JP2012077917A - 内面溝付コルゲート管、及び熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を低く抑えつつ伝熱性能を向上させることのできる内面溝付コルゲート管、及び熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明に係る内面溝付コルゲート管１は、内周面１０ａ、及び外周面１０ｂを有する主管１０と、内周面１０ａに設けられる複数のフィン１２と、複数のフィン１２の間の複数の溝１４と、外周面１０ｂに設けられるコルゲート溝１６とを備え、コルゲート溝１６の深さをＨｃ、主管１０の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たし、複数のフィン１２の高さをＨｆ、主管１０の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たし、コルゲート溝１６のコルゲートピッチをＰｃとした場合に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤを満たす。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、内面溝付コルゲート管、及び熱交換器に関する。特に、本発明は、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機（以下、単に「ヒートポンプ給湯機」と称する場合もある）の水−冷媒熱交換器用伝熱管としての内面溝付コルゲート管、及び当該内面溝付コルゲート管を用いた熱交換器に関する。

従来、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機の熱交換器として、水が流通する外管と、冷媒が流通する内管との二重管からなる二重管式熱交換器が知られている。このような二重管式熱交換器の場合、冷媒が流通する内管に腐食による孔が開くと水と冷媒とが混合してしまうことから、水又は冷媒の漏洩を検知し、装置を停止させる漏洩検知部（つまり、漏洩検知溝を有する漏洩検知管）を設けることがある（なお、漏洩検知管を設けることによって、実質的に三重管構造になる。）。

一方、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機は、夜間に時間をかけてお湯を沸かす給湯機であり、水の流速が小さく、水の流れは層流となる。したがって、熱交換器としての性能を向上させるためには、水管の伝熱性能を向上させることを要する。なお、自然冷媒ヒートポンプ式給湯器とは、貯湯タンクユニットとヒートポンプユニットとから構成され、自然冷媒であるＣＯ_２をヒートポンプユニットにおける熱移動媒体として、貯湯タンクユニットの水と熱交換する装置である。

伝熱性能の向上を目的とした熱交換器としては、コルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たし、コルゲート溝と管軸とのなす角をねじれ角βｃとした場合に、βｃ≧４０゜を満たし、内面溝のフィン高さをＨｆ、管の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たす内面溝付コルゲート管と、内面溝付コルゲート管の外側に配置される外管とを備える熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に記載の熱交換器によれば、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機のような水の流速が小さい使用形態においても熱交換器の伝熱性能を向上させることができる熱交換器用伝熱管、及び当該熱交換器用伝熱管を用いた熱交換器を得ることができる。

特開２００９−１７４８３３号公報

ここで、２００６年から改正省エネ法（エネルギーの使用の合理化に関する法律）が施行され、ＣＯＰに代わる省エネの基準値としてＡＰＦが採用された。この法改正により、従来のヒートポンプのみの効率評価から、貯湯ユニットを含むシステム全体の効率評価へと評価基準が変わった。

これにより、貯湯ユニット側の消費電力も低減させることで、ＡＰＦを向上させるニーズが高まっている。具体的には、水管の圧力損失を低減させることで、ポンプ動力の省エネになる。そして、省エネを実現すべく、水管の更なる高性能化、及び低圧力損失化が求められている。

したがって、本発明の目的は、圧力損失を低く抑えつつ伝熱性能を向上させることのできる内面溝付コルゲート管、及び熱交換器を提供することにある。

（１）本発明は、上記課題を解決することを目的として、内周面、及び外周面を有する主管と、内周面に設けられる複数のフィンと、複数のフィンの間の複数の溝と、外周面に設けられるコルゲート溝とを備え、コルゲート溝の深さをＨｃ、主管の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たし、複数のフィンの高さをＨｆ、主管の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たし、コルゲート溝のコルゲートピッチをＰｃとした場合に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤを満たす内面溝付コルゲート管が提供される。

（２）また、上記内面溝付コルゲート管において、Ｐｃ／ＩＤが、１．１≦Ｐｃ／ＩＤ≦２．０を満たしてもよい。

（３）また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記（１）又は（２）に記載の内面溝付コルゲート管を備える熱交換器が提供される。

