(57)【要約】【課題】伝熱性能が高く、単位長さあたりの質量が小さく、且つ転造加工性が優れた内面溝付管を提供する。【解決手段】管内面に螺旋状の溝が形成された内面溝付伝熱管において、外径Ｄが４乃至８ｍｍ、隣接する溝間に形成されたフィンの管軸方向に対して傾斜する角度であるフィンねじれ角θが１５乃至４５°、フィン高さｈが０．１５乃至０．３５ｍｍ、管軸直交断面におけるフィンの山頂角αが１０°以下、管周あたりのフィン数ｎが５０乃至７０、管軸直交断面におけるフィン先端の湾曲部の曲率半径ｒが０．０４ｍｍ以上であり、溝部の肉厚ｔと管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０３５以下であることを特徴とする内面溝付伝熱管。前記山頂角αは５°以上であることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管内面に螺旋状の溝が形成された内面溝付伝熱管において、外径Ｄが４乃至８ｍｍ、隣接する溝間に形成されたフィンの管軸方向に対して傾斜する角度であるフィンねじれ角θが１５乃至４５°、フィン高さｈが０．１５乃至０．３５ｍｍ、管軸直交断面におけるフィンの山頂角αが１０°以下、管周あたりのフィン数ｎが５０乃至７０、管軸直交断面におけるフィン先端の湾曲部の曲率半径ｒが０．０４ｍｍ以上であり、溝部の肉厚ｔと管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０３５以下であることを特徴とする内面溝付伝熱管。
【請求項２】
前記山頂角αが５°以上であることを特徴とする請求項１に記載の内面溝付伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用及び業務用エアコンディショナ等に使用される空冷式熱交換器に組み込まれる伝熱管として使用される伝熱性能に優れた内面溝付伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用及び業務用エアコンディショナ等に用いられる熱交換器はプレートフィンチューブ型熱交換器といわれ、積層したアルミフィンに挿入した内面溝付管を拡管してアルミニウムフィンと内面溝付管とを一体化することにより製作される。プレートフィンチューブ型熱交換器には伝熱性能が良いこと、軽量であること等が求められるため、それに用いる内面溝付管には、管内を流れるフロン系冷媒及び代替フロン冷媒と、内面溝付管との間の熱伝達性能が良いこと、管とアルミニウムフィンとの間の熱伝達性能が良いこと、単位長さあたりの管の質量が小さいこと等が求められる。
【０００３】
これらの要求に対し、以下のように、管内に種々の形状のフィンを形成した内面溝付管が提案されている。
【０００４】
例えば、管軸直角断面で、フィン山頂角が１０〜３０°、溝深さ（Ｈ）と管内径（Ｄｉ）との比Ｈ／Ｄｉが０．０４〜０．０５、管軸直角断面での各溝の断面積（Ｓ）と溝深さ（Ｈ）との比Ｓ／Ｈが０．２〜０．４、溝の傾斜面部と溝底間に曲率半径Ｒの円弧状部を設け、Ｈ／Ｒが４〜１０になるようにすることにより、成形加工性を低下させずに、スリムなフィン形状とすることができ、伝熱性能に優れた内面溝付伝熱管が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
また、内面溝付管のフィン山頂角（α）を１０〜３０°とし、さらにフィン高さ（Ｈ）とフィン根元半径（Ｒ）の比（Ｈ／Ｒ）を２〜４．５に設定して、内面溝付管の伝熱性能及び生産効率の向上を図った伝熱管が提案されている（特許文献２）。
【０００６】
また、伝熱性能及び加工性の向上を図るために、リード角（θ）が３０〜６０°、フィン高さ（Ｈ）が０．１５〜０．３０ｍｍ、フィン山頂角（α）が５〜３０°、フィン根元半径（Ｒ）がＨ／３〜２Ｈ／３ｍｍ、フィンピッチ（Ｌ）０．２〜０．５ｍｍ、及びフィン根元半径とフィンピッチとの比（Ｒ／Ｌ）が０．１５〜０．５である内面溝付管が提案されている（特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−４９９９２号公報
