JP5202029B2

JP5202029B2 - 二重管式熱交換器

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Publication number: JP5202029B2
Application number: JP2008044047A
Authority: JP
Inventors: 和美鴇崎; 直久東山; 康太有野
Original assignee: Keihin Thermal Technology Corp
Current assignee: Mahle Behr Thermal Systems Japan Ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009204165A

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二重管式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、コンデンサから出てきた冷媒が、二重管式熱交換器において、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二重管式熱交換器は、外管と、外管内に間隔をおいて配置された内管とを備え、内管の外周面に、管壁を変形させることにより螺旋状の溝部が形成され、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高温冷媒流路となるとともに、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冷温冷媒流路となり、内管の両端部が外管の両端部よりも外側に突出させられ、外管の両端部が内管の両端部にろう付され、内管の両端部における外管よりも外側に突出させられた部分が屈曲させられたサクション配管となされ、サクション配管にジョイントが設けられたものである。

しかしながら、特許文献１記載の中間熱交換器の場合、高温冷媒流路と冷温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。
特開２００７−１５５２４７号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、熱交換性能の優れた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および内管内がそれぞれ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、外管の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条が周方向に間隔をおいて設けられ、外管の内周面のすべての凸条が、内管の内部フィンに対して周方向にずれており、内管の少なくとも一端部が外管の端部よりも外側に突出させられ、内管の少なくとも一端部における外管よりも外側に突出させられた部分に、管状冷媒流通部材の端部が、外管と間隔をおくように嵌め被せられ、外管における内管よりも外側に突出させられた側の端部に、径方向外方から径方向内方に加圧されることにより縮径部が形成され、外管の凸条が縮径部により潰されるとともに、凸条が内管外周面に食い込ませられ、外管の縮径部の内周面および冷媒流通部材の端部の内周面と内管の外周面とがろう付され、外管と冷媒流通部材とに跨るようにフィレットが形成されている二重管式熱交換器。

2)外管と冷媒流通部材との間隔が３〜１０ｍｍである上記1)記載の二重管式熱交換器。

上記1)の二重管式熱交換器によれば、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ているので、内外両管間の冷媒流路と、内管内の冷媒流路との間の伝熱面積が、特許文献１記載の二重管式熱交換器に比較して大きくなり、熱交換性能が向上する。特に、上記1)の二重管式熱交換器が特許文献１記載の冷凍サイクルに用いられた場合、内管内の冷媒流路には熱伝達率が比較的低い気相冷媒が流れることになるが、内部フィンの働きにより、気相冷媒が流れる内管内の冷媒流路側の伝熱面積が大きくなるので、二重管式熱交換器の性能が向上する。また、内管の少なくとも一端部が外管の端部よりも外側に突出させられ、内管の少なくとも一端部における外管よりも外側に突出させられた部分に、管状冷媒流通部材の端部が、外管と間隔をおくように嵌め被せられ、外管の端部の内周面および冷媒流通部材の端部の内周面と内管の外周面とがろう付されているので、次のような効果を奏する。すなわち、内管に内部フィンが設けられている場合、特許文献１記載の二重管式熱交換器のように、内管の両端部を外管の両端部よりも外側に突出させるとともに、内管における外管よりも外側に突出した部分に屈曲されたサクション配管およびジョイントを形成することは、極めて困難である。しかしながら、上記1)の二重管式熱交換器のように構成されていると、冷媒流通部材をサクション配管として用いれば、内管にろう付する前に、所望の曲がり形状に簡単に加工することができるとともに、冷媒流通部材にジョイントを簡単に形成することもできるので、加工性が向上する。しかも、外管と冷媒流通部材とに跨るようにフィレットが形成されているので、内管と外管および冷媒流通部材とのろう付を同時に行うことができ、ろう付作業性が向上する。

上記2)の二重管式熱交換器によれば、外管と冷媒流通部材との間隔が３〜１０ｍｍであるから、内管と、外管の端部および冷媒流通部材の端部との同時ろう付を、確実かつ簡単に行うことができる。

