JP2013096651A

JP2013096651A - 内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器及びその製造方法

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Publication number: JP2013096651A
Application number: JP2011240317A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Murayama; 智子村山; Masaru Horiguchi; 賢堀口
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】細径化及び伝熱性能の向上を図った内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管１１の内面にフィン１２を有し、積層された複数の板状フィン３１に貫通形成された貫通孔３２に挿入されると共に拡管されて取り付けられる熱交換器用の内面溝付伝熱管１０において、伝熱管１１の外径Ｄ_oが２．８ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、フィン１２のねじれ角βが０度以上８度以下、拡管前のフィン高さＨｆ₁が０．１６ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であり、且つ、フィン１２の条数Ｎが４０以下であるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器及びその製造方法に関するものである。

従来、熱交換器用の伝熱管には、伝熱管の内面に螺旋状の溝を形成して熱伝達効率を向上させた内面溝付伝熱管が使用されてきた。更に熱伝達効率を向上させるために、溝のねじれ角を大きくする手段が採用されている。

特開２０１０−７８２８９号公報

しかし、高ねじれ角を採用した場合、生産速度が低下してしまう。また、伝熱管の軽量化や伝熱性能（凝縮性能及び蒸発性能）の向上が求められている。

そこで、本発明の目的は、前述のような課題を解決するためになされたものであり、細径化及び伝熱性能の向上を図った内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器及びその製造方法を提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、伝熱管の内面にフィンを有し、積層された複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入されると共に拡管されて取り付けられる熱交換器用の内面溝付伝熱管において、前記伝熱管の外径が２．８ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、前記フィンのねじれ角が０度以上８度以下、拡管前のフィン高さが０．１６ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であり、且つ、前記フィンの条数が４０以下である内面溝付伝熱管である。

前記フィンの先端フィン幅と最大フィン幅の比が１．２３以上であると良い。

また、本発明は、積層された複数の板状フィンと、伝熱管の内面にフィンを有し、前記複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入されると共に拡管されて取り付けられた内面溝付伝熱管とを備える熱交換器において、拡管後の前記内面溝付伝熱管は、前記フィンの少なくとも６０％以上が先端潰れを有する熱交換器である。

前記内面溝付伝熱管内には、５質量％以下の冷凍機油を含有する冷媒が流されると良い。

前記内面溝付伝熱管は、平面視で六角形状に配置されると良い。

前記六角形の中心に、凸部若しくは切り起こし部が形成されると良い。

また、本発明は、伝熱管の内面にフィンを有する内面溝付伝熱管を、積層された複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入し、その後拡管する熱交換器の製造方法において、前記内面溝付伝熱管を拡管するとき、拡管前のフィン高さに対して比が０．８５以下の際に想定されるマンドレル幅で拡管することを特徴とする熱交換器の製造方法である。

本発明によれば、細径化及び伝熱性能の向上を図った内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器及びその製造方法を提供することができる。

本発明の内面溝付伝熱管を示す横断面図である。本発明の内面溝付伝熱管を示す縦断面図である。本発明の熱交換器を示す図である。本発明の熱交換器に用いられる板状フィンを示す図である。本発明の熱交換器に用いられる板状フィン部品を示す図である。本発明の熱交換器の製造方法を説明する図である。本発明の熱交換器の適用例を示す図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る内面溝付伝熱管を示す横断面図であり、図２は、その縦断面図である。

図１，２に示すように、本実施の形態に係る内面溝付伝熱管１０は、伝熱管１１の内面にフィン１２を有し、積層された（所定の間隔で並べて配置された）複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入されると共に拡管されて取り付けられる熱交換器用の内面溝付伝熱管であり、伝熱管１１の外径Ｄ_oが２．８ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、フィン１２のねじれ角βが０度以上８度以下、拡管前のフィン高さＨｆ₁が０．１６ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であり、且つ、フィン１２の条数Ｎが４０以下であることを特徴とする。

伝熱管１１は、外径Ｄ_o、最小内径Ｄ_iの円形管であり、銅、銅合金、アルミニウム、若しくは、アルミニウム合金で形成される。伝熱管１１の内面には溝１３が形成されており、この溝１３によりフィン１２が形成される。

