JPWO2014054370A1 - 二重管式熱交換器および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

内部を第１流体が通過する内管２と、内管２より大きい径で内管２を覆い、内管２との間の空間を第２流体が通過する外管１と、空間に設けられ、内管２の外壁との接触部分となる内側接触部６の管周方向における長さが、外管１の内壁との接触部分の管周方向における長さとなる外側接触部７より長くなるように、また、管横断面において空間を横切る外側接触部７と内側接触部６との間のフィン部が内管２の外壁および外管１の内壁に対して斜め方向から接触する凸凹形状を有する伝熱面積拡大管３とを備える。

Description

本発明は、異なる配管径を持つ円管を組み合わせて二つの流路を形成する二重管式熱交換器およびこの二重管式熱交換器を使用した冷凍サイクル装置に関する。

従来の伝熱性能を高めた二重管式熱交換器の例として、直径の大きい方の円管（以降、外管と記述）に直径の小さい方の円管（以降、内管と記述）を挿入して形成したものがある。そして、内管の内部を第一の流路とし、二つの円管の間に形成された流路を第二の流路として、第二の流路に畝状に成形された伝熱面積拡大管を挿入し、内管と外管とに密着させ、伝熱面積の拡大効果により伝熱性能を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−６３０６７号公報（図１）

上記の特許文献１では、伝熱面積拡大管を挿入することで、伝熱面積を拡大して伝熱性能を高めるようにした二重管式熱交換器について提案されている。しかし、伝熱性能を効率良く高めることができる伝熱面積拡大管の具体的な対策等については言及されていない。

そこで、本発明は、伝熱性能を効率良く高めることができる二重管式熱交換器および冷凍サイクル装置を得ることを目的とする。

本発明に係る二重管式熱交換器は、内部を第１流体が通過する内管と、内管より大きい径で内管を覆い、内管との間の空間を第２流体が通過する外管と、空間に設けられ、管横断面において、内管外壁との接触部分となる内側接触部の管周方向における長さが、外管内壁との接触部分となる外側接触部の管周方向における長さより長くなるように、また、管横断面において空間を横切る内側接触部と外側接触部との間のフィン部が、内管外壁および外管内壁に対して斜め方向から接触する凸凹形状を有する伝熱面積拡大管とを備える。

本発明によれば、内管の外壁との接触部分の管周方向における長さが、外管の内壁との接触部分の長さより長くなるように、外管および内管と接触する伝熱面積拡大管を備えるようにしたので、製造の際に伝熱面積拡大管にかかる外力を分散させ、特に内管との接触不良を抑えた上で、伝熱面積の拡大をはかり、伝熱性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る二重管式熱交換器の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る二重管式熱交換器の別方向の断面を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る二重管式熱交換器の断面を示す図である。 伝熱面積拡大管３の浮き上がりを説明するための図である。 二重管式熱交換器に設定したパラメータを示す図である。 本発明の実施の形態４に係るロウ付け部分を示す図である。 本発明に係る二重管式熱交換器を使用した冷凍サイクル装置を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る二重管式熱交換器の構成を説明する図である。図１では冷媒の流れ（特に内管２）に沿って二重管式熱交換器を切断した断面図を示している。二重管式熱交換器は、直径の大きい方の円管である外管１の内側に、直径の小さい方の円管である内管２を挿入する。そして、二重円構造の熱交換器の端部は、外管１の内壁部分（外管内壁）と内管２の外壁部分（内管外壁）とが接触する（外管１を閉じる側壁部分が内管２を覆う）ように構成している。

内管２の内部を第１の流路である内側流路４、内管２と外管１の間に形成される空間を第２の流路である外側流路５とする。外側流路５の冷媒の流出入口は外管１の壁面に貫通穴を形成して接続配管を接続している。そして、内側流路４と外側流路５に、それぞれ第１流体と第２流体とが流れるようにする。それぞれ異なる温度の第１流体と第２流体とが各流路を流れることで、二重管式熱交換器内において、流体間の熱交換を行うことができる。

