JP2011191034A

JP2011191034A - 二重管式熱交換器

Info

Publication number: JP2011191034A
Application number: JP2010059425A
Authority: JP
Inventors: Naohisa Higashiyama; 直久東山; Hokuto Mine; 北斗峯; 基之 ▲高▼木; Motoyuki Takagi
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】熱交換性能が向上した二重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】二重管式熱交換器１は、外管２と、外管２内に間隔をおいて配置された内管３とを備えており、外管２と内管３との間の間隙および内管３内がそれぞれ冷媒流路4,5となっている。外管２の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条15を周方向に間隔をおいて一体に設ける。内管３に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の内向き凸部16を、内管３の長さ方向に間隔をおいて断続的に設ける。内向き凸部16は円形のスポット状である。内管３に、内管３の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の内向き凸部16からなる凸部列18を、内管３の周方向に間隔をおいて複数設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は二重管式熱交換器に関し、さらに詳しくは、外管と、外管内に間隔をおいて設けられた内管とを備えている二重管式熱交換器に関する。

この明細書において、「コンデンサ」という用語には、通常のコンデンサの他に凝縮部および過冷却部を有するサブクールコンデンサを含むものとする。

従来、カーエアコンに用いられる冷凍サイクルとして、コンプレッサ、凝縮部と過冷却部とを有するコンデンサ、エバポレータ、減圧器としての膨張弁、気液分離器、および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温の冷媒とエバポレータから出てきた低温の冷媒とを熱交換させる中間熱交換器を備えたものが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１記載の冷凍サイクルにおいては、コンデンサの過冷却部において過冷却された冷媒が、中間熱交換器において、エバポレータから出てきた低温の冷媒によりさらに冷却され、これによりエバポレータの冷却性能が向上させられるようになっている。

特許文献１記載の冷凍サイクルに用いられている中間熱交換器は、外管と、外管内に間隔をおいて配置された内管とを備え、外管と内管との間の間隙がコンデンサから出てきた高温冷媒が流れる高温冷媒流路となり、内管内がエバポレータから出てきた低温の冷媒が流れる冷温冷媒流路となっており、内管の両端部が外管の両端部よりも外側に突出させられ、外管の両端寄りの部分に拡管部が形成され、一方の拡管部に外管と内管との間の冷媒流路に通じる冷媒流入パイプが接続されるとともに、他方の拡管部に外管と内管との間の冷媒流路に通じる冷媒流出パイプが接続され、外管における両拡管部よりも長さ方向の外側部分に縮径部が形成されるとともに当該縮径部が内管にろう付され、内管における外管内に存在する部分の管壁に、当該管壁を内側に変形させることにより、内管における外管内に存在する部分の全長にわたる溝部が形成された二重管式熱交換器からなる。

しかしながら、特許文献１記載の二重管式熱交換器においては、高温冷媒流路および冷温冷媒流路での冷媒の乱流発生効果が十分ではなく、熱交換性能を向上させる効果にも限界がある。

特開２００６−１６２２３８号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載の二重管式熱交換器に比べて熱交換性能が向上した二重管式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)外管と、外管内に間隔をおいて配置された内管とを備え、外管と内管との間の間隙および内管内がそれぞれ冷媒流路となっている二重管式熱交換器において、
内管に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の内向き凸部、および管壁を外側に膨出させることにより形成された複数の外向き凸部のうち少なくともいずれか一方が、内管の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている二重管式熱交換器。

2)すべての凸部が内向き凸部であり、外管の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条が周方向に間隔をおいて一体に設けられている上記1)記載の二重管式熱交換器。

3)内向き凸部が円形のスポット状である上記2)記載の二重管式熱交換器。

4)内管の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の内向き凸部からなる凸部列が、内管の周方向に間隔をおいて複数設けられている上記3)記載の二重管式熱交換器。

5)内管の周方向に隣接する２つの凸部列の内向き凸部が、内管の長さ方向にずれて設けられている上記4)記載の二重管式熱交換器。

6)内向き凸部の直径が３〜５ｍｍ、突出高さが０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列における内管の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチが凸部の直径の１．５〜５倍である上記4)または5)記載の二重管式熱交換器。

