JP2012052784A

JP2012052784A - 熱交換器用二重管

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Publication number: JP2012052784A
Application number: JP2011137917A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Matsuda; 眞一松田
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-03-15
Also published as: WO2012017777A1

Abstract

【課題】運転時において騒音を発することなく使用でき、かつ、優れた熱交換性能を発揮しうる構造を有する熱交換器用二重管を提供すること。
【解決手段】外管１０の内部に内管２を配置してなる二重管構造を有し、内管２の内側を流れる流体と、内管２と外管１０の間を流れる流体との間の熱交換を行うための熱交換器用二重管１である。内管２は、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部２１を２箇所有する形状を呈し、かつ、凸部２１の位置が長手方向において螺旋状に変位した形状を有している。外管１０は、断面形状が円形状の平滑管形状を呈している。外管１０の内周面と内管２の凸部２１の頂点部分２１０とが接しており、外管１０と内管２との間には周方向に区画された外側流路３１が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば自動車用空調装置などの熱交換サイクルに適用可能な熱交換器用二重管に関する。

自動車用空調装置などの熱交換サイクル（冷凍サイクルともいう）は、凝縮器、蒸発器、圧縮機及び膨張弁を備え、これらを連結する循環経路に、フロン、ＣＯ₂、アンモニアなどの冷媒を循環させるシステムである。かかる熱交換サイクルにおいて、循環経路中に二重管を配置し、当該二重管によって構成される二層の空間に、凝縮器から出てくる高温冷媒と、蒸発器から出てくる低温冷媒とを対向して流して熱交換することにより、熱交換性能を向上させることが提案されている（特許文献１、２参照）。

一方、熱交換サイクルにおいて使用される冷媒としては、環境問題に対応するために、より地球温暖化係数の低い冷媒が検討されている。これらの環境問題を考慮した冷媒は、現行の冷媒に比べ熱交換性能が低下することが懸念されている。このため、熱交換サイクル全体の性能劣化を抑制するためには、装置構成として、上記の二重管を組み込むことにより熱交換性能をより向上させた構成を積極的に採用することが有効である。

蒸発器から排出された気体冷媒を圧縮機で圧縮するシステムの場合には、冷媒が十分に気化しきれない状態（液体が混入している状態）で圧縮機に流入すると熱交換できないという不具合を、上記二重管を組み込むことによって解消することができる。つまり、上記二重管において、圧縮機に流入させる前の冷媒を加熱することができ、冷媒を十分に気化させることができる。
これまで提案された二重管としては、その内管として、熱交換性能を向上させるためにねじり管がよく用いられる（特許文献１、２参照）。

特開２００２−３１８０１５号公報特開２００６−１６２２４１号公報

特許文献２は、らせん状に溝部を形成した内管と平滑外管を組み合わせたものであって、内管の外径よりも外管の内径を大きくしたものである。しかしながら、この構造では、少なくとも二重管の直線部分では内管と外管が接していないか１箇所のみでしか接していないため、熱交換システムの運転時の振動により騒音が発生するという問題がある。

特許文献１には、熱交換サイクルに二重管構造を用いることが示され、かつ、内管の外周面または前記外管の内周面に螺旋状の溝部が形成されていることが示されているものの、それ以上の具体的な二重管の構造に関してはほとんど開示がなされていない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであって、運転時において騒音を発することなく使用でき、かつ、優れた熱交換性能を発揮しうる構造を有する熱交換器用二重管を提供しようとするものである。

本発明は、外管の内部に内管を配置してなる二重管構造を有し、上記内管の内側を流れる流体と、上記内管と上記外管の間を流れる流体との間の熱交換を行うための熱交換器用二重管であって、
上記内管は、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部を複数箇所有する形状を呈し、かつ、上記凸部の位置が長手方向において螺旋状に変位した形状を有しており、
上記外管は、断面形状が円形状の平滑管形状を呈しており、
該外管の内周面と上記内管の上記凸部の頂点部分とが接しており、上記外管と上記内管との間には周方向複数箇所に区画された外側流路が形成されていることを特徴とする熱交換器用二重管にある（請求項１）。

