JP7334262B2 - 伝熱性に優れる内面螺旋溝付管と熱交換器 - Google Patents
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Description
本願は、2019年11月29日に、日本国に出願された特願2019-217340号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
銅合金またはアルミニウム合金を使用した伝熱管では、その熱特性を高めるために内面に螺旋溝を有した伝熱管が提案されている。内面の溝を螺旋化することで管内周の面積を増大させるとともに、毛細管現象でぬれ性が向上することで、冷媒を巻き上げ、熱伝達に寄与する円周長の増大を図ることができる。
しかし、溝転造法で径の小さな内面螺旋溝付管を製造すると、螺旋溝の形状を整えることが難しいため、内面に直線溝を設けた引抜管に引抜加工と捻り加工を同時に施すことで形状の整った内面螺旋溝を形成する技術が提案されている(特許文献2参照)。
また、引抜加工と捻り加工を同時に施す方法を利用すると、溝転造法では製造不可能であった溝底幅より溝開口部幅の小さい溝形状、換言すると横断面逆台形状の螺旋フィンを備えた内面螺旋溝付管を製造できるようになった(特許文献3参照)。
本発明の目的は、より良好な熱伝達性を有する内面螺旋溝付管の提供を目的とする。
本形態の内面螺旋溝付管において、前記フィンの上部側の幅(フィン頂幅)をamm、前記フィンの下部側の幅をbmmと仮定すると、(a+b)/2の式で示されるフィン幅(f)が0.091mm以上0.138mmであることが好ましい。
本形態の内面螺旋溝付管において、前記フィン高さ(h)が0.227mm以上0.392mm以下であることが好ましい。
本形態の内面螺旋溝付管において、前記管本体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなることが好ましい。
本形態の熱交換器は、先のいずれかに記載された内面螺旋溝付管を備えたことを特徴とする。
フィン間の間口が小さいと冷媒が螺旋溝に入り込み難くなるため、伝熱性が悪化する傾向となり、濡れ縁長さが長い方が伝熱性は良好となる。
螺旋状のフィン高さを高くすると、フィンは内面螺旋溝付管の中心に向かって高く延在するため、隣接するフィンどうしの先端間の間口は狭くなる。外径3mm以上10mm以下、30~60条のフィンを有する金属製内面螺旋溝付管において冷媒が入り込むために最低限の間口を確保する必要があり、その際に、内面螺旋溝付管の内面に存在するフィンの高さとフィン頂幅と条数との関係で上述の範囲を選択することが好ましい。
なお、以下の説明で用いる図面は、便宜上特徴となる部分を拡大して強調表示している場合がある。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。
この例の熱交換器1は、冷媒を通過させるチューブとしての内面螺旋溝付管2を蛇行させて設け、この内面螺旋溝付管2の周囲にアルミニウム製の板状の放熱板3を複数平行に配設した構造である。内面螺旋溝付管2は、平行に配設した個々の放熱板3を貫通するように設けた複数の挿通孔を通過して蛇行するように設けられている。
この構成の熱交換器1は、主管2Aより若干径の小さな内面螺旋溝付管を放熱板3の挿通孔に通し、内面螺旋溝付管を拡管して主管2Aを構成し、主管2Aと放熱板3とを機械的に結合し組み立てられている。なお、熱交換器1において主管2Aと放熱板3との接合は機械的接合法に限らず、ろう付け法などの他の接合法による接合であっても良い。また、拡管には、水圧拡管、プラグ拡管、エアー拡管など、公知のいずれの拡管方法を用いても良い。
以下に、上述の熱交換器1に適用されている内面螺旋溝付管2について具体的に説明する。
図3は第1実施形態の内面螺旋溝付管2の一部を拡大した横断面図であり、図4は内面螺旋溝付管2の縦断面図である。
