JP2010230256A - 冷媒間熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換を行う冷媒の一方に衝突流による乱流を生じさせ、熱交換効率を向上させるとともに、小径配管の強度を向上させて振動、騒音を抑制できる冷媒間熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】 冷媒間熱交換器４は円筒形状の外管１０と、同外管１０を貫通するように配設された複数の内管１２と、外管１０と同軸上となるとともに、内管１２の外周面と接合するように配置された円筒状の中央管１３とから構成されている。外管１０は、冷媒流入管１０ａと冷媒流出管１０ｂを突設させ、冷媒流入管１０ａは、中央管１３の一端に接続される配管１５が導出されたヘッダ１４に接続されている。中央管１３の冷媒流入管１０ａ側の一端は、管壁１３ａにより閉鎖され、また、中央管１３の外周面には、配管１５から流入してきた冷媒を外管１０内に吐出させる円形状の吐出孔１３ｂが多数設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒と冷媒との間で熱交換を行う冷媒間熱交換器に関わり、より詳細には、熱交換効率を向上させた構成に関する。

従来の冷媒間熱交換器は、例えば特許文献１で示すように、大径の低圧側冷媒配管内に、小径の高圧側冷媒配管を一対となるように収納して、高圧冷媒と低圧冷媒の熱交換を行う冷媒間熱交換器としての液ガス熱交換器を構成している。ヒートポンプ給湯装置のヒートポンプユニットは、圧縮機、ガスクーラ、減圧機構である膨張弁、蒸発器を順次、接続して冷媒回路を構成し、ガスクーラから膨張弁へ供給される高圧冷媒と、蒸発器から圧縮機へ供給される低圧冷媒の間で冷媒間熱交換を行うよう、上記した液ガス熱交換器を設けている。

しかしながら、大径の低圧側冷媒配管内に小径の高圧側冷媒配管を一対となるように収納することにより、高圧側冷媒配管が周囲を流れる液状冷媒に影響を受けて振動、騒音を生じる虞があり、また、高圧側冷媒配管内を流れるガス状冷媒から、低圧側冷媒配管を流れる液状冷媒に対しての伝熱面積が高圧側冷媒配管の管表面積に限定され、伝熱量が制限されるため伝熱効率を向上させることが望まれていた。

特開２００８−２２４０７３号（７頁、図１）

本発明は、上記問題点に鑑み、熱交換を行う冷媒の一方に衝突流による乱流を生じさせ、熱交換効率を向上させるとともに、小径配管の強度を向上させて振動、騒音を抑制できる冷媒間熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、請求項１に関する発明は、一端部に冷媒流入管を設け、他端部に冷媒流出管を設け、前記冷媒流入管から流入した冷媒を、前記冷媒流出管に流通させる外管と、同外管を貫通して設けられ、同外管内を流れる冷媒と熱交換を行う冷媒を流通させる複数の内管と、同複数の内管の内方に設けられ、前記冷媒流入管に流入する冷媒から分岐した冷媒を流入させる配管を接続し、外周面に、複数の吐出孔を設けた中央管とから冷媒間熱交換器を構成してなる。

また、請求項２に関する発明は、前記冷媒流入管に流入する冷媒から分岐した冷媒を流入させる配管は、前記中央管の前記冷媒流出管側端部に接続されている構成となっている。

また、請求項３に関する発明は、前記中央管の前記配管が接続された前記冷媒流出管側端部と対向する端部は閉塞されてなる構成となっている。

また、請求項４に関する発明は、前記内管の外周面と、前記中央管の外周面とは接合されてなる構成となっている。

請求項１記載の発明によれば、中央管の吐出孔から外管内に冷媒を吐出させ、冷媒流入側管からの冷媒と混合させて、乱流を生じさせて内管内を流れる冷媒と熱交換を行わせることにより、熱交換効率及び熱交換量が増大するようになっている。

請求項２記載の発明によれば、冷媒流入管から分岐した配管は、前記中央管の前記冷媒流出管側端部に接続されたことにより、配管から流入した冷媒は中央管の熱交換部で熱交換を行いながら冷媒流入管側に流れるようになっている。

