熱交換器
【課題】熱交換を効率良く行うことができる内部熱交換器を低コストで提供する。
【解決手段】内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部３２ａと凹部３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とし、内管３３を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで内管３３内に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１とし、内管３３と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで内管３３と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２としている。
【解決手段】内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部３２ａと凹部３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とし、内管３３を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで内管３３内に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１とし、内管３３と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで内管３３と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルやヒートポンプサイクル等の装置を構成する自動販売機の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネット内を断熱材で包囲した商品収容庫に収容している商品を冷却または加熱して販売に供するための冷却加熱装置が備えられている。
【０００３】
冷却加熱装置は、機械室に圧縮機、庫外熱交換器、膨張機構、内部熱交換器を配設し、商品収容庫内には蒸発器を配設し、これらの各機器を冷媒配管で接続することにより構成している。このように構成された冷却加熱装置は、冷却加熱の運転モードに応じて、商品収容庫内に冷却または加熱した空気を循環させて収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却または加熱するものである。
【０００４】
圧縮機は、冷媒を圧縮して冷媒配管を介してこれらの各機器内を循環させるためのもので、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、高圧側が約９ＭＰａ、低圧側が約２．５ＭＰａとなる。
【０００５】
庫外熱交換器は、フィンチューブ型の熱交換器であり、冷却運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものである。膨張機構は、冷却運転時に通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものであり、たとえばキャピラリ、温度膨張弁、電子膨張弁が使用される。蒸発器は、冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で商品収納庫内を冷却するためのものである。内部熱交換器は、その内部で熱交換を行う高温の高圧側配管と低温の低圧側配管を有している。高圧側配管は、庫外熱交換器と膨張機構との間に配管接続され、低圧側配管は蒸発器と圧縮機との間に配管接続される。
【０００６】
このような内部熱交換器としては、従来一般に２重管式熱交換器が使用されている。２重管式熱交換器は、内側および外側に径の異なる２本の金属製の管材を配設することによって構成される最も簡単な形式の熱交換器であり、その製作および保守が容易であり、必要に応じて伝熱面積を増減でき、高温流体と低温流体とを完全に対向流にできるなど多くの利点を有するために現在でも広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ところで、このような径の異なる２本の金属製の管材を内側および外側に配設する２重管式熱交換器では、内管内を通流する流体と、その外部を通流する流体との間における熱交換性能を向上させることが困難という問題を内在していた。
【０００８】
そこで、熱交換性能を向上させるべく、従来から様々な工夫が行われてきており、例えば、円筒形の外管と内管との間隙に網状体を挿装した２重管式熱交換器や、内管を外管の内面に沿わせながらコイル状に巻いて内管を固定するようにした２重管式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５８−３３０９１号公報
【特許文献２】特開２００８−２３２４４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２５９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高圧冷媒である二酸化炭素冷媒を使用する冷却加熱装置の２重管式熱交換器では、高圧配管である内管の耐圧の課題があり、２重管の内外に高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒を通流させて熱交換させるには、内管、外管の肉厚を厚くする必要があり、熱交換器を大型化し、材料コストが高くなるという問題があった。また外管内で内管が振動しないように内管を外管の内面に沿わせながらコイル状に巻いて内管を固定するようにした２重管式熱交換器においては、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管と、その内管の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が狭くなり熱交換が有効に行われなく、熱交換効率が悪化する要因となっていた。
【００１１】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、熱交換を効率良く行うことができる熱交換器を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱交換器は、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る熱交換器は、上述した請求項１において、前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る熱交換器は、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項４に係る熱交換器は、上述した請求項３において、前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る熱交換器は、上述した請求項２または請求項４において、前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことにより、高温高圧の冷媒を通流させる内管を円筒形として高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることが可能となる。
【００１８】
また、請求項２の発明によれば、前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことにより、内管を常に外管の中央に固定することができる。このことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管と、内管の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、そのうえ、多葉管のフィン効果も相まって高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることが可能となる。
