JP2014095482A - 二重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒との熱交換効率をさらに向上させ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１における外管２と内管３との間の第１冷媒流路４内に蛇腹状インナーフィン15を配置する。インナーフィン15に、内管３の径方向外方に向かって第１冷媒流路４内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第１傾斜壁部16と、外管２の径方向内方に向かって第１冷媒流路４内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第２傾斜壁部17とを交互に一体的に設ける。インナーフィン15の両傾斜壁部16,17の外周縁どうしの連接部を外管２内周面に当接させるとともに、両傾斜壁部16,17の内周縁どうしの連接部を内管３外周面に当接させる。インナーフィン15の両傾斜壁部16,17に複数の貫通穴18を周方向に間隔をおいて形成する。
【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低圧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、および外管内に間隔をおいて配置された内管を備えており、内管の外周面に、管壁を変形させることにより内管の長さ方向にのびる溝が形成され、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記載の中間熱交換器に用いられている二重管式熱交換器の場合、第１冷媒流路と第２冷媒流路との間の伝熱面積が比較的小さくなり、熱交換性能が不足するという問題がある。

そこで、本出願人は、先に、第１冷媒流路と第２冷媒流路との間の伝熱面積を増大させた二重管式熱交換器として、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、内管の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の内部フィンが周方向に間隔をおいて設けられるとともに、内管の外周面に、径方向外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設けられ、内部フィンのフィン高さが凸条の突出高さよりも高くなっ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、最近では、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒との熱交換効率をさらに向上させた二重管式熱交換器が求められている。

特開２００６−１６２２４１号公報 特開２００９−１６２３９５号公報

この発明の目的は、上記要求に応え、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒との熱交換効率をさらに向上させ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冷媒流路となっている二重管式熱交換器であって、
第１冷媒流路内に蛇腹状インナーフィンが配置されており、インナーフィンに、内管の径方向外方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第１傾斜壁部と、外管の径方向内方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第２傾斜壁部とが交互に一体的に設けられており、両傾斜壁部の外周縁どうしの連接部が外管内周面に当接させられるとともに、両傾斜壁部の内周縁どうしの連接部が内管外周面に当接させられ、両傾斜壁部に複数の貫通穴が周方向に間隔をおいて形成されている二重管式熱交換器。

2)インナーフィンにおける隣接する第１傾斜壁部および第２傾斜壁部の貫通穴が、周方向にずれた位置に形成されている上記1)記載の二重管式熱交換器。

3)両傾斜壁部の外周縁どうしの連接部が外管内周面にろう付されるとともに、両傾斜壁部の内周縁どうしの連接部が内管外周面にろう付されている上記1)または2)記載の二重管式熱交換器。

上記1)〜3)の二重管式熱交換器によれば、第１冷媒流路内に蛇腹状インナーフィンが配置されており、インナーフィンに、内管の径方向外方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第１傾斜壁部と、外管の径方向内方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第２傾斜壁部とが交互に一体的に設けられており、両傾斜壁部の外周縁どうしの連接部が外管内周面に当接させられるとともに、両傾斜壁部の内周縁どうしの連接部が内管外周面に当接させられているので、特許文献２記載の二重管式熱交換器に比較して、第１冷媒流路と第２冷媒流路との間の伝熱面積を増大させることができ、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる冷媒との熱交換効率が向上する。また、蛇腹状インナーフィンの両傾斜壁部に複数の貫通穴が周方向に間隔をおいて形成されているので、冷媒が両傾斜壁部の貫通穴を通過することによって、第１冷媒流路内を流れる冷媒が攪拌されるとともに、第１冷媒流路内を流れる冷媒の流れが乱流となり、その結果第１冷媒流路と第２冷媒流路との間の伝熱面積増大効果と相俟って、第１冷媒流路を流れる冷媒と第２冷媒流路を流れる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、インナーフィンにおける隣接する第１傾斜壁部および第２傾斜壁部の貫通穴が、周方向にずれた位置に形成されているので、第１冷媒流路内を流れる冷媒を攪拌する効果、および冷媒の流れを乱流とする効果が一層向上する。

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縦断面図である。 図１の二重管式熱交換器に用いられるインナーフィンの一部分を示す斜視図である。 図２のインナーフィンを製造する方法の一部の工程を示す図である。 図２のインナーフィンを製造する方法の図３に示す工程に続く工程を示す図である。 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。 図１の二重管式熱交換器に用いられるインナーフィンの変形例の一部分を示す正面図である。

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はその要部の構成を示し、図３および図４は図１の二重管式熱交換器に用いられているインナーフィンの製造方法を示し、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)の一端寄りの部分、ここでは左端寄りの部分の管壁に冷媒入口(7)が形成され、同じく他端寄りの部分の管壁に冷媒出口(8)が形成されている。冷媒入口(7)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外管(2)にろう付されている。また、冷媒出口(8)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外管(2)にろう付されている。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)の両端部に縮管部(14)が形成されるとともに、当該縮管部(14)が内管(3)にろう付されており、これにより外管(2)の両端、すなわち第１冷媒流路(4)の両端が閉鎖されている。

