JP2004301495A

JP2004301495A - クロスフィンチューブ式熱交換器

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Publication number: JP2004301495A
Application number: JP2004072036A
Authority: JP
Inventors: Naoe Sasaki; 直栄佐々木; Takashi Kondo; 隆司近藤
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP4761719B2

Abstract

【課題】充分な熱伝達性能を確保しつつ、内面溝付伝熱管同士を接続するＵベント管のろう付け接合部のろう付け不良を効果的に抑制し、かかるろう付け接合部から伝熱管内部に封入されているＲ−３２系冷媒が漏洩する恐れのないクロスフィンチューブ式熱交換器を提供すること。
【解決手段】積層フィン１２に挿通された伝熱管１０同士を、Ｕベント管１８を用いて接合して、クロスフィンチューブ式熱交換器を形成するに際し、伝熱管１０を、管軸に対して垂直な断面における内面溝２０の１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０２２mm² 以下であると共に、溝深さが０．１１mm以上０．２０mm以下であり、また更に、溝深さと内面フィン２２のフィン頂角との積が１．２以上２．９以下となるように構成して、それら伝熱管１０，１０の開口部内にＵベント管１８の両端部をそれぞれ嵌入せしめ、ろう付け固定することにより、クロスフィンチューブ式熱交換器を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、クロスフィンチューブ式熱交換器に係り、特に、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造を有し、Ｒ−３２系冷媒が該伝熱管内を流通せしめられるクロスフィンチューブ式熱交換器に関するものである。

従来から、家庭用エアコン、自動車用エアコン、パッケージエアコン等の空調用機器や冷蔵庫等には、蒸発器又は凝縮器として作動する熱交換器が用いられており、その中で、家庭用室内エアコンや業務用パッケージエアコンにおいては、クロスフィンチューブ式熱交換器が、最も一般的に用いられている。そして、そのようなクロスフィンチューブ式熱交換器を構成するクロスフィンチューブは、通常、空気側のアルミニウム製プレートフィンと冷媒側の伝熱管（銅管）とが一体的に組み付けられて、構成されている。

また、この種のクロスフィンチューブ式熱交換器に使用される冷媒としては、従来より、ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系冷媒やＨＦＣＦ（ハイドロクロロフルオロカーボン）系冷媒等の、フロン系の冷媒が選択されてきたが、これらの冷媒は、オゾン層破壊の原因物質である塩素を含んでいるため、近年における地球環境問題の深刻化に鑑み、オゾン層破壊防止の見地から全廃が進められ、そのような原因物質である塩素を含まないＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒への置換が進んでいる。例えば、特開２００２−２４３３８４号公報（特許文献１）や特開２００１−３４３１９４号公報（特許文献２）においては、内面溝付伝熱管を用いた熱交換器用の冷媒として、Ｒ−３２やＲ−１２５、Ｒ−４０７Ｃ、Ｒ−４１０Ａ等のＨＦＣ系冷媒を用いることが明らかにされており、このようなＨＦＣ系冷媒の中でも、特に、最も高効率化が可能な冷媒として、Ｒ−３２やＲ−３２を含む混合冷媒の如きＲ−３２系冷媒が注目されている。

しかしながら、このようなＲ−３２等の塩素を含まない冷媒を用いた場合にあっても、確かに塩素を含まないことによってオゾン層は破壊しないものの、地球温暖化の見地においては、これらＨＦＣ系冷媒は、炭酸ガス（ＣＯ₂ ）等と比べて温暖化係数が高いため、近年においては、これらの冷媒も排出規制対象となってきており、熱交換器の伝熱性能の向上と平行して、それら冷媒の排出量削減、つまり熱交換器からそれらの冷媒の漏洩を防止することが、重大な開発課題となっているのである。

一方、このようなクロスフィンチューブ式熱交換器は、よく知られているように、先ず、プレス加工等により、フィン表面に所定の取付孔が複数形成せしめられたアルミニウムプレートフィンを形成し、そして、この得られたアルミニウムプレートフィンの複数を、前記複数の取付孔の位置がそれぞれ一致するように積層せしめた後、かかる取付孔の内部に、別途作製した伝熱管をそれぞれ挿通せしめ、次いで、よく知られている機械拡管法等を用いて、伝熱管とアルミニウムプレートフィンとを固着し、更にその後、かかるアルミニウムプレートフィンに固着された複数の伝熱管の開口端部同士を、Ｕベント管を用いて接続して、伝熱媒体の目的とする通路が形成せしめられるようにすることによって、製造されるようになっている。

