JP2013194940A

JP2013194940A - 二重管式熱交換器

Info

Publication number: JP2013194940A
Application number: JP2012059953A
Authority: JP
Inventors: Hokuto Mine; 北斗峯
Original assignee: Keihin Thermal Technology Corp
Current assignee: Mahle Behr Thermal Systems Japan Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: JP5899013B2

Abstract

【課題】外管と内管との間の第１冷媒流路内での冷媒の流れを周方向に均一化しうる二重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】二重管式熱交換器は、外管２と、外管２内に配置された内管３とを備え、外管２と内管３との間の間隙が第１冷媒流路４に、内管３内が第２冷媒流路５になっている。外管２の一端部に拡大部７を設け、拡大部７の周壁7aに第１冷媒流路４に通じる冷媒入口９を形成する。全体が直線状となった冷媒流入パイプ11を、冷媒入口９に通じるように外管２にろう付する。冷媒流入パイプ11の中心線O2と、内管３における外管２の拡大部７内に存在する部分3aの中心線O1とは、外管２の径方向外方から見た場合に直角をなすとともに交差していない。冷媒流入パイプ11の中心線O2の内管３側への延長線は、内管３から径方向外方にずれている。
【選択図】図２

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よれば、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第１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第２冷媒流路となっており、外管に、第１冷媒流路に通じる冷媒入口および冷媒出口が、外管の長さ方向に間隔をおいて形成され、外管の冷媒入口に通じる冷媒流入パイプおよび同じく冷媒出口に通じる冷媒流出パイプがそれぞれ外管に接合されており、冷媒流入パイプおよび冷媒流出パイプが、外管の周方向の同一位置に位置している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の場合、冷媒流入パイプから外管と内管との間の第１冷媒流路内に流入した冷媒が、第１冷媒流路の冷媒流入パイプ側の部分を多く流れることになって冷媒の偏流が生じ、第１冷媒流路内での冷媒の流れが周方向に不均一になる。その結果、第１冷媒流路を流れる高温冷媒と、第２冷媒流路を流れる低温冷媒との熱交換効率が低下するおそれがある。

そこで、本出願人は、先に、基本構成が特許文献１記載の二重管式熱交換器と同一であり、冷媒流出パイプが、冷媒流入パイプに対して外管の周方向にずれた位置に配置されている二重管式熱交換器を提案した（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２記載の二重管式熱交換器に比較して、第１冷媒流路内での冷媒の流れを、周方向に一層効果的に均一化しうる二重管式熱交換器が求められている。

特開２００９−２０４１６５号公報特開２０１２−２１７３４号公報

この発明の目的は、上記要求に応え、特許文献２記載の二重管式熱交換器に比較して、第１冷媒流路内での冷媒の流れを周方向に均一化しうる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が第１冷媒流路となるとともに内管内が第２冷媒流路となっており、外管に第１冷媒流路に通じる冷媒入口が形成されるとともに、第１冷媒流路内に冷媒を送り込む冷媒流入パイプが、冷媒入口に通じるように外管に接合されており、冷媒流入パイプにおける冷媒入口側端部からの一定の長さ部分が直線状である二重管式熱交換器であって、
冷媒流入パイプにおける冷媒入口側の直線状部分の中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、外管の径方向外方から見た場合に一定の角度をなすとともに交差しておらず、冷媒流入パイプの前記直線状部分の中心線における内管側への延長線が、内管から径方向外方にずれている二重管式熱交換器。

2)冷媒流入パイプの前記直線状部分の中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、外管の径方向外方から見た場合に直角をなしている上記1)記載の二重管式熱交換器。

3)外管の一端部に、他の部分に比較して外側に広がった拡大部が設けられており、拡大部の周壁に、内管における拡大部内に存在する部分の中心線が位置している１つの仮想平面と平行になった平坦なパイプ接合部が設けられ、パイプ接合部に冷媒入口が形成され、冷媒流入パイプが、冷媒入口に通じるようにパイプ接合部に接合されている上記1)または2)記載の二重管式熱交換器。

