JP4386813B2

JP4386813B2 - 蒸発器用内面溝付伝熱管

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Publication number: JP4386813B2
Application number: JP2004248723A
Authority: JP
Inventors: 相武李; 主税佐伯; 弘晴小川
Original assignee: 株式会社コベルコマテリアル銅管
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006064311A

Description

本発明は熱交換器の蒸発器用内面溝付伝熱管に関し、特に、冷凍機油を含有する二酸化炭素冷媒を使用する蒸発器用内面溝付伝熱管に関する。

従来、空調機、カーエアコン、冷蔵庫、冷凍機、給湯器及び自動販売機等に設けられている熱交換器にはフロン系の溶媒が使用されていたが、フロン系の溶媒は地球温暖化への影響が懸念されており、近時、毒性及び可燃性がなく安全で、安価で、更に環境への付加が小さい自然冷媒が注目されている。

このような自然冷媒の１種である二酸化炭素（ＣＯ_２）は、熱特性に大きく影響を与える液定圧比熱及び液熱伝導率が高く、フロン系冷媒（Ｒ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ）よりも伝熱性能が優れている。また、二酸化炭素は、表面張力が小さいため、フロン系冷媒よりも気泡が発生しやすく、核沸騰が促進されるため、冷媒として二酸化炭素を使用すると、フロン系冷媒を使用した場合に比べて伝熱性能が向上する。更に、二酸化炭素はフロン系冷媒よりも液粘性率及び密度が小さいため、圧力損失が小さい。更にまた、二酸化炭素には、蒸気密度及び潜熱が大きく、単位排除容積あたりの冷凍効果がフロン系冷媒よりも大きいという特徴がある。

一方、二酸化炭素には、冷房及び暖房の単純サイクルにおける理論性能が低いという問題点がある。このため、二酸化炭素を冷媒として使用する場合は、冷媒が通流する伝熱管に高い伝熱性能が求められるが、従来、ＣＯ_２冷媒を使用した熱交換器においては、蒸発器用伝熱管に、熱伝達率が低い平滑管が使用されていたため（非特許文献１参照）、大きな蒸発性能を得るためには、蒸発器を大きくしなければならなかった。そこで、管内面に複数の溝を形成した内面溝付伝熱管を使用した蒸発器が提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１に記載の蒸発器においては、伝熱管の内壁に管の長手方向に延びる複数個の突起部を設けることにより、伝熱面積を拡大して伝熱管の熱伝達率を向上させている。

特開２００３−３４３９４２号公報 Masafumi KATSUYA、外３名，「A STUDY EVAPORATOR OF CO2 REFRIGERANT CYCLE -Characteristics of heat transfer coefficient and pressure drop on mixing CO2 and oil (PAG)-」，Proceeding of the Asian Conference on Refrigeration and Air Conditioning 2002，２００２年１１月４日，Ａ２−３，ｐ．６７−７４

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。即ち、通常、伝熱管内を通流するＣＯ_２冷媒中には、圧縮機用の潤滑剤である冷凍機油が含まれており、単に伝熱管の内面に溝を形成しただけでは、蒸発性能が向上しないという問題点がある。このため、従来フロン系冷媒で使用されている内面溝付伝熱管をＣＯ_２冷媒用として使用しても、十分な伝熱性能は得られない。また、特許文献１においては、伝熱管の通路長さと平均内径との関係を規定しているだけで、具体的な溝形状は規定されていないため、この特許文献１に記載されている内面溝付伝熱管も同様に、冷凍機油を含んだＣＯ_２冷媒を使用した場合、圧力損失が増加して、十分な蒸発性能が得られない。このような圧力損失の増加は、ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量が高い程著しい。

更に、ＣＯ_２冷媒を使用する場合、伝熱管内の圧力が高くなるため、フロン系冷媒を使用する場合よりも伝熱管の厚さを厚くしなければならない。このため、伝熱管の内面に溝を形成する場合は、その溝深さが制限されるという問題点もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷凍機油を含む二酸化炭素冷媒を使用する場合でも、圧力損失が増加せず、蒸発伝熱性能が優れた蒸発器用内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

