JP2019113276A

JP2019113276A - 二重管式熱交換器

Info

Publication number: JP2019113276A
Application number: JP2017248514A
Authority: JP
Inventors: 勝幸 ▲浜▼田; Katsuyuki Hamada; 恭平牛丸; Kyohei Ushimaru
Original assignee: Nichirin Co Ltd
Current assignee: Nichirin Co Ltd
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP7012351B2

Abstract

【課題】内管の中心部を流れる流体も熱交換に寄与し、熱交換効率がよいうえ、製造が容易な二重管式熱交換器を提供する。【解決手段】外管２と、外管の内部に挿入された内管３とからなり、外管と内管との間に第１流路５が形成され、内管の内部に第２流路６が形成された二重管式熱交換器１において、内管の内壁面に、長手方向に延びる複数のリブ９が周方向に形成されている。内管の内側に、長手方向に複数の孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成された孔開き管４が挿入され、孔開き管の外面が内管のリブに接触又は近接している。【選択図】図３

Description

本発明は、外管と内管とを備えた二重管式熱交換器に関する。

カーエアコンには、冷凍サイクルを構成するコンデンサからの高温の液体冷媒と、同じく冷凍サイクルを構成するエバポレータからの低温の気体冷媒とを熱交換させて、エバポレータの冷房効率を向上させる内部熱交換器が用いられている場合がある。この内部熱交換器は、外管と、該外管内に配置された内管とからなり、外管と内管との間にコンデンサからの高温の液体冷媒の流路が形成され、内管の内部にエバポレータからの低温の気体冷媒の流路が形成された二重管式熱交換器である。

二重管式熱交換器は、内管の内外の壁面を介して熱交換が行われるため、内管の内面近くを流れる冷媒は熱交換に寄与するが、中心部を流れる冷媒は熱交換に寄与しているとは言い難い。従来、内管の中心部を流れる冷媒も熱交換に寄与させるため、内管の内面にフィンを設けることが提案されている。

例えば、特許文献１には、内管の内周面に、径方向内方に突出し、かつ、内管の軸線の周りに捩じられた複数の螺旋状内部フィンが、周方向に間隔をおいて一体に設けられた二重管式熱交換器が記載されている。この二重管式熱交換器では、内管内の冷媒流路との伝熱面積が大きくなり、熱交換性能が向上するとされているが、内部フィンより内側の冷媒流路を流れる冷媒は、依然として熱交換に寄与していないという問題がある。

特許文献２には、内管の内面に、液体の流れに対向する端面を有するフィンを設けた二重管式熱交換器が記載されている。この二重管式熱交換器では、内管を流れる液体はフィンの端面に衝突して乱流となり、この乱流効果による熱伝達効率が向上するとされているが、フィンよりさらに内側の中心部を流れる液体は、依然として熱交換に寄与していないし、フィンの長手方向に複数の端面を形成することが困難であるという問題がある。

特許第５２０２０３０号明細書実開平０５−９０１７５号公報

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、内管の中心部を流れる流体も熱交換に寄与し、熱交換効率がよいうえ、製造が容易な二重管式熱交換器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、外管と、前記外管の内部に挿入された内管とからなり、前記外管と前記内管との間に第１流路が形成され、前記内管の内部に第２流路が形成された二重管式熱交換器において、
前記内管の内壁面に、長手方向に延びる複数のリブが周方向に形成され、
前記内管の内側に、長手方向に複数の孔が形成された孔開き管が挿入され、前記孔開き管の外面が、前記内管の前記リブに接触又は近接しているものである。

本発明では、第１流体と第２流体との熱交換は、内管の管壁を介して行われる。外管と内管との間の第１流路に高温高圧の第１流体が流れ、内管の内部の第２流路に低温低圧の第２流体が流れる場合について説明すると、内管の中心部を流れる第２流体は、孔開き管の孔から内管と孔開き管との間に流れ込み、また、内管と孔開き管との間を流れる第２流体は、孔開き管の孔から孔開き管の内側の内管中心部に流れ込む。このようにして、孔開き管の孔を介して、内管の中心部を流れる第２流体と内管の内壁近傍を流れる第２流体とが入れ替わるので、内管の中央部を流れる第２流体との熱交換が効率よく行われ、内管の中心部を流れる第２流体も熱交換に寄与することになる。

