JP2008020166A - 蒸発器用内面溝付伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の最大内径が小さい場合においても、二酸化炭素冷媒に混入した冷凍機油に起因して管内面に油膜が形成されることが最小限に抑制され、油膜による伝熱性能の低下が防止された蒸発器用内面溝付伝熱管を提供する。
【解決手段】管内面に螺旋状又は管軸に平行に延びる溝２が形成され、二酸化炭素を冷媒として使用する蒸発器用内面溝付伝熱管である。管最大内径Ｄｉｍａｘが０．４５ｍｍ≦Ｄｉｍａｘ≦４．３０ｍｍ、管軸直交断面における前記溝２の根元ピッチＰ１が０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍ、管内面における管軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とがなす角度θ１が２．０°≦θ１≦１４．０°である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器の蒸発器用内面溝付伝熱管に関し、特に、冷凍機油を含有する二酸化炭素冷媒（ＣＯ_２冷媒）を使用する蒸発器用内面溝付伝熱管に関する。

従来、空調機、カーエアコン、冷蔵庫、冷凍機、給湯器及び自動販売機等に設けられている熱交換器にはフロン系の冷媒が使用されていたが、フロン系の冷媒はオゾン層破壊及び地球温暖化への影響が懸念されており、近時、毒性及び可燃性がなく安全で、安価で、更に環境への付加が小さい自然冷媒が注目されている。

このような自然冷媒の１種である二酸化炭素（ＣＯ_２）は、熱特性に大きく影響を与える液定圧比熱及び液熱伝導率が高く、フロン系冷媒（Ｒ２２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４１０Ａ）よりも伝熱性能が優れている。また、二酸化炭素は、表面張力が小さいため、フロン系冷媒よりも気泡が発生しやすく、核沸騰が促進されるため、冷媒として二酸化炭素を使用すると、フロン系冷媒を使用した場合に比べて伝熱性能が向上する。更に、二酸化炭素はフロン系冷媒よりも液粘性率及び密度が小さいため、圧力損失が小さい。更にまた、二酸化炭素には、蒸気密度及び潜熱が大きく、単位容積あたりの冷凍効果がフロン系冷媒よりも大きいという特徴がある。しかし、二酸化炭素を冷媒とする熱交換器においては、伝熱管内を通流する二酸化炭素冷媒中に、圧縮機用の潤滑剤として冷凍機油を含有させる必要がある。この冷凍機油が冷媒中に含まれているために、熱交換器の伝熱性能が劣化するという問題点がある。例えば、特許文献１においては、二酸化炭素の冷媒中に、０．１乃至１．５質量％の冷凍機油が含まれている。

特許文献１においては、冷凍機油含有量が０．１乃至１．５質量％である二酸化炭素冷媒を使用する蒸発器用内面溝付伝熱管として、外径が３乃至７ｍｍ、溝深さ０．１４乃至０．２７ｍｍ、リード角２乃至２５°である内面溝付伝熱管、及び前記構成に加え、溝部断面積を０．０１乃至０．０６ｍｍ^２とした内面溝付伝熱管が開示されている。この特許文献１に記載の内面溝付伝熱管は平滑管に比べ、圧力損失を上昇させることなく蒸発性能を高くすることができる。

また、特許文献２には、管内面にリード角θが０°＜θ≦３°の断続フィンが形成された二酸化炭素冷媒用内面溝付伝熱管が開示されている。この内面溝付伝熱管は、所定のリード角を有する内面溝付伝熱管を空引き抽伸することにより製作される。

更に、特許文献３には、第１のフィンの高さが０．１０〜０．２２ｍｍ、頂角が２０〜６０度、頂部の曲率半径と高さとの比が５以上であり、第２のフィンの頂角が２０〜６０度であり、第２のフィンの高さと第１のフィンの高さとの比が０．５〜０．９であり、管の肉厚ｔは０．４mm以上で、且つ管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０４〜０．２５である熱交換器用内面溝付伝熱管が開示されている。この特許文献３に記載の内面溝付伝熱管は、管内に２種類の高さのフィンを形成することにより、拡管によるフィン倒れを防止し、肉厚の厚い二酸化炭素冷媒用としても優れた伝熱性能を発揮させることが可能になる。

