(57)【要約】【課題】伝熱性能、内面溝（フイン）加工性、拡管性に優れたＣＯ２ 冷媒の放熱用伝熱管、および前記伝熱管を用いた放熱性に優れる放熱器を提供する。【解決手段】本発明の放熱用伝熱管は、高温のＣＯ２ を管内に流して冷却するための伝熱管であって、伝熱管１の内面に複数のフィン２が螺旋状に設けられており、フィン２の高さは伝熱管１の内径の０．０３倍以上、０．０６倍以下であり、隣り合うフィン２の間隔ｇは０．４ｍｍ以上、６ｍｍ以下である。本発明の放熱用伝熱管は、ＣＯ２ 冷媒用で底厚肉であるが、内面に設ける複数の螺旋状フィン２の形状（高さ、間隔）を適正に規定したため、通常の押出法或いは引抜法により良好に製造できる。また冷媒が乱流状態となるため伝熱性能に優れる。さらに前記形状のフィン２は拡管時大きくつぶれるようなことがないため、本発明の放熱用伝熱管を用いて組み立てた放熱器は放熱性に優れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の二酸化炭素を管内に流して冷却するための伝熱管であって、前記伝熱管の内面に複数のフィンが螺旋状に設けられており、前記フィンの高さは伝熱管の内径の０．０３倍以上、０．０６倍以下であり、隣り合うフィンの間隔は０．４ｍｍ以上、６ｍｍ以下であることを特徴とする放熱用伝熱管。
【請求項２】
前記フィンは、その先端部に平坦部が設けられており、その横断面形状がほぼ台形であることを特徴とする請求項１記載の放熱用伝熱管。
【請求項３】
請求項１または２記載の放熱用伝熱管が板状フィンに拡管接合された放熱体を主要部とすることを特徴とする放熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調機（エアコン）、ヒートポンプ式給湯機、蒸気圧縮式冷凍機などの放熱器（高圧側熱交換器）に用いられる放熱用伝熱管、および前記放熱用伝熱管を用いた放熱器に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンは、図４に示すように、圧縮機４、放熱器５、減圧機（膨張弁）６、蒸発器７を主要部とし、圧縮機４で圧縮されて高温となった冷媒を放熱器５で空気（被加熱流体）を流して冷却し、減圧機６で減圧された冷媒を蒸発器７で蒸発させて外気（被冷却流体）から吸熱するように構成されている。図４で８はファンである。
【０００３】
ヒートポンプ式給湯機は、図５に示すように、図４に示したエアコンの放熱器５を、ガスクーラー（水を被加熱流体とする熱交換器）９に置き代えたもので、被加熱流体の水を給湯水とする。図５で１０は給湯タンクである。
【０００４】
前記放熱器は、図６（イ）に示す、内面フィン付伝熱管１を、板状フィン１１に開けた穴部１２に拡管接合した放熱体１３を主要部とするものである。
【０００５】
前記拡管接合は、図６（ロ）に示すように、内面フィン２付伝熱管１を板状フィン１１の穴部１２に挿入し、次いで伝熱管１内に拡管プラグ１４を圧入して行われる。
図７は放熱器の斜視説明図である。
【０００６】
前記エアコン、ヒートポンプ式給湯機、蒸気圧縮式冷凍機などの冷媒には、従来、フロン（Ｒ４１０ａなど）が用いられていたが、最近、地球環境保全の観点から、自然界に存在し地球環境に殆ど影響を与えない二酸化炭素（ＣＯ２）の使用が提案され、既に給水機について検討が終了し、現在は冷媒使用量の多い蒸気圧縮式冷凍機およびエアコンについて検討が進められている。
【０００７】
前記フロン冷媒とＣＯ２冷媒の相違点としては、（１）フロン冷媒は放熱時に相変化を伴うのに対し、ＣＯ２冷媒は臨界温度（約３１℃）が低いため空気（外気）が前記臨界温度を超える場合は相変化を伴わない点、（２）ＣＯ２冷媒は、高圧側の作動圧力（１０〜１５ＭＰａ）がフロン冷媒（約３ＭＰａ）より著しく高いため伝熱管の厚肉化が必要な点などが挙げられる。