そして、そのようなＵベント管による伝熱管同士の従来からの接続方法としては、一般に、特許文献２の図４に示されるように、積層フィンに固着された伝熱管の端部を、Ｕベント管の端部が挿入され得る大きさまで拡管し、その拡管された伝熱管の端部におけるそれぞれの開口部内に、Ｕベント管の端部をそれぞれ挿入した後、ろう付け接合することにより、それらＵベント管と伝熱管とを接続せしめる手法が、採用されてきている。

ここで、かくの如きろう付け接合して得られるクロスフィンチューブ式熱交換器において、その伝熱管内を流通せしめられる冷媒の冷媒漏れが最も惹起され易い部位は、冷媒経路中のろう付け接合部となるのであるが、また、特許文献２にも指摘されているように、伝熱管として内面溝付管を適用した場合には、溝の存在、そのものが理想的なろう付け継手を形成する上での障害となり、ろう付け不良及びろう付け接合部の劣化促進の要因ともなり得るのである。また、ろう付け接合部及びその周辺は、ろう付け工程において、通常５５０℃以上の高温にさらされることとなるために、素材強度的にも最も弱い部分であると言うことが出来る。

なお、特開平１１−１９０５９７号公報（特許文献３）には、かかる伝熱管同士のＵベント管による接続に際し、Ｕベント管の両端を上向きにすると共に、その両端の開口部を拡管したり、或いは伝熱管の外形よりもよりも内径の大きなＵベント管を用い、そのようなＵベント管に伝熱管を挿入せしめて、ろう付け接合を行う手法も、提案されてはいるが、そのようなろう付け手法にあっては、Ｕベント管と伝熱管との接合部と積層フィンとの距離が、従来のようにＵベント管の両端を伝熱管の端部の開口部に挿入した場合よりも短くなってしまうところから、ろう付け接合の際にろう材を溶かすトーチが積層フィンと衝突したり、そのようなトーチからの熱が積層フィンに対して影響を及ぼし、積層フィンが変形や変色を起こしてしまう恐れがある。更に、従来とは逆向きの、Ｕベント管が積層フィンの下方に配置された状態で、ろう付け加工が行われるようになっているところから、ろう付け加工の際に、伝熱管からＵベント管が抜け落ちないように固定する必要がある上に、ろう付け加工に用いられた熱が、Ｕベント管の上に配置された積層フィンへ伝わり易く、一層、積層フィンの変形や変色といった問題を起こす恐れを内在している。

ところで、かかるクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる伝熱管としては、管内熱伝達率を向上せしめて、充分な熱伝達性能を発揮させるべく、その内面に、多数の溝、例えば管軸に対して所定のリード角をもって延びるように螺旋状の溝を多数形成して、それらの溝間に、所定高さの内面フィンが形成されるようにした、所謂内面溝付管（伝熱管）が好適に用いられているが、近年、上記した熱交換器の高性能化の目的から、このような内面溝付伝熱管において、その内面溝の深溝化や、内面フィンの細フィン化が図られ、また溝深さ、溝深さ／内径、フィン頂角、リード角および溝部断面積／溝深さ等の最適化により、更なる高性能化を追求したものが、種々提案されている（例えば、特許文献３，４等参照）。

しかしながら、クロスフィンチューブ式熱交換器の高性能化のために、そのような内面溝付伝熱管の伝熱性能を向上させる一般的手法である、管内面に形成される溝の溝深さを深くしたり、或いは溝の条数を増大した場合において、その内面溝付伝熱管を前述の如きろう付け接合手法にてＵベント管に接合せしめるに際しては、挿入されるＵベント管の外周面と内面溝付伝熱管の内周面との間の隙間に加えて、そのような溝によって、隙間が増大してしまうこととなるため、ろう付け接合の際に、そのような隙間を埋めるために、ろう材がより多く必要となるのであり、その結果、ろう付け接合が困難になったり、そのような隙間へのろう材の流れ込みが充分でないために、ろう付け接合の不良が発生するといった問題を惹起させることとなる。

