JP2007271123A

JP2007271123A - 内面溝付伝熱管

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Publication number: JP2007271123A
Application number: JP2006095018A
Authority: JP
Inventors: Soubu Ri; 相武李; Nobuaki Hinako; 伸明日名子
Original assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Current assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】二酸化炭素を冷媒として用いる内面溝付伝熱管として、拡管時のフィンの潰れ及び倒れが少なく、且つ伝熱性能が優れた内面溝付伝熱管を提供する。
【解決手段】内面に螺旋状の溝４と溝間にフィン２が形成されており、外径Ｄが３乃至７ｍｍ、フィン２の高さｈが０．１乃至０．３ｍｍ、管軸直交断面における管周長あたりのフィン２の数ｎが５０以上であり、溝部４における管の肉厚ｔが、σ_Ｂを管の引張強さとして、下記数式を満たす。
ｔ≧（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋２５．５）］
また、管軸直交断面におけるフィン２の山頂角αが１５°以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、二酸化炭素を冷媒として用いる内面溝付伝熱管に関し、特に、伝熱管を拡管して管外面の放熱フィンと密着させることにより熱交換器を製作する際に、拡管による管内面のフィンの潰れ及び倒れが小さく、伝熱性能が良い熱交換器を実現できる内面溝付伝熱管に関する。

近時、給湯及び床暖房用等の温水を得るために、二酸化炭素を冷媒に用いる熱交換器が使用されるようになってきた。伝熱管内を流れる二酸化炭素冷媒は通流速度が大きく、熱伝達率が大きいことから、このような熱交換の蒸発器及び凝縮器用の伝熱管としては平滑管が多く用いられている。最近、熱交換器のＣＯＰ（Coefficient Of Performance、投入エネルギーに対する取り出したエネルギーの比）の向上が求められ、伝熱管に対しても一層の熱交換性能向上が必要になってきた。このような要求に対し、二酸化炭素冷媒用の伝熱管として次のような内面溝付伝熱管が提案されている。

例えば、特許文献１には、二酸化炭素が冷媒として内部を通流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が開示されている。そして、この二酸化炭素用伝熱管においては、前記フィンは、そのねじれ角θが０°＜θ≦３°であると共に、その長手方向で複数に分断されている。

また、特許文献２には、管内面にフィンが形成されている内面溝付伝熱管において、第１のフィンが高さ０．１０〜０．２２ｍｍ、頂角が２０〜６０°、頂部の曲率半径と高さとの比が５以上であり、第２のフィンの頂角が２０〜６０°であり、第２のフィンの高さと第１のフィンの高さとの比が０．５〜０．９であり、管の肉厚ｔは０．４ｍｍ以上で、且つ管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０４〜０．２５である熱交換器用内面溝付伝熱管が提案されている。

特開２００５−１８８７８９特開２００５−２５７１６０

しかしながら、これらの従来技術は、以下に示す問題点がある。先ず、特許文献１の内面溝付伝熱管は、管内面のフィンが長手方向に分断されているため、伝熱面積が増し、核沸騰の核が増加するという利点はあるが、このような分断部分を形成するためには、内面にフィンを形成した後、この内面溝付伝熱管を複数回空引きする必要があり、生産性が悪く、またフィンのねじれ角が小さいため、管内の二酸化炭素を攪拌する効果が小さい。この空引きとは、管を管の外径より小さい内径を有するダイス（縮径ダイス）を通すことにより、管の外径を縮径することをいう。空引きにより、管の外径はダイス内径にほぼ等しくなり、管の長さは長くなる。また、内面溝付管の場合、管軸方向に管が伸張する結果、溝のリード角が小さくなる。そして、この空引きにより、管軸方向に張力が作用し、管が塑性変形で伸びるとき、管の外表面の伸び方と管内面のフィンの伸び方が異なり、フィン部に歪みによるくびれ（延性破壊）が生じ、フィンが分断される。

