JP2011069523A - 冷媒用伝熱管、及びガスクーラ - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管内に混入する潤滑油が比較的に多い場合であっても、当該伝熱管を用いた熱交換器の伝熱性能を向上させることのできる冷媒用伝熱管、及び当該冷媒用伝熱管を備えるガスクーラを提供する。
【解決手段】本発明に係る冷媒用伝熱管２００は、内周面２０５ｂ及び外周面２０５ａを有する主管２０５と内周面２０５ｂに、主管２０５の管軸２２０に平行な方向に沿って設けられる複数のフィン２１０とを備え、主管２０５は、外径が３ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、複数のフィン２１０はそれぞれ、内周面２０５ｂから複数のフィン２１０の先端までのフィン高さＨＦが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であると共に、一のフィン２１０の先端と一のフィン２１０の隣りの他のフィン２１０の先端との間の距離Ｓが、フィン高さＨＦの０．５倍以上２倍以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒用伝熱管、及びガスクーラに関する。特に、本発明は、ヒートポンプ式熱交換器のガスクーラに用いられる冷媒用伝熱管、及び当該冷媒用伝熱管を用いたガスクーラに関する。

ヒートポンプとは、外部の大気、地下水、海水等の安価かつ豊富に存在する資源である熱源からの熱を、圧縮機（すなわち、コンプレッサ）を利用して移動させるシステムをいう。例えば、二酸化炭素を冷媒として用いたヒートポンプ式熱交換機器には、一般的に、熱交換器としてガスクーラ（放熱器）及び蒸発器（吸熱器）が用いられており、また、熱交換器に用いられる伝熱管としてガスクーラ用冷媒管及び蒸発器用冷媒管が用いられている。

また、例えば、二酸化炭素の冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機においては、ガスクーラは水熱交換器とも呼ばれ、ガスクーラ用冷媒管及び蒸発器用冷媒管に加えて、冷媒と熱交換する別の伝熱管（すなわち、ガスクーラ用水管）も用いられる。なお、ガスクーラ用冷媒管、蒸発器用冷媒管、及びガスクーラ用水管に要求される技術的な仕様は、各々異なる。

従来、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、フィンは、そのねじれ角θが０°＜θ≦３°とされていると共に、その長さ方向で複数に分断されている二酸化炭素用伝熱管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の二酸化炭素用伝熱管は上記のような構成を備えるので、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向上させることができる。

特開２００５−１８８７８９号公報

ここで、ガスクーラ用冷媒管としての伝熱管内を流れる二酸化炭素冷媒には、冷凍サイクルが備える圧縮機の潤滑材である潤滑油が混入する場合があり、この場合、伝熱管の熱交換が阻害される。これは、二酸化炭素冷媒と潤滑油との相溶性が悪いことに起因すると考えられる。二酸化炭素を冷媒に用いたヒートポンプ式熱交換器（例えば、給湯器、空調機等）においては、圧縮機の潤滑油として、通常、ポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）が用いられ、差圧給油方式で給油する。この場合、二酸化炭素を冷媒に用いているので、圧縮機の前後における圧力差（差圧）が大きく、給油の絶対量が増加しやすい。給油の絶対量の増加により、圧縮機の外部のサイクルに潤滑油が流れ出る場合が多くなる。したがって、二酸化炭素の冷媒中に潤滑油が混入すると共に、冷媒に混入する潤滑油の量が多くなりやすい。また、二酸化炭素を冷媒に用いたヒートポンプ式熱交換器では、圧縮機の差圧がおよそ５．５〜７．５ＭＰａ程度と高いので、二酸化炭素冷媒中に混入する潤滑油の濃度も高くなることがある。