特開２００６−６４３１１号公報 特開２００５−１８８７８９号公報 特開２００５−２５７１６０号公報

しかしながら、Ｒ４１０等のフロン系冷媒に比べて、二酸化炭素冷媒の運転圧力が大きく、伝熱管に求められる耐圧強度も大きくなる。そのため、管の材質を同じにすると、二酸化炭素冷媒用伝熱管ではフロン系冷媒用伝熱管より管の肉厚を厚くする必要がある。しかし、管の肉厚を厚くした場合は、特許文献１の伝熱管のように、溝深さ及びリード角が大きい内面溝付伝熱管を加工することが難しくなる。

引張り強さσ、外径ｂ_０の伝熱管に、圧力ｐの冷媒を通流させるとき、伝熱管の強度を確保するために伝熱管に必要な最小肉厚ｔは、ｔ＝ｂ_０／（σ／ｐ＋１）で表すことができる。即ち、伝熱管の肉厚は、管の引張り強さσと冷媒圧力ｐが同じであれば、管の外径ｂ_０に比例し、管の外径ｂ_０が小さくなると、肉厚ｔを薄くすることができる。即ち、伝熱管の外径ｂ_０を小さくすることにより、伝熱管の肉厚を薄くすることができる。そして、肉厚ｔが薄くなると、伝熱性能が向上する。また、小径管にした場合は、管内の流路断面積が減少することにより、管内の質量速度が速くなり、その結果、伝熱性能が向上する。

しかしながら、このような小径管の内面に特許文献１の内面溝を形成した場合、管内の流路断面積が減少して、管内の質量速度が速くなることから、圧力損失が増加する。その結果、管内の二酸化炭素冷媒の流動性が低下し、二酸化炭素冷媒に冷凍機油が含有されている場合、冷凍機油が滞留しやすくなることから、管内周が冷凍機油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発性能が低下してしまう。このため、溝深さ及びリード角を大きくしなくても良好な蒸発性能を発揮することができる内面溝付伝熱管が求められている。

また、特許文献２に記載の内面溝付伝熱管は、溝間に形成されるフィンが分断されているため二酸化炭素の沸騰核が生じやすく蒸発性能が向上するが、リード角が小さく、それにより管内表面積が減少し、蒸発性能の点では不利である。また、フィン分断部を設けるには空引き縮径の加工率を大きくする必要があり、製造工程が長くなり、性能の割には製造コストが高くなると共に、この分断部分は，冷凍機油のような粘性の高い流体に対し、更には小径管にすることによる管内の質量速度が速くなる場合には、この分断部分での抵抗が増加してしまい、その結果、冷凍機油が滞留しやすくなることから油膜が形成されてしまい、それが熱抵抗となって蒸発性能が低下する。

更に、特許文献３に記載の熱交換器用内面溝付伝熱管は、溝付プラグの形状が複雑になり、転造加工中のプラグの欠けが発生しやすく、２種類のフィンを正しい形状で形成するのが難しく、転造加工の速度を上げられない等の問題点がある。更に、管内に冷凍機油が循環すると、高いフィン間に形成された低いフィン部分において冷凍機油が流入した場合、この低いフィンが抵抗となって冷凍機油が滞留してしまい、その結果、フィンの効果が無くなるとともに、油膜が形成されてしまい、伝熱性能が低下する。この影響は、小径管にして、管内の質量速度が速くなった場合、より一層大きくなる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、伝熱管の最大内径が小さい場合においても、二酸化炭素冷媒に混入した冷凍機油に起因して管内面に油膜が形成されることが最小限に抑制され、油膜による伝熱性能の低下が防止された蒸発器用内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

本発明に係る蒸発器用内面溝付伝熱管は、管内面に螺旋状又は管軸に平行に延びる溝が形成され、二酸化炭素を冷媒として使用する蒸発器用内面溝付伝熱管において、管最大内径Ｄｉｍａｘが０．４５ｍｍ≦Ｄｉｍａｘ≦４．３０ｍｍ、管軸直交断面における前記溝の根元ピッチＰ１が０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍ、管内面における管軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とがなす角度θ１が２．０°≦θ１≦１４．０°であることを特徴とする。