図２は本発明の実施の形態１に係る二重管式熱交換器の別方向の断面を示す図である。図２は図１におけるＡ−Ａ’断面（管横断面。流体が流れる方向からみたときの管周方向で切断したときの断面）を示している。本実施の形態の二重管式熱交換器は、外側流路５の空間部分に、凹凸を有する畝状の形状を持つ伝熱面積拡大管３をさらに挿入して構成する。伝熱面積拡大管３は、凹部分において内壁（伝熱面積拡大管内壁）と内管外壁とが接触し、凸部分において外壁（伝熱面積拡大管外壁）と外管内壁とが接触している。そして、側壁が、管横断面において、外側流路５（内管２と外管１の間の空間）を斜めに横切り、内管外壁および外管内壁と斜め方向から接触している。

ここで、一般に、交換熱量Ｑ、伝熱面積Ａ、熱伝達率Ｋおよび熱交換に係る第１流体と第２流体との温度差ｄＴの間には、式（１）に示す関係がある。

そして、熱伝達率Ｋは式（２）で表される。ここで、α１は第１流体の熱伝達率、ｄ１は内側流路４の水力直径、α２は第２流体の熱伝達率、ｄ２は外側流路５の水力直径である。また、λは内管２の熱伝導率、ｄｉｏ：内管２の外径、ｄｉｉは内管２の内径、Ｒは熱抵抗である。

伝熱面積拡大管３は、内管２と接触することでフィンとして作用し、熱交換に係る伝熱面積を拡大することができ、第１流体と第２流体との交換熱量を大きくすることができる。

ここで、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁との接触部分を内側接触部６（接触している部分の管周方向における長さをＬ１とする）とする。また、外管内壁と伝熱面積拡大管外壁との接触部分を外側接触部７（接触している部分の管周方向における長さをＬ２とする）とする。また、内側接触部６と外側接触部７との間でフィンとして作用する部分（凹凸形状における側壁面）をフィン部１６とする。伝熱面積拡大管３による伝熱面積を大きくするという観点からは、管横断面において、内側接触部６と外側接触部７とについて、それぞれ一点で接触（点接触）するように二重管式熱交換器を形成するとよい。接触部分が減ることにより、例えば管周におけるフィン部１６の数、１つのフィン部１６における伝熱面積等が増えることとなり、二重管式熱交換器全体の伝熱面積が大きくなる。ここで、以下に説明する点については、面積等を有さない数学的な点ではなく、管同士の確実な接触を確保する程度の面積は有しているものとする。また、点接触として説明するが、二重管式熱交換器全体では接触部分が線状になっていることになる。

しかしながら、内側接触部６については、点接触となるように形成すると内側接触部６における接触熱抵抗が増加する。このため、前述した式（２）における熱伝達率Ｋが低下し、その結果交換熱量Ｑが低下する。また、点接触となるように形成すると接触不良となる箇所が発生する可能性がある。内側接触部６を点接触としたときに、例えば内管外壁と伝熱面積拡大管内壁とが接触していない箇所があると、伝熱不良が生じ、多くの伝熱面積を有効に活用できなくなる。

そこで、実施の形態１の二重管式熱交換器においては、外側接触部７については点接触となる（長さＬ２を０に近づける）ように形成し、伝熱面積を拡大させるようにする。また、管横断面において、内側接触部６については接触長さを持つように形成する（二重管式熱交換器全体では接触部分が面を成していることになる）。

このように、実施の形態１の二重管式熱交換器によれば、外側接触部７については点接触となるように形成して伝熱面積を拡大させるようにし、内側接触部６については接触長さを持つように形成するようにしたので、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁との接触不良を防止することができる。このため、伝熱性能を損なわずに向上させることができる。

実施の形態２．
上述の実施の形態１の二重管式熱交換器は、図２に示すように、外管１と内管２との間に形成される外側流路５に、凹凸状（畝状）の形状を持つ伝熱面積拡大管３を有している。伝熱面積拡大管３は、実施の形態１で説明したように、伝熱面積拡大管内壁と内管外壁とが接触し、伝熱面積拡大管外壁と外管内壁とが接触している。そして、側壁となるフィン部１６が、管横断面において外側流路５を横切っている。

