(57)【要約】【課題】高い運転効率および運転能力を保持しつつ、内部熱交換器の熱交換量を従来よりも高めることができる冷凍サイクル装置を提供する。【解決手段】冷凍サイクル内を循環する冷媒が管内を蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる内管３２と、前記冷媒が管内を凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる外管３１とからなる二重管式内部熱交換器を有し、外管３１と内管３２との間の外側空間Ｓ１を流れる高温高圧の液相冷媒の一部を、内管３２内の内側空間Ｓ２にバイパスさせるバイパス通路Ｂ１を、気相冷媒流入管８の端部の小径部８Ａを内管３２の端部内側に嵌挿し、気相冷媒流入管８と内管３２との軸方向にオーバーラップさせた管壁相互間に形成した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルにおける、蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる低温低圧冷媒と、凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる高温高圧冷媒との、いずれか一方を内管内の内側空間に流通させ、他方を前記内管と外管との間の外側空間に流通させた内部熱交換器であって、
前記内管と外管とが一体に形成された二重管の端部外側を覆って接続され、前記外側空間を流通する冷媒を第１の外部流路に連通する第１冷媒流路と、前記内側空間を流通する冷媒を第２の外部流路に連通する第２冷媒流路と、が形成された接続片を配設し、
前記内管の一部と、前記接続片の第２冷媒流路を形成する管壁の一部とをこれらの管壁間に間隙を有して軸方向にオーバーラップさせると共に、前記内側空間と、前記外側空間とを、前記管壁間の間隙を経由して連通させたバイパス通路を形成し、
前記高温高圧冷媒の一部が前記バイパス通路を介して減圧膨張されつつ前記低温低圧冷媒が流通する空間に該低温低圧冷媒の流通方向と同一方向に流出する構成としたことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項２】
前記二重管の端部が、前記接続片に形成したストッパに突き当たる位置まで嵌挿させて固定されている請求項１に記載の内部熱交換器。
【請求項３】
前記外側空間に高温高圧冷媒が流通し、前記接続片の第２冷媒流路を形成する管壁の一部は、前記内側空間に挿入される請求項１又は請求項２に記載の内部熱交換器。
【請求項４】
前記内側空間に高温高圧冷媒が流通し、前記接続片の第２冷媒流路を形成する管壁の一部は、前記外側空間に挿入される請求項１又は請求項２に記載の内部熱交換器。
【請求項５】
前記バイパス通路は、前記内部熱交換器の高温高圧冷媒出口側で、低温低圧冷媒の入口側に配設される請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内部熱交換器。
【請求項６】
前記高温高圧冷媒の一部は、前記バイパス通路上流側の高温高圧冷媒流量の５〜３５％に設定されている請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内部熱交換器。
【請求項７】
前記請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内部熱交換器を装置内に備えた冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクル等に用いられる、内部熱交換器及び該内部熱交換器を有する冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素等の冷媒を用いて冷暖房運転を行う冷凍サイクル装置において、特許文献１に記載されるような内部熱交換器を有するものが知られている。このような冷凍サイクル装置においては、高温高圧の液相冷媒と低温低圧の気相冷媒との間で熱交換を行うことによって、蒸発器入口冷媒の比エンタルピを減少させ、冷凍効果を増加させることでサイクルの効率および能力の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２３９２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の冷凍サイクル装置に使用される内部熱交換器においては、熱交換量を増やし過ぎると、圧縮機の吸入過熱度が異常に高くなり、圧縮機および吐出ホースの耐久性に悪影響を及ぼす恐れがあった。このような悪影響を回避するために、内部熱交換器を運転するにあたっては、圧縮機の吸入過熱度を所定範囲内に抑えることができる程度に熱交換量の上限を設定する必要があり、運転効率及び運転能力を十分に高めることができなかった。
