動や冷媒の流れにより、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生を防止することができると共に、伝熱管４の損傷を防ぐことができる。この値が０．８未満では、外管２と内管３の間隔が開きすぎるため、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生および伝熱管４の損傷を防止しにくい。なお、前記効果を向上させるため、好ましくは、０．９〜１．０とする。
また、外管２を内面溝付管とする場合には、外管２の内径とは、図３（ａ）に示すように、外管２の最小内径Ｄ４のことをいう。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る熱交換器の第３の実施形態について説明する。
図１に示すように、熱交換器１は、外管２と、この外管２内に配置される内管３とからなる伝熱管４を備えたものであり、内管３は、外管２内に一平面内において屈曲して配置されている（図５（ｃ）参照）。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、外管２の流路断面積Ｓ１を、内管３の外径Ｄ２より求めた断面積Ｓ２で割った値（Ｓ１／Ｓ２）を１〜１０として構成したものである。
以下、各構成について説明する。
なお、内管が一平面内において屈曲して配置されたことに関する事項以外については、前記第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

≪伝熱管≫
＜内管＞
（内管の配置の形状）
図５（ｃ）に示すように、伝熱管４において、内管３は、外管２内に一平面内において屈曲させて配置する。内管３を一平面内において屈曲させて配置することで、内管３の伝熱面積が増加し、かつ、外管２および内管３内を流れる冷媒の流れを乱すことができるため、伝熱性能を向上させることができる。また、らせん状に配置する場合に比べ、加工が容易であるため、より生産性の向上を図る場合に適している。

ここで、「一平面内において屈曲させて配置する」とは、内管３が屈曲を繰り返したときに、管軸方向（冷媒の流路方向）と平行な直線部分（直線部）を有する凹凸となるように配置することをいい、例えば、図５（ｃ）に示すような凹凸状の状態をいう。
内管３の屈曲形状（凹凸形状）としては、伝熱性能（熱伝達率）や圧力損失、製造上の問題等の観点から、直線部長さ（外側の長さ）Ｌ３を１０〜１００ｍｍ、凹凸の切り替わり部位（内管３の曲がり部分の内角）の角度θを３０〜９０°、凹凸高さＨ２を２〜１４ｍｍとすることが好ましい。

≪その他≫
図５（ｃ）に示すように、一平面内において屈曲させて配置した内管３の凹凸高さＨ２と外管２の内径Ｄ３との関係において、屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの内管３の凹凸高さＨ２を、外管２の内径Ｄ３で割った値（Ｈ２／Ｄ３）を０．８〜１．０とすることが好ましい。
なお、内管３の凹凸高さＨ２とは、内管３の管軸方向と平行な直線部における外管２の内壁側（内管３の外側）と、これに対向する側の、内管３の管軸方向と直線部における外管２の内壁側との距離である。

一平面内において屈曲させて配置した内管３の凹凸高さＨ２と外管２の内径Ｄ３との関係を前記のように規定することで、内管３が外管２の内壁に接近するか、あるいは接触して固定されるため、コンプレッサーの振動や冷媒の流れにより、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生を防止することができると共に、伝熱管４の損傷を防ぐことができる。この値が０．８未満では、外管２と内管３の間隔が開きすぎるため、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生および伝熱管４の損傷を防止しにくい。なお、前記効果を向上させるため、好ましくは、０．９〜１．０とする。
また、外管２を内面溝付管とする場合には、外管２の内径とは、図３（ａ）に示すように、外管２の最小内径Ｄ４のことをいう。

以上のように構成された熱交換器は、冷蔵庫、製氷機、自動販売機、アイスクリームケース、ショーケース（寿司ねたケース）、ビールサーバー等の熱交換器および給湯器の水熱交換器と内部熱交換器として用いることができる。以下、一例として、熱交換器を用いた冷蔵庫の冷凍サイクルについて、説明する。