7)内向き凸部が、内管の周方向にのびる円弧状である上記2)記載の二重管式熱交換器。

8)内向き凸部が、つるまき線状である上記2)記載の二重管式熱交換器。

9)内向き凸部が、内管の周方向に離れた部分に、内管の長さ方向に間隔をおいて設けられている上記7)または8)記載の二重管式熱交換器。

10)すべての凸部が外向き凸部である上記1)記載の二重管式熱交換器。

11)内向き凸部と外向き凸部とが混在している上記1)記載の二重管式熱交換器。

12)内管の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数のスポット状凸部からなる凸部列が、内管の周方向に間隔をおいて複数設けられている上記10)または11)記載の二重管式熱交換器。

13)内管の周方向に隣接する２つの凸部列の凸部が、内管の長さ方向にずれて設けられている上記12)記載の二重管式熱交換器。

14)凸部が円形のスポット状であり、凸部の直径が３〜５ｍｍ、突出高さが０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列における内管の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチが凸部の直径の１．５〜５倍である上記12)または13)記載の二重管式熱交換器。

上記1)〜14)の二重管式熱交換器によれば、内管に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の内向き凸部、および管壁を外側に膨出させることにより形成された複数の外向き凸部のうち少なくともいずれか一方が、内管の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられているので、上記少なくともいずれか一方の凸部と、内管における当該凸部が突出した側の反対側の周面に形成された凹所との働きによって、外管と内管との間の間隙の冷媒流路および内管内の冷媒流路において、冷媒の流れに効果的に乱流が発生し、熱交換性能が向上する。

上記2)の二重管式熱交換器によれば、外管の凸条の働きによって、外管と内管との間の間隙の冷媒流路を所定の流路断面積にすることができる。特に、二重管式熱交換器が屈曲部を有する場合であっても、外管の凸条の働きによって、曲げ加工の際の内管と外管との間の冷媒流路の潰れが防止される。しかも、外管を、たとえば押出加工により製造すると、凸条も一体に形成することができるので、二重管式熱交換器の製造作業が簡単になる。

上記6)の二重管式熱交換器によれば、内向き凸部および内管の外周面に形成された凹所による乱流発生効果が優れたものになる。しかも、内管内の冷媒流路における通路抵抗の増加を極力抑制することができる。

上記10)および11)の二重管式熱交換器によれば、内管の外向き凸部の働きによって、外管と内管との間の間隙の冷媒流路を所定の流路断面積にすることができる。特に、二重管式熱交換器が屈曲部を有する場合であっても、内管の外向き凸部の凸条の働きによって、曲げ加工の際の内管と外管との間の冷媒流路の潰れが防止される。

上記14)の二重管式熱交換器によれば、凸部および内管における当該凸部が突出した側の反対側の周面に形成された凹所による乱流発生効果が優れたものになる。しかも、凸部が突出した側の冷媒流路における通路抵抗の増加を極力抑制することができる。

この発明による二重管式熱交換器の全体構成を示す長さ方向の中間部を省略した一部切り欠き正面図である。図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。図１の二重管式熱交換器の一部を拡大して示す縦断面図である。図１の二重管式熱交換器の外管および内管の構成を部分的に示す斜視図である。図１の二重管式熱交換器を中間熱交換器として用いた冷凍サイクルを示す図である。この発明による二重管式熱交換器の内管の第１の変形例を示す図２相当の図である。図６の内管を示す図４相当の図である。この発明による二重管式熱交換器の内管の第２の変形例を示す図４相当の図である。この発明による二重管式熱交換器の外管の変形例および内管の第３の変形例を示す図２相当の図である。図９の外管および内管を示す図４相当の図である。この発明による二重管式熱交換器の内管の第４の変形例を示す図４相当の図である。

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、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す。

以下の説明において、「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。

図１はこの発明による二重管式熱交換器の全体構成を示し、図２〜図４はその要部の構成を示し、図５は図１の二重管式熱交換器を中間熱交換器として用いた冷凍サイクルを示す。

図１〜図４において、二重管式熱交換器(1)は、横断面円形のアルミニウム押出形材製外管(2)、および外管(2)内に間隔をおいて同心状に挿入された横断面円形のアルミニウム押出形材製内管(3)を備えており、外管(2)と内管(3)との間の間隙が第１冷媒流路(4)となり、内管(3)内が第２冷媒流路(5)となっている。内管(3)の両端部は外管(2)の両端部よりも外側に突出しており、両突出端部にそれぞれ管継手部材(6)が接合されている。