また、内面螺旋溝付管2はJIS規定のアルミニウム合金以外のアルミニウム合金から形成されていても良い。この実施形態ではアルミニウム又はアルミニウム合金からなる内面螺旋溝付管2を例として説明するが、本発明で目的とする伝熱管は引抜きダイスにより引抜きが可能な材料であれば適用可能であるので、銅系合金あるいは鉄系合金など、他の合金からなる管を用いて本形態に適用しても良いのは勿論である。
図4に示すように内面螺旋溝付管2において、螺旋状のフィン7と螺旋溝8は管本体6の長さ方向に一定の捻れ角θ1を有し延在されている。
個々のフィン7あるいは螺旋溝8の捻り角θ1は、図4に示すように内面螺旋溝付管2の縦断面を描いた場合、管の内側中心部に表示される螺旋溝あるいは螺旋フィンの直線状に描かれる部分の延長線と管本体2の中心軸線(あるいは中心軸線の平行線)とのなす角度を示す。
フィン7の底部7bは、管本体6の内周部に位置し、内周面6b、換言すると螺旋溝8の底面と連続されている。側壁部7cは、図3に示す管本体6の横断面において、管本体6の径方向に沿って直線的に延在されている。管本体6の横断面において、螺旋溝8の底面から管本体6の外周面までの肉厚は底肉厚(d)と表記することができる。
また、図5に示す状態では、モデル表示して左右に隣接させた状態のフィン7、7を描いているが、図3に示すように管本体6の内周面6bは、所定の曲率の円弧状とされている。このため、隣接するフィン7、7間に形成されている螺旋溝8の溝幅は、溝底側で若干広く溝開口部側に向けて徐々に狭くなっている。
フィン7の高さ(すなわち、管本体6の半径方向の寸法)は、0.13mm以上0.55mm以下程度である。また、内面螺旋溝付管2の底肉厚(螺旋溝8の底部に対応する管本体6の肉厚)は、0.3mm以上0.6mm以下程度である。フィン7の厚さであるフィン頂幅は、0.07mm以上0.20mm以下程度である。
フィン14において側壁部14c、14cの最底部は互いに接近しているが、側壁部14c、14cの最底部間の距離をフィン間隔(c)と定義することができる。なお、厳密には、図6に示すように側壁部14c、14cの最底部において螺旋溝16の底面に接続する部分には、0.05mm程度のアールが形成されているので、側壁部14cの延長面と螺旋溝16の底面とが交わる位置を側壁部14cの最底部と仮定し、左右の側壁部14c、14cの最低部間の距離をフィン間隔(c)と定義する。
なお、図6に示すフィン14において側壁部14c、14cがなす角をフィン頂角(θ)と定義することができる。
しかし、図5に示すフィン7においては、側壁部7c、7cが平行または略平行のため、フィン頂角(θ)を図示できていないが、フィン7において側壁部7c、7cが平行の場合のフィン頂角は0°と定義する。なお、本実施形態のフィン7において、側壁部7c、7cがなす角として定義されるフィン頂角は、0±10°の範囲であることが好ましく、0±5°の範囲であることがより好ましい。
以上説明のように、フィン頂角が0°より小さく、-5゜までの範囲であることはフィン7が横断面視逆等脚台形状であることを意味し、フィン頂角が0°より大きく、+5°までの範囲であることはフィン7が横断面視等脚台形状であることを意味し、これらは厳密には長方形状ではないが、本明細書ではフィン頂角が0±10゜の範囲のフィン7であれば、横断面長方形状のフィンに包含する。
以上説明したように本実施形態では、便宜的に、側壁部7c、7cどうしが完全平行なフィン頂角0°の状態から、側壁部7cが+の角度傾斜して上窄まりの等脚台形状になる場合を正のフィン頂角で表し、側壁部7cが-の角度傾斜して上広がりの逆等脚台形状になる場合を負のフィン頂角で示すこととする。
前述のサイズの内面螺旋溝付管2において、フィン頂幅を大きくし過ぎると、螺旋溝8の径方向の開口間口が狭くなりすぎて、螺旋溝8内に冷媒が入り難くなってしまい、熱伝達性が悪化するおそれがある。加えて、冷媒の圧力損失が大きくなってしまうという問題がある。フィン頂角を0±10°とすることで前述のサイズのフィン7を設けて螺旋溝8の開口間口を十分に大きくすることができ、螺旋溝8への冷媒の流入を確実として冷媒への熱伝達性を高めるとともに、冷媒の流れをスムーズにできる。
