JP2018091552A - 内面溝付管 - Google Patents

Abstract

【課題】機械拡管加工が可能であり、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率を向上させることができる内面溝付管を提供する。【解決手段】内面溝付管１は、アルミニウム材からなり、その内表面に多数の溝１１が設けられている。内面溝付管１は、管軸方向と平行な方向に延び、隣り合う溝１１を区画するフィン２と、溝１１の底部１１１から内面溝付管１の内側へ突出し、管軸方向と平行な方向に延びる突条部３とを有している。フィン２の高さをＨf［ｍｍ］、突条部３の高さをＨp［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における突条部３の根元の幅をＷp［ｍｍ］としたときに、これらの値は下記の（１）式〜（２）式の関係を満足している。０．０４≦Ｈp≦Ｈf−０．０６ ・・・（１）０．０４≦Ｗp≦０．０８ ・・・（２）【選択図】図１

Description

本発明は、内面溝付管に関する。

冷凍機器や空調機器等に組み込まれる蒸発器や凝縮器等の熱交換器は、内部に冷媒を流通させる伝熱管を有している。この種の伝熱管として、管の内表面に多数の溝を備えた内面溝付管がある。管の内表面に設けられた溝は、管内部の表面積を増加させる、冷媒を攪拌する、毛細管現象により管の内表面に液膜を保持しやすくする等の効果を奏する。内面溝付管は、これらの効果により、管内部の冷媒を効率よく蒸発または凝縮させることができる。

従来、内面溝付管としては、転造加工によって内表面にらせん状の溝が設けられた銅管が多用されている（例えば、特許文献１）。しかし、近年では、銅製の内面溝付管に替えて、素材コストが銅に比べて低く、リサイクルが容易なアルミニウム材（アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。以下同じ。）からなる内面溝付管の需要が増加しつつある。

アルミニウム材からなる内面溝付管は、銅に比べて転造加工性が低いため、転造加工により管の内面にらせん状の溝を形成することが難しい。そのため、押出加工によって管軸方向に平行な方向に延びる溝を形成することが一般的である。このようなアルミニウム材からなる内面溝付管の例として、例えば特許文献２には、管軸方向に延びる３条以上の拡管用フィンと、隣り合う拡管用フィンの間に配置され、拡管用フィンよりも高さが低い放熱フィンとを有する内面溝付管が開示されている。この内面溝付管は、熱交換器の組み立て作業において、管内部に拡管プラグを挿入して管の外径を機械的に押し広げる機械拡管加工を行う際に、拡管プラグによる押圧力を拡管用フィンで受け、放熱フィンの変形を回避しつつ管の外径を拡大させることを図っている。

特開２００７−１２０７８７号公報 特開２００１−２８９５８５号公報

内面溝付管の内表面に設けられた溝の内側の空間は、気体状の冷媒が管の内表面と接触した際に、凝縮した冷媒を保持するスペースとなる。フィンの高さや肉厚が大きい場合には、溝の本数や個々の溝の内側空間の断面積（以下、単に「溝の断面積」ということがある。）が小さくなる。そして、溝の断面積の総和である液溜面積が小さくなると、溝の内側空間に保持可能な冷媒の量が少なくなる。その結果、冷媒の凝縮が抑制され、凝縮熱伝達率、即ち冷媒が凝縮する際の熱伝達率の低下を招くおそれがある。また、この場合には、管内部の冷媒流路の断面積が小さくなるため、冷媒が通過する際の圧力損失の増大を招くおそれもある。

一方、フィンの高さや肉厚が小さい場合には、内面溝付管の濡れ縁の長さ、即ち管軸方向に垂直な断面における管の内表面の長さが小さくなるため、管の内表面に接触する液状の冷媒の量が少なくなる。これにより、冷媒の蒸発が抑制されるため、蒸発熱伝達率、即ち冷媒が蒸発する際の熱伝達率の低下を招くおそれがある。

