JP2005127570A - 伝熱管及びこれを用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少なく、液域での熱伝達効率が向上する伝熱管を提供する。また、これを用いた冷凍装置を提供する。
【解決手段】本伝熱管は、熱交換器の冷媒が単相流として流れる部分に使用する伝熱管において、その内面に管軸と所定の角度をなす複数の平行した溝を有し、この溝は、溝ピッチが０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さが０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍを満足する。また、これを用いた冷凍装置である。
【選択図】 図３

Description

本発明は伝熱管及びこれを用いた冷凍装置に係わり、特に液単相において熱伝達性能を向上させるように最適な内面溝形状にした伝熱管及びこれを用いた冷凍装置に関する。

近年、空気調和機は省エネルギー化の要請が強く、熱交換器においても性能向上のために種々の開発がなされている。その一つに熱交換器を凝縮器として使用する際に、過冷却度を大きくとり、少ない冷媒循環量で大きな凝縮器能力を得る方法がある。冷媒循環量が減れば圧縮機入力も相対的に減少し、省エネルギーにつながる。

通常、ヒートポンプ式空気調和機では、圧縮機で加圧された高温の冷媒を熱交換器（凝縮器）内で空気や水などと熱交換する。その過程で冷媒はガスから液へと変化（凝縮）するが、ガスと液の混在する二相域に比べ、冷媒が凝縮した後の液域は顕熱変化のため、二相域と比べ相対的に熱交換効率が劣る。これは、二相域と比較して、液域は冷媒の比体積が小さくなるため、冷媒流速が低いことと熱交換相手である空気や水との温度差が小さいことに起因する。このため、過冷却度を大きく取るためには、液域の熱伝達効率向上が鍵となる。

なお、特許文献１に、単相流において伝熱性能を最適にする伝熱管構造として、伝熱管内面に軸方向に設定角でリブを介してスパイラル状の溝を少なくとも１条形成させた単相流伝熱管構造において、該溝を成す一次溝を設定角を０〜３０°として設け、更に該一次溝を形成するリブに交叉して二次溝を設けた単相流伝熱管構造が提案されている。しかしながら、特許文献１の伝熱管は、クロス溝付伝熱管であり、製造コストが高いという欠点がある。また、特許文献２には、管内面に多数の溝を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すると共に、それら溝間に、所定高さの内面フィンを形成してなる内面溝付伝熱管であって、管外径及び溝深さを所定の値にすると共に、溝の形成部位における管壁厚となる底肉厚が所定の関係を満たすようにして、製造時のフィン潰れやフィン倒れ等のフィン変形を効果的に抑制することができ、さらに、凝縮性能を向上させる内面溝付伝熱管が提案されている。しかしながら、特許文献２の内面溝付伝熱管は、液単相における最適な内面溝形状に形成されていないため、十分に熱伝達性能を向上させることができない。
特開昭６０−２９５９３号公報（第２頁左下欄第１５行〜同右欄第４行、［図４］） 特開２００２−９００８６号公報（段落番号［００２１］、［００３６］、［図２］）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少なく、液域での熱伝達効率が向上する伝熱管及びこれを用いた冷凍装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、熱交換器の冷媒が単相流として流れる部分に使用する伝熱管において、その内面に管軸と所定の角度をなす複数の平行した溝を有し、この溝は、溝ピッチが０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さが０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍを満足することを特徴とする伝熱管が提供される。これにより、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少なく、液域での熱伝達効率が向上する伝熱管が実現される。

溝ピッチが０．２５ｍｍ未満では、フィンの幅が狭くなって転造加工が困難になる。一方、溝ピッチが０．５０ｍｍを超えると、フィン数(条数)が減少し、トータルの液溜面積が低減して伝熱性能が低下する。フィン高さが０．１ｍｍ未満では伝熱性能が低下する問題があり、一方、フィン高さが０．２５ｍｍを超えると、フィン潰れやフィン倒れ等が発生しやすくなるという問題がある。リード角αは、有効な伝熱性能を確保する上で２０°以上、また、転造加工による溝形成の容易性から４５°以下を採用する。フィン頂角が４０°超えると、フィン数(条数)が減少し、トータルの液溜面積が低減して伝熱性能が低下する。〈液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ〉・COSαは、０．０５ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲において伝熱性能が良好となる。

本発明の他の態様によれば、内面に管軸と所定の角度をなす複数の平行した溝を有し、この溝は、溝ピッチが０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さが０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍを満足する単相流用伝熱管を熱交換器の凝縮器として使用する際に冷媒が液冷媒の単相流として流れる部分に用いることを特徴とする冷凍装置が提供される。

