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技術 二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管

出願人 株式会社コベルコマテリアル銅管
発明者 高橋宏行小山繁石橋明彦羽場恒夫
出願日 2007年3月30日 (13年4ヶ月経過) 出願番号 2007-093437
公開日 2008年10月16日 (11年9ヶ月経過) 公開番号 2008-249294
状態 特許登録済
技術分野 一般的な熱交換又は熱伝達装置の細部1 不可逆サイクルによる圧縮式冷凍機械
主要キーワード 三角形溝 転動ロール 伝達長さ 冷媒油 形状条件 実施例比較 螺旋角 まきつけ
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図面 (8)

課題

冷凍機油を含む二酸化炭素冷媒を使用するヒートポンプシステムにおいても、圧力損失が増加せず、管内面の冷凍機油等の油膜形成が抑制されると共に、油戻り性が向上し、伝熱性能を向上させることができる。

解決手段

管内を超臨界状態通流される二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管は、前記溝が管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ1が0°<θ1<5.0°の溝であり、前記フィンはその長手方向に分断されていない。前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状、フィンの根元ピッチP1が0.32mm≦P1≦0.67mm、溝深さh1が0.15mm≦h1≦0.27mm、管軸直交断面におけるフィン山頂角FTAがFTA≦35°、管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径FTRがFTR≦0.045mmである。

概要

背景

給湯器自動車空調機器自動販売機及び冷凍機等の熱交換器として、CO2冷媒を利用する熱交換器が使用されるようになってきた。伝熱管内流通するCO2冷媒の熱を管外媒体(水、空気等)に伝える熱交換器をガスクーラーという。ガスクーラーには、CO2冷媒を流通させる伝熱管をそれより内径が大きい管(大径管)内に設置し、前記伝熱管と大径管との間の空間に水を流す二重管式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる管の外面に接触させる形式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる箱体の外面に接触させる形式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管外面にアルミニウムフィンを設けて管内を拡管にて管とフィン密着させた空気熱交換器等、多くの形式の熱交換器が提案されている。

このようなガスクーラーでは、通常、高温及び高圧超臨界状態のCO2冷媒が用いられる。これは、超臨界状態のCO2は、密度及び粘度が気相状態近似した低い値であるにも拘わらず、熱伝導率が気相状態の2倍以上の液体に近い高い値を示し、熱交換器のCOP(Coefficient Of Performance、投入エネルギーに対する取り出したエネルギーの比)の向上が可能となるためである。ガスクーラーの伝熱管内を流れる超臨界状態のCO2冷媒は、高温高圧流通速度が大きいことから、管内面フラットな伝熱管でも良好な熱伝達特性を発揮することができるので、従来、平滑管が伝熱管として使用されてきた。最近、ガスクーラーのCOPを更に向上させるために、以下に示すような内面溝付伝熱管が提案されている。

例えば、特許文献1には、二酸化炭素冷媒として内部を通流する二酸化炭素用の伝熱管を、内面にフィンが螺旋状に形成されたシームレス管とすることが開示されている。そして、この二酸化炭素用伝熱管においては、前記フィンは、その捻れ角θが0°<θ≦3°であると共に、その長手方向で複数に分断されている。

また、特許文献2には、管内面に第1のフィン及び第2のフィンが形成されている内面溝付伝熱管において、第1のフィンの高さが0.10〜0.22mm、頂角が20〜60°、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°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が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提案されている。

更に、特許文献3には、水とCO2冷媒とを効率良く熱交換させる熱交換器として、内面に溝を有する外管の内側に内管を密着させて構成した溝付二重管を使用し、この溝付二重管を複数本が互いに密着させながら螺旋状に絡み合うようにねじって捻り管とし、このねじり管の溝の螺旋方向がねじり管の捻りの螺旋方向と同一方向であり、捻り管の溝の螺旋ピッチと捻り管の捻りの螺旋ピッチが略同一である熱交換器が開示されている。この熱交換器においては、前記捻り管を大径管内に収納し、大径管内に第1流体、ねじり管内に第2流体を流通させている。

更にまた、特許文献4には、高圧側冷媒圧力臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクル高圧側冷媒放熱器冷媒管に、内面に螺旋状溝を形成したグルーブ管内面溝付管)を使用した熱交換器が開示されている。そして、特許文献4には、冷媒管を内面溝付管で構成することにより、管内を流通する超臨界状態のCO2冷媒に乱れを形成でき、熱交換性能が向上することが記載されている。内面溝付管としては、外径4mm、内径2.56mmの管内面に、溝間隔0.29mm、溝深さ0.15mm、フィン頂角50°で断面が三角形状の溝を形成したものが開示されている。