なお、管最大内径Ｄｉｍａｘとは、管内面に形成された溝の底部と、管中心との間の距離の２倍である。ちなみに、管最小内径は、管内面に形成された溝の頂点と、管中心点との間の距離の２倍である。

この蒸発器用内面溝付伝熱管は、管軸直交断面における前記溝の深さｈ１が０．０８ｍｍ≦ｈ１≦０．１４ｍｍであることが好ましい。また、管軸直交断面における前記溝の溝底幅ＷＧが０．０５ｍｍ≦ＷＧ≦０．１７ｍｍであることが好ましい。

更に、管軸直交断面における前記溝間に形成されるフィンの山頂角ＦＴＡが、２５°≦ＦＴＡ≦５０°であることが好ましい。更にまた、管軸直交断面における前記フィンの山頂部の先端半径ＦＴＲが、０．０２ｍｍ≦ＦＴＲ≦０．１０ｍｍであることが好ましい。なお、管内面を通流する二酸化炭素冷媒は、例えば、０．５質量％以下の冷凍機油を含有する。

本発明によれば、伝熱管の最大内径Ｄｉｍａｘが小さい場合においても、二酸化炭素冷媒に混入した冷凍機油に起因して管内面に油膜が形成されることが最小限に抑制され、油膜による伝熱性能の低下が防止される。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る内面溝付伝熱管について説明する。図１（ａ）は本実施形態の内面溝付伝熱管における管軸をとおる断面を示す断面図、図１（ｂ）は管軸方向に垂直な断面（管軸直交断面）を示す断面図であり、図１（ｃ）は溝形状及びこの溝間に形成されたフィンの形状を示す管軸直交断面の一部拡大図である。

本実施形態の内面溝付伝熱管１は、銅又は銅合金等の金属材料からなり、管内面には管軸をとおる断面において相互に平行な複数の螺旋状の溝２（実際は１本の連続する螺旋状の溝）が一定の間隔で形成され、隣り合う溝２間は山形状のフィン３となっている。この内面溝付伝熱管１の外径ＯＤは１．４５乃至５．３０ｍｍであり、溝２の深さｈ１、即ち、フィン３の高さｈ１は０．０８乃至０．１５ｍｍであり、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度、即ち、ねじれ角θ１は２乃至１４°である。管軸直交断面での溝２の根元ピッチＰ１は０．１７乃至０．３３ｍｍである。

この内面溝付伝熱管１は、冷凍機油を０．５質量％以下含有する二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒を使用する熱交換器の蒸発器に組み込まれる。図２は本実施形態の内面溝付伝熱管１が組み込まれた蒸発器を備えた熱交換器３０の構成を示す図である。図２に示すように、熱交換器３０には、ＣＯ_２冷媒を蒸発させ、その際の気化熱により空気及び水等を冷却する蒸発器３１と、蒸発器３１から排出されたＣＯ_２冷媒を圧縮し、高温にして後述するガスクーラー３３に供給する圧縮機３２と、ＣＯ_２冷媒の熱により空気及び水等を加熱するガスクーラー３３と、ガスクーラー３３から排出されたＣＯ_２冷媒を膨張させ、低温にして蒸発器３１に供給する膨張弁３４とが設けられている。そして、本実施形態の内面溝付伝熱管１は、蒸発器３１に組み込まれ、その内部には冷凍機油を０．５質量％以下含有する二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒が流される。

このように、本実施形態の内面溝付伝熱管は、管内でＣＯ_２冷媒が蒸発する蒸発器に使用される。蒸発器としては、（１）管外面にアルミフィンを設けて管内を拡管して管とフィンを密着させた空気熱交換器、（２）管を水平又は垂直に設置し、管外を冷水、ブライン等の流体と熱交換させ、管外流体の熱を奪って低温にする乾式熱交換器等の形態がある。