【特許文献２】特開２００１−５０６７９号公報
【特許文献３】特開２００４−２３０４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、近時、エアコンに対するＣＯＰ（熱力学的動作係数：Coefficient of performance）値の向上の要求が更に強くなっており、それに対応して特許文献１乃至３に提案されているような内面溝付管に対しても、更に一層の熱伝達性能の向上及び単位長さあたりの質量の低減が求められている。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、伝熱性能が高く、単位長さあたりの質量が小さく、且つ転造加工性が優れた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】
【００１０】
本発明に係る内面溝付伝熱管は、管内面に螺旋状の溝が形成された内面溝付伝熱管において、外径Ｄが４乃至８ｍｍ、隣接する溝間に形成されたフィンの管軸方向に対して傾斜する角度であるフィンねじれ角θが１５乃至４５°、フィン高さｈが０．１５乃至０．３５ｍｍ、管軸直交断面におけるフィンの山頂角αが１０°以下、管周あたりのフィン数ｎが５０乃至７０、管軸直交断面におけるフィン先端の湾曲部の曲率半径ｒが０．０４ｍｍ以上であり、溝部の肉厚ｔと管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０３５以下であることを特徴とする。
【００１１】
この内面溝付伝熱管において、前記山頂角αが５°以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い伝熱性能を保持しながら、単位長さあたりの質量を小さくすることができ、且つ良好な転造加工性及び拡管性を有する内面溝付伝熱管が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施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は本実施形態に係る内面溝付管を示す断面図であり、図２はこの内面溝付管の製造工程を示す断面図であり、図３はこの内面溝付管を用いてプレートフィンチューブ型熱交換器を製作するときの断面図である。図４は、熱交換器の伝熱性能の測定に使用する空気熱交換器性能測定装置の構成を示す模式図である。図５は、図４に示す空気熱交換器性能測定装置の測定対象となるプレートフィンチューブ型熱交換器を示す模式図である。
【００１４】
本発明の伝熱管の素材には、銅又は銅合金を用いればよく、例えば、りん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２０１、又はＣ１２２０）を用いればよい。この他に、熱伝導度、耐食性、及び加工性が良いＣｕ−０．１〜１．０％Ｓｎ−０．０１〜０．０４％Ｐ等の銅合金を用いても良い。この内面溝付伝熱管は外径Ｄが４乃至８ｍｍである。
【００１５】
本実施形態の内面溝付伝熱管は、管内面に螺旋状に延びる溝４が形成され、溝４間に、フィン２が形成されている。管軸直交断面において、このフィン２の山頂角αは１０°以下、フィン２の捻れ角θ（管軸方向に対して傾斜する角）は１５乃至４５°、フィン高さｈは０．１５乃至０．３５ｍｍである。フィン先端部が、管軸直交断面において、曲率半径ｒが０．０４ｍｍ以上に湾曲して形成され、フィン数ｎは、管周あたり５０〜７０個、溝４の肉厚ｔと管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０３５以下である。なお、フィン２の山頂角αは５°以上であることが好ましい。
【００１６】
以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。
外径Ｄが４乃至８ｍｍ
熱交換器そのものが小型化しており、それに対応するため本発明の内面溝付管の外径Ｄも８ｍｍ以下であることが必要になる。一方、管外径Ｄが４ｍｍより小さくなると、本発明の形状のフィンを有する内面溝付管は、転造法による加工が難しくなることから、管外径の下限値を４ｍｍとする。なお、望ましい管外径は５乃至７ｍｍである。