また、前述の範囲のフィン高さとフィン頂幅に設定することで、フィン7を細く長くすることができ、冷媒とフィンとの濡れ縁長さを充分に確保し、伝熱面積を充分に確保することで良好な熱伝達率を確保することができる。
(h/f)を0.90以上とすることでフィン7の濡れ縁長さをできるだけ確保することができるが、下限値未満では濡れ縁長さが不足する。(h/f)が3.40を超えると間口が狭くなることによる冷媒の流入不良が起こることによって熱交性能が低下する。
内面螺旋溝付管2において、管本体の周方向に隣接するフィン間の距離(c)とフィン幅(f)の比(c/f)を0.50以上3.80以下とする。
(c/f)を0.50以上とすることで螺旋溝に対する冷媒の入り込みやすさを確保できるが、下限値未満では冷媒が螺旋溝に入り込み難くなる。(c/f)が3.80を超えると濡れ縁長さが不足するようになり、またそれがフィン条数の低下をともなう場合は冷媒の巻き上げ効果を減ずることにつながり、熱交性能が低下する。
また、熱交性能はフィン高さとフィン幅とフィン間隔のバランスで良し悪しが変動することから(h/f)と(c/f)の平均値が0.8以上3.3以下とすることが良い。好ましくは、2.0以上2.8以下、更に好ましくは、2.4以上2.6以下とすると良い。
一方、本実施形態の螺旋溝付管2では、上述のサイズのフィン7が形成されているので、螺旋状のフィン7の存在による乱流効果の促進、フィン7の周囲に生成する冷媒の膜厚の抑制効果、フィン7、7間の間口の大きさにより冷媒が螺旋溝8に容易に出入できる効果、長方形状のフィン7の存在により濡れ縁長さを長くしている効果等により、高い蒸発熱伝達率および高い凝縮熱伝達率を得ることができる。
図7に示す素管9から図3、図5に示す横断面視長方形状のフィン7を製造するには、一例として、捻り引抜き加工を行う図8、図9に示す製造装置Aを使用できる。
<押出成形工程>
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるビレットを押出成形することにより、図7に示す素管9を製造する。この素管9の内面には直線状のフィン9Aと直線溝9Bが内周方向に等間隔で複数形成されている。
押出加工時に素管9に形成するフィン9Aのコーナ部と直線溝9Bのコーナ部は、曲率半径0.005~0.025mm程度の精度を実現できるので、図3または図5に示す横断面形状と同等の横断面長方形状のフィンを複数備えた内面螺旋溝付管を製造することができる。
次に、捻り引抜き工程について説明する。
捻り引抜き工程は、引抜きを行いながら前記素管9に捻りを付与することで、螺旋状のフィン7と螺旋溝8を有する内面螺旋溝付管2を形成する工程である。
図8は、素管9に捻り引抜き加工を2回付与して内面螺旋溝付管2を製造する製造装置Aを示す側面図である。まず、製造装置Aの概要について説明する。
製造装置Aは、公転機構30と、浮き枠34と、巻き出しボビン(第1のボビン)11と、第1のガイドキャプスタン18と、第1の引抜きダイス17と、第1の公転キャプスタン21と、公転フライヤ23と、第2の公転キャプスタン22と、第2の引抜きダイス19と、第2のガイドキャプスタン61と、巻き取りボビン(第2のボビン)71とを備える。以下、各部の詳細について説明する。
公転機構30は、前方シャフト35Aおよび後方シャフト35Bを含む回転シャフト35と、駆動部39と、前方スタンド37Aと、後方スタンド37Bと、を有している。
公転機構30は、回転シャフト35並びに、回転シャフト35に固定された第1の公転キャプスタン21、第2の公転キャプスタン22および公転フライヤ23を回転させる。
また、公転機構30は、回転シャフト35と同軸上に位置し回転シャフト35に支持される浮き枠34の静止状態を維持する。これにより、浮き枠34に支持された巻き出しボビン11、第1のガイドキャプスタン18および第1の引抜きダイス17の静止状態を維持する。
