JP2010019489A

JP2010019489A - 蒸発器用の内面溝付伝熱管

Info

Publication number: JP2010019489A
Application number: JP2008180303A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Mizuta; 貴彦水田; Naoe Sasaki; 直栄佐々木
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-28

Abstract

【解決課題】酸化炭素冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、蒸発熱伝達特性に優れる内面溝付伝熱管を提供すること。
【解決手段】二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、
ｈをフィン高さ（ｍｍ）、ｐをフィンピッチ（ｍｍ）、ｔを底肉厚（ｍｍ）、Ｄを管外径（ｍｍ）、αをフィン頂角（°）、θをらせん角（°）とするとき、ｈが０．１２〜０．２４、ｈ／ｐが０．７５〜１．２、ｔ／Ｄが０．０５５〜０．０９、αが１５°以下、θが１２°以上であることを特徴とする蒸発器用の内面溝付伝熱管。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機、空調機、給湯機等の蒸発器の蒸発管に用いられる内面溝付伝熱管に関する。

地球温暖化ガスである冷媒ガスの排出抑制の観点から、熱交換器の冷媒として、フロン系冷媒に替わり、二酸化炭素冷媒が使用されてきている。特に、二酸化炭素冷媒を用いる給湯機用の熱交換器の開発が盛んである。

従来は、二酸化炭素冷媒を用いる給湯機用の伝熱管としては、平滑管が用いられていたが、近年では、管内熱伝達率を向上させるために、内面溝付管が使用されるようになってきた。例えば、特開２００３−３４３９４２号公報（特許文献１）には、チューブ内を流れる二酸化炭素を蒸発させる蒸発器であって、前記チューブの通路断面形状は円形であり、かつ、前記チューブの内壁には、中心側に突出した複数個の突起部が設けられており、前記チューブの通路長さ（Ｌ）と前記チューブの平均内直径（ｄ）とは、０．５×ｄ^{１．２６８２}≦Ｌ２．０９×ｄ^{１．２６８２}に示される関係を有している蒸発器が開示されている。また、特開２００６−１０５５２５号公報（特許文献２）には、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器であって、冷媒側流路を内面に螺旋状溝を形成したグルーブ管で構成する超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器が開示されている。

しかし、これらの伝熱管は、管内面の溝形成により、平滑管よりは管内熱伝達率は向上しているものの、二酸化炭素冷媒を用いる伝熱管に要求される性能としては、十分とは言えず、従来のフロン系冷媒用として開発された内面溝付管の溝形状を単に転用しているという域を脱していない。

そこで、近年、二酸化炭素冷媒に適した溝形状が検討されており、例えば、特開２００６−１６２１００号公報（特許文献３）には、高圧冷媒を用いるクロスフィンチューブ式熱交換器を構成する伝熱管にして、管内面に多数の溝が管周方向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、それら溝間には、所定高さの内面フィンが形成されてなる銅又は銅合金製の内面溝付伝熱管において、管外径（Ｄ）、前記溝の形成部位における管壁厚となる底肉厚をｔ、前記溝の深さをｄ、管軸に対して垂直な断面における溝１個あたりの断面積をＡとしたときに、ｔ／Ｄが０．０４１以上０．１４６以下であり、且つ、ｄ^２／Ａが０．７５以上１．５以下であると共に、Ｎを前記溝の溝条数、Ｄｉを前記溝の溝底をつないで形成される管内径に相当する最大内径としたときに、Ｎ／Ｄｉが８以上２４以下となるように構成した高圧冷媒用内面溝付伝熱管が開示されている。

