JP2023070469A - 二重管式熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二重管を曲げる際に内管が割れるおそれが無く、外管と内管との間の流路断面積を縮小して冷媒量を減少することができる二重管式熱交換器、及び内管の加工及び外管の縮径加工が容易に行える二重管式熱交換器の製造方法を提供する。
【解決手段】外管２と、外管の内部に挿入された内管３とを備える二重管式熱交換器１において、内管３の外面に複数の底部１０ａと頂部１０ｂとが形成されている。外管２は縮径されて、外管２の内面の複数箇所Ｐが内管３の頂部１０ｂに接触している。外管２は、外管２の外面に軸方向に延びる凹溝６を形成することによって縮径され、外管２の内面７が内管３の頂部１０ｂに接触している。
【選択図】図２

Description

本発明は、外管と内管とを備えた二重管式熱交換器及びその製造方法に関する。

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。

二重管式熱交換器では、外管と内管との間に隙間があると、外力が作用したときに、外管の変形に内管が追従できず、内管が異常な変形や割れを起こすおそれがあるので、外管と内管とを接触させて固定することが行われている。

例えば、特許文献１には、外管と内管とを備え、内管に溝部が形成された二重管において、直管部では、内管が外管に接触していないか、径方向の一方向だけで接触し、曲げ部では、内管が外管の径方向の複数方向に接触している二重管が記載されている。

特許文献１では、外管の内部に内管を位置させたまま、外管と内管とを曲げることにより、外管と内管とを接触させているので、外管と内管とを曲げる際に、内管が割れるおそれがあるうえ、外管と内管とが接触しない箇所も生じていた。また、外管と内管とが接触しないと、外管と内管との間の流路の断面積が大きく、冷媒量が増大する。

特許文献２には、内管に伝熱面積を増大させて熱交換効率を増大させるための凹状の溝を形成した二重管式熱交換器と、内管に溝付け工具を押し付けたまま、内管を移動させて内管に凹状の溝を成形する製造方法とが記載されている。

特許文献２では、溝付け工具を用いる転造により内管の凹状の溝が形成されるため、製造装置が高価で、加工に長時間を要する問題があった。

本願出願人は、特許文献３において、内管に波型形状部を短時間で形成することができる二重管式熱交換器の製造方法を提案している。

特許第４３５００７９号明細書 特許第４６２８８５８号明細書 特開２０２０－８２１９２号公報

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、二重管を曲げる際に内管が変形したり割れるおそれが無く、外管と内管との間の流路断面積を縮小して冷媒量を減少することができる二重管式熱交換器、及び外管の縮径加工が容易に行える二重管式熱交換器の製造方法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、
（１）本発明に係る二重管式熱交換器は、
外管と、前記外管の内部に挿入された内管とを備える二重管式熱交換器において、
前記内管の外面に複数の底部と頂部とが形成され、
前記外管は縮径されて、前記外管の内面の複数箇所が前記内管の頂部に接触していることを特徴とする。
ここで、「縮径」とは、外管の外面の一部を径方向内方に変形させること、外管の外面の全周を径方向内方に変形させることを含む。

（２）前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することによって縮径されていることが好ましい。

（３）前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる凹溝を形成することによって縮径されていることが好ましい。

（４）前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる螺旋状の凹溝を形成することによって縮径されていることが好ましい。

（５）本発明に係る二重管式熱交換器の製造方法は、
外管と、前記外管の内部に挿入された内管とを備える二重管式熱交換器の製造方法において、
外面に複数の底部と頂部とが形成された内管に対して、前記外管を径方向内方に押圧して軸方向の所定範囲を縮径し、前記外管の内面の複数箇所を前記内管の頂部に接触させることを特徴とする。

（６）前記外管の回りに等間隔に配置された複数の可動片を前記外管に径方向内方に押し付けて縮径した後、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させ、これを複数回繰り返すことで、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することにより、縮径することが好ましい。