本願第１発明に係る蒸発器用内面溝付伝熱管は、冷凍機油含有量が０．１乃至４．０質量％である二酸化炭素を冷媒として使用する熱交換器の蒸発器用内面溝付伝熱管であって、外径が３乃至７ｍｍであり、管内面には深さが０．１４乃至０．２７ｍｍである螺旋状の溝が形成されており、管内面における管軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とがなす角度が５乃至２０°であり、管軸方向に対して垂直な断面における前記溝部の面積が０．０２０乃至０．０５３ｍｍ ^２であることを特徴とする。

本発明によれば、ＣＯ_２冷媒の冷凍機油含有量が０．１乃至４．０質量％である場合において、フィン高さ、ねじれ角及び溝部断面積を最適化しているため、従来使用されていた平滑管に比べて、圧力損失を増加させずに、熱伝達率を向上させることができ、蒸発伝熱性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る蒸発器用内面溝付伝熱管について、添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る内面溝付伝熱管について説明する。図１（ａ）は本実施形態の内面溝付伝熱管における管軸方向に垂直な断面を示す断面図であり、図１（ｂ）は管軸方向と平行な断面を示す断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の内面溝付伝熱管２１は、銅又は銅合金等の金属材料からなり、管内面には相互に平行な複数の螺旋状の溝２２が一定の間隔で形成され、隣り合う溝２２間は山形状のフィン２３となっている。この内面溝付伝熱管１の外径は３乃至７ｍｍであり、溝２２の深さ、即ち、フィン２３の高さｈは０．１４乃至０．２７ｍｍであり、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２２が延びる方向とがなす角度、即ち、ねじれ角θは２乃至２５°である。

この内面溝付伝熱管２１は、冷凍機油を０．１乃至１．５質量％含有するＣＯ_２冷媒を使用する熱交換器の蒸発器に組み込まれる。図２は本実施形態の内面溝付伝熱管２１が組み込まれた蒸発器を備えた熱交換器の構成を示す図である。図２に示すように、熱交換器３０には、ＣＯ_２冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気及び水等を冷却する蒸発器３１と、蒸発器３１から排出されたＣＯ_２冷媒を圧縮し、高温にして凝縮器３３に供給する圧縮機３２と、ＣＯ_２冷媒の熱により空気及び水等を加熱する凝縮器３３と、凝縮器３３から排出されたＣＯ_２冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器３１に供給する膨張弁３４とが設けられている。そして、本実施形態の内面溝付伝熱管２１は、蒸発器３１に組み込まれ、その内部には冷凍機油を０．１乃至１．５質量％含有するＣＯ_２冷媒が流される。

次に、本実施形態の内面溝付伝熱管２１における数値限定理由について説明する。

外径：３乃至７ｍｍ
外径が３ｍｍ未満であると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として蒸発伝熱性能及び圧力損失により求められる蒸発性能が低下する。一方、外径が７ｍｍを超えると、伝熱管内の圧力が高くなり、伝熱管の厚さを厚くしなければならない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管２１においては、外径を３乃至７ｍｍとする。

フィン高さ：０．１４乃至０．２７ｍｍ
本実施形態の内面溝付伝熱管２１においては、フィン高さｈが高い程、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、フィン高さｈが０．２７ｍｍを超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として、蒸発性能が低下する。一方、フィン高さｈが０．１４ｍｍ未満の場合、熱伝達率が向上しない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管２１においては、フィン高さｈを０．１４乃至０．２７ｍｍとする。

