(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式熱交換機器のガスクーラに使用される冷媒用伝熱管であり、かつ、前記冷媒としての二酸化炭素中には、前記ヒートポンプ式熱交換機器における冷凍サイクルを構成する圧縮機の潤滑油が０．２質量％以上１．０質量％以下混入している冷媒用伝熱管であって、
前記冷媒用伝熱管は、外管と、該外管の内面に固定設置されたフィンとを備え、
前記フィンは、３つの小径管により構成され、かつ、前記外管の管軸に垂直な断面において前記小径管のそれぞれが前記外管を中心とした略扇形を形成し前記外管へ接するとともに、前記外管の中心から前記外管上への線分上で隣の小径管と前記小径管が接するように設けられている中空フィンであり、さらに、
前記外管の内径をＩＤおよび前記外管の内面から前記外管の中心方向への前記小径管の高さをＨｆとすると、Ｈｆ／ＩＤが０．１以上０．５以下であることを特徴とする冷媒用伝熱管。
【請求項２】
前記フィンは、前記外管の肉厚以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の冷媒用伝熱管。
【請求項３】
前記フィンは、嵌合により前記外管の内面に固定設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管。
【請求項４】
前記フィンを備えたことによる冷媒接触面積拡大率が１．５倍以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管。
【請求項５】
前記ガスクーラは、冷凍サイクルの圧縮機の潤滑油としてポリアルキレングリコール油を用いたヒートポンプ式熱交換機器に用いられるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管。
【請求項６】
前記ガスクーラがヒートポンプ式熱交換機器の放熱器であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷媒用伝熱管を備えたことを特徴とするガスクーラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然冷媒を用いるヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式空調機等（以下、ヒートポンプ式給湯機やヒートポンプ式空調機等を総称して「ヒートポンプ式熱交換機器」という場合もある）の冷媒用伝熱管およびガスクーラに関し、特に、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式熱交換機器に用いる冷媒用伝熱管、および当該伝熱管を用いたガスクーラに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１は、ヒートポンプ式熱交換機器と、そこで使用される冷媒との相関関係を例示した図である。
【０００３】
ヒートポンプとは、熱源（通常、大気や地下水、海水など安価で豊富にある資源）からの熱を圧縮機（コンプレッサ）を利用して汲み上げ、移動させることにより加熱や冷却を行うシステムをいう。例えば、電動ヒートポンプでは、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換するのではなく、熱を移動させる動力源として利用することにより、消費電力（消費エネルギー）の３倍近くの熱エネルギーが利用できると言われている。これは、石油などの化石燃料を燃焼させて熱エネルギーとする従来のシステムに比しても効率がよく、環境への負荷が小さいシステムといえる。このことから、ヒートポンプ式熱交換機器が近年広く利用されている。
【０００４】
一方、冷凍サイクルを利用した一般的な熱交換機器（空調機、冷蔵庫、冷凍機、給湯機など）には、従来からフロン系の冷媒が使用されていた。しかし、フロン系の冷媒は地球温暖化への影響が懸念される等の理由から、環境への負荷が小さい自然冷媒、特に二酸化炭素が最近注目されている。そして、経済的・環境的理由により、例えばエコキュートやカーエアコン用として、上述のヒートポンプと組み合わせた自然冷媒（特に二酸化炭素）ヒートポンプ式熱交換機器への期待が急速に高まっている。
【０００５】