要するに、伝熱管とＵベント管とのろう付け接合部の横断面（軸直角方向断面）形態を考慮すれば自ら明らかな如く、伝熱管の高性能化のために適用された内面溝付管は、ろう付け継手を形成するためには相応しくない構造を有しているのであって、ろう付け継手を設計する上での一般的な注意事項を充分に満足させてはいない。例えば、均一な加熱や応力分布の平均化のためにろう付け接合部の肉厚を揃える必要があるが、内面溝付管の場合には、溝の存在により、そのような肉厚を揃えることは不可能であり、また溝の存在にて継手間隔が均一でないために継手間隔とろう材の体積を調和させることが難しく、そのため、ろう材の凝固収縮による不完全ろう付け部の発生が避けられないのである。特に、高性能化技術として一般的な高フィン化や細フィン化は、ろう付け継手に内面溝付管を用いる場合の不具合を助長することとなるのである。つまり、高フィン化により、肉厚及び継手間隔の不均一さが助長され、更に細フィン化により、溝断面積が過大となって、ろう材体積の不足を招き易くなるのであり、それらの結果、ろう付け接合部に接合不良が発生することとなる。

そして、このようなろう付け不良の発生したクロスフィンチューブ式熱交換器においては、かかる伝熱管内を流通せしめられる冷媒の冷媒漏れが懸念されるところから、熱交換器の組み立て後にリークテスト等の検査を行うことによって、ろう付け不良の発生した製品の流出を防止すると共に、そのような不良品の手直し等に、多大な工数を必要としていた。

特開２００２−２４３３８４号公報特開２００１−３４３１９４号公報特開平１１−１９０５９７号公報特開平７−１２４８３号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、Ｒ−３２系冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器において、充分な熱伝達性能を確保しつつ、内面溝付伝熱管同士を接続するＵベント管のろう付け接合部のろう付け不良を効果的に抑制可能なクロスフィンチューブ式熱交換器を提供することにある。

そして、本発明者等は、そのような課題を解決するために種々の検討を重ねた結果、従来の内面溝付伝熱管にて構成された冷凍空調機器のクロスフィンチューブ式熱交換器において、ろう付け接合部のろう付け不良を効果的に抑制するためには、Ｕベント管と内面溝付伝熱管とのろう付け部にろう材を均一に分布させる必要があり、そのためには、ろう付け接合が行われる内面溝付伝熱管とＵベント管との隙間をより均一にする必要があるが、そのような隙間を不均一にする大きな要因である溝部、つまり、ろう付け継手の外管を構成する内面溝付伝熱管の溝構成の見直しを行うことにより、管内熱伝達率を向上せしめて、充分な熱伝達性能を確保しつつ、ろう付け接合の安定性を向上させ得ることが出来ることを見出した。

つまり、ろう付け部にろう材を均一に分布させるために、内面溝付伝熱管とＵベント管との間（継手間）に形成される隙間を、より均一にする必要があるのであるが、従来から用いられている、高性能化のために、溝深さや溝断面積を大きくした内面溝付管を使用した場合、そのような溝部の存在自体が継手間の隙間を不均一にする大きな要因であるのである。そこで、そのような隙間を、より均一にするためには、溝１個あたりの断面積（以下、単に溝断面積という）を極力小さくすることが有効となる。更に、そのような溝断面積を極力小さく抑えることによって、ろう付け部の肉厚がより平均化されることとなり、ろう付け工程において、ろう付け部へのより均一な加熱が可能となる。

また、そのようなろう付け接合の不良の要因は、ろう付け条件のばらつきや、製造工程における不具合等の不確定な要素も多いため、実験によってその信頼性の向上効果を実証することは困難であるが、少なくとも、継手素材側の溝深さや溝断面積及び溝条数等の構造的な条件を、ろう付け継手に好適な条件に近づけることによって、ろう付け接合の不良を低減するためには、充分な効果が得られることが、判明したのである。

すなわち、本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものであって、その特徴とするところは、冷媒としてＲ−３２系冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器であって、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造のものにおいて、該伝熱管として、管内面に多数の溝が形成される一方、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０２２mm² 以下であると共に、溝深さが０．１１mm以上０．２０mm以下である内面溝付管を用いたことにある。

また、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の望ましい態様の一つによれば、前記した伝熱管における内面溝の溝深さ（mm）と該内面溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（°）との積が、１．２以上２．９以下となる内面溝付伝熱管を用いて、クロスフィンチューブ式熱交換器が構成されることとなる。

