(57)【要約】【課題】内管１１とフィン１３との接触面積を拡大し、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器を提供すること。【解決手段】第１流体（低圧冷媒）が流れる内管１１を第２流体（高圧冷媒）が流れる外管１２内に挿入し、内管１１と外管１２との間にフィン１３を介装して第１流体と第２流体との間で熱交換を行う二重管式の熱交換器（内部熱交換器）１０において、外管１２の長手方向端部１２ｂが接続し、内管１１とフィン１３が挿通する第１開口部１５と、第１開口部１５と同一直線状に開放して内管１１のみが挿通する第２開口部１６と、内管１１と外管１２との間隙に連通して第２流体（高圧冷媒）が流れる第３開口部１７と、を有するエンドキャップ１４を備え、フィン１３の長手方向端部１３ｂを、第３開口部１７に臨む位置まで延在した。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れる内管を第２流体が流れる外管内に挿入し、前記内管と前記外管との間にフィンを介装して前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う二重管式の熱交換器において、
前記外管の長手方向端部が接続し、前記内管と前記フィンが挿通する第１開口部と、前記第１開口部と同一直線状に開放して前記内管のみが挿通する第２開口部と、前記内管と前記外管との間隙に連通して前記第２流体が流れる第３開口部と、を有するエンドキャップを備え、
前記フィンは、長手方向端部が前記第３開口部に臨む位置まで延在していることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載された熱交換器において、
前記フィンは、前記内管及び前記外管の周方向に沿って並び、長手方向に延在する多数の凹凸を有し、
前記フィンの長手方向端部近傍には、前記多数の凹凸の間を連通する連通手段が設けられたことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された熱交換器において、
前記エンドキャップは、前記第１開口部の周縁から突出し、前記外管内に挿入されるインロー部を有し、
前記外管の端部開口は、前記インロー部を嵌合可能とする内径寸法に設定されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内管を外管内に挿入すると共に、内管と外管との間にフィンを配置して熱交換を行う二重管式の熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内管と、内管が挿入された外管と、両管の間に介装されたフィンと、外管の端部に設けられ、内管が貫通すると共に内管と外管との間隙に連通する連通流路を有するエンドキャップと、を備えた二重管式の熱交換器が知られている（例えば、特許文献１,特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2010-96225号公報
【特許文献２】特開2006-3071号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の熱交換器では、エンドキャップ内に内管のみが挿入され、外管及びフィンは、エンドキャップの入口開口までしか挿入されていなかった。そのため、内管とフィンとの接触面積が限定されてしまい、熱交換効率が低かった。
【０００５】
