JP2005188789A - 二酸化炭素用伝熱管及びその製造方法 - Google Patents

二酸化炭素用伝熱管及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 二酸化炭素が冷媒として内部を流動する二酸化炭素用伝熱管の伝熱性能を効果的に向上させる。
【解決手段】 二酸化炭素が冷媒として内部を流動する二酸化炭素用の伝熱管10を、その内面10Aにフィン11が螺旋状に形成されたシームレス管とする。フィン11を、そのねじれ角θを0°<θ≦3°とするとともに、その長さ方向で複数に分断する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ルームエアコン、カーエアコン、冷蔵庫、冷凍機、給湯器などの熱交換器に用いられる伝熱管に関するものであり、とくに、二酸化炭素が冷媒として内部を流動する二酸化炭素用伝熱管に関するものである。
ルームエアコン、カーエアコン、冷蔵庫、冷凍庫、給湯器などの熱交換器に用いられる伝熱管は、その内部を流動する冷媒を蒸発・凝縮させることにより、外部を流動する空気や水などの流体との間で熱交換を行うものである。
従来より、このような伝熱管においては、その伝熱性能を向上させるため、例えば伝熱管の内面に溝(あるいはフィン)が形成されたいわゆる溝付管とすることによって、伝熱面積を増大させるといった工夫がなされている。とくに特許文献1には、内面に20°前後のねじれ角で螺旋状に形成された溝が、その長さ方向で複数に分断されたような溝付管である伝熱管が開示されている。
特開平4−18231号公報
ところで、伝熱管の内部を流動させる冷媒としては、フロンが一般的に用いられているが、近年においては、オゾン層破壊や地球温暖化の観点から、二酸化炭素を冷媒として用いたいという要求が増加してきている。
一般的な冷媒として用いられているフロンは、その特性上、核沸騰による影響が小さく、上述したような溝付管を用いることによってある程度の伝熱性能の向上を見込むことができるのであるが、二酸化炭素は、その冷媒としての特性上、核沸騰による影響が大きいことに加えて、高圧状態となる超臨界流体であることから、上述したような溝付管を用いて熱交換器のシステムを構成したとしても、伝熱性能の向上を図るには限界があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、伝熱性能を効果的に向上させることが可能な二酸化炭素用伝熱管及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決して、このような目的を達成するため、本発明による二酸化炭素用伝熱管は、二酸化炭素が冷媒として内部を流動する二酸化炭素用の伝熱管であって、内面にフィンが螺旋状に形成されたシームレス管とされていて、前記フィンは、そのねじれ角θが0°<θ≦3°とされているとともに、その長さ方向で複数に分断されていることを特徴とするものである。
また、本発明による二酸化炭素用伝熱管の製造方法は、本発明の二酸化炭素用伝熱管を製造する方法であって、内面に連続的なフィンが5°≦θ≦45°のねじれ角θで螺旋状に形成された管を空引きによる引抜き加工で仕上げることにより、前記連続的なフィンを、そのねじれ角θが0°<θ≦3°となるように引き延ばしつつ、その長さ方向で複数に分断することを特徴とするものである。
本発明の二酸化炭素用伝熱管によれば、まず、耐圧性に優れたシームレス管とされていることから、高圧状態となる二酸化炭素を冷媒として内部に流動させたとしても、その耐圧性に関する信頼性を高く保つことができる。
そして、内面に形成された螺旋状のフィンがその長さ方向で複数に分断されていることから、伝熱面積がより増大するというだけでなく、従来冷媒とは異なって核沸騰の影響が大きい二酸化炭素を冷媒として用いる蒸発器においては、核沸騰の核が生じやすくなってその性能を格段に向上させることができ、かつ、同じく従来冷媒とは異なって超臨界流体である二酸化炭素を冷媒として用いるガスクーラにおいては、乱流を生じさせやすくして超臨界での放熱を効率良く行い、その性能を格段に向上させることができる。
しかも、上記フィンのねじれ角θについては、従来冷媒を用いた蒸発器・凝縮器ではある程度大きく設定した方が伝熱性能の向上を見込むことができていたのであるが、本発明のように二酸化炭素を冷媒として用いた蒸発器・ガスクーラにおいては、ねじれ角θを0°<θ≦3°と小さく設定したとしても高い伝熱性能を得ることが可能となり、その結果、ねじれ角θが小さく設定されていることに起因して、冷媒としての二酸化炭素の圧力損失を小さくすることができ、ひいては、さらなる伝熱性能の向上につなげることができる。