このように、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、そのような熱交換器を形成する伝熱管として、内面に形成された多数の溝により充分な伝熱面積を確保し得る内面溝付伝熱管を採用しているところから、Ｒ−３２系冷媒を用いた熱交換操作において、管内熱伝達率を有利に向上せしめて、以て伝熱性能が効果的に高め得られつつ、内面溝付伝熱管の管内面に形成された多数の溝の、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が、伝熱面積を確保し得る溝条数において充分に小さくされているところから、ろう付け部の肉厚および伝熱管とＵベント管との隙間を均一化することが出来ることとなり、そのため、ろう付け部をより均一に加熱することが可能となると共に、ろう材と隙間とのバランスがとり易くなるために、ろう付け部分にろう材がより均一に分布されることとなり、その結果、ろう付け不良の発生を有利に抑制することが可能となるのである。

また、かかる本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、管内面に形成された溝の溝深さが、０．１１mm以上０．２０mm以下とされているところから、溝断面積をより効果的に低減することが可能となり、以て、良好なろう付け接合を行い得ることとなる。

さらに、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の望ましい態様にあっては、内面溝の溝深さ（mm）と該内面溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（°）との積が、１．２以上２．９以下となるようにされているところから、内面溝による伝熱性能の向上が有利に発揮されつつ、溝断面積を有利に減少せしめて、ろう付け接合部におけるろう付け不良発生の恐れを、効果的に解消せしめることが可能となる。

このように、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器によれば、内面溝付伝熱管によって熱交換器の熱伝達効率が効果的に向上されると共に、クロスフィンチューブ式熱交換器を組み立てる際に惹起される、内面溝付伝熱管とＵベント管とのろう付け継手部分におけるろう付け不良を効果的に抑制することにより、かかる伝熱管内に封入せしめられた冷媒が漏洩する恐れが効果的に解消せしめられているのである。加えて、かかる冷媒に、従来から用いられてきたフロン系の冷媒に代えて、オゾン破壊係数が０、つまりオゾン層を破壊する恐れのない冷媒であるＲ−３２やそれを含む混合冷媒が用いられているところから、冷媒の漏洩によって惹起される、オゾン層の破壊や地球温暖化といった問題の防止に、有利に貢献し得ることとなるのである。なお、ここで、Ｒ−３２系冷媒とは、ジフルオロメタン（Ｒ−３２）を主として対象としているが、この他、ジフルオロメタンを含む混合冷媒、例えばＲ−４０７ＣやＲ−４１０Ａ等をも対象としていることが理解されるべきである。

以下、本発明の構成をより具体的に明らかにするために、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１には、本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の一例が、その断面図において概略的に示されている。即ち、図１において、伝熱管１０は、要求される伝熱性能等に応じて、銅や銅合金等の中から適宜に選択された、所定の金属材質にて構成される内面溝付伝熱管であって、ここでは、そのような伝熱管１０は、Ｕ字形状において用いられている。一方、板状の放熱フィンであるプレートフィン１２は、従来と同様に、アルミニウム若しくはその合金等の所定の金属材料にて形成されていると共に、図２にも示されるように、複数の取付孔１４が、その周りにフィンカラー１６を一体的に立設せしめてなる構造において、形成されている。そして、そのようなプレートフィン１２の複数を、それぞれの取付孔１４を一致させた状態下において（図において、左右方向に貫通する孔となるように）重ね合わせ、その一致した取付孔１４内に、伝熱管１０を挿入せしめた後、従来と同様にして、伝熱管１０の拡管加工を行い、かかる伝熱管１０とプレートフィン１２とが固着せしめられてなるクロスフィンチューブが形成されるのである。

また、そのようなプレートフィン１２に固着せしめられた伝熱管１０同士を接続して、クロスフィンチューブ式熱交換器を組み立てるに際しては、Ｕ字形状とされたＵベント管１８を用いた接続方式が採用されるのであるが、ここでは、そのようなＵベント管１８は、その外径が伝熱管１０の端部の開口部内に挿入可能な大きさとなるように、構成されている。そして、そのようなＵベント管１８の両端部を、隣接する伝熱管１０，１０を接続するように、それら伝熱管１０，１０の近接した端部の開口部内にそれぞれ嵌入せしめた後、かかる伝熱管１０の内周面と挿入されたＵベント管１８の外周面との間に形成される隙間にろう材を流し込むことによって、それら伝熱管１０，１０とＵベント管１８のろう付け接合を行い、以て、積層されたプレートフィン１２に固着された伝熱管１０内を伝熱冷媒が流通せしめられるようにしたクロスフィンチューブ式熱交換器が、製造されることとなる。

