JP3779794B2 - 内面溝付伝熱管およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空調用熱交換器に用いる凝縮性能と蒸発性能の両方を大幅に向上させた内面溝付伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空調設備などの熱交換器には、冷媒の蒸発または凝縮を行う伝熱管として、内面に螺旋状の溝を形成した内面溝付伝熱管が用いられている。この内面溝付伝熱管は、従来、内面平滑な管内に溝付きプラグを保持し、管外面を転造工具で押圧しながら引抜いて、管内面に前記溝付きプラグの溝を転写する引抜法により製造されていた。
この引抜法で形成される管内面のフィンパターンは、図９にその展開図を示すように、フィン11の形成方向が一方向に傾斜した単調なものであった。
これに対し、近年、金属帯板の表面にフィンを圧延により形成し、この金属帯板をフィン形成面を内側にして丸めて筒状体とし、この筒状体の突合わせ端面を高周波溶接機などで溶接する圧延溶接法が採用されるようになった。この圧延溶接法では、フィンを圧延により形成するため、図１０に示すようにフィン11のパターンを複雑に形成でき、得られる伝熱管は引抜法で得られるものより伝熱特性が高い上、引抜法に較べて加工速度が速く生産性に優れる。そして、この圧延溶接法では、伝熱特性の向上を狙って種々のフィンパターンが提案されている。たとえば、（ａ）管内にオフセットフィンを設け、その先端から新たな濃度境界層を発達させて拡散抵抗を低減させ非共沸混合型冷媒に対して高い熱伝達率を実現したもの（特開平８−２１０７３０）。（ｂ）引抜法では製造が困難な頂角３０゜以下のフィンを形成したもの（特開平８−５２７８）。（ｃ）管軸に垂直な方向にフィンのリード角を変化させて冷媒の流れを２方向にして乱流効果を高めたもの（特開平４−１５８１９３）などである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記方法には、それぞれ次のような問題がある。すなわち、（ａ）の方法ではＲ４０７Ｃ等の非共沸混合型冷媒には効果があるが、ルームエアコン用として有望なＲ４１０Ａなどの疑似共沸型冷媒では濃度境界層が存在しないため、蒸発性能は向上しても、凝縮性能が向上しない。（ｂ）の方法では蒸発と凝縮の両性能の飛躍的向上が望めない。（ｃ）の方法では冷媒の沸騰を促進させる領域がないため蒸発性能が向上しない。
本発明は、凝縮性能と蒸発性能の両方が大幅に向上する内面溝付伝熱管およびその製造方法の提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、内面に多数のフィンが所定のパターンで形成された内面溝付伝熱管において、前記フィンパターンが、フィンリード角、フィン頂角、フィンピッチのうちの少なくとも１種を管の円周方向と管の長さ方向に規則的に変化させて形成されており、かつ前記フィンパターンの管の長さ方向の所定箇所に、網目状クロスフィン部が設けられていることを特徴とする内面溝付伝熱管である。
【０００５】
請求項２記載の発明は、フィンパターンの規則的変化の円周方向のピッチＰ_１と長さ方向のピッチＰ_２がそれぞれ下記（１）、（２）式を満足することを特徴とする請求項１記載の内面溝付伝熱管である。
（Ｌ／１６）≦Ｐ_１≦（Ｌ／４）………（１）
（２×Ｌ）≦Ｐ_２≦（１８×Ｌ）………（２）
但し、Ｌは内面溝付伝熱管の円周長さ。
【０００６】
請求項３記載の発明は、一定方向に繰出される金属帯板を、外周面にそれぞれ所定の溝パターンが形成された分割ロールを複数枚組合わせた溝付組合わせロールと平面ロールとの間に挟んで加圧して前記金属帯板の片面に所定のフィンパターンを形成する工程、前記フィンパターン形成面を内側にして前記金属帯板を幅方向に丸めて管状体に形成する工程、前記管状体の突合わせ端面を溶接する工程を含む内面溝付伝熱管の製造方法において、溝付組合わせロールを構成する分割ロールの隣接する分割ロール間で溝パターンが異なり、前記分割ロールの所定箇所に網目状溝部が隣接する分割ロール間で整合性を以て設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の内面溝付伝熱管の製造方法である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明において、管内面の所定箇所に設けられる網目状クロスフィン部は冷媒の沸騰を促進させる。
【０００８】
以下に本発明の伝熱管に形成されるフィンパターンの形状を図を参照して説明する。図１（イ）、（ロ）は本発明伝熱管のフィンパターンの第１の例を示すそれぞれ展開斜視図および展開平面図である。このフィンパターンは、傾斜フィン部10と網目状クロスフィン部20から形成され、傾斜フィン部10はフィン11が管の円周方向にそのリード角がβ_１とβ_２に所定ピッチＰ_１毎に規則的に変化するように形成され、網目状クロスフィン部20が円周方向に整合して設けられている。長さ方向のピッチＰ_２は傾斜フィン部10と網目状クロスフィン部20とから構成される。傾斜フイン部10から流動してくる冷媒は、網目状クロスフィン部20で乱流を起こして沸騰が促進し、伝熱特性が向上する。
