JP2008020150A - リターンベンド管およびフィンアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外表面に一定間隔で並列された多数のフィンを備えたヘアピン管の管端に接合され、管内に冷媒が供給されるフィンアンドチューブ型熱交換器において使用されるリターンベンド管1において、リターンベンド管1の管内面に形成された第1溝2を備え、第1溝2の管軸直交断面における第1溝ピッチ(P1)と、ヘアピン管の管内面に形成されたらせん状の第2溝の管軸直交断面における第2溝ピッチ(P2)との溝ピッチ比(P1/P2)が0.65〜2.2を満足し、かつ第1溝2の管軸直交断面における溝1個あたりの第1溝断面積(S1)と、前記第2溝の管軸直交断面における溝1個あたりの第2溝断面積(S2)との溝断面積比(S1/S2)が0.3〜3.6を満足することを特徴とする。
【選択図】図5
Description
また、溝深さ比(h1/h2)を所定範囲にすることによって、管内部での冷媒の離脱が生じ難く、冷媒液膜が乱れ難くなる。そして、リターンベンド管出口側から次段のヘアピン管に液冷媒が流入する際、管内部により均一な「環状流」が形成され、ヘアピン管の直管部分での冷媒液膜が均一になり、管外との熱交換が安定化し、蒸発性能がより一層向上する。
前記の構成によれば、熱交換器の蒸発性能がより一層向上すると共に、冷媒の圧力損失が小さくなる。
まず、本発明のリターンベンド管について説明する。図1〜図3に示すように、本発明のリターンベンド管1は、フィンアンドチューブ型熱交換器(以下、熱交換器と称す)20に使用され、管内部に冷媒が供給されるヘアピン管11の管端に接合されるものである。このリターンベンド管1は、U字状に形成された管本体部1aと、この管本体部1aの管端にヘアピン管11と接続する管端1bと、管本体部1aの内面に形成された多数の第1溝2とを備える(図4参照、図1においては第1溝の記載を省略した)。このリターンベンド管1が2本のヘアピン管11、11の間に介在して、ヘアピン管11同士を接続するため、図2に示すように、複数のヘアピン管11、11・・・を直列に接続することによって、距離の長い冷媒流路が構成される。
リターンベンド管1の第1溝2は、その管軸直交断面における第1溝ピッチ(P1)と、ヘアピン管11の管内面に形成されたらせん状の第2溝12の管軸直交断面における第2溝ピッチ(P2)との溝ピッチ比(P1/P2)が0.65〜2.2を満足し、かつ、第1溝2の管軸直交断面における溝1個あたりの第1溝断面積(S1)と、第2溝12の管軸直交断面における溝1個あたりの第2溝断面積(S2)との溝断面積比(S1/S2)が0.3〜3.6を満足する必要がある。なお、溝断面積比(S1/S2)は0.54〜2.7とするのがより好ましい。以下に、溝ピッチ比(P1/P2)および溝断面積比(S1/S2)の数値限定理由について説明する。
溝ピッチ比(P1/P2)が0.65未満の場合、ヘアピン管11の溝1つあたりに占めるリターンベンド管1の溝数が増加することにより、ヘアピン管11からリターンベンド管1に液冷媒が流入する際、リターンベンド管入口側にて管内部(第1溝2)の冷媒液膜に縮流が起こり、冷媒液膜が乱れる。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定となり、蒸発性能が低下する。
溝断面積比(S1/S2)が0.3未満の場合、ヘアピン管11からリターンベンド管1に液冷媒が流入する際、第1溝2の断面積が大幅に減少することにより、リターンベンド管入口側にて冷媒液膜の縮流が起こり、冷媒液膜が乱れる。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下する。
角度差(θ1−θ2)が−15°未満、すなわち、第1溝リード角(θ1)が(第2溝リード角(θ2)−15°)より小さい場合、リターンベンド管入口側にて、第1溝2の間に形成される第1フィン3の山頂を基点に冷媒液膜の飛沫が生じ、冷媒液膜に乱れ(剥離流)が発生する。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすい。
溝深さ比(h1/h2)が0.47よりも小さい場合、リターンベンド管入口側にて第1溝2の冷媒液膜が離脱しやすく、冷媒液膜の飛沫が生じ、冷媒液膜の乱れ(剥離流)が発生する。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすい。
