JP4119836B2

JP4119836B2 - 内面溝付伝熱管

Info

Publication number: JP4119836B2
Application number: JP2003435561A
Authority: JP
Inventors: 秀樹岩本; 主税佐伯; 富夫肥後
Original assignee: 株式会社コベルコマテリアル銅管
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005195192A

Description

本発明は、空調機器および冷凍機器用の熱交換器に組み込まれる内面溝付伝熱管に係り、特に、ハイドロフルオロカーボン系冷媒であるＲ３２およびＲ１２５を混合した混合冷媒を使用する管の外径が６〜１０ｍｍの内面溝付伝熱管に関する。

内面溝付伝熱管は、空調機器および冷凍機器用の熱交換器に組み込まれる伝熱管として使用されている。そして、従来、内面溝付伝熱管の冷媒として、ハイドロクロロフルオロカーボン（以下、ＨＣＦＣと称す）系の冷媒、代表的なものとしてＲ２２が使用されてきた。しかしながら、オゾン層破壊や地球温暖化等の環境問題の深刻化により、Ｒ２２に替わって、オゾン層の破壊係数が０であるハイドロフルオロカーボン（以下、ＨＦＣと称す）系の冷媒に移行することになった。

ＨＦＣ系冷媒としては、高沸点のＨＦＣ系冷媒（高沸点成分）と低沸点のＨＦＣ系冷媒（低沸点成分）とを混合した非共沸混合冷媒がよく使用されている。この非共沸混合冷媒は、その露点（液化開始温度）と沸点（液化終了温度）が異なる。例えば、空調機器用の冷媒として最近多用されるようになったＲ４０７Ｃは、それぞれ沸点（＝露点）の大きく異なるＲ３２（沸点：−５２°Ｃ）、Ｒ１２５（沸点：−４９°Ｃ）、およびＲ１３４ａ（沸点：−２６°Ｃ）の３冷媒をそれぞれ質量比で２３：２５：５２で混合した混合冷媒であり、混合冷媒としての沸点が−４３．６°Ｃ、露点が−３６．７°Ｃと、その差が６．９°Ｃにも及ぶ。その為、混合冷媒の凝縮および蒸発の際には、気液界面において高沸点成分が多く凝縮し、低沸点成分が気相側に濃縮される。これにより混合冷媒内の各成分の濃度が不均一となり濃度差が生じ、この濃度差が拡散抵抗および熱抵抗を惹起して、内面溝付伝熱管の伝熱性能（蒸発性能および凝縮性能）は、Ｒ３２、Ｒ１２５およびＲ１３４ａのそれぞれを単一冷媒として用いた場合よりも低下し、従来のＲ２２（沸点および露点とも−４０．８°Ｃ）を用いた場合と同等の伝熱性能が得られなかった。これらのことから、内面溝付伝熱管では、混合冷媒内の濃度差を無くすために、管内面の内面溝形状を特定することで、伝熱性能を向上させている。

一方、空調機器用のＨＦＣ系冷媒として最近多用されるようになったＲ４１０Ａは、Ｒ３２（沸点：−５２°Ｃ）とＲ１２５（沸点：−４９°Ｃ）とを質量比で５０：５０で混合した混合冷媒であり、各成分の沸点の差が小さいため、混合冷媒の沸点および露点はほぼ同一である（−５１．６°Ｃ）。このように、Ｒ４１０Ａは単一冷媒として取扱いが可能であることから、混合冷媒内の各成分の濃度差が生じない擬似共沸混合冷媒に分類されている。このように、Ｒ４１０Ａは熱的にはＲ２２と同様に取り扱いができるため、Ｒ２２用に用いられていた内面溝付伝熱管がそのまま使用されている例も多い。

以下に、非共沸混合冷媒および擬似共沸混合冷媒を使用した内面溝付伝熱管の例を示す。先ず、非共沸混合冷媒用の内面溝付伝熱管として、管内面に螺旋状の連続する溝を設け、螺旋方向に沿って前記溝間に形成されたフィンの高さが、前記溝の山部より高いハイフィンを一定のピッチで設けたものが提案されている。この内面溝付伝熱管においては、管内面にハイフィンが設けられていることにより、混合冷媒の流れが乱れ、混合冷媒内の各成分の濃度差が低減し、また、有効伝熱面積が拡大するため、伝熱性能が向上する（例えば、特許文献１参照）。

また、非共沸混合冷媒用の内面溝付伝熱管として、管内面に螺旋状の山部（フィン）が形成され、その山部（フィン）の二つの底角を異なる角度としたものが提案されている。この内面溝付伝熱管においては、底角の異なる山部（フィン）を設けることにより、山部（フィン）の側面の傾斜角度が異なり、冷媒の流れ方向によって圧力損失が異なり、蒸発時には圧力損失が増加し、凝縮時には圧力損失が抑えられるため、伝熱性能が向上する（例えば、特許文献２参照）。

