JP2010261680A - 二重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】外管と内管を所定形態に安定して強固に固定可能で、かつ、流路断面積を大きく確保して圧力喪失の増大を防止可能な二重管式熱交換器の構造を提供する。
【解決手段】外管と内管とを備えた二重管式熱交換器であって、外管と内管の間に、外管の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面への内管固定手段を備えていることを特徴とする二重管式熱交換器。
【選択図】図１

Description

本発明は、二重管式熱交換器に関し、とくに冷凍サイクルにおける内部熱交換器として用いて好適な二重管式熱交換器に関する。

従来の二重管式熱交換器の構造としては、例えば図４に示すように、第１流体を流す外管１０１の内部に第２流体を流す内管１０２を配置し、外管１０１と内管１０２の間に外管１０１と内管１０２を一体的に連結する連結リブ１０３を設けることで、両管を所定の位置関係に固定して接続した構造のものが知られている（例えば、特許文献１）。

また、例えば図５に示すように、外管１１１と内管１１２を別体構造とし、内管１１２自体を螺旋状に形成して、外管１１１内に挿入する構造の二重管式熱交換器も知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−３４１０２７号公報 特開２００４−２７０９１６号公報

ところが、上記のような従来の連結リブを備えた二重管式熱交換器は、押し出し加工または引き抜き加工により製作する必要があるので、コストが高いという問題があった。さらに、管端末の加工をする場合に、他の配管との接続が可能な構造とするために、連結リブの切断工程が必要となるため、加工工程や配管作業時の工数が多くなるという問題がある。

また、上記のような従来の内管自体を螺旋状に形成する構造の二重管式熱交換器に関しては、その構造上、上記のような直管同士の二重管に対して内管の径を細くせざるを得ないため、内管を流れる流体の圧力損失が大きくなるという問題がある。また、内管自体が螺旋状に形成されて外管の内面に対して固定される構造であるので、内管が変位したり内管の螺旋形状が変形したりすると、内管の外管への固定が不安定になり、振動等に対してビビリ音等の原因になるおそれがある。

そこで本発明の課題は、上記のような従来構造における問題点に着目し、製作、加工、配管接続作業を容易に行うことができ、外管と内管を所定形態に安定して強固に固定可能で、かつ、流路断面積を大きく確保して圧力損失の増大を防止可能な二重管式熱交換器の構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る二重管式熱交換器は、外管と内管とを備えた二重管式熱交換器であって、外管と内管の間に、外管の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面への内管固定手段を備えていることを特徴とするものからなる。外管内と内管内を流れる流体の流れ方向については、カウンターフロー、パラレルフローのいずれも可能である。

このような二重管式熱交換器においては、外管と内管は別々に成形され、外管内に内管を挿入することにより二重管形態が形成されるが、単に外管に内管を挿入しただけでは、両端部を固定したとしても振動等で両管の接触等によりビビリ音が発生する可能性があるので、内管を外管に対して長手方向において所定形態に確実に固定する必要がある。この固定手段として、外管の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面への内管固定手段が備えられている。この内管固定手段は外管の内径と実質的に等しい外接円径を有するので、外管の内面に対して、管の長手方向にわたって圧接されることなり、その状態に保持されることになる。したがって、この内管固定手段を介して内管は外管内面に対して強固に固定されることになり、外管と内管の管長手方向における相対位置関係が所定の関係に固定され、両管が安定して所定形態に保持されるとともに、内管の外管に対する相対振動が防止されてビビリ音等の発生が防止される。また、内管固定手段を介して内管を外管に対して固定した後、二重管の任意の長手方向位置において曲げ加工を施せば、その曲げ部において内管固定手段の圧接強度がさらに増大されて外管と内管の間の一層強固な固定が可能になる。さらに、連結リブ等を介して外管と内管を一体化する必要がなく、外管と内管を別々に成形すればよいので、製作が容易であり、かつ、管端末における連結リブ切断等の特別な加工を不要化できるので、加工や配管接続作業の容易化も可能となる。

上記外管内面への内管固定手段は、例えば、次のように構成される。第一の手段として、内管が横断面多角形の管からなり、上記内管固定手段を、内管の外接円径を実質的に外管内径とすることにより構成することができる。内管の横断面多角形形状としては、三角形や四角形、さらにはそれ以上の多角形とすることが可能である。この構造においては、内管自体の多角形形状の各外部頂点が上記内管固定手段として機能でき、内管固定手段を別部材に形成する必要がないので、単に所定横断面形状の内管を外管内の所定位置まで挿入（場合によっては、圧入）するだけで所望の二重管式熱交換器を完成することが可能になる。したがって、部品点数が少なく、製作や組立の容易化、コストの低減が可能である。また、内管の横断面多角形形状に応じて、内管と外管の間に複数の流体流路を形成でき、かつ、各流路の断面形状も実質的に任意に設定可能であるので、内管内を流れる流体と内管と外管の間を流れる流体との間の熱交換の性能の改善をはかることが可能になる。例えば、上記複数の流体流路の各流路の断面形状を適切に設定することにより、その流路を流れる流体の流速を増加させることができ、それによって伝熱の促進が可能になる。

