JP2006189249A

JP2006189249A - 二重管熱交換器

Info

Publication number: JP2006189249A
Application number: JP2006054239A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Kawabe; 義和川邉; Tomoaki Ando; 智朗安藤; Shigeto Yamaguchi; 成人山口; Yukio Watanabe; 幸男渡邊
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】高性能の二重管熱交換器を提供する。
【解決手段】外管１の内部に、それぞれ外管１の軸心周りに螺旋形状に捻られた複数の内管３Ａ〜３Ｄを配置し、所定の間隔で取り付けられたスペーサ７により、内管３Ａ〜３Ｄの互いの位置と外管１との隙間の二次冷媒通路４が一定に保持される。内管を複数本用いて螺旋形状にすることで、熱交換面積を増大させるとともに、外管と内管との二次冷媒通路を流れる水の乱流化を促進し、熱伝達性能を増大させる。また内管に溝付管を使用することにより、さらに熱交換性能を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側冷媒と二次側冷媒の熱交換を行う二重管熱交換器に関する。

従来の二重管熱交換器は、外管に遊嵌された内管を具備し、外管と内管との間の隙間に一次側冷媒（または二次側冷媒）を流すとともに、内管に二次側冷媒（または一次側冷媒）を流して熱交換するものであり、構造が簡素で安価に製造することができるため、たとえば二次冷媒式空気調和機の中間熱交換器として採用されている。

図５は二重管熱交換器の従来例を示す。外管１０１の内部に、熱交換性能を高めるための複数のフィン１０２ａが外周部一定間隔（角度）ごとに軸心方向に沿って突設された内管１０２が挿入されている。この従来の二重管熱交換器は、外管１０１と内管１０２の隙間１０３に一次側冷媒であるフロンを、内管１０２の内部１０４に二次側冷媒であるブラインを流して熱交換を行っている。

図５では、高性能化のためにフィン１０２ａ付の内管１０２を用いたが、内管１０２の形状にも様々な形状があり、断面が花びら形状の内管や、螺旋状にねじりを与えたような特殊なフィン付の内管を用いたりする例もある。

また、内管、外管は通常の管を用い、外管と内管の隙間を流れる冷媒の流れが内管の周りを螺旋状に流れるように、外管と内管の隙間に糸あるいは板状の部材を挿入した例もある。

ところで、上記二重管熱交換器を採用した中間熱交換器により、一次側冷媒と二次側冷媒の熱交換を行ない、二次側冷媒を使用して空気調和を行う従来の二次冷媒式空気調和機は、中間熱交換器を室外機に設置するために、図６に示す形態が採用されている。

すなわち、図６に示す二次冷媒式空気調和機は、外気と熱交換するための室外熱交換器や圧縮機、その関連部品を収めた室外機本体１１０の上部に、中間熱交換器である二重管熱交換器１２０やポンプ１２５、水タンク１２６などの部品を収めた中間熱交換ユニットボックス１１７を配置する構成を採用している。

そして、室外機１１０と熱交換ユニットボックス１１７の各部品とは、接続管１１１、１１２により接続されてフロンが循環される。また二重管熱交換器１２０では、フロンと水が熱交換して温水が作られ、水接続管１１５により室内機へ送られて室内に放熱した後、水接続管１１６を介して二重管熱交換器１２０に戻される。

冷媒接続管１１３、１１４は一次冷媒を供給するために別に設けられた冷媒回路で、他の室内機に接続され暖房あるいは冷房を行うことができる。
実開昭６２−１３６７７０号

しかしながら、上記従来の二重管熱交換器は、内管１０２にフィン付管や花柄断面の管などを使用しても、通常のベア管を使用するのに比較して数十パーセントの性能向上にしかならない。またフィン付内管や花びら断面内管の管自体のコストが高く、また曲げ加工も困難であるためその配置の自由度が低く、二重管熱交換器全体の製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決して、高性能の二重管熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の二重管熱交換器は、一次側冷媒および二次側冷媒の一方の冷媒が流送される外管と、前記外管内で前記外管の軸心周りに螺旋状に捻られて配置され他方の冷媒が流送される複数の内管とを具備し、前記外管に流送される一方の冷媒と前記各内管に流送される他方の冷媒との間で熱交換するように構成するとともに、前記各内管を溝付管としたものである。

