JP2002243384A - 内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ジフルオロメタン及びジフルオロメタンを含
む混合冷媒に好適な内面溝付伝熱管において、内面形状
を限定することにより凝縮熱伝達率及び蒸発熱伝達率を
向上させ、且つ軽量なシームレス内面溝付伝熱管を提供
する。 【解決手段】 管の内面に形成される溝３のリード角θ
を２５°以上とし、管内面の展開図において、転造ボー
ル又は転造ロールにより管外面が押圧されることにより
管内面に形成される圧痕の軌跡４を、管軸直交方向に対
して溝３と同じ方向に０°を超え１０°以下の角度で傾
斜させ、溝ピッチを０．２５ｍｍ以上とする。また、好
ましくは、フィンの高さを０．１０ｍｍ以上、溝ピッチ
を０．４０ｍｍ以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はジフルオロメタン又
はジフルオロメタンを含む混合物を冷媒として使用する
冷凍機器及び空調機器等の熱交換器に使用される内面溝
付伝熱管に関し、特に、凝縮熱伝達率及び蒸発熱伝達率
の双方が優れたシームレス内面溝付伝熱管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ルームエアコンをはじめとする空
調機器及び冷凍機器には、クロロジフルオロメタン（Ｒ
２２）等、その分子構造内に塩素を含む冷媒（ＨＣＦ
Ｃ）が広く使用されてきた。しかしながら、これらの冷
媒（ＨＣＦＣ）はオゾン層を破壊する物質であることか
ら、近時、塩素を含まない冷媒（ＨＦＣ）への転換が進
んでいる。また、地球温暖化抑制のために、冷凍機器及
び空調機器には消費電力の低減が求められている。これ
は、冷凍機器及び空調機器の消費電力を低減することに
より、火力発電所から排出される炭酸ガス量を削減する
ことができるからである。

【０００３】Ｒ２２の代替として、ＨＦＣである１，
１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）が一
部の大型空調機等に採用されたが、Ｒ１３４ａはＲ２２
よりも液熱伝導率が低いため機器性能が大幅に低下し、
熱交換器容積及び消費電力の増大を招くため、ルームエ
アコン及びパッケージエアコンには殆ど採用されていな
い。

【０００４】ルームエアコン及びパッケージエアコンに
はジフルオロメタン（Ｒ３２）を含む混合冷媒が採用さ
れ始めている。Ｒ３２はＲ２２に比べて、潜熱、蒸気熱
伝導率及び液熱伝導率が大きいという利点がある。ま
た、Ｒ３２が可燃性であることと作動圧力がＲ２２の
１．６倍であることから、Ｒ３２にＲ１２５又はＲ１３
４ａを混合した冷媒、即ち、Ｒ４１０Ａ及びＲ４０７Ｃ
等の非共沸混合冷媒も使用されている。但し、Ｒ３２の
可燃性は比較的低く不燃性に近いため、Ｒ３２単体を冷
媒として使用することも考えられる。

【０００５】一方、空調機器の空冷式熱交換器の伝熱管
には内面溝付管が広く使用されており、その内面の溝形
状は以下のように最適化が図られている。

【０００６】特開平８−１０５６９９号公報には、蒸発
及び凝縮熱伝達率を向上させることを目的として、内面
の溝形状を規定する技術が開示されている。具体的に
は、フィン山頂角を１０乃至２０°、溝深さを０．１５
乃至０．２３ｍｍ、溝底幅を０．１乃至０．３ｍｍ及び
管軸に対する溝のリード角（捩れ角）を１０乃至３０°
とすることにより、伝熱管の蒸発熱伝達率及び凝縮熱伝
達率を改良することができると記載されている。

【０００７】また、特開平８−１４５５８５号公報に
は、非共沸混合冷媒用に考案された溝形状が開示されて
いる。この技術は、凝縮熱伝達率を向上させることを目
的として、リード角（捩れ角）を４５°以上と極端に大
きくしている。

【０００８】更に、特許第２９９７１８９号公報にも非
共沸混合冷媒用に考案された溝形状が開示されている。
この技術は、凝縮熱伝達率を向上させることを目的とし
て、内面溝のリード角を２５°以上とし、溝深さを０．
１５乃至０．３５ｍｍに規定している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術には以下のような問題点がある。特開平８−１０５
６９９号公報に開示されている内面溝付管は、クロロジ
フルオロメタン（Ｒ２２）及び１，１，１，２−テトラ
フルオロエタン（Ｒ１３４ａ）等の従来の冷媒に適した
ものであり、ジフルオロメタン（Ｒ３２）並びにＲ４１
０Ａ及びＲ４０７Ｃ等のジフルオロメタンを含む混合冷
媒には適さないという問題点がある。

【００１０】また、特開平８−１４５５８５号公報に開
示されている内面溝付管は、リード角を極端に大きくし
ているため、凝縮熱伝達率は向上するものの蒸発熱伝達
率は大幅に低下する。また、４５°以上のリード角をシ
ームレス銅管に設けることは極めて困難である。

【００１１】更に、特許第２９９７１８９号公報に開示
されている内面溝付管も、特開平８−１４５５８５号公
報に開示されている内面溝付管と同様に、リード角を限
定することにより凝縮熱伝達率は向上するが、一方で蒸
発熱伝達率が低下するという問題点がある。

【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ジフルオロメタン及びジフルオロメタンを
含む混合冷媒に好適な内面溝付伝熱管であって、内面形
状を限定することにより凝縮熱伝達率のみならず蒸発熱
伝達率も向上させ、且つ軽量なシームレス内面溝付伝熱
管を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内面溝付伝
熱管は、ジフルオロメタン又はジフルオロメタンを含む
混合物を冷媒に使用する熱交換器に使用され、管内面に
溝が形成された内面溝付伝熱管において、管内面の溝の
リード角が２５°以上、溝ピッチが０．２５ｍｍ以上で
あると共に、管内面の展開図において、転造ボール又は
転造ロールにより管外面を押圧した結果管内面に現れた
圧痕の軌跡が管軸直交方向に対し前記溝と同じ方向に０
°を超え１０°以下の角度で傾斜していることを特徴と
する。