【０００８】
そして、前記伝熱管の厚肉化は、内面フィンの成形性を低下させ、また拡管荷重が高くなるため拡管時に内面フィンがつぶれ易くなるなどの問題を惹起する。このためフロン冷媒用伝熱管をそのままＣＯ２冷媒用には使用できず、伝熱管をＣＯ２冷媒用に設計し直す必要がある。因みに、特許文献１に記載された高性能伝熱管は、底厚肉のＣＯ２冷媒用伝熱管には、加工が困難なため適用できない。
【０００９】
このようなことから、冷媒流路の寸法をＣＯ２ 冷媒用に最適化した放熱器用または蒸発器用チューブ（アルミ多穴管、特許文献２）、および内面フィン付き蒸発器用チューブ（特許文献３）が提案されている。
【００１０】
なお、車両用エアコンには、燃費節減を考慮して、軽量なアルミ合金製伝熱管、特に連続押出法で製造した低コストのアルミ多穴管が多用されているが、定置式エアコンでは熱伝導性の良い純銅製伝熱管が主に使用されている。また銅は変形抵抗が大きいため、連続押出法による多穴管の製造は困難である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２４１８７７号公報
【特許文献２】特開２００１−１９４０８１号公報
【特許文献３】特開２００３−３４３９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、伝熱性能、内面フイン加工性、拡管性に優れたＣＯ２ 冷媒を用いた放熱用伝熱管、および前記伝熱管を用いた放熱性に優れる放熱器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１記載発明は、高温の二酸化炭素を管内に流して冷却するための伝熱管であって、前記伝熱管の内面に複数のフィンが螺旋状に設けられており、前記フィンの高さは伝熱管の内径の０．０３倍以上、０．０６倍以下であり、隣り合うフィンの間隔は０．４ｍｍ以上、６ｍｍ以下であることを特徴とする放熱用伝熱管である。
【００１４】
請求項２記載発明は、前記フィンは、その先端部に平坦部が設けられており、その横断面形状がほぼ台形であることを特徴とする請求項１記載の放熱用伝熱管である。
【００１５】
請求項３記載発明は、請求項１または２記載の放熱用伝熱管が板状フィンに拡管接合された放熱体を主要部とすることを特徴とする放熱器である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の放熱用伝熱管は、ＣＯ２ 冷媒用で底厚肉であるが、内面に設ける複数の螺旋状フィンの形状（高さ、間隔）を適正に規定したため、通常の押出法或いは引抜法により良好に製造できる。また冷媒が乱流状態となるため伝熱性能に優れる。さらに前記形状のフィンは拡管時大きくつぶれるようなことがないため、本発明の放熱用伝熱管を用いて組み立てた放熱器は放熱性に優れる。
本発明によればＣＯ２ 冷媒を用いた冷凍サイクル製品の実用化が拡大し、有害なフロンの使用量が減少するため、地球環境が良好に保全される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の放熱用伝熱管は、図１（イ）〜（ハ）に示すように、伝熱管１の内面に設けられた複数の螺旋状フィン２の高さｈおよび間隔ｇを適正に規定したものである。
【００１８】
本発明において、伝熱管１の内面に設けられたフィン２の高さｈを伝熱管の内径ｄの０．０３倍以上、フィン２の間隔ｇを０．４ｍｍ以上に規定する理由は、いずれが規定値を下回っても、冷媒が十分な乱流状態で流動せず、所望の伝熱性能が得られなくなるためである。また前記高さｈを伝熱管の内径ｄの０．０６倍以下、前記間隔ｇを６ｍｍ以下に規定する理由は、いずれが規定値を上回っても拡管時フィンが大きくつぶれ、得られる放熱器の放熱性が低下するためである。
【００１９】
