JP2009186130A - 内面フィン付放熱器用伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、冷媒中に冷凍機油が混入した場合であっても、伝熱性能の低下を抑制することができ、必要材料の増加を抑制しながら確実に加工することのできる内面フィン付放熱器用伝熱管を提供することを目的とする。
【解決手段】管内面１０に複数の内面フィン２０を有し、管内部１１にＣＯ_２冷媒の通過を許容する内面フィン付放熱器用伝熱管１であって、前記内面フィン２０を、第１内面フィン２１と、該第１内面フィン２１より高さを低く形成した第２内面フィンと２２で構成し、前記第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄの０．０４〜０．２倍の範囲に設定するとともに、前記第２内面フィン２２の高さＨ２を、前記第１内面フィン２１の高さＨ１の０．１〜０．５倍の範囲に設定した。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機などの放熱器に用いられる放熱器用伝熱管に関する。

従来から、家庭用空調機（エアコン）、業務用空調機（パッケージエアコン）、冷蔵庫、冷凍機、自動販売機、又は給湯機等に、フロン系冷媒を圧縮機によって複数の熱交換器に循環させるヒートポンプ式の熱サイクル機器が多く用いられてきた。

しかし、フロン系冷媒は、オゾン層破壊や地球温暖化の要因となるため、最近では自然冷媒と呼ばれる、例えば二酸化炭素や炭化水素系の冷媒について研究開発が進められており、特に二酸化炭素は、ヒートポンプ給湯機として実用化が進められている。

そして、ヒートポンプ式給湯機では、熱交換器に使用する伝熱管であって、ＣＯ_２冷媒の超臨界状態の単相流への適用を目的とする放熱器用伝熱管として、内面フィン高さｈが０．１５ｍｍ以上、隣合う内面フィンの間隔ｇがｈ×０．９ｍｍ以上、及び内面フィンの高さｈが０．２０ｍｍ以上、隣合う内面フィンの間隔ｇが０．１ｍｍ以上に設定した構成の内面溝付放熱器用伝熱管が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、上記内面溝付放熱器用伝熱管では、ＣＯ_２冷媒に対応した内面フィンを構成できるものの、実際に放熱器用伝熱管として使用した際にはＣＯ_２冷媒に混入した冷凍機油の影響により十分な伝熱効果を得ることはできなかった。

これは、ベア管（内面平滑管）及び内面溝付管の内部に超臨界領域のＣＯ_２を冷媒として用いた場合の管内冷却熱伝達率の促進について言及する非特許文献１及び２で開示されているように、ＣＯ_２冷媒中に冷凍機油が混入することで、管内熱伝達率が最大で約５０％低下し、圧力損失が最大で約１．６倍増大することに起因すると考えられる。

このように、冷媒中に冷凍機油が混入し伝熱管の管内圧力損失が増加することで、冷媒を流すための圧縮機の消費エネルギーが増加し、熱交換器全体の性能の低下を招いてしまうため、冷凍機油の影響を極力抑えることが熱交換器の性能を向上させるための課題となっている。

なお、熱交換器用伝熱管の管内熱伝達率を増加させるためには、内面フィンの高さを高くする、内面フィンの数を増やすなどの対策が考えられるが、内面フィンの高さを極力高くした内面フィンの数を増やすとその分だけ必要な材料が増加し、管の重量の増加、製造時の材料コストの増加につながるという問題もあった。

特開２００７−１７８１１５号公報 李相武、外５名、「自然冷媒ＣＯ２の超臨界域における管内冷却伝熱促進に関する実験的研究」、「銅と銅合金」、「日本伸銅協会」、２００６年、第４５巻、第１号、ｐ．４２−４７ 東井上真哉、外３名、「超臨界圧域におけるＣＯ２の溝付管内冷却熱伝達および圧力損失特性に及ぼす冷凍機油の影響」、「２００７年度日本冷凍空調学会年次大会講演論文集」、「日本冷凍空調学会」、２００７年、ｐ．２４５−２４８

この発明は、冷媒中に冷凍機油が混入した場合であっても、伝熱性能の低下を抑制することができ、必要材料の増加を抑制しながら確実に加工することのできる内面フィン付放熱器用伝熱管を提供することを目的とする。

この発明は、管内面に複数の内面フィンを有し、管内部に冷媒の通過を許容する内面フィン付放熱器用伝熱管であって、前記内面フィンを、第１内面フィンと、該第１内面フィンより高さを低く形成した第２内面フィンとで構成し、前記第１内面フィンの高さを管内径の０．０４〜０．２倍の範囲に設定するとともに、前記第２内面フィンの高さを、前記第１内面フィンの高さの０．１〜０．５倍の範囲に設定したことを特徴とする。