【００１４】本発明においては、リード角を２５°以上
とすることにより、凝縮時に冷媒液が溝に沿って上昇す
ることを抑制し、凝縮時に管頂部付近を乾いた状態に維
持することができる。これにより、内面溝付伝熱管の内
面において、冷媒液で濡れていない乾いた面で冷媒ガス
を凝縮させ、また、凝縮した冷媒液を速やかに排出させ
ることができるため、凝縮熱伝達率を向上させることが
できる。なお、リード角とは、管の内面に形成された溝
と管軸とのなす角のうち、小さい方の角度を指す。

【００１５】一方、転造ボール又は転造ロールにより前
記内面溝付伝熱管の管外面を押圧することにより管内面
に圧痕の軌跡が形成されるが、この圧痕の軌跡は、管内
面の展開図において管軸方向に直交する方向（管軸直交
方向）に対し、前記溝と同じ方向に０°を超え１０°以
下の角度で傾斜している。この圧痕により、蒸発時に圧
痕の軌跡に沿う冷媒液の流れを生じさせることができ
る。これにより、蒸発時に管側部まで濡らすことがで
き、蒸発熱伝達率を向上させることができる。なお、凝
縮時においては冷媒液の温度が高いため、冷媒液の表面
張力が蒸発時の約３０％、粘度が約６０％に低下し、圧
痕に沿う流れは存在し得ない。このため、凝縮時に管内
面における濡れている領域の面積を増大させ凝縮熱伝達
率を低下させることはない。また、本発明において、管
側部とは管の内面における管頂部と管底部の中央部の近
傍をいう。

【００１６】また、前記内面溝付伝熱管の溝ピッチを
０．２５ｍｍ以上とすることにより、凝縮時に溝底に連
続した液膜が形成されることを抑制できるため、凝縮時
に冷媒液が溝に沿って上昇することを抑制し、凝縮時に
管頂部付近を乾いた状態に維持することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）乃
至（ｄ）は、リード角と冷媒液の挙動との関係を示す模
式図である。図１（ａ）及び（ｂ）はリード角が大きい
内面溝付伝熱管を示し、図１（ａ）は管内面の模式的展
開図であり、（ｂ）は管軸方向に垂直な断面図である。
一方、図１（ｃ）及び（ｄ）はリード角が小さい内面溝
付伝熱管を示し、図１（ｃ）は管内面の模式的展開図で
あり、（ｄ）は管軸方向に垂直な断面図である。また、
図２（ａ）乃至（ｃ）はこの圧痕の軌跡に沿う流れを示
す展開図であり、（ａ）は管の内面における圧痕の軌跡
の位置を示し、（ｂ）は圧痕の軌跡４が線１０に対して
溝３と逆の方向に傾いている場合を示し、（ｃ）は圧痕
の軌跡４が線１０に対して溝３と同じ方向に傾いている
場合を示す。

【００１８】本発明に係る内面溝付伝熱管は、冷媒とし
てジフルオロメタン（Ｒ３２）又はジフルオロメタンを
含む混合冷媒、例えば、Ｒ４１０Ａ及びＲ４０７Ｃ等の
非共沸混合冷媒等を使用する熱交換器に使用されるもの
である。ジフルオロメタン（Ｒ３２）は、従来の冷媒で
あるクロロジフルオロメタン（Ｒ２２）と比較して蒸気
密度が大きく、Ｒ２２と同じ質量流量を管内に流して
も、体積流量が小さいために圧力損失が小さくなるとい
う特徴がある。また、Ｒ３２の表面張力はＲ２２に比べ
て、７乃至３０％小さい。

【００１９】本実施例の内面溝付伝熱管は、素材として
溝が形成されていないシームレス銅管を用意し、この管
の内側に溝付プラグを挿入し、この管の外面に転造ボー
ルを押圧し、溝付プラグ及び転造ボールを回転させて管
を転造することにより製造される。これにより、溝付プ
ラグによって管の内面に螺旋状の溝が形成されると共
に、管外面を転造ボールにより押圧することにより、管
内面に転造ボールの圧痕の軌跡が現われる。通常、転造
ボールの回転方向は溝付プラグの回転方向に対して逆方
向であるため、圧痕の軌跡は管軸直交方向に対して溝と
反対の方向に形成されるが、本実施例においては、転造
ボールの回転方向を溝付プラグの回転方向と同じ方向、
即ち順方向とすることにより、転造ボールの圧痕の軌跡
は管軸直交方向に対して溝と同じ方向に形成される。こ
の後、この管に縮径をかけ、内面溝付伝熱管１ｃが製造
される。図２（ａ）に示すように、内面溝付伝熱管１ｃ
の管内面には、螺旋状の溝３及び転造ボールの圧痕の軌
跡４が形成されている。螺旋状の溝３と管内面における
管軸方向に平行な線５とのなす角は２５°以上であり、
転造ボールの圧痕の軌跡４は管軸直交方向に対して溝３
と同じ方向に０°を超え１０°以下の角度で傾斜してい
る。

