JP2010210139A

JP2010210139A - 水冷凝縮器及び冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2010210139A
Application number: JP2009056224A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Fujiwara; 英晃藤原; Junichi Fujisawa; 淳一藤澤; Nobuhiro Sato; 暢裕佐藤; Yutaka Sakata; 豊坂田; Shozo Kiyono; 正三清野
Original assignee: Orion Machinery Co Ltd
Current assignee: Orion Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】二重管構造における内管の外周面と外管の内周面との間隔を全周に亘って実質的に均一にすることができ、凝縮性能を著しく向上できる水冷凝縮器及び冷凍サイクル装置を提供すること。
【解決手段】二重管構造に設けられた水冷凝縮器であって、冷却水を通すように冷却水の供給源に接続される内管１０と、前記内管１０の外側に設けられ、前記内管１０との間に冷媒を通すように冷凍回路に接続される外管２０とを備え、前記外管２０にはスパイラル状の溝３０が形成され、該スパイラル状の溝３０は、谷部分が前記内管１０の外周面へ実質的に接触する程度の深さに設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重管構造に設けられた水冷凝縮器、及びそれを用いた冷凍サイクル装置に関する。

凝縮器として用いることが可能な二重管構造の熱交換器にあっては、冷媒や水が流れる内管と、その内管の外側に同心状に設けられ、その内管との間に水や冷媒が流れる外管とを、基本的な構成要素として備えている。

また、炭酸ガス等の熱交換媒体あるいは水等の被熱交換媒体を通す内管と、その内管の外側に配置され、その内管との間に被熱交換媒体あるいは熱交換媒体を通す外管とを備え、外管はスパイラル状又はリング状の波付形状により可撓性を付与された二重管式熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。

このような二重管式熱交換器では、外管をスパイラル状又はリング状波付形状にすることで、可撓性パイプとして曲げ加工性を大幅に改善できる。また、外管をスパイラル状又はリング状の波付形状にすることで、外管と内管との間を流れる流体が撹拌されるため、熱交換効率を高めることができる。

特開２００５−９８３２号公報（図１〜４）

水冷凝縮器及び冷凍サイクル装置に関して解決しようとする問題点は、上記のような二重管構造の熱交換器を用い、内管に冷却水を通し、内管と外管の間に冷媒を通す場合、内管の外周面と外管の内周面との間隔が全周に亘って均一でないと、熱交換性能とそれによる凝縮性能が著しく低下しやすいことにある。
そこで本発明の目的は、二重管構造における内管の外周面と外管の内周面との間隔を全周に亘って実質的に均一にすることができ、凝縮性能を著しく向上できる水冷凝縮器及び冷凍サイクル装置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次の構成を備える。
本発明にかかる水冷凝縮器の一形態によれば、二重管構造に設けられた水冷凝縮器であって、冷却水を通すように冷却水の供給源に接続される内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に冷媒を通すように冷凍回路に接続される外管とを備え、前記外管にはスパイラル状の溝が形成され、該スパイラル状の溝は、谷部分が前記内管の外周面へ実質的に接触する程度の深さに設けられている。

また、本発明にかかる水冷凝縮器の一形態によれば、前記スパイラル状の溝が多条に設けられていることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる水冷凝縮器の一形態によれば、前記スパイラル状の溝は、前記外管の冷媒の出口側における溝のピッチの方が、前記外管の冷媒の入口側における溝のピッチよりも小さいことを特徴とすることができる。

また、本発明にかかる水冷凝縮器の一形態によれば、前記外管の材料は、前記内管の材料に比べて、スパイラル状の溝加工の分を見込んで長く設定されていることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる冷凍サイクル装置の一形態によれば、前記の水冷凝縮器が接続されていることを特徴とする。

本発明にかかる水冷凝縮器によれば、二重管構造における内管の外周面と外管の内周面との間隔を全周に亘って実質的に均一にすることができ、凝縮性能を著しく向上できるという特別有利な効果を奏する。

本発明に係る水冷凝縮器の形態例を示す側面図である。図１の形態例に係る二重管の横断面図及び部分側面図である。外管のスパイラル状の溝のピッチを説明する部分側面図である。本発明に係る水冷凝縮器の実施例を示す平面図及び側面図である。本発明に係る冷凍サイクル装置の形態例を示す回路図である。

