特許 6991567 二重管式熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-10

(45)【発行日】2022-01-12

(54)【発明の名称】二重管式熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20220104BHJP

   F28F 1/40 20060101ALI20220104BHJP

【ＦＩ】

F28D7/10 A

F28F1/40 K

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2017245222

(22)【出願日】2017-12-21

(65)【公開番号】P2019113222

(43)【公開日】2019-07-11

【審査請求日】2020-11-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000233619

【氏名又は名称】株式会社ニチリン

(74)【代理人】

【識別番号】100100170

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 厚司

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 一斉

(72)【発明者】

【氏名】牛丸 恭平

【審査官】岩▲崎▼ 則昌

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－０６９２０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２０１２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２４５６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５３－１４３１５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実公昭３２－０１０９８０（ＪＰ，Ｙ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ ７／１０

Ｆ２８Ｆ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
前記内管の内部に、前記内管の中心軸に沿って延び、湾曲した中央部と、前記内管の内面に接触する両側端部とからなる横断面形状を有し、前記横断面内で弾性変形可能な金属製のフィンが挿入され、
前記フィンの前記中央部は、横断面形状で２つの半円が連続するＳ字形に湾曲して形成されていることを特徴とする二重管式熱交換器。

【請求項2】

前記フィンは、横断面形状の両側端部に、前記内管の軸方向に一定間隔で切欠き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。

【請求項3】

前記フィンは、前記内管の中心軸方向に分割された複数のフィンからなり、前記複数のフィンの各々は、前記内管の中心軸の周りに位相をずらせて挿入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。

【請求項4】

前記フィンの両側端部は、前記フィンの弾性により前記内管の内面に接触していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の二重管式熱交換器。

【請求項5】

前記フィンの両側端部の縁は、縁曲げされた面が前記内管の内面に接触していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の二重管式熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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、内管の内部にフィンを配置することが提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１には、内管に横断面放射状の波形チューブで形成された伝熱フィンを内管の管壁内側に接して配するとともに、伝熱フィンの内側に流体が優先的に流れようとするのを防止するために、伝熱フィンの内側に環状オリフィスを形成する柱体を配し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、内管内を流れる流体は柱体により伝熱フィンに強制的に案内され、伝熱フィンと流体との接触効率が向上するとされているが、伝熱フィンの内側に柱体が存在することにより、圧力損失が大きい。また、二重式熱交換器は、設置場所のスペースに応じて適宜曲げられることがあるが、伝熱フィンと柱体とがあると、曲げ加工が困難になるという問題がある。

【0005】

特許文献２には、内管にネジレテープやスタティックミキサー等からなる内管用伝熱促進体を挿入し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、内管用伝熱促進体によって内管内を流れる冷媒が増速され、乱流化されて伝熱が促進されるとされているが、特許文献１のものと同様に、ねじられた伝熱促進体の存在により曲げ加工が困難である。

【0006】

特許文献３には、特許文献１と同様に、内管に波頂部と波底部と連結部とからなるコルゲート状フィンを配置し、該フィンの連結部に冷媒通過孔を形成する複数のルーバを設けるとともに、フィンの波底部より内側にねじり板を配設し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、内管内を流れる流体は冷媒通過孔により冷媒が撹拌されるとともに、ねじり板によりフィンに偏流されて、熱交換効率が向上するとされているが、ルーバやねじり板が存在することにより、圧力損失が大きい。また、コルゲートフィンとねじり板の存在により、曲げ加工が困難になるという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平１１－１８３０６２号公報

【文献】特開２００１－２０１２７５号公報

【文献】特開２０１４－２２４６７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱交換効率がよく、曲げ加工が容易であり、曲げ加工部の変形にも破損なく追随可能なフィンを有する二重管式熱交換器を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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、前記内管の内部に、前記内管の中心軸に沿って延び、湾曲した中央部と、前記内管の内面に接触する両側端部とからなる横断面形状を有し、前記横断面内で弾性変形可能な金属製のフィンが挿入され、前記フィンの前記中央部は、横断面形状で２つの半円が連続するＳ字形に湾曲して形成されているものである。

【0010】

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、内管の管壁の内面から内管の第２流体への熱伝達に加えて、内管の管壁の内面からフィンの両側端部を経て中央部に至る熱伝導と、フィンの中央部の表面から第２流体への熱伝達により、内管の中央部を流れる第２流体に熱が移動する。フィンの中央部は、２箇所以上で湾曲又は屈曲しているので、第２流体の中央部との伝熱面積を、より大きくすることができるため、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る。また、内管に挿入されたフィンは、横断面内で弾性変形可能であるので、二重管式熱交換器を設置場所に応じて、容易に曲げ加工することができる。さらに、曲げ加工により発生する内管の偏平等の変形に対しても、フィンは、破損することなく、圧縮方向にも伸張方向にも追随して、内管の内面との接触を保持することができる。