図６は、熱交換器を備えた機器（冷蔵庫）の冷凍サイクルを示す模式図である。
図６に示すように、冷凍サイクル１０では、圧縮器１１で圧縮された冷媒が、高温高圧ガスとなって凝縮器１２に送られ、ここで放熱して液化される。凝縮器１２内の冷媒温度は、例えば外気温３０℃のとき４０℃程度の温度となる。液化された４０℃程度の冷媒は、熱交換器１３内の内管３（図２参照）を通って減圧されて蒸発器１４に送られ、ここで蒸発することに伴い周囲の熱を奪い、この結果周囲の空気を冷却する。蒸発した冷媒は熱交換器１３内の外管２（図２参照）を通って圧縮器１１に戻り、再び圧縮され、冷凍サイクル１０を達成する。そして、熱交換器１３内で外管２と内管３とが熱交換を行い、冷凍サイクル１０の効率を向上させている。

外管２内および内管３内を流れる流体（冷媒）としては、ＨＦＣ系冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ４０４ａ）、水、炭酸ガス、炭化水素（イソブタン、プロパン）等を用いることができるがこれらに限定されるものではない。
ここで、外管２内を流れる流体（冷媒）と、内管３内を流れる流体（冷媒）は、対交流であることが好ましい。
冷媒の流れを対交流とすることで、平交流とする場合に比べ、熱交換の効率が良くなり、伝熱性能がより向上する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、熱交換器を構成する伝熱管の外管および内管の形状等について、以下のような構成としてもよい。

図７（ａ）は、外管の管端の一形態を示す模式図、（ｂ）は、外管の断面形状を扁平形状とした場合の図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図、（ｃ）は、内管を２本配置した場合の図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図である。

図７（ａ）に示すように、伝熱管４において、外管２の管端の少なくとも一方に、バルジ加工を施すことにより形成するバルジ加工部Ｂや、スウェージング加工を施すことにより形成するスウェージング加工部Ｃを形成してもよい。
なお、バルジ加工とは、加工物（この場合は管）の内側に流体を流し込み、その圧力で加工物を外側から押さえた型に成形することであり、加工物にでっぱりを作り、その部位を切断して、分流の機構を作るような成形をすることである。
スウェージング加工とは、冷間および温間鍛造の一種に分類される加工であり、叩きながら引き伸ばす加工のことである。管に適用する場合、図７（ａ）に示すように、先端が細くなるような加工のことをいう。

外管２の管端にバルジ加工部Ｂやスウェージング加工部Ｃを形成することにより、管端にキャップやティーズ等を使用する必要がないため、ろう付箇所を減らすことができ、生産性の向上を図ることができる。また、ろう付箇所が多い場合、品質の信頼性が懸念されるが、ろう付箇所を減らすことで、その信頼性の向上も図ることができる。
なお、バルジ加工部Ｂ、スウェージング加工部Ｃは、これらを両方形成することが好ましいが、必要に応じて、どちらか一方でもよい。また、バルジ加工部Ｂ、スウェージング加工部Ｃは、外管２の管端のどちらか一方に形成してもよく、両方に形成してもよい。

また、図７（ｂ）に示すように、伝熱管４において、外管２の形状を変形させることで、外管２の断面形状を扁平形状としてもよい。
外管２の断面形状を、例えば楕円のような扁平形状とすることにより、楕円の短軸方向において、内管が外管の内壁に接近するか、あるいは接触して固定される。そのため、内管３が外管２の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生や伝熱管４の損傷の防止効果をさらに向上させることができる。
なお、前記したとおり、例えば、内管３をらせん状に配置した場合、内管３のらせん径Ｄ５を、外管２の内径Ｄ３（ここでは、Ｄ６）で割った値（Ｄ５／Ｄ３（Ｄ６））を０．８〜１．０とすることが好ましいが、外管２の断面形状を扁平形状とする場合、ここでの外管２の内径とは、短軸方向における外管２の内径Ｄ６とする。

