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【発明の名称】 内面溝付伝熱管
【発明者】 【氏名】鈴木 喜夫

【氏名】児玉 健二

【氏名】高安 英樹
【要約】 【課題】傾斜溝とフィンの形状の最適化に基づく優れた蒸発および凝縮特性を備え、さらに、製造時のロール圧延作業性にも優れた内面溝付伝熱管を提供する。【解決手段】金属管の軸方向Ａと所定の角度β1 を有する複数のフィン１より構成された第１の領域と、所定の角度β2 を有する複数のフィン２より構成された第２の領域を金属管の内面の円周方向に交互に配置し、これらの第１および第２の領域間でフィン１、２をＶ字結合させた内面溝付伝熱管において、フィン１、２の高さ寸法Ｈｆを０．１５ｍｍ未満に設定するとともに、フィン１、１および２、２の間の底部幅の寸法Ｗを０．１１〜０．２８ｍｍに設定する。

【解決手段】金属管の軸方向Ａと所定の角度β1 を有する複数のフィン１より構成された第１の領域と、所定の角度β2 を有する複数のフィン２より構成された第２の領域を金属管の内面の円周方向に交互に配置し、これらの第１および第２の領域間でフィン１、２をＶ字結合させた内面溝付伝熱管において、フィン１、２の高さ寸法Ｈｆを０．１５ｍｍ未満に設定するとともに、フィン１、１および２、２の間の底部幅の寸法Ｗを０．１１〜０．２８ｍｍに設定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】金属管の内面の円周方向において、前記金属管の軸方向と所定の角度を有して形成された複数のフィンから構成される第１の領域と、前記軸方向と所定の角度を有して形成され、前記第１の領域の前記フィンとの間で前記軸方向に対してＶ字を形成した複数のフィンから構成される第２の領域とを有した内面溝付伝熱管において、前記第１および第２の領域における前記フィンの高さ寸法を０．１５ｍｍ未満に設定するとともに、前記第１および第２の領域の前記軸方向と直角方向における前記フィンの間の底部の幅寸法を０．１１〜０．２８ｍｍに設定することを特徴とする内面溝付伝熱管。
【請求項２】前記円周方向における前記第１および第２の領域は、合計で４〜８個形成されることを特徴とする請求項１項記載の内面溝付伝熱管。
【請求項３】前記円周方向における前記第１および第２の領域は、合計数を奇数に設定されることを特徴とする請求項２項記載の内面溝付伝熱管。
【請求項４】円周方向における前記第１および第２の領域は、前記フィンによる前記Ｖ字の結合部分に前記軸方向に沿って形成された溝を境に有することを特徴とする請求項１項記載の内面溝付伝熱管。
【請求項５】前記第１および第２の領域における前記フィンの前記軸方向との角度は、１５〜４０°に設定されることを特徴とする請求項１項記載の内面溝付伝熱管。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内面溝付伝熱管に関し、特に、冷媒の蒸発特性および凝縮特性に優れ、製造時のロール圧延性が良好な内面溝付伝熱管に関する。
【０００２】
【従来の技術】空気調和機、冷凍機等の熱交換器には、相変化する冷媒を管内に流通させて冷媒の蒸発あるいは凝縮を生じさせる伝熱管が使用される。この伝熱管としては、たとえば、ルームエアコンの熱交換器等においては、管内での冷媒の蒸発と凝縮による熱伝導効率を高めるために、内面に溝を形成した内面溝付伝熱管が使用される。
【０００３】一方、これらに使用される冷媒に関しては、地球温暖化、オゾン層の破壊、酸性雨、あるいは海洋汚染などの地球環境上からの制約が強まっており、たとえば、これまでエアコンの冷媒として多用されてきたフロンＲ２２（ＨＣＦＣ−２２）は、２０２０年には９９．５％が削減され、事実上廃止されることが決定している。
【０００４】このため、パッケージエアコンにはＲ４０７Ｃ、ルームエアコンにはＲ４１０Ａが代替冷媒として使われている。これらの冷媒は、いずれも２種類あるいは３種類の冷媒を混合することによって作られており、Ｒ４０７Ｃは、Ｒ３２Ｒ、Ｒ１２５およびＲ１３４ａより作られ、Ｒ４１０Ａは、Ｒ３２とＲ１２５の半々ずつの混合体より作られている。