（７）前記外管の中心軸と直交する平面上に回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することにより、縮径することが好ましい。

（８）前記外管の中心軸と直交する平面上に回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる凹溝を形成することにより、縮径することが好ましい。

（９）前記外管の中心軸と平行な回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記ローラを前記外管の回りに旋回させるとともに、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる螺旋状の凹溝を形成することにより、縮径することが好ましい。

本発明の二重管式熱交換器によれば、外管の内面の複数箇所が内管の頂部に接触して、内管が外管に支持されているので、二重管を曲げる際に内管が変形したり割れるおそれが無い。また、外管が縮径されて、外管と内管との間の流路断面積が縮小されているので、冷媒量を減少することができる。

本発明の二重管式熱交換器の製造方法によれば、径方向に移動可能な複数の絞り工具を用いて、複数の絞り工具により外管を径方向内方に押圧するだけで、外管の縮径加工が容易に行える。

本発明に係る二重管式熱交換器の縦断面図。 図１の二重管式熱交換器のII-II線の拡大横断面図。 二重管式熱交換器を曲げた状態を示す斜視図。 外管を縮径して外管の内面を内管の波型形状部の頂部に接触させる方法の第１実施形態を示す側面図（ａ）、及びそのIVｂ-IVｂ線断面図（ｂ）。 図４の可動片により外管を縮径する方法を順に示す断面図。 図４の可動片による縮径後の外管と内管との拡大断面図。 図４の可動片による縮径後の外管に形成された凹部を示す正面図。 外管を縮径して外管の内面を内管の波型形状部の頂部に接触させる方法の第２実施形態を示す側面図。 図８のローラにより外管を縮径する方法を順に示す断面図。 図８のローラによる縮径後の外管と内管との拡大断面図。 図８のローラによる縮径後の外管に形成された凹部を示す正面図。 外管を縮径して外管の内面を内管の波型形状部の頂部に接触させる方法の第３実施形態を示す側面図。 図１２のローラにより外管を縮径する方法を順に示す断面図。 図１２のローラによる縮径後の外管と内管との拡大断面図。 図１２のローラによる縮径後の外管に形成された凹溝を示す正面図。 第３実施形態の変形例を示す正面図。 図１６のローラによる縮径後の外管と内管との拡大断面図。 外管を縮径して外管の内面を内管の波型形状部の頂部に接触させる方法の第４実施形態を示す側面図。 図１８のローラにより外管を縮径する方法を順に示す断面図。 図１８のローラによる縮径後の外管と内管との拡大断面図。 図１８のローラによる縮径後の外管に形成された凹溝を示す正面図。

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４には高温高圧の液体の冷媒が流れ、内管３内の第２流路５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４には低温低圧の気体の冷媒が流れ、第２流路５には高温高圧の冷媒が流れてもよく、また、両者は並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り、軸方向の所定範囲に後述する方法によって縮径された縮径部６を有している。外管２の縮径部６の内面７は、複数箇所Ｐにおいて、後述する内管３の波型形成部１０の頂部１０ｂに接触している。図１に示すように、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８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９とが形成されている。

図２に示すように、内管３は、横断面円形のアルミニウム押出形材からなり、外管２の内面より小さい外径を有している。内管３には、外側から見て、軸方向に延びる複数の底部１０ａと頂部１０ｂとが、周方向に交互に繰り返す８つの波型形状部１０が形成されている。波型形状部１０は、プレス、転造等により公知の方法で形成されている。波型形状部１０は、軸方向に螺旋状に延びるものであってもよい。図１に示すように、内管３は、一端に低温低圧の気体冷媒が流入する内管流入口１１を有し、他端に外管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１２を有している。

続いて、二重管式熱交換器１の作用を説明する。

図１において、外管２と内管３との間の第１流路４に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の管壁内面からの熱伝達とにより、内管３の第２流路５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４を流れる高温高圧の液体冷媒と、内管３内の第２流路５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４の高温高圧の液体冷媒は冷却され、内管３内の第２流路５の低温低圧の気体冷媒は加熱される。特に、内管３は、波型形状部１０を有する中央部の伝熱面積が、波型形状部１０を有さない場合に比べて大きいので、熱交換効率がよい。