二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ式熱交換機器には、一般的に、熱交換器として、ガスクーラ（放熱器）と蒸発器（吸熱器）が用いられており、それら熱交換器に使用される伝熱管として、ガスクーラ用冷媒管および蒸発器用冷媒管が使用されている。
【０００６】
また、例えば二酸化炭素冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機においては、ガスクーラは水熱交換器とも呼ばれ、上記２種類の伝熱管に加えて、冷媒と熱交換する別の伝熱管（ガスクーラ用水管）も使用される。そして、これら伝熱管（ガスクーラ用水管、ガスクーラ用冷媒管、蒸発器用冷媒管）に要求される技術的仕様はそれぞれで異なっている。
【０００７】
このような二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機に用いられる熱交換器としては、例えば、熱交換効率を向上させることを目的としてガスクーラ用水管内にインナーフィンを配設した熱交換器がある（特許文献１参照）。
【０００８】
しかしながら、特許文献１には、ガスクーラ用冷媒管について熱交換効率を向上させる構成等は開示されていない。
【０００９】
ガスクーラ用冷媒管について熱交換効率を向上させることを目的としたものとしては、ガスクーラ用冷媒管を所定の内面溝付伝熱管とした熱交換器がある（特許文献２，３参照）。
【特許文献１】特開２００２−５５１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２５７１６０号公報
【特許文献３】特開２００５−１８８７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ガスクーラ用冷媒管内を流れる二酸化炭素冷媒には、冷凍サイクルの圧縮機用の潤滑剤である圧縮機潤滑油が混入することにより、伝熱管の熱交換が阻害されるという重大な問題がある。これは、二酸化炭素冷媒と圧縮機潤滑油の相溶性が良くないためと考えられている。また、このような問題は、従来のフロン系冷媒には無かった課題である。
【００１１】
二酸化炭素冷媒を使用したヒートポンプ式熱交換機器（給湯機や空調機等）では、圧縮機の潤滑油として、通常、ポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）を用い、差圧給油方式で給油している。このとき、二酸化炭素冷媒を使用することの特徴として差圧（圧縮機前後の圧力差）が大きいために、給油絶対量が多くなりやすく、圧縮機外のサイクルに圧縮機潤滑油が流れ出てしまう（二酸化炭素冷媒中に圧縮機潤滑油が混入する、さらに、混入する量が多くなりやすい）という問題が生じる。
【００１２】
ちなみに、従来のフロン系冷媒を使用したヒートポンプ式熱交換機器では、圧縮機の差圧が１．５ＭＰａ程度で、フロン系冷媒中に混入する圧縮機潤滑油は、０．１〜０．１５質量％程度と言われている。また、フロン系冷媒と圧縮機潤滑油の相溶性は問題ない（良い）と言われている。
【００１３】
これに対し、二酸化炭素冷媒を使用したヒートポンプ式熱交換機器では、圧縮機の差圧がおよそ５．５〜７．５ＭＰａ程度と従来に比して４〜５倍も高いために、二酸化炭素冷媒中に混入する潤滑油濃度も非常に高くなることが考えられる。さらに、上述したように、二酸化炭素冷媒と圧縮機潤滑油の相溶性は良くないと考えられている。
【００１４】
特許文献２，３に記載の熱交換器では、管内を流れる冷媒中の圧縮機の潤滑油濃度による影響について検討されていない。例えば、特許文献３に記載の熱交換器では、冷媒中の圧縮機潤滑油の濃度が高いと熱交換効率向上の効果が得られない。これは、冷媒中に混在する圧縮機の潤滑油で伝熱管内面のフィン（伝熱管内面の溝）が埋もれてしまい、伝熱面積増大の寄与が相殺されてしまうためと考えられる。
【００１５】
また、ガスクーラ用冷媒管を流れる二酸化炭素は、レイノルズ数Ｒｅが非常に大きく、平滑管においても既に乱流化されているため、内面溝付管による乱流効果（乱流を発生させる作用）はほとんど意味を持たない。
【００１６】