また、上記外管内面への内管固定手段の第二の手段として、上記内管固定手段が、外管内面と内管外面との間を管軸方向に螺旋状に延びる線条体から構成されている構造を採用することもできる。この構造では、例えば内管の外面に線条体を螺旋状に巻付け、その状態で内管を外管内の所定位置まで挿入（場合によっては、圧入）すれば、所望の二重管式熱交換器を完成することが可能である。外管内面と内管外面との間に両管に圧接する螺旋状に延びる線条体が介在することになるので、該線条体を介して、両管は互いに所定の位置関係に固定されることになる。したがって、この構造においても、二重管の長手方向において両管は互いに望ましい位置関係に強固に固定される。また、内管の外側を流れる流体が線条体に沿って螺旋状に流れるため、伝熱の促進が可能となる。さらに、前述の従来構造のように内管自体を螺旋状に形成する場合に比べて、内管の流路断面積を大きく確保できるため、圧力損失の増加を抑制することが可能となる。

このような本発明に係る二重管式熱交換器は、あらゆる熱交換器として使用可能であるが、とくに冷凍サイクルの内部熱交換器として好適なものである。例えば、冷媒の圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍サイクルにおける、凝縮器出口側の冷媒と蒸発器出口側の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器として用いられて好適なものである。この場合、冷凍サイクルの成績係数向上の観点からは、内管内に冷温側の冷媒（上記冷凍サイクルでは蒸発器出口側の冷媒）、外管内に高温側の冷媒（上記冷凍サイクルでは凝縮器出口側の冷媒）を流すことが好ましい。

とくに、本発明に係る二重管式熱交換器は、低コストで容易に製造でき、ビビリ音等の発生がなく、長期間にわたって安定した所定の形態の維持が求められる車両用空調装置における冷凍サイクルに用いられて好適なものである。

このように、本発明に係る二重管式熱交換器によれば、外管と内管の間に、外管の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面への内管固定手段を設けて、該内管固定手段を介して内管を外管内面に対して強固に固定できるようにしたので、外管と内管の管長手方向における相対位置関係を所定の関係に安定して固定でき、安定して良好な熱交換性能を発揮させることができるとともに、振動によるビビリ音等の不具合の発生を防止できる。また、連結リブ等を介して外管と内管を一体化する必要がなく、外管と内管を別々に成形すればよいので、それらの製作が容易であり、かつ、管端末における連結リブ切断等の特別な加工を不要化できるので、加工や配管接続作業等も容易化できる。

本発明の第１実施態様に係る二重管式熱交換器の横断面図である。 本発明の第２実施態様に係る二重管式熱交換器の部分分解斜視図である。 本発明に係る二重管式熱交換器を適用可能な冷凍サイクルの一例を示す機器系統図である。 従来の二重管式熱交換器の横断面図である。 別の従来の二重管式熱交換器の部分分解斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る二重管式熱交換器１を示している。二重管式熱交換器１は、外管２と、該外管２内に挿入され、外管２とは別体に成形された内管３とを備えている。この二重管式熱交換器１では、内管３内と、内管３と外管２との間に形成された各流路４、５に、紙面と垂直の方向に各流体がカウンターフローあるいはパラレルフローにて流され、両流体間の熱交換が行われるようになっている。

上記二重管式熱交換器１においては、外管２と内管３の間に、外管２の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面２ａへの内管固定手段が備えている。本実施態様では、この外管内面２ａへの内管固定手段は、内管３を横断面三角形の管から構成し、内管３の外接円径を実質的に外管内径と等しい径とすることにより構成されている。すなわち、内管３の横断面三角形形状の各外部頂点部３ａが、内管３が外管２内に挿入されて外管内面２ａに圧接されることにより、内管固定手段として機能できるようになっている。換言すれば、内管３自体の各外部頂点部３ａが内管固定手段として機能する。内管３の横断面三角形形状は、管長手方向（紙面と垂直の方向）に一様に形成されているので、この内管固定手段を介して、内管３は、外管２に対し、管長手方向に連続的に固定されることになる。

このような第１実施態様に係る構造においては、内管３自体を内管固定手段として機能させ、内管固定手段を別部材に形成する必要がないので、単に所定横断面形状の内管３を外管２内の所定位置まで挿入（場合によっては、圧入）するだけで所望の二重管式熱交換器１が完成され、少ない部品点数をもって、製作や組立が極めて容易に行われ、製造コスト全体の低減が可能である。また、内管３と外管２の間には複数の（本実施態様では、３つの）流体流路５が形成され、各流路５の断面形状や断面積も実質的に任意に設定可能であるので、内管３内の流路４を流れる流体と内管３と外管２の間に形成された流路５を流れる流体との間の熱交換の性能を改善をはかることができる。例えば、上記複数の流体流路５の各流路の断面積を適切に設定することにより、各流路５を流れる流体の流速を適切に増加させることが可能になり、それによって伝熱を促進できる。さらに、図４に示したような連結リブは不要であるので、管端末における連結リブの切断加工等も不要であり、加工や、配管作業の容易化もはかることができる。

