JP4550451B2

JP4550451B2 - 内面溝付伝熱管及び内面溝付伝熱管を用いた熱交換器

Info

Publication number: JP4550451B2
Application number: JP2004068654A
Authority: JP
Inventors: 弘太郎釣; 利明橋爪; 省治北村
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-11
Also published as: JP2005257160A

Description

本発明は、給湯器やエアコンに用いられる熱交換器において、特に作動圧力の高い二酸化炭素を冷媒とする熱交換器の伝熱管として用いる内面溝付伝熱管に関するものである。

従来、エアコンをはじめとする空調装置の熱交換器である蒸発器や凝縮器は、伝熱管内面に螺旋状の内面フィンを設ける転造加工工程と、転造加工により得られた内面溝付伝熱管を放熱用プレートフィンに圧入し、前記伝熱管を拡管する拡管工程により製造される。

前記伝熱管は通常、管に溝付プラグを挿入し、周囲から回転するボールによりプラグに対して管を押圧することによって管内部に内面フィンを成形する。プレートフィンは板状であり、伝熱管の外径よりも大きな孔が開いており、そこに伝熱管を挿入し、次いで拡管を行う。すなわち伝熱管に拡管プラグを挿入し伝熱管の径を拡大することで管とプレートフィンを密着する作業を行う。

この際、拡管プラグにより伝熱管の内面フィンが押圧されるため、内面フィン頂部の潰れや変形、フィン倒れが発生する。また押圧力に分布が生じることによりプレートフィンに過大な応力が付加され割れが生じる。これらにより熱交換効率が低下する問題が発生する。この問題に対して、管の内面に、頂部が平面で台形断面を有する内面フィンを設けた内面溝付管の例がある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、内面フィンが従来よりも大きくなるので、その分伝熱管の重量が増加し、コストが上がってしまう問題がある。重量増加を抑制するために内面フィンの数を減らすと熱伝達性能の低下を招く。

内面フィンの形状を規定することで、伝熱性能を低下させることなく重量を低減した例がある（例えば、特許文献２参照）。また、２種以上の高さの内面フィンを形成することで伝熱性能を向上した例がある（例えば、特許文献３、４、５参照）。

特開平４−３２７７９２号公報特開平１１−２０１６８０号公報特開平７−４８８４号公報特開平８−２３３４８０号公報特開平８−１４５５８３号公報

ところで、最近は環境問題から脱フロン、特に二酸化炭素を使用する熱サイクル装置の開発が行われている。前記二酸化炭素を冷媒として使用するためには、冷媒の作動圧力を高圧にする必要がある。このために伝熱管は強度が必要となり、エアコン用と比較して管の肉厚が厚い伝熱管が用いられる。この際に内面フィンの高さが２種以上存在すると、拡管時において押圧力に分布が生じ、部位によって溝付プラグ材質の強度以上の押圧力が発生しプラグの破損や内面フィンの倒れが生じる。

本発明の目的は、二酸化炭素に代表される作動圧力の高い冷媒を使用する肉厚の厚い内面溝付伝熱管において、拡管しても内面フィンの倒れなどが生じず、且つ重量増加を抑制した内面溝付伝熱管を提供することにある。

本発明者らは、熱交換器用途、特に冷媒に作動圧力の高い二酸化炭素を用いる熱交換器に適した内面溝付伝熱管について研究を行い、内面フィンの形状と拡管工程における内面フィンの倒れとの関連を見いだし、二酸化炭素冷媒用に適した内面溝付伝熱管の発明を完成させるに至った。すなわち本発明は、
（１）作動圧力の高い二酸化炭素冷媒を使用する内面溝付管において、管内面にフィンが形成され、拡管前の第一のフィンが高さ０．１０〜０．２２ｍｍ、及び頂角が２０〜６０度、第二のフィンの頂角が２０〜６０度であり、第二のフィンの高さと第一のフィンの高さとの比が０．５〜０．９であり、管の肉厚ｔは０．４〜１．０ｍｍで、且つ管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０４〜０．２５の範囲内であるとともに、第一のフィンの頂部が平面であり、該頂部の平面部の幅とフィン高さとの比が０．３〜１．０の範囲内であることを特徴とする熱交換器用内面溝付伝熱管
（２）（１）記載の内面溝付伝熱管を用いた熱交換器を提供するものである。