ここにおいて、かかるクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる伝熱管１０としては、該伝熱管１０を管軸方向に垂直な面で切断した端面の一部を拡大した図３にも例示される如く、管内面に、多数の内面溝２０が管周方向に又は管軸に対して所定のリード角をもって延びるように形成されていると共に、それら内面溝２０，２０間に位置するように、内面フィン２２が多数形成された、内面溝付伝熱管が採用されるのであるが、そのような内面溝付伝熱管（１０）は、例えば、特開２００２−５５８８号公報等において明らかにされているように、公知の転造加工法や圧延加工法等を用いて製造されることとなる。

因みに、かかる公報の図４に示されている如き転造加工装置を用いた場合にあっては、連続する１本の素管が転造加工装置を通過させられる際に、該素管の内孔内に挿入せしめられた溝付きプラグと、外周部に配置された円形ダイスとの間で、該素管を押圧することによって、縮径と同時に、管内周面に、所定の溝が連続的に形成されるようになっている。一方、圧延加工法を利用して内面溝付伝熱管を製造する場合にあっては、かかる公報の図７に示される如き構造の加工装置を用いて、連続する１枚の帯板状素材を長さ方向に移動せしめつつ、該帯板状素材に対して所定の圧延加工による溝付け加工や造管加工を施すことによって、目的とする内面溝付伝熱管が製造されるのである。

ところで、そのような内面溝付伝熱管（１０）において、溝断面積を削減するために溝深さを低減した場合にあっては、溝条数の増加、且つ溝深さに応じた適度な溝条数の選択により、溝深さの低減による伝熱面積の削減分を補い、管内熱伝達率を向上する手法が好適に採用されることとなるが、溝深さに対して溝条数が少なすぎる場合（溝断面積が大きすぎる場合）には、伝熱面積の不足により、充分な熱伝達率が得られないと共に、溝断面積が大きいために、ろう付け不良が発生し易くなってしまうのである。また逆に、溝深さに対して溝条数が多い場合（溝断面積が小さすぎる場合）には、溝断面積が小さくなるために、ろう付け不良の発生の恐れは低くなると共に、伝熱面積は充分に確保されることとなるのであるが、溝部が液冷媒で埋没し易くなるため、溝の効果が充分に発揮され得なくなり、伝熱性能は向上しない。

一方、溝深さを、従来の内面溝付伝熱管よりも大きく設定した場合にあっても、溝条数を増加することにより溝断面積を削減することは可能であるが、溝条数が多過ぎた場合には、ろう付け不良発生の可能性は低減できるものの、溝断面積の減少により、溝部が液冷媒で埋没しやすくなるため、溝の効果が充分発揮され得なくなり、伝熱性能が低下してしまうこととなる。逆に、溝条数が少なすぎた場合には、溝断面積が従来の内面溝付伝熱管よりも大きくなるため、ろう付け不良発生の恐れが高まってしまう。

そこで、本発明にあっては、そのようなクロスフィンチューブ式熱交換器における内面溝付伝熱管１０の管径や、内面溝１２や内面フィン１４の形状、及びその深さは、管外径：４mm〜１０mm、溝１個あたりの溝断面積：０．００４mm² 〜０．０２２mm² 、溝深さ（ｄ）：０．１１mm〜０．２０mm、溝形成部位における底肉厚（ｔ）：０．２０mm〜０．３０mmの範囲において、好適に採用されることとなる。また、そのような内面溝付伝熱管１０に形成されている内面溝１２としては、管軸に対する内面溝１２のリード角：１０°〜５０°、内面フィンの頂角（α）：０°〜５０°の範囲内のものが、有効な伝熱性能の確保や転造による溝形成の容易性等から有利に採用され、そして、そのような範囲とされた溝深さとフィン頂角の各値は、それらを積算した値（溝深さ×フィン頂角）が、１．２以上２．９以下となるように、決定されることとなる。更に、管内面に形成される内面溝１２の条数としては、一般に、３０〜１５０条／管周程度、好ましくは５０〜１３０条／管周程度の範囲内の数において、伝熱面積等を考慮して、適宜に決定されることとなる。