このように、従来の内面溝付管においては、圧力損失の増大を抑制しつつ、凝縮熱伝達率と蒸発熱伝達率との両方を向上させることには限界があった。

また、特許文献２の内面溝付管においては、上述したように、機械拡管加工の際、管内に挿入した拡管ロッドによる押圧力が拡管用フィンに加わる。そのため、拡管用フィンの肉厚が薄い場合や高さが高い場合には、拡管ロッドの押圧力によって拡管用フィンが押し潰される、あるいは拡管用フィンが座屈する等の拡管用フィンの変形が生じるおそれがある。また、拡管用フィンの変形の程度によっては放熱フィンと拡管ロッドが接触し、放熱フィンの変形を招くおそれもある。

さらに、この場合には、拡管ロッドの押圧力が拡管用フィンに集中するため、管の外径を均一に拡大することが難しくなる。その結果、機械拡管加工によって内面溝付管を熱交換器のプレートフィン等に密着させることが難しくなるおそれもある。

従って、機械拡管加工を行う可能性がある場合には、拡管ロッドや拡管プラグの押圧力による拡管用フィンの変形を抑制するために、拡管用フィンの高さや肉厚をある程度大きくする必要がある。それ故、機械拡管加工を行う可能性がある場合には、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制することが更に難しい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、機械拡管加工が可能であり、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率を向上させることができる内面溝付管を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アルミニウム材からなり、内表面に多数の溝が設けられた内面溝付管であって、
管軸方向と平行な方向に延び、隣り合う上記溝を区画するフィンと、
上記溝の底部から上記内面溝付管の内側へ突出し、管軸方向と平行な方向に延びる突条部とを有し、
上記フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］、上記突条部の高さをＨ_p［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における上記突条部の根元の幅をＷ_p［ｍｍ］としたときに、下記の（１）式〜（２）式の関係が満たされている、内面溝付管にある。
０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）

上記内面溝付管は、その内表面に、管軸方向と平行な方向に延びるフィンと、フィンよりも突出量が小さい突条部とを有している。また、フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］、突条部の高さをＨ_p［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における突条部の根元の幅をＷ_p［ｍｍ］としたときに、上記（１）式〜（２）式の関係が満たされている。

上記（１）式〜（２）式の関係を満たす突条部は、根元の幅が極めて小さく、かつ比較的背の高い形状を有しており、管軸方向に垂直な断面形状が針のように細長くなっている。そのため、管軸方向に垂直な断面における濡れ縁の長さ、即ち、管の内表面における、液状の冷媒と接触し得る部分の長さを長くすることができる。その結果、冷媒の蒸発を促進し、蒸発熱伝達率を向上させることができる。

また、突条部の高さと根元の幅とを上記特定の範囲とすることにより、濡れ縁の長さを長くしつつ、管軸方向に垂直な断面における、突条部の中実部分の断面積の増大を抑制することができる。これにより、突条部の存在に起因する、管軸方向に垂直な断面における溝の内部空間の断面積の減少を抑制することができ、ひいては、溝の断面積の総和である液溜面積の減少を抑制することができる。その結果、凝縮熱伝達率の低下を抑制することができる。また、溝の断面積の減少を抑制することにより、圧力損失の増大を抑制することもできる。

更に、内面溝付管における隣り合う溝は多数のフィンにより区画されているため、機械拡管加工において拡管プラグ等から受ける押圧力を多数のフィンに分散させることができる。それ故、上記内面溝付管は、従来のアルミニウム製内面溝付管のようにフィンの高さや厚さを大きくしなくても、機械拡管加工によるフィンの変形を抑制し、更には管の外径を均一に拡大することができる。このように、上記内面溝付管は、機械拡管加工が施される用途にも適用することができる。

以上のように、上記内面溝付管は、機械拡管加工が可能であり、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率を向上させることができる。

実施例における、内面溝付管の要部を示す一部断面図である。 図１における、フィンの根元の拡大図である。 実験例における、測定装置の説明図である。 実験例における、蒸発熱伝達率の測定結果を示すグラフである。 実験例における、凝縮熱伝達率の測定結果を示すグラフである。 実験例における、圧力損失の測定結果を示すグラフである。

上記内面溝付管は、アルミニウム材から構成されている。アルミニウム材としては、内面溝付管の用途や所望する特性に応じて公知のアルミニウム及びアルミニウム合金から選択することができる。強度及び加工性の観点からは、アルミニウム材として３０００系アルミニウム合金を採用することが好ましい。

