JP5607294B2 - 伝熱管 - Google Patents

Description

本発明は冷凍機や空調機等の熱交換器に用いられる伝熱管に関するものである。

一般に空調機や冷凍機の熱交換器に用いられる伝熱管は、管内に冷媒としてフロン等を流して熱交換を行わせるもので、最近では管内面に断面形状が三角形や台形のフィンを持つ伝熱管（内面溝付管）を使用することによって熱交換器の高効率化や省エネルギー化が進められている。これらの伝熱管は、一般に、転造加工により製造される。

空調機用熱交換器に対しては高性能化、小型軽量化の要求が強く、またヒートポンプ式エアコンの普及により同一の伝熱管で蒸発性能と凝縮性能の両性能をともに向上させた伝熱管が必要とされている。このような要求に応えるべく、フィン間の溝の深さ、溝のリード角、底肉厚、溝の形状等を規定した伝熱管が提案されている（特許文献１）。

一方、前記伝熱管にはこれまで主に銅や銅合金等の銅系材料が使用されてきたが、空調機用熱交換器の小型軽量化の要求に対応するため、アルミニウムやアルミニウム合金等のアルミ系材料を使用することが検討されている（特許文献２）。

特開２００３−２８７３８３号公報 特開２００１−２８９５８５号公報

しかしながら、銅系材料の伝熱管で採用していた内面の溝（フィン）形状を、そのままアルミ系材料の伝熱管に用いると伝熱管の耐圧強度基準を満足することができず、熱交換器に使用できないという問題が生じた。これはアルミ系材料の強度が低いことが原因なので、対策としては伝熱管の底肉厚を厚くすることが考えられるが、そうすると内面のフィン（溝）の加工が困難になり、場合によっては、フィンが加工中に千切れてしまうといった問題が発生した。
本発明は、十分な耐圧強度を有し、かつ内面溝加工が良好に行えるアルミ系材料からなる伝熱管の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、ＪＩＳＡ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金からなる素管を転造加工して管内面にフィンを形成するととともに、管内に冷媒を流して熱交換する熱交換器に用いられる伝熱管であって、前記伝熱管の外径（Ｄ）と底肉厚（ｔ）の比［Ｄ／ｔ］が１９．０以上、２３．０以下であり、かつ前記フィン底幅Ｗが０．１２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であるとともに、前記伝熱管の内面に形成されたフィンの頂角αが１１度以上、１６度以下であり、前記伝熱管の内面に形成されたフィンのリード角βが２５度以上、５５度以下であることにより、十分な耐圧強度を有し、かつ内面溝加工が良好に行えることを特徴とする伝熱管である。

本発明の伝熱管は、ＪＩＳＡ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金からなる素管を転造加工して管内面にフィンが形成するととともに、管内に冷媒を流して熱交換する熱交換器に用いられる伝熱管であって、その外径（Ｄ）と底肉厚（ｔ）の比［Ｄ／ｔ］を１９．０以上、２３．０以下に規定し、さらに前記フィン底幅Ｗを０．１２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下に適正に規定したものなので、十分な耐圧強度を付与するために底肉厚を厚くしても、内面の溝加工を良好に行うことができる。従って本発明の伝熱管は溝形状および耐圧強度に優れる。さらに前記フィンの頂角αを１１度以上、１６度以下とし、或いは前記フィンのリード角βを２５度以上、５５度以下とすることにより伝熱特性が向上する。本発明の伝熱管は時効硬化型アルミニウム合金からなり高強度のため薄肉化が可能である。従って良好な伝熱特性が得られる。しかも本発明の伝熱管はアルミ系材料からなるため軽量である。よって産業上顕著な効果を奏する。

本発明の伝熱管を構成するＪＩＳＡ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金は熱処理条件によってフィンを高品質に形成することが可能であり、特にフィン成形時に外表面に発生し易いまくれ込みなどの欠陥を防止できる。中でもＪＩＳＡ６Ｎ０１やＪＩＳＡ６０６３などはメタルフローが特に良好で推奨される。