従って、本発明の目的は、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式熱交換機器において、特に、ガスクーラ用冷媒管内の圧縮機潤滑油が比較的多い場合（例えば、０．２質量％以上）でも、平滑管比１．５倍以上に伝熱性能を向上させることが可能な冷媒用伝熱管、および当該伝熱管を用いたガスクーラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の本発明は、上記目的を達成するため、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式熱交換機器のガスクーラに使用される冷媒用伝熱管であり、かつ、前記冷媒としての二酸化炭素中には、前記ヒートポンプ式熱交換機器における冷凍サイクルを構成する圧縮機の潤滑油が０．２質量％以上１．０質量％以下混入している冷媒用伝熱管であって、前記冷媒用伝熱管は、外管と、該外管の内面に固定設置されたフィンとを備え、前記フィンは、３つの小径管により構成され、かつ、前記外管の管軸に垂直な断面において前記小径管のそれぞれが前記外管を中心とした略扇形を形成し前記外管へ接するとともに、前記外管の中心から前記外管上への線分上で隣の小径管と前記小径管が接するように設けられている中空フィンであり、さらに、前記外管の内径をＩＤおよび前記外管の内面から前記外管の中心方向への前記小径管の高さをＨｆとすると、Ｈｆ／ＩＤが０．１以上０．５以下であることを特徴とする冷媒用伝熱管を提供する。
【００１８】
本発明において、フィンの高さとは、伝熱管中心軸に直交する断面において、フィン材と伝熱管との接触部分から伝熱管の中心軸（前記断面の中心）方向へのフィンの最大高さをいう（従って、Ｈｆ／ＩＤの最大は０．５）。
【００１９】
上記第１の本発明は、下記の特徴を有する発明を包含する。
（１）前記フィン（すなわち、小径管）は、複数の小径管により構成されている中空フィンである。
（２）前記フィン（小径管）は、前記外管の肉厚以下の厚さを有する。
（３）前記フィン（小径管）は、嵌合により前記外管の内面に固定設置されている。
（４）前記フィン（小径管）を備えたことによる冷媒接触面積拡大率が１．５倍以上である。
（５）前記フィン（小径管）の高さをＨｆおよび前記外管の内径をＩＤとすると、Ｈf／ＩＤが０．１以上である。
【００２０】
本発明において、フィンを備えたことによる冷媒接触面積拡大率とは、当該伝熱管の中心軸に直交する断面における冷媒に対する濡れ縁長さ（wetted perimeter）を、該伝熱管と同じ外径および同じ耐圧能力を有する平滑管のそれで除したものと定義する。
【００２３】
なお、小径管を備えたことによる冷媒接触面積拡大率は、前述の定義から、小径管の内周の総和を外管内周で除したものと規定することができる（中空フィンの内部にのみ冷媒が流通する場合）。
【００２４】
また、上記の本発明は、下記の特徴を有する発明を包含する。
（１）前記ガスクーラは、冷凍サイクルの圧縮機の潤滑油としてポリアルキレングリコール油を用いたヒートポンプ式熱交換機器に用いられるものである。
（２）前記ガスクーラがヒートポンプ式熱交換機器の放熱器である。
【００２５】
さらに、上記目的を達成するため、上記本発明に係る冷媒用伝熱管を備えたことを特徴とするガスクーラを提供する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式熱交換機器（例えば、給湯機や空調機など）の放熱器（ガスクーラ）において、特に、ガスクーラ用冷媒管内の圧縮機潤滑油が比較的多い場合（例えば、０．２質量％以上）でも、平滑管比１．５倍以上に伝熱性能を向上させることが可能な冷媒用伝熱管、および当該伝熱管を用いたガスクーラを得ることができる。なお、本発明における伝熱性能とは、後述の式で算出される管内熱伝達率と定義する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
〔本発明の第１の参考形態〕
（二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機の構成）
二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式熱交換機器として、給湯機を例にとって説明する。
【００２８】
