JP5566001B2 - 二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界状態の二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を使用するガスクーラー（放熱器）に使用する内面溝付伝熱管に関し、特に、ＣＯ_２冷媒に冷凍機油が混合された冷媒を使用するガスクーラーに好適なガスクーラー用の内面溝付伝熱管に関する。

給湯器、自動車の空調機器、自動販売機及び冷凍機等の熱交換器として、ＣＯ_２冷媒を利用する熱交換器が使用されるようになってきた。伝熱管内を流通するＣＯ_２冷媒の熱を管外の媒体（水、空気等）に伝える熱交換器をガスクーラーという。ガスクーラーには、ＣＯ_２冷媒を流通させる伝熱管をそれより内径が大きい管（大径管）内に設置し、前記伝熱管と大径管との間の空間に水を流す二重管式の熱交換器、ＣＯ_２冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる管の外面に接触させる形式の熱交換器、ＣＯ_２冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる箱体の外面に接触させる形式の熱交換器、ＣＯ_２冷媒を流通させる伝熱管外面にアルミニウムフィンを設けて管内を拡管にて管とフィンを密着させた空気熱交換器等、多くの形式の熱交換器が提案されている。

このようなガスクーラーでは、通常、高温及び高圧で超臨界状態のＣＯ_２冷媒が用いられる。これは、超臨界状態のＣＯ_２は、密度及び粘度が気相状態に近似した低い値であるにも拘わらず、熱伝導率が気相状態の２倍以上の液体に近い高い値を示し、熱交換器のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、投入エネルギーに対する取り出したエネルギーの比）の向上が可能となるためである。ガスクーラーの伝熱管内を流れる超臨界状態のＣＯ_２冷媒は、高温高圧で流通速度が大きいことから、管内面がフラットな伝熱管でも良好な熱伝達特性を発揮することができるので、従来、平滑管が伝熱管として使用されてきた。最近、ガスクーラーのＣＯＰを更に向上させるために、以下に示すような内面溝付伝熱管が提案されている。

例えば、特許文献１には、二酸化炭素が冷媒として内部を通流する二酸化炭素用の伝熱管を、内面にフィンが螺旋状に形成されたシームレス管とすることが開示されている。そして、この二酸化炭素用伝熱管においては、前記フィンは、その捻れ角θが０°＜θ≦３°であると共に、その長手方向で複数に分断されている。

また、特許文献２には、管内面に第１のフィン及び第２のフィンが形成されている内面溝付伝熱管において、第１のフィンの高さが０．１０〜０．２２ｍｍ、頂角が２０〜６０°、頂部の曲率半径と高さとの比が５以上であり、第２のフィンの頂角が２０〜６０°であり、第２のフィンの高さと第１のフィンの高さとの比が０．５〜０．９であり、管の肉厚ｔが０．４mm以上で、且つ管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０４〜０．２５である熱交換器用内面溝付伝熱管が提案されている。

更に、特許文献３には、水とＣＯ_２冷媒とを効率良く熱交換させる熱交換器として、内面に溝を有する外管の内側に内管を密着させて構成した溝付二重管を使用し、この溝付二重管を複数本が互いに密着させながら螺旋状に絡み合うようにねじって捻り管とし、このねじり管の溝の螺旋方向がねじり管の捻りの螺旋方向と同一方向であり、捻り管の溝の螺旋ピッチと捻り管の捻りの螺旋ピッチが略同一である熱交換器が開示されている。この熱交換器においては、前記捻り管を大径管内に収納し、大径管内に第１流体、ねじり管内に第２流体を流通させている。

更にまた、特許文献４には、高圧側冷媒圧力が臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクルの高圧側冷媒放熱器の冷媒管に、内面に螺旋状溝を形成したグルーブ管（内面溝付管）を使用した熱交換器が開示されている。そして、特許文献４には、冷媒管を内面溝付管で構成することにより、管内を流通する超臨界状態のＣＯ_２冷媒に乱れを形成でき、熱交換性能が向上することが記載されている。内面溝付管としては、外径４ｍｍ、内径２．５６ｍｍの管内面に、溝間隔０．２９ｍｍ、溝深さ０．１５ｍｍ、フィン頂角５０°で断面が三角形状の溝を形成したものが開示されている。