特開2005−188789
特開2005−257160
特開2006−3028
特開2006−105525

概要

冷凍機油を含む二酸化炭素冷媒を使用するヒートポンプシステムにおいても、圧力損失が増加せず、管内面の冷凍機油等の油膜形成が抑制されると共に、油戻り性が向上し、伝熱性能を向上させることができる。管内を超臨界状態で通流される二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管は、前記溝が管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ1が0°<θ1<5.0°の溝であり、前記フィンはその長手方向に分断されていない。前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状、フィンの根元ピッチP1が0.32mm≦P1≦0.67mm、溝深さh1が0.15mm≦h1≦0.27mm、管軸直交断面におけるフィン山頂角FTAがFTA≦35°、管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径FTRがFTR≦0.045mmである。

目的

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷凍機油を含む二酸化炭素冷媒を使用するヒートポンプシステムにおいても、圧力損失が増加せず、管内面の冷凍機油等の油膜形成が抑制されると共に、油戻り性が向上し、伝熱性能を向上させることができる二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

管内を流通する二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管において、管内面に溝及び前記溝間に形成されるフィンが配置されており、前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ1が0°<θ1<5.0°の溝であり、前記フィンはその長手方向に分断されていないことを特徴とする二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管

請求項2

前記二酸化炭素冷媒は超臨界状態通流されることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項3

前記捩れ角θ1が0°<θ1≦0.5°であることを特徴とする請求項1に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項4

前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項5

管軸直交断面における前記フィンの根元ピッチP1が0.32mm≦P1≦0.67mmであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項6

前記溝深さh1が0.15mm≦h1≦0.27mmであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項7

管軸直交断面におけるフィン山頂角FTAがFTA≦35°であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項8

管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径FTRがFTR≦0.045mmであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項9

前記二酸化炭素冷媒には、冷凍機油が混合されており、管内の前記冷凍機油の通流量は、前記二酸化炭素冷媒の通流量の0.5質量%以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管。

請求項10

管軸方向に直交する断面における前記伝熱管の形状が楕円形又は1対の半円の端部を直線で連結した長円形であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付管

技術分野

0001

本発明は、超臨界状態二酸化炭素(CO2)冷媒を使用するガスクーラー放熱器)に使用する内面溝付伝熱管に関し、特に、CO2冷媒冷凍機油が混合された冷媒を使用するガスクーラーに好適なガスクーラー用の内面溝付伝熱管に関する。

背景技術

0002

給湯器自動車空調機器自動販売機及び冷凍機等の熱交換器として、CO2冷媒を利用する熱交換器が使用されるようになってきた。伝熱管内流通するCO2冷媒の熱を管外媒体(水、空気等)に伝える熱交換器をガスクーラーという。ガスクーラーには、CO2冷媒を流通させる伝熱管をそれより内径が大きい管(大径管)内に設置し、前記伝熱管と大径管との間の空間に水を流す二重管式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる管の外面に接触させる形式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管を水が流れる箱体の外面に接触させる形式の熱交換器、CO2冷媒を流通させる伝熱管外面にアルミニウムフィンを設けて管内を拡管にて管とフィン密着させた空気熱交換器等、多くの形式の熱交換器が提案されている。

0003

このようなガスクーラーでは、通常、高温及び高圧で超臨界状態のCO2冷媒が用いられる。これは、超臨界状態のCO2は、密度及び粘度が気相状態近似した低い値であるにも拘わらず、熱伝導率が気相状態の2倍以上の液体に近い高い値を示し、熱交換器のCOP(Coefficient Of Performance、投入エネルギーに対する取り出したエネルギーの比)の向上が可能となるためである。ガスクーラーの伝熱管内を流れる超臨界状態のCO2冷媒は、高温高圧流通速度が大きいことから、管内面フラットな伝熱管でも良好な熱伝達特性を発揮することができるので、従来、平滑管が伝熱管として使用されてきた。最近、ガスクーラーのCOPを更に向上させるために、以下に示すような内面溝付伝熱管が提案されている。

0004

例えば、特許文献1には、二酸化炭素が冷媒として内部を通流する二酸化炭素用の伝熱管を、内面にフィンが螺旋状に形成されたシームレス管とすることが開示されている。そして、この二酸化炭素用伝熱管においては、前記フィンは、その捻れ角θが0°<θ≦3°であると共に、その長手方向で複数に分断されている。