第1フィン山頂角(δ1)が4.5°未満の場合には、ヘアピン管11からリターンベンド管1に液冷媒が流入する際、第1溝2の断面積増加により抵抗が減少するものの、逆に、第1溝2の溝底幅が広がることで冷媒液膜の保持性が低下しやすく、「環状流」の形成が崩れやすくなり、冷媒液膜が乱れる。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすくなる。
第1フィン根元半径(r1)が第1溝深さ(h1)の1/12未満になると、ヘアピン管11からリターンベンド管1に液冷媒が流入する際、第1溝2の断面積増加により抵抗が減少するものの、逆に、第1溝2の溝底幅が広がることで冷媒液膜の保持性が低下しやすく、「環状流」の形成が崩れやすくなり、冷媒液膜が乱れる。そして、次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすくなる。
(足長さ(L):ピッチ(P)の1.0〜1.5倍)
リターンベンド管1(管本体部1a)は、その足長さ(L)がピッチ(P)の1.0〜1.5倍であることが好ましい。なお、足長さ(L)は、U字形状の管本体部1aにおいて、管端1bと曲げ先端部の管外面との距離である。また、ピッチ(P)は、U字形状の管本体部1aにおいて、両管端中心間の距離である。
リターンベンド管1(管本体部1a)の材質は、ヘアピン管の材質より熱伝導率が低い材質からなることが好ましい。熱交換器20(図2、3参照)、特に空気熱交換器にリターンベンド管1を使用した場合、リターンベンド管1は熱交換部以外で使用される。したがって、リターンベンド管1の材質がヘアピン管の材質より熱伝導率が高い場合には、リターンベンド管1の部分で熱損失が発生する。リターンベンド管1の部分で熱損失が発生すると、リターンベンド管1の部分で冷媒の蒸発が起こり、冷媒液膜の「環状流」の形成が崩れてしまい、冷媒液膜の飛沫が生じることによる冷媒液膜の乱れ(剥離流)が発生する。そして、次段のヘアピン管に液冷媒が流入する際、冷媒液膜が乱れたまま流入し、ヘアピン管の直管部分での冷媒液膜に厚い部分が生じ、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすい。
図5、図6に示すように、リターンベンド管1(管本体部1a)の第1最大内径(ID1)は、ヘアピン管11の第2最大内径(ID2)との関係において(ID1)≧(ID2)であることが好ましい。(ID1)<(ID2)とすると、リターンベンド管1の管内で冷媒液膜の「環状流」が形成されていたのが、ヘアピン管11に液冷媒が流入する際に拡流が起こり、管内下部に冷媒液膜が溜り、更には冷媒液膜の厚さが不均一になって、冷媒液膜が乱れる。そして、次段のヘアピン管入口付近の冷媒液膜が乱れたまま流入することにより冷媒液膜に厚い部分が生じて、管外との熱交換が不安定になり、蒸発性能が低下しやすい。
次に、図2、図3に示すように、本発明のリターンベンド管1と共に、熱交換器20を構成するヘアピン管11について説明する。図6に示すように、ヘアピン管11は、管内面に多数のらせん状の第2溝12が形成され、第2溝12の内面溝形状を以下のように規制することが好ましい。また、ヘアピン管11は、空調機器用の伝熱管としては3〜10mmの管が主流であるため、その管外径(第2管外径OD2)が3〜10mmの管を用いることが好ましい。さらに、ヘアピン管11の材質としては、成形加工性が優れたりん脱酸銅が好ましく、りん脱酸銅よりも耐熱性に優れた耐熱銅合金を用いてもよい。
第2溝ピッチ(P2)は0.37〜0.42mm、第2溝断面積(S2)は0.04〜0.06mm2であることが好ましい。第2溝ピッチ(P2)が0.37mm未満、第2溝断面積(S2)が0.04mm2未満の場合には、管内面に第2溝12を成形する際に、溝成形用工具(例えば、溝付プラグ)の溝部への材料の流動性が低下することにより管外側からの押し込み力が増大し、その結果、溝成型用工具が破損しやすく、管内面に安定して第2溝12を成形しにくい。また、第2溝ピッチ(P2)が0.42mmを超える、第2溝断面積(S2)が0.06mm2を超える場合には、管内部の第2溝12間に冷媒の液膜が薄く形成されにくい。そのため、管内部の冷媒液膜が逆に熱抵抗となり、蒸発性能が低下しやすい。