【００２０】以下、本発明の各構成要件の数値限定理由
について説明する。

【００２１】リード角：２５°以上 熱交換器に使用される内面溝付伝熱管においては、凝縮
時には冷媒液で濡れていない乾いた面で冷媒ガスを凝縮
させ、凝縮した冷媒液は速やかに排出されることが好ま
しい。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、内面溝付伝
熱管１ａの内面に形成された溝３と管内面における管軸
方向に平行な線５とのなす角、即ち、リード角θが大き
い場合は、冷媒液２が溝３に沿って上昇し難いため、管
頂部８付近は乾いている。また、管頂部８付近で凝縮し
た冷媒液２は速やかに管頂部８から排出される。なお、
内面溝付伝熱管１ａ及び１ｂ内における冷媒液２により
占められていない空間には冷媒ガス９が存在している。

【００２２】図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、リー
ド角θが小さい内面溝付伝熱管１ｂにおいては、冷媒液
２は溝３に沿って流れ、管頂部８付近へ大量に冷媒液２
が供給されるため、冷媒液膜の熱抵抗によりガス冷媒の
凝縮が阻害される。

【００２３】このように、単一冷媒及び混合冷媒のいず
れの冷媒においても、高リード化、即ちリード角θを大
きくすることにより凝縮熱伝達率が向上する。前述の如
く、ジフルオロメタン（Ｒ３２）は従来の冷媒であるク
ロロジフルオロメタン（Ｒ２２）と比較して圧力損失が
小さいため、ジフルオロメタン（Ｒ３２）を使用する内
面溝付伝熱管は、クロロジフルオロメタン（Ｒ２２）を
使用する内面溝付伝熱管と比較して、リード角を大きく
して凝縮時の熱伝達率の向上させることができる。リー
ド角が２５°以上であれば前記効果が顕著に認められる
ため、本発明においてはリード角を２５°以上とする。
一方、高リード化による凝縮熱伝達率の向上は、管の単
重増加を殆ど伴わないという利点もある。

【００２４】図３は内面溝付伝熱管の表面温度分布を測
定するための試験装置の構成を示す断面図である。図３
に示す試験装置は、試験部１１と試験部１１の両側に設
けられた配管部１２とから構成されている。試験部１１
の長さは５００ｍｍであり、試験装置全体の長さは８３
０ｍｍである。試験部１１は試験対象となる内面溝付伝
熱管を使用して冷媒と水との間で熱交換を行うためのも
のであり、試験対象とする内面溝付伝熱管を供試管１３
とし、供試管１３を他の管１４の内部に挿入して２重管
構造とし、更に、管１４の周囲を断熱材１５で覆ってい
る。供試管１３の試験部１１に含まれる部分が供試部１
３ａである。試験部１１においては、供試部１３ａと管
１４との間の環状部に水を流し、供試管１３内に冷媒を
流して熱交換させる。供試部１３ａの長手方向中間位置
には、直径０．２ｍｍのシース熱電対１６が供試管１３
の周方向に沿って８箇所均等に貼り付けられており、供
試部１３ａの周方向の温度分布を測定することができ
る。配管部１２は試験部１１に冷媒及び水を供給するた
めのものであり、試験部１１の両側に設けられている。
各配管部１２には、夫々水を出入させる水出入口１７及
び冷媒を出入させる冷媒出入口１８が設けられている。
また、冷媒は試験装置の外部に設けられたポンプ１９に
より循環される。

【００２５】また、図４は試験対象となる内面溝付伝熱
管１ｄの形状、即ち、最小内径（Ｄｉ）、底肉厚（ｔ
ｗ）、フィンの高さ（Ｈｆ）、フィンの根元の円弧半径
（Ｒ）、先端の円弧半径（Ｒ０）、フィンの山頂角
（α）及び溝底幅（Ｗｇ）を示す模式的断面図である。
図４において、山頂角αは、内面溝付伝熱管１ｄにおけ
るフィン６ｃの両側の側壁がなす角度を指す。

【００２６】図５（ａ）乃至（ｄ）は、夫々リード角θ
が１０°、２０°、２５°及び３０°の内面溝付伝熱管
における凝縮時の管周方向の表面温度分布を示すグラフ
図である。この表面温度分布は図３に示した試験装置に
より測定される。試験条件は、供試部１３ａの入口にお
ける冷媒の乾き度が０．６、出口の乾き度は０．４、凝
縮温度は供試部長手方向中間位置で約４５℃になるよう
に制御する。冷媒の乾き度とは、液体の冷媒と蒸気の冷
媒との合計量に対する蒸気の冷媒量の質量比である。試
験対象となる内面溝付伝熱管は、外径（Ｄ０）が７．９
４ｍｍ、溝数（Ｎ）は７０、底肉厚（ｔｗ）は０．２６
ｍｍであり、これらの内面溝付伝熱管の内面形状は、圧
痕の軌跡と管軸直交方向とのなす角（η）が＋３°、溝
ピッチ（Ｐｇ）は０．３３３ｍｍ、フィンの高さ（Ｈ
ｆ）は０．１５ｍｍ、フィンの根元の円弧半径（Ｒ）は
０．０５ｍｍ、フィンの先端の円弧半径（Ｒ０）は０．
０４ｍｍ、フィンの山頂角（α）は２０°である。図５
（ａ）乃至（ｄ）において、各図の縦軸に沿って記載さ
れた数字は温度を示し、各図の外側に記載された１乃至
８の数字は測定位置を示し、１は管頂部、３及び７は管
側部、５は管底部を示す。なお、この記載方法は下記図
６乃至９においても同様である。また、太い実線で描か
れた八角形は各供試管の測定結果を示し、太い破線で描
かれた八角形は温度が４５℃の線、即ち、気液境界を示
す。温度が４５℃よりも高い箇所はその箇所の冷媒の状
態が蒸気であることを、温度が４５℃以下の箇所は液で
あることを示している。

【００２７】図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、リー
ド角（θ）が１０°及び２０°の内面溝付伝熱管におい
ては管頂部まで液冷媒が到達している。一方、図５
（ｃ）及び（ｄ）に示すように、リード角（θ）が２５
°及び３０°の内面溝付伝熱管においては管頂部には液
冷媒が存在せず乾いており、凝縮性能が優れていること
を示している。