前記孔開き管は、前記内管の第２流路の上流側の端部に、下流側よりも外径が小さい先端縮径部が形成されている。
この先端縮径部により、内管を流れる流体のうち、内管の管壁内面から離れた部分を流れる流体は、孔開き管の外側に案内され、孔開き管と内管との間に流入して、そこを流れる流体を撹拌し、流速の増加と乱流を引き起こすので、内管の管壁内面及びリブからの熱伝達が促進する。このように、内管の第２流路の中央部付近を流れる第２流体も熱交換に寄与するので、熱交換効率がよい。

前記孔開き管は、長手方向中間部に、上流側及び下流側よりも外径が小さい中間縮径部が形成されている。
中間縮径部により、孔開き管の内側を流れる流体は、縮小して、孔開き管の孔から孔開き管の外側に流出し、孔開き管と内管との間を流れる流体を撹拌し、乱流を引き起こすので、内管の管壁内面及びリブからの熱伝達が促進する。このように、内管の第２流路の中央部付近を流れる第２流体も熱交換に寄与するので、熱交換効率がよい。

前記中間縮径部の上流側端部と前記孔開き管との間の上流側遷移部に、前記孔開き管の孔が形成されていることが好ましい。

前記中間縮径部の下流側端部と前記孔開き管との間の下流側遷移部に、前記孔開き管の孔が形成されていることが好ましい。

前記中間縮径部の中間に、前記孔開き管の孔が形成されていることが好ましい。

本発明によれば、孔開き管の孔を介して、内管の中心部を流れる第２流体と内管の内壁近傍を流れる第２流体とが入れ替わるので、内管の中央部を流れる第２流体との熱交換が効率よく行われ、内管の中心部を流れる第２流体も熱交換に寄与し、熱交換効率が向上する。また、孔開き管を内管に挿入するだけであるので、容易に製造することができる。

本発明の第１実施形態に係る二重管式熱交換器の縦断面図。図１のII−II線の拡大横断面図。図１の二重管式熱交換器の外管、内管及び孔開き管を示す斜視図。図１の部分拡大図。本発明の第２実施形態に係る二重管式熱交換器の外管、内管及び孔開き管を示す斜視図。図５の二重管式熱交換器の一部縦断面図。本発明の第３実施形態に係る二重管式熱交換器の外管、内管及び孔開き管を示す斜視図。図７の二重管式熱交換器の一部縦断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る二重管式熱交換器１を示す。この二重管式熱交換器１は、外管２と、外管２の内部に挿入された内管３と、内管３に挿入された孔開き管４とからなる。本実施形態では、二重管式熱交換器１は、カーエアコン用の内部熱交換器であり、外管２と内管３との間の第１流路５には高温高圧の液体の冷媒が流れ、内管３内の第２流路６には低温低圧の気体の冷媒が流れ、両冷媒は対向流であるとして説明するが、逆に第１流路５には低温低圧の気体の冷媒が流れ、第２流路６には高温高圧の冷媒が流れてもよく、また、両者は平行流であってもよい。

図２に示すように、外管２は、横断面円形のアルミニウム押出形材からなっている。外管２の内面には、長手方向に延びる図示しない複数のリブが周方向に等間隔に形成されているが、不等間隔に形成されていてもよい。外管２の両端は、内管３の外面に接合されて閉じられている。外管２には、高温高圧の液体冷媒が流入する外管流入口７と、内管３の気体冷媒と熱交換を終えた液体冷媒が流出する外管流出口８とが形成されている。

内管３は、横断面円形のアルミニウム押出形材からなっている。内管３の内面には、長手方向に延びる複数のリブ９が周方向に等間隔に形成されている。リブ９は、長手方向に螺旋状に捩じられていてもよいし、真直であってもよい。内管３の一端は、低温低圧の気体冷媒が流入する内管流入口１０と、外管２と内管３との間の液体冷媒との熱交換を終えた気体冷媒が流出する内管流出口１１とを有している。

孔開き管４は、図３に示すように、内管３の中心軸に沿って延び、少なくとも外管２と内管３との熱交換領域の長さと、ほぼ同じ長さを有している。孔開き管４は、内管３のリブ９の先端に接触又は近接する外径を有している。孔開き管４は、ステンレス鋼、アルミニウムなどの熱伝導性が良い金属製材料が好ましいが、合成樹脂材料で形成されてもよい。孔開き管４は、横断面内で変形可能であり、また、長手方向の中心軸を中立軸とする曲げに対しても変形可能である。