以下、本発明にかかる水冷凝縮器について最良の形態例を添付図面（図１〜５）に基づいて詳細に説明する。
この水冷凝縮器１は、二重管構造に設けられており、水冷式の冷凍サイクル装置（図５参照）に用いられるものである。この水冷凝縮器１としては、図１及び４に示すように二重管が円形に且つ多段（ｎ段）に巻回されて形成されている。

図１及び２等に示すように、１０は内管であり、冷却水１２を通すように冷却水の供給源に接続される。なお、冷却水１２は、冷却用液体の一例であり、その水源としては水道や井戸を利用することができる。
２０は外管であり、内管１０の外側に設けられ、内管１０との間である流路１５に冷媒を通すように冷凍回路に接続される。なお、冷媒としては、例えば、オゾン層を破壊しないフロンガスや、炭酸ガスを利用することができる。
本形態例では、どちらの管も金属管であって、内管１０が銅材で設けられ、外管２０がステンレススチールによって設けられている。

外管２０には、スパイラル溝加工によって、スパイラル状の溝３０が形成されている。
そのスパイラル状の溝３０は、谷部分３１が内管１０の外周面１１へ実質的に接触する程度の深さに設けられている。つまり、外管２０の内周面２３であって谷部分３１の最も窪んで深い部分が、内管１０の外周面１１へ接触するか、接触するほどに近接する深さまでスパイラル溝加工によって成形されている。

このスパイラル状の溝３０によれば、内管１０が外管２０の中に同心状に位置するように規制できる。これにより、内管１０の外管２０の中心に対する偏りが抑制され、熱交換効率が著しく向上する。
本形態例のように冷媒が気体である場合、内管１０が偏って通気断面形状のバランスが崩れると、気体の圧縮性に由来して、通過流速の速い部分と遅い部分との差が大きくなり易い。そのように内管１０が偏った場合には、熱交換性能が著しく低下しやすいが、本発明によれば、その問題を適切に解消できる。

また、スパイラル状の溝３０によって、冷媒が内管１０と外管２０との間を螺旋状に流れ、乱流を生じる。このため、熱交換効率を高めることができる。
さらに、内管１０の外管２０に対する片寄りがなくなるため、製品ごとの特性のバラツキがなくなる。このため、製品に対する信頼性を向上できる。

また、内管１０と外管２０との間を通過する冷媒が主に気体であるため、溝の形状による圧力損失を生じにくく、スパイラル状の溝３０の形状がデメリットにならない。
このように本発明にかかる水冷凝縮器によればその性能を向上できる。そのため、同一の凝縮能力を有する凝縮器であれば、小型化が可能であり、製品の小型化に寄与できる。また、製品を構成するパイプ長を短くすることができ、製造コストを低減できる。

また、スパイラル状の溝３０が、多条に設けられていることで、内管１０の外管２０の中心に対する偏りがより好適に抑制される。
前述したように、外管２０の谷部分３１の最も窪んで深い部分が、内管１０の外周面１１に、実質的に螺旋の線状に接触することで、内管１０を適切に保持できる。
図２（Ａ）に示すように、スパイラル状の溝３０が３本であると、３点支持になるため、内管１０が外管２０の中心に位置するように、その内管１０が外管２０によってバランスよく保持される。なお、図２（Ａ）は本発明の水冷凝縮器に係る二重管の横断面図であり、図２（Ｂ）はその部分側面図である。

一般的に二重管で構成される水冷凝縮器は、円形又は楕円形に巻回されて形成されるが、前述のように、内管１０の外周面１１は外管２０の谷部分３１によって規制されているため、巻回するための成形加工を施しても、内管１０の外管２０の中心に対する偏りが抑制される。従って、巻回された状態の水冷凝縮器において、熱交換効率を向上することができる。

なお、スパイラル溝加工によって外管２０には山部分３２と谷部分３１が形成されるため、内管１０と外管２０の間隔が同心円のように全周に亘って完全に均一であるとは言えないが、対称性の高い合理的な形態となっている。このため、本形態例では、内管１０と外管２０の間隔が、実質的には、全周に亘って均一になっている。