【0012】

前記フィンは、横断面形状の両側端部に、前記内管の軸方向に一定間隔で切欠きが形成されている。

【0013】

前記フィンは、前記内管の中心軸方向に分割された複数のフィンからなり、前記複数のフィンの各々は、前記内管の中心軸の周りに位相をずらせて挿入されている。

【0014】

前記フィンの両側端部は、前記フィンの弾性により前記内管の内面に接触している。

【0015】

前記フィンの両側端部の縁は、縁曲げされた面が前記内管の内面に接触している。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、内管に挿入されたフィンは、中央部が２箇所以上で湾曲又は屈曲しているので、第２流体の中央部との伝熱面積を、より大きくすることができるため、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る。また、内管に挿入されたフィンは、横断面内で弾性変形可能であるので、二重管式熱交換器を設置場所に応じて、容易に曲げ加工することができる。さらに、曲げ加工により発生する内管の偏平等の変形に対しても、フィンは、破損することなく、圧縮方向にも伸張方向にも追随して、内管の内面との接触を保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】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2】図１のII－II線の拡大横断面図。

【図3】図１の二重管式熱交換器の外管、内管及びフィンを示す斜視図。

【図4】内管に挿入する前のフィンの拡大横断面図。

【図5】図１の二重管式熱交換器を曲げた状態を示す斜視図。

【図6】本発明の第２実施形態に係る二重管式熱交換器の斜視図。

【図7】本発明の第３実施形態に係る二重管式熱交換器の斜視図。

【図8】図７の二重管式熱交換器の拡大横断面図。

【図9】内管用フィンの変形例を示す二重管式熱交換器の拡大横断面図。

【図10】内管用フィンの他の変形例を示す二重管式熱交換器の拡大横断面図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。

【0019】

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に挿入された内管用フィン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。

【0020】

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、内面に長手方向に延びる複数のリブ７が、周方向に等間隔に形成されている。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。

【0021】

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のリブ７の先端に内接又は近接する外径を有している。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。

【0022】

内管用フィン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。内管用フィン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で形成されている。内管用フィン４は、図２に示すように、２箇所で湾曲した中央部１２と、内管３の内面に接触する両側端部１３とからなる横断面形状を有し、横断面内で両側端部１３に作用する力に対して弾性変形可能である。また、内管用フィン４は、内管３の軸方向の中心線を中立軸とする曲げに対しても弾性変形可能である。内管用フィン４の横断面の両側端部１３の先端１３ａは、内管３の内面を傷つけないように縁曲げされている。また、この先端１３ａの縁曲げにより、内管３の内面との接触面積が大きくなり、伝熱性が向上する。内管用フィン４の横断面の中央部１２は、２つの半円が連続するＳ字形に湾曲して形成され、両側端部１３に連続している。内管用フィン４は、金属製板材をプレス加工することで形成することができる。内管用フィン４の素材の厚さは０．３ｍｍが好ましいが、これに限るものではない。

【0023】

内管用フィン４は、図４に示すように、内管３への挿入前に両側端部１３，１３の先端１３ａ，１３ａの間の寸法が、内管３の内径より大きくなるように形成されている。図３に示すように、内管用フィン４を内管３に挿入する際には、両側端部１３，１３を押さえて、両側端部１３，１３の先端１３ａ，１３ａの間の寸法を内管３の内径より小さくしながら先端から差し込む。これにより、図２に示すように、内管用フィン４の両側端部１３は、縁曲げされた先端１３ａの面が内管３の内面に弾性力で接触する。なお、内管用フィン４の横断面の中央部１２とは、内管３の内面と熱伝達の影響を受けない領域であり、内管３の内径の約３／４の直径で、内管３の内側の領域（図２中の１点鎖線の円で囲まれた領域）をいう。

【0024】

次に、二重管式熱交換器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加えて、内管３の管壁内面から内管用フィン４への熱伝導と、内管用フィン４の表面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。

【0025】

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。特に、内管用フィン４は、Ｓ字形に湾曲した中央部１２の伝熱面積が両側端部１３の伝熱面積より大きいので、内管３の第２流路６の中央部１２付近を流れる気体冷媒も熱交換に寄与することになり、熱交換効率がよい。