また、本発明の二酸化炭素用伝熱管の製造方法によれば、例えば溝付きプラグを用いた引抜き加工により管の内面に対して5°≦θ≦45°の範囲の比較的小さいねじれ角θを有する螺旋状の連続的なフィンを転造してから、このような連続的なフィンが内面に形成された管を例えば2回以上の空引きによる引抜き加工で所定の外径に仕上げると、上記連続的なフィンは、そのねじれ角θが0°<θ≦3°となるように引き延ばされるのと同時に、自然と長さ方向で細かく分断されていくので、本発明の二酸化炭素用伝熱管を容易に製造することができる。
とくに、この二酸化炭素用伝熱管が空引きによる引抜き加工で仕上げられていることから、管の内面が粗面化することにもなり、二酸化炭素を冷媒として用いた蒸発器においては、核沸騰の核をより生じやすくして、さらなる性能の向上を図ることができる。
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本実施形態による伝熱管10は、図1及び図2に示すように、例えば銅からなる管状をなすシームレス管であり、その内面10Aには、伝熱管10の中心軸線O回りにねじれる螺旋状をなす複数条のフィン11が周方向で略等間隔に配置されるように形成されている。
伝熱管10の内面10Aに形成された複数条のフィン11のそれぞれは、図2に示すように、伝熱管10の内周側へ向けて内面10Aから突出させられており、その周方向での幅を先端側へ向けて漸次狭めていって先端部が凸曲面状をなすように丸められた形状となっている。
また、螺旋状をなす複数条のフィン11のそれぞれは、伝熱管10の中心軸線O回りのねじれ角θが、0°<θ≦3°の範囲に設定されている。
そして、これらのフィン11のそれぞれは、その延在している方向である長さ方向に沿って細かく複数に分断されることによって断続的なものとして形成されており、各フィン11において複数に分断された部分のそれぞれの長さ(フィン11の長さ方向に沿った長さ)は、0.1mm〜3.0mmの範囲に設定されている。
次に、このような構成とされた伝熱管10を製造する方法を説明する。
図3に示すような引抜き装置20によって、まず、例えば銅からなる管30を、その内部に溝付きプラグ21が挿入された状態で転造カセット22を通過させるようにして引き抜くことにより、この管30の外径を縮径させるのと同時に、管30の内面30Aに対して螺旋状をなす複数条のフィン11を転造する。
ここで、管30の内面30Aに対して螺旋状のフィン11が転造された直後の状態では、これらのフィン11のそれぞれがその長さ方向で複数に分断されていることはなく、それぞれ連続的なものとされており、また、フィン11のそれぞれは、管30の中心軸線O回りのねじれ角θが、5°≦θ≦45°の範囲に設定されている。
次に、引抜き装置20によって、内面30Aに螺旋状をなす複数条の連続的なフィン11が形成された管30を、その内部にプラグが挿入されない状態でサイジングダイス23を通過させるようにして空引きで引き抜くことにより、この管30の外径を縮径させる。
なお、図3に示す引抜き装置20においては、空引きを行うためのサイジングダイス23が1つしか図示されていないが、本実施形態では、この空引きを複数回(例えば2回)行うものとなっている。
例えば2回の空引きによる引抜き加工により、外径が所定の大きさまで縮径させられた管30は、その内面30Aが粗面化されるとともに、管30の内面30Aに形成されて5°≦θ≦45°のねじれ角θを有していた複数条のフィン11のそれぞれが、0°<θ≦3°のねじれ角θを有するようになるまで引き延ばされる。
このように、螺旋状をなす複数条の連続的なフィン11のそれぞれが、そのねじれ角θが0°<θ≦3°となるまで引き延ばされることにより、その長さ方向で細かく複数に分断されることとなり、上述したように内面10Aに対して螺旋状をなす断続的なフィン11が0°<θ≦3°のねじれ角θで形成されたような構成を有する伝熱管10を製造することができる。
以下に、螺旋状をなす複数条の連続的なフィン11が内面30Aに形成された管30を、2回の空引きによる引抜き加工で仕上げることにより、これらの連続的なフィン11のそれぞれがその長さ方向で細かく複数に分断されるときの具体例を2つ示す。
〈例1〉