駆動モータ39cは、直動シャフト39fを回転させる。直動シャフト39fは、前方スタンド37Aおよび後方スタンド37Bの下部において前後方向に延在されている。
前方シャフト35Aの前方の端部35Abは、前方スタンド37Aを貫通した先端にプーリー39bが取り付けられている。プーリー39bは、ベルト39aを介し直動シャフト39fと連動する。同様に、後方シャフト35Bの後方の端部35Bbは、後方スタンド37Bを貫通した先端にプーリー39eが取り付けられ、ベルト39dを介し直動シャフト39fと連動する。これにより、前方シャフト35Aおよび後方シャフト35Bは、公転回転中心軸Cを中心に同期回転する。
浮き枠34は、回転シャフト35の前方シャフト35Aおよび後方シャフト35Bの互いに向かい合う端部35Aa、35Baに軸受34aを介し支持されている。また、浮き枠34は、巻き出しボビン11、第1のガイドキャプスタン18および第1の引抜きダイス17を支持する。
図9は、図8における矢印X方向から見た浮き枠34の平面図である。図8、図9に示すように、浮き枠34は、上下に開口する箱形状を有する。浮き枠34は、前後に対向する前方壁34bおよび後方壁34cと、左右に対向するとともに前後方向に延びる一対の支持壁34dと、を有する。
巻き出しボビン11には、素管9が巻き付けられている。巻き出しボビン11は、素管9を巻き出して後段に供給する。巻き出しボビン11は、ボビン支持シャフト12に着脱可能に取り付けられている。
図8に示すように、ボビン支持シャフト12は、回転シャフト35と直交する方向に延びている。また、ボビン支持シャフト12は、浮き枠34に自転回転可能に支持されている。なお、ここで自転回転とは、ボビン支持シャフト12自身の中心軸を中心として回転することを意味する。ボビン支持シャフト12は、巻き出しボビン11を保持し、巻き出しボビン11の供給方向に自転回転することで、巻き出しボビン11からの素管9の繰り出しを補助する。
ボビン支持シャフト12には、ブレーキ部15が設けられている。ブレーキ部15は、浮き枠34に対するボビン支持シャフト12の自転回転に制動力を与える。すなわち、ブレーキ部15は、巻き出しボビン11の巻き出し方向の回転を規制する。ブレーキ部15による制動力により、巻き出し方向に搬送される素管9には、後方張力が付加される。
第1のガイドキャプスタン18は、円盤形状を有している。第1のガイドキャプスタン18には、巻き出しボビン11から繰り出された素管9が1周巻き掛けられる。第1のガイドキャプスタン18の外周の接線方向は、公転回転中心軸Cと一致する。第1のガイドキャプスタン18は、素管9を第1の方向D1に沿って公転回転中心軸C上に誘導する。
第1のガイドキャプスタン18は、自転回転自在に浮き枠34に支持されている。また第1のガイドキャプスタン18の外周には、自転回転自在のガイドローラ18bが並んで配置されている。本実施形態の第1のガイドキャプスタン18は、複数のガイドローラ18bが個々に回転するが、複数のガイドローラ18bが回転すれば、素管9をスムーズに搬送できる。なお、図8において、ガイドローラ18bの図示は省略されている。
図8に示すように、第1のガイドキャプスタン18と巻き出しボビン11との間には、管路誘導部18aが設けられている。管路誘導部18aは、例えば素管9を囲むように配置された複数のガイドローラである。管路誘導部18aは、巻き出しボビン11から供給される素管9を第1のガイドキャプスタン18に誘導する。
第1の引抜きダイス17は、素管9を縮径する。第1の引抜きダイス17は、浮き枠34に固定されている。第1の引抜きダイス17は、第1の方向D1を引抜き方向とする。第1の引抜きダイス17の中心は、回転シャフト35の公転回転中心軸Cと一致する。また、第1の方向D1は、公転回転中心軸Cと平行である。