【０００５】Ｒ４０７Ｃは、Ｒ２２とほゞ同じ物性値を有し、混合された各成分が異なった温度で蒸発、凝縮する非共沸性を示すことによって特徴づけられ、一方、Ｒ４１０Ａは、ほぼ共沸性であるために伝熱性能の低下はないが、圧力がＲ２２の１．６倍となる高圧性によって特徴づけられる。従って、これらの冷媒の蒸発と凝縮のために使用される伝熱管としては、従来のＲ２２型におけるような螺旋状の連続溝付伝熱管では不充分であり、新しい構成の溝付伝熱管が必要となる。
【０００６】新しい構成の内面溝付伝熱管として、伝熱管の軸方向にＶ字型に互いに向き合う複数のフィンを形成し、これらのＶ字のフィン群を伝熱管の円周方向に１〜３組配列した伝熱管が提案されている（特開平９−４２８８０号、特開平８−３１８３１２号等）。
【０００７】このタイプの伝熱管は、フィンにより形成されるＶ字の傾斜溝に冷媒を流し、傾斜溝に流れた冷媒をＶ字結合部で衝突させて撹拌を起こし、これにより生ずる冷媒流の乱れを利用して伝熱性を高めるもので、換言すれば、伝熱管の円周方向に冷媒液の偏りを発生させ、この偏りによって円周方向に冷媒の薄液膜を作り、これによってこの部分での冷媒の蒸発あるいは凝縮を促進させるところに特徴がある（第３４回日本伝熱シンポジウム講演論文集１９９７−５、「対象形状内面溝付管による３成分非共沸混合冷媒の伝熱促進」より）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のこのタイプの内面溝付伝熱管によると、Ｖ字型の傾斜溝に基づく冷媒液の偏りによる伝熱性能への影響が著しく大きく、従って、従来の螺旋溝とは全く異なる伝熱メカニズムを有しているにも拘わらず、最適な溝形状の解析がいまだに行われていない。傾斜溝とこれを形成するフィンの形状は、最良の伝熱性能を得るうえにおいて極めて重要であり、さらに、フィンの形状は、これを形成するためのロールによる圧延作業性に影響を与えるため、伝熱管の生産性を左右する重要な要素となる。
【０００９】従って、本発明の目的は、傾斜溝とフィンの形状の最適化に基づく優れた蒸発および凝縮特性を備え、さらに、製造時のロール圧延作業性にも優れた内面溝付伝熱管を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を達成するため、金属管の内面の円周方向において、前記金属管の軸方向と所定の角度を有して形成された複数のフィンから構成される第１の領域と、前記軸方向と所定の角度を有して形成され、前記第１の領域の前記フインとの間で前記軸方向に対してＶ字を形成した複数のフィンから構成される第２の領域とを有した内面溝付伝熱管において、前記第１の領域と前記第２の領域における前記フィンの高さ寸法を０．１５ｍｍ未満に設定するとともに、前記第１および第２の領域の前記軸方向と直角方向における前記フィンの間の底部の幅寸法を０．１１〜０．２８ｍｍに設定することを特徴とする内面溝付伝熱管を提供するものである。
【００１１】第１の領域と第２の領域は、円周方向に合計４〜８個形成することが好ましい。 形成数が４個に満たない場合には、フィンが形成する傾斜溝に沿って流れる冷媒の衝突に基づく撹拌効果に充分なものが得られず、逆に、８個を超えて形成すると、圧力損失が大きくなるので好ましくない。
【００１２】第１および第２の領域の合計数を奇数に設定する場合には、冷媒の流し方を正、逆いずれにしても伝熱特性に差が現れない。従って、伝熱管に無方向性を持たせたいときは、領域の合計数を奇数に設定すればよく、これにより配管ミス等の発生を未然に防止することが可能となる。
【００１３】第１および第２の領域のＶ字の結合部分に金属管の軸方向に沿う溝を形成し、この溝において傾斜溝に流れる冷媒の衝突を起こさせる構成が考えられる。このように構成するときには、冷媒が溝を通じて管軸方向へ流れやすくなるため、蒸発圧力損失を低減できる効果が生ずるようになる。蒸発圧力損失が低下すれば、システムとしてのエアコンの総合性能の向上に繋がることになる。
【００１４】金属管の軸方向に対するフィンの角度は、第１の領域および第２の領域とも１５〜４０°とすることが好ましい。１５°未満の角度設定は、蒸発圧力損失を小さくする効果があるものの、フィンのＶ字結合部での冷媒衝突を小さくするため、実用的な伝熱性能の確保を難しくする。また、角度が４０°を超えると、Ｖ字結合部での冷媒衝突による撹拌効果が大になり、高い伝熱効率を確保できるが、蒸発圧力損失が増加するので好ましくない。
【００１５】