ねじれ角：２乃至２５°
冷凍機油含有量が０．１乃至１．５質量％であるＣＯ_２冷媒を使用する場合、内面溝付伝熱管の蒸発性能には、図１（ｂ）に示すねじれ角θによる影響が大きい。このねじれ角θとは、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２２が延びる方向とがなす角度である。但し、ねじれ角θが２°未満の場合、従来使用されていた平滑管と同等の蒸発性能しか得られない。一方、ねじれ角θが２５°を超えると、フィン３の頂部へ移動する冷凍機油の量が多くなり、フィン頂部まで冷凍機油に覆われてしまい蒸発性能が低下する。更に、ねじれ角θが２５°を超えると、圧力損失が増加するため、蒸発性能を向上させる効果も得られない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管２１におけるねじれ角は、２乃至２５°とする。

ＣＯ _２冷媒中の冷凍機油含有量：０．１乃至１．５質量％
通常、伝熱管内を通流するＣＯ_２冷媒中には、ポリアルキレングリコール系油等の冷凍機油が含まれている。この冷凍機油は、圧縮機用の潤滑剤であり、ベアリング及びシリンダ等の可動部の潤滑性を向上させると共に、摩擦により発生する熱を吸収することにより可動部を冷却して、圧縮機を良好に稼働させるものである。しかしながら、ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量が０．１質量％未満であると、内面溝付伝熱管の蒸発性能は、ねじれ角θ及び管軸方向に垂直な断面における溝部２２の面積（以下、溝部断面積という）Ｓよりも、伝熱面積に影響されるようになり、ねじれ角θを上述の範囲にしても十分な蒸発性能が得られない。また、ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量が１．５質量％を超えると、内面溝付伝熱管の蒸発性能は、ねじれ角θよりも溝部断面積Ｓに影響されるようになり、ねじれ角θを上述の範囲にしても十分な蒸発性能が得られない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管２１内に通流させるＣＯ_２冷媒の冷凍機油含有量は、０．１乃至１．５質量％とする。

また、本実施形態の内面溝付伝熱管２１においては、溝部断面積Ｓが０．０１乃至０．０６ｍｍ^２であることが好ましい。これにより、伝熱面積が増加し、蒸発伝熱性能がより向上する。なお、内面溝付伝熱管２１の外面には、フィン又は突起が形成されていてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態の内面溝付伝熱管について説明する。本実施形態の内面溝付伝熱管は、銅又は銅合金等の金属材料からなり、冷凍機油を１．５質量％を超え４．０質量％以下含有するＣＯ_２冷媒を使用する熱交換器の蒸発器用の伝熱管である。また、本実施形態の内面溝付伝熱管は、図１に示す内面溝付伝熱管２１と同様に、内面溝付伝熱管の外径が３乃至７ｍｍであり、その内面には、相互に平行な複数の螺旋状の溝が一定の間隔で形成されており、隣り合う溝間は山形状のフィンになっている。そして、溝の深さ、即ち、フィン高さｈは０．１４乃至０．２７ｍｍであり、溝部断面積Ｓが０．０２０乃至０．０５３ｍｍ^２である。このように、本実施形態の内面溝付伝熱管と、前述の第１の実施形態の内面溝付伝熱管２１とは、使用するＣＯ_２冷媒の冷凍機油含有量が異なっている。なお、本実施形態の内面溝付伝熱管は、熱交換器の蒸発器に組み込まれ、その内部には、冷凍機油を１．５質量％を超え４．０質量％以下含有するＣＯ_２冷媒が流される。

次に、本実施形態の内面溝付伝熱管における数値限定理由について説明する。

直径：３乃至７ｍｍ
外径が３ｍｍ未満であると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として蒸発性能が低下する。一方、外径が７ｍｍを超えると、伝熱管内の圧力が高くなり、伝熱管の厚さを厚くしなければならない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管においては、前述の第１の実施形態の内面溝付管２１と同様に、外径を３乃至７ｍｍとする。