【００１９】
また、請求項３の発明によれば、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことにより、高温高圧の冷媒を通流させる内部熱交換器で、多葉管と外管との間に形成された高圧側配管に高圧冷媒を循環させても、凹部頂部の内側面が互いに密着しているので、高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることが可能となる。
【００２０】
また、請求項４の発明によれば、前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である多葉管外部と、多葉管の内部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることが可能となる。
【００２１】
また、請求項５の発明によれば、前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることにより、圧縮機から庫外熱交換器を介して供給される高温高圧の冷媒と蒸発器で蒸発して低温低圧となった冷媒とを内部熱交換器内で逆方向の向きの流れ（対向流）とすることで、高温の冷媒と低温の冷媒間の熱交換を効率良く行うことが可能となる。
【００２２】
以上、本発明により、熱交換を効率良く行うことができる熱交換器を低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の冷媒回路概念図
【図２】図１に示した熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る熱交換器を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図
【図５】本発明の実施の形態２に係る多葉管において、（ａ）は多葉管の外周面の断面周長を近似的に算出した計算式、（ｂ）は多葉管の葉数（枚）と熱交換率を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る熱交換器の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の冷媒回路概念図、図２は図１に示した熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の斜視図である。
【００２６】
缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネット内を断熱材で包囲した商品収容庫に収容している商品を冷却または加熱して販売に供するための冷却加熱装置１が備えられている。
【００２７】
冷却加熱装置１は、図示しない機械室に圧縮機１１、三方弁１２、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４、膨張機構１５、分配器１６、冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、集合器２２を配設している。また、商品収容庫２ａ内には膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａ、商品収容庫２ｂ内には膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂ、電熱ヒータ２１ｂ、商品収容庫２ｃ内には膨張機構１８ｃ、蒸発器１９ｃ、加熱熱交換器２０、電熱ヒータ２１ｃを配設し、これらの各機器を冷媒配管Ｌで接続することにより冷却加熱装置１を構成している。
【００２８】
このように構成された冷却加熱装置１は、冷却加熱の運転モードに応じて、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内に冷却または加熱した空気を循環させて収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却または加熱するものである。ここで、冷媒としては、不燃性、安全性、不腐食性を有し、更にオゾン層への影響が少ない二酸化炭素を用いている。
【００２９】
冷却加熱用の圧縮機１１は、冷媒を圧縮して冷媒回路内を循環させるためのもので、冷却運転時には、凝縮温度が約４０℃、蒸発温度が約−１０℃で使用される。冷却加熱運転時には、凝縮温度が約７０℃、蒸発温度が約−１０℃で使用され、高圧側が約９ＭＰａ、低圧側が約２．５ＭＰａとなる。
【００３０】
三方弁１２は、弁位置を変えることで冷媒の循環回路を切り替えるためのもので、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却するときは圧縮機１１で圧縮された冷媒の循環方向を矢印Ａで示す方向へと切り替え、庫外熱交換器１３から内部熱交換器１４の高圧側配管１４１を介して蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環させる。
【００３１】
また、商品収容庫２ｃ内を加熱するときは、圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒の循環方向を矢印Ｃで示す方向へと切り替え、加熱熱交換器２０へと循環させる。
【００３２】
庫外熱交換器１３は、フィンチューブ型の熱交換器であり、冷却運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものであり、加熱運転時には蒸発器を兼用する。
【００３３】
内部熱交換器１４は、その内部で熱交換を行う高温の高圧側配管１４１と低温の低圧側配管１４２を有している。高圧側配管１４１は、庫外熱交換器１３と膨張機構１５との間に配管接続され、低圧側配管１４２は集合器２２と圧縮機１１との間に配管接続されている。
【００３４】
膨張機構１５、１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、冷却運転時に通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものであり、たとえばキャピラリ、温度膨張弁、電子膨張弁が使用される。
【００３５】
分配器１６は、冷媒を蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃに分配するためのものである。
【００３６】
冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、圧縮機１１で圧縮されて供給される冷媒を蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環させる冷媒回路を開閉するためのものである。
【００３７】
蒸発器１９ａは、商品収納庫２ａ内を冷却するためのものであり、蒸発器１９ｂは商品収容庫２ｂ内を、蒸発器１９ｃは商品収容庫２ｃ内を冷却するためのものである。また、加熱熱交換器２０は圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒熱で商品収容庫２ｃ内を加熱するためのものである。
【００３８】
電熱ヒータ２１ｂは商品収容庫２ｂ内を加熱するためのものであり、電熱ヒータ２１ｃは商品収容庫２ｃ内を加熱するためのものである。
【００３９】
集合器２２は、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃから内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を介して圧縮機１１に還流する冷媒を集合するためのものである。