本発明によれば、螺旋形状に捻られた複数の内管を使用することにより熱交換面積を拡大すると共に、外管と内管の間を流れる一方の冷媒の乱流化を促進させ、二重管熱交換器の熱交換性能を大幅に向上させることができる。また内管に溝付管を使用することにより、さらに熱交換性能を向上させることができる。

以下、本発明に係る二重管熱交換器の実施の形態を図１および図２を参照して説明する。
図１に示すように、円形断面の外管１には、両側に接続継手２Ａ、２Ｂが取り付けられ、これら接続継手２Ａ、２Ｂ間の外管１内に、外管１の軸心周りにそれぞれ螺旋状に捻られて一次側冷媒であるフロンＦを流送する複数（図では４本）の内管３Ａ〜３Ｄが配置されている。そして、外管１内には、外管１と内管３Ａ〜３Ｄの間および内管３Ａ〜３Ｄとの隙間に二次側冷媒である水Ｗを流送する二次側冷媒通路４が形成されている。

外管１の両端側には、内管３Ａ〜３Ｄを接続継手２Ａ、２Ｂからそれぞれ真っ直ぐに取り出して取り出し口を１つにまとめた入口分岐継手５および出口分岐継手６とがそれぞれ設けられており、入口分岐継手５に冷媒入口３ａが形成されるとともに出口分岐継手６に冷媒出口３ｂが形成されている。また冷媒入口３ａ側の接続継手２Ａに二次側冷媒通路４から水Ｗを排出する水出口４ｂが形成され、また冷媒出口３ｂ側の接続継手２Ｂに二次側冷媒通路４に水Ｗを供給する水入口４ａが形成されている。

また外管１内には、長さ方向に所定の間隔ごとに位置決め部材であるスペーサ７が配置されており、これらスペーサ７はたとえば正面視が星形に形成されて各凹部に内管３Ａ〜３Ｄが保持され、これにより、内管３Ａ〜３Ｄ同士の隙間および内管３Ａ〜３Ｄと外管１の内面の隙間を全長にわたって一定に保持するとともに、二次側冷媒通路４に流送される水Ｗに乱流を形成するように構成されている。したがって、前記スペーサ７により内管３Ａ〜３Ｄ同士の接触による熱交換面積の低下や、外管１内における内管３Ａ〜３Ｄの偏りによる熱交換能力の低下を防ぐことができる。

またこれらスペーサ７は、金属製や樹脂製などの１枚の薄板７ａを内管３Ａ〜３Ｄを保持する凹部を形成するたとえば星形形状に曲げ加工したもので、両端部に合わせ部７ｂが設けられている。なおスペーサ７を形成するにあたっては、必ずしも薄板を使用する必要はないが、薄板にすれば簡単な曲げ加工で形成できる。

なお、位置決め部材として、図４に示すように、線材８ａを内管３Ａ〜３Ｄに矢印ａ〜ｇで示す方向に巻き付け、終端をｈ方向に引き出して形成したスペーサ８を用いても良く、この線材８ａにより内管３Ａ〜３Ｄを外管１の所定位置に保持する。このスペーサ８により、加工用の型などを使用することもなく、より容易に所定の目的を果たすことができて安価に製造でき、二重管熱交換器を安価に供給することができる。

なおこの二重管熱交換器１０は、後述の二次冷媒式空気調和機に使用される時には、螺旋状に巻かれ所定の大きさにまとめられ、使用される。

上記構成において、一次側冷媒であるフロンＦは、冷媒入口３ａから入口分岐継手５を介して内管３Ａ〜３Ｄに供給され、出口分岐継手６の冷媒出口３ｂから排出される。また、二次側冷媒である水Ｗは、接続継手２Ｂの水入口４ａから二次側冷媒通路４に供給され、接続継手２Ａの水出口４ｂから排出される。内管３Ａ〜３Ｄの管壁を介してフロンＦと水Ｗが互いに熱交換を行う。

上記実施の形態によれば、外管１内に４本の内管３Ａ〜３Ｄが挿入されているため、内管３Ａ〜３Ｄの合計断面積と同じ断面積を持つ１本の内管を配置するのに比べて、断面積あたりの表面積が２倍となり、熱交換性能も約２倍となる。

また、内管３Ａ〜３Ｄはそれぞれ螺旋形状をしているため、同じ長さの外管１に挿入される各内管３Ａ〜３Ｄの長さは、直管を挿入した場合に比較して長くなり、熱交換面積はさらに増加する。

