JP2009041798A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】振動による異音の発生を防止しうる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１は、外管２、外管２内に間隔をおいて設けられた内管３、および内管３の外周面に設けられたフィン４よりなる熱交換部10と、熱交換部10の内外両管2,3の両端部に固定されたコネクタ５とを備えている。熱交換部10の外管２と内管３との間の間隙が第１の流体通路７となり、内管３内が第２の流体通路８となっている。熱交換部10は直線部分を有しており、熱交換部10の直線部分において、外管２の少なくとも１箇所を全周にわたって縮管し、内管３を、外管２の縮管部2Aによりフィン４を介して固定する。熱交換部10が２００ｍｍ以上の直線部分を有しており、外管２の縮管部2Aを、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成する。
【選択図】図３

Description

この発明は熱交換器に関し、さらに詳しくは、たとえばコンプレッサ、ガスクーラ、エバポレータ、気液分離器およびガスクーラから出てきた冷媒とエバポレータから出て気液分離器を通過してきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器とを備えており、かつＣＯ２のような超臨界冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルにおいて、中間熱交換器として好適に用いられる熱交換器に関する。
この明細書において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
また、この明細書において、「超臨界冷凍サイクル」とは、高圧側において、冷媒が臨界圧力を超えた超臨界状態となる冷凍サイクルを意味するものとし、「超臨界冷媒」とは、超臨界冷凍サイクルに用いられる冷媒を意味するものとする。さらに、
従来、自動車に搭載されるカーエアコンとして、コンプレッサ、コンデンサ、エバポレータ、気液分離器および減圧器からなり、かつフロン系冷媒を使用する冷凍サイクルからなるものが広く使用されている。
ところが、近年においては、環境保護を目的として、ＣＯ２のような超臨界冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルをカーエアコンとして自動車に搭載することが考えられている。
超臨界冷凍サイクルは、コンプレッサ、ガスクーラ、エバポレータ、気液分離器としてのアキュムレータ、減圧器としての膨張弁、およびガスクーラから出てきた高温高圧の冷媒とエバポレータから出てアキュムレータを通過してきた低温低圧の冷媒とを熱交換させる中間熱交換器とを備えたものである。
上述した超臨界冷凍サイクルの中間熱交換器に用いられる熱交換器として、本出願人も、既に、真っ直ぐな外管、外管内に間隔をおいて同心状に配置された真っ直ぐな内管、および内管の外周面に周方向に間隔をおき、かつ内管の長さ方向に伸びるように一体に形成されたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっており、各コネクタに、熱交換部の第１流体通路を外部に通じさせる第１流路、および第１流路に対して独立しかつ熱交換部の第２流体通路を外部に通じさせる第２流路が形成され、すべてのフィンの先端部と外管の内周面との間に若干の流体混合用隙間が存在しているものを提案している（特許文献１参照）。
特許文献１記載の中間熱交換器において、フィンの先端部と外管の内周面との間に若干の流体混合用隙間が存在しているので、場合によってはフィンと外管との間でがたつきが発生し、振動による異音が発生するおそれがある。
そこで、このような問題を解決するために、本出願人は、先に、外管、外管内に間隔をおいて設けられた内管、および外管と内管との間に設けられたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっており、熱交換部が、少なくとも１箇所において曲げられ、熱交換部の曲げ部分の横断面において、一部のフィンの先端部が、外管の曲げ内側部分および曲げ外側部分の内周面に当接しており、外管の曲げ内側部分および曲げ外側部分により、内管がフィンを介して挟着固定されている中間熱交換器も提案した（特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献２記載の熱交換器においては、熱交換部の曲げ部分においてのみ内管がフィンを介して外管により固定されているので、特許文献１記載の中間熱交換器のように、熱交換部全体が直線状である場合には、振動によるがたつきの発生、およびがたつきの発生に起因する異音の発生を防止することができない。