図１は、本発明の一参考形態および実施の形態における二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機の概略構成を示したものである。
【００２９】
二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機１０は、圧縮機１１、ガスクーラ（水熱交換器）１２、減圧器１３および吸熱器（蒸発器）１４を備え、これらを配管１５で接続することにより冷凍サイクルを構成し、二酸化炭素冷媒が封入されている。ここで、「圧縮機１１吐出部→水熱交換器１２→減圧器１３入口部」の領域は、冷媒が超臨界状態（臨界圧力を超える状態）になっている。圧縮機の潤滑油としては、例えばポリアルキレングリコール油（ＰＡＧ油）が用いられている。
【００３０】
（二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機の動作）
次に、二酸化炭素冷媒ヒートポンプ式給湯機１０の動作について説明する。
圧縮機１１で圧縮された（本参考形態では、例えば、約１０ＭＰａ）二酸化炭素冷媒は、臨界圧力（約７．４ＭＰａ）を超える状態（超臨界状態）でガスクーラ（水熱交換器）１２へ導入される。
【００３１】
超臨界状態の二酸化炭素冷媒は、液化しない（気液二相状態にならない）高温高圧状態となり、ガスクーラ（水熱交換器）１２において水などと熱交換（冷媒から放熱）する。その後、減圧器１３で減圧されて（本参考形態では、例えば、約３．５ＭＰａ）、低圧の気液二相状態となり、吸熱器１４へ導入される。
【００３２】
気液二相状態となった二酸化炭素冷媒は、吸熱器１４において、空気（大気）から吸熱してガス状態（気相の単相状態）となり、再び圧縮機１１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、ガスクーラ（水熱交換器）１２における冷媒からの放熱による加熱作用、吸熱器１４における冷媒の吸熱による冷却作用が行われる。
【００３３】
（冷媒用伝熱管の構成）
次に、本参考形態に係る熱交換器であるガスクーラ（水熱交換器）１２の冷媒用伝熱管について説明する。
【００３４】
図２は、板材をフィン材とした第１の参考形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【００３５】
冷媒用伝熱管２０は、板材からなるフィン材２を外管１内に挿入し、その外管１の内面にフィン材２が嵌合により固定設置された構成を有する（図２において、フィン数は２である）。
【００３６】
外管１の内径をＩＤおよびフィン材２からなるフィンの高さをＨｆとすると、Ｈｆ／ＩＤが０．１以上である０．５となっている。また、フィン材２からなるフィンを設置したことによる冷媒接触面積拡大率に関し、例えば、外管１の外径が４ｍｍ、外管１とフィン材２の肉厚がともに０．４ｍｍの場合で、冷媒接触面積拡大率は１．５倍以上である約１．６倍となっている。これにより、圧縮機の潤滑油が伝熱管内を多く流れても（例えば、冷媒量の０．５質量％程度以上混入しても）、その影響を受けずに、伝熱を促進することが可能となる。
【００３７】
フィンの高さＨｆをＨｆ／ＩＤ≧０．１、さらには冷媒接触面積拡大率を１．５倍以上とするために、管内面に設けるフィンを従来の転造加工によるものでなく、板材を挿入し、内面に密着させ、フィン材とすることで実現できる。
【００３８】
冷媒用伝熱管２０の外管１の材質としては、銅のほか、熱伝導率や機械的強度を勘案して、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることができる。
【００３９】
フィン材２の材質としては、外管１と同様に、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などを用いることができる。また、フィン材２の厚さは、外管１の肉厚以下の厚さとすることが望ましい。前述したように、二酸化炭素冷媒は非常に高圧（例えば、約１０ＭＰａ）となるが、耐圧性は、外管１の肉厚で確保できるため、挿入する板材は、外管１の肉厚より薄くすることが可能である。これにより、冷媒用伝熱管２０の質量増加（平滑管に対する）を最小限に抑えることができる。
【００４０】
（第１の参考形態の効果）
本参考形態によれば、以下の効果を奏する。
