JP2015017762A - 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向上させることができ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内に間隔をおいて配置された内管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となるとともに内管３内が第２冷媒流路５となっている。内管３の内周面に沿って、波頂部15a、波底部15bおよび波頂部15aと波底部15bとを連結する連結部15cからなり、かつ波頂部15aおよび波底部15bが第２冷媒流路５での冷媒流れ方向を向いたコルゲート状フィン15を、第２冷媒流路５での冷媒流れ方向に並んで複数配置する。フィン15の連結部15cに冷媒通過穴を形成する。第２冷媒流路５での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィン15の波頂部15aどうし、波底部15bどうしおよび連結部15cどうしが内管３の周方向にずれている。
【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配置さ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向上させて、全体の長さを短くしうる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、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向上させることができ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、
内管の内周面に沿って、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部からなり、かつ波頂部および波底部が第２冷媒流路での冷媒流れ方向を向いたコルゲート状フィンが、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に並んで複数配置され、各フィンの波頂部が内管内周面に接合され、フィンの連結部に冷媒通過穴が形成され、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィンの波頂部どうし、波底部どうしおよび連結部どうしが内管の周方向にずれている二重管式熱交換器。

2)フィンの連結部に、波頂部から波底部に向かう方向にのびる複数のルーバが第２冷媒流路での冷媒流れ方向に間隔をおいて設けられ、ルーバが設けられることにより連結部に冷媒通過穴が形成されている上記1)記載の二重管式熱交換器。

3)連結部に設けられた全てのルーバが、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に対して同一方向に傾斜している上記2)記載の二重管式熱交換器。

4)内管の外周面に、外方に突出した複数のスパイラル状凸条が形成されており、スパイラル状凸条のねじれ方向が、ルーバの存在により内管の第２冷媒流路内に生じる冷媒の旋回流の流れの向きとは逆向きになっている上記3)記載の二重管式熱交換器。

上記1)〜4)の二重管式熱交換器によれば、内管の内周面に沿って、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部からなり、かつ波頂部および波底部が第２冷媒流路での冷媒流れ方向を向いたコルゲート状フィンが、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に並んで複数配置され、各フィンの波頂部が内管内周面に接合されているので、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る。また、フィンの連結部に冷媒通過穴が形成されているので、フィンの連結部に形成された冷媒通過穴の働きにより第２冷媒流路内を流れる冷媒が攪拌される。さらに、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィンの波頂部どうし、波底部どうしおよび連結部どうしが内管の周方向にずれているので、冷媒が、第２冷媒流路内を冷媒流れ方向上流側に位置するフィンから同下流側に位置するフィンに流れる際に、周方向の流れ成分が生じ、第２冷媒流路内を流れる冷媒が攪拌される。したがって、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し、その結果二重管式熱交換器の全体の長さを短縮することが可能になる。

上記2)の二重管式熱交換器によれば、フィンの連結部に比較的簡単に冷媒通過穴を形成することができる。

上記3)の二重管式熱交換器によれば、内管内の第２冷媒流路において、内管の軸線の周りの一方向に流れる冷媒の流れが生じ、第２冷媒流路内を流れる冷媒が効果的に攪拌される。

上記4)の二重管式熱交換器によれば、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。

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Ａ−Ａ線拡大断面図である。 図３の一部拡大図である。 図１の二重管式熱交換器の内管内の第２冷媒流路に配置されるフィンの連結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第２の実施形態を示す図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。

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５はその要部の構成を示し、図６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３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)の両端寄りの部分に、それぞれ第１冷媒流路(4)に通じるように拡管部(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。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。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。高圧冷媒流入パイプ(11)がろう付された拡管部(7)は、高圧冷媒流入パイプ(11)から送り込まれた冷媒を第１冷媒流路(4)の全周にわたって分流させる分流部となり、高圧冷媒流出パイプ(12)がろう付された拡管部(8)は、第１冷媒流路(4)を流れてきた冷媒を合流させて高圧冷媒流出パイプ(12)に送り出す合流部となっている。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、これにより両拡管部(7)(8)の外端、すなわち第１冷媒流路(4)の両端が閉鎖されている。