【０００５】
本発明は、圧縮機の吸入過熱度を小さく抑制しつつ、内部熱交換器における熱交換量を増大させて、運転効率および運転能力をできる限り高めることができる冷凍サイクル装置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】
上記課題を解決するために、本発明に係る内部熱交換器は、
冷凍サイクルにおける、蒸発器出口から圧縮機入口へと流れる低温低圧冷媒と、凝縮器出口から蒸発器入口へと流れる高温高圧冷媒との、いずれか一方を内管内の内側空間に流通させ、他方を前記内管と外管との間の外側空間に流通させた内部熱交換器であって、以下の構成を有する。
【０００７】
前記内管と外管とが一体に形成された二重管の端部外側を覆って接続され、前記外側空間を流通する冷媒を第１の外部流路に連通する第１冷媒流路と、前記内側空間を流通する冷媒を第２の外部流路に連通する第２冷媒流路と、が形成された接続片を配設し、
前記内管の一部と、前記接続片の第２冷媒流路を形成する管壁の一部とをこれらの管壁間に間隙を有して軸方向にオーバーラップさせると共に、前記内側空間と、前記外側空間とを、前記管壁間の間隙を経由して連通させたバイパス通路を形成し、
前記高温高圧冷媒の一部が前記バイパス通路を介して減圧膨張されつつ前記低温低圧冷媒が流通する空間に該低温低圧冷媒の流通方向と同一方向に流出する構成とする。
【０００８】
また、本発明に係る冷凍サイクル装置は、上記構成の内部熱交換器を装置内に備えた構成とする。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明に係る内部熱交換器及び該内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置においては、凝縮器を通過した高温高圧側の液相冷媒の一部がバイパス通路を介して減圧膨張されつつ２相冷媒となって低温低圧冷媒が流通する管内の空間に流入する。これにより、蒸発器を通過した後の低温低圧の気相冷媒に２相冷媒が加わり、該２相冷媒の蒸発潜熱によって高温高圧冷媒がより効果的に冷却され蒸発器での熱交換量を増大することができる。
【００１０】
一方、２相冷媒による高い冷却機能によって気相冷媒の温度上昇も抑制され、蒸発器出口、圧縮機入口の過熱度を減少させることができ、圧縮機の耐久性劣化を抑制できると共に、吸入冷媒密度を高めて運転効率をより高めることができる。
【００１１】
また、高温高圧側冷媒の一部を、バイパス通路を介して低温低圧側冷媒の流通方向と平行に流出することにより、該流出による圧力損失を抑制できる。
また、第２冷媒流路が接続片に一体に形成されることにより、バイパス通路の軸方向長さや、径方向長さ（管壁間の間隙の大きさ）の寸法精度を高精度に維持することができ、高温高圧冷媒のバイパス流量精度ひいては内部熱交換器の熱交換性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施態様に係る冷凍サイクル装置の概略図である。
【図２】図１の冷凍サイクル装置において用いられる内部熱交換器を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る内部熱交換器におけるバイパス通路周辺部の内部構造を示す断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図５】本発明に係る冷凍サイクル装置の冷凍サイクル特性を示す線図である。
【図６】第２の実施形態に係る内部熱交換器におけるバイパス通路周辺部の内部構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る冷凍サイクル装置１の概略図である。系内には冷媒が循環しており、凝縮器２から流出した高温高圧の液相冷媒は、二重管式の内部熱交換器３の外管３１と内管３２との間の環状の空間を経由し、主として膨張弁１０を通して蒸発器４に流入するが、一部の冷媒は内部熱交換器３内に形成されたバイパス通路Ｂを介して減圧膨張されつつ蒸発器４をバイパスして内管３２内に流入する。
【００１４】
蒸発器４内で蒸発した冷媒は、蒸発器４から流出した後、内部熱交換器３の内管３２内に流入し、前記バイパスした冷媒と合流した後、圧縮機５に流入する。