特開２００３−３４３９４２号公報（特許請求の範囲）特開２００６−１０５５２５号公報（特許請求の範囲）特開２００６−１６２１００号公報（特許請求の範囲）

引用文献３の内面溝付伝熱管により、従来のものより、蒸発熱伝達特性はかなり向上される。ところが、それでもなお、更なる蒸発熱伝達特性の向上が求められている。

従って、本発明は、二酸化炭素冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、蒸発熱伝達特性に優れる内面溝付伝熱管を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、内面溝付伝熱管の形状を、特定の形状にすることにより、二酸化炭素冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、蒸発熱伝達特性に優れる内面溝付伝熱管が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、
ｈをフィン高さ（ｍｍ）、ｐをフィンピッチ（ｍｍ）、ｔを底肉厚（ｍｍ）、Ｄを管外径（ｍｍ）、αをフィン頂角（°）、θをらせん角（°）とするとき、ｈが０．１２〜０．２４、ｈ／ｐが０．７５〜１．２、ｔ／Ｄが０．０５５〜０．０９、αが１５°以下、θが１２°以上であることを特徴とする蒸発器用の内面溝付伝熱管を提供するものである。

本発明によれば、二酸化炭素冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、蒸発熱伝達特性に優れる内面溝付伝熱管を提供するこができる。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管は、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、
ｈをフィン高さ（ｍｍ）、ｐをフィンピッチ（ｍｍ）、ｔを底肉厚（ｍｍ）、Ｄを管外径（ｍｍ）、αをフィン頂角（°）、θをらせん角（°）とするとき、ｈが０．１２〜０．２４、ｈ／ｐが０．７５〜１．２、ｔ／Ｄが０．０５５〜０．０９、αが１５°以下、θが１２°以上である蒸発器用の内面溝付伝熱管である。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管の管内面には、多数の溝が、管軸方向に対して、一定のらせん角θ（°）をもって、らせん状に形成されると共に、多数のフィンが、らせん状に形成されている。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管を、管軸方向に対して垂直な面で切った時の断面の模式図であり、該断面の一部を拡大した図である。図１中、蒸発器用の内面溝付伝熱管１の管内面には、溝２及びフィン４が加工されている。該フィン４は、管の中心に向かって細くなっている略台形の形状である。管外径Ｄ（ｍｍ）とは、該蒸発器用の内面溝付伝熱管１の外径を指す。底肉厚ｔ（ｍｍ）とは、該蒸発器用の内面溝付伝熱管１の該溝２の最も深い部分３における該蒸発器用の内面溝付伝熱管１の肉厚を指す。なお、以下、各溝２の最も深い部分３が円周上に重なるように引いた円、すなわち、該蒸発器用の内面溝付伝熱管１の外周の円と同心円であり且つ半径が該底肉厚ｔ分だけ小さい円を、底肉厚線５（図１中、符号５で示す一点鎖線）と呼ぶ。フィン高さｈ（ｍｍ）とは、該フィン４の頂点の高さを指し、該底肉厚線５から管の中心に向かって突き出している部分の長さを指す。フィンピッチｐ（ｍｍ）とは、隣り合う該フィン４間における、該フィン４の中心線と該底肉厚線５とが交差する点間の直線距離を指す。フィン頂角α（°）は、該フィン４の両側の面を延ばしたときの交差角を指す。フィン幅ｗ（ｍｍ）は、該フィン高さｈの半分の位置における、該フィン４の幅を指す。なお、図１では、該フィン４の先端が円弧の形態例を示したが、該フィン４の先端形状は、円弧に限らず、先端が偏平となった形状や、先端が尖った三角形状であってもよい。該フィン４の先端が円弧の場合、その円弧の半径を、フィン先端半径と呼ぶ。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、ｔ／Ｄは０．０５５〜０．０９である。二酸化炭素を主成分とする冷媒は、その作動圧力が５〜１６ＭＰａと高いため、伝熱管の耐圧強度を向上させる必要があり、そのため、該底肉厚ｔを厚くする必要がある。該底肉厚ｔの厚さは、該外径Ｄ及び伝熱管材質の引張強さσＢにより、安全係数を考慮して適宜決定されるが、伝熱管材質として一般的に用いられるりん脱酸銅等の軟質材又は純銅に最大２質量％程度の添加成分を添加した低合金銅においては、ｔ／Ｄは、０．０５５以上であることが必要である。一方、ｔ／Ｄが０．０９を超えると、単重が大きくなって、コストアップとなるとともに、熱伝達性が悪くなり、該フィン高さｈを０．１２〜０．２４ｍｍの範囲内で調節しても、十分な蒸発熱伝達性能を得ることはできない。そのため、ｔ／Ｄは０．０９以下であることが必要である。
また、該管外径Ｄは、通常３〜１６ｍｍ、好ましくは４〜１０ｍｍである。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、該フィン高さｈは、０．１２〜０．２４ｍｍである。従来のフロン系冷媒用の伝熱管の場合は、底肉厚が薄いので、底肉厚が熱伝導性に与える影響は少ない。ところが、作動圧の高い二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の伝熱管の場合、耐圧強度を高くするために底肉厚を厚くする必要が生じるので、底肉厚が伝熱管の外面から内面への熱伝導性に与える影響が大きい。
そのため、本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管においては、蒸発の核として作用するフィン先端から、フィン及び底肉部を介して伝熱管の外面への熱伝達をできるだけ阻害しないように、フィン高さを低くすることが望ましい。また、フィン高さが高過ぎると、フィン間に溜まる液が多くなり、フィン底部での核沸騰が抑制されてしまうという点からも、フィン高さを低くすることが望ましい。
一方、フィン高さが低くなり過ぎると、管内を流れる冷媒の旋回による伝熱促進効果が抑制されてしまい、蒸発熱伝達性能の向上が抑制されてしまうので、ｈ／ｐの範囲を０．７５〜１．２としても、蒸発熱伝達性能が不十分となる。
そこで、本発明では、ｔ／Ｄが０．０５５〜０．０９の範囲で、熱伝導への影響の小さいフィン高さとし、且つ、核沸騰の顕著な抑制効果のないようにするために、ｈが０．１２〜０．２４ｍｍであることが必要である。また、ｈが０．２４ｍｍを超えると、転造加工が困難となる。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、該フィン頂角αは、１５°以下である。フィン頂角が小さい程、伝熱面積が増大し、管壁付近の液冷媒の攪拌効果が大きくなるので、蒸発熱伝達性能が向上し、また、伝熱管の単重が低くなる。そして、該フィン頂角αが１５°以下であることにより、蒸発熱伝達性能が良好となり、また、伝熱管の単重も低く抑えることができる。一方、該フィン頂角αが、１５°を超えると、蒸発熱伝達性能が不十分となり、また、伝熱管の単重も高くなる。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、該らせん角θは、１２°以上である。らせん角が大きくなる程、液冷媒を伝熱管の頂部に上げる効果が大きくなり、管内面全体として液膜が薄くなる。液膜が薄くなる程、蒸発熱伝熱は促進され、蒸発熱伝達性能が向上する。そして、該らせん角θが１２°以上であることにより、蒸発熱伝達性能が良好となる。一方、該らせん角θが１２°未満だと、蒸発熱伝達性能が不十分となる。