また、非共沸混合冷媒用の内面溝付伝熱管として、管内面に設けた螺旋状の溝が管軸に対して４５°以上の大きな角度で配置されたものが提案されている。また、非共沸混合冷媒としては、Ｒ４０７Ｃと同じＨＦＣ系であるＨＦＣ−３２（Ｒ３２）とＨＦＣ−１３４ａ（Ｒ１３４ａ）とを混合したものが記載されている。この内面溝付伝熱管においては、溝を４５°以上の角度で配置することにより、溝内に渦度の大きな混合冷媒の渦が発生し、混合冷媒内の各成分の濃度差が低減するため、伝熱性能が向上する（例えば、特許文献３参照）。

また、前記特許文献３の内面溝付伝熱管と同様に、螺旋状の溝が管軸に対して２５°以上の角度で配置され、好ましくは、その溝の深さが０．１５ｍｍ〜０．３５ｍｍである内面溝付伝熱管も提案されている。また、非共沸冷媒としてＲ４０７Ｃが記載されている（例えば、特許文献４参照）。

また、Ｒ２２（ＨＣＦＣ２２）よりも低粘性冷媒、例えば、Ｒ４０７Ｃ（非共沸混合冷媒）、Ｒ４１０Ａ（擬似共沸混合冷媒）の両冷媒のいずれも使用可能な内面溝付伝熱管として、管内面に螺旋状のフィンを設け、そのフィンピッチを０．２２〜０．２８ｍｍ、フィン高さを０．２３〜０．２８ｍｍ、または、それに加えて、フィンと管軸とがなすリード角を１４〜３０°としたものが提案されている。この内面溝付伝熱管においては、フィン形状を前記のように設定することにより、Ｒ２２よりも低粘性の冷媒を用いた場合にも、冷媒が十分に攪乱されるため、伝熱性能が向上する（例えば、特許文献５参照）。

また、内面溝付伝熱管の他の例として、管軸に対して５〜４５°の傾斜角を有する螺旋状の溝が管内面に形成されてなると共に、管外径Ｄ、管軸直角（直交）断面における溝１つ当たりの断面積ａ、溝深さｄ、および管軸を中心として溝間に形成されるフィンの先端に接する円の面積Ａにて表される形状パラメータ：〔２（ｄ／Ｄ）²・Ａ／ａ〕が０．８以上２．０以下の範囲内に特定されたものが提案されている。また、使用冷媒としては、伝熱性能試験の冷媒としてＲ２２を使用しているが、好ましい冷媒の例示はない（例えば、特許文献６参照）。

さらに、管内面に螺旋状の台形溝が形成され、管軸直角（直交）断面で台形溝間に形成された山形突起部（フィン）の頂角が１０〜３０°、溝深さＨが管内径Ｄ₁との比でＨ／Ｄ₁＝０．０４〜０．０５、各溝の断面積Ｓが溝深さＨとの比でＳ／Ｈ＝０．２〜０．４、かつ溝の傾斜部と溝底間に曲率半径Ｒの円弧状部が設けられ、この円弧状部が溝深さＨとの比でＨ／Ｒ＝４〜１０に特定されたものが提案されている。また、使用冷媒としては、伝熱性能試験の冷媒としてＲ２２を使用しているが、好ましい冷媒の例示はない（例えば、特許文献７参照）。

特開平６−３０７７８７号公報（段落番号〔０００１〕、〔０００８〕、〔００１３〕、図２および図３）特開平８−６１８７７号公報（請求項１、段落番号〔０００１〕、〔００１０〕、〔００１１〕、〔００１８〕および図１) 特開平８−１４５５８５号公報（段落番号〔０００７〕、〔００１１〕、〔００１７〕、図３および図７) 特開平９−４２８８１号公報（段落番号〔０００５〕、〔０００８〕、〔００１０〕および図１) 特開２００１−３４３１９４号公報（段落番号〔００１９〕〜〔００２１〕、〔００４５〕、〔００５８〕、図２および図３）特開２００１−３３１８５号公報（段落番号〔００１０〕、〔００５４〕、図２および図３）特許第２９１２８２６号公報（段落番号〔０００８〕、〔００２６〕、図１および図２）