第2溝リード角(θ2)は、15°以上であることが好ましい。第2溝リード角(θ2)が15°未満の場合には、管内部における冷媒液膜の「旋回流」の形成が不十分なため、蒸発性能が低下しやすい。リターンベンド管出口側から次段のヘアピン管11に液冷媒が流入する際、第2溝12での冷媒液膜の均一な「環状流」の形成が低下し、ヘアピン管11の直管部分での冷媒液膜が不均一になり、管外との熱交換が不安定化し、蒸発性能が低下しやすい。また、第2溝リード角(θ2)が45°を超える場合には、転造加工により管内面に第2溝12を形成する際の速度が極端に低下しやすく、安定して長尺のヘアピン管11の製造がしにくいため、第2溝リード角(θ2)は45°以下がより好ましい。
第2溝深さ(h2)は、0.10〜0.28mmであることが好ましい。第2溝深さ(h2)が0.10mm未満の場合には、管内面の第2溝12間に形成された第2フィン13が、管内部における冷媒の液面より低くなり、冷媒液膜に埋没する。そのため、管内部の有効伝熱面積が著しく減少し、蒸発性能が低下しやすい。また、第2溝深さ(h2)が0.28mmを超える場合には、管内面に第2溝12を成形する際に、溝成形用工具(例えば、溝付プラグ)が破損しやすく、管内面に安定して第2溝12を成形しにくい。
第2フィン山頂角(δ2)は、5〜45°であることが好ましい。第2フィン山頂角(δ2)が5°未満の場合には、ヘアピン管11を空調機器用の熱交換器20に組み込む際の拡管時(図示せず)に、第2フィン13の倒れやつぶれが生じやすい。また、第2フィン13形成のために管内面に第2溝12を成形する際に、溝成形用工具が破損しやすく、管内面に安定して第2溝12を成形しにくい。また、第2フィン山頂角(δ2)が45°を超えた場合には、第2溝12の断面積が著しく小さくなり伝熱性能が低下しやすい。また、第2フィン13の断面積(ヘアピン管11の第2管肉厚(T2))が大きくなり、ヘアピン管11の質量が増加し、熱交換器20の軽量化が難しくなる。
第2フィン根元半径(r2)は、第2溝深さ(h2)の1/10〜1/3とすることが好ましい。第2フィン根元半径(r2)が溝深さ(h2)の1/10未満である場合には、第2フィン13が高くなった場合に第2フィン13(第2溝12)の成形性が悪くなり、所定形状の第2フィン13が得られ難く、また管内面の第2溝12の根元に当接する溝成形用工具に破損が発生しやすくなる。また、1/3を超える場合には、第2フィン13の断面積が大きくなり、ヘアピン管11の第2管肉厚(T2)が増加して、ヘアピン管11の質量が増加する。
ヘアピン管11の第2最大内径(ID2)は、ヘアピン管11の外径(OD2)の0.80〜0.96であることが好ましい。第2最大内径(ID2)がヘアピン管11の外径(OD2)の0.80未満の場合には、第2管肉厚(T2)が厚くなり、ヘアピン管11の質量が増加し、熱交換器20(図2、図3参照)の軽量化が難しくなる。また、第2最大内径(ID2)がヘアピン管11の外径(OD2)の0.96を超える場合には、第2管肉厚(T2)が薄くなり、ヘアピン管11の管強度が低く、熱交換器20の使用中に管破壊を生じやすくなる。
次に、リターンベンド管およびヘアピン管の製造方法について説明する。リターンベンド管およびヘアピン管の両管は、例えば、従来公知の以下の製造方法によって製造される。下記の第1の工程を適用する素管には、通常、軟質材を用いる。また、下記の第1〜第3の工程は、前段および後段に縮径装置を備えた転造装置を用いて連続して行う。第3の工程の第3の縮径加工後、通常、内面溝付管をレベルワウンドコイルに巻き上げ、焼鈍炉で焼鈍して軟質材とし、第4の工程を適用してリターンベンド管およびヘアピン管を製造する。
りん脱酸銅または耐熱銅合金等の素材で構成された素管を、縮径ダイスと縮径プラグの間を通過するように引抜くことにより、素管に第1の縮径加工を施す。
(第2の工程)
第1の工程で縮径された前記素管の内部に溝付プラグを挿入し、複数個の転造ボールまたは転造ロールで素管内に挿入された溝付プラグを押圧することにより、素管に第2の縮径加工を施す。同時に、縮径された素管の管内面に、溝付プラグの溝形状が転写され、第1溝2または第2溝12(図4参照)が形成される。ここで、溝付プラグは、前記した内面溝形状(図5、図6参照)に対応した溝形状を有する。
(第3の工程)
第2の工程で管内面に第1溝2または第2溝12が形成された素管を、整形ダイスで引抜くことにより、第3の縮径加工を施し、第1管外径(OD1)または第2管外径(OD2)の内面溝付伝熱管を製造する。
(第4の工程)
第3の工程で製造された内面溝付管に、所定治具で曲げ加工を施し、所定形状のリターンベンド管1およびヘアピン管11(図1、図2参照)を製造する。