そこで、この発明は、内管とフィンとの接触面積を拡大し、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、この発明は、第１流体が流れる内管を第２流体が流れる外管内に挿入し、前記内管と前記外管との間にフィンを介装して前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う二重管式の熱交換器において、前記外管の長手方向端部が接続し、前記内管と前記フィンが挿通する第１開口部と、前記第１開口部と同一直線状に開放して前記内管のみが挿通する第２開口部と、前記内管と前記外管との間隙に連通して前記第２流体が流れる第３開口部と、を有するエンドキャップを備え、前記フィンは、長手方向端部が前記第３開口部に臨む位置まで延在していることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、外管の長手方向端部に設けられたエンドキャップが、内管とフィンが挿通する第１開口部と、この第１開口部と同一直線状に開放して内管のみが挿通する第２開口部と、内管と外管との間隙に連通して第２流体が流れる第３開口部と、を有する。これにより、内管とフィンがエンドパイプ内に挿入され、内管とフィンとの接触面積の拡大を図ることができる。
また、フィンの長手方向端部が第３開口部に臨む位置まで延在されることで、内管とフィンとの接触面積の拡大を図りつつ、フィンによって第３開口部が閉塞されることを防止し、第２流体の流れを阻害することがない。この結果、内管とフィンとの接触面積を拡大し、熱交換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１の熱交換器を内部熱交換器として適用した冷凍サイクルを示す全体システム図である。
【図２】実施例１の内部熱交換器を示す分解斜視図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】フィンの長手方向端部を示す要部拡大斜視図である。
【図５】実施例１の内部熱交換器の長手方向端部における縦断面図である。
【図６Ａ】実施例１における内部熱交換器の製造方法を示す説明図であり、(a)は内管形成工程を示し、(b)は外管形成工程を示し、(c)はフィン形成工程を示す。
【図６Ｂ】実施例１における内部熱交換器の製造方法を示す説明図であり、(d)は管組立工程を示し、(e)はエンドキャップ組付工程を示し、(f)はボール通し工程を示し、(g)ロー付け工程を示す。
【図７】比較例の熱交換器を示す図であり、(a)は要部拡大断面図を示し、(b)はエンドキャップを示す斜視図である。
【図８】本発明の熱交換器の他の例における長手方向端部の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の熱交換器を実現する最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１０】
まず、構成を説明する。
図１は、実施例１の熱交換器を内部熱交換器として適用した冷凍サイクルを示す全体システム図である。図２は、実施例１の内部熱交換器を示す分解斜視図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。図４は、フィンの長手方向端部を示す要部拡大斜視図である。図５は、実施例１の内部熱交換器の長手方向端部における縦断面図である。
【００１１】
実施例１における冷凍サイクルは、図１に示すように、コンプレッサ１と、コンデンサ（ガスクーラ）２と、膨張弁３と、エバポレータ４と、を順次環状に接続し、前記コンデンサ２を出た高圧冷媒と前記エバポレータ４を出た低圧冷媒との間で熱交換する内部熱交換器（熱交換器）１０を備えることで構成される。
【００１２】
前記コンプレッサ１は、エンジンやモータなどにより駆動され、エバポレータ４からのガス冷媒を圧縮し、高温・高圧のガス冷媒とする。
【００１３】
前記コンデンサ２は、コンプレッサ１からの高温・高圧のガス冷媒を外気と熱交換し、低温・高圧のガス冷媒とする凝縮器である。このコンデンサ２としては、互いに間隔をおいて縦平行に配置された左右一対のヘッダータンクと、両端をそれぞれ前記ヘッダータンクに連通接続して横平行に多数配置された熱交換チューブと、隣接する熱交換チューブの空気流通間隙に配置されたフィンと、を備えて構成される。そして、一対のヘッダータンクの内部が、仕切り手段により横方向に仕切られることにより、熱交換チューブによる冷媒通路が、入口側通路群と中間通路群と出口側通路群というように、少なくとも２つ以上の通路群に区画されている。
【００１４】