本発明に係る内面溝付コルゲート管、及び熱交換器によれば、圧力損失を低く抑えつつ伝熱性能を向上させることのできる内面溝付コルゲート管、及び熱交換器を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管の構造の概要図である。 （ａ）は図１ＡのＢ−Ｂにおける断面の一部の図であり、（ｂ）は図１ＡのＡ部分の部分拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要図である。 本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要図である。 本発明の第６の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要図である。 レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、内面溝付コルゲート管のＰｃ／ＩＤと無次元化熱伝達率との関係（比較例１に対する無次元化熱伝達率比）を示す図である。 レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、コルゲート管のＰｃ／ＩＤと圧力損失との関係（比較例１に対する管摩擦係数比）を示す図である。 レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、Ｐｃ／ＩＤと（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）との関係を示す図である。

（実施の形態の要約）
内面溝付コルゲート管は、熱交換器を構成する水管として用いられる内面溝付コルゲート管であって、内周面、及び外周面を有する主管と、前記内周面に設けられる複数のフィンと、前記複数のフィンの間の複数の溝と、前記外周面に設けられるコルゲート溝とを備え、前記コルゲート溝の深さをＨｃ、前記主管の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たし、前記複数のフィンの高さをＨｆ、前記主管の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たし、前記コルゲート溝のコルゲートピッチをＰｃとした場合に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤを満たす内面溝付コルゲート管である。

［第１の実施の形態］
（内面溝付コルゲート管１の構成）
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管の構造の概要を示し、図１Ｂの（ａ）は、図１ＡのＢ−Ｂにおける断面の一部を示し、図１Ｂの（ｂ）は、図１ＡのＡ部分の部分拡大断面図を示す。

第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１は、例えば、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器に用いられる伝熱管としての内面溝付コルゲート管である。内面溝付コルゲート管１は、主管１０の内周面１０ａに複数の螺旋状の溝１４を有すると共に、主管２０の外周面１０ｂに螺旋状のコルゲート溝１６を有し、コルゲート溝１６が設けられている外周面１０ｂの位置に対応する主管１０の内周面１０ａに凸部１６ａを有する。

具体的に内面溝付コルゲート管１は、所定の熱伝導率、所定の機械的強度を有する金属材料を用いて構成され、内周面１０ａ及び外周面１０ｂを有する主管１０と、主管１０の管軸１００に対し、所定の角度（すなわち、内面溝ネジレ角）を有して内周面１０ａに設けられる複数のフィン１２と、複数のフィン１２の間に設けられる複数の溝１４と、主管１０の外周面１０ｂに設けられるコルゲート溝１６とを備える。なお、主管１０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。

ここで、内面溝付コルゲート管１は、コルゲート溝１６の深さをＨｃ、主管１０の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たすと共に、複数のフィン１２の高さをＨｆ、主管１０の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たす。また、内面溝付コルゲート管１は、コルゲート溝１６のコルゲートピッチをＰｃとした場合に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤを満たす。なお、Ｐｃ／ＩＤは、１．１≦Ｐｃ／ＩＤ≦２．０を満たすことが好ましい。

ここで、図１Ａ及び図１Ｂにおいて、「Ｔｗ」は主管１０の端部の平滑部分における肉厚である（以下、この領域を「端末平滑部」と称する。）。したがって、主管１０の外径「ＯＤ」は、主管１０の最大内径「ＩＤ」と、主管１０の断面における端末平滑部の肉厚「Ｔｗ」を２倍して算出される値との加算値に等しくなる。よって、ＩＤはＩＤ＝（ＯＤ−２×Ｔｗ）で定義することができる。なお、内面溝付コルゲート管１の端末平滑部の肉厚Ｔｗは、例えば、０．４ｍｍ≦Ｔｗ≦１．７ｍｍである。