フィン高さ：０．１４乃至０．２７ｍｍ
前述の第１の実施形態の内面溝付伝熱管２１と同様に、本実施形態の内面溝付伝熱管においても、フィン高さｈが高い程、熱伝達率が高くなる。しかしながら、フィン高さｈが０．２７ｍｍを超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、蒸発性能が低下する。一方、フィン高さｈが０．１４ｍｍ未満の場合、熱伝達率を向上させる効果が得られない。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管においては、フィン高さｈを０．１５乃至０．２７ｍｍとする。

溝部断面積：０．０２０乃至０．０５３ｍｍ ^２
冷凍機油含有量が１．５質量％を超え５．０質量％以下であるＣＯ_２冷媒を使用する場合、内面溝付伝熱管の蒸発性能には、溝部断面積Ｓによる影響が大きい。溝部断面積Ｓが０．０２０ｍｍ^２未満の場合、溝幅が狭くなり、溝から冷凍機油が溢れてフィン頂部まで冷凍機油に覆われてしまうため、蒸発性能が低下する。一方、溝部断面積Ｓが０．０５３ｍｍ^２を超えると、溝の数が少なくなるため、伝熱面積が減少し、蒸発性能が低下する。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管における溝部断面積Ｓは０．０２０乃至０．０５３ｍｍ^２とする。

ＣＯ _２冷媒中の冷凍機油含有量：１．５質量％を超え４．０質量％以下
ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量が１．５質量％以下の場合、伝熱管の蒸発性能は、溝部断面積Ｓよりも、ねじれθに影響されるようになり、溝部断面積Ｓを上述の範囲にしても十分な蒸発性能が得られない。また、ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量が４．０質量％を超えると、熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、蒸発性能が低下する。よって、本実施形態の内面溝付伝熱管内に通流させるＣＯ_２冷媒の冷凍機油含有量は、１．５質量％を超え４．０質量％以下とする。

また、本実施形態の内面溝付伝熱管におけるねじれ角θは、５乃至２０°であることが好ましい。冷凍機油含有量が１．５質量％以下のＣＯ_２冷媒を使用する場合、蒸発性能におけるねじれ角θの影響は小さいが、ねじれ角θを５乃至２０°にすることにより、フィン頂部へ移動する冷凍機油の量が少なくなり、蒸発伝熱性能をより向上させることができる。なお、本実施形態の内面溝付伝熱管の外面には、フィン又は突起が形成されていてもよい。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１実施例として、外径が６ｍｍ、フィン高さｈが０．１５ｍｍ、ねじれ角θが５°、１５°及び２５°である実施例１乃至３の内面溝付伝熱管を作製した。また、本発明の比較例として、外径が６ｍｍ、フィン高さｈが０．１５ｍｍ、ねじれ角θが夫々０°及び３０°である比較例１及び２の内面溝付伝熱管を作製した。なお、各内面溝付伝熱管における溝部断面積Ｓは、実施例１が０．０３４ｍｍ^２、実施例２が０．０３４ｍｍ^２、実施例３が０．０３３ｍｍ^２、比較例１が０．０３４ｍｍ^２、比較例２が０．０３２ｍｍ^２であった。

次に、実施例１乃至３並びに比較例１及び２の内面溝付伝熱管の熱伝達率及び圧力損失を測定した。図３は熱伝達率及び圧力損失の測定に使用した装置の構成を示す図であり、図４はその蒸発器の構成を示す図である。図３に示すように、本実施例で使用した測定装置には、ＣＯ_２冷媒を圧縮することにより高温にする圧縮機２と、凝縮器であるガス冷却器４と、ＣＯ_２冷媒を膨張させて低温にする膨張弁７と、試験部である蒸発器１が設けられている。この蒸発器１の出入口には、夫々、ＣＯ_２冷媒を加熱する予熱機８及び過熱器９が設けられている。また、圧縮機２の出口には、冷媒中の冷凍機油を分離するオイルセパレータ３ａが設けられており、更に、圧縮機２の入口及びガス冷却器４の出口には、夫々冷媒の脈動をなくすアキュームレータ５ａ及び５ｂが設けられている。