特許文献２の内面溝付伝熱管は、底肉厚の厚い内面溝付伝熱管内に高さの異なる二種類のフィンを形成することにより、拡管時のフィン倒れを防止するものであるが、特殊な形状の溝付プラグが必要になり、製造コストが高くなりやすく、管の底肉厚が厚く転造加工が難しい等の問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、二酸化炭素を冷媒として用いる内面溝付伝熱管として、拡管時のフィンの潰れ及び倒れが少なく、且つ伝熱性能が優れた内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る内面溝付伝熱管は、二酸化炭素を冷媒として使用する内面溝付伝熱管であって、内面に螺旋状の溝と前記溝間にフィンが形成されており、外径Ｄが３乃至７ｍｍ、前記フィンの高さｈが０．１乃至０．３ｍｍ、管軸直交断面における管周長あたりの前記フィンの数ｎが５０以上であり、前記溝部における管の肉厚ｔが、σ_Ｂを管の引張強さとして、下記数式１を満たすものであることを特徴とする。

この場合に、管軸直交断面における前記フィンの山頂角αが１５°以上であることが好ましい。

本発明によれば、拡管により管外面にフィンを装着して蒸発器等の熱交換器を製作した場合も、拡管時のフィンの潰れ及び倒れが少ないことから、二酸化炭素を冷媒として用いる内面溝付伝熱管として、優れた伝熱性能を維持することができる。このため、管の底肉厚を必要以上に厚くする必要がないため、単位長さあたりの内面溝付伝熱管の質量が大きくなりすぎず、熱交換器の軽量化が可能になる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態に係る内面溝付伝熱管を示す管軸直交断面の一部を示す断面図であり、図２はこの内面溝付伝熱管の製造工程を示す管軸平行断面図であり、図３はこの内面溝付伝熱管を拡管して管外面にフィンを装着し、蒸発器を製作するときの管軸平行断面図である。

本実施形態の内面溝付伝熱管１は、図１に示すように、管軸直交断面において、管内面に螺旋状の溝４が形成されており、この溝４間にフィン２が形成されている。このフィン２の山頂角はα、管外径はＤ、溝４における管の肉厚はｔ、フィンの高さはｈである。

そして、これらは、外径Ｄが３乃至７ｍｍ、フィンの高さｈが０．１乃至０．３ｍｍである。また、管軸直交断面における管周長あたりのフィン２の数ｎが５０以上である。更に、溝部４における管の肉厚ｔが、σ_Ｂを管の引張強さとして、前記数式１を満たす。更に、管軸直交断面におけるフィン２の山頂角αが１５°以上であることが好ましい。

この本実施形態の伝熱管は、図２に示す製造方法により製造することができる。伝熱管素管８内に、外面に螺旋状の溝が形成された溝付プラグ１０を挿入する。この溝付プラグ１０は、フローティングプラグ９に連結棒１１を介してその中心軸の周りに回転可能に連結されており、フローティングプラグ９を管外に配置したダイス１２によりこのダイス配置位置に保持することにより、連結棒１１を介して溝付プラグ１０を一定位置に保持する。そして、この溝付プラグ１０に整合する位置の管外面に転圧回転体５を配置し、転圧回転体５により管の外面を押圧しながら、管を長手方向に引抜くと、連結棒１１を介してフローティングプラグ９に保持された状態で、溝付プラグ１０が回転し、溝付プラグ１０の溝が管内面に転写される。これにより、管内に連続した溝６が形成される。このようにして管内に溝６を形成された管は所定の外径を有するダイス７に通されることにより目的とする外径に成形される。

このようにして製作された内面溝付伝熱管は拡管及び曲げ加工の加工性を良くするために通常焼鈍が行われ、軟質材とされる。焼鈍した内面溝付伝熱管を所定の長さに切断後、Ｕ字状に曲げ、図３に示すように、管外径の１０３〜１０５％程度の直径を有する孔をプレス打抜き加工したアルミニウム薄板積層体１６にＵ字曲げ管１５を挿入する。このとき、管１５とアルミニウム薄板積層体１６の孔との間には、隙間１６ａがあるが、その後、内面溝付伝熱管１５内に拡管ビレット１７を挿入し、管１５を拡管することにより、内面溝付伝熱管１５とアルミニウム薄板積層体１６とを一体化させる。次いで、内面溝付伝熱管の開放端をＵ字曲げした短尺管で連結し、ろう付けすることによりプレートフィンチューブ型熱交換器が製作される。

以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。

「フィン高さｈが０．１〜０．３ｍｍ」
フィン高さｈが低いと、冷媒蒸気が接触するフィンの長さが短くなるため、蒸発性能が小さくなる。また、凝縮伝熱時にはフィン先端まで冷媒液で覆われやすくなり、凝縮性能も小さくなる。一方、フィン高さｈが高くなるほど、蒸発及び凝縮性能が向上するが、拡管時のフィン２の潰れ及び倒れが発生しやすくなる。したがって、フィン高さｈは０．１〜０．３ｍｍとする。なお、望ましいフィン高さｈは０．１５〜０．２７ｍｍである。