また、該フィン頂角αが小さくなる程、転造加工性が低くなり、また、該らせん角θが大きくなる程、転造加工性が低くなる。そして、本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管のように、ｔ／Ｄが０．０５以上と底肉厚の厚い伝熱管においては、該フィン頂角αが小さくなること、あるいは、該らせん角θが大きくなることによる転造加工性への影響は大きい。そこで、実生産に適した良好な転造加工性を維持することが可能な点で、該フィン頂角αが８°以上であることが好ましいく、また、該らせん角θが２４°以下であることが好ましい。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、ｈ／ｐは０．７５〜１．２である。ｈ／ｐが０．７５未満だと、管内壁面を覆う液冷媒の液膜が薄くならないため、伝熱促進効果が抑制されてしまう。一方、ｈ／ｐが１．２を超えると、液冷媒が管周方向において均一に分散し難くなり、伝熱管の下部に厚い液膜を形成し易くなることや、液冷媒が撹拌され難くなることによって、蒸発熱伝達性能の向上が抑制されてしまう。
また、ｈ／ｐが大き過ぎると、該フィン頂角α及び該らせん角θを選択したとしても、転造加工性が低下し、適正なフィン形状を得ることができなくなる場合がある。このような観点からも、ｈ／ｐは、１．２以下であることが好ましい。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管において、該フィン幅ｗは、ｈ／４〜ｈ／２であることが好ましい。該フィン幅ｗが、ｈ／４未満であると、転造加工性が悪くなり、また、ｈ／２を超えると、伝熱管の単重が大きくなり過ぎる。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管の材質は、特に制限されるものではないが、加工性及び熱伝導性が共に良好な、純銅又は純銅に最大２％程度の添加成分を添加した低合金銅が好ましい。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管は、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管として用いられる。本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管に係る該二酸化炭素を主成分とする冷媒は、二酸化炭素単独か、あるいは、冷凍機油を０〜１５質量％含有する二酸化炭素冷媒である。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管は、公知の転造加工方法を用いて製造される。例えば、連続する１本の原管の内側に、溝付きプラグを挿入し、該溝付きプラグと、該原管の外側に配置される円形ダイスとの間で、該原管を押圧することによって、該原管を縮径するとともに、管内面に溝を形成させ、本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管が製造される。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管を、アルミニウムフィンに挿通し、伝熱管と拡管及び固着することによって、クロスフィンチューブ型熱交換器が製造される。このクロスフィンチューブ型熱交換器が、蒸発器として使用される。