【００４０】
そして、冷却加熱装置１で商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却する運転モードの場合、圧縮機１１から三方弁１２の矢印Ａ方向、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４の高圧側配管１４１、膨張機構１５を経由して分配器１６に接続している。分配器１６から一方は冷媒電磁弁１７ａ、膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａを経由して集合器２２に接続し、また、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｂ、膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂを経由して集合器２２に接続し、さらに、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｃ、膨張機構１８ｃ、蒸発器１９ｃを経由して集合器２２に接続し、集合器２２からは内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を経由して圧縮機１１に冷媒が還流する冷媒回路を構成させている。
【００４１】
このようにして構成した冷媒回路で、圧縮機１１を運転して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開放すると、圧縮機１１で圧縮した冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環することにより、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で冷却された空気をファン（図示せず）で循環させて商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却し、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却する。
【００４２】
一方、商品収容庫２ａ、２ｂを冷却し、商品収容庫２ｃを加熱する冷却加熱の運転モードの場合、圧縮機１１から三方弁１２の矢印Ｃ方向、加熱熱交換器２０、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４の高圧側配管１４１、膨張機構１５を経由して分配器１６に接続している。分配器１６から一方は冷媒電磁弁１７ａ、膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａを経由して集合器２２に接続し、また、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｂ、膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂを経由して集合器２２に接続し、集合器２２からは内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を経由して圧縮機１１に冷媒が還流する冷媒回路を構成させている。
【００４３】
このようにして構成した冷媒回路で、圧縮機１１を運転して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂを開放すると、圧縮機１１で圧縮した高温高圧の冷媒が加熱熱交換器２０を循環することにより、高温（例えば、約７０°）になっている冷媒の高熱で加熱された空気をファンで循環させて商品収容庫２ｃ内を加熱し、商品収容庫２ｃに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を加熱する。
【００４４】
また、蒸発器１９ａ、１９ｂでは冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で冷却された空気をファンで循環させて商品収容庫２ａ、２ｂ内を冷却し、商品収容庫２ａ、２ｂに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る内部熱交換器１４を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図である。
【００４５】
内部熱交換器１４は、図３（ｂ）に示すように、管壁が円周方向に凸部（山部）３２ａと凹部（谷部）３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とし、このように構成した管構造を図３（ａ）に示すようにコイル状に形成している。
【００４６】
そして、内管３３を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで、内管３３内に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１として接続管１４ａを庫外熱交換器１３に接続し、接続管１４ｂを膨張機構１５に接続している。
【００４７】
また、内管３３と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで、内管３３と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２として接続管１４ｃを集合器２２に接続し、接続管１４ｄを圧縮機１１に接続している。
【００４８】
このようにして冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒（第１流体）を接続管１４ａから内管３３内に形成された高圧側配管１４１に通流させて接続管１４ｂから膨張機構１５に循環させる。
【００４９】
また、膨張機構１５から分配器１６を経由して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、膨張機構１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃを経由して集合器２２から圧縮機１１に還流する蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒（第２流体）を接続管１４ｃから内管３３と外管３１との間に形成された低圧側配管１４２に通流させて接続管１４ｄから圧縮機１１に還流させる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１によれば、内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部（山部）３２ａと凹部（谷部）３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とすることにより、高温高圧の冷媒を通流させる内管３３を円筒形として高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることができる。
【００５１】
また、多葉管３２の凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させているので、内管３３を常に外管３１の中央に固定することができる。このことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管３３と、内管３３の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くすることができるので、熱交換面積を有効に利用でき、そのうえ、多葉管３２のフィン効果も相まって高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