この発明の態様として、隣合う前記内面フィンの間隔を、前記第２内面フィンの高さの０．９倍以上に設定し、前記第１内面フィンの同士の間隔を、前記第１内面フィンの高さの３倍以上に設定することができる。

また、この発明の態様として、前記第１内面フィンの頂角を、前記第２内面フィンの頂角より１０〜２２度の範囲で大きく形成することができる。
また、この発明の態様として、前記第１内面フィンの頂角を１８〜３０度の範囲に設定し、前記第２内面フィンの頂角を８〜１５度の範囲に設定することができる。

また、この発明の態様として、前記内面フィンの底部と管内面との隅角部を曲面形状で構成することができる。
また、この発明の態様として、前記隅角部を所定の曲率半径の断面円弧形状で構成し、前記第１内面フィンの前記隅角部の曲率半径を、前記第２内面フィンの前記隅角部の曲率半径より０．０１〜０．１ｍｍの範囲で大きく形成することができる。

この発明の内面フィン付放熱器用伝熱管のように、前記内面フィンを、第１内面フィンと、該第１内面フィンより高さを低く形成した第２内面フィンとで構成し、前記第１内面フィンの高さを管内径の０．０４〜０．２倍の範囲に設定するとともに、前記第２内面フィンの高さを、前記第１内面フィンの高さの０．１〜０．５倍の範囲に設定したことによって、例えば二酸化炭素等の冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油を第２内面フィン付近に流れるように誘導し、冷媒から冷凍機油を分離することができる。
さらに、高さの異なる２種類の内面フィンを形成することにより、管内の乱流促進を図り、伝熱性能を向上することができる。

なお、第１内面フィンの高さを管内径の０．０４以上に設定したことによって、放熱時に超臨界領域における単相流状態となる冷媒を十分に撹拌することのできる高さの第１内面フィンを形成することができる。

また、例えば、前記第１内面フィンの高さを管内径の０．２倍以上に設定した場合の第１内面フィンの加工は困難となるが、前記第１内面フィンの高さを管内径の０．２倍以下に設定したことによって、確実な第１内面フィンを形成することができる。

さらに、前記第２内面フィンの高さを、前記第１内面フィンの高さの０．１〜０．５倍の範囲に設定したことにより、全ての内面フィンが不必要に高くなることを防止し、必要な材料量を削減できるので、管の材料コストの低減を図ることができるとともに、高さの異なる２種類の内面フィンを備えたことによる効果を得ることができる。

すなわち、冷媒から分離した冷凍機油を高さの低い第２内面フィン側に誘導し、冷凍機油が分離した冷媒と高さの高い第１内面フィンとを積極的に接触熱交換させることで伝熱性能を向上するができる。したがって、伝熱性能の向上を図りつつ、全ての内面フィンを同じ高さにした場合に比べて圧力損失の増大を抑制し、圧縮機の負荷の増大を防ぐことができる。

また、隣合う前記内面フィンの間隔を、前記第２内面フィンの高さの０．９倍以上に設定し、前記第１内面フィンの同士の間隔を、前記第１内面フィンの高さの３倍以上に設定したことにより、内面フィン間隔を確保することができ、一旦冷媒から分離された冷凍機油がまた冷媒に混ざることを防止できる。
したがって、冷媒中に混入している冷凍機油が管内面に付着し、伝熱面積が減少することを防止し、内面フィン付放熱器用伝熱管の伝熱性能をさらに向上することができる。

また、前記第１内面フィンの頂角を、前記第２内面フィンの頂角より１０〜２２度の範囲で大きく形成したことにより、冷媒中に混在する冷凍機油が頂角の小さい第２内面フィンの隅角部を流れ易くすることができる。

詳しくは、頂角を小さく形成した第２内面フィンの底部と管内面とで構成する隅角部の角度は頂角を大きく形成した第１内面フィンの隅角部の角度より小さくなる。これにより、例えば、二酸化炭素等の冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油は優先的に、第２内面フィンの隅角部を流れることとなる。

そのため、頂角の大きな第１内面フィン、特にその頂部は、冷凍機油に覆われることなく、冷媒である二酸化炭素と接触熱交換することができる。したがって、全ての内面フィンの頂角を同じ大きさ形成した内面フィン付放熱器用伝熱管と比較して伝熱性能を向上することができる。

また、前記第１内面フィンの頂角を、前記第２内面フィンの頂角より１０〜２２度の範囲で大きく形成したことにより、上述したような２種類の内面フィンの形状差による伝熱性能の効果を得ることができる。