【発明の実施の形態】次に、本発明による内面溝付伝熱管の実施の形態を説明する。図１の（ａ）は、銅合金のシームパイプより構成された溝付伝熱管の内面の一部を円周方向に展開したものであり、１は第１の領域を構成する複数のフィン、２は第２の領域を構成する複数のフィンを示し、第１の領域と第２の領域は、交互に計４組配置されている。ａ、ｂは、伝熱管として円形に丸めたときに互いに溶接される位置を示す。フィン１、２は、金属管の軸方向Ａに対して所定の角度β1 、β2 を有することによって軸方向Ａに対してＶ字を形成し、それぞれ、所定のピッチＰ1 、Ｐ2 のもとに配列されている。
【００１６】図１の（ｂ）は、図１の（ａ）の軸方向Ａと直角方向Ｂ−Ｂにおける断面を示したもので、厚さＴｗの底肉部３の上に、フィン１、２が所定の高さＨｆと所定の頂角αを有するように設けられている。図１の（ａ）の４は、フィン１、２により形成された傾斜溝を示し、図１の（ｂ）に示されるように、フィン１、１および２、２によって形成される底部幅を所定の寸法Ｗに設定されている。
【００１７】以上の構成を有する内面溝付伝熱管は、溝付圧延ロールを使用する方法によって製造される。フィンを形成するための溝部を有するロールを一方のロールとして備えた対の圧延ロールに所定の幅の銅条等の金属条を通過させて圧延し、これによって金属条にフィン１、２と傾斜溝４を形成した後、フィン面が内側になるようして円形に丸め、合わせ目ａ、ｂを溶接することによって製造される。
【００１８】表１に、以上の構成と方法により製造された本発明の実施例による内面溝付伝熱管と従来例および比較例の内面溝付伝熱管の構成を示し、表２に、これらの各例を対象として実施した性能試験の試験条件を示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】図２は、性能試験に使用した試験装置の系統図を示したもので、１２〜１７は、それぞれ凝縮性能と蒸発性能を測定するときの回路切り替えのためのバルブを示し、凝縮性能測定が行われる場合には、１３、１５および１７が開けられ、１２、１４および１６が閉じられる。
【００２２】圧縮機１１より送り出される冷媒は、凝縮器３０に流れるものと、バルブ１３を経て性能測定領域２０に流れるものとに分れる。この分流は、圧縮機１１が一定回転であり、冷媒流量の制御が効かないために行われるもので、性能測定領域２０に送られて液化した冷媒は、バルブ１５、流量計２６、膨張弁２８およびバルブ１７を通り、蒸発器２９に送られて気体にされた後、圧縮機１１に戻る。
【００２３】蒸発の場合、圧縮機１１を出た気体の冷媒は、凝縮器３０においてそのすべてが液体となり、受液器２４およびドライヤ２５を通過してからバルブ１６の手前で分流し、バルブ１６、流量計２６、膨張弁２８およびバルブ１４を経て性能測定領域２０に送られ、ここにおいて蒸発して気体となり、バルブ１２を経て圧縮機１１に戻される。バルブ１６の手前で分流した一方の冷媒は、膨張弁２７を通過して蒸発器２９に入り、気体にされて圧縮機１１に戻る。ここでの分流において性能測定領域２０に流れる冷媒の量は、膨張弁２７および２８によって調整される。
【００２４】性能測定領域２０は、二重管構造にされており、試験対象となる実施例、比較例および従来例の伝熱管に相当する伝熱管２１の管内には、冷媒が流される一方、その管外には、冷温水器２３より送られる冷温水が出入口２２を経て供給される。 表２の条件のもとで、冷温水出入口における温度と流量、冷媒流量、冷媒出入口における温度と圧力等を測定し、これらに基づいて内面溝付伝熱管としての伝熱特性を評価した。表３に性能試験の実施結果を示す。
【００２５】
【表３】

【００２６】従来例を１としたときの性能比を示したこの表３によれば、フィンの高さを０．１５ｍｍ未満に設定し、フィン１、１および２、２によって形成される傾斜溝４の底部幅Ｗを０．１１〜０．２８ｍｍの範囲内に設定した実施例が、底部幅Ｗを０．１０ｍｍに設定した比較例１、底部幅Ｗを０．３０〜０．３７ｍｍに設定した比較例３〜５、および螺旋溝を形成した従来例に比べて総じて高い性能を示しており、本発明の効果が明確に現れている。
【００２７】図３は、本発明における溝底部幅Ｗと、凝縮性能、蒸発性能および蒸発圧力損失の相互関係を従来例との対比（従来例を１とした性能比）において示したグラフであり、このグラフによれば、底部幅Ｗが０．１１〜０．３３ｍｍのとき、従来例よりも高い性能を示していることが認められる。
