JPH07218038A - 混合冷媒用伝熱管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】凝縮液膜を速やかに排除することにより伝熱を
促進し、非共沸混合冷媒を用いても高い熱伝達率が得ら
れる伝熱管を提供する。 【構成】熱交換器に対して水平に取り付ける内面に螺旋
溝を有する伝熱管６であって、内面溝１に加えて管内面
に液溜りとなる空隙３を設け、流れ方向に空隙３の形状
を変化させた内面加工伝熱管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非共沸混合冷媒を用いる
冷凍装置，空気調和機の熱交換器に用いる伝熱管であっ
て、管内流体が管内で相変化を行う用途に適した内面加
工管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から管内側伝熱促進法の一つとし
て、伝熱管内面に多数の微細な溝を螺旋状に形成した内
面溝付管がある。この伝熱管内を冷媒が相変化しながら
流れるときに得られる熱伝達率は平滑管に比べて格段に
高く、溝の形状，深さ，捻れ角等を変化させて性能を向
上させたものが多数提案されている。

【０００３】凝縮過程で伝熱を促進するには、冷媒蒸気
に対して常に新しい伝熱面を作ればよく、そのためには
凝縮液膜を速やかに取り除くことが必要となる。このた
め、内面溝の山の頂角は鋭く、谷部の形状は凝縮液を引
き込みやすい構造であることが望ましいとされている。
また、蒸発過程では逆に、伝熱面を薄い液膜で覆って有
効な伝熱面を増やすことが重要となる。このためには、
乾きやすい管頂部に液冷媒が供給されやすい溝形状が必
要となる。凝縮と蒸発とでは伝熱促進の考え方が違って
いるが、現在多くの空調機はヒートポンプとして利用さ
れているので、これらに用いる伝熱管は凝縮，蒸発共に
高性能であることが望まれる。内面螺旋溝の構造例の一
つは、特許第1181228 号の伝熱管，連続した螺旋溝以外
の構造例としては特開平2−161267 号公報に記載の二分
割する溝を設けた伝熱管，管内面にその内径よりやや小
さい内径の薄肉円筒体を挿入し、接触面積を増加させた
蒸発管として特開昭60−263096号公報がある。

【０００４】しかし、これらは作動媒体として単一冷媒
を対象として最適化されてきたものである。非共沸の二
成分，三成分系の混合冷媒の内面溝付管における伝熱性
能は、平滑管を基準にすると例外なく向上するが、冷媒
の組み合わせによっては混合による性能低下を回復出来
ない場合もある。

【０００５】伝熱性能の向上策は内面螺旋溝付管を用い
るほかに、次のことも考えられる。すなわち、非共沸混
合冷媒の内面溝付管内の伝熱特性の一例を図１１に示
す。図中横軸は質量速度（kg／ｍ²ｓ）を示し、縦軸は
平均熱伝達率（kW／ｍ²Ｋ）を示している。この図から
非共沸混合冷媒の伝熱特性は、単一冷媒に比べて質量速
度の影響を大きく受け、質量速度が増加すると単一冷媒
の結果に近づくことが分かる。高い伝熱性能を得るため
に質量速度の高い範囲で利用することも有効な手段とし
て利用できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】沸点が異なる複数種の
冷媒を混合した非共沸混合冷媒を現状の熱交換器に用い
ると、種々の不都合が生じる。これは、相変化の過程で
濃度が変化し、飽和温度が変化することによる有効温度
差の減少、及び伝熱性能の低下である。