このように、外管１、内管２と伝熱面積拡大管３とを接触させた二重管式熱交換器を製造するためには、外側流路５に伝熱面積拡大管３を挿入した後、内管２を拡管する工程を行うか、または外管１を縮管する工程を行う。
ここで、外管１および内管２に対して、伝熱面積拡大管３のフィン部１６となる部分が垂直となるように形成されていると、拡管または縮管を行う際、内側接触部６または外側接触部７となる部分に加わった力がフィン部１６に直接かかる。このため、予想しない形で折れ曲がったフィン部１６が形成されてしまう可能性がある。そこで、フィン部１６となる部分が垂直にならないようにし、拡管または縮管時においてフィン部１６となる部分にかかる荷重を少なくする。そして、フィン部１６が、内管外壁および外管内壁に対して斜め方向から接触するようにする。特に限定するものではないが、例えば、上述した実施の形態１のように外側接触部７が点接触とする場合、図２に示すように、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁とが接触する角度αおよび伝熱面積拡大管外壁と外管内壁とが接触する角度βとが９０°未満の角度となるようにする。

図３は伝熱面積拡大管３の浮き上がりを説明するための図である。例えば、拡管、縮管等の工程を行っているときに、内管２、伝熱面積拡大管３に必要以上の圧力が加わると、伝熱面積拡大管３の内側接触部６において変形が生じ、本来接触すべき中間部分が浮き上がってしまう可能性がある。浮き上がりが生じると、例えば接触熱抵抗が増加し、伝熱性能を損ねてしまう可能性がある。

そこで、例えば、この浮き上がりを防止するために、フィン部１６が、内管外壁および外管内壁に対して斜め方向から接触するだけでなく、二重管式熱交換器の外側流路５に挿入する伝熱面積拡大管３について、内側接触部６になる箇所（凹部分）と外側接触部７となる箇所（凸部分）との間であるフィン部１６となる部分の形状が、管横断面において円弧状をなす形状にする。このような形状にすることで、内管２の拡管、外管１の縮管を行う際、内管２に伝熱面積拡大管３が過度に押し付けられたとしても、伝熱面積拡大管３が曲がるように変形することで、伝熱面積拡大管３にかかる荷重が分散する（緩衝する）。このため、内側接触部６においても、伝熱面積拡大管３に無理な力がかからず、浮き上がりを防止することができる。このため、伝熱性能を損なわずに向上させることができる。

ここで、拡管または縮管によりフィン部１６となる部分曲がる方向について、形成されたフィン部１６が、内管２側に向けて凸となるようにすることが望ましい。内管２側に向けて凸となるように形成することで、フィン部１６が内管２側に変形するため、フィン部１６と内管２との接触部分が増え、内側接触部６が長くなる。したがって、内管２からの伝熱を効率よく行うことができる。また、例えば、図２に示すように、角度α＜角度βとなり、伝熱面積拡大管３と内管２との間に生じる隙間が小さくなる。したがって、例えば、内側接触部６をロウ付けする際に、ロウ材が入りやすくなる。このため、さらに内管２からの伝熱を効率よく行うことができる。また、角度βが大きくなる分、フィン部１６と外管１との接触部分において、押しつける力が弱くなり、外側接触部７の増加を抑制することができる。

ここで、本実施の形態では、伝熱面積拡大管３の形状は円弧状であるとしたが、円弧状に限らず、少なくとも一点において曲げ部分を有する形状であれば、フィン部１６となる部分における荷重の分散、内側接触部６における浮き上がり防止の効果を発揮することができる。また、以上の説明は、例えば外側接触部７が点接触でない二重管式熱交換器においても同様に成立し、同様の効果を発揮することができる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３に係る二重管式熱交換器を示す図である。図４は実施の形態１において説明した図１におけるＡ−Ａ’断面と同様の管横断面を示している。本実施の形態の二重管式熱交換器においては、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁との内側接触部６の長さＬ１と、外管内壁と伝熱面積拡大管外壁との外側接触部７の長さＬ２とがＬ１＞Ｌ２となるようにする。