請求項３記載の発明によれば、中央管の端部が閉塞されることにより、外周面の吐出孔から吐出された冷媒により、外管内を流れる冷媒に効率よく乱流を生じさせることができるようになっている。

請求項４記載の発明によれば、内管と中央管とが接合されることにより、内管の強度が向上し、外管内を流れる乱流が内管に作用したとしても、内管に、振動及び騒音が発生する不具合を防止できるようになっている。

本発明による冷媒間熱交換器を使用した一例としての冷媒回路である。 本発明による第一実施例での冷媒間熱交換器の断面図及び要部断面図である。 本発明による第二実施例での冷媒間熱交換器の断面図及び要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

本発明による冷媒間熱交換器を用いた冷媒回路として、例えば図１で示す冷媒回路１は、圧縮機２と、室外熱交換器３と、冷媒間熱交換器４と、主膨張弁５と、室内熱交換器６とを配管８ａ及び配管８ｂにより順次接続するとともに、冷媒間熱交換器４と主膨張弁５との間から、副膨張弁７を備えたバイパス管９ａを分岐させている。分岐した同バイパス管９ａは冷媒間熱交換器４の一側と接続され、同冷媒間熱交換器４の他側は、バイパス管９ｂにより圧縮機２の吸込側に接続されている。

圧縮機２で圧縮され高温高圧となった冷媒は室外熱交換器３に流入して、同室外熱交換器３の周囲を流れる空気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は冷媒間熱交換器４で、後述するようにバイパス管９ａから流入した冷媒により冷却されて過冷却状態となり、主膨張弁５で減圧されて更に低温低圧の冷媒となる。低温低圧となった冷媒は室内熱交換器６に流入して、同室内熱交換器６の周囲を流れる空気から吸熱して蒸発し、蒸発した冷媒は圧縮機２に還流するようになっている。

冷媒間熱交換器４からバイパス管９ａに分岐した冷媒は副膨張弁７で減圧されて低温低圧となり冷媒間熱交換器４に流入して、配管８ａから流れてきた冷媒と熱交換し、その後、バイパス管９ｂを介して圧縮機２の吸込側に還流するようになっている。

尚、バイパス管９ａは、上記したように、冷媒間熱交換器４と主膨張弁５との間から分岐させているが、分岐箇所はこれに限定されるものでなく、室内熱交換器６の下流側から分岐させ、冷媒間熱交換器４を通過した後、圧縮機２の吸込側に接続させてもよい。しかし、冷媒間熱交換器４と主膨張弁５との間から分岐させるほうが、吸熱前の液冷媒を利用できるので、より効果的である。

次に、上記した冷媒間熱交換器４の第一実施例について説明する。第一実施例における冷媒間熱交換器４は図２（Ａ）の断面図及び図２（Ｂ）の要部断面図で示すように、円筒形状の外管１０と、同外管１０を貫通するように配設された複数の内管１２と、外管１０と同軸上となるとともに、内管１２の外周面と接合するように配置された円筒状の中央管１３とから構成されている。

低温冷媒が流通する内管１２は熱伝導性の高い銅材あるいは銅合金からなり、図２（Ｂ）で示すように、外管１０内において、円周上に均等となるように３本配置され、同内管１２の外周面と外管１０の内周面とは離間される一方、内管１２の外周面と中央管１３の外周面とは、ろう付け、あるいは溶接等により接合されている。内管１２の一端部は、半円錐状に形成されたヘッダ１１ａの一側に接続され、同ヘッダ１１ａの他側には、例えば冷媒回路１において，副膨張弁７を備えたバイパス管９ａの一端が接続されている。内管１２の他端部は、同様に半円錐状に形成されたヘッダ１１ｂの一側に接続され、同ヘッダ１１ｂの他側には、圧縮機２の吸込側に接続されたバイパス管９ｂの一端が接続されている。