【００１７】
フィンのねじれ角θが１５乃至４５°
フィンのねじれ角θが大きいほど管内を流れる冷媒が攪拌され、単位長さあたりの管内表面積が大きくなるため、内面溝付管の伝熱性能が大きくなる。ねじれ角θが１５°より小さいと、前記攪拌効果が小さく、伝熱性能の向上が十分でない。また、ねじれ角θが４５°を超えると、本発明の形状のフィンを転造加工により製造することが難しくなる。従って、ねじれ角θの上限値を４５°とする。なお、ねじれ角θは好ましくは２０乃至４０°である。
【００１８】
フィン高さｈが０．１５乃至０．３５ｍｍ
フィン高さｈが低いと、冷媒蒸気が接触するフィンの長さが短くなるため蒸発性能が低くなる。また、凝縮伝熱時にはフィン先端まで冷媒液で覆われやすくなり、凝縮性能も低くなる。一方、フィン高さｈが高くなるほど蒸発性能及び凝縮性能が向上するが、管内の圧力損失が増大し、フィンを転造加工することが難しくなる。従って、フィン高さｈは０．１５乃至０．３５ｍｍとする。なお、フィン高さｈは望ましくは０．２乃至０．３ｍｍである。
【００１９】
管軸直交断面におけるフィンの山頂角αが１０°以下
山頂角αが小さいほどフィン形状が鋭角的になる。隣接するフィン先端の間隔が同一であっても、山頂角αが小さいと、フィンの斜面間の距離が大きくなるので、蒸発伝熱時には液膜が薄くなり、蒸発伝熱性能が向上する。また、凝縮伝熱時には、フィン先端で凝縮した凝縮冷媒液の排出が行われやすくなり、凝縮伝熱性能が向上する。また、単位長さあたりの内面溝付管の質量が小さくなる。一方、山頂角αが小さくなると、転造加工によるフィンの形成が困難となり、また熱交換器組立て時のフィンの潰れ及び倒れが大きくなり、熱交換器としての伝熱性能が低下する。本発明の形状の内面溝付管においては、これらの点を考慮してフィンの山頂角を１０°以下とする。フィンの山頂角の下限値は管内のフィンの高さ、フィン先端部の曲率半径、溝部の肉厚等に合わせ、フィンの潰れ及び倒れが小さいように１０°以下の値とすることが可能である。伝熱性能を維持しながら、フィンの潰れ量及びフィンの倒れを少なくするにはフィンの山頂角を５乃至１０°とすることが望ましい。
【００２０】
フィン数ｎが管周あたり５０乃至７０
フィン数が多いほど管内の表面積が増大するが、溝部の断面積が小さくなるため、伝熱性能に対してはプラス面とマイナス面がある。また、フィン数が多いほど単位長さあたりの内面溝付管の質量が大きくなり、本発明のような山頂角の小さい内面溝付管においてはフィンの形成が難しくなる。これらのバランスを考慮し、本発明の内面溝付管においては、フィン数を５０乃至７０とする。なお、フィン数は望ましくは５５乃至６５とする。
【００２１】
フィン先端部の湾曲が管軸直交断面において曲率半径ｒで０．０４ｍｍ以上
管軸直交断面において測定したフィン先端部の曲率半径が０．０４ｍｍ未満であると、内面溝付管を拡管するときにフィンの潰れや倒れがおきやすくなる。このため、フィン先端部の曲率半径ｒを０．０４ｍｍ以上とする。なお、フィン先端部の曲率半径ｒは０．０４５ｍｍ以上であることが望ましく、０．０５ｍｍ以上であることが更に望ましい。一方、この値が大きくなるほどフィン２の幅が大きくなり、内面溝付管の単位長さあたりの質量が増加してしまうため、曲率羽機ｒは０．０８ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
溝部の肉厚ｔと管の外径Ｄとの比ｔ／Ｄが０．０３５以下
内面溝付管を拡管するとき、拡管ビレットは先ず管内のフィン先端と接触し、拡管圧力がフィンを通して管壁に伝わり、管の外径が増大する。ｔ／Ｄの値が０．０３５を超えると、管壁部の変形抵抗が大きくなり、フィンの潰れ及び倒れが発生しやすくなる。従って、ｔ／Ｄは０．０３５以下とする。なお、ｔ／Ｄの下限値は管内を流れる冷媒の圧力、管の引張り強さ等により定まる耐圧強度により求めることができる。
【００２３】