本発明において、放熱用伝熱管の内面フィン２の形状は任意であるが、図２（イ）に示すように先端部を断面湾曲状に形成するよりも、図２（ロ）に示すように先端部を平坦に形成して、内面フィン３の断面形状をほぼ台形にしたものは、内面フィン３と拡管プラグ１４（図６（ロ）参照）との接触面積が大きくなり、その結果、内面フィン３が潰れ難くなるので望ましい。図２（イ）のγは先端部（湾曲部）の曲率半径、図２（ロ）のｂは先端部（平坦部）の幅を示す。
【００２０】
本発明において、フィンの頂角α（図２（イ）参照）は、小さい方が、管の軽量化およびコスト面で有利であるが、フィンの頂角αが２５度より小さいと、底肉厚の伝熱管では、フィンの成形加工性が悪化し、伝熱管の生産性が低下する。また拡管時のフィンのつぶれも大きくなる。一方、４５度を超えると伝熱管の重量増とコスト高を招く上、十分な伝熱性能が得られなくなる。従って頂角αは２５〜４５度が望ましい。
【００２１】
リード角β（図１（ロ）参照）は、大きいほど管の加工が難しくなり生産性が低下するので４０度以下が望ましい。フィン数は多すぎると伝熱管の重量増とコスト高を招く。
【００２２】
本発明において、前記内面フィン付き伝熱管は、内面溝付き伝熱管と言い換えてもよく、その場合フィン間が溝となり、フィンの高さは溝の深さとなる。
【実施例１】
【００２３】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
外径Ｄが７ｍｍ、底肉厚ｔが１ｍｍのリン脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００：Ｃ−１２２０）製の内面フィン付伝熱管を、図３に示す転造加工法により製造した。
即ち、リン脱酸銅管２１の内部の反引抜方向側にフローティングプラグ２２を配し、引抜方向側に溝付プラグ２３を配し、溝付きプラグ２３が位置する前記銅管２１の外面に自転し公転するボール２４を押圧しつつ、前記銅管２１を矢印方向に引抜き前記銅管２１内面に溝付きプラグ２３の螺旋溝２３ｃを転造した。図３で、２５はフローティングプラグ２２と溝付プラグ２３を連結するプラグロッド、２６はダイス、２７は加工ヘッド、２８はストッパ、２９はベアリングである。
【００２４】
内面フィンの高さｈと伝熱管の内径ｄの比［ｈ／ｄ］、フィン間隔ａは、本発明規定値内で種々に変化させた。内面フィンの頂角α（図２参照）は３０〜４５度の範囲で、リード角β（ねじれ角、図１（ロ）参照）は４〜４０度の範囲で種々に変化させた。内面フィンの先端部は円弧状のものと平坦状のものの２通りとした（図２（イ）、（ロ）参照）。
【００２５】
前記伝熱管の底肉厚ｔはＣＯ２ 冷媒の高作動圧力に耐える必要があるため、冷凍保安規則関係基準に規定されている下式を満足する厚さ（１ｍｍ）とした。
ｔ≧Ｐ×Ｄ／(２σａ×η＋０．８×Ｐ)
但し、Ｐ（設計圧力）は１０ＭＰａ、Ｄ（管の外径）は７ｍｍ、σａ（管の許容応力）はＪＩＳ  Ｈ  ３３００から３３Ｎ／ｍｍ２、η（溶接継手の効率）は１とした。
【００２６】
得られた内面フィン付伝熱管を、図５（ロ）に示した方法により拡管率５％で拡管接合して放熱体とし、これを用いて放熱器（熱交換器）を製造した。
得られた放熱器について、交換熱量をＪＩＳ  Ｂ  ８６２８の附属書４に記載される熱交換効率測定方法（暖房運転条件）に準じて測定した。交換熱量は従来品（内面平滑管）を１００としたときの比較値で示した。
【実施例２】
【００２７】
伝熱管の外径Ｄを５ｍｍ、底肉厚ｔを０．７ｍｍとした他は、実施例１と同じ方法により放熱器を製造し、交換熱量を測定した。
【００２８】
［比較例１］伝熱管の［ｈ／ｄ］比を本発明規定値外とした他は、実施例１と同じ方法によりに放熱器を製造し、交換熱量を測定した。
【００２９】
［比較例２］フィン間隔を本発明規定値外とした他は、実施例１と同じ方法により放熱器を製造し、交換熱量を測定した。
