JP2000161884A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量性と高い伝熱性能を併せ備えた内面溝付
伝熱管を提供する。 【解決手段】 金属管の内面の円周方向に、金属管の軸
方向Ａと所定の角度β１を有するように複数のフィン１
を形成した第１の領域と、所定の角度β２を有するよう
に複数のフィン２を形成した第２の領域を交互に配置
し、これら第１および第２の領域間でフィン１、２をＶ
字結合させた内面溝付伝熱管において、フィン１、２の
高さを０．１５ｍｍ未満に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内面溝付伝熱管に
関し、特に、軽量で高い伝熱性能を有する内面溝付伝熱
管に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和機、冷凍機等の熱交換器には、
相変化する冷媒を管内に流動させて冷媒の蒸発あるいは
凝縮を生じさせる伝熱管が使用される。この伝熱管とし
ては、たとえば、ルームエアコンの熱交換器等において
は、管内での冷媒の蒸発と凝縮による熱伝導効率を高め
るために、内面に溝を形成した内面溝付伝熱管が使用さ
れる。

【０００３】一方、これらに使用される冷媒について
は、地球温暖化、オゾン層の破壊、酸性雨、あるいは海
洋汚染など地球環境上からの規制が強まっており、たと
えば、これまで多用されてきたフロンＲ２２（ＨＣＦＣ
−２２）は、２０２０年には９９．５％が削減され、事
実上廃止される。

【０００４】このため、パッケージエアコンにはＲ４０
７Ｃ、ルームエアコンにはＲ４１０Ａが代替冷媒として
使用されている。これらの冷媒は、いずれも２種類ある
いは３種類の冷媒を混合したもので、Ｒ４０７Ｃは、Ｒ
３２ＲとＲ１２５とＲ１３４ａの混合体、Ｒ４１０Ａ
は、Ｒ３２とＲ１２５Ｒの半々ずつの混合体から作られ
る。

【０００５】前者は、Ｒ２２とほぼ同じ物性値を有し、
混合された各成分が異なった温度で蒸発し、凝縮する非
共沸性を示すことによって特徴づけられ、後者は、共沸
性による高伝熱性と、圧力がＲ２２の１．６倍となる高
圧性とによって特徴づけられる。従って、これらの冷媒
の蒸発と凝縮のために使用される伝熱管としては、従来
のＲ２２型におけるような螺旋状の連続溝付伝熱管では
不充分であり、新しい構成の溝付伝熱管が必要となる。

【０００６】新しい構成の内面溝付伝熱管として、伝熱
管の軸方向にＶ字型に互いに向き合う複数のフィンを形
成し、これらＶ字のフィン群を伝熱管の円周方向に１〜
３個形成した溝付伝熱管が提案されている（特開平９−
４２８８０号、特開平８−３１８３１２号等に開示あ
り）。

【０００７】このタイプの伝熱管は、フィンにより形成
されるＶ字の傾斜溝に冷媒を流し、傾斜溝を流れた冷媒
をＶ字の突き合わせ部において衝突させ、これにより生
ずる流れの乱れを利用して伝熱性を高めるもので、言い
換えれば、伝熱管の円周方向に冷媒液の偏りを発生さ
せ、この偏りによって円周方向に冷媒の薄液膜を作り、
これによってこの部分での冷媒の蒸発あるいは凝縮を促
進させるところに特徴がある（第３４回日本伝熱シンポ
ジウム講演論文集１９９７−５、「対象形状内面溝付管
による３成分非共沸混合冷媒の伝熱促進」より）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のこのタ
イプの内面溝付伝熱管によると、フインの角度、ピッチ
等は、従来の螺旋溝付伝熱管の設計値をそのまま採用し
ており、そのため、伝熱管の重量を低減するに至ってい
ない。

【０００９】熱交換器に使用される伝熱管にとっては、
いかに構成材料の使用量を減らし、重量を軽減するかが
重要であり、従って、軽量化の観点からも細部の検討を
加える必要があり、同時にこの検討においては、伝熱効
率を加味することが重要となる。