特開２００５−１８８７８９ 特開２００５−２５７１６０ 特開２００６−３０２８ 特開２００６−１０５５２５

しかしながら、ＣＯ_２冷媒を使用するヒートポンプ式熱交換器には、ＣＯ_２冷媒を加圧するための圧縮器が設けられているが、この圧縮器の磨耗を防ぐために、ＣＯ_２冷媒には潤滑剤である冷凍機油（ポリアルキレングリコール等）が混合されている。ＣＯ_２冷媒と冷凍機油との間には完全な相溶性はないため、冷凍機油がＣＯ_２冷媒から分離することは回避できない。この分離した冷凍機油は、内面溝付伝熱管の溝部に油膜を形成して徐々に管内周全体を覆い、その結果、この油膜がＣＯ_２冷媒と伝熱管内面の接触を妨げるために熱抵抗となり、伝熱管の伝熱性能を低下させる。特に、管内径が小さくなると、管内のＣＯ_２冷媒及び冷凍機油の流れが溝に沿って形成されやすく、管内周に冷凍機油膜がより一層形成されやすくなる。この油膜がより厚くなると、圧縮機内を流れる冷凍機油が減少し、焼き付きが発生してコンプレッサーを破損させてしまう。その対策として、圧縮機への冷凍機油充填量を多くすると、管内の油膜の量がより多くなり、ガスクーラー部の伝熱性能が更に低下してしまう。前述の特許文献１〜４の内面溝付管は、それらの伝熱性能に及ぼす冷凍機油の影響を考慮していないことから、冷凍機油を含むＣＯ_２冷媒を使用した場合、ガスクーラーとして十分な伝熱性能が得られないという問題があった。

即ち、特許文献１の内面溝付管は、フィンの長さ方向に存在するフィン分断部がＣＯ_２冷媒及び冷凍機油の流れの抵抗となる。冷凍機油はＣＯ_２冷媒より粘性が高いため、この分断部付近に滞留して冷凍機油膜が厚く形成されてしまい、管内熱伝達率が低下する。

また、特許文献２の内面溝付管は管内に２種類の高さのフィンが形成されているが、低い方のフィンは冷凍機油膜に覆われやすく、伝熱への寄与が小さくなり、フィンによる伝熱性能の向上が小さい。また、フィンの螺旋角が大きいと、管内のフィンが冷凍機油の流れを阻害しやすく、冷凍機油が滞留する部分では冷凍機油膜が厚くなり、管内熱伝達率が低下してしまう。また、管の曲げ部及び管の断面を非円形状にしたときの曲率半径が小さい部分において、冷凍機油が滞留しやすくなり、管内熱伝達率が低下する。

特許文献３の熱交換器においては、ねじり管を形成する工程において、内管の溝もねじられており、この捻れ角が大きくなると、特許文献２の溝付管と同様の理由で、管内熱伝達率が低下する。

特許文献４のグルーブ管においては、溝の断面形状が三角形であるため、溝の断面積及び溝とフィンの長さが短く、管内面の冷凍機油の膜厚が大きくなる。そのため、管内熱伝達率が低下する。また、溝の螺旋核が大きくなると、特許文献２の溝付管と同様の理由で管内熱伝達率が低下する。

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ヒートポンプシステムにおいても、圧力損失が増加せず、管内面の冷凍機油等の油膜形成が抑制されると共に、油戻り性が向上し、伝熱性能を向上させることができる二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管は、断面が円形の管内を超臨界状態で通流する二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管において、管内面に溝及び前記溝間に形成されるフィンが配置されており、
前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ１が０°＜θ１≦０．５°の溝であり、
前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状であり、
前記溝深さｈ１が０．１５ｍｍ≦ｈ１≦０．２７ｍｍであり、
前記フィンは、その長手方向に連続的に形成されていて、分断されておらず、
管軸直交断面における前記フィンの根元ピッチＰ１が０．３２ｍｍ≦Ｐ１≦０．６７ｍｍ、フィン山頂角ＦＴＡがＦＴＡ≦３５°であり、フィン先端部は曲率半径ＦＴＲがＦＴＲ≦０．０４５ｍｍで湾曲し、
前記二酸化炭素冷媒には、冷凍機油が混合されており、管内の前記冷凍機油の通流量は、前記二酸化炭素冷媒の通流量の０．５質量％以下であることを特徴とする。