前記実施形態の二重管式熱交換器１によれば、図２に示すように、外管２の内面の複数箇所が内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに接触して、内管３が外管２に支持されているので、図３に示すように、二重管を曲げる際に内管３が変形したり割れるおそれが無い。また、外管２が縮径されて、外管２と内管３との間の高圧の液体冷媒の流路断面積が縮小されているので、二重管式熱交換器１が設けられる冷凍サイクルに注入する冷媒量を減少することができる。

次に、二重管式熱交換器１の製造方法、特に、外管２を内管３に接触させる方法の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
図４は、外管２を内管３に接触させる第１実施形態の複数の可動片２１を示す。複数の可動片２１は、外管２の回りに等間隔に８つ配置されている。各可動片２１は、径方向の断面が扇形で、径方向内側の内面は、外管２の外周面より少し小さい半径の曲面からなり、軸方向に所定長さを有している。各可動片２１は、外管２の径方向に移動可能で、外管２を同時に押し付けることができる。

外管２の内側に内管３を挿入し、外管２の両端から内管３の両端部が突出するように配置した状態で、外管２を縮径する所定範囲Ｌの一端に複数の可動片２１を位置させる。ここで、複数の可動片２１は、内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂと対向するようにすることが好ましい。複数の可動片２１を径方向内方に移動し、外管２を押圧すると、図６に示すように、外管２の可動片２１に押圧された部分が径方向内方に内管３に向かって移動して、内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに接触した状態で塑性変形し、外管２の外面に凹部６ａを形成する。この凹部６ａが周方向に複数形成されて、縮径部６となる。

図５（ａ）に示すように、複数の可動片２１により１回目の凹部６ａを形成した後、図５（ｂ）に示すように、外管２の軸方向に移動させて、２回目の凹部６ａを形成し、これを複数回繰り返す。複数の可動片２１により先に形成された凹部６ａの軸方向長さｓと、次に形成される凹部６ａの軸方向長さｓとは、所定寸法ΔＬだけ、一部重なるようにする。複数回の長さｓの凹部６ａの形成を繰り返すことにより、図５（ｃ）に示すように、所定範囲Ｌに凹部６ａが形成される。なお、長さｓの凹部６ａは、軸方向に間隔を空けて、重ならないようにしてもよいし、周方向にずらせてもよい。

図７に示すように、複数の可動片２１の複数回の押圧により、外管２の外面に軸方向に延びる複数の凹部６ａが形成され、外管２の内面の複数箇所Ｐが内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに、直線状に接触する。周方向に隣接する凹部６ａの間には、複数の可動片２１で押圧されなかったために、軸方向に延びる凸部１３が形成される。

図１に示すように、内管３の両端部の波型形状部１０が形成されていない範囲の外周部に、外管２の両端部を径方向に締め付けた後、ろう付け又は溶接により固定する。続いて、外管２の一端側に外管流入口８を取り付け、他端側に外管流出口９を取り付ける。

第１実施形態の二重管式熱交換器１の製造方法によれば、径方向に移動可能な複数の可動片２１により外管２を径方向内方に押圧するだけで、外管２の縮径加工を容易に行える。

＜第２実施形態＞
第２実施形態以下の実施形態では、外管２を内管３に挿入及び配置する工程、及び外管２を内管３に固定する工程は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略し、外管２を内管３に接触させる工程のみ説明する。