さらに、図７（ｃ）に示すように、伝熱管４において、外管２内に内管３を２本配置してもよい。
外管２内に内管３を２本配置することにより、伝熱面積を増加させることができ、伝熱性能のさらなる向上を図ることができる。
なお、図示しないが、外管２内に配置する内管３は、適宜、必要に応じて２本以上の複数本としてもよい。

以下、本発明の要件を満たす実施例および本発明の要件を満たさない比較例について、具体的に説明する。
表１に示す構成を備える伝熱管を作製し、この伝熱管を直管の状態で用いて、熱交換器とし、単管性能試験を行うことで伝熱性能を評価した。
また、表１に示す構成を備える伝熱管に曲げ加工（曲げ半径（曲げＲ）４５ｍｍで３箇所のＬ曲げ（９０°曲げ））を施して熱交換器とし、騒音の発生を評価した。
なお、表１において、本発明の構成を満たさないもの等については、数値等に下線を引いて示す。

＜伝熱性能の評価＞
単管性能試験は、前記伝熱管を直管の状態で用いた熱交換器を用いて、外管および内管に、冷媒としてＨＦＣ系冷媒であるＲ１３４ａを、冷媒循環量を０．９ｋｇ／ｈに設定して流通させ、外管および内管それぞれの入り口と出口における冷媒の温度差を測定することにより行った。本実施例では、外管および内管それぞれの温度差より総括熱伝達率を算出した値の比を求めた。なお、表２の数値は、この値の比である。
外管と内管をはんだ付けにより並設した熱交換器である比較例１の伝熱性能を１００として規定し、これを基準に、１０５以上ものを伝熱性能が良好であるとした。

＜騒音の発生の評価＞
騒音の発生の評価は、前記曲げ加工を施した熱交換器を用いて、汎用の冷凍サイクル装置を構成し、この装置を運転することで、熱交換器における騒音の発生の有無を確認することで行った。
熱交換器の外管および内管に、冷媒としてＨＦＣ系冷媒であるＲ１３４ａを、冷媒循環量を０．９ｋｇ／ｈ、１．８ｋｇ／ｈの２通りに設定して流通させた。
騒音の発生は、熱交換器の近傍において、騒音を聞き取り、内管が外管に接触することにより発生する騒音を、前記２通りとも確認できない場合を騒音の発生が無いもの（無）とし、少なくともどちらか一方から騒音が確認できた場合を騒音が発生したもの（有）とした。
以上の結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜４の熱交換器は、熱交換器の構成が本発明の範囲内であるため、熱伝達率を向上させることが可能であり、伝熱性能が良好であった。
また、騒音の発生を確認できなかったため、内管が外管の内壁にぶつかることで起きる騒音の発生を防止できるものであると判断できた。

比較例１の熱交換器は、外管と内管をはんだ付けにより並設した熱交換器であり、実施例１〜４に比べ、伝熱性能が劣った。なお、外管と内管をはんだ付けにより並設しているため、騒音の発生はなかった。

比較例２の熱交換器は、外管の流路断面積を、内管の外径より求めた断面積で割った値が本発明の範囲を満たさないため、伝熱性能が不良であった。
また、内管のらせん径を、外管の内径で割った値（らせん径／外管の内径）が小さいため、１．８ｋｇ／ｈのときに騒音が発生した。

比較例３の熱交換器は、外管の流路断面積を、内管の外径より求めた断面積で割った値は本発明の範囲を満たす。しかし、内管の形状が直管のものであるため、外管と内管をはんだ付けにより並設した比較例１の熱交換器に比べると、伝熱性能は良好であったが、実施例１〜４の熱交換器に比べ、伝熱性能に劣った。なお、内管の形状が直管であるため、内管が外管の内壁にぶつかることがなく、騒音の発生はなかった。

