JP2010249405A - 内面溝付管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器用の内面溝付管において、冷凍機油の濃度が高い場合でも伝熱性能が低下せず、撥油性皮膜と内面溝付管との密着性が良好な内面溝付管及びその製造方法を提供する。
【解決手段】管内面にフィンが形成されている内面溝付管において、冷凍機油の油膜を形成することを防止するための皮膜が前記管内面に形成されている二酸化炭素冷媒用内面溝付管。皮膜の厚さが１〜２００μｍであり、管内面の表面粗さＲａが１〜５０μｍである。前記内面溝付管の製造方法であって、素管内面に螺旋溝を転造する転造処理と、前記内面溝付管の内面に皮膜を形成するための撥油加工剤を充填する充填処理と、前記撥油加工剤を排出する排出処理と、前記内面溝付管の内面を乾燥させる乾燥処理と、前記内面溝付管を加熱する加熱処理をこの順で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアコン、給湯器、冷凍機、床暖房等の、ヒートポンプ機器において、熱交換器用の伝熱管として用いられる内面溝付管及びその製造方法に関する。

エアコンや給湯器などのヒートポンプ機器の熱交換器に用いられる伝熱管は、熱交換性能の向上を図るため、内面に溝加工を施した、例えば、銅製の内面溝付管が用いられることが多い。

熱交換器の小型化、高効率化の要求に対応するため、内面に形成された溝を深くし、溝のねじれ角（リード角）を大きくし、フィンをシャープな形状にした内面溝付管が求められている。

最近は環境問題から脱フロン、特に二酸化炭素を使用する熱サイクル装置の開発が行われている。前記熱サイクル装置は、給湯用熱交換器、膨張弁、蒸発器、圧縮機、そして元の給湯用熱交換器に戻る、というサイクルをまわすように組み合わされている。

二酸化炭素を冷媒として使用するためには、圧縮機の磨耗を防ぐために、冷凍機油が使用されている。冷凍機油が二酸化炭素冷媒に混入して熱サイクル装置を循環するようになると、熱交換器の伝熱管の内面に付着し、油膜を形成する。この油膜により伝熱管の熱伝達率の低下や圧力損失が発生し、熱交換器の性能低下を招くことがわかっている。

これに対し、冷凍機油の油膜形成を抑制した内面溝付管が開示されている（特許文献１）。また、扁平管において、油膜形成を抑制するために撥油性皮膜を内面に形成した例が開示されている（特許文献２）。

特開２００８−２４９２９４号公報 特開２０００−４６４２１号公報

しかし、特許文献１には冷凍機油の通流量を０．５質量％以下とすることが好ましいとの記載がある。一般的な二酸化炭素冷媒熱サイクル装置では、冷凍機油の通流量が１質量％以上、場合によっては５質量％以上となることがあり、冷凍機油の通流量によっては所望の伝熱性能が得られない場合もあった。加えて、冷凍機油の通流量が少ないと、コンプレッサーの焼き付きの可能性が高まり、信頼性の点で懸念があった。

また、特許文献２に記載の撥油性皮膜を、内面溝付管に適用しようとしても、撥油性皮膜と内面溝付管との密着性が弱くなることが推測され、撥油性皮膜が剥離して伝熱性能の低下を招くことが心配される。

そこで本発明は、冷凍機油を用いる熱交換器用の内面溝付管において、冷凍機油の濃度が高い場合でも伝熱性能が低下せず、撥油性皮膜と内面溝付管との密着性が良好な内面溝付管及びその製造方法を提供する。

上記課題は、以下の手段により達成される。すなわち、本発明は、
（１）管内面にフィンが形成されている内面溝付管において、冷凍機油の油膜を形成することを防止するための皮膜が前記管内面に形成されている内面溝付管、
（２）前記（１）に記載の内面溝付管であって、
前記皮膜の厚さが１〜２００μｍであることを特徴とする内面溝付管、
（３）前記（１）または（２）に記載の内面溝付管であって、
前記内面溝付管の管内面の表面粗さＲａが１〜５０μｍであることを特徴とする内面溝付管、
（４）前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の内面溝付管を製造する方法であって、
素管内面に螺旋溝を転造する転造処理と、
前記内面溝付管の内面に皮膜を形成するための撥油加工剤を充填する充填処理と、
前記撥油加工剤を排出する排出処理と、
前記内面溝付管の内面を乾燥させる乾燥処理と、
前記内面溝付管を加熱する加熱処理を、
この順で行うことを特徴とする内面溝付管の製造方法、
を、提供するものである。