特許文献１〜５の内面溝付伝熱管においては、管内面に設けられたフィンのハイフィン化、非対称化、高密度化、または溝の高リード角化により、使用冷媒が非共沸混合冷媒の場合には、混合冷媒の蒸発及び凝縮の際に、混合冷媒が攪乱され、混合冷媒を構成する各成分の濃度差が低減され、十分な伝熱性能が得られる。しかしながら、本発明に使用されるＲ３２及びＲ１２５を混合した冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）は、擬似共沸混合冷媒であって、混合冷媒内の各成分の沸点の差が小さいものである。従って、混合冷媒の蒸発及び凝縮の際に各成分に濃度差が生じないため、混合冷媒の攪乱による伝熱性能向上の効果は小さく、前記内面溝形状の特定だけでは十分な伝熱性能が得られないという問題があった。

また、前記内面溝付伝熱管を空調機器用の熱交換器に組み込んで使用する際には、内面溝付伝熱管の管長が長くなる。このような管長の長い内面溝付伝熱管においては、前記内面溝形状の特定だけでは、溝部断面積を大きくすることができず、混合冷媒の圧力損失が大きくなる。その結果、十分な伝熱性能が得られないという問題があった。

また、前記内面溝形状の特定だけでは、気液界面の有効伝熱面積に大きな影響を与える管内面の濡縁長さを長くすることができず、有効伝熱面積を十分大きくすることができない。その結果、十分な伝熱性能が得られないという問題があった。特に、本発明に使用されるＲ３２及びＲ１２５を混合した混合冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）は、Ｒ２２およびＲ４０７Ｃと比べて粘性が低いため、この濡縁長さが伝熱性能に与える影響は大きい。

また、特許文献６、７の内面溝付伝熱管においては、管内面の溝部断面積を用いた形状パラメータの特定により、気液界面の有効伝熱面積を大きくすることで伝熱性能を向上させている。しかしながら、特許文献６、７の内面溝形状の特定だけでは、前記特許文献１〜５と同様に、濡縁長さを長くすることができず、有効伝熱面積を十分大きくすることができない。その結果、十分な伝熱性能が得られないという問題があった。

本発明は、冷媒としてＲ３２及びＲ１２５を混合した混合冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）を使用し、内面溝付伝熱管の管長を長くしても、混合冷媒の圧力損失が過大とならず、かつ、優れた伝熱性能を得ることができる内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。より具体的に一例を挙げて説明すると、冷媒質量速度３００ｋｇ／ｍ²ｓのとき、伝熱性能である蒸発性能が０．０５４ｋＷ／ｍ²Ｋ以上、かつ凝縮性能が０．０３３ｋＷ／ｍ²Ｋ以上である内面溝付伝熱管を提供する。

本発明に係る内面溝付伝熱管は、ハイドロフルオロカーボン系の冷媒であるＲ３２およびＲ１２５を混合した擬似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａを使用する管の外径Ｄが６ｍｍ以上１０ｍｍ以下の内面溝付伝熱管において、前記内面溝付伝熱管の管内面に、螺旋状の溝及び前記溝間に形成されたフィンを複数有し、前記溝と管軸とがなす溝リード角θが３０°を超え５５°以下、管軸直交断面における前記溝の溝深さｈが０．１０ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下、前記フィンのフィン山頂角δが５°以上３０°以下、前記フィンのフィン先端半径ｒが前記溝深さｈの０．０５以上０．１５未満であって、前記管内面の管軸直交断面における溝１つの溝部断面積Ｓ、および前記溝リード角θを用いてα＝Ｓ×ｃｏｓθで計算される係数αが０．０５以上０．１０以下、前記管内面の管軸直交断面における全周の濡縁長さＬ、および前記溝リード角θを用いてβ＝Ｌ×ｃｏｓθで計算される係数βが２７以上４０以下である内面溝付伝熱管として構成したものである。

前記の構成によれば、溝リード角θ、溝深さｈ、フィン山頂角δ、溝部断面積Ｓおよび溝リード角θで計算される係数α、濡縁長さＬおよび溝リード角θで計算される係数βを所定範囲とすることで、溝部成形可能領域で溝部断面積が大きくなり、混合冷媒の圧力損失が過大とならない。また、溝部成形可能領域で濡縁長さＬが長くなり気液界面の有効伝熱面積が大きくなる。