また、内面溝付コルゲート管１のコルゲート溝１６と管軸１００とのなす角をねじれ角βｃとする。なお、上述の内面溝付コルゲート管１の定義から、ねじれ角βｃは、０°≦βｃ＜９０°の範囲である。ねじれ角βｃの範囲は、好ましくは４０°≦βｃ≦８２°である。これにより、コルゲート溝１６の凸部１６ａを乗り越えた流体の乱流化を促進することができる。

（内面溝付コルゲート管１の製造方法）
第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１の製造方法の一例としては、主管１０の内周面１０ａに螺旋状の連続溝を形成した後、コルゲート加工を主管１０の外周面１０ｂに施す方法が挙げられる。

具体的には、まず、連続した螺旋状の複数の溝を有するプラグを主管１０に挿入する。そして、プラグが挿入された主管１０からプラグを引き抜く引抜き加工を主管１０に施しつつ、プラグを挿入した部分に主管１０の外側から連続的に荷重を加え、プラグ形状を主管１０の内面に転造して内面溝（つまり、溝１４）を形成する。次に、主管１０の長手方向に主管１０を等速度で移動させながら外周面１０ｂに対し、円盤状のディスクで押し込みコルゲート加工を施すことによりコルゲート溝１６を形成する。このような加工方法によると、コルゲート加工が施された主管１０の外周面１０ｂは湾曲の少ない平滑面とみなすことができる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１は、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤと、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７と、１．１≦Ｐｃ／ＩＤとを満たすので、内面溝付コルゲート管１における圧損を大幅に低減させることができ、これにより（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）を大幅に向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要を示す。

第２の実施の形態に係る熱交換器２（つまり、二重管式熱交換器）は、第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１を内管として、内管を覆う外側に外管２０を備える。そして、内面溝付コルゲート管１の外表面と外管２０の内表面との間に、冷媒が流れる環状路が設けられる。

［第３の実施の形態］
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要を示す。

第３の実施の形態に係る熱交換器３（つまり、三重管式熱交換器）は、第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１を内管として、内管の外側に漏洩検知部（つまり、漏洩検知溝３２）が形成されるように、平滑管からなる漏洩検知管３０が内管を覆う外側に配置される。また、漏洩検知管３０を覆う外側に外管２０が配置され、漏洩検知管３０と外管２０との間に、冷媒が流れる環状路が設けられる。

［第４の実施の形態］
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要を示す。

第４の実施の形態に係る熱交換器４は、第２の実施の形態に係る熱交換器２とは、コルゲート外管の形状が異なる点を除き、第２の実施の形態に係る熱交換器２と略同一の構成及び機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

熱交換器４が備えるコルゲート外管４０は、コルゲート溝４２を外表面に有する。したがって、コルゲート外管４０の可撓性を向上させることができる。

［第５の実施の形態］
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要を示す。

第５の実施の形態に係る熱交換器５は、第３の実施の形態に係る熱交換器３とは、コルゲート外管の形状が異なる点を除き、第３の実施の形態に係る熱交換器３と略同一の構成及び機能を備える。よって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

熱交換器５が備えるコルゲート外管５０は、コルゲート溝５２を外表面に有する。したがって、コルゲート外管５０の可撓性を向上させることができる。

［第６の実施の形態］
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る熱交換器の構成の概要を示す。

第６の実施の形態に係る熱交換器６は、第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１の外周面１０ｂに設けられているコルゲート溝１６に沿って、冷媒流通用の螺旋状伝熱管６０が巻き付けられて構成される。なお、必要に応じて、コルゲート溝１６と螺旋状伝熱管６０とをロウ付け等で固着することもできる。

熱交換器６においては、内面溝付コルゲート管１の内を流れる水と、内面溝付コルゲート管１の外周に接触する螺旋状伝熱管６０の内を流れる冷媒との間で熱が交換される。コルゲート溝１６に沿って螺旋状伝熱管６０を巻き付けることで、第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１が奏する効果に加え、内面溝付コルゲート管１と螺旋状伝熱管６０との有効接触面積（つまり、有効伝熱面積）を増大させることができる。