【００１０】一般に、フィンの高さを高くすれば伝熱性
は向上するものと理解されているが、一方において、重
量が増え、さらに、フィン加工時の圧延力が増大するこ
とから、高価なフィン形成ロールの破損が生じやすくな
る。フィン形成ロールの破損は、そのことによる経済的
損失と同時に、これを防止する観点から生産速度の制約
を余儀なくさせ、このため、生産効率低下による損失を
も招くようになる。

【００１１】従って、本発明の目的は、フィンの高さへ
の検討をさらに加えることによって、軽量性と高い伝熱
性能を併せ備えた内面溝付伝熱管を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、金属管の内面の円周方向において、前記
金属管の軸方向と所定の角度を有して形成された複数の
フィンから構成される第１の領域と、前記軸方向と所定
の角度を有して形成され、前記第１の領域の前記フイン
との間で前記軸方向に対してＶ字を形成した複数のフィ
ンから構成される第２の領域とを有した内面溝付伝熱管
において、前記第１の領域と前記第２の領域における前
記フィンの高さを０．１５ｍｍ未満に設定することを特
徴とする内面溝付伝熱管を提供するものである。

【００１３】上記の金属管の構成材としては、銅あるい
は銅合金のシームパイプ等が使用される。フィンの最低
高さは、０．０９ｍｍを超える高さに設定することが好
ましく、これを割ると冷媒の凝縮性能が低下するように
なる。

【００１４】第１の領域と第２の領域は、円周方向に合
計４〜８個形成することが好ましい。形成数が４個に満
たない場合には、フィンが形成する傾斜溝に沿って流れ
る冷媒の衝突に基づいた撹拌効果に充分なものが得られ
ず、逆に、８個を超えて形成すると、圧力損失が大きく
なるので好ましくない。

【００１５】また、第１および第２の領域の過剰な形成
は、フィン形成ロールにおいて、これら領域の形状に対
応した小ロールの積層体の積層数を増やすことを意味
し、この結果、小ロールの幅が薄くなることを原因とし
たロール破損を招くようになるので好ましくない。より
好ましい第１および第２領域の合計数は、４〜６個であ
る。

【００１６】第１および第２の領域の合計数を奇数に設
定する場合には、冷媒の流し方を正、逆いずれにしても
伝熱特性に差は現れない。従って、伝熱管に無方向性を
持たせたいときには、領域の合計数を奇数に設定すれば
よい。

【００１７】金属管の軸方向に対するフィンの角度は、
第１の領域および第２の領域とも、２０〜４０°の範囲
内に設定することが好ましい。２０°未満の角度設定
は、蒸発圧力損失を小さくする効果があるものの、半面
において、Ｖ字の中でのフィンの結合部分における冷媒
の衝突を小さくし、衝突による撹拌作用を低下させるこ
とから、実用的な伝熱性能の確保か難しくなる。

【００１８】また、角度が４０°を超えると、Ｖ字部に
おける冷媒の衝突による撹拌効果が大きなものとなり、
従って、高い伝熱効率を得ることができるが、一方にお
いては、蒸発圧力損失の増大を招くようになる。このた
め、伝熱管の冷媒入口と出口間の温度差が大きくなっ
て、熱交換器としての効率低下を招くようになり、実用
性が失われるようになる。より好ましい角度の設定は、
２４〜３５°である。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明による内面溝付伝熱
管の実施の形態について説明する。図１（ａ）は、銅合
金のシームパイプにより構成された溝付伝熱管の内面の
一部を円周方向に模擬的に展開したものであり、１は第
１の領域を構成する複数のフィン、２は第２の領域を構
成する複数のフィンを示し、第１の領域と第２の領域は
交互に４個配置されている。ｄ、ｄ′は相互に溶接され
た位置を示す。

【００２０】フィン１、２は、金属管の軸方向Ａに対し
て所定の角度β１、β２を有することによって軸方向Ａ
に対してＶ字を形成し、それぞれ、所定のピッチＰｆ
１、Ｐｆ２のもとに配列されている。

【００２１】図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂおよび
Ｃ−Ｃ断面図を示したもので、厚さＴｗの底肉部３の上
に、フィン１、２が所定の高さＨｆと所定の頂角αを有
するように設けられている。４はフィン１、２によって
形成された傾斜溝を示す。