このような内面溝付伝熱管においては、冷媒としてＲ３２及びＲ１２５を混合した混合冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）を使用し、空調機器用の熱交換器への組み込みにより内面溝付伝熱管の管長が長くなっても、混合冷媒の圧力損失が過大とならず、かつ、優れた伝熱性能を得ることできる。また、混合冷媒の圧力損失が過大とならないため、内面溝付伝熱管の入出口での混合冷媒温度に温度差が生じない。そのため、混合冷媒のコンプレッサ等を小型化でき、空調機器（熱交換器）を小型化することが可能となる。また、消費電力が削減され、空調機器（熱交換器）のエネルギー消費効率ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。図１は内面溝付伝熱管の断面形状を示す管軸方向に破断した時の一部拡大断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図、図３（ａ）は内面溝付伝熱管を組み込んだ熱交換器を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の熱交換器をＵベンド管側から見た図、（ｃ）は（ａ）の熱交換器をヘアピン管側から見た図、図４は、内面溝付伝熱管を組み込んだ熱交換器の伝熱性能、圧力損失を測定する際に使用する吸引型風洞の模式図であり、図５は図４の吸引型風洞に冷媒を供給する冷媒供給装置の模式図である。

図１、図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の内面溝付伝熱管１は、空調機器用の伝熱管として使用されることから、管の管外径Ｄは、内面溝付伝熱管１として主流である６ｍｍ以上１０ｍｍ以下のものが使用され、管内面には、前記管内における冷媒の蒸発や凝縮による熱伝導率を向上させるための内面溝形状を有している。また、内面溝付伝熱管１の管内面に供給される冷媒はＨＦＣ系冷媒であるＲ３２およびＲ１２５を混合した混合冷媒が使用される。また、内面溝付伝熱管１の素管の材質としては、銅または銅合金などが使用され、例えばＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０、Ｃ１２０１等のりん脱酸銅である。なお、内面溝付伝熱管１の内面溝形状の形成方法は、転造加工法、圧延法などがあるが、特に限定されるものではない。

（管外径Ｄ）
管外径Ｄは、前記したように、空調機器用の伝熱管として主流である６ｍｍ以上１０ｍｍが要求されている。管外径Ｄが６ｍｍ未満である場合には、冷媒としてＲ３２及びＲ１２５を混合した混合冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）を使用し、空調機器用の熱交換器１０に組み込んで使用した際（図３参照、図３において内面溝付伝熱管１はヘアピン状に曲げ加工されたヘアピン管１ａとして記載されている）、内面溝付伝熱管１の管長が長いため混合冷媒の圧力損失が過大となり、内面溝付伝熱管１の伝熱性能、特に、蒸発性能が低下する。また、管外径Ｄが１０ｍｍを越える場合には、内面溝付伝熱管１の重量が重くなり、内面溝付伝熱管１を組み込む空調機器（熱交換器１０、図３参照）が軽量化できない。

（混合冷媒）
混合冷媒としては、２種のＨＦＣ系冷媒であるＲ３２およびＲ１２５が質量比で５０：５０で混合された擬似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａが最も多く使用される。Ｒ４１０Ａは、近年のオゾン層破壊や地球環境温暖化の原因となる塩素を含むＲ２２（ＨＣＦＣ系冷媒）に替わる冷媒として、塩素を含まず水素を含む冷媒である。そして、Ｒ３２、Ｒ１２５の沸点は、それぞれ−５２(Ｃ、−４９(Ｃであり冷媒の沸点が互いに近いため、混合冷媒の状態によりＲ３２：Ｒ１２５＝５０：５０の質量比が変わり難く、混合冷媒内の濃度差が生じない。

(内面溝形状)
内面溝形状は、連続した螺旋状の溝２および溝２間に形成されたフィン３から構成されている。また、各溝２はフィン山頂曲線部３ａと、これに滑らかにつながるフィン斜面直線部３ｂと、各フィン斜面直線部３ｂ同士をつなぐ溝底部２ａとから構成される。なお、溝底部２ａは直線部と任意のフィン根元半径Ｒで滑らかに連続したものであって、直線部なしに任意のフィン根元半径Ｒ同士が滑らかに連続したものでもよい（図示せず）。

そして、溝２と管軸とがなす溝リード角θが３０°を超え５５°以下、管軸直交断面における溝２の溝深さｈが０．１０ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下、フィン３のフィン山頂角δが５°以上３０°以下であって、管内面の管軸直交断面における溝１つの溝部断面積Ｓおよび溝リード角θを用いてα＝Ｓ×ｃｏｓθで計算される係数αが０．０５以上０．１０以下、管内面の管軸直交断面における全周の濡縁長さＬおよび溝リード角θを用いてβ＝Ｌ×ｃｏｓθで計算される係数βが２７以上４０以下である。

以下、内面溝形状における前記数値限定の根拠について説明する。

(溝リード角θ)
溝リード角θは、３０°を超え５５°以下であることが要求されている。溝リード角θが３０°以下の場合には、内面溝付伝熱管を空調機器用の熱交換器１０（図３参照）に組み込んだ際の蒸発性能が０．０５４ｋＷ／ｍ²Ｋ未満、かつ凝縮性能が０．０３３ｋＷ／ｍ²Ｋ未満（冷媒質量速度３００ｋｇ／ｍ²ｓ）となり、伝熱性能が低下する。また、溝リード角θが５５°を超える場合には、転造加工により管内面に溝２を形成する際の速度が極端に低下してしまい、安定して長尺の内面溝付伝熱管１の製造ができなくなる。