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。

実施形態１
この実勢形態は図１〜図７に示すものである。

図１はこの発明による二重管式熱交換器の実施形態１の全体構成を示し、図２〜図６はその要部の構成を示す。また、図７は図１の二重管式熱交換器を二重管式熱交換器として用いた冷凍サイクルを示す。

図１〜図４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いる。

外管(2)の両端よりも長さ方向の若干内側部分に、それぞれ膨管部(6)(7)が形成されている。外管(2)における一方の膨管部(6)の管壁には冷媒入口（図示略）が形成され、同他方の膨管部(7)の管壁には冷媒出口(8)が形成されている。冷媒入口にはアルミニウム製液相冷媒流入パイプ(9)の先端部が挿入されて膨管部(6)にろう付され、冷媒出口(8)にはアルミニウム製液相冷媒流出パイプ(11)の先端部が挿入されて膨管部(7)にろう付されている。

内管(3)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(12)が周方向に等間隔をおいて一体に設けられている。また、内管(3)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(13)が周方向に等間隔をおいて一体に設けられている。内部フィン(12)のフィン高さは凸条(13)の突出高さよりも高くなっている。

外管(2)における膨管部(6)(7)よりも長さ方向外側部分には、たとえばローラを用いて径方向外方から径方向内方に加圧する加工を全周にわたって施すことにより縮径部(14)が形成されており、縮径部(14)の内周面が内管(3)の両端寄りの部分の外周面にろう付されている。縮径部(14)は外管(2)内に内管(3)を配置した後に形成されるものであり、縮径部(14)の形成の際に、内管(3)の凸条(13)が潰されるとともに、凸条(13)が縮径部(14)の内周面に食い込ませられ（図４および図５参照）、これにより外管(2)内周面と内管(3)における凸条(13)が形成されていない部分の外周面との間隔がろう材で埋まる程度まで小さくされている。この状態で、外管(2)の縮径部(14)の内周面と内管(3)の外周面とがろう付されており、外管(2)の縮径部(14)の内周面と内管(3)における凸条(13)が形成されていない部分の外周面との間の間隙がろう材(17)で塞がれている（図５および図６参照）。

内管(3)における冷媒出口(8)が存在する側の端部に管状冷媒流通部材としてのアルミニウム製気相冷媒流入パイプ(15)の端部の拡管部(15a)が嵌め被せられるとともに、同じく冷媒入口が存在する側の端部に、管状冷媒流通部材としてのアルミニウム製気相冷媒流出パイプ(16)の端部の拡管部(16a)が嵌め被せられ、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)の内周面と内管(3)の外周面とがろう付されている。気相冷媒流入パイプ(15)の拡管部(15a)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(16a)には、外管(2)の縮径部(14)の場合と同様に、たとえばローラを用いて径方向外方から径方向内方に加圧する加工を全周にわたって施されており、内管(3)の凸条(13)が潰されるとともに、凸条(13)が拡管部(15a)(16a)の内周面に食い込ませられ、これにより気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)の内周面と内管(3)における凸条(13)が形成されていない部分の外周面との間隔がろう材で埋まる程度まで小さくされている。この状態で、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)の内周面と内管(3)の外周面とがろう付されており、拡管部(15a)(16a)の内周面と内管(3)における凸条(13)が形成されていない部分の外周面との間の間隙がろう材(18)で塞がれている（図６参照）。なお、内管(3)における気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)が嵌め被せられる部分の凸条(13)が潰される代わりに、当該部分の凸条(13)が切除されていてもよい。

上述した外管(2)の縮径部(14)と内管(3)とのろう付、ならびに気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)と内管(3)とのろう付は、外管(2)の縮径部(14)の先端と、気相冷媒流入パイプ(15)の拡管部(15a)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(16a)の先端との間隔を適切な大きさにした状態で、外管(2)と内管(3)とのろう付と同時に行われている。そして、外管(2)の縮径部(14)の先端と気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)の先端との間にも、外管(2)の縮径部(14)と内管(3)との間、ならびに気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)と内管(3)との間からはみ出したろう材(19)が存在している。したがって、外管(2)の端部と、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の端部とに跨るようにフィレット(10)が形成されている。ここで、外管(2)の縮径部(14)の先端と、気相冷媒流入パイプ(15)の拡管部(15a)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(16a)の先端との間隔は、３〜１０ｍｍであることが好ましい。