本発明の内面溝付伝熱管は、特に二酸化炭素のような作動圧力の高い冷媒を使用する肉厚の厚い内面溝付伝熱管を対象としており、アルミニウムのプレートフィンに拡管しても内面フィンの倒れなどが生じず、且つ重量増加を抑制することができるので、二酸化炭素冷媒用に適した伝熱管を提供することができる。

以下、本発明に係る内面溝付管に関する数値限定理由について説明する。図１と図２は内面溝付管の外径Ｄ、肉厚ｔ、第一のフィンの高さｈ１、前記第一のフィンの頂部の曲率半径Ｒ１、前記第一のフィンの頂部平面部の幅ｗｆ１、前記第一のフィンの頂角γ１、第二のフィンの高さｈ２、前記第二のフィンの頂角γ２、前記第二のフィンの頂部の曲率半径Ｒ２を説明する模式的断面図である。

図１は本願発明の内面溝付管の例である。本願発明に係る内面溝付伝熱管は肉厚ｔが少なくとも０．４ｍｍ以上であって、且つ外径Ｄと肉厚ｔの比ｔ／Ｄの値が０．０４〜０．２５である。これにより二酸化炭素等の超臨界サイクルを使用する冷媒を高圧にしても使用することができる。ｔ／Ｄが０．０４未満であると、管の強度が低いため冷媒の圧力に耐えられず破壊してしまう。０．２５を超えると管の強度が高くなるが、転造加工ができなくなる。好ましくはｔ／Ｄの値は０．０５〜０．２０、より好ましくは０．０６〜０．１０である。但し肉厚ｔは少なくとも０．４ｍｍ以上は必要である。一般的に管の外径が小さいほど管の耐圧強度は高くなるが、０．４ｍｍ未満では曲げ加工部の強度が不足して割れが生じるためである。管の曲げ加工を考慮すると外径Ｄは４．０〜１０．０ｍｍが好ましい。また管内面の転造加工の点から肉厚ｔは０．４〜１．０ｍｍが好ましい。

本願発明の内面溝付伝熱管はフィン高さの異なる二種類の内面フィンを有し、フィン高さの高い方を第一のフィン、低い方を第二のフィンとした。ここでフィン高さとは、管中心から管内面の溝部分との距離と、管中心から内面フィン頂部との距離の差のことをいう。フィンの頂角とは、内面フィンの一方の側面ともう一方の側面がなす角度のことをいう。フィン平面部の幅とは、内面フィンの頂部の平面と一方の側面がなす接線と、前記平面ともう一方の側面がなす接線との、二つの接線の距離のことをいう。フィンのねじれ角とは、内面溝付管を管軸に平行に切開し展開したとき、管軸方向と内面フィンが伸びる方向とがなす角度のことをいう。

第一のフィンの高さｈ１は０．１０〜０．２２ｍｍとする。０．１０ｍｍ未満であると伝熱特性に劣り、０．２２ｍｍを超えると転造加工ができない。好ましくは０．１３〜０．２０ｍｍである。前記第一のフィンの頂角γ１は２０〜６０度である。２０度未満では拡管工程において内面フィンの倒れが生じてしまう。６０度を超えると冷媒との接触面積が減少して伝熱性能が低下してしまう。好ましくは２５〜４０度である。前記第一のフィンの頂部は管の中心に向かって曲率半径Ｒ１を有する曲面でかつ凸形状か、あるいは平面が良い。前記頂部が管の中心に向かって凹形状にしても伝熱性能は向上せず、転造加工においてコストが上昇してしまう。前記フィン頂部の曲率半径Ｒ１とフィンの高さｈ１との比Ｒ１／ｈ１は５以上とする。５より小さいと拡管工程において内面フィンの倒れが生じてしまう。好ましくは１５以上である。なお、前記曲率半径Ｒ１は０．０３ｍｍ以上が好ましく、大きければ大きいほどより好ましい。