さらに、圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒と蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒とを内部熱交換器１４内で逆向きの流れ（対向流）とすることで、高温の冷媒と低温の冷媒間の熱交換を効率良く行うことができる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る熱交換器について図４を参照して説明する。図４は、内部熱交換器１４を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図である。なお、実施の形態１と同一構成に関しては同一符号を用いる。
【００５３】
実施の形態１では、円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管３１と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３２ａと凹部３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２の凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させてなる構造とし、内管３３内に形成された流路を流れる、冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒（第１流体）と、内管３３と外管３１との間に形成された流路を流れる、高温高圧の冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して圧縮機１１に還流する低温低圧の冷媒（第２流体）と、を熱交換させるようにしているが、この実施の形態２では、円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３４ａと凹部３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４の凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させてなる構造とし、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を流れる、冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒（第１流体）と、多葉管３４内に形成された流路を流れる、高温高圧の冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して圧縮機１１に還流する低温低圧の冷媒（第２流体）と、を熱交換させるようにしている。
【００５４】
そして、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１として接続管１４ｄを庫外熱交換器１３に接続し、接続管１４ｃを膨張機構１５に接続している。
【００５５】
また、多葉管３４を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで、多葉管３４内に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２として接続管１４ｂを集合器２２に接続し、接続管１４ａを圧縮機１１に接続している。
【００５６】
このようにして冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒（第１流体）を接続管１４ｄから多葉管３４と外管３１との間に形成された高圧側配管１４１に通流させて接続管１４ｃから膨張機構１５に循環させる。
【００５７】
また、膨張機構１５から分配器１６を経由して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、膨張機構１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃを経由して集合器２２から圧縮機１１に還流する蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒（第２流体）を接続管１４ｂから多葉管３４内に形成された低圧側配管１４２に通流させて接続管１４ａから圧縮機１１に還流させる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態２によれば、内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部（山部）３４ａと凹部（谷部）３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させてなる構造とすることにより、高温高圧の冷媒を通流させる内部熱交換器１４で、多葉管３４と外管３１との間に形成された高圧側配管１４１に高圧冷媒を循環させても、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃが互いに密着させてあるので、高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることができる。
【００５９】
また、高温の冷媒が通流している高圧側配管である多葉管３４外部と、多葉管３４の内部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることができる。
【００６０】
また、本実施の形態２における内部熱交換器１４は、上述したように円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３４ａと凹部３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４の凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させた構造であり、その実熱交換断面周長Ｌ（実）（多葉管３４と外管３１内部との密着面を除した有効熱交換周長）は、図５（ａ）に示す計算式で近似的に算出できる。この計算式によれば、外管３１の外径φout（ｍｍ）と多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を流れる高圧側圧力Ｐ（ＭＰａ）、及び管の材料許容応力σ（ＭＰａ）から、外管３１の内径（多葉管３４の外径）が決定され、さらに、多葉管３４の葉数Ｎ（枚）から多葉管３４の実熱交換断面周長Ｌ（実）が求められる。
【００６１】
これにより、葉数Ｎ（枚）を多くするほど実熱交換断面周長Ｌ（実）は大きくなり、熱交換面積の増加により熱交換率は向上するが、Ｎ（葉数）を多くするに従って多葉管３４内を流れる冷媒の流路面積や冷媒流速が減少して圧力損失も大きくなる。
【００６２】
よって、熱交換率と圧力損失の両方から、実質熱交換比率を算出した結果、本実施の形態２における多葉管３４の各葉数毎の実質熱交換比率は、図５（ｂ）のグラフに示す結果となり、多葉管３４の葉数が３葉乃至５葉の場合、従来の２重管（円筒内管）に対して熱交換比率は約６０％向上し、同等の熱交換比率で比較した場合、約４０％のダウンサイジング（小型化）効果があることがわかる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 冷却加熱装置
１１ 圧縮機
１４ 内部熱交換器
１４１ 高圧側配管
１４２ 低圧側配管
１９ａ 蒸発器
１９ｂ 蒸発器
１９ｃ 蒸発器
３１ 外管
３２ 多葉管
３２ａ 凸部
３２ｂ 凹部
３３ 内管
３４ 多葉管
３４ａ 凸部
３４ｂ 凹部