さらに、内管３Ａ〜３Ｄの螺旋形状は、外管１と内管３Ａ〜３Ｄの間の二次側冷媒通路４を流れる水Ｗと内管３Ａ〜３Ｄの管壁との接触の度合いを増やし、管壁と水Ｗの界面における熱伝達を促進する。

さらにまた、スペーサにより、内管３Ａ〜３Ｄ同士の隙間と内管３Ａ〜３Ｄと外管１の内面の隙間が全長にわたって一定に保持されるとともに、二次側冷媒通路４に流送される水Ｗに乱流を形成するので、内管３Ａ〜３Ｄ同士の接触により熱交換面積が低下することなく、また外管１内における内管３Ａ〜３Ｄの偏りにより熱交換能力が低下することもない。また水Ｗに形成される乱流により、水Ｗが混合されて熱伝達効率の向上を図ることができる。したがって、二重管熱交換器１０の熱交換性能を大幅に向上させることができる。

次に上記二重管熱交換器１０の製造方法について説明する。
二重管熱交換器１０の製造方法としては、それぞれ螺旋状に成形した内管を組み上げるのではなく、直管状の内管を束ねた後一括して螺旋形状を与えるのが効率的である。

すなわち、第１の製造方法は、まず所定本数（図では４本）の直管状内管３Ａ〜３Ｄを束ねた内管群を外管１に挿入した後、内管群の両端部を治具等を使用して所定の配置で固定し、ついで治具を介して外管１の軸心周りに内管群に捻りを加える方法である。

上記方法によれば、外管１が内管３Ａ〜３Ｄの可動範囲を規制するガイドパイプ的な役割を果すので、簡単な治具を使用するだけで内管群の各内管３Ａ〜３Ｄに螺旋形状を付与することができる。従って、二重管熱交換器を安価に供給することができる。

また第２の製造方法は、所定本数（図では４本）の直管状内管３Ａ〜３Ｄを束ねた内管群を、所定の配置で固定し、内管群に軸心周りの捻りを加えて螺旋形状を形成した後、外管１に挿入する方法である。

上記方法によれば、内管３Ａ〜３Ｄを外管１に挿入する前に螺旋形状を形成するため、加工工程の管理が容易となる。また、内管３Ａ〜３Ｄ同士の位置決め手段であるスペーサ７（８）を取付けた後、内管群を螺旋形状に形成することにより、スペーサ７（８）が内管３Ａ〜３Ｄの可動範囲を規制するので、簡単な治具を使用するだけで螺旋形状を形成することができる。さらに、内管３Ａ〜３Ｄを直接操作できる状態で螺旋形状を付与するので、加工の管理が容易となり、製造の精度を向上することができる。

なお、二重管熱交換器１０の外管１や内管３Ａ〜３Ｄの材料としては、熱伝導性や加工性に優れた銅材が適しているが、耐食性に優れたステンレス材やチタン材を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。また高圧がかからない外管１に、樹脂材料を用いることもでき、樹脂材料の外管１には放熱による熱損失を抑える断熱効果があるので、外管１を覆う断熱部材を削除または軽減することができる。

また上記実施の形態では、内管にベア管３Ａ〜３Ｄを使用したが、空気調和機の空気熱交換器で良く用いられる溝付管を使用することにより、さらに熱交換性能を向上させることができる。

さらに二重管熱交換器１０におけるフロンＦと水Ｗの流れは相対向する対向流であるが、目的に応じて同一方向の並行流としても同様の効果を得ることができる。またフロンＦと水Ｗに代えて、他の冷媒を使用しても同様の効果を得ることができる。

次に上記二重管熱交換器を使用した二次冷媒式熱交換器の実施の形態を図３を参照して説明する。
二重管熱交換器を用いた空気調和機の室外機２１は、圧縮機２２、室外熱交換器２３、室外ファン２４、オリフィス部２５を持つエアガイダー２６、電装部２７、四方弁２８、二重管熱交換器１０、水タンク３１、水ポンプ３２などで構成されている。なお、図３では説明の関係上、膨張弁や筐体の一部を省略して図示している。

上記室外機２１において、一次側冷媒であるフロンＦは圧縮機２２で圧縮された後、四方弁２８を通り、冷媒往き口４１を経て冷媒入口３ａから二重管熱交換器１０に入る。そして、冷媒出口３ｂに至る間に放熱凝縮した後、冷媒戻り口４２から膨張弁（図示せず）を通り、室外熱交換器２３で吸熱蒸発して四方弁２８を通って圧縮機２２に戻る。