第1の引抜きダイス17には、浮き枠34に固定された潤滑油供給装置34Aにより潤滑油が供給される。
第1の引抜きダイス17を通過した中間捻り管9Dは、浮き枠34の前方壁34bに設けられた貫通孔を介して、前方シャフト35Aの内部に導入される。
第1の公転キャプスタン21は、円盤形状を有している。第1の公転キャプスタン21は、中空の前方シャフト35Aの内外を径方向に貫通する横孔35Acに配置されている。第1の公転キャプスタン21は、円盤の中心を回転軸J21として、回転シャフト35(前方シャフト35A)の外周部に固定された支持体21aに支持されている。
第1の公転キャプスタン21は、外周の接線の1つが公転回転中心軸Cと一致する。
第1の公転キャプスタン21には、公転回転中心軸C上の第1の方向D1に搬送される管材5が一周以上、巻き掛けられる。第1の公転キャプスタン21は、管材を巻き掛けて前方シャフト35Aの内部から外部に引き出して公転フライヤ23に誘導する。
第1の公転キャプスタン21とともに、前方シャフト35Aには駆動モータ20が設けられている。駆動モータ20は、第1の公転キャプスタン21を管材の巻き掛け方向(搬送方向)に駆動回転する。これにより、第1の公転キャプスタン21は、管材に第1の引抜きダイス17を通過するための前方張力を付与する。
公転フライヤ23は、第1の引抜きダイス17と第2の引抜きダイス19との間で、中間捻り管9Dの管路を反転させる。公転フライヤ23は、中間捻り管9Dを反転させ、搬送方向を第2の引抜きダイス19の引抜き方向である第2の方向D2に向ける。より具体的には、公転フライヤ23は、第1の公転キャプスタン21から第2の公転キャプスタン22に中間捻り管9Dを誘導する。
ガイドローラ23aは、公転回転中心軸Cに対し外側に湾曲する弓形状を形成して並列されている。ガイドローラ23a自身が転動して中間捻り管9Dをスムーズに搬送する。公転フライヤ23は、公転回転中心軸Cを中心として、浮き枠34並びに浮き枠34内に支持された第1の引抜きダイス17および巻き出しボビン11の周りを回転する。
第2の公転キャプスタン22は、第1の公転キャプスタン21と同様に、円盤形状を有する。第2の公転キャプスタン22は、後方シャフト35Bの端部35Bbの先端に設けられた支持体22aに自転回転が自在な状態で支持されている。また、第2の公転キャプスタン22の外周には、自転回転自在のガイドローラ22cが並んで配置されている。本実施形態の第2の公転キャプスタン22は、複数のガイドローラ22cが個々に回転するが、この回転により管材をスムーズに搬送できる。
第2の公転キャプスタン22には、回転中心軸C上の第2の方向D2に搬送される管材5が一周以上、巻き掛けられる。第2の公転キャプスタン22は、巻き掛けられた管材を回転中心軸C上の第2の方向D2に繰り出す。
第2の公転キャプスタン22を支持する支持体22aは、回転中心軸Cに対し第2の公転キャプスタン22と対称の位置に錘22bを支持する。錘22bは、後方シャフト35Bの回転のバランスを安定させる。
第2の引抜きダイス19は、第2の公転キャプスタン22の後段に配置される。第2の引抜きダイス19は、反対の第2の方向D2を引抜き方向とする。第2の方向D2は、回転中心軸Cと平行な方向である。第2の方向D2は、第1の引抜きダイス17の引抜き方向である第1の方向D1と反対である。中間捻り管9Dは、第2の方向D2に沿って第2の引抜きダイス19を通過する。第2の引抜きダイス19は、地面Gに対して静止している。第2の引抜きダイス19の中心は、回転シャフト35の回転中心軸Cと一致する。
第2の引抜きダイス19は、例えば図示略のダイス支持体を介して架台62に支持されている。また、第2の引抜きダイス19には、架台62に取り付けられた潤滑油供給装置62Aにより潤滑油が供給される。これにより第2の引抜きダイス19における引抜力を軽減できる。