孔開き管４には、長手方向に一定ピッチで第１列の複数の孔１２ａと、第２列の複数の孔１２ｂと、第３列の複数の孔１２ｃと、第４列の複数の孔１２ｄとが形成されている。第１列の孔１２ａと、第２列の孔１２ｂと、第３列の孔１２ｃと、第４列の複数の孔１２ｄとは、図２に示すように、周方向に等間隔に配列されるとともに、長手方向に千鳥配列となるように形成されている。孔開き管４の外径が１６ｍｍの場合、孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの径は、５〜８ｍｍで、ピッチは２５〜５０ｍｍ（各列では５０〜１００ｍｍ）が好ましい。

次に、二重管用熱交換器１の作用を説明する。図２において、外管２と内管３との間の第１流路５を流れる高温高圧の液体冷媒が保有する熱は、内管３の管壁外面への熱伝達と、内管３の管壁内の熱伝導と、内管３の管壁内面及びリブ９からの熱伝達とにより、内管３の第２流路６を流れる低温低圧の気体冷媒に伝わる。

これにより、外管２と内管３との間の第１流路５を流れる高温高圧の液体冷媒と、内管３内の第２流路６を流れる低温低圧の気体冷媒との間で熱交換が行なわれ、外管２と内管３との間の第１流路５の高温高圧の液体冷媒は冷却され、内管３内の第２流路６の低温低圧の気体冷媒は加熱される。なお、以下の説明において、便宜上、気体冷媒及び液体冷媒は、単に流体という。

内管３の内側には、孔開き管４が設けられているので、図４に示すように、孔開き管４の内側の流体の一部は、孔開き管４の孔１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを通って、孔開き管４の外側に流出する。孔開き管４の外側に流出した流体は、孔開き管４と内管３との間を流れる流体を撹拌して乱流を引き起こすので、内管３の管壁内面及びリブ９からの熱伝達が促進する。このように、内管３の第２流路６の中央部１２付近を流れる流体も熱交換に寄与するので、熱交換効率がよい。

孔開き管４は、横断面内で変形可能であり、また、曲げに対しても変形可能であるので、二重管式熱交換器１を設置場所に応じて、容易に曲げ加工することができる。

図５は、本発明の第２実施形態に係る二重管式熱交換器１ａを示す。この二重管式熱交換器１ａは、内管３の第２流路６の上流側における孔開き管４の端部に、下流側の孔開き管４の本体部分よりも外径が縮小された先端縮径部１３が形成されている以外は、第１実施形態に係る二重管式熱交換器１と同様であるので、対応する部分には、同一符号を附して説明を省略する。

孔開き管４の先端縮径部１３は、図５，６では、真直部１３ａとテーパ部１３ｂとからなるが、真直部１３ａがなくて、テーパ部１３ｂだけでもよい。真直部１３ａの外径及びテーパ部１３ｂの小径端の径は、孔開き管４の本体部分の外径の６０〜９０％が好ましく、真直部１３ａの外壁面と内管３の内壁面との間の間隔が、内管３のリブ９の高さの２倍以上であればよい。

このように、孔開き管４の上流側に先端縮径部１３を有するので、内管３を流れる流体のうち、内管３の管壁内面から離れた部分を流れる流体は、先端縮径部１３で孔開き管４の外側に案内され、孔開き管４と内管３との間に流入して、そこを流れる流体を撹拌し、流速の増加と乱流を引き起こすので、内管３の管壁内面及びリブ９からの熱伝達が促進する。このように、内管３の第２流路６の中央部付近を流れる流体も熱交換に寄与するので、熱交換効率がよい。

図７は、本発明の第３実施形態に係る二重管式熱交換器１ｂを示す。この二重管式熱交換器１ｂは、孔開き管４の中間部分に、その上流側及び下流側よりも外径が縮小された中間縮径部１４が形成されている以外は、第１実施形態及び第２実施形態に係る二重管式熱交換器１，１ａと同様であるので、対応する部分には、同一符号を附して説明を省略する。なお、図７では、先端縮径部１３が設けられているが、無くてもよい。