前記膨張弁３は、エンジンルーム内に設置され、コンデンサ２からの高圧ガス冷媒の圧力を低圧の液ガス混合冷媒とする。実施例１の場合、コンデンサ２の出口冷媒温度及び出口冷媒圧力に基づいて、冷媒の過熱度（スーパーヒート）を一定に保持するように膨張弁開度を制御する制御型膨張弁を採用している。
【００１５】
前記エバポレータ４は、車室内空調を行う車両用空調ユニット内に、送風機等と共に配置される熱交換器である。膨張弁３からの低温・低圧の液ガス混合冷媒を循環させることで周囲の空気から熱を奪い、冷媒の温度を高め、ガス化を促進する。このため、エバポレータ４は、コア・配管・フランジまでを一体化する構造とし、これにより、Ｏリングシールなどのスローリークを含む車室内への冷媒漏れを防いでいる。
【００１６】
前記内部熱交換器１０は、コンデンサ２を出た高圧冷媒とエバポレータ４を出た低圧冷媒が、隣接して対向に流れることで熱交換する。すなわち、冷凍サイクル内で熱交換が行われ、外部の空気と熱交換しないので「内部熱交換器」と呼んでいる。この内部熱交換器１０により膨張弁３の入口冷媒温度を低減し、エバポレータ４の入口エンタルピを下げることによって、COP（効率:Coefficient Of Performance）を向上させる。そして、この内部熱交換器１０は、内管１１と、外管１２と、フィン１３と、エンドキャップ１４と、を備えている。
【００１７】
前記内管１１は、アルミ製丸管であり、エバポレータ４を出た低圧冷媒（第１流体）が内部を流れる。この内管１１の外周面１１ａには、ろう材としてのAl-Si系合金（例えば、JIS A4343やJIS A4045等）が付着している。
【００１８】
前記外管１２は、間隙をあけた状態で内管１１を挿入可能な内径寸法のアルミ製丸管であり、内側に挿入した内管１１との間にコンデンサ２を出た高圧冷媒（第２流体）が流れる。ここで、内管１１と外管１２は同心軸上に配置されたいわゆる二重管構造をなす。また、この外管１２の内周面１２ａには、ろう材としてのAl-Si系合金（例えば、JIS A4343やJIS A4045等）が付着している。
【００１９】
前記フィン１３は、内管１１及び外管１２の周方向に沿って並び、長手方向に延在する多数の凹凸１３ａ,…を有するアルミ製の管であり、内管１１と外管１２の間に介装されている。すなわち、フィン１３は、コンデンサ２を出た高圧冷媒（第２流体）が流れる流路内に配置され、低圧冷媒は、多数の凹凸１３ａ,…の間を流れる。そして、図３に示すように、フィン１３の多数の凹凸１３ａ,…は、径方向先端部分が内管１１の外周面１１ａ又は外管１２の内周面１２ａに接触する。
さらに、この実施例１の内部熱交換器１０のフィン１３は、図４に示すように、長手方向端部１３ｂの近傍に、多数の凹凸１３ａの間を連通する連通孔（連通手段）１３ｃ,…が形成されている。この連通孔１３ｃは、凹凸１３ａのうち、内管１１と外管１２の間に立設する面に設けられた開口である。
【００２０】
そして、実施例１の内部熱交換器１０では、内管１１と外管１２とフィン１３のうち、外管１２の長手方向寸法が最も短い長さに設定され、内管１１の長手方向寸法が最も長い長さに設定されている。そのため、外管１２に内管１１を挿入し、その間にフィン１３を介装した状態では、図２に示すように、フィン１３の長手方向端部１３ｂが外管１２から外方（外管１２の長手方向）に突出し、さらに内管１１の長手方向端部１１ｂがフィン１３から外方（フィン１３の長手方向）に突出する。
【００２１】
前記エンドキャップ１４は、外管１２の長手方向端部１２ｂに設けられ、同軸上を流れるコンデンサ２を出た高圧冷媒と、エバポレータ４を出た低圧冷媒の流れ方向を分岐する。このエンドキャップ１４は、第１開口部１５と、第２開口部１６と、第３開口部１７と、を有している。
【００２２】
前記第１開口部１５は、内管１１とフィン１３が挿通可能な内径に設定され、外管１２から突出した内管１１及びフィン１３の長手方向端部１３ｂが挿入される。そして、この第１開口部１５の周縁部１５ａには、外管１２の長手方向端部１２ｂが当接する。
【００２３】