（溝深さｈ）
溝深さｈは、０．１０ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下であることが要求される。溝深さｈが０．１０ｍｍ未満の場合には、内面溝付伝熱管１の管内面の溝２間に形成されたフィン３が、管内面における作動冷媒の凝縮液面より低くなり、前記凝縮液に埋没する。そのため、管内面の有効伝熱面積が著しく減少し、伝熱性能が低下する。また、溝深さｈが０．３５ｍｍを超える場合には、管内面に溝２を成形する際に、溝成形用工具（例えば、溝付プラグ）が破損し、管内面に安定して溝２を成形することができない。

（フィン山頂角δ）
フィン山頂角δは、５°以上３０°以下であることが要求される。フィン山頂角δが５°未満の場合には、フィン３の幅が狭くなり、内面溝付伝熱管１を空調機器用の熱交換器１０（図３参照）に組み込む際の拡管時（図示せず）に、フィン３の先端部のつぶれ、フィン３の倒れやゆがみが生じる。また、前記フィン３形成のために管内面に溝２を成形する際に、溝成形用工具が破損し、管内面に安定して溝２を成形することができない。また、フィン山頂角δが３０°を超えた場合には、溝２の溝部断面積Ｓが著しく小さくなり伝熱性能が低下する。また、フィン３の断面積（内面溝付伝熱管１の底肉厚Ｔ）が大きくなり、内面溝付伝熱管１の重量が重くなるため、内面溝付伝熱管１を組み込む空調機器（熱交換器１０、図３参照）が軽量化できない。

（係数α）
管軸直交断面における溝１つの溝部断面積Ｓ、および溝リード角θを用いてα＝Ｓ×ｃｏｓθで計算される係数αが０．０５以上０．１０以下であることが要求される。ここで、溝部断面積Ｓは、管外径Ｄ、底肉厚Ｔ、溝深さｈ、フィン先端半径ｒ、フィン根元半径Ｒ、溝数、フィン山頂角δから算出される。

また、係数αが０．０５未満である場合には、溝リード角θが大きくなり、混合冷媒の圧力損失が過度に大きくなる。また、溝部断面積Ｓが小さくなることにより、有効伝熱面積が小さくなる。その結果、伝熱性能、特に蒸発性能が低下する。

また、係数αが０．１０を超える場合には、溝部断面積Ｓが過度に大きくなるため、溝２の溝数が極端に少なくなり、または、溝２の溝深さｈが深くなる。そのため、管内面に溝２を成形する際に、溝成形用工具が破損し、管内面に安定して溝２を成形することができない。

（係数β）
管軸直交断面における全周の濡縁流さＬ、および溝リード角θを用いてβ＝Ｌ×ｃｏｓθで計算される係数βが２７以上４０以下であることが要求される。ここで、濡縁長さＬは、管外径Ｄ、底肉厚Ｔ、溝深さｈ、フィン先端半径ｒ、フィン根元半径Ｒ、溝数、フィン山頂角δから算出される。

また、係数βが２７未満である場合には、濡縁長さＬが短く、気液界面での有効伝熱面積が小さくなり、伝熱性能が低下する。

また、係数βが４０を超える場合には、濡縁長さＬが過度に長くなり、管内面の溝数が極端に多くなり、または、溝２の溝深さｈが深くなる。そのため、管内面に溝２を成形する際に、溝成形用工具が破損し、管内面に安定して溝２を成形することができない。

次に、溝部断面積Ｓおよび濡縁長さＬの算出に用いられる底肉厚Ｔ、フィン先端半径ｒ、フィン根元半径Ｒ、溝数について説明する。また、算出に用いられる管外径Ｄ、溝深さｈ、フィン山頂角δについては前記の通りであるので、説明を省略する。

（底肉厚Ｔ）
底肉厚Ｔは、内面溝付伝熱管１の耐圧強度、重量等を考慮して適宜設定する。

（フィン先端半径ｒ）
フィン先端半径ｒは、溝深さｈの０．０５以上０．１５未満の範囲とすることが好ましい。フィン先端半径ｒが溝深さｈの０．０５未満である場合には、フィン先端半径ｒが小さくなることから、フィン３が高くなった場合にフィン３（溝２）の成形性が悪くなり、所定形状のフィン３が得られ難く、また管内面の溝２に当接する溝成形用工具に破損が発生しやすくなる。また、フィン先端半径ｒが、溝深さｈの０．１５以上の場合には、フィン先端半径ｒが大きくなることから、フィン３の断面積が大きくなり、内面溝付伝熱管１の重量が重くなる。