また、特許文献２記載の熱交換器のように、熱交換部に曲げ部分が存在していたとしても、熱交換部に直線部分が存在する場合には、やはり直線部分において、振動によるがたつきが発生し、がたつきに起因して異音が発生することがある。
特開２００６−３０７１号公報 特開２００７−３２９４９号公報
この発明の目的は、上記問題を解決し、振動による異音の発生を防止しうる熱交換器を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
1)外管、外管内に間隔をおいて設けられた内管、および外管と内管との間に設けられたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっている熱交換器であって、
熱交換部が直線部分を有しており、熱交換部の直線部分において、外管の少なくとも１箇所が全周にわたって縮管されており、内管が、外管の縮管部によりフィンを介して固定されている熱交換器。
2)熱交換部が２００ｍｍ以上の直線部分を有しており、外管の縮管部が、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成されている上記1)記載の熱交換器。
上記2)の熱交換器において、外管の縮管部が、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成されているということは、２００ｍｍ未満の場合、たとえば１００ｍｍ毎に１つ形成されることもある。
3)フィンが、内管の外周面に周方向に間隔をおき、かつ内管の長さ方向に伸びるように一体に形成されている上記1)または2)記載の熱交換器。
4)熱交換部が少なくとも１つの曲げ部分を有している上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の熱交換器。
5)熱交換部が複数の曲げ部分を有しており、内外両管の軸線を含む１つの平面内において曲げられた曲げ部分と、内外両管の軸線を含みかつ上記平面と交わる他の１つの平面内において曲げられた曲げ部分とが混在し、熱交換部の曲げ部分を除いた直線部分において、外管に縮管部が形成されている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の熱交換器。
6)縮管部が、ロールを用いた内側ビーディング加工法により形成されている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の熱交換器。
上記1)の熱交換器によれば、熱交換部が直線部分を有しており、熱交換部の直線部分において、外管の少なくとも１箇所が全周にわたって縮管されており、内管が、外管の縮管部によりフィンを介して固定されているので、振動によるがたつきの発生、およびがたつきの発生に起因する異音の発生を防止することができる。
上記2)の熱交換器によれば、振動によるがたつきの発生、およびがたつきの発生に起因する異音の発生を、効果的に防止することができる。しかも、縮管部の数を必要最小限にすることができ、生産性が向上する。
上記3) の熱交換器によれば、第１および第２流体通路内を流れる流体間の伝熱面積が増大し、熱交換効率が向上する。また、フィンが内管に一体に形成されているので、部品点数が少なくなる。
上記4)の熱交換器によれば、熱交換部が少なくとも１つの曲げ部分を有しているので、熱交換部の第１および第２流体通路内を流れる流体間の総伝熱面積を、所望の熱交換性能を得るために必要な大きさにしたとしても、両コネクタ間の直線的な間隔は、特許文献１記載の中間熱交換器よりも短くなる。したがって、この熱交換器の設置スペースの直線的な長さを特許文献１記載の熱交換器の場合に比べて小さくすることができる。しかも、たとえば自動車に搭載する場合には、自動車の空きスペースに合わせて任意の形状に曲げることが可能になり、自動車のエンジンルーム内のスペースを有効利用することができる。
上記5)の熱交換器を、たとえば自動車に搭載する場合には、自動車の空きスペースに合わせて任意の形状に曲げることが可能になり、自動車のエンジンルーム内のスペースを有効利用することができて、実現性が高くなる。