更に、前記捩れ角θ１が０°＜θ１≦０．５°であることが好ましい。

本発明の内面溝付伝熱管によれば、冷凍機油を含む超臨界状態の二酸化炭素冷媒に対しても伝熱性能が優れており、圧力損失が増加せず、また曲げ加工又は偏平加工等を行っても伝熱性能が低下することがないという効果を奏する。また、本発明の内面溝付伝熱管はその製造も容易であり、製作コストも低減できる。このため、伝熱性能が優れた超臨界状態の二酸化炭素冷媒用ガスクーラーを低コストで製造することができる。更に、本発明の内面溝付伝熱管を、熱交換器に組み込むことにより、機器の成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る内面溝付伝熱管における管軸方向に平行で且つ管軸を含む断面を示す断面図、図２は管軸直交断面における内面溝付伝熱管の一部を示す断面図、図３は図２の一部拡大断面図である。

内面溝付伝熱管は、管内面に複数の溝２が螺旋状に形成されており、この螺旋溝２間に螺旋状に伸びる突起としてのフィン３が形成されている。この螺旋溝２は以下のようにして形成されている。即ち、伝熱管素管内に、螺旋状の溝が表面に形成されたマンドレルとプラグとを連結軸で連結した状態で挿入し、前記プラグの位置において素管外面に接するダイスを設ける。そして、前記素管を引き抜くことにより、ダイスにより前記素管を縮径加工すると共に、素管を介してプラグを素管の引抜力に抗してその位置に保持し、前記マンドレルを連結軸を介してフローティング状態でその位置に保持する。このとき、マンドレルの位置において、外面に転動するように複数個の転動ボール又は１対の転動ロールを配置し、この転動ボール又は転動ロールにより前記素管を若干圧延すると、素管内面の管肉がマンドレルの溝内に侵入して素管内面にマンドレルの溝に対応するフィンが形成される。また、マンドレルのフィンの部分が素管内面において溝となり、このようにして、マンドレルの外面の溝形状が、素管内面に転写され、内面溝付伝熱管が製造される。

次に、本発明の内面溝付伝熱管の形状について説明する。図１に示すように、溝２の管軸方向に対する捻れ角をθ１とし、図２に示すように、管外面の直径（外径）をＯＤ、管軸直交断面において、管内面に形成された溝２の底部を結ぶ円の直径（管最大内径）をＤｉｍａｘ、溝深さをｈ１、フィン３の根元における管内面の円弧に沿うピッチをＰ１、フィン３の山頂角をＦＴＡとし、図３に示すように、フィン先端部の曲率半径をＦＴＲ、管軸直交断面において、フィン３の斜辺の延長線と溝２の底辺の延長線とが交差する２点間の距離をＷＧとする。このとき、本発明においては、前記溝は、管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は０°＜θ１＜５．０°を満足する螺旋状の溝である。また、好ましくは、０°＜θ１≦０．５°を満足する。

更に、溝２は図３に示すように、実質的に台形状であることが好ましい。

更にまた、０．３２ｍｍ≦Ｐ１≦０．６７ｍｍ、０．１５ｍｍ≦ｈ１≦０．２７ｍｍ、ＦＴＡ≦３５°、ＦＴＲ≦０．４５ｍｍであることが好ましい。

更にまた、本発明の内面溝付伝熱管は、冷凍機油が混合された二酸化炭素冷媒を使用する場合に、好適であり、そのときの管内の冷凍機油の通流量は、二酸化炭素冷媒の通流量の０．５質量％以下であることが好ましい。

この内面溝付伝熱管１は、冷凍機油の混合量が０．５質量％以下である二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を使用する熱交換器のガスクーラーに組み込まれる。図５は本実施形態の内面溝付伝熱管１が組み込まれたガスクーラーを備えた熱交換器３０の構成を示す図である。図５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、高温にして後述するガスクーラー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ガスクーラー３３と、ガスクーラー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１は、ガスクーラー３３に組み込まれ、その内部には冷凍機油を０．５質量％以下含有する二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒が流される。

このように、本実施形態の内面溝付伝熱管は、管内でＣＯ_２冷媒が冷却されるガスクーラーに使用される。ガスクーラーとしては、（１）管外面にアルミフィンを設けて管内を拡管して管とフィンを密着させた空気熱交換器、（２）管を水平又は垂直に設置し、管外を冷水、ブライン等の流体と熱交換させ、管外流体を加熱する水熱交換器等の形態がある。