【００２８】管内面の展開図において転造ボール又は転
造ロールにより前記内面溝付伝熱管の内面に形成される
圧痕の軌跡の方向：管軸直交方向に対して溝と同じ方向
に０°を超え１０°以下の角度で傾斜している 前述の如く、内面溝付伝熱管の高リード化に伴い、冷媒
液が溝に沿って管内を上昇することが抑制されるため、
管の凝縮熱伝達率は向上するが、濡れ面積が減少するた
め蒸発熱伝達率は低下する。このため、本発明において
は、転造ボール又は転造ロールの圧痕の軌跡と管軸との
なす角を規定することによりこの問題を解決する。内面
溝付伝熱管は、その製造過程において、転造ボール又は
転造ロールにより管の外面に圧痕の軌跡がつき、この軌
跡が管の内面にも現われる。本発明において規定する圧
痕の軌跡とはこの管の内面に現われた圧痕の軌跡を指
す。

【００２９】管壁表面には僅かではあるが、前述の圧痕
の軌跡に沿う流れが生じる。これは圧痕表面の凹凸を表
面張力によって冷媒液が濡れ広がるために生じるもので
ある。図２（ａ）に示すように、圧痕の軌跡４と管の内
面における管軸方向と直交する線１０とのなす角を角度
ηとする。また、溝３と管内面における管軸方向に平行
な線５とのなす角のうち小さい角度がリード角θであ
る。圧痕の軌跡４は線１０に対して溝３と同じ方向に傾
斜している。

【００３０】図２（ｂ）に示すように、圧痕の軌跡４が
線１０に対して溝３と逆の方向に傾いている場合又は圧
痕の軌跡４が線１０と平行である場合、即ち、角度ηが
０°以下の場合は、圧痕の軌跡４に沿って管頂部へ上昇
しようとする冷媒液の流れは冷媒ガスの流れに対して順
方向ではないため存在できない。また、冷媒の流れの方
向が図２（ｂ）に示す冷媒の流れの方向に対して逆の方
向である場合においても、溝３に沿う冷媒の流れの方向
と圧痕の軌跡４に沿う冷媒の流れの方向とのなす角度が
鈍角になるため、圧痕の軌跡４に沿う冷媒の流れは生じ
ない。

【００３１】これに対し、図２（ｃ）に示すように、圧
痕の軌跡４が線１０に対して溝３と同じ方向に傾いてい
る場合、即ち、角度ηが０°を超える場合は、圧痕の軌
跡４に沿う冷媒液の流れは冷媒ガスの流れに対して順方
向の流れとなり、且つ、溝３に沿う冷媒の流れの方向と
圧痕の軌跡４に沿う冷媒の流れの方向とのなす角度が鋭
角になるため、圧痕の軌跡４に沿う冷媒の管頂部へ向か
う流れが存在でき、冷媒液が管側部まで濡れ広がること
ができ、蒸発熱伝達率を向上させることができる。ま
た、冷媒の流れの方向が図２（ｃ）に示す冷媒の流れの
方向に対して逆の方向である場合においては、圧痕の軌
跡４に沿う冷媒の流れは一旦管底部に向かい、管底部を
通過した後に管頂部へ向かう流れとなる。

【００３２】一方、製造上の限界から、ηは１０°以下
である必要がある。なお、凝縮時においては冷媒液の温
度が高いため、冷媒液の表面張力は蒸発時の約３０％、
粘度は約６０％に低下し、圧痕の軌跡に沿う流れは発生
しない。従って、この流れが凝縮熱伝達率を低下させる
ことはない。

【００３３】図６（ａ）乃至（ｄ）は、夫々角度ηが−
８°、−３°、＋３°及び＋８°の平滑管において、蒸
発時の周方向表面温度分布を示すグラフ図である。平滑
管とは、内面溝付伝熱管を製造する工程において、内面
に溝付プラグを挿入しないで製作した管である。即ち、
これらの平滑管の内外表面には転造ボールによる圧痕の
みが形成されており、溝は形成されていない。このよう
な平滑管について図３に示した試験装置を使用して周方
向の表面温度分布を測定する。試験条件は、供試部１３
ａの入口における冷媒の乾き度は０．４、出口の乾き度
は０．６、蒸発温度は供試部長手方向中央位置で５℃に
なるように制御する。試験対象となる内面溝付伝熱管
は、外径（Ｄ０）が７．９４ｍｍ、底肉厚（ｔｗ）は
０．２６ｍｍである。図６（ａ）乃至（ｄ）において、
太い実線で描かれた八角形は各供試管の測定結果を示
し、太い破線で描かれた八角形は温度が５℃の線、即
ち、気液境界を示す。温度が５℃よりも高い箇所は、そ
の箇所の冷媒の状態が蒸気であることを、温度が５℃以
下の箇所は液であることを示す。

【００３４】図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ηが
−８°及び−３°の供試管においては、冷媒液は管底部
にあり側面及び管頂部には行き渡っていない。一方、図
６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ηが＋３°及び＋８
°の供試管においては、管側面まで液冷媒が行き渡って
いて、蒸発性能が優れている。

【００３５】溝ピッチ：０．２５ｍｍ以上 前述の如く、凝縮時の冷媒液の表面張力及び粘度は蒸発
時よりも小さいため、リード角が２５°以上であれば、
凝縮時に冷媒が管頂部まで濡れ広がることはない。しか
しながら、溝ピッチを狭くし過ぎると、溝底に連続した
液膜を形成し、冷媒液が管頂部付近まで到達し凝縮熱伝
達率を低下させる。溝ピッチが０．２５ｍｍ以上であれ
ば前記問題が発生しないため、溝ピッチの下限を０．２
５ｍｍとする。