1回目空引き

・空引前外径d〔mm〕 8
・空引前底肉厚t〔mm〕 0.35
・空引前ねじれ角θ〔°〕 10
・空引前底肉部断面積A〔mm〕 8.40735
・空引後外径d〔mm〕 5.7
・空引後底肉厚t〔mm〕 0.37
・空引後ねじれ角θ〔°〕 5.299085987
・空引後底肉部断面積A〔mm〕 6.192394
・底肉部断面減少率Re〔%〕 26.34547152

2回目空引き

・空引前外径d〔mm〕 5.7
・空引前肉厚t〔mm〕 0.37
・空引前ねじれ角θ〔°〕 5.299085987
・空引前断面積A〔mm〕 6.192394
・空引後外径d〔mm〕 4
・空引後肉厚t〔mm〕 0.4
・空引後ねじれ角θ〔°〕 2.721691747
・空引後断面積A〔mm〕 4.5216
・断面減少率Re〔%〕 26.9813904
〈例2〉

1回目空引き
・空引前外径d〔mm〕 12.7
・空引前底肉厚t〔mm〕 0.55
・空引前ねじれ角θ〔°〕 12
・空引前底肉部断面積A〔mm〕 20.98305
・空引後外径d〔mm〕 8.7
・空引後底肉厚t〔mm〕 0.57
・空引後ねじれ角θ〔°〕 5.782455757
・空引後底肉部断面積A〔mm〕 14.551074
・底肉部断面減少率Re〔%〕 30.65319865

2回目空引き
・空引前外径d〔mm〕 8.7
・空引前肉厚T〔mm〕 0.57
・空引前ねじれ角θ〔°〕 5.782455757
・空引前断面積A〔mm〕 14.551074
・空引後外径d〔mm〕 6
・空引後肉厚t〔mm〕 0.6
・空引後ねじれ角θ〔°〕 2.796277095
・空引後断面積A〔mm〕 10.1736
・断面減少率Re〔%〕 30.08351136
以上説明したような本実施形態の二酸化炭素用伝熱管10によれば、まず、この伝熱管10が引抜き加工で製造されたシームレス管とされていることから、耐圧性に優れたものとなり、この伝熱管10の内部に高圧状態の二酸化炭素を冷媒として流動させたとしても、その耐圧性に関する信頼性を高く保つことが可能となっている。
そして、本実施形態の伝熱管10が空引きによる引抜き加工で仕上げられ、伝熱管10の内面10Aが粗面化されているとともに、この粗面化された内面10Aに形成された螺旋状のフィン11がその長さ方向で細かく複数に分断されていることから、伝熱面積がより増大して伝熱性能の向上を図ることができるというだけではなく、従来冷媒とは異なり核沸騰の影響が支配的である二酸化炭素を冷媒として用いた蒸発器において、核沸騰の核をより生じやすくしてその性能を格段に向上させることができる。
また、同じく、粗面化された内面10Aに形成された螺旋状のフィン11がその長さ方向で細かく複数に分断されていることから、従来冷媒とは異なり超臨界流体である二酸化炭素を冷媒として用いたガスクーラにおいて、乱流を生じさせやすくして超臨界での放熱を効率良く行い、その性能を格段に向上させることもできる。
さらには、螺旋状のフィン11のねじれ角θについて、従来冷媒を用いた蒸発器・凝縮器ではある程度大きく設定した方が伝熱性能の向上を見込むことができていたのであるが、本実施形態のように二酸化炭素を冷媒として用いた蒸発器・ガスクーラでは、ねじれ角θを0°<θ≦3°と小さく設定したとしても高い伝熱性能を得ることが可能となっている。
このようにフィン11のねじれ角θを小さく設定できることに起因して、冷媒としての二酸化炭素の圧力損失を小さくすることが可能となり、ひいては、本実施形態による二酸化炭素用伝熱管10について、さらなる伝熱性能の向上を図ることが可能となっている。
なお、本実施形態においては、複数回の空引きによる引抜き加工で伝熱管10を仕上げるようにしたが、これに限定されることはなく、例えば1回の空引きによる引抜き加工でフィン11を長さ方向に分断するようにしても構わない。
しかしながら、この空引きは2回以上行うことが好ましい。これは、1回の空引きだけで内面10Aを粗面化してフィン11を分断しようとすると、必然的に、断面減少率が大きく設定された空引きを行うこととなり、伝熱管10の形状が変化するおそれを否定できないからである。
本発明の実施形態による二酸化炭素用伝熱管を示す部分断面側面図である。 図1に示す二酸化炭素用伝熱管の要部拡大断面図である。 本発明の実施形態による二酸化炭素用伝熱管の製造方法を説明するための概略図である。
符号の説明
10 伝熱管
10A 内面
11 フィン
20 引抜き装置
21 溝付きプラグ
22 転造カセット
23 サイジングダイス
30 管
30A 内面

Claims (2)

  1. 二酸化炭素が冷媒として内部を流動する二酸化炭素用の伝熱管であって、
    内面にフィンが螺旋状に形成されたシームレス管とされていて、
    前記フィンは、そのねじれ角θが0°<θ≦3°とされているとともに、その長さ方向で複数に分断されていることを特徴とする二酸化炭素用伝熱管。
  2. 請求項1に記載の二酸化炭素用伝熱管を製造する方法であって、
    内面に連続的なフィンが5°≦θ≦45°のねじれ角θで螺旋状に形成された管を空引きによる引抜き加工で仕上げることにより、
    前記連続的なフィンを、そのねじれ角θが0°<θ≦3°となるように引き延ばしつつ、その長さ方向で複数に分断することを特徴とする二酸化炭素用伝熱管の製造方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011069523A (ja) * 2009-09-24 2011-04-07 Hitachi Cable Ltd 冷媒用伝熱管、及びガスクーラ

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