JP2009210224A - 過冷却器用伝熱管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過冷却器用伝熱管を小型・軽量化できると共に、高温側冷媒の流れる流路の圧力損失を小さくできる過冷却器用伝熱管及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧縮機から吐出され凝縮器によって凝縮された冷媒が、主回路を流れる主流冷媒６と主回路から分岐されたバイパス回路を流れるバイパス流冷媒５とに別れ、主流冷媒６と、バイパス回路のバイパス膨張機構を通過して減圧された後のバイパス流冷媒５とを熱交換する、内管２と外管３とからなる二重管式の過冷却器用伝熱管１において、内管２に対して外管３が蛇行または旋回し、少なくとも１ヶ所以上で外管３と内管２とが接触しており、内管２内に高温の主流冷媒６を流し、外管３内に低温のバイパス流冷媒５を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、過冷却器用伝熱管及びその製造方法に関し、更に詳しくは、内管と外管とからなる二重管構造を改善した過冷却器用伝熱管及びその製造方法に関するものである。

図５に、従来の空気調和機の冷媒回路１００を示す。この冷媒回路１００は、圧縮機１０２、凝縮器１０３、二重管式の過冷却器１０４、主膨張機構１０５、蒸発器１０６、四路切換弁１０７およびアキュムレータ（気液分離器）１０８をこの順に有する主回路１０１と、凝縮器１０３と過冷却器１０４との間で主回路１０１から分岐して、バイパス膨張機構１０９と過冷却器１０４を通り、アキュムレータ１０８の入口近傍で主回路１０１と合流するバイパス回路１１０（破線で示す）と、を有する。

圧縮機１０２から吐出された冷媒は、凝縮器（例えば室外空気に放熱する）１０３によって凝縮された後、主回路１０１を流れる主流冷媒とバイパス回路１１０を流れるバイパス流冷媒とに別れる。この主流冷媒は、過冷却器１０４において、バイパス膨張機構（膨張弁など）１０９を通過して減圧された後のバイパス流冷媒との熱交換によって過冷却される。一方、バイパス流冷媒は、過冷却器１０４において主流冷媒との熱交換によって蒸発される。

従来の二重管式の過冷却器１０４は、図６に示すような、内管（伝熱管）１１１と、この内管１１１の外側に同心円状に設けられた外管１１２とからなる二重管構造であり、内管１１１と外管１１２には平滑管が用いられている（例えば、特許文献１参照）。冷媒を流す向きは、内管１１１内を流れるバイパス流冷媒１１５（破線の矢印で示す）と、内管１１１と外管１１２との間の環状の隙間（環状部）１１３を流れる主流冷媒１１６（実線の矢印で示す）とが、伝熱性を持つ内管１１１の管壁を挟んで互いに反対向きに流れるように設定されている（対向流型熱交換器）。
特開平１０−５４６１６号公報

ところで、低温側のバイパス冷媒１１５は、二相流(気液混合流)となっており、内管１１１内を流れる際には、管壁に沿って液流が生じ、管内中心に気流が生じている。低温側のバイパス冷媒１１５は、高温側の主流冷媒１１６から受熱し、液冷媒が気体へと蒸発し潜熱を蓄える。よって、従来の二重管式の過冷却器１０４においては、低温側のバイパス冷媒１１５は、内管１１１を通過させる必要がある。このとき、高温側の主流冷媒１１６は外管１１２内を流れるが、高温側の主流冷媒１１６はその特性から高圧であり、耐圧上、外管１１２の肉厚を大きく取らなければならない。
また、高温側の主流冷媒１１６は、過冷却器１０４を通過した後、室内側の熱交換器へと送られるので、過冷却器１０４における高温側冷媒が通過する外管１１２は低圧力損失であることが求められる。しかし、上述した通り、高温側の主流冷媒１１６は外管１１２内の隙間（環状部）１１３を流れるので、外管１１２の内壁および内管１１１の外壁の両方の抵抗を受けながら流れるため、圧力損失が大きくなってしまう。
更に、平滑直管である内管１１１と外管１１２とが同心円状に配置された二重管構造であり、内管１１１の伝熱面を通じての伝熱・熱交換が不十分であった。

本発明の目的は、内管の伝熱面積の増大と外管内冷媒の攪拌を実現でき、熱交換効率を簡易に向上できる過冷却器用伝熱管及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、過冷却器用伝熱管を小型・軽量化できると共に、高温側冷媒の流れる流路の圧力損失を小さくできる過冷却器用伝熱管及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。

