JPH0921594A - 混合冷媒用伝熱管とその製造方法 - Google Patents

混合冷媒用伝熱管とその製造方法

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JPH0921594A
JPH0921594A JP16851095A JP16851095A JPH0921594A JP H0921594 A JPH0921594 A JP H0921594A JP 16851095 A JP16851095 A JP 16851095A JP 16851095 A JP16851095 A JP 16851095A JP H0921594 A JPH0921594 A JP H0921594A
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JP
Japan
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heat transfer
mixed refrigerant
transfer tube
fin
groove
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JP16851095A
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English (en)
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Masaaki Ito
正昭 伊藤
Mari Uchida
麻理 内田
Naoki Shikazono
直毅 鹿園
Toshihiko Fukushima
敏彦 福島
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】混合冷媒に対して、凝縮液の排出を促進するこ
とにより、高い伝熱性能を持つ伝熱管、及びその製造方
法、またそれを用いた熱交換器,冷凍・空調機を提供す
る。 【構成】管軸に対し10〜30度のらせん角度を持つ1
次フィンと、管軸に対し80〜90度のらせん角度を持
つ2次溝とを交差させた混合冷媒用伝熱管。また、この
伝熱管を用いたクロスフィンチューブ形熱交換器、およ
び冷凍・空調機。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、混合冷媒を作動流体と
する冷凍機,空調機に用いられる熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】HCFC−22などの単一冷媒を作動流
体として用いる従来の冷凍機,空調機の熱交換器用伝熱
管は、平滑管のほかに、図3に示すようなねじり角度が
1種類の溝を持った内面らせん溝付き管が用いられてい
た。
【0003】また、2種類の溝が交差するクロス溝付き
管は、単一冷媒を対象として、キャリア社の特開平6−2
21788 号公報などが、提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来のシングル溝を持
った内面らせん溝付き管は、単一冷媒に対して優れた伝
熱性能を示す。しかし、HCFC−22の代替冷媒とし
て有力視されているHFC系の2種あるいは3種の混合冷
媒に対しては、単一冷媒ほどの効果が得られない。
【0005】本発明の目的は、混合冷媒に対して、高い
伝熱性能を有する伝熱管およびその製造方法、それを用
いた熱交換器を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、管内の
蒸気はらせん角度の小さい(管軸に対し10〜30度)
1次フィンに沿って流れ、凝縮液は管軸にほぼ垂直な
(管軸に対し80〜90度)2次溝に沿って流れるの
で、低い圧力損失と高い熱伝達率を有することを特徴と
する混合冷媒用伝熱管が提供される。
【0007】さらに、伝熱管を用いたクロスフィンチュ
ーブ形の混合冷媒用熱交換器が提供される。
【0008】さらに、本発明の混合冷媒用伝熱管をクロ
スフィンチューブ形熱交換器に組み立てる場合の拡管方
式が提供される。
【0009】さらに、本発明の熱交換器を、蒸発器ある
いは凝縮器として用いた混合冷媒用冷凍・空調機が提供
される。
【0010】
【作用】本発明によれば、管内の蒸気はらせん角度の小
さい(管軸に対して10〜30度)1次フィンに沿って
流れるので、圧力損失は比較的小さい。しかも、1次フ
ィンが2次溝によって適当な間隔で分断されているの
で、蒸気流れは分断された1次フィンの各先端から新た
な濃度境界層を発達させることにより、拡散抵抗を低減
させ、その結果、混合冷媒に対して高い熱伝達率を有す
る伝熱管を実現することができる。