本発明において、伝熱管の外径Ｄ（図１（イ）参照）と底肉厚ｔ（図１（ハ）参照）の比［Ｄ／ｔ］を１８．４以上、２４．８以下に規定する理由は、１８．４未満では伝熱管の外径Ｄに対して底肉厚ｔが厚くなり、その結果、溝付加工時に材料が長さ方向に伸び易くなってフィン部へのメタルフローが悪化し、２４．８を超えると管の外径Ｄに対して底肉厚ｔが薄くなって耐圧強度が低下するためである。メタルフローが悪化すると表面欠陥が発生し、極端に悪化するとフィンが千切れることもある。比［Ｄ／ｔ］の好ましい範囲は１９．０以上、２３．０以下である。

本発明において、フィンの底幅Ｗを０．１ｍｍ以上に規定する理由は、０．１ｍｍ未満ではメタルフローが悪化して溝付加工性が低下するためである。フィンの底幅Ｗは大きいほど溝加工性は向上するが０．４ｍｍを超えるとその効果が飽和する。フィン底幅Ｗの好ましい範囲は０．１２〜０．３ｍｍである。ここでフィンの底幅Ｗはフィンの長さ方向に垂直な断面における底幅のことをいう（図１（ロ）、（ハ）参照）。

本発明において、伝熱管内面のフィンの頂角αを１８度以下に規定することにより伝熱特性が向上する。フィンの頂角αは小さい程良いが、５度未満ではその効果が飽和する。フィンの頂角αの好ましい範囲は１１度以上１６度以下である。ここでフィンの頂角αはフィンの長さ方向に垂直な断面におけるフィンの頂角のことをいう（図１（ハ）参照）。

本発明において、管内面のフィン（溝）のリード角β（図１（ロ）参照）を２０度以上に規定することにより伝熱特性が向上する。リード角βは大きい程良いが、６０度以上ではその効果が飽和する。リード角βの好ましい範囲は２５度以上５５度以下である。

本発明において、伝熱管内面の各フィンの側面形状は、フィン相互間の溝に向かって一様に傾斜するフラットな斜面、円弧状の凸状斜面など任意であるが、円弧状或いは多角形状の凹状斜面は冷媒がフィン上に滞留し易く好ましい。

本発明の伝熱管は常法により製造できるが、特に［１］熱間押出（→水焼入れ）した素管に転造加工（内面溝付加工）、人工時効熱処理をこの順に施す方法、或いは［２］引抜加工した素管に溶体化処理（→水焼入れ）、転造加工、人工時効熱処理をこの順に施す方法などの、比較的軟質な状態で転造加工する方法が内面溝を良好に形成でき推奨される。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

［実施例１］
ＪＩＳＡ６０６３アルミニウム合金を熱間押出（押出出口温度：５２０±５℃）し、直ちに水冷して素管とし、次いで該素管を転造加工して内面螺旋溝付伝熱管を製造し、次いでこの伝熱管に２０５±５℃で１時間の時効硬化処理を施した。この伝熱管は、外径Ｄが７．００ｍｍ、フィン底幅Ｗが０．１８ｍｍ、溝のリード角βが２８度、フィン（隆起部）の数が４８、フィンの高さＨが０．２２ｍｍ、フィン頂角αが１５度である。底肉厚ｔは０．２９〜０．３８ｍｍの範囲で種々に変化させた。フィンの側面形状は円弧状凹状斜面とした。

前記伝熱管について管内面の溝（フィン）形状、耐圧強度、伝熱特性を調べた。
前記溝形状は、伝熱管（長さ３００ｍｍ）を縦に２分割して管内面のフィンの高さ、底肉厚、底幅などを測定して調べた。前記測定値が基準値を満足し、かつ肉眼観察で皺などの欠陥が全く認められないものは溝形状が極めて良好（◎）、実用上問題ない程度の浅い皺が極少数認められる以外は欠陥が存在しないものは良好（○）、管内面のフィンの寸法が基準値を外れたり、フィン或いは溝に深い皺や亀裂が存在したり、フィンが破断したり千切れたりしたものは不良（×）と評価した。