図２は第一のフィンの頂部の少なくとも一部に平面を有する本願発明の内面溝付管の例である。第一のフィンの形状においてＲ１／ｈ１の比が５以上である場合のようにほぼ平面と考えられる程度であれば良いが、より好ましくは前記頂部が平面であることが望ましい。内面フィンにおいて平面部の幅ｗｆ１とフィン高さｈ１との比ｗｆ１／ｈ１は０．３〜１．０とする。０．３未満であると拡管工程において内面フィンの倒れが生じてしまう。１．０を超えると冷媒と管との接触面積が減少して伝熱性能が低下してしまうだけでなく管の重量が増加してしまう。好ましくは０．３５〜０．５である。

次に第二のフィンについて説明する。第二のフィンの高さｈ２と第一のフィンの高さｈ１との比ｈ２／ｈ１は０．５〜０．９とする。０．５未満であると、転造加工工程において溝付プラグと第一のフィンとが接する部位に付加される押圧力が高くなり溝付プラグが破損してしまう。０．９を超えると冷媒と管との接触面積が減少して所望の伝熱性能が得られない。好ましくは０．５〜０．８である。前記第二のフィンの頂角γ２は２０〜６０度である。２０度未満では転造加工工程において精度良く内面フィンを形成することができず伝熱性能が低下してしまう。６０度を超えると冷媒と管との接触面積が減少して伝熱性能が低下してしまう。好ましくは２５〜４０度である。前記第二のフィンの頂部の曲率半径Ｒ２は０．０２ｍｍ以上とする。０．０２ｍｍより小さいと転造加工ができない。好ましくは０．０３５ｍｍ以上である。

前記第一のフィンと第二のフィンのねじれ角は同じ角度とする。異なる角度とすると転造加工が複雑となりコストが上がってしまう。前記ねじれ角は５〜８０度とする。５度未満では冷媒の攪拌効果が小さいため伝熱性能が低下する。８０度を超えると冷媒の攪拌効果が飽和するばかりか、転造加工工程において溝付プラグに付加される押圧力が高まり破損してしまう。製造上安定して加工可能で、かつ製造コストを抑えることを考慮すれば好ましくは５〜３０度である。また第一のフィンの数と第二のフィンの数の比は０．７〜１．５とする。０．７未満あるいは１．５を超えると冷媒と管が接触する面積が小さくなり伝熱性能に劣る。第一のフィンと第二のフィンの数は同数であることが好ましい。

本願発明の内面溝付伝熱管及び熱交換器は通常の方法により製造する。すなわち管に溝付プラグを挿入し、周囲から回転するボールによりプラグに対して管を押圧することによって管内面にフィンを成形する転造加工工程を行う。また前記伝熱管の外径よりも大きな孔が開いているプレートフィンに伝熱管を挿入し、次いで前記伝熱管に拡管プラグを挿入し伝熱管の径を拡大することで管とプレートフィンを密着させる拡管工程を行い、熱交換器を製造する。前記プレートフィンはアルミニウム若しくはアルミニウム合金等の金属材料にて形成される。

本願発明の内面溝付伝熱管の材質は熱伝導に優れる材質であれば良い。例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄などの金属が挙げられるが、その中でも銅を９９．０％以上でありその他不可避不純物からなるものが好ましい。より好ましくは、ＪＩＳＣ１０２０（無酸素銅）、ＪＩＳＣ１１００（タフピッチ銅）、ＪＩＳＣ１２００（リン脱酸銅）からなる。

次に本発明に実施例に基づきさらに詳細に説明する。
リン脱酸銅（ＪＩＳＣ１２００）からなる管を転造加工することにより表１記載の伝熱管を製造し、拡管前の伝熱性能として熱伝達率を測定した。次いで前記伝熱管を拡管プラグにより拡管してアルミフィンへの装着を行い、内面フィンの倒れの有無、アルミフィンの割れ有無について評価した。さらに、前記伝熱管をアルミフィンから取りはずして、拡管後の伝熱性能として熱伝達率を測定した。なお比較例６を除いて外径Ｄを７ｍｍ、肉厚ｔを０．６ｍｍ、内面フィン総数を６０、ねじれ角度を１０度、第二のフィンの頂角γ２を２５度とした。比較例６は平滑管であり、管内面に溝は無い。