【０００９】
本発明において、フィンパターンの規則的変化の円周方向のピッチＰ_１と長さ方向のピッチＰ_２はそれぞれ下記（１）、（２）式を満足するのが望ましい。
（Ｌ／１６）≦Ｐ_１≦（Ｌ／４）………（１）
（２×Ｌ）≦Ｐ_２≦（１８×Ｌ）………（２）
但し、Ｌは内面溝付伝熱管の円周長さ。その理由は、前記Ｐ_１がＬ／１６未満では圧延加工中の溝付ロールのチッピングが発生し易くなり加工が困難になるためである。またピッチＰ_１がＬ／４を超えると傾斜フィン部での冷媒の攪拌が十分でなくなる。ピッチＰ_２が２×Ｌ未満では、蒸発性能に寄与する網目状クロスフィン部の領域が広くなりすぎ、それに伴い凝縮性能が相対的に低下するためであり、ピッチＰ_２が１８×Ｌを超えると蒸発性能に寄与する網目状クロスフィン部が減少して蒸発性能が低下するためである。
【００１０】
次に、本発明伝熱管を圧延溶接法により製造するのに用いる溝付組合わせロールについて説明する。図２は本発明にて用いる溝付組合わせロールの第１の例を示す正面図である。この溝付組合わせロール30は、リード角がβ_１またはβ_２の傾斜溝31が形成された分割ロール32を、間に幅狭の平面ロール33を挟んで２本づつ交互に配列したもので、各分割ロール32の所要箇所に網目状溝部34がロール軸に平行に、隣接する分割ロール32間で整合性を以て設けられている。この溝付組合わせロール30により図１に示したフィンパターンが形成される。
【００１１】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
脱酸銅条（厚さ０．５ｍｍ、幅２０ｍｍ）を溝付組合わせロール（図２参照）と平面ロールからなる２段圧延機で圧延して、その片面に図１に示したフィンパターン（高さ０．２ｍｍ、頂角３０゜）を形成した。前記溝付組合わせロールの溝のリード角はβ_１＝２０゜、β_２＝−２０゜とした。条の幅方向に対するフィンパターン（リード角）が変化するピッチＰ_１は５ｍｍ（Ｌ(20mm)／４）とし、フィンリード角が条の長さ方向に変化するピッチＰ_２は１８０ｍｍ（９×Ｌ(20mm)）とした。
【００１２】
（比較例１）
図９に示したフィンパターンの内面溝付伝熱管（シームレス管）を引抜法により作製した。また図１０に示したフィンパターンの内面溝付伝熱管を圧延溶接法により作製した。ここで、図９の伝熱管のフィンリード角は２０゜、フィン高さは０．２ｍｍ、頂角は３０゜とした。図１０の伝熱管のフィンリード角はβ_１＝２０゜、β_２＝−２０゜で、条幅方向にフィンリード角が変化するピッチはＬ／４（＝５mm）である。
【００１３】
前記３種類の伝熱管の凝縮性能と蒸発性能を冷媒流速を種々に変化させて測定し評価した。凝縮性能（管内凝縮熱伝達率）は、テストセクションが内管と外管の二重管になっている測定装置を用い、内管として内面溝付伝熱管をセットし、内面溝付伝熱管内に冷媒を加圧状態で流し、外管に所定量の冷却水を流し、前記冷却水の上昇温度を測定し評価した。蒸発性能（管内蒸発熱伝達率）は、類似の測定装置を用い、前記内管として内面溝付伝熱管内に冷媒を減圧状態で流し、外管に被冷却水を流し、前記被冷却水の下降温度を測定し評価した。
【００１４】
凝縮性能の結果を図３に示す。図３より明らかなように、本発明例品の凝縮性能（曲線ａ_１）は全冷媒流速において最も高く、以下図１０に示したフィンパターンの伝熱管の凝縮性能（曲線ｂ_１）、図９に示したフィンパターンの伝熱管の凝縮性能（曲線ｂ_２）の順であった。冷媒流速３００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）のときの曲線ａ_１、ｂ_１、ｂ_２の凝縮性能比は、およそ２４：１６：１０である。
【００１５】
蒸発性能の結果を図４に示す。図４より明らかなように、本発明例品の蒸発性能（曲線ａ_１）は全冷媒流速において最も高く、以下図１０に示したフィンパターンの伝熱管の蒸発性能（曲線ｂ_１）、図９に示したフィンパターンの伝熱管の蒸発性能（曲線ｂ_２）の順である。冷媒流速３００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）のときの曲線ａ_１、ｂ_１、ｂ_２の凝縮性能比は、およそ１８：１３：１０である。
【００１６】
（実施例２）