ねじれ角βとは、伝熱管１１の内面における管軸線Ｏに平行な直線と溝１３のなす角のことである。ねじれ角βは、好ましくは０度以上５度以下であり、より好ましくは０度以上３度以下である。溝１３は、ねじれ角βが０度以外のときは螺旋溝となる。

フィン高さＨｆ₁とは、拡管前の溝１３からのフィン１２の高さのことであり、条数Ｎとは、内面溝付伝熱管１０の横断面から観察したフィン１２の数のことである。

更に、フィン１２の最も細い箇所の幅と広い箇所の幅、即ち、先端フィン幅と最大フィン幅の比が１．２３以上であることが望ましい。

以下、前述の数値限定の根拠について述べる。

（１）外径Ｄ_o：２．８ｍｍ以上５．０ｍｍ以下
軽量化、サイズダウン、騒音などの観点から、熱交換器に今後求められてくる外径の要求に基づくものである。

本発明では、この範囲の外径Ｄ_oを用いつつ、伝熱性能、加工工数などを良好にするために、以下の数値限定とした。

（２）ねじれ角β：０度以上８度以下
前述した通り、従来の技術ではねじれ角βを高くすることで伝熱性能を向上させてきた。

しかし、本発明者らは、細径の伝熱管を用いた場合、ねじれ角βを高くすることは、必ずしも伝熱性能を向上させることにはならないことを知得した。

このため、ねじれ角βを前述の範囲に抑制する構造とした。ねじれ角βを抑えることは、圧力損失を抑えることにも寄与する。圧力損失は、小さい方が好ましい。直接的な熱伝達率が良くても、正味の性能は低下してしまうからである。

（３）拡管前のフィン高さＨｆ₁：０．１６ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下
伝熱管１１において、フィン高さＨｆ₁が高いほど、流体との接触面積が大きくなるため、熱伝達率が高くなる。

しかしながら、フィン高さＨｆ₁が高すぎると、熱伝達率の増加量よりも、圧力損失の増加量の方が大きくなってしまうため、結果として、正味の性能は低下してしまう。

そこで、フィン高さＨｆ₁は通常、熱伝達率の値と許容される圧力損失の値から決定される。即ち、伝熱管１１が細径であれば、管径に対するフィン高さＨｆ₁の比が大きくなってしまい、圧力損失が増加するために、通常、フィン高さＨｆ₁を抑制すると考えられる。

詳細は後述するが、本実施の形態においては、拡管処理にてフィン１２の先端を潰すことで、熱交換器として使用される際に、伝熱性能を最も高くするものとした。なお、拡管前のフィン高さをＨｆ₁とし、拡管後のフィン高さをＨｆ₂とする。

（４）フィン１２の条数Ｎ：４０以下
前述したフィン高さＨｆ₁とした場合には、フィン潰れが生じない場合と比較して、若干圧力損失が増加する。

よって、条数Ｎを従来のものより少なくすることで、圧力損失の増加を抑制することができる。

（５）フィン幅比（先端フィン幅と最大フィン幅の比）：１．２３以上
先端フィン幅に対する最大フィン幅の比は、１．２３以上とすることが望ましい。

このような構成の内面溝付伝熱管１０によれば、細径化及び伝熱性能の向上を図ることができる。

次に、内面溝付伝熱管１０を用いた熱交換器とその製造方法を説明する。

図３に示すように、本実施の形態に係る熱交換器３０は、積層された複数の板状フィン３１と、複数の板状フィン３１に貫通形成された貫通孔３２に挿入されると共に拡管されて取り付けられた内面溝付伝熱管１０とを備えるものであり、拡管後の内面溝付伝熱管１０は、フィン１２の少なくとも６０％以上が先端潰れを有することを特徴とする。

即ち、本実施の形態に係る熱交換器３０は、前述した内面溝付伝熱管１０を有するものであり、内面溝付伝熱管１０を複数の板状フィン３１に貫通させる形で、若しくは、複数の板状フィン３１の貫通孔３２中に内面溝付伝熱管１０を挿入する形で形成されるものである。

