JP5430360B2

JP5430360B2 - 配管継手構造および熱交換器

Info

Publication number: JP5430360B2
Application number: JP2009256686A
Authority: JP
Inventors: 紘一位田; 洋一田宮; 大介越前谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP2011102596A

Description

本発明は、冷凍サイクル装置などに用いられる配管継手構造に関するものであり、特に二酸化炭素等の高圧冷媒を用いる、耐圧が必要とされる熱交換器に関する。

冷凍サイクル装置などの熱交換器に冷媒として二酸化炭素を用いる場合には、従来のフロン等に比べて著しく配管内部の冷媒圧力が高くなる。このため、配管継手部などの構造上問題となりうる部位は耐圧の観点から、特に高耐圧の設計が必要である。そこで、このような高い内圧に耐え得る配管継手構造として、例えば特許文献１では、継手部における主管の内圧負荷による変形量を抑制すべく、主管と直交状の枝管の中心線上でしかも主管の外周の少なくとも半円弧部に、それに沿って半円弧リング状に形成された補強リブを溶着する配管継手構造を提案している。
また、特許文献２では、ヘッダーパイプのチューブ挿入孔が設けられている部分で、ヘッダーパイプの応力が集中する箇所との距離を短くする方向へ外壁を変形させる配管継手構造を提案している。

実公昭６２−７９１３号公報（図５、図６）特開２００１−５９６８７号公報（図２）

特許文献１のような補強リブを溶着する配管継手構造は、耐圧性に優れた構成であるが、主管の変形量が非常に大きい場合、主管に溶着されている補強リブが破損、もしくは剥離してしまうことが懸念される。
このような事態を避けるには、補強リブの肉厚を十分に大きくすることも考えられるが、それによって主管の重量、さらには、熱交換器などの冷凍サイクル装置の重量が大きくなり、軽量化の要請に反するものとなる。また、主管の肉厚を大きくすれば、それだけ主管が大きいものとなり、省スペース化の要請にも反する。

また、特許文献２に開示される配管継手構造では、ヘッダーパイプの外壁を変形させることにより、媒体通路の断面を半円弧状に形成するものであるが、長手方向の形状による剛性を高耐圧に耐えうるようにするには十分とはいえない。加えて、ヘッダーパイプと冷媒配管との接続構造もしくは接続具が特別なものとなり、コスト高となる。

本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑み、冷媒圧力が高い二酸化炭素等が通過する配管継手部の耐圧強度を確保すること、さらには配管の軽量化や省スペース化を満足することを課題としている。

本発明に係る配管継手構造は、第１の管に第２の管を分岐状に接続する配管継手構造であって、前記第１の管の継手部の外径寸法が、前記第１の管の継手部以外の部分の外径寸法よりも小さくなるように、形成され、前記第１の管の外周部に、冷媒の流れ方向に沿って傾斜状に縮径した環状凹部を設け、前記第２の管との接続口の中心部における前記第１の管の内径寸法減少率が、前記冷媒が流れる上流部に比べて下流部が大きいものである。

本発明によれば、冷凍サイクル装置などに用いられる、特に二酸化炭素等を冷媒とする、耐圧が必要とされる配管継手構造にあって、第１の管の継手部の外径寸法が、その継手部以外の部分の外径寸法よりも小さくなるように形成するものであるので、第１の管の長手方向の形状が剛性向上効果をもたらし、さらに第１の管の継手部の変形量を低減させることができるので、第２の管との接続口を押し広げる力（開口力）、つまり応力自体を小さくするため、耐圧強度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る配管継手構造を示す斜視図である。実施の形態１による主管の概略側面図である。実施の形態１による主管の継手部の断面図（図２のＡ−Ａで切断した拡大断面図）である。実施の形態１による主管の継手部以外の部分の断面図（図２のＢ−Ｂで切断した拡大断面図）である。実施の形態２による主管の継手部の断面図（図２のＡ−Ａで切断した拡大断面図）である。実施の形態３による主管の継手部の断面図（図２のＡ−Ａで切断した拡大断面図）である。実施の形態４による主管の概略側面図である。実施の形態５に係る熱交換器の構成を示す斜視図である。実施の形態５に係る熱交換器の断面図である。実施の形態５に係る熱交換器の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る配管継手構造を示す斜視図で、図２は、図１に示す主管１を略側面から見た図である。また、図３は、図２に示す主管１の継手部をＡ−Ａで切断した断面を拡大して示す拡大断面図で、図４は、主管１の継手部以外の部分をＢ−Ｂで切断した断面を拡大して示す拡大断面図である。なお、以下の説明では、前記第１の管を「主管」、前記第２の管を「枝管」として説明する。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものを示す。