【0026】

内管用フィン４は、中央部１２がＳ字形に湾曲して横断面内で弾性変形可能であり、また、曲げに対しても弾性変形可能であるので、図５に示すように、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。さらに、曲げ加工により発生する内管の偏平等の変形に対しても、内管用フィン４は、破損することなく、圧縮方向にも伸張方向にも追随して、内管３の内面との接触を保持することができる。

【0027】

図６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、内管用フィン４の両側端部１３に、内管３の軸方向に一定間隔で矩形の切欠き１４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と同様であり、対応する部分には、同一符号を附して説明を省略する。

【0028】

切欠き１４の形状は、矩形に限らず、三角形、半円形、半楕円形でもよいし、スリット状に形成してもよい。内管用フィン４の切欠き１４の深さは、両側端部１３の先端１３ａからＳ字形の中央部１２の湾曲開始点までの間であればよい。内管用フィン４の内管３の軸方向の複数の切欠き１４のピッチは、内管３の内径と同一程度が好ましい。

【0029】

このように、内管用フィン４の両側端部１３に切欠き１４を有するので、内管用フィン４を内管３に挿入するときの内管用フィン４の両側端部１３の先端１３ａと内管３の内面との摩擦による抵抗が減少し、内管用フィン４を容易に挿入することができる。また、内管用フィン４の曲げ剛性が低くなり、二重管式熱交換器１ａの曲げ加工が、より容易になる。さらに、曲げ加工により発生する内管の偏平等の変形に対しても、内管用フィン４は、破損することなく、圧縮方向にも伸張方向にも追随して、内管３の内面との接触を保持することができる。

【0030】

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、内管用フィン４が内管の中心軸方向に分割された複数のフィン４ａ，４ｂからなる以外は、第１実施形態に係る二重管式熱交換器１と同様であり、対応する部分には、同一符号を附して説明を省略する。

【0031】

複数のフィン４ａ，４ｂの各々は、内管３の中心軸の周りに位相をずらせて挿入されている。フィン４ａ，４ｂの長さは、内管３の内径の５～７倍が好ましく、例えば、内管３の内径が１６ｍｍの場合は、フィン４ａ，４ｂの長さは、８０～１１２ｍｍが好ましい。内管３の軸方向に隣接するフィン４ａ，４ｂの位相は、図８に示すように、９０°ずらせてもよいが、６０°ずらせてもよく、任意の位相にずらせて配置することができる。

【0032】

図８に示すように、内管３の内側の第２流路６を流れる気体冷媒の流れは、内管用フィン４ｂの一方の面に沿う流れと、他方の面に沿う流れに分かれるが、隣接する下流の内管用フィン４ａに流入すると、上流で内管用フィン４ｂの一方の面に沿って流れてきた気体冷媒の一部と、内管用フィン４ｂの他方の面に沿って流れてきた気体冷媒の一部とが混合するので、熱交換の偏りがなくなり、熱交換効率が高まる。

【0033】

また、複数の内管用フィン４ａ，４ｂが内管３の軸方向に分離されているので、曲げ剛性が低くなり、二重管式熱交換器１ｂの曲げ加工が、さらに容易になる。さらに、曲げ加工により発生する内管の偏平等の変形に対しても、内管用フィン４ａ，４ｂは、破損することなく、圧縮方向にも伸張方向にも追随して、内管３の内面との接触を保持することができる。

【0034】

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、内管用フィン４の横断面の中央部１２の形状は、中央部１２の熱交換面積が両側端部１３より大きくなるように、２箇所以上の湾曲部又は屈曲部を有する形状であれば、Ｓ字形に限るものではない。例えば、図９に示すようなΩ形、図１０に示すようなジグザグ形等にすることができる。

【0035】

また、前記各実施形態の内管用フィン４は、内管３の中心軸に沿って真っ直ぐに延びているが、内管用フィン４の両側端部と縁曲げ面以外の少なくとも一部が、内管３の中心軸に対して傾斜したり、或いは、内管３の中心軸方向に波形に形成したり、切り越しによりルーバーを設けてもよい。さらに、前記各実施形態の内管用フィン４の表面は、内管３の中心軸方向に平滑であるが、ディンプル加工などの凹凸加工を施して伝熱面積を大きくしてもよい。

【符号の説明】

【0036】

１，１ａ，１ｂ…二重管式熱交換器
２…外管
３…内管
４…内管用フィン
５…第１流路
６…第２流路
７…リブ
８…外管流入口
９…外管流出口
１０…内管流入口
１１…内管流出口
１２…中央部
１３…両側端部
１３ａ…先端
１４…切欠き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】