0005

また、特許文献2には、管内面に第1のフィン及び第2のフィンが形成されている内面溝付伝熱管において、第1のフィンの高さが0.10〜0.22mm、頂角が20〜60°、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°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が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提案されている。

0006

更に、特許文献3には、水とCO2冷媒とを効率良く熱交換させる熱交換器として、内面に溝を有する外管の内側に内管を密着させて構成した溝付二重管を使用し、この溝付二重管を複数本が互いに密着させながら螺旋状に絡み合うようにねじって捻り管とし、このねじり管の溝の螺旋方向がねじり管の捻りの螺旋方向と同一方向であり、捻り管の溝の螺旋ピッチと捻り管の捻りの螺旋ピッチが略同一である熱交換器が開示されている。この熱交換器においては、前記捻り管を大径管内に収納し、大径管内に第1流体、ねじり管内に第2流体を流通させている。

0007

更にまた、特許文献4には、高圧側冷媒圧力臨界圧力以上となる超臨界式冷凍サイクル高圧側冷媒放熱器冷媒管に、内面に螺旋状溝を形成したグルーブ管内面溝付管)を使用した熱交換器が開示されている。そして、特許文献4には、冷媒管を内面溝付管で構成することにより、管内を流通する超臨界状態のCO2冷媒に乱れを形成でき、熱交換性能が向上することが記載されている。内面溝付管としては、外径4mm、内径2.56mmの管内面に、溝間隔0.29mm、溝深さ0.15mm、フィン頂角50°で断面が三角形状の溝を形成したものが開示されている。

0008

特開2005−188789
特開2005−257160
特開2006−3028
特開2006−105525

発明が解決しようとする課題

0009

しかしながら、CO2冷媒を使用するヒートポンプ式熱交換器には、CO2冷媒を加圧するための圧縮器が設けられているが、この圧縮器の磨耗を防ぐために、CO2冷媒には潤滑剤である冷凍機油(ポリアルキレングリコール等)が混合されている。CO2冷媒と冷凍機油との間には完全な相溶性はないため、冷凍機油がCO2冷媒から分離することは回避できない。この分離した冷凍機油は、内面溝付伝熱管の溝部に油膜を形成して徐々に管内周全体を覆い、その結果、この油膜がCO2冷媒と伝熱管内面の接触を妨げるために熱抵抗となり、伝熱管の伝熱性能を低下させる。特に、管内径が小さくなると、管内のCO2冷媒及び冷凍機油の流れが溝に沿って形成されやすく、管内周に冷凍機油膜がより一層形成されやすくなる。この油膜がより厚くなると、圧縮機内を流れる冷凍機油が減少し、焼き付きが発生してコンプレッサーを破損させてしまう。その対策として、圧縮機への冷凍機油充填量を多くすると、管内の油膜の量がより多くなり、ガスクーラー部の伝熱性能が更に低下してしまう。前述の特許文献1〜4の内面溝付管は、それらの伝熱性能に及ぼす冷凍機油の影響を考慮していないことから、冷凍機油を含むCO2冷媒を使用した場合、ガスクーラーとして十分な伝熱性能が得られないという問題があった。

0010

即ち、特許文献1の内面溝付管は、フィンの長さ方向に存在するフィン分断部がCO2冷媒及び冷凍機油の流れの抵抗となる。冷凍機油はCO2冷媒より粘性が高いため、この分断部付近滞留して冷凍機油膜が厚く形成されてしまい、管内熱伝達率が低下する。

0011

また、特許文献2の内面溝付管は管内に2種類の高さのフィンが形成されているが、低い方のフィンは冷凍機油膜に覆われやすく、伝熱への寄与が小さくなり、フィンによる伝熱性能の向上が小さい。また、フィンの螺旋角が大きいと、管内のフィンが冷凍機油の流れを阻害しやすく、冷凍機油が滞留する部分では冷凍機油膜が厚くなり、管内熱伝達率が低下してしまう。また、管の曲げ部及び管の断面を非円形状にしたときの曲率半径が小さい部分において、冷凍機油が滞留しやすくなり、管内熱伝達率が低下する。

0012

特許文献3の熱交換器においては、ねじり管を形成する工程において、内管の溝もねじられており、この捻れ角が大きくなると、特許文献2の溝付管と同様の理由で、管内熱伝達率が低下する。

0013

特許文献4のグルーブ管においては、溝の断面形状が三角形であるため、溝の断面積及び溝とフィンの長さが短く、管内面の冷凍機油の膜厚が大きくなる。そのため、管内熱伝達率が低下する。また、溝の螺旋核が大きくなると、特許文献2の溝付管と同様の理由で管内熱伝達率が低下する。