本発明の熱交換器用二重管は、上記のごとく、特殊な形状を呈する螺旋状にねじった内管と、円形状の平滑管よりなる外管とから構成されている。そして、内管の複数の上記凸部の頂点部分が外管の内周面に接している。これにより、上記内管と外管との間は、上記のごとく、内管の複数の凸部によって周方向複数に区画された外側流路となり、各外側流路は螺旋状に形成されたものとなる。

また、上記内管の内部も、螺旋状にねじれた外壁を有する内側流路となる。それ故、上記二重管の各外側流路と内側流路にそれぞれ流体（冷媒）を流せば、両流路において流体（冷媒）が適度に乱流を起こしながら流れ、効率よく熱交換することができる。

また、上記二重管は、上記内管と外管とが接して一体化している。そのため、上記二重管を組み込んだ熱交換サイクルを運転した際に振動が生じても、上記二重管において内管と外管が衝突して騒音が生じることを確実に防止することができる。

このように、本発明によれば、運転時において騒音を発することなく使用でき、かつ、優れた熱交換性能を発揮しうる構造を有する熱交換器用二重管を提供することができる。

実施例１における、二重管の外管のみを示す横断面図。実施例１における、二重管の内管のみを示す横断面図。実施例１における、二重管の横断面図。実施例１における、二重管形成前の内管及び外管を示す説明図。実施例２における、二重管の横断面図。実施例３における、二重管の横断面図。

上記熱交換器用二重管において、上記外管の内周面と上記内管の上記凸部の頂点部分とは、圧力が加わった状態で接している（圧接している）とよい。この場合には、上記振動による騒音防止効果を得やすくなる。

上記熱交換器用二重管において、上記内管における上記凸部の形成数は特に限定されるものではなく、流体（冷媒）流量、熱交換性能、凸部形成容易性などを考慮して決定することができる。上記熱交換器用二重管において、上記内管は、具体的には、上記凸部を２〜８箇所有する構成とすることができる（請求項２）。上記凸部が１箇所になると、凸部形成時における内管の支持が不安定となりやすく、凸部形成性が悪くなる。これに対し、上記凸部が２箇所以上である場合には、内管を曲げ加工しても変形しくく、耐変形性の向上に寄与することができる。一方、上記凸部が８箇所以下である場合には、例えば、自動車用空調装置における熱交換用二重管の場合等、配管の管径が比較的小さいときであっても安定して凸部を形成しやすい。また、過度に流体（冷媒）流量が減少してしまうこともなく、熱交換性能を維持しやすい。

上記熱交換器用二重管において、上記凸部は、上記断面形状の円周方向においていずれの位置に配設されていてもよい。好ましくは、隣り合う上記凸部どうしが等間隔となるよう設けられているとよい。具体的には、例えば、上記凸部は、上記断面形状の円周方向において１８０度離れた２箇所、上記断面形状の円周方向において１２０度離れた３箇所、上記断面形状の円周方向において９０度離れた４箇所、上記断面形状の円周方向において６０度離れた６箇所、上記断面形状の円周方向において４５度離れた８箇所等に設けることが可能である。このような構成とした場合には、外側流路の流体（冷媒）流量が円周方向において等量となる。そのため、内側流路の流体（冷媒）との熱交換ムラを抑制しやすくなる。

上記熱交換器用二重管において、上記凸部は、上記断面形状の円周方向において１８０度離れた２箇所に設けられていることが好ましい（請求項３）。この場合には、外側流路を２つに区画することができる。これにより、外側流路の流路断面積を大きく減少させることなく複数流路に区画することができ、適度に冷媒攪拌効果を得ることができる。

また、上記熱交換器用二重管において、上記内管及び上記外管は、アルミニウム合金あるいは銅合金よりなることが好ましい（請求項４）。ここでいうアルミニウム合金とは、純アルミニウムを含み、アルミニウムを主体とする合金全般を示す。また、銅合金とは、純銅を含み、銅を主体とする合金全般を示す。これらの金属材料は、比較的熱伝達特性に優れており、熱交換性能向上に有効である。また、軽量化を加味すれば、アルミニウム合金を用いることが最も好ましい。