二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ式熱交換機器（給湯機や空調機など）のガスクーラにおいて、ガスクーラ用冷媒管内の圧縮機の潤滑油が比較的多い場合（例えば、冷媒量の０．５質量％程度以上）であっても、平滑管比１．５倍以上に伝熱性能を向上させることが可能な冷媒用伝熱管が得られる。
【００４１】
〔本発明の第２の参考形態〕
（冷媒用伝熱管の構成）
図３は、成形部材をフィン材とした第２の参考形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【００４２】
冷媒用伝熱管３０は、成形部材（図３では十字形）からなるフィン材３を外管１内に挿入し、その外管１の内面にフィン材３が嵌合により固定設置された構成を有する（図３において、フィン数は４である）。なお、成形部材の製造方法は特に限定されないが、押し出し加工などが好適に利用できる。
【００４３】
外管１の内径をＩＤおよびフィン材３からなるフィンの高さをＨｆとすると、Ｈｆ／ＩＤが０．１以上である０．５となっている。また、フィン材３からなるフィンを設置したことによる冷媒接触面積拡大率に関し、例えば、外管１の外径が７ｍｍ、外管１とフィン材３（図３の十字形）の肉厚がともに０．７ｍｍの場合で、冷媒接触面積拡大率は１．５倍以上である約１．９倍となっている。これにより、圧縮機の潤滑油が伝熱管内を多く流れても（例えば、冷媒量の０．２質量％程度以上混入しても）、その影響を受けずに、伝熱を促進することが可能となる。
【００４４】
フィンの高さＨｆをＨｆ／ＩＤ≧０．１、さらには冷媒接触面積拡大率を１．５倍以上とするために、管内面に設けるフィンを従来の転造加工によるものでなく、成形部材を挿入し、内面に密着させ、フィン材とすることで実現できる。
【００４５】
冷媒用伝熱管３０の外管１の材質、フィン材３の材質は、それぞれ第１の実施の形態の冷媒用伝熱管２０の外管１、フィン材（板材）２と同様である。フィン材３の厚さは、外管１の肉厚以下の厚さとすることが望ましい。前述と同様に、二酸化炭素冷媒は非常に高圧となるが、耐圧性は、外管１の肉厚で確保できるため、挿入する成形部材は、外管１の肉厚より薄くすることが可能である。これにより、冷媒用伝熱管３０の質量増加（平滑管に対する）を最小限に抑えることができる。
【００４６】
なお、フィン材３からなるフィンを設置したことによる冷媒接触面積拡大率は、フィン材３を設置したことによる圧力損失の増大率（該伝熱管の圧力損失/平滑管の圧力損失）を下回らないことが好ましい。これは、フィン材３の設置により該伝熱管内の冷媒流路断面積が減少し、冷媒接触面積拡大率以上に圧力損失が増大しないようにするためである。例えば、フィン材３と外管１の肉厚が同じ場合には、２．５倍以下とすることが好ましい。ただし、フィン材３の肉厚が外管１の肉厚よりも薄い場合、冷媒接触面積拡大率の上限は２．５倍よりも当然大きくなる。
【００４７】
（第２の参考形態の効果）
本参考形態によれば、第１の参考形態の効果のほかに、以下の効果を奏する。
フィン材の実効表面積を板材に比べ大きくすることが容易であり、より高性能化を図ることができる。
【００４８】
〔本発明の第１の実施の形態〕
（冷媒用伝熱管の構成）
図４は、小径管をフィン材とした第１の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【００４９】
冷媒用伝熱管４０は、フィン材としての３本の小径管４を外管１内に挿入し、その外管１の内面に３本の小径管４が嵌合により固定設置された構成を有する（図４において、フィン数は３である）。
【００５０】
外管１の内径をＩＤおよび小径管４からなるフィン（中空フィン）の高さをＨｆとすると、Ｈｆ／ＩＤに関し、例えば図４における、外管１の外径が４ｍｍ、外管１の肉厚が０．４ｍｍ、小径管４の肉厚が０．１ｍｍの場合で、Ｈｆ／ＩＤは０．１以上である０．４３となっている。また、３本の小径管４からなるフィンを設置したことによる冷媒接触面積拡大率は、１．５倍以上である約１．８倍以上となっている（小径管４の内側のみに冷媒を流通させた場合に約１．８倍となり、それ以外の部分を考慮した場合は１．８倍以上となる）。これにより、圧縮機の潤滑油が伝熱管内を多く流れても（例えば、冷媒量の０．２質量％程度以上混入しても）、その影響を受けずに、伝熱を促進することが可能となる。