0014

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、冷凍機油を含む二酸化炭素冷媒を使用するヒートポンプシステムにおいても、圧力損失が増加せず、管内面の冷凍機油等の油膜形成が抑制されると共に、油戻り性が向上し、伝熱性能を向上させることができる二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0015

本発明に係る二酸化炭素冷媒を使用したガスクーラー用内面溝付伝熱管は、管内を流通する二酸化炭素冷媒を冷却するガスクーラー用の内面溝付伝熱管において、管内面に溝及び前記溝間に形成されるフィンが配置されており、前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は前記溝と管軸とがなす捩れ角θ1が0°<θ1<5.0°の溝であり、前記フィンはその長手方向に分断されていないことを特徴とする。

0016

この内面溝付伝熱管において、例えば、前記二酸化炭素冷媒は超臨界状態で通流されるものである。

0017

更に、前記捩れ角θ1が0°<θ1≦0.5°であることが好ましい。

0018

更にまた、前記溝は、前記溝に直交する断面における形状が、台形状であることが好ましい。

0019

更にまた、管軸直交断面における前記フィンの根元ピッチP1が0.32mm≦P1≦0.67mmであることが好ましい。

0020

更にまた、前記溝深さh1が0.15mm≦h1≦0.27mmであることが好ましい。

0021

更にまた、管軸直交断面におけるフィン山頂角FTAがFTA≦35°であることが好ましい。

0022

更にまた、管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径FTRがFTR≦0.045mmであることが好ましい。

0023

更にまた、前記二酸化炭素冷媒には、冷凍機油が混合されており、管内の前記冷凍機油の通流量は、前記二酸化炭素冷媒の通流量の0.5質量%以下であることが好ましい。

0024

更にまた、例えば、管軸方向に直交する断面における前記伝熱管の形状が楕円形又は1対の半円の端部を直線で連結した長円形である。

発明の効果

0025

本発明の内面溝付伝熱管によれば、冷凍機油を含む超臨界状態の二酸化炭素冷媒に対しても伝熱性能が優れており、圧力損失が増加せず、また曲げ加工又は偏平加工等を行っても伝熱性能が低下することがないという効果を奏する。また、本発明の内面溝付伝熱管はその製造も容易であり、製作コストも低減できる。このため、伝熱性能が優れた超臨界状態の二酸化炭素冷媒用ガスクーラーを低コストで製造することができる。更に、本発明の内面溝付伝熱管を、熱交換器に組み込むことにより、機器成績係数(COP)を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態

0026

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る内面溝付伝熱管における管軸方向に平行で且つ管軸を含む断面を示す断面図、図2は管軸直交断面における内面溝付伝熱管の一部を示す断面図、図3図2の一部拡大断面図である。

0027

内面溝付伝熱管は、管内面に複数の溝2が螺旋状に形成されており、この螺旋溝2間に螺旋状に伸び突起としてのフィン3が形成されている。この螺旋溝2は以下のようにして形成されている。即ち、伝熱管素管内に、螺旋状の溝が表面に形成されたマンドレルプラグとを連結軸で連結した状態で挿入し、前記プラグの位置において素管外面に接するダイスを設ける。そして、前記素管を引き抜くことにより、ダイスにより前記素管を縮径加工すると共に、素管を介してプラグを素管の引抜力に抗してその位置に保持し、前記マンドレルを連結軸を介してフローティング状態でその位置に保持する。このとき、マンドレルの位置において、外面に転動するように複数個転動ボール又は1対の転動ロールを配置し、この転動ボール又は転動ロールにより前記素管を若干圧延すると、素管内面の管肉がマンドレルの溝内に侵入して素管内面にマンドレルの溝に対応するフィンが形成される。また、マンドレルのフィンの部分が素管内面において溝となり、このようにして、マンドレルの外面の溝形状が、素管内面に転写され、内面溝付伝熱管が製造される。

0028

次に、本発明の内面溝付伝熱管の形状について説明する。図1に示すように、溝2の管軸方向に対する捻れ角をθ1とし、図2に示すように、管外面の直径(外径)をOD、管軸直交断面において、管内面に形成された溝2の底部を結ぶ円の直径(管最大内径)をDimax、溝深さをh1、フィン3の根元における管内面の円弧に沿うピッチをP1、フィン3の山頂角をFTAとし、図3に示すように、フィン先端部の曲率半径をFTR、管軸直交断面において、フィン3の斜辺延長線と溝2の底辺の延長線とが交差する2点間の距離をWGとする。このとき、本発明においては、前記溝は、管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は0°<θ1<5.0°を満足する螺旋状の溝である。また、好ましくは、0°<θ1≦0.5°を満足する。

