(57)【要約】【課題】螺旋状の凸条を備えた内管と外管との間を流れる流体の流体抵抗を適度に減少させることのできる熱交換用二重管を提供する。【解決手段】  本発明熱交換用二重管は、弧状に膨出させた凸条を２条〜４条に螺旋状に周回させた内管２０を外管１０に内装させてなり、該外管１０と内管２０との隙間３５を流れる流体と内管内を流れる流体との熱交換を図る二重管において、前記凸条２１のうちの１条の高さ（Ｈａ）を他の凸条２３の高さ（Ｈｂ）より８〜２６％の比率で高くし、その高くした凸条２２を全周に渡って外管内周面に当接させたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弧状に膨出させた凸条を２条〜４条に螺旋状に周回させた内管を外管に内装させてなり、該外管と内管との隙間を流れる流体と内管内を流れる流体との熱交換を図る二重管において、
前記凸条のうちの１条の高さ（Ｈａ）を他の凸条の高さ（Ｈｂ）に対して８〜２６％の比率で高くし、その高くした凸条を全周に渡って外管内周面に当接させたことを特徴とする熱交換用二重管。
【請求項２】
高くした凸条の横幅（Ｗａ）を、他の凸条の横幅（Ｗｂ）と等しく、且つ、その凸条の曲率半径（Ｒａ）が他の凸条の曲率半径（Ｒｂ）よりも小さな劣弧状としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換用二重管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外管と内管との隙間を流れる流体と内管内を流れる流体との熱交換を図る熱交換用二重管に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来自動車の空調器の熱交換器等では、エバポレータから送られる冷媒の流れる螺旋状の内管を外管で囲んで二重管とし、その内管と外管の隙間にコンプレッサーからの液状の冷媒を流して、局所的に比較的効率の良い熱交換が実施されている。
本出願人にあっても、特許文献１の図１（Ｃ）及び特許文献２の図１の直管部に示される如く、内管に螺旋状の凹凸を刻設すると共にそれを外管に密着させて互いの接触効率を高め熱の交換効率を改善した二重管を提案している。
ところで、この螺旋状の二重管について本出願人がさらに検討したところ、この二重管は接触効率が良い反面、螺旋状の内管と外管との隙間が狭くなることで、流体抵抗が増大するという問題が提起された。例えば、隙間を流れる流体抵抗が増すと、流体を圧送するためのコンプレッサー等の圧送装置への負荷が生じてしまい、省エネルギー効果への改善が求められた。
そこで、これを解消する為、例えば、特許文献２の図３及び図８に示される如く、螺旋状の内管と外管との間に少し広い隙間を設け、この隙間に冷媒を流すことで通路抵抗が軽減できるはずである。
しかし、このように単に内管と外管との隙間を広げてしまうと、流体抵抗を少なくしたぶん冷媒が隙間を短時間のうちに通過してしまい、接触時間が失われて、却って、熱の交換効率を落としてしまうという問題が惹起される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５９９３５５４号
【特許文献２】特許第５７０９７３３号
【特許文献３】特許第４３５００７９号