（フィン根元半径Ｒ）
フィン根元半径Ｒは、溝深さｈの１／５以上２／３未満の範囲とすることが好ましい。フィン根元半径Ｒが溝深さｈの１／５未満である場合には、フィン根元半径Ｒが小さくなることから、フィン３が高くなった場合にフィン３（溝２）の成形性が悪くなり、所定形状のフィン３が得られ難く、また管内面の溝２の根元に当接する溝成形用工具に破損が発生しやすくなる。また、フィン根元半径Ｒが溝深さｈの２／３以上の場合には、フィン根元半径Ｒが大きくなることから、フィン３の断面積が大きくなり、管の底肉厚Ｔが増加して、内面溝付伝熱管１の重量が重くなる。

（溝数）
溝数は３０以上１００以下が好ましい。溝数が３０未満、または、１００を超える場合には、管内面に溝２を成形する際に、溝成形性が極端に低下したり、溝成形用工具が破損し、管内面に安定して溝２を成形することができない。

また、管外径Ｄ、溝深さｈ、フィン山頂角δ、底肉厚Ｔ、フィン先端半径ｒ、フィン根元半径Ｒ、溝数等から算出される溝底幅ｗについて説明する。
（溝底幅ｗ）
溝底幅ｗについては、０．１８ｍｍ以上が好ましい。０．１８ｍｍ未満の場合は、凝縮液溜りが生じ、有効伝熱面積が小さくなり凝縮性能が低下する。溝底幅ｗは、１つの溝２に隣接する２つのフィン３の斜面直線部３ｂと溝底部２ａとの延長線の交点間とを結ぶ線分の長さとする。

次に、本発明の内面溝付伝熱管を組み込んだ熱交換器の作製方法について、空調機器の熱交換器の大半であるプレートフィンチュ−ブ型熱交換器を例にとって説明する。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、まず、内面溝付伝熱管を、その中央部で所定の曲げピッチＰａでヘアピン状に曲げ加工してＵ字形の複数本のヘアピン管１ａを作製する。つぎに、複数本のヘアピン管１ａを、所定の間隔（フィンピッチＰｂ）をおいて相互に平行に配置されたアルミニウム又はアルミニウム合金製の複数枚のフィン材１１に挿通して、両者を接合する。そして、隣接するヘアピン管１ａの管端に、予め曲げ加工を施してあるＵベンド管１２を嵌合して、ろう付けすることにより、複数本のヘアピン管１ａを、複数本のＵベンド管１２を介して、所定の段方向ピッチ（前記曲げピッチＰａと同一）および列方向ピッチＰｃで複数段および複数列に直列に全て連結する。これにより、複数枚のフィン材１１間に有効伝熱管長の長い内面溝付伝熱管が配置された熱交換器１０が作製される。

次に、前記内面溝付伝熱管の製造方法について説明する。本発明の内面溝付伝熱管の製造は、図示しない従来から公知の製造装置を用いて行われ、前記内面溝付伝熱管の素材である素管の第１の縮径加工を行う第１の工程と、前記第１の工程で得られた縮径された素管の第２の縮径加工を行うと共に、前記素管の内面に螺旋状の溝を形成する第２の工程と、前記第２の工程で螺旋状の溝が形成された素管の第３の縮径加工を行う第３の工程を含むものである。そして素管を抽伸方向に引抜くことにより、第１の工程、第２の工程、および第３の工程がこの順で行われ、素管が内面溝付伝熱管に加工される。ここで、第１の工程、第２の工程、および第３の工程を順に説明する。

（第１の工程）
内面溝付伝熱管の素材である素管が、縮径ダイスと縮径プラグの間を通過するように引抜かれることにより、素管に第１の縮径加工が施される。
（第２の工程）
第１の工程で縮径された前記素管を、複数個の転造ボールまたは転造ロールで素管内に挿入された溝付プラグを押圧することにより、前記素管に第２の縮径加工を施すと共に、縮径された素管の内面に溝付プラグの溝形状が転写され、螺旋状の溝が形成される。
（第３の工程）
第２の工程で内面に螺旋状の溝が形成された素管を、整形ダイスにて第３の縮径加工を施し、内面溝付伝熱管を製造する。

