JP5446163B2 - 熱交換器用溝付き管 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用溝付き管に関し、特に、拡管時における溝潰れの抑制対策に係るものである。

従来より、冷凍装置等の熱交換器（いわゆるフィンチューブ型熱交換器）の伝熱管として、管内面に多数の溝を形成して伝熱性能を高めた内面溝付き管がよく用いられている。例えば、特許文献１の内面溝付き管の内面には、管軸方向に螺旋状に延びるフィンが多数形成され、これらフィンの間に溝が形成されている。これにより、フィンや溝のないいわゆる平滑管よりも管内面積が増大し、伝熱作用が促進される。
特開平８−１７４０４４号公報

ところで、熱交換器の組立においては、複数のフィンプレートに貫通させた内面溝付き管をフィンプレートに密着させるため、内面溝付き管内に拡管用工具を挿入して内面溝付き管を拡管する。その際、管内面のフィン先端が拡管用工具に押されて多少潰れる。

ここで、冷凍サイクルの高圧が冷媒の臨界圧力を超える、いわゆる超臨界冷凍サイクルに用いる内面溝付き管の場合、作動圧力が亜臨界冷凍サイクルに用いる場合と比べて高いため、管の強度確保のため管肉厚を厚くする必要があった。ところが、管肉厚を厚くすると、拡管するための拡管力も増大させなければならず、それによって管内面のフィンが大きく潰れてしまうという問題があった。その結果、伝熱性能が著しく損なわれるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱交換器用の溝付き管（内面溝付き管）において、拡管によるフィンの潰れを抑制することにある。

第１の発明は、内面に複数の溝および該溝に隣接する複数の突条が形成された熱交換器用溝付き管を前提としている。そして、本発明の熱交換器用溝付き管は、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ ^２ 以上の銅合金からなり、拡管による上記突条の潰れを抑制するように、上記突条の基端幅ｂと、上記突条の数量Ｎと、上記溝の底肉厚ｔとが１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係となっているものである。

上記の発明では、材質として従来のりん脱酸銅よりも高耐力の銅合金を用いているため、同じ設計圧力（管内の流体圧力）に対して溝の底肉厚ｔ（図３に示す谷底肉厚ｔ）を薄くすることができる。さらに、本発明では、拡管前の突条の基端幅ｂと突条の数量Ｎ（即ち、溝の数量）と溝の底肉厚ｔとの関係ｂＮ／ｔが１０より大きく且つ２０未満となるように形成されている。この関係を備えることにより、図６に示すように、拡管前に対する拡管後の突条（フィン）高さの比（ｈ／ｈ０）が約０．８以上となる。つまり、拡管による突条の潰れ度合いが抑制される。

第２の発明は、上記第１の発明において、冷媒として二酸化炭素が循環し、高圧が二酸化炭素の臨界圧力以上となるように蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍回路に用いられるものである。

上記の発明では、冷凍回路において高圧が超臨界圧となるいわゆる超臨界サイクルが行われる。したがって、熱交換器の溝付き管の設計圧力が高くなる。その場合でも、溝付き管の溝の底肉厚ｔを薄くでき、１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係が成立しやすくなる。

したがって、本発明によれば、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ ^２ 以上の銅合金で形成するようにしたので、溝の底肉厚ｔを薄くでき、また突条の基端幅ｂと突条の数量Ｎと溝の底肉厚ｔとが１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係となるように構成しているので、どのサイズの管に対しても拡管による突条（フィン）の潰れを確実に抑制することができる。

ここで、図６によれば、突条高さの潰れを抑制するには上記ｂＮ／ｔをできるだけ大きくとればよい。ｂＮ／ｔを大きくするためには、底肉厚ｔは設計圧力で決まってくるので、突条の基端幅ｂと突条の数量Ｎを大きくすればよいこととなる。ところが、突条の基端幅ｂが大きくなると、管内面積が小さくなり伝熱性能が低下してしまう。突条の数量Ｎが大きくなると、管内面積は大きくなるが、重量の増加および圧力損失の増加を招いてしまう。そこで、本発明では、突条高さの潰れ抑制の観点からｂＮ／ｔの値を１０よりも大きく設定し、適切な管内面積を確保しつつ重量増加および圧力損失増加を抑制する観点からｂＮ／ｔの値を２０未満に設定するようにした。したがって、本発明によれば、管内面積を適切に確保し且つ重量増加および圧力損失増加を引き起こさない範囲で、突条の潰れを確実に抑制することができる。その結果、伝熱性能の高い溝付き管、ひいてはその溝付き管を用いた熱交換器を提供することができる。