このように、内面溝付伝熱管１０に形成される内面溝１２の溝１個あたりの溝断面積が０．００４mm² 〜０．０２２mm² とされているところから、ろう付け部の肉厚及び隙間をより均一化することが出来るため、ろう付け部をより均一に加熱することが可能となると共に、ろう材と隙間とのバランスがとり易くなり、ろう材をより均一に分布可能となる。その結果、ろう付け接合の安定性が向上し、以て、ろう付け不良発生の恐れが有利に低減されることとなるのである。即ち、溝断面積が０．００４mm² より小さい場合にあっては、溝断面積の減少により、ろう付け不良発生の恐れは大幅に低減できるが、そのような溝断面積を与える溝深さを０．１０mm程度に最適化した場合にあっても、蒸発及び凝縮性能の何れもが、従来の内面溝付伝熱管よりも低下し、管内熱伝達率が下回ってしまうのである。このように、熱伝達率が低下してしまう主な要因は、溝断面積が小さすぎるために、液冷媒により溝が埋没し易くなり、溝による伝熱面積増大効果が得られにくいためである。また、溝断面積が０．０２２mm² よりも大きくなった場合にあっては、溝深さを０．３０mm程度に最適化した場合には管内熱伝達率が向上するものの、溝断面積が、従来の内面溝付伝熱管と同等若しくはそれ以上となるため、ろう付け不良が発生し易くなることとなる。

さらに、本発明にあっては、内面溝１２の溝深さが０．１１mm〜０．２０mmとされているところから、ろう付け不良の原因となる溝断面積が有利に削減され得ることとなり、以て、ろう付け接合の安定性が向上し、ろう付け不良発生の恐れが、効果的に解消され得ることとなる。なお、溝深さが０．１１mmより小さくなると、溝条数が従来の内面溝付伝熱管と同じ場合には、明らかに溝断面積が削減され得るため、ろう付け不良発生の問題を有利に回避することが可能となるのであるが、伝熱面積が不足してしまうために、充分な伝熱性能を得ることが出来なくなってしまう。また、溝条数を現状の製造技術の限界である１３０条／周まで増加した場合にあっては、伝熱面積は確保されるものの、溝断面積が小さすぎるために溝が液冷媒に埋もれ易くなり、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて高い熱伝達率を得ることが出来ないのである。

逆に、溝深さが０．２０mmより大きくなると、溝条数を一定として考えた場合には、溝断面積が増大し、ろう付け不良発生の危険性が増大してしまうのである。また、溝条数を、この溝深さでの加工限界である６５条／周まで増加し、溝断面積を、従来の内面溝付伝熱管の９０％程度まで削減した場合にあっても、溝断面積を削減して溝深さを増大しているために、溝断面積に対する溝深さが過大となるため、そのような溝間を流れる液冷媒に対して、ガス冷媒のせん断力が作用し難くなっていることが影響して、従来の内面溝付伝熱管に比べて、熱伝達率が低下する結果となる。

更にまた、本発明にあっては、内面溝付伝熱管１０の内面溝１２の溝深さが０．１１mm〜０．２２mmとされていると共に、溝深さとフィン頂角との積が、１．２以上２．９以下とされているところから、溝断面積を有利に削減しつつ、溝が液冷媒に埋もれることなく、内面溝の効果を充分に発揮することが可能となり、より一層、ろう付け不良発生の恐れの低減と、管内熱伝達率の向上とが、効果的に実現され得ることとなる。

なお、かかる溝深さとフィン頂角との積算値が２．９より大きくなると、フィン頂角が従来の内面溝付伝熱管と同程度の角度とされた場合には、溝深さが同程度或いはそれ以上の深さとなってしまい、溝断面積が増加し、ろう付け接合部におけるろう付け不良発生の可能性が高くなってしまう。また、溝深さが従来の内面溝付伝熱管と同程度の深さとすると、フィン頂角が同等乃至はそれ以上の角度となってしまうため、溝断面積が減少せしめられて、ろう付け接合部におけるろう付け不良発生の問題を有利に回避することが可能となるが、溝断面積の減少により、溝が液冷媒に埋もれ易くなってしまい、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて、高い熱伝達率を得ることが出来ないのである。