なお、熱交換器に使用する伝熱管の内管としては、実施例１では、波状（前記第２実施形態に対応）、実施例２では、凹凸状（前記第３実施形態に対応）、実施例３、４、比較例２では、らせん状（前記第１実施形態に対応）のものを使用したが、熱交換器の製造においては、らせん状のものに比べ、波状、凹凸状の内管を用いるほうが、生産が容易であり、波状、凹凸状の内管は、らせん状に比べ、生産性に優れていることがわかった。
また、比較例１の熱交換器では、外管と内管をはんだ付けにより接合しているが、本発明に係る熱交換器である実施例１〜４は、はんだ（あるいはテープ）を使用しないため、人体や環境に悪影響を及ぼさないものであり、また、リサイクル性に優れたものであるといえる。

以上、本発明に係る熱交換器について最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。

熱交換器の構成を示す模式図である。 図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図である。 （ａ）は、図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（溝付管）の端面図、（ｂ）は、図３（ａ）における部分拡大図である。 （ａ）は、外管の流路断面積を示す伝熱管（平滑管）の端面図、（ｂ）は、内管の外径より求めた断面積を示す伝熱管（平滑管）の端面図である。 （ａ）は、内管をらせん状に配置した場合の外管内部を示す模式図、（ｂ）は、内管を屈曲して配置（波状に配置）した場合の外管内部を示す模式図、（ｃ）は、内管を一平面内において屈曲して配置（凹凸状に配置）した場合の外管内部を示す模式図である。 熱交換器を備えた機器（冷蔵庫）の冷凍サイクルを示す模式図である。 （ａ）は、外管の管端の一形態を示す模式図、（ｂ）は、外管の断面形状を扁平形状とした場合の図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図、（ｃ）は、内管を２本配置した場合の図１のＸ−Ｘ線における伝熱管（平滑管）の端面図である。

符号の説明

１ 熱交換器
２ 外管
３ 内管
４ 伝熱管
５ フィン
１０ 冷凍サイクル
１１ 圧縮器
１２ 凝縮器
１３ 熱交換器
１４ 蒸発器
Ａ 曲げ部
Ｂ バルジ加工部
Ｃ スウェージング加工部
Ｄ１ 外管の外径
Ｄ２ 内管の外径
Ｄ３ 外管の内径
Ｄ４ 外管（溝付管）の最小内径
Ｄ５ らせん径
Ｄ６ 外管（扁平形状）の内径
Ｈ１ 凹凸高さ（波高さ）
Ｈ２ 凹凸高さ
Ｓ１ 外管の流路断面積
Ｓ２ 内管の外径より求めた断面積

Claims (14)

1. 外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、
   前記内管が、前記外管内にらせん状に配置され、
   前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする熱交換器。
2. 外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、
   前記内管が、前記外管内に屈曲して配置され、
   前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする熱交換器。
3. 外管と、前記外管内に配置される内管とからなる伝熱管を備える熱交換器であって、
   前記内管が、前記外管内に一平面内において屈曲して配置され、
   前記外管の流路断面積を、前記内管の外径より求めた断面積で割った値が１〜１０であることを特徴とする熱交換器。
4. 前記伝熱管において、
   前記内管のらせん径を、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管において、
   前記屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの前記内管の凹凸高さを、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管において、
   前記一平面内における屈曲を所定の凹凸形状のピッチで繰り返したときの前記内管の凹凸高さを、前記外管の内径で割った値が０．８〜１．０であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管の少なくとも一部に、曲げ部を形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記伝熱管において、
   前記内管の全長を、前記外管の全長で割った値が１．０５〜５．０であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記外管および／または前記内管が内面溝付管であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 前記外管および／または前記内管が、銅または銅合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の熱交換器。
11. 前記外管内を流れる流体と、前記内管内を流れる流体が対交流であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
12. 前記外管の管端の少なくとも一方に、バルジ加工部および／またはスウェージング加工部を形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
13. 前記外管の断面形状が、扁平形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
14. 前記外管内に配置される前記内管が２本以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の熱交換器。

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