ＣＯ_２冷媒においても、内面溝付伝熱管を使用した場合、伝熱性能の向上を図ることは可能だが、機器に使用する圧縮機に充填する冷凍機油の特性上、冷凍機油が分離しながら冷媒と共に配管内を循環する。この配管内又は内面溝付伝熱管内を循環する冷凍機油を含んだ冷媒は、管外流体との熱交換により冷媒のみ蒸発して冷凍機油のみが残っていき、この冷凍機油は内面溝部に徐々に油膜を形成し、その後管内周全体を覆い、その結果、熱抵抗となって性能が低下する。特に、管内径が小さくなると、冷凍機油を含んだ冷媒の流れは環状流（管内の溝に沿った螺旋状の流れ）が形成されやすくなり、冷媒に冷凍機油が混入した場合、冷媒分の蒸発と共に、管内周壁に油膜が形成されやすくなる。

また、質量速度は速い方が望ましい。具体的には、３００〜９００ｋｇ／（ｍ^２／ｓ）の範囲で使用するのが望ましい。この領域で使用することにより、管内周面全域に形成される冷凍機油を含んだ冷媒液膜は薄く形成され、特に乾き度が０．７以上の領域にてドライアウトし難くなり、その結果、伝熱性能の低下が抑制される。

次に、本実施形態の内面溝付伝熱管１１における数値限定理由について説明する。

（１）管軸直交断面での溝の根元ピッチＰ１が０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍであり、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度θ１が２．０≦θ１≦１４．０である。

溝２の根元ピッチＰ１を０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍとし、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度θ１を２．０°≦θ１≦１４．０°とすることにより、従来と同様に管内周への油膜が形成されるものの、特に溝底部を中心に冷凍機油を含んだ冷媒液膜が形成されやすくなる。その結果、フィン側面に形成された冷凍機油を含んだ冷媒液膜と、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部との間で表面張力差が発生し、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が溝底部に引き込まれ、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が薄くなり、蒸発特性が向上する。更に、フィン側面で冷媒分が蒸発すると共に、通常油膜のみが残留されるが、この油膜も表面張力差により溝底部の冷凍機油を含んだ液膜形成部に引き込まれ、油膜の形成が抑えられる。

溝２の根元ピッチＰ１が０．１７ｍｍ未満の場合、溝部２の幅が狭くなり、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部分が、フィン先端に近い部分にまで延出して形成されてしまい、その結果、冷媒分が蒸発すると共に、管内周の全体が油膜で覆われてしまう。そして、この油膜が熱抵抗となって、蒸発伝熱性能が低下する。

一方、溝２の根元ピッチＰ１が０．３３ｍｍを超える場合、溝部の幅が広くなり、溝底部に冷凍機油を含んだ冷媒液膜が形成されにくくなり、その結果、表面張力差の減少により、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が溝底部に引き込まれ難くなることから、フィン側面の冷媒液膜が蒸発するとともに油膜が残留してしまい、管内周全体が油膜で覆われて、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度θ１が２．０°未満である場合、溝部壁面に冷凍機油を含んだ冷媒液膜が均等に形成されてしまうことから表面張力差がなくなり、その結果、冷媒液膜が蒸発すると共に、油膜が溝部壁面に残留し、管内周全体が油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

また、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度θ１が１４．０°を超える場合、管内の圧力損失が増加することにより、冷媒ガスの流動性が悪くなることから、冷媒液膜が蒸発するとともに油膜が、管内に残留しやすくなる。その結果、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

従って、溝２の根元ピッチＰ１は０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍとし、管内面における管軸方向に平行な直線と溝２が延びる方向とがなす角度θ１は２．０°≦θ１≦１４．０°とする必要がある。

（２）管軸直交断面での溝深さｈ１が０．０８ｍｍ≦ｈ１≦０．１５ｍｍであることが好ましい。

溝深さｈ１を０．０８ｍｍ≦ｈ１≦０．１５ｍｍとすることにより、溝底部に冷凍機油を含んだ液膜が形成されやすく、フィン側面に形成された冷凍機油を含んだ冷媒液膜は、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部との表面張力差により引き込まれやすくなり、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が薄くなり易くなって、より一層蒸発特性が向上する。更に、フィン側面で冷媒分が蒸発すると共に、残留する油膜は、表面張力差により溝底部の冷凍機油を含んだ液膜形成部に引き込まれ、油膜の形成が抑えられる。