4)外管の拡大部の周壁の大部分が円筒状となっており、パイプ接合部が、外管の拡大部の周壁の大部分が位置している円筒面よりも拡大部の径方向外側に突出するように設けられている上記3)記載の二重管式熱交換器。

5)外管の拡大部の周壁の大部分が円筒状となっており、パイプ接合部が、外管の拡大部の周壁の大部分が位置している円筒面よりも拡大部の径方向内側に突出するように設けられている上記3)記載の二重管式熱交換器。

上記1)〜5)の二重管式熱交換器によれば、冷媒流入パイプにおける冷媒入口側の直線状部分の中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、外管の径方向外方から見た場合に一定の角度をなすとともに交差しておらず、冷媒流入パイプの前記直線状部分の中心線における内管側への延長線が、内管から径方向外方にずれているので、冷媒流入パイプを通って第１冷媒流路内に流入した冷媒が、内管の外周面に沿ってその周方向に流れる。したがって、冷媒が、第１冷媒流路内の周方向の全体に行き渡ることになり、特許文献２記載の二重管式熱交換器に比較して、第１冷媒流路内での冷媒の流れが外管の周方向に均一化される。その結果、第１冷媒流路を流れる高温冷媒と、第２冷媒流路を流れる低温冷媒との熱交換効率が向上する。

上記2)の二重管式熱交換器によれば、第１冷媒流路内での冷媒の流れが、外管の周方向により効果的に均一化される。

上記3)の二重管式熱交換器によれば、比較的簡単な構成で、上記1)のように、冷媒流入パイプの中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、交差することがなく、かつ外管の外側から見た場合に一定の角度をなし、さらに冷媒流入パイプの中心線における内管側への延長線が、内管から径方向外方にずれるようにすることができる。

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垂直縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線拡大断面図である。外管の拡大部の変形例を示す図２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。

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。

また、以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。

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および図３はその要部の構成を示す。

図１および図２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)の右端部に、他の部分に比較して外側に広がった拡大部(7)が設けられている。ここでは、拡大部(7)は、外管(2)と別個に形成されたものが外管(2)にろう付により接合されることによって設けられているが、これに代えて、外管(2)が拡管されることにより外管に一体に設けられていてもよい。拡大部(7)の周壁(7a)に、内管(3)における拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)が位置している１つの仮想平面(P)と平行になった平坦なパイプ接合部(8)が設けられている。拡大部(7)の周壁(7a)は大部分が円筒状であり、パイプ接合部(8)は、拡大部(7)の周壁(7a)の大部分が位置している円筒面よりも拡大部(7)の径方向外側に突出するように設けられている。パイプ接合部(8)に第１冷媒流路(4)に通じる冷媒入口(9)が形成されており、第１冷媒流路(4)内に冷媒を送り込む冷媒流入パイプが、冷媒入口に通じるように外管に接合されており、アルミニウム製冷媒流入パイプ(11)が、外管(2)の冷媒入口(9)に通じるように、パイプ接合部(8)にろう付されている。ここでは、冷媒流入パイプ(11)の端部が、冷媒入口(9)内に挿入された状態で、パイプ接合部(8)にろう付されている。冷媒流入パイプ(11)における冷媒入口(9)側端部からの一定の長さ部分、ここでは全体が直線状となっている。

したがって、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)と、内管(3)における外管(2)の冷媒入口(9)が臨んだ部分、すなわち外管(2)の拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)とが、外管(2)の外側（図２の右側）から見た場合に直角をなしており、図２において、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)が、仮想平面(P)と内管(3)外周面とが交わる点における内管(3)の接線と平行になっている。図２は、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)が、中心線(O2)を含みかつ内管(3)の中心線(O1)と直交する１つの平面での断面を示し、中心線(O2)が前記平面上での内管(3)の接線と平行になっている。すなわち、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)と、内管(3)における外管(2)の拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)とが、外管(2)の外側（図２の右側）から見た場合に一定の角度をなしているとともに交差しておらず、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)における内管(3)側への延長線が、内管(3)から径方向外方にずれている。