前記第２開口部１６は、内管１１のみが挿通可能な内径に設定され、フィン１３から突出した内管１１の長手方向端部１１ｂが貫通する。ここで、第１開口部１５と第２開口部１６は、同軸方向に開放している。
【００２４】
前記第３開口部１７は、内管１１と外管１２との間隙に連通し、コンデンサ２を出た高圧冷媒（第２流体）が流れる。ここで、第３開口部１７は、第１,第２開口部１５,１６の開放方向に対して直交する方向に開放している。そして、第１開口部１５からエンドキャップ１４内に挿入されたフィン１３の長手方向端部１３ｂは、第３開口部１７に臨む位置まで延在されている。
【００２５】
次に、実施例１の内部熱交換器１０の製造方法について説明する。
【００２６】
図６Ａは、実施例１における内部熱交換器の製造方法を示す説明図であり、(a)は内管形成工程を示し、(b)は外管形成工程を示し、(c)はフィン形成工程を示す。図６Ｂは、実施例１における内部熱交換器の製造方法を示す説明図であり、(d)は管組立工程を示し、(e)はエンドキャップ組付工程を示し、(f)はボール通し工程を示し、(g)ロー付け工程を示す。
【００２７】
内管形成工程では、図６Ａ(a)に示すように、ろう材が付着した面を外側にした状態でアルミ平板鋼板をロール成形加工し、合わせ部分を溶着して外周面１１ａにろう材が付着した内管１１を形成する。ここで、内管１１の外径は、例えば15mmに設定する。
【００２８】
外管形成工程では、図６Ａ(b)に示すように、ろう材が付着した面を内側にした状態でアルミ平板鋼板をロール成形加工し、合わせ部分を溶着して内周面１２ａにろう材が付着した外管１２を形成する。ここで、外管１２の内径は、例えば19.6mmに設定する。
【００２９】
フィン形成工程では、図６Ａ(c)に示すように、アルミ平板鋼板をプレス加工して全面に多数の凹凸１３ａを形成した後、ロール成形加工し、合わせ部分を溶着する。これにより、周方向に沿って並び、長手方向に延在する多数の凹凸１３ａ,…を有する管状のフィン１３を形成する。ここで、凹凸１３ａの高さは例えば1.8mmに設定し、周方向のピッチ間隔は例えば1.4mmに設定する。
【００３０】
管組立工程では、図６Ｂ(d)に示すように、外管形成工程にて形成した外管１２に、内管形成工程にて形成した内管１１を挿入し、その後、内管１１と外管１２の間にフィン形成工程にて形成したフィン１３を挿入する。このとき、フィン１３の長手方向端部１３ｂが外管１２から外方（外管１２の長手方向）に突出し、さらに内管１１の長手方向端部１１ｂがフィン１３から外方（フィン１３の長手方向）に突出する。
なお、内管１１の外径を15mmに設定し、外管１２の内径を19.6mmに設定した場合では、内管１１と外管１２との間隙は2.3mmとなる。このため、フィン１３の凹凸１３ａの高さを1.8mmに設定すれば、このフィン１３は、内管１１と外管１２の間に円滑に挿入することができる。
【００３１】
エンドキャップ組付工程では、図６Ｂ(e)に示すように、外管１２の両端部にエンドキャップ１４を取り付ける。このとき、エンドキャップ１４の第１開口部１５に、外管１２から突出した内管１１及びフィン１３を挿入する。そして、内管１１の長手方向端部１１ｂは第２開口部１６から突出し、フィン１３の長手方向端部１３ｂは第３開口部１７に臨む。
【００３２】
ボール通し工程では、図６Ｂ(f)に示すように、エンドキャップ組付工程によりエンドキャップ１４が組みつけられた内管１１内に、一方の長手方向端部１１ｂから、金属ボールＢを挿入し、そのまま貫通させる。この金属ボールＢは、内管１１の内径よりも大きい外径を有する。これにより、内管１１がフィン１３と共に内側から押し広げられて拡径する。このため、内管１１の外周面１１ａは、フィン１３の凹凸１３ａの径方向先端部分及びエンドキャップ１４の第２開口部１６に密着すると共に、フィン１３の凹凸１３ａの径方向先端部分は、外管１２の内周面１２ａ及びエンドキャップ１４の第１開口部１５に密着する。なお、金属ボールＢの外径寸法は、内管１１の外径が第２開口部１６と同じ寸法になるように設定する。
【００３３】