以下、上記各数値限定の理由について説明する。

（１）管内面の溝は、管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は捻れ角θ１が０°＜θ１＜５．０°の１本の連続した螺旋溝である。

螺旋溝の場合は、管内面の溝２が管軸方向に対してなす捻れ角θ１が０°＜θ１＜５．０°の連続したフィンが管内面に形成されている。ＣＯ_２冷媒のガスクーラー用伝熱管においても、伝熱管を内面溝付管とすることにより、管内の伝熱面積が増大し、また管内に形成されたフィンが管内を流れるＣＯ_２冷媒を撹拌するため、伝熱性能が向上する。管内径、フィン数、フィン高さを同一とした場合、捻れ角が大きいほど伝熱面積及びＣＯ_２冷媒の攪拌効果が増大するため、冷媒油を含まないＣＯ_２冷媒の伝熱性能は向上する。しかしながら、ＣＯ_２冷媒が冷媒油を含む場合には、捻れ角θ１が大きくなることにより逆に伝熱性能が低下することを、本発明者等が見出した。以下にその理由について説明する。

捻れ角θ１のフィンが連続的に形成され、管内面の展開図において多数のフィンが形成されている内面溝付管内を管軸方向に速度ｖで流れる流体を考える。この流体は、フィンの間に形成された溝部においては溝の方向にｖ×ｃｏｓθ１、溝と直交する方向にｖ×ｓｉｎθ１の速度で流れることになる。捻れ角θ１が大きいほど、溝に直交する速度成分が大きくなる。

ＣＯ_２冷媒に含まれる冷媒油は主として溝部を流れるが、捻れ角が大きいほど溝と直交する速度成分が大きくなり、フィンにも冷媒油の膜が形成されるようになる。ガスクーラーにおいては、フィンはＣＯ_２冷媒と接触して超臨界状態のＣＯ_２冷媒の熱をフィン根元及び管外に伝える役割をするが、リード角が大きくなると、冷媒油に覆われるフィンの面積が増大し、伝熱性能が低下する。

また、伝熱管を二重管式熱交換器に内管として用い、その二重管式熱交換器をコイル状に曲げ加工した場合、また他の伝熱管又はダクト等の管路の周囲にまきつける場合等においては、伝熱管内部のフィンの捻れ角が大きいほど曲げ部においてフィンが変形し、冷凍機油が滞留しやすくなり、それにより伝熱性能が低下しやすくなる。

また、捻れ角θ１が大きくなると、冷媒油の流動長さがそれだけ長くなり（Ｌ／ｃｏｓθ１、Ｌは管軸方向の管の長さ）、冷媒油の流動抵抗が増大して冷媒油が滞留しやすくなる。この滞留部分において、フィンが冷凍機油に覆われやすくなることから、伝熱性能が低下する。

捻れ角θ１が５°以上になると、溝と直交する方向の速度成分が大きくなり、フィンが冷媒油で覆われやすくなる。また、曲げ加工した部分でフィンが変形しやすく、冷凍機油が滞留しやすくなる。このため、前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は捻れ角θ１の範囲を０°＜θ１＜５°とすることが必要である。なお、捻れ角θ１のより望ましい範囲は０°≦θ１≦０．５°である。

また、フィンに分断部があると、その部分で冷凍機油の滞留がおきやすく、フィンが冷凍機油により覆われやすくなる。そのため、フィンは連続して形成されており、分断部及び鞍部がないことが必要である。

（２）溝の断面形状は台形状である。

伝熱管内を通流する二酸化炭素冷媒に混合されている冷凍機油は、二酸化炭素冷媒とは相溶性がないため、二酸化炭素と分離して管内を通流し、管内面に付着して油膜を形成する。そして、溝底部に形成された冷凍機油膜は、フィン側面に形成された冷凍機油膜に対してこれを引き込もうとする力を及ぼす。これにより、フィン側面の冷凍機油の膜厚が低下して伝熱性能が向上する。溝の断面形状を台形溝（図４（ｂ））にすると、三角形状の溝（図４（ａ））に比べ、溝底部の管周方向の長さが長くなり、溝底部に存在する冷凍機油量が増加するため、前述の溝底部の冷凍機油膜からのフィン側面の冷凍機油膜に対する引き込み力が増大する。このため、溝断面形状が台形状の場合は、三角形状の場合より伝熱性能が向上する。従って、溝の断面形状は台形状であることが望ましい。