次に実施例１で用いたフィンパターンの伝熱管について、フィンリード角が規則的に変化する管の円周方向のピッチＰ1 の凝縮性能と蒸発性能に及ぼす影響を調査した。凝縮性能と蒸発性能は実施例１の場合と同様にして測定した。ピッチＰ_１はＬ／２０〜Ｌ／２の範囲に変化させた。長さ方向のピッチＰ_２は１８０ｍｍ（９×Ｌ）に、冷媒流速は２００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）にそれぞれ一定にした。結果を図５、６に示す。
【００１７】
図５より明らかなように凝縮性能はピッチＰ_１がＬ／４までは高い値を示し、Ｌ／４を超すと大きく低下する。また蒸発性能は、図６より明らかなようにピッチＰ_１がＬ／４を超えて大きくなると低下する。ピッチＰ_１がＬ／１６より小さくなると圧延加工中の溝付ロールのチッピングが発生しやすくなり加工が困難になることを配慮すると、ピッチＰ_１はＬ／１６≦Ｐ_１≦Ｌ／４の範囲が望ましい。
【００１８】
（実施例３）
次に実施例１で用いたフィンパターンの伝熱管について、フィンリード角が規則的に変化する管の長さ方向のピッチＰ_２の凝縮性能と蒸発性能に及ぼす影響を調査した。凝縮性能と蒸発性能は実施例１の場合と同様にして測定した。なお、ピッチＰ_２はＬ〜２０×Ｌの範囲で変化させた。なお、円周方向のピッチＰ_１は５ｍｍ（Ｌ／４）に、冷媒流速は２００（ｋｇ／ｍ^２ｓ）にそれぞれ一定にした。結果を図７、８に示す。
【００１９】
図７、８より明らかなように、凝縮性能はピッチＰ_２が２×Ｌより大きくなると著しく向上した。これはピッチＰ_２が２×Ｌより小さいと蒸発性能に寄与する網目状クロスフィンの領域が広くなり相対的に凝縮性能が低下するためである。凝縮性能はピッチＰ_２が１３×Ｌより大きいところでも高い値が保持された。他方蒸発性能は７×Ｌまでほぼ一定の高い値が保持され、その後僅かづつ低下し、１８×Ｌを超えたところで急激に低下した。これは蒸発性能に寄与する網目状クロスフィンの領域が狭くなりすぎたためである。このことからピッチＰ_２は（２×Ｌ）≦Ｐ_２≦（１８×Ｌ）ｍｍの範囲が望ましい。
【００２０】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の内面溝付伝熱管は、フィンパターンが管の円周方向と長さ方向に規則的に変化し、かつ管の長さ方向の所定箇所に網目状クロスフィン部が設けられているので、冷媒沸騰が促進され、凝縮性能と蒸発性能の両方が大幅に向上する。本発明の内面溝付伝熱管は、圧延溶接法により容易に製造することができる。依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明伝熱管のフィンパターンの例を示すそれぞれ展開斜視図（イ）、および展開平面図（ロ）である。
【図２】本発明にて用いる溝付組合わせロールの例を示す正面図である。
【図３】本発明伝熱管と従来の伝熱管の凝縮性能の比較図である。
【図４】本発明伝熱管と従来の伝熱管の蒸発性能の比較図である。
【図５】ピッチＰ_１と凝縮性能の関係図である。
【図６】ピッチＰ_１と蒸発性能の関係図である。
【図７】ピッチＰ_２と凝縮性能の関係図である。
【図８】ピッチＰ_２と蒸発性能の関係図である。
【図９】引抜法で形成した管内面のフィンパターンの展開図である。
【図１０】圧延溶接法で形成した管内面のフィンパターンの展開図である。
【符号の説明】
10……傾斜フィン部
11……フィン
20……網目状クロスフィン部
32……分割ロール
β_１…フィン（溝）のリード角
β_２…フィン（溝）のリード角

Claims (3)

1. 内面に多数のフィンが所定のパターンで形成された内面溝付伝熱管において、前記フィンパターンが、フィンリード角、フィン頂角、フィンピッチのうちの少なくとも１種を管の円周方向と管の長さ方向に規則的に変化させて形成されており、かつ前記フィンパターンの管の長さ方向の所定箇所に、網目状クロスフィン部が設けられていることを特徴とする内面溝付伝熱管。
2. フィンパターンの規則的変化の円周方向のピッチＰ_１と長さ方向のピッチＰ_２がそれぞれ下記（１）、（２）式を満足することを特徴とする請求項１記載の内面溝付伝熱管。
   （Ｌ／１６）≦Ｐ_１≦（Ｌ／４）………（１）
   （２×Ｌ）≦Ｐ_２≦（１８×Ｌ）………（２）
   但し、Ｌは内面溝付伝熱管の円周長さ。
3. 一定方向に繰出される金属帯板を、外周面にそれぞれ所定の溝パターンが形成された分割ロールを複数枚組合わせた溝付組合わせロールと平面ロールとの間に挟んで加圧して前記金属帯板の片面に所定のフィンパターンを形成する工程、前記フィンパターン形成面を内側にして前記金属帯板を幅方向に丸めて管状体に形成する工程、前記管状体の突合わせ端面を溶接する工程を含む内面溝付伝熱管の製造方法において、溝付組合わせロールを構成する分割ロールの隣接する分割ロール間で溝パターンが異なり、前記分割ロールの所定箇所に網目状溝部が隣接する分割ロール間で整合性を以て設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の内面溝付伝熱管の製造方法。

Images