３４ｃ 内側面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルやヒートポンプサイクル等の装置を構成する自動販売機の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネット内を断熱材で包囲した商品収容庫に収容している商品を冷却または加熱して販売に供するための冷却加熱装置が備えられている。
【０００３】
冷却加熱装置は、機械室に圧縮機、庫外熱交換器、膨張機構、内部熱交換器を配設し、商品収容庫内には蒸発器を配設し、これらの各機器を冷媒配管で接続することにより構成している。このように構成された冷却加熱装置は、冷却加熱の運転モードに応じて、商品収容庫内に冷却または加熱した空気を循環させて収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却または加熱するものである。
【０００４】
圧縮機は、冷媒を圧縮して冷媒配管を介してこれらの各機器内を循環させるためのもので、冷媒として二酸化炭素を使用する場合には、高圧側が約９ＭＰａ、低圧側が約２．５ＭＰａとなる。
【０００５】
庫外熱交換器は、フィンチューブ型の熱交換器であり、冷却運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものである。膨張機構は、冷却運転時に通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものであり、たとえばキャピラリ、温度膨張弁、電子膨張弁が使用される。蒸発器は、冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で商品収納庫内を冷却するためのものである。内部熱交換器は、その内部で熱交換を行う高温の高圧側配管と低温の低圧側配管を有している。高圧側配管は、庫外熱交換器と膨張機構との間に配管接続され、低圧側配管は蒸発器と圧縮機との間に配管接続される。
【０００６】
このような内部熱交換器としては、従来一般に２重管式熱交換器が使用されている。２重管式熱交換器は、内側および外側に径の異なる２本の金属製の管材を配設することによって構成される最も簡単な形式の熱交換器であり、その製作および保守が容易であり、必要に応じて伝熱面積を増減でき、高温流体と低温流体とを完全に対向流にできるなど多くの利点を有するために現在でも広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
ところで、このような径の異なる２本の金属製の管材を内側および外側に配設する２重管式熱交換器では、内管内を通流する流体と、その外部を通流する流体との間における熱交換性能を向上させることが困難という問題を内在していた。
【０００８】
そこで、熱交換性能を向上させるべく、従来から様々な工夫が行われてきており、例えば、円筒形の外管と内管との間隙に網状体を挿装した２重管式熱交換器や、内管を外管の内面に沿わせながらコイル状に巻いて内管を固定するようにした２重管式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５８−３３０９１号公報
【特許文献２】特開２００８−２３２４４９号公報
【特許文献３】特開２００８−２５９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
高圧冷媒である二酸化炭素冷媒を使用する冷却加熱装置の２重管式熱交換器では、高圧配管である内管の耐圧の課題があり、２重管の内外に高温高圧の冷媒と低温低圧の冷媒を通流させて熱交換させるには、内管、外管の肉厚を厚くする必要があり、熱交換器を大型化し、材料コストが高くなるという問題があった。また外管内で内管が振動しないように内管を外管の内面に沿わせながらコイル状に巻いて内管を固定するようにした２重管式熱交換器においては、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管と、その内管の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が狭くなり熱交換が有効に行われなく、熱交換効率が悪化する要因となっていた。
【００１１】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、熱交換を効率良く行うことができる熱交換器を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱交換器は、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る熱交換器は、上述した請求項１において、前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る熱交換器は、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項４に係る熱交換器は、上述した請求項３において、前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る熱交換器は、上述した請求項２または請求項４において、前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことにより、高温高圧の冷媒を通流させる内管を円筒形として高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることが可能となる。
【００１８】
また、請求項２の発明によれば、前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことにより、内管を常に外管の中央に固定することができる。このことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管と、内管の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、そのうえ、多葉管のフィン効果も相まって高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることが可能となる。
【００１９】
また、請求項３の発明によれば、円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことにより、高温高圧の冷媒を通流させる内部熱交換器で、多葉管と外管との間に形成された高圧側配管に高圧冷媒を循環させても、凹部頂部の内側面が互いに密着しているので、高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることが可能となる。
【００２０】
また、請求項４の発明によれば、前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である多葉管外部と、多葉管の内部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることが可能となる。
【００２１】
また、請求項５の発明によれば、前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることにより、圧縮機から庫外熱交換器を介して供給される高温高圧の冷媒と蒸発器で蒸発して低温低圧となった冷媒とを内部熱交換器内で逆方向の向きの流れ（対向流）とすることで、高温の冷媒と低温の冷媒間の熱交換を効率良く行うことが可能となる。
【００２２】
以上、本発明により、熱交換を効率良く行うことができる熱交換器を低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の冷媒回路概念図
【図２】図１に示した熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る熱交換器を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図