0029

更に、溝2は図3に示すように、実質的に台形状であることが好ましい。

0030

更にまた、0.32mm≦P1≦0.67mm、0.15mm≦h1≦0.27mm、FTA≦35°、FTR≦0.45mmであることが好ましい。

0031

更にまた、本発明の内面溝付伝熱管は、冷凍機油が混合された二酸化炭素冷媒を使用する場合に、好適であり、そのときの管内の冷凍機油の通流量は、二酸化炭素冷媒の通流量の0.5質量%以下であることが好ましい。

0032

この内面溝付伝熱管1は、冷凍機油の混合量が0.5質量%以下である二酸化炭素(CO2)冷媒を使用する熱交換器のガスクーラーに組み込まれる。図5は本実施形態の内面溝付伝熱管1が組み込まれたガスクーラーを備えた熱交換器30の構成を示す図である。図5に示すように、熱交換器30には、CO2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CO2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、CO2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CO2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、ガスクーラー33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(CO2)冷媒が流される。

0033

このように、本実施形態の内面溝付伝熱管は、管内でCO2冷媒が冷却されるガスクーラーに使用される。ガスクーラーとしては、(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、管外流体を加熱する水熱交換器等の形態がある。

0034

以下、上記各数値限定の理由について説明する。

0035

(1)管内面の溝は、管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は捻れ角θ1が0°<θ1<5.0°の1本の連続した螺旋溝である。

0036

螺旋溝の場合は、管内面の溝2が管軸方向に対してなす捻れ角θ1が0°<θ1<5.0°の連続したフィンが管内面に形成されている。CO2冷媒のガスクーラー用伝熱管においても、伝熱管を内面溝付管とすることにより、管内の伝熱面積が増大し、また管内に形成されたフィンが管内を流れるCO2冷媒を撹拌するため、伝熱性能が向上する。管内径、フィン数フィン高さを同一とした場合、捻れ角が大きいほど伝熱面積及びCO2冷媒の攪拌効果が増大するため、冷媒油を含まないCO2冷媒の伝熱性能は向上する。しかしながら、CO2冷媒が冷媒油を含む場合には、捻れ角θ1が大きくなることにより逆に伝熱性能が低下することを、本発明者等が見出した。以下にその理由について説明する。

0037

捻れ角θ1のフィンが連続的に形成され、管内面の展開図において多数のフィンが形成されている内面溝付管内を管軸方向に速度vで流れる流体を考える。この流体は、フィンの間に形成された溝部においては溝の方向にv×cosθ1、溝と直交する方向にv×sinθ1の速度で流れることになる。捻れ角θ1が大きいほど、溝に直交する速度成分が大きくなる。

0038

CO2冷媒に含まれる冷媒油は主として溝部を流れるが、捻れ角が大きいほど溝と直交する速度成分が大きくなり、フィンにも冷媒油の膜が形成されるようになる。ガスクーラーにおいては、フィンはCO2冷媒と接触して超臨界状態のCO2冷媒の熱をフィン根元及び管外に伝える役割をするが、リード角が大きくなると、冷媒油に覆われるフィンの面積が増大し、伝熱性能が低下する。

0039

また、伝熱管を二重管式熱交換器に内管として用い、その二重管式熱交換器をコイル状に曲げ加工した場合、また他の伝熱管又はダクト等の管路の周囲にまきつける場合等においては、伝熱管内部のフィンの捻れ角が大きいほど曲げ部においてフィンが変形し、冷凍機油が滞留しやすくなり、それにより伝熱性能が低下しやすくなる。

0040

また、捻れ角θ1が大きくなると、冷媒油の流動長さがそれだけ長くなり(L/cosθ1、Lは管軸方向の管の長さ)、冷媒油の流動抵抗が増大して冷媒油が滞留しやすくなる。この滞留部分において、フィンが冷凍機油に覆われやすくなることから、伝熱性能が低下する。

0041

捻れ角θ1が5°以上になると、溝と直交する方向の速度成分が大きくなり、フィンが冷媒油で覆われやすくなる。また、曲げ加工した部分でフィンが変形しやすく、冷凍機油が滞留しやすくなる。このため、前記溝は管軸方向に平行の複数本の溝であるか、又は捻れ角θ1の範囲を0°<θ1<5°とすることが必要である。なお、捻れ角θ1のより望ましい範囲は0°≦θ1≦0.5°である。