【００３６】図７（ａ）乃至（ｄ）は、夫々溝ピッチ
（Ｐｇ）が０．３３３ｍｍ、０．２７４ｍｍ、０．２４
５ｍｍ及び０．２２２ｍｍである内面溝付伝熱管におい
て、凝縮時の管周方向の表面温度分布を示すグラフ図で
ある。この温度分布は図３に示した試験装置を使用して
測定される。試験条件は、供試部１３ａの入口における
冷媒の乾き度が０．６、出口の乾き度が０．４、凝縮温
度は供試部長手方向中間位置で４５℃になるように制御
される。試験対象となる内面溝付伝熱管は、外径（Ｄ
０）が７．９４ｍｍ、底肉厚（ｔｗ）は０．２６ｍｍで
あり、これらの内面溝付伝熱管の内面形状は、リード角
（θ）が３０°、圧痕の軌跡と管軸直交方向とのなす角
（η）が＋３°、フィンの高さ（Ｈｆ）は０．１５ｍ
ｍ、フィンの根元の円弧半径（Ｒ）は０．０５ｍｍ、フ
ィンの先端の円弧半径（Ｒ０）は０．０４ｍｍ、フィン
の山頂角（α）は２０°である。図７（ａ）乃至（ｄ）
において、太い実線で描かれた八角形は各供試管の測定
結果を示し、太い破線で描かれた八角形は温度が４５℃
の線、即ち、気液境界を示す。温度が４５℃よりも高い
箇所は、その箇所の冷媒の状態が蒸気であることを、温
度が４５℃以下の箇所は液であることを表している。

【００３７】図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、溝ピ
ッチ（Ｐｇ）が０．３３３ｍｍ及び０．２７４ｍｍの内
面溝付伝熱管においては、管頂部が乾いている。一方、
図７（ｃ）及び（ｄ）に示すように、溝ピッチ（Ｐｇ）
が０．２４５ｍｍ及び０．２２２ｍｍの内面溝付伝熱管
においては、管頂部に液冷媒が達しているため凝縮性能
が劣る。

【００３８】フィンの高さ：０．１０ｍｍ以上 本発明の内面溝付伝熱管においては、凝縮熱伝達率は高
リード化によって向上されるため、従来の内面溝付伝熱
管よりもフィンの高さを低くすることができ、単重軽減
が可能となる。しかし、蒸発時において、フィンの高さ
が０．１０ｍｍ未満ではフィンが液膜に完全に埋もれて
しまうため、冷媒液膜を濡れ広がせる効果が低下する。
一方、フィンの高さを０．１０ｍｍ以上にすれば、フィ
ンが液膜に埋もれることを防止できるため、冷媒液膜を
濡れ広がせることができ、蒸発熱伝達率がより向上す
る。従って、フィンの高さは０．１０ｍｍ以上であるこ
とが好ましい。

【００３９】図８（ａ）乃至（ｄ）は、夫々フィンの高
さが０．０５ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．１０ｍｍ及び
０．１５ｍｍの内面溝付伝熱管において、蒸発時の管周
方向表面温度分布を示すグラフ図である。図３に示した
試験装置を使用して周方向の表面温度分布を測定する。
試験条件は、供試部１３ａの入口における冷媒の乾き度
は０．４、出口の乾き度は０．６、蒸発温度は供試部長
手方向中間位置で５℃になるように制御する。試験対象
となる内面溝付伝熱管は、外径（Ｄ０）が７．９４ｍ
ｍ、溝数（Ｎ）は７０、底肉厚（ｔｗ）は０．２６ｍｍ
であり、これらの内面溝付伝熱管の内面形状は、リード
角（θ）が３０°、圧痕の軌跡と管軸直交方向とのなす
角（η）が＋３°、溝ピッチ（Ｐｇ）は０．３３３ｍ
ｍ、フィンの根元の円弧半径（Ｒ）は０．０５ｍｍ、フ
ィンの先端の円弧半径（Ｒ０）は０．０４ｍｍ、フィン
の山頂角（α）は２０°である。図８（ａ）乃至（ｄ）
において、太い実線で描かれた八角形は各供試管の測定
結果を示し、太い破線で描かれた八角形は温度が５℃の
線、即ち、気液境界を示す。温度が５℃よりも高い箇所
は、その箇所の冷媒の状態が蒸気であることを、温度が
５℃以下の箇所は液であることを示している。

【００４０】図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、フィ
ンの高さ（Ｈｆ）が０．０５ｍｍ及び０．０８ｍｍの内
面溝付伝熱管においては、冷媒液の位置は管側部に留ま
っており、圧痕の軌跡による効果以上の効果は得られて
いない。一方、図８（ｃ）及び（ｄ）に示すように、フ
ィンの高さが０．１０ｍｍ及び０．１５ｍｍの内面溝付
伝熱管においては、冷媒液が管頂部まで行き渡ってお
り、蒸発性能がより向上していることがわかる。

【００４１】溝ピッチ：０．４０ｍｍ以下 ジフルオロメタン（Ｒ３２）は従来の冷媒であるクロロ
ジフルオロメタン（Ｒ２２）と比較して表面張力が小さ
いため、溝部の液膜が広がり難く、蒸発熱伝達率を低下
させる原因となる。このため、溝ピッチを狭めて溝底に
連続した液膜を形成させることにより、冷媒液を濡れ広
がらせることが好ましい。溝ピッチを０．４０ｍｍ以下
にすると蒸発熱伝達率を向上させる効果が顕著に認めら
れるため、溝ピッチは０．４０ｍｍ以下とすることが好
ましい。