内部を二酸化炭素などの高圧冷媒等が流通する冷媒通路４を有する主管１には、外周面に挿入孔３（接続口）の穴が設けてあり、この挿入孔３に分岐管である枝管２を差し込む構造となっている。そして、主管１と挿入孔３に差し込まれた枝管２とは、ロウ付けあるいは溶接などで接合がなされている。なお、図１には、図２に示す主管１の挿入孔３に枝管２が差し込まれている配管継手の構造を示し、主管１および枝管２の各配管は熱伝導性の良い材質、例えば、アルミ合金、銅、またはステンレスなどで構成される。

挿入孔３の形状は、図示のように扁平な形状もしくは長穴の形状に限らず、円形などでもよい。枝管２の接続端部の外形に合わせた形状とする。また、主管１に対する枝管２の挿入方向（接続方向）も直交方向に限られるものではなく、枝管２を主管１の管軸に対し直角以外の任意の角度で接続することができる。

本実施の形態では、図３に示す継手部５における主管１の外径寸法ｄ₁が、図４に示す継手部５以外の部分における主管１の外径寸法ｄ₂よりも小さくなるように（ｄ₁＜ｄ₂）、主管１の継手部５の外側断面が円形となるように加工されている。すなわち、継手部５には、環状凹部６が設けられ、その一部が挿入孔３によって切除（開口）された欠円状（Ｃの字状）となっている。主管１の外周部に環状凹部６を設けることによって、主管１の継手部５は、断面の外径が継手部以外の部分の断面径よりも縮径された円形となっている。なお、環状凹部６は複数設けることもできるが、１つでも十分に剛性向上効果を発揮する。また、挿入孔３の中心部の変形量を抑制するために、環状凹部６は挿入孔３の中心部に略一致するように設けることが好ましい。
また、主管１の継手部５が曲面で形成されているため、加工部とそれ以外の部分で、応力集中部などの構造上の問題となる箇所を形成せず、耐圧強度を確保できる構造となっている。

上記構成において、主管１の冷媒通路４を通る高圧冷媒により、主管１の内面には、冷媒圧力が均等に作用する。この際、枝管挿入孔３を押し広げようとする力（開口力という）が作用することになるが、主管１の継手部５の外径を図１のように小さく加工することで、主管１の継手部５において、主管１の長手方向の形状が剛性向上効果をもたらし、環状凹部が形成されていない従来の配管継手構造と比べて、主管１の継手部５の変形量を低減させることができるので、挿入孔３を押し広げる力（開口力）、つまり応力自体を低減させることができる。このため、主管１の継手部の外径が変形しない従来の主管に比べて、主管の強度が相対的に高められており、従来よりも耐久性に優れた継手部の構造が可能となる。

さらに、主管１の継手部の外径を小さくすることができるので、省スペース化を図ることができると共に、余計な補強部材を取り付けることもないので、主管１の重量が増加する不都合もなくなる。さらに、主管１の継手部のみの外径を小さくするため、設計において後加工が可能となり、設計自由度向上にもつながり、加工性向上も期待できる。
また、主管１の端部は円形断面となっているため、冷媒配管との接続も従来の接続具を用いて安価に、しかも容易かつ確実に行うことができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２を示すものであり、図２に示す主管１の継手部５のＡ−Ａ拡大断面図である。この例では、主管１の継手部５の外側断面が縮小された四角形となっている。この場合、外径を小さくする方向へ外壁を加工する際、平板ポンチなどでプレスすることによって四角形に形成することができるため、上記の形状を加工するのが簡単であり、加工性が良い。なお、ここでの外径寸法は四角形の辺の長さを示す。
このような主管１の継手部５の構成であっても、主管１の長手方向の形状が剛性向上効果を発揮できるので、実施の形態1とほぼ同様な効果が得られる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３を示すものであり、図２に示す主管１の継手部５のＡ−Ａ拡大断面図である。この例では、主管１の継手部５の枝管挿入方向の内径寸法ｄ₃を、これと直交する方向の内径寸法ｄ₄よりも小さく加工することによって（ｄ₃＜ｄ₄）、挿入孔３の枝管挿入方向と垂直方向の応力をより低減させることができ、さらなる耐圧強度を確保できる継手部の補強構造となっている。

ここで、上記の枝管挿入方向というのは、枝管２が主管１に直交する場合を指し、９０度以外の角度で接続される場合は、挿入孔３の中心部を通り枝管２の管軸に平行な方向の内径寸法ｄ_３がこれと直交する方向（すなわち、主管１の管軸と垂直で、且つ、枝管２の管軸と垂直な方向）の内径寸法ｄ_４よりも小さくなるように加工する趣旨である。

なお、主管１の継手部５における断面形状の外径寸法ｄ₁は、実施の形態１と同様に、主管１の継手部以外の部分の外径寸法ｄ₂よりも小さくなるように形成されている。したがって、本例では、主管１の継手部５における断面形状は、短径の内径がｄ₃、長径の内径がｄ₄、外径がｄ₁となる楕円形に形成されている。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４を示す主管１の概略側面図である。ここでは、主管１の継手部５において、主管１の外周部に、冷媒の流れ方向に沿って傾斜状に縮径した環状凹部６を設ける。そして、挿入孔３の中心部における主管１の内径寸法減少率が、冷媒が流れる上流部に比べて下流部を大きくなるように加工することによって、圧損を低減させることができる。
なお、主管１の内径寸法減少率＝［１−（加工後の内径寸法）／（加工前の内径寸法）］×１００（％）で求められる。