材質としてアルミニウム合金を選択する場合には、純アルミニウム（Ａ１０５０、Ａ１１００）、アルミニウム合金（Ａ３００３、Ａ６０６３）等が好ましい。銅を選択する場合には、純銅のりん脱酸銅や、熱伝導性の高い銅合金などがある。
なお材質としては、加工性の良好なものが望ましいが、耐食性や強度が必要な場合にはこれらの材質に限定されることはない。

また、上記内管の上記螺旋状の変位の軸方向に対する角度が１５〜６０度の範囲にあることが好ましい（請求項５）。上記角度が上記範囲よりも小さい場合には、流体を流す場合の圧損を低減できる一方、乱流効果が少なく熱交換性能向上効果が小さくなるおそれがある。また、上記角度が上記範囲よりも大きい場合には、逆に、流体を流す場合の乱流効果を高めて熱交換性能向上効果を高めることができる一方、圧損が大きくなりすぎるおそれがある。上記角度の下限値は、より好ましくは、２０度、さらに好ましくは、２５度、さらにより好ましくは、３０度である。一方、上記角度の上限値は、ねじり加工の容易性などの観点から、より好ましくは、５５度、さらに好ましくは、５０度、さらにより好ましくは、４５度である。

また、上記二重管を製造するに当たっては、以下のような方法をとることができる。
まず、上記内管は、上記所望の螺旋形状に対応した形状の内孔を有するダイスを回転させながら、素材となる断面円形の平滑管を直線的に引き抜き加工することにより作製することができる。なお、この内管の加工方法としては、ダイスを回転させない加工方法など、その他の加工方法を採用することも可能である。

また、上記外管は、上記内管の外径よりも大きい内径を有する断面円形の平滑管を素材として用いる。この外管用素材に成形後の上記内管を挿入して、二重管構造とする。次に、この二重管構造のまま、上記外管用素材を縮径引き抜き加工する。これにより、上記内管の円弧状の頂点部先端と外管の内面とを強く当接させることができ、両者が一体化した上記二重管を得ることができる。

上記二重管の両端部分については、上記内管の内側流路と、上記内管と外管との間の外側流路にそれぞれ配管が接続されることとなるが、これらの接続構造は、特に限定されるものではなく、種々の構造、種々の接合方法を採用できる。接合方法としては、例えば、かしめ接合法、ろう付け接合、接着接合、摩擦撹拌接合などがある。

また、上記二重管のサイズは、適用する熱交換サイクルの冷媒の流量などに応じて、適宜設計することができる。また、肉厚については、例えば二重管の材質をアルミニウム合金とした場合には、Ａ１０５０を用いた場合には内管の肉厚は０．８〜１．８ｍｍ、外管の肉厚は１．０〜２．２ｍｍ、Ａ３００３を用いた場合には内管の肉厚は０．６〜１．５ｍｍ、外管の肉厚は０．８〜１．８ｍｍ、Ａ６０６３を用いた場合には内管の肉厚は０．５〜１．２ｍｍ、外管の肉厚は０．６〜１．８ｍｍ程度にすることが好ましい。この範囲に設定すれば、上記二重管を曲げ加工する場合の加工が比較的容易であると共に、曲げ加工時に座屈することを抑制しやすくなる。
同様の理由により、りん脱酸銅を用いた場合には内管の肉厚は０．６〜１．０ｍｍ、外管の肉厚は０．８〜１．５ｍｍ、が適当である。

（実施例１）
本発明の熱交換器用二重管につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の二重管１は、図３に示すごとく、外管１０の内部に内管２を配置してなる二重管構造を有し、内管２の内側を流れる流体と、内管２と外管１０の間を流れる流体との間の熱交換を行うための熱交換器用二重管である。

内管２は、図２、図４に示すごとく、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部２１を２箇所有する形状を呈している。さらに、凸部２１の位置が長手方向において螺旋状に変位した形状を有している。
外管１０は、断面形状が円形状の平滑管形状を呈している。
そして、図３に示すごとく、外管１０の内周面と内管２の凸部２１の頂点部分２１０とが接しており、外管１０と内管２との間には周方向２箇所に区画された外側流路３１が形成されている。

上記二重管１は、次のようにして作製した。
まず、素材として、材質Ａ３００３からなる外径１０ｍｍφ、肉厚１．０ｍｍ、長さ５００ｍｍの、断面円形状の押出平滑管を２本準備した。そのうち１本を内管用素材として用い、両端から１００ｍｍを内径８ｍｍφのダイスに通し、縮径加工を行い、引き抜き加工の前処理を実施した。