本実施例においては、圧縮器２用の冷凍機油としてポリアルキレングリコール系油を使用した。そして、蒸発器１の出口に設けたオイルセパレータ３ｂによってＣＯ_２冷媒中の冷凍機油を分離し、この分離した冷凍機油をオイル冷却器１０で冷却した後、オイルポンプ１１及び流量計１２を経由して再度ＣＯ_２冷媒中に添加することにより、蒸発器１の直前の部分における冷凍機油含有量を調節した。なお、ＣＯ_２冷媒中の冷凍機油含有量は、予熱器８の直前のサンプリングポート１４においてＣＯ_２冷媒を採取し、精密化学天秤によりその質量を測定することにより求めた。また、蒸発器１に熱源水を供給している間は、ガス冷却器４及びオイル冷却器１０に冷却水を供給した。更に、予熱器８及び過熱器９には、直流電流を供給した。

本実施例においては、ガス冷却器４と膨張弁７との間に、精度が±０．４％のマイクロモーション型質量流量計６を設け、この流量計６により冷媒の流量を測定した。また、蒸発器１と過熱器９との間、オイルセパレータ３ｂとコンプレッサー２との間、コンプレッサー２とガス冷却器４との間、ガス冷却器４とアキュームレータ５ｂとの間、流量計６と膨張弁７との間には、夫々冷媒混合室１８ａ乃至１８ｅが設けられている。そして、冷媒の温度及び圧力は、夫々、冷媒混合室１８ａ乃至１８ｅ内に備えられた直径が０．５ｍｍクロメル−アルメル被覆熱電対１９ａ乃至１９ｅ及び精度が０．０２ＭＰａの圧力変換器２０ａ乃至２０ｅにより測定した。その際、熱電対１９ａ乃至１９ｅは、予め誤差が±０．０５Ｋ以内になるように校正した。

また、図４に示すように、蒸発器１には、直径が１８ｍｍで、内径が１２ｍｍの外管の内部に、実施例又は比較例の内面溝付伝熱管が配置された３本の二重管１５ａ乃至１５ｃが、直列に接続されている。なお、これらの二重管１５ａ乃至１５ｃは、長さが０．６８８ｍであり、有効熱伝達長さが０．５ｍである。そして、実施例１又は比較例１の伝熱管の内部にはＣＯ_２冷媒を通流させ、これらの伝熱管と外管との間には冷却水を通流させた。その際、ＣＯ_２冷媒の通流方向と冷却水の通流方向とが相互に逆になるようにした。

この蒸発器１には、熱源１３が設けられており、冷却水の流量は、この熱源１３内に設けられた精度が±０．５％のギア式流量計により測定した。また、二重管１５ａ乃至１５ｃの両端部には、夫々熱源水混合室１６ａ乃至１６ｆが設けられており、冷却水の温度は、この熱源水混合室１６ａ乃至１６ｆに設置された外径が２．０ｍｍの抵抗温度計により測定した。その際、各抵抗温度計は、誤差が±０．０２Ｋ以内になるように校正した。更に、二重管１５ａ乃至１５ｃ間の圧力差は、精度が±０．２５％の差圧変換器１７ａ乃至１７ｄにより測定した。更にまた、各伝熱管の外壁の温度は、外径が０．１ｍｍの銅線及びコンスタンタン線により形成されている銅−コンスタンタン熱電対を、伝熱管の外面の上下左右に配置して測定した。その際、これらの熱電対は、誤差が±０．０５Ｋ以内になるように校正した。更にまた、蒸発器１の冷媒出口付近には冷媒混合室１８ａが設けられており、この冷媒混合室１８ａに設けられた熱電対１９ａ及び圧力変換器２０ａにより、冷媒の温度及び圧力を測定した。