【００５１】
フィンの高さＨｆをＨｆ／ＩＤ≧０．１、さらには冷媒接触面積拡大率を１．５倍以上とするために、管内面に設けるフィンを従来の転造加工によるものでなく、小径管４を挿入し、内面に密着させ、中空のフィン材とすることで実現できる。
【００５２】
冷媒用伝熱管４０の外管１の材質、小径管４の材質は、それぞれ第１の参考形態の冷
媒用伝熱管２０の外管１、フィン材（板材）２と同様である。小径管４の厚さは、外管１
の肉厚以下の厚さとすることが望ましい。前述と同様に、二酸化炭素冷媒は非常に高圧と
なるが、耐圧性は、外管１の肉厚で確保できるため、挿入する小径管は、外管１の肉厚よ
り薄くすることが可能である。これにより、冷媒用伝熱管４０の質量増加（平滑管に対す
る）を最小限に抑えることができる。
【００５３】
また、第１の実施の形態において、小径管４の外側に形成される空間（外管と小径管により形成される第１の空間５、および小径管同士により形成される第２の空間６）に対しては、冷媒を流通させてもさせなくても良いが、冷媒を流通させることにより冷媒接触面積拡大率（濡れ縁長さ）を増大させることが可能となり、伝熱面積を有効活用できる。
【００５４】
一方、第１の空間５と第２の空間６をシールして、該第１の空間５と該第２の空間６に冷媒を流入させないようにする（例えば、ろう材などを用いて当該伝熱管４０（あるいはガスクーラ）の両端末部分で密閉する）ことにより、該伝熱管４０の耐圧性に係わる外管１の肉厚を小径管４の肉厚分だけ減じることが可能となる。これにより、冷媒用伝熱管４０の質量増加（平滑管に対する）を最小限に抑えることができる。
【００５５】
（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、第１の参考形態の効果のほかに、以下の効果を奏する。
外管の内面と小径管の外面の密着長さを長くとることができるため、密着によるバラツキが小さく、安定した形状にすることができる。また、同じ理由により、伝熱に関するバラツキが小さくなり、安定した伝熱性能を得ることができる。
【００５６】
〔本発明のそのほかの実施の形態〕
本発明の実施の形態としては、上記の第１の実施の形態のほか、種々の形態があり、例えば、以下の形態が挙げられる。
（１）第１の実施の形態において、小径管４を３本としたが、２、４、５、７本としてもよい。この場合（３本の場合も含め）、小径管４を設置したことによる冷媒接触面積拡大率は、前述と同様に、小径管４を設置したことによる圧力損失の増大率（該伝熱管の圧力損失/平滑管の圧力損失）を下回らないことが好ましい。
【００５７】
（２）ヒートポンプ式給湯機を例に挙げて説明したが、ヒートポンプ式空調機などにおいても同様に適用できる。
【実施例】
【００５８】
図５に、伝熱性能を評価するための二重管式熱交換器の模式図を示す。図５に示すように、冷媒用伝熱管５１を内管とし、該内管の外側に冷媒から熱を除去する水を環状（ジャケット状）に流すための水管５２を有した二重管式熱交換器５０を構成した。
【００５９】
表１に、評価した冷媒用伝熱管の仕様を示す。
実施例１は、上記第１の実施の形態に係る伝熱管であり、外管（外径５．３ｍｍ、肉厚０．３８ｍｍ）に、小径管（外径２ｍｍ、肉厚０．１ｍｍ）を３本挿入した後、共引き加工を施して作製した。
【００６０】
比較例１〜６は、内面溝付管であり、従来の転造加工により作製した。参考例１〜３は、平滑管である。
【００６１】
なお、「ねじれ角」とは、内面溝付管における管中心軸方向と溝方向のなす角をいう。また、「底肉厚」とは、溝底部（内面溝付管において最も肉厚の薄い部分）での管の肉厚を意味し、管の耐圧性に関して、平滑管の肉厚および本発明の伝熱管における外管の肉厚と同義である。よって、内面溝付管における内径ＩＤは、「ＩＤ＝外径−底肉厚×２」とする。
【００６２】
【表１】
0004826343.tif 000002
【００６３】
表１に示した各冷媒用伝熱管の伝熱性能を測定した。表２に、伝熱性能測定における測定条件を示す。伝熱性能として管内熱伝達率を評価した。ここで、管内熱伝達率に対して、冷媒流路断面積による影響を抑制するために、冷媒用伝熱管の外径（φ４、φ５、φ７）ごとに冷媒質量速度を揃えた。
【００６４】