第2のガイドキャプスタン61は、円盤形状を有している。第2のガイドキャプスタン61の外周の接線方向は、公転回転中心軸Cと一致する。第2のガイドキャプスタン61には、公転回転中心軸C上の第2の方向D2に搬送される内面螺旋溝付管2が一周以上、巻き掛けられる。
第2のガイドキャプスタン61が駆動することによって内面螺旋溝付管2には、前方張力が付与される。これにより内面螺旋溝付管2は、第2の引抜きダイス19における加工に必要な引抜き応力が付与され前方に搬送される。
巻き取りボビン71は、内面螺旋溝付管2の管路の終端に設けられ、内面螺旋溝付管2を回収する。巻き取りボビン71の前段には、プーリー72が設けられている。
巻き取りボビン71は、ボビン支持シャフト73に着脱可能に取り付けられている。ボビン支持シャフト73は、架台75に支持され、駆動モータ74に駆動ベルト等を介し接続されている。
上述した製造装置Aを用いて、内面螺旋溝付管2を製造する方法について説明する。
巻き出しボビン11から素管9を繰り出して、予め素管9の管路にセットする。素管9を、第1のガイドキャプスタン18、第1の引抜きダイス17、第1の公転キャプスタン21、公転フライヤ23、第2の公転キャプスタン22、第2の引抜きダイス19、第2のガイドキャプスタン61、巻き取りボビン71の順に、通過させて、セットする。
次に、素管9を第1の引抜きダイス17に通過させる。更に、第1の引抜きダイス17の後段で管材を第1の公転キャプスタン21に巻き掛けて前記回転軸の周りを回転させる。これにより、素管9を縮径するとともに捻りを付与する(第1の捻り引抜き工程)。
第1の捻り引抜き工程において、素管9に適度な張力を付与することが可能となり、管材5に座屈・破断を生じさせることなく安定した捻り角を付与できる。
素管9は、第1の引抜きダイス17により引抜きされるとともに、第1の公転キャプスタン21により捻りが付与される。これにより、素管9の内部の直線状のフィン9Aと直線溝9Bに捻りが付与される。
第1の捻り引抜き工程により素管9は、中間捻り管9Dとなる。中間捻り管9Dは、内面螺旋溝付管2の製造工程における中間段階の管材であり、内面螺旋溝付管2のフィン7と螺旋溝8より浅い捻り角のフィンと螺旋溝が形成された状態である。
次に、第2の公転キャプスタン22とともに回転する中間捻り管9Dを第2の引抜きダイス19に通過させる。これにより、中間捻り管9Dを縮径するとともに捻りを付与し、リード角を更に大きくする(第2の捻り引抜き工程)。この第2の捻り引抜き工程により中間捻り管9Dは、内面螺旋溝付管2となる。ここで目的のリード角を有する内面螺旋溝付管2を得ることができる。
次に、内面螺旋溝付管2を仕上げ引抜きダイス70に通過させる(仕上げ引抜き工程)。仕上げ引抜きダイス70を通過することで、内面螺旋溝付管2の表面を整形できる。
以上説明した製造装置Aによる捻り引抜き工程によれば、捻りと同時に引抜きを行っているため、素管9に捻りと縮径の複合応力を付与する為に、捻り加工に必要なせん断応力を低減させることが可能となり、素管9の座屈応力に達する前に、素管9に大きな捻りを付与できる。
内面螺旋溝付管2は、肉厚を薄くすることで、軽量化するとともに材料費を低減して安価とすることができる。すなわち、本実施形態によれば、軽量、安価かつ熱交換効率の高い内面螺旋溝付管2を製造できる。
アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる3~10mm程度などの細径の素管9に対し、捻りのみを作用させると容易に座屈するか破断する。この製造装置Aでは捻りの作用と同時に引抜きを作用させて捻りによる座屈・破断を抑制しながら引き抜くので、上述のサイズの素管9であっても、座屈・破断させることなく捻りを付加できる。
次に、それらの素管に図8、図9に示す製造装置Aを用いて捻り引抜き加工を施し、実施例1、2、7~9と参考例3~6、10~13、比較例1~11の内面螺旋溝付管を製造した。また、以下の表1に示す実施例1、2、参考例11、12と比較例1、4の内面螺旋溝付管について、それらの周方向8箇所において、底肉厚(mm)とフィン高さ(mm)とフィン頂幅(mm)を測定した結果とそれらの平均値を計算した結果を示す。