図８は、外管２を内管３に接触させる第２実施形態の複数のローラ２２を示す。複数のローラ２２は、外管２の回りに等間隔に４つ配置されている。各ローラ２２は、外管２の中心軸と直交する平面上であって、外管２の中心を通る直線に対して直交する回転軸２２ａを有し、この回転軸２２ａの回りに回転可能である。ローラ２２は、中央部は径が小さく、両端に向かって径が大きくなる、所謂鼓形の外周面を有する。ローラ２２の軸芯を含む断面の円弧形状は、外管２の曲率半径より少し小さく、外管２の外周の約４分の１の長さを有する。各ローラ２２は、外管２の径方向に移動可能で、外管２を同時に押し付けることができる。ここで、複数のローラ２２は、内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂと対向するようにすることが好ましい。

図９（ａ）に示すように、外管２を縮径する所定範囲Ｌの一端にローラ２２を位置させ、複数のローラ２２を径方向内方に移動し、外管２を押圧すると、外管２は、径方向内方に内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに向かって塑性変形し、図１０に示すように、外管２の内面の複数箇所Ｐが内管３の頂部１０ｂに接触する。図９（ｂ）に示すように、ローラ２２を内管３に押し付けたまま、外管２を軸方向にスライドさせると、図１１に示すように、ローラ２２により、外管２の外面に軸方向に延びる凹部６ｂが形成され、管２の内面の複数箇所が内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに、直線状に接触する。周方向に隣接する凹部６ｂの間には、複数のローラ２２で押圧されなかったために、軸方向に延びる凸部１４が形成される。

第２実施形態の二重管式熱交換器１の製造方法によれば、径方向に移動可能な複数のローラ２２により外管２を径方向内方に押圧し、外管２を軸方向に移動させるだけで、外管２の縮径加工を容易に行える。

＜第３実施形態＞
図１２は、外管２を内管３に接触させる第３実施形態の複数のローラ２３を示す。複数のローラ２３は、外管２の回りに等間隔に４つ配置されている。各ローラ２３は、外管２の中心軸と直交する平面上であって、外管２の中心を通る直線に対して直交する回転軸２３ａを有し、この回転軸２３ａの回りに回転可能である。ローラ２３は、第２実施形態のローラ２２よりも幅が狭く、円弧又は平面の外周面を有する。各ローラ２３は、外管２の径方向に移動可能で、外管２を同時に押し付けることができる。ここで、複数のローラ２３は、内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂと対向するようにすることが好ましい。

図１３（ａ）に示すように、外管２を縮径する所定範囲Ｌの一端に複数のローラ２３を位置させ、複数のローラ２３を径方向内方に移動し、外管２を押圧すると、外管２は、径方向内方に内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに向かって塑性変形し、図１４に示すように、外管２の内面の複数箇所Ｐが内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに接触する。図１３（ｂ）に示すように、ローラ２３を内管３に押し付けたまま、外管２を軸方向にスライドさせると、図１５に示すように、ローラ２３により、外管２の外面に軸方向に延びる凹溝６ｃが形成され、外管２の内面の複数箇所が内管３の波型形状部１０の頂部１０ｂに、直線状に接触する。

第３実施形態の二重管式熱交換器１の製造方法によれば、径方向に移動可能な複数のローラ２３により外管２を径方向内方に押圧し、外管２を軸方向に移動させるだけで、外管２の縮径加工を容易に行える。また、外管２の内面の複数箇所を内管３の波型形成部１０の頂部１０ｂに接触させるので、外管２と内管３との間の第１流路４が狭くならない。

第３実施形態では、図１２に示すように、波型形状部１０の頂部１０ｂにローラ２３が対向するように周方向に配置し、複数のローラ２３により外管２を径方向内方に押圧して、外管２を塑性変形させて、外管２の内面の複数箇所を内管３の波型形成部１０の頂部１０ｂに接触させているが、図１６に示すように、波型形状部１０の底部１０ａにローラ２３が対向するように周方向に配置し、複数のローラ２３により外管２を径方向内方に押圧して、外管２を塑性変形させて、図１７に示すように、ローラ２３の両側の外管２の内面の複数箇所Ｐを、内管３の波型形成部１０の頂部１０ｂに接触させてもよい。