0042

また、フィンに分断部があると、その部分で冷凍機油の滞留がおきやすく、フィンが冷凍機油により覆われやすくなる。そのため、フィンは連続して形成されており、分断部及び鞍部がないことが必要である。

0043

(2)溝の断面形状は台形状である。

0044

伝熱管内を通流する二酸化炭素冷媒に混合されている冷凍機油は、二酸化炭素冷媒とは相溶性がないため、二酸化炭素と分離して管内を通流し、管内面に付着して油膜を形成する。そして、溝底部に形成された冷凍機油膜は、フィン側面に形成された冷凍機油膜に対してこれを引き込もうとする力を及ぼす。これにより、フィン側面の冷凍機油の膜厚が低下して伝熱性能が向上する。溝の断面形状を台形溝図4(b))にすると、三角形状の溝(図4(a))に比べ、溝底部の管周方向の長さが長くなり、溝底部に存在する冷凍機油量が増加するため、前述の溝底部の冷凍機油膜からのフィン側面の冷凍機油膜に対する引き込み力が増大する。このため、溝断面形状が台形状の場合は、三角形状の場合より伝熱性能が向上する。従って、溝の断面形状は台形状であることが望ましい。

0045

なお、管内を流れるCO2冷媒の圧力が大きいことから、伝熱管の溝底肉厚(フィンの存在しない部分の管の肉厚)を大きくする必要があり、内面溝付管の転造加工性を確保するためフィンの根元と溝底部とが接続された部分には特定の曲率半径を設けることが必要になるが、フィン側面の冷凍機油の引き込みのためには、前記曲率半径は0.1mm以下、望ましくは0.06mm以下、更に望ましくは0.04mm以下とすることが好ましい。

0046

(3)管軸直交断面におけるフィンの根元ピッチP1は、0.32mm≦P1≦0.67mmを満足する。

0047

管軸直交断面での溝の根元ピッチP1が0.32mm未満の場合、溝部の幅が狭くなり、溝底部の長さが短くなり、フィン側面に形成される冷媒油膜の面積が増大して、管内熱伝達率が低下する。管軸直交断面でのフィンの根元ピッチP1が0.67mmを超えると、フィン数が減少し、管内表面積が減少する。その結果、管内熱伝達率が低下する。従って、管軸直交断面でのフィンの根元ピッチP1が0.32mm≦P1≦0.67mmであることが好ましい。

0048

(4)管軸直交断面での溝深さh1が0.15mm≦h1≦0.27mmである。

0049

管内に形成されている溝深さh1が0.15mm未満の場合、フィンの高さが十分でなく、管の内表面積が減少し、また、冷凍機油で覆われるフィンの面積の比率が増加し、伝熱性能が低下する。

0050

逆に、管軸直交断面での溝深さh1が0.27mmを超えると、CO2冷媒の流動に対する抵抗が大きくなり、CO2冷媒の流動速度は伝熱管中心部に比べ、溝部部において小さくなる。そのため、溝底部の冷凍機油の流れる速度が低下し、冷凍機油が滞留しやすくなる。冷凍機油が滞留した部分では、フィン側面まで冷凍機油に覆われ、伝熱性能が低下する。従って、管軸直交断面での溝深さh1は0.15mm≦h1≦0.27mmであることが好ましい。

0051

(5)管軸直交断面でのフィン山頂角FTAがFTA≦35°である。

0052

管軸直交断面でのフィン山頂角FTAが35°を超えると、フィン側面に形成された冷媒油膜が溝底部の冷媒油に引き込まれにくくなり、フィンにおける伝熱性能が低下しやすくなる。従って、管軸直交断面でのフィン山頂角FTAは、FTA≦35°であることが好ましい。

0053

なお、FTAは小さいほど伝熱性能が向上するように思われるが、フィンにおける熱伝導と熱容量の関係、内面溝付管の加工性、拡管する場合のフィン潰れ及びフィン倒れの防止等の点から、FTAは10°以上、好ましくは13°以上であることが望ましい。

0054

(6)管軸直交断面でのフィン先端部の曲率半径FTRがFTR≦0.045mmである。

0055

フィン先端部の曲率半径FTRはCO2冷媒の流れに影響する。即ち、曲率半径FTRを所定の範囲とすることにより、フィン先端部近傍の冷媒ガスが溝底部に導かれやすく、それによりフィン側面の冷媒油が溝底部に流動し、フィンにおける伝熱性能が向上する。