【図５】本発明の実施の形態２に係る多葉管において、（ａ）は多葉管の外周面の断面周長を近似的に算出した計算式、（ｂ）は多葉管の葉数（枚）と熱交換率を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る熱交換器の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の冷媒回路概念図、図２は図１に示した熱交換器を備えた自動販売機の冷却加熱装置の斜視図である。
【００２６】
缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を販売する自動販売機では、自動販売機本体である本体キャビネット内を断熱材で包囲した商品収容庫に収容している商品を冷却または加熱して販売に供するための冷却加熱装置１が備えられている。
【００２７】
冷却加熱装置１は、図示しない機械室に圧縮機１１、三方弁１２、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４、膨張機構１５、分配器１６、冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、集合器２２を配設している。また、商品収容庫２ａ内には膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａ、商品収容庫２ｂ内には膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂ、電熱ヒータ２１ｂ、商品収容庫２ｃ内には膨張機構１８ｃ、蒸発器１９ｃ、加熱熱交換器２０、電熱ヒータ２１ｃを配設し、これらの各機器を冷媒配管Ｌで接続することにより冷却加熱装置１を構成している。
【００２８】
このように構成された冷却加熱装置１は、冷却加熱の運転モードに応じて、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内に冷却または加熱した空気を循環させて収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却または加熱するものである。ここで、冷媒としては、不燃性、安全性、不腐食性を有し、更にオゾン層への影響が少ない二酸化炭素を用いている。
【００２９】
冷却加熱用の圧縮機１１は、冷媒を圧縮して冷媒回路内を循環させるためのもので、冷却運転時には、凝縮温度が約４０℃、蒸発温度が約−１０℃で使用される。冷却加熱運転時には、凝縮温度が約７０℃、蒸発温度が約−１０℃で使用され、高圧側が約９ＭＰａ、低圧側が約２．５ＭＰａとなる。
【００３０】
三方弁１２は、弁位置を変えることで冷媒の循環回路を切り替えるためのもので、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却するときは圧縮機１１で圧縮された冷媒の循環方向を矢印Ａで示す方向へと切り替え、庫外熱交換器１３から内部熱交換器１４の高圧側配管１４１を介して蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環させる。
【００３１】
また、商品収容庫２ｃ内を加熱するときは、圧縮機１１で圧縮された高温高圧の冷媒の循環方向を矢印Ｃで示す方向へと切り替え、加熱熱交換器２０へと循環させる。
【００３２】
庫外熱交換器１３は、フィンチューブ型の熱交換器であり、冷却運転時に余剰な凝縮熱を排出するためのものであり、加熱運転時には蒸発器を兼用する。
【００３３】
内部熱交換器１４は、その内部で熱交換を行う高温の高圧側配管１４１と低温の低圧側配管１４２を有している。高圧側配管１４１は、庫外熱交換器１３と膨張機構１５との間に配管接続され、低圧側配管１４２は集合器２２と圧縮機１１との間に配管接続されている。
【００３４】
膨張機構１５、１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、冷却運転時に通過する冷媒を減圧して断熱膨張させるものであり、たとえばキャピラリ、温度膨張弁、電子膨張弁が使用される。
【００３５】
分配器１６は、冷媒を蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃに分配するためのものである。
【００３６】
冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃは、圧縮機１１で圧縮されて供給される冷媒を蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環させる冷媒回路を開閉するためのものである。
【００３７】
蒸発器１９ａは、商品収納庫２ａ内を冷却するためのものであり、蒸発器１９ｂは商品収容庫２ｂ内を、蒸発器１９ｃは商品収容庫２ｃ内を冷却するためのものである。また、加熱熱交換器２０は圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒熱で商品収容庫２ｃ内を加熱するためのものである。
【００３８】
電熱ヒータ２１ｂは商品収容庫２ｂ内を加熱するためのものであり、電熱ヒータ２１ｃは商品収容庫２ｃ内を加熱するためのものである。
【００３９】
集合器２２は、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃから内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を介して圧縮機１１に還流する冷媒を集合するためのものである。
【００４０】
そして、冷却加熱装置１で商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却する運転モードの場合、圧縮機１１から三方弁１２の矢印Ａ方向、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４の高圧側配管１４１、膨張機構１５を経由して分配器１６に接続している。分配器１６から一方は冷媒電磁弁１７ａ、膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａを経由して集合器２２に接続し、また、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｂ、膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂを経由して集合器２２に接続し、さらに、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｃ、膨張機構１８ｃ、蒸発器１９ｃを経由して集合器２２に接続し、集合器２２からは内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を経由して圧縮機１１に冷媒が還流する冷媒回路を構成させている。
【００４１】
このようにして構成した冷媒回路で、圧縮機１１を運転して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開放すると、圧縮機１１で圧縮した冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃへと循環することにより、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で冷却された空気をファン（図示せず）で循環させて商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃ内を冷却し、商品収容庫２ａ、２ｂ、２ｃに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却する。
【００４２】