また、熱流束による影響を抑制するために、冷媒用伝熱管の外径ごとに冷媒温度範囲（測定温度範囲）を調整しながら測定した（冷媒入口温度〜冷媒出口温度を５〜６領域に分割し、各領域での熱流束が同等になるように水の流量を調整して測定した）。
【００６５】
また、冷媒中の潤滑油濃度（ＰＡＧ油濃度）は、流通している冷媒を二重管式熱交換器の冷媒入口の手前でサンプリング容器に採取し、サンプリング容器の容積と採取した冷媒の質量から（いわゆる重量法により）求めた。なお、測定条件における精度（制御・測定誤差）は、それぞれ表２の数値（数値は平均値）に対して、温度が±０．３℃程度、圧力が±０．１％程度、冷媒質量速度が±０．４％程度、ＰＡＧ油濃度が±０．１質量％程度である。
【００６６】
【表２】
0004826343.tif 000003
【００６７】
管内熱伝達率αは、以下のようにして求めた。
二重管式熱交換器における冷媒温度範囲ごとの冷媒入口温度Ｔｒ２［単位：Ｋ］、冷媒出口温度Ｔｒ１［単位：Ｋ］、水管の入口温度Ｔｗ１［単位：Ｋ］、水管の出口温度Ｔｗ２［単位：Ｋ］、および水の質量流量Ｇｗ［単位：ｋｇ/ｓ］を計測する。水の入口／出口温度から算出される代表温度（平均温度Ｔｗ［単位：Ｋ］）より、測定区間の水の定圧比熱Ｃｐｗが求まり、次式（１），（２）の関係から熱流速ｑ［単位：ｋＷ/ｍ２］および対数平均温度差ΔＴＬ［単位：Ｋ］が求まる。
【００６８】
【数１】
0004826343.tif 000004
【００６９】
ここで、Ａは熱交換面積（前記二重管式熱交換器において、水と接する冷媒用伝熱管の表面積）[単位：ｍ2]である。
【００７０】
【数２】
0004826343.tif 000005
【００７１】
ここで、
【００７２】
【数３】
0004826343.tif 000006
【００７３】
【数４】
0004826343.tif 000007
である。
【００７４】
また、熱流速ｑを対数平均温度差ΔＴＬで除すことにより、二重管式熱交換器の熱通過率Ｋ［単位：ｋＷ/(ｍ２Ｋ)］を次式（５）から算出することができる。
【００７５】
【数５】
0004826343.tif 000008
【００７６】
一方、水管の入口／出口温度から算出される代表温度(平均温度Ｔｗ)から、その温度における水の各物性値（密度、比熱、粘度、熱伝導率λｗ)が定まり、プラントル数Ｐｒが求まる。
【００７７】
また、水の物性値と質量流量によりレイノルズ数Ｒｅが求まり、次式（６）の関係により、水の熱伝達率αｗ［単位：ｋＷ/(ｍ２Ｋ)］が算出できる。
【００７８】
【数６】
0004826343.tif 000009
【００７９】
ここで、
ｄｅは水の環状流通部分の相当直径（流路面積の４倍を濡れ縁長さで除したもの）［単位：ｍ］
ｄｉは水管の内径［単位：ｍ］
ＯＤは冷媒用伝熱管の外径［単位：ｍ］
である。
【００８０】
管内熱伝達率α［単位：ｋＷ/(ｍ２Ｋ)］は、熱通過率Ｋと水の熱伝達率αｗ及び冷媒用伝熱管の外径ＯＤ、冷媒用伝熱管の内径ＩＤ［単位：ｍ］を用いて、次式（７）のように算出できる。
【００８１】
【数７】
0004826343.tif 000010
【００８２】
（実施例１、比較例１、参考例１）
図６は、実施例１、比較例１（内面溝付管）及び参考例１（平滑管）について平均冷媒温度と管内熱伝達率の関係を示した評価結果である。なお、平均冷媒温度とは、表２に示した冷媒入口温度〜冷媒出口温度を５〜６領域に分割した各温度領域における平均温度（該温度領域の冷媒入口温度と冷媒出口温度の平均）である。また、冷媒中の潤滑油濃度（ＰＡＧ油濃度）は０．５質量％とした。
【００８３】
図６より、実施例１の本発明に係る伝熱管の管内熱伝達率は、いずれの温度領域においても、平滑管（参考例１）や内面溝付管（比較例１）の管内熱伝達率よりも高いことが判る。また、その管内熱伝達率は、各温度領域において平滑管（参考例１）比で１．５倍以上高く、全体平均でも約１．７倍となっている。
【００８４】
（比較例２〜３、参考例２〜３）
表１に示す仕様の内面溝付管（比較例２〜３）、平滑管（参考例２〜３）について、上述と同様に管内熱伝達率の測定を行なった。図７、８は、比較例２〜３（内面溝付管）及び参考例２〜３（平滑管）について、ＰＡＧ油濃度が０．５質量％の場合の平均冷媒温度と管内熱伝達率の関係を示した評価結果である。
【００８５】