例えば、Ｌ１とＬ２との関係が、Ｌ１＜Ｌ２であるとすると、過剰な外力が外管１、内管２および伝熱面積拡大管３に加わったとき、内側接触部６の端点が支点になって変形が生じる可能性がある。このため、実施の形態２で説明したように、伝熱面積拡大管３において、内側接触部６の中間部分が内管２から浮き上がってしまい、伝熱性能が損なわれる可能性がある。

そこで、Ｌ１＞Ｌ２とすることで、例えば、実施の形態１のように、管横断面を見たときに外側接触部７が接触長さを持って外管１と伝熱面積拡大管３を密着させるように外力を加えた場合でも、外側接触部７にかかる力が分散し、管の変形を防止することができる。

また、Ｌ１＞Ｌ２とすることで、内管２と伝熱面積拡大管３を密着させ、外管１と伝熱面積拡大管３とを密着させるよう外力を加えた場合、内側接触部６に加わる外力と外側接触部７に加わる外力とがほぼ同じになるため、過度の外力が加わった場合には、外側接触部７が先に変形する。このため、接触熱抵抗を減らすために最も重要な内側接触部６が浮き上がることを防止することができ、伝熱性能を損なわずに向上させることができる。

次に、このような特徴を有する実施の形態３に関する二重管式熱交換器において、Ｌ１＞Ｌ２となる形状パラメータの条件について検討する。

図５は本発明の実施の形態３に係る二重管式熱交換器の形状分析のために設定したパラメータを示す図である。図５に示すように、伝熱面積拡大管３の凸部分（凹部分）の数をｎ、内管外径をｄｉｏ、外管内径をｄｏｉとする。

また、θ０は伝熱面積拡大管３の凸部分の頂点から次の凸部分の頂点までの角度、θ１は、凸部分形成の目安となる角度、θ２は凹部分形成の目安となる角度とする。そして、θ１’はθ１をａ分割し、そのうちのｂを取った角度（θ１’＝ｂ／ａ・θ１）、θ２’はθ２をａ分割し、そのうちのｂを取った角度（θ２’＝ｂ／ａ・θ２）とする。さらに、内管２と伝熱面積拡大管３とが接触する長さをＬ１とし、外管１と伝熱面積拡大管３とが接触する長さをＬ２とする。ここで、伝熱面積拡大管３の凸部分の形状および凹部分の形状は全て同一形状であるとする。そして、幾何学的に、θ０、θ１、θ２、θ１’、θ２’は式（３）〜（６）で表される。

また、内側接触部６の長さＬ１および外側接触部７の長さＬ２は、それぞれ式（７）、式（８）で表すことができる。

式（３）〜（８）に基づいて、Ｌ１＞Ｌ２となる条件は、式（９）で表すことができる。

以上のように、実施の形態３の二重管式熱交換器によれば、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁との内側接触部６の長さＬ１と、外管内壁と伝熱面積拡大管外壁との外側接触部７の長さＬ２との関係がＬ１＞Ｌ２となるようにしたので、外側接触部７に加わる外力を分散させることができる。また、内側接触部６に加わる外力と外側接触部７に加わる外力とがほぼ同じになることで、過度の外力が内側接触部６のみに加わることなく分散することで内側接触部６における浮き上がりを防止することができる。以上より、各管の過度な変形を防止することができる。

実施の形態４．
上述した実施の形態１〜３では特に示さなかったが、内管外壁と伝熱面積拡大管内壁との接触、外管内壁と伝熱面積拡大管外壁の接触をさらに確実にするためには、それぞれの接触部分にロウ材１５によるロウ付けを行うことが望ましい。