単管の熱交性能の評価は二重管構造にて実施し、内管(伝熱管)に冷媒を、外管に水を対向流で流し、水の出入口の温度変化により、内管の管内熱伝達率を算出した。また、圧力損失は内管出入口の冷媒圧力差から算出して評価を行った。
熱交性能は、冷媒流量約20kg/hでの単管の熱交性能評価結果において、凝縮熱伝達率が6.5kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃以下の場合を×と判断した。
凝縮熱伝達率が6.5kw/m2×℃超、8.0kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、12.0kw/m2×℃以下の場合を△とし、凝縮熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、9.5kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、12.0kw/m2×℃以下の場合を〇とし、凝縮熱伝達率が9.5kw/m2×℃超、かつ蒸発熱伝達率が12.0kw/m2×℃超の場合を◎とした。
実施例1、2、7~9と参考例3~6、10~13の内面螺旋溝付管は、フィン高さ(h)とフィン幅(f)の比(h/f)を0.90以上3.40以下としているので、冷媒の濡れ縁長さを大きくすることができ、伝熱効率の良好な内面螺旋溝付管を提供できる。
実施例1、2、7、8、9の内面螺旋溝付管は、フィン頂角を0±2.5°とし、また、フィン高さ(h)とフィン幅(f)の比(h/f)と管本体の周方向に隣接するフィン間の距離(c)とフィン幅(f)の比(c/f)の平均値を2.4~2.6としているため、より熱伝達効率の優れる内面螺旋溝付管を提供できる。
次に、参考例12の内面螺旋溝付管は、フィン頂角を0°とし、(h/f)が1.8を示し、(c/f)の値が1.1を示しており、いずれも望ましい範囲の値を示しているが、(h/f)の値と(c/f)の値の平均値が1.8を下回っていることから、熱交性能は実施例1,2より低下し、実施例11よりも若干低下している。
次に、比較例1の内面螺旋溝付管は、(h/f)の値と(c/f)の値の平均値が望ましい範囲内であるが、フィン頂角が大きいため、大量に流入した冷媒によって薄い液膜を生成させることができず、効率よく乾き現象が起こらないことで熱交性能が悪化する。
次に、比較例2の内面螺旋溝付管は、(h/f)が3.6を示し、望ましい範囲から上方側に外れていることで、比較的細くて高いフィンが円周方向に存在していることになるが、フィン谷部の間隔が広くなることにより、同様の傾向で熱交性能が悪化している。
比較例3においては、フィン条数が少なく、また、(c/f)の値が4.1を示し、望ましい範囲から上方側に外れているが、同様の傾向で熱特性が悪化している。
次に、比較例4の内面螺旋溝付管は、フィン頂角が大きく、(h/f)が0.85を示し、望ましい範囲から下方側に外れており、背の低いフィンが円周方向に存在することで濡れ縁長さが低下し、熱交性能が悪化する。比較例6~9においては、(h/f)と(c/f)のどちらかまたは両方が望ましい範囲から下方側あるいは上方側に外れており、同様の傾向で熱交性能が悪化している。
次に、比較例5の内面螺旋溝付管は、フィン頂角がマイナス側に大きく、(c/f)の値が0.47を示し、望ましい範囲から下方側に外れており、フィントップの間口が狭くなることで冷媒が効率よく流れ込まず、熱交性能が悪化する。比較例10においては、フィン条数が多く、また、(h/f)の値が3.6を示し、望ましい範囲から上方側に外れているが、同様の傾向で熱交性能が悪化する。
次に、比較例11の内面螺旋溝付管は、(c/f)が望ましい範囲から上方側に外れており、濡れ縁長さが長いものの、フィン間が広くなることで薄い冷媒膜の生成が難しくなり、効率よく乾かなくなることで熱交性能が悪化する。