以上のように、第１の実施の形態に係る内面溝付コルゲート管１乃至第６の実施の形態に係る熱交換器によれば、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器において、同等の圧力損失のまま、伝熱性能を向上させることができる。

実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２に係る内面溝付コルゲート管を作製した。実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２に係る内面溝付コルゲート管の構成を表１に示す。

実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２に係る伝熱管のいずれも、主管の材質としてリン脱酸銅を用いた。そして、比較例１〜２及び実施例１〜２は全て、主管の外径（ＯＤ）を１２．７ｍｍにした。なお、比較例１は内面溝が設けられていないコルゲート管であり、比較例２及び実施例１〜２は同形状の内面溝を有する一方で、コルゲートピッチＰｃが異なる内面溝付コルゲート管である。

ここで、伝熱性能を評価するために一般的によく用いられている無次元化熱伝達率で各内面溝付コルゲート管の特性を評価した。すなわち、無次元化熱伝達率は流体の物性の影響を相殺するために、ヌセルト数Ｎｕをプラントル数Ｐｒの０．４乗で除したものと定義される（無次元化熱伝達率ａ：Ｎｕ／Ｐｒ^０．４）。

またＮｕは、管内熱伝達率をα_ｉ、円管の相当直径をＤ_ｅ、水の熱伝導率をλとすると、１／α_ｉ＝Ｄ_ｅ／Ｎｕ・λで定義され、伝熱性能の指標として用いられる。更に、ヌセルト数Ｎｕ及びプラントル数Ｐｒは管内を流れる水の質量流量、温度変化、及び圧力により決定される無次元数である。実施例では、この無次元化熱伝達率ａを評価に用いた。すなわち、比較例１の内面溝が設けられていないコルゲート管の無次元化熱伝達率ａに対する比較例２及び実施例１〜２の無次元化熱伝達率ａの比を性能の指標とした。同様にして、比較例の圧力損失に対する実施例の圧力損失の比を圧力損失の指標とした。

（実施例及び比較例に係るコルゲート管の無次元化熱伝達率と圧力損失の評価）
図７は、レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、内面溝付コルゲート管のＰｃ／ＩＤと無次元化熱伝達率との関係（比較例１に対する無次元化熱伝達率比）を示す。

すなわち、レイノルズ数Ｒｅが５０００のとき、横軸に比較例２及び実施例１〜２の内面溝付コルゲート管のＰｃ／ＩＤ、縦軸に比較例２及び実施例１〜２の、比較例１の内面溝が設けられていないコルゲート管に対する無次元化熱伝達率比を示す。ここで、レイノルズ数Ｒｅを５０００に設定した理由は、実際に内面溝付コルゲート管が熱交換器に用いられる際には、レイノルズ数Ｒｅが１０００程度から９０００程度まで連続的に変化するので、実施例においては中間値であるレイノルズ数Ｒｅを５０００とした。

図８は、レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、コルゲート管のＰｃ／ＩＤと圧力損失との関係（比較例１に対する管摩擦係数比）を示す。

すなわち、レイノルズ数Ｒｅが５０００のとき、横軸に比較例２及び実施例１〜２の内面溝付コルゲート管のＰｃ／ＩＤ、縦軸に比較例２及び実施例１〜２の、比較例１の内面溝が設けられていないコルゲート管に対する圧力損失比を示す。ここで、圧力損失は図１Ａに示される内面溝付コルゲート管１の両端部において差圧計を用いて測定することができる。

図７から明らかなように、Ｐｃ／ＩＤが増加するにつれて無次元化熱伝達率比は減少している。これは、単位長さあたりのコルゲート数が減少することにより、内面溝付コルゲート管の内面におけるコルゲート溝による水流に対する撹拌効果が薄れるためである。