【０００７】図９に二成分系の非共沸混合冷媒の気液平
衡線図を示す。一定圧力下での混合冷媒の相変化の過程
はこの図によって説明される。図中横軸は高沸点冷媒Ａ
に対する低沸点冷媒Ｂの混合組成比を示し、縦軸は温度
を示している。二つの曲線で囲まれた部分が飽和域で、
露点曲線より上部が過熱域、沸点曲線より下部が過冷却
域を示している。一般的に凝縮器内部の相変化はこの図
上では組成ｙの線上を過熱域からａ点で凝縮を始め、ｂ
点で完了すると説明される。また、実際には低沸点成分
Ｂが１となるｂ′点まで過冷却されて凝縮が完了すると
いう考え方もある。後者の考え方によれば凝縮液のバル
ク温度は過冷却されており、また冷媒蒸気の成分はかな
り低沸点成分Ｂが多いため有効温度差が小さくなり、熱
交換器として考えると大きい温度差を必要とすることに
なる。

【０００８】また図１０（ａ），（ｂ）はそれぞれ、凝
縮と蒸発の混合冷媒と単一冷媒の管内側熱伝達の実験結
果で、横軸に乾き度、縦軸に局所熱伝達率をとってこれ
を示してある。図に示すように、非共沸の混合冷媒は、
特定の乾き度の範囲で凝縮、蒸発共に伝熱性能が低下す
る傾向がある。全体的な伝熱性能を向上させるには低下
分を回復できるような伝熱促進法が必要となる。そこで
本発明は凝縮過程では、凝縮液を伝熱面から速やかに排
除して冷媒蒸気と分離して流すことにより流速を早め、
熱交換器全長にわたって高い熱伝達率を与え、また蒸発
過程でも有効伝熱面を増やすことにより、非共沸混合冷
媒を用いても性能低下が少ない伝熱管を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上の問題を解決するた
めに、本発明は伝熱管内面に螺旋状の溝もしくは伝熱促
進用に加工した伝熱面に加えて管内面に空隙を形成さ
せ、冷媒流路断面においてこの空隙の割合を流れ方向に
変化させる。

【００１０】

【作用】上記構成により、内面溝が起こす旋回流れによ
る伝熱促進効果に加え、空隙に凝縮液膜が流れ込むこと
により容易に液膜を伝熱面から排除することが出来る。
また流路断面が流れ方向に変化するので流速が低下する
のを防ぐ。また蒸発の場合は、液冷媒が空隙に入り込ん
で流れるので接触面積が増加し、高い熱伝達率を与え
る。

【００１１】

【実施例】

（実施例１）以下、図面を参照しながら本発明の第一の
実施例を説明する。図２は本発明の一実施例を部分的に
破断して示した斜視図、図１は図２のＡ−Ａ断面図を示
したものである。本発明の内面加工管は熱交換器に対し
て水平に取り付けられるものである。伝熱管内面はフィ
ン２によって底部に空隙３が形成され、内面溝１はフィ
ン２にも連続して形成されている。凝縮の場合、冷媒蒸
気は図２の白矢印の方向から流入し、内面溝が形成され
た伝熱面で凝縮し気液二相状態で流れる、蒸発の場合は
逆にハッチをした矢印の方向から流入する。

【００１２】次に図３（ａ），（ｂ）及び（ｃ）に本実
施例の空隙３を作るためのフィンの形状例を示す。図３
（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ本実施例における
内面加工管を管軸に垂直な面で切った断面図である。図
３（ａ）ではフィン２は管底部から左右に管内壁に沿っ
て形成されており、管内壁とフィンとの間に空隙３が作
られる。図３（ｂ）では管内壁の側面から管底部にそっ
てフィンが形成されている。図３（ｃ）では管底部と管
頂部からそれぞれ逆方向に管内壁に沿ってフィンが形成
されている。

【００１３】すき間を作るフィンの材質は伝熱管の材質
と同じであっても、異なる金属の多孔質体のようなもの
でもよい。金属の多孔質体を用いてフィンを構成する
と、伝熱面として寄与するばかりではなく液冷媒を保持
しやすいので、凝縮液膜を容易に排除できるという利点
がある。

【００１４】フィンの表面形状は、冷媒蒸気の旋回流れ
を妨げないように、管内壁の溝と同方向の溝が切ってあ
る。また管軸方向の形状例を図４（ａ）、（ｂ）に示
す。この図は、図３に示したフィン２を根元から切り取
って表示したものである。図４のように鋸状にしたりス
リットを設けたりすることで液膜の空隙への排除を容易
にする。また図３（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のような例
では、フィンの角度と根元からの長さを変化させて空隙
３の大きさを変える。