圧縮機５内で圧縮された冷媒は、凝縮器２に流入して凝縮される。
【００１５】
図２は、上記本発明の一実施形態に係る内部熱交換器３を示す斜視図である。凝縮器２からの液相冷媒を外管３１と内管３２との間の環状の外側空間Ｓ１に流入させる液相冷媒流入管６、該外側空間Ｓ１内の熱交換後の液層冷媒を膨張弁１０へ流出させる液相冷媒流出管７、蒸発器４からの気相冷媒を内管３２内の内側空間Ｓ２に流入させる気相冷媒流入管８、内側空間Ｓ２内の熱交換後の気層冷媒を圧縮機５へ流出させる気相冷媒流出管９が接続されている。
【００１６】
図３は、上記内部熱交換器３におけるバイパス通路Ｂ周辺部の内部構造の第１の実施形態を示す断面図、図４は図３のＸ−Ｘ矢視断面図である。
外管３１と内管３２とが径方向に配設されたリブ３０ａを介して一体に形成された二重管３０の液相冷媒流出側で気相冷媒流入側の開口端部に、接続片１００が接続されている。
【００１７】
接続片１００は、四角柱状（又は円柱状）を有し、一側壁に、前記二重管３０の開口端部を嵌挿して接続させる二重管取付孔１０１が形成されている。接続片１００の二重管取付孔１０１の奥側には、第１冷媒流路を構成する液相冷媒流出路１０２が形成されている。
【００１８】
液相冷媒流出路１０２は、二重管取付孔１０１に連なる円筒状内周面の径が二重管取付孔１０１の径より小さく形成され、これによって形成される段差を有した境界面が、二重管３０の端面を突き当てるストッパ１０３として機能する。
【００１９】
二重管３０は、前記端面がストッパ１０３に突き当たるまで嵌挿した状態で、二重管取付孔１０１の開口端面周縁部にロー付け等により固定される。
液相冷媒流出路１０２は、二重管取付孔１０１に連なる円筒状部分から図示下方に延びる下流側部分が接続片１００の底部で開口し、該開口部に外部流路としての液相冷媒流出管７の端部が直接または継手を介して接続され、ロー付け等で固定される。
【００２０】
接続片１００の、二重管取付孔１０１形成側とは反対側の側壁には、継手取付孔１０４が形成され、外部流路としての気相冷媒流入管８を接続する冷媒流入管継手１１０を、継手取付孔１０４に嵌挿して接続し、ロー付け等により固定している。あるいは、気相冷媒流入管８の端部を直接取付孔に嵌挿して接続する構成としてもよい。
【００２１】
接続片１００の、継手取付孔１０４の軸方向奥側には、液相冷媒流出路１０２の円筒状部分の中央部を通って二重管３０方向に延びる筒状部１０５が、継手取付孔１０４と同心上に形成されている。
【００２２】
筒状部１０５は、液相冷媒流出路１０２を通る大径部１０５Ａと、内管３２の内周面との間に環状の間隙１０６を有して内側空間Ｓ２に挿入される小径部１０５Ｂと、大径部１０５Ａと小径部１０５Ｂを内径及び外径が連続的に変化するように結ぶテーパ部１０５Ｃとを有した形状に形成されている。
【００２３】
筒状部１０５の内周面、及び該内周面に連なって継手取付孔１０４に至る部分には、第２冷媒流路を構成する気相冷媒流入孔１０７が形成されている。気相冷媒流入孔１０７の、大径部１０５Ａの内径及び継手取付孔１０４に至る部分の内径は、冷媒流入管継手１１０の内径に等しく形成されている。
【００２４】
また、テーパ部１０５Ｃ外周面と該外周面に対向する二重管３０の端面との間に、環状の間隙１０８が形成されている。該間隙１０８は、前記内管３２内周面と小径部１０５Ｂ外周面との間の環状の間隙１０６と連通し、これら間隙１０８及び間隙１０６によって、外側空間Ｓ１内を流通する液相冷媒の一部を気相冷媒が流通する内側空間Ｓ２内に導くバイパス通路Ｂ１が形成されている。
【００２５】
次に、かかるバイパス通路Ｂ１を形成した内部熱交換器３を備えた冷凍サイクル装置の作用を説明する。
外側空間Ｓ１内を流れる高温高圧の液相冷媒は、内側空間Ｓ２を流れる低温低圧の気相冷媒との間で、内管３２の管壁面を介して熱交換する。一方、一部の液相冷媒は、間隙１０８と間隙１０６からなるバイパス通路Ｂ１を介して内側空間Ｓ２にバイパスされる。ここで、バイパス通路Ｂ１は、通過する冷媒流れに所定範囲内の流動抵抗が生じるように形成されており、これによって高温高圧冷媒の一部を減圧膨張させて低温低圧の２相冷媒へと相変換させつつバイパスさせて、蒸発器４を通過した後の低温低圧の気相冷媒に合流させる働きをする。
【００２６】
このような構成にて冷媒をバイパスおよび合流させ、バイパスした冷媒の持つ蒸発潜熱を高温高圧冷媒の冷却に利用することによって、サイクル効率を向上させることができる（図５参照）。また、高温高圧冷媒の冷却量を増大することで、蒸発器４入口における冷媒の乾き度を低く抑えることも可能であり、これによって冷凍効率およびサイクル効率のさらなる改善が図られる。