本発明の内面溝付管及びその製造方法によれば、冷凍機油の濃度が高い場合でも伝熱性能が低下せず、撥油性皮膜と内面溝付管との密着性が良好なため、伝熱性能の優れた内面溝付管を製造することができる。

本実施形態の内面溝付管を管軸に対して直角に切断した一部を示す断面図である。 本実施形態の内面溝付管の管軸を通る面における断面図である。 内面溝付管の溝付加工装置を示す説明図である。 放熱性能測定装置の説明図である。 蒸発性能測定装置の説明図である。

本発明の一実施形態を図面と共に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

以下に、本実施形態の内面溝付管の内部を説明する。図１は、本実施形態の内面溝付管を管軸に対して直角に切断した一部を示す断面図である。内面溝付管１１は、外径Ｄ、肉厚ｔを有する断面略円形の管である。

内面溝付管１１の内部は、複数のフィン１、複数の溝２、及び皮膜３からなる。溝２は、内面溝付管１１の内部に、螺旋状に複数形成されている。フィン１は、高さＨ、頂角αを有し、断面略三角形の突起であり、隣り合う溝２の間に螺旋状に複数形成されている。

フィン１の高さＨを０．１ｍｍ以上とすると、内面溝付管１１の内部の表面積を増加させ、内部を通る冷媒の乱流が促進するため、伝熱性能を向上させることができて好ましい。

皮膜３は、内面溝付管１１の内面全体を覆っている。皮膜３は、フッ素樹脂からなり、撥油性を有する。これにより、冷凍機油が付着しても油膜を形成することを防止することができる。皮膜３の厚さｈは１〜２００μｍとすると、油膜形成の防止を効果的に防止でき、圧力損失の抑制とも両立できる。好ましくは、１０〜１００μｍ、より好ましくは２０〜８０μｍである。

前記皮膜３は、撥油性、密着性、耐熱性を有する撥油加工剤であればよい。例えばフッ素樹脂からなる撥油加工剤がある。旭硝子株式会社製の「アサヒガード」、ＡＧＣセイミケミカル株式会社の「モールドスパット」等が使用可能である。

なお、フィン１及び溝２の表面は、平滑状態に比べ、微小な凹凸があるほうが、内面溝付管１１と皮膜３の密着性が良好であり、皮膜３が剥離しにくいことがわかった。好ましくは表面粗さＲａが１〜５０μｍ、より好ましくは３〜１５μｍであると、密着性が向上して好ましい。

図２は、本実施形態の内面溝付管の管軸を通る面における断面図である。内面溝付管１１の内部は、複数のフィン１、複数の溝２が、螺旋状に複数形成されている。また、皮膜３が内面溝付管１１の内面全体を覆っている。フィン１と溝２は、管軸方向に対してなすリード角βを有している。

リード角βが大きいと、内面溝付管１１の内部の表面積を増加させる。また、冷媒の乱流を促進する。よって伝熱性能が向上する。加工性との両立のため、好ましくはβが０．５〜４０度、より好ましくは５〜２５度である。

次に、本実施形態の内面溝付管において、内面の溝付加工を行う溝付加工装置１０を説明する。
図３は、内面溝付管の溝付加工装置を示す説明図である。本実施形態の内面溝付管の溝付加工装置１０は、プラグ２０、ダイス２５、ボール２６を有している。

プラグ２０は、フローティングプラグ２１、溝付プラグ２２、取付ピン２３、プラグロッド２４からなる。

フローティングプラグ２１は、プラグロッド２４に対し、素管１２の引抜き方向と反対側に配置される。溝付プラグ２２は、プラグロッド２４に対し、素管１２の引抜き方向の側に配置される。