【特許文献４】特開２００２−３１８０８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決しようとしてなされたもので、外管と内管の隙間を旋回する螺旋状の流れの抵抗を減じつつ、一方で、そこから生じる接触時間の短縮化等の弊害を回避し、流路抵抗と接触時間との間に均衡のとれた熱交換用二重管を実現しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の熱交換用二重管は、弧状に膨出させた凸条を２条〜４条に螺旋状に周回させた内管を外管に内装させてなり、該外管と内管との隙間を流れる流体と内管内を流れる流体との熱交換を図る二重管において、前記凸条のうちの１条の高さ（Ｈａ）を他の凸条の高さ（Ｈｂ）に対して８〜２６％の比率で高くし、その高くした凸条を全周に渡って外管内周面に当接させたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の熱交換用二重管は、高くした凸条の横幅（Ｗａ）を他の凸条の横幅（Ｗｂ）と等しく、且つ、その凸条の曲率半径（Ｒａ）が他の凸条の曲率半径（Ｒｂ）よりも小さな劣弧状としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の請求項１に記載の熱交換用二重管は、内管の螺旋状の凸条を２条、３条又は４条とし、その凸条のうちの１条の高さ（Ｈａ）を他の凸条の高さ（Ｈｂ）に対して８〜２６％の比率で高くすることで、高くした１つの凸条とより低い他の凸状との間で高低差（Ｈｓ）から新たな間隙が形成され、その形成された間隙に比例して全体の流体抵抗を減じることができ、負荷の問題を解消することができる。
他方、その高くした凸条は全周に渡って外管に当接状態に接合されるため、２条、３条又は４条からなる凸状のうち１条のみは流入口から排出口へと向かう流路を閉塞し、流路抵抗が過大に減じられて接触時間の短さからくる熱効率を落とすという懸念を払拭する。
総じて、流体抵抗の大きさから生じる圧送装置の負荷を解消しつつ、且つ、それが接触時間を失って熱交換効率を下げてしまうという懸念を払拭し、互いの均衡のとれた作用効果をもたらすことができる。
このとき、凸条のうちの１条の高さ（Ｈａ）を他の凸条の高さ（Ｈｂ）に対して８〜２６％の比率で高い値とすれば、区切られた空間の高低差が小さ過ぎず、又、過大となって螺旋の接触効率を落とすこともなく、最適な間隙の効果が得られる。
【０００８】
請求項２の記載の熱交換用二重管にあっては、高くした凸条の曲率半径（Ｒａ）を他の凸条の曲率半径（Ｒｂ）よりも小さなものとすることで、その横幅（Ｗａ）を他の凸条の横幅（Ｗｂ）と等しくすることができ、２条、３条又は４条からなる凸条の幅をすべて均一に揃えることが可能となる。
この結果、もし上記選択された１条の高さ（Ｈａ）をそのまま高くすると、その高さ分だけ凸条の横幅が拡大されて他の凸条の横幅と不揃いとなる心配を解消し、螺旋状の流路に生じる流れをバランスのとれた均質なものとし、安定的な流れを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の二重管の外管を縦断し内管を露出させた状態を示す側面図である。
【図２】外管と内管の要部を示す切断側面図である。
【図３】接続管に接続した使用状態を示す縦断側面図である。
【図４】曲率半径を決める際の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明二重管は、例えば自動車の空調器の熱交換器として用いられるもので、図１〜３に示す如く、外管１０とそこに内装される内管２０とからなり、該内管２０には弧状に膨出させた凸条が螺旋状に刻設されると共に、その内管２０と外管１０との間に間隙が形成され、エバポレータから流れる内管内の冷媒と、それを囲んだ間隙を流れる圧縮器からの液状冷媒との間で熱交換が図られる構造となる。
その間隙の一端に流入管１３が、他端側に流出管１４が配され、該流入管１３及び流出管１４の下方には、流入した流体を空域部３０の間隙３５へと導くための導入空間３１と、排出へと導くため導出空間３２が形成される。
【００１１】