詳しくは、内面フィンの頂角の差が１０度未満では２種類の内面フィンの形状差による伝熱性能への効果が認められず、２２度以上であれば第１内面フィンの頂角が大きくなりすぎ、隣合う第２内面フィンの隅角部との間隔が狭くなる。

この場合、冷媒から一旦分離した冷凍機油が第２内面フィンの隅角部に誘導されず再度冷媒に冷凍機油が混入して管内熱伝達率の低下及び圧力損失増加が生じるが、頂角との角度差を上記範囲に設定したことにより、隣合う第１内面フィンと第２内面フィンの隅角部の間隔を確保でき、冷媒から一旦分離した冷凍機油を第２内面フィンの隅角部に誘導する。
したがって、冷凍機油が再度冷媒に混ざることを防止し、冷凍機油が再度冷媒に混ざることによる伝熱性能の低下を防止している。

また、第１内面フィンの頂角を１８〜３０度の範囲に設定し、前記第２内面フィンの頂角を８〜１５度の範囲に設定したことにより、第１内面フィンの頂角が大きくなりすぎることを防止し、隣合う第２内面フィンの隅角部との間隔を確保できる。また、内面フィンの頂角を上記範囲に設定したことにより、内面フィンが不必要に大きくなることを防止し、必要な材料量を削減できるので、管の材料コストの低減を図ることができる。

さらに、頂角が８度未満の内面フィンを加工することは加工技術的に困難であり、第２内面フィンの頂角を８度以上に設定することで確実な内面フィンの形状を形成することができる。

また、前記内面フィンの底部と管内面との隅角部を曲面形状で構成したことにより、冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油が第２内面フィンの隅角部をより流れやすくなる。そのため、第１内面フィンに冷凍機油が付着しなくなり、第１内面フィンでは冷媒と直接熱交換ができるようになり、冷凍機油の影響による伝熱性能の低下を抑制することができる。

また、前記隅角部を所定の曲率半径の断面円弧形状で構成し、前記第１内面フィンの前記隅角部の曲率半径を、前記第２内面フィンの前記隅角部の曲率半径より０．０１〜０．１ｍｍの範囲で大きく形成したことによって、さらに優先的に冷凍機油を第２内面フィンの隅角部に流すことができる。
したがって、第１内面フィンは冷媒である二酸化炭素とより確実に接触熱交換することができ、伝熱性能をさらに向上することができる。

上記内面フィン付放熱器用伝熱管は、内面に後述する螺旋状の内面フィンを備えた銅製の放熱器用伝熱管であることを含む。
上記内面フィンは、管内面において螺旋状に形成され、管の軸中心に向かって突出し、頂部が曲線形状で形成された断面略三角形状或いは断面略台形状の螺旋帯状凸部であることを含む。

上記内面フィンの高さは、管中心から管内面の溝底部分までの距離と、管中心から内面フィン頂部の先端までの距離の差であることを示す。
上記冷媒は、二酸化炭素、炭化水素又はフロン等の冷媒であることを含む。
上記隣合う内面フィンの間隔は、円周内面に配置された内面フィンを展開した際の内面フィンの頂角を通る中心線同士の間隔であることを含むとともに、第２内面フィン同士や、第１内面フィンと第２内面フィンとの間隔であることを含む。

上記頂角は、内面フィンの形成方向に直角な断面で得られる角度であり、内面フィンの一方の側面と他方の側面とで構成する内面フィンの頂部における角度である。

上記曲線形状は、断面円弧形状、緩和曲線形状、或いはクロソイド曲線形状であることを含む。
上記隅角部の曲率半径は、上記頂角と同様に、内面フィンの形成方向に直角な断面で得られる曲率半径である。

この発明によれば、冷媒中に冷凍機油が混入した場合であっても、伝熱性能の低下を抑制する内面フィン付放熱器用伝熱管を提供することができる。

この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
本発明の内面フィン付放熱器用伝熱管１は、図１乃至３に示すように、管内部１１に二酸化炭素冷媒（以下において「ＣＯ_２冷媒」という）の通過を許容し、管内面１０に複数の内面フィン２０（２１，２２）を備えた放熱器用伝熱管である。

なお、図１は一般的な内面フィン付放熱器用伝熱管の中心軸を通る面における概略断面図を示し、図２は管軸方向Ｌに直角な断面における概略断面図を示し、図３は一般的な内面フィン付放熱器用伝熱管を展開して内面フィンについて説明する説明図を示している。