また、第２の発明のように、二酸化炭素が循環して超臨界冷凍サイクルが行われる冷凍回路に用いられる場合、通常の亜臨界冷凍サイクルよりも高圧が高くなり設計圧力が高くなるが、溝の底肉厚ｔが厚くなるのを抑制することができ、１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係が確実に成立する。これにより、突条の潰れを抑制することができる。その結果、高い伝熱性能を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態の熱交換器用溝付き管は、冷凍装置等に設けられる熱交換器（いわゆる、フィン・アンド・チューブ型熱交換器）の伝熱管として用いられ、内部を冷媒が流れるものである。この熱交換器用溝付き管（以下、伝熱管（1）という。）を流れる冷媒は、管周囲を流通する空気や水と熱交換して蒸発または凝縮する。また、本実施形態の伝熱管（1）は、冷媒として二酸化炭素が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍回路の放熱器や蒸発器に用いられるものである。そして、この冷凍回路は、高圧が二酸化炭素の臨界圧力以上まで圧縮される超臨界冷凍サイクルが行われるものである。

図１〜図３に示すように、上記伝熱管（1）の内面には、管軸方向に螺旋状に延びるフィン（3）が複数形成されている。このフィン（3）は、断面が先細の山形に形成された突条を構成している。そして、上記各フィン（3）の間には、隣接する溝（2）が形成されている。この溝（2）は、断面が逆台形状に形成されている。これら溝（2）やフィン（3）は、並行に形成され、且つ、管軸方向に対して所定のリード角度αだけ傾斜している。

ここで、放熱器や蒸発器の熱交換器の組立においては、複数のフィンプレートに貫通された上記伝熱管（1）をそのフィンプレートに密着させるため、拡管用工具によって伝熱管（1）が拡管される。この拡管によって、伝熱管（1）の内面のフィン（3）が多少潰れる。特に、超臨界サイクルでは高圧が非常に高いので、伝熱管（1）の強度確保のため通常の亜臨界サイクルの場合に比べて谷底肉厚ｔ（図３参照）を厚くする必要がある。そうすると、拡管に必要な拡管力が大きくなるため、それによってフィン（3）がより一層潰れてしまい、伝熱性能が著しく損なわれる。

そこで、本実施形態の伝熱管（1）では、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ ^２ 以上の銅合金で形成されている。つまり、本実施形態の伝熱管（1）は、従来の材質：りん脱酸銅（Ｃ１２２０−ＯＬ）よりも耐力の優れた材質が用いられている。これにより、同じ設計圧力（伝熱管（1）を流れる冷媒の設計圧力）に対して谷底肉厚ｔを薄くすることができる。

また、本実施形態の伝熱管（1）は、フィン幅ｂと、フィン（3）の数量Ｎと、溝（2 ）の谷底肉厚ｔとが１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係となるように構成されている。フィン幅ｂは、本発明に係る突条の基端幅を構成している。フィン（3）の数量Ｎは、本発明に係る突条の数量を構成している。谷底肉厚ｔは、本発明に係る底肉厚を構成している。

以上の構成にすることにより、図６に示すように、拡管によるフィン高さｈの変化比が約０．８以上となる。この変化比は、拡管前のフィン高さｈ０に対する拡管後のフィン高さｈの比（ｈ／ｈ０）であり、値が大きいほど即ち「１」に近いほどフィン高さの潰れが抑制されていることとなる。この変化比（ｈ／ｈ０）は、ｂＮ／ｔの値が約１０までは比例的に増大し、それ以降ではほぼ一定となっている。このように、ｂＮ／ｔを１０より大きい値に設定することにより、拡管によるフィン（3）の潰れを適切に抑制することができる。これにより、管内面積の低下、ひいては伝熱性能の低下を抑制することができる。