図16のグラフに、実施例1(◎)、参考例11(〇)、参考例12(△)、比較例1(×)の内面螺旋溝付管について凝縮熱伝達率を測定した結果を示し、図17のグラフに、実施例1(◎)、参考例11(〇)、参考例12(△)、比較例1(×)の内面螺旋溝付管について蒸発熱伝達率を測定した結果を示す。
このことから、外径3mm以上10mm以下、30~60条のフィンを有する金属製内面螺旋溝付管において、螺旋状のフィンのフィン頂角を0±10°の範囲とした横断面長方形状とし、高さと幅の比、h/fを0.90以上3.40以下、フィン間距離とフィン幅の比、c/fを0.50以上3.80以下とすることにより、内部を流れる冷媒の濡れ縁長さを長く確保でき、フィン間に冷媒が入り込みやすい伝熱性に優れる内面螺旋溝付管を提供できることがわかる。
また、内面溝形状によって熱交性能の良し悪しが変化しており、冷媒流量20kg/hでの評価結果において、凝縮熱伝達率が6.5kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃以下の場合を×と判断し、凝縮熱伝達率が6.5kw/m2×℃超、8.0kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、12.0kw/m2×℃以下の場合を△と判断し、凝縮熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、9.5kw/m2×℃以下で、かつ蒸発熱伝達率が8.0kw/m2×℃超、12.0kw/m2×℃以下の場合を〇と判断し、凝縮熱伝達率が9.5kw/m2×℃超、かつ蒸発熱伝達率が12.0kw/m2×℃超の場合を◎と判断した。
図18に示すグラフと図19に示すグラフの対比から、実施例1、参考例11、12の内面螺旋溝付管と比較例1の内面螺旋溝付管を対比すると、凝縮圧損と蒸発圧損の値がほぼ同じであることから、冷媒流量10~25kg/hの広い範囲において圧損に関しては優劣が見られず、同等の性能を有していることが分かった。
従って、実施例1、参考例11、12に係る内面螺旋溝付管は、広い冷媒流量範囲において優れた熱伝導性を得ることができる。
Claims (6)
- 管本体の内周方向に沿って複数の溝とフィンが配列され、前記管本体の長さ方向に沿って前記複数の溝とフィンが螺旋状に形成された外径3mm以上10mm以下であり、前記管本体の内周に30~60条の前記フィンが形成された金属製内面螺旋溝付管であって、
前記フィンが前記管本体の横断面に描かれるフィン頂角を-2.5°以上+2.5°以下°の範囲とした横断面長方形状であり、
フィン高さ(h)とフィン幅(f)の比(h/f)が、1.750以上3.161以下であり、
前記管本体の周方向に隣接するフィン間の距離(c)とフィン幅(f)の比(c/f)が、1.547以上2.965以下であり、
且つ、(h/f)と(c/f)の平均値が2.4以上2.6以下であることを特徴とする伝熱性に優れた内面螺旋溝付管。 - 前記複数のフィンが前記管本体の内周方向に等間隔で配置されたことを特徴とする請求項1に記載の伝熱性に優れた内面螺旋溝付管。
- 前記フィンの上部側の幅(フィン頂幅)をamm、前記フィンの下部側の幅をbmmと仮定すると、(a+b)/2の式で示されるフィン幅(f)が0.091mm以上0.138mmであることを特徴とする請求項1に記載の内面螺旋溝付管。
- 前記フィン高さ(h)が0.227mm以上0.392mm以下であることを特徴とする請求項1に記載の内面螺旋溝付管。
- 前記管本体がアルミニウム又はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の伝熱製に優れた内面螺旋溝付管。
- 請求項1~請求項5のいずれか一項に記載された内面螺旋溝付管を備えたことを特徴とする熱交換器。
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