図２は、本発明の第２実施態様に係る二重管式熱交換器１１を示している。二重管式熱交換器１１は、外管１２と、該外管１２内に挿入され、外管１２とは別体に成形された内管１３と、外管内面１２ａへの内管固定手段としての、外管内面１２ａと内管外面１３ａとの間を管軸方向に螺旋状に延びる線条体１４とを備えている。この二重管式熱交換器１１では、内管３内に形成された流路１５と、内管３と外管２との間に形成された、線条体１４に沿って螺旋状に延びる流路１６に、各流体がカウンターフローあるいはパラレルフローにて流され、両流体間の熱交換が行われるようになっている。なお、螺旋状に延びる線条体１４の設置方法は特に限定されないが、例えば、内管外面１３ａ上に線条体１４を螺旋状に巻き付け、その状態で内管１３とともに線条体１４を外管１２内に挿入することにより、容易に線条体１４を所定形態に配置できる。

このような第２実施態様に係る構造においては、外管内面１２ａへの内管固定手段が、螺旋状に延びる線条体１４から構成されており、螺旋状に延びる線条体１４は、外管内面１２ａと内管外面１３ａとに圧接され、圧接された線条体１４が管軸方向に、必要長の全長にわたって連続的に延びることになる。したがって、この線条体１４を介して、両管１２、１３は、管軸方向に、必要長の全長にわたって連続的に所定の位置関係に固定され、二重管の長手方向において両管１２、１３は互いに望ましい位置関係に強固に固定されることになる。また、内管１３の外側を流れる流体は線条体１４に沿って螺旋状に形成される流路１６を流れるため、伝熱を促進できる。さらに、前述の図５に示した従来構造のように内管自体を螺旋状に形成する場合に比べて、内管１３内の流路断面積は容易に大きく形成できるので、内管１３内の流路１５における圧力損失も小さく抑えることが可能となる。

上記のような本発明に係る二重管式熱交換器１、１１は、とくに冷凍サイクルの内部熱交換器として好適なものである。例えば、図３に示すように、冷媒の圧縮機２２と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器２３と、凝縮された冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段としての膨張弁２４と、減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器２５を有する冷凍サイクル２１において、凝縮器２３の出口側の冷媒と蒸発器２５の出口側の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器２６として二重管式熱交換器１、１１を使用することが好ましい。この場合、冷凍サイクル２１の成績係数の一層の向上のために、内管３、１３内に冷温側の冷媒である蒸発器出口側の冷媒、外管２、１２内に高温側の冷媒である凝縮器出口側の冷媒を流すことが好ましい。

なお、上記のような冷凍サイクル、とくに車両用空調装置における冷凍サイクルにおいて、上記のような位置に内部熱交換器を設けることにより、冷凍サイクルの成績係数を向上できることは既に知られているが、この内部熱交換器に本発明に係る二重管式熱交換器１、１１を適用することにより、冷凍サイクルの成績係数の向上に加え、振動等が作用する車両用空調装置における冷凍サイクルにおいて、ビビリ音等の発生がなく、長期間にわたって安定した所定の形態の維持が可能な内部熱交換器を実現できる。

本発明に係る二重管式熱交換器は、あらゆる熱交換器に適用可能であり、とくに冷凍サイクルの内部熱交換器として、中でも、車両用空調装置における冷凍サイクルの内部熱交換器として好適なものである。

１、１１ 二重管式熱交換器
２、１２ 外管
２ａ、１２ａ 外管内面
３、１３ 内管
３ａ、１３ａ 内管外面
４、１５ 内管内流路
５、１６ 外管と内管との間の流路
１４ 線条体
２１ 冷凍サイクル
２２ 圧縮機
２３ 凝縮器
２４ 減圧・膨張手段としての膨張弁
２５ 蒸発器
２６ 内部熱交換器

Claims (5)

1. 外管と内管とを備えた二重管式熱交換器であって、外管と内管の間に、外管の内径と実質的に等しい外接円径を有する、外管内面への内管固定手段を備えていることを特徴とする二重管式熱交換器。
2. 内管が横断面多角形の管からなり、前記内管固定手段が、内管の外接円径を実質的に外管内径とすることにより構成されている、請求項１に記載の二重管式熱交換器。
3. 前記内管固定手段が、外管内面と内管外面との間を管軸方向に螺旋状に延びる線条体から構成されている、請求項１に記載の二重管式熱交換器。
4. 冷媒の圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を減圧・膨張させる減圧・膨張手段と、減圧・膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を有する冷凍サイクルにおける、凝縮器出口側の冷媒と蒸発器出口側の冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器として用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の二重管式熱交換器。
5. 車両用空調装置における冷凍サイクルに用いられる、請求項１〜４のいずれかに記載の二重管式熱交換器。

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