内面溝付管は、押出加工により製造された押出材であることが好ましい。この場合には、アルミニウム材の優れた押出加工性というメリットを最大限に生かし、上記（１）式〜（２）式の関係を満足する突条部を容易に形成することができる。

内面溝付管は、その内表面に、隣り合う溝を区画する多数のフィンを有している。管軸方向に垂直な断面におけるフィンの形状は特に限定されないが、例えば、台形状や三角形状等の、根元において最大の幅を有し、先端に近づくほど幅が小さくなる形状とすることができる。

フィンの高さや幅、隣り合うフィンの間隔は、内面溝付管の外径に応じて適宜設定することができる。例えば、内面溝付管の外径が５〜１０ｍｍの場合には、フィンの高さを０．２０〜０．６０ｍｍ、管軸方向に垂直な断面におけるフィンの根元の幅を０．１０〜０．３０ｍｍ、隣り合うフィンの間隔、即ち溝の幅を０．１５〜０．３５ｍｍ、溝の底部の肉厚を０．３０〜０．７０ｍｍとすることができる。

溝の底部には、フィンよりも高さが低い突条部が設けられている。管軸方向に垂直な断面における突条部の形状は特に限定されないが、例えば、台形状や三角形状等の、根元において最大の幅を有し、先端に近づくほど幅が小さくなる形状とすることができる。

突条部は、全ての溝に設けられていてもよく、一部の溝に設けられていてもよい。また、１か所の溝には１本の突条部が設けられていてもよいし、複数本の突条部が設けられていてもよい。しかし、溝の幅に対する突条部の本数が過度に多くなると、かえって管軸に直交する断面における溝の断面積が小さくなり、凝縮熱伝達率の低下を招くおそれがある。また、この場合には、内面溝付管の製造が困難となるおそれもある。従って、これらの問題を確実に回避する観点から、１か所の溝に１本の突条部を有していることが好ましい。

内面溝付管は、フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］、突条部の高さをＨ_p［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における突条部の根元の幅をＷ_p［ｍｍ］としたときに、下記の（１）式〜（２）式の関係を満たしている。
０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）

突条部の高さＨ_pは、０．０４ｍｍ以上Ｈ_f−０．０６［ｍｍ］以下とする。これにより、内面溝付管の濡れ縁の長さ、即ち管の内表面における、液状の冷媒と接触し得る部分の長さを十分に増加させ、蒸発熱伝達率を向上させることができる。突条部の高さＨ_pが０．０４ｍｍ未満の場合には、蒸発熱伝達率を向上させる効果が不十分となるおそれがある。

また、突条部の高さＨ_pがＨ_f−０．０６［ｍｍ］を超える場合には、管軸方向に垂直な断面における突条部の中実部分の断面積が比較的大きくなる。これにより、溝の断面積が過度に減少し、圧力損失の増大や凝縮熱伝達率の低下を招くおそれがある。また、この場合には、機械拡管加工の際に、拡管プラグ等が突条部に接触し、突条部が変形するおそれもある。

凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ蒸発熱伝達率をより向上させる観点からは、フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］と突条部の高さをＨ_p［ｍｍ］とが、更に下記（４）式の関係を満たしていることが好ましい。
０．０４≦Ｈ_p≦（Ｈ_f／２） ・・・（４）

突条部の根元の幅Ｗ_pは、０．０４ｍｍ以上とする。溝の断面積を減少させる観点からは、突条部の根元の幅Ｗ_pをより小さくすることが好ましい。しかし、突条部の根元の幅Ｗ_pが０．０４ｍｍ未満となる場合には、内面溝付管の製造過程において突条部の形状の変動が大きくなり、突条部の寸法を所望の範囲に制御することが困難である。また、この場合には、機械拡管加工の際に、突条部の減肉や割れ、管の周方向への傾斜等の変形が生じるおそれもある。これらの問題を回避するため、突条部の根元の幅Ｗ_pは、０．０４ｍｍ以上とする。突条部の形状をより安定させる観点からは、突条部の幅Ｗ_pを０．０５ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、突条部の幅Ｗ_pは、０．０８ｍｍ以下とする。これにより、突条部の中実部分の断面積の増加を抑制しつつ、十分な濡れ縁の長さを確保することができる。その結果、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率を向上させることができる。突条部の幅Ｗ_pが０．０８ｍｍを超える場合には、溝の断面積が過度に減少し、圧力損失の増大や凝縮熱伝達率の低下を招くおそれがある。