0056

フィン先端部の曲率半径FTRが0.045mmを超えると、溝部へ流入する冷媒ガスが少なくなり、溝部に滞留する冷凍機油の除去能力が低下し、その結果、管内熱伝達率が低下する。

0057

従って、管軸直交断面でのフィン山頂部の先端曲率半径FTRがFTR≦0.045mmを満足することが望ましい。

0058

なお、前記曲率半径FTRは小さいほど伝熱性能が向上するが、内面溝付管の転造加工の行いやすさ、内面溝付管の拡管の行いやすさ等を考慮して0.02mm以上とすることが望ましい。

0059

(8)管内面を通流する冷凍機油の通流量が二酸化炭素の通流量の0.5質量%以下である。冷凍機油の通流量とは、ガスクーラー出口側に設置された膨張弁を通過した際、冷媒が液化されるが、その冷凍機油が混合された二酸化炭素冷媒液に混合されている冷凍機油の量を意味する。一方、冷凍機油の循環量の測定方法は、膨張弁の出口側に設けたサンプリングポートサンプリング用の容器を接続し、冷媒液をサンプリングする。このサンプリング容器の質量(W1)は、中が空の状態で事前に測定しておく。次に、冷媒液が充填された状態で容器の質量を測定し(二酸化炭素冷媒の質量をW2、混合されている冷凍機油の質量をW3とすると、W1+W2+W3)、その後、冷媒を気化させた後のサンプリング容器の質量(W1+W3)を測定する。これらの測定値よりW2及びW3の値を算出する。W3/(W2+W3)が求める冷凍機油の通流量である。管内を通流する冷凍機油量を0.5質量%以下とすることにより、伝熱管のフィン側面に形成される冷凍機油の膜の面積及び厚さを低くすることができ、伝熱性能が向上するため、管内面を通流する冷凍機油の循環量は0.5質量%以下であることが望ましい。

0060

(9)伝熱管の断面形状が非円形である。

0061

本発明の内面溝付伝熱管は溝部及びフィンの捻れ角が小さいため、熱交換器製作のため楕円形、トラック状(直線と半円で形成される形状)等の非円形状にした場合、熱交換器製造工程において管の変形が発生した場合等でも、前記曲げ又は変形部分において冷凍機油がせき止められるのを抑制することができる。その結果、それらの部分で冷凍機油が滞留することなく、より一層管内熱伝達率の低下を抑制することができる。

0062

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5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6に示す試験装置を使用して、冷却伝熱性能を測定した。この測定結果を、各表1乃至5に、比較例1の冷却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。

0063

試験条件は、二酸化炭素冷媒の質量速度を380kg/(m2・s)とし、運転圧力を10MPaとし、熱交換量を1kWとした。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。

0064

図6熱伝達率の測定に使用した装置の構成を示す図であり、図7はその試験部であるガス冷却器(ガスクーラー)の構成を示す図である。図6に示すように、本実施例で使用した測定装置には、CO2冷媒を圧縮することにより高温にする圧縮機5と、試験部であるガス冷却器4と、CO2冷媒を膨張させて低温にする膨張弁7と、蒸発器8及び9が設けられている。試験部であるガス冷却器4の出入口には、夫々、CO2冷媒を冷却する予冷器10及び過冷却器11が設けられている。また、圧縮機5の出口には、冷媒中の冷凍機油を分離するオイルセパレータ6が設けられており、更に、圧縮機5の入口及び過冷却器11の出口には、夫々冷媒の脈動をなくすアキュームレータ12a及び12bが設けられている。なお,蒸発器8及び9には、直流電流を供給して二酸化炭素冷媒を加熱して蒸発させた。

0065

本実施例においては、過冷却器11と膨張弁7との間に、精度が±0.4%の質量流量計13を設け、この質量流量計13により冷媒の流量を測定した。また,圧縮機5と予冷器10との間、予冷器10とガス冷却器4との間、ガス冷却器4と過冷却器11との間、流量計13と膨張弁7との間、蒸発器8と蒸発器9との間、蒸発器9とアキュームレータ12aとの間には、夫々冷媒混合室14a乃至14gが設けられている。そして、冷媒の温度及び圧力は、夫々、冷媒混合室14a乃至14g内に備えられた直径が0.5mmクロメル−アルメル被覆熱電対15a乃至15g及び精度が0.02MPaの圧力変換器16a乃至16fにより測定した。その際、熱電対15a乃至15gは、予め誤差が±0.05K以内になるように校正した。膨張弁7と蒸発器8との間にはサンプリングポート24が接続されており、冷凍機油を混合した二酸化炭素冷媒は、このサンプリングポート24より一部を抽出し、冷凍機油の通流量を測定した。