＜第４実施形態＞
図１８は、外管２を内管３に接触させる第４実施形態の複数のローラ２４を示す。複数のローラ２４は、外管２の回りに等間隔に４つ配置されている。各ローラ２４は、外管２の中心軸と平行な回転軸２４ａを有し、この回転軸２４ａの回りに回転可能である。ローラ２４は、第２実施形態のローラ２２よりも幅が狭く、円弧又は平面の外周面を有する。各ローラ２４は、外管２の径方向に移動可能で外管２を同時に押し付けることができるとともに、外管２の回りに旋回可能になっている。図１８では、ローラ２４の数は４つに限らず、任意であるが、３つであることが好ましい。

図１９（ａ）に示すように、ローラ２４を外管２に押し付けたまま、ローラ２４を外管２の回りに旋回させ、かつ、外管２を軸方向にスライドさせると、ローラ２４により、図１９（ｂ）、図２１に示すように、外管２の外面に軸方向に延びる螺旋状の凹溝６ｄが形成され、図２０に示すように、外管２の内面の複数箇所Ｐが内管３の頂部１０ｂに接触する。

第４実施形態の二重管式熱交換器１の製造方法によれば、径方向に移動可能な複数のローラ２４により外管２を径方向内方に押圧して外管２の回りに旋回させながら、外管２を軸方向に移動させるだけで、外管２の縮径加工を容易に行える。

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、前記実施形態では、内管３に８つの波型形状部１０を設けたが、８つに限るものではなく、複数設ければよい。また、波型形状部１０の底部１０ａと頂部１０ｂとの間の高さも適宜変更することができる。さらに、波型形状部１０は、軸方向に螺旋状に延びる複数の底部１０ａと頂部１０ｂとが、周方向に繰り返すようにしてもよい。

１…二重管式熱交換器
２…外管
３…内管
４…第１流路
５…第２流路
６…縮径部
６ａ、６ｂ…凹部
６ｃ、６ｄ…凹溝
７…内面
８…外管流入口
９…外管流出口
１０…波型形状部
１０ａ…底部
１０ｂ…頂部
１１…内管流入口
１２…内管流出口
１３、１４…凸部
２１…可動片
２２、２３、２４…ローラ

Claims (9)

1. 外管と、前記外管の内部に挿入された内管とを備える二重管式熱交換器において、
   前記内管の外面に複数の底部と頂部とが形成され、
   前記外管は縮径されて、前記外管の内面の複数箇所が前記内管の頂部に接触していることを特徴とする二重管式熱交換器。
2. 前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することによって縮径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。
3. 前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる凹溝を形成することによって縮径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。
4. 前記外管は、前記外管の外面に軸方向に延びる螺旋状の凹溝を形成することによって縮径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。
5. 外管と、前記外管の内部に挿入された内管とを備える二重管式熱交換器の製造方法において、
   外面に複数の底部と頂部とが形成された内管に対して、前記外管を径方向内方に押圧して軸方向の所定範囲を縮径し、前記外管の内面の複数箇所を前記内管の頂部に接触させることを特徴とする二重管式熱交換器の製造方法。
6. 前記外管の回りに等間隔に配置された複数の可動片を前記外管に径方向内方に押し付けて、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させ、これを複数回繰り返すことで、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することにより、縮径することを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器の製造方法。
7. 前記外管の中心軸と直交する平面上に回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる凹部を形成することにより、縮径することを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器の製造方法。
8. 前記外管の中心軸と直交する平面上に回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる凹溝を形成することにより、縮径することを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器の製造方法。
9. 前記外管の中心軸と平行な回転軸を有する複数のローラを前記外管に押し付けたまま、前記ローラを前記外管の回りに旋回させるとともに、前記外管と前記内管とを軸方向に移動させて、前記ローラにより、前記外管の外面に軸方向に延びる螺旋状の凹溝を形成することにより、縮径することを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器の製造方法。
   
   

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