外管(2)の両端寄りの部分、すなわち両端よりも長さ方向の若干内側部分に、それぞれ拡管部(7)(8)が形成されている。外管(2)における一方の拡管部(7)の管壁には冷媒入口(9)が形成され、同他方の拡管部(8)の管壁には冷媒出口（図示略）が形成されている。冷媒入口(9)には第１冷媒流路(4)に通じるアルミニウム製高圧冷媒流入パイプ(11)の一端部が挿入されて拡管部(7)にろう付されている。高圧冷媒流入パイプ(11)の一端部における管壁の周方向の一部分には、内管(3)の外周面に当接して高圧冷媒流入パイプ(11)の差し込み深さを決める突出片(11a)が一体に形成されている。また、冷媒出口には第１冷媒流路(4)に通じるアルミニウム製高圧冷媒流出パイプ(12)の一端部が挿入されて拡管部(8)にろう付されている。図示は省略したが、高圧冷媒流出パイプ(12)の一端部における管壁の周方向の一部分にも、内管(3)の外周面に当接して高圧冷媒流出パイプ(12)の差し込み深さを決める突出片が一体に形成されている。高圧冷媒流入パイプ(11)および高圧冷媒流出パイプ(12)の他端部（外側端部）には、それぞれ管継手部材(13)が接合されている。また、外管(2)における両拡管部(7)(8)よりも長さ方向の外側部分に縮管部(14)が形成されており、当該縮管部(14)が内管(3)にろう付されている。

外管(2)の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条(15)が周方向に等間隔をおいて一体に設けられている。外管(2)の拡管部(7)(8)および縮管部(14)の内周面においては、凸条(15)は潰されており、図示は省略したが、外管(2)の縮管部(14)における凸条(15)が形成されていない部分の内周面と、内管(3)の外周面との間の間隙がろう材で埋められている。

内管(3)における外管(2)内に存在する部分に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の内向き凸部(16)が、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている。内向き凸部(16)は円形のスポット状であり、内向き凸部(16)が設けられた部分においては、内向き凸部(16)が突出した側と反対側の周面、すなわち内管(3)の外周面に円形のスポット状の凹所(17)が形成されることになる。内管(3)には、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の内向き凸部(16)からなる凸部列(18)が、内管(3)の周方向に間隔をおいて複数設けられており、内管(3)の周方向に隣接する２つの凸部列(18)の内向き凸部(16)が、内管(3)の長さ方向の同一位置に設けられている。なお、内管(3)の周方向に隣接する２つの凸部列(18)の内向き凸部(16)が、内管(3)の長さ方向にずれて設けられていてもよい。

内向き凸部(16)の直径Ｄは３〜５ｍｍ、突出高さＨは０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列(18)における内管(3)の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチＰは（１．５〜５）×Ｄ、すなわち凸部の直径Ｄの１．５〜５倍であることが好ましい。内向き凸部(16)の寸法を上記範囲内にしたのは、この範囲内であれば、内向き凸部(16)によって第２冷媒流路(5)内の冷媒の流れに乱流を発生させる効果、および内管(3)の外周面の凹所(17)によって第１冷媒流路(4)内の冷媒の流れに乱流を発生させる効果が優れたものになるからである。しかも、内管(3)内の第２冷媒流路(5)における通路抵抗の増加を極力抑制することができるからである。

図５は、上述した二重管式熱交換器(1)を中間熱交換器として用いた冷凍サイクルを示す。

図５において、冷凍サイクルは冷媒として、たとえばフロン系の冷媒を用いるものであり、コンプレッサ(20)と、凝縮部(22)、気液分離器としての受液器(23)および過冷却部(24)を有するコンデンサ(21)と、エバポレータ(25)と、減圧器としての膨張弁(26)と、コンデンサ(20)から出てきた冷媒とエバポレータ(25)から出てきた冷媒とを熱交換させる中間熱交換器としての二重管式熱交換器(1)とを備えている。二重管式熱交換器(1)の外管(2)に接続された高圧冷媒流入パイプ(11)にコンデンサ(20)の過冷却部(24)からのびる配管が接続され、同じく外管(2)に接続された高圧冷媒流出パイプ(12)に膨張弁(26)にのびる配管が接続される。また、二重管式熱交換器(1)の内管(3)における高圧冷媒流出パイプ(12)側の端部に、エバポレータ(25)からのびる配管が接続され、同じく内管(3)における高圧冷媒流入パイプ(11)側の端部に、コンプレッサ(20)にのびる配管が接続される。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。