【００４２】図９（ａ）乃至（ｄ）は、夫々溝ピッチ
（Ｐｇ）が０．４６６ｍｍ、０．４２４ｍｍ、０．３８
９ｍｍ及び０．３３３ｍｍである内面溝付伝熱管におい
て、蒸発時の管周方向表面温度分布を示すグラフ図であ
る。図３に示した試験装置を使用して周方向の表面温度
分布を測定する。試験条件は、供試部の入口における冷
媒の乾き度は０．４、出口の乾き度は０．６、蒸発温度
は供試部長手方向中間位置で５℃になるように制御す
る。試験対象となる内面溝付伝熱管は、外径（Ｄ０）が
７．９４ｍｍ、底肉厚（ｔｗ）は０．２６ｍｍであり、
これらの内面溝付伝熱管の内面形状は、リード角（θ）
が３０°、圧痕の軌跡と管軸直交方向とのなす角（η）
が＋３°、フィンの高さ（Ｈｆ）は０．１５ｍｍ、フィ
ンの根元の円弧半径（Ｒ）は０．０５ｍｍ、フィンの先
端の円弧半径（Ｒ０）は０．０４ｍｍ、フィンの山頂角
（α）は２０°である。図９（ａ）乃至（ｄ）におい
て、太い実線で描かれた八角形は各供試管の測定結果を
示し、太い破線で描かれた八角形は温度が５℃の線、即
ち、気液境界を示す。温度が５℃よりも高い箇所は、そ
の箇所の冷媒の状態が蒸気であることを、温度が５℃以
下の箇所は液であることを示している。

【００４３】図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、溝ピ
ッチ（Ｐｇ）が０．４６６ｍｍ及び０．４２４ｍｍの管
においては、冷媒液が管頂部まで行き渡っていない。一
方、図９（ｃ）及び（ｄ）に示すように、溝ピッチ（Ｐ
ｇ）が０．３８９ｍｍ及び０．３３３ｍｍの管において
は、冷媒液が濡れ広がっているため、蒸発性能が優れて
いる。

【００４４】フィン根元の円弧半径とフィン高さの比：
０．１５乃至０．４５ フィンの根元を曲面状に加工することにより、フィンの
根元部分における液膜を薄くすることができる。その結
果、液膜の熱抵抗が減少し、蒸発熱伝達率を向上させる
ことができる。図１０（ａ）及び（ｂ）はフィンの根元
の形状と液膜の厚さとの関係を示す模式的断面図であ
る。図１０（ａ）に示すように、フィン６ａの根元７ａ
が曲面状に加工されていない場合は、根元７ａの近傍で
は冷媒液２の液膜が厚くなる。一方、図１０（ｂ）に示
すように、フィン６ｂの根元７ｂに適当な円弧半径を持
つ曲面が設けられている場合は、曲面が設けられていな
い場合と比較して冷媒液２の液膜が薄くなる。フィンの
根元の円弧半径をＲとし、フィンの高さをＨｆとすると
き、Ｒ／Ｈｆの値が０．１５乃至０．４５であれば、フ
ィンの根元における液膜が薄くなり、蒸発熱伝達率が向
上する。

【００４５】図１１は、内面溝付伝熱管の蒸発熱伝達率
及び凝縮熱伝達率を測定する試験装置の構成を示す模式
図である。図１１に示すように、この試験装置は試験部
２０及びバイパス部２１が設けられている。試験部２０
は内面溝付伝熱管の蒸発熱伝達率及び凝縮熱伝達率を測
定するものであり、バイパス部２１は試験部２０に供給
する冷媒を所定の条件に調節するものである。試験部２
０とバイパス部２１とは並列に連結されている。試験部
２０は２重管構造となっており内管２２と外管２３とが
設けられている。内管２２には供試管となる内面溝付伝
熱管を使用し、外管２３には平滑銅管を使用する。試験
部２０の両側にはヒーター２４が設けられ、片方のヒー
ター２４と試験部２０との間には膨張弁２５が連結され
ている。更に、試験部２０には試験部２０に水を供給す
るための水槽２６が連結されている。一方、バイパス部
２１には、バイパス凝縮器２７、膨張弁２８、バイパス
蒸発器２９及びコンプレッサー３０がこの順に環状に連
結され、独立した冷凍サイクルを構成している。

【００４６】図１１に示す試験装置においては、コンプ
レッサー３０が駆動することにより、バイパス凝縮器２
７、膨張弁２８、バイパス蒸発器２９及びコンプレッサ
ー３０からなる冷凍サイクルに冷媒を流し、冷媒を所定
の条件に調節する。そして、この条件が調節された冷媒
を試験部２０の内管２２内に流す。一方、水槽２６より
内管２２と外管２３との間の環状部に水を供給し、この
水と前記冷媒との間で熱交換させて、水の出入口温度差
から伝熱量を測定する。また、内管２２の冷媒出入口の
差圧も計測する。このとき、冷媒の圧力及び冷媒流量等
の条件が表１に示す値になるように、バイパス凝縮器２
７及びバイパス蒸発器２９に流す水流量、膨張弁２５及
び２８の開度並びにヒーター２４の出力を調節する。

【００４７】管内熱伝達率は、管内熱伝達率をαｉ、総
括熱伝達率をＫｏ、管外熱伝達率をαｏ、管壁熱抵抗を
Ｒ、供試管の内径をＤｉ、供試管の外径をＤｏとすると
き、下記数式１により表される。

【００４８】

【数１】αｉ＝１／（１／Ｋｏ−１／αｏ−Ｒ）／（Ｄ
ｉ／Ｄｏ）

【００４９】なお、管外熱伝達率αｏはＭｏｎｒａｄ−
Ｐｅｌｔｏｎ式により求めることができる。また、総括
熱伝達率Ｋｏは、伝熱量をＱ、管外表面積をＡｏ、冷媒
と水との間の対数平均温度差をΔＴｍとするとき、下記
数式２により表される。