その結果、図４および図５に示すように、りん脱酸銅で形成した従来の伝熱管に比べて熱伝達促進率ηを向上させることができる。具体的に、蒸発器（図４）および放熱器（図５）の何れにおいても、拡管後の伝熱管（1）の面積拡大率σ（図に黒三角で示す）は拡管前の面積拡大率σ（図に白丸で示す）に比べて減少しているものの、従来の伝熱管（図に黒丸で示す）ほど減少していない。即ち、従来に比べて、面積拡大率σの低下を抑制することができる。よって、熱伝達促進率ηの低下を抑制することができる。なお、面積拡大率σは、溝なしの平滑管の管内面積を基準とした管内面積の増加率である。したがって、拡管前の面積拡大率σが最も高い。そして、伝熱管（1）の熱伝達促進率ηは、伝熱性能であり、基本的に面積拡大率σに比例する。

また、ｂＮ／ｔの値を２０未満にする理由は次の通りである。フィン高さの潰れを抑制するには、図６から分かるようにｂＮ／ｔの値をできるだけ大きく設定すればよい。ｂＮ／ｔを大きくするには、谷底肉厚ｔは設計圧力で決まってくるため、実質的にはフィン幅ｂとフィンの数量Ｎを大きくすればよいこととなる。ところが、フィン幅ｂが大きくなると、管内面積が小さくなり伝熱性能が低下してしまう。フィンの数量Ｎが大きくなると、管内面積は大きくなるものの、重量の増加および圧力損失の増加を招いてしまう。そこで、本実施形態では、適切な管内面積を確保しつつ重量増加および圧力損失増加を抑制する観点からｂＮ／ｔの値を２０未満に設定するようにした。なお、従来のりん脱酸銅の伝熱管では、ｂＮ／ｔの値が２０以上に設定されていた。

−実施形態の効果−
以上のように本実施形態によれば、０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ ^２ 以上の銅合金で形成するようにしたので、谷底肉厚ｔを薄くすることができ、また、フィン幅ｂとフィンの数量Ｎと谷底肉厚ｔとが１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係となるように構成したので、管内面積を適切に確保し且つ重量増加および圧力損失増加を招かない範囲で、フィン（3）の潰れを確実に抑制することができる。その結果、伝熱性能の高い伝熱管（1）、ひいては蒸発器や放熱器等の熱交換器を提供することができる。

また、二酸化炭素が循環して超臨界冷凍サイクルを行う冷凍回路に用いられ、通常の亜臨界冷凍サイクルよりも高圧が高くなり伝熱管（1）の設計圧力が高くなるが、谷底肉厚ｔが厚くなるのを抑制することができる。それにより、フィン（3）の潰れを効果的に抑制することができる。その結果、高い伝熱性能を得ることができる。

以上説明したように、本発明は、内面に複数の溝を有する熱交換器用溝付き管について有用である。

図１は、実施形態に係る伝熱管を示す縦断面図である。 図２は、実施形態に係る伝熱管を示す横断面図である。 図３は、実施形態に係る伝熱管の要部を示す横断面図である。 図４は、蒸発器における面積拡大率と熱伝達促進率の関係を示すグラフである。 図５は、放熱器における面積拡大率と熱伝達促進率の関係を示すグラフである。 図６は、ｂＮ／ｔとフィン高さの変化比との関係を示すグラフである。

1 伝熱管（熱交換器用溝付き管）
2 溝
3 フィン（突条）

Claims (2)

1. 内面に複数の溝および該溝に隣接する複数の突条が形成された熱交換器用溝付き管であって、
   ０．２％耐力が４０Ｎ／ｍｍ ^２ 以上の銅合金からなる一方、
   拡管による上記突条の潰れを抑制するように、上記突条の基端幅ｂと、上記突条の数量Ｎと、上記溝の底肉厚ｔとが１０＜ｂＮ／ｔ＜２０の関係となっている
   ことを特徴とする熱交換器用溝付き管。
2. 請求項１において、
   冷媒として二酸化炭素が循環し、高圧が二酸化炭素の臨界圧力以上となるように蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷凍回路に用いられる
   ことを特徴とする熱交換器用溝付き管。

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