冷凍サイクルの稼働時には、コンプレッサ(20)で圧縮された高温高圧の気液混相の冷媒は、コンデンサ(21)の凝縮部(22)で冷却されて凝縮させられた後、受液器(23)内に流入して気液２相に分離され、ついで過冷却部(24)に流入して過冷却される。過冷却された液相冷媒は、高圧冷媒流入パイプ(11)を通って二重管式熱交換器(1)の外管(2)の拡管部(7)内に流入し、拡管部(7)を経て第１冷媒流路(4)内に入る。拡管部(7)内に流入した液相冷媒は、拡管部(7)の働きにより、第１冷媒流路(4)における隣接する凸条(15)間に形成されるすべての間隙内に分流させられる。一方、エバポレータ(25)から出てきた気相冷媒は、二重管式熱交換器(1)の第２冷媒流路(5)内に流入する。そして、液相冷媒が第１冷媒流路(4)内を流れる間に第２冷媒流路(5)内を流れる比較的低温の気相冷媒によりさらに冷却される。

ここで、内管(3)の外面に形成された凹所(17)の働きによって、第１冷媒流路(4)内の液相冷媒の流れに乱流が発生し（図３の矢印Ｘ参照）、内向き凸部(16)の働きによって、第２冷媒流路(5)内の気相冷媒の流れに乱流が発生する（図３の矢印Ｙ参照）ので、第１冷媒流路(4)内の液相冷媒と第２冷媒流路(5)内の気相冷媒との熱交換性能が向上する。

二重管式熱交換器(1)の第１冷媒流路(4)における隣接する凸条(15)間に形成されるすべての間隙を通過した液相冷媒は、拡管部(8)において合流し、高圧冷媒流出パイプ(12)を通って膨張弁(26)に送られる。膨張弁(26)に送られた液相冷媒は、膨張弁(26)において断熱膨張させられて減圧された後エバポレータ(25)に流入し、エバポレータ(25)において気化させられる。一方、二重管式熱交換器(1)の第２冷媒流路(5)を通過した気相冷媒はコンプレッサ(20)に送られる。

図６〜図８は内管の変形例を示す。

図６および図７において、内管(3)における外管(2)内に存在する部分に、管壁を内側に膨出させることにより形成されかつ内管(3)の周方向にのびる円弧状である複数の内向き凸部(30)が、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている。内向き凸部(30)が設けられた部分においては、内管(3)の外周面に内管(3)の周方向にのびる円弧状の凹所(31)が形成されることになる。内向き凸部(30)は、内管(3)の周方向にほぼ半周離れた２箇所の部分に、それぞれ内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられている。一方の部分の内向き凸部(30)と、他方の部分の内向き凸部(30)とは、内管(3)の長さ方向にずれている。

図８において、内管(3)における外管(2)内に存在する部分に、管壁を内側に膨出させることにより形成されかつつるまき線状である複数の内向き凸部(35)が、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている。内向き凸部(35)が設けられた部分においては、内管(3)の外周面につるまき線状の凹所(36)が形成されることになる。内向き凸部(35)は、内管(3)の周方向にほぼ半周離れた２箇所の部分に、それぞれ内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられている。一方の部分の内向き凸部(35)と、他方の部分の内向き凸部(35)とは、内管(3)の長さ方向にずれている。

図９〜図１１は外管の変形例および内管の他の変形例を示す。

図９および図１０において、外管(2)の内周面には凸条は形成されていない。また、内管(3)における外管(2)内に存在する部分に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の外向き凸部(40)が、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている。外向き凸部(40)は円形のスポット状であり、外向き凸部(40)が設けられた部分においては、外向き凸部(40)が突出した側と反対側の周面、すなわち内管(3)の内周面に円形のスポット状の凹所(41)が形成されることになる。内管(3)に、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の外向き凸部(40)からなる凸部列(42)が、内管(3)の周方向に間隔をおいて複数設けられており、内管(3)の周方向に隣接する２つの凸部列(42)の外向き凸部(40)が、内管(3)の長さ方向にずれて設けられている。なお、内管(3)の周方向に隣接する２つの凸部列(42)の外向き凸部(40)が、内管(3)の長さ方向の同一位置に設けられていてもよい。

外向き凸部(40)の直径Ｄは３〜５ｍｍ、突出高さＨは０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列(42)における内管(3)の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチＰは（１．５〜５）×Ｄ、すなわち凸部の直径Ｄの１．５〜５倍であることが好ましい。外向き凸部(40)の寸法を上記範囲内にしたのは、上述した内向き凸部(16)の場合と同様である。