外管(2)の左端寄りの部分、すなわち左端よりも長さ方向の若干内側部分に、外管(2)の一部分が拡管されることにより拡管部(12)が形成されている。拡管部(12)の周壁(12a)に第１冷媒流路(4)に通じる冷媒出口(13)が形成されており、アルミニウム製冷媒流出パイプ(14)が、外管(2)の冷媒出口(13)に通じるように、周壁(12a)にろう付されている。ここでは、冷媒流出パイプ(14)の端部が、冷媒出口(13)内に挿入された状態で、周壁(12a)にろう付されている。

図２および図３に示すように、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。第１冷媒流路(4)における隣り合う凸条(15)間の間隙が流路部分(4A)となっている。そして、外管(2)の拡大部(7)内が、第１冷媒流路(4)の全流路部分(4A)を通じさせかつ冷媒流入パイプ(11)から外管(2)内に流入してきた冷媒を全流路部分(4A)に分流させる冷媒分流部となり、拡管部(12)内が、第１冷媒流路(4)の全流路部分(4A)を通じさせかつ全流路部分(4A)を流れてきた冷媒を合流させる冷媒合流部となっている。

上述した二重管式熱交換器(1)は、たとえばコンプレッサ、凝縮部、気液分離器としての受液器および過冷却部を有するコンデンサと、エバポレータと、減圧器としての膨張弁とを備えた冷凍サイクルにおいて、コンデンサから出てきた冷媒とエバポレータ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用いられる。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。

この冷凍サイクルの場合、二重管式熱交換器(1)の外管(2)に接続された冷媒流入パイプ(11)に、コンデンサの過冷却部からのびる配管が接続され、同じく外管(2)に接続された冷媒流出パイプ(14)に、膨張弁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)における冷媒流出パイプ(14)側の端部に、エバポレータからのびる配管が接続され、同じく内管(3)における冷媒流入パイプ(13)側の端部に、コンプレッサにのびる配管が接続される。

冷凍サイクルの稼働時には、コンプレッサで圧縮された高温高圧の気液混相の冷媒は、コンデンサの凝縮部で冷却されて凝縮させられた後、受液器内に流入して気液２相に分離され、ついで過冷却部に流入して過冷却される。過冷却された液相冷媒は、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)の拡大部(7)内に流入し、拡大部(7)を経て第１冷媒流路(4)内に入る。このとき、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)と、内管(3)における外管(2)の拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)とが、外管(2)の外側（図２の右側）から見た場合に直角をなしており、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)が、内管(3)の接線と平行になっていることから、冷媒流入パイプ(11)を通って拡大部(7)内に流入した冷媒が、内管(3)の外周面に沿ってその周方向に流れ（図２矢印Ｘ参照）、液相冷媒の偏流の発生が防止される。したがって、冷媒が、第１冷媒流路(4)内の周方向の全体に行き渡って全流路部分(4A)に流入することになり、第１冷媒流路(4)内での冷媒の流れが周方向に均一化される。その結果、第１冷媒流路(4)を流れる高温液相冷媒と、第２冷媒流路(5)を流れる後述する低温気相冷媒との熱交換効率が向上する。

一方、エバポレータ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。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)間の全流路部分(4A)を通過した液相冷媒は、拡管部(12)において合流し、冷媒出口(13)および冷媒流出パイプ(14)を通って膨張弁に送られる。膨張弁に送られた液相冷媒は、膨張弁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に流入し、エバポレータ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に送られる。