冷媒接触面積拡大率が約２．０倍の伝熱管（比較例２）や、フロン系冷媒において凝縮性能が大きく向上する高ねじれ角の伝熱管（比較例３）など、いずれの伝熱管においても、平滑管比１．５倍を超える伝熱性能を有するものはない。これらは、フロン系冷媒では想定できない結果であり、二酸化炭素冷媒中に混在する圧縮機潤滑油の影響と考えられる。
【００８６】
（実施例１、比較例４〜６）
図９は、実施例１および比較例４〜６（内面溝付管）の管内熱伝達率について上記と同様の評価を行い、冷媒接触面積拡大率を約１．８倍で統一してＨｆ／ＩＤで整理した図である。なお、図中の管内熱伝達率平滑管比とは、測定した各温度領域での管内熱伝達率を平均し（平均管内熱伝達率）、平滑管（参考例１）の平均管内熱伝達率で除したものである。また、冷媒中の潤滑油濃度（ＰＡＧ油濃度）は０．５質量％とした。
【００８７】
図９の結果は、冷媒中の圧縮機潤滑油が比較的多い場合（例えば、０．５質量％）に、伝熱管のＨｆ／ＩＤと管内熱伝達率平滑管比が強い相関を持つことを表している。比較例４〜６（内面溝付管）において管内熱伝達率平滑管比が小さかった理由は、冷媒中に混在する圧縮機の潤滑油で伝熱管内面のフィン（伝熱管内面の溝）が埋もれてしまい、伝熱面積増（冷媒接触面積拡大率＝約１．８倍）の寄与が相殺されてしまうためと考えられる。図９から、管内熱伝達率平滑管比１．５以上を得るためには、少なくともＨｆ／ＩＤ≧０．１が必要であると判る。
【００８８】
従来の転造加工による内面溝付管では、その加工方法による制約からＨｆ／ＩＤは最大でも０．０７〜０．０８程度と考えられている。これに対し、本発明に係る伝熱管は、Ｈｆ／ＩＤ≧０．１、さらには冷媒接触面積拡大率１．５倍以上という特徴を有することから、平滑管比で１．５倍以上の管内熱伝達率を得ることができる。
【００８９】
図１０は、実施例１及び比較例１（内面溝付管）の性能について、冷媒中のＰＡＧ油濃度と管内熱伝達率平滑管比（参考例１との比）の関係を示した図である。図から判るように、ＰＡＧ油濃度が比較的高い領域（例えば、０．２質量％程度以上）で、本発明に係る伝熱管は従来の内面溝付管よりも明らかに高い伝熱性能を有している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の一参考形態および実施の形態におけるヒートポンプ式給湯機の概略構成図である。
【図２】板材をフィン材とした第１の参考形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【図３】成形部材をフィン材とした第２の参考形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【図４】小径管をフィン材とした第１の実施の形態に係る冷媒用伝熱管の断面図である。
【図５】伝熱性能を評価するための二重管式熱交換器の模式図である。
【図６】実施例１、比較例１（内面溝付管）及び参考例１（平滑管）について平均冷媒温度と管内熱伝達率の関係を示した評価結果である。
【図７】比較例２（内面溝付管）及び参考例２（平滑管）について平均冷媒温度と管内熱伝達率の関係を示した評価結果である。
【図８】比較例３（内面溝付管）及び参考例３（平滑管）について平均冷媒温度と管内熱伝達率の関係を示した評価結果である。
【図９】実施例１および比較例４〜６（内面溝付管）の性能について、冷媒接触面積拡大率を１．８倍で統一してＨｆ／ＩＤで整理した図である。
【図１０】実施例１および比較例１（内面溝付管）の性能について、ＰＡＧ油濃度と管内熱伝達率平滑管比の関係を示した図である。
【図１１】ヒートポンプ式熱交換機器と、そこで使用される冷媒との相関関係を例示した図である。
【符号の説明】
【００９１】
１：外管
２：板材によるフィン材
３：成形部材によるフィン材
４：小径管
５：外管と小径管により形成される第１の空間
６：小径管同士により形成される第２の空間
１０：ヒートポンプ式給湯機
１１：圧縮機
１２：ガスクーラ（水熱交換器）
１３：減圧器
１４：吸熱器（蒸発器）
１５：配管
２０，３０，４０：冷媒用伝熱管
５０：二重管式熱交換器
５１：冷媒用伝熱管
５２：水管
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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