なお、本発明の内面溝付管はフィンの頂角αが従来のものより小さいため、転造加工を行いやすくするため、フィン根元部と溝底部とが円弧で滑らかに接続する形状であることが望ましい。この部分の円弧形状は、その曲率半径が大きいほど加工が行いやすくなるが、同時に内面溝付管の単位質量も大きくなる。このため、前記曲率半径はフィン高さの１／３未満であることが望ましい。
【００２４】
次に、上述の内面溝付伝熱管の製造方法について説明する。図２は本発明の内面溝付伝熱管の製造方法を示す断面図である。先ず、伝熱管素管１８内に、フローティングプラグ１２と、連結棒１４を介してこのフローティングプラグ１２に連結された溝付プラグ１３とを配置し、フローティングプラグ１２に整合する管外面位置にダイス１１を配置する。溝付プラグ１３は、連結棒１４に回転可能に連結されており、その外面には、螺旋状の溝が形成されている。そして、この溝付プラグ１３の位置に整合する管外面に、管周方向に転動する球状の複数個の転圧回転体を配置する。伝熱管素管１８を矢印方向に引き抜く際に、フローティングプラグ１２はダイス１１により係止されてダイス１１の配設位置にとどまり、連結棒１４を介してフローティングプラグ１２に連結された溝付プラグ１３も転圧回転体１５の配設位置にとどまる。そして、転圧回転体１５を回転させながら伝熱管素管１８を矢印方向に引き抜くと、素管１８は、溝付プラグ１３と転圧回転体１５との間で押圧され、素管１８の内面に溝付プラグ１３の溝形状が転写される。このとき、管内面に溝が形成されると共に、溝付プラグ１３が回転する。これにより、管内面に連続した溝が形成される。このようにして管内に溝が形成された管は所定の外径を有するダイス１７に通されることにより、目的とする外径に成形される。
【００２５】
このようにして製作された内面溝付管を所定の長さに切断後、Ｕ字状に曲げ、図３に示すように、管外径の１０３〜１０５％程度の直径の孔２６ａをプレス打抜き加工したアルミニウム薄板積層体２６に、このＵ字曲げ内面溝付管２５を挿入する。その後、内面溝付管２５内に拡管ビレット２７を挿入し、拡管することにより、内面溝付管２５とアルミニウム薄板積層体２６とが一体化される。この後、内面溝付管２５の開放端にＵ字曲げした短尺管（図示せず）を連結し、両者をろう付けすることにより、プレートフィンチューブ型熱交換器が製作される。
【実施例】
【００２６】
以下本発明の効果について、本発明の範囲に入る実施例を本発明の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
（第１の実施例）
外径と肉厚が異なるりん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００のＣ１２２０）軟質素管を、種々の形状の溝付プラグを用いて転造加工することにより、実施例及び比較例の長尺の内面溝付管を製作した。下記表１は、内面溝付管の外径Ｄ、ねじれ角θ、フィン高さｈ、管軸直交断面におけるフィンの山頂角α、フィン数ｎ、管軸直交断面におけるフィン先端部の曲率半径ｒ、溝部の肉厚ｔと管の外径との比ｔ／Ｄを示す。転造加工においては、ねじれ角、フィン高さ、フィンの山頂角、フィン数等により転造ボールの公転速度、及び管の引抜き速度を変化させた。また、フィンと溝底部とをつなぐ円弧の曲率半径はフィン高さに対して１／３未満（管軸直交断面）とした。このようにして製作した内面溝付管をレベルワウンドコイルに巻回し、適当な条件で焼鈍して軟質材とした。
【００２７】
【表１】
2007255742.tif 000003
【００２８】
前記内面溝付管軟質材レベルワウンドコイルより調査用の試料を採取し、単位長さあたりの質量、フィン形成状況（フィンが正しい形状に形成されているか）を確認し、拡管試験を行って管内のフィンのつぶれ・倒れの状況を観察した。
【００２９】
この単位長さあたりの質量として、長さ１ｍあたりの質量を測定した。フィン形成状況は、管軸直交断面を光学顕微鏡にて観察し、溝付プラグの溝形状のとおりにフィンが形成されているもの（溝付プラグの溝部の底まで素管の肉が完全に充填されているもの）を○、そうでないものを×とした。拡管試験は内面溝付管の内径に合わせて種々の径の拡管ビレットを準備し、管内に前記拡管ビレットを挿入して拡管率１０５％で拡管し、拡管後の内面溝付管の管軸直交断面を光学顕微鏡で観察し、内面フィンのつぶれ量、及びフィンの倒れの有無を観察した。なお、拡管率は、下記の式により算出した。