管軸方向に垂直な断面における、溝の底面とフィンの側面との接続部の曲率半径は０．０４ｍｍ以下であり、かつ、溝の底面と突条部の側面との接続部の曲率半径は０．０４ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、管軸方向に垂直な断面における溝の断面積をより大きくするとともに、当該断面における濡れ縁の長さをより長くすることができる。その結果、圧力損失の増大及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率をより向上させることができる。

内面溝付管は、更に、内面溝付管の外径をＯＤ［ｍｍ］、溝の底部における肉厚をＴＦ［ｍｍ］、フィンの数をＮ、管軸方向に垂直な断面におけるフィンの根元の幅をＷ_f［ｍｍ］としたときに、下記（３）式の関係を満たしていることが好ましい。
０．８０＜（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）＜１．０５ ・・・（３）

上記（３）式中、（ＯＤ−２ＴＦ）は、フィンや突条部が存在しないと仮定した場合における内面溝付管の内径を円周率πで除した値であり、（Ｗ_f×Ｎ）はフィンの根元の幅Ｗ_fの合計である。即ち、（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）の値は、内面溝付管の内表面に占めるフィンの割合を示す指標である。

内面溝付管の内表面に占めるフィンの割合が大きくなると、（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）の値が小さくなる。この場合には、フィンの幅に対して相対的に溝の幅が小さくなるため、冷媒の凝縮が抑制される。その結果、凝縮熱伝達率の低下を招くおそれがある。一方、内面溝付管の内表面に占めるフィンの割合が小さくなると、（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）の値が大きくなる。この場合には、溝の幅に対して相対的にフィンの幅が小さくなるため、機械拡管加工の際に拡管プラグ等から受ける押圧力に耐えることが難しくなる。その結果、フィンが拡管プラグ等に押しつぶされる、あるいはフィンが座屈する等のフィンの変形が発生するおそれがある。

（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）の値が上記（３）式の関係を満たす場合には、内面溝付管の内表面における溝とフィンとの幅の比率が適正な範囲となる。その結果、上述した問題を回避することができ、溝による効果を確保するとともに、機械拡管加工の際に管の外径を容易に拡大することができる。

また、内面溝付管は、更に、フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］、内面溝付管の外径をＯＤ［ｍｍ］としたときに、下記（５）式の関係を満足することが好ましい。
０．０３≦Ｈ_f／ＯＤ≦０．０６ ・・・（５）

内面溝付管の外径に対してフィンの高さが相対的に低い場合には、管軸方向に垂直な断面における濡れ縁の長さが短くなるため、上述した蒸発熱伝達率向上の効果を得ることが難しい。また、内面溝付管の外径に対してフィンの高さが相対的に高い場合には、内面溝付管における冷媒流路の断面積が小さくなるため、圧力損失の増大を招く。更に、この場合には、機械拡管加工において拡管プラグ等を挿入する際の抵抗が増大し、内面溝付管に割れが発生する、あるいは拡管プラグ等が内面溝付管に焼き付く等の問題が発生するおそれもある。

フィンの高さＨ_fと内面溝付管の外径ＯＤとが上記（５）式の関係を満足する場合には、上述した問題をより確実に回避することができる。

（実施例）
上記内面溝付管の実施例を、図を用いて説明する。内面溝付管１は、アルミニウム材からなり、図１に示すように、その内表面に多数の溝１１が設けられている。内面溝付管１は、管軸方向と平行な方向に延び、隣り合う溝１１を区画するフィン２と、溝１１の底部１１１から内面溝付管１の内側へ突出し、管軸方向と平行な方向に延びる突条部３とを有している。フィン２の高さをＨ_f［ｍｍ］、突条部３の高さをＨ_p［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における突条部３の根元３２の幅をＷ_p［ｍｍ］としたときに、これらの値は下記の（１）式〜（２）式の関係を満足している。