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明において、図４の上下、左右をそれぞれ上下、左右というものとする。
また、全図面を通じて同一部分および同一物には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図１はこの発明による熱交換器の第１の実施形態の全体構成を示し、図２〜図４はその要部の構成を示す。また、図５は図１の熱交換器を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す。
図１〜図４において、熱交換器(1)は、横断面円形の外管(2)、外管(2)内に間隔をおいて同心状に挿入された横断面円形の内管(3)および内管(3)の外周面に設けられたフィン(4)よりなる直線状の熱交換部(10)と、熱交換部(10)の両管(2)(3)の両端部に固定されたコネクタ(5)とを備えている。
外管(2)は、金属、ここではアルミニウム押出形材からなる。内管(3)は、金属、ここではアルミニウム押出形材からなり、その外周面に、複数のフィン(4)が、周方向に間隔をおき、かつ内管(3)の長さ方向に伸びるように一体に形成されている。熱交換部(10)の大部分において、フィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間には若干の隙間が存在している（図２参照）。そして、外管(2)と内管(3)との間の間隙が第１の流体通路(7)となっているとともに内管(3)内が第２の流体通路(8)となっている。内管(3)の内周面には、全長にわたる複数のインナーフィン(6)が周方向に間隔をおいて一体に形成されている（図２および図３参照）。また、内管(3)の両端部は外管(2)よりも外方に突出しており、この外方突出部(3a)の全体にわたってフィン(4)が切除され、フィン無し部(9)が設けられている。
外管(2)は、長さ方向に間隔をおいた複数箇所において全周にわたって縮管されて縮管部(2A)が形成されおり、縮管部(2A)がフィン(4)に密着させられることにより、内管(3)が、外管(2)の縮管部(2A)によりフィン(4)を介して固定されている（図３参照）。熱交換部(10)は２００ｍｍ以上の長さを有しており、外管(2)の縮管部(2A)は、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成されている。
熱交換部(10)は、真っ直ぐな外管(2)内に真っ直ぐな内管(3)を挿入した後、長さ方向に間隔をおいた複数箇所において、外管(2)に、内側ビードロール成形法と称されるロールを用いた内側ビーディング加工を施すことにより縮管部(2A)を形成することによりつくられる。この内側ビーディング加工は、両管(2)(3)にコネクタ(5)を固定する前後いずれかに施される。
図４に示すように、コネクタ(5)は金属、ここではアルミニウム製のブロックからなり、横向き円柱状部(5a)と、円柱状部(5a)の上端に連なった直方体状部(5b)とよりなる。以下、左側のコネクタ(5)について説明する。コネクタ(5)における円柱状部(5a)の右端面には、環状壁(11)が右方突出状に一体に形成されることにより、外管(2)の端部を嵌め入れる外管嵌入用凹所(12)が形成されている。そして、外管(2)の端部がコネクタ(5)の外管嵌入用凹所(12)内に嵌め入れられ、外管(2)外周面と、環状壁(11)の先端部、すなわち凹所(12)の開口周縁部とが接合されている。この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。
コネクタ(5)には一端が円柱状部(5a)の右端面における環状壁(11)に囲まれた部分に開口するとともに他端が直方体状部(5b)の上面に開口し、かつ第１流体通路(7)に連通した流路(13)が形成されている。また、コネクタ(5)の流路(13)における円柱状部(5a)に存在する横向き部分の左端面と円柱状部(5a)の左端面（外面）との間に左右方向に伸びる貫通穴(14)が形成されている。そして、内管(3)のフィン無し部(9)の左側部分が貫通穴(14)内に挿入されている。フィン無し部(9)の左端部は貫通穴(14)における円柱状部(5a)の左端面側の開口より外方に突出しており、内管(3)のフィン無し部(9)の外周面が、円柱状部(5a)における貫通穴(14)の左端開口の周縁部に接合されている。この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。