【００２２】以上の構成の内面伝熱管は、多くの場合、
溝付きロールを使用する方法によって製造される。フィ
ンを形成するための溝部を有した溝付きロールに所定の
幅の銅、あるいは銅合金等の金属条を通過させて圧延
し、これにより金属条にフィン１、２と傾斜溝４を設け
た後、フィン面が内側になるようしてに円形に丸め、合
わせ目ｄ、ｄ′を溶接することによって製造される。

【００２３】表１に、以上の構成と方法により製造され
た本発明による実施例の内面溝付伝熱管と従来の内面溝
付伝熱管の構成を示し、表２に、これら実施例と従来例
を対象として実施した性能試験の試験条件を示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】図２は、性能試験に使用された試験装置の
系統図を示したもので、１２〜１９は、それぞれ、凝縮
性能と蒸発性能を測定するときの回路切り替えのための
バルブを示し、凝縮性能測定が行われる場合には、１
３、１５、１７、１９が開けられ、１２、１４、１６、
１８が閉じられる。

【００２７】圧縮機１１から出た冷媒は、破線の矢印に
沿って、バルブ１３、１５を経て性能測定領域２０に設
置した伝熱管２１の中に気体の形で入る。伝熱管２１に
導入された冷媒は、ここにおいて凝縮され、次いで、バ
ルブ１７、１９を経て蒸発器２９に入り、ここで再び気
体となって圧縮機１１に戻る。

【００２８】一方、経路が実線の矢印で示された蒸発性
能測定を行う場合には、バルブ１２、１４、１６、１８
が開けられ、１３、１５、１７、１９が閉じられる。圧
縮機１１から出た冷媒は、凝縮器３０を経て液体とな
り、バルブ１４、受液器２４、ドライヤー２５、サブク
ーラー２６、流量計２７、膨張弁２８、およびバルブ１
８を経て伝熱管２１の内部を通り、バルブ１６と蒸発器
２９を経て圧縮機１１に戻る。

【００２９】伝熱管２１の部分に実施例および従来例の
内面溝付伝熱管が取り付けられる。性能測定領域２０
は、二重管構造となっており、伝熱管２１の管内には冷
媒が流され、伝熱管２１の管外には、冷温水器２３から
の冷温水が出入口２２を経て流される。

【００３０】表２の条件のもとで、冷温水出入口におけ
る温度と流量、冷媒流量、冷媒出入口における温度と圧
力等を測定し、これらに基づいて内面溝付伝熱管として
の伝熱特性を評価した。表３に性能試験の実施結果を示
す。

【００３１】

【表３】

【００３２】この表３によれば、フィンの高さを０．０
９８〜０．１４５ｍｍに設定した実施例が、フィンの高
さを０．２２０ｍｍに設定した従来例に比べ、総じて高
い性能比を示し、小さな重量比を示している。

【００３３】このように、実施例による伝熱管が、フィ
ン形成ピッチが狭く、フィンの高さが高く、従って、フ
ィン密度の高い従来例に比べて優れた伝熱性能を示して
いることは、特筆に値するものと言え、また、表３は、
本発明がフインの高さを特に０．１５ｍｍ未満に設定す
る意味を裏付けている。

【００３４】図３は、本発明におけるフィンの高さと、
凝縮性能、蒸発性能、および蒸発圧力損失との相互関係
を従来例との対比において示したグラフであり、このグ
ラフによれば、フィンの高さが０．０９ｍｍになると、
従来例との対比において、急激な性能低下を示してい
る。フィンの高さは０．０９ｍｍを超える高さに設定す
べきである。

【００３５】図４は、本発明の他の実施の形態を示し、
第１の領域と第２の領域の合計数を５個に設定したもの
である。この伝熱管は、冷媒の流れに方向性を生じさせ
ない特質を有する。

【００３６】たとえば、図１のように、第１の領域と第
２の領域の合計数を偶数に設定する場合には、溶接部
ｄ、ｄ′の位置には、流れが正逆いずれかのときに、撹
拌方向に向いたＶ字が存在し、反対のときには存在しな
い構成となる。