【００１５】本実施例によれば、凝縮過程では、凝縮液
は溝部を流下し伝熱管底部に設けた空隙に排除される。
この効果により冷媒蒸気に対して常に新しい伝熱面を出
すことが出来る。管内断面積に占める空隙の割合は図２
に示すように、冷媒の流れ方向に対して徐々に大きくな
るように構成されている。空隙に集められた液冷媒はこ
の流路を通りながら過冷却されて凝縮器出口へ流れる。
また、逆に冷媒蒸気の流路は冷媒の流れ方向に徐々に狭
くなっていくので、流速を落とさずに凝縮が進む。

【００１６】また、蒸発過程では冷媒は膨張弁で絞られ
て気液二相となり、低い乾き度で伝熱管に流入する。蒸
発過程の始めでの本実施例の伝熱管の内面形状は、フィ
ン等によって形成されるすき間の割合がかなり大きくな
っており、管断面を複数に仕切った構造になっている。
フィンは伝熱管壁と熱的につながっているので、伝熱面
として寄与し、また乾き度が高いところではフィンと内
壁とのすき間が小さく、すき間に保持された液冷媒を効
率良く蒸発させることが出来る。

【００１７】一般的な内面螺旋溝付管の製造方法は、管
内面に加工を施しながら引き抜いて作る方法がとられて
いる。しかし本実施例のような内面構造を持つ伝熱管は
上記のような製法では作ることができないが、フィンや
溝加工をした平板を円形に成形して溶接する方法で製作
することが出来る。また加工した平板を成形して溶接す
る際に複数枚の平板を用いれば、より複雑な内面形状を
持つ伝熱管の製作も可能になる。

【００１８】本発明の伝熱管をクロスフィンチューブ式
熱交換器に組み立てるには伝熱管内面から圧力を加えて
伝熱管と積層したフィンとを密着させる拡管工程があ
る。従来は管内にプラグを押し込む機械拡管方式が取ら
れていたが、この方式では内面溝の山部を潰しながら拡
管していくので内面の形状はある程度限定されていた。
しかし、現在では特開平4−316991 号公報に記載されて
いるような流体を用いた拡管方式も開発されているので
伝熱管内面に複雑な加工を施すことも可能となる。

【００１９】凝縮液の排出を容易にするには、伝熱管を
熱交換器に対して冷媒の流れ方向に傾斜させて取り付け
る。凝縮の場合、流れ方向に下向きに傾斜させてあれ
ば、流量が少ない条件でも冷媒の流れ方向への凝縮液の
搬送を容易にする。

【００２０】同じ効果を得るための他の方法は、図５
（ａ）に示すような断面が繭型の伝熱管を膨らんだ部分
が上下になるように配置する。凝縮過程では、上部の流
路で冷媒を凝縮させ、下部の流路は凝縮液を通す。また
図５（ｂ）のような楕円形の伝熱管の内面にフィンを設
けて流路を仕切り、これを縦長に配置することも考えら
れる。

【００２１】凝縮過程が進んで気相側に低沸点成分が濃
縮された組成になると、露点温度が下がる。図８に示す
ように、この領域では冷媒乾き度が低くなっており、液
冷媒の割合が多いので冷媒蒸気は伝熱管上部を間欠的に
流れるフローパターンになる。熱交換を効率良く行うた
めにはより低い熱源を得るか、管内面上部で露点温度が
下がった冷媒蒸気を凝縮させるために、伝熱促進法を施
す必要がある。管内面に加工すること以外でこの目的を
達成するためには熱交換器に組み込む時に冷媒蒸気が流
れ易い上部の流路側に熱が伝わりやすくなるように空気
側フィンに加工をすることが考えられる。