管内面１０に複数の備えた内面フィン２０は、第１内面フィン２１と、該第１内面フィン２１の高さＨ１より低い高さＨ２で形成した第２内面フィン２２とで構成している。

なお、本実施例における内面フィン付放熱器用伝熱管１について詳しく説明すると、前記第１内面フィン２１の高さＨ１を、３．４ｍｍの管内径ｄに対する０．０４〜０．２倍の範囲内である約０．０７倍の０．２５ｍｍに設定し、前記第２内面フィン２２の高さＨ２を、前記第１内面フィン２１の高さＨ１の０．１〜０．５倍の範囲内である約０．４倍の０．１０ｍｍに設定している。

また、隣合う内面フィン２０の間隔ｇを、前記第２内面フィン２２の高さＨ２の０．９倍以上である５．３倍の０．５３ｍｍに設定し、前記第１内面フィン２１の同士の間隔Ｇを、前記第１内面フィン２１の高さＨ１の３倍以上である４．２４倍の１．０６ｍｍに設定している。

また、前記第１内面フィン２１の頂角θ１を１８〜３０度の範囲内である３０度に設定し、前記第２内面フィン２２の頂角θ２を８〜１５度の範囲内である１５度に設定することによって、第１内面フィン２１の頂角θ１と前記第２内面フィン２２の頂角θ２との角度差（θ１−θ２）を１０〜２２度の範囲内である１５度に設定している。

さらに、図２及び図３に示すように、前記内面フィン２０（２１，２２）の底部２０ａ（２１ａ，２２ａ）と管内面１０との隅角部３１，３２をともに曲面形状で構成している。詳しくは、前記隅角部３１，３２を所定の曲率半径の断面円弧形状で構成し、前記第１内面フィン２１の隅角部３１の曲率半径ｒ１を０．０３ｍｍに、前記第２内面フィン２２の隅角部３２の曲率半径ｒ２を０．０２ｍｍに設定している。これにより、曲率半径ｒ１と曲率半径ｒ２との差を０．０１〜０．１ｍｍの範囲内である０．０１ｍｍとなっている。

さらに詳述すると、内面フィン付放熱器用伝熱管１はりん脱酸銅管で形成され、螺旋状の内面フィン２０を管内面１０に備えた伝熱管であり、管外径Ｄを４．７６ｍｍ、肉厚ｔを０．６８ｍｍ、管軸方向Ｌに対する内面フィン２０の捩れ角度βを４０度に設定している。

また、管内面１０の全周にわたって第１内面フィン２１と第２内面フィン２２とをそれぞれ交互に１０本ずつ（内面フィン数：Ｎ１、Ｎ２）均等に配置しており、この配置によって、第１内面フィン２１と第２内面フィン２２の内面フィン数の比Ｎ１／Ｎ２は１となる。

なお、内面フィン付放熱器用伝熱管１は、上述したように、りん脱酸銅管を、図４に示す加工装置１００におけるフローティングプラグ１０１によって管内面１０に溝付き加工、すなわち内面フィン２０の形成加工を施すとともに、所望の管外径Ｄにダイス１０２にて抽伸を行って製作している。なお、本実施例においてりん脱酸銅管で内面フィン付放熱器用伝熱管１を構成しているが、その他銅合金、金属材料で構成してもよい。

また、内面フィン付放熱器用伝熱管１は、肉厚ｔが以下に示す数１で算出される推奨下限肉厚以上であって、且つ外径Ｄと肉厚ｔの比ｔ／Ｄの値が０．０４〜０．２５であるりん脱酸銅管を用いているため、放熱時にＣＯ_２冷媒が超臨界状態且つ高圧になる放熱器用伝熱管として使用することができる。
なお、下記数１は、ＣＯ_２冷媒の高作動圧力に耐える推奨下限肉厚を算出するための数式であり、冷凍保安規則関係基準に規定されている。

上記数１において、設計圧力Ｐを１０ＭＰａ、放熱用伝熱管の許容応力σ_ａをＪＩＳ Ｈ ３３００から３３ＭＰａ、溶接継手の効率ηは１として推奨下限肉厚を算出している。

なお、外径肉厚比ｔ／Ｄが０．０４未満であると、管の強度が低いためＣＯ_２冷媒の圧力に耐えられず破壊し、外径肉厚比ｔ／Ｄが０．２５を超えると管の強度が高くなるが、上記加工装置１００による転造加工が困難となる。したがって、好ましくは、数１で算出される推奨下限肉厚以上、かつ外径肉厚比ｔ／Ｄの範囲が０．０５〜０．２０であり、さらに好ましい外径肉厚比ｔ／Ｄの範囲は０．０６〜０．１０である。