図１１において、外管(2)の内周面には凸条は形成されていない。また、内管(3)における外管(2)内に存在する部分に、複数の内向き凸部(16)および複数の外向き凸部(40)が、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている。内向き凸部(16)が設けられた部分においては、内管(3)の外周面に円形のスポット状の凹所(17)が形成され、外向き凸部(40)が設けられた部分においては、内管(3)の内周面に円形のスポット状の凹所(41)が形成されることになる。

内管(3)には、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の内向き凸部(16)からなる凸部列(18)と、内管(3)の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の外向き凸部(40)からなる凸部列(42)とが、内管(3)の周方向に間隔をおいて交互に設けられている。内管(3)の周方向に隣接する２つの凸部列(18)(42)の内向き凸部(16)と外向き凸部(40)とは、内管(3)の長さ方向にずれて設けられている。また、内向き凸部(16)からなる凸部列(18)の内向き凸部(16)、および外向き凸部(40)からなる凸部列(42)の外向き凸部(40)は、内管(3)の長さ方向の同一位置に設けられている。

内向き凸部(16)および外向き凸部(40)の直径Ｄ、突出高さＨおよび凸部ピッチＰは、上述したとおりである。

図６〜図８に示す内管(3)や、図９〜図１１に示す外管(2)および内管(3)を用いた二重管式熱交換器においても、内管(3)に形成された外向き凸部(40)や外方に開口した凹所(31)(36)(17)の働きによって、第１冷媒流路(4)内の液相冷媒の流れに乱流が発生し、内向き凸部(30)(35)(16)や内方に開口した凹所(41)の働きによって、第２冷媒流路(5)内の気相冷媒の流れに乱流が発生するので、第１冷媒流路(4)内の液相冷媒と第２冷媒流路(5)内の気相冷媒との熱交換性能が向上する。

この発明による熱交換器は、コンプレッサ、凝縮部と過冷却部とを有するコンデンサ、エバポレータ、減圧器としての膨張弁、気液分離器、および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温の冷媒とエバポレータから出てきた低温の冷媒とを熱交換させる中間熱交換器を備えたカーエアコンを構成する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。

(1)：二重管式熱交換器
(2)：外管
(3)：内管
(4)：第１冷媒流路
(5)：第２冷媒流路
(15)：凸条
(16)(30)(35)：内向き凸部
(18)：凸部列
(40)：外向き凸部
(42)：凸部列

Claims

外管と、外管内に間隔をおいて配置された内管とを備え、外管と内管との間の間隙および内管内がそれぞれ冷媒流路となっている二重管式熱交換器において、
内管に、管壁を内側に膨出させることにより形成された複数の内向き凸部、および管壁を外側に膨出させることにより形成された複数の外向き凸部のうち少なくともいずれか一方が、内管の長さ方向に間隔をおいて断続的に設けられている二重管式熱交換器。
すべての凸部が内向き凸部であり、外管の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条が周方向に間隔をおいて一体に設けられている請求項１記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部が円形のスポット状である請求項２記載の二重管式熱交換器。
内管の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数の内向き凸部からなる凸部列が、内管の周方向に間隔をおいて複数設けられている請求項３記載の二重管式熱交換器。
内管の周方向に隣接する２つの凸部列の内向き凸部が、内管の長さ方向にずれて設けられている請求項４記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部の直径が３〜５ｍｍ、突出高さが０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列における内管の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチが凸部の直径の１．５〜５倍である請求項４または５記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部が、内管の周方向にのびる円弧状である請求項２記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部が、つるまき線状である請求項２記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部が、内管の周方向に離れた部分に、内管の長さ方向に間隔をおいて設けられている請求項７または８記載の二重管式熱交換器。
すべての凸部が外向き凸部である請求項１記載の二重管式熱交換器。
内向き凸部と外向き凸部とが混在している請求項１記載の二重管式熱交換器。
内管の長さ方向に間隔をおいて設けられた複数のスポット状凸部からなる凸部列が、内管の周方向に間隔をおいて複数設けられている請求項１０または１１記載の二重管式熱交換器。
内管の周方向に隣接する２つの凸部列の凸部が、内管の長さ方向にずれて設けられている請求項１２記載の二重管式熱交換器。
凸部が円形のスポット状であり、凸部の直径が３〜５ｍｍ、突出高さが０．５〜１．５ｍｍ、各凸部列における内管の長さ方向に隣り合う凸部の中心部間の距離である凸部ピッチが凸部の直径の１．５〜５倍である請求項１２または１３記載の二重管式熱交換器。