本発明の第１の態様は、圧縮機から吐出され凝縮器によって凝縮された冷媒が、主回路を流れる主流冷媒と主回路から分岐されたバイパス回路を流れるバイパス流冷媒とに別れ、前記主流冷媒と前記バイパス回路のバイパス膨張機構を通過して減圧された後の前記バイパス流冷媒とを熱交換する、内管と外管とを有する二重管式の過冷却器用伝熱管において、前記内管に対して前記外管が蛇行または旋回しており、少なくとも１ヶ所以上で外管と内管とが接触していることを特徴とする過冷却器用伝熱管である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の過冷却器用伝熱管において、前記内管内に高温の前記主流冷媒が流され、前記外管内に低温の前記バイパス流冷媒が流されることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１の態様に記載の過冷却器用伝熱管を製造する製造方法において、直管状の外管内に直管状の内管が挿入された状態で、前記直管状の外管に対してプレス加工を行って成形することを特徴とする過冷却器用伝熱管の製造方法である。

本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の過冷却器用伝熱管を製造する製造方法において、直管状の外管内に直管状の内管が挿入された状態で、前記直管状の外管に対してロール加工を行って成形することを特徴とする過冷却器用伝熱管の製造方法である。

本発明によれば、内管に対して外管が蛇行または旋回し、少なくとも１ヶ所以上で外管と内管とが接触しているので、内管の伝熱面積の増大と外管内冷媒の攪拌を実現でき、熱交換効率を簡易に向上できる。
また、本発明によれば、上記構造の内管と外管とからなる過冷却器用伝熱管の内管内に高温の主流冷媒を流し、外管内に低温のバイパス流冷媒を流すことにより、過冷却器用伝熱管の小型・軽量化が図れ、しかも高温側の主流冷媒の流れる流路の圧力損失を低減できる。

以下に、本発明に係る過冷却器用伝熱管及びその製造方法の実施形態を説明する。

本発明の第１の実施形態の過冷却器用伝熱管は、圧縮機から吐出され凝縮器によって凝縮された冷媒が、主回路を流れる主流冷媒と主回路から分岐されたバイパス回路を流れるバイパス流冷媒とに別れ、前記主流冷媒と、前記バイパス回路のバイパス膨張機構を通過して減圧された後の前記バイパス流冷媒とを熱交換する、内管と外管とからなる二重管式の過冷却器用伝熱管において、前記内管に対して前記外管が蛇行または旋回し、少なくとも１ヶ所以上で外管と内管とが接触しており、前記内管内に高温の前記主流冷媒が流され、前記外管内に低温の前記バイパス流冷媒が流される過冷却器用伝熱管である。
この過冷却器用伝熱管は、図５に示すような空気調和機等の冷媒回路に用いられる。内管および外管の材質としては、銅材料やアルミニウム材料など、伝熱性、加工性、耐圧性などに優れたものであれば、どのような材質のものでも良い。

本実施形態の特徴は、内管に対して外管を蛇行または旋回させたことにより、外管内に
低温(低圧)側のバイパス冷媒を流し、内管内に高温(高圧)側の主流冷媒を流すことが出来ることである。
外管が内管に対して蛇行または旋回することにより、低温(低圧)側のバイパス冷媒を外管内（外管と内管との間の隙間・空間）に流した場合、低温側冷媒の二相流は撹拌され、高温側冷媒の流れる内管外壁に液流が直接接触し、熱交換が促進される。また、外管が蛇行または旋回しつつ内管に接触する部分を有するので、撹拌されずに外管内壁に残った液流を直接内管に接触させることができる。更に、内管に対して蛇行または旋回しつつ接触する外管が、内管外壁に対するフィンとして機能して内管外壁の伝熱面が増加するので、熱伝達率の向上が図れ、過冷却器用伝熱管の小型化を推進することができる。
また、高温(高圧)側の主流冷媒が内管内を流れることで、内管の直径が小さくなり耐圧が上がることから、内管の肉厚を薄くすることができ、過冷却器用伝熱管を小型・軽量化することができる。更に、高温側の主流冷媒は内管の内壁にしか接触しないため、圧力損失を小さくすることもできる。