また、図８では、図７と同様にＰｃ／ＩＤが増加するにつれて圧力損失比も減少している。これは、単位長さあたりのコルゲート数減少により表面粗さも減少するためである。ここで、管摩擦係数とは、ΔＰ＝λ×Ｌ／ｄｅ×（ρ×ｖ２）／２の関係式で規定される無次元数λであり、その大きさは管内面の表面粗さに起因する。なお、ΔＰは伝熱管の圧力損失、Ｌは伝熱管長さ、ｄｅは伝熱管の相当直径（４×流路面積／濡れ縁長さ）、ρは流体の密度、ｖは流体の流速である。

図９は、レイノルズ数Ｒｅが５０００のときの、Ｐｃ／ＩＤと（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）との関係を示す。

図９から明らかなように、Ｐｃ／ＩＤ≧１．１のときに、実施例に係る内面溝付コルゲート管の（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）は１００％を超えている。したがって、比較例１に対して実施例に係る内面溝付コルゲート管の性能が優れていることが分かる。更に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤ≦２．０においては、実施例に係る内面溝付コルゲート管の無次元化熱伝達率比も１００％以上となり、実際に熱交換器として使用する際にはより望ましいといえる。

実施例１及び実施例２において、コルゲートピッチＰｃが大きくなった場合に（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）が１００％を超える理由について以下に説明する。

まず、内面溝付コルゲート管の伝熱促進効果は、主管内を流れる水がコルゲートによる主管内の凸部を乗り越えて乱流化し、内周面の溝により表面積が増加したコルゲート溝で挟まれる領域（複数の凸部の間）に接触することに起因する。この伝熱促進効果は、コルゲートピッチＰｃが大きくなるほど、つまり、内面溝付コルゲート管の単位長さあたりの圧力損失が小さくなるにしたがいコルゲート溝で挟まれる領域の粘性底層が増加して、フィン高さ方向の有効伝熱面積は減少することにより減少する。

一方、コルゲート溝で挟まれる領域の面積が増加すると、コルゲート溝１６によって生じる主管の内側の凸部を水が乗り越えて乱流化した後に、当該水が接触する水流方向の有効伝熱面積は増加する。

これにより、本実施例においては、コルゲートピッチＰｃが大きくなった場合でも、粘性底層の増加によるフィンの高さ方向の有効伝熱面積の減少分を、水流方向の有効伝熱面積の増大によりカバーできるため、圧力損失比の低下に比べて無次元化熱伝達率比は大きく低下しなかった。したがって、本実施例においては、コルゲートピッチＰｃが大きくなった場合に（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）を向上させることができる。

更に、発明者らは、３０００≦Ｒｅ≦７０００においてもＰｃ／ＩＤ≧１．１のときに、（無次元化熱伝達率比／圧力損失比）が比較例１を上回ることを確認している。

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 内面溝付コルゲート管
２、３、４、５、６ 熱交換器
１０ 主管
１０ａ 内周面
１０ｂ 外周面
１２ フィン
１４ 溝
１６ コルゲート溝
１６ａ 凸部
２０ 外管
３０ 漏洩検知管
３２ 漏洩検知溝
４０ コルゲート外管
４２ コルゲート溝
５０ コルゲート外管
５２ コルゲート溝
６０ 螺旋状伝熱管
１００ 管軸

Claims (3)

1. 内周面、及び外周面を有する主管と、
   前記内周面に設けられる複数のフィンと、
   前記複数のフィンの間の複数の溝と、
   前記外周面に設けられるコルゲート溝と
   を備え、
   前記コルゲート溝の深さをＨｃ、前記主管の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たし、
   前記複数のフィンの高さをＨｆ、前記主管の最大内径をＩＤとした場合に、０．０２２｛３０．７×（Ｈｃ／ＯＤ）＋１．１３｝＾（−０．５）≦Ｈｆ／ＩＤ≦０．０３７を満たし、
   前記コルゲート溝のコルゲートピッチをＰｃとした場合に、１．１≦Ｐｃ／ＩＤを満たす内面溝付コルゲート管。
2. 前記Ｐｃ／ＩＤが、１．１≦Ｐｃ／ＩＤ≦２．０を満たす請求項１に記載の内面溝付コルゲート管。
3. 請求項１又は２に記載の内面溝付コルゲート管を備える熱交換器。

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