そして、特許文献１に記載の二酸化炭素用伝熱管は、二酸化炭素冷媒中に潤滑油が混入すると、潤滑油により伝熱管内面のフィン間の溝が埋もれてしまうことにより、フィンによる伝熱面積の増大の寄与が相殺され、また、圧力損失が増加するので、二酸化炭素冷媒中の潤滑油の濃度が高いと熱交換効率の向上を図ることができない。また、当該伝熱管内を流れる二酸化炭素は、レイノルズ数Ｒｅが非常に大きく、伝熱管内面が平滑であっても既に乱流になっているので、内面に溝を付けることによって生じる乱流はほとんど意味をなさない。

したがって、本発明の目的は、伝熱管内に混入する潤滑油が比較的に多い場合であっても、当該伝熱管を用いた熱交換器の伝熱性能を向上させることのできる冷媒用伝熱管、及び当該冷媒用伝熱管を備えるガスクーラを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するため、内周面及び外周面を有する主管と内周面に、主管の管軸に平行な方向に沿って設けられる複数のフィンとを備え、主管は、外径が３ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、複数のフィンはそれぞれ、内周面から複数のフィンの先端までのフィン高さが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であると共に、一のフィンの先端と一のフィンの隣りの他のフィンの先端との間の距離が、フィン高さの０．５倍以上２倍以下である冷媒用伝熱管が提供される。

（２）また、上記冷媒用伝熱管は、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式熱交換器のガスクーラに用いることもできる。

（３）また、上記冷媒用伝熱管は、ガスクーラは、冷凍サイクルの圧縮機の潤滑油としてポリアルキレングリコール油を用いたヒートポンプ式熱交換器に用いることもできる。

（４）また、本発明は、上記目的を達成するため、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の冷媒用伝熱管を備えるガスクーラが提供される。

本発明に係る冷媒用伝熱管及びガスクーラによれば、伝熱管内に混入する潤滑油が比較的に多い場合であっても、当該伝熱管を用いた熱交換器の伝熱性能を向上させることのできる冷媒用伝熱管、及び当該冷媒用伝熱管を備えるガスクーラを提供できる。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の構成図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の横断面の部分拡大図である。

［実施の形態の要約］
内周面及び外周面を有する主管と前記内周面に複数のフィンを有する冷媒用伝熱管において、前記内周面は、前記主管の管軸に平行な方向に沿って前記複数のフィンを有し、前記主管は、外径が３ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、前記複数のフィンはそれぞれ、前記内周面から前記複数のフィンの先端までのフィン高さが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であると共に、一のフィンの先端と前記一のフィンの隣りの他のフィンの先端との間の距離が、前記フィン高さの０．５倍以上２倍以下である冷媒用伝熱管が提供される。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機の構成の概要を示す。

（ヒートポンプ式給湯機１の構成）
本実施の形態に係る冷媒用伝熱管２００は、自然冷媒を用いるヒートポンプ式給湯機１、ヒートポンプ式空調機等のヒートポンプ式熱交換器、ガスクーラ等に用いられる。なお、ガスクーラは、ヒートポンプ式熱交換器の放熱機であってもよい。

例えば、本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１は、自然冷媒として二酸化炭素を用いる。一例として、本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１は、圧縮機１１と、冷媒用伝熱管２００を有するガスクーラ（すなわち、水熱交換器）２０と、減圧器１３と、吸熱器（すなわち、蒸発器）４０とを備える。圧縮機１１、ガスクーラ２０、減圧器１３、及び吸熱器４０はそれぞれ、配管５０により接続されて冷凍サイクルを構成する。二酸化炭素は、この冷凍サイクル内に封入される。冷媒としての二酸化炭素は、ガスクーラ２０において配管５５を流れている水等との間で熱交換する。なお、ヒートポンプ式給湯機１の稼働中においては、圧縮機１０の吐出部からガスクーラ２０を経て減圧器３０の入口部までの領域は、冷媒が超臨界状態、すなわち、臨界圧力を超える状態になっている。更に、圧縮機１０の潤滑油としては、例えば、ポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用いることができる。