０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）

本例の内面溝付管１は、ＪＩＳ Ａ３００３合金から構成されている。内面溝付管１の外径ＯＤは７ｍｍであり、内径ＩＤは６．２５ｍｍである。また、内面溝付管１の溝１１の底部１１１における肉厚ＴＦ（図１参照）、即ち、フィン２及び突条部３が配置されていない部分における肉厚は０．４７ｍｍである。なお、内面溝付管１の内径ＩＤは、全てのフィン２の先端２１に内接する内接円Ｃ１の直径として算出することができる（図１参照）。

内面溝付管１は、４２本のフィン２を有している。各フィン２は、その根元２２において最大の幅Ｗ_fを有し、先端２１、即ち内面溝付管１の管軸側に近づくほど幅が小さくなっている。より具体的には、本例のフィン２は、図１に示すように、管軸方向に垂直な断面において台形状を呈しており、フィン２の先端２１は丸みを帯びている。

フィン２の高さＨ_fは、内面溝付管１の外径ＯＤの値から内径ＩＤの値と溝１１の底部１１１における肉厚ＴＦの値とを差し引いた値として算出することができる。本例のフィン２の高さＨ_fは０．２８ｍｍである。

フィン２の頂角γは、以下のようにして算出することができる。まず、管軸方向に垂直な断面において、フィン２の側面における直線部２３を延長し、２本の延長線Ｌを設定する。そして、これらの延長線Ｌ同士のなす角度をフィン２の頂角γとすることができる。本例のフィン２の頂角γは１０°である。なお、フィン２の頂角γは、例えば、０°超２０°未満の範囲から適宜設定することができる。

フィン２の根元２２の幅Ｗ_fは、以下のようにして算出することができる。即ち、管軸方向に垂直な断面において、全ての溝１１の底面１１２に内接する内接円Ｃ２（図１、図２参照）を設定する。この内接円Ｃ２と、上述した各延長線Ｌとの交点Ｐを求める。そして、交点Ｐ同士の距離をフィン２の根元２２の幅Ｗ_fとすることができる（図２参照）。本例のフィン２の根元２２の幅Ｗ_fは０．１４ｍｍである。

管軸方向に垂直な断面において、溝１１の底面１１２とフィン２の側面における直線部２３との間には、円弧状を呈する接続部２４が介在している。図２に示すように、接続部２４は、溝１１の底面１１２とフィン２の直線部２３との中間がくぼむように湾曲している。本例において、管軸方向に垂直な断面における、溝１１の底面１１２とフィン２の側面との接続部２４の曲率半径Ｒ_fは０．０４ｍｍ以下である。

また、本例の内面溝付管１は、図１に示すように、各溝１１の底部１１１に１本の突条部３を有している。突条部３は、その根元３２において最大の幅Ｗ_pを有し、先端３１、即ち内面溝付管１の管軸側に近づくほど幅が小さくなっている。より具体的には、本例の突条部３は、図１に示すように、管軸方向に垂直な断面において台形状を呈しており、突条部３の先端３１は丸みを帯びている。

突条部３の高さＨ_pは、以下のようにして算出することができる。まず、全ての突条部３の先端３１に内接する内接円Ｃ３を設定し、その直径ＭＤを算出する。そして、内面溝付管１の外径ＯＤの値から内接円Ｃ３の直径ＭＤの値と溝１１の底部１１１における肉厚ＴＦの値とを差し引いた値をＨ_pとすることができる。本例の突条部３の高さＨ_pは０．１０ｍｍである。

図１に示す突条部３の根元３２の幅Ｗ_pは、フィン２の根元２２の幅Ｗ_fと同様の方法により算出することができる。即ち、図には示さないが、管軸方向に垂直な断面において、突条部３の側面における直線部を延長し、２本の延長線を設定する。この延長線と、溝１１の底面１１２に内接する内接円Ｃ２との交点を求める。この交点同士の距離を突条部３の根元３２の幅Ｗ_pとすることができる。本例の突条部３の根元３２の幅Ｗ_pは０．０５ｍｍである。