図７は、上述した二重管式熱交換器(1)を二重管式熱交換器として用いた冷凍サイクルを示す。

図７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(21)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二重管式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)に接続された液相冷媒流入パイプ(9)にコンデンサ(21)の過冷却部(24)からのびる配管が接続され、同じく外管(2)に接続された液相冷媒流出パイプ(11)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)に接続された気相冷媒流入パイプ(15)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)に接続された気相冷媒流出パイプ(16)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、液相冷媒流入パイプ(9)を通って二重管式熱交換器(1)の第１冷媒流路(4)内に流入する。このとき、膨管部(6)の働きにより、液相冷媒は、第１冷媒流路(4)における隣接する凸条(13)間に形成されるすべての間隙内に分流させられる。一方、エバポレータ(25)から出てきた気相冷媒は、気相冷媒流入パイプ(15)を通って二重管式熱交換器(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(13)間に形成されるすべての間隙を通過した液相冷媒は、膨管部(7)において合流し、液相冷媒流出パイプ(11)を通って膨張弁(26)に送られる。膨張弁(26)に送られた液相冷媒は、膨張弁(26)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(25)に流入し、エバポレータ(25)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、気相冷媒流出パイプ(16)を通ってコンプレッサ(20)に送られる。

実施形態２
この実施形態は図８〜図１２に示すものである。

図８〜図１２はこの発明による二重管式熱交換器の実施形態２の要部の構成を示す。

実施形態２の二重管式熱交換器(31)の場合、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(32)が周方向に等間隔をおいて一体に設けられている。また、外管(2)の両端部には膨管部は形成されていない。

内管(3)の両端よりも長さ方向の若干内側部分に、それぞれ縮管部(33)が形成されている。外管(2)における一方の縮管部（図示略）に対応する部分の管壁には冷媒入口（図示略）が形成され、同他方の縮管部(33)に対応する部分の管壁には冷媒出口(8)が形成されている。冷媒入口にはアルミニウム製液相冷媒流入パイプ（図示略）の先端部が挿入されて外管(3)にろう付され、冷媒出口(8)にはアルミニウム製液相冷媒流出パイプ(11)の先端部が挿入されて外管(2)にろう付されている。また、内管(3)の外周面には凸条は設けられていない。

また、外管(2)おける内管(3)の縮管部(33)よりも長さ方向外側部分には、たとえばローラを用いて径方向外方から径方向内方に加圧する加工を全周にわたって施すことにより縮径部(14)が形成されており、縮径部(14)の内周面が内管(3)の両端寄りの部分の外周面にろう付されている。縮径部(14)は外管(2)内に内管(3)を配置した後に形成されるものであり、縮径部(14)の形成の際に、外管(2)の凸条(32)が潰されるとともに、凸条(13)が内管(3)の外周面に食い込ませられ（図１０および図１１参照）、これにより外管(2)における凸条(32)が形成されていない部分の内周面と内管(3)外周面との間隔がろう材で埋まる程度まで小さくされている。この状態で、外管(2)の縮径部(14)の内周面と内管(3)の外周面とがろう付されており、外管(2)の縮径部(14)における凸条(32)が形成されていない部分の内周面と内管(3)の外周面との間の間隙がろう材(17)で塞がれている（図１１および図１２参照）。

実施形態２の二重管式熱交換器(31)の場合には、実施形態１の二重管式熱交換器(1)の場合とは違って、内管(3)の両端部に気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)を嵌め被せてろう付する際には、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)を径方向外方から加圧したり、外管(2)の凸条(32)を切除したりする必要はなく、内管(3)の外周面と、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)の内周面と内管(3)の外周面との間の間隙がろう材(18)で塞がれている。