一方、商品収容庫２ａ、２ｂを冷却し、商品収容庫２ｃを加熱する冷却加熱の運転モードの場合、圧縮機１１から三方弁１２の矢印Ｃ方向、加熱熱交換器２０、庫外熱交換器１３、内部熱交換器１４の高圧側配管１４１、膨張機構１５を経由して分配器１６に接続している。分配器１６から一方は冷媒電磁弁１７ａ、膨張機構１８ａ、蒸発器１９ａを経由して集合器２２に接続し、また、分配器１６から冷媒電磁弁１７ｂ、膨張機構１８ｂ、蒸発器１９ｂを経由して集合器２２に接続し、集合器２２からは内部熱交換器１４の低圧側配管１４２を経由して圧縮機１１に冷媒が還流する冷媒回路を構成させている。
【００４３】
このようにして構成した冷媒回路で、圧縮機１１を運転して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂを開放すると、圧縮機１１で圧縮した高温高圧の冷媒が加熱熱交換器２０を循環することにより、高温（例えば、約７０°）になっている冷媒の高熱で加熱された空気をファンで循環させて商品収容庫２ｃ内を加熱し、商品収容庫２ｃに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を加熱する。
【００４４】
また、蒸発器１９ａ、１９ｂでは冷媒が蒸発する際に発生する蒸発熱（潜熱）で冷却された空気をファンで循環させて商品収容庫２ａ、２ｂ内を冷却し、商品収容庫２ａ、２ｂに収容している缶入り飲料やペットボトル入り飲料等の商品を冷却する。
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る内部熱交換器１４を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図である。
【００４５】
内部熱交換器１４は、図３（ｂ）に示すように、管壁が円周方向に凸部（山部）３２ａと凹部（谷部）３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とし、このように構成した管構造を図３（ａ）に示すようにコイル状に形成している。
【００４６】
そして、内管３３を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで、内管３３内に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１として接続管１４ａを庫外熱交換器１３に接続し、接続管１４ｂを膨張機構１５に接続している。
【００４７】
また、内管３３と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで、内管３３と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２として接続管１４ｃを集合器２２に接続し、接続管１４ｄを圧縮機１１に接続している。
【００４８】
このようにして冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒（第１流体）を接続管１４ａから内管３３内に形成された高圧側配管１４１に通流させて接続管１４ｂから膨張機構１５に循環させる。
【００４９】
また、膨張機構１５から分配器１６を経由して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、膨張機構１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃを経由して集合器２２から圧縮機１１に還流する蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒（第２流体）を接続管１４ｃから内管３３と外管３１との間に形成された低圧側配管１４２に通流させて接続管１４ｄから圧縮機１１に還流させる。
【００５０】
以上のように、本実施の形態１によれば、内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部（山部）３２ａと凹部（谷部）３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させた構造とすることにより、高温高圧の冷媒を通流させる内管３３を円筒形として高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることができる。
【００５１】
また、多葉管３２の凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させているので、内管３３を常に外管３１の中央に固定することができる。このことにより、高温の冷媒が通流している高圧側配管である内管３３と、内管３３の外部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くすることができるので、熱交換面積を有効に利用でき、そのうえ、多葉管３２のフィン効果も相まって高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
さらに、圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒と蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒とを内部熱交換器１４内で逆向きの流れ（対向流）とすることで、高温の冷媒と低温の冷媒間の熱交換を効率良く行うことができる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る熱交換器について図４を参照して説明する。図４は、内部熱交換器１４を示す図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその管構造の断面図である。なお、実施の形態１と同一構成に関しては同一符号を用いる。
【００５３】
実施の形態１では、円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管３１と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３２ａと凹部３２ｂとが交互に複数形成された多葉管３２の凸部３２ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３２ｂ頂部の内面に円筒形の内管３３の外面を密着させてなる構造とし、内管３３内に形成された流路を流れる、冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒（第１流体）と、内管３３と外管３１との間に形成された流路を流れる、高温高圧の冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して圧縮機１１に還流する低温低圧の冷媒（第２流体）と、を熱交換させるようにしているが、この実施の形態２では、円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３４ａと凹部３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４の凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させてなる構造とし、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を流れる、冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から供給される高温高圧の冷媒（第１流体）と、多葉管３４内に形成された流路を流れる、高温高圧の冷媒が蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して圧縮機１１に還流する低温低圧の冷媒（第２流体）と、を熱交換させるようにしている。