【００２８】本発明において、底部幅Ｗの上限を良好な性能を示す０．３３ｍｍよりも小さな０．２８ｍｍに設定する理由は、フィン１、２を良好に形成するためであり、フィンの高さが０．２８ｍｍを超えると、圧延方向の延びとの関係からフィンが倒れやすくなることによる。品質と圧延作業性を確保するため、特に底部幅Ｗの上限値を０．２８ｍｍに設定するものである。
【００２９】また、ロール圧延性に関しては、フィン１、２の高さを０．１５ｍｍ未満に設定したことによる恩恵もある。即ち、フィン１、２が高くなると、圧延ロールの負担が大きくなり、このため、ロールの耐久性が損なわれるが、０．１５ｍｍ未満のフィンの高さの設定は、この問題を解決し、圧延ロールの耐久性を向上させ、伝熱管の生産性を高めるように作用する。因に、フィンの高さを従来例と同じレベルに設定した場合と実施例１、２を比べると、両者の間には、２０〜３０％もの圧下力の差が現れ、実施例１、２のフィンが低い圧下力での圧延を可能にすることが確認されている。
【００３０】図４は、本発明の他の実施の形態を示し、フィン１、２の高さと、管軸直角断面での傾斜溝４の底部幅を本発明における所定の値に設定し、さらに、第１の領域と第２の領域の合計数を５個に設定した伝熱管を示す。この内面溝付伝熱管は、冷媒の流れに方向性を生じさせない特質を有する。たとえば、図１のように、第１の領域と第２の領域の合計数を偶数に設定する場合には、溶接部ａ、ｂの位置には、流れが正逆いずれかのときに、冷媒流を衝突させて撹拌を起こすＶ字結合が存在し、反対のときには存在しない構成となる。
【００３１】このような状態で正逆異なる方向に冷媒が流れると、正逆いずれも撹拌方向のＶ字結合は同数であるが、一方に流れるときには、溶接ビードの影響を受ける撹拌性のＶ字結合が存在し、他方に流れるときには、そのような撹拌性のＶ字結合が存在しない状態となり、従って、両方向の伝熱性能には差が生ずるようになる。 【００３２】これに対して、図４の場合には、第１および第２の領域の合計が奇数であるので、ａ、ｂの溶接位置にＶ字結合が形成されず、しかも、溶接ビードによる分断がａ、ｂを境にして直線的に伸びる傾斜溝４に対してのものとなるため、溶接ビードによる影響は正逆同じとなり、従って、いずれの方向に冷媒が流れても同じ冷媒流となり、同じ伝熱性能となる。
【００３３】この構成の伝熱管を使用する場合には、伝熱管の設計と製造、あるいは熱交換器を組み立てるときに伝熱管の方向性に注意を払う必要がなく、従って、配管ミスが生ずることがない。図４における各部分の構成を表１の実施例１と同じに設定した内面溝付伝熱管を対象として図２と表２に基づく性能試験を実施したところ、冷媒の流れをＣおよびＤ方向のいずれに設定しても伝熱性能の差が発生せず、無方向性の特質が確認された。
【００３４】図５は、フィン１、２の高さと、管軸直角断面での傾斜溝４の底部幅を本発明の所定の寸法に設定し、さらに、傾斜溝４のＶ字の結合部分に管軸方向Ａに沿う溝５を形成した例である。伝熱管をこのように構成する場合には、傾斜溝４を流れる冷媒が溝５を通じて管軸方向に流れやすくなるため、蒸発圧力損失が低減するようになる。図５の（ａ）は、第１および第２の領域が合計４組の例を示し、図５の（ｂ）は、合計５組の例を示す。後者の場合に、領域の合計数を奇数とすることによる前述したような冷媒流の無方向性の効果が得られることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による内面溝付伝熱管によれば、伝熱管の軸方向に対してそれぞれ所定の角度で配列され、伝熱管の軸方向に向かって互いにＶ字を形成する複数のフィンより構成される第１および第２の領域を伝熱管の円周方向に配置した内面溝付伝熱管において、フィンの高さを０．１５ｍｍ未満に設定するとともに、第１および第２の領域の管軸方向と直角方向におけるフィンの間の底部の幅寸法を０．１１〜０．２８ｍｍに設定することにより、従来よりも蒸発および凝縮特性に優れ、しかも、ロール圧延作業性に優れた内面溝付伝熱管を提供するものであり、その有用性は大である。
【出願人】 【識別番号】０００００５１２０
【氏名又は名称】日立電線株式会社
【出願日】 平成１２年１月１１日（２０００．１．１１）
【代理人】 【識別番号】１０００７１５２６
【弁理士】
【氏名又は名称】平田 忠雄
【公開番号】 特開２００１−１９４０８５（Ｐ２００１−１９４０８５Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１７日（２００１．７．１７）
【出願番号】 特願２０００−３０３８（Ｐ２０００−３０３８）