該外管１０には、一方に上記流入管１３と連通する流入口１３を配し、他端に流出管１４と連通する流出口１４aを配設する。
その形態は直管状で、内側に平坦面の内周面１１が配され、その左右には後述する内管２０の閉鎖凸部２５ａ、２５ｂに固着する形態で端部１２ａ及び１２ｂが配され、その内周面１１と左右の端部１２ａ、１２ｂとに囲まれた閉鎖空間を形成する。
【００１２】
内管２０は、外管１０に内装されて、上記閉鎖空間内に外管１０と内管２０とに挟まれた間隙３５を形成するものであるが、該間隙３５に対して、導入空間３１からの流体を取り入れるための取入口３３を配設し、出口となる導出空間３２側には出口３４を配設する。
【００１３】
内管２０には凸条２１を突設し、その凸条２１と隣り合う凸条２１と、その凸条と外管１０の内周面１１との間に間隙３５が形成されるが、その凸条２１は螺旋状に内管２０を周回し、それらが数条となって一群の流路３６を形成する。
即ち、螺旋の形態は、２条、３条・・の螺旋が対となって周回し、それらが一群の流路を形成する。例えば、上記導入空間３１からの取入口３３を、３つの取入口３３ａ、３３ｂ、３３ｃとした場合には、その３つの取入口に対応して、凸条２２ａ、２２ｂ、２２ｂを設け、各凸条に挟まれた間隙３５ａ、３５ｂ、３５ｃに３つの流路３６ａ、３６ｂ、３６ｃを形成し、対応して３つの出口３４ａ、３４ｂ、３４ｃを配設する。
【００１４】
この一群の凸条２１にあって、本発明では、２条〜４条に渡って螺旋状に周回させたものを対象とする。
その理由は、１条では本発明に有効でなく、５条以上となると１つの螺旋のピッチが大きくなり、巻き数が減少して流通抵抗が小さくなるが、その反面、流体が速く流出してしまい接触時間が短くなるからである。
【００１５】
この２条〜４条の凸条にあって、本発明は、その凸条のうちの１つの凸条２２の高さを、より低い他の凸条２３の高さより高く形成し、且つ、その高くした凸２２を全周に渡って外管内周面に当接状態とする。
例えば、図３に示す如く、３つの凸条がある場合、そのうちの１つの凸条２２ａの高さＨａを、他の凸条２３ａ、２３ｂの高さＨｂに対して８〜２６％の比率でより高い値に設定する。
そこには、図示の如く、１つの凸条２２ａ1と次の巡回番にあたる２２ａ1との間に他の凸条２３ａ、２３ｂが挟まれる形態となり、且つ、高くした凸２２ａを全周に渡って外管も内周面１１に当接させると、その１つの凸条２２ａ1と次の凸条２２ａ1との間に閉鎖された空間が形成されると共に、そこには新たな間隙３５が形成されるものとなる。
即ち、凸条の上方を頂部としその左右を峰部としそれ以外を平坦部としたとき、高くした凸条の頂部２２ａとより低い他の凸条の頂部２３ａの高低差Ｈｓから新たな間隙３５ａが形成され、一方、その平坦部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び峰部２２ａ、２３ａ2、２３ｂ2の上方には従来からの間隙３５ｂが担保されている。
そして、それら間隙３５は先の巡回の凸条２２ａ１と次の巡回の凸条２２ａ１とで区切られた区画空間を形成し、その区切られた空間のなかで高低差から生まれる新たな間隙３５ａと担保された間隙３５ｂとの総和として間隙３５が形成されることとなる。
【００１６】
そしてこのとき、２条〜４条の凸条のうちの１つの凸条２２ａの高さＨａを、他の凸条２３ａ、２３ｂの高さＨｂに対する比率（（Ｈａ−Ｈｂ）／Ｈｂ）を、８〜２６％高い値に設定する。
これは、１つの凸条２２ａの高さを他の凸条２３ａ、２３ｂの高さＨｂに対して８％以下とした場合には、区切られた空間の高低差が少なく隙間３５の効果が薄く、一方２８％以上とした場合には、間隙が過大となり螺旋による接触効率を落としてしまい、８〜２６％の範囲で最も適した間隙３５の効果が得られるからである。