管軸方向に垂直な断面において、溝１１の底面１１２と突条部３の側面との間には、円弧状を呈する接続部が介在している。図には示さないが、突条部３の接続部は、フィン２の接続部２４と同様に、溝１１の底面１１２と突条部３の側面との中間がくぼむように湾曲している。本例において、管軸方向に垂直な断面における、溝１１の底面１１２と突条部３の側面との接続部の曲率半径Ｒ_pは０．０４ｍｍ以下である。

次に、本例の内面溝付管１の作用効果を説明する。内面溝付管１は、その内表面に、管軸方向と平行な方向に延び、隣り合う溝１１を区画するフィン２と、溝１１の底部１１１から内面溝付管１の内側へ突出し、管軸方向と平行な方向に延びる突条部３とを有している。また、内面溝付管１におけるフィン２の高さＨ_fは０．２８ｍｍであり、突条部３の高さＨ_pは０．１０ｍｍであり、突条部３の根元３２の幅Ｗ_pは０．０５ｍｍである。従って、内面溝付管１におけるフィン２の高さＨ_f、突条部３の高さＨ_p及び根元３２の幅Ｗ_pは、下記（１）式〜（２）式の関係を満足している。
０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）

そのため、管軸方向に垂直な断面における濡れ縁の長さ、即ち、管の内表面における、液状の冷媒と接触し得る部分の長さを長くすることができる。その結果、冷媒の蒸発を促進し、蒸発熱伝達率を向上させることができる。

また、突条部３の高さＨ_p及び根元３２の幅Ｗ_pを上記特定の範囲とすることにより、濡れ縁の長さを長くしつつ、突条部３の中実部分の断面積の増大を抑制することができる。これにより、突条部３の存在に起因する、管軸方向に垂直な断面における溝１１の内部空間の断面積Ｓ₁（図１参照）の減少を抑制することができ、ひいては溝１１の断面積Ｓ₁の総和である液溜面積の減少を抑制することができる。その結果、凝縮熱伝達率の低下を抑制することができる。また、溝１１の断面積Ｓ₁の減少を抑制することにより、圧力損失の増大を抑制することもできる。

更に、内面溝付管１における溝１１は多数のフィン２により区画されているため、機械拡管加工において拡管プラグ等から受ける押圧力を多数のフィン２に分散させることができる。それ故、内面溝付管１は、従来のアルミニウム製内面溝付管のようにフィン２の高さや厚さを大きくしなくても、機械拡管加工によるフィン２の変形を抑制し、更には管の外径ＯＤを均一に拡大することができる。このように、内面溝付管１は、機械拡管加工が施される用途にも適用することができる。

以上のように、内面溝付管１は、機械拡管加工が可能であり、圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、蒸発熱伝達率を向上させることができる。

（実験例）
本例は、内面溝付管の性能を評価した例である。本例においては、表１に示すように、フィンや突条部の寸法等を種々の値に変更した内面溝付管（試験体１〜４）を作製した。なお、試験体１は、実施例１の内面溝付管１とほぼ同一の構成を有している。また、試験体２は、突条部を有さない従来の内面溝付管に相当する試験体である。試験体３、４は、表１に示すように各寸法等を変更した以外は実施例１と同様の構成を有している。

表１には、フィン等の寸法とともに、各試験体の濡れ縁の長さｗ［ｍｍ］、液溜面積Ｓ［ｍｍ²］及び単位長さあたりの質量ω［ｇ／ｍ］を記載した。濡れ縁の長さｗは、具体的には、管軸方向に垂直な断面において、溝１１に面する部分の長さｗ₁［ｍｍ］（図１参照）の合計である。また、液溜面積Ｓは、具体的には、管軸方向に垂直な断面における溝１１の断面積Ｓ₁［ｍｍ］（図１参照）の合計である。なお、濡れ縁の長さｗ及び液溜面積Ｓの値は、各試験体の設計図面に基づいて算出した値である。

また、各試験体が下記式の関係を満たす場合には、表１中の対応する欄に記号「Ａ」を記載し、満たさない場合には記号「Ｂ」を記載した。
０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）
０．８０＜（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）＜１．０５ ・・・（３）
０．０４≦Ｈ_p≦（Ｈ_f／２） ・・・（４）
０．０３≦Ｈ_f／ＯＤ≦０．０６ ・・・（５）