図６は本発明の実施の形態４に係るロウ付け部分を示す図である。例えば、内管２、外管１および伝熱面積拡大管３を組み付けた後、ロウ材１５を塗布する等して、炉中ロウ付け等を行ってロウ材１５を溶融させ、接触部をロウ付けする。例えば、管がアルミニウム等の場合には、アルミニウムにシリコンを含有したＡｌ−Ｓｉ系（アルミニウム−シリコン系）の合金をロウ材１５とする。

ここで、組み付け後にロウ材１５を塗布することが困難な場合は、伝熱面積拡大管３にあらかじめロウ材１５をクラッド（被覆）したクラッド材を使用するようにしてもよい。

実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態１〜４において説明した二重管式熱交換器を適用した冷凍サイクル装置の例について説明する。ここでは、４種類の冷凍サイクル装置の構成について説明する。

図７は実施の形態５に係る冷凍サイクル装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態の冷凍サイクル装置では、圧縮機８、凝縮器９、膨張弁１０、蒸発器１１および二重管式熱交換器１２を配管接続して冷媒回路を構成する。

圧縮機８は冷媒を吸入し、圧縮して高温・高圧の状態にして吐出する。ここで、例えばインバータ回路等により回転数を制御し、冷媒の吐出量を調整できるタイプの圧縮機で構成するとよい。熱交換器となる凝縮器９は、例えば送風機（図示せず）から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮させて液状の冷媒にする（凝縮液化させる）ものである。

また、膨張弁（減圧弁、絞り装置）１０は、冷媒を減圧して膨張させるものである。例えば電子式膨張弁等の流量制御手段で構成するが、例えば、感温筒を有する膨張弁、毛細管（キャピラリ）等の冷媒流量調節手段等で構成してもよい。蒸発器１１は、空気等との熱交換により冷媒を蒸発させて気体（ガス）状の冷媒にする（蒸発ガス化させる）ものである。

また、図７（ａ）の冷凍サイクル装置における二重管式熱交換器１２は、凝縮器９から流出した高温高圧の冷媒と蒸発器１１から流出した低温低圧の冷媒との熱交換を行う。このように二重管式熱交換器１２を利用することで、凝縮器９における冷媒の温度を上げることができる。このため、暖房時の能力を向上させることができ、ＣＯＰ（能力を入力で除した値）を向上させることができる。また、蒸発器１１から流出した冷媒をガス化することができるので、圧縮機８に液冷媒が戻ることを防止することができる。

図７（ｂ）の冷凍サイクル装置における二重管式熱交換器１２は、凝縮器９の冷媒流出口における高圧の液冷媒と流量調整弁１３を通過した中圧の二相冷媒との熱交換を行う。そして、熱交換して中圧のガス冷媒となった冷媒を圧縮機８の吸入側配管にバイパスさせる。

このように図７（ｂ）の冷凍サイクル装置では、凝縮器９を通過した冷媒を膨張弁１０を通過する前に分岐し、二重管式熱交換器１２を利用してバイパスさせるようにすることで、膨張弁１０より下流側に流れる冷媒量を減少させることができる。このため、圧力損失を低減することができ、ＣＯＰを向上させることができる。

図７（ｃ）の冷凍サイクル装置における二重管式熱交換器１２は、凝縮器９の冷媒流出口における高圧の液冷媒と流量調整弁１３を通過した中圧の二相冷媒との熱交換を行う。そして、熱交換して中圧のガス冷媒となった冷媒を圧縮機８の圧縮部中間部分に流入（インジェクション）させる。ここで、図７（ｃ）の冷凍サイクル装置における圧縮機８は、インジェクションを行うことができる多段構成の圧縮機である。

このように図７（ｃ）の冷凍サイクル装置では、凝縮器９を通過した冷媒を膨張弁１０を通過する前に分岐し、二重管式熱交換器１２を利用してバイパスさせるようにすることで、膨張弁１０より下流側に流れる冷媒量を減少させることができる。また、多段構成の圧縮機８の圧縮部中間部分にインジェクション可能であるため、圧縮機の吐出温度等、入力を低減することができ、ＣＯＰを向上させることができる。

図７（ｄ）の冷凍サイクル装置においては、二重管式熱交換器１２を凝縮器として利用する。そして、冷媒回路を流れる冷媒の熱交換対象となる流体は水、ブライン等とする（以下、水として説明する）。