（ヒートポンプ式給湯機１の動作）
ヒートポンプ式給湯機１は次のように動作させることができる。まず、圧縮機１０は、二酸化炭素冷媒を圧縮する。例えば、圧縮機１０は、二酸化炭素の冷媒を圧縮して、約９ＭＰａの圧力の冷媒にする。そして、圧縮機１０により圧縮された二酸化炭素冷媒は、臨界圧力（すなわち、二酸化炭素の場合約７．４ＭＰａ）を超えた状態、つまり、超臨界状態で配管５０を通ってガスクーラ２０に導入される。

超臨界状態の二酸化炭素冷媒は液化せずに（すなわち、気液二相状態にならずに）、高温高圧の状態になる。そして、超臨界状態の二酸化炭素はガスクーラ２０において配管５５を流れている水等との間で熱交換する。すなわち、ガスクーラ２０は、超臨界状態の二酸化炭素の冷媒から水等に熱を放熱させることにより、熱交換を実施する。ガスクーラ２０から流出した二酸化炭素の冷媒は、減圧器３０において減圧されて低圧の気液二相状態になる。なお、減圧器３０において冷媒は、一例として、約３．５ＭＰａの圧力に減圧される。そして、気液二相状態になった冷媒は、吸熱器４０に流入する。気液二相状態になった二酸化炭素の冷媒は、吸熱器４０において、空気（大気）から吸熱して気相の単相状態、すなわち、ガス状態になって再び圧縮機１０に流入する。

上記のサイクルを繰り返すことにより、ガスクーラ２０における冷媒からの放熱による加熱作用、吸熱器４０における冷媒の急熱による冷却作用が繰り返される。なお、冷媒中には、圧縮機１０の潤滑油が０．２質量％以上混入していてもよい。

（冷媒用伝熱管の構成）
図２は、本発明の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の縦断面の概要を示す。また、図３は、本発明の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の横断面の部分拡大図を示す。

図２に示すように、本実施の形態に係る冷媒用伝熱管２００は、所定の熱伝導率、所定の機械的強度を有する金属材料からなり、外周面２０５ａ及び内周面２０５ｂを有する主管２０５と、主管２０５の管軸２２０に平行な方向に沿って内周面２０５ｂに設けられる複数のフィン２１０とを備える。主管２０５は、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等から形成することができる。フィン２１０を管軸２２０に平行な方向に沿って略直線状にすることにより、仮に、圧縮機１０の潤滑油が冷媒用伝熱管２００に混入したとしても、潤滑油の滞留を抑制することができる。

また、本実施の形態において主管２０５は、高圧状態の二酸化炭素の冷媒に対して十分な耐圧を確保することのできる肉厚（底肉厚）ＴＷを有すると共に、外径ＯＤが３ｍｍ以上６ｍｍ以下であることが好ましい。なお、図２におけるＩＤは内径を示す。なお、内径ＩＤ（ただし、最大内径であり、最大内径は、フィン高さＨＦを除いた内径、すなわち、凹部２１２を基準にした内径である）の最適範囲は、２．４ｍｍ以上４．８ｍｍ以下であることが好ましい。例えば、主管２０５の外径ＯＤが３ｍｍであり、ＴＷが０．３ｍｍの時に内径ＩＤは２．４ｍｍになり、外径ＯＤが６ｍｍであり、ＴＷが０．６ｍｍの時に内径は４．８ｍｍになる。また、図３に示すように、内周面２０５ｂには複数のフィン２１０が並んでおり、一のフィン２１０と一のフィン２１０の隣りの他のフィン２１０との間には凹部２１２が形成されている。そして、複数のフィン２１０はそれぞれ、内周面２０５ｂから複数のフィン２１０の先端までのフィン高さＨＦが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であると共に、一のフィン２１０の先端と一のフィン２１０の隣りの他のフィン２１０の先端との間の距離Ｓ（すなわち、間口）が、フィン高さＨＦの０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、ガスクーラ用の冷媒用伝熱管２００内に流入する圧縮機１０の潤滑油が比較的多い場合、例えば、冷媒量の０．２質量％以上、若しくは０．５質量％程度以上であっても、平滑管比で１．５倍以上に伝熱性能を向上させることができる冷媒用伝熱管２００と、冷媒用伝熱管２００を用いたガスクーラ２０と、当該ガスクーラ２０を用いたヒートポンプ式給湯機１とを提供することができる。なお、本実施の形態に係る冷媒用伝熱管２００を、ヒートポンプ式空調機等に適用することもできる。