コネクタ(5)の円柱状部(5a)の左端面における貫通穴(14)の周囲の部分には環状壁(15)が左方突出状に一体に形成されている。内管(3)のフィン無し部(9)の左端部は環状壁(15)よりも左方に突出しており、フィン無し部(9)における環状壁(15)よりも突出した部分および環状壁(15)に被さるようにユニオンねじ(16)が配置されている。環状壁(15)はユニオンねじ(16)に形成された貫通穴(17)の右端大径部(17a)内に嵌め入れられ、フィン無し部(9)の左端部は貫通穴(17)における右端大径部(17a)に連なった小径部(17b)内に嵌め入れられている。ユニオンねじ(16)の右端部は、円柱状部(5a)の左端面における環状壁(15)の周囲の部分に形成された環状凹所(18)内に嵌っており、ユニオンねじ(16)の外周面の右端部と、円柱状部(5a)における凹所(18)の内周面とが接合されている。この接合は、ろう付、ここではトーチろう付により行われている。一方のコネクタ(5)のユニオンねじ(16)は第２流体通路(8)内に流体を供給するための配管用パイプを接続するのに利用され、他方のコネクタ(5)のユニオンねじ(16)は第２流体通路(8)内から流体を排出するための配管用パイプを接続するのに利用される。
コネクタ(5)には、直方体状部(5b)の上面から下方に伸びるめねじ穴(19)が形成されている。一方のコネクタ(5)のめねじ穴(19)は第１流体通路(7)内に流体を供給するための配管用パイプを接続するのに利用され、他方のコネクタ(5)のめねじ穴(19)は第１流体通路(7)内から流体を排出するための配管用パイプを接続するのに利用される。
右側のコネクタ(5)は左側のコネクタ(5)と左右逆向きの構成であり、左側コネクタ(5)の場合と同様にして外管(2)および内管(3)に固定されている。
図５は、上述した熱交換器(1)を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す。
図５において、超臨界冷凍サイクルは超臨界冷媒としてＣＯ２を用いるものであり、コンプレッサ(21)、ガスクーラ(22)、エバポレータ(23)、気液分離器としてのアキュムレータ(24)、減圧器としての膨張弁(25)、およびガスクーラ(22)から出てきた冷媒とエバポレータ(23)から出てきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器(1)を備えている。超臨界冷凍サイクルは、カーエアコンとして車両、たとえば自動車に搭載される。
中間熱交換器(1)の第１流体通路(7)内をエバポレータ(23)から出てアキュムレータ(24)を通過してきた低圧の冷媒が流れ、同じく第２流体通路(8)内をガスクーラ(22)から出てきた高圧の冷媒が流れるようになっている。
上記において、超臨界冷媒としては、二酸化炭素が使用されているが、これに限定されるものではなく、エチレン、エタン、酸化窒素なども使用可能である。
図６は、この発明による熱交換器の第２の実施形態を示す。
図６に示す実施形態の熱交換器(30)の場合、熱交換部(10)、すなわち両管(2)(3)が、少なくとも１箇所、ここでは３箇所で曲げられている。各曲げ部分(10A)においては、熱交換部(10)は、両管(2)(3)の軸線を含む１つの平面(P1)(P2)(P3)内で曲げられているが、これらの平面(P1)(P2)(P3)は相互に交わるようになっている。
そして、熱交換部(10)における両端の曲げ部分(10A)よりもコネクタ(5)側の直線部分(10B)、および隣り合う２つの曲げ部分(10A)間の直線部分のうちの長い方の直線部分(10C)において、第１の実施形態の熱交換器(1)と同様に、外管(2)が、全周にわたって縮管されて縮管部(2A)が形成されおり、縮管部(2A)がフィン(4)に密着させられることにより、内管(3)が、外管(2)の縮管部(2A)によりフィン(4)を介して固定されている。この第２の実施形態の場合にも、外管(2)の縮管部(2A)は、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成されている。なお、直線部分(10B)(10C)は、２００ｍｍ以上の長さの場合と、２００ｍｍ未満の長さの場合とがある。