上述の内面フィン付放熱器用伝熱管１の構成により、放熱用伝熱管としての伝熱性能の向上を図った。
詳しくは、蒸発用伝熱管における蒸発時においてＣＯ_２冷媒は二相流となり、伝熱性能の向上のために管内面１０の面積の増加が重要であり、ある程度のフィンの高さ、および数を要するが、放熱用伝熱管における放熱時にはＣＯ_２冷媒は超臨界状態の単相流となるので、管内面１０の面積の増大が伝熱性能の向上に直接的作用しない。

そこで、２つの高さの異なる第１内面フィン２１及び第２内面フィン２２を備えるとともに、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径の０．０４〜０．２倍の範囲に設定し、内面フィン２０同士の間隔ｇを第２内面フィン２２の高さＨ２の０．９倍以上に設定し、第１内面フィン２１の同士の間隔Ｇを第１内面フィン２１の高さＨ１の３倍以上に設定することで伝熱性能の向上を図った。

内面フィン２０同士の間隔ｇを小さくすると、ＣＯ_２冷媒が第１内面フィン２１によって熱交換に必要となる以上に過度に攪拌され、一旦分離されて第２内面フィン２２の隅角部３２部分を流れる冷凍機油５０が再びＣＯ_２冷媒に混ざり込むこととになるため、伝熱性能が低下する要因となる。

したがって、上述のように、内面フィン２０の間隔ｇを上記間隔に設定することで、一旦分離された冷凍機油５０がＣＯ_２冷媒と再び混ざることを防ぐとともに、ＣＯ_２冷媒と冷凍機油５０が分離された後、ＣＯ_２冷媒を十分に攪拌するだけの第１内面フィン２１の高さＨ１を設定した。

このように伝熱性能の向上を図った構成で構成した内面フィン付放熱器用伝熱管１を、図５（ａ）に示す伝熱性能評価装置２００を用いて圧力損失及び管内熱伝達率を測定し、測定結果を後述する比較伝熱管と比較し、第１内面フィン２１および第２内面フィン２２を備えたことによる圧力損失増加抑制効果及び管内熱伝達率低下抑制効果を確認した。

図５（ｂ）に示すように、テストセクション２１０は伝熱有効長さ５００ｍｍの３つのサブセクション２１１により構成し、測定は、内面フィン付放熱器用伝熱管１を高温流体用伝熱管として、二重管の内側に設置し、二酸化炭素を冷媒として、入り口側の圧力を１０ＭＰａ、冷媒流速を５２０ｋｇ／ｍ^２ｓとし、冷凍機油の質量濃度を変化させて測定を行った。

なお、上記従来の内面フィン付放熱器用伝熱管である比較伝熱管は、外径ＤΦ４．７６ｍｍ、肉厚ｔ０．６８ｍｍ、フィン数Ｎ１０枚、フィン高さＨ０．３０ｍｍ、頂角θ３０度、内面フィンの隅角部の曲率半径ｒ０．０３ｍｍ、隣合う内面フィン２０同士の間隔ｇ０．３３５ｍｍ、管軸方向Ｌに対する内面フィン２０の捩れ角度β４０度に設定している。

上記伝熱性能評価測定による圧力損失の測定結果である図６（ａ）に示すように、冷凍機油の濃度が０．０８ｗｔ．％の場合は、内面フィン付放熱器用伝熱管１も比較伝熱管ともにほぼ同じ結果であった。なお、図６において、内面フィン付放熱器用伝熱管１の結果を実施例Ｎｏ１と示し、比較伝熱管の結果を比較例Ｎｏ１と示している。

しかし、冷凍機油の濃度が２．７ｗｔ．％の場合、比較伝熱管より内面フィン付放熱器用伝熱管１の方が圧力損失の増加率が小さく、比較伝熱管に対して最大で２５％程度の圧力損失増加抑制効果を得ることができた。

また、上記伝熱性能評価測定による管内熱伝達率の測定結果である図６（ｂ）に示すように、冷凍機油の濃度が０．０８ｗｔ．％の場合は、内面フィン付放熱器用伝熱管１も比較伝熱管ともにほぼ同じ結果であった。

しかし、冷凍機油の濃度が２．７ｗｔ．％の場合、比較伝熱管より内面フィン付放熱器用伝熱管１の方が管内熱伝達率の低下率が小さく、比較伝熱管に対して最大で２０％程度の圧力損失低下抑制効果を得ることができた。