【0011】更に、本発明によれば、管軸に垂直に(管
軸に対し80〜90度)2次溝が設けられているので、
凝縮した液は2次溝の中を流れ落ち、管の上部は常に液
膜が薄くなるので、高い凝縮熱伝達率を維持することが
できる。2次溝はフィンではなく、溝なので圧力損失を
増大させることはない。また、凝縮液の流れを良くする
ために、2次溝の深さh2 は、1次フィンの高さh1
り大きくすることが望ましい。また、伝熱面積を確保す
るために、2次溝のピッチp2 は、1次フィンのピッチ
1より大きいことが望ましく、また、2次溝の溝幅b2
はp2/2より小さくすることが望ましい。
【0012】こうして、混合冷媒の流動抵抗を減少さ
せ、圧力損失を小さくするとともに、管内凝縮液膜を薄
くすることにより、混合冷媒に対して高い熱伝達率を有
する伝熱管を実現することができる。
【0013】更に、本発明によれば、初めに1次フィン
を形成し、次に2次溝を加工するようにしたので、上記
の形状のクロス溝付き伝熱管を製造することができる。
【0014】更に、本発明によれば、上述した伝熱管を
用いることにより、高い冷媒側熱伝達率を有する混合冷
媒用熱交換器を実現することができる。
【0015】また、この熱交換器を用いることにより、
効率の高い、コンパクトな混合冷媒用冷凍・空調機を実
現することができる。
【0016】
【実施例】図2はクロスフィンチューブ形熱交換器の部
分の斜視図である。空気は6の方向に流れる。多数の平
行に並んだフィン7を貫通して、伝熱管8が挿入されて
いる。フィン7の表面には、ルーバ9と呼ばれる多数の
切り起こしが設けられている。
【0017】図3は図2のクロスフィンチューブ形熱交
換器に用いられている通常の内面らせん溝付き管であ
る。管内径は6〜10mm、溝深さは0.1〜0.3mm、溝
ピッチは0.1〜0.3mm、らせん溝角度は0〜25度、
溝形状は台形,フィン先端角度は30〜40度のものが
一般的である。この溝付き管内を混合冷媒(例えば、H
FC−32,HFC−134aの2種混合冷媒など)が
流れて、凝縮あるいは蒸発する。
【0018】図4は図3の内面らせん溝付き管の内面の
展開図である。この溝付き面上を混合冷媒蒸気が流れる
場合には、比較的凝縮しやすい冷媒と、比較的凝縮しに
くい冷媒が存在するので、比較的凝縮しやすい冷媒が、
先に凝縮して液体になり、比較的凝縮しにくい冷媒は、
ガスのまま残って、濃度境界層を形成する。図4に示す
ように、内面らせん溝付き管内の濃度境界層11は、ら
せん溝10に沿って形成される。シングル溝の場合、フ
ィンが連続して形成されるので、濃度境界層は厚くな
り、そのため比較的凝縮しやすい冷媒が管壁に拡散する
のを妨げる働きをする。その結果、内面らせん溝付き管
内における混合冷媒の凝縮熱伝達率が低下すると考えら
れる。
【0019】混合冷媒の凝縮熱伝達率を改善するために
は、濃度境界層を分断する必要がある。その一方法とし
て、1次フィンと交差する2次溝を設け、1次フィンを
分断することが、有効と考えられる。
【0020】本発明は、図1に示すように、従来のらせ
ん溝角度が10〜30度のシングル溝(図中の破線1
は、フィンの頂部を示す)に、らせん溝角度が管軸にほ
ぼ垂直な2次溝2を交差させたものである。1次フィン
は、2次溝によって分断され、図中の3で示される独立
したフィンを形成する。4aは冷媒入口であり、4bは
冷媒出口である。5は伝熱管の内壁面を示す。
【0021】このように1次フィンと2次溝を交差さ
せ、多数の独立した突起を設けたので、図5に示すよう
に、各突起3の先端から濃度境界層11が新しく発達
し、その結果、濃度の拡散抵抗は低減され、高い物質伝
達率が得られる。
【0022】2次溝を管軸にほぼ垂直に設けた効果を、
図6によって説明する。本発明の伝熱管は水平に設置さ
れることが多い。従って、重力方向は管軸に対し垂直と
なる。混合冷媒が管内で凝縮する時、凝縮液は重力方向
に設けられた2次溝の中を流れて、管の底にたまる。凝
縮液の流れを12で示す。
【0023】図7には、凝縮液のたまり具合を、管横断
面図で示す。凝縮液は、管底部にたまるので、20のよ
うな形状になる。従って、管頂部は薄い液膜に覆われる
だけなので、凝縮液が管内を満たすまで、高い熱伝達率
を維持することができる。凝縮液を流しやすくするた
め、2次溝の深さh2は1次フィンの高さh1より大きく
することが望ましい。
【0024】次に、1次フィンの効果を図8で説明す
る。1次フィンは、管軸に対して10〜30度の角度に
設けられている。この角度は、冷媒蒸気が最もフィンに
沿って流れやすい角度であり、流動抵抗も小さい。図8
の12は、蒸発の時の液の流れを示したもので、蒸気に
引っ張られて液は12の方向に流れる。
【0025】1次フィンは、管軸に対して10〜30度