図４に示すように、板状フィン３１は、板材であって、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などで形成される。板状フィン３１には、内面溝付伝熱管１０を板状フィン３１に直交する方向に貫通させ、平面視で六角形状に配置するための貫通孔３２が複数形成される。この貫通孔３２の内径は、内面溝付伝熱管１０の外径Ｄ_oよりも大きく形成される。

また、貫通孔３２の中心を結んで形成される仮想六角形４１の中心に、凸部４２若しくは切り起こし部４３が形成される。この凸部４２は流体通過用の孔となり、切り起こし部４３は小フィンとなる。

図５に示すように、板状フィン３１としては、板状フィン端部品５１と板状フィン中間部品５２を組み合わせてなるものを用いると良い。

この熱交換器３０を製造する際には、図６に示すように、先ず、複数の内面溝付伝熱管１０を所定の曲げピッチで、ヘアピン状に曲げ加工する。その後、曲げ加工した内面溝付伝熱管１０を、所定の間隔をおいて、板状フィン３１に挿入する。

次いで、この内面溝付伝熱管１０の内部に、拡管マンドレル（拡管用ボール）６１をロッド６２を用いて押し込む、若しくは拡管マンドレル６１を液圧により押し込む。これにより、内面溝付伝熱管１０を拡管し、各板状フィン３１に内面溝付伝熱管１０が固定される。

このとき、拡管前のフィン高さＨｆ₁に対して比が０．８５以下の際に想定されるマンドレル幅Ｗ_mで拡管すると良い。即ち、通常、最小内径Ｄ_i、拡管前のフィン高さＨｆ₁であれば、Ｗ_m＝Ｄ_i−２×Ｈｆ₁＋（拡管距離）の式をもとに、公差など、実質的な調整を加えて、マンドレル幅Ｗ_mを規定するが、本実施の形態においては、Ｄ_i−２×Ｈｆ₁×０．８５＋（拡管距離）＝Ｗ_mとなるように、マンドレル幅Ｗ_mを設定する。

これにより、フィン先端潰れを生成することができる。なお、許容される圧力損失に応じてフィン潰れ量を調整することが望ましく、フィン１２の少なくとも６０％以上が先端潰れを有すると良い。

次に、熱交換器３０の適用例を説明する。ここでは、熱交換器３０を空気調和機に適用した例を説明する。

図７に示すように、熱交換器３０を適用する空気調和機７０は、冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気又は水などを冷却する蒸発器７１と、その蒸発器７１から排出された冷媒を圧縮し、高温にして後段に供給する圧縮機７２と、圧縮機７２により供給された冷媒の熱により空気又は水などを加熱する凝縮器７３と、凝縮器７３から排出された冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器７１に供給する膨張弁７４とが順次配管７５によって接続されてなり、冷凍サイクルを形成する。

この空気調和機７０は、前述した内面溝付伝熱管１０が、蒸発器７１及び／又は凝縮器７３の熱交換部分に組み込まれたものであり、その内部には５質量％以下の冷凍機油を含有する冷媒が流される。

以上説明した本発明によれば、細径化及び伝熱性能の向上を図った内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を備えた熱交換器及びその製造方法を提供することができる。

なお、本実施の形態においては特に言及していないが、内面溝付伝熱管１０の挿入、拡管後にロウ付け、その他の手段にて接着し、信頼性を向上させても良い。

前述した最適条件を求めるべく、本発明者らは、以下に述べる実験を行った。

先ず、直径φ（ｍｍ）とねじれ角β（度）を変化させ、伝熱（蒸発）性能の変化を調べた。このとき、内面溝付伝熱管内に５％未満の潤滑油を含み、直径φ及びねじれ角β以外を同条件として実験した。表１に伝熱性能の関係を平滑管比で示す。

直径φ＝３．５ｍｍのとき、ねじれ角βが３度以下であっても良好な値を示している。

比較例群Ａ及びＢに関しては、ねじれ角βが小さい場合、平滑管より性能が悪くなっている。これは、潤滑油がフィンを形成する溝を塞ぐために、平滑管の伝熱性能よりも悪化していることを示している。当然であるが、平滑管よりも性能が落ちるようであれば、コスト、時間の面から加工する必要はない。