続いて、上記構成で構成した内面フィン付放熱器用伝熱管１について図７に示す伝熱性能評価装置３００を用いて実施した性能比較試験について説明する。
なお、本性能比較試験において、内面フィン２０の内面フィン数Ｎ、内面フィン高さＨ、頂角θ、隅角部の曲率半径ｒをパラメータとして、以下の表１に示す実施例１〜５までの５種類の内面フィン付放熱器用伝熱管１を作製するとともに、比較対象として比較例１〜３までの３種類の内面フィン付放熱器用伝熱管を作製した。比較例１は、従来の内面フィン付放熱器用伝熱管である上述の比較伝熱管である。

本性能比較試験は、概略図である図７に示す伝熱性能評価装置３００を用い、交換熱量を測定することにより性能比較を行った。この伝熱性能評価装置３００におけるテストセクションは伝熱有効長さ４ｍの２重管構造となっており、冷媒である二酸化炭素を入口条件：１０ＭＰａ、９０℃、出口条件：３０℃になるように毎時１５ｋｇの条件で流通させ、二重管の内側で放熱用伝熱管の外側の低温流体用伝熱管との間における二酸化炭素と水との交換熱量を測定した。なお、本性能比較試験における測定条件を以下の表２に示す。

上記表１の最下段に示された本性能比較試験による測定結果であり、伝熱性能評価の基準となる交換熱量は、上記表１の比較例Ｎｏ．１の交換熱量を１００とした際の各々比率で示している。

この試験結果から、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄに対しての０．０４〜０．２倍、前記第２内面フィン２２の高さＨ２を高さＨ１の０．１〜０．５倍、内面フィン２０同士の間隔ｇを高さＨ２の０．９倍以上、第１内面フィン２１同士の間隔Ｇを高さＨ１の３倍以上、また、頂角θ１を１８〜３０度、前記第２内面フィン２２の頂角θ２を８〜１５度、頂角θ１と頂角θ２との角度差（θ１−θ２）を１０〜２２度、曲率半径ｒ１と曲率半径ｒ２との差を０．０１〜０．１ｍｍに設定したことにより、従来の内面フィン付放熱器用伝熱管である比較例１より高い交換熱量を得ることを確認した。

また、比較例ＮＯ．２に示すように、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄに対しての０．０４〜０．２倍、第１内面フィン２１同士の間隔Ｇを高さＨ１の３倍以上、頂角θ１を１８〜３０度、前記第２内面フィン２２の頂角θ２を８〜１５度、頂角θ１と頂角θ２との角度差（θ１−θ２）を１０〜２２度、曲率半径ｒ１と曲率半径ｒ２との差を０．０１〜０．１ｍｍに設定した内面フィン付放熱器用伝熱管であっても、第２内面フィン２２の高さＨ２が高さＨ１の０．１〜０．５倍を超えるとともに、内面フィン２０同士の間隔ｇが高さＨ２の０．９倍以下である場合、従来の内面フィン付放熱器用伝熱管である比較例１より交換熱量を低下することを確認した。

また、比較例ＮＯ．３に示すように、前記第２内面フィン２２の高さＨ２を高さＨ１の０．１〜０．５倍、内面フィン２０同士の間隔ｇを高さＨ２の０．９倍以上、第１内面フィン２１同士の間隔Ｇを高さＨ１の３倍以上、頂角θ１を１８〜３０度、前記第２内面フィン２２の頂角θ２を８〜１５度、頂角θ１と頂角θ２との角度差（θ１−θ２）を１０〜２２度、曲率半径ｒ１と曲率半径ｒ２との差を０．０１〜０．１ｍｍに設定した内面フィン付放熱器用伝熱管であっても、第１内面フィン２１の高さＨ１が管内径ｄに対しての０．０４以下である場合、従来の内面フィン付放熱器用伝熱管である比較例１より交換熱量を低下することを確認した。

上述したように、内面フィン付放熱器用伝熱管１は、第１内面フィン２１と、該第１内面フィン２１より高さを低く形成した第２内面フィン２２とで構成し、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄの０．０４〜０．２倍の範囲に設定するとともに、第２内面フィン２２の高さＨ２を、第１内面フィン２１の高さＨ１の０．１〜０．５倍の範囲に設定したことによって、図３に示すように、例えばＣＯ_２冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油５０を第２内面フィン２２付近に流れるように誘導し、ＣＯ_２冷媒から冷凍機油５０を分離することができる。

さらに、高さの異なる２種類の内面フィン２０を形成することにより、管内部１１の乱流促進を図り、伝熱性能を向上することができる。
なお、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄの０．０４以上に設定したことによって、放熱時に超臨界状態となり、単相流状態であるＣＯ_２冷媒を十分に撹拌することのできる高さの第１内面フィン２１を形成することができる。