外管１０は、一端部の外周面に冷媒流入管１０ａを突設させるとともに、他端部の外周面に冷媒流出管１０ｂを突設させている。冷媒流入管１０ａは半円錐状に形成されたヘッダ１４の一側に接続され、同一側からは、中央管１３の一端に接続される配管１５が導出されている。ヘッダ１４に一端を接続した配管１５は外管１０の外周面に沿って長手方向に延出され、折曲されて、上記した冷媒流出管１０ｂ側となる中央管１３の一端に接続されている。また、ヘッダ１４の他側には、冷媒回路１において、室外熱交換器３からの配管８ａが接続されている。

中央管１３の冷媒流入管１０ａ側の一端は、管壁１３ａにより閉鎖され、また、中央管１３の冷媒流入管１０ａ側となる外周面には、配管１５から流入してきた冷媒を外管１０内に吐出させる円形状の吐出孔１３ｂが複数設けられている。また、中央管１３の配管１５側となる吐出孔１３ｂが設けられていない範囲は、配管１５から流入してきた冷媒が、内管１２を流れる低温の冷媒と熱交換を行う熱交換部１３ｃとなっている。

次に、冷媒間熱交換器４内での冷媒の流れについて説明する。冷媒回路１において、配管８ｂからバイパス管９ａに流入し、副膨張弁７により減圧されて低温低圧となった冷媒は、矢印で示すように、ヘッダ１１ａを介して３本の内管１２に流入し、同内管１２を通過することにより、外管１０内を流れる冷媒と熱交換を行い、熱交換を行った冷媒はヘッダ１１ｂを介して、圧縮機２の吸込側に接続されたバイパス管９ｂに流出していくようになっている。また、ヘッダ１１ａに流入した冷媒は、半円錐状に形成されたヘッダ１１ａ内で拡散することにより攪拌されて均一な温度となり、内管１２を流れる過程での熱交換効率を向上させるようになっている。

室外熱交換器３で凝縮し、配管８ａによりヘッダ１４に流入した高温の冷媒は、冷媒流入管１０ａに流入する主流と、配管１５に流入する副流とに流れが分岐される。冷媒流入管１０ａから外管１０内に流入した主流となる冷媒は冷媒流出管１０ｂに向かって流れ、配管１５に流入した副流となる冷媒は、同配管１５により外管１０に沿って流れた後、冷媒流出管１０ｂ側から中央管１３内に流入する。同中央管１３に流入した冷媒は、上記したように熱交換部１３ｃで内管１２を流れる低温の冷媒と熱交換を行いながら冷媒流入管１０ａ側に向かい流れていく。そして中央管１３の他端部が管壁１３ａで閉鎖されていることにより、外周面に設けられている複数の吐出孔１３ｂから、図２（Ｂ）で示すように、外管１０内に放射状に吐出される。

中央管１３の吐出孔１３ｂから放射状に吐出された冷媒は、所謂、衝突流となって、冷媒流入管１０ａから流れてきた冷媒と衝突しながら混合する。混合した冷媒は、図２（Ａ）で示すように、乱流となって、内管１２の表面に接触を繰り返しながら同内管１２内を流れる低温の冷媒と熱交換を行い、冷媒流出管１０ｂに向かって流れていくようになっている。

上記したように、外管１０内を流れる冷媒が乱流となって流れることにより、外管１０内を流れる冷媒と内管１２内を流れる冷媒との熱交換効率及び熱交換量が増大し、冷媒間熱交換器４の性能を向上させるようになっている。

また、複数の内管１２の外周面と、この内部に位置する中央管１３の外周面とが溶接あるいはろう付け等により接合されていることにより、内管１２の強度が向上しており、外管１０内を流れる冷媒が乱流となって内管１２に作用したとしても、内管１２に振動が発生したり、またはこれによる騒音の発生等を防止することができるようになっている。

次に、第二実施例について説明する。尚、第一実施例と同様の構成については、同一符号で説明する。第二実施例による冷媒間熱交換器１６は、図３（Ａ）で示すように、円筒形状の外管１０と、同外管１０を貫通するように配設された複数の内管１２とを備えており、これらに関する構成は第一実施例と同等なので説明を省略する。