次に、本発明の熱交換器について説明する。図2、図3(a)、(b)、(c)に示すように、熱交換器20は、管内部に冷媒が供給され、多数のヘアピン管11、11・・・が所定の曲げピッチPaで並列されたヘアピン部23と、ヘアピン部23の各々のヘアピン管11、11・・・の管端部に管端1b、1b(図1参照)を接合した多数のリターンベンド管1、1・・・が並列されたリターンベンド部22と、ヘアピン管11の外表面に一定間隔(フィンピッチPb)で並列された多数のフィン21a、21a・・・からなるフィン部21とを有する。このような構成により、多数のヘアピン管11、11・・・がリターンベンド管1、1・・・を介して複数段に直列に連結され、熱交換器20が長い有効伝熱管長(冷媒流路)を有することとなる。また、図3(b)に示すように、ヘアピン管11を所定の列方向ピッチPcで複数列に配置してもよい。さらに、図3(c)に示すように、熱交換器20の管内部に供給される冷媒は、熱交換器20に送風される空気の流れに対して、冷媒凝縮時には同一方向、冷媒蒸発時には逆方向に流される。
以下、本発明の実施例について、具体的に説明する。
先ず、実施例1〜6、実施例8〜20はJISH3300に規定された合金番号C1220のりん脱酸銅または合金番号C1020の無酸素銅、実施例7はCu−Sn−P(0.65質量%、0.03質量%、残部がCuの耐熱銅合金)を溶解し、鋳造し、熱間押出し、冷間圧延し、冷間抽伸加工を施して素管を作製した。次に、前記素管を焼鈍後、第1の縮径加工を施し、縮径された素管に表1、表2に示す内面溝形状のらせん溝(または平行溝)を形成しながら第2の縮径加工を施し、溝形成された素管に第3の縮径加工、焼鈍を施して、第1管外径(OD1)7mmの供試管(リターンベンド管用)を作製した。また、JISH3300に規定された合金番号C1220のりん脱酸銅を用いて、同様な作製方法で第2管外径(OD2)7mmの供試管(ヘアピン管用)を作製した。
(熱交換器20)
外形は、長さ500mm×高さ250mm×幅25.4mmとした。
(ヘアピン管11)
2列12段(曲げピッチ(Pa)21mm、列方向ピッチ(Pc)13.4mm)に配置した(拡管前の足長さ(La)は約535mmであった)。
(リターンベンド管1)
足長さ(L)=20.0mm、21.2mm、22.5mm、31.4mm、
33.0mm
ピッチ(P)=21.0mmとした(図1参照)。
(フィン21a)
JISH4000に規定された合金番号1N30のアルミニウムからなる板材で、板材の表面を樹脂で被覆したものである。また、フィン21aの厚さは110μmとした。そして、410枚のフィン21aをフィンピッチ(Pb)1.25mmで平行に配置した。
表3に示すように、比較例1は、前記供試管(リターンベンド管)として、管内面に溝が形成されていない平滑管を使用したこと以外は実施例1と同様とした。比較例2〜5は、溝ピッチ比(P1/P2)および溝断面積比(S1/S2)の少なくとも一方が本発明の特許請求の範囲から外れた内面溝付管を使用したこと以外は実施例1と同様とした。そして、実施例1と同様にして熱交換器(1パス型熱交換器)20を作製した。
<冷媒>R22、R410A
<空気側>乾球温度27.0℃、湿球温度19.0℃
熱交換器の前面風速0.8m/s
<冷媒側>蒸発温度(出口基準)7.5℃、入口乾き度0.2℃、出口過熱度5.0℃
また、比較例2の熱交換器は溝断面積比(S1/S2)が下限値未満、比較例3の熱交換器は溝ピッチ比(P1/P2)および溝断面積比(S1/S2)が上限値を超え、比較例4の熱交換器は溝ピッチ比(P1/P2)が上限値を超え、比較例5の熱交換器は溝ピッチ比(P1/P2)が下限値未満であるため、実施例1〜20の熱交換器に比べて、蒸発性能が劣ることが確認された。
表4に示すように、実施例21は、前記供試管(リターンベンド管)として、材質Cu−Sn−P(0.65質量%、0.03質量%P、残部がCuの耐熱銅合金)からなる第1管肉厚(T1)0.20mmの内面溝付管を使用したこと以外は実施例1と同様とした。実施例22は、前記供試管(リターンベンド管)として、第1管肉厚(T1)0.34mmの内面溝付管を使用したこと以外は実施例1と同様とした。そして、実施例1と同様にして熱交換器(1パス型熱交換器)を作製した。次に、実施例1、実施例21および実施例22の熱交換器を用いて、水圧による耐圧試験を行った。熱交換器のリターンベンド部(リターンベンド管)に破壊が生じた際の圧力をブルドン管圧力計にて測定し、耐圧強度とした。その結果を表4に示した。