次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
（実施例及び比較例）
（内面溝付伝熱管の製造）
りん脱酸銅製の原管を用いて、表１に示す形状であり且つ管外径Ｄが７ｍｍの内面溝付伝熱管を製造した。

（管内熱伝達率性能評価）
図２に示すように、上記のようにして得られた内面溝付伝熱管１０を、外管１１の内側に挿通し、下記に示す条件に制御した二酸化炭素冷媒を内面溝付伝熱管１０（内管）内に流し、環状部１２を流れる水と熱交換させ、水及び冷媒の出入口温度及び流量から熱伝達率を求めた。条件としては、出口過熱度：５℃、飽和温度：５℃、冷媒質量速度：４００ｋｇ／ｍ^２・ｓとした。そして、表１中のＮｏ．２２の内面溝付伝熱管の熱伝達率に対する熱伝達率の比（性能比）を表１に示す。

実施例であるＮｏ．１〜８、１４、１５及び１８は、Ｎｏ．２２に対する性能比が、５％以上向上し、蒸発熱伝達性能が良好であった。中でもＮｏ．１〜８及び１８は、転造加工性も良好であった。Ｎｏ．１４は、らせん角が大き過ぎるため、転造加工性は良好ではなかった。Ｎｏ．１５は、フィン頂角が小さ過ぎるため、転造加工性は良好ではなかった。

比較例であるＮｏ．９は、らせん角が小さ過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪かった。Ｎｏ．１０、１１、１９及び２０は、ｈ／ｐが小さ過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪かった。Ｎｏ．１２は、フィン高さが低過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪かった。Ｎｏ．２１は、フィン頂角が大き過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪かった。Ｎｏ．１３は、フィン高さが高過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪く、また、転造加工性も良好ではなかった。Ｎｏ．１６及び１７は、ｈ／ｐが高過ぎるため、蒸発熱伝達性能が悪く、また、転造加工性も良好ではなかった。

本発明によれば、熱交換性能に優れる蒸発器を製造することができる。

本発明の蒸発器用の内面溝付伝熱管を、管軸方向に対して垂直な面で切った時の断面の模式図である。管内熱伝達率性能評価方法を示す図である。

符号の説明

１、１０内面溝付伝熱管
２溝
３溝の最も深い部分
４フィン
５底肉厚線
１１外管
１２環状部
Ｄ管外径
ｔ底肉厚
ｈフィン高さ
α フィン頂角
ｗフィン幅
ｐフィンピッチ

Claims

二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いる蒸発器用の内面溝付伝熱管であって、
ｈをフィン高さ（ｍｍ）、ｐをフィンピッチ（ｍｍ）、ｔを底肉厚（ｍｍ）、Ｄを管外径（ｍｍ）、αをフィン頂角（°）、θをらせん角（°）とするとき、ｈが０．１２〜０．２４、ｈ／ｐが０．７５〜１．２、ｔ／Ｄが０．０５５〜０．０９、αが１５°以下、θが１２°以上であることを特徴とする蒸発器用の内面溝付伝熱管。
更に、αが８°以上且つθが２４°以下であることを特徴とする蒸発器用の内面溝付伝熱管。