試験体の拡管加工性を評価するため、各試験体に拡管プラグを挿入し、外径ＯＤが拡管加工前の外径の１０５％となるように機械拡管加工を行った。機械拡管加工後に試験体の断面を観察し、フィンが倒れているか否かを確認した。断面観察において、フィンが倒れていなかった試験体については表１の「拡管加工性」の欄に記号「Ａ」を、フィンが倒れていた試験体については同欄に記号「Ｂ」を記載した。

表１に示したように、突条部を有しない試験体２の濡れ縁の長さｗ、液溜面積Ｓ及び単位長さあたりの質量ωの値を基準にすると、試験体１は、濡れ縁の長さｗの増加量が２１％であるのに対し、液溜面積Ｓの減少量は２％、質量ωの増加量は１％にとどまっている。

一方、突条部の幅が広い試験体３は、試験体１に比べて濡れ縁の長さｗの増加量が少なく、液溜面積Ｓの減少量及び質量ωの増加量が大きい。これらの結果から、試験体１は、試験体３に比べて突条部の存在による液溜面積Ｓの減少を抑制しつつ、濡れ縁の長さｗを大きくすることができたことが理解できる。それ故、試験体１は、試験体３に比べて蒸発熱伝達率及び凝縮熱伝達率が高くなるとともに、冷媒が蒸発する際の圧力損失が低くなると推測される。

また、試験体４は、フィンの根元の幅Ｗ_fを試験体２よりも狭くしている。これにより、試験体２に比べて濡れ縁の長さｗを２１％増加させただけではなく、液溜面積Ｓを３％増加、質量ωを１％減少させることができた。これらの結果から、試験体４は、試験体１と同等の蒸発熱伝達率を有し、更に、凝縮熱伝達率をより高く、冷媒が蒸発する際の圧力損失をより低くできると推測される。

しかし、試験体４は、上記式（３）を満足していないため、機械拡管加工後にフィンが倒れた。この結果から、上記式（３）を満足しない内面溝付管は、上記式（３）を満足する内面溝付管に比べて拡管加工性に劣ることが理解できる。また、上記式（３）を満足しない内面溝付管は、機械拡管加工が施された場合に、拡管加工の条件によってはフィンや突条部が変形し、熱伝達率の低下や冷媒が蒸発する際の圧力損失の増大を招くおそれがある。

次に、機械拡管加工前の試験体１〜３を用い、蒸発熱伝達率、凝縮熱伝達率及び冷媒が蒸発する際の圧力損失の測定を行った。これらの値の測定には、図３に示す測定装置５を使用した。測定装置５は、ガス状の冷媒を圧縮する圧縮器５１と、圧縮された冷媒を凝縮し、液状の冷媒を得る凝縮器５２と、液状の冷媒を減圧する膨張弁５３と、減圧された液状の冷媒を蒸発させ、ガス状の冷媒を得る蒸発器５４とを有している。冷媒は、測定装置５内を、圧縮器５１、凝縮器５２、膨張弁５３、蒸発器５４を順次通過する向きに流れている（矢印５００）。

蒸発熱伝達率の測定においては、有効長さ１５００ｍｍの試験体を蒸発器５４に組み込み、冷媒を蒸発させる際の熱伝達率を測定した。また、この熱伝達率の測定と同時に、蒸発器５４の入口５４１と出口５４２との圧力差を測定し、この値を圧力損失とした。冷媒としてはＲ３２を使用し、蒸発器５４の入口５４１における冷媒の乾き度を０．２、出口５４２における飽和温度を３℃、出口５４２における冷媒の過熱度を２℃とした。

凝縮熱伝達率の測定においては、試験体を凝縮器５２に組み込み、冷媒を凝縮させる際の熱伝達率を測定した。冷媒としてはＲ３２を使用し、凝縮器５２の入口５２１における冷媒の過熱度を２３℃、入口５２１における飽和温度を４０℃、出口５２２における冷媒の過冷却度を５℃とした。なお、通常、冷媒が凝縮する際の圧力損失は軽微であり、内面溝付管の性能にほとんど影響しないため、冷媒が凝縮する際の圧力損失の測定は行わなかった。