「フィン数ｎが５０以上」
フィン数が多いほど管内の表面積が増大するが、溝部の断面積が小さくなるため、伝熱性能に対してはプラス面とマイナス面がある。また、フィン数が多いほどフィン１個あたりにかかる拡管治具の圧力が小さくなるので、拡管時のフィンの潰れ及び倒れがおきにくくなる。これらのバランスを考慮し、本発明の内面溝付伝熱管においては、管軸直交断面における管周長あたり、フィン数を５０以上とした。なお、望ましいフィン数ｎは管の外径が７．０ｍｍの場合は、５０〜７０、同６ｍｍの場合は５０〜６５、同３〜５ｍｍの場合は５０〜６０である。

「外径Ｄが３〜７ｍｍ」
二酸化炭素を用いる熱交換器ユニットには小型化が求められており、それに対応するため本発明の内面溝付伝熱管の外径も７ｍｍ以下であることが必要になる。管外径が小さい内面溝付伝熱管を作るには、（ａ）外径の小さい素管に溝付転造加工を行うか、又は（ｂ）外径の大きい素管に溝付転造加工し、その後比較的大きい縮径率で縮径する方法がある。（ａ）の方法によると、管外径が３ｍｍより小さい内面溝付伝熱管を作るには、素管の外径が小さくなり、それに伴って溝付プラグの外径も小さくなり、溝付プラグの製作そのものが難しく、またその価格が高価なものとなる。また、（ｂ）の方法によると、縮径時には溝部の肉厚が増加するため、溝付転造加工の縮径率が大きくなると底肉厚の増加量が大きくなり、そのため内面溝付伝熱管の単位長さあたりの質量が大きくなってしまう。以上のような理由から、外径Ｄを３〜７ｍｍとする。なお、望ましい管外径は４〜６ｍｍである。

「溝部における管の肉厚ｔ」
二酸化炭素冷媒を用いる熱交換器の運転圧力はエアコン等に用いられるフロン系冷媒に比べて大きく、本発明の内面溝付伝熱管においては、耐圧強度の点から溝部の肉厚をフロン系冷媒のものより大きくする必要がある。必要な肉厚ｔは次式で示される。
ｔ≧（Ｐ×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋Ｐ）］
但し、Ｐは耐圧強度（設計圧力）、Ｄは管外径、σ_Ｂは管の引張強さである。

前記耐圧強度は、運転圧力の３倍の値を用いる。ここで、二酸化炭素を蒸発器に用いる場合、管内を流れる二酸化炭素の圧力は８．５ＭＰａであるため、設計圧力は前記運転圧力の３倍の値２５．５ＭＰａとなる。従って、炭酸ガスの蒸発器用伝熱管として必要な肉厚ｔは、上記の式でｔ＝２５．５とおいて、ｔ≧（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋２５．５）］と求まる。これが前述の数式１である。

目標とする管の肉厚は、使用する材料の軟質材の強度により予め設定しておけばよい。例えば、ＪＩＳＨ３３００のＣ１２２０（りん脱酸銅）を用いて外径６ｍｍの内面溝付伝熱管を製作し、焼鈍後の引張り強さσ_Ｂが２３０ＭＰａであった場合、前記数式に当てはめて計算すると、必要な肉厚ｔの下限値は０．３５９ｍｍとなる。また、同外径の内面溝付管をＣｕ−０．６５質量％Ｓｎ−０．０３質量％Ｐ合金で製作し、焼鈍後の引張り強さが３１５ＭＰａであると、必要な肉厚の下限値は０．２７１ｍｍである。なお、肉厚ｔの下限値（最小値）は、上記の式において、ｔ＝（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋２５．５）］とすることにより求められるが、その上限値は、単位長さあたりの質量低減のためには、前記下限値の１．３倍以下であることが望ましい。