上述した外管(2)の縮径部(14)と内管(3)とのろう付、ならびに気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)と内管(3)とのろう付は、外管(2)の縮径部(14)の先端と、気相冷媒流入パイプ(15)の拡管部(15a)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(16a)の先端との間隔を適切な大きさにした状態で、外管(2)と内管(3)のろう付と同時に行われている。そして、外管(2)の縮径部(14)の先端と気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)の先端との間にも、外管(2)の縮径部(14)と内管(3)との間、ならびに気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(15a)(16a)と内管(3)との間からはみ出したろう材(19)が存在している。したがって、外管(2)の端部と、気相冷媒流入パイプ(15)および気相冷媒流出パイプ(16)の端部とに跨るようにフィレット(10)が形成されている。ここで、外管(2)の縮径部(14)の先端と、気相冷媒流入パイプ(15)の拡管部(15a)および気相冷媒流出パイプ(16)の拡管部(16a)の先端との間隔は、３〜１０ｍｍであることが好ましい。

その他の構成は実施形態１の二重管式熱交換器(1)と同様であり、実施形態１の二重管式熱交換器(1)と同様にして、図７に示す冷凍サイクルに組み込まれる。

そして、過冷却された液相冷媒が、液相冷媒流入パイプを通って二重管式熱交換器(31)の第１冷媒流路(4)内に流入する際に、一方の図示しない縮管部の働きにより、第１冷媒流路(4)における隣接する凸条(32)間に形成されるすべての間隙内に分流させられる。また、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(32)間に形成されるすべての間隙を通過した液相冷媒は、他方の縮管部(33)において合流し、液相冷媒流出パイプ(11)を通って膨張弁(26)に送られる。

上記実施形態１においては内管(3)の外周面に凸条(13)が設けられ、上記実施形態２においては外管(2)の内周面に凸条(32)が設けられているが、内管(3)の外周面および外管(2)の内周面の両方に凸条(13)(32)が設けられていてもよい。この場合、内管(3)の凸条(13)と外管(2)の凸条(32)とは周方向にずれた位置に設けられる。

上記２つの実施形態においては、冷媒流通部材は、パイプ(15)(16)であるが、これに限定されるものではなく、いずれか一方のパイプに代えて、継手部材が用いられることもある。

この発明による二重管式熱交換器の実施形態１の全体構成を示す長さ方向の中間部を省略した一部切り欠き正面図である。図１の部分拡大図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。図４の部分拡大図である。図２の部分拡大図である。実施形態１の二重管式熱交換器を二重管式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実施形態２を示す図２相当の図である。図８のＣ−Ｃ線断面図である。図８のＤ−Ｄ線断面図である。図１０の部分拡大図である。図８の部分拡大図である。

符号の説明

(1)(31)：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
(10)：フィレット
(12)：内部フィン
(15)：気相冷媒流入パイプ（冷媒流通部材）
(16)：気相冷媒流出パイプ（冷媒流通部材）

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および内管内がそれぞれ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、外管の内周面に、径方向内方に突出しかつ長さ方向にのびる複数の凸条が周方向に間隔をおいて設けられ、外管の内周面のすべての凸条が、内管の内部フィンに対して周方向にずれており、内管の少なくとも一端部が外管の端部よりも外側に突出させられ、内管の少なくとも一端部における外管よりも外側に突出させられた部分に、管状冷媒流通部材の端部が、外管と間隔をおくように嵌め被せられ、外管における内管よりも外側に突出させられた側の端部に、径方向外方から径方向内方に加圧されることにより縮径部が形成され、外管の凸条が縮径部により潰されるとともに、凸条が内管外周面に食い込ませられ、外管の縮径部の内周面および冷媒流通部材の端部の内周面と内管の外周面とがろう付され、外管と冷媒流通部材とに跨るようにフィレットが形成されている二重管式熱交換器。
外管と冷媒流通部材との間隔が３〜１０ｍｍである請求項１記載の二重管式熱交換器。