一方、そのような溝深さとフィン頂角との積算値が１．２より小さくなると、フィン頂角が従来の内面溝付伝熱管と同程度とされた場合には、溝深さは浅くなり、溝断面積が削減されるため、ろう付け接合部におけるろう付け不良発生の問題を有利に回避することが出来るが、溝断面積の減少により、溝が液冷媒に埋もれ易くなり、溝の効果が充分に得られず、その結果、従来の内面溝付伝熱管に比べて、高い熱伝達率を得ることが出来ない。更に、溝深さが従来の内面溝付伝熱管と同程度とされた場合には、フィン頂角は小さくなるため、ろう付け不良発生の可能性が高くなってしまうのである。

また、特に、本発明においては、溝深さ（ｙ）は、溝条数（ｘ）との関係において、下式を満足するように設定されることが望ましい。
ｙ≦−０．００２６ｘ＋０．４２４

そして、かくの如き構成の内面溝付伝熱管と、冷媒に代替フロンであるＲ−３２やそれを含む混合冷媒を用いて製作された本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器にあっては、伝熱管の内面溝による充分に高い管内熱伝達率を確保しつつ、そのような内面溝付伝熱管の端部にＵベント管を嵌入せしめて、ろう付け固定しても、それら伝熱管とＵベンド管との間のろう付け不良発生の恐れを低減し、そのようなろう付け接合部からの冷媒の漏洩の問題が可及的に回避され得ることとなり、かかる冷媒の漏洩による地球温暖化やオゾン層の破壊といった問題が、悉く解消され得るのである。

以下に、本発明の代表的な実施例の幾つかを示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、供試伝熱管として、管内面に、本発明に従う溝断面積および溝深さを備えた多数の内面溝が、管軸または管周方向に対して所定の溝傾斜角（リード角）をもって延びるように形成されていると共に、それら内面溝が、下記表１に示される如き、溝傾斜角や溝条数等がそれぞれ異なる諸元をもつ、実施例１〜１２の内面溝付伝熱管を準備した。また、比較例として、現状において実用化されている高性能内面溝付管の一般的な仕様のもの（比較例１）と、そのような一般的なものに対して、溝深さを削減しつつ、溝条数を現状製造技術における加工限界まで増大したもの（比較例２）、溝深さを削減しつつ、溝条数を６５条／管周とした、先に示した特許文献１に記載の実施例に相当するもの（比較例３）、底肉厚とフィン頂角を低減しつつ、溝傾斜角を増大したもの（比較例４）、溝深さは同じであるが、溝条数を増大した、先に示した特許文献２に記載の特許請求の範囲に含まれるもの（比較例５）、溝条数は同じであるが、溝深さを増大させたもの（比較例６）、溝深さを増大すると共に、溝条数を極限まで増大させたもの（比較例７）を、それぞれ準備し、それらの諸元を下記表１に併せ示した。なお、かかる表１において、溝断面積比は、比較例１の場合の溝断面積を基準とし、その溝断面積に対する比率を表している。

次いで、それら準備された供試伝熱管について、管内熱伝達率を調査するための単管性能評価試験を行った。かかる単管性能評価試験は、従来より公知の伝熱性能試験装置の試験セクションに対して各供試伝熱管を単管で組み付け、図４に示されるような冷媒の流通下において、下記表２に示される如き試験条件にてそれぞれ性能試験を行い、その結果を、下記表３に示した。なお、冷媒には、ＨＦＣ系冷媒であるＲ−３２を使用し、実際の空調機器の運転条件とほぼ一致する、２００〜３００ｋｇ／（ｍ² ・ｓ）の冷媒質量速度領域で試験を実施した。また、かかる表３において、管内熱伝達率比は、比較例１の場合の管内熱伝達率を基準とした場合の熱伝達率比を、それぞれ示している。

かかる表３の結果からも明らかなように、本発明の範囲内である溝断面積及び溝深さをもつ実施例１〜１２の伝熱管にあっては、そのほぼ全てにおいて蒸発及び凝縮の管内熱伝達率の何れもが向上しているが、溝深さに対して溝条数が過大である１２０条／周まで増加した実施例４の伝熱管の場合には、蒸発熱伝達率のみが向上し、溝深さとフィン頂角との積が本発明の範囲の上限に近い実施例１０の場合には、蒸発熱伝達率は向上するものの、凝縮熱伝達率が比較例１と同程度となっていることが認められる。