孔開き管４の中間縮径部１４は、図７，８では、真直部１４ａと、その両側のテーパ状の遷移部１４ｂ，１４ｃとからなる。真直部１４ａの外径は、孔開き管４の本体部分の外径の６０〜８０％が好ましく、真直部１４ａの外壁面と内管３の内壁面の間の間隔が、内管３のリブ９の高さの２倍以上であればよい。真直部１４ａの長さは、真直部１４ａの外径の２〜５倍が好ましい。

中間縮径部１４の上流側端部と孔開き管４の本体部分との間の上流側遷移部１４ａに、孔１５ａが形成されている。同様に、中間縮径部１４の下流側端部と孔開き管４の本体部分との間の下流側遷移部１４ｃにも、孔１５ｂが形成されている。さらに、中間縮径部１４の中間に、孔１５ｃが形成されている。孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、それぞれ周方向に等間隔に複数設けることが好ましい。

このように、孔開き管４の中間部分に中間縮径部１４を有するので、孔開き管４の内側を流れる流体の一部は、中間縮径部１４の上流側遷移部１４ｂの孔１５ａから中間縮径部１４の外側に流出して、孔開き管４と内管３との間の流体を撹拌し、乱流を引き起こす結果、内管３の管壁内面及びリブ９からの熱伝達が促進する。

また、中間縮径部１４で孔開き管４の外側を流れる流体の一部は、中間縮径部１４の下流側遷移部１４ｃの孔１５ｂから孔開き管４内に流入し、残りの流体は、孔開き管４と内管３との間で流速を速めて流れるので、内管３の管壁内面及びリブ９からの熱伝達が促進する。

このように、内管３の第２流路６の中央部付近を流れる流体は、熱交換に寄与し、また、内管３と孔開き管４との間を流れる流体は、中間縮径部１４で縮小と拡大との作用を受けるので、乱流と速度との増加により、熱交換効率がよくなる。また、孔開き管４に孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃが設けられているので、孔開き管４の内側を流れる流体に対する消音効果も期待できる。さらに、中間縮径部１４の内側を流れる流体は、ベンチュリ効果により減圧するので、中間縮径部１４の外側を流れる流体の一部は、中間縮径部１４の中間の孔１５ｃから、中間縮径部１４の内側に吸い込まれる。この結果、孔開き管４の内外の流体の入れ替わりが促進され、熱交換効率がさらに向上する。

本発明は、以上の実施形態に限るものではなく、種々変更が可能である。例えば、孔開き管４は、上流側だけでなく、下流側にも先端縮径部１３を設けてもよいし、中間縮径部１４は、真直部１４ａがなくて、遷移部１４ａ，１４ｂだけでもよい。

１,１ａ,１ｂ…二重管式熱交換器
２…外管
３…内管
４…孔開き管
５…第１流路
６…第２流路
７…外管流入口
８…外管流出口
９…リブ
１０…内管流入口
１１…内管流出口
１２ａ，ｂ，ｃ，ｄ…孔
１３…先端縮径部
１３ａ…真直部
１３ｂ…テーパ部
１４…中間縮径部
１４ａ…真直部
１４ｂ…上流側遷移部
１４ｃ…下流側遷移部
１５ａ，ｂ，ｃ…孔

Claims

外管と、前記外管の内部に挿入された内管とからなり、前記外管と前記内管との間に第１流路が形成され、前記内管の内部に第２流路が形成された二重管式熱交換器において、
前記内管の内壁面に、長手方向に延びる複数のリブが周方向に形成され、
前記内管の内側に、長手方向に複数の孔が形成された孔開き管が挿入され、前記孔開き管の外面が、前記内管の前記リブに接触又は近接していることを特徴とする二重管式熱交換器。
前記孔開き管は、前記内管の第２流路の上流側の端部に、下流側よりも外径が小さい先端縮径部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
前記孔開き管は、長手方向中間部に、上流側及び下流側よりも外径が小さい中間縮径部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の二重管式熱交換器。
前記中間縮径部の上流側端部と前記孔開き管との間の上流側遷移部に、前記孔開き管の孔が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の二重管式熱交換器。
前記中間縮径部の下流側端部と前記孔開き管との間の下流側遷移部に、前記孔開き管の孔が形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の二重管式熱交換器。
前記中間縮径部の中間に、前記孔開き管の孔が形成されていることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の二重管式熱交換器。