【００２７】
より詳細には、外側空間Ｓ１内の冷媒の一部は、蒸発器４をバイパスして内側空間Ｓ２に流入するため、蒸発器４での外気との熱交換による冷却量はバイパス量分減少することになるが、内部熱交換器３内でバイパスされた蒸発潜熱を有する２相冷媒によって外側空間Ｓ１内の高温高圧冷媒を高効率で冷却することにより、減少分と同等以上の冷却量を回収できる。そして、さらに、バイパス冷媒の蒸発器通過による圧力損失を減少できる分、冷凍能力及びサイクル効率を向上させることができる。
【００２８】
また、バイパス冷媒の蒸発潜熱を用いて高温高圧冷媒の冷却量を増大するため、内側空間Ｓ２内を流通する気相冷媒の高温高圧冷媒との熱交換による温度上昇は低く抑えることができる。これにより、圧縮機５入口での吸入過熱度の増大を抑制して圧縮機５，吐出ホース等の耐久性低下を抑制でき、また、吸入冷媒密度の低下を抑制して運転効率を高めることもできる。換言すれば、圧縮機入口での吸入過熱度を０付近まで低減するように、バイパス通路Ｂ１の形状（通路断面積、通路長さ等）を設定する（図５参照）。例えば、バイパスされる高温高圧冷媒流量は、バイパス通路上流側の高温高圧冷媒流量の５〜３５％に設定される。
【００２９】
ところで内部熱交換器３内で高温高圧冷媒のバイパスを行うだけであれば、内管３２の管壁を貫通する孔を形成するだけで済む。因みに、既述の特許第２９８５８８２号には、本発明とは冷凍サイクルが相違するが、内外二重管式の熱交換器において、外管に流通する液相冷媒の一部を内管の管壁を貫通する孔を介してバイパスさせたものが開示されている（蒸発器からの気相冷媒で凝縮器からの液相冷媒を冷却する熱交換器ではなく、本発明の作用・効果は得られない）。しかし、単純に貫通孔を形成した場合、バイパス冷媒の流出方向が内側空間Ｓ２内を流通する気相冷媒の流通方向と直角ないし大きな角度で交差して乱れを生じ、圧力損失が増大して十分にサイクル効率を高めることができないことが懸念される。
【００３０】
これに対し、上記本発明に係るバイパス通路Ｂ１では、バイパス冷媒が内側空間Ｓ２内の気相冷媒の流通方向と同一方向に流出する構成としたため、バイパス冷媒流出時の乱れを抑制でき、圧力損失を抑制して冷凍能力及びサイクル効率を十分に高めることができる。また、環状の間隙１０６から全周にわたって均一に冷媒を流出させることができるので、乱れ抑制機能が高められる。
【００３１】
また、バイパス通路Ｂ１の冷媒入口を構成する間隙１０８が、間隙１０６に至るまで流路断面積を漸減させるように形成されているため、バイパス通路Ｂ１に流入する際の乱れも抑制される。
【００３２】
このように、乱れを抑制しつつバイパス冷媒流量を高精度に設定して、冷凍能力及びサイクル効率を高めることができる。
特に、第２冷媒流路を構成する筒状部の小径部１０５Ｂが接続片１００に一体に形成されることにより、バイパス通路Ｂ１（間隙１０６）の軸方向長さや、径方向長さの寸法精度を高めることができる。また、本実施形態では、二重管３０の端部が接続片１００のストッパ１０３に突き当たって位置決めされるようにしたので、上記の寸法精度をより向上させることができる。そして、このように、バイパス通路Ｂ１の寸法精度を向上させることにより、冷媒のバイパス流量精度ひいては当該熱交換器の熱交換性能を向上することができる。
【００３３】
また、バイパス通路の通路断面積、バイパス流量の設定によっては、同一方向に流出するバイパス冷媒が気相冷媒の流動をアシストするエジェクタ効果を発揮させることも可能となる。エジェクタ効果が発揮された場合は、圧縮機の駆動エネルギを低減でき、冷凍能力及びサイクル効率をさらに高めることができる。
【００３４】
なお、バイパス通路Ｂ１は内管３２の上流側にのみ形成されるのがよい。具体的には、外管３１の液相冷媒出口側の端面から内管３２の下流側に向けて、外管３１の外径（Ｄ）の３倍の長さ（３Ｄ）の範囲内に形成されることが好ましい。このような位置にバイパス通路Ｂ１を形成することにより、内管３２の管壁面上の有効な熱交換面積を十分に確保し、冷媒の熱交換を効率的に行うことができる。
【００３５】
上記第１の実施形態では、外側空間Ｓ１に凝縮器２からの液相冷媒を流通し、内側空間Ｓ２に蒸発器４からの気相冷媒を流通する構成の内部熱交換器に適用したが、図６は、これら空間を流れる冷媒を入れ替えた内部熱交換器に適用した第２の実施形態を示す。
【００３６】