二重管式熱交換器(1)の第１冷媒流路(4)内に、中心線方向が外管(2)および内管(3)の長手方向を向いたアルミニウム製の蛇腹状インナーフィン(15)が配置されている。インナーフィン(15)には、内管(3)の径方向外方に向かって第１冷媒流路(4)内の冷媒流れ方向下流側（図１の右側）に傾斜した円環状第１傾斜壁部(16)と、外管(2)の径方向内方に向かって第１冷媒流路(4)内の冷媒流れ方向下流側（図１の右側）に傾斜した円環状第２傾斜壁部(17)とが交互に一体的に設けられている。図２に示すように、インナーフィン(15)の両傾斜壁部(16)(17)における外周縁どうしの連接部が外管(2)内周面に当接させられて外管(2)にろう付され、両傾斜壁部(16)(17)の内周縁どうしの連接部が内管(3)外周面に当接させられて内管(3)にろう付されている。図２に示すように、インナーフィン(15)の両傾斜壁部(16)(17)に、周方向に間隔をおいて複数の貫通穴(18)が形成されている。ここでは、両傾斜壁部(16)(17)の貫通穴(18)は周方向の同一位置に形成されている。

インナーフィン(15)は、図３および図４に示すように、以下に述べる方法で製造される。

すなわち、図３(a)に示すようなアルミニウム板(20)を用意し、プレス加工を施すことによって、アルミニウム板(20)に予め決められた位置にくるように複数の貫通穴(18)形成する（図３(b)参照）。ついで、貫通穴(18)が形成されたアルミニウム板(20)を、互いに平行な２つの側縁が付き合わさるように円筒状に成形して、円筒状体(21)をする（図３(c)参照）。

ついで、図４に示すように、略円柱状の内側型(22)と、略円筒状の外側型(23)とを用いて両傾斜壁部(16)(17)を形成する。内側型(22)の外周面には、断面山形の環状凸条(22a)が長手方向に連続して並んで形成されている。外側型(23)の内周面には、内側型(22)の凸条(22a)が嵌る断面Ｖ字状の環状凹溝(23a)が長手方向に連続して並んで形成されている。外側型(23)は割型であり、円筒を２分割した形状の２つの型構成部材(23A)からなる。そして、円筒状体(21)を内側型(22)の周囲に被せた後、外側型(23)の２つの型構成部材(23A)により円筒状体(21)を径方向の外側から押圧し、凸条(22a)および凹溝(23a)により第１傾斜壁部(16)および第２傾斜壁部(17)を形成する。こうして、インナーフィン(15)が製造される。

なお、図示は省略したが、外管(2)および内管(3)は、全体が直線状になっている場合と、少なくとも１箇所で曲げられている場合とがある。

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(30)と、凝縮部(32)、気液分離器としての受液部(33)および過冷却部(34)を有し、かつコンプレッサ(30)で圧縮された冷媒を冷却するコンデンサ(31)と、コンデンサ(31)で冷却された冷媒を減圧する減圧器としての膨張弁(35)と、膨張弁(35)で減圧された冷媒を蒸発させるエバポレータ(36)と、コンデンサ(31)から流出した高圧の冷媒とエバポレータ(36)から流出した低圧の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(30)の過冷却部(34)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(36)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(35)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(30)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(30)で圧縮された高温高圧の気液混相の冷媒は、コンデンサ(31)の凝縮部(32)で冷却されて凝縮させられた後、受液部(33)内に流入して気液２相に分離され、ついで過冷却部(34)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)内に流入し、第１冷媒流路(4)内に入る。一方、エバポレータ(35)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。

冷媒が二重管式熱交換器(1)の第１冷媒流路(4)内を流れる際に、インナーフィン(15)の両傾斜壁部(16)(17)の貫通穴(18)を通過することによって攪拌されるとともに、冷媒の流れが乱流となり、その結果第１冷媒流路(4)を流れる冷媒と第２冷媒流路(5)を流れる冷媒との熱交換効率が向上する。

図６は、上述した二重管式熱交換器(1)に用いられるインナーフィンの変形例を示す。

図６に示すインナーフィン(40)の場合、隣接する第１傾斜壁部(16)および第２傾斜壁部(17)の貫通穴(18)が、周方向にずれた位置に形成されている。その他の構成は、図２に示す二重管式熱交換器(1)のインナーフィン(15)と同様であり、インナーフィン(15)と同様な方法で製造される。

図６に示すインナーフィン(40)を用いた二重管式熱交換器(1)によれば、冷媒が二重管式熱交換器(1)の第１冷媒流路(4)内を流れる際に、インナーフィン(15)の両傾斜壁部(16)(17)の貫通穴(18)を通過することによって、冷媒を攪拌する効果、および冷媒の流れを乱流とする効果が一層向上する。

この発明による二重管式熱交換器は、コンプレッサ、コンデンサ、エバポレータ、減圧器としての膨張弁、およびコンデンサ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)(40)：インナーフィン
(16)：第１傾斜壁部
(17)：第２傾斜壁部
(18)：貫通穴

Claims (3)

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冷媒流路となっている二重管式熱交換器であって、
   第１冷媒流路内に蛇腹状インナーフィンが配置されており、インナーフィンに、内管の径方向外方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第１傾斜壁部と、外管の径方向内方に向かって第１冷媒流路内の冷媒流れ方向下流側に傾斜した円環状第２傾斜壁部とが交互に一体的に設けられており、両傾斜壁部の外周縁どうしの連接部が外管内周面に当接させられるとともに、両傾斜壁部の内周縁どうしの連接部が内管外周面に当接させられ、両傾斜壁部に複数の貫通穴が周方向に間隔をおいて形成されている二重管式熱交換器。
2. インナーフィンにおける隣接する第１傾斜壁部および第２傾斜壁部の貫通穴が、周方向にずれた位置に形成されている請求項１記載の二重管式熱交換器。
3. 両傾斜壁部の外周縁どうしの連接部が外管内周面にろう付されるとともに、両傾斜壁部の内周縁どうしの連接部が内管外周面にろう付されている請求項１または２記載の二重管式熱交換器。

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