図７（ｄ）において、ポンプ１４は、水の流れを形成して二重管式熱交換器１２に送り込む。二重管式熱交換器１２において、冷媒との熱交換により水が加熱される。ここでは二重管式熱交換器１２を凝縮器として利用しているが、蒸発器として利用することもできる。

１ 外管、２ 内管、３ 伝熱面積拡大管、４ 内側流路、５ 外側流路、６ 内側接触部、７ 外側接触部、８ 圧縮機、９ 凝縮器、１０ 膨張弁、１１ 蒸発器、１２ 二重管式熱交換器、１３ 流量調整弁、１４ ポンプ、１５ ロウ材、１６ フィン部。

本発明に係る二重管式熱交換器は、内部を第１流体が通過する内管と、該内管より大きい径で前記内管を覆い、前記内管との間の空間を第２流体が通過する外管と、前記空間に設けられ、管横断面において、前記内管外壁との接触部分となる内側接触部において前記内管外壁となす角度が、前記外管内壁との接触部分となる外側接触部において前記外管内壁となす角度よりも小さい伝熱面積拡大管とを備え、前記伝熱面積拡大管は、管横断面において前記空間を横切る前記内側接触部と前記外側接触部との間のフィン部が、前記内管外壁および前記外管内壁に対して斜め方向から接触する凸凹形状を有する。

［数７］
Ｌ１＝π・２ｄｉｏ・（θ２’／３６０） …（７）

［数８］
Ｌ２＝π・２ｄｏｉ・（θ１’／３６０） …（８）

Claims (10)

1. 内部を第１流体が通過する内管と、
   該内管より大きい径で前記内管を覆い、前記内管との間の空間を第２流体が通過する外管と、
   前記空間に設けられ、管横断面において、前記内管外壁との接触部分となる内側接触部の管周方向における長さが、前記外管内壁との接触部分となる外側接触部の管周方向における長さより長くなるように、また、管横断面において前記空間を横切る前記内側接触部と前記外側接触部との間のフィン部が、前記内管外壁および前記外管内壁に対して斜め方向から接触する凸凹形状を有する伝熱面積拡大管と
   を備える二重管式熱交換器。
2. 前記フィン部は、管横断面において円弧状を有している請求項１に記載の二重管式熱交換器。
3. 前記フィン部は、管横断面において、前記内管側に凸となる曲げ形状である請求項１または２に記載の二重管式熱交換器。
4. 管横断面において、前記内側接触部における前記伝熱面積拡大管と前記内管外壁とがなす角度が、前記外側接触部における前記伝熱面積拡大管と前記外管内壁とがなす角度よりも小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の二重管式熱交換器。
5. 前記外側接触部が管横断面において点接触となり、前記内側接触部が管横断面において線接触となるように、それぞれ接触している請求項１〜４のいずれか一項に記載の二重管式熱交換器。
6. 前記外側接触部の両端部と、前記内管および外管の中心とがなす角度をθ１、内管の外径をｄｉｏ、外管の内径をｄｏｉ、前記伝熱面積拡大管の凸形状または凹形状の数をｎとし、前記凸形状および前記凹形状が全て同一形状である場合に、
   θ１＞（３６０／ｎ）・｛ｄｏｉ／（ｄｉｏ＋ｄｏｉ）｝
   を満たすように、前記伝熱面積拡大管を形成する請求項１〜５のいずれか一項に記載の二重管式熱交換器。
7. 前記外側接触部および前記内側接触部をロウ付けしている請求項１〜６のいずれか一項に記載の二重管式熱交換器。
8. ロウ材を表面に被覆したクラッド材で前記伝熱面積拡大管を形成することを特徴とする請求項７に記載の二重管式熱交換器。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の二重管式熱交換器を用いて、２種類の冷媒を熱交換する冷凍サイクル装置。
10. 少なくとも一方の前記冷媒は水またはブラインである請求項９に記載の冷凍サイクル装置。

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