図６において、二重管３０の液相冷媒流出側で気相冷媒流入側の開口端部に、接続片２００が接続されている。
接続片２００は、第１の実施形態と同様に四角柱状（又は円柱状）を有し、一側壁に、前記二重管３０の開口端部を嵌挿して接続させる二重管取付孔２０１が形成されている。接続片２００の二重管取付孔２０１の奥側には、気相冷媒流入路２０２が形成されている。
【００３７】
二重管３０は、気相冷媒流入路２０２の二重管取付孔２０１に連なる円筒状外周面と、二重管取付孔２０１との段差を有した境界面（ストッパ）２０３に突き当たるまで嵌挿した状態で、ロー付け等により固定される。
【００３８】
気相冷媒流入路２０２は、上記二重管取付孔２０１に連なる円筒状部分から図示下方に延びる上流側部分が接続片２００の底部で開口し、該開口部に外部流路としての気相冷媒流入管８の端部が直接または継手を介して接続され、ロー付け等で固定される。
【００３９】
接続片２００の、二重管取付孔２０１形成側とは反対側の側壁には、継手取付孔２０４が形成され、外部流路としての液相冷媒流出管７を接続する冷媒流出管継手２１０を、継手取付孔２０４に嵌挿して接続し、ロー付け等により固定している。あるいは、液相冷媒流出管７の端部を直接取付孔に嵌挿して接続する構成としてもよい。
【００４０】
接続片２００の、継手取付孔２０４の軸方向奥側には、液相冷媒流出路１０２の円筒状部分の中央部を通って二重管３０方向に延びる筒状部２０５が、継手取付孔２０４と同心上に形成されている。
【００４１】
筒状部２０５は、継手取付孔２０４と内径が等しく気相冷媒流入路２０２を通る小径部２０５Ａと、内管３２の外周面との間に環状の間隙２０６を有して外側空間Ｓ１に挿入されるように内径が拡大された大径部２０５Ｂと、小径部２０５Ａと大径部２０５Ｂとを内径が連続的に変化するように結ぶテーパ部２０５Ｃとを有した形状に形成されている。
【００４２】
筒状部２０５の内周面、及び該内周面に連なって継手取付孔２０４に至る部分に、液相冷媒流出孔２０７が形成される。
また、テーパ部２０５Ｃの内周面と該内周面に対向する二重管３０の端面の間に、環状の間隙２０８が形成されている。該間隙２０８は、前記間隙２０６と連通し、これら間隙２０８及び間隙２０６によって、内側空間Ｓ２内を流通する液相冷媒の一部を気相冷媒が流通する外側空間Ｓ１内に導くバイパス通路Ｂ２が形成されている。
【００４３】
本実施形態においては、バイパス通路Ｂ２の主要部を構成する間隙２０８が外側空間Ｓ１の中に形成されるが、流路断面積が漸減する間隙２０６及び流路断面積一定の間隙２０８によってバイパス通路Ｂ２が形成されることは、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様の効果が得られ、高精度に形成されるバイパス通路Ｂ２を介して液相冷媒の一部が気相冷媒に合流することにより、高温高圧冷媒のバイパス流量精度ひいては当該熱交換器の熱交換性能を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る二重管式内部熱交換器及び該二重管式内部熱交換器を備えた冷凍サイクル装置は、車両用空調装置の蒸気圧縮式冷凍サイクル等に広く用いられる。
【符号の説明】
【００４５】
１  冷凍サイクル装置
２  凝縮器
３  内部熱交換器
４  蒸発器
５  圧縮機
６  液相冷媒流入管
７  液相冷媒流出管
８  気相冷媒流入管
９  気相冷媒流出管
３０  二重管
３１  外管
３２  内管
１００  接続片
１０１  二重管取付孔
１０２  液相冷媒流出路
１０３  ストッパ
１０４  継手取付孔
１０５  筒状部
１０５Ａ  大径部
１０５Ｂ  小径部
１０５Ｃ  テーパ部
１０６  間隙
１０７  気相冷媒流入孔
１０８  間隙
１１０  冷媒流出管継手
２００  接続片
２０１  二重管取付孔
２０２  気相冷媒流入路
２０３  ストッパ
２０４  継手取付孔
２０５  筒状部
２０５Ａ  小径部
２０５Ｂ  大径部
２０５Ｃ  テーパ部
２０６  間隙
２０７  液相冷媒流出孔
２０８  間隙
２１０  冷媒流出管継手
Ｓ１  外側空間
Ｓ２  内側空間
Ｂ，Ｂ１，Ｂ２  バイパス通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2013217613.tif 000005
【図４】
2013217613.tif 000006
【図５】
2013217613.tif 000007
【図６】
2013217613.tif 000008