【００５４】
そして、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路に接続管１４ｃ、１４ｄを接続することで、多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を内部熱交換器１４の高圧側配管１４１として接続管１４ｄを庫外熱交換器１３に接続し、接続管１４ｃを膨張機構１５に接続している。
【００５５】
また、多葉管３４を接続管１４ａ、１４ｂに接続することで、多葉管３４内に形成された流路を内部熱交換器１４の低圧側配管１４２として接続管１４ｂを集合器２２に接続し、接続管１４ａを圧縮機１１に接続している。
【００５６】
このようにして冷却加熱装置１を構成している圧縮機１１から庫外熱交換器１３を介して供給される高温高圧の冷媒（第１流体）を接続管１４ｄから多葉管３４と外管３１との間に形成された高圧側配管１４１に通流させて接続管１４ｃから膨張機構１５に循環させる。
【００５７】
また、膨張機構１５から分配器１６を経由して冷媒電磁弁１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、膨張機構１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃを経由して集合器２２から圧縮機１１に還流する蒸発器１９ａ、１９ｂ、１９ｃで蒸発して低温低圧となった冷媒（第２流体）を接続管１４ｂから多葉管３４内に形成された低圧側配管１４２に通流させて接続管１４ａから圧縮機１１に還流させる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態２によれば、内部熱交換器１４を、管壁が円周方向に凸部（山部）３４ａと凹部（谷部）３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４を円筒形の外管３１内に該外管３１と同一方向に配置し、凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させてなる構造とすることにより、高温高圧の冷媒を通流させる内部熱交換器１４で、多葉管３４と外管３１との間に形成された高圧側配管１４１に高圧冷媒を循環させても、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃが互いに密着させてあるので、高圧冷媒に対応する耐圧強度を保たせることができる。
【００５９】
また、高温の冷媒が通流している高圧側配管である多葉管３４外部と、多葉管３４の内部を通流している低温の冷媒との熱交換面積が広くなるので、熱交換面積を有効に利用でき、高効率な熱交換を実現することができ、ダウンサイジング、および、コストダウンを図ることができる。
【００６０】
また、本実施の形態２における内部熱交換器１４は、上述したように円筒形の外管３１と、外管３１内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部３４ａと凹部３４ｂとが交互に複数形成された多葉管３４の凸部３４ａ頂部の外面を外管３１の内面に密着させ、凹部３４ｂ頂部の内側面３４ｃを互いに密着させた構造であり、その実熱交換断面周長Ｌ（実）（多葉管３４と外管３１内部との密着面を除した有効熱交換周長）は、図５（ａ）に示す計算式で近似的に算出できる。この計算式によれば、外管３１の外径φout（ｍｍ）と多葉管３４と外管３１との間に形成された流路を流れる高圧側圧力Ｐ（ＭＰａ）、及び管の材料許容応力σ（ＭＰａ）から、外管３１の内径（多葉管３４の外径）が決定され、さらに、多葉管３４の葉数Ｎ（枚）から多葉管３４の実熱交換断面周長Ｌ（実）が求められる。
【００６１】
これにより、葉数Ｎ（枚）を多くするほど実熱交換断面周長Ｌ（実）は大きくなり、熱交換面積の増加により熱交換率は向上するが、Ｎ（葉数）を多くするに従って多葉管３４内を流れる冷媒の流路面積や冷媒流速が減少して圧力損失も大きくなる。
【００６２】
よって、熱交換率と圧力損失の両方から、実質熱交換比率を算出した結果、本実施の形態２における多葉管３４の各葉数毎の実質熱交換比率は、図５（ｂ）のグラフに示す結果となり、多葉管３４の葉数が３葉乃至５葉の場合、従来の２重管（円筒内管）に対して熱交換比率は約６０％向上し、同等の熱交換比率で比較した場合、約４０％のダウンサイジング（小型化）効果があることがわかる。
【符号の説明】
【００６３】
１ 冷却加熱装置
１１ 圧縮機
１４ 内部熱交換器
１４１ 高圧側配管
１４２ 低圧側配管
１９ａ 蒸発器
１９ｂ 蒸発器
１９ｃ 蒸発器
３１ 外管
３２ 多葉管
３２ａ 凸部
３２ｂ 凹部
３３ 内管
３４ 多葉管
３４ａ 凸部
３４ｂ 凹部
３４ｃ 内側面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項２】
前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内部熱交換器。
【請求項３】
円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項４】
前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内部熱交換器。
【請求項５】
前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることを特徴とする請求項２または請求項４に記載の内部熱交換器。
【請求項１】
円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内面に円筒形の内管の外面を密着させてなる構造としたことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項２】
前記内管内に形成された流路を流れる第１流体と、前記内管と前記外管との間に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内部熱交換器。
【請求項３】
円筒形の外管と、前記外管内に該外管と同一方向に配置され、管壁が円周方向に凸部と凹部とが交互に複数形成された多葉管の前記凸部頂部の外面を前記外管の内面に密着させ、前記凹部頂部の内側面を互いに密着させてなる構造としたことを特徴とする内部熱交換器。
【請求項４】
前記多葉管と前記外管との間に形成された流路を流れる第１流体と、前記多葉管内に形成された流路を流れる第２流体と、を熱交換させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内部熱交換器。
【請求項５】
前記第１流体が冷却加熱装置を構成している圧縮機から供給される高温高圧の冷媒であり、前記第２流体が前記高温高圧の冷媒が蒸発器で蒸発して前記圧縮機に還流する低温低圧の冷媒であることを特徴とする請求項２または請求項４に記載の内部熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１８９３１２（Ｐ２０１２−１８９３１２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３２６５１（Ｐ２０１２−３２６５１）
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【出願人】（０００２３７７１０）富士電機リテイルシステムズ株式会社 (1,851)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【出願人】（０００２３７７１０）富士電機リテイルシステムズ株式会社 (1,851)
【Ｆターム（参考）】
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