実施の形態５．
図８〜図１０は、本発明の実施の形態５に係る熱交換器８の構成を示す図であり、図８は熱交換器８の斜視図、図９および図１０は熱交換器８の断面図である。本実施の形態では、前記第１の管を「第１主管１１と第２主管２１」、前記第２の管を「第１枝管１２と第２枝管２２」として説明する。
図９に示すように、熱交換器８は、第１冷媒が流れる第１冷媒流路を有する扁平状の第１枝管１２と、第２冷媒が流れる略長方形の第２冷媒流路を有する扁平状の第２枝管２２と、第１枝管１２の両端に接続された管状の第１主管１１と、第２枝管の両端に接続された管状の第２主管２１とを有する。なお、第１枝管１２および第２枝管２２は、熱交換器８の構成を示す断面図である図１０に示すように、例えば６列の枝管で構成されている。
熱交換器８を構成する各管は、熱伝導性の良い材質、例えば、アルミ合金、銅およびステンレスなどで構成され、押し出し成形または引抜き成形することによって製造される。また、図１０に示すように、第１主管１１および第２主管２１の円周側面には、それぞれ第１枝管１１または第２枝管２１の端部を差し込む挿入孔３が設けられており、第１枝管１２と第１主管１１、および第２枝管２２と第２主管２１とをそれぞれ接続する接合部１０、２０には、アルミ−シリコン系などのろう材を用いてロウ付けされる。

第１主管１１および第２主管２１には、熱交換器８を搭載するヒートポンプ機器などの冷熱システムの冷媒回路に接続され、第１枝管１２を流れる第１冷媒と、第２枝管２２を流れる第２冷媒との間で熱交換する構成となっている。
ここで、第１主管１１および第２主管２１の継手部の外径寸法が、第１主管１１および第２主管２１の継手部以外の部分の外径寸法よりも小さくなるように、環状凹部６を形成することにより加工されているので、第１主管１１および第２主管２１の長手方向の形状が剛性向上効果をもたらし、環状凹部が形成されていない従来の配管継手構造と比べて、継手部の変形量を低減させることができるので、挿入孔３を押し広げる力（図９に矢印で示す開口力Ｆ）、つまり応力自体を小さくし、配管継手部、さらには、熱交換器８の耐圧強度を従来に比べて相対的に高めるようにして耐圧強度向上を図ることができる。

また、第１主管１１および第２主管２１の継手部の外径を小さくすることができるので、省スペース化を図ることができると共に、余計な補強部材を取り付けることもないので、第１主管１１および第２主管２１、さらには、熱交換器８の重量が増加する不都合もなくなる。さらに、第１主管１１および第２主管２１の継手部のみの外径を小さくするため、設計において後加工が可能となり、熱交換器８においての設計自由度向上にもつながり、加工性向上も期待できる。

なお、第１冷媒および第２冷媒には二酸化炭素等の高圧冷媒が用いられるが、例えば、第１冷媒に高圧冷媒、第２冷媒に第１冷媒に比べて圧力の低い低圧冷媒が用いられる場合には、第１主管１１にのみ環状凹部６を設け、第２主管２１には環状凹部を設けなくても良い。

１主管（第１の管）、２枝管（第２の管）、３挿入孔（接続口）、４冷媒通路、５継手部、６環状凹部、８熱交換器、１０第１主管と第１枝管の接合部、１１第１主管、１２第１枝管、２０第２主管と第２枝管の接合部、２１第２主管、２２第２枝管。

Claims

第１の管に第２の管を分岐状に接続する配管継手構造であって、
前記第１の管の継手部の外径寸法が、前記第１の管の継手部以外の部分の外径寸法よりも小さくなるように、形成され、
前記第１の管の外周部に、冷媒の流れ方向に沿って傾斜状に縮径した環状凹部を設け、前記第２の管との接続口の中心部における前記第１の管の内径寸法減少率が、前記冷媒が流れる上流部に比べて下流部が大きいことを特徴とする配管継手構造。
前記第１の管の継手部の断面が、縮径された円形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の配管継手構造。
前記第１の管の継手部の断面が、縮小された四角形に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の配管継手構造。
前記第１の管の継手部において、前記第１の管の管軸と垂直で、且つ、前記第２の管の管軸と垂直な方向での内径寸法が、前記第２の管の管軸と平行な方向での内径寸法より大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配管継手構造。
前記第１の管の継手部が曲面で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の配管継手構造。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の配管継手構造を用いたことを特徴とする熱交換器。