溝深さｈ１が０．０８ｍｍ未満である場合、フィン溝部全体が、冷凍機油を含んだ冷媒液膜の表面張力により覆われてしまい、冷媒液膜が蒸発すると共に、油膜が残留して、管内周全体が油膜で覆われてしまうことにより、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

一方、溝深さｈ１が０．１５ｍｍを超える場合、管内の圧力損失が増加し、冷媒ガスの流動が悪くなることから、冷媒液膜が蒸発すると共に、油膜が溝部に残留しやすくなる。その結果、管内周全体が油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

従って、溝深さｈ１は０．０８ｍｍ≦ｈ１≦０．１５ｍｍとすることが望ましい。

（３）管軸直交断面での溝底幅ＷＧが０．０５ｍｍ≦ＷＧ≦０．１５ｍｍであることが好ましい。

溝底幅ＷＧを０．０５ｍｍ≦ＷＧ≦０．１５ｍｍとすることにより、溝底部に冷凍機油を含んだ冷媒液膜がより形成されやすく、フィン側面に形成された冷凍機油を含んだ冷媒液膜は、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部との表面張力差により引き込まれ易く、その結果フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が薄くなりやすくなり、更により蒸発特性が向上する。また、フィン側面で冷媒分が蒸発すると共に、残留する油膜は、表面張力差により溝底部の冷凍機油を含んだ液膜形成部に引き込まれ、油膜の形成がより抑えられる。

溝底幅ＷＧが０．０５ｍｍ未満の場合、溝部の幅が狭くなり、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部分が、フィン先端に近い部分まで延出して形成されてしまい、その結果、冷媒液膜が蒸発すると共に、油膜が形成され、管内周が油膜で覆われてしまう。そして、この管内面の油膜が熱抵抗となって、蒸発伝熱性能が低下する。

溝底幅ＷＧがＷ０．１５ｍｍを超える場合、溝低部の幅が広くなり、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が形成されにくくなり、その結果、表面張力差が減少し、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が溝底部に引き込まれ難くなることから、フィン側面の冷媒液膜が蒸発するとともに油膜が残留して、管内周全体が油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

従って、溝底幅ＷＧは０．０５ｍｍ≦ＷＧ≦０．１５ｍｍとすることが望ましい。

（４）管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡが、２５°≦ＦＴＡ≦５０°であることが好ましい。

管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡを、２５°≦ＦＴＡ≦５０°とすることにより、溝底部に冷凍機油を含んだ冷媒液膜がより厚く形成されやすくなることから、液膜の張力が大きくなり、フィン側面に形成された冷凍機油を含んだ冷媒液膜は、溝底部の冷凍機油を含んだ液膜形成部との表面張力差がより増大されることにより、より引き込まれやすく、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が薄くなりやくなり、更により一層蒸発特性が向上する。また、フィン側面で冷媒分が蒸発すると共に、残留する油膜は、表面張力差の増大により溝底部の冷凍機油を含んだ液膜形成部により引き込まれ、油膜の形成がより抑えられる。

フィン山頂角ＦＴＡが、２５°未満の場合、溝部の幅が広くなり、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が形成されにくくなり、その結果、表面張力差が減少し、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が溝底部に引き込まれ難くなることから、フィン側面の冷媒液膜が蒸発すると共に、油膜が残留して管内周全体が油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

一方、フィン山頂角ＦＴＡが、５０°を超える場合、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜がフィン側面に厚い膜で形成され、その結果、表面張力差の減少により、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が溝底部に引き込まれ難くなることから、フィン側面の冷媒液膜が蒸発するとともに油膜が残留して管内周全体が油膜で覆われてしまい、それが熱抵抗となって蒸発伝熱性能が低下する。

従って、管軸直交断面でのフィン山頂角ＦＴＡは、２５°≦ＦＴＡ≦５０°とすることが望ましい。

（５）管軸直交断面でのフィン山頂部の先端半径ＦＴＲが、０．０２ｍｍ≦ＦＴＲ≦０．１０ｍｍであることが好ましい。

管軸直交断面でのフィン山頂部の先端半径ＦＴＲを、０．０２ｍｍ≦ＦＴＲ≦０．１０ｍｍとすることにより、フィン先端部近傍の冷凍機油を含んだ液冷媒が溝底部に導かれやすく、またより効果的にフィン先端部近傍のフィン側面に位置する冷媒液膜が、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部との表面張力差が増大することにより、効果的に溝底部に引き込まれやすくなり、これにより、より一層蒸発特性が向上する。