また、本形態例のスパイラル状の溝３０は、外管２０の冷媒の出口側２２における溝のピッチの方が、外管２０の冷媒の入口側２１における溝のピッチよりも小さい。すなわち、スパイラル状の溝３０の角度を、冷媒の入口側２１と冷媒の出口側２２で変えてある（図１及び３参照）。外管２０の冷媒の入口側２１は、スパイラル状の溝３０の角度が小さく、その溝のピッチが大きくなっている。これに対して、外管２０の冷媒の出口側２２は、スパイラル状の溝３０の角度が大きく、その溝のピッチが小さくなっている。
また、溝のピッチは、図１及び３に示すように所定の区間ごとに段階的に変える形態であってもよいし、その溝のピッチを順次連続的に徐々に変える形態にしてもよい。

このように溝のピッチを変化させることで、以下のような作用効果がある。
本発明のような水冷凝縮器では、熱交換によって冷媒の気体から液体への相変化が生じる。これに伴い、その冷媒の単位質量当たりの体積である比容積が変化する。本形態例では、その冷媒の比容積の変化に対応させて、スパイラル状の溝３０のピッチを変化させてある。図３（Ａ）に示すように、冷媒が気体状態のときは、比容積が大きいので、スパイラル状の溝３０の角度を緩やかにして、抵抗を少なくしている。また、図３（Ｂ）に示すように、冷媒が液体状態のときは、比容積が小さいので、スパイラル状の溝３０の角度をきつくして、冷媒の流路長を長くしている。これによれば、外管２０を長くすることなく、冷媒の各経過状態に対応させ、その比容積に対する適切な熱交換流路の長さを確保できる。これにより、熱交換効率を向上させ、凝縮性能を向上できる。

また、外管２０の材料は、内管１０の材料に比べて、スパイラル状の溝加工の分を見込んで長く設定されているとよい。つまり、外管２０にスパイラル状の溝加工をすると、その加工しろの分だけは若干ではあるが、外管２０の材料を長くできる。
そのように外管２０を長くできるということは、表面積を増やせることになり、周囲温度が冷媒の温度より低いときは外気による冷却効果が得られる。従って、内管１０内を流れる冷却水の流量を少なくでき、省エネルギー効果が得られる。

図４は、水冷凝縮器の具体的な実施例であり、二重管が円形に且つ多段（７段）に巻回されて形成されている。図４（Ａ）は水冷凝縮器の平面図であり、図４（Ｂ）は水冷凝縮器の側面図である。以上に説明した構成と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。全体形状は、このような円形の水冷凝縮器に限定されず、本発明に係る二重管を長円形や楕円形に巻回した形状としてもよいのは勿論である。

また、図５は、以上に説明した水冷凝縮器が接続されていることを特徴とする冷凍サイクル装置の回路図である。１は本発明に係る水冷凝縮器、２は圧縮機、３は膨張弁、４は蒸発器、５は冷却水の水源である。
蒸発器４を冷却器又は吸熱器として利用すれば、冷凍又は冷蔵等の冷却装置をして利用できる。また、水冷凝縮器１を放熱器として利用すれば、温水器等の加熱装置として利用できる。

以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。

１水冷凝縮器
１０内管
１１外周面
２０外管
２１冷媒の入口側
２２冷媒の出口側
２３内周面
３０スパイラル状の溝
３１谷部分
３２山部分

Claims

二重管構造に設けられた水冷凝縮器であって、
冷却水を通すように冷却水の供給源に接続される内管と、
前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に冷媒を通すように冷凍回路に接続される外管とを備え、
前記外管にはスパイラル状の溝が形成され、該スパイラル状の溝は、谷部分が前記内管の外周面へ実質的に接触する程度の深さに設けられていることを特徴とする水冷凝縮器。
前記スパイラル状の溝が多条に設けられていることを特徴とする請求項１記載の水冷凝縮器。
前記スパイラル状の溝は、前記外管の冷媒の出口側における溝のピッチの方が、前記外管の冷媒の入口側における溝のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の水冷凝縮器。
前記外管の材料は、前記内管の材料に比べて、スパイラル状の溝加工の分を見込んで長く設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水冷凝縮器。
請求項１〜３のいずれかに記載の水冷凝縮器が接続されていることを特徴とする冷凍サイクル装置。