次に、所望の外形状に対応した内孔を有するダイスを用い、その内孔に上記内管用素材の縮径加工済みの先端部を通し、ダイスを回転させながら内管用素材を真っ直ぐに引き抜くことにより上記内管２を成形した。得られた内管２は、図２に示すごとく、軸方向に直交する横断面形状は、どこの位置においても、円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部２１を２箇所有する形状を呈している。また、各部は滑らかな曲面でつながり、凸部２１の頂点部分２１０は円弧状曲面となっている。

また、同図に示すごとく、内管２の横断面面を軸方向に見ると、断面形状の内側には、これに内接する円形状の境界線２６が見え、断面形状の外側には、これに外接する円形状の境界線２７が見える。これらの境界線２６、２７は、内管２が螺旋状にねじれていることによって、各部の最小径部及び最大径部が周方向に変位するために生じるものである。境界線２６の直径ｄ１は５ｍｍ、境界線２７の直径ｄ２は８ｍｍである。また、図４に示すごとく、得られた内管２の螺旋状の変位の方向ｂの軸方向ａに対する角度αはおよそ３０°である。

次に、図４に示すごとく、残りの１本の押出平滑管を外管用素材（以下、単に外管１０という）として用い、その中に上記内管２を挿入して二重管構造とする。この状態では、外管１０の内径と内管２の外径との間に差がある。そのため、外管１０を、内径９ｍｍの円形の内孔を有するダイスに通し、外管１０を縮径加工することにより、外管１０と内管２とを接合して一体化する。
これにより、本例の二重管１が得られる。

二重管１は、上記のごとく、特殊な形状を呈する螺旋状にねじった内管２と、円形状の平滑管よりなる外管１０とから構成されている。そして、内管の２つの凸部２１の頂点部分２１０が外管１０の内周面に接している。これにより、内管２と外管１０との間は、内管２の２つの凸部２１によって周方向２箇所に区画された外側流路３１となり、各外側流路３１は螺旋状に形成されたものとなる。

また、内管２の内部も、螺旋状にねじれた外壁を有する内側流路３２となる。それ故、二重管１の各外側流路３１と内側流路３２にそれぞれ流体（冷媒）を流せば、両流路において流体が適度に乱流を起こしながら流れ、効率よく熱交換することができる。

また、二重管１は、内管２と外管１０とが接して一体化している。そのため、二重管１を組み込んだ熱交換サイクルを運転した際に振動が生じても、二重管１において内管２と外管２０が衝突して騒音が生じることを確実に防止することができる。
このように、本例によれば、運転時において騒音を発することなく使用でき、かつ、優れた熱交換性能を発揮しうる構造を有する熱交換器用二重管１を提供することができる。

（実施例２）
本例の二重管１は、図５に示すごとく、内管２が、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部２１を等間隔で４箇所有する形状を呈している。そのため、図５に示すごとく、外管１０と内管２との間には周方向４箇所に等間隔で区画された外側流路３１が形成されている。なお、本例の二重管１は、材質Ａ３００３からなる外径２１ｍｍφ、肉厚１．２ｍｍの外管用素材、材質Ａ３００３からなる外径１９ｍｍφ、肉厚１．２ｍｍの内管用素材を用いた点以外は、実施例１とほぼ同様にして作製した。本例の二重管１の具体的な形状は、外管１０の外径が２０．４ｍｍ、肉厚が１．２ｍｍである。また、内管２における凸部２１のない部分の内径ｄ１は１２．７ｍｍ、内管２における凸部２１のある部分の外径ｄ２は１８ｍｍ、内管２における凸部２１のない部分の外径ｄ３は１５．１ｍｍ、肉厚は１．２ｍｍである。本例の二重管１によっても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例３）
本例の二重管１は、図６に示すごとく、内管２が、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部２１を等間隔で８箇所有する形状を呈している。そのため、図６に示すごとく、外管１０と内管２との間には周方向８箇所に等間隔で区画された外側流路３１が形成されている。なお、本例の二重管１は、材質Ａ３００３からなる外径２３ｍｍφ、肉厚１．３ｍｍの外管用素材、材質Ａ３００３からなる外径２１ｍｍφ、肉厚１．２ｍｍの内管用素材を用いた点以外は、実施例１とほぼ同様にして作製した。本例の二重管１の具体的な形状は、外管１０の外径が２２ｍｍ、肉厚が１．３ｍｍである。また、内管２における凸部２１のない部分の内径ｄ１は１３．６ｍｍ、内管２における凸部２１のある部分の外径ｄ２は１９．４ｍｍ、内管２における凸部２１のない部分の外径ｄ３は１６ｍｍ、肉厚は１．２ｍｍである。本例の二重管１によっても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