1a 管本体部
2 第1溝
3 第1フィン
11 ヘアピン管
12 第2溝
13 第2フィン
20、20A、20B 熱交換器
21 フィン部
21a フィン
22 リターンベンド部
23 ヘアピン部
P1 第1溝ピッチ
P2 第2溝ピッチ
S1 第1溝断面積
S2 第2溝断面積
θ1 第1溝リード角
θ2 第2溝リード角
h1 第1溝深さ
h2 第2溝深さ
L 足長さ
P ピッチ
ID1 第1最大内径
ID2 第2最大内径
OD1 第1管外径
OD2 第2管外径
Claims (10)
- 外表面に一定間隔で並列された多数のフィンを備えたヘアピン管の管端に接合され、管内に冷媒が供給されるフィンアンドチューブ型熱交換器において使用されるリターンベンド管において、
前記リターンベンド管の管内面に形成された第1溝を備え、
前記第1溝の管軸直交断面における第1溝ピッチ(P1)と、前記ヘアピン管の管内面に形成されたらせん状の第2溝の管軸直交断面における第2溝ピッチ(P2)との溝ピッチ比(P1/P2)が0.65〜2.2を満足し、かつ
前記第1溝の管軸直交断面における溝1個あたりの第1溝断面積(S1)と、前記第2溝の管軸直交断面における溝1個あたりの第2溝断面積(S2)との溝断面積比(S1/S2)が0.3〜3.6を満足することを特徴とするリターンベンド管。 - 前記第1溝と管軸とがなす第1溝リード角(θ1)と、前記第2溝と管軸とがなす第2溝リード角(θ2)との角度差(θ1−θ2)が−15〜+15°を満足し、かつ
前記第1溝の管軸直交断面における第1溝深さ(h1)と、前記第2溝の管軸直交断面における第2溝深さ(h2)との溝深さ比(h1/h2)が0.47〜1.5を満足することを特徴とする請求項1に記載のリターンベンド管。 - 前記リターンベンド管の足長さ(L)がピッチ(P)の1.0〜1.5倍であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリターンベンド管。
- 前記リターンベンド管の材質は、前記ヘアピン管の材質より熱伝導率が低い材質からなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のリターンベンド管。
- 前記リターンベンド管の材質は、前記ヘアピン管の材質より耐熱性のある銅合金からなることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のリターンベンド管。
- 前記リターンベンド管の第1最大内径(ID1)が、前記ヘアピン管の第2最大内径(ID2)との関係において(ID1)≧(ID2)であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のリターンベンド管。
- 多数のヘアピン管が並列されたヘアピン部と、前記ヘアピン部の各々のヘアピン管端部に接合された多数のリターンベンド管が並列されたリターンベンド部と、前記ヘアピン管の外表面に一定間隔で並列された多数のフィンからなるフィン部とを有し、管内部に冷媒が供給されるフィンアンドチューブ型熱交換器であって、
前記リターンベンド部の少なくとも一部が、請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の管内面に第1溝が形成されたリターンベンド管であり、
前記ヘアピン管が管内面にらせん状の第2溝が形成されたことを特徴とするフィンアンドチューブ型熱交換器。 - 前記ヘアピン管の第2溝と管軸とがなす第2溝リード角(θ2)が15°以上であることを特徴とする請求項7に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
- 前記ヘアピン管および前記リターンベンド管から構成された冷媒流路は、その少なくとも一部が分岐され、複数の冷媒流路を形成することを特徴とする請求項7または請求項8に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
- 前記冷媒は、ハイドロフルオロカーボン系の非共沸混合冷媒であることを特徴とする請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載のフィンアンドチューブ型熱交換器。
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