これらの測定結果は、表２〜表４及び図４〜図６に示した通りであった。なお、いずれの測定においても、冷媒流量を１０ｋｇ／ｈとした条件及び２０ｋｇ／ｈとした条件の２種の条件で測定を行った。また、図４〜図６の横軸は冷媒流量（ｋｇ／ｈ）の値であり、縦軸はそれぞれ蒸発熱伝達率（ｋＷ／ｍ²・Ｋ）、凝縮熱伝達率（ｋＷ／ｍ²・Ｋ）、冷媒蒸発時の圧力損失（ｋＰａ）の値である。

表２及び図４に示したように、試験体１の蒸発熱伝達率は、突条部３を有さない試験体２の１．３〜１．４倍となった。また、試験体１の蒸発熱伝達率は、試験体１に比べて突条部３の根元３２の幅Ｗ_pが広い試験体３の１．１倍程度となった。これらの結果から、突条部３の根元３２の幅Ｗ_pを狭くすることにより、内面溝付管１の蒸発熱伝達率を大幅に向上可能であることが理解できる。

表３及び図５に示したように、試験体１の凝縮熱伝達率は、試験体２の０．９４〜０．９８倍となり、突条部３を設けない場合に比べて凝縮熱伝達率が若干低下した。しかし、試験体１の凝縮熱伝達率は、試験体３の１．０４〜１．０５倍程度となった。これらの結果から、突条部３の根元３２の幅Ｗ_pを狭くすることにより、内面溝付管１の凝縮熱伝達率の低下を抑制可能であることが理解できる。

表４及び図６に示したように、試験体１における冷媒が蒸発する際の圧力損失は、試験体２の１．０４〜１．０５倍となり、突条部３を設けない場合に比べて圧力損失が若干増加した。しかし、試験体１の圧力損失は、試験体３の０．９３〜０．９６倍程度となった。これらの結果から、突条部３の根元３２の幅Ｗ_pを狭くすることにより、冷媒が蒸発する際の圧力損失の増大を抑制可能であることが理解できる。

以上をまとめると、上記（１）式〜（２）式を満足するフィン２及び突条部３を有する試験体１は、上記（１）式〜（２）式を満足しない試験体３よりも冷媒が蒸発する際の圧力損失の増加及び凝縮熱伝達率の低下を抑制しつつ、突条部を有しない試験体２に比べて蒸発熱伝達率を大幅に向上させることができた。

本発明に係る内面溝付管１は、上述した実施例及び実験例の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

１ 内面溝付管
１１ 溝
１１１ 底部
２ フィン
２２ 根元
３ 突条部
３２ 根元

Claims (4)

1. アルミニウム材からなり、内表面に多数の溝が設けられた内面溝付管であって、
   管軸方向と平行な方向に延び、隣り合う上記溝を区画するフィンと、
   上記溝の底部から上記内面溝付管の内側へ突出し、管軸方向と平行な方向に延びる突条部とを有し、
   上記フィンの高さをＨ_f［ｍｍ］、上記突条部の高さをＨ_p［ｍｍ］、管軸方向に垂直な断面における上記突条部の根元の幅をＷ_p［ｍｍ］としたときに、下記の（１）式〜（２）式の関係が満たされている、内面溝付管。
   ０．０４≦Ｈ_p≦Ｈ_f−０．０６ ・・・（１）
   ０．０４≦Ｗ_p≦０．０８ ・・・（２）
2. 管軸方向に垂直な断面における、上記溝の底面と上記フィンの側面との接続部の曲率半径が０．０４ｍｍ以下であり、かつ、上記溝の底面と上記突条部の側面との接続部の曲率半径が０．０４ｍｍ以下である、請求項１に記載の内面溝付管。
3. 上記内面溝付管の外径をＯＤ［ｍｍ］、上記溝の底部における肉厚をＴＦ［ｍｍ］、上記フィンの数をＮ、管軸方向に垂直な断面における上記フィンの根元の幅をＷ_f［ｍｍ］としたときに、更に下記（３）式の関係を満たす、請求項１または２に記載の内面溝付管。
   ０．８０＜（ＯＤ−２ＴＦ）／（Ｗ_f×Ｎ）＜１．０５ ・・・（３）
4. 外径が５〜１０ｍｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内面溝付管。

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