フローティングプラグ２１は、プラグロッド２４の一端に固定された取付ピン２３に回転自在に軸支され、かつ抜け出しが防止されている。また、フローティングプラグ２１はダイス２５の内側に配置されている。これによりフローティングプラグ２１とダイス２５の間に素管１２を挟んで縮径することができる。

なおダイス２５は、プラグ２０の位置を固定している。これによりプラグ２０が引抜き方向に引き込まれないようになっている。

溝付プラグ２２は、プラグロッド２４の他端に固定された取付ピン２３に回転自在に軸支され、かつ抜け出しが防止されている。また、溝付プラグ２２は、ボール２６の内側に配置されている。さらに、溝付プラグ２２は外周面に有する螺旋溝を有している。

ボール２６は自転及び公転可能となっており、加工ヘッド３１とストッパ３２により位置決めされている。これにより、溝付プラグ２２とボール２６の間に素管１２を挟んで縮径することができ、前記螺旋溝により溝付加工を行うことができる。

次に、本実施形態の内面溝付管の製造方法について説明する。
まず、素管内面に螺旋溝を転造する転造処理を行う。上記溝付加工装置１０に、素管１２を挿通させ、所定の引張り力で図３の引張り方向に引っ張ることで、内面溝付管１１を製造する。内面溝付管１１の内部には、フィン１と溝２が所定の形状をもって形成される。

このとき、フィン１及び溝２の表面は、素管１２の内面に対して表面粗さＲａが増加する。これは、フローティングプラグ２１及び溝付プラグ２２の表面に有する凹凸により、前記凹凸が転写されて、表面粗さＲａが増加する。よって、前記凹凸の状態を適宜変更することで、フィン１及び溝２の表面に所望の表面粗さＲａを有する内面溝付管１１を得ることができる。

次に、内面溝付管１１の内面に皮膜３を形成するための撥油加工剤を充填する充填処理を行う。まず、内面溝付管１１の内面にある油分、水分を除去し清浄な状態にする。清浄な状態にするためには、例えば、内面溝付管１１を温度４５０℃にて２時間程度で加熱すれば良い。次いで、内面溝付管１１に撥油加工剤を５分程度充填する。これにより、内面溝付管１１の内面に撥油加工剤が付着する。

次いで、前記撥油加工剤を排出する排出処理を行い、前記内面溝付管の内面を乾燥させる乾燥処理を行う。さらに、内面溝付管１１を加熱する加熱処理を行う。これにより、内面溝付管１１の内面に皮膜３が形成され、定着する。なお、前記加熱処理は温度３８０℃にて２０分程度で良い。

以下、本発明を実施例により説明する。
まず、リン脱酸銅（ＪＩＳ Ｈ３３００：Ｃ１２２０）からなる素管１２について、図３の製造装置を用いて、所望の内部形状をした内面溝付管１１を転造加工した。一部は、素管１２のままとした。それら内面溝付管１１あるいは素管１２の内面について、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準じた方法で表面粗さＲａを測定した。

さらに、一部の内面溝付管１１には、内面に所定の厚さｈの皮膜３を施した。まず、内面溝付管１１の内面に皮膜３を形成するための撥油加工剤を充填する充填処理を行った。次いで、内面溝付管１１を温度４５０℃にて２時間の加熱処理をして油分、水分を除去した。そして内面溝付管１１に撥油加工剤を所定の時間、充填し、排出した。さらに、内面溝付管１１の内面を乾燥させ、温度３８０℃にて２０分の加熱処理を行った。

これらの内面溝付管１１及び素管１２について、二酸化炭素冷媒を用いた熱サイクル装置によって、放熱性能と蒸発性能について評価した。なお冷凍機濃度は、冷凍機油重量を冷媒重量＋冷凍機油重量で除した値を用いた。