なお、管内を流れるＣＯ_２冷媒の圧力が大きいことから、伝熱管の溝底肉厚（フィンの存在しない部分の管の肉厚）を大きくする必要があり、内面溝付管の転造加工性を確保するためフィンの根元と溝底部とが接続された部分には特定の曲率半径を設けることが必要になるが、フィン側面の冷凍機油の引き込みのためには、前記曲率半径は０．１ｍｍ以下、望ましくは０．０６ｍｍ以下、更に望ましくは０．０４ｍｍ以下とすることが好ましい。

（３）管軸直交断面におけるフィンの根元ピッチＰ１は、０．３２ｍｍ≦Ｐ１≦０．６７ｍｍを満足する。

管軸直交断面での溝の根元ピッチＰ１が０．３２ｍｍ未満の場合、溝部の幅が狭くなり、溝底部の長さが短くなり、フィン側面に形成される冷媒油膜の面積が増大して、管内熱伝達率が低下する。管軸直交断面でのフィンの根元ピッチＰ１が０．６７ｍｍを超えると、フィン数が減少し、管内表面積が減少する。その結果、管内熱伝達率が低下する。従って、管軸直交断面でのフィンの根元ピッチＰ１が０．３２ｍｍ≦Ｐ１≦０．６７ｍｍであることが好ましい。

（４）管軸直交断面での溝深さｈ１が０．１５ｍｍ≦ｈ１≦０．２７ｍｍである。

管内に形成されている溝深さｈ１が０．１５ｍｍ未満の場合、フィンの高さが十分でなく、管の内表面積が減少し、また、冷凍機油で覆われるフィンの面積の比率が増加し、伝熱性能が低下する。

逆に、管軸直交断面での溝深さｈ１が０．２７ｍｍを超えると、ＣＯ_２冷媒の流動に対する抵抗が大きくなり、ＣＯ_２冷媒の流動速度は伝熱管中心部に比べ、溝部部において小さくなる。そのため、溝底部の冷凍機油の流れる速度が低下し、冷凍機油が滞留しやすくなる。冷凍機油が滞留した部分では、フィン側面まで冷凍機油に覆われ、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面での溝深さｈ１は０．１５ｍｍ≦ｈ１≦０．２７ｍｍであることが好ましい。

（５）管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡがＦＴＡ≦３５°である。

管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡが３５°を超えると、フィン側面に形成された冷媒油膜が溝底部の冷媒油に引き込まれにくくなり、フィンにおける伝熱性能が低下しやすくなる。従って、管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡは、ＦＴＡ≦３５°であることが好ましい。

なお、ＦＴＡは小さいほど伝熱性能が向上するように思われるが、フィンにおける熱伝導と熱容量の関係、内面溝付管の加工性、拡管する場合のフィン潰れ及びフィン倒れの防止等の点から、ＦＴＡは１０°以上、好ましくは１３°以上であることが望ましい。

（６）管軸直交断面でのフィン先端部の曲率半径ＦＴＲがＦＴＲ≦０．０４５ｍｍである。

フィン先端部の曲率半径ＦＴＲはＣＯ_２冷媒の流れに影響する。即ち、曲率半径ＦＴＲを所定の範囲とすることにより、フィン先端部近傍の冷媒ガスが溝底部に導かれやすく、それによりフィン側面の冷媒油が溝底部に流動し、フィンにおける伝熱性能が向上する。

フィン先端部の曲率半径ＦＴＲが０．０４５ｍｍを超えると、溝部へ流入する冷媒ガスが少なくなり、溝部に滞留する冷凍機油の除去能力が低下し、その結果、管内熱伝達率が低下する。

従って、管軸直交断面でのフィン山頂部の先端曲率半径ＦＴＲがＦＴＲ≦０．０４５ｍｍを満足することが望ましい。

なお、前記曲率半径ＦＴＲは小さいほど伝熱性能が向上するが、内面溝付管の転造加工の行いやすさ、内面溝付管の拡管の行いやすさ等を考慮して０．０２ｍｍ以上とすることが望ましい。