フィン山頂部の先端半径ＦＴＲが、０．０２ｍｍ未満の場合、フィン先端部での流動抵抗が軽減されてしまうことにより、溝部へ流入する液冷媒が多くことから表面張力差が減少し、その結果、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が厚く形成されてしまい、蒸発伝熱性能が低下する。

フィン山頂部の先端半径ＦＴＲが、０．１０ｍｍを超える場合、フィン先端部での流動抵抗が増加することにより、溝部へ流入する液冷媒が少なくなり、その結果、特に乾き度が大きい領域にてフィン側面の液膜がドライアウト（液膜が存在しない状態）してしまい、その結果、蒸発性能が低下する。

従って、管軸直交断面でのフィン山頂部の先端半径ＦＴＲを、０．０２ｍｍ≦ＦＴＲ≦０．１０ｍｍとすることが望ましい。

（６）管内面を通流する二酸化炭素冷媒は、例えば、０．５質量％以下の冷凍機油を含有する。即ち、管内面を通流する二酸化炭素冷媒に含有する冷凍機油の循環量は、例えば、０．５質量％以下である。

管内面を通流する二酸化炭素冷媒に含有される冷凍機油の循環量が、０．５質量％以下とすることにより、より効果的に溝底部に冷凍機油を含んだ液膜が形成される。その結果、フィン側面に冷凍機油を含んだ冷媒液膜が形成された場合も、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部によりフィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が表面張力差により溝底部に引き込まれ、フィン側面の冷凍機油を含んだ冷媒液膜が薄くなることにより蒸発特性が向上する。

冷凍機油の循環量が、０．５質量％より多くなると、溝底部の冷凍機油を含んだ冷媒液膜形成部の流動性が低下し、その結果、冷媒が蒸発した際に溝底部及びフィン側面にて油膜が厚く形成され過ぎてしまうことにより、それが熱抵抗となり、蒸発性能が低下する。

以下、本発明の実施例の効果について比較例と対比して説明する。下記表１乃至表３は、実施例比較例の形状条件を示す。この構造の伝熱管について、図４に示す試験装置を使用して、蒸発伝熱性能を測定した。この測定結果を、各表１乃至３に、比較例１の蒸発伝熱性能に対する比として示した。比較例１は、平滑管である。

試験条件は、二酸化炭素冷媒の質量速度を３８０ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）とし、運転圧力を４．５ＭＰａとし、熱流束を２０ｋＷ／ｍ^２とし、蒸発器入り口における冷媒の乾き度を０．１５とし、使用冷凍機油をＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）系油とした。

図４に示すように、圧縮機４１にて圧縮された二酸化炭素冷媒は、油分量循環制御弁４３がバイパスする油分離器４２を通過し、更に、過冷却器４５を通過した後、ガス冷却器４６により冷却される。ガス冷却器４６から出た二酸化炭素冷媒は、サイトグラス４７ａ、質量流量計４８ａ、膨張弁４９ａを経て、混合器・分離器５０に供給される。

混合器・分離器５０の混合器側にはサンプリングポート５１が接続されており、冷凍機油が含有した二酸化炭素冷媒は、このサンプリングポート５１より一部を抽出し、冷凍機油の含有量を測定した。また、混合器の二酸化炭素冷媒は分離器に移り、試験部５４側または膨張弁５３ｂに流入する構造となっている。なお、本実施例の試験は蒸発伝熱性能の測定をするため、膨張弁５３ｂは「閉」とし、混合器・分離器５０の二酸化炭素冷媒は、試験部５４側に流れるようにした。混合器・分離器５０から試験部５４側に二酸化炭素冷媒が流入する際、質量流量計４８ｂにより質量速度が測定され、混合器５２に流入される。この混合器５２には、温度計Ｔ及び圧力計Ｐが接続されており、ここで二酸化炭素冷媒の圧力及び温度が測定される。その後、二酸化炭素冷媒は電動膨張弁５３ａにて蒸発圧力（運転圧力）に制御され、予熱器４４により予熱して冷媒の乾き度を試験条件に制御し、試験部５４に供給される。