以下、本発明の実施例について、具体的に説明する。
（第１の実施例）
内面溝形状の形状パラメータである管外径Ｄ、溝リード角θ、溝深さｈ、フィン山頂角δ、係数α＝溝部断面積Ｓ×ｃｏｓθ（溝リード角）および係数β＝濡縁流さＬ×ｃｏｓθ（溝リード角）の全てが本発明の請求範囲を満足する供試管（実施例１〜４）と、前記形状パラメータの少なくとも１つが本発明の請求範囲を満足しない供試管（比較例１〜５）を作製した。また、前記供試管の作製方法は、先ず、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅を溶解し、鋳造し、熱間押出し、冷間圧延し、冷間抽伸加工を施して素管を作製した。次に、前記素管に第１の縮径加工を施し、縮径された素管に前記内面溝形状の螺旋溝を形成しながら第２の縮径加工を施し、螺旋溝が形成された素管に第３の縮径加工を施して、外径（管外径Ｄ）７ｍｍの供試管を作製した。実施例１〜４、比較例１〜４の形状パラメータの値を表１に示す。

次に、前記各供試管を用いて、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すプレートフィンチューブ型の熱交換器１０を作製した。なお、熱交換器１０の仕様は以下の通りとした。
（熱交換器１０）
外形は、高さ２５０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ×幅２５．４ｍｍとした。
（ヘアピン管１ａ）
前記供試管を用いて作製、２列１２段（曲げピッチＰａ２１ｍｍ、列方向ピッチＰｃ１２．７ｍｍ）に配置した（有効伝熱管長は約６．７ｍであった）。
（フィン材１１）
ＪＩＳＨ４０００に規定された合金番号１Ｎ３０のアルミニウムからなる板材で、板材の表面を樹脂で被覆したものである。また、フィン材１１の厚さは１００μｍとした。そして、２００枚のフィン材１１をフィンピッチＰｂ１．２５ｍｍで平行に配置した。

この熱交換器１０を用いて伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）、圧力損失を測定し、その結果を表２に示した。ここで、蒸発性能および凝縮性能は、各々、総括熱伝達率を測定し記載した。また、圧力損失は、供試管（ヘアピン１ａ）の単位長さ当たりの蒸発圧力損失を測定し記載した。

また、図４に伝熱性能および圧力損失を測定する測定装置の模式図を示す。図４に示すように、測定装置は、恒温恒湿機能付きの吸引型風洞１００、冷媒供給装置１１０（図５参照）及び空調機（図示せず）からなる。この吸引型風洞１００においては、空気流入口１０８から流入されて空気排出口１０９から排出される空気の流通経路に熱交換器１０が配置され、この熱交換器１０の上流側および下流側に夫々エアーサンプラ１０１、１０２が配置されている。このエアーサンプラ１０１、１０２には夫々温湿度計測箱１０３、１０４が連結されている。この温湿度計測箱１０３、１０４は夫々エアーサンプラ１０１、１０２により採取された空気の乾球温度および湿球温度を測定することにより、この空気の温度及び湿度を測定するものである。また、エアーサンプラ１０２の下流側には誘引ファン１０５が設けられ、空気排出口１０９に空気を排出している。また、熱交換器１０とエアーサンプラ１０２との間、およびエアーサンプラ１０２と誘引ファン１０５との間には、熱交換器１０を通過した空気を整流する整流器１０６、１０６が設けられている。

また、図５に冷媒供給装置１１０の模式図を示す。図５において、１０７は冷媒配管、１１１はサイトグラス、１１２は液（冷媒）加熱および冷却用熱交換器、１１３はドライヤー、１１４は受液（冷媒）器、１１５は溶栓、１１６は凝縮器、１１７はオイルセパレータ、１１８はコンプレッサー、１１９はアキュームレータ、１２０は蒸発器、１２１は膨張弁、１２２は流量計である。そして、冷媒配管１０７を通じて、吸引型風洞１００内に備えられた熱交換器１０のヘアピン管１ａ（図３参照）の内部に、圧力および温度を調節した冷媒が供給される。また、熱交換器１０の入口及び出口には、冷媒の温度および圧力を測定する圧力計１２３（温度は測定圧力相当飽和温度とする）が設けられている。さらに、空調機（図示せず）は、吸引型風洞１００の空気流入口１０８に温度および湿度が制御された空気を供給するものである。

そして、測定条件は表３に示す通りとし、冷媒としてはＲ４１０Ａを使用し、冷媒質量速度３００ｋｇ／ｍ²ｓ（冷媒流量３５ｋｇ／ｈ）とした。また、蒸発性能測定の際の冷媒の流れと、凝縮性能測定の際の冷媒の流れとは、互いに異なる方向とした（図５に示す冷媒供給装置１１０の冷媒の流れ方向は、蒸発性能測定の際の冷媒の流れ方向を示している）。