また、例えば、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄの０．２倍以上に設定した場合、第１内面フィン２１の加工は困難であるが、第１内面フィン２１の高さＨ１を管内径ｄの０．２倍以下に設定したことによって、確実な第１内面フィン２１を形成することができる。

さらに、第２内面フィン２２の高さＨ２を、第１内面フィン２１の高さＨ１の０．１〜０．５倍の範囲に設定したことにより、全ての内面フィン２０が不必要に高くなることを防止し、必要な材料量を削減できるので、管の材料コストの低減を図ることができる。

また、第１内面フィン２１の高さＨ１を第２内面フィン２２の高さＨ２よりも高く形成したことにより、伝熱性能の向上を図りつつ、全ての内面フィン２０を同じ高さにした場合に比べて圧力損失の増大を抑制し、圧縮機の負荷の増大を防ぐことができる。

また、隣合う内面フィン２０の間隔ｇを、第２内面フィン２２の高さＨ２の０．９倍以上に設定し、第１内面フィン２１の同士の間隔Ｇを、第１内面フィン２１の高さＨ１の３倍以上に設定したことにより、内面フィン２０同士の間隔を確保することができ、一旦ＣＯ_２冷媒から分離された冷凍機油５０が再びＣＯ_２冷媒に混ざることを防止できる。したがって、ＣＯ_２冷媒中に混入している冷凍機油５０が管内面１０に付着し、伝熱面積が減少することを防止し、内面フィン付放熱器用伝熱管１の伝熱性能をさらに向上することができる。

また、第１内面フィン２１の頂角θ１を第２内面フィン２２の頂角θ２より１０〜２２度の範囲で大きく形成したことにより、ＣＯ_２冷媒中に混在する冷凍機油５０が頂角θが小さい第２内面フィン２２の隅角部３２を流れ易くすることができる。

詳しくは、頂角θ２を小さく形成した第２内面フィン２２の底部２２ａと管内面１０とで構成する隅角部３２の角度は、頂角θ１を大きく形成した第１内面フィン２１の隅角部３１の角度より小さくなる。これにより、例えば、ＣＯ_２冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油５０が優先的に、第２内面フィン２２の隅角部３２を流れることとなる。

そのため、頂角θ１の大きな第１内面フィン２１、特にその頂部は、冷凍機油５０に覆われることなく、ＣＯ_２冷媒と接触熱交換することができる。したがって、全ての内面フィンの頂角θを同じ大きさ形成した内面フィン付放熱器用伝熱管と比較して伝熱性能を向上することができる。

また、第１内面フィン２１の頂角θ１と第２内面フィン２２の頂角θ２との角度差（θ１−θ２）を１０〜２２度の範囲に設定したことにより、上述したような２種類の内面フィン２０の形状差による伝熱性能の効果を得ることができる。

詳しくは、内面フィン２０の頂角の差（θ１−θ２）が１０度未満では２種類の内面フィン２０の形状差による伝熱性能への効果が認められず、２２度以上であれば第１内面フィン２１の頂角θ１が大きくなりすぎ、隣合う第２内面フィン２２の隅角部３２の間隔が狭くなる。

この場合、ＣＯ_２冷媒から一旦分離した冷凍機油５０が第２内面フィン２２の隅角部３２に誘導されず再度ＣＯ_２冷媒に冷凍機油５０が混入して管内熱伝達率の低下及び圧力損失増加が生じるが、頂角の角度差（θ１−θ２）を上記範囲に設定したことにより、隣合う第１内面フィン２１と第２内面フィン２２の隅角部３２の間隔を確保でき、ＣＯ_２冷媒から分離した冷凍機油５０を第２内面フィン２２の隅角部３２に誘導し、再度ＣＯ_２冷媒に混ざることを防止できる。

また、第１内面フィン２１の頂角θ１を１８〜３０度の範囲に設定し、第２内面フィン２２の頂角θ２を８〜１５度の範囲に設定したことにより、第１内面フィン２１の頂角θ１が大きくなりすぎることを防止し、隣合う第２内面フィン２２の隅角部３２との間隔を確保できる。

また、内面フィン２０の頂角θを上記範囲に設定したことにより、内面フィン２０のサイズが不必要に大きくなることを防止し、必要な材料量を削減できるので、管の材料コストの低減を図ることができる。

さらに、頂角θが８度未満の内面フィン２０を加工することは加工技術的に困難であり、第２内面フィン２２の頂角θ２を８度以上に設定することで確実な内面フィン２０の形状を形成することができる。

また、内面フィン２０の底部と管内面１０との隅角部を曲面形状で構成したことにより、ＣＯ_２冷媒よりも表面張力の大きな冷凍機油５０が第２内面フィン２２の隅角部３２をより流れやすくなる。