次いで、それら表１に示される伝熱管を用いてろう付け接合を行った際の、ろう付け部からの冷媒漏れの危険性低減効果を調査するために、前記した表１に示される実施例１〜１２及び比較例１〜７の伝熱管を用いて、図５に示されるようなろう付け継手を試作した後、かかる継手を、図中に示されるような矢印方向に引張る引張試験を行って、その引張強度を測定し、かかる測定結果を、図６に示した。なお、かかる図６において、引張強度比は、比較例１の伝熱管の場合の引張強度を１とした場合の、それぞれの引張強度比を示している。

さらに、そのようなろう付け部からの冷媒漏れ危険性の低減効果を検証するために、それら供試伝熱管を用いて、図１の概略形状に示されるようなクロスフィンチューブ式熱交換器を、熱交換器幅：４７０mm、熱交換器高さ：２００mm、熱交換器厚さ：２１mm、伝熱管数：１６、伝熱管列数：２、フィンピッチ：１．０mmの諸元で試作し、その試作した熱交換器の伝熱管内に加圧水を導入する、繰り返し加圧試験（加速試験）を実施し、更に、かかる加圧試験後にヘリウムリーク試験を実施して、加圧試験後の伝熱管内からヘリウムの漏洩があるか、どうかを検査し、その結果を、下記表４に示した。なお、繰り返し加圧試験は、最大圧力：１６００ｋＰａ、最小圧力：４００ｋＰａ、加圧サイクル：１Ｈｚ、総繰り返し数：１０⁵ 回の条件下で行い、ヘリウムリーク試験においては、ヘリウムの１０^-5ｔｏｒｒ・ｌ／ｓ以上の漏れがあるか、どうかを調べた。

かかる図６の結果からも明らかなように、溝断面積を削減するほど、ろう付け継手の引張強度が向上する傾向が認められる。即ち、比較例１の伝熱管よりも溝断面積を削減した実施例１〜１２の伝熱管を用いたろう付け継手の引張強度比は、その全てにおいて、比較例１の伝熱管よりも高く、継手強度が向上していることがわかる。

さらに、かかる図６及び表４の結果から明らかなように、溝断面積が本発明に従う範囲内の実施例１〜１２の何れの伝熱管においてもヘリウムの漏洩は確認されず、そのような継手強度が比較例１の伝熱管よりも小さい比較例４，６，７の伝熱管の場合のみ、伝熱管からのヘリウムの漏洩が確認されている。要するに、継手強度が向上することにより、ろう付け接合部に発生する欠損は少なくなり、かかるろう付け接合部からの冷媒漏洩の危険性が回避せしめられることが解るのである。

本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器の一例を概略的に示す断面説明図である。図１におけるＵベント管による内面溝付伝熱管同士の接合部を拡大した説明図である。本発明に従うクロスフィンチューブ式熱交換器に用いられる内面溝付伝熱管の一例を示す断面部分拡大説明図である。実施例における内面溝付伝熱管の単管性能を測定するために用いられる試験装置において、（ａ）は蒸発試験を、（ｂ）は凝縮試験をそれぞれ行った際の冷媒の流通状態を示す説明図である。実施例におけるろう付け継手の引張強度試験に用いられるろう付け継手の形状を示す説明図である。実施例において得られた各伝熱管を用いたろう付け継手の引張強度の、比較例１を基準とした強度比を示すグラフである。

符号の説明

１０伝熱管
１２プレートフィン
１４取付孔
１６フィンカラー
１８Ｕベント管
２０内面溝
２２内面フィン

Claims

Ｒ−３２系冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器にして、積層フィンに挿通された伝熱管同士を、それらの開口部内にＵベント管の両端部をそれぞれ嵌入せしめて、ろう付け固定することにより、接続せしめるようにした構造のものにおいて、
該伝熱管として、管内面に多数の溝が形成される一方、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積が０．００４mm² 以上０．０２２mm² 以下であると共に、溝深さが０．１１mm以上０．２０mm以下である内面溝付管を用いたことを特徴とするクロスフィンチューブ式熱交換器。
前記伝熱管における内面溝の溝深さ（mm）と該内面溝間に形成される内面フィンのフィン頂角（°）との積が、１．２以上２．９以下である請求項１に記載のクロスフィンチューブ式熱交換器。