表２の結果より、本発明の実施例１〜４は、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ/ｍ²Ｋを上回り、凝縮性能も目標値である０．０３３ｋｗ/ｍ²Ｋ以上と優れた伝熱性能であった。また、圧力損失においても約０．８ｋＰａ／ｍ程度で管外径７ｍｍ、有効伝熱管長約６．７ｍの伝熱管としては大きな圧力損失値ではなかった。

また、比較例１では、係数αが本発明の請求範囲の上限値を超えるため、溝数が極端に少なくなり、溝成形不良が発生し、供試管（内面溝付伝熱管）の量産ができない状態であった。比較例２では、係数αが請求範囲の下限値未満であるため、溝数が多く、溝リード角θが大きくなり、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ／ｍ²Ｋを下回り、圧力損失も実施例１〜４と比べて大きかった。比較例３では、溝リード角θが請求範囲の上限値を超えるため比較例１と同様に溝成形不良が発生した。比較例４では、係数αおよび係数βが請求範囲の下限値未満であるため、溝深さｈが小さく、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ／ｍ²Ｋを下回り、凝縮性能も目標値である０．０３３ｋｗ／ｍ²Ｋを下回った。比較例５では、係数βが請求範囲の上限値を超えるため、溝数が極端に多くなり、溝成形不良が発生した。

（第２の実施例）
供試管の管外径Ｄとして６．３５ｍｍ（実施例５、比較例６）、５ｍｍ（比較例７）を使用した以外は、第１の実施例と同様とした。供試管の形状パラメータの値を表４に、伝熱性能（蒸発性能、凝縮性能）及び圧力損失の測定結果を表５に示す。

表５の結果より、本発明の実施例５は、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ／ｍ²Ｋを上回り、凝縮性能も目標値である０．０３３ｋｗ／ｍ²Ｋを上回り優れた伝熱性能であった。また、圧力損失においても約１．３ｋＰａ／ｍで管外径６．３５ｍｍ、有効伝熱管長約６．７ｍの伝熱管としては大きな圧力損失値ではなかった。

また、比較例６では、溝リード角θおよび係数βが請求範囲の下限値未満であるため、溝深さｈが小さく、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ／ｍ²Ｋを下回り、凝縮性能も目標値である０．０３３ｋｗ／ｍ²Ｋを下回った。比較例７では、管外径Ｄ、溝リード角θ、係数αおよび係数βが請求範囲の下限値未満であるため、溝深さｈが小さく、蒸発性能が目標値である０．０５４ｋｗ／ｍ²Ｋを下回り、圧力損失も約１．５ｋＰａ／ｍで管外径５ｍｍ、有効伝熱管長約６．７ｍの伝熱管としては大きな圧力損失値であった。

本発明に係る内面溝付伝熱管の断面形状を示す管軸方向に破断した時の一部拡大断面図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図である。（ａ）は本発明に係る内面溝付伝熱管を熱交換器に組み込んだ例を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の熱交換器をＵベンド管側から見た図、（ｃ）は（ａ）の熱交換器をヘアピン管側から見た図である。本発明に係る内面溝付伝熱管を組み込んだ熱交換器の伝熱性能、圧力損失を測定する際に使用する吸引型風洞の模式図である。図４の吸引型風洞に冷媒を供給する冷媒供給装置の模式図である。

符号の説明

１内面溝付伝熱管
２溝
３フィン
Ｄ管外径
ｈ溝深さ
Ｌ濡縁長さ
Ｓ溝部断面積
δ フィン山頂角
θ 溝リード角

Claims

ハイドロフルオロカーボン系の冷媒であるＲ３２およびＲ１２５を混合した擬似共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａを使用する管の外径Ｄが６ｍｍ以上１０ｍｍ以下の内面溝付伝熱管において、
前記内面溝付伝熱管の管内面に、螺旋状の溝及び前記溝間に形成されたフィンを複数有し、前記溝と管軸とがなす溝リード角θが３０°を超え５５°以下、管軸直交断面における前記溝の溝深さｈが０．１０ｍｍ以上０．３５ｍｍ以下、前記フィンのフィン山頂角δが５°以上３０°以下、前記フィンのフィン先端半径ｒが前記溝深さｈの０．０５以上０．１５未満であって、
前記管内面の管軸直交断面における溝１つの溝部断面積Ｓおよび前記溝リード角θを用いてα＝Ｓ×ｃｏｓθで計算される係数αが０．０５以上０．１０以下、
前記管内面の管軸直交断面における全周の濡縁長さＬおよび前記溝リード角θを用いてβ＝Ｌ×ｃｏｓθで計算される係数βが２７以上４０以下であることを特徴とする内面溝付伝熱管。