【００３０】
［比較例３］［ｈ／ｄ］比を本発明規定値外とした他は、実施例２と同じ方法により放熱器を製造し、交換熱量を測定した。
【００３１】
［比較例４］フィン間隔を本発明規定値外とした他は、実施例２と同じ方法により放熱器を製造し、交換熱量を測定した。
【００３２】
実施例１、２（本発明例）および比較例１〜４の交換熱量の測定結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１から明らかなように、実施例１、２の伝熱管を用いた放熱器は交換熱量が従来品より３％以上高くなった。またフィンの高さｈと伝熱管の内径ｄの比［ｈ／ｄ］が大きいほど伝熱性能が高くなる傾向がある。なお、伝熱管は内面フィンなど良好に加工できた。
【００３５】
Ｎｏ．７〜９を比較すると、［ｈ／ｄ］が０．０６０に近づくと伝熱性能が飽和することが判る。［ｈ／ｄ］が０．０６を超えると、内面溝のリード角を大きくしても、或いは溝数を増やしても、伝熱性能は殆ど変わらなくなる。
【００３６】
Ｎｏ．１、２、６を比較すると、フィン数が多いほど、つまり間隔ｇが狭いほど、交換熱量が低下することが判る。フィン間隔ｇは０．６ｍｍ以上、さらには０．９ｍｍ以上が望ましい。
【００３７】
フィン先端が平坦なＮｏ．４は、湾曲状のＮｏ．３より交換熱量が大きい。これはＮｏ．４はフィン先端が平坦なため拡管時にフィンが大きくつぶれることがなく、フィンによる伝熱効果がより高度に維持されたためである。
【００３８】
一方、比較例のＮｏ．２０、２４は［ｈ／ｄ］が本発明規定値（０．０３）未満のため、Ｎｏ．２２、２６はフィン間隔が本発明規定値（０．４ｍｍ）未満のため、いずれも冷媒が十分な乱流状態にならず交換熱量が従来品と同等であった。Ｎｏ．２１、２５は［ｈ／ｄ］が本発明規定値（０．０６）を超えたため、Ｎｏ．２３、２７はフィン間隔が本発明規定値（６ｍｍ）を超えたため、いずれも拡管時のフィンの潰れが大きくなり交換熱量が従来品と同等であった。
【００３９】
以上、交換熱量を空気を被加熱流体とする場合について測定したが、本発明の放熱器は、水を被加熱流体とする場合（ガスクーラーなど）にも高い交換熱量が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の放熱用伝熱管の実施形態を示す（イ）横断面説明図、（ロ）内面展開図、（ハ）図１（ロ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】（イ）、（ロ）は本発明の放熱用伝熱管のフィン形状の実施形態を示す横断面説明図である。
【図３】内面フィン付伝熱管の製造方法の説明図である。
【図４】エアコンのフロー図である。
【図５】ヒートポンプ式給湯機のフロー図である。
【図６】（イ）放熱体の正面図、（ロ）拡管工程説明図である。
【図７】放熱器の斜視説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  伝熱管
２  伝熱管内面に設けたフィン（内面フィン）
３  伝熱管内面に設けた断面略台形のフィン（内面フィン）
４  圧縮機
５  放熱器
６  減圧機（膨張弁）
７  蒸発器
８  ファン
９  ガスクーラー
１０給湯タンク
１１板状フィン
１２板状フィンの穴部
１３放熱体
１４拡管プラグ
２１リン脱酸銅管
２２フローティングプラグ
２３溝付プラグ
２３ｃ溝付きプラグの螺旋溝
２４自転し公転するボール
２５プラグロッド
２６ダイス
２７加工ヘッド
２８ストッパ
２９ベアリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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