各伝熱管の内壁の温度Ｔ_ｗｉは、下記数式１から求めた。

なお、上記数式１におけるＴ_ｗｏは伝熱管の外壁の温度であり、λ_ｗは伝熱管の熱伝導率であり、ｄ_ｗｉ及びｄ_ｗｏは夫々伝熱管の内径及び外径であり、Ｑは二重管１５ａ乃至１５ｃの熱伝導率であり、Δｚは二重管１５ａ乃至１５ｃの有効熱伝達長さである。

また、全熱収支、即ち、冷却水による熱量の増加と冷媒による熱量の損失との比は５％未満とし、二酸化炭素の熱力学的性質及び移送性能は、ＲＥＦＰＲＯＰＶｅｒ．７．０（M. O. McLinden、外２名，2002，Peskin AP，NIST thermodynamic properties of refrigerants and refrigerant mixtures database (REFPROP)，Ver.7.0）を使用して計算した。

更に、伝熱管の局所熱伝達率αは、下記数式２から求めた。

ここで、上記数式２におけるＴ_ｂは二重管１５ａ乃至１５ｃにおける標準圧力時のＣＯ_２冷媒の温度である。また、ｑは二重管１５ａ乃至１５ｃにおける熱流束であり、下記数式３により求められる。

なお、上記数式２により求められる局所熱伝達率αの不確実性は１０％未満であり、上記数式３により求められる熱流束ｑの不確実性は６％未満である。

そして、上述した方法により、冷凍機油含有量を１．０質量％、冷媒圧力を４ＭＰａ、冷媒流速を３６０ｋｇ／ｍ^２ｓとして測定した各内面溝付管の熱伝達率及び圧力損失から、下記数式４により定義される性能比を求めた。この性能比は、平滑管の蒸発性能に対して内面溝付管の蒸発性能を評価したものであり、内面溝付管の熱伝達率と平滑管の熱伝達率が同じ値で、且つ内面溝付管の圧力損失と平滑管の圧力損失が同じ値である場合、即ち、内面溝付管の蒸発性能と平滑管の蒸発性能とが同じである場合、性能比の値は１となる。その際、平滑管の熱伝達率及び圧力損失は、内面に溝を形成していない外径が６ｍｍの平滑管を使用し、前述の実施例及び比較例の内面溝付伝熱管と同様の方法及び条件により測定した値を使用した。以上の結果を下記表１にまとめて示す。なお、下記表１には、従来例として、外径が６ｍｍの平滑管の性能比も併せて示す。

上記表１に示すように、本発明の範囲内で作製した実施例１乃至３の内面溝付伝熱管は、性能比が１を超えており、従来の平滑管よりも蒸発性能が向上していた。一方、ねじれ角θが本発明の範囲よりも小さい比較例１の内面溝付伝熱管は性能比が０．９２であり、またねじれ角θが本発明の範囲よりも大きい比較例２の内面溝付伝熱管は性能比が０．９４であり、共に平滑管に比べて優位性が低かった。

次に、本発明の第２実施例として、外径が６ｍｍ、フィン高さｈが０．１８ｍｍ、ねじれ角θが２５°であり、溝部断面積Ｓが夫々０．０２６ｍｍ^２及び０．０３９ｍｍ^２である実施例４及び５の内面溝付伝熱管を作製した。また、本発明の比較例として、外径が６ｍｍ、フィン高さｈが０．１８ｍｍ、ねじれ角θが２５°、溝部断面積Ｓが夫々０．０１９ｍｍ^２及び０．０６４ｍｍ^２である比較例３及び４の内面溝付伝熱管を作製した。そして、これら実施例４及び５並びに比較例３及び４の内面溝付伝熱管について、冷凍機油含有量が３．０質量％であるＣＯ_２冷媒を使用し、それ以外は前述の第１実施例と同様の方法で性能比を求めた。その結果を下記表２にまとめて示す。なお、下記表２には、従来例として、外径が６ｍｍの平滑管の性能比も併せて示す。