これにより、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少ない最適な内面溝形状の伝熱管が組み込まれた熱交換器を凝縮器として用いることにより、液域での熱伝達効率が向上し性能が向上する冷凍装置が実現される。

好適な一例では、前記熱交換器を凝縮器として使用する際に冷媒が二相流として流れる部分には、前記単相流用伝熱管とは内面形状が異なる伝熱管が用いられる。これにより、それぞれの最適な溝形状を使用することによって、二相流と単相流の双方の領域で高効率が得られる。二相流は液単相流に比べて冷媒の比体積が大きく、また、流速が高いことから、二相流として流れる部分には、冷媒の流動抵抗が大きくなりすぎないよう、単相流の伝熱管に比べて、フィン高さ、リード角および条数の内の少なくとも１つが小さい伝熱管が望ましい。

また、他の好適な一例では、前記冷凍装置がヒートポンプ式空気調和機、前記熱交換器が室内熱交換器であり、前記室内熱交換器を主熱交換器と、この主熱交換器とは別体に形成され、室内熱交換器が凝縮器として使用する際に主熱交換器の下流側となるように接続された補助熱交換器とで形成し、前記補助熱交換器にのみ前記単相流用伝熱管が用いられる。これにより、主室内熱交換器の凝縮器として使用する際に、冷媒が液冷媒の単相流として流れる部分、二相流として流れる部分それぞれに、取違えることなく適正な伝熱管を配置できる。

本発明に係わる伝熱管によれば、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少ない最適な内面溝形状であり、液域での熱伝達効率が向上する伝熱管を提供することができる。

また、本発明に係わる冷凍装置によれば、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少ない最適な内面溝形状の伝熱管が組み込まれた熱交換器を凝縮器として用いることにより、液域での熱伝達効率が向上し性能が向上する冷凍装置を提供することができる。

以下、本発明に係わる伝熱管の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係わる伝熱管の一部を縦断面で示す側面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図２のＡ部拡大図である。

図１〜図３に示すように、本発明に係わる伝熱管１は、その内面２に管軸ｊと所定の角度をなす複数の平行した溝３を有し、さらに、この溝３は、溝ピッチ（ｐ）が０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さ（ｈ）が０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角（γ）が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積（Ｓ）ｍｍ²／濡縁長さ（Ｌ）ｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍをなす形状を有し、熱交換器の冷媒が単相流として流れる部分に使用される。

上記溝３は、内面２の周方向に複数設けられており、この溝３の条数をＮで表わす。また、図１に示すように、溝３はリード角αをなして捩れ、螺旋状に形成されている。図３において、溝３の面積をＳ_１とするとき、総面積ＳはＳ_１・Ｎで求められ、これを液溜面積という。また、溝３の液体に接する長さをＬ_１とするとき、総長さＬはＬ＝Ｌ_１・Ｎで求められ、これを濡縁長さという。このＬは、管長との積をとることで管内の実面積が求められる。

図４は、実験により求めた溝形状と伝熱性能の関係を示している。

横軸は（Ｓ／Ｌ）・COSαであり、縦軸は、平滑管に対する溝付管の実面積基準Ｎｕ数（熱伝達率の無次元数）の係数比であり、この値が大きいほど熱伝達促進効果が高い。一般に平滑管においては、
［数１］
Ｎｕ＝０．０２３・Ｒｅ^0.8・Ｐｒ^1/3
(Ｒｅ：レイノルズ数、Ｐｒ：プラントル数)
であり、上記の平滑管の係数は０．０２３であり、実験から得られた各溝付管の係数をこの平滑管の値０．０２３と比較した。

図４に示すように、係数比と（Ｓ／Ｌ）・COSαを整理した結果、ピークが存在し、最適値があることがわかった。この図４から明らかなように、（Ｓ／Ｌ）・COSαが、０．０５ｍｍ〜０．０９ｍｍの範囲において伝熱性能が良好となる。特に、（Ｓ／Ｌ）・COSαが、０．０６ｍｍ〜０．０８ｍｍの範囲においては、上記係数比が略２以上となり、より好ましい。最適値が存在する理由として、（Ｓ／Ｌ）・COSαが大きいと溝間に存在する液が澱み、螺旋溝による旋回流の発達も抑止され乱流による伝熱促進効果が小さくなり、一方（Ｓ／Ｌ）・COSαが小さくなるとＬに対してＳが小さくなりすぎ、乱流効果は得られず、実面積拡大のみの効果に近づくと考えられる。上記のように（Ｓ／Ｌ）・COSαを最適値になるような伝熱管を単相流が流れる熱交換器に用いることにより、熱交換器性能の向上が図れる。