【００１７】
具体的には、平坦部となる内管外側の直径を１６．０ｍｍとし、小突起を頂点とした螺旋頂部の直径を１８．３ｍｍとし、凸条の頂部の直径を約１８．５ｍｍとした場合に、最適となる間隙寸法は、本出願人の実験では、０．１〜０．３ｍｍの間隔であった。
これを比率化すると、８％〜２６％に相当するものとなる。
【００１８】
上記高くした凸２２ａ１の頂部２２ａ２、２２ａ２を外管の内周面１１に当接させるには、両者を密着状態とするか、又は頂部の一部を潰して圧接状態におくかのいずれであっても良い。
【００１９】
一方、その高くした凸条にあって、そのまま頂部を高くすると、それに追随して峰部の横幅が拡大し、高くした凸条の峰部と隣り合う凸条の峰部との間に形成される平坦部の横幅を狭くしてしまい、全体として平坦部が不揃いとなってしまう心配が指摘される。
そこで、１つの凸条を高くしつつも、その峰部の横幅を他の凸条の峰部の横幅と等しいものにすることが望ましく、以下にその手段を説明する。
【００２０】
図４に示す如く、高くした凸条の高さをＨａ、他の凸条の高さをＨｂ、高くした凸条の横幅の半値をＷａ、他の凸条の横幅の半値をＷｂ、高くした凸条の曲率半径をＲａ、他の凸条の曲率半径をＲｂとする。
このとき、高くした凸条の高さＨａ及び横幅Ｗａを含めた直角三角形△ＡａＮａＣａと曲率半径Ｒａを含む直角三角形ＯａＭａＡａとは、θａを等しくする相似形となる。
従って、△ＡａＮａＣａ∽△ＯａＭａＡａが成り立つ。
同様に他の凸条にあっても、
△ＡｂＮｂＣｂ∽△ＯｂＭｂＡｂ    が成り立つ。
【００２１】
従って、高くした凸条の曲率半径をＲａと他の凸条の曲率半径をＲｂには次の関係式が成立する。
Ｒａ＝１／２・√（Ｗａ２＋Ｈａ２）／ｓｉｎθａ・・・・（１）
（但し、θａ＝ｔａｎ−１Ｈａ／Ｗａ  ）
Ｒｂ＝１／２・√（Ｗｂ２＋Ｈｂ２）／ｓｉｎθｂ・・・・（２）
（但し、θｂ＝ｔａｎ−１Ｈｂ／Ｗｂ  ）
つまり、高くした凸条と他の凸条との間にＨａとＨｂの高低差を設けたとき、それぞれの曲率半径ＲａとＲｂとは上記（1）、（2）の関係となる。
そしてこのとき、高くした凸条の横幅と他の凸条の横幅とを等しく設定しようとする場合には、Ｗａ＝Ｗｂの関係が成り立つ。
【００２２】
この関係から、例えば、上記高くした凸条の高さＨａと他の凸条の高さＨｂと、他の凸条の横幅Ｗｂ及び他の凸条の曲率半径をＲｂが既に設定されているとき、ここに高くした凸条の横幅Ｗａを他の凸条の横幅Ｗｂと等しくし（Ｗａ＝Ｗｂ）、且つ、高くした凸条の曲率半径をＲａとした場合には、上記式（１）、（２）から次の関係式を導きだすことができる。
Ｒａ＝√（４Ｒｂ２・ｓｉｎ２θｂ−Ｈｂ２＋Ｈａ２）／２ｓｉｎθｂ・・・・（３）
（但し、θａ＝ｔａｎ−１Ｈａ／Ｗａ、θｂ＝ｔａｎ−１Ｈｂ／Ｗｂ、Ｒｂ＝１／２・√（Ｗｂ２＋Ｈｂ２）／ｓｉｎθｂ）
【００２３】
式（３）によれば、高くした凸条の高さＨａと他の凸条の高さＨｂと他の凸条の横幅の半値Ｗｂ及び他の凸条の曲率半径Ｒｂが決定されていれば、高くした凸条の曲率半径Ｒａを正しく定めることができる。
【００２４】
例えば、高くした凸条の高さＨａを１．４ｍｍとし、他の凸条の高さＨｂを１．２ｍｍとし、高くした凸条の横幅Ｗａを８.８７ｍｍと他の凸条の横幅を８.８７ｍｍと等しく設定した場合は以下の如くとなる。
式（１）及びθａ＝ｔａｎ−１Ｈａ／Ｗａ  より、
Ｒｂ＝１／２・√（Ｗｂ２＋Ｈｂ２）／ｓｉｎθｂ
＝１／２／√（４．４３５２＋１．２２）／ｓｉｎ１５．１４
＝８.７９ｍｍ
次いで、式（３）及びθｂ＝ｔａｎ−１Ｈｂ／Ｗｂより  
Ｒａ＝√（４Ｒｂ２ｓｉｎθｂ−Ｈｂ２＋Ｈａ２）／２ｓｉｎθｂ・
＝１／２／√（４．４３５２＋１．４２）／ｓｉｎ１７．５２
＝７.７２ｍｍ
が決定される。
【００２５】