中央管１７は、両端部を閉塞した円筒形状に形成され、その軸方向長は、第一実施例での中央管１３の略半分程度となるとともに、冷媒流入管１０ａ側に寄って位置している。また、外周面には複数の吐出孔１７ａが設けられるとともに、冷媒流出管１０ｂ側端部には細径の吐出孔１７ｂが設けられている。

冷媒流入管１０ａを接続したヘッダ１４からは配管１８が導出され、同配管１８は中央管１７の冷媒流入管１０ａ側端部に接続されている。配管８ａを介してヘッダ１４に流入した冷媒は、冷媒流入管１０ａを介して外管１０内に流入する主流と、配管１８を介して中央管１７内に流入する副流とに分岐するようになっている。

次に、冷媒の流れについて説明する。バイパス管９ａからヘッダ１１ａを介して３本の内管１２に流入した低温の冷媒は外管１０内を流れる冷媒と熱交換を行い、ヘッダ１１ｂを介して、バイパス管９ｂに流出していくようになっている。

配管８ａによりヘッダ１４に流入した高温の冷媒は、冷媒流入管１０ａに流入する主流と、配管１８に流入する副流とに流れが分岐される。冷媒流入管１０ａから外管１０内に流入した主流となる冷媒は冷媒流出管１０ｂに向かって流れ、配管１８に流入した副流となる冷媒は、外周面に設けられている複数の吐出孔１７ａから、図３（Ｂ）で示すように、外管１０内に放射状に吐出され、また、吐出孔１７ｂからも吐出されるようになっている。

中央管１７の吐出孔１７ａから放射状に吐出された冷媒及び吐出孔１７ｂから吐出された冷媒は、所謂、衝突流となって、冷媒流入管１０ａから流れてきた冷媒と混合する。混合した冷媒は、図３（Ａ）で示すように、乱流となって、内管１２の表面に接触を繰り返しながら同内管１２内を流れる低温の冷媒と熱交換を行い、冷媒流出管１０ｂに向かって流れていくようになっている。

実施例１と同様に、外管１０内を流れる冷媒が乱流となって流れることにより、外管１０内を流れる冷媒と内管１２内を流れる冷媒との熱交換効率及び熱交換量が増大し、冷媒間熱交換器１６の性能を向上させるようになっている。

１ 冷媒回路
２ 圧縮機
３ 室外熱交換器
４ 冷媒間熱交換器
５ 主膨張弁
６ 室内熱交換器
７ 副膨張弁
８ａ、８ｂ 配管
９ａ、９ｂ バイパス管
１０ 外管
１０ａ 冷媒流入管
１０ｂ 冷媒流出管
１１ａ、１１ｂ ヘッダ
１２ 内管
１３ 中央管
１３ａ 管壁
１３ｂ 吐出孔
１４ ヘッダ
１５ 配管
１６ 冷媒間熱交換器
１７ 中央管
１７ａ、１７ｂ 吐出孔
１８ 配管

Claims (4)

1. 一端部に冷媒流入管を設け、他端部に冷媒流出管を設け、前記冷媒流入管から流入した冷媒を、前記冷媒流出管に流通させる外管と、同外管を貫通して設けられ、同外管内を流れる冷媒と熱交換を行う冷媒を流通させる複数の内管と、同複数の内管の内方に設けられ、前記冷媒流入管に流入する冷媒から分岐した冷媒を流入させる配管を接続し、外周面に、複数の吐出孔を設けた中央管とからなることを特徴とする冷媒間熱交換器。
2. 前記冷媒流入管に流入する冷媒から分岐した冷媒を流入させる配管は、前記中央管の前記冷媒流出管側端部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒間熱交換器。
3. 前記中央管の前記配管が接続された前記冷媒流出管側端部と対向する端部は閉塞されてなることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の冷媒間熱交換器。
4. 前記内管の外周面と、前記中央管の外周面とは接合されてなることを特徴とする請求項１に記載の冷媒間熱交換器。

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