ロー付け工程では、図６Ｂ(g)に示すように、ボール通し工程により内管１１と外管１２とフィン１３及びエンドキャップ１４の接触部分が互いに密着した状態の組立品の全体を加熱し、内管１１及び外管１２に付着したろう材を溶融する。これにより、内管１１と外管１２は、それぞれフィン１３と一体化するとともに、エンドキャップ１４が固定される。そして、最後に内管１１及びエンドキャップ１４に分岐管１９を取り付け、２重管式の内部熱交換器１０が形成される。
【００３４】
次に、作用を説明する。
まず、「比較例の熱交換器におけるエンドキャップ」の説明を行い、続いて、実施例１の熱交換器における「フィン延長作用」について説明する。
【００３５】
[比較例の熱交換器におけるエンドキャップ]
図７は、比較例の熱交換器を示す図であり、(a)は要部拡大断面図を示し、(b)はエンドキャップを示す斜視図である。
【００３６】
比較例の熱交換器２０は、低温低圧冷媒が流れる内管２１と、内管２１が挿入され、この内管２１との間隙に高温高圧冷媒が流れる外管２２と、内管２１と外管２２との間に介装されたフィン２３と、外管２２の端部に設けられるエンドキャップ２４と、を備えている。
【００３７】
ここで、内管２１は外管２２よりも長手方向長さが長く設定されており、外管２２の長手方向端部１２ｂから内管２１の長手方向端部２１ｂが突出する。そして、エンドキャップ２４は、内管２１が挿通する第１開口部２４ａと、この第１開口部２４ａと同一直線状に開放して内管２１が挿通する第２開口部２４ｂと、内管２１と外管２２との間隙に連通して高温高圧冷媒が流れる第３開口部２４ｃと、を有している。
【００３８】
さらに、このエンドキャップ２４の第１開口部２４ａの周囲には、図７(b)に示すように、外管２２に挿入される環状のインロー部２５が形成されている。このインロー部２５は、内管２１と外管２２の間に挿入され、エンドキャップ２４のがたつきや冷媒漏れを防止する。なお、インロー部２５は、外周面２５ａが外管２２の内周面２２ａと接触し、インロー部２５の内周面２５ｂと内管２１との間には間隙が生じる。このため、内管２１と外管２２の間を流れる高温高圧冷媒は、インロー部２５と内管２１との間を流れ、第３開口部２４ｃから流出する。
【００３９】
さらに、インロー部２５が外管２２に挿入されることで、内管２１と外管２２の間に介装されたフィン２３の長手方向端部２３ｂとインロー部２５が干渉する。このため、フィン２３の長手方向端部２３ｂの位置が規制され、これ以上延長することはできない。これにより、内管２１とフィン２３との接触面積が限定されてしまい、熱交換効率が低く抑えられてしまっていた。
【００４０】
[フィン延長作用]
実施例１の内部熱交換器１０では、エンドキャップ１４の第１開口部１５の内径が内管１１とフィン１３を挿通可能な大きさに設定されている。そして、この第１開口部１５からエンドキャップ１４内に入り込んだフィン１３の長手方向端部１３ｂは、エンドキャップ１４の第３開口部１７に臨む位置まで延在している。これにより、外管２２の内部でフィン２３がインロー部２５に干渉し、フィン２３の長手方向端部２３ｂの位置が規制されてしまう比較例の熱交換器２０に比べて、内管１１とフィン１３との接触面積が拡大し、熱交換効率の向上を図ることができる。
【００４１】
また、実施例１の内部熱交換器１０では、外管１２内にインロー部が挿入されることがないため、内管１１と外管１２の間を流れる高圧冷媒の流路が狭くならず、冷媒の流れを阻害することはない。そのため、熱交換効率の低下をさらに防止することができる。
【００４２】
さらに、実施例１の内部熱交換器１０では、高圧冷媒の流れを円滑にするために、フィン１３が有する凹凸１３ａ,…は、内管１１及び外管１２の周方向に沿って並び、長手方向に延在している。一方、第３開口部１７に臨んだフィン１３の長手方向端部１３ｂには、凹凸１３ａ,…の間を連通する連通孔１３ｃ,…が形成されている。そのため、第３開口部１７に面していない部分を流れる高圧冷媒であっても、第３開口部１７に向かってスムーズに流れることができ、熱交換効率の低下を防止できる。
【００４３】
次に、効果を説明する。