二次側冷媒である水Ｗは水ポンプ３２により循環されており、室内からの水戻り口３３を介して回収された水Ｗが、二重管熱交換器１０の水入口４ａに入り、水出口４ｂに至る間に加熱され温水となって水タンク３１に入る。温水Ｗは水タンク３１から水ポンプ３２を経て室内への水往き口３４を介して室内機に送り出され、放熱して水戻り口３３に戻る。

以上は、温水を作り暖房を行う場合であるが、四方弁２８で流れを変えて、室外熱交換器２３でフロンＦを放熱凝縮させ、二重管熱交換器１０で吸熱蒸発させて冷水を作ることも可能である。

二重管熱交換器１０は螺旋状に巻くことにより収納に大きな空間を必要とするが、中央部に中空部ができる。一方、室外機２１には室外ファン２４の風下側にオリフィスが必要であり、エアガイダー２６のオリフィス部２５の外周部分には、螺旋状に巻かれた二重管熱交換器１０を収容可能な円筒状に大きい空間が生じている。

そこで、この実施の形態では、オリフィス部２５の外周部に生じた空間に二重管熱交換器１０を配置して収納している。ここで、従来の二重管熱交換器を使用しても同様の配置が可能であるが、先の実施の形態で説明した二重管熱交換器１０を使用すれば、単位長さ当りの熱交換性能が高いため、長さを短くでき、オリフィス部２５の外周部の僅かな空間でも、十分に二重管熱交換器１０の収納が可能である。これにより、二重管熱交換器１０を用いた二次冷媒式空気調和機の室外機２１を小型化することができる。なお、水ポンプ３２と水タンク３１はエアガイダー２６と室外機２１の筐体（ケース）の間に配置されている。

またこのように螺旋状に巻かれた二重管熱交換器１０では、冷媒入口３ａの単パス（単一管）である冷媒入口３ａから複数パスである内管３Ａ〜３Ｄへの分流部、および複数パスである内管３Ａ〜３Ｄから単パスである冷媒出口３ｂへの合流部で、均等な分配と合流が行われないと、熱交換性能の低下をもたらす原因となる。このため、この実施の形態では、冷媒の送りこみあるいは取りだしとなる接続継手２Ａ、２Ｂ部分を、内管３Ａ〜３Ｄの鉛直下側となるよう配置することにより、フロンＦの分流を均等に保つように構成されている。これにより、熱交換性能を十分に引き出すことが可能であり、二重管熱交換器１０を用いた二次冷媒式空気調和機の性能をさらに向上させることができる。

本発明にかかる二重管熱交換器は、熱交換面積を拡大すると共に、外管と内管の間を流れる一方の冷媒の乱流化を促進させ、二重管熱交換器の熱交換性能を大幅に向上させることができる。また内管に溝付管を使用することにより、さらに熱交換性能を向上させることができ、二重管熱交換器を用いた二次冷媒式空気調和機に有用である。

本発明に係る二重管熱交換器の実施の形態を示す一部切欠き斜視図図１に示すＡ−Ａ’断面図本発明に係る二重管熱交換器を用いた二次冷媒式空気調和機の実施の形態を示す室外機の一部分解斜視図同二重管熱交換器のスペーサの変形例を示し、（ａ）はスペーサの正面図、（ｂ）はスペーサの形成手順を説明する説明図従来の二重管熱交換器を示す切欠き斜視図従来の二次冷媒式空気調和機を示す室外機の一部切欠き斜視図

符号の説明

Ｗ水
Ｆフロン
１外管
２Ａ、２Ｂ接続継手
３Ａ〜３Ｄ内管
３ａ冷媒入口
３ｂ冷媒出口
４冷媒通路
４ａ水入口
４ｂ水出口
５入口分岐継手
６出口分岐継手
７スペーサ
７ａ薄板
７ｂ合わせ部
８スペーサ
８ａ線材
１０二重管熱交換器
２１室外機
２２圧縮機
２３室外熱交換器
２４室外ファン
２５オリフィス部
２６エアガイダー
３１水タンク
３２水ポンプ
３３水戻り口
３４水往き口

Claims

一次側冷媒および二次側冷媒の一方の冷媒が流送される外管と、
前記外管内で前記外管の軸心周りに螺旋状に捻られて配置され他方の冷媒が流送される複数の内管とを具備し、
前記外管に流送される一方の冷媒と前記各内管に流送される他方の冷媒との間で熱交換するように構成するとともに、前記各内管を溝付管とした
ことを特徴とする二重管熱交換器。