上記表２に示すように、本発明の範囲内で作製した実施例４及び５の内面溝付伝熱管は、性能比が１．００を超えており、従来の平滑管よりも蒸発性能が向上していた。一方、溝部断面積Ｓの値が本発明の範囲よりも小さい比較例３の内面溝付伝熱管は、性能比が０．９５であり、従来の平滑管に比べて、優位性が低かった。また、溝部断面積Ｓの値が本発明の範囲よりも大きい比較例４の内面溝付伝熱管は、性能比が０．５９であり、平滑管と同等の性能しか得られなかった。

次に、本発明の第３実施例として、外径を６ｍｍ、ねじれ角θを２５°とし、フィン高さｈを変えて複数の内面溝付伝熱管を作製し、冷凍機油含有量が１．０質量％であるＣＯ_２冷媒を使用し、それ以外は前述の第１実施例と同様の方法でその性能比を求めた。なお、各内面溝付伝熱管の溝部断面積Ｓは、０．０２乃至０．０６ｍｍ^２であった。図５は横軸にフィン高さｈをとり、縦軸に性能比をとって、フィン高さｈと性能比との関係を示すグラフ図である。図５に示すように、内面溝付伝熱管の性能比は、フィン高さｈが高くなるに従い増加したが、フィン高さｈが２．０ｍｍ程度を超えると低下した。これは、フィン高さｈが２．０ｍｍ程度を超えると、熱伝達率の増加率よりも圧力損失の増加率の方が多くなったためである。しかしながら、フィン高さｈが０．１４乃至０．２７ｍｍと、本発明の範囲内である内面溝付伝熱管は、性能比が１を超え、従来の平滑管よりも蒸発性能が向上した。

次に、本発明の第４実施例として、外径を６ｍｍ、フィン高さｈを０．１５ｍｍ、溝部断面積Ｓを０．０３４ｍｍ^２とし、ねじれ角θを変えて複数の内面溝付伝熱管を作製した。そして、これらの内面溝付伝熱管について、冷凍機油含有量が１．０質量％及び３．０質量％であるＣＯ_２冷媒を使用し、それ以外は前述の第１実施例と同様の方法でその性能比を求めた。

図６は横軸にねじれ角θをとり、縦軸に性能比をとって、ねじれ角θと性能比との関係を示すグラフ図である。図６に示すように、冷凍機油含有量が１．０質量％の場合では、ねじれ角θが１０乃至１５°程度で性能比が最大となり、これよりもねじれ角θが小さく又は大きくなるに従い性能比は低下した。更に、ねじれ角θが本発明の範囲から外れ、２°よりも小さくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。同様に、ねじれ角θが本発明の範囲から外れて２５°よりも大きくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。一方、冷凍機油含有量が３．０質量％の場合では、ねじれ角θが５°よりも小さくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。同様に、ねじれ角θが本発明の範囲から外れて２０°よりも大きくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。

次に、本発明の第５実施例として、外径を６ｍｍ、フィン高さｈを０．１８ｍｍ、ねじれ角θを２５°とし、溝部断面積Ｓを変えて複数の内面溝付伝熱管を作製した。そして、これらの内面溝付伝熱管について、冷凍機油含有量が１．０質量％及び３．０質量％であるＣＯ_２冷媒を使用し、それ以外は前述の第１実施例と同様の方法でその性能比を求めた。

図７は横軸に溝部断面積Ｓをとり、縦軸に性能比をとって、溝部断面積Ｓと性能比との関係を示すグラフ図である。図７に示すように、冷凍機油含有量が３．０質量％の場合では、溝部断面積Ｓが０．０３乃至０．０４ｍｍ^２程度で性能比が最大となり、これよりも溝部断面積Ｓが小さく又は大きくなるに従い性能比は低下した。更に、溝部断面積Ｓが本発明の範囲から外れ、０．０２ｍｍ^２よりも小さくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。同様に、溝部断面積Ｓが本発明の範囲から外れて０．０５３ｍｍ^２よりも大きくなると、性能比が１よりも小さくなり、平滑管に対する優位性がなくなった。一方、冷凍機油含有量が１．０質量％の場合では、溝部断面積Ｓを変化させても性能比は大きく変化しないが、溝部断面積Ｓが０．０３ｍｍ^２程度で性能比が最大になった。