の角度を持っているので、管底部の液は管頂部まで引き
上げられ、図9に示すように、管内面全体が液20で濡
れる。この結果、高い蒸発熱伝達率を得ることができ
る。
【0026】次に、本発明の伝熱管の製造方法の一実施
例について述べる。
【0027】先ず、1次フィンを図10のように、平板
上に加工する。ここで、β1 はらせん角度であり、10
〜30度とする。p1 はフィンピッチであり、0.30
〜0.60mmとする。A−A断面を図11に示す。1次
フィンの高さはh1であり、0.15〜0.25mm,フィ
ンの頂角はγ1であり、20〜40度とする。
【0028】次に、1次フィンが加工されている平板上
に、2次溝を加工する。図12において、β2 はらせん
角度であり、70〜90度とする。p2は溝ピッチであ
り、0.80〜1.20mmとする。b2 は平均の溝幅であ
り、0.10〜0.40mmとする。1次フィンに沿ったB
−B断面で見ると図13のようになる。h2 は、溝深さ
であり、0.20〜0.30mmとする。h2はh1より大き
く、p2はp1より大きくなっている。p2をp1より大き
くしたのは、できるだけ1次フィンの面積を残し、管内
伝熱面積を大きくするためである。
【0029】これらの結果、本発明の伝熱管は、混合冷
媒の凝縮および蒸発に対して高い伝熱性能を示すととも
に、圧力損失が小さいという優れた性質を持っている。
【0030】表1は、本発明の伝熱管の寸法仕様の一例
である。
【0031】
【表1】
【0032】次に、この伝熱管を混合冷媒用熱交換器に
用いた場合の実施例について説明する。図2は、クロス
フィンチューブ形熱交換器とよばれるもので、多数の平
行に置かれたフィン7に伝熱管8が挿入されている。フ
ィンの表面には、空気側熱伝達率を向上させるために、
ルーバ9が設けられることが多い。空気は、6の方向か
ら流入し、フィン間を流れる。本発明の伝熱管は、この
ようなクロスフィンチューブ形熱交換器の伝熱管として
好適である。
【0033】また、本発明の伝熱管を、図2に示すよう
なクロスフィンチューブ形熱交換器に組み立てる場合、
伝熱管とフィンを密着させる必要があるが、従来は、伝
熱管をマンドレルで機械拡管することが多かった。しか
し、本発明の伝熱管は、複雑な形状をしているので、機
械拡管による変形のため、性能が大幅に低下することが
懸念される。そこで、本発明の伝熱管を拡管するために
は、液圧拡管を用いることが望ましい。また、フィンと
パイプを直接ろう付けしても、内面形状の変形を避ける
ことができる。しかし、多少のつぶれを覚悟するなら、
機械拡管も可能である。
【0034】次に、本発明の熱交換器を、混合冷媒を用
いた空調機に適用した結果について述べる。図14は、
混合冷媒を用いたヒートポンプ式冷凍サイクルである。
室内熱交換器は、冷房時には蒸発器として働き、暖房時
には凝縮器として働く。室外熱交換器は、冷房時には凝
縮器として働き、暖房時には蒸発器として働く。室内熱
交換器,室外熱交換器の両方に、従来、伝熱管あるいは
本発明の伝熱管を用いた場合の性能の比較を図15に示
す。動作係数(COP)とは、冷房能力あるいは暖房能
力を、全電気入力で割った値で定義される。縦軸の動作
係数の比とは、従来熱交換器にHCFC−22を用いた
時の動作係数の値を基準として、3種混合冷媒(HFC
−32,HFC−125,HFC−134aを30,1
0,60wt%ずつまぜあわせたもの)に入れ替えた時
の動作係数の比(%)で表した。従来熱交換器をそのま
ま用いると、性能は低下してしまうが、本発明の熱交換
器を用いれば、性能は低下しないことがわかる。
【0035】
【発明の効果】本発明によれば、混合冷媒を用いた冷凍
サイクルの凝縮器および蒸発器に使用される伝熱管にお
いて、管内面の蒸気流中に突き出した分断されたフィン
によって、その先端から新たな濃度境界層を発達させる
ことにより、拡散抵抗を低減させ、高い伝熱性能を有す
ることを特徴とする混合冷媒用伝熱管を提供することが
できる。
【0036】また、本発明によれば、管軸にほぼ垂直の
角度に設けた2次溝によって、凝縮液の排出を促進さ
せ、その結果、高い凝縮熱伝達率を有する混合冷媒用伝
熱管を提供することができる。
【0037】また、本発明によれば、混合冷媒を用いた
冷凍サイクルにおいても、冷媒側熱伝達率を高く維持す
ることができるので、高い伝熱性能を有する混合冷媒用
熱交換器を提供することができる。
【0038】また、本発明の熱交換器を用いることによ
り、動作係数(COP)の高い冷凍機,空調機を提供す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の伝熱管を示す管内面の展開図。
【図2】クロスフィンチューブ形熱交換器の斜視図。
【図3】従来の伝熱管の斜視図。