例えば、高くした凸条の両側の平坦面の幅Ｆａを３.８ｍｍとし、他の凸条同士の平坦面の幅Ｆｂを３.８ｍｍとすれば、図示の如く、高くした凸条の高さと他の凸条の高さとに高低差を設けつつ、高くした凸条の横幅と他の凸条の横幅を等しくし、且つ、各平坦部の間隔も等しい、均質な流路が形成されることが確認された。
【００２６】
上記二重管の製法は限定されるものではなく、例えば、内管を液圧で拡張させる拡管工法とし、外管を直径の大きな管を縮小させる縮管工法として製造することができる。
又、外管と凸条の頂点に生じる接合部を形成するには、一旦外管を大径とし、それを縮管させる過程で凸条の頂点を一部圧潰させて圧接状態とすることもでき、その圧潰の寸法を変化させることで凸条の高さを求める高さに設定することができる。
このとき、凸条の頂点部の一部を潰した圧接状態とすると、外管に内管を強く固定することができ、又、必要に応じて外管へのセンタリング効果が得られる。
【００２７】
次いで、上記工程からなる本発明二重管の作用及びその効果を説明する。
先ず、圧縮器から送られた流体は、流入管１３及び流入口１３ａを経て導入空間３１へ至ると、これに臨んだ取入口３３へと導かれる。
例えば、３つの取入口３３ａ、３３ｂ、３３ｃが配設された場合、それが凸条２２ａ、２３ａ、２３ｂ、２２ａとの間に形成される間隙３５ａ、３５ｂ、３５ｃに連結され、その間隙によって形成される流路３６ａ、３６ｂ、３６ｃへと連なる。そして、これが螺旋状に旋回することで、２巻き、３巻き・・と連なり，一群の流路が形成される。
すると、これら流路は、内管２０を周回する螺旋の比較的長い流路を形成することから、内管２０内の流体と長く接触するものとなる。
【００２８】
このとき、本発明二重管にあっては、上記の如く、先の高くした凸２２ａ１と次の凸条２２ａ１との間が区画されると共に、高くした凸条２２とより低い他の凸条２３との間に間隙３５が形成される。
この間隙３５には平坦部２３の上方に間隙３５ｂが担保されていると共に、新たな間隙３５ａが形成される。
即ち、先ず、平坦部２３の上方に担保された間隙３５ｂには、導入された流体の主流が形成され、その主流が比較的長い距離となる螺旋経路を周回し、内管２０を流れる流体と長い時間に渡って接触し、効率の良い熱交換を促す。
【００２９】
そして、２条〜４条の凸条のうちの１つの凸条２２ａの高さＨａを、他の凸条２３ａ、２３ｂの高さＨｂに対して、８〜２６％の比率で高い値に設定すると、区切られた空間の高低差が小さ過ぎず、又、過大となって螺旋の接触効率を落とすこともなく、最適な間隙の効果が得られる。
【００３０】
次いで、本発明二重管には、上記の如く、平坦部２３上方の間隙３５ｂに加えて、高くした凸条２２の頂部２２ａとより低い他の凸条２３の頂部２３ａの高低差Ｈｓから生まれる新たな間隙３５ａが形成される。
この新たな間隙３５ａにより、間隙３５の容積が増し、その増加した容積に比例して、外管１０と内管２０とに挟まれた間隙３５内に生じる流体抵抗を減じることができる。
この結果、従来の装置では、隙間を流れる流体抵抗が増すと流体を圧送するための圧縮器等への負荷となって省エネ効果が求められたものを、斯かる流体抵抗の減少によりこれを解消することが可能となる。
【００３１】
更に、上記凸条２１の形成は、内管の螺旋状の凸条を２条、３条又は４条のものを対象とし、その高くした凸条２２を全周に渡って外管に当接状態に接合するので、上記平坦部上方の間隙３５ｂと新たに形成された間隙３５ａは、他の凸条２３を挟んで高くした一つの凸条２１と次の順番の高くした凸条２１との間に区画された閉鎖空間を形成する。
従って、２条、３条又は４条からなる一群の流路は、この閉鎖空間を乗り越えることはなく、この結果、新たな間隙３５ａの形成により流路抵抗が過大に減じられて、接触時間の短さからくる熱効率を落とすという懸念を解消することができる。