【００３７】このような状態で正逆異なる方向に冷媒が
流れると、正逆いずれも撹拌方向のＶ字は同数である
が、一方に流れるときには溶接ビードの影響を受ける撹
拌Ｖ字が存在し、他方に流れるときにはそのような撹拌
Ｖ字が存在しない状態となり、従って、両方向の伝熱性
能には差が生ずるようになる。

【００３８】これに対して、図４の場合には、第１およ
び第２の領域の合計が奇数であるので、ｄ、ｄ′位置に
Ｖ字が形成されず、しかも、溶接ビードによる分断が、
ｄ、ｄ′を境にして直線的に伸びる傾斜溝４に対しての
ものであることから、溶接ビードによる分断構造は正逆
同じであり、従って、いずれの方向に冷媒が流れても同
じ冷媒流となり、同じ伝熱性能となる。

【００３９】この構成の伝熱管を使用する場合には、伝
熱管の設計と製造、あるいは熱交換器を組み立てるとき
に、伝熱管の方向性に対して注意を払う必要がなく、従
って、配管ミスが発生することがない。

【００４０】図４における各部分の構成を表１の実施例
１と同じに設定した内面溝付伝熱管を対象として、図２
と表２に基づく性能試験を実施したところ、ＤおよびＥ
方向の間に伝熱性能の差はなく、領域数を奇数としたと
きの無方向性の特質が確認された。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による内面
溝付伝熱管によれば、伝熱管の軸方向に対してそれぞれ
所定の角度で配列され、伝熱管の軸方向に向かって互い
にＶ字を形成する複数のフィンによってそれぞれ構成さ
れる第１および第２の領域を伝熱管の円周方向に配置す
るとともに、Ｖ字でのフィンの結合部分に伝熱管の軸方
向に沿う溝を形成するタイプの内面溝付伝熱管におい
て、フィンの高さを０．１５ｍｍ未満に設定することに
より、従来よりも伝熱性能に優れ、しかも、軽量な内面
溝付伝熱管を提供するものであり、その有用性は大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内面溝付伝熱管の実施の形態を説
明するための模擬図であり、（ａ）は円周方向の展開
図、（ｂ）はそのＢ−ＢおよびＣ−Ｃ断面図を示す。

【図２】本発明および従来の内面溝付伝熱管の性能評価
に使用された試験装置の系統図。

【図３】本発明におけるフィンの高さが、従来例との対
比において、凝縮、蒸発、蒸発圧力損失に及ぼす影響の
度合を示したグラフ。

【図４】本発明による内面溝付伝熱管の他の実施の形態
を説明するための模擬図。

【符号の説明】

１、２ フィン ４ 傾斜溝

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属管の内面の円周方向において、前記金
   属管の軸方向と所定の角度を有して形成された複数のフ
   ィンから構成される第１の領域と、前記軸方向と所定の
   角度を有して形成され、前記第１の領域の前記フィンと
   の間で前記軸方向に対してＶ字を形成した複数のフィン
   から構成される第２の領域とを有した内面溝付伝熱管に
   おいて、 前記第１および第２の領域における前記フィンの高さを
   ０．１５ｍｍ未満に設定することを特徴とする内面溝付
   伝熱管。
2. 【請求項２】前記第１および第２の領域における前記フ
   ィンの高さは、０．０９ｍｍを超えて設定されることを
   特徴とする請求項第１項記載の内面溝付伝熱管。
3. 【請求項３】前記円周方向における前記第１および第２
   の領域は、合計で４〜８個形成されることを特徴とする
   請求項第１項あるいは第２項記載の内面溝付伝熱管。
4. 【請求項４】前記円周方向における前記第１および第２
   の領域は、合計数を奇数に設定されることを特徴とする
   請求項第３項記載の内面溝付伝熱管。
5. 【請求項５】前記第１および第２の領域における前記フ
   ィンと前記軸方向間の角度は、２０〜４０°に設定され
   ることを特徴とする請求項第１項ないし第４項のいずれ
   かに記載の内面溝付伝熱管。