「管軸直交断面におけるフィンの山頂角αが１５°以上」
山頂角αが小さいほどフィン形状が鋭角的になり、フィン２の斜面間の距離が大きくなるので、蒸発伝熱時には液膜が薄くなり、蒸発伝熱性能が向上する。また、凝縮伝熱時には、フィン２の先端で凝縮した凝縮冷媒液の排出が行われやすくなり、凝縮伝熱性能が向上する。一方、山頂角αが小さくなると、転造加工によるフィンの形成が行いにくくなる。また、特に、二酸化炭素冷媒用の厚肉溝付伝熱管においては、拡管時のフィン２の潰れ及び倒れが大きくなり、熱交換器としての伝熱性能が低下する。本発明の形状の内面溝付伝熱管においては、これらの点を考慮してフィン２の山頂角αを１５°以上とする。伝熱性能を維持しながら、フィン２の潰れ量及びフィンの倒れを少なくするには、フィン２の山頂角αを２５°以上とすることが望ましく、３０°以上とすることが更に望ましい。

「その他の因子」
「材質」
本発明の内面溝付伝熱管には、熱伝導性、耐圧強度、曲げ加工性及びろう付け性等が必要とされる。これらの特性を満足する材料としては、銅又は銅合金が望ましい。例えば、ＪＩＳＨ３３００に規定されている無酸素銅（Ｃ１０２０）、りん脱酸銅（Ｃ１２０１、Ｃ１２２０）等の純銅系材料、又はＣｕ−（０．１〜１．０）質量％Ｓｎ−（０．０１〜０．０４）質量％Ｐ等の合金を用いても良い。

「溝形状」
溝形状としては、三角状及び台形状が知られているが、本発明の内面溝付伝熱管においては、管内表面積が大きく、伝熱性能向上に有利であり、単位長さあたりの質量低減が可能である台形状であることが望ましい。

「フィンのねじれ角」
フィンのねじれ角が大きいほど管内を流れる冷媒が攪拌され、単位長さあたりの管内表面積が大きくなるため、内面溝付伝熱管の伝熱性能が大きくなる。このため、フィンのねじれ角は５°以上であることが望ましい。なお、フィンのねじれ角は１５°以上であることがより望ましく、また２５°以上であることが更に望ましい。

「溝底部の曲率半径Ｒ」
転造加工を行いやすくするため、フィン根元部と溝底部とが円弧で滑らかに接続される形状であることが望ましい。この部分の円弧形状は、その曲率半径Ｒが大きいほど加工が行いやすくなるが、同時に内面溝付伝熱管の単位質量も大きくなる。このため、曲率半径Ｒはフィン高さｈの１／３未満、望ましくは１／４未満であることが望ましい。

「結晶粒径」
内面溝付伝熱管の結晶粒径が大きいと、曲げ加工及び拡管を行った際、表面に肌荒れ及び割れ等が発生し、管内を流れる二酸化炭素冷媒の圧力変動に長時間さらされると、前記肌荒れ及び割れを基点にして管が破壊するおそれがあることから、内面溝付管の平均結晶粒径（管軸平行断面で比較法で測定）は５０μｍ以下、望ましくは３０μｍ以下であることが望ましい。

以下本発明の効果を実証するための実施例比較例について具体的に説明する。
（第１の実施例）

外径と肉厚が異なるりん脱酸銅（ＪＩＳＨ３３００のＣ１２２０）軟質素管を、種々の形状の溝付プラグを用いて転造加工することにより、下記表１に示す実施例１〜１２及び比較例１〜５の内面溝付伝熱管を製作した。内面溝付伝熱管の外径Ｄ、ねじれ角θ、フィン高さｈ、管軸直交断面におけるフィンの山頂角α、フィン数ｎ、管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径ｒ、溝部の肉厚ｔと管の外径との比ｔ／Ｄを前記表１に示す。転造加工においては、ねじれ角、フィン高さｈ、フィンの山頂角α、フィン数ｎ等により転造ボールの公転速度及び管の引抜き速度を変化させた。また、フィンと溝底部とをつなぐ円弧の曲率半径Ｒはフィン高さｈに対して１／３未満（管軸直交断面）とした。このようにして製作した内面溝付伝熱管をレベルワウンドコイルに巻回し、適当な条件で焼鈍して軟質材とした。なお、いずれの試料においても、焼鈍後の引張り強さσ_Ｂは２２０〜２２５ＭＰａであった。

上述の内面溝付伝熱管の軟質材レベルワウンドコイルより調査用の試料を採取し、フィン形成状況（フィンが正しい形状に形成されているか）を確認し、拡管試験を行って管内のフィンのつぶれ及び倒れの状況を観察した。