上記のように、本実施形態の伝熱管によれば、単相流における伝熱促進効果が高く、圧力損失が少ない最適な内面溝形状であり、液域での熱伝達効率が向上する。

次に本発明に係わる伝熱管が組み込まれた熱交換器を凝縮器として使用した冷凍装置の一実施形態について説明する。

図５に示すように、本発明に係わる冷凍装置、例えばヒートポンプ式空気調和装置用の冷凍サイクル１１は、圧縮機１２、四方弁１３、室内熱交換器１４、膨張弁１５、室外熱交換器１６を順次接続して構成されている。

図６に示すように、室内熱交換器１４は、主熱交換器１４ａとこの主熱交換器１４ａと別体に形成された補助熱交換器１４ｂからなり、暖房運転時に凝縮器となる主熱交換器１４ａの出口近傍及び補助熱交換器１４ｂには、伝熱フィン１４ａ１、１４ｂ１に嵌合し貫通する上記本発明に係わる伝熱管１が使用され、主熱交換器１４ａの出口近傍以外の部分には、経済性を考慮して、通常の内面形状、例えば平滑面の伝熱管１７が使用されている。

主熱交換器１４ａの出口近傍及び補助熱交換器１４ｂに使用される伝熱管１には、図７に示すような仕様の伝熱管を選択するのが好ましい。

上記のような本実施形態のヒートポンプ式空気調和装置のように、本発明の伝熱管が組み込まれた室内熱交換器が凝縮器として使用される場合、圧縮機で圧縮された高温高圧にガス冷媒は、室内熱交器の冷媒出口側（出口近傍）及び補助熱交換器は液単相域となり、少なくともこの部分に単相域において伝熱管は最適化され、単相流における伝熱促進効果が向上し、圧力損失が少なく、液域での熱伝達効率が向上し、熱交換器全体の性能向上が得られ、これにより、加熱効率が向上する。

また、室内熱交換器全体に本発明の伝熱管を用いても良いが、その他の部分にこれと異なる溝形状となる二相域で最適な伝熱管を用いることにより、熱交換器の更なる効率アップが図れる。

なお、上記実施形態のヒートポンプ式空気調和装置においては、主熱交換器の出口近傍及び補助熱交換器に伝熱管を使用した例で説明したが、図６に示すように、補助熱交換器１４ｂのみに、本発明の伝熱管１を使用するようにしてもよい。これにより、室内熱交換器の凝縮器として使用する際に、冷媒が液冷媒の単相流として流れる部分、二相流として流れる部分それぞれに、取違えることなく適正な伝熱管を配置できる。

本発明に係わる伝熱管の一部を縦断面で示す側面図。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。 図２のＡ部拡大図。 溝形状と伝熱性能の関係を示す実験の結果図。 本発明に係わる冷凍装置に組込まれる冷凍サイクル図。 本発明に係わる冷凍装置に用いられる熱交換器の概念図。 本発明に係わる伝熱管の代表的な仕様を示す図。

符号の説明

１…伝熱管、２…内面、３…溝。

Claims (4)

1. 熱交換器の冷媒が単相流として流れる部分に使用する伝熱管において、その内面に管軸と所定の角度をなす複数の平行した溝を有し、この溝は、溝ピッチが０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さが０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍを満足することを特徴とする伝熱管。
2. 内面に管軸と所定の角度をなす複数の平行した溝を有し、この溝は、溝ピッチが０．２５〜０．５ｍｍ、溝間のフィン高さが０．１〜０．２５ｍｍ、リード角（α）が２０〜４５°、フィン頂角が４０°以下であり、かつ、０．０５ｍｍ≦（液溜面積ｍｍ²／濡縁長さｍｍ）・COSα≦０．０９ｍｍを満足する単相流用伝熱管を熱交換器の凝縮器として使用する際に冷媒が液冷媒の単相流として流れる部分に用いられることを特徴とする冷凍装置。
3. 前記熱交換器を凝縮器として使用する際に冷媒が二相流として流れる部分には、前記単相流用伝熱管とは内面形状が異なる伝熱管が用いられることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷凍装置がヒートポンプ式空気調和機、前記熱交換器が室内熱交換器であり、前記室内熱交換器を主熱交換器と、この主熱交換器とは別体に形成され、室内熱交換器が凝縮器として使用する際に主熱交換器の下流側となるように接続された補助熱交換器とで形成し、前記補助熱交換器にのみ前記単相流用伝熱管が用いられることを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。

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