放熱性能測定については、図４のように構成された放熱性能測定装置４０を用いた。図４の性能測定部４１は二重管構造となっており、外側の管に水を流し、内側の管に内面溝付管１１及び素管１２を配置して、放熱性能を評価した。また冷凍機油濃度は図４の冷凍機濃度測定部４２にて測定した。その他の条件は、冷媒圧力１０ＭＰａ、質量流速１０００ｋｇ／ｍ^２・Ｋ、熱流束２５ｋＷ／ｍ^２、冷媒温度１５〜７５℃、伝熱有効長さ３５０ｍｍとした。性能の比較は、皮膜３を有しない素管１２である比較例１１の性能を１００として、その他の内面溝付管１１の性能との比で評価した。表１に結果を示す。

蒸発性能測定については、図５のように構成された蒸発性能測定装置５０を用いて測定を行った。図５の性能測定部５１は二重管構造となっており、外側の管に水を流し、内側の管に内面溝付管１１及び素管１２を配置して、蒸発性能を評価した。また冷凍機油濃度は図５の冷凍機濃度測定部５２にて測定した。その他の条件は、冷媒飽和温度７．５℃、入口乾き度０．２、出口過熱度５．０℃、伝熱有効長さ４０００ｍｍとした。性能の比較は、皮膜３を有しない内面溝付管１１において、冷凍機油濃度の低い比較例１５の性能を１００として、その他の内面溝付管１１の性能との比で評価した。表２に結果を示す。

表１において、本発明例１及び本発明例３は皮膜３を有するため、管内面の形状及び冷凍機油濃度がほぼ同等である比較例１２と比べて、伝熱性能が優れていた。同様に、本発明例２、本発明例４乃至６は、皮膜３を有するため、管内面の形状及び冷凍機油濃度がほぼ同等である比較例１３及び比較例１４と比べて、伝熱性能が優れていた。

また、表２において、本発明例７は皮膜３を有するため、管内面の形状及び冷凍機油濃度がほぼ同等である比較例１５及び比較例１７と比べて、伝熱性能が優れていた。同様に、本発明例８は皮膜３を有するため、管内面の形状及び冷凍機油濃度がほぼ同等である比較例１６と比べて、伝熱性能が優れていた。

以上に述べたように、本発明の内面溝付管及びその製造方法によれば、冷凍機油の濃度が高い場合でも伝熱性能が低下せず、撥油性皮膜と内面溝付管との密着性が良好なため、伝熱性能の優れた内面溝付管を製造することができる。本発明は、二酸化炭素冷媒を用いた場合について記載したが、冷媒は二酸化炭素に限定されず、冷凍機油を用いる熱交換器であれば、本発明の内面溝付管及びその製造方法を用いることで効果が得られる。

１ フィン
２ 溝
３ 皮膜
１０ 溝付加工装置
１１ 内面溝付管
１２ 素管
２０ プラグ
２１ フローティングプラグ
２２ 溝付プラグ
２３ 取付ピン
２４ プラグロッド
２５ ダイス
２６ ボール
３１ 加工ヘッド
３２ ストッパ
４０ 放熱性能測定装置
４１ 性能測定部
４２ 冷凍機濃度測定部
５０ 蒸発性能測定装置
５１ 性能測定部
５２ 冷凍機濃度測定部
Ｈ フィンの高さ
ｈ 皮膜厚さ
ｔ 肉厚
Ｄ 外径
α フィン頂角
β リード角

Claims (4)

1. 管内面にフィンが形成されている内面溝付管において、冷凍機油の油膜を形成することを防止するための皮膜が前記管内面に形成されている内面溝付管。
2. 請求項１に記載の内面溝付管であって、
   前記皮膜の厚さが１〜２００μｍであることを特徴とする内面溝付管。
3. 請求項１または２に記載の内面溝付管であって、
   前記内面溝付管の管内面の表面粗さＲａが１〜５０μｍであることを特徴とする内面溝付管。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の内面溝付管を製造する方法であって、
   素管内面に螺旋溝を転造する転造処理と、
   前記内面溝付管の内面に皮膜を形成するための撥油加工剤を充填する充填処理と、
   前記撥油加工剤を排出する排出処理と、
   前記内面溝付管の内面を乾燥させる乾燥処理と、
   前記内面溝付管を加熱する加熱処理を、
   この順で行うことを特徴とする内面溝付管の製造方法。

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