0066

また、図7に示すように、ガス冷却器4には、直径が18mmで、内径が12mmの外管の内部に、実施例又は比較例の内面溝付伝熱管が配置された3本の二重管18a乃至18cが、直列に接続されている。なお、これらの二重管18a乃至18cは、長さが0.688mであり、有効熱伝達長さが0.5mである。そして、実施例又は比較例の伝熱管
の内部にはCO2冷媒を通流させ、これらの伝熱管と外管との間には冷却水を通流させた
。その際、CO2冷媒の通流方向と冷却水の通流方向とが相互に逆になるようにした。

0067

このガス冷却器4には、熱源17が設けられており、冷却水の流量は、この熱源17内に設けられた精度が±0.5%のギア式流量計により測定した。また、二重管18a乃至18cの両端部には、夫々熱源水混合室19a乃至19fが設けられており、冷却水の温度は、この熱源水混合室19a乃至19fに設置された外径が2.0mmの抵抗温度計により測定した。その際、各抵抗温度計は、誤差が±0.02K以内になるように校正した。更に、二重管18a乃至18c間の圧力差は、精度が±0.25%の差圧変換器20a乃至20dにより測定した。更にまた、各伝熱管外壁の温度は、外径が0.1mmの銅線及びコンスタンタン線により形成されている銅−コンスタンタン熱電対を、伝熱管の外面の上下左右に配置して測定した。その際、これらの熱電対は、誤差が±0.05K以内になるように校正した。更にまた、ガス冷却器4の冷媒出口付近には冷媒混合室21aが設けられており、この冷媒混合室21aに設けられた熱電対22a及び圧力変換器23aにより、冷媒の温度及び圧力を測定した。

0068

管内の冷却性能(管内熱伝達率)は、下記数式1にて算出した。

0069

0070

ここで、αは管内の冷却性能(管内熱伝達率)である。qは熱流束であり、二重管式熱交換器に設置した供試管の外面を流れる冷却水流量及び冷却水出入口温度より算出した伝熱量を管内表面積(試験管最大内径基準の平滑面)で割った値である。Twi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。Tbは管内を流れる冷媒の飽和温度であり、試験部54の出入口側に接続された温度計Tbにて測定した二酸化炭素冷媒の温度である。

0071

表1乃至5において、溝形状が三角溝であるとは、図4(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4(b)のように、溝底部に平坦部がある形状のことである。

0072

0073

0074

0075

0076

0077

この表1乃至表5に示すように、実施例1乃至27は本発明の請求項1を満足するので、本発明の請求項1を満足しない比較例1乃至5に比して、伝熱性能が高い。この本発明の実施例の中でも、実施例4乃至12は本願請求項2を満足するので、請求項2を満足しない実施例1乃至3に比して伝熱性能が高い。また、実施例13及び14は台形溝であり、請求項3を満足するので、三角形溝である実施例4乃至12に比して伝熱性能が高い。実施例15及び16はフィンの根元ピッチP1が請求項4を満足するので、実施例13及び14に比して伝熱性能が高い。実施例17及び18は溝深さh1が請求項5を満足するので、実施例15及び16に比して伝熱性能が高い。実施例19及び20はフィン山頂角FTAが請求項6を満足するので、実施例17及び18に比して伝熱性能が高い。実施例21及び22はフィン先端部曲率半径FTRが請求項7を満足するので、実施例19及び20に比して伝熱性能が高い。実施例23乃至27はオイル循環量が請求項8を満足するので、実施例21及び22に比して伝熱性能が高い。

図面の簡単な説明

0078

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である。
管軸方向に垂直な断面(管軸直交断面)を示す断面図である。
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。
溝形状を示す図である。
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。
冷却伝熱性能の試験装置を示す図である。
試験部であるガス冷却器(ガスクーラー)を示す図である。

符号の説明

0079

1:伝熱管
2:溝
3:フィン
4;ガス冷却器
5;圧縮機
6;オイルセパレータ
7;膨張弁
8,9;蒸発器
10;予冷器
11;過冷却器
12a,12b;アキュームレータ
13;質量流量計
14a〜14g,21a;冷媒混合室
15a〜15g,22a;熱電対
16a〜16f,23a;圧力変換器
17;熱源
18a〜18c;二重管
19a〜19f;熱源水混合室
20a〜20d;差圧変換器
24;サンプリングポート

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