図４は、外管(2)の拡大部の変形例を示す。

図４において、拡大部(20)の周壁(20a)に、内管(3)における拡大部(20)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)が位置している１つの仮想平面(P)と平行になった平坦なパイプ接合部(21)が設けられている。拡大部(20)の周壁(20a)は大部分が円筒状であり、パイプ接合部(21)は、拡大部(20)の周壁(20a)の大部分が位置している円筒面よりも拡大部(20)の径方向内側に突出するように設けられている。パイプ接合部(21)に第１冷媒流路(4)に通じる冷媒入口(9)が形成されており、アルミニウム製冷媒流入パイプ(11)が、外管(2)の冷媒入口(9)に通じるように、パイプ接合部(21)にろう付されている。ここでは、冷媒流入パイプ(11)の端部が、冷媒入口(9)内に挿入された状態で、パイプ接合部(21)にろう付されている。

したがって、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)と、内管(3)における外管(2)の拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)とが、外管(2)の外側（図２の右側）から見た場合に直角をなしており、図４において、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)が、仮想平面(P)と内管(3)外周面とが交わる点における内管(3)の接線と平行になっている。すなわち、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)と、内管(3)における外管(2)の拡大部(7)内に存在する部分(3a)の中心線(O1)とが、外管(2)の外側（図２の右側）から見た場合に一定の角度をなしているとともに交差しておらず、冷媒流入パイプ(11)の中心線(O2)における内管(3)側への延長線が、内管(3)から径方向外方にずれている。

図４に示す拡大部(20)を備えている場合にも、冷媒流入パイプ(11)を通って拡大部(20)内に流入した冷媒が、内管(3)の外周面に沿ってその周方向に流れ（図４矢印Ｘ参照）、液相冷媒の偏流の発生が防止される。したがって、冷媒が、第１冷媒流路(4)内の周方向の全体に行き渡って全流路部分(4A)に流入することになり、第１冷媒流路(4)内での冷媒の流れが周方向に均一化される。その結果、第１冷媒流路(4)を流れる高温液相冷媒と、第２冷媒流路(5)を流れる後述する低温気相冷媒との熱交換効率が向上する。

この発明による二重管式熱交換器は、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
(7)(20)：拡大部
(7a)(20a)：周壁
(8)(21)：パイプ接合部
(9)：冷媒入口
(11)：冷媒流入パイプ
(O1)：内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線
(O2)：冷媒流入パイプの中心線
(P)：内管における拡大部内に存在する部分の中心線が位置している１つの仮想平面

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が第１冷媒流路となるとともに内管内が第２冷媒流路となっており、外管に第１冷媒流路に通じる冷媒入口が形成されるとともに、第１冷媒流路内に冷媒を送り込む冷媒流入パイプが、冷媒入口に通じるように外管に接合されており、冷媒流入パイプにおける冷媒入口側端部からの一定の長さ部分が直線状である二重管式熱交換器であって、
冷媒流入パイプにおける冷媒入口側の直線状部分の中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、外管の径方向外方から見た場合に一定の角度をなすとともに交差しておらず、冷媒流入パイプの前記直線状部分の中心線における内管側への延長線が、内管から径方向外方にずれている二重管式熱交換器。
冷媒流入パイプの前記直線状部分の中心線と、内管における外管の冷媒入口が臨んだ部分の中心線とが、外管の径方向外方から見た場合に直角をなしている請求項１記載の二重管式熱交換器。
外管の一端部に、他の部分に比較して外側に広がった拡大部が設けられており、拡大部の周壁に、内管における拡大部内に存在する部分の中心線が位置している１つの仮想平面と平行になった平坦なパイプ接合部が設けられ、パイプ接合部に冷媒入口が形成され、冷媒流入パイプが、冷媒入口に通じるようにパイプ接合部に接合されている請求項１または２記載の二重管式熱交換器。
外管の拡大部の周壁の大部分が円筒状となっており、パイプ接合部が、外管の拡大部の周壁の大部分が位置している円筒面よりも拡大部の径方向外側に突出するように設けられている請求項３記載の二重管式熱交換器。
外管の拡大部の周壁の大部分が円筒状となっており、パイプ接合部が、外管の拡大部の周壁の大部分が位置している円筒面よりも拡大部の径方向内側に突出するように設けられている請求項３記載の二重管式熱交換器。