図示は省略したが、各曲げ部分(10A)においては、上記平面(P1)(P2)(P3)上において、外管(2)が、曲げ中心と外管(2)の軸線とを結ぶ方向に若干潰れている。そして、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面、すなわち上記平面(P1)(P2)(P3)と直交する断面において、内管(3)の一部のフィン(4)の先端部は、外管(2)の曲げ内側部分および曲げ外側部分の内周面に当接しており、外管(2)の曲げ内側部分および曲げ外側部分により、フィン(4)を介して内管(3)が挟着固定されている。したがって、これによってもがたつきの発生およびがたつきに起因する異音の発生が防止される。また、熱交換部(10)の曲げ部分(10A)の横断面において、一部のフィン(4)の先端部が外管(2)の曲げ内側部分および曲げ外側部分に当接している部分の周方向の両側においては、それぞれフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間の隙間が、直線状部分(10B)(10C)におけるフィン(4)の先端部と外管(2)内周面との間よりも大きくなっており、ここに流体混合部が形成されている。ここでは、上記平面(P1)(P2)(P3)が相互に交わるようになっているので、各曲げ部分(10A)の流体混合部の位置は、両管(2)(3)の周方向に異なっている。
その他の構成は第１の実施形態の熱交換器(1)と同じである。
上記２つの実施形態においては、この発明による熱交換器が超臨界冷凍サイクルの中間熱交換器として用いられる場合について説明したが、この発明による熱交換器は、フロン系冷媒を用いる冷凍サイクルの中間熱交換器にも使用可能である。すなわち、圧縮機と、凝縮部および過冷却部を有するコンデンサと、エバポレータと、減圧器としての膨張弁と、気液分離器と、コンデンサとエバポレータとの間に配置され、かつコンデンサの過冷却部から出てきた高圧の冷媒とエバポレータから出てきた低圧の冷媒とを熱交換させる中間熱交換器を備えた冷凍サイクルの中間熱交換器として用いられる。この場合、第１流体通路(7)内をエバポレータ(23)から出てきた低温低圧の冷媒が流れ、第２流体通路(8)内をコンデンサから出て膨張弁に至る前のた高温高圧の冷媒が流れる。
この発明による熱交換器の第１の実施形態を示す全体斜視図である。 図１Ａ−Ａ線拡大断面図である。 図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 図１のＣ−Ｃ線拡大断面図である。 第１の実施形態の熱交換器を中間熱交換器として用いた超臨界冷凍サイクルを示す図である。 この発明による熱交換器の第２の実施形態を示す全体斜視図である。
符号の説明
(1)(30)：熱交換器
(2)：外管
(2A)：縮管部
(3)：内管
(4)：フィン
(5)：コネクタ
(7)：第１流体通路
(8)：第２流体通路
(10)：熱交換部
(10A)：曲げ部
(10B)(10C)：直線部分
(P1)(P2)(P3)：平面

Claims (6)

  1. 外管、外管内に間隔をおいて設けられた内管、および外管と内管との間に設けられたフィンよりなる熱交換部と、熱交換部の内外両管の両端部に固定されたコネクタとを備えており、熱交換部の外管と内管との間の間隙が第１の流体通路となっているとともに内管内が第２の流体通路となっている熱交換器であって、
    熱交換部が直線部分を有しており、熱交換部の直線部分において、外管の少なくとも１箇所が全周にわたって縮管されており、内管が、外管の縮管部によりフィンを介して固定されている熱交換器。
  2. 熱交換部が２００ｍｍ以上の直線部分を有しており、外管の縮管部が、最大で２００ｍｍ毎に１つ形成されている請求項１記載の熱交換器。
  3. フィンが、内管の外周面に周方向に間隔をおき、かつ内管の長さ方向に伸びるように一体に形成されている請求項１または２記載の熱交換器。
  4. 熱交換部が少なくとも１つの曲げ部分を有している請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱交換器。
  5. 熱交換部が複数の曲げ部分を有しており、内外両管の軸線を含む１つの平面内において曲げられた曲げ部分と、内外両管の軸線を含みかつ上記平面と交わる他の１つの平面内において曲げられた曲げ部分とが混在し、熱交換部の曲げ部分を除いた直線部分において、外管に縮管部が形成されている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の熱交換器。
  6. 縮管部が、ロールを用いた内側ビーディング加工法により形成されている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の熱交換器。
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