【００５０】

【数２】Ｋｏ＝Ｑ／（Ａｏ×ΔＴｍ）

【００５１】図１２は、フィンの高さが０．１５ｍｍ、
０．２０ｍｍ及び０．２５ｍｍの内面溝付伝熱管におけ
るフィンの根元の円弧半径Ｒを変化させた場合の蒸発熱
伝達率比を示す。測定は図１１に示す試験装置により行
った。表１はこのときの測定条件を示す。フィンの根元
にＲが設けられていない内面溝付伝熱管、即ち、Ｒ＝０
の内面溝付伝熱管と比較して、Ｒ／Ｈｆが０．１５乃至
０．４５の範囲にある内面溝付伝熱管は、蒸発熱伝達率
が５乃至８％高い値を示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】なお、前記内面溝付伝熱管に関して、更に
熱伝熱性能の向上及び軽量化を図るために、フィンの山
頂角（α）は２５°以下、フィン先端の円弧半径（Ｒ
０）は０．０５ｍｍ以下であることが望ましい。

【００５４】また、ジフルオロメタンは作動時の圧力が
従来の冷媒に比べて高いため、内面溝付伝熱管の底肉厚
は、底肉厚をｔｗ、管の外径をＤ０とするとき、下記数
式３の関係を満たすものが望ましい。

【００５５】

【数３】Ｄ０／ｔｗ≦３１．７

【００５６】

【実施例】以下、本発明の実施例に係る内面溝付伝熱管
について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して具
体的に説明する。表２は本発明の実施例及び比較例にお
ける内面溝付伝熱管の内面形状を示す。

【００５７】

【表２】

【００５８】表２に示す内面溝付伝熱管は、いずれもＪ
ＩＳＨ３３００に記載されている合金番号Ｃ１２２０の
銅合金からなっている。表２において、溝数とは管の管
軸方向と直角をなす断面を横切る溝の数を指す。底肉厚
とは、図４に示すように、溝の底部における管の厚さを
指す。角度ηとは、管内面の展開図において転造ボール
又は転造ロールにより前記内面溝付伝熱管の内面に形成
される圧痕の軌跡と、管軸直交方向とのなす角をいい、
前記溝と同じ方向である場合を正とする。また、溝ピッ
チとは管の円周方向における溝の間隔を指し、溝ピッチ
をＰｇ、管の最小内径をＤｉ、円周率をπ、溝数をＮと
すると下記数式４により求められる。

【００５９】

【数４】Ｐｇ＝Ｄｉ×π／Ｎ

【００６０】表２におけるＮｏ．１乃至３は本発明の実
施例である。実施例Ｎｏ．１乃至３は、いずれもリード
角及び角度ηが本発明の範囲内にある。また、フィンの
高さ、溝ピッチ及びフィン根元の円弧半径Ｒとフィン高
さＨｆとの比も本発明の好適範囲内にある。一方、Ｎ
ｏ．４乃至６は比較例である。比較例Ｎｏ．４乃至６
は、リード角及び角度ηが本発明の範囲から外れてい
る。

【００６１】表２に示す内面溝付伝熱管について、図１
１に示す試験装置を使用して蒸発熱伝達率及び凝縮熱伝
達率を評価した。評価方法は、管径が同じ実施例及び比
較例について冷媒質量速度を変化させて蒸発時及び凝縮
時における管内熱伝達率を測定し、その結果を比較し
た。冷媒質量速度以外の試験条件は表１に示す条件とし
た。試験結果を図１３（ａ）及び（ｂ）、図１４（ａ）
及び（ｂ）並びに図１５（ａ）及び（ｂ）に示す。

【００６２】図１３（ａ）及び（ｂ）は、外径が７．０
０ｍｍの管を使用している実施例Ｎｏ．１及び比較例Ｎ
ｏ．４の試験結果を示し、（ａ）は蒸発時の管内熱伝達
率、（ｂ）は凝縮時の管内熱伝達率を示す。図１３
（ａ）及び（ｂ）に示すように、蒸発時及び凝縮時のい
ずれの場合においても、実施例Ｎｏ．１の管内熱伝達率
は比較例Ｎｏ．４の管内熱伝達率よりも大きかった。

【００６３】図１４（ａ）及び（ｂ）は、外径が７．９
４ｍｍの管を使用している実施例Ｎｏ．２及び比較例Ｎ
ｏ．５の試験結果を示し、（ａ）は蒸発時、（ｂ）は凝
縮時の管内熱伝達率を示す。図１４（ａ）及び（ｂ）に
示すように、蒸発時及び凝縮時のいずれの場合において
も、実施例Ｎｏ．２の管内熱伝達率は比較例Ｎｏ．５の
管内熱伝達率よりも大きかった。

【００６４】図１５（ａ）及び（ｂ）は実施例Ｎｏ．３
及び比較例Ｎｏ．６の試験結果を示す。これらの管の外
径は共に９．５２ｍｍである。図１５（ａ）は蒸発時の
管内熱伝達率、図１５（ｂ）は凝縮時の管内熱伝達率を
夫々示す。蒸発時及び凝縮時のいずれの場合において
も、実施例Ｎｏ．３の管内熱伝達率は比較例Ｎｏ．６の
管内熱伝達率よりも大きかった。