以上、実施例について説明したが、本発明は、上記実施例により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能なものである。

１熱交換器用二重管
１０外管
２内管
２１凸部
２１０頂点部分
３１外側流路

本発明は、外管の内部に内管を配置してなる二重管構造を有し、上記内管の内側を流れる流体と、上記内管と上記外管の間を流れる流体との間の熱交換を行うための熱交換器用二重管であって、
上記内管は、ダイスの内孔に素材となる断面円形の平滑管を通して上記ダイスを回転させながら直線的に引き抜き加工することにより作製してなり、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部を複数箇所有すると共に該凸部の間が上記円周の円弧形状の形状を呈し、かつ、上記凸部の位置が長手方向において螺旋状に変位した形状を有しており、さらに、上記内管の上記螺旋状の変位の軸方向に対する角度が１５〜６０度の範囲にあり、
上記外管は、断面形状が円形状の平滑管形状を呈しており、
該外管の内周面と上記内管の上記凸部の頂点部分とが接しており、上記外管と上記内管との間には周方向複数箇所に区画された外側流路が形成されていることを特徴とする熱交換器用二重管にある（請求項１）。

また、上記内管の上記螺旋状の変位の軸方向に対する角度が１５〜６０度の範囲にある。上記角度が上記範囲よりも小さい場合には、流体を流す場合の圧損を低減できる一方、乱流効果が少なく熱交換性能向上効果が小さくなるおそれがある。また、上記角度が上記範囲よりも大きい場合には、逆に、流体を流す場合の乱流効果を高めて熱交換性能向上効果を高めることができる一方、圧損が大きくなりすぎるおそれがある。上記角度の下限値は、より好ましくは、２０度、さらに好ましくは、２５度、さらにより好ましくは、３０度である。一方、上記角度の上限値は、ねじり加工の容易性などの観点から、より好ましくは、５５度、さらに好ましくは、５０度、さらにより好ましくは、４５度である。

また、上記二重管を製造するに当たっては、以下のような方法をとることができる。
まず、上記内管は、上記所望の螺旋形状に対応した形状の内孔を有するダイスを回転させながら、素材となる断面円形の平滑管を直線的に引き抜き加工することにより作製することができる。

Claims

外管の内部に内管を配置してなる二重管構造を有し、上記内管の内側を流れる流体と、上記内管と上記外管の間を流れる流体との間の熱交換を行うための熱交換器用二重管であって、
上記内管は、断面形状が円の円周の一部を当該円の外方に突出するように変形させた凸部を複数箇所有する形状を呈し、かつ、上記凸部の位置が長手方向において螺旋状に変位した形状を有しており、
上記外管は、断面形状が円形状の平滑管形状を呈しており、
該外管の内周面と上記内管の上記凸部の頂点部分とが接しており、上記外管と上記内管との間には周方向複数箇所に区画された外側流路が形成されていることを特徴とする熱交換器用二重管。
請求項１に記載の熱交換器用二重管において、上記内管は、上記凸部を２〜８箇所有することを特徴とする熱交換器用二重管。
請求項１または２に記載の熱交換器用二重管において、上記凸部は、上記断面形状の円周方向において１８０度離れた２箇所に設けられていることを特徴とする熱交換器用二重管。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器用二重管において、上記内管及び上記外管は、アルミニウム合金あるいは銅合金よりなることを特徴とする熱交換器用二重管。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器用二重管において、上記内管の上記螺旋状の変位の軸方向に対する角度が１５〜６０度の範囲にあることを特徴とする熱交換器用二重管。