【００２２】（実施例２）図６は本発明の別の実施例に
基づく内面加工管の断面図である。伝熱管の内面には螺
旋状又は管軸に水平なスリットが切られた薄板円筒体７
が挿入されており、伝熱管の内面に加工された溝の山部
８と接合されている。また図７（ｂ）に示した薄板円筒
体の替わりに図７（ａ）のような薄板を螺旋状に巻いた
ものを用いることもできる。

【００２３】本実施例によっても凝縮時に液冷媒を効率
良く排除する効果と、蒸発時には薄板挿入体７と内面溝
８とのすき間に保持された液冷媒を効率良く蒸発させる
効果があるので、第一の実施例と同様に非共沸混合冷媒
を用いた場合の性能低下を抑えることができる。

【００２４】（実施例３）図１２に第３の実施例の伝熱
管の管軸に垂直な断面図を示す。伝熱管内面の底部には
第一の実施例に示したようにフィン２によって空隙３が
作られており、空隙側の伝熱管外表面には突起１１が設
けてある。第一の実施例の伝熱管では管内の構造が冷媒
の流れ方向に対して上下で非対称で、冷媒蒸気と液冷媒
の密度差を利用して気液を分離している。このような伝
熱管を熱交換器として組み立てる時、伝熱管の上下の位
置を合わせることが非常に重要な工程となる。そこで管
外表面に突起１１を付けることにより、伝熱管の上下位
置を容易に知ることができる。またフィン側にも突起１
１に合うような凹部を持つカラーを設ければ、熱交換器
に組み立てる時に、間違いを防ぐことができる。さらに
このような突起１１を設けることにより、熱交換器の除
霜時の水きり性能を向上させることができる。このよう
な突起は伝熱管を溶接する製造工程で容易に作ることが
できる。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、凝縮時に高い伝熱性能
を得ることが出来る。即ち、凝縮液膜は内面溝に沿って
流下し空隙に排除され、冷媒蒸気に対して常に新しい伝
熱面を与える。また、空隙は凝縮液に対して十分大き
く、液溜りとなるので、液冷媒が内面溝に沿って管壁を
昇って熱抵抗になることを防ぐ。そして空隙を形成する
壁面は拡大された伝熱面でもあるので、この中で液冷媒
は効果的に冷却される。さらに流れ方向に冷媒蒸気の流
路が狭くなるので、流速が大幅に低下することなく相変
化が進む。

【００２６】また、蒸発の場合フィンと管壁フィンによ
って形成される空隙の割合がかなり大きくなって、管断
面を複数に仕切った構造になっている。フィンは伝熱管
壁と熱的につながっているので、沸騰伝熱面として寄与
する。

【００２７】したがって非共沸混合冷媒を用いた場合で
も、凝縮熱伝達率の低下を少なく抑えることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の部分断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明の第一の実施例のフィンの形状例の説明
図。

【図４】本発明の第一の実施例のフィンの管軸方向の形
状例の説明図。

【図５】本発明の第一の実施例の伝熱管の形状例の説明
図。

【図６】本発明の第二実施例の管軸に垂直な断面図。

【図７】本発明の第二の実施例の薄板挿入体の説明図。

【図８】低乾き度でのフローパターンの説明図。

【図９】非共沸混合冷媒の気液相平衡線図。

【図１０】非共沸混合冷媒の伝熱特性（乾き度の影響）
図。

【図１１】非共沸混合冷媒の伝熱特性（質量速度の影
響）図。

【図１２】本発明の第三の実施例の管軸に垂直な断面
図。

【符号の説明】

１…内面溝、２…フィン、３…空隙、４…上部流路、５
…下部流路、６…伝熱管、７…薄板円筒体、８…内面溝
山部、９…冷媒蒸気、１０…液冷媒、１１…突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 楠本 寛 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管内面に螺旋状の連続した溝が形成された
   伝熱管であって、内壁の側面及び底部に狭い空隙を形成
   させたことを特徴とする混合冷媒用伝熱管。