【００３２】
上記平坦部２３の上方に担保された間隙３５ｂと新たな間隙３５ａとの総和となる間隙３５は、流体抵抗の大きさから生じる圧送装置の負荷を解消しつつ、且つ、それが接触時間を失って熱の交換効率を下げてしまうという懸念を払拭し、互いに均衡のとれた作用効果をもたらすものとなる。
【００３３】
一方、もし上記選択された１条の高さＨａをそのまま高くすると、その高さ分だけ凸条の横幅が拡大され、他の凸条の横幅と不揃いとなり、螺旋状の空間から生じる流れにアンバランスが生じるおそれがある。
しかし、高くした凸条の横幅Ｗａを他の凸条の横幅Ｗｂと等しく、且つ、その凸条の曲率半径（Ｒａ）が他の凸条の曲率半径（Ｒｂ）よりも小さな劣弧状とすれば、その横幅Ｗａを他の凸条の横幅Ｗｂと等しくすることができ、２条、３条又は４条からなる凸条の幅をすべて均一に揃えることできる。
従って、１つの凸条を高くしても、その横幅を低い他の凸条の横幅と等しくすることができ、その結果、一群をなす流路のすべてを均衡のとれた安定的な流れとすることができる。
【００３４】
このとき、式（１）、（２）及び、Ｒａ＝√（４Ｒｂ２・ｓｉｎ２θｂ−Ｈｂ２＋Ｈａ２）／２ｓｉｎθｂ（但し、θａ＝ｔａｎ−１Ｈａ／Ｗａ、θｂ＝ｔａｎ−１Ｈｂ／Ｗｂ、Ｒｂ＝１／２・√（Ｗｂ２＋Ｈｂ２）／ｓｉｎθｂ）の式（３）によれば、必要な高さ及び横幅を設定した後に、対応する曲率半径を求めることができ、高くした凸条の横幅Ｗａと他の凸条の横幅Ｗｂとを正確に一致させることができる。
【００３５】
上記本発明二重管の効果は、螺旋部が直線状の場合を主に説明したが、管が屈曲する部位においても、同様な効果を発揮することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  外管
１１  内周面
１２ａ、１２ｂ  端部
１３  流入管
１３ａ  流入口
１４  流出管
１４ａ  流出口
２０  内管
２１  凸条
２２  高くした凸条
２２ａ１    各高くした凸条
２２ａ２    頂部
２２ａ３    峰部
２３  他の凸条
２３ａ、２３ｂ  各他の凸条
２３ａ１、２３ｂ１    頂部
２３ａ２、２３ｂ２    峰部
２４  平坦部
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ    各平坦部
２５  閉鎖部
２５ａ、２５ｂ  閉鎖凸部
３０  空域部
３１  導入空間
３２  導出空間
３３  取入口
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ  各取入口
３４  出口
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ  各出口
３５  間隙
３５ａ  新たな間隙
３５ｂ  担保された間隙
３６  流路
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ  各流路
Ｈａ  高くした凸条の高さ
Ｈｂ  他の凸条の高さ
Ｈｓ  高低差
Ｗａ  高くした凸条の横幅
Ｗｂ  他の凸条の横幅
Ｒａ  高くした凸条の曲率半径
Ｒｂ  他の凸条の曲率半径
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ  平坦部の横幅
【図１】
2020109329.tif 000003
【図２】
2020109329.tif 000004
【図３】
2020109329.tif 000005
【図４】
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