図１に、第２の実施形態に係る過冷却器用伝熱管１の縦断面図を示す。
図１に示ように、直管状の内管２に対して、外管３がほぼ円形断面を保持したままの状態で外管３の管軸が波形状ないしＳ字状に所定のピッチＰで蛇行しており、ピッチＰに対応した複数の接触点（接触箇所・接触部位）８にて、外管３と内管２は接触している。すなわち、図２(ａ)、(ｂ)、(ｃ)にそれぞれ図１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面を示すように、外管３の管軸Ｏは、内管２の管軸に垂直な一方向（図中、左右方向）に、内管２の管軸を中心として左右に蛇行している。このため、外管３と内管２との接触点８は、内管２の片側だけではなく、左右両側に交互にある。

このとき、外管３内、即ち外管３と内管２との間の隙間４に、二相流である低温（低圧）側冷媒（バイパス流冷媒）５を流す場合に、蛇行した外管構造をとることで、二相流は撹拌され、撹拌された二相流中の液流が直接内管２に接触することとなり、効率良く熱交換することが出来る。また、接触点８では、外管３の内壁に残った液流を直接内管２に接触させることができ、さらなる熱交換効率の向上が見込める。また、内管２内に高温（高圧）冷媒（主流冷媒）６を流すことができるので、この過冷却器は高温（高圧）側冷媒６に対し、低圧力損失にすることができ、空気調和器等の冷凍サイクルの効率向上を図ることができる。さらに内管２内に高温（高圧）冷媒６を流すことで、耐圧が向上し、外管３内に高温（高圧）冷媒６を流す場合にくらべ、肉厚を薄くすることができ、過冷却器（用伝熱管）を小型・軽量化することができる。

図３に、第３の実施形態に係る過冷却器用伝熱管の横断面図を示す。図３(ａ)、(ｂ)、(ｃ)は、図２(ａ)、(ｂ)、(ｃ)と同様に、過冷却器用伝熱管の軸方向に適宜間隔で並ぶ各点の横断面図をそれぞれ示すものである。
図１に示す上記の第２の実施形態と同様に、外管７は、その管軸Ｏが内管２に対して蛇行しているが、図示のように、蛇行方向は左右方向だけではなく、上下方向にも外管７は蛇行しており、外管７と内管２との接触点８は左右方向だけではなく、上下方向にも移動している。これによって、外管７内を流れる二相流である低温側冷媒（バイパス流冷媒）５の撹拌はさらに促進され、伝熱効率はさらに向上する。
なお、左右方向と上下方向の蛇行ピッチを同一とし、左右方向の蛇行ピッチと上下方向の蛇行ピッチとを例えば半ピッチずらして、外管の管軸が内管の管軸に沿って旋回するような外管構造としてもよい。

上記の実施形態において、蛇行のピッチＰは任意に設定することができ、冷媒流量、速度、温度等により、最適に設定することが可能である。同様に、接触点８の数、接触面積についても冷媒流量、速度、温度等により、最適に設定することができる。
また、上記の実施形態において、蛇行する外管３，７と内管２とは、例えば蛇行半ピッ
チごとの全箇所で接触する必要はなく、少なくとも１ヶ所以上で接触していれば、一部において外管３，７と内管２とが接触せずに近接している状態でも勿論よい。
また、上記の実施形態において、内管２の内面もしくは外面、外管３，７の内面もしくは外面の何れかに伝熱を促進させる表面加工（例えば、螺旋溝加工、すき起し加工等）を施しても良い。同様に、内管２の内面もしくは外面、外管３，７の内面もしくは外面の何れかに伝熱を促進させるための部材（例えば、フィン等）が設置されていても良い。

上記の実施形態の過冷却器用伝熱管の製造方法として、あらかじめ蛇行して加工された外管３，７に内管２を挿入する方法で製造しても良いが、次のようにして製造するのがより好ましい。
即ち、まず、直管状の内管の外側に直管状の外管を装着し、或いは直管状の外管内に直管状の内管を挿入し、直管状の外管と直管状の内管とが同心円状に配置された状態とし、次いで、直管状の外管に対してプレス加工またはロール加工を行って、外管を蛇行（旋回）した形状に成形することで容易に製造することができる。このとき、内管２も若干蛇行することが考えられるが、外管３，７が内管２に対して相対的に蛇行していれば構わない。なお、内管２内の中空部に補強用の丸棒を挿入しておき、上記プレス加工またはロール加工時における内管２の変形を防止・軽減するようにしてもよい。