拡管試験
内面溝付伝熱管の内径に合わせて種々の径の拡管ビレットを準備し、管内に前記拡管ビレットを挿入して拡管率１０５％で拡管し、拡管後の内面溝付伝熱管の管軸直交断面を光学顕微鏡で観察し、内面フィンのつぶれ量を調査した。なお、拡管率は、下記の式により算出した。
［｛（拡管後の管の外径）−（拡管前の管の外径）｝／（拡管前の管の外径）］×１００（％）
そして、フィン高さの減少量が０．０２ｍｍ以下のものを○、０．０２ｍｍを超えるものを×とした。

耐圧試験
拡管率１０５％で拡管した実施例及び比較例の銅管に一端を密閉し、開放端をポンプに接続して管内に水を供給し、徐々に加圧を行い、２５．５ＭＰａまで加圧した状態で保持した。なお、拡管により、管の外径は拡大するが、管の肉厚も２〜４％程度小さくなる。しかし、２５．５ＭＰａの水圧を印加しているため、耐圧試験としては少し厳しい試験となっている。この耐圧試験結果を下記表２に示す。

本実施例１〜１２の内面溝付伝熱管は、いずれも、所定形状のフィンが正しく転造加工され、また、拡管後のフィンの倒れ及び潰れが小さく、良好な伝熱性能を有するプレートフィンチューブ型熱交換器を製作することができた。

一方、比較例１及び３の内面溝付伝熱管はフィン高さｈが本発明の範囲の上限値より大きく、フィンの潰れ量が０．０２ｍｍを超えた。比較例２及び４の内面溝付伝熱管はフィン数ｎが本発明の範囲の下限値より小さいため、フィンの潰れ量が０．０２ｍｍを超えた。また、比較例５の内面溝付伝熱管は肉厚ｔの値が所定の値より小さいため、耐圧試験により管が破壊した。実施例及び比較例の内面溝付伝熱管の平均結晶粒径は１５〜３０μｍであった。

（第２の実施例）
外径と肉厚の異なるＣｕ−０．６５Ｓｎ−０．０３Ｐ合金の軟質素管を、種々の形状の溝付プラグを用いて転造加工することにより、下記表３に示す実施例１３〜１８及び比較例６〜９の内面溝付伝熱管を製作した。このようにして製作した内面溝付伝熱管のレベルワウンドコイルを焼鈍して、第１の実施例と同様にフィン潰れ量を評価した。なお、焼鈍後の引張り強さは３１５〜３２５ＭＰａであった。

本発明の実施例１３〜１８の内面溝付伝熱管は、いずれも、所定形状のフィンが正しく転造加工され、また、拡管後のフィンの倒れ及び潰れが小さく、良好な伝熱性能を有するプレートフィンチューブ型熱交換器を製作することができた。

一方、比較例６及び８の内面溝付伝熱管はフィン高さが本発明の範囲の上限値より大きく、フィンの潰れ量が０．０２ｍｍを超えた。比較例７及び９の内面溝付伝熱管はフィン数が本発明の範囲の下限値より小さいため、フィンの潰れ量が０．０２ｍｍを超えた。

なお、引張強さが３１５ＭＰａのとき、（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋２５．５）］は、Ｄが６．０ｍｍの場合０．２７６、Ｄが４．０ｍｍの場合０．１８４ｍｍとなる。

本実施形態に係る内面溝付伝熱管を示す管軸直交断面の一部を示す断面図である。この内面溝付伝熱管の製造工程を示す管軸平行断面図である。この内面溝付伝熱管を拡管して管外面にフィンを装着し、蒸発器を製作するときの管軸平行断面図である。

符号の説明

１：内面溝付伝熱管
２：フィン
４：溝
９：フローティングプラグ
１０：溝付プラグ

Claims

二酸化炭素を冷媒として使用する内面溝付伝熱管であって、内面に螺旋状の溝と前記溝間にフィンが形成されており、外径Ｄが３乃至７ｍｍ、前記フィンの高さｈが０．１乃至０．３ｍｍ、管軸直交断面における管周長あたりの前記フィンの数ｎが５０以上であり、前記溝部における管の肉厚ｔが、σ_Ｂを管の引張強さとして、下記数式を満たすものであることを特徴とする内面溝付伝熱管。
ｔ≧（２５．５×Ｄ）／［２×（０．８×σ_Ｂ＋２５．５）］
管軸直交断面における前記フィンの山頂角αが１５°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。