実施例１の熱交換器にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。
【００４４】
(1) 第１流体（低圧冷媒）が流れる内管１１を第２流体（高圧冷媒）が流れる外管１２内に挿入し、前記内管１１と前記外管１２との間にフィン１３を介装して前記第１流体（低圧冷媒）と前記第２流体（高圧冷媒）との間で流体間での熱交換を行う二重管式の熱交換器（内部熱交換器）１０において、前記外管１２の長手方向端部１２ｂが接続し、前記内管１１と前記フィン１３が挿通する第１開口部１５と、前記第１開口部１５と同一直線状に開放して前記内管１１のみが挿通する第２開口部１６と、前記内管１１と前記外管１２との間隙に連通して前記第２流体（高圧冷媒）が流れる第３開口部１７と、を有するエンドキャップ１４を備え、前記フィン１３は、長手方向端部１３ｂが前記第３開口部１７に臨む位置まで延在している構成とした。
これにより、内管１１とフィン１３との接触面積を拡大し、熱交換効率の向上を図ることができる。
【００４５】
(2) 前記フィン１３は、前記内管１１及び前記外管１２の周方向に沿って並び、長手方向に延在する多数の凹凸１３ａ,…を有し、前記フィン１３の長手方向端部１３ｂ近傍には、前記多数の凹凸１３ａ,…の間を連通する連通手段（連通孔）１３ｃ,…が設けられた構成とした。
これにより、第３開口部１７に面していない部分を流れる高圧冷媒であっても、第３開口部１７に向かってスムーズに流れることができ、熱交換効率の低下を防止できる。
【００４６】
以上、本発明の熱交換器を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【００４７】
実施例１の熱交換器では、外管１２の長手方向端部１２ｂとエンドキャップ１４の第１開口部１５の周縁部１５ａとが突き合わされ、フィン１３が第１開口部１５内に挿入されることでエンドキャップ１４の位置ずれを防止している。
【００４８】
しかしながら、例えば、図８に示すように、エンドキャップ１４に、第１開口部１５の周縁部から突出して外管１２内に挿入されるインロー部１８を設けると共に、外管１２の長手方向端部１２ｂの内径寸法を、インロー部１８が嵌合可能とする大きさに拡径してもよい。これにより、外管１２の内周面１２ａとインロー部１８の外周面１８ａが重なり合って密着するため、気密性が向上し、冷媒漏れ防止力をさらに高めることができる。
【００４９】
また、実施例１では、連通手段として、フィン１３に連通孔１３ｃ,…が形成されているが、これに限らない。多数の凹凸１３ａ,…の間を連通すればよいので、例えば、フィン１３の長手方向端部１３ｂに対向する位置のエンドキャップ１４の内径を拡大し、フィン１３とエンドキャップ１４の間に隙間を設けることで、凹凸１３ａの間を連通してもよい。また、フィン１３の長手方向端部１３ｂの近傍部分のみ、凹凸１３ａ,…の高さを低く設定し、エンドキャップ１４との間に隙間が生じるようにしてもよい。
【００５０】
また、実施例１では、車両のエアコンシステムに適用する冷凍サイクルにおける内部熱交換器の例を示したが、車両以外、例えば家庭用のエアコンシステムや工場や事業所のエアコンシステム等の冷凍サイクルにおける内部熱交換器としても適用できる。要するに、内管と外管と、その間に介装したフィンと、両端に設けたエンドキャップを有する二重管構造の熱交換器であれば、本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  内部熱交換器（熱交換器）
１１  内管
１１ａ  外周面
１１ｂ  長手方向端部
１２  外管
１２ａ  内周面
１２ｂ  長手方向端部
１３  フィン
１３ａ  凹凸
１３ｂ  長手方向端部
１３ｃ  連通孔（連通手段）
１４  エンドキャップ
１５  第１開口部
１５ａ  周縁部
１６  第２開口部
１７  第３開口部
１８  インロー部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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