そのため、第１内面フィン２１に冷凍機油５０が付着しなくなり、第１内面フィン２１ではＣＯ_２冷媒と直接熱交換ができるようになり、伝熱性能をさらに向上することができる。

また、隅角部３０を所定の曲率半径ｒの断面円弧形状で構成し、第１内面フィン２１の曲率半径ｒ１を、第２内面フィン２２の曲率半径ｒ２より０．０１〜０．１ｍｍの範囲で大きく形成したよって、さらに優先的に冷凍機油５０を第２内面フィン２２の隅角部３２に流すことができる。
したがって、第１内面フィン２１はＣＯ_２冷媒である二酸化炭素と接触熱交換することができ、伝熱性能をさらに向上することができる。

なお、放熱時に最も高圧になるため、内面フィン付放熱器用伝熱管１として外径が５ｍｍ以下で肉厚が十分なものを使用するとともに、第１内面フィン２１の高さＨ１を０．１５ｍｍ以上に設定することがより好ましい。

この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の冷媒は、ＣＯ_２冷媒に対応し、
以下同様に、
第１内面フィンの高さは、高さＨ１に対応し、
第２内面フィンの高さは、高さＨ２に対応し、
隣合う内面フィンの間隔は、間隔ｇに対応し、
第１内面フィンの同士の間隔は、間隔Ｇに対応し、
第１内面フィンの頂角は、θ１に対応し、
第２内面フィンの頂角は、θ２に対応し、
内面フィンの底部は、底部２０ａ（２１ａ，２２ａ）に対応し、
隅角部は、隅角部３１，３２に対応し、
曲率半径は、ｒ１，ｒ２に対応するも
この発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。

内面フィン付放熱器用伝熱管の中心軸を通る面における断面図。 内面フィン付放熱器用伝熱管についての説明図。 内面フィンについて説明する説明図。 加工装置の概略図。 伝熱性能評価測定に用いる伝熱性能評価装置の概略図。 本性能比較試験による測定結果のグラフ。 本性能比較試験に用いる伝熱性能評価装置の概略図。

符号の説明

１…内面フィン付放熱器用伝熱管
１０…管内面
１１…管内部
２０…内面フィン
２１…第１内面フィン
２２…第２内面フィン
２０ａ，２１ａ，２２ａ…底部
３１，３２…隅角部
ｄ…管内径
ｇ…隣合う内面フィンの間隔
Ｇ…第１内面フィンの同士の間隔
Ｈ１…第１内面フィンの高さ
Ｈ２…第２内面フィンの高さ
θ１…第１内面フィンの頂角
θ２…第２内面フィンの頂角
ｒ１…第１内面フィンの隅角部の曲率半径
ｒ２…第２内面フィンの隅角部の曲率半径

Claims (6)

1. 管内面に複数の内面フィンを有し、管内部に冷媒の通過を許容する内面フィン付放熱器用伝熱管であって、
   前記内面フィンを、
   第１内面フィンと、該第１内面フィンより高さを低く形成した第２内面フィンとで構成し、
   前記第１内面フィンの高さを管内径の０．０４〜０．２倍の範囲に設定するとともに、
   前記第２内面フィンの高さを、前記第１内面フィンの高さの０．１〜０．５倍の範囲に設定した
   内面フィン付放熱器用伝熱管。
2. 隣合う前記内面フィンの間隔を、前記第２内面フィンの高さの０．９倍以上に設定し、
   前記第１内面フィンの同士の間隔を、前記第１内面フィンの高さの３倍以上に設定した
   請求項１に記載の内面フィン付放熱器用伝熱管。
3. 前記第１内面フィンの頂角を、前記第２内面フィンの頂角より１０〜２２度の範囲で大きく形成した
   請求項１又は２に記載の内面フィン付放熱器用伝熱管。
4. 前記第１内面フィンの頂角を１８〜３０度の範囲に設定し、
   前記第２内面フィンの頂角を８〜１５度の範囲に設定した
   請求項１、２又は３に記載の内面フィン付放熱器用伝熱管。
5. 前記内面フィンの底部と管内面との隅角部を曲面形状で構成した
   請求項１から４のうちいずれかに記載の内面フィン付放熱器用伝熱管。
6. 前記隅角部を所定の曲率半径の断面円弧形状で構成し、
   前記第１内面フィンの前記隅角部の曲率半径を、
   前記第２内面フィンの前記隅角部の曲率半径より０．０１〜０．１ｍｍの範囲で大きく形成した
   請求項５に記載の内面フィン付放熱器用伝熱管。

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