試験部５４においては、試験管全体にシート状のヒーターを巻き付け、そのヒーターの両端に直流電源５５から直流電圧を供給して試験管を加熱する。そうすると、管内の二酸化炭素冷媒が蒸発され、サイトグラス４７ｂに二酸化炭素冷媒が流入する。また、試験部５４の両端に差圧変換器５６により差圧が測定され、更に入口側には圧力計Ｐを接続して二酸化炭素冷媒の圧力を測定している。また、試験管の外表面には、試験管内表面温度を計算にて算出するために、計１２点の熱電対（図示せず）を取付けている。

その後、サイトグラス７ｂの二酸化炭素冷媒は、膨張弁５９ｂを経て膨張した後、補助蒸発器５７に供給されて熱交換され、アキュームレーター５８を経て、圧縮機４１に返戻される。なお、符号５９は冷却水・冷水タンクであり、符号６０は水流量計である。

管内の蒸発性能（管内熱伝達率）は、下記数式１にて算出した。

ここで、αは管内の蒸発性能（管内熱伝達率）である。ｑは熱流束であり、伝熱量（試験管のヒーター両端へ印加した直流電源５５の電力量）を管内表面積（試験管最大内径基準の平滑面）で割った値である。Ｔ_ｗは管内表面の温度であり、管外表面温度から計算した温度である。Ｔ_ｓは管内を流れる冷媒の飽和温度であり、試験部５４の両端に接続された差圧変換器５６にて測定した差圧ならびに試験部５４の入口側に接続された圧力計Ｐにて測定した二酸化炭素冷媒の圧力値から算出した温度である。

表１乃至３において、溝形状が三角溝であるとは、図３（ａ）のように、溝底部に平坦部がない形状であり、溝形状が台形溝であるとは、図３（ｂ）のように、溝底部に平坦部がある形状のことである。

この表１乃至表３に示すように、本発明の請求項１乃至６の全ての構成要件を満たす実施例１９，２０、２１は、蒸発伝熱性能が優れている。

（ａ）は本実施形態の内面溝付伝熱管における管軸をとおる断面を示す断面図、（ｂ）は管軸方向に垂直な断面（管軸直交断面）を示す断面図であり、（ｃ）は溝形状及びこの溝間に形成されたフィンの形状を示す管軸直交断面の一部拡大図である。 本実施形態の内面溝付伝熱管１が組み込まれた蒸発器を備えた熱交換器３０の構成を示す図である。 溝形状を示す図である。 蒸発伝熱性能の試験装置を示す図である。

符号の説明

１：伝熱管
２：溝
３:フィン

Claims (6)

1. 管内面に螺旋状又は管軸に平行に延びる溝が形成され、二酸化炭素を冷媒として使用する蒸発器用内面溝付伝熱管において、管最大内径Ｄｉｍａｘが０．４５ｍｍ≦Ｄｉｍａｘ≦４．３０ｍｍ、管軸直交断面における前記溝の根元ピッチＰ１が０．１７ｍｍ≦Ｐ１≦０．３３ｍｍ、管内面における管軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とがなす角度θ１が２．０°≦θ１≦１４．０°であることを特徴とする蒸発器用内面溝付伝熱管。
2. 管軸直交断面における前記溝の深さｈ１が０．０８ｍｍ≦ｈ１≦０．１４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の蒸発器用内面溝付伝熱管。
3. 管軸直交断面における前記溝の溝底幅ＷＧが０．０５ｍｍ≦ＷＧ≦０．１７ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のいずれか１項に記載の蒸発器用内面溝付伝熱管。
4. 管軸直交断面における前記溝間に形成されるフィンの山頂角ＦＴＡが、２５°≦ＦＴＡ≦５０°であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸発器用内面溝付伝熱管。
5. 管軸直交断面における前記フィンの山頂部の先端半径ＦＴＲが、０．０２ｍｍ≦ＦＴＲ≦０．１０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸発器用内面溝付伝熱管。
6. 管内面を通流する二酸化炭素冷媒は、０．５質量％以下の冷凍機油を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸発器用内面溝付伝熱管。
   
   

Images