【００３０】
【数１】
2007255742.tif 000004
【００３１】
拡管後の内面溝付管の管軸直交断面を光学顕微鏡にて観察し、フィンの倒れの有無、及びフィン高さの減少量を調査した。フィンの倒れがないものを○、フィンの倒れがあるものを×とした。また、フィン高さの減少量が０．０２ｍｍ以下のものを○、０．０２ｍｍを超えるものを×とした。
【００３２】
その結果、表１に示すように、本発明例の内面溝付管はいずれも、所定形状のフィンが正しく転造加工され、また、拡管後のフィンの倒れや潰れが小さく、良好な伝熱性能を有するプレートフィンチューブ型熱交換器を製作することが可能である。
【００３３】
一方、比較例１３の内面溝付管はフィン高さが本発明の範囲の上限値より大きく、フィンが倒れて管内面にフィンを正しく形成することができなかった。比較例１４の内面溝付管はフィンの形成、拡管によるフィン倒れ・フィン潰れは問題ないが、山頂角が本発明の範囲の上限値より大きいため、単位長さあたりの質量が大きく、また伝熱性能が本発明の内面溝付管より劣る。比較例１５の内面溝付管はフィン数が本発明の範囲の上限値より大きく、管内面にフィンを正しく形成することができなかった。比較例１６の内面溝付管はフィン先端の曲率半径が本発明の範囲の上限値より小さく、管内面にフィンを正しく形成することができなかった。比較例１７の内面溝付管はフィンの形成、拡管によるフィン倒れは問題ないが、ｔ／Ｄの値が本発明の範囲の上限値を超えるため、拡管によるフィンの潰れが大きくなり、伝熱性能が本発明の内面溝付管より劣る。
【００３４】
（第２の実施例）
第１実施例の実施例８、１０及び比較例１４の内面溝付管を用いてプレートフィン型熱交換器を製作し、それらの熱交換性能を測定した。図４は熱交換器の伝熱性能の測定に使用した空気熱交換器性能測定装置の構成を示す模式図であり、図５はこの空気熱交換器性能測定装置（以下、測定装置という）の測定対象となる熱交換器３１を示す模式図である。また、下記表３は、熱交換器３１の仕様を示し、下記表４は熱交換器性能の測定条件を示す。
【００３５】
熱伝達性能の測定結果を下記表２に示す。本発明の実施例の内面溝付伝熱管は、管内面フィンの山頂角が小さいため、凝縮伝熱性能及び蒸発伝熱性能が比較例のものより優れていた。
【００３６】
【表２】
2007255742.tif 000005
【００３７】
【表３】
2007255742.tif 000006
【００３８】
【表４】
2007255742.tif 000007
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る内面溝付伝熱管を示す管軸直交断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る内面溝付伝熱管の製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態の内面溝付伝熱管を使用した熱交換器の製造方法を示す断面図である。
【図４】熱交換器の伝熱性能の測定に使用した空気熱交換器性能測定装置を示す模式図である。
【図５】この測定装置の測定対象となる熱交換器３１を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：内面溝付伝熱管
２：フィン
４：溝
１１、１７：ダイス
１２：フローティングプラグ
１３：溝付プラグ
１４：連結棒
１５：転圧回転体
１８：素管
【図１】
2007255742.tif 000008
【図２】
2007255742.tif 000009
【図３】
2007255742.tif 000010
【図４】
2007255742.tif 000011
【図５】
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