表１に、実施例１〜３、及び比較例１に係る冷媒用伝熱管の使用を示す。実施例１〜３に係る冷媒用伝熱管は、表１に示す使用であることを除き、実施の形態において説明した冷媒用伝熱管と略同一の構成を備える。

比較例１に係る冷媒用伝熱管は、内周面に螺旋溝を形成した内面螺旋溝付き管である。通常、螺旋状の溝によって、冷媒の攪拌効果を活用できると共に、溝の存在による冷媒と溝の表面との接触面積を拡大する効果を有効に活用できる。しかしながら、ガスクーラ内を流れる冷媒のレイノルズ数は１０００００以上の乱流域であり、当該冷媒は、十分に攪拌された状態になっている。したがって、ガスクーラの内表面に設ける溝が螺旋状である必要はない。むしろ、螺旋状の溝に沿って圧縮機の潤滑油が溝の表面を覆い、かつ、螺旋状の溝が潤滑油の流れの抵抗になる。これにより、潤滑油がガスクーラ内に滞留する場合があり、斯かる場合、ガスクーラにおける伝熱性能が阻害される。また、比較例１においてはフィンの高さが高いことから圧力損失が増大するので、熱交換器の性能としては平滑管に比べて低下する。

一方、実施例１〜３に係る冷媒用伝熱管はいずれも、主管２０５の内周面２０５ｂに、管軸２２０方向に沿って略平行な直線状の複数のフィン２１０、及び各フィン２１０間の溝を有しているので、圧縮機の潤滑油は当該溝の底面を流れる。そして、各溝の底面は潤滑油によって覆われることから、実施例１〜３に係る冷媒用伝熱管の伝熱性能は平滑管の伝熱性能に比べて低下するものの、フィン２１０の上面が潤滑油によって覆われることがないので、複数のフィン２１０の存在による表面積の拡大の効果を有効に活用できる。例えば、実施例３に係る冷媒用伝熱管においては、複数のフィン２１０上面が表面積の拡大の効果に寄与しており、平滑管に対して４０％程度、伝熱性能を向上させることができる。

また、実施例１〜３に係る冷媒用伝熱管においては、フィン高さＨＦと、一のフィン２１０の先端と一のフィン２１０の隣りの他のフィン２１０の先端との間の距離Ｓとを略同程度にしたので、リブレットによる乱流摩擦抵抗の低減効果を見込むことができる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ ヒートポンプ式給湯器
１０ 圧縮機
２０ ガスクーラ
３０ 減圧器
４０ 吸熱器
５０、５５ 配管
２００ 冷媒用伝熱管
２０５ 主管
２０５ａ 外周面
２０５ｂ 内周面
２１０ フィン
２１２ 凹部
２２０ 管軸

Claims (4)

1. 内周面及び外周面を有する主管と
   前記内周面に、前記主管の管軸に平行な方向に沿って設けられる複数のフィンと
   を備え、
   前記主管は、外径が３ｍｍ以上６ｍｍ以下であり、
   前記複数のフィンはそれぞれ、前記内周面から前記複数のフィンの先端までのフィン高さが０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であると共に、一のフィンの先端と前記一のフィンの隣りの他のフィンの先端との間の距離が、前記フィン高さの０．５倍以上２倍以下である冷媒用伝熱管。
2. 冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式熱交換器のガスクーラに用いられる請求項１に記載の冷媒用伝熱管。
3. 前記ガスクーラは、冷凍サイクルの圧縮機の潤滑油としてポリアルキレングリコール油を用いた前記ヒートポンプ式熱交換器に用いられる請求項２に記載の冷媒用伝熱管。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管を備えるガスクーラ。

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