次に、本発明の第６実施例として、外径が６ｍｍ、フィン高さｈが０．１５ｍｍ、ねじれ角θが１５°、溝部断面積Ｓが０．０３４ｍｍ^２である内面溝付伝熱管を作製した。そして、この内面溝付伝熱管（実施例）及び外径が６ｍｍの平滑管（従来例）について、冷凍機油含有量を変えたＣＯ_２冷媒を使用して、それ以外は前述の第１実施例と同様の方法及び条件でその性能比を求めた。

図８は横軸にＣＯ_２冷媒中の冷凍機油量をとり、縦軸に伝熱性能低下率をとって、冷凍機油含有量と伝熱性能との関係を示すグラフ図である。なお、図８に示す伝熱性能低下率は、実施例の内面溝付伝熱管における冷凍機油含有量が０％である場合の伝熱性能を１００％としたときの値である。図８に示すように、実施例の内面溝付伝熱管は、冷凍機油含有量が増加したときの伝熱性能低下率は従来例の平滑管に比べて大きいが、伝熱性能は全ての範囲において従来の平滑管よりも高かった。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の内面溝付伝熱管における管軸方向に垂直な断面を示す断面図であり、（ｂ）は管軸方向と平行な断面を示す断面図である。本発明の第１実施形態の内面溝付伝熱管が組み込まれた蒸発器を備えた熱交換器の構成を示す図である。熱伝達率及び圧力損失の測定に使用した装置の構成を示す図である。図３に示す蒸発器の構成を示す図である。横軸にフィン高さｈをとり、縦軸に性能比をとって、フィン高さｈと性能比との関係を示すグラフ図である。横軸にねじれ角θをとり、縦軸に性能比をとって、ねじれ角θと性能比との関係を示すグラフ図である。横軸に溝部断面積Ｓをとり、縦軸に性能比をとって、溝部断面積Ｓと性能比との関係を示すグラフ図である。横軸にＣＯ_２冷媒中の冷凍機油量をとり、縦軸に伝熱性能低下率をとって、冷凍機油含有量と伝熱性能との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１、３１；蒸発器
２、３２；圧縮機
３ａ、３ｂ；オイルセパレータ
４；ガス冷却器
５ａ、５ｂ；アキュームレータ
６、１２；流量計
７、３４；膨張弁
８；予熱器
９；過熱器
１０；オイル冷却器
１１；オイルポンプ
１３；熱源
１４；サンプリングポート
１５ａ〜１５ｃ；二重管
１６ａ〜１６ｆ；熱源水混合室
１７ａ〜１７ｄ；差圧変換器
１８ａ〜１８ｆ；冷媒混合室
１９ａ〜１９ｆ；熱電対
２０ａ〜２０ｆ；圧力変換器
２１；内面溝付伝熱管
２２；溝
２３；フィン
３０；熱交換器
３３；凝縮器
ｈ；フィン高さ
Ｓ；溝部断面積
θ；ねじれ角

Claims

冷凍機油含有量が０．１乃至４．０質量％である二酸化炭素を冷媒として使用する熱交換器の蒸発器用内面溝付伝熱管であって、外径が３乃至７ｍｍであり、管内面には深さが０．１４乃至０．２７ｍｍである螺旋状の溝が形成されており、管内面における管軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とがなす角度が５乃至２０°であり、管軸方向に対して垂直な断面における前記溝部の面積が０．０２０乃至０．０５３ｍｍ ^２であることを特徴とする蒸発器用内面溝付伝熱管。