なお、各評価項目の測定方法は以下の通りである。管内面形状の測定については、管を切断した後＃１０００の研磨紙にて研磨したのち、光学顕微鏡を用いて倍率１００倍で写真撮影し断面形状を測定した。伝熱性能の評価については、水平に設置した二重管式熱交換器の内管としてサンプル挿入し、サンプル内に冷媒となる二酸化炭素を測定する内面溝付伝熱管の入り口側で３ＭＰａの圧力で４００ｋｇ／ｍ２ｓｅｃの冷媒流速で流すとともに、外管と内管の間の二重管部には被冷却水を冷媒に対して対向に流し、被冷却水と熱交換させて二酸化炭素を蒸発させる。なお、内面溝付伝熱管の二酸化炭素出口側で１℃の過熱度を設定して交換熱量を測定し、管内蒸発熱伝達率を算出した。ただし管内蒸発熱伝達率は管外面基準であり、管そのものの熱伝導率も含んだ値での評価である。また伝熱管の軸方向へフィンの倒れが発生している場合は、フィンが倒れている方向と同じ方向へ冷媒を流した。

表１の結果から、本発明例は拡管前も拡管後も熱伝達率が高く、拡管による内面フィンの倒れもアルミフィンの割れも発生しなかった。しかし比較例１は第一のフィンの高さが０．２５ｍｍで本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。比較例２は第一のフィンの頂部平面部の長さとフィン高さとの関係が本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。比較例３は第一のフィンの頂角が２０度よりも小さくて本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。比較例４は第一のフィンの頂部の曲面半径とフィン高さとの関係が本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。前記比較例１乃至４は内面フィン倒れにより拡管後の熱伝達率の低下が著しい。比較例５はフィンの倒れは生じなかったが、第一のフィンの数が少ないため冷媒と管が接触する面積が小さくなり、伝熱性能が本願発明例より劣った。比較例６は管内面フィンが存在しないので熱伝達率が劣った。

実施例１と同様の方法で内面溝付伝熱管を転造加工して製造した。管の寸法については表２に記載の値とした。ただし、内面フィンの総数を６０、第一のフィンの数を３０とした。第二のフィンについては、フィンの数を３０、頂部の曲率半径Ｒ２を０．０４ｍｍ、頂角γ２を２５度とした。評価方法は実施例１と同様とした。

表２の結果から、本発明例は熱伝達率が高く、拡管による内面フィンの倒れもアルミニウムフィンの割れも発生しなかった。しかし比較例７は第一のフィンの頂角が２０度よりも小さくて本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。比較例８は第一のフィンの高さが０．２５ｍｍであり本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。比較例９は第一のフィンの頂角が２０度よりも小さくて本願発明の範囲外なので内面フィンの倒れ及びアルミフィンの割れが発生した。

実施例１、２と同様に内面溝付伝熱管を転造加工して所望の外径に製造した。転造加工を長さ４０００ｍ行った時点での内面フィン形状および溝付プラグの状態を目視で確認した。管の寸法については表３に記載の値とした。ただしフィン総数を６０とした。また第二のフィンについてはねじれ角度を１０度、頂部の曲率半径を０．０４ｍｍとした。評価方法は実施例１と同様とした。

表３の結果から本発明例は熱伝達率が高く、拡管による内面フィンの倒れもアルミフィンの割れも発生しなかった。しかし比較例１０は第二のフィンの頂角が２０度よりも小さく本願発明の範囲外なので転造加工によって目的とする内面フィンを加工できなかった。比較例１１は第一のフィンの高さと第二のフィンの高さとの関係が本願発明の範囲外なので溝付プラグが破損して途中で製造を中止した。

本発明の内面溝付伝熱管を示す断面模式図である。本発明の内面溝付伝熱管を示す断面模式図である。

１内面溝付伝熱管
２溝部分
３第一のフィン
４第二のフィン

Claims

作動圧力の高い二酸化炭素冷媒を使用する内面溝付管において、管内面にフィンが形成され、拡管前の第一のフィンが高さ０．１０〜０．２２ｍｍ、及び頂角が２０〜６０度、第二のフィンの頂角が２０〜６０度であり、第二のフィンの高さと第一のフィンの高さとの比が０．５〜０．９であり、管の肉厚ｔは０．４〜１．０ｍｍで、且つ管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０４〜０．２５であるとともに、第一のフィンの頂部が平面であり、該頂部の平面部の幅とフィン高さとの比が０．３〜１．０であることを特徴とする熱交換器用内面溝付伝熱管。
請求項１記載の内面溝付伝熱管を用いた熱交換器。