次に、本発明の実施例を説明する。

図４に本発明の実施例に係る過冷却器用伝熱管の縦断面図を示す。
本実施例は、上記の図１に示す第２の実施形態の過冷却器用伝熱管と同様に、外管３の管軸Ｏは、内管２の管軸に垂直な一方向に、内管２の管軸を中心として蛇行している。外管３は外径φ_２＝１５.８８ｍｍ、肉厚ｔ_２＝１.０ｍｍであり、内管２は外形φ_１＝１１.１ｍｍ、肉厚ｔ_１＝１.０ｍｍであり、過冷却器（用伝熱管）の長さＬ＝１０００ｍｍとする。外管３は曲げ半径Ｒ＝５０ｍｍで蛇行曲げし、曲げのピッチＰ＝５０ｍｍであり、外管３と内管２とが半ピッチＰ／２＝２５ｍｍ毎に接触している。このとき、外管３と内管２との接触点８は、全部で４１箇所となる。内管２内には高温高圧側冷媒、外管３内には低温低圧側冷媒が流れる。
本構造では、外管３が内管２外壁に対するフィンとして伝熱面増加に寄与しており、フィン効率ｆ（フィン効率は、フィンの全ての部分がフィンの根本の温度と等しいとした場合の放熱量比であり、フィン効率は、冷媒の種類・流量等により変化する）を３０％とした場合、下記の（１）式より伝熱面を３７.５％増加させることが出来る（内管２表面と
等しい温度部分が３７.５％増加する）。

式（１）において、
Ｓ：フィンによる伝熱面増加後の伝熱面積（内管表面と等温部分の面積）
Ｓ_０：フィンによる伝熱面増加前の伝熱面積（内管の外表面積）
ｆ：フィン効率（本実施例の場合：３０％）
φ_１：内管の外径（本実施例の場合：１１.１）
φ_２：外管の外径（本実施例の場合：１５.８８）
ｔ_２：外管の肉厚（本実施例の場合：１.０）
である。

本実施例によれば、外管３が蛇行構造をとることで伝熱面を３７.５％増加させること
ができ、過冷却器の大きさを３７.５％小さくすることが可能となる。この場合、外管３
内の低温側冷媒の撹拌による効果は見込んでおらず、撹拌効果を加味すると、熱伝達率は更に増加し、より小型化が見込める。

本発明に係る過冷却器用伝熱管の第２の実施形態を示す縦断面図である。 図１の過冷却器用伝熱管の横断面を示すもので、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図１のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る過冷却器用伝熱管における各部の横断面図である。 本発明の実施例の過冷却器用伝熱管を示す縦断面図である。 従来の空気調和機に用いられている冷媒回路を示す回路図である。 従来の二重管式の過冷却器を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 過冷却器用伝熱管
２ 内管
３ 外管
４ 隙間
５ 低温（低圧）側冷媒（バイパス流冷媒）
６ 高温（高圧）側冷媒（主流冷媒）
７ 外管
８ 接触点
Ｐ 蛇行ピッチ
Ｏ 外管の管軸
１０１ 主回路
１０２ 圧縮機
１０３ 凝縮器
１０４ 二重管式の過冷却器
１０９ バイパス膨張機構
１１０ バイパス回路

Claims (4)

1. 圧縮機から吐出され凝縮器によって凝縮された冷媒が、主回路を流れる主流冷媒と主回路から分岐されたバイパス回路を流れるバイパス流冷媒とに別れ、前記主流冷媒と前記バイパス回路のバイパス膨張機構を通過して減圧された後の前記バイパス流冷媒とを熱交換する、内管と外管とを有する二重管式の過冷却器用伝熱管において、
   前記内管に対して前記外管が蛇行または旋回しており、少なくとも１ヶ所以上で外管と内管とが接触していることを特徴とする過冷却器用伝熱管。
2. 請求項１に記載の過冷却器用伝熱管において、前記内管内に高温の前記主流冷媒が流され、前記外管内に低温の前記バイパス流冷媒が流されることを特徴とする過冷却器用伝熱管。
3. 請求項１に記載の過冷却器用伝熱管を製造する製造方法において、直管状の外管内に直管状の内管が挿入された状態で、前記直管状の外管に対してプレス加工を行って成形することを特徴とする過冷却器用伝熱管の製造方法。
4. 請求項１に記載の過冷却器用伝熱管を製造する製造方法において、直管状の外管内に直管状の内管が挿入された状態で、前記直管状の外管に対してロール加工を行って成形することを特徴とする過冷却器用伝熱管の製造方法。

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