（８）管内面を通流する冷凍機油の通流量が二酸化炭素の通流量の０．５質量％以下である。冷凍機油の通流量とは、ガスクーラー出口側に設置された膨張弁を通過した際、冷媒が液化されるが、その冷凍機油が混合された二酸化炭素冷媒液に混合されている冷凍機油の量を意味する。一方、冷凍機油の循環量の測定方法は、膨張弁の出口側に設けたサンプリングポートにサンプリング用の容器を接続し、冷媒液をサンプリングする。このサンプリング容器の質量（Ｗ１）は、中が空の状態で事前に測定しておく。次に、冷媒液が充填された状態で容器の質量を測定し（二酸化炭素冷媒の質量をＷ２、混合されている冷凍機油の質量をＷ３とすると、Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３）、その後、冷媒を気化させた後のサンプリング容器の質量（Ｗ１＋Ｗ３）を測定する。これらの測定値よりＷ２及びＷ３の値を算出する。Ｗ３／（Ｗ２＋Ｗ３）が求める冷凍機油の通流量である。管内を通流する冷凍機油量を０．５質量％以下とすることにより、伝熱管のフィン側面に形成される冷凍機油の膜の面積及び厚さを低くすることができ、伝熱性能が向上するため、管内面を通流する冷凍機油の循環量は０．５質量％以下であることが望ましい。

（９）伝熱管の断面形状が非円形である。

本発明の内面溝付伝熱管は溝部及びフィンの捻れ角が小さいため、熱交換器製作のため楕円形、トラック状（直線と半円で形成される形状）等の非円形状にした場合、熱交換器製造工程において管の変形が発生した場合等でも、前記曲げ又は変形部分において冷凍機油がせき止められるのを抑制することができる。その結果、それらの部分で冷凍機油が滞留することなく、より一層管内熱伝達率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施例の効果について比較例と対比して説明する。下記表１乃至表５は、実施例比較例の形状条件を示す。この構造の伝熱管について、図６に示す試験装置を使用して、冷却伝熱性能を測定した。この測定結果を、各表１乃至５に、比較例１の冷却伝熱性能に対する比として示した。比較例１は、平滑管である。

試験条件は、二酸化炭素冷媒の質量速度を３８０ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）とし、運転圧力を１０ＭＰａとし、熱交換量を１ｋＷとした。使用冷凍機油をＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）系油とした。

図６は熱伝達率の測定に使用した装置の構成を示す図であり、図７はその試験部であるガス冷却器（ガスクーラー）の構成を示す図である。図６に示すように、本実施例で使用した測定装置には、ＣＯ２冷媒を圧縮することにより高温にする圧縮機５と、試験部であるガス冷却器４と、ＣＯ２冷媒を膨張させて低温にする膨張弁７と、蒸発器８及び９が設けられている。試験部であるガス冷却器４の出入口には、夫々、ＣＯ２冷媒を冷却する予冷器１０及び過冷却器１１が設けられている。また、圧縮機５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６が設けられており、更に、圧縮機５の入口及び過冷却器１１の出口には、夫々冷媒の脈動をなくすアキュームレータ１２ａ及び１２ｂが設けられている。なお，蒸発器８及び９には、直流電流を供給して二酸化炭素冷媒を加熱して蒸発させた。

本実施例においては、過冷却器１１と膨張弁７との間に、精度が±０．４％の質量流量計１３を設け、この質量流量計１３により冷媒の流量を測定した。また，圧縮機５と予冷器１０との間、予冷器１０とガス冷却器４との間、ガス冷却器４と過冷却器１１との間、流量計１３と膨張弁７との間、蒸発器８と蒸発器９との間、蒸発器９とアキュームレータ１２ａとの間には、夫々冷媒混合室１４ａ乃至１４ｇ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１４ａ乃至１４ｇ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１５ａ乃至１５ｇ及び精度が０．０２ＭＰａの圧力変換器１６ａ乃至１６ｆにより測定した。その際、熱電対１５ａ乃至１５ｇは、予め誤差が±０．０５Ｋ以内になるように校正した。膨張弁７と蒸発器８との間にはサンプリングポート２４が接続されており、冷凍機油を混合した二酸化炭素冷媒は、このサンプリングポート２４より一部を抽出し、冷凍機油の通流量を測定した。