【図4】従来の伝熱管の管内面の展開図。
【図5】本発明の伝熱管の管内面の展開図。
【図6】本発明の伝熱管の管内面の展開図。
【図7】本発明の伝熱管の横断面図。
【図8】本発明の伝熱管の管内面の展開図。
【図9】本発明の伝熱管の横断面図。
【図10】本発明の伝熱管の1次フィン製造過程の実施
例の説明図。
【図11】図10のA−A断面から見た1次フィンの説
明図。
【図12】本発明の伝熱管の2次溝製造過程の実施例の
説明図。
【図13】図12のB−B断面図。
【図14】ヒートポンプ式冷凍サイクルの系統図。
【図15】従来空調機と本発明空調機の性能比較図。
【符号の説明】
1…1次フィン、2…2次溝、3…分断フィン、4a…
冷媒入口、4b…冷媒出口、5…伝熱管内面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 敏彦 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 (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】混合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器お
    よび蒸発器に使用される伝熱管において、らせん角度1
    0〜30°の1次フィンと、それに交差するらせん角度
    80〜90°の2次溝を設けたことを特徴とする混合冷
    媒用伝熱管。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記2次溝の溝深さ
    を、前記1次フィンのフィン高さより大きくした混合冷
    媒用伝熱管。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記2次溝の溝ピッチ
    2 を、前記1次フィンのフィンピッチp1 より大きく
    し、前記2次溝の溝幅b2をp2/2より小さくした混合
    冷媒用伝熱管。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記2次溝の溝深さh
    2 を、前記1次フィンのフィン高さh1 より大きくし、
    前記2次溝の溝ピッチp2 を、前記1次フィンのフィン
    ピッチp1より大きくし、前記2次溝の溝幅b2 をp2
    2より小さくした混合冷媒用伝熱管。
  5. 【請求項5】請求項1に記載の前記伝熱管を製造する場
    合、初めに1次フィンを成形し、次に2次溝を加工した
    混合冷媒用伝熱管の製造方法。
  6. 【請求項6】混合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器及
    び蒸発器において、請求項1,2,3,4または5の伝
    熱管を用いた混合冷媒用熱交換器。
  7. 【請求項7】請求項1,2,3,4または5の前記伝熱
    管をクロスフィンチューブ形熱交換器に組み立てる場
    合、前記伝熱管内に液体の圧力を加えて拡管するか、あ
    るいはマンドレルを挿入することにより機械的に拡管す
    るか、あるいはろう付けによってフィンと密着させた混
    合冷媒用熱交換器。
  8. 【請求項8】混合冷媒を用いた冷凍サイクルの凝縮器あ
    るいは蒸発器に請求項6または7の熱交換器を用いた冷
    凍・空調機。
JP16851095A 1995-07-04 1995-07-04 混合冷媒用伝熱管とその製造方法 Pending JPH0921594A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003076861A1 (fr) * 2002-03-12 2003-09-18 Trefimetaux Tubes rainures a utilisation reversible pour echangeurs thermiques

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003076861A1 (fr) * 2002-03-12 2003-09-18 Trefimetaux Tubes rainures a utilisation reversible pour echangeurs thermiques
FR2837270A1 (fr) * 2002-03-12 2003-09-19 Trefimetaux Tubes rainures a utilisation reversible pour echangeurs thermiques
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