更に、拡管後のフィン高さＨｆ₂と条数Ｎについて検討した。

ここでは、質量流速が平均２６７ｋｇ／（ｍｍ²・ｓ）（±３０ｋｇ／（ｍｍ²・ｓ）の変動を許容）の条件で、外径φ＝３ｍｍの場合に、ねじれ角βを５度とした場合の性能へ寄与する各要素について、計測・算出した。なお、内径は略２．２ｍｍ（公差±０．３ｍｍ以内）である。また、拡管後のフィン高さＨｆ₂は、直線部分の断面内平均値をとったものである。

拡管後のフィン高さＨｆ₂が０．１４ｍｍの場合、条数Ｎが３０個（実施例３）、４０個（実施例４）のときは、熱伝達率が良好な値を保っている。しかし、条数Ｎが５０個（比較例３）のときは、圧力損失が実施例３，４と同様に増加する一方で、熱伝達率の減少幅が大きい。なお、拡管後のフィン高さＨｆ₂が０．１６ｍｍの場合も、略同様の結果が得られた。なお、表２では圧力損失の指標として、内径ｄ、管長さＬを加味した管摩擦係数を記載した。

また、これら実施例の内面溝付伝熱管について、その断面を拡大観察し、先端がフィンの中心から０．０２ｍｍ以上ずれていたフィンの数を数えた結果を表３に示す。

これらを踏まえて、フィン潰れについて検討したところ、条数Ｎの６０％以上が０．０２ｍｍ以上潰れていれば、良好な性能を示すことが分かった。フィン潰れが十分でない場合は、圧力損失は悪化しないが、熱伝達率の向上が望めないことが分かった。

作用については、フィンの根元を厚くしているのにもかかわらず（最小フィン幅に対する最大フィン幅の比が１．２３以上にもかかわらず）、フィンが潰れるほど拡管していると言うことは、管外の熱伝達材料と管の密着性が向上し、熱抵抗が下がっているため、熱伝達率が向上していると考えられる。管外の熱伝達材料については前述した板状フィンなどが挙げられる。

以上より、本発明によれば、細径化及び伝熱性能の向上を図った内面溝付伝熱管が得られることが分かる。

１０内面溝付伝熱管
１１伝熱管
１２フィン
１３溝
Ｄ_i 最小内径
Ｄ_o 外径
Ｈｆ₁ 拡管前のフィン高さ
Ｏ管軸線
β ねじれ角

Claims

伝熱管の内面にフィンを有し、積層された複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入されると共に拡管されて取り付けられる熱交換器用の内面溝付伝熱管において、
前記伝熱管の外径が２．８ｍｍ以上５．０ｍｍ以下、前記フィンのねじれ角が０度以上８度以下、拡管前のフィン高さが０．１６ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であり、且つ、前記フィンの条数が４０以下であることを特徴とする内面溝付伝熱管。
前記フィンの先端フィン幅と最大フィン幅の比が１．２３以上である請求項１に記載の内面溝付伝熱管。
積層された複数の板状フィンと、伝熱管の内面にフィンを有し、前記複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入されると共に拡管されて取り付けられた内面溝付伝熱管とを備える熱交換器において、
拡管後の前記内面溝付伝熱管は、前記フィンの少なくとも６０％以上が先端潰れを有することを特徴とする熱交換器。
前記内面溝付伝熱管内には、５質量％以下の冷凍機油を含有する冷媒が流される請求項３に記載の熱交換器。
前記内面溝付伝熱管は、平面視で六角形状に配置される請求項３又は４に記載の熱交換器。
前記六角形の中心に、凸部若しくは切り起こし部が形成される請求項５に記載の熱交換器。
伝熱管の内面にフィンを有する内面溝付伝熱管を、積層された複数の板状フィンに貫通形成された貫通孔に挿入し、その後拡管する熱交換器の製造方法において、
前記内面溝付伝熱管を拡管するとき、拡管前のフィン高さに対して比が０．８５以下の際に想定されるマンドレル幅で拡管することを特徴とする熱交換器の製造方法。