第１冷媒流路(4)が存在する部分、すなわち外管(2)の両縮管部(14)間の部分において、内管(3)の内周面に沿って複数のアルミニウム製コルゲート状フィン(15)が、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に並んで配置されている。フィン(15)は、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に延びる波頂部(15a)、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に延びる波底部(15b)および波頂部(15a)と波底部(15b)とを連結する連結部(15c)からなり、波頂部(15a)が内管(3)内周面にろう付（接合）されている。

図２および図４に示すように、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィン(15)の波頂部(15a)どうし、波底部(15b)どうしおよび連結部(15c)どうしは、内管(3)の周方向にずれている。

図５に示すように、フィン(15)の連結部(15c)には、波頂部(15a)から波底部(15b)に向かう方向（内管(3)の径方向）にのびる複数のルーバ(16)が第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に間隔をおいて設けられており、これにより連結部(15c)に複数の冷媒通過穴(17)が形成されている。フィン(15)の連結部(15c)に設けられた全てのルーバ(16)は、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に対して同一方向に傾斜している。フィン(15)は、通常の製造方法によって、連結部(15c)が１直線上に並ぶように形成された後、円筒状に丸められ、この状態で内管(3)内に配置される。

内管(3)の外周面には、長手方向にのびる複数の直線状の凸条(28)が周方向に間隔をおいて一体に設けられている。

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６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６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)の全周にわたって分流させられる。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。

このとき、第２冷媒流路(5)内に流入した冷媒は、フィン(15)の連結部(15c)に設けられたルーバ(16)および冷媒通過穴(17)の働きによって、内管(3)内の第２冷媒流路(5)を、内管(3)の軸線の周りに旋回しつつ流れるので、第２冷媒流路(5)内を流れる冷媒が効果的に攪拌される。しかも、第２冷媒流路(5)での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィン(15)の波頂部(15a)どうし、波底部(15b)どうしおよび連結部(15c)どうしが内管(3)の周方向にずれているので、冷媒が、第２冷媒流路(5)内を冷媒流れ方向上流側に位置するフィン(15)から同下流側に位置するフィン(15)に流れる際に、周方向の流れ成分が生じ、第２冷媒流路(5)内を流れる冷媒が攪拌される。したがって、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効果的に向上する。

図７はこの発明による二重管式熱交換器の第２の実施形態を示す。

図７に示す二重管式熱交換器(30)において、内管(3)の外周面に、外方に突出した複数のスパイラル状凸条(31)が形成されている。スパイラル状凸条(31)のねじれ方向は、フィン(15)の連結部(15c)に形成されたルーバ(16)の存在により内管(3)の第２冷媒流路(5)内に生じる冷媒の旋回流の流れの向きとは逆向きになっている。スパイラル状凸条(31)を有する内管(3)は、たとえば長手方向にのびる複数の直線状の凸条が周方向に間隔をおいて一体に設けられているアルミニウム押出形材製管を、軸線の周りにねじることにより形成される。

その他の構成は、図１〜図５に示す第１の実施形態の二重管式熱交換器(1)と同様である。

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)(30)：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)：フィン
(15a)：波頂部
(15b)：波底部
(15c)：連結部
(16)：ルーバ
(17)：冷媒通過穴
(31)：スパイラル状凸条

Claims (4)

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、
   内管の内周面に沿って、波頂部、波底部および波頂部と波底部とを連結する連結部からなり、かつ波頂部および波底部が第２冷媒流路での冷媒流れ方向を向いたコルゲート状フィンが、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に並んで複数配置され、各フィンの波頂部が内管内周面に接合され、フィンの連結部に冷媒通過穴が形成され、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に隣接する２つのフィンの波頂部どうし、波底部どうしおよび連結部どうしが内管の周方向にずれている二重管式熱交換器。
2. フィンの連結部に、波頂部から波底部に向かう方向にのびる複数のルーバが第２冷媒流路での冷媒流れ方向に間隔をおいて設けられ、ルーバが設けられることにより連結部に冷媒通過穴が形成されている請求項１記載の二重管式熱交換器。
3. 連結部に設けられた全てのルーバが、第２冷媒流路での冷媒流れ方向に対して同一方向に傾斜している請求項２記載の二重管式熱交換器。
4. 内管の外周面に、外方に突出した複数のスパイラル状凸条が形成されており、スパイラル状凸条のねじれ方向が、ルーバの存在により内管の第２冷媒流路内に生じる冷媒の旋回流の流れの向きとは逆向きになっている請求項３記載の二重管式熱交換器。

Images