また、図７に示すように、ガス冷却器４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１８ａ乃至１８ｃが、直列に接続されている。なお、これらの二重管１８ａ乃至１８ｃ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、実施例又は比較例の伝熱管
の内部にはＣＯ２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、ＣＯ２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。

このガス冷却器４には、熱源１７が設けられており、冷却水の流量は、この熱源１７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１８ａ乃至１８ｃの両端部には、夫々熱源水混合室１９ａ乃至１９ｆが設けられており、冷却水の温度は、この熱源水混合室１９ａ乃至１９ｆ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１８ａ乃至１８ｃ間の圧力差は、精度が±０．２５％の差圧変換器２０ａ乃至２０ｄ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、ガス冷却器４の冷媒出口付近には冷媒混合室２１ａが設けられており、この冷媒混合室２１ａに設けられた熱電対２２ａ及び圧力変換器２３ａにより、冷媒の温度及び圧力を測定した。

管内の冷却性能（管内熱伝達率）は、下記数式１にて算出した。

ここで、αは管内の冷却性能（管内熱伝達率）である。ｑは熱流束であり、二重管式熱交換器に設置した供試管の外面を流れる冷却水流量及び冷却水出入口温度より算出した伝熱量を管内表面積（試験管最大内径基準の平滑面）で割った値である。Ｔｗｉは管内表面の温度であり、管外表面温度から計算した温度である。Ｔｂは管内を流れる冷媒の飽和温度であり、試験部５４の出入口側に接続された温度計Ｔｂにて測定した二酸化炭素冷媒の温度である。

表１乃至５において、溝形状が三角溝であるとは、図４（ａ）のように、溝底部に平坦部がない形状であり、溝形状が台形溝であるとは、図４（ｂ）のように、溝底部に平坦部がある形状のことである。

この表１乃至表５に示すように、参考例１乃至２５及び２９並びに実施例２６乃至２８及び３０は、比較例１乃至５に比して、伝熱性能が高い。また、実施例２６乃至２８及び３０は、参考例１乃至２５に比して、伝熱性能が高い。

本実施形態の内面溝付伝熱管における管軸をとおる断面を示す断面図である。 管軸方向に垂直な断面（管軸直交断面）を示す断面図である。 溝形状及びこの溝間に形成されたフィンの形状を示す管軸直交断面の一部拡大図である。 溝形状を示す図である。 本実施形態の内面溝付伝熱管１が組み込まれた蒸発器を備えた熱交換器３０の構成を示す図である。 冷却伝熱性能の試験装置を示す図である。 試験部であるガス冷却器（ガスクーラー）を示す図である。

符号の説明

１：伝熱管
２：溝
３:フィン
４；ガス冷却器
５；圧縮機
６；オイルセパレータ
７；膨張弁
８，９；蒸発器
１０；予冷器
１１；過冷却器
１２ａ，１２ｂ；アキュームレータ
１３；質量流量計
１４ａ〜１４ｇ，２１ａ；冷媒混合室
１５ａ〜１５ｇ，２２ａ；熱電対
１６ａ〜１６ｆ，２３ａ；圧力変換器
１７；熱源
１８ａ〜１８ｃ；二重管
１９ａ〜１９ｆ；熱源水混合室
２０ａ〜２０ｄ；差圧変換器
２４；サンプリングポート

Claims (1)

1. 断面が円形の管内を超臨界状態で通流する二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管において、管内面に溝及び前記溝間に形成されるフィンが配置されており、前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ１が０°＜θ１≦０．５°の溝であり、
   前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状であり、
   前記溝深さｈ１が０．１５ｍｍ≦ｈ１≦０．２７ｍｍであり、
   前記フィンは、その長手方向に連続的に形成されていて、分断されておらず、
   管軸直交断面における前記フィンの根元ピッチＰ１が０．３２ｍｍ≦Ｐ１≦０．６７ｍｍ、フィン山頂角ＦＴＡがＦＴＡ≦３５°であり、フィン先端部は曲率半径ＦＴＲがＦＴＲ≦０．０４５ｍｍで湾曲し、
   前記二酸化炭素冷媒には、冷凍機油が混合されており、管内の前記冷凍機油の通流量は、前記二酸化炭素冷媒の通流量の０．５質量％以下であることを特徴とする二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

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