【００６５】このように、実施例Ｎｏ．１乃至３の内面
溝付伝熱管は、夫々比較例Ｎｏ．４乃至６の内面溝付伝
熱管よりも凝縮熱伝達率及び蒸発熱伝達率が優れていた
が、表２に示すように単位長さ当たりの質量は同等であ
る。凝縮熱伝達率及び蒸発熱伝達率が同等になるように
溝形状を設計すれば、実施例Ｎｏ．１乃至３の内面溝付
伝熱管はフィンの高さを夫々比較例Ｎｏ．４乃至６の内
面溝付伝熱管よりも低くすることができ、より軽量化す
ることができる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ジフルオロメタン又はジフルオロメタンを含む混合冷媒
に好適な内面溝付伝熱管であって、凝縮熱伝達率と蒸発
熱伝達率が共に優れ、且つ軽量な内面溝付伝熱管を得る
ことができる。また、この内面溝付伝熱管を使用して熱
交換器を構成することにより、塩素を含まない冷媒を使
用する消費電力が少ない冷凍機器及び空調機器を製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｄ）はリード角と冷媒液の挙動と
の関係を示す図であり、（ａ）はリード角が大きい内面
溝付伝熱管の模式的展開図、（ｂ）はこの内面溝付伝熱
管の断面図、（ｃ）はリード角が小さい内面溝付伝熱管
の模式的展開図、（ｄ）はこの内面溝付伝熱管の断面図
を示す。

【図２】（ａ）乃至（ｃ）は圧痕の軌跡に沿う流れを示
す展開図であり、（ａ）は管の内面における圧痕の軌跡
の位置を示し、（ｂ）は圧痕の軌跡４が線１０に対して
溝３と逆の方向に傾いている場合を示し、（ｃ）は圧痕
の軌跡４が線１０に対して溝３と同じ方向に傾いている
場合を示す。

【図３】内面溝付伝熱管の性能評価を行うための試験装
置の構成を示す断面図である。

【図４】内面溝付伝熱管の形状を示す模式的断面図であ
る。

【図５】（ａ）乃至（ｄ）は、リード角が異なる内面溝
付伝熱管における凝縮時の管周方向の表面温度分布を示
すグラフ図である。

【図６】（ａ）乃至（ｄ）は、異なるηの値を持つ平滑
管における蒸発時の周方向表面温度分布を示すグラフ図
である。

【図７】（ａ）乃至（ｄ）は、異なる溝ピッチを持つ内
面溝付伝熱管における凝縮時の管周方向の表面温度分布
を示すグラフ図である。

【図８】（ａ）乃至（ｄ）は、異なるフィンの高さを持
つ内面溝付伝熱管の蒸発時における管周方向表面温度分
布を示すグラフ図である。

【図９】（ａ）乃至（ｄ）は、異なる溝ピッチを持つ内
面溝付伝熱管における蒸発時の管周方向表面温度分布を
示すグラフ図である。

【図１０】（ａ）及び（ｂ）はフィンの根元の形状と液
膜の厚さとの関係を示す模式図であり、（ａ）はフィン
の根元が曲面状に加工されていない場合、（ｂ）はフィ
ンの根元が曲面上に加工されている場合を示す。

【図１１】内面溝付伝熱管の蒸発熱伝達率及び凝縮熱伝
達率を測定する試験装置の構成を示す模式図である。

【図１２】フィンの根元の円弧半径とフィン高さとの比
と蒸発熱伝達率比との関係を示すグラフ図である。

【図１３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例Ｎｏ．
１及び比較例Ｎｏ．４の試験結果を示すグラフ図であ
り、（ａ）は蒸発時の管内熱伝達率、（ｂ）は凝縮時の
管内熱伝達率を示す。

【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例Ｎｏ．
２及び比較例Ｎｏ．５の試験結果を示すグラフ図であ
り、（ａ）は蒸発時の管内熱伝達率、（ｂ）は凝縮時の
管内熱伝達率を示す。

【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例Ｎｏ．
３及び比較例Ｎｏ．６の試験結果を示すグラフ図であ
り、（ａ）は蒸発時の管内熱伝達率、（ｂ）は凝縮時の
管内熱伝達率を示す。

【符号の説明】

１ａ乃至１ｄ；内面溝付伝熱管 ２；冷媒液 ３；溝 ４；圧痕の軌跡 ５；管内面における管軸方向に平行な線 ６ａ乃至６ｃ；フィン ７ａ、７ｂ；フィンの根元 ８；管頂部 ９；冷媒ガス １０；管内面における管軸方向と直交する線 １１；試験部 １２；配管部 １３；供試管 １３ａ；供試管１３の供試部 １４；管 １５；断熱材 １６；熱電対 １７；水出入口 １８；冷媒出入口 １９；ポンプ ２０；試験部 ２１；バイパス部 ２２；内管 ２３；外管 ２４；ヒーター ２５；膨張弁 ２６；水槽 ２７；バイパス凝縮器 ２８；膨張弁 ２９；バイパス蒸発器 ３０；コンプレッサー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジフルオロメタン又はジフルオロメタン
   を含む混合物を冷媒に使用する熱交換器に使用され、管
   内面に溝が形成された内面溝付伝熱管において、管内面
   の溝のリード角が２５°以上、溝ピッチが０．２５ｍｍ
   以上であると共に、管内面の展開図において、転造ボー
   ル又は転造ロールにより管外面を押圧した結果管内面に
   現れた圧痕の軌跡が管軸直交方向に対し前記溝と同じ方
   向に０°を超え１０°以下の角度で傾斜していることを
   特徴とする内面溝付伝熱管。
2. 【請求項２】 管内面に形成されているフィンの高さが
   ０．１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記
   載の内面溝付伝熱管。
3. 【請求項３】 前記溝ピッチが０．４０ｍｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内面溝付伝熱
   管。
4. 【請求項４】 前記フィンの根元が円弧状の形状を有
   し、その円弧の半径をＲとし、前記フィンの高さをＨｆ
   とするとき、Ｒ／Ｈｆの値が０．１５乃至０．４５であ
   ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記
   載の内面溝付伝熱管。