前記耐圧強度は、伝熱管（長さ３００ｍｍ）の一方の開口部を閉塞し、他方の開口部から伝熱管内部に水を入れ、水圧発生器にて水圧を除々に上昇させ、伝熱管が破裂したときの水圧を測定して調べた。各５本ずつ測定し、その平均値が基準値の１２．４５ＭＰａ（設計圧力の３倍）以上のものは耐圧強度が優れる（○）、基準値未満のものは劣る（×）と評価した。

前記伝熱特性は従来公知の伝熱性能試験装置（図２（イ）、（ロ）参照）を用いて、管内熱伝達率（管内凝縮および管内蒸発）を測定して調べた。冷媒質量速度は２５０ｋｇ／ｍ２・ｓとした。その他の試験条件は表１に示した。従来の銅製内面溝付伝熱管についても管内熱伝達率を上記と同じ方法で測定した。管内熱伝達率は各伝熱管３本について測定し、その平均値をその伝熱管の管内熱伝達率とした。

［実施例２］
フィンの頂角αを２０度または／およびフィンのリード角βを１８度とした他は実施例１と同じ形状（寸法）の伝熱管を製造し、実施例１と同じ調査を行った。

［比較例１］
底肉厚ｔを０．３９ｍｍまたは０．２８ｍｍとした他は、実施例１と同じ形状（寸法）の伝熱管を製造し、実施例１と同じ調査を行った。

［比較例２］
フィン底幅Ｗを０．０８ｍｍとした他は、実施例１と同じ形状（寸法）の伝熱管を製造し、実施例１と同じ調査を行った。

実施例１、２、比較例１、２の調査結果を表２に示した。伝熱特性は実施例１と同じ方法で測定した銅製内面溝付伝熱管の管内熱伝達率（ｎ＝３の平均値）を１００としたときの比で示した。

表２から明らかなように、本発明例の実施例１、２の伝熱管はいずれも溝（フィン）形状および耐圧強度が優れた。これは、比［Ｄ／ｔ］およびフィン底幅Ｗを適正に規定したため溝付加工時のメタルフローが良好だったことによる。特に比［Ｄ／ｔ］が１９．０〜２３．０の範囲内にあるＮｏ．２〜６、９〜１１の伝熱管は溝（フィン）形状が極めて優れた。

伝熱特性（管内熱伝達率）については、実施例１、２の伝熱管はいずれも実用上問題のない特性を示した。実施例２の伝熱管はいずれも実施例１のＮｏ．４の伝熱管（α、β以外は同じ寸法）と較べて伝熱特性が劣った。これはフィンの頂角αおよびリード角βがより好ましい範囲（請求項２の規定範囲）を外れたためである。

一方、比較例１のＮｏ．１２の伝熱管は比［Ｄ／ｔ］が小さすぎたためフィンに亀裂や千切れが生じた。Ｎｏ．１３は比［Ｄ／ｔ］が大きすぎたため耐圧強度が低下した。比較例２のＮｏ．１４はフィンの底幅ｗが小さすぎたためフィンの形成が困難でフィンに亀裂が生じた。

本発明の伝熱管の実施形態を示す説明図で、（イ）は横断面図、（ロ）は内面展開図、（ハ）は図１（ロ）のＡ−Ａ断面図である。 伝熱性能試験装置の概略図で、（イ）は蒸発試験用、（ロ）は凝縮試験用である。

１ 伝熱管
２ 伝熱管内面のフィン
３ 伝熱管内面の溝

Claims (1)

1. ＪＩＳＡ６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金からなる素管を転造加工して管内面にフィンを形成するととともに、管内に冷媒を流して熱交換する熱交換器に用いられる伝熱管であって、
   前記伝熱管の外径（Ｄ）と底肉厚（ｔ）の比［Ｄ／ｔ］が１９．０以上、２３．０以下であり、
   かつ前記フィン底幅Ｗが０．１２ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であるとともに、前記伝熱管の内面に形成されたフィンの頂角αが１１度以上、１６度以下であり、
   前記伝熱管の内面に形成されたフィンのリード角βが２５度以上、５５度以下